火炮身管內(nèi)徑激光測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 楊，鄭立評(píng)，胡 備,朱建杰

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 火炮工程系，河北 石家莊 050003；2.中國(guó)人民解放軍71897部隊(duì)，陜西 西安 710600)

身管是火炮的核心部件，其在長(zhǎng)期使用過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)壁磨損嚴(yán)重影響火炮的精準(zhǔn)打擊力和安全操作性。身管內(nèi)壁的磨損量是判別身管性能狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)研究身管剩余壽命、火炮剩余壽命發(fā)數(shù)有重要作用。因此，身管徑向磨損量的檢測(cè)在火炮制造、驗(yàn)收、使用、大修、報(bào)廢全過(guò)程具有重大意義[1]。

但迄今為止，由于火炮身管內(nèi)部測(cè)量空間狹小、長(zhǎng)徑比大，內(nèi)輪廓形貌復(fù)雜，身管內(nèi)徑測(cè)量技術(shù)在實(shí)際使用中存在檢測(cè)效率低、測(cè)量精度差的問(wèn)題。若想要提高檢測(cè)精度，勢(shì)必要增加采樣點(diǎn)數(shù)，檢測(cè)速度明顯下降；提高了檢測(cè)速度又勢(shì)必影響檢測(cè)精度。長(zhǎng)期以來(lái)，兩者是一對(duì)矛盾，一直沒(méi)有得到很好的解決。

隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)身管測(cè)徑設(shè)備的通用性、檢測(cè)的效率、檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度都提出了更高要求。使用卡尺、卡規(guī)等常規(guī)內(nèi)徑測(cè)量裝置對(duì)身管進(jìn)行檢測(cè)時(shí)檢測(cè)精度可達(dá)±0.002 mm，但僅能在身管兩端口部進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量截面內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)少，容易漏檢疵病。常用的膨脹檢查器僅能檢測(cè)身管膨脹度，適用情況單一；星形測(cè)徑儀、電感測(cè)徑儀、光柵測(cè)徑儀等裝置使用時(shí)均需要定心，但異形圓孔的圓心難以精確定位，在身管磨損量不大的位置中僅定心誤差就有2～3 mm，磨損量大的位置定心精度更差，還需要針對(duì)不同口徑身管設(shè)計(jì)有專用測(cè)頭和定心裝置，配件多，操作不便[2]。

基于此，筆者設(shè)計(jì)了一套火炮身管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)身管全長(zhǎng)度內(nèi)輪廓進(jìn)行快速掃描，得出眾多內(nèi)徑信息并復(fù)原輪廓形貌，從而準(zhǔn)確評(píng)估身管磨損狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)需求

在綜合分析國(guó)內(nèi)外測(cè)徑常用方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，提出火炮身管內(nèi)徑測(cè)量應(yīng)主要滿足以下需求：

1)提高檢測(cè)結(jié)果精度：以身管加工出廠條件為依據(jù)，滿足測(cè)量需求應(yīng)保證誤差不超過(guò)±0.05 mm.

2)提高檢測(cè)設(shè)備通用性：針對(duì)現(xiàn)有裝置配件多、質(zhì)量大的問(wèn)題，滿足裝置在不用更換配件的條件下，進(jìn)行100～160 mm以內(nèi)多口徑型號(hào)火炮身管測(cè)量需求。

3)提高檢測(cè)效率：操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)過(guò)程用時(shí)短、可得到大量數(shù)據(jù)信息。

4)工作溫度：適應(yīng)-10～50 ℃的工作溫度。

為滿足實(shí)際需求，提出非定心測(cè)徑原理，設(shè)計(jì)了一套完整的火炮身管內(nèi)徑激光測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)以激光原理實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑信息高精度非接觸式獲取；在儀器設(shè)計(jì)上利用量程分段的思想擴(kuò)大傳感器量程，實(shí)現(xiàn)大量程徑向信息獲取；一套設(shè)備不更換配件就可實(shí)現(xiàn)全量程全身管檢測(cè)；軟件設(shè)計(jì)上利用非定心測(cè)徑原理對(duì)所得內(nèi)徑數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算并顯示身管內(nèi)多參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、評(píng)估全過(guò)程自動(dòng)化；設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)從不同角度測(cè)定了系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量精度。

