楊璐 王惠源

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮身管直線度的量化檢測(cè)，設(shè)計(jì)一種測(cè)量方法采用橫向光電效應(yīng)、內(nèi)膛定位使用雙滑塊式自定心機(jī)構(gòu)、電氣控制使用PLc、檢測(cè)軟件基于LabVIEw的火炮身管直線度檢測(cè)系統(tǒng)。在檢測(cè)軟件中通過傾角傳感器采集數(shù)據(jù)對(duì)位敏傳感器（PsI））位置進(jìn)行修正后，PsD與位移傳感器輸入計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)根據(jù)直線度計(jì)算理論計(jì)算得到身管直線度的實(shí)際變化情況，最后采用最小二乘法對(duì)其誤差進(jìn)行評(píng)定。系統(tǒng)集精密機(jī)械技術(shù)、傳感器技術(shù)及光電檢測(cè)技術(shù)為一體，其中PsD的重復(fù)檢測(cè)精度達(dá)到5um，檢測(cè)元件在定心精度為±7.86um的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝載下實(shí)現(xiàn)火炮身管直線度的高精度檢測(cè)，可對(duì)我軍口徑在122～155mm范圍內(nèi)的約25種制式火炮身管進(jìn)行檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：直線度檢測(cè);光電檢測(cè);橫向光電效應(yīng);自定心機(jī)構(gòu);誤差評(píng)定

中圖分類號(hào)：TP27;TJ30文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）04-0098-106

0引言

火炮身管會(huì)由于自身重力、制造過程中的加工工藝以及彈丸發(fā)射過程中的熱脹冷縮而出現(xiàn)管體彎曲的現(xiàn)象，當(dāng)彎曲到一定程度時(shí)會(huì)影響彈丸的飛行軌跡、打擊精度以及密集度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)炸膛現(xiàn)象威脅操作人員的生命安全，因此不管在制造和維護(hù)過程中對(duì)于身管直線度的檢測(cè)都是必檢項(xiàng)。檢測(cè)人員在實(shí)際工作過程中會(huì)將直度徑規(guī)插人身管中，通過是否能夠順利通過內(nèi)膛來判斷身管現(xiàn)狀，缺乏自動(dòng)化的檢測(cè)手段和數(shù)據(jù)化的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。隨著激光技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了四象限光電池法、CCD法、PSD法在內(nèi)的諸多火炮身管直線度檢測(cè)方法，PSD檢測(cè)法由于其可以實(shí)現(xiàn)光斑重心的自動(dòng)確定以及更高的反應(yīng)速度和檢測(cè)精度成為更優(yōu)的檢測(cè)方案。針對(duì)我軍裝備制式火炮口徑繁多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種以PSD作為位置測(cè)量元件、激光束作為準(zhǔn)直基線、PSD裝載裝置采用彈性自定心方式的火炮身管直線度檢測(cè)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)檢測(cè)原理

PSD作為檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件，是一種基于橫向光電效應(yīng)的半導(dǎo)體元件，一般做成P+I+N的結(jié)構(gòu)形式，x軸方向的剖面圖如圖1所示，當(dāng)激光器光束照到PSD上時(shí)，在受光位置會(huì)產(chǎn)生與光能量等比例的電子一空穴對(duì)流過P層電阻，P層電阻的x軸和y軸分別設(shè)置有兩個(gè)電極，分別輸出光電流I1、I2、I3：I4，根據(jù)輸出電流反比于光斑位置到各電極間的距離有：

PSD輸出的是與光斑位置位置有關(guān)的電流信號(hào)，需要對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理板將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)來得出受光位置的坐標(biāo)。PSD處理板由和、差分放大器、前置信號(hào)放大器和加、減、乘、除運(yùn)算電路組成，光斑位置坐標(biāo)計(jì)算公式為：

身管直線度是指身管實(shí)際軸線與理論軸線在其每個(gè)截面上的距離，實(shí)際軸線為每個(gè)截面中心點(diǎn)的連線，理論軸線為炮口和炮尾截面中心的連線。

系統(tǒng)將激光發(fā)射器借助坡膛定位規(guī)裝于炮尾的坡膛中，通過定位規(guī)來保證激光器光源點(diǎn)與其所處炮尾截面中心重合;將PSD裝于彈性自定心機(jī)構(gòu)前端面中心位置，通過定心機(jī)構(gòu)保證PSD原點(diǎn)始終與所處身管截面中心重合并在爬行器的帶動(dòng)下從炮口開始沿身管軸線爬行。在檢測(cè)開始前調(diào)節(jié)激光發(fā)射器激光的入射角度使光束打到炮口處PSD的光斑位于其原點(diǎn)位置，這樣系統(tǒng)就認(rèn)為激光器發(fā)出的光束即為身管的理論軸線，而自定心機(jī)構(gòu)能保證PSD所處截面圓心與其原點(diǎn)重合，那么在身管任意截面上激光照射點(diǎn)與PSD坐標(biāo)原點(diǎn)間的距離即為身管直線度的值，設(shè)PSD輸出的位置坐標(biāo)為（xi，yi），則該截面上的直線度pi為：

