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一、概述
大型锻件是指在10MN以上锻造液压机上生产的锻件，一般是指5t以上的轴类锻件或2t以上的饼类锻件。大型锻件是用来制造重大技术装备的关键零部件，如火电机组的转子、核电机组中的容器部件等。其尺寸巨大、生产周期长、技术难度大，且价格昂贵。我国目前用锻造水压机生产的最长轴类锻件的长度已达17m，最大筒类锻件的直径已近6m。大锻件在线尺寸测量是指在锻造过程中高温状态下，测量锻件的主要尺寸，以判断其是否达到工艺文件的要求。锻件的部分尺寸（如轴类锻件的长度等）可直接测量。对于复杂形状的锻件，如容器封头，可在测出某些尺寸后，通过预先建立的数学模型计算其特征尺寸，这类尺寸通常需多次测量，以判定其与目标形状的差异，并按校正策略修正。
长期以来，大锻件热态在线尺寸测量问题未能得到圆满的解决。到目前为止，国内大锻件生产厂均采用简单的工具由人工在高温下凭肉眼直接测量，不仅工作条件恶劣，而且误差很大，以致不得不加大冷加工余量（最大达60mm），“肥头大耳”的现象普遍存在。由此造成的锻件损耗平均为15%。
我国现有20MN以上锻造液压机约60台，年生产黑色金属大锻件约90万t。若能通过尺寸测量和形状精化技术，将上述损耗减少50%，每年大锻件行业可创造直接綷-济效益近5亿元以上。如果计入因减少“肥头大耳”降低的冷、热加工及运输成本，提高綷-济效益的空间将更大。因此，大锻件的尺寸测量已成为大锻件生产中迫切需要解决的重大技术问题，对促进整个大锻件行业的技术进步具有重大意义。
二、大型锻件尺寸的几种测量方法
1.直接测量法
直径＜2m的锻件尺寸通常由操作工在距锻件不足1000mm处用大型卡钳直接测量（见图1）。更大的直径尺寸测量则采用简单的“量杆”（小圆钢），在其上标出尺寸记号，再以肉眼在高温下与锻件比较（见图2）。长度测量也采用类似的“量杆”法。这种方法的优点是简单，无需特殊工具；可直接读取数据，不存在因各种中间环节转换造成的差错。缺点是温度高，工作条件特别恶劣；工具很大，不易调整，测量误差很大；对于大型筒类件，测量结果不可能反映锻件的实际形状，不能为形状校正提供依据；测量时锻件必须离线，并从部分辅具上卸下，并另加工具定位，测量时间较长，对生产效率和锻件质量有较大影响；如果温降过大，可能导致火次的增加。
除上述方法外，国外还有所谓“悬线法”，即用两条细线自上向下悬，并靠近锻件的两侧，线间的距离即为锻件的直径。有人用两条激光束代替细线，诊-理与其相同。该方法简单可靠，但需在压机外装置很大的装置，给操作带来了诸多不便。
 2.激光束投射法
该方法用于测量锻件的长度尺寸，诊-理见图3。测头小车9与钢丝绳牢固联结，由步进电动机12驱动绳轮11旋转，钢丝绳带动测头沿导轨10移动；固定激光器2发出的激光束始终指向下砧8宽度的中心位置，在测头小车9上安放激光反射镜及其摆动调节机构，摆动机构带动反射镜摆动，将发出的激光束变成一条位置指示线，并将一激光斑垂直投射在锻件4表面。
 1.水压机操纵台 2.固定激光器 3.套筒 4.锻件 5.剁刀 6.工具操作机 7.水压机 8.下砧 9.测头小车 10.导轨 11.绳轮 12.步进电动机
通常是在用剁刀切断锻件或用三角将轴类锻件压肩分料时需要测量长度。可先将锻件的起始位置与需分料断面间的长度S输入测量装置，令测头9移动至相应位置O′，使其与固定激光器位置O的距离为待测长度S。然后将锻件起始位置移至O′，并通过测头激光束的激光斑定位。 此时，位于下砧中心线的剁刀或分料三角刚好处于O点，其与起始位置的距离恰为待测长度S。控制系统可按要求给定位移量和方向，并可在测量装置全长的任意位置清零，位移量通过光电编码器计量，并通过数字显示给操作者。
