【《身管内膛检测系统分析》5500字】

身管内膛检测系统分析目录TOC\o"1-3"\h\u2273身管内膛检测系统分析 1132301.1系统组成及工作原理 132961.2内膛检测系统 2286261.3内膛检测系统工作流程 12身管内膛由于火炮射击过程中高温、高压气流及弹带磨损造成几何参数变化，直接影响火炮身管的寿命与射击精度，因此在火炮全寿命过程中，需要对身管内膛进行几何参数检测，包括膛线的宽度和深度、缠角等，根据检测数据量化地判断身管的使用寿命。检测系统采用多传感器融合的非接触式测量技术，一体式的结构设计方法，可有效避免传统接触式测量中由于机械磨损带来的误差，减小系统的体积和重量。在分析系统的工作原理和系统组成后，对系统的硬件和软件平台进行搭建。1.1系统组成及工作原理采用非接触式光学测量系统与自动进给装置相结合设计方法，是目前内膛检测的主流设计思想。在综合考虑了传感器采样频率与探头的进给速度的综合优化设计、探测系统本体在身管内膛中轴向与径向的准确定位、测试数据的滤波与内膛参数的重构算法的优化等因素的作用下，系统的提高内膛检测系统的工作效率与检测精度。身管内膛检测系统具体组成如图2-1所示，主要包括测量系统，控制系统、机械系统以及测试平台。（1）测量系统包括激光位移传感器和激光测距仪，分别采集身管轴向和径向数据；（2）控制系统包括旋转电机、驱动电机和控制箱，旋转电机带动激光位移传感器采集身管轴向数据，激光测距仪采集身管径向数据，驱动电机控制检测系统的步进距离大小；（3）机械系统包括直行动力系统、定心系统和回转扫描系统，检测机器人在身管内进行往复运动时，定位系统保证激光位移传感器的旋转中心位于身管中心；（4）测试平台对包括参数控制模块、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块以及图形显示模块，其中图形显示又包括二维曲线显示和三维曲面重构模块。图2-SEQ图2-\*ARABIC1身管内膛检测系统组成示意图Figure2-1Schematicdiagramofbodytubeinnerboredetectionsystemcomposition本文采用非接触式的激光三角测量法进行身管内膛几何参数的检测，利用点激光位移传感器对身管内壁进行360°轴向扫描，获取身管某个截面的轴向离散点数据，然后对数据进行平滑降噪处理，拟合出身管阴、阳膛线的轮廓曲线图。待检测系统在直行动力系统的驱动下前进一个步长值，采用激光测距仪获取该步长值，即机器人在身管内运动的径向数据，对轴向数据和径向数据进行三维坐标转换，重构身管的三维曲面图。1.2内膛检测系统火炮身管内膛检测系统主要由计算机、内膛检测机器人、信号控制箱等组成，如图2-2所示。其中，内膛检测机器人系统主要由直行动力系统、回转扫描系统、定位系统组成，其结构如图2-3所示。扫描系统由步进电机及激光位移传感器组成，采集身管内膛轴向数据。为了保证测量误差在可控范围内，采用定位系统来保证回转扫描系统的回转轴尽可能与身管中心线重合，定位系统由水平定位系统与竖直定位系统组成。当扫描系统完成身管某一截面数据采集后，需要直行动力系统带动机器人向前或向后运动，从而进行下一截面数据的采集，直行动力系统主要由集谐波减速器、驱动器一体的盘式电机及齿轮传动机构组成。