火炮身管内膛表面疵病检测系统的设计与研究

路 卓,江 剑

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

1 引言

火炮在射击过程中，身管会受到高温高压气体和高速弹丸的反复作用，其内膛极易会产生磨损、裂纹、镀层脱落等现象，这势必会降低火炮的战术性能，因此对长时间使用的火炮身管进行检测显得尤为重要。国内外对火炮内膛缺陷的检测多采用无损检测技术，其中以光电检测法为主，主要有CCD摄像法、激光光学三角法、激光光源投射成像法。本文中提出了基于激光位移检测技术的身管内膛表面疵病检测系统，可实现对不同口径的身管检测。为了提高检测效率，首先利用图像检测设备获得身管内壁图像，经过图像处理和分析获得疵病位置的轴向位置范围，然后利用系统设计行走机构作为传感器的载体，携带激光位移传感器进入火炮身管内，控制行走机构在的轴向位置，使其携带传感器快速到达疵病位置并开启扫描电机带动传感器转动扫描，实现疵病位置身管内膛表面位移信息的采集和保存；最后通过分析和处理位移数据计算疵病的相关特征量，实现疵病的检测。

2 系统检测原理及总体设计

2.1 系统检测原理

检测系统对身管内膛表面疵病的检测原理下：

1)疵病深度和宽度的检测

系统采用激光位移传感器对身管内膛表面旋转扫描，传感器采集到的位移数据可反映身管内壁表面的信息，利用位移数据可分析身管疵病位置的轮廓信息，进而获得疵病的深度和宽度数据。

系统对于身管内膛表面某一疵病的检测过程如图1所示，假设滑膛炮的身管内壁某处存在一个疵病，如镀层脱落。扫描过程中扫面电机带动激光位移传感器由起始位置图1(a)转到终止位置图1(c)，传感器采集身管内膛表面的位移数据并保存。

图1 位移传感器检测过程示意图Fig.1 Schematic diagram of displacement sensor detection

激光位移传感器采集到的位移数据可以拟合成一条如图2(a)所示轮廓曲线，对于疵病的深度及宽度数据可以通过采集到的轮廓曲线具体分析。

图2 疵病检测原理示意图Fig.2 Schematic diagram of defect detection principle

如图2(b)，假设传感器位于扫描起点位置时,采集到的位移数据为,在对疵病位置扫描时，采集到的位移数据为，传感器距离电机轴中心点之间的距离为，对于采集到的数据进行分析如下：

设传感器由起始位置到终止位置时，扫描步进电机的转动角度为Δ，则图2(b)中传感器的扫描范围为

=Δ·(+)

(1)

设为疵病的深度，则有

=-

(2)

设疵病区域的宽度为，扫描电机在疵病区域内转动角度为Δ。则根据式(1)可得：

=Δ·(+)

(3)

式(3)中：Δ以弧度制计算；为行走机构机械设计尺寸，不同口径的检测设备的设计尺寸不同；为激光位移传感器的读数。

2)疵病轴向位置的检测

激光位移传感器在身管内的扫描方式为步进扫描，每完成一次扫描之后，行走驱动电机前进1 mm，继续扫描，直至扫描完整个疵病区域为止。因此，若扫描到疵病边缘时，根据激光测距传感器的信息即可获得疵病边缘的轴向位置数据。疵病轴向定位如图3所示。

图3 疵病轴向位置定位示意图Fig.3 Schematic diagram of the positioning of the axial position of the defect

如图3所示，在距离身管的某一端固定激光测距传感器，假设行走机构的尾部即将进入身管时，行走机构与传感器的距离为，设备进入炮管后，与传感器的实时距离为；若与炮口或炮尾之间距离为处存在某一疵病，则该疵病的轴向位置为

=+--

(4)

式(4)中：和可由激光位移传感器采集的数据获得；和为行走机构的设计尺寸。

2.2 系统总体设计

系统的总体结构如图4所示，由行走机构、激光位移传感器、激光测距传感器、PLC控制器、上位机等构成。

1-待测身管；2-行走驱动电机；3-激光位移传感器固定架；4-扫描步进电机；5-激光测距传感器；6-驱动机构；7-行走机构；8-激光位移传感器图4 系统总体结构示意图Fig.4 System overall structure diagram

