The interest in monitoring the dimensions of high temperature workpieces during the manufacturing process in open die forging is growing. Nowadays, in most cases, the measurements are performed with manual hand calipers by an operator, returning inaccurate measurements in dangerous conditions. This research proposes an innovative measurement system independent from the factory machinery based on two contactless technologies: a 2D triangulation laser scanner for reconstructing the vertical section of the forging bar and a machine vision system based on a single camera for 2D and 3D measurements. The laser scanner system can estimate the dimensions of a forging section by acquiring different scans followed by a rotation of a cylindrical or prismatic hot bar. The machine vision systems can either estimate specific dimensions of cylindrical forgings from a single frame or create a 3D model of the workpiece by means of a 180° rotation. Laboratory tests demonstrated that the laser scanner system was able to reconstruct the profile of cylindrical specimens (diameter in the order of 300 mm) in terms of maximum, mean and minimum diameter with an uncertainty of 2.2 mm (CI=68%). The system was also tested in the laboratory with prismatic specimens with the side dimensions in the order of 200 mm and returned an uncertainty of 0.9 mm (CI=68%). The machine vision system reported a measurement uncertainty of 0.7 mm (CI=68%) for the estimation of the diameter of a cylindrical specimen with a nominal value in the order of 70 mm placed at a distance of 1 m from an RGB camera in the laboratory. By performing a simulation of a Design of Experiments on the profile reconstruction of circular geometries by means of the scanner laser technology, surface irregularities were determined to have the greatest effect on the reconstruction procedure. Lastly the two systems were validated in the forging environment. The comparison between manual caliper measurements and the laser scanner estimations showed a diameter uncertainty of 4.7 mm (CI=68%) for cylindrical bars with a diameter between 300 mm and 1060 mm and an uncertainty of 2.4 mm (CI=68%) for prismatic bars with the side dimension between 340 mm and 500 mm. The machine vision system was tested on cylindrical bars in the forging environment reporting an uncertainty of 9.8 mm (CI=68%) for diameters between 600 mm and 1200 mm, and a measurement uncertainty of 7.5 mm (CI=68%) for the length of specific parts of the bar up to 4 m.

L'interesse nel monitoraggio delle dimensioni di pezzi ad alta temperatura durante il processo di lavorazione nella forgiatura a stampo aperto è in crescita. Infatti, oggigiorno, nella maggior parte dei casi, le misure vengono eseguite con calibri manuali risultando pericolose per l'operatore e poco accurate. Questo lavoro di ricerca propone un innovativo sistema di misura indipendente dall’impianto industriale basato su due tecnologie senza contatto: uno scanner laser a triangolazione 2D per ricostruire la sezione verticale dei forgiati e un sistema di machine vision basato su una singola telecamera per misure 2D e 3D. Il sistema con il laser scanner è in grado di stimare le dimensioni di una sezione del forgiato acquisendo diverse scansioni seguite da una rotazione del misurando cilindrico o prismatico ad alta temperatura. Il sistema di machine vision invece può stimare sia dimensioni specifiche del forgiato a partire da un singolo fotogramma, sia creare un modello 3D del pezzo per mezzo di una rotazione di 180°. I test in laboratorio hanno dimostrato che il sistema con il laser scanner stima il diametro di pezzi cilindrici (diametro nell’ordine di 300 mm) in termini di diametro massimo, medio e minimo con un’incertezza di 1.6 mm (LC=68%). Lo stesso sistema è stato testato anche con provini prismatici con il lato di dimensioni dell’ordine di 200 mm e ha riportato un’incertezza di 0.9 mm (LC=68%). Il sistema di machine vision ha riportato un’incertezza di misura di 0.7 mm (LC=68%) per la stima del diametro di un provino cilindrico con un valore nominale dell’ordine di 70 mm, posizionato ad una distanza di 1 m da una telecamera RGB. Per mezzo di una simulazione di un Design of Experiments per geometrie circolari tramite la tecnologia a triangolazione laser, le irregolarità superficiali sono risultate l’elemento con l’effetto maggiore sulla procedura di ricostruzione. Infine, i due sistemi sono stati validati in ambiente industriale di forgia aperta. Il confronto tra le misure effettuate con calibro manuale ed il sistema con il laser scanner hanno mostrato un’incertezza di 4.7 mm (LC=68%) per il diametro di pezzi cilindrici tra 300 mm e 1060 mm ed un’incertezza di 2.7 mm (LC=68%) per misurandi prismatici con il lato tra 300 mm e 500 mm. Il sistema di machine vision è stato testato su misurandi cilindrici in ambiente industriale riportando un’incertezza di 9.8 mm (LC=68%) per diametri tra 600 mm e 1200 mm ed un’incertezza di 7.5 mm (LC=68%) per lunghezze di parti specifiche dei misurandi fino a 4 m.