1）激光测距仪；2）测距仪工装；3）炮口导引筒；4）身管；5）内膛检测机器人；6）激光位移传感器；7）动力及信号电缆1)Laserrangefinder;2)Rangefindertooling;3)Muzzleguidetube;4)Bodytube;5)Boredetectionrobot;6)Laserdisplacementsensor;7)Powerandsignalcables图2-SEQ图2-\*ARABIC2检测系统总体结构图Figure2-2Theoverallstructureofthedetectionsystem1）激光位移传感器；2）步进电机；3）竖直定位弹簧筒；4）盘式电机；5）主动轮；6）侧边定位弹簧筒；7）集电环；8）从动轮；9）齿轮1)Laserdisplacementsensor;2)Steppermotor;3)Verticalpositioningspringcylinder;4)Discmotor;5)Drivingwheel;6)Sidepositioningspringcylinder;7)Collectorring;8)Drivenwheel;9)Gear图2-SEQ图2-\*ARABIC3内膛检测机器人Figure2-3Boredetectionrobot1.1.1定位系统设计内膛自动定位系统的作用是保证激光位移传感器旋转轴位于身管内膛截面中心，从而保证传感器采集数据的有效性，其结构如图2-4所示。自动定位系统包括侧面定位系统与竖直定位系统，为了避免滑动摩檫力过大，定位系统采用滚轮与滚轮轴相结合的方式，用滚动摩擦取代滑动摩擦，有效降低摩檫力。侧面定位系统中的每个卡瓣上加装两侧均带有角接触球轴承的滚轮，轴承的引入保证定位的精确度，同时避免了系统在膛内运动时出现滚轮卡死的现象，并且在扭簧的作用下，侧面卡瓣上的滚轮与炮膛内壁紧紧贴合。竖直定位系统通过竖直弹簧筒与前后轮的配合，完成竖直方向轴心定位，纵向定位块在纵向定位压簧筒中，在圆柱弹簧的作用下，使滚轮压紧炮管内壁，另一侧前后轮弧面在竖直弹簧筒的作用下，同样与身管内壁贴合。根据以上分析，机器人的左右滚轮与上下滚轮均在簧力的作用下与炮膛内壁贴合，达到定位的效果。当检测装置处于自由状态时，其卡瓣上的滚轮所在圆周直径大于所要测量的身管口径，当检测装置进入身管内膛时自动定心装置将会随着外形的变化而自动收缩。定位机构的滚轮会由于内膛壁表面的变化而运动，滚轮的运动从而弥补机器人整体方向的偏移，因此机构原动件的个数为1，根据机构具有确定运动的条件的原理可知，本机构设计是符合机构设计原理的。前后轮在检测过程中，由于重力作用始终与炮膛内壁贴合，由于接触面大，不会因为局部磨损而导致整体重心偏移，在竖直弹簧筒的作用下进一步将前后轮作用在炮膛内壁压力增大，从而增大摩擦力，增大向前运动的驱动力。为了保证检测结果的准确性必须使检测装置的轴线与身管内膛轴线重合，即自动定位机构可以根据内膛的表面的变化自动调节并保证一定的定心精度，要求直行驱动机构可以抵消侧面定位机构滚轮与炮膛内壁的摩擦力，而该项功能的实现则取决于竖直弹簧筒的簧力作用在主动轮上产生摩檫力是否能够提供足够的爬行力。图2-SEQ图2-\*ARABIC4自动定位装置示意图Figure2-4Schematicdiagramofautomaticpositioningdevice自动定位机构是保证激光位移传感器在内膛位置准确的重要机械结构，由于身管内膛在实际身管加工制造过程中存在有一定的公差，不能保证内膛每一个截面的直径是固定不变的，因此在自动定位机构的设计过程中考虑将其设计为可以根据内膛表面的实际变化情况而相应的进行调节的形式，因此在与定位套筒同心的圆周上设计了如图2-5所示的定位机构，以达到根据内膛直径同步收缩的要求。图2-SEQ图2-\*ARABIC5定位机构简图Figure2-5Schematicdiagramofpositioningmechanism1.1.2传动系统设计传动结构设计主要包括回转扫描探头和直行驱动装置结构的设计，分别完成内膛检测装置在身管内的轴向运动和径向运动。（a）回转扫描探头回转扫描探头的传动原理如图2-6所示：1为传感器安装支架，2为过孔式集电环，3为步进电机，其中，步进电机的输出轴为定制输出轴。步进电机输出轴直接穿过集电环与传感器安装支架连接，传感器安装支架通过顶丝固定连接在电机输出轴上，保证传感器不会因为机器人的爬动而产生晃动，从而影响测量精度。