路 卓,江 劍

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

1 引言

火炮在射擊過程中，身管會受到高溫高壓氣體和高速彈丸的反復(fù)作用，其內(nèi)膛極易會產(chǎn)生磨損、裂紋、鍍層脫落等現(xiàn)象，這勢必會降低火炮的戰(zhàn)術(shù)性能，因此對長時間使用的火炮身管進(jìn)行檢測顯得尤為重要。國內(nèi)外對火炮內(nèi)膛缺陷的檢測多采用無損檢測技術(shù)，其中以光電檢測法為主，主要有CCD攝像法、激光光學(xué)三角法、激光光源投射成像法。本文中提出了基于激光位移檢測技術(shù)的身管內(nèi)膛表面疵病檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對不同口徑的身管檢測。為了提高檢測效率，首先利用圖像檢測設(shè)備獲得身管內(nèi)壁圖像，經(jīng)過圖像處理和分析獲得疵病位置的軸向位置范圍，然后利用系統(tǒng)設(shè)計行走機(jī)構(gòu)作為傳感器的載體，攜帶激光位移傳感器進(jìn)入火炮身管內(nèi)，控制行走機(jī)構(gòu)在的軸向位置，使其攜帶傳感器快速到達(dá)疵病位置并開啟掃描電機(jī)帶動傳感器轉(zhuǎn)動掃描，實(shí)現(xiàn)疵病位置身管內(nèi)膛表面位移信息的采集和保存；最后通過分析和處理位移數(shù)據(jù)計算疵病的相關(guān)特征量，實(shí)現(xiàn)疵病的檢測。

2 系統(tǒng)檢測原理及總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)檢測原理

檢測系統(tǒng)對身管內(nèi)膛表面疵病的檢測原理下：

1)疵病深度和寬度的檢測

系統(tǒng)采用激光位移傳感器對身管內(nèi)膛表面旋轉(zhuǎn)掃描，傳感器采集到的位移數(shù)據(jù)可反映身管內(nèi)壁表面的信息，利用位移數(shù)據(jù)可分析身管疵病位置的輪廓信息，進(jìn)而獲得疵病的深度和寬度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)對于身管內(nèi)膛表面某一疵病的檢測過程如圖1所示，假設(shè)滑膛炮的身管內(nèi)壁某處存在一個疵病，如鍍層脫落。掃描過程中掃面電機(jī)帶動激光位移傳感器由起始位置圖1(a)轉(zhuǎn)到終止位置圖1(c)，傳感器采集身管內(nèi)膛表面的位移數(shù)據(jù)并保存。

圖1 位移傳感器檢測過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of displacement sensor detection

激光位移傳感器采集到的位移數(shù)據(jù)可以擬合成一條如圖2(a)所示輪廓曲線，對于疵病的深度及寬度數(shù)據(jù)可以通過采集到的輪廓曲線具體分析。

圖2 疵病檢測原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of defect detection principle

如圖2(b)，假設(shè)傳感器位于掃描起點(diǎn)位置時,采集到的位移數(shù)據(jù)為,在對疵病位置掃描時，采集到的位移數(shù)據(jù)為，傳感器距離電機(jī)軸中心點(diǎn)之間的距離為，對于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如下：

設(shè)傳感器由起始位置到終止位置時，掃描步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度為Δ，則圖2(b)中傳感器的掃描范圍為

=Δ·(+)

(1)

設(shè)為疵病的深度，則有

=-

(2)

設(shè)疵病區(qū)域的寬度為，掃描電機(jī)在疵病區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)動角度為Δ。則根據(jù)式(1)可得：

=Δ·(+)

(3)

式(3)中：Δ以弧度制計算；為行走機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計尺寸，不同口徑的檢測設(shè)備的設(shè)計尺寸不同；為激光位移傳感器的讀數(shù)。

2)疵病軸向位置的檢測

激光位移傳感器在身管內(nèi)的掃描方式為步進(jìn)掃描，每完成一次掃描之后，行走驅(qū)動電機(jī)前進(jìn)1 mm，繼續(xù)掃描，直至掃描完整個疵病區(qū)域?yàn)橹埂Ｒ虼?，若掃描到疵病邊緣時，根據(jù)激光測距傳感器的信息即可獲得疵病邊緣的軸向位置數(shù)據(jù)。疵病軸向定位如圖3所示。