A contactless measurement system for high temperature shaft manufacturing in open die forging

Marcotuli, Valerio
2021/2022

Abstract

The interest in monitoring the dimensions of high temperature workpieces during the manufacturing process in open die forging is growing. Nowadays, in most cases, the measurements are performed with manual hand calipers by an operator, returning inaccurate measurements in dangerous conditions. This research proposes an innovative measurement system independent from the factory machinery based on two contactless technologies: a 2D triangulation laser scanner for reconstructing the vertical section of the forging bar and a machine vision system based on a single camera for 2D and 3D measurements. The laser scanner system can estimate the dimensions of a forging section by acquiring different scans followed by a rotation of a cylindrical or prismatic hot bar. The machine vision systems can either estimate specific dimensions of cylindrical forgings from a single frame or create a 3D model of the workpiece by means of a 180° rotation. Laboratory tests demonstrated that the laser scanner system was able to reconstruct the profile of cylindrical specimens (diameter in the order of 300 mm) in terms of maximum, mean and minimum diameter with an uncertainty of 2.2 mm (CI=68%). The system was also tested in the laboratory with prismatic specimens with the side dimensions in the order of 200 mm and returned an uncertainty of 0.9 mm (CI=68%). The machine vision system reported a measurement uncertainty of 0.7 mm (CI=68%) for the estimation of the diameter of a cylindrical specimen with a nominal value in the order of 70 mm placed at a distance of 1 m from an RGB camera in the laboratory. By performing a simulation of a Design of Experiments on the profile reconstruction of circular geometries by means of the scanner laser technology, surface irregularities were determined to have the greatest effect on the reconstruction procedure. Lastly the two systems were validated in the forging environment. The comparison between manual caliper measurements and the laser scanner estimations showed a diameter uncertainty of 4.7 mm (CI=68%) for cylindrical bars with a diameter between 300 mm and 1060 mm and an uncertainty of 2.4 mm (CI=68%) for prismatic bars with the side dimension between 340 mm and 500 mm. The machine vision system was tested on cylindrical bars in the forging environment reporting an uncertainty of 9.8 mm (CI=68%) for diameters between 600 mm and 1200 mm, and a measurement uncertainty of 7.5 mm (CI=68%) for the length of specific parts of the bar up to 4 m.
BERNASCONI, ANDREA
CASCINI, GAETANO
12-lug-2022
A contactless measurement system for high temperature shaft manufacturing in open die forging
L'interesse nel monitoraggio delle dimensioni di pezzi ad alta temperatura durante il processo di lavorazione nella forgiatura a stampo aperto è in crescita. Infatti, oggigiorno, nella maggior parte dei casi, le misure vengono eseguite con calibri manuali risultando pericolose per l'operatore e poco accurate. Questo lavoro di ricerca propone un innovativo sistema di misura indipendente dall’impianto industriale basato su due tecnologie senza contatto: uno scanner laser a triangolazione 2D per ricostruire la sezione verticale dei forgiati e un sistema di machine vision basato su una singola telecamera per misure 2D e 3D. Il sistema con il laser scanner è in grado di stimare le dimensioni di una sezione del forgiato acquisendo diverse scansioni seguite da una rotazione del misurando cilindrico o prismatico ad alta temperatura. Il sistema di machine vision invece può stimare sia dimensioni specifiche del forgiato a partire da un singolo fotogramma, sia creare un modello 3D del pezzo per mezzo di una rotazione di 180°. I test in laboratorio hanno dimostrato che il sistema con il laser scanner stima il diametro di pezzi cilindrici (diametro nell’ordine di 300 mm) in termini di diametro massimo, medio e minimo con un’incertezza di 1.6 mm (LC=68%). Lo stesso sistema è stato testato anche con provini prismatici con il lato di dimensioni dell’ordine di 200 mm e ha riportato un’incertezza di 0.9 mm (LC=68%). Il sistema di machine vision ha riportato un’incertezza di misura di 0.7 mm (LC=68%) per la stima del diametro di un provino cilindrico con un valore nominale dell’ordine di 70 mm, posizionato ad una distanza di 1 m da una telecamera RGB. Per mezzo di una simulazione di un Design of Experiments per geometrie circolari tramite la tecnologia a triangolazione laser, le irregolarità superficiali sono risultate l’elemento con l’effetto maggiore sulla procedura di ricostruzione. Infine, i due sistemi sono stati validati in ambiente industriale di forgia aperta. Il confronto tra le misure effettuate con calibro manuale ed il sistema con il laser scanner hanno mostrato un’incertezza di 4.7 mm (LC=68%) per il diametro di pezzi cilindrici tra 300 mm e 1060 mm ed un’incertezza di 2.7 mm (LC=68%) per misurandi prismatici con il lato tra 300 mm e 500 mm. Il sistema di machine vision è stato testato su misurandi cilindrici in ambiente industriale riportando un’incertezza di 9.8 mm (LC=68%) per diametri tra 600 mm e 1200 mm ed un’incertezza di 7.5 mm (LC=68%) per lunghezze di parti specifiche dei misurandi fino a 4 m.
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