采用过孔式集电环的引入完成从运动部分到固定部分采集信号的传输与传递。1）传感器安装支架；2）过孔式集电环；3）步进电机1)Sensormountingbracket;2)Throughholetypeslipring;3)Steppermotor图2-SEQ图2-\*ARABIC6旋转驱动装置传动示意图Figure2-6Schematicdiagramofrotationdrivedevicetransmission（b）直行驱动装置直行驱动装置的作用是带动检测装置在身管内进行前进、后退等匀速运动，使激光位移传感器可以采集到身管截面的外形轮廓数据，通过传感器在旋转和直行运动采集的数据构建起身管内膛表面的三维轮廓。直行驱动装置的传动原理如图2-7所示：1为爬行装置的从动轮，2为盘式电机，3为齿轮结构，4为爬行装置的主动轮，其中一个齿轮跟电机固定连接，另一个齿轮跟车轮固定连接。其中盘式电机采用的是机器人关节电机，优点是可以更精确地控制内膛检测装置在身管的前后运动。直行驱动装置通过盘式电机带动两级传动齿轮转动，齿轮转动带动主动轮转动作为动力驱动。1）从动轮；2）盘式电机；3）齿轮结构；4）主动轮1)Drivenwheel;2)Discmotor;3)Gearstructure;4)Drivingwheel图2-SEQ图2-\*ARABIC7直行驱动装置传动示意图Figure2-7Schematicdiagramoftransmissionofstraightdrivingdevice两级传动齿轮结构如图2-8所示，分别为其俯视图和正视图，其中齿轮1与盘式电机固定连接，齿轮3与车轮固定连接，盘式电机旋转带动车轮作为主动轮，驱动检测装置在身管内运动[51,52]。1）主动轮；2）盘式电机；3）齿轮1；4）齿轮2；5）齿轮31)Drivingwheel;2)Discmotor;3)Gear1;4)Gear2;5)Gear3图2-SEQ图2-\*ARABIC8两级传动齿轮结构示意图Figure2-8Schematicdiagramoftwo-stagetransmissiongearstructure假设盘式驱动电机的转动速度为，角位移为，电机到减速器的减速比为，减速效率为。减速器到齿轮1的传动比为，传动效率为，因为减速器与齿轮1的连接为固定连接，则齿轮1的传动比与传动效率与减速器相同。齿轮1的传动比为，传动速率为。齿轮1到齿轮2的传动比为，传动速率为，齿轮2到齿轮3的传动比为，传动速率为，因为齿轮3与主动轮的连接为固定连接，则主动轮的传动比和传动效率与齿轮3的相同。车轮的半径为，角位移为，爬行器的步进距离为。则电机的角位移为： （2-1）车轮的角位移为： （2-2）爬行器的步进距离为： （2-3）1.1.3控制系统设计（a）系统控制原理身管内膛检测系统的控制原理图如图2-9所示，CAN总线分析仪和NI采集卡为控制系统的核心设备，主要用于对检测设备的运动控制及数据采集。CAN总线分析仪和采集卡通过USB接口连接PC，分析仪的通道1、2分别连接步进电机和盘式电机，控制检测设备在身管内进行360°旋转和前进运动。24开关电源分别为步进电机和激光位移传感器供电。激光位移传感器的CMOS器件将传感器采集的光信号转换，通过放大器将转换后的信号进行放大并转换为模拟电压信号，然后进入采集卡的一路通道中并被存储。激光测距仪则通过串口通信方式将采集到的数据信息传递给计算机。采集卡通过USB接口将数据发送到上位机软件中，进行数据分析及处理。图2-SEQ图2-\*ARABIC9系统控制原理图Figure2-9Systemcontrolprinciplediagram（b）动力源选型动力系统主要为检测系统在身管内的往复运动提供动力，提供驱动力的电机需要有正转反转的功能，且检测系统在身管中的步进距离要可调，需要电机有较高的减速比来满足此需求。