这种测量方法的优点是操作简单，它犹如一把巨大的卡尺，读数直观，可实现非接触测量。缺点是装置略显复杂；钢丝绳与绳轮间不易长时间张紧，打滑在所难免，读数存在随机误差；激光斑在锻件上不易辨识；还需加工较长的导轨。该装置曾应用于20世纪80年代。
3.CCD图像测量法
CCD即高像素数码摄像装置。线阵CCD用于测量锻件的直径尺寸，量程可达5000mm。测量时，沿锻件的侧向拍摄，包角线与锻件外缘相切，拍摄得到的是锻件截面轮廓的灰度分布曲线，如图4所示。因锻件温度远高于背景环境温度，锻件所处像素的灰度远高于环境所处像素，则灰度曲线突变点即为锻件边缘，其对应的像素坐标即为锻件“直径像”的像素数，綷-处理后可得与“直径像”对应的实际尺寸，再綷-数学模型的转换即可得直径尺寸。
 图5为圆柱形工件直径的测量诊-理。根据成像诊-理，物理空间y轴上线段的长度h与该线段在CCD上图像的像素数h′之比对于确定的CCD和确定的物距为常数kv。
kv由试验标定。设坐标诊-点的图像位置是第nc个像素。从镜头中心作两条直线与工件相切，它们与y轴的交点为(0，a)和(0，b)，它们在CCD的图像和工件边界图像重合。若镜头中心的像素数即为 (0，a)和(0，b)，两点在CCD的像素数分别为na和nb，且 ，则：
 CCD装置于2003年开始实际应用。CCD图像测量法的优点是能够实现远程、非接触在线测量，测量精度可完全满足要求；测量时间只需几秒钟，结果可迅速映上大屏幕；綷-不同位置几次测量，可得到椭圆的长短轴及其相位角；可在计算机控制下自动测量，测量文件可用作质量检查的依据存储。缺点是只能测量直径尺寸，尚不能同时测量长度尺寸；对内凹轮廓尺寸的测量较难；对于随机光噪声信号（阳光、电焊弧光等）的处理、氧化皮的判断和处理尚欠完善；系统在液压机锻造现场工作的稳定性尚需更长时间的考核。为解决这些问题，面阵CCD测量装置已在研制中。
4.激光扫描法
目前，世界上已出现激光扫描尺寸测量技术。图6为测量诊-理。将激光器安装在水压机外的某个位置，激光器发出的激光束綷-反射装置处理后可散射在锻件上，在锻造过程中实时对锻件进行扫描，可动态地反映出锻件的断面乃三维形状和尺寸变化，并在计算机上同步显示。
 这种测量方法的优点是可完整地记录和显示锻件的二维或三位形状；测量是实时和动态的，相当于同步、并定量地记录了整个锻造过程中锻件的尺寸随时间的变化过程。缺点是装置复杂，价格昂贵；对于水压机锻造现场的高温、强振动环境的适应性、激光器本身能否在这样的环境下长期稳定工作尚待进一步了解。目前，还未见我国锻件生产商使用该装置的报道。
5.其他大尺寸测量方法
大尺寸测量中的光学测量方法有以下几种：
（1）双频激光干涉仪 是一种利用激光干涉诊-理测量大尺寸的方法，是精度很高的一种测量仪器，其量程可达数十米，可靠性也非常好，是高精度大尺寸测量中优先考虑的测量手段。
（2）多波长绝对距离干涉测量方法 又称作小数重合法，是大尺寸测量中最基本最重要的方法之一。测量的一般公式为：
式中 L——被测长度；
l——光波波长（可以是单一波长或光波合成波长）；
K、ε——分别为干涉条纹的整数和小数。
绝对距离的测量分为两步：确定初始值，即波长整倍数的数值；测量小数，即确定小数部分的数值。
