光学空间尺寸测量技术在大型铸钢件尺寸检测过程中的应用

马金鑫，李文定，马文治

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

1 前言

目前，大型铸钢件普遍使用的尺寸测量方法有传统的手工测量、三维划线仪等。由于传统三维划线仪测量精度差、效率低，在固定平台上无法移动，对测量环境要求较高，整个测量过程需人脑和人手配合完成，需要笨重的仪器在导轨上滑动行走来完成整个测量过程，易出现人为识图错误、相关尺寸计算错误、各种复杂曲面形状无法计算测量、手工配合仪器测量累计误差大等问题，不仅增加测量过程中的转运成本，也严重制约铸钢件生产效率的提高。因此,传统尺寸检测方法已无法满足大型铸钢件的测量需要。本文通过对新的光学智能化空间尺寸测量技术的应用分析，利用光学智能化空间尺寸测量技术的优点，研究探索出一套更适用于大型铸钢件的新型、便携、高效率、高精度的全流程、全生产区域无障碍的测量方法，优化原有检验流程及方法，达到尺寸检测过程提质增效的目的。

2 实施过程

2.1 传统测量方法存在的问题

传统测量方法有手工测量及大型三维划线仪划线测量，测量精度低、出错率高、效率低、设备无法移动。目前大型铸钢件产品类型越来越多，形状也越来越复杂，如燃气轮机及核电蒸汽轮机铸件外壁各种复杂曲面、水轮机叶片水力型线面、大型矿山机械部件的部分内壁、空腔、孔洞等部位，使用常规的手工和三维划线检测仪均无法测量。造型过程中的尺寸检测，如造型地坑内的砂型、砂芯等由于测量仪器无法移动到造型地坑导致无法测量等。部分模型芯盒内部复杂形状由于三维划线仪自身结构的限制无法测量等。

图1 三坐标划线检测仪检测

3 摄影测量系统与光笔测量系统的应用及效果

通过新型尺寸测量系统的应用，改变大型铸钢件的尺寸检验方法和流程，扩展大型铸钢件的尺寸测量范围，提高全流程尺寸测量控制能力，为大型铸钢件全流程制造过程和设计创新提供服务。

3.1 摄影测量系统的应用

工业摄影测量系统是相机经过专业技术的焦距校准和专业数据处理软件结合的尺寸测量系统，采用高分辨率摄影测量专用相机，在不同位置和方向获取被测工件两幅或多幅数字图像，经图像预处理、标志识别、图像空间匹配、空间三角交汇及光束平差后得到被测点的三维坐标，采用专用软件快速计算出大型铸钢件表面几何偏差，依据被测点的三维坐标对工件进行空间几何尺寸检测。如图2 所示，三坐标划线检测仪无法测量的内壁，摄影测量相机都可以测量。

3.1.1 可测量范围大幅度提升

摄影测量系统主要由一台相机和专用拟合计算软件组成，尺寸测量人员在整个生产工序测量铸件，只需提着一台相机就可以进行测量，即人可以到达的地方，相机都可以进行测量。摄影测量系统应用后，整个生产流程中需要进行尺寸测量的工序全部可以进行测量，从新制模型测量、砂型测量、合箱尺寸测量、打箱后铸态尺寸变形验证测量、质量热处理后尺寸测量、粗加工后的尺寸测量等已全部实现，目前由于摄影测量系统的应用，部分产品已经实现无模造型。

3.1.2 测量精度及准确性提高

三维划线仪的测量精度为0.5mm，摄影测量相机的测量精度为10μm+10μm/m。测量精度明显提高；摄影测量系统完全依靠计算机软件计算，将摄影测量相机测量的点和三维数字模型进行拟合计算，无需人脑计算及人眼看图，测量准确度显著提高。

3.1.3 测量成本降低，测量效率提高

三维划线仪测量任何一个产品，均需将被测产品转运、吊运到三维划线平台上，才可以进行尺寸划线测量，在这个过程中大大增加了铸钢件的转运、吊运成本及时间的浪费。另外，三维划线仪整个测量过程由测量人员手工操作完成，测量效率低，摄影测量系统应用后全部实现数字化测量，测量效率已提高50%～70%。

3.2 光笔测量系统的应用

光笔测量系统为相机传感器和手持测头结合的接触式光学测量系统，通过双相机传感器光源发出的光线反射计算手持测头接触位置的空间坐标。测量半径大，可进行大范围移动，可进行动态测量（在测量过程中移动，不影响测量结果）。在震动环境中可进行测量，避免因周围环境震动造成的测量误差，可以根据测量结果确定产品加工基准及返修基准，将加工基准和返修基准标识在产品上。

图2 摄影测量原理示意图

图3 光笔测量系统

3.3 摄影测量系统和光笔测量系统的结合应用

（1）首先，按照顾客二维图纸编制三维模型，专人对三维模型进行检验，检验合格后上传文件管理系统，审核下发使用。

（2）测量人员在进行尺寸测量前，需在被测物表面按照测量方案进行反光标志点的粘贴（见图4）。

图4 布点

（3）测量人员手持相机，围绕被测物体移动，或被测物体上下左右旋转，拍照测量人员站在固定区域进行拍照测量（见图5）。

（4）拍照测量完成后，将测量点文件拷贝到计算机，导入专用软件进行识别、拟合计算，将测量点和被测铸件拟合匹配至最佳状态（见图6、7）。

（5）测量人员依据专用软件最终计算识别，将不合格的点标识到被测铸件上，开具不合格品返修单，对铸件不合格区域进行返修处理，直至合格（见图8）。

图5 拍照测量

图6 相机测量位置

图7 专用软件数据处理

图8 出具报告

（6）由于摄影测量系统为非接触测量，对产品测量基准无法进行精确标识，光笔为接触式测量，可对产品测量基准进行精确标识。摄影测量系统精度高、便携，测量效率比光笔测量系统高出一倍。在实际应用过程中，为了提高大型铸钢件测量效率，经过多次试验和测量数据验证及测量软件的更新匹配，最终实现摄影测量系统和光笔测量系统结合应用，先用摄影测量系统进行拍照测量，利用软件进行拟合计算，确定最终测量结果，光笔拾取相机测量点进行基准快速匹配，和相机测量坐标系进行完全统一，实现加工基准标识和测量效率的提高。

3.4 测量结果

（1）实现大型铸钢件全流程尺寸测量控制，尺寸测量检验延伸至铸钢件生产前序，提高了大型铸钢件尺寸公差合格率。

（2）尺寸测量空间范围扩大，摄影测量系统应用后，以前无法测量的半成品区域（造型地坑中的半成品、无法移动的大型砂型、铸型）均实现尺寸测量。

（3）大型铸钢件内腔、孔洞等尺寸测量盲区实现测量。

（4）提高了大型铸钢件尺寸测量精度和效率（仪器自身精度高、实现软件拟合计算，节约大型铸钢件吊运转运时间）。

（5）降低了大型铸钢件生产过程中的测量成本及制造成本（节约大型铸钢件吊运转运成本，部分产品实现无模造型，节约模型制作成本）。

4 总结

本文根据大型铸钢件生产制造的发展趋势和生产检验流程以及产品结构的论述，通过对大型铸钢件传统尺寸测量控制现状的分析，找出传统尺寸测量手段的缺点和不足。应用新的测量仪器和技术手段研究制定新的尺寸测量方法和流程，满足大型铸钢件尺寸测量需求，以及通过新的测量系统的应用，为大型铸钢件设计、生产、检验的创新提供技术支撑。