大锻件是重大基础装备的关键部件,随着我国电力、船舶、石油和化工行业的发展,对大锻件的需求越来越大。大锻件多采用自由锻造方法制造,先进的大锻件在线尺寸测量技术对提高自由锻造系统的性能具有重要作用。本文结合国家重大产业对高质量大锻件的迫切需求,在国家重点基础研究发展计划(973计划)的支持下,对大锻件尺寸测量技术进行了比较全面的探索性研究,以期为提高自由锻造系统的锻造质量提供支撑。研究工作主要包括以下内容:提出采用脉冲激光测距传感器配合球面二自由度并联机构实现大锻件尺寸测量的新方法。基本思想是利用球面二自由度并联机构的高灵巧度和高精度实现激光传感器对锻件表面快速稳定的扫描,通过扫描点云的三维信息确定锻件外形尺寸。通过直接测量球面并联机构的两输入角度和传感器的距离信息,基于球面并联机构的坐标变换原理确定锻件表面被测点在固定坐标系下的坐标。将球面保角理论应用到球面二自由度并联机构的工作空间分析中。即用平面上的点集来表示球面二自由度并联机构可达工作空间,通过分析动点投影圆半径的大小来研究球面并联机构工作空间的大小,为考察本测量系统的测量空间提供了理论基础。推算出机械系统的雅克比矩阵,根据雅克比矩阵分析测量系统的奇异位形,以此考察测量系统的可靠性并分析系统的解耦性与各向同性,考察机械驱动装置的可控性。按照机械系统工作性能分析确定了机械系统的工作方式。采用精密无刷直流电机和模块化电机运动控制器完成控制系统的搭建。研究无刷直流电机控制方式,完成电流环、速度环和位置环三闭环控制器的PID参数整定。设计测量系统中数据采集的流程,通过Windows多媒体定时器实现串口数据的快速采集,在此基础上采用多线程技术提高数据处理的效率同时保证用户界面的响应速度。利用OpenGL三维显示技术实现被测对象三维点云的实时显示,使采集过程更加形象,为后续的在线尺寸测量奠定基础。针对开发出的测量系统进行实验研究,表明该测量系统可以达到比较理想的测量精度,对进一步研究锻件尺寸的在线自动测量具有指导意义。本文的研究工作为自由锻造大锻件的在线测量新系统成功研制奠定了基础。