基于激光三角法的火炮身管內(nèi)膛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 璐，王惠源，張鵬軍，任冬冬

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

火炮身管是承擔(dān)彈丸發(fā)射的主要部件，在物理、化學(xué)以及外部嚴(yán)酷環(huán)境的交互作用下內(nèi)膛表面會(huì)出現(xiàn)裂縫、銹斑、灼蝕、線膛磨損和斷裂等缺陷[1]，身管內(nèi)膛表面質(zhì)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(tǒng)可靠性。不管是在身管制造還是維護(hù)過程中，對(duì)身管內(nèi)膛表面缺陷的檢測(cè)都是必檢項(xiàng)。在實(shí)際檢測(cè)過程中，需要檢測(cè)人員肉眼借助光學(xué)窺膛系統(tǒng)對(duì)內(nèi)膛疵病進(jìn)行判斷[2]，缺乏自動(dòng)化檢測(cè)手段以及數(shù)據(jù)化評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)來還原身管內(nèi)膛圖像的理論，該類檢測(cè)方法具有檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，但對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、定位有很高的要求。

針對(duì)目前我軍制式火炮口徑繁多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于激光三角法，采用彈性自適應(yīng)式定心方案，旨在保證系統(tǒng)檢測(cè)精度的前提下提高系統(tǒng)通用性，減少檢測(cè)成本。

1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

傳統(tǒng)光學(xué)窺膛設(shè)備具有自動(dòng)化程度低、僅能定性檢測(cè)、檢測(cè)精度低的特點(diǎn)。隨著光電技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了包括CCD掃描成像法、光纖傳感器檢測(cè)法，以及激光三角法在內(nèi)的諸多身管內(nèi)膛表面檢測(cè)方法[3]。經(jīng)過反復(fù)比較分析，認(rèn)為激光三角法是一種可靠的身管內(nèi)膛表面質(zhì)量檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)對(duì)被測(cè)物體表面造成損傷，測(cè)量元件構(gòu)成簡(jiǎn)單，測(cè)量點(diǎn)小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，在厚度、粗糙度、三維輪廓、位移等檢測(cè)領(lǐng)域均被廣泛使用。

檢測(cè)時(shí)，機(jī)械裝載與傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)傳感器沿身管軸線360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)掃描到內(nèi)膛表面不平整位置時(shí)，由于各掃描點(diǎn)距離傳感器的距離不同，接受反射或散射光線的角度會(huì)不同，在線性CCD陣列上得到的光斑位置也會(huì)不同。由光學(xué)成像原理，有

式中：d為像距；L為物距；f為焦距。

掃描點(diǎn)實(shí)際距離與成像距離的關(guān)系為

式中：H為掃描點(diǎn)實(shí)際距離；n為透鏡的放大倍數(shù)；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(hào)處理器會(huì)根據(jù)光斑在線性CCD陣列上成像距離x的變化，計(jì)算得出身管內(nèi)膛表面實(shí)際變化況?？紤]到單純通過激光位移傳感器采集到其與被測(cè)量點(diǎn)的距離信息無法獲得身管內(nèi)膛三維輪廓的情況，在此通過傳感器獲取數(shù)據(jù)與編碼器輸入數(shù)據(jù)同步處理以得到每個(gè)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(gè)身管截面圖像與所處軸向坐標(biāo)相匹配，便可以獲得內(nèi)膛三維輪廓。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置選用帶有編碼器的集成式電機(jī)，故對(duì)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(qū)動(dòng)裝置后端面采用外螺紋連接。

2 內(nèi)膛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的火炮身管內(nèi)膛表面檢測(cè)系統(tǒng)，利用基于三角法的激光位移傳感器作為核心檢測(cè)部件，包括激光測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)械裝載與傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)電控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分，如圖2所示。其中，采集數(shù)據(jù)通過基于MatLab的數(shù)據(jù)處理模塊還原內(nèi)膛三維輪廓，從而定量地分析身管內(nèi)膛表面質(zhì)量，具有性能穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，為火炮系統(tǒng)的正常發(fā)射提供了有力的保障。

圖2 火炮身管內(nèi)膛檢測(cè)系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of artillery barrel innerbore detection system

2.1 機(jī)械裝載與傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械裝載與傳動(dòng)系統(tǒng)為激光位移傳感器提供了安裝平臺(tái)，在帶動(dòng)傳感器完成采集身管內(nèi)膛表面數(shù)據(jù)所需的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保證了其旋轉(zhuǎn)中心始終與身管軸線重合，而定心準(zhǔn)確度將在很大程度上影響著檢測(cè)精度。該系統(tǒng)的組成包括裝有彈性自適應(yīng)式定心機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、直行驅(qū)動(dòng)裝置以及傳感器安裝支架。