根据各部分的功能可将系统分为如下几个模块：

1)运动控制模块：主要由行走机构、行走驱动电机、PLC和上位机控制软件组成，其中行走机构用于携带径向位移传感器，主要作用是控制激光位移传感器在火炮身管内的位置。

2)位移数据采集模块：由激光位移传感器、扫描步进电机、激光位移传感器固定架及数据采集软件组成；模块设计了激光位移传感器的安装夹具，安装过程中通过螺钉调节可以尽可能的保证夹具、扫描电机和行走机构轴重合。模块主要用于身管内疵病位置位移数据的采集与保存。

3)轴向测量模块：由激光测距传感器、固定三脚支架组成和数据采集软件组成。用于实时测量行走机构在炮管内的位置，实现疵病在身管内的轴向位置的精确测量。

3 系统硬件设计

3.1 行走机构设计

行走机构作为载体携带激光位移传感器对火炮膛内表面进行扫描，要求该机构能够平稳地在身管里运动。结合当前管道内的爬行机构的研究成果，设计了如图5所示行走机构模型。

如图5所示，行走机构由驱动机构、定位机构和位移数据采集机构组成，其中驱动机构是行走机构的核心。

1)驱动机构

驱动机构由行走驱动电机、驱动轮、驱动轮支架组成。主要功能是确保行走机构在身管内能够平稳的前进、后退和停止；行走驱动电机旋转，螺旋式驱动轮带动行走机构在炮管内直线运动。

2)定位机构

定位机构由3个支撑铜环和金属壳体组成。金属壳体的作用是连接和固定各部分组件；支撑铜环分布于行走机构的前端、中端及后端，用于支撑行走机构，使其在身管内运动时尽可能保持在一条直线上。

3)位移数据采集机构

位移数据采集机构由扫描步进电机、连接轴套和传感器固定结构组成。主要用于固定激光位移传感器。考虑到检测系统的轴向定位精度是±0.03 mm，结合行走机构及传感器的尺寸等因素，系统选用ZLDS100型激光位移传感器。该传感器的检测精度为0.001 mm，量程范围在15 mm以内，测量频高达2 kHz。

1-驱动机构；2-支撑铜环；3-行走驱动电机；4-传感器固定装置；5-扫描步进电机；6-金属壳体；7-激光位移传感器图5 行走机构整体结构示意图Fig.5 Overall structure drawing of walking mechanism

3.2 轴向测距模块设计

轴向测距模块的用于采集位移传感器在身管内的轴向位置，该模块的核心器件是激光测距传感器。考虑到检测系统的轴向定位精度是±3 mm，系统选用ZLDS02.100型激光测距仪。该传感器可设置参考零点位置，量程范围在0.1～200 m，测量精度为±1 mm，测量频高达100 Hz，并且传感器支持RS-232、RS-485等标准化串行通信接口，便于上位机软件的开发。

4 系统软件设计

系统软件需要要实现如下功能：

1)实时检测位移传感器在火炮身管内的轴向位置；

2)调节行走机构在火炮身管内运动速度，使位移传感器快速到达疵病区域，提高检测系统的工作效率；

3)控制扫描步进电机的启动和停止，并实现扫描角度和扫描速度的控制。

4)能够实现对位移数据的采集、显示及保存。

根据软件的既定功能，结合检测人员的实际操作性要求。系统利用LabVIEW环境进行上位机的软件开发，软件设计需要考虑硬件与上位机之间的数据传输方式。检测系统硬件与上位机软件之间的通信方式如图6所示。

根据疵病检测原理，系统检测过程中需将采集到的位移数据与扫描角度一一对应以计算疵病的宽度数据。因此，系统上位机软件需对扫描电机的角度数据实时监测与采集，如图6所示，上位机软件与PLC的通信采用OPC通信技术实现，通过以太网实现数据传输。

