90634026685435558_火炮身管内径检测

第一章引言
1.1 研究背景
随着生产制造技术的发展，生产制造精密轴孔类零件越来越多，同时也对零部件的检测精度提出了更高的要求。

由于很难保证一个孔每一个截面尺寸都相同，特别是对于异型孔径又是内径有所变化的这类特殊孔，并且在同等公差等级条件下，孔类零件比轴类零件难度大得多。

在人工检测方法中，不能够准确判断所测截面是否是与轴线垂直的截面，并且对于轴向距离太长的孔人工无法深入内部检测。

因此，异型孔径零件的高精度、高效、经济的检测就成为一个较难克服的问题。

生产制造中零件几何测量，相对来说较为关键的测量步骤就是针对于所需物件的轴孔相关直径的测量。

由于使用到的测量设备器材的可以运作范围空间的限制，导致测量速度缓慢，操作不方便导致的精准度下降，尤其是孔径较小、轴向距离较长的深孔。

深孔类零件在机械生产中应用较为广泛，各种液压缸、无缝钢管、军用武器的身管等等。

在我国西气东输工程中，管道运输是一种效率最高、安全系数最大、成本最小的运输方式，管道在石油、天然气、核工业各方面应用广泛。

为了提高管道的寿命、降低生产维护成本，对管道检测提出了新的要求，避免一切安全事故发生，必须对管道的检测达到一个新的高度，以满足更高的使用要求。

目前，我国乃至世界的炮兵装备愈发的良好且完备。

所以与此对应的需求也愈发的苛刻，比如在测量精度、测量设备需求、设备器材相应的技能，从而使得检测设备在整个武器系统中处于关键地位。

不仅对生产制造中的设备发挥着一定的作用，还对使用后的武器装备有着重要意义。

火炮身管质量的优劣，直接关系到火炮的寿命以及射击精度，并且对火炮的剩余安全使用寿命预测起着决定性作用，所以为了正确预判火炮使用过后的安全使用寿命，必须对身管参数进行精确测量。

批量大、种类多，使得火炮在我军以及外军当中应用广泛，各军种都有装备和使用。

为了适应现在世界的发展，实战的需求，火炮的类型作出相应的改变，火炮的很多功能也要同步地进行改进和完善。

尤其是它在实际操作当中，被置于
首要位置的安全性能，还有需要注意的发射出来的准确度基本上都会由于火炮内侧的质量变化而变化，火炮内径以及炮筒直线度这些性能参数会对火炮产生不可预测的后果。

对于任意一种火炮，至为重要的一个元素元件应当属于火炮的身管部分，同时其在整个火炮中起着举足轻重的作用。

所以，怎样对火炮发射的准确度进行一定程度的改善和提高，完美预判火炮使用后的剩余安全使用寿命，能够自动精准测量火炮身管参数有着致命性的影响。

1.2 课题分析的方针
针对可能对火炮发射准确度产生不一样程度影响的因素点，我们小组进行了不同方案的分析和研究，得知其中较为重要的因素点实质上为火炮自身身管的很多项指标和参数。

希望可以对火炮身管进行针对性的测量是实验的至关重要的环节步骤，与此同时，还需要确保需要研究的一些物件的质量和一定的安全性能。

尤其在对火炮身管进行针对性的测量中又一关键环节步骤就是对其内部表面的检查和测量操作。

我们不可能会避免该火炮在一些演习或者实际使用当中发生的有关性能的不完善或者是缺失，但是需要放在首要观测点的还是安全性能的保障。

火炮炮筒内径检测是火炮内壁检测中极其重要的一项任务，在火炮的生产及后期维护当中，为了保证其维修质量，后期使用安全性，必须对火炮内壁进行检测。

火炮炮筒内壁检测也是为了检查生产质量和在射击过程中的磨损、烧蚀等情况。

火炮经过实战射击完成后，炮筒内壁会出现细小的裂痕以及一些肉眼看不到的瑕疵，在经过多次的射击任务后，这些瑕疵会被无限的放大，裂痕会越来越深，这些问题呗放大到一定程度的的时候，火炮炮筒在高温高压的情况下可能会突然炸裂，威胁到使用人员的安全。

所以，我们有必要对火炮炮筒进行高精度的测量，从而提高火炮的射击精准度以及使用安全性。

1.3 国内外研究现状
1.3.1身管检测技术简介
内径检测技术，将机电系统融合在一起，激光技术、计算机技术、光栅技术以及CMD摄像技术、光电检测技术，不再是某一种检测技术单一的使用，而是
将多种测量技术充分融合，对内径进行高精准度测量。

现在，能够进入钢管内自动爬行测量的机器人受到了人们的青睐，它可以对管道自行测量、检测、维修。

管道机器人是一种可以携带多种测量设备，完成多种任务的装置，工作人员通过远程操作控制该装置在狭小的空间内完任务。

与市面上常见的普通机器人对比，它一般是在极限条件下、常规测量不能完成该任务的情况下进行工作，比如石油输送管道测量、火炮身管内径测量、液压装置的液压缸、气缸内径测量。

1.3.2国内研究现状
从上个世纪80年代末，我国科学家就对内径检测技术进行了深入研究，我国的内径检测技术得到了高速发展，将计算机与高精度的传感器融合，快速高效高精度地对内径进行测量。