圖3 疵病軸向位置定位示意圖Fig.3 Schematic diagram of the positioning of the axial position of the defect

如圖3所示，在距離身管的某一端固定激光測距傳感器，假設(shè)行走機(jī)構(gòu)的尾部即將進(jìn)入身管時，行走機(jī)構(gòu)與傳感器的距離為，設(shè)備進(jìn)入炮管后，與傳感器的實(shí)時距離為；若與炮口或炮尾之間距離為處存在某一疵病，則該疵病的軸向位置為

=+--

(4)

式(4)中：和可由激光位移傳感器采集的數(shù)據(jù)獲得；和為行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計尺寸。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，由行走機(jī)構(gòu)、激光位移傳感器、激光測距傳感器、PLC控制器、上位機(jī)等構(gòu)成。

1-待測身管；2-行走驅(qū)動電機(jī)；3-激光位移傳感器固定架；4-掃描步進(jìn)電機(jī)；5-激光測距傳感器；6-驅(qū)動機(jī)構(gòu)；7-行走機(jī)構(gòu)；8-激光位移傳感器圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 System overall structure diagram

根據(jù)各部分的功能可將系統(tǒng)分為如下幾個模塊：

1)運(yùn)動控制模塊：主要由行走機(jī)構(gòu)、行走驅(qū)動電機(jī)、PLC和上位機(jī)控制軟件組成，其中行走機(jī)構(gòu)用于攜帶徑向位移傳感器，主要作用是控制激光位移傳感器在火炮身管內(nèi)的位置。

2)位移數(shù)據(jù)采集模塊：由激光位移傳感器、掃描步進(jìn)電機(jī)、激光位移傳感器固定架及數(shù)據(jù)采集軟件組成；模塊設(shè)計了激光位移傳感器的安裝夾具，安裝過程中通過螺釘調(diào)節(jié)可以盡可能的保證夾具、掃描電機(jī)和行走機(jī)構(gòu)軸重合。模塊主要用于身管內(nèi)疵病位置位移數(shù)據(jù)的采集與保存。

3)軸向測量模塊：由激光測距傳感器、固定三腳支架組成和數(shù)據(jù)采集軟件組成。用于實(shí)時測量行走機(jī)構(gòu)在炮管內(nèi)的位置，實(shí)現(xiàn)疵病在身管內(nèi)的軸向位置的精確測量。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

行走機(jī)構(gòu)作為載體攜帶激光位移傳感器對火炮膛內(nèi)表面進(jìn)行掃描，要求該機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)地在身管里運(yùn)動。結(jié)合當(dāng)前管道內(nèi)的爬行機(jī)構(gòu)的研究成果，設(shè)計了如圖5所示行走機(jī)構(gòu)模型。

如圖5所示，行走機(jī)構(gòu)由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和位移數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)組成，其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)是行走機(jī)構(gòu)的核心。

1)驅(qū)動機(jī)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)由行走驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動輪、驅(qū)動輪支架組成。主要功能是確保行走機(jī)構(gòu)在身管內(nèi)能夠平穩(wěn)的前進(jìn)、后退和停止；行走驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，螺旋式驅(qū)動輪帶動行走機(jī)構(gòu)在炮管內(nèi)直線運(yùn)動。

2)定位機(jī)構(gòu)

定位機(jī)構(gòu)由3個支撐銅環(huán)和金屬殼體組成。金屬殼體的作用是連接和固定各部分組件；支撐銅環(huán)分布于行走機(jī)構(gòu)的前端、中端及后端，用于支撐行走機(jī)構(gòu)，使其在身管內(nèi)運(yùn)動時盡可能保持在一條直線上。

3)位移數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)

位移數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)由掃描步進(jìn)電機(jī)、連接軸套和傳感器固定結(jié)構(gòu)組成。主要用于固定激光位移傳感器。考慮到檢測系統(tǒng)的軸向定位精度是±0.03 mm，結(jié)合行走機(jī)構(gòu)及傳感器的尺寸等因素，系統(tǒng)選用ZLDS100型激光位移傳感器。該傳感器的檢測精度為0.001 mm，量程范圍在15 mm以內(nèi)，測量頻高達(dá)2 kHz。