1.2 激光測(cè)位移原理

筆者采用旋轉(zhuǎn)激光測(cè)位移傳感器進(jìn)行掃描的方法采集內(nèi)徑數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描。

三角法激光測(cè)位移傳感器由發(fā)射部分、檢測(cè)部分和接收部分3部分組成。發(fā)射部分由激光傳感器發(fā)出一束激光；檢測(cè)部分由兩個(gè)透鏡和受光元件組成，發(fā)射透鏡將激光發(fā)射器射出的點(diǎn)光源激光變?yōu)槠叫泄馐怪鄙湓跍y(cè)量面上，接收透鏡聚集測(cè)量面反射的光線，在受光元件上形成圖像，光點(diǎn)在受光元件上形成的圖像隨被測(cè)距離變化而變化；接收部分由受光元件和相應(yīng)數(shù)據(jù)處理單元組成，將受光元件上接收到的成像信息與參考面成像信息作對(duì)比，處理得到反應(yīng)距離變化的原始電流信息傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)部分進(jìn)行處理，如圖1所示。圖1中，h為被測(cè)量面到參考面間的距離；U為參考面到透鏡的距離，也就是物距；V為透鏡到受光元件上成相點(diǎn)的距離，也就是相距。

1.3 非定心測(cè)徑原理

非定心測(cè)徑原理如圖2所示，O2為電機(jī)軸心，O1為身管截面圓心，θ為采樣點(diǎn)P與D1間所夾電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)角度，激光傳感器安裝距電機(jī)軸心距離為r，測(cè)得距離為Am(Am為測(cè)量讀出的第m點(diǎn)數(shù)據(jù))。

設(shè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈共采集6 000點(diǎn)數(shù)據(jù)，則每隔180°轉(zhuǎn)角的兩點(diǎn)連線為所測(cè)截面的1條弦，弦長(zhǎng)為

d=Am+Am+3 000+2r,

(1)

共得到3 000條弦，3 000條線比較大小，最長(zhǎng)的一條弦D1為直徑，過(guò)點(diǎn)O1,最長(zhǎng)弦長(zhǎng)的一半即圓截面半徑。

已知第m與第m+3 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)確定D1所在直線，采樣點(diǎn)P與第m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔x個(gè)數(shù)據(jù)。利用平面幾何公式可以求得△O1O2P中∠O2O1P的大小與O1P的長(zhǎng)度。

以此類推，能得到所有數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)于O1的圓心角和理論半徑長(zhǎng)度。以D1為極坐標(biāo)軸，O1為原點(diǎn)，繪制每一數(shù)據(jù)點(diǎn)位置并連線，所得圖形即身管

實(shí)際內(nèi)輪廓。

過(guò)去常用的高精度測(cè)量方法均要求物理定心，即保證測(cè)量?jī)x器中軸線與身管內(nèi)軸線重合，但由于精加工、總裝調(diào)等原因的限制，很難實(shí)現(xiàn)兩線完全重合[3]。本系統(tǒng)提出的測(cè)量方法僅憑借軟件算法就能實(shí)現(xiàn)定心，不需要利用固定裝置進(jìn)行儀器定心，固定裝置僅保證測(cè)量?jī)x器中軸線與身管內(nèi)中心軸線兩線平行即可。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高火炮身管內(nèi)徑檢測(cè)效率、提高測(cè)徑的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性，在測(cè)量系統(tǒng)之外，配套設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)與儀器裝置。

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

為保證激光傳感器垂直射向身管內(nèi)壁、在身管內(nèi)移動(dòng)便捷、一套設(shè)備適用多口徑身管，設(shè)計(jì)了懸臂結(jié)構(gòu)與傘狀支撐結(jié)構(gòu)保證激光傳感器測(cè)量。機(jī)械支撐裝置結(jié)構(gòu)[4]如圖3所示。

本裝置激光傳感器量程為40～60 mm，測(cè)量中心為50 mm，火炮身管內(nèi)壁直徑范圍為100～160 mm，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)的懸臂結(jié)構(gòu)以擴(kuò)大激光傳感器量程范圍，提高了設(shè)備通用性；設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)式彈簧傘的雙傘支撐架實(shí)現(xiàn)了對(duì)多口徑身管穩(wěn)定支撐；設(shè)計(jì)莫氏錐結(jié)構(gòu)連接實(shí)現(xiàn)支撐中軸與管件軸線平行，確保激光能夠垂直射向身管管內(nèi)壁。裝置的推進(jìn)通過(guò)人工推拉推進(jìn)桿實(shí)現(xiàn)。卡鎖裝置固定在炮口斷面，用于鎖定推進(jìn)桿，示讀測(cè)量位置在炮身中軸向距離，以實(shí)現(xiàn)對(duì)身管內(nèi)部全長(zhǎng)度檢測(cè)。

