基于激光三角法的火炮身管內膛檢測系統設計

楊 璐，王惠源，張鵬軍，任冬冬

（中北大學 機電工程學院，太原 030051）

火炮身管是承擔彈丸發射的主要部件，在物理、化學以及外部嚴酷環境的交互作用下內膛表面會出現裂縫、銹斑、灼蝕、線膛磨損和斷裂等缺陷[1]，身管內膛表面質量在很大程度上影響著火炮的使用壽命、射擊精度以及系統可靠性。不管是在身管制造還是維護過程中，對身管內膛表面缺陷的檢測都是必檢項。在實際檢測過程中，需要檢測人員肉眼借助光學窺膛系統對內膛疵病進行判斷[2]，缺乏自動化檢測手段以及數據化評判標準。近些年來，科研工作者提出了通過基于三角法的激光掃描技術來還原身管內膛圖像的理論，該類檢測方法具有檢測精度高的特點，但對于系統的設計、安裝、定位有很高的要求。

針對目前我軍制式火炮口徑繁多的特點，設計系統基于激光三角法，采用彈性自適應式定心方案，旨在保證系統檢測精度的前提下提高系統通用性，減少檢測成本。

1 系統檢測原理

傳統光學窺膛設備具有自動化程度低、僅能定性檢測、檢測精度低的特點。隨著光電技術、傳感器技術、微電子技術和計算機技術的快速發展與應用，國內外學者提出了包括CCD掃描成像法、光纖傳感器檢測法，以及激光三角法在內的諸多身管內膛表面檢測方法[3]。經過反復比較分析，認為激光三角法是一種可靠的身管內膛表面質量檢測方法，其優點在于不會對被測物體表面造成損傷，測量元件構成簡單，測量點小，抗干擾能力強，精度高，在厚度、粗糙度、三維輪廓、位移等檢測領域均被廣泛使用。

檢測時，機械裝載與傳動系統帶動傳感器沿身管軸線360°旋轉運動。當掃描到內膛表面不平整位置時，由于各掃描點距離傳感器的距離不同，接受反射或散射光線的角度會不同，在線性CCD陣列上得到的光斑位置也會不同。由光學成像原理，有

式中：d為像距；L為物距；f為焦距。

掃描點實際距離與成像距離的關系為

式中：H為掃描點實際距離；n為透鏡的放大倍數；x為光斑在線性CCD陣列上成像距離。激光位移傳感器成像原理如圖1所示。

圖1 激光位移傳感器成像原理Fig.1 Laser displacement sensor imaging principle

信號處理器會根據光斑在線性CCD陣列上成像距離x的變化，計算得出身管內膛表面實際變化況。考慮到單純通過激光位移傳感器采集到其與被測量點的距離信息無法獲得身管內膛三維輪廓的情況，在此通過傳感器獲取數據與編碼器輸入數據同步處理以得到每個身管截面的二維圖像，采用拉繩式位移傳感器記錄下激光位移傳感器的軸向位置變化情況，將每個身管截面圖像與所處軸向坐標相匹配，便可以獲得內膛三維輪廓。旋轉驅動裝置選用帶有編碼器的集成式電機，故對編碼器的安裝不做討論，位移傳感器則通過拉繩頭部與直行驅動裝置后端面采用外螺紋連接。

2 內膛檢測系統設計

所設計的火炮身管內膛表面檢測系統，利用基于三角法的激光位移傳感器作為核心檢測部件，包括激光測量系統、機械裝載與傳動系統、機電控制與數據處理系統三部分，如圖2所示。其中，采集數據通過基于MatLab的數據處理模塊還原內膛三維輪廓，從而定量地分析身管內膛表面質量，具有性能穩定、通用性強、檢測精度高的特點，為火炮系統的正常發射提供了有力的保障。

圖2 火炮身管內膛檢測系統組成Fig.2 Composition of artillery barrel innerbore detection system

2.1 機械裝載與傳動系統設計

機械裝載與傳動系統為激光位移傳感器提供了安裝平臺，在帶動傳感器完成采集身管內膛表面數據所需的各項運動的同時保證了其旋轉中心始終與身管軸線重合，而定心準確度將在很大程度上影響著檢測精度。該系統的組成包括裝有彈性自適應式定心機構的旋轉驅動裝置、直行驅動裝置以及傳感器安裝支架。

旋轉驅動裝置的彈性自適應式定心機構如圖3所示。該機構的滾輪架上加裝有3個在兩端具有角接觸球軸承的滾輪，滑套與定位導套之間通過定位精度較高、只允許自由移動而不能自由轉動的H6/g5間隙配合連接，滾輪架、兩調節連桿、兩滑套在平面上構成一雙滑塊機構，滑套上均勻地開有4個連接調節連桿的轉動銷孔，4套雙滑塊機構互成90°地布置在與定位導套同心的圓周上，在滑套與定位導套端面之間加裝彈簧。在自由狀態下，4個滾輪架上的滾輪形成直徑為160 mm的圓周。當系統進入身管后，自適應式定心機構會在內膛壁作用下徑向同步壓縮至目標口徑，在滿足系統通用性要求的同時保證了良好的定心效果。

