光學空間尺寸測量技術(shù)在大型鑄鋼件尺寸檢測過程中的應用

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量方法有傳統(tǒng)的手工測量、三維劃線儀等。由于傳統(tǒng)三維劃線儀測量精度差、效率低，在固定平臺上無法移動，對測量環(huán)境要求較高，整個測量過程需人腦和人手配合完成，需要笨重的儀器在導軌上滑動行走來完成整個測量過程，易出現(xiàn)人為識圖錯誤、相關(guān)尺寸計算錯誤、各種復雜曲面形狀無法計算測量、手工配合儀器測量累計誤差大等問題，不僅增加測量過程中的轉(zhuǎn)運成本，也嚴重制約鑄鋼件生產(chǎn)效率的提高。因此,傳統(tǒng)尺寸檢測方法已無法滿足大型鑄鋼件的測量需要。本文通過對新的光學智能化空間尺寸測量技術(shù)的應用分析，利用光學智能化空間尺寸測量技術(shù)的優(yōu)點，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)域無障礙的測量方法，優(yōu)化原有檢驗流程及方法，達到尺寸檢測過程提質(zhì)增效的目的。

2 實施過程

2.1 傳統(tǒng)測量方法存在的問題

傳統(tǒng)測量方法有手工測量及大型三維劃線儀劃線測量，測量精度低、出錯率高、效率低、設(shè)備無法移動。目前大型鑄鋼件產(chǎn)品類型越來越多，形狀也越來越復雜，如燃氣輪機及核電蒸汽輪機鑄件外壁各種復雜曲面、水輪機葉片水力型線面、大型礦山機械部件的部分內(nèi)壁、空腔、孔洞等部位，使用常規(guī)的手工和三維劃線檢測儀均無法測量。造型過程中的尺寸檢測，如造型地坑內(nèi)的砂型、砂芯等由于測量儀器無法移動到造型地坑導致無法測量等。部分模型芯盒內(nèi)部復雜形狀由于三維劃線儀自身結(jié)構(gòu)的限制無法測量等。

圖1 三坐標劃線檢測儀檢測

3 攝影測量系統(tǒng)與光筆測量系統(tǒng)的應用及效果

通過新型尺寸測量系統(tǒng)的應用，改變大型鑄鋼件的尺寸檢驗方法和流程，擴展大型鑄鋼件的尺寸測量范圍，提高全流程尺寸測量控制能力，為大型鑄鋼件全流程制造過程和設(shè)計創(chuàng)新提供服務。

3.1 攝影測量系統(tǒng)的應用

工業(yè)攝影測量系統(tǒng)是相機經(jīng)過專業(yè)技術(shù)的焦距校準和專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)合的尺寸測量系統(tǒng)，采用高分辨率攝影測量專用相機，在不同位置和方向獲取被測工件兩幅或多幅數(shù)字圖像，經(jīng)圖像預處理、標志識別、圖像空間匹配、空間三角交匯及光束平差后得到被測點的三維坐標，采用專用軟件快速計算出大型鑄鋼件表面幾何偏差，依據(jù)被測點的三維坐標對工件進行空間幾何尺寸檢測。如圖2 所示，三坐標劃線檢測儀無法測量的內(nèi)壁，攝影測量相機都可以測量。

3.1.1 可測量范圍大幅度提升

攝影測量系統(tǒng)主要由一臺相機和專用擬合計算軟件組成，尺寸測量人員在整個生產(chǎn)工序測量鑄件，只需提著一臺相機就可以進行測量，即人可以到達的地方，相機都可以進行測量。攝影測量系統(tǒng)應用后，整個生產(chǎn)流程中需要進行尺寸測量的工序全部可以進行測量，從新制模型測量、砂型測量、合箱尺寸測量、打箱后鑄態(tài)尺寸變形驗證測量、質(zhì)量熱處理后尺寸測量、粗加工后的尺寸測量等已全部實現(xiàn)，目前由于攝影測量系統(tǒng)的應用，部分產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)無模造型。

3.1.2 測量精度及準確性提高

三維劃線儀的測量精度為0.5mm，攝影測量相機的測量精度為10μm+10μm/m。測量精度明顯提高；攝影測量系統(tǒng)完全依靠計算機軟件計算，將攝影測量相機測量的點和三維數(shù)字模型進行擬合計算，無需人腦計算及人眼看圖，測量準確度顯著提高。

