基于互感式位移傳感器的小口徑火炮內(nèi)徑測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(1.北京特種車輛研究所，北京 100072；2.裝甲兵學(xué)院，北京 100072；3.復(fù)雜地面系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

0 引言

火炮是坦克裝甲車輛火力系統(tǒng)的重要組成部分，是摧毀敵武器裝備、野戰(zhàn)工事及殲滅敵有生力量的重要手段?；鹋诎刺啪€結(jié)構(gòu)可分為線膛、滑膛和半滑膛三種類型，其中線膛炮最為普遍。在射擊過程中火炮將賦予彈丸動(dòng)能和彈道飛行穩(wěn)定性，以保證射擊命中精度。在射擊一定數(shù)量彈藥后，火炮內(nèi)膛表面將會(huì)有一定程度的磨損、損傷，直接影響火炮初速和射擊命中精度乃至射擊安全。因此，火炮在出廠檢驗(yàn)、定型鑒定和作戰(zhàn)使用的過程中，均要對(duì)火炮內(nèi)膛質(zhì)量特別是火炮內(nèi)膛表面磨損量進(jìn)行檢測，保證火炮內(nèi)徑處于公差范圍之內(nèi)，以確?；鹋谏鋼舻木群桶踩?。在作戰(zhàn)部隊(duì)，火炮身管內(nèi)膛質(zhì)量是火炮維修檢測的重要內(nèi)容。

1 火炮內(nèi)徑測量技術(shù)現(xiàn)狀

火炮內(nèi)徑測量屬于深孔盲徑探測量技術(shù)領(lǐng)域，是火炮內(nèi)膛質(zhì)量檢測維護(hù)的必要內(nèi)容。目前，火炮內(nèi)徑測量大多采用傳統(tǒng)的機(jī)械、光學(xué)測量技術(shù)方案，測量手段主要有：機(jī)械星形測徑儀、光柵測徑儀和光學(xué)星形測徑儀等。機(jī)械星形測徑儀為早期產(chǎn)品，該技術(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量精度偏低；光柵測徑技術(shù)是以光柵傳感器為核心，將火炮身管內(nèi)徑的變化轉(zhuǎn)換成光學(xué)莫爾條紋的變化，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)處理后得到火炮內(nèi)徑的變化量，該方法對(duì)光柵傳感器的要求較為嚴(yán)苛，其光柵刻劃必須均勻，安裝位置必須精準(zhǔn)，使用時(shí)調(diào)整非常困難，而且其抗振性較差，對(duì)使用者的操作要求很高，使用方便性較差；光學(xué)星形測徑技術(shù)則以光學(xué)分劃代替光柵刻劃，通過觀察經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后的分劃刻度相對(duì)位置獲得內(nèi)徑值，該方法采用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行觀察測量，對(duì)分劃的精度要求并不很高，其測量精度可通過提高光學(xué)系統(tǒng)放大倍率來實(shí)現(xiàn)，但由于屬于目視光學(xué)測量儀器，必須通過目鏡進(jìn)行觀察、讀數(shù)，只能供一人觀察操作使用，而且長時(shí)間工作后眼睛容易疲勞，從而造成視差誤差。

火炮內(nèi)徑測量的難度不僅在于內(nèi)徑檢測數(shù)據(jù)要求的高精度，而且還在于測量空間的狹小給設(shè)計(jì)、安裝位移傳感器、機(jī)械定心、定位裝置帶來巨大困難。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

火炮身管內(nèi)膛直徑測量一般均針對(duì)火炮標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑進(jìn)行測量，但對(duì)于線膛炮而言，火炮內(nèi)徑的磨損或損傷主要表現(xiàn)在陽線上，因此，火炮陽線的測量是身管內(nèi)膛表面質(zhì)量檢測的另一主要功能和要求。要準(zhǔn)確地測量身管陰線、陽線直徑，要求內(nèi)徑測量組件的測頭在測量過程中始終緊密接觸在待測的一對(duì)陰線或一對(duì)陽線直徑上。為了滿足和保證測徑要求，在設(shè)計(jì)、研制和測量中，要保證設(shè)計(jì)、加工精度和測量精度。測量前可用千分尺對(duì)內(nèi)徑測頭進(jìn)行事前精確標(biāo)校，從而使身管內(nèi)徑的變化能夠1比1地傳遞給高精度傳感器，以實(shí)現(xiàn)并保證測量的高精度。以下以某型30 mm火炮(線膛火炮)的內(nèi)徑測量來闡述測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