圖3 旋轉驅動裝置的彈性自適應式定心機構Fig.3 Flexible adaptive centering mechanism of rotary drive installation

系統傳動原理為：旋轉驅動裝置中心軸的前后兩端通過正裝深溝球軸承的方式保證定心精度，中心軸末端使用同軸精度相當高的H7/k6過渡配合連接傳感器支架，并使用螺母鎖死，裝有編碼器的集成式步進電機通過中心軸帶動傳感器繞身管軸線旋轉運動；直行驅動裝置通過圓錐齒輪機構改變步進電機的傳動方向并帶動后輪軸轉動，后車輪的轉動將推動系統整體沿身管軸線直行。機械裝載與傳動系統結構如圖4所示。

圖4 機械裝載與傳動系統結構Fig.4 Structure of mechanical loading and transmission system

2.2 機電控制系統設計

機電控制系統的控制原理如圖5所示。步進電機驅動器與PLC采用陽極共接法連接，PLC發出脈沖信號并將其傳遞給驅動器，驅動器根據脈沖信號實現對電機方向、轉速、位置的控制；激光位移傳感器控制器中的CMOS器件將光信號轉換為電信號，放大單元放大信號，將產生的模擬信號輸入A/D信號轉換模塊，A/D模塊將其轉化為數字信號，數字信號傳入PLC并存于其數據寄存器中；編碼器的輸出信號為二進制碼，單圈和多圈數據連接PLC輸入I/O口X端，數據同樣存于PLC數據寄存器中；位移傳感器輸出方波ABZ數字信號，信號輸入PLC也存于數據寄存器中；PLC通過RS-232通訊接口與計算機通信，并將采集數據傳入計算機的測試軟件中，通過數據處理模塊做進一步處理。

圖5 機電控制原理Fig.5 Electromechanical control principle

2.3 圖像處理模塊設計

2.3.1 數據前處理

在系統檢測過程中，由于機械振動、傳感器測量誤差以及光線、噪聲等環境因素的影響，PLC傳入計算機的原始數據存在一定的無效數據點、冗余數據點和噪聲點，在三維輪廓生成前需對原始數據進行一定的前處理，以保證圖像還原質量。

激光位移傳感器的配套軟件會將獲取到的數據導入Excel表格中，有效數據點的數值應在±3 mm范圍內；對于某些由于光的反射干擾、光線不足或過強等原因產生的無效數據點，系統會賦予默認值-99.99 mm。因無效數據點會影響內膛輪廓還原效果，故采用鄰近點的算數平均值代替該無效點，具體計算流程如下：

1）依次搜索點云數據中xi=-99.99的無效數據點；

2）搜索出以 xi為中心、2.5 mm×2.5 mm 的正方形窗口中的數據點，判定是否存在有效數據點，若存在，則xi=∑xk/Ni，式中：xi為無效數據點；xk為該區域內所有的有效數據點；Ni為該區域內有效數據點的個數。

3）若不存在則將正方形窗口邊長擴大2.5 mm繼續搜索。以此類推，直至找到有效點并對其進行替換為止。

測試系統采用超高精度激光位移傳感器，每秒種的測量將產生數萬個數據點，這些數據點中包含有大量冗余數據，會增加圖像還原的時間與難度，因此需要在保證圖像還原精度的前提下對點云數據進行壓縮。在此采用均勻采樣法進行等比例壓縮，具體方法如圖6所示。

圖6 均勻采樣法壓縮數據Fig.6 Uniform sampling method to compress datum

圖中，x和y方向的數據分別按照2個數據點作為1個計數單位進行劃分，每個計數單位直接取得第1個數據點而忽略掉第2個數據點，以此方法依次采集，這樣將x方向上的數據量直接減少為原來的1/2，y方向的數據也減少為原來的1/2。這樣，點云數據量將壓縮為原來的1/4，在保留輪廓特征的前提下，提高了數據處理效率。

為了降低或消除噪聲點對于身管內膛表面還原效果的影響，應對點云數據進行去噪和濾波處理。在此，采用距離判別法對還原圖像進行去噪工作，具體原理如下：搜索找到每條輪廓曲線的起點和終點，利用最小二乘法對曲線上的點進行擬和，得到一條與之對應的曲線；根據輪廓形狀將擬和曲線階數設置為3或4階，設ε為允許誤差，計算出除了起點和終點以外輪廓曲線上其余各點到擬和曲線的歐式距離ei。若ei≥ε，則認定該點為噪聲點并加以去除。