3.1.3 測量成本降低，測量效率提高

三維劃線儀測量任何一個產(chǎn)品，均需將被測產(chǎn)品轉(zhuǎn)運、吊運到三維劃線平臺上，才可以進行尺寸劃線測量，在這個過程中大大增加了鑄鋼件的轉(zhuǎn)運、吊運成本及時間的浪費。另外，三維劃線儀整個測量過程由測量人員手工操作完成，測量效率低，攝影測量系統(tǒng)應用后全部實現(xiàn)數(shù)字化測量，測量效率已提高50%～70%。

3.2 光筆測量系統(tǒng)的應用

光筆測量系統(tǒng)為相機傳感器和手持測頭結(jié)合的接觸式光學測量系統(tǒng)，通過雙相機傳感器光源發(fā)出的光線反射計算手持測頭接觸位置的空間坐標。測量半徑大，可進行大范圍移動，可進行動態(tài)測量（在測量過程中移動，不影響測量結(jié)果）。在震動環(huán)境中可進行測量，避免因周圍環(huán)境震動造成的測量誤差，可以根據(jù)測量結(jié)果確定產(chǎn)品加工基準及返修基準，將加工基準和返修基準標識在產(chǎn)品上。

圖2 攝影測量原理示意圖

圖3 光筆測量系統(tǒng)

3.3 攝影測量系統(tǒng)和光筆測量系統(tǒng)的結(jié)合應用

（1）首先，按照顧客二維圖紙編制三維模型，專人對三維模型進行檢驗，檢驗合格后上傳文件管理系統(tǒng)，審核下發(fā)使用。

（2）測量人員在進行尺寸測量前，需在被測物表面按照測量方案進行反光標志點的粘貼（見圖4）。

圖4 布點

（3）測量人員手持相機，圍繞被測物體移動，或被測物體上下左右旋轉(zhuǎn)，拍照測量人員站在固定區(qū)域進行拍照測量（見圖5）。

（4）拍照測量完成后，將測量點文件拷貝到計算機，導入專用軟件進行識別、擬合計算，將測量點和被測鑄件擬合匹配至最佳狀態(tài)（見圖6、7）。

（5）測量人員依據(jù)專用軟件最終計算識別，將不合格的點標識到被測鑄件上，開具不合格品返修單，對鑄件不合格區(qū)域進行返修處理，直至合格（見圖8）。

圖5 拍照測量

圖6 相機測量位置

圖7 專用軟件數(shù)據(jù)處理

圖8 出具報告

（6）由于攝影測量系統(tǒng)為非接觸測量，對產(chǎn)品測量基準無法進行精確標識，光筆為接觸式測量，可對產(chǎn)品測量基準進行精確標識。攝影測量系統(tǒng)精度高、便攜，測量效率比光筆測量系統(tǒng)高出一倍。在實際應用過程中，為了提高大型鑄鋼件測量效率，經(jīng)過多次試驗和測量數(shù)據(jù)驗證及測量軟件的更新匹配，最終實現(xiàn)攝影測量系統(tǒng)和光筆測量系統(tǒng)結(jié)合應用，先用攝影測量系統(tǒng)進行拍照測量，利用軟件進行擬合計算，確定最終測量結(jié)果，光筆拾取相機測量點進行基準快速匹配，和相機測量坐標系進行完全統(tǒng)一，實現(xiàn)加工基準標識和測量效率的提高。

3.4 測量結(jié)果

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

（2）尺寸測量空間范圍擴大，攝影測量系統(tǒng)應用后，以前無法測量的半成品區(qū)域（造型地坑中的半成品、無法移動的大型砂型、鑄型）均實現(xiàn)尺寸測量。

（3）大型鑄鋼件內(nèi)腔、孔洞等尺寸測量盲區(qū)實現(xiàn)測量。

（4）提高了大型鑄鋼件尺寸測量精度和效率（儀器自身精度高、實現(xiàn)軟件擬合計算，節(jié)約大型鑄鋼件吊運轉(zhuǎn)運時間）。

（5）降低了大型鑄鋼件生產(chǎn)過程中的測量成本及制造成本（節(jié)約大型鑄鋼件吊運轉(zhuǎn)運成本，部分產(chǎn)品實現(xiàn)無模造型，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)展趨勢和生產(chǎn)檢驗流程以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的論述，通過對大型鑄鋼件傳統(tǒng)尺寸測量控制現(xiàn)狀的分析，找出傳統(tǒng)尺寸測量手段的缺點和不足。應用新的測量儀器和技術(shù)手段研究制定新的尺寸測量方法和流程，滿足大型鑄鋼件尺寸測量需求，以及通過新的測量系統(tǒng)的應用，為大型鑄鋼件設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗的創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。