系統(tǒng)主要由推拉桿、內(nèi)徑測頭、數(shù)據(jù)采集單元、計(jì)算機(jī)控制處理終端及電線電纜等組成，如圖1所示。

圖1 火炮內(nèi)徑測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體框圖

在對(duì)線膛炮內(nèi)膛直徑測量時(shí)，內(nèi)徑測頭在推拉桿的帶動(dòng)下沿身管軸向前后旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，內(nèi)徑測頭上的定位針(如圖2所示)，始終保持與相對(duì)的一對(duì)陽線或陰線緊密接觸，并隨膛線纏角的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)徑測針在彈簧彈力作用下，測針上端始終與膛線緊密接觸，測針下端則與測量錐緊密接觸。這樣當(dāng)內(nèi)徑測頭在火炮身管中前后移動(dòng)時(shí)，火炮身管膛線內(nèi)徑的徑向位置變化，通過測針頭擠壓測量錐轉(zhuǎn)換為測量錐的軸向位置變化，并傳遞給基于互感式的高精度位移傳感器，從而達(dá)到將火炮身管膛線內(nèi)徑的徑向變化轉(zhuǎn)換為位移傳感器的電壓數(shù)據(jù)輸出的目的。代表火炮身管內(nèi)徑的電壓信號(hào)由數(shù)據(jù)采集單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并送至計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換和處理(含事先測針的數(shù)據(jù)標(biāo)定)，最終在顯示器上顯示所測得的火炮身管陽線內(nèi)徑或陰線內(nèi)徑數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 推拉桿的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

考慮到某型30 mm火炮身管內(nèi)空間狹小、以及攜帶和使用的方便性、實(shí)用性，設(shè)計(jì)研制了總長為3.2 m，每根長度為80 mm的4節(jié)可拆卸式推拉桿，每根推拉桿的連接頭設(shè)計(jì)為內(nèi)方孔、外螺紋的連接方式，既便于組裝、拆卸，又便于攜帶。每節(jié)推拉桿間還連接一個(gè)定心環(huán)，以保證內(nèi)徑測頭的軸向位置和支撐推拉桿，并在每根桿上每間隔50 mm刻上一個(gè)圓圈和數(shù)字標(biāo)識(shí)測量裝置測頭的位置，以便于測量時(shí)讀取和記錄。

2.2.2 內(nèi)徑測頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

內(nèi)徑測頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由測徑本體(由前本體、中本體和后本體組成)、前后兩個(gè)定心環(huán)、前后兩組定位針(每組兩個(gè))、內(nèi)徑測針(陽膛線一組、陰膛線一組，各兩個(gè))、測量錐、位移傳感器、推拉桿連接部分，以及定心環(huán)壓螺(前后兩個(gè))、定位針壓片(前后兩組，每組兩個(gè))等部件組成。

圖2 基于互感式位移傳感器的火炮內(nèi)徑測頭機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 定心及定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

定心及定位裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。定心裝置由定心環(huán)壓螺和定心環(huán)組成，分別安裝在內(nèi)徑測頭的前端和后端。其作用是保證測量過程中將內(nèi)徑測頭始終支撐于火炮身管軸線上，并與軸線平行。而定位裝置由定位針、定位針壓片和壓簧組成，分前后兩組，每組兩個(gè)，其安裝位置隨火炮身管膛線纏角而變。由于內(nèi)徑測頭在火炮身管中前后移動(dòng)時(shí)，定位針始終卡于身管陰線槽中，因而保證了內(nèi)徑測針始終與相對(duì)的一對(duì)陽膛線(當(dāng)測量陽線直徑時(shí))或陰膛線(當(dāng)測量陰線直徑時(shí))緊密接觸，確保內(nèi)徑測量的可靠性。