图6 通信方式示意框图Fig.6 Schematic diagram of communication mode

OPC通信标准协议由技术领先的自动化软、硬件厂商联合微软公司开发，它使工业控制在硬件和软件方面都有了统一的依据标准，其优点在于该技术采用OPC Client/OPC Server模式架构，通过客户端访问服务器端来实现数据的实时获取，使用过程中不需要了解系统内核与双方的通信协议。

系统软件对于激光测距传感器数据的采集需要通过NI-VISA模块来实现。NI-VISA是仪器编程的标准I/O 应用程序接口，VISA可控制GPIB、串口、USB、以太网等仪器，可根据仪器的类型调用相应的驱动程序，建立应用程序和仪器总线之间的通信通道，用户无需学习各种仪器的通信协议。

4.1 PLC程序设计

检测系统采用运动轴组态控制方法实现行走驱动电机和扫描步进电机的运动状态控制,利用PLC编程软件对行走驱动电机和扫描步进电机进行运动轴组态，完成运动轴的组态之后，软件会生成子程序，根据不同的控制目的调用相应的子程序即可实现电机运动控制程序的编写。运动控制程序结构如图7所示。

图7 PLC程序结构框图Fig.7 PLC program structure block diagram

控制程序由手动控制子程序和程序控制子程序组成，图7中AXISx_CTRL子程序用于行走驱动电机和扫描步进电机进行初始化和启动；AXISx_MAN子程序实现行走驱动电机的方向控制，程序中用于控制运动步进电机以不同速度正转或反转，以达到控制行走机构变速前进和后退；AXISx_GOTO子程序用于控制扫描步进电机的扫描速度及角度。

4.2 传感器数据采集程序设计

系统检测过程中使用激光测距传感器和激光位移传感器，对于传感器数据的采集需要通过数据采集VI实现。

激光测距传感器通过RS232转USB数据线与上位机进行数据传输，系统软件对传感器的数据读取通过NI VISA模块实现，传感器数据采集流程如图8所示。

图8 激光测距传感器数据采集流程框图Fig.8 Laser ranging sensor data collection process

激光位移传感器与上位机之间的通信需要通过调用传感器生产厂家自定义的开发库来实现。传感器与上位机连接通过ZLDS10X_Open函数实现；数据的采集需要调用ZLDS10X_GetSingleResult函数。系统软件对位移数据的采集流程如图9所示。

图9 激光位移传感器数据采集流程框图Fig.9 Laser displacement sensor data collection process

4.3 上位机软件总体设计

上位机软件的设计采用模块化设计，软件包含激光测距传感器设置界面、行走机构控制界面、激光位移数据采集界面组成，主程序分别在运行过程中随意调用各子VI实现径向位移数据的采集与保存，系统上位机软件主程序流程图如图10所示。

图10 上位机软件操作流程框图Fig.10 Upper computer software operation flow chart

检测系统软件采集到的径向位移数据用于绘制疵病的轮廓，分析疵病的深度及宽度信息。为了实现疵病轴向位置、宽度及深度的同步检测，需要将径向位移数据、扫描角度及轴向位置一一对应，因此系统软件设计中需要将3个信号同步采集并保存。

5 实验验证

实验的内容包括系统软件的功能验证和疵病深度、宽度及轴向位置的检测结果的验证。系统检测以滑膛炮管作为检测对象，因此在实验验证过程中采用内壁光滑的钢筒作为模拟炮管。实验中采用 122 mm口径的钢筒作为待测对象，以直径为122 mm的行走机构及激光测距传感器搭建实验平台展开实验研究。

对于疵病的深度及宽度的检测结果的验证，可以通过检测标准量块的厚度和宽度来实现；以一个厚度标准值为5 mm，宽度为8 mm，精度为0.001 mm的标准量块作为模拟疵病类型，例如镀层脱落或者烧蚀。将量块置于身管内壁某一确定位置，控制行走机构到达疵病位置进行扫描，采集该量块的径向位移数据，分析位移数据得到量块的厚度和宽度数据；对于疵病轴向位置的检测通过检测身管上某一已知轴向位置的孔的位置来实现。具体实验的过程及结果如下：

