光學(xué)空間尺寸測(cè)量技術(shù)在大型鑄鋼件尺寸檢測(cè)過(guò)程中的應(yīng)用

馬金鑫，李文定，馬文治

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

1 前言

目前，大型鑄鋼件普遍使用的尺寸測(cè)量方法有傳統(tǒng)的手工測(cè)量、三維劃線儀等。由于傳統(tǒng)三維劃線儀測(cè)量精度差、效率低，在固定平臺(tái)上無(wú)法移動(dòng)，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，整個(gè)測(cè)量過(guò)程需人腦和人手配合完成，需要笨重的儀器在導(dǎo)軌上滑動(dòng)行走來(lái)完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程，易出現(xiàn)人為識(shí)圖錯(cuò)誤、相關(guān)尺寸計(jì)算錯(cuò)誤、各種復(fù)雜曲面形狀無(wú)法計(jì)算測(cè)量、手工配合儀器測(cè)量累計(jì)誤差大等問(wèn)題，不僅增加測(cè)量過(guò)程中的轉(zhuǎn)運(yùn)成本，也嚴(yán)重制約鑄鋼件生產(chǎn)效率的提高。因此,傳統(tǒng)尺寸檢測(cè)方法已無(wú)法滿(mǎn)足大型鑄鋼件的測(cè)量需要。本文通過(guò)對(duì)新的光學(xué)智能化空間尺寸測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用分析，利用光學(xué)智能化空間尺寸測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研究探索出一套更適用于大型鑄鋼件的新型、便攜、高效率、高精度的全流程、全生產(chǎn)區(qū)域無(wú)障礙的測(cè)量方法，優(yōu)化原有檢驗(yàn)流程及方法，達(dá)到尺寸檢測(cè)過(guò)程提質(zhì)增效的目的。

2 實(shí)施過(guò)程

2.1 傳統(tǒng)測(cè)量方法存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)測(cè)量方法有手工測(cè)量及大型三維劃線儀劃線測(cè)量，測(cè)量精度低、出錯(cuò)率高、效率低、設(shè)備無(wú)法移動(dòng)。目前大型鑄鋼件產(chǎn)品類(lèi)型越來(lái)越多，形狀也越來(lái)越復(fù)雜，如燃?xì)廨啓C(jī)及核電蒸汽輪機(jī)鑄件外壁各種復(fù)雜曲面、水輪機(jī)葉片水力型線面、大型礦山機(jī)械部件的部分內(nèi)壁、空腔、孔洞等部位，使用常規(guī)的手工和三維劃線檢測(cè)儀均無(wú)法測(cè)量。造型過(guò)程中的尺寸檢測(cè)，如造型地坑內(nèi)的砂型、砂芯等由于測(cè)量?jī)x器無(wú)法移動(dòng)到造型地坑導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量等。部分模型芯盒內(nèi)部復(fù)雜形狀由于三維劃線儀自身結(jié)構(gòu)的限制無(wú)法測(cè)量等。

圖1 三坐標(biāo)劃線檢測(cè)儀檢測(cè)

3 攝影測(cè)量系統(tǒng)與光筆測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用及效果

通過(guò)新型尺寸測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，改變大型鑄鋼件的尺寸檢驗(yàn)方法和流程，擴(kuò)展大型鑄鋼件的尺寸測(cè)量范圍，提高全流程尺寸測(cè)量控制能力，為大型鑄鋼件全流程制造過(guò)程和設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供服務(wù)。

3.1 攝影測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)是相機(jī)經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的焦距校準(zhǔn)和專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)合的尺寸測(cè)量系統(tǒng)，采用高分辨率攝影測(cè)量專(zhuān)用相機(jī)，在不同位置和方向獲取被測(cè)工件兩幅或多幅數(shù)字圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理、標(biāo)志識(shí)別、圖像空間匹配、空間三角交匯及光束平差后得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，采用專(zhuān)用軟件快速計(jì)算出大型鑄鋼件表面幾何偏差，依據(jù)被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)對(duì)工件進(jìn)行空間幾何尺寸檢測(cè)。如圖2 所示，三坐標(biāo)劃線檢測(cè)儀無(wú)法測(cè)量的內(nèi)壁，攝影測(cè)量相機(jī)都可以測(cè)量。