圖4 特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)徑測量機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)徑測量機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是獲得高精度、高重復(fù)性內(nèi)徑測量的重要環(huán)節(jié)，其主要由內(nèi)徑測針、測針壓片、測量錐、位移傳感器和壓簧組成。為保證內(nèi)徑測量的準(zhǔn)確性和測針的耐磨性，在內(nèi)徑測針的頂端鑲有硬質(zhì)合金。測量錐在彈力作用下與內(nèi)徑測針的45°斜面緊密接觸，并沿徑向向外推動(dòng)內(nèi)徑測針，使內(nèi)徑測針的頂端與身管一對(duì)陽膛線(當(dāng)測量陽線直徑時(shí))或陰膛線(當(dāng)測量陰線直徑時(shí))緊密接觸，從而將身管內(nèi)徑大小傳遞到測量錐的底面，并引起與測量錐的底面緊密接觸的高精度位移傳感器觸針的位置變化，最終由位移傳感器觸針的位置變化輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。

內(nèi)徑測頭在推拉桿的帶動(dòng)下可在火炮身管中沿膛線前后移動(dòng)，并隨膛線的纏角變化而按一定方向旋轉(zhuǎn)；由于定心環(huán)的作用，內(nèi)徑測頭中心線在測量過程中始終保持位于身管軸線上，或與其平行；與身管膛線寬度對(duì)應(yīng)的定位針在測量過程中始終卡在陰線槽中，以保證內(nèi)徑測針始終與被測膛線緊密接觸；火炮身管內(nèi)徑的變化迫使內(nèi)徑測針向里壓縮或向外伸張，致使與之緊密接觸的測量錐底部平面也隨之移動(dòng)，從而使與之緊密接觸的高精度位移傳感器觸針發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，最終導(dǎo)致其輸出的信號(hào)電壓發(fā)生變化；位移傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)電纜傳輸?shù)侥M-數(shù)字轉(zhuǎn)換(即A-D轉(zhuǎn)換)電路，將其轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓；計(jì)算機(jī)采集到該電壓后，經(jīng)“電壓-內(nèi)徑”直線變換得到對(duì)應(yīng)的火炮身管內(nèi)徑數(shù)值，并在顯示器上顯示出來。

1)位移傳感器的設(shè)計(jì)要求與實(shí)現(xiàn)。30 mm火炮的陽線內(nèi)徑為30 mm，陰線內(nèi)徑為31 mm。為了能夠精確地測量身管內(nèi)徑的變化，要求測量傳感器的量程不小于1 mm，測量精度不大于5 μm，傳感器外形尺寸應(yīng)能放入30 mm火炮身管內(nèi)。按上述技術(shù)要求，本技術(shù)選用了由某公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的MA-0.5型高精度互感式位移傳感器，其測量范圍為±0.5 mm，測量精度達(dá)0.1 μm，線性度優(yōu)于0.05%，體積亦能滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 內(nèi)徑測頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由于炮管陰線直徑徑與陽線的直徑相差只有1 mm，所以測陽線直徑時(shí)，為了保證測徑觸頭始終沿陽線運(yùn)動(dòng)，在測徑組件上設(shè)計(jì)了一副卡在陰線中的導(dǎo)向頭，起到導(dǎo)向定位作用。測徑組件的觸頭由與套筒相連的彈簧向外施加張力，使之與炮膛陽線緊密接觸。由于導(dǎo)向頭頂部為凸?fàn)钤O(shè)計(jì)且小于陰線槽，可保證導(dǎo)向頭始終沿陰線行進(jìn)，加上定心機(jī)構(gòu)的作用，保證了測徑觸頭始終位于陽線的直徑上，確保了測量的準(zhǔn)確性。

另外，在充分調(diào)研市場的基礎(chǔ)上，選用了最小尺寸為Φ8×35 mm適用于30 mm火炮內(nèi)徑測量的高精度接觸式位移傳感器，設(shè)計(jì)了合適的機(jī)械裝置將火炮身管內(nèi)徑的變化轉(zhuǎn)化為軸向的位移變化。本技術(shù)通過設(shè)計(jì)一個(gè)45°圓錐體實(shí)現(xiàn)了將身管內(nèi)徑變化轉(zhuǎn)化為軸向位移的變化。經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，在保證加工精度和裝配精度的基礎(chǔ)上，該項(xiàng)設(shè)計(jì)完全滿足30 mm火炮線膛炮身管陽線/陰線直徑測量。測量范圍達(dá)到1 mm。

