基于激光扫描的大锻件三维尺寸测量

　　大锻件是重大装备制造业巾大型核心部件的关键材料，例如核电站堆内成套锻件、发电转子设备、船用曲轴、潜艇用电机轴、高压反应釜、化工容器等，大锻件的发展对国防实力提升、重大装备制造等都具有重要意义。但大锻件的制造过程部是在高温、高压、强烈振动等条件下进行，生产周期长、工艺复杂、材料与能源消耗部很巨大，所以其成品率及钢锭利用率的高低决定了锻压工厂的发展与经济效益。

　　目前，国内的锻压厂普遍采用传统的人工接触式直接测量，对于直径在两米以下的轴类锻件，通常由操作人员手持卡钳或量杆近距离测量[1]。这种直接测量的方式虽然比较简单，但人眼读数误差，以及测量截面位置和数量有限造成余量过大，浪费材料和加工工时，若余量太小，则可能无法加工成成品; 同时人工测量需接近温度极高的大锻件，工作条件恶劣。

　　美国、日本、德国、俄罗斯以及韩国等在大锻件测量方面的技术比较成熟，主要采用的方式为机械式测量和光学式测景，机械式测量主要采用坐标测量机(CMM) ，光学测量主要采用CCD成像和激光测量。最典型的是美国的HOTEYE_RSB 影像式检测系统，该系统是美国OG Technologies 公司在美国联邦政府和美国钢铁工业协会(AISI) 的支持下，研究开发的高新棒线材在线应用技术，侧重于对生产工艺的指导及对产品质量的提高，已经应用于日本北海道道某钢铁公司及中国宝钢，但是该系统测量尺寸范围较小，不能测量大锻件尺寸[2]; 日本神户制钢所研制出基于双CCD成像的大锻件测量系统，该系统采用线阵式CCD 摄像头摄像，通过图像处理、图像拼接、数学建模计算出锻件尺寸，实现了大范围测量，但是由于摄像机只能提供二维信息，故不能得到三维尺寸[3]; 德国的 LaCam-Forge 系统采用激光扫描测距仪，根据锻件二维信息得出锻件尺寸，且已用于生产实践[4]; 法国的AREVA SFAR STEEL 采用地面激光扫描仪技术，并成功应用于锻件生产[5]; Harding 介绍的一种用于热轧圆钢直径的非接触在线测量方法[6]，该测量系统由两个线阵CCD 摄像机和两个照明系统组成，CCD 安装到可移动平台上，热轧钢管通过镜头成像在CCD 阵列上，通过CCD 上的像素数和放大倍数可计算出热轧钢管的直径: 但是该方案之适用于尺寸较小的棒材。相比之下，国内的研究起步较迟，目前主要有燕山大学的基于线阵式CCD 的测量方法[7]，该方法只能测量锻件二维信息，以用于某锻压厂，测量锻件三维信息则需要面阵CCD，该方案仍在研发中: 上海交通大学基于球面并联机构的激光测距取得了很好的效果，装置轻便，便于安装和测量，但也有一些不完美的地方[8-9]，球面机构旋转精度. 与结构中心标定不便; 天津大学裘祖荣教授及其团队研制的光学接触靶测量系统[10]由激光跟踪测量系统和光学接触靶组成，其硬件主要包括两台激光跟踪仪、光学接触靶、信号接收器和用于夹持测量棒的机械手; 该方案不足之处在于需要研制高精度的机械手和价格较贵的激光追踪仪，系统成品较高且安装标定难; 大连理工大学贾振元教授及其团队所研制的锻件热态尺寸非接触测量方法是基于有条件结构光投影和双CCD 成像原理，也取得了一些较好的效果。下面所介绍的系统是采用基于双轴直角坐标的运动执行机构，激光测头整周旋转实现截面尺寸测量。这种机构测量速度非常快，激光扫描头的旋转频率可达10Hz，一秒钟就可以获取单个截面的10 组数据; 同时不需要高精度的回转运动单元，通过导轨的直线运动，可以测量较大尺寸范围的锻件; 检测精度、测量精度受测帚距离影响非常小，系统误差较容易控制与消除，同时锻件上点的坐标计算相当简单，采用MATLAB 进行数据处理与椭圆最小二乘拟合及轴线直线度误差算法不复杂[11]，可快速测量超大型轴类、环形及阶梯型锻件。