1-驅(qū)動機(jī)構(gòu)；2-支撐銅環(huán)；3-行走驅(qū)動電機(jī)；4-傳感器固定裝置；5-掃描步進(jìn)電機(jī)；6-金屬殼體；7-激光位移傳感器圖5 行走機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Overall structure drawing of walking mechanism

3.2 軸向測距模塊設(shè)計

軸向測距模塊的用于采集位移傳感器在身管內(nèi)的軸向位置，該模塊的核心器件是激光測距傳感器。考慮到檢測系統(tǒng)的軸向定位精度是±3 mm，系統(tǒng)選用ZLDS02.100型激光測距儀。該傳感器可設(shè)置參考零點(diǎn)位置，量程范圍在0.1～200 m，測量精度為±1 mm，測量頻高達(dá)100 Hz，并且傳感器支持RS-232、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)化串行通信接口，便于上位機(jī)軟件的開發(fā)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件需要要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)實(shí)時檢測位移傳感器在火炮身管內(nèi)的軸向位置；

2)調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)在火炮身管內(nèi)運(yùn)動速度，使位移傳感器快速到達(dá)疵病區(qū)域，提高檢測系統(tǒng)的工作效率；

3)控制掃描步進(jìn)電機(jī)的啟動和停止，并實(shí)現(xiàn)掃描角度和掃描速度的控制。

4)能夠?qū)崿F(xiàn)對位移數(shù)據(jù)的采集、顯示及保存。

根據(jù)軟件的既定功能，結(jié)合檢測人員的實(shí)際操作性要求。系統(tǒng)利用LabVIEW環(huán)境進(jìn)行上位機(jī)的軟件開發(fā)，軟件設(shè)計需要考慮硬件與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。檢測系統(tǒng)硬件與上位機(jī)軟件之間的通信方式如圖6所示。

根據(jù)疵病檢測原理，系統(tǒng)檢測過程中需將采集到的位移數(shù)據(jù)與掃描角度一一對應(yīng)以計算疵病的寬度數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)上位機(jī)軟件需對掃描電機(jī)的角度數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測與采集，如圖6所示，上位機(jī)軟件與PLC的通信采用OPC通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 通信方式示意框圖Fig.6 Schematic diagram of communication mode

OPC通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議由技術(shù)領(lǐng)先的自動化軟、硬件廠商聯(lián)合微軟公司開發(fā)，它使工業(yè)控制在硬件和軟件方面都有了統(tǒng)一的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)在于該技術(shù)采用OPC Client/OPC Server模式架構(gòu)，通過客戶端訪問服務(wù)器端來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取，使用過程中不需要了解系統(tǒng)內(nèi)核與雙方的通信協(xié)議。

系統(tǒng)軟件對于激光測距傳感器數(shù)據(jù)的采集需要通過NI-VISA模塊來實(shí)現(xiàn)。NI-VISA是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O 應(yīng)用程序接口，VISA可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)等儀器，可根據(jù)儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，建立應(yīng)用程序和儀器總線之間的通信通道，用戶無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議。

4.1 PLC程序設(shè)計

檢測系統(tǒng)采用運(yùn)動軸組態(tài)控制方法實(shí)現(xiàn)行走驅(qū)動電機(jī)和掃描步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)控制,利用PLC編程軟件對行走驅(qū)動電機(jī)和掃描步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動軸組態(tài)，完成運(yùn)動軸的組態(tài)之后，軟件會生成子程序，根據(jù)不同的控制目的調(diào)用相應(yīng)的子程序即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動控制程序的編寫。運(yùn)動控制程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 PLC程序結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 PLC program structure block diagram

控制程序由手動控制子程序和程序控制子程序組成，圖7中AXISx_CTRL子程序用于行走驅(qū)動電機(jī)和掃描步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行初始化和啟動；AXISx_MAN子程序?qū)崿F(xiàn)行走驅(qū)動電機(jī)的方向控制，程序中用于控制運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)以不同速度正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以達(dá)到控制行走機(jī)構(gòu)變速前進(jìn)和后退；AXISx_GOTO子程序用于控制掃描步進(jìn)電機(jī)的掃描速度及角度。

4.2 傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

系統(tǒng)檢測過程中使用激光測距傳感器和激光位移傳感器，對于傳感器數(shù)據(jù)的采集需要通過數(shù)據(jù)采集VI實(shí)現(xiàn)。