1)量块的厚度检测

将量块置于光滑平面，传感器的光束与量块垂直，移动量块多次采集位移数据，则量块的厚度数据可以反映疵病的深度信息。利用MATLAB绘制采样点—位移图结果如图11所示。

图11 传感器采集量块数据曲线Fig.11 Sensor collecting gauge block data curve

图11中位移数据的最小值为传感器到量块表面的距离，对最大值为位移传感器到参考平面的位移，量块的高度为最大值平均数与最小值平均数之差。对采集到的位移数据进行计算结果如表1所示。

表1 量块厚度测量误差表Table 1 Gauge block thickness measurement error table

经过10次重复性检测，检测结果如表1所示，检测结果误差在[-0.006，0.012]mm，误差平均值为0.003 mm。系统对于疵病深度的检测精度的要求是±0.03 mm，实验结果表明，系统的检测精度满足系统的检测要求。

2)量块的宽度检测

实验中对于疵病宽度的检测结果验证基于测量和分析标准量块的宽度数据进行分析，如图12所示，在身管内壁表面放置一个标准量块，利用传感器扫描采集径向位移数据。

图12 量块宽度检测示意图Fig.12 Schematic diagram of gauge block width detection

如图13所示，传感器扫描过程中会出现径向位移发生突变的2个点，这2个点即为量块的边缘点。当传感器激光束与量块表面垂直时，位移数据最小，获得边缘点与位移最小点之间的点角度变化量，即可结合相关几何关系计算量块宽度大小。计算过程如下：

设量块的宽度为，则有：

=2·(+)·tan

(5)

式(5)中：为传感器检测量块的边缘点与传感器距离量块表面位移最小点之间的角度增量；为行走机构机械设计尺寸；为激光位移传感器的测量结果。

设置传感器的扫描范围为20°，量块的位移数据与角度之间的关系如图13所示，图13中曲线为量块的一条轮廓线。图中(4.106,5.87)、(13.16,5.944)两点表示量块的边缘点，量块的宽度可由两点之间的角度差进行计算。计算过程中=51 mm。对10条轮廓线进行计算结果如表2所示。

图13量块宽度检测曲线Fig.13 Gauge block width detection result graph

如表2所示，经过10次检测实验结果可知，对于量块的宽度的检测绝对误差范围在[-0.3,+0.21]mm，绝对误差的平均值为-0.051 mm，系统对于疵病宽度的检测精度的要求是±0.5 mm，检测结果误差表明，系统对于疵病宽度的检测精度满足检测系统对于宽度的检测要求。

表2 量块宽度计算结果Table 2 Gauge block width calculation result table

3)疵病轴向位置的检测

通过图像疵病检测可以测得疵病的轴向位置范围，利用上位机软件控制行走机构在身管内前进，当机构前进到疵病的位置范围。控制行走机构开始步进，只要激光位移传感器检测到疵病的边缘，则检测到位移的值会发生变化，位移数据曲线会产生明显变化，记录此时行走机构的轴向位置，便可得到疵病在身管内的精确位置，实现轴向位置的精确测量。

基于上面的测量方法，在身管上某一已知位置钻孔，假设为疵病。检测孔的轴向位置即可实现疵病轴向位置检测效果的验证，在距离模拟身管某一端350.0 mm的位置打孔，多次检测该孔的轴向位置，检测结果如表3所示。

表3 疵病轴向位置精确检测结果Table 3 Accurate detection results of the axial position of the defect

如表3所示，实验结果表明，检测系统对于疵病轴向位置的误差在[-1.9,1.8] mm，系统对于疵病轴向位置的要求为±3 mm，实验结果能够满足系统的要求，实现疵病轴向位置的检测。

6 结论

通过相关的实验表明检测系统能够实现身管内膛表面上某一疵病特征参量的检测并且具有较高的可靠性。相比于图像检测法，利用激光位移检测法具有一定优势，如该法在检测过程中不会受到身管内部环境昏暗及膛线有无等因素的限制，可以实现多类型火炮内膛表面疵病的检测，并且检测精度相对较高。基于激光位移检测技术的身管内膛检测系统使用简单、可靠，具有较好的实用价值。