本文选用的盘式电机QDDPro-NE30-100-70是集谐波减速器、驱动器为一体的无刷伺服电机，采用柔轮固定方式，且减速比高，可满足检测装置步进距离可调的要求，其参数表如表2-1所示。表2-SEQ表_2-\*ARABIC1QDDPro-NE30-100-70盘式电机参数表Table2-SEQTable3-\*ARABIC1QDDPro-NE30-100-70Diskmotorparametertable参数值额定电压42减速比101：1空载转速59.4额定转速34.7额定扭矩10.5峰值扭矩51转矩系数3.5148驱动方式CAN回转扫描系统主要为测量装置在身管内的匀速圆周运动提供动力。传感器在身管匀速扫描距离身管内壁的位移值，且传感器在身管的旋转速率取决于电机的转速，因此，选用细分较大的步进电机为旋转机构提供动力，通过调整电机的细分参数达到改变转速的功能。本文选用VSMD146_010T步进电机，其参数指标如表2-2所示。表2-SEQ表_2-\*ARABIC2步进电机参数表Table2-2Steppermotorparametertable参数值工作电压24~45峰值电流1.0驱动方式CAN1.0微步细分1/2/4/8/16/32/64/128/256最大脉冲频率192重量0.07根据步进电机和盘式电机的驱动方式，采用控制器局域网总线(CAN，ControllerAreaNetwork)对其进行控制。CAN总线是一种可用于实时应用的串行通讯协议总线，其传输方式为串行传输，既可以使用光缆传输，也可以在双绞线上传输，其最大传输速率可达1，除此之外，CAN总线还支持多控制器。其接线图如图2-10所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC10CAN总线连接示意图Figure2-10SchematicdiagramofCANbusconnection使用CAN总线通信方式具有以下的特点[53]：（1）可远距离传输数据，传输实时性强，且有很强的抗电磁干扰干扰能力；（2）检错能力强，由于采用双线串行方式通信，可于高噪声环境中工作；（3）可根据发送的报文的ID决定是否接收该报文；（4）拥有可靠的检错和错误处理机制，可自动报错；（5）可自动重发遭到破坏或者发送失败的消息；（6）报文格式简单，可用标识符来指定发送消息的功能信息和优先级信息；（7）在节点错误严重的情况下可自动退出CAN总线；（8）CAN总线通信具有优先权和仲裁功能，当有多个控制器同时连接时可自主形成多主机局部网络。（c）测试平台搭建检测系统的测试平台的控制采用QtCompany公司开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架进行软件开发。Qt编程软件具有以下一些优点：（1）操作简单，可直接在图形界面对需要的控件进行拖拽，绘制所需要的软件界面；（2）包含多种动态链接库，可以满足不同的功能需求；（3）具有优秀的跨平台特性，可与其他软件（如Matlab、VisualStudio等）进行混合编程，满足不同的开发环境需求；（4）可以多人同时进行编程，减少了软件开发时间。分析系统的检测需求，测试平台具备以下几个功能：（1）采集参数配置：身管内膛检测设备在检测过程中，根据采集需求，对检测速度、在身管内的爬行距离、采样率等会有不同的需求，对此，需要把采集参数设置成可调模式，根据实际采集需求调整采集参数，完成对身管内膛参数的有效检测。（2）检测平台运动控制：包括在身管内的轴向转动和径向运动，检测平台的前进及后退等。（3）数据分析模块：包括数据的采集和处理，检测平台以设定的检测参数进行数据采集，处理模块对采集到的数据进行校准、滤波等处理。（4）数据存储：包括两部分数据存储，一是激光位移传感器采集的原始数据和处理过后的数据存储；二是拉绳位移传感器采集的步进数据