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的彈性自適應(yīng)式定心機(jī)構(gòu)如圖3所示。該機(jī)構(gòu)的滾輪架上加裝有3個(gè)在兩端具有角接觸球軸承的滾輪，滑套與定位導(dǎo)套之間通過定位精度較高、只允許自由移動(dòng)而不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)的H6/g5間隙配合連接，滾輪架、兩調(diào)節(jié)連桿、兩滑套在平面上構(gòu)成一雙滑塊機(jī)構(gòu)，滑套上均勻地開有4個(gè)連接調(diào)節(jié)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)銷孔，4套雙滑塊機(jī)構(gòu)互成90°地布置在與定位導(dǎo)套同心的圓周上，在滑套與定位導(dǎo)套端面之間加裝彈簧。在自由狀態(tài)下，4個(gè)滾輪架上的滾輪形成直徑為160 mm的圓周。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入身管后，自適應(yīng)式定心機(jī)構(gòu)會(huì)在內(nèi)膛壁作用下徑向同步壓縮至目標(biāo)口徑，在滿足系統(tǒng)通用性要求的同時(shí)保證了良好的定心效果。

圖3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的彈性自適應(yīng)式定心機(jī)構(gòu)Fig.3 Flexible adaptive centering mechanism of rotary drive installation

系統(tǒng)傳動(dòng)原理為：旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(dāng)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(jìn)電機(jī)通過中心軸帶動(dòng)傳感器繞身管軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；直行驅(qū)動(dòng)裝置通過圓錐齒輪機(jī)構(gòu)改變步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)方向并帶動(dòng)后輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，后車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將推動(dòng)系統(tǒng)整體沿身管軸線直行。機(jī)械裝載與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)械裝載與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of mechanical loading and transmission system

2.2 機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)電控制系統(tǒng)的控制原理如圖5所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與PLC采用陽極共接法連接，PLC發(fā)出脈沖信號(hào)并將其傳遞給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)方向、轉(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大單元放大信號(hào)，將產(chǎn)生的模擬信號(hào)輸入A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，A/D模塊將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)傳入PLC并存于其數(shù)據(jù)寄存器中；編碼器的輸出信號(hào)為二進(jìn)制碼，單圈和多圈數(shù)據(jù)連接PLC輸入I/O口X端，數(shù)據(jù)同樣存于PLC數(shù)據(jù)寄存器中；位移傳感器輸出方波ABZ數(shù)字信號(hào)，信號(hào)輸入PLC也存于數(shù)據(jù)寄存器中；PLC通過RS-232通訊接口與計(jì)算機(jī)通信，并將采集數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)的測(cè)試軟件中，通過數(shù)據(jù)處理模塊做進(jìn)一步處理。

圖5 機(jī)電控制原理Fig.5 Electromechanical control principle

2.3 圖像處理模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)前處理

在系統(tǒng)檢測(cè)過程中，由于機(jī)械振動(dòng)、傳感器測(cè)量誤差以及光線、噪聲等環(huán)境因素的影響，PLC傳入計(jì)算機(jī)的原始數(shù)據(jù)存在一定的無效數(shù)據(jù)點(diǎn)、冗余數(shù)據(jù)點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，在三維輪廓生成前需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的前處理，以保證圖像還原質(zhì)量。

激光位移傳感器的配套軟件會(huì)將獲取到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值應(yīng)在±3 mm范圍內(nèi)；對(duì)于某些由于光的反射干擾、光線不足或過強(qiáng)等原因產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)賦予默認(rèn)值-99.99 mm。因無效數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)影響內(nèi)膛輪廓還原效果，故采用鄰近點(diǎn)的算數(shù)平均值代替該無效點(diǎn)，具體計(jì)算流程如下：

1）依次搜索點(diǎn)云數(shù)據(jù)中xi=-99.99的無效數(shù)據(jù)點(diǎn)；

2）搜索出以 xi為中心、2.5 mm×2.5 mm 的正方形窗口中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，判定是否存在有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，若存在，則xi=∑xk/Ni，式中：xi為無效數(shù)據(jù)點(diǎn)；xk為該區(qū)域內(nèi)所有的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)；Ni為該區(qū)域內(nèi)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3）若不存在則將正方形窗口邊長(zhǎng)擴(kuò)大2.5 mm繼續(xù)搜索。以此類推，直至找到有效點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行替換為止。

測(cè)試系統(tǒng)采用超高精度激光位移傳感器，每秒種的測(cè)量將產(chǎn)生數(shù)萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)中包含有大量冗余數(shù)據(jù)，會(huì)增加圖像還原的時(shí)間與難度，因此需要在保證圖像還原精度的前提下對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。在此采用均勻采樣法進(jìn)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(shù)據(jù)Fig.6 Uniform sampling method to compress datum

圖中，x和y方向的數(shù)據(jù)分別按照2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為1個(gè)計(jì)數(shù)單位進(jìn)行劃分，每個(gè)計(jì)數(shù)單位直接取得第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)而忽略掉第2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以此方法依次采集，這樣將x方向上的數(shù)據(jù)量直接減少為原來的1/2，y方向的數(shù)據(jù)也減少為原來的1/2。這樣，點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理效率。