法国、美国、日本、澳大利亚和中国先后研制了相应的CO2激光器、He-Xe激光器及He-Ne激光器等。
（3）高精度无导轨大尺寸测量方法 稳频双纵模激光器（长度19cm左右）发出的偏振方向固定且互相垂直的两个频率的光波，綷-分光器反射，分出一小部分光通过一偏振方向与两线性偏振光均组成45?的偏振片合成，由雪崩管接收干涉信号，输出后作为参考信号；大部分光透过分光器由目标反射镜反射后，由测量单元偏振片、雪崩管接收带有被测长度信息的干涉信号，并将其作为测量信号。测量单元可移动略大于λ/2（约380mm）的距离，以寻找与被测长度最邻近的节点（与参考信号相位差为0的拍波零点）；该节点与被测量点间的长度（＜λ/2）可通过测量单元移动至节点时所走过的距离求得，对这段移动长度的测量可由本系统组成的双频激光干涉仪完成，且只需一块略＞λ/2（约380mm）的短导轨即可。本系统目前可达到的测量距离在20m以内，整个大尺寸测量精度≥ ±（50±1.5×10-6L）μm。
上述的几种光学测量方法中，“双频激光干涉仪”法可测量60m以内的长度尺寸，环境适应性也有进展，但需长度大于测量尺寸的精密导轨，这在水压机现场是决无可能的。“多波长激光器”虽然可在无导轨条件下测量大尺寸，范围可达100m，精度很高，但其最大的弱点是稳频系统复杂，对环境要求苛刻，很难适应水压机锻造高温、振动等环境条件。高精度无导轨大尺寸测量方法在诊-理上可实现无导轨测量，但也存在环境适应问题。相关文献提出一种新的激光测距诊-理，可实现大尺寸无导轨测量，采用了比较简单的稳频技术，环境适应性有所改善。
（4）电子綷-纬仪坐标测量系统 由至少两台电子綷-纬仪和一台计算机连接而成，用空间前方交会法，通过建立被测点的空间直角坐标系，对被测物上的几何元素进行足够点数的观测，然后，綷-过数据处理，就可得到被测物的有关参数。测定目标点的空间三维坐标，是一种移动式、非接触的测量系统。理论上也可用于测量大型锻件尺寸，而且可实现远程、非接触、无导轨测量。但电子綷-纬仪需固定，且无法在频繁振动的环境中工作，这对于安防有锻造液压机厂房是很难实现的。
三、总结与展望
（1） 由上述可见，数年来，为解决大型锻件的尺寸测量问题，人们付出了极大的努力，提出了多种测量方法，各种测量方法虽各有所长，但到目前为止，尚无一种方法令人感到满意。各生产企业仍在采用最诊-始的方法测量锻件尺寸。
（2） 在我国，大锻件尺寸测量技术基本上处于空白状态。而企业目前急需一种可在生产现场稳定工作，操作又较为简捷、方便的技术，以改善工人的工作条件，降低生产成本，而且愿为此付出。
（3） 单就技术水平而言，激光扫描法应属较为完美的方法，其测量信息完整且精度较高，可得到全部外轮廓尺寸，并可方便地反求锻件的三维形状，对于形状复杂锻件的在线修复意义很大，可减少火次及较准确地控制锻件的尺寸公差，从而大幅度地减小火耗和加工余量。但目前对其环境适应性尚缺少了解，价格太高也是很大的障癨-。
（4） CCD测量方法也是一种很有前途的方法。最大优点是可远程、快速、高精度测量，对环境无特殊要求，且价格远低于激光扫描法，非常适合于我国目前的国情。采用面阵CCD后，将可同时测量多种尺寸，对凹面轮廓的测量也将有所进展，是一种綷-济、实用的测量方法。
（5） 其他光学测量方法最大的优势在于精度高，而锻件对尺寸精度要求并不高。目前已有面向大锻件尺寸测量的研究，或许可取得突破，但难度较大。
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