激光測距傳感器通過RS232轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)軟件對傳感器的數(shù)據(jù)讀取通過NI VISA模塊實(shí)現(xiàn)，傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8 激光測距傳感器數(shù)據(jù)采集流程框圖Fig.8 Laser ranging sensor data collection process

激光位移傳感器與上位機(jī)之間的通信需要通過調(diào)用傳感器生產(chǎn)廠家自定義的開發(fā)庫來實(shí)現(xiàn)。傳感器與上位機(jī)連接通過ZLDS10X_Open函數(shù)實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)的采集需要調(diào)用ZLDS10X_GetSingleResult函數(shù)。系統(tǒng)軟件對位移數(shù)據(jù)的采集流程如圖9所示。

圖9 激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集流程框圖Fig.9 Laser displacement sensor data collection process

4.3 上位機(jī)軟件總體設(shè)計

上位機(jī)軟件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計，軟件包含激光測距傳感器設(shè)置界面、行走機(jī)構(gòu)控制界面、激光位移數(shù)據(jù)采集界面組成，主程序分別在運(yùn)行過程中隨意調(diào)用各子VI實(shí)現(xiàn)徑向位移數(shù)據(jù)的采集與保存，系統(tǒng)上位機(jī)軟件主程序流程圖如圖10所示。

圖10 上位機(jī)軟件操作流程框圖Fig.10 Upper computer software operation flow chart

檢測系統(tǒng)軟件采集到的徑向位移數(shù)據(jù)用于繪制疵病的輪廓，分析疵病的深度及寬度信息。為了實(shí)現(xiàn)疵病軸向位置、寬度及深度的同步檢測，需要將徑向位移數(shù)據(jù)、掃描角度及軸向位置一一對應(yīng)，因此系統(tǒng)軟件設(shè)計中需要將3個信號同步采集并保存。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括系統(tǒng)軟件的功能驗(yàn)證和疵病深度、寬度及軸向位置的檢測結(jié)果的驗(yàn)證。系統(tǒng)檢測以滑膛炮管作為檢測對象，因此在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中采用內(nèi)壁光滑的鋼筒作為模擬炮管。實(shí)驗(yàn)中采用 122 mm口徑的鋼筒作為待測對象，以直徑為122 mm的行走機(jī)構(gòu)及激光測距傳感器搭建實(shí)驗(yàn)平臺展開實(shí)驗(yàn)研究。

對于疵病的深度及寬度的檢測結(jié)果的驗(yàn)證，可以通過檢測標(biāo)準(zhǔn)量塊的厚度和寬度來實(shí)現(xiàn)；以一個厚度標(biāo)準(zhǔn)值為5 mm，寬度為8 mm，精度為0.001 mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊作為模擬疵病類型，例如鍍層脫落或者燒蝕。將量塊置于身管內(nèi)壁某一確定位置，控制行走機(jī)構(gòu)到達(dá)疵病位置進(jìn)行掃描，采集該量塊的徑向位移數(shù)據(jù)，分析位移數(shù)據(jù)得到量塊的厚度和寬度數(shù)據(jù)；對于疵病軸向位置的檢測通過檢測身管上某一已知軸向位置的孔的位置來實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)的過程及結(jié)果如下：

1)量塊的厚度檢測

將量塊置于光滑平面，傳感器的光束與量塊垂直，移動量塊多次采集位移數(shù)據(jù)，則量塊的厚度數(shù)據(jù)可以反映疵病的深度信息。利用MATLAB繪制采樣點(diǎn)—位移圖結(jié)果如圖11所示。

圖11 傳感器采集量塊數(shù)據(jù)曲線Fig.11 Sensor collecting gauge block data curve

圖11中位移數(shù)據(jù)的最小值為傳感器到量塊表面的距離，對最大值為位移傳感器到參考平面的位移，量塊的高度為最大值平均數(shù)與最小值平均數(shù)之差。對采集到的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計算結(jié)果如表1所示。

表1 量塊厚度測量誤差表Table 1 Gauge block thickness measurement error table

經(jīng)過10次重復(fù)性檢測，檢測結(jié)果如表1所示，檢測結(jié)果誤差在[-0.006，0.012]mm，誤差平均值為0.003 mm。系統(tǒng)對于疵病深度的檢測精度的要求是±0.03 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的檢測精度滿足系統(tǒng)的檢測要求。

