火炮身管内径激光测量系统设计

于 杨，郑立评，胡 备,朱建杰

(1.陆军工程大学石家庄校区 火炮工程系，河北 石家庄 050003；2.中国人民解放军71897部队，陕西 西安 710600)

身管是火炮的核心部件，其在长期使用过程中产生的内壁磨损严重影响火炮的精准打击力和安全操作性。身管内壁的磨损量是判别身管性能状态的关键指标，对研究身管剩余寿命、火炮剩余寿命发数有重要作用。因此，身管径向磨损量的检测在火炮制造、验收、使用、大修、报废全过程具有重大意义[1]。

但迄今为止，由于火炮身管内部测量空间狭小、长径比大，内轮廓形貌复杂，身管内径测量技术在实际使用中存在检测效率低、测量精度差的问题。若想要提高检测精度，势必要增加采样点数，检测速度明显下降；提高了检测速度又势必影响检测精度。长期以来，两者是一对矛盾，一直没有得到很好的解决。

随着现代测量技术的发展，对身管测径设备的通用性、检测的效率、检测结果的精准度都提出了更高要求。使用卡尺、卡规等常规内径测量装置对身管进行检测时检测精度可达±0.002 mm，但仅能在身管两端口部进行测量，测量截面内采样点数少，容易漏检疵病。常用的膨胀检查器仅能检测身管膨胀度，适用情况单一；星形测径仪、电感测径仪、光栅测径仪等装置使用时均需要定心，但异形圆孔的圆心难以精确定位，在身管磨损量不大的位置中仅定心误差就有2～3 mm，磨损量大的位置定心精度更差，还需要针对不同口径身管设计有专用测头和定心装置，配件多，操作不便[2]。

基于此，笔者设计了一套火炮身管内径测量系统，该系统能对身管全长度内轮廓进行快速扫描，得出众多内径信息并复原轮廓形貌，从而准确评估身管磨损状态。

1 系统设计需求与工作原理

1.1 设计需求

在综合分析国内外测径常用方法的基础上，根据调研结果，提出火炮身管内径测量应主要满足以下需求：

1)提高检测结果精度：以身管加工出厂条件为依据，满足测量需求应保证误差不超过±0.05 mm.

2)提高检测设备通用性：针对现有装置配件多、质量大的问题，满足装置在不用更换配件的条件下，进行100～160 mm以内多口径型号火炮身管测量需求。

3)提高检测效率：操作简便、检测过程用时短、可得到大量数据信息。

4)工作温度：适应-10～50 ℃的工作温度。

为满足实际需求，提出非定心测径原理，设计了一套完整的火炮身管内径激光测量系统。系统以激光原理实现内径信息高精度非接触式获取；在仪器设计上利用量程分段的思想扩大传感器量程，实现大量程径向信息获取；一套设备不更换配件就可实现全量程全身管检测；软件设计上利用非定心测径原理对所得内径数据自动进行计算并显示身管内多参数信息，实现测量、评估全过程自动化；设计多个实验从不同角度测定了系统实际测量精度。

1.2 激光测位移原理

笔者采用旋转激光测位移传感器进行扫描的方法采集内径数据，单片机控制电机转动，带动传感器进行旋转扫描。

三角法激光测位移传感器由发射部分、检测部分和接收部分3部分组成。发射部分由激光传感器发出一束激光；检测部分由两个透镜和受光元件组成，发射透镜将激光发射器射出的点光源激光变为平行光束，垂直射在测量面上，接收透镜聚集测量面反射的光线，在受光元件上形成图像，光点在受光元件上形成的图像随被测距离变化而变化；接收部分由受光元件和相应数据处理单元组成，将受光元件上接收到的成像信息与参考面成像信息作对比，处理得到反应距离变化的原始电流信息传输至数据处理系统部分进行处理，如图1所示。图1中，h为被测量面到参考面间的距离；U为参考面到透镜的距离，也就是物距；V为透镜到受光元件上成相点的距离，也就是相距。

1.3 非定心测径原理

非定心测径原理如图2所示，O2为电机轴心，O1为身管截面圆心，θ为采样点P与D1间所夹电机转过角度，激光传感器安装距电机轴心距离为r，测得距离为Am(Am为测量读出的第m点数据)。

设电机旋转1圈共采集6 000点数据，则每隔180°转角的两点连线为所测截面的1条弦，弦长为

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

(1)