2檢測(cè)系統(tǒng)方案

火炮身管直線度檢測(cè)系統(tǒng)總體方案如圖2所示，主要由兩個(gè)分系統(tǒng)組成：一個(gè)是直線度檢測(cè)硬件分系統(tǒng)，包括機(jī)械部分、光學(xué)部分和電氣控制部分，完成采集計(jì)算身管直線度相關(guān)數(shù)據(jù)的工作;一個(gè)是直線度檢測(cè)軟件分系統(tǒng)，用于將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算得到身管直線度的實(shí)際情況并對(duì)其進(jìn)行誤差評(píng)定，從而實(shí)現(xiàn)火炮身管直線度的量化檢測(cè)。

2.1硬件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械部分的任務(wù)是保證檢測(cè)元件定位關(guān)系準(zhǔn)確的前提下帶動(dòng)PSD沿身管軸線運(yùn)動(dòng)，完成收集身管直線度相關(guān)數(shù)據(jù)的工作，由自定心機(jī)構(gòu)、爬行器、激光器坡膛定位規(guī)、炮口導(dǎo)引套筒和校準(zhǔn)單元組成。

自定心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，滾輪架上加裝3個(gè)在兩端具有角接觸球軸承的滾輪，滑套與定位套筒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)，兩滑套上均勻地開有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°地布置在與定位套筒同心的圓周上，在滑套與定位套筒端面之間加裝彈簧。自由狀態(tài)下，4個(gè)滾輪架上的滾輪所形成的圓周直徑為160nm，當(dāng)裝置進(jìn)入身管后，自定心機(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。

爬行器帶動(dòng)PSD在身管中行進(jìn)的過程中難免會(huì)發(fā)生坐標(biāo)軸在位置上的傾斜，尤其是在線膛中檢測(cè)時(shí)由于膛內(nèi)存在若干條由螺旋線組成的膛線，爬行器會(huì)由于受到膛線切向力的作用在姿態(tài)上發(fā)生傾斜，因此設(shè)計(jì)在直行驅(qū)動(dòng)裝置的頂端加裝一套與上述結(jié)構(gòu)相同的雙滑塊機(jī)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，滾輪抵在身管上壁，通過彈簧施加給爬行器一個(gè)向下的正壓力，從而增加了車輪與身管內(nèi)壁間的摩擦力，這樣就通過增加摩擦力的方法克服了切向力。

將PSD固定于自定心機(jī)構(gòu)前端面的中心位置，傾角傳感器裝于定位套筒內(nèi)腔平行于水平面的安裝面上，位移傳感器則通過拉繩頭部與爬行器后端面采用外螺紋連接。爬行器通過圓錐齒輪機(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)自定心機(jī)構(gòu)和爬行器在身管中直行，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

坡膛激光器定位規(guī)由定位規(guī)本體、推桿與緊定螺釘組成，定位規(guī)校正示意圖如圖5所示，在檢測(cè)前將規(guī)體插人校準(zhǔn)筒中，根據(jù)激光器打在透明坐標(biāo)指示板的光斑坐標(biāo)對(duì)其位置通過緊定螺釘進(jìn)行調(diào)整，定位工作完成后通過推桿將其插入炮尾坡膛即可。激光發(fā)射器帶有入射角度調(diào)節(jié)旋鈕，可對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)使激光束打到炮口PSD的坐標(biāo)原點(diǎn)處，系統(tǒng)將認(rèn)為該光束即為檢測(cè)身管理論軸線。

對(duì)炮口處進(jìn)行檢測(cè)時(shí)由于檢測(cè)裝置并沒有完全進(jìn)人身管，因此需要一個(gè)導(dǎo)引套筒引導(dǎo)檢測(cè)裝置完成炮口處的檢測(cè)并保證定位關(guān)系的準(zhǔn)確性?？紤]到身管炮口通過一個(gè)左旋的螺紋與炮口制退器連接，因此同樣可以利用這個(gè)螺紋作為導(dǎo)引套筒與身管之間的連接。

2.1.2光學(xué)部分設(shè)計(jì)

PSD是一種基于橫向光電效應(yīng)的半導(dǎo)體器件，具有靈敏度高、分辨率高和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用PSD型號(hào)為PSD400-LC，有效感光面為20x20mm，推薦光斑的直徑為0.5-16mm，絕對(duì)位置誤差5Inn，響應(yīng)時(shí)間0.6us，光譜響應(yīng)曲線如圖6所示。

激光發(fā)射器選用型號(hào)為FP-LR-635，激光波長(zhǎng)635nm，功率5mW，光斑形狀為圓形，發(fā)散角為0.07mrad，激光器在10m處的光斑僅有1mm，在沒有激光準(zhǔn)直儀的情況下就可以達(dá)到良好的準(zhǔn)直效果并可以調(diào)節(jié)激光入射角度。

2.1.3電氣控制部分設(shè)計(jì)