為了降低或消除噪聲點(diǎn)對(duì)于身管內(nèi)膛表面還原效果的影響，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和濾波處理。在此，采用距離判別法對(duì)還原圖像進(jìn)行去噪工作，具體原理如下：搜索找到每條輪廓曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，利用最小二乘法對(duì)曲線上的點(diǎn)進(jìn)行擬和，得到一條與之對(duì)應(yīng)的曲線；根據(jù)輪廓形狀將擬和曲線階數(shù)設(shè)置為3或4階，設(shè)ε為允許誤差，計(jì)算出除了起點(diǎn)和終點(diǎn)以外輪廓曲線上其余各點(diǎn)到擬和曲線的歐式距離ei。若ei≥ε，則認(rèn)定該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)并加以去除。

在去除噪聲點(diǎn)之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)按照值的大小依次排序，用生成數(shù)列的中值代替要處理的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)濾波前后輪廓曲線如圖7所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在消除毛刺取得很好效果的同時(shí)保留了圖像細(xì)節(jié)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(jī)械系統(tǒng)定心誤差的存在以及被測(cè)表面為凹凸不平的弧面等原因，會(huì)發(fā)現(xiàn)在輪廓拼接處出現(xiàn)間隙以及不平整的現(xiàn)象，因此需要數(shù)據(jù)處理軟件采用適當(dāng)?shù)膱D像拼接方法對(duì)截面輪廓進(jìn)行拼接融合。在此，采用加權(quán)算法對(duì)身管截面輪廓進(jìn)行過拼接，設(shè) 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(nèi)膛三維圖像的生成

基于MatLab的數(shù)據(jù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行無效替換、數(shù)據(jù)壓縮、去噪和濾波等前處理；

②對(duì)指定x-y平面區(qū)域按照一定大小進(jìn)行分格；

③將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與編碼器輸入數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理模塊同步處理，獲得每個(gè)身管截面的點(diǎn)云切片，從而生成網(wǎng)格圖；

④每個(gè)點(diǎn)云切片與位移傳感器輸入的z軸坐標(biāo)相匹配，將身管截面二維圖像置于三維坐標(biāo)中；

⑤點(diǎn)云切片采用加權(quán)算法進(jìn)行拼接；

⑥對(duì)拼接后的圖像進(jìn)行色彩填充形成三維輪廓圖，還原身管內(nèi)膛真實(shí)情況；

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

3 試驗(yàn)與分析

我國(guó)軍隊(duì)裝備的制式火炮口徑繁多，在系統(tǒng)檢測(cè)范圍內(nèi)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(duì)象，完成系統(tǒng)驗(yàn)證性試驗(yàn)。該身管的內(nèi)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(nèi)膛檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)讀取、圖像生成、結(jié)果分析均通過系統(tǒng)測(cè)試軟件來實(shí)現(xiàn)。軟件界面如圖8所示。

圖8 火炮身管檢測(cè)系統(tǒng)界面Fig.8 Artillery barrel detection system interface

根據(jù)激光位移傳感器與編碼器采集數(shù)據(jù)同步處理可以得到身管截面圖像，根據(jù)該原理還原得到一截面的點(diǎn)云切片，如圖9所示。

圖9 身管截面點(diǎn)云切片F(xiàn)ig.9 Point-cloud slice of barrel section

將每個(gè)截面的點(diǎn)云切片與位移傳感器輸入數(shù)據(jù)相匹配并進(jìn)行拼接融合后，可以得到身管內(nèi)膛三維圖像，將其展開后得到內(nèi)膛質(zhì)量掃描圖，其中一區(qū)域圖像如圖10所示。

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

圖中，灰色區(qū)域表示不存在疵病，其它顏色顯示區(qū)域?yàn)榇貌∷谖恢?，且顏色越深表示疵病的凹陷程度越大，也可根?jù)顏色區(qū)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(nèi)膛的過程中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到輸入數(shù)據(jù)突變點(diǎn)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(diǎn)群圖Fig.11 Mutation point group diagram

在圖10所示的內(nèi)膛質(zhì)量掃描圖中的位置1處，找到該突變點(diǎn)群所對(duì)應(yīng)的疵病，根據(jù)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(shè)備觀察該位置，其真實(shí)圖像如圖12所示，通過比較分析得出實(shí)際情況與系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果相一致。

圖12 身管內(nèi)膛疵病位置真實(shí)圖像Fig.12 Real image of barrel inner bore disease position

4 結(jié)語

介紹了一種基于激光三角法的火炮身管內(nèi)膛表面檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用彈性自適應(yīng)式定心方案，可對(duì)口徑在120～155 mm范圍內(nèi)的約25種常規(guī)火炮身管內(nèi)膛進(jìn)行檢測(cè)，激光位移傳感器的重復(fù)檢測(cè)精度達(dá)到0.02 μm，機(jī)械裝載與傳動(dòng)系統(tǒng)定心精度根據(jù)理論計(jì)算為±0.011 mm；采集數(shù)據(jù)通過基于MatLab的圖像處理模塊還原身管內(nèi)膛表面圖像，通過還原圖像可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮內(nèi)膛疵病的量化檢測(cè)，滿足了生產(chǎn)維護(hù)過程中的任務(wù)要求，對(duì)提高檢測(cè)精度與自動(dòng)化程度都有很好的參考價(jià)值。