2.2.3 內(nèi)徑數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了將位移傳感器輸出的火炮身管內(nèi)徑位移數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中，需要對(duì)位移傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并采集到計(jì)算機(jī)中，即需要設(shè)計(jì)一套內(nèi)徑數(shù)據(jù)采集電路。對(duì)于內(nèi)徑數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)要求是：單通道，A/D轉(zhuǎn)換精度不低于12位，采樣頻率不低于1 kHz，可通過RS-232串行總線與計(jì)算機(jī)通信。為此本技術(shù)設(shè)計(jì)了以AT89C51為核心的單片機(jī)內(nèi)徑數(shù)據(jù)采集電路，由AT89C51單片機(jī)、AD1674模擬轉(zhuǎn)換芯片、AD7501多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、MAX232C電平轉(zhuǎn)換電路等組成。實(shí)現(xiàn)將30 mm和大口徑內(nèi)徑測量傳感器輸出的位移電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)多次采集和數(shù)字濾波，通過RS-232串行通信接口輸出給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)計(jì)算和處理后以表格形式顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。

2.2.4 便攜式工控機(jī)的選擇與實(shí)現(xiàn)

考慮到儀器的重量、體積和性價(jià)比，本技術(shù)選用了A-9W便攜式工控一體機(jī)，其主要性能參數(shù)如下：

1)液晶屏：15寸TFT真彩，分辨率 1024×768；

2)處理器：酷睿雙核E6700；

3)內(nèi)存：2 G DDR-2；

4)電源：1 U 250W ATX工業(yè)電源，100～240 V輸入；

5)網(wǎng)卡：千兆網(wǎng)卡；

6)擴(kuò)展槽：2個(gè)PCI；

7)USB： 2個(gè)USB 2.0；

8)串口：1個(gè)RS-232；

9)并口：1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)打印口；

10)尺寸：414(W)×309(H)×226(D)mm。

該便攜工控機(jī)可滿足多口徑火炮身管窺膛測徑的控制、計(jì)算、處理和對(duì)環(huán)境各項(xiàng)要求。

2.2.5 控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制軟件設(shè)計(jì)基于先進(jìn)性和實(shí)用性原則，程序基于windows XP平臺(tái)，利用面向?qū)ο竦腣isual C++ 6.0語言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，程序具有運(yùn)算速度快、執(zhí)行效率高、互換性好、菜單操作等特點(diǎn)，其主界面如圖5所示。

圖5 控制軟件測量主界面

火炮內(nèi)徑測量軟件主要由：炮管參數(shù)輸入、內(nèi)徑測頭標(biāo)定、內(nèi)徑測量三部分組成。內(nèi)徑測頭標(biāo)定采用單點(diǎn)法標(biāo)定，測徑分為自由測量(測點(diǎn)位置任意)和定點(diǎn)測量(測點(diǎn)位置固定)兩種方法。內(nèi)徑測量模塊由炮管參數(shù)輸入、內(nèi)徑測頭標(biāo)定、測徑方法選擇、內(nèi)徑測量、測量數(shù)據(jù)的顯示、保存和打印等部分組成，可完成被測炮管的各種參數(shù)輸 入、內(nèi)徑測頭的標(biāo)定、炮管內(nèi)徑的測量、測量數(shù)據(jù)的顯示、保存、打印等功能，其主要構(gòu)成及功能如圖6所示。

表1 某型步兵戰(zhàn)車30 mm線膛炮火炮陽線內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)結(jié)果

表2 某型步兵戰(zhàn)車30 mm線膛炮身管陽線內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)結(jié)果的重復(fù)精度

圖6 多口徑火炮身管測徑軟件組成及功能示意圖

控制軟件設(shè)計(jì)基于先進(jìn)性和實(shí)用性原則，程序基于Windows XP平臺(tái)，利用面向?qū)ο竦腣isual C++ 6.0語言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，程序具有運(yùn)算速度快、執(zhí)行效率高、互換性好、菜單操作等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)實(shí)測案例及精度分析