2)量塊的寬度檢測

實(shí)驗(yàn)中對于疵病寬度的檢測結(jié)果驗(yàn)證基于測量和分析標(biāo)準(zhǔn)量塊的寬度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖12所示，在身管內(nèi)壁表面放置一個標(biāo)準(zhǔn)量塊，利用傳感器掃描采集徑向位移數(shù)據(jù)。

圖12 量塊寬度檢測示意圖Fig.12 Schematic diagram of gauge block width detection

如圖13所示，傳感器掃描過程中會出現(xiàn)徑向位移發(fā)生突變的2個點(diǎn)，這2個點(diǎn)即為量塊的邊緣點(diǎn)。當(dāng)傳感器激光束與量塊表面垂直時，位移數(shù)據(jù)最小，獲得邊緣點(diǎn)與位移最小點(diǎn)之間的點(diǎn)角度變化量，即可結(jié)合相關(guān)幾何關(guān)系計算量塊寬度大小。計算過程如下：

設(shè)量塊的寬度為，則有：

=2·(+)·tan

(5)

式(5)中：為傳感器檢測量塊的邊緣點(diǎn)與傳感器距離量塊表面位移最小點(diǎn)之間的角度增量；為行走機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計尺寸；為激光位移傳感器的測量結(jié)果。

設(shè)置傳感器的掃描范圍為20°，量塊的位移數(shù)據(jù)與角度之間的關(guān)系如圖13所示，圖13中曲線為量塊的一條輪廓線。圖中(4.106,5.87)、(13.16,5.944)兩點(diǎn)表示量塊的邊緣點(diǎn)，量塊的寬度可由兩點(diǎn)之間的角度差進(jìn)行計算。計算過程中=51 mm。對10條輪廓線進(jìn)行計算結(jié)果如表2所示。

圖13量塊寬度檢測曲線Fig.13 Gauge block width detection result graph

如表2所示，經(jīng)過10次檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對于量塊的寬度的檢測絕對誤差范圍在[-0.3,+0.21]mm，絕對誤差的平均值為-0.051 mm，系統(tǒng)對于疵病寬度的檢測精度的要求是±0.5 mm，檢測結(jié)果誤差表明，系統(tǒng)對于疵病寬度的檢測精度滿足檢測系統(tǒng)對于寬度的檢測要求。

表2 量塊寬度計算結(jié)果Table 2 Gauge block width calculation result table

3)疵病軸向位置的檢測

通過圖像疵病檢測可以測得疵病的軸向位置范圍，利用上位機(jī)軟件控制行走機(jī)構(gòu)在身管內(nèi)前進(jìn)，當(dāng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)到疵病的位置范圍。控制行走機(jī)構(gòu)開始步進(jìn)，只要激光位移傳感器檢測到疵病的邊緣，則檢測到位移的值會發(fā)生變化，位移數(shù)據(jù)曲線會產(chǎn)生明顯變化，記錄此時行走機(jī)構(gòu)的軸向位置，便可得到疵病在身管內(nèi)的精確位置，實(shí)現(xiàn)軸向位置的精確測量。

基于上面的測量方法，在身管上某一已知位置鉆孔，假設(shè)為疵病。檢測孔的軸向位置即可實(shí)現(xiàn)疵病軸向位置檢測效果的驗(yàn)證，在距離模擬身管某一端350.0 mm的位置打孔，多次檢測該孔的軸向位置，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 疵病軸向位置精確檢測結(jié)果Table 3 Accurate detection results of the axial position of the defect

如表3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測系統(tǒng)對于疵病軸向位置的誤差在[-1.9,1.8] mm，系統(tǒng)對于疵病軸向位置的要求為±3 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠滿足系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)疵病軸向位置的檢測。

6 結(jié)論

通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)身管內(nèi)膛表面上某一疵病特征參量的檢測并且具有較高的可靠性。相比于圖像檢測法，利用激光位移檢測法具有一定優(yōu)勢，如該法在檢測過程中不會受到身管內(nèi)部環(huán)境昏暗及膛線有無等因素的限制，可以實(shí)現(xiàn)多類型火炮內(nèi)膛表面疵病的檢測，并且檢測精度相對較高?；诩す馕灰茩z測技術(shù)的身管內(nèi)膛檢測系統(tǒng)使用簡單、可靠，具有較好的實(shí)用價值。