2.2 儀器設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下硬件模塊：將受光元件產(chǎn)生的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號(hào)的光電信號(hào)處理模塊；對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的A/D采集模塊；對(duì)數(shù)據(jù)具有高速處理能力的單片機(jī)；啟動(dòng)測(cè)量的按鍵模塊；實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果的顯示模塊；驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；對(duì)硬件供電的電源模塊和能實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)的藍(lán)牙通訊模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。其中，主控制模塊是硬件電路系統(tǒng)中的核心部分，直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)主程序，主程序主要完成以下幾個(gè)任務(wù)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；接收A/D采集模塊采集到的數(shù)據(jù)；對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除粗大誤差；對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到實(shí)際距離值；將實(shí)際距離值通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī)。其中，數(shù)據(jù)處理部分是最關(guān)鍵內(nèi)容，直接關(guān)系測(cè)量距離信息的精準(zhǔn)度。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)每一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多次采集，對(duì)多個(gè)采集值去極值后進(jìn)行濾波處理得到該點(diǎn)處測(cè)量值，以去除粗大誤差。系統(tǒng)使用前先通過(guò)環(huán)規(guī)對(duì)測(cè)量值與實(shí)際距離進(jìn)行標(biāo)定，建立測(cè)量值與距離值的線性關(guān)系模型；使用時(shí)，利用線性關(guān)系模型將所得測(cè)量值處理為實(shí)際距離值進(jìn)行輸出。

本系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)的藍(lán)牙接收軟件與數(shù)據(jù)處理軟件[5]，對(duì)采集得到的大量距離信息進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)處理時(shí)，依據(jù)非定心測(cè)徑原理建立數(shù)學(xué)模型，利用所得信息，高精度、高準(zhǔn)確度得到身管內(nèi)徑多個(gè)參數(shù)信息，再現(xiàn)身管內(nèi)輪廓。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

筆者設(shè)計(jì)了重復(fù)性精度實(shí)驗(yàn)與實(shí)炮檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了大量測(cè)試[6]對(duì)系統(tǒng)精度進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 重復(fù)性精度試驗(yàn)

為保證系統(tǒng)檢測(cè)精度，將系統(tǒng)安裝好后對(duì)內(nèi)徑125 mm公差為 0.002 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，每采集1圈數(shù)據(jù)用時(shí)3 min，共采集3圈數(shù)據(jù)，如表1所示。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。

表1 精度測(cè)量數(shù)據(jù)分析表

重復(fù)性精度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)精度在 0.03 mm以內(nèi)，無(wú)數(shù)據(jù)丟失，說(shuō)明系統(tǒng)精度滿足使用需求。

3.2 實(shí)炮實(shí)驗(yàn)

對(duì)某型122 mm線膛炮進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6中，灰點(diǎn)所在位置即電機(jī)軸心；灰圓為不進(jìn)行軟件修正定心誤差情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果；紅圓為以理論圓心為圓心，理論半徑為半徑所繪圓；黑圓為修正定心誤差后再現(xiàn)的身管內(nèi)輪廓截面。可以看出，旋轉(zhuǎn)中心與身管中心不重合，該系統(tǒng)消除了裝置非定心產(chǎn)生的誤差。

該系統(tǒng)測(cè)得內(nèi)徑結(jié)果誤差在±0.03 mm以內(nèi)，膛線及其磨損部位內(nèi)輪廓再現(xiàn)完整，滿足相應(yīng)誤差指標(biāo)和使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一套高精度、高效率、高通用性的火炮身管內(nèi)徑激光測(cè)量系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)定心測(cè)徑的桎梏，在非定心條件下進(jìn)行大數(shù)據(jù)量采集，得到身管內(nèi)徑信息與內(nèi)輪廓形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)所得內(nèi)徑信息量大，結(jié)果精確度高，內(nèi)輪廓形貌再現(xiàn)效果好，滿足實(shí)際使用需求。