基于本技術(shù)研制的某型30 mm火炮內(nèi)徑測量系統(tǒng)，對(duì)某型步兵戰(zhàn)車30 mm火炮進(jìn)行了內(nèi)膛內(nèi)徑測量，其中內(nèi)徑測量量程為29.50～30.50 mm，測量長度650 mm。內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)和處理結(jié)果如表1、表2所示。

表2列出了表1中對(duì)應(yīng)測量點(diǎn)內(nèi)徑(推和拉)測量的重復(fù)精度。通過對(duì)某型步兵戰(zhàn)車30mm線膛炮，身管陽線實(shí)際內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)結(jié)果和重復(fù)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：基于本技術(shù)研制的火炮內(nèi)徑測量系統(tǒng)測量精度、操作性、易用性、經(jīng)濟(jì)性完全滿足試驗(yàn)檢測測量需求。

4 使用及維護(hù)

作為一種基于互感式位移傳感器的小口徑火炮身管內(nèi)膛陽線和陰線內(nèi)徑的數(shù)字式測量技術(shù)，其首次使用或經(jīng)歷一段時(shí)間使用后，需要對(duì)內(nèi)徑測頭進(jìn)行標(biāo)定，方法是利用已知精確尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件(如經(jīng)過更高精度標(biāo)定的測量樣筒、外徑千分尺等內(nèi)徑測量工具)對(duì)內(nèi)徑測頭進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，首先按使用條件和環(huán)境安裝好內(nèi)徑測頭，正確放置于內(nèi)徑標(biāo)定樣筒中或設(shè)置好已知尺寸的外徑千分尺，保證內(nèi)徑測針緊密接觸內(nèi)徑標(biāo)定樣筒或千分尺測頭，并與之垂直。利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集電路讀入高精度位移傳感器輸出的電壓值進(jìn)行“內(nèi)徑-電壓”線性標(biāo)定，即由位移傳感器的“位移-電壓”線性變化特性，由已知的標(biāo)定筒或千分尺給出的內(nèi)徑值確定“內(nèi)徑-電壓”直線的斜率和截距，然后由直線公式擬合出標(biāo)定后的“內(nèi)徑-電壓”關(guān)系。在后繼的火炮身管內(nèi)徑測量過程中，只要內(nèi)徑測針的磨損量可忽略，則內(nèi)徑測頭輸出的電壓值(包括經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集后的數(shù)字電壓值)經(jīng)“內(nèi)徑-電壓”直線轉(zhuǎn)換即可得到所測量的火炮身管陽線或陰線內(nèi)徑值。維護(hù)操作簡單方便。

5 結(jié)論

該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于，利用特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小

口徑火炮內(nèi)徑的高精度測量，其主要技術(shù)要點(diǎn)是：1)利用精密機(jī)械定心裝置將測量裝置支撐于火炮身管軸線上；2)利用特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)保證內(nèi)徑測量觸針始終緊密接觸于一對(duì)陽膛線或陰膛線之間，保證測量結(jié)果的正確性和測量精度；3)利用特殊設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)裝置將火炮身管陽線內(nèi)徑或陰線內(nèi)徑的變化轉(zhuǎn)換為位移傳感器輸出電壓的變化；4)利用模-數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集電路實(shí)現(xiàn)火炮身管內(nèi)徑的數(shù)字化測量和顯示。

由于采用特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)將火炮身管膛線的內(nèi)徑變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔任灰苽鞲衅鬏敵鲭妷旱淖兓?，使用時(shí)不受身管長度的限制，一次標(biāo)定校準(zhǔn)后，可重復(fù)測量，通過計(jì)算機(jī)控制可實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。與現(xiàn)有的火炮身管內(nèi)徑測量技術(shù)相比，具有測量速度快、精度高、重復(fù)性好、數(shù)字化、效率高、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化管理等優(yōu)點(diǎn)。其不但特別適用于25～37 mm小口徑火炮的內(nèi)徑測量，而且也同樣適用于大口徑火炮身管的內(nèi)徑測量，具有極大推廣應(yīng)用價(jià)值。目前，采用該技術(shù)研制成功的“某型小口徑自動(dòng)火炮內(nèi)徑測量系統(tǒng)”以及相應(yīng)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于火炮生產(chǎn)、定型試驗(yàn)和部隊(duì)維修保障檢測中。