大型高温锻件在线测量方法研究

摘要

大型自由锻件是制造大型技术装备关键零部件经常采用的毛坯形态，广泛应用于电力、船舶、石化、冶金、航空、航天等战略性产业，在我国整个制造行业中占有重要地位。由于是在高温状态下成型，对大型锻件的尺寸和形位误差进行在线测量与精度控制是一个长期未能解决的问题。高温锻件尺寸的精确测量与反馈，对于指导生产工艺和提高大型锻件材料的利用率及其制造效率具有重要的理论意义和经济意义。本文在总结分析了国内外大型高温锻件测量方法与测量技术的基础上，提出了基于激光跟踪仪的视觉坐标测量方法，该方法可望大幅度提高大型高温锻件的测量速度和测量精度。
　　 论文主要研究内容与创新之处包括：
　　 1、将基于激光跟踪仪的视觉坐标测量方法应用于大型高温锻件的在线测量过程。解决了大型高温锻件在线测量过程中环境恶劣、表面高温、视觉盲点、尺寸大等问题。该方法的应用有望大幅度提高大型高温锻件的在线尺寸测量精度。
　　 2、提出了测量系统的基本结构，并描述了测量过程。建立了基于激光跟踪仪的视觉坐标测量模型，并利用梯度下降法对系统模型进行了优化。
　　 3、计算分析了热传导、热对流、热辐射三种传热方式对测量环境及测量设备的影响，根据测量系统对测量环境的要求，设计了测量系统的关键部件，设计了光笔的结构。
　　 4、完成了热辐射对测量部件表面温度的影响实验，防热辐射材料性能实验及非均匀温度场对测量激光束的影响实验。实验结果验证了锻件周围温度场瞬态分析的正确性。计算了温度对空气折射率以及对激光干涉测长的具体影响，与实验结果进行了对比，证实了本测量方案的技术可行性。此外，通过大量的仿真实验，分析了系统中影响测量精度的因素。并在实验室条件下完成了系统测量实验，仿真与实验结果都证实了这一新测量方法满足大型高温锻件的在线测量要求。
　　 5、利用设计的系统，采用不同的测头对不同锻件直径进行了测量，提出测头采用球坐标系，利用球面测点的精确位置，通过半径补偿可以有效减小数值计算误差。