在去除噪聲點之后，需要對數據進行濾波處理，以減少三維輪廓毛刺。在此，采用中值濾波法，具體方法如下：選擇某種形式的二維窗口，將窗口內的數據點按照值的大小依次排序，用生成數列的中值代替要處理的數據，數據濾波前后輪廓曲線如圖7所示。該方法的優點在于，在消除毛刺取得很好效果的同時保留了圖像細節特征。

圖7 中值濾波法處理輪廓曲線Fig.7 Median filtering method for processing contour curves

2.3.2 截面圖的拼接融合

由于機械系統定心誤差的存在以及被測表面為凹凸不平的弧面等原因，會發現在輪廓拼接處出現間隙以及不平整的現象，因此需要數據處理軟件采用適當的圖像拼接方法對截面輪廓進行拼接融合。在此，采用加權算法對身管截面輪廓進行過拼接，設 1條輪廓曲線方程為z1（x，y），與之相鄰的輪廓曲線為z2（x，y），拼接后的輪廓曲線z（x，y）為

其中a+b=1，0＜a＜1，0＜b＜1

可以通過合理選擇其值來改善圖像拼接效果。

2.3.3 身管內膛三維圖像的生成

基于MatLab的數據處理模塊的具體工作流程如下：

①將激光位移傳感器采集的點云數據進行無效替換、數據壓縮、去噪和濾波等前處理；

②對指定x-y平面區域按照一定大小進行分格；

③將點云數據與編碼器輸入數據，通過數據處理模塊同步處理，獲得每個身管截面的點云切片，從而生成網格圖；

④每個點云切片與位移傳感器輸入的z軸坐標相匹配，將身管截面二維圖像置于三維坐標中；

⑤點云切片采用加權算法進行拼接；

⑥對拼接后的圖像進行色彩填充形成三維輪廓圖，還原身管內膛真實情況；

⑦將三維圖像展開生成內膛質量掃描圖，由該圖判斷火炮身管內膛疵病的位置和大小。

3 試驗與分析

我國軍隊裝備的制式火炮口徑繁多，在系統檢測范圍內以口徑為122 mm的火炮最為典型，使用該口徑的火炮約有9種，其中包括榴彈炮、自行榴彈炮以及火箭炮等。文中，以該口徑身管作為研究對象，完成系統驗證性試驗。該身管的內膛陰線深度d=0.95 mm；陰線直徑為d1=123.9500.15mm，陽線直徑為d2=121.9200.15mm。

身管內膛檢測系統的運動控制、數據讀取、圖像生成、結果分析均通過系統測試軟件來實現。軟件界面如圖8所示。

圖8 火炮身管檢測系統界面Fig.8 Artillery barrel detection system interface

根據激光位移傳感器與編碼器采集數據同步處理可以得到身管截面圖像，根據該原理還原得到一截面的點云切片，如圖9所示。

圖9 身管截面點云切片Fig.9 Point-cloud slice of barrel section

將每個截面的點云切片與位移傳感器輸入數據相匹配并進行拼接融合后，可以得到身管內膛三維圖像，將其展開后得到內膛質量掃描圖，其中一區域圖像如圖10所示。

圖10 火炮身管質量掃描圖像Fig.10 Artillery barrel quality scanning image

圖中，灰色區域表示不存在疵病，其它顏色顯示區域為疵病所在位置，且顏色越深表示疵病的凹陷程度越大，也可根據顏色區域的大小來判斷疵病的大小。

在激光位移傳感器掃描身管內膛的過程中，系統監測到輸入數據突變點群，輪廓圖像如圖11所示。由圖可見，該疵病位于陰線表面，且在該截面上疵病的最大深度為0.083 mm。

圖11 突變點群圖Fig.11 Mutation point group diagram

在圖10所示的內膛質量掃描圖中的位置1處，找到該突變點群所對應的疵病，根據分析得出：該疵病中心位于距離炮口約371 mm的位置，疵病面積約10.2 mm2，平均深度0.096 mm，最深位置深度0.115 mm；使用窺膛設備觀察該位置，其真實圖像如圖12所示，通過比較分析得出實際情況與系統檢測結果相一致。

圖12 身管內膛疵病位置真實圖像Fig.12 Real image of barrel inner bore disease position

4 結語

介紹了一種基于激光三角法的火炮身管內膛表面檢測系統。該系統采用彈性自適應式定心方案，可對口徑在120～155 mm范圍內的約25種常規火炮身管內膛進行檢測，激光位移傳感器的重復檢測精度達到0.02 μm，機械裝載與傳動系統定心精度根據理論計算為±0.011 mm；采集數據通過基于MatLab的圖像處理模塊還原身管內膛表面圖像，通過還原圖像可以實現對火炮內膛疵病的量化檢測，滿足了生產維護過程中的任務要求，對提高檢測精度與自動化程度都有很好的參考價值。