共得到3 000条弦，3 000条线比较大小，最长的一条弦D1为直径，过点O1,最长弦长的一半即圆截面半径。

已知第m与第m+3 000个数据点确定D1所在直线，采样点P与第m个数据点间隔x个数据。利用平面几何公式可以求得△O1O2P中∠O2O1P的大小与O1P的长度。

以此类推，能得到所有数据点相对于O1的圆心角和理论半径长度。以D1为极坐标轴，O1为原点，绘制每一数据点位置并连线，所得图形即身管

实际内轮廓。

过去常用的高精度测量方法均要求物理定心，即保证测量仪器中轴线与身管内轴线重合，但由于精加工、总装调等原因的限制，很难实现两线完全重合[3]。本系统提出的测量方法仅凭借软件算法就能实现定心，不需要利用固定装置进行仪器定心，固定装置仅保证测量仪器中轴线与身管内中心轴线两线平行即可。

2 系统设计

为提高火炮身管内径检测效率、提高测径的实时性、可靠性、稳定性，在测量系统之外，配套设计机械结构与仪器装置。

2.1 机械设计

为保证激光传感器垂直射向身管内壁、在身管内移动便捷、一套设备适用多口径身管，设计了悬臂结构与伞状支撑结构保证激光传感器测量。机械支撑装置结构[4]如图3所示。

本装置激光传感器量程为40～60 mm，测量中心为50 mm，火炮身管内壁直径范围为100～160 mm，设计可调节的悬臂结构以扩大激光传感器量程范围，提高了设备通用性；设计可调节式弹簧伞的双伞支撑架实现了对多口径身管稳定支撑；设计莫氏锥结构连接实现支撑中轴与管件轴线平行，确保激光能够垂直射向身管管内壁。装置的推进通过人工推拉推进杆实现。卡锁装置固定在炮口断面，用于锁定推进杆，示读测量位置在炮身中轴向距离，以实现对身管内部全长度检测。

2.2 仪器设计

2.2.1 硬件设计

本系统设计以下硬件模块：将受光元件产生的模拟电流信号转变为模拟电压信号的光电信号处理模块；对模拟信号进行采集变为数字信号的A/D采集模块；对数据具有高速处理能力的单片机；启动测量的按键模块；实时显示测量结果的显示模块；驱动电机转动的电机驱动模块；对硬件供电的电源模块和能实时向上位机传输测量数据的蓝牙通讯模块。系统硬件结构设计如图4所示。其中，主控制模块是硬件电路系统中的核心部分，直接影响系统运行的可靠性和稳定性。

2.2.2 软件设计

本系统采用C语言设计单片机主程序，主程序主要完成以下几个任务：驱动电机旋转；接收A/D采集模块采集到的数据；对采集到的数据进行处理，去除粗大误差；对处理后的数据进行计算得到实际距离值；将实际距离值通过蓝牙模块发送至上位机。其中，数据处理部分是最关键内容，直接关系测量距离信息的精准度。在进行数据处理时，对每一测量点进行多次采集，对多个采集值去极值后进行滤波处理得到该点处测量值，以去除粗大误差。系统使用前先通过环规对测量值与实际距离进行标定，建立测量值与距离值的线性关系模型；使用时，利用线性关系模型将所得测量值处理为实际距离值进行输出。

本系统采用C#语言编写的蓝牙接收软件与数据处理软件[5]，对采集得到的大量距离信息进行分析处理。数据处理时，依据非定心测径原理建立数学模型，利用所得信息，高精度、高准确度得到身管内径多个参数信息，再现身管内轮廓。

3 实验验证结果

笔者设计了重复性精度实验与实炮检测实验，并进行了大量测试[6]对系统精度进行验证。

3.1 重复性精度试验

为保证系统检测精度，将系统安装好后对内径125 mm公差为 0.002 mm的标准环规进行测试。测试时，每采集1圈数据用时3 min，共采集3圈数据，如表1所示。实验环境如图5所示。

表1 精度测量数据分析表

重复性精度实验的结果表明，实验精度在 0.03 mm以内，无数据丢失，说明系统精度满足使用需求。

3.2 实炮实验

对某型122 mm线膛炮进行检测，检测结果如图6所示。

图6中，灰点所在位置即电机轴心；灰圆为不进行软件修正定心误差情况下实验结果；红圆为以理论圆心为圆心，理论半径为半径所绘圆；黑圆为修正定心误差后再现的身管内轮廓截面。可以看出，旋转中心与身管中心不重合，该系统消除了装置非定心产生的误差。

该系统测得内径结果误差在±0.03 mm以内，膛线及其磨损部位内轮廓再现完整，满足相应误差指标和使用要求。

4 结束语

笔者设计了一套高精度、高效率、高通用性的火炮身管内径激光测量系统，打破了传统定心测径的桎梏，在非定心条件下进行大数据量采集，得到身管内径信息与内轮廓形貌。实验结果表明，该系统所得内径信息量大，结果精确度高，内轮廓形貌再现效果好，满足实际使用需求。