3.1.1 可測(cè)量范圍大幅度提升

攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由一臺(tái)相機(jī)和專(zhuān)用擬合計(jì)算軟件組成，尺寸測(cè)量人員在整個(gè)生產(chǎn)工序測(cè)量鑄件，只需提著一臺(tái)相機(jī)就可以進(jìn)行測(cè)量，即人可以到達(dá)的地方，相機(jī)都可以進(jìn)行測(cè)量。攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用后，整個(gè)生產(chǎn)流程中需要進(jìn)行尺寸測(cè)量的工序全部可以進(jìn)行測(cè)量，從新制模型測(cè)量、砂型測(cè)量、合箱尺寸測(cè)量、打箱后鑄態(tài)尺寸變形驗(yàn)證測(cè)量、質(zhì)量熱處理后尺寸測(cè)量、粗加工后的尺寸測(cè)量等已全部實(shí)現(xiàn)，目前由于攝影測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，部分產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)模造型。

3.1.2 測(cè)量精度及準(zhǔn)確性提高

三維劃線儀的測(cè)量精度為0.5mm，攝影測(cè)量相機(jī)的測(cè)量精度為10μm+10μm/m。測(cè)量精度明顯提高；攝影測(cè)量系統(tǒng)完全依靠計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，將攝影測(cè)量相機(jī)測(cè)量的點(diǎn)和三維數(shù)字模型進(jìn)行擬合計(jì)算，無(wú)需人腦計(jì)算及人眼看圖，測(cè)量準(zhǔn)確度顯著提高。

3.1.3 測(cè)量成本降低，測(cè)量效率提高

三維劃線儀測(cè)量任何一個(gè)產(chǎn)品，均需將被測(cè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)、吊運(yùn)到三維劃線平臺(tái)上，才可以進(jìn)行尺寸劃線測(cè)量，在這個(gè)過(guò)程中大大增加了鑄鋼件的轉(zhuǎn)運(yùn)、吊運(yùn)成本及時(shí)間的浪費(fèi)。另外，三維劃線儀整個(gè)測(cè)量過(guò)程由測(cè)量人員手工操作完成，測(cè)量效率低，攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用后全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量，測(cè)量效率已提高50%～70%。

3.2 光筆測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

光筆測(cè)量系統(tǒng)為相機(jī)傳感器和手持測(cè)頭結(jié)合的接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)雙相機(jī)傳感器光源發(fā)出的光線反射計(jì)算手持測(cè)頭接觸位置的空間坐標(biāo)。測(cè)量半徑大，可進(jìn)行大范圍移動(dòng)，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量（在測(cè)量過(guò)程中移動(dòng)，不影響測(cè)量結(jié)果）。在震動(dòng)環(huán)境中可進(jìn)行測(cè)量，避免因周?chē)h(huán)境震動(dòng)造成的測(cè)量誤差，可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定產(chǎn)品加工基準(zhǔn)及返修基準(zhǔn)，將加工基準(zhǔn)和返修基準(zhǔn)標(biāo)識(shí)在產(chǎn)品上。

圖2 攝影測(cè)量原理示意圖

圖3 光筆測(cè)量系統(tǒng)

3.3 攝影測(cè)量系統(tǒng)和光筆測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用

（1）首先，按照顧客二維圖紙編制三維模型，專(zhuān)人對(duì)三維模型進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后上傳文件管理系統(tǒng)，審核下發(fā)使用。

（2）測(cè)量人員在進(jìn)行尺寸測(cè)量前，需在被測(cè)物表面按照測(cè)量方案進(jìn)行反光標(biāo)志點(diǎn)的粘貼（見(jiàn)圖4）。

圖4 布點(diǎn)