PSD輸出的是與光斑位置有關(guān)的電流模擬信號(hào)，需要處理電路板將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其具有由和、差分放大器、前置信號(hào)放大器和加、減、乘、除運(yùn)算電路，原理圖如圖7所示。

檢測(cè)系統(tǒng)電氣控制原理如圖8所示：爬行器的步進(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;PSD發(fā)出的電流信號(hào)經(jīng)過處理電路板轉(zhuǎn)換為光斑位置坐標(biāo)的數(shù)字信號(hào)并傳人PLC，存于PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中;位移傳感器采集到PSD軸向位置變化的數(shù)據(jù)后輸出模擬信號(hào)，模擬信號(hào)通過A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸入PLC并保存在數(shù)據(jù)寄存器中;傾角傳感器采集到PSD角度變化的數(shù)據(jù)后產(chǎn)生模擬信號(hào)，模擬信號(hào)通過A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸入PLC并保存在數(shù)據(jù)寄存器中;PLC通過RS-232數(shù)據(jù)通信接口與計(jì)算機(jī)通信，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)軟件中進(jìn)行下一步的處理。

2.2軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW圖形化編程語言進(jìn)行編寫，在編寫過程中應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)思路，各模塊之間相互獨(dú)立，便于進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試與維護(hù)，具有使用效率高、結(jié)構(gòu)靈活、操作方便的特點(diǎn)，測(cè)試軟件包括串口設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、直線度計(jì)算與分析模塊、直線度誤差評(píng)定模塊與結(jié)果查詢模塊，具體功能為：串口設(shè)置模塊完成上位機(jī)與下位機(jī)的通信參數(shù)設(shè)置以及串口檢測(cè)等任務(wù);數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件完成通過串口將PLC中的數(shù)據(jù)傳人計(jì)算機(jī)中進(jìn)行下一步處理的任務(wù);直線度計(jì)算與分析模塊完成將輸入計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到身管直線度實(shí)際變化情況并圖形化顯示的任務(wù);直線度誤差評(píng)定模塊完成將得到的身管直線度數(shù)據(jù)根據(jù)最小二乘法分析其直線度誤差的任務(wù);結(jié)果查詢模塊完成對(duì)歷史檢測(cè)結(jié)果根據(jù)身管代號(hào)進(jìn)行查詢的任務(wù)，軟件流程圖如圖9所示。

3直線度誤差評(píng)定

在檢測(cè)軟件計(jì)算得到身管直線度的實(shí)際變化情況后，設(shè)計(jì)采用最小二乘法對(duì)直線度誤差進(jìn)行評(píng)定，該種方法具有通用性強(qiáng)、計(jì)算原理可靠的特點(diǎn)。

最小二乘線中線lLS為身管直線度實(shí)際變化線各點(diǎn)到該直線的距離平方和為最小的一條直線，最小二乘法是以這條線作為評(píng)定基線的方法，在任一方向上直線度誤差值如圖10所示。

4實(shí)驗(yàn)與分析

我國軍隊(duì)裝備的制式火炮身管口徑繁多，在系統(tǒng)檢測(cè)范圍內(nèi)以122mm口徑的火炮最為典型，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。為了驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中的性能，以122mm的榴彈炮身管作為檢測(cè)對(duì)象完成系統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面如圖11所示。

對(duì)同一根122mm口徑榴彈炮身管采用檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)檢測(cè)10次，其中一次的測(cè)量結(jié)果如圖12所示，在x和y方向上每次測(cè)量的最大直線度的最大值與最小值之差分別為0.004mm和0.002mm，誤差來源于PSD測(cè)量誤差、定位規(guī)對(duì)于激光器的定位誤差、自定心機(jī)構(gòu)對(duì)于PSD的定位誤差。

在身管直線度檢測(cè)任務(wù)完成之后需要采用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行誤差評(píng)定，10次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中其中一次炮口處的直線度誤差檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。

10次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)得到的全身管直線度誤差檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)122mm口徑榴彈炮身管10次重復(fù)性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)得到的直線度誤差測(cè)量結(jié)果在25.44～27.13um之間，可以得出設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定地反應(yīng)了被測(cè)身管直線度的實(shí)際情況、達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和使用要求，可以應(yīng)用于實(shí)際的檢測(cè)工作中。

5結(jié)束語

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于橫向光電效應(yīng)、內(nèi)膛定位采用彈性自定心方案、利用LabVlEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的火炮身管直線度檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)口徑在122～155mm的約25種制式火炮身管進(jìn)行檢測(cè)。其中PSD的重復(fù)測(cè)量誤差為5um，自定心機(jī)構(gòu)的定位精度根據(jù)機(jī)構(gòu)精度分析理論為±7.86um，傳感器采集數(shù)據(jù)可以通過檢測(cè)軟件計(jì)算得到身管直線度變化情況并進(jìn)行誤差分析。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了火炮身管直線度的量化檢測(cè)，提高了檢測(cè)精度與自動(dòng)化程度，為火炮系統(tǒng)的正常發(fā)射提供了有力的保障，同時(shí)對(duì)于機(jī)械領(lǐng)域重要深孔管狀零件的直線度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。