（3）測(cè)量人員手持相機(jī)，圍繞被測(cè)物體移動(dòng)，或被測(cè)物體上下左右旋轉(zhuǎn)，拍照測(cè)量人員站在固定區(qū)域進(jìn)行拍照測(cè)量（見(jiàn)圖5）。

（4）拍照測(cè)量完成后，將測(cè)量點(diǎn)文件拷貝到計(jì)算機(jī)，導(dǎo)入專(zhuān)用軟件進(jìn)行識(shí)別、擬合計(jì)算，將測(cè)量點(diǎn)和被測(cè)鑄件擬合匹配至最佳狀態(tài)（見(jiàn)圖6、7）。

（5）測(cè)量人員依據(jù)專(zhuān)用軟件最終計(jì)算識(shí)別，將不合格的點(diǎn)標(biāo)識(shí)到被測(cè)鑄件上，開(kāi)具不合格品返修單，對(duì)鑄件不合格區(qū)域進(jìn)行返修處理，直至合格（見(jiàn)圖8）。

圖5 拍照測(cè)量

圖6 相機(jī)測(cè)量位置

圖7 專(zhuān)用軟件數(shù)據(jù)處理

圖8 出具報(bào)告

（6）由于攝影測(cè)量系統(tǒng)為非接觸測(cè)量，對(duì)產(chǎn)品測(cè)量基準(zhǔn)無(wú)法進(jìn)行精確標(biāo)識(shí)，光筆為接觸式測(cè)量，可對(duì)產(chǎn)品測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行精確標(biāo)識(shí)。攝影測(cè)量系統(tǒng)精度高、便攜，測(cè)量效率比光筆測(cè)量系統(tǒng)高出一倍。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了提高大型鑄鋼件測(cè)量效率，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證及測(cè)量軟件的更新匹配，最終實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量系統(tǒng)和光筆測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，先用攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行拍照測(cè)量，利用軟件進(jìn)行擬合計(jì)算，確定最終測(cè)量結(jié)果，光筆拾取相機(jī)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行基準(zhǔn)快速匹配，和相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系進(jìn)行完全統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)加工基準(zhǔn)標(biāo)識(shí)和測(cè)量效率的提高。

3.4 測(cè)量結(jié)果

（1）實(shí)現(xiàn)大型鑄鋼件全流程尺寸測(cè)量控制，尺寸測(cè)量檢驗(yàn)延伸至鑄鋼件生產(chǎn)前序，提高了大型鑄鋼件尺寸公差合格率。

（2）尺寸測(cè)量空間范圍擴(kuò)大，攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用后，以前無(wú)法測(cè)量的半成品區(qū)域（造型地坑中的半成品、無(wú)法移動(dòng)的大型砂型、鑄型）均實(shí)現(xiàn)尺寸測(cè)量。

（3）大型鑄鋼件內(nèi)腔、孔洞等尺寸測(cè)量盲區(qū)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

（4）提高了大型鑄鋼件尺寸測(cè)量精度和效率（儀器自身精度高、實(shí)現(xiàn)軟件擬合計(jì)算，節(jié)約大型鑄鋼件吊運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間）。

（5）降低了大型鑄鋼件生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量成本及制造成本（節(jié)約大型鑄鋼件吊運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)成本，部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)無(wú)模造型，節(jié)約模型制作成本）。

4 總結(jié)

本文根據(jù)大型鑄鋼件生產(chǎn)制造的發(fā)展趨勢(shì)和生產(chǎn)檢驗(yàn)流程以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的論述，通過(guò)對(duì)大型鑄鋼件傳統(tǒng)尺寸測(cè)量控制現(xiàn)狀的分析，找出傳統(tǒng)尺寸測(cè)量手段的缺點(diǎn)和不足。應(yīng)用新的測(cè)量?jī)x器和技術(shù)手段研究制定新的尺寸測(cè)量方法和流程，滿(mǎn)足大型鑄鋼件尺寸測(cè)量需求，以及通過(guò)新的測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，為大型鑄鋼件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。