正如同下图1.1所显示出来的有关于我们国家某一大学所研发出来的可以在管道中进行爬行操作的机器人一样。

选择像蚯蚓一样的蠕动操作进行爬行，这一机器人相比较我们之前所设计出来的原始的机器人而言，采用了新型的电磁铁为动力源，而非传统的电机驱动，此管道机器人机械结构相对简单，控制方式更加的简单方便易操作，经济性能良好。

该产品可以适应任何的异型管路，可以进入到轴向距离较长的细长管中，人工无法准确测量的异型管路。

我们可以根据需要选择不同的电磁铁作为动力源，以满足我们的需求。

该机器人还具有快捷拆卸、方便维修、便于更换的良好性能。

图1.1 管道机器人
我国东华大学自行研究设计制造的机器人，在实践中发挥积极作用，可以进入到老式的空调中清理灰尘、杀菌消毒，避免长期使用对人体产生不必要的伤害，还可以进入异型管路中拍照检测。

如图 1.2 所示，该设备可以满足多数的异型管路卫生清理，在管路中遇到障碍的时候可以自行越过，实用性增强；此设备能够进入到圆形的管路当中，以及长方形的管路当中，此类设备大多采用电动机作为动力源，机械结构简单，便于安装。

图1.2异型管道清洁机器人
对于无缝钢管内壁检测的方法是多种多样的，国内很多机构都对该项目进行了深入的研究，可是设计制造的设备功能太过于单一，无法满足多方位的检测需求，比如只能够测钢管的直线度，以及只能检测钢管的内径。

1.3.3国外研究现状
目前，随着科技的进步，零部件制造的精度不断提高，检测技术也取得了巨大的进步，检测设备也更加的完善，将灵敏度更高的传感器与功能强大的计算机，以及精准度更高的现代控制理论相融合，使得检测设备的高精度上升到一个新的高度。

国内，将CCD成像技术运用到多个领域，各行各业都有涉猎。

国外，很多工程师将灵敏度更高、测量范围更大的传感器运用到检测系统中，使得检测系统可以实现高精度的测量，以达到更高的使用需求。

欧美国家和日本设计制造了多种多样的先进检测设备和仪器，将分辨率更好的传感器植入到检测设备当中，比如涡流传感器可以用来测量厚度，这些设备被用于各种需求，进行无损检测。

欧美国家率先将激光检测技术运用到无缝钢管内径检测当中。

日本作为机电技术
成熟的发达国家，充分借鉴其它国家的研究成果，加以改进提高，设计制造出各种各样的运用于异型管路的机器人。

1.4 小结
通过研究国内外的资料显示，管径较小的检测设备仍处于设计研发阶段，发展空间巨大，但是距离在实践中使用，发挥积极作用还有很长的路要走。

目前市面上可以投入到生产实践当中去的检测设备，只能检测管径较大的管路。

根据以上研究内容发现，目前研制的管道机器人只能在管路清理卫生、杀菌消毒、障碍清理，无法对管径进行高精准度的测量。

设计制造微型的管路机器人需要多个学科的专业知识融合，机械、电子、液压、气动和电气的融合，难度系数较大，不易轻易实现，作为一个新型的研究制造机构，生产研发过程中不可避免的会遇到棘手的难题。

查阅相关资料可知，管内机器人在设计、制造方面都达到了一个新的高度。

虽然尚未投入到生产实践当中去，但是经过试验证明，这些机构可以满足实践需求，各有千秋。

例如：在医院手术中，用于人体肠内检测的微型机器人，它以气体作为动力源，运用了仿生学，在人体内爬行，无损窥探。

该机构有一定的优势，尺寸小的多，运行过程中消耗能量较少，机械设计结构简单；但是它也有一定的缺点，作为驱动的气体输送不便，整个工作过程中的导线和气管杂乱，存在一定的危险性。

目前，国内以及国外对于微型管道机器人的研究仍处于设计和研发阶段，发展空间巨大，所以我们还面临着很多的问题，需要我们进一步的研究解决，并且这类微小机器人与传统的同等大小的机械结构有着本质的区别：
（1）微型模型样式的机器人不是我们理解程度上的在原始的那种大规模样式的机器人的体积上的一定程度的缩小样式的。

这种改良型的微型模型样式的机器人也不会是在原始的那种大规模样式的机器人的架构上的一定程度的浓缩样式的，而是将新型的零部件集成，集成机电系统的集成体。

（2）驱动方式。

在一般的机械结构设计当中，必须要考虑物体的运动，但是微型机器人不用考虑。

（3）新材料、新工艺问题。

采用新型的工艺技术，改变传统思维，运用新
型材料，结构轻便化，经济性能良好的集成系统，将机电系统发展的更好。

（4）能源供应和控制问题。

采用新型能源驱动，在工作状态下降低能耗，降低使用成本；采用新型的控制方式，利用仿生学，研究一些微小昆虫的运行方式，运用到实践当中去，将利益发挥到极致。

（5）管内的条件效应。

微小机器人进入到管内，尤其是一些异型管内，会遇到一系列问题，比如管内壁粗糙，平整度不够，都会对微型机器人产生影响，所以微型机器人的发展还有很长的路要走，面临一系列的挑战，需要我们进一步的研究设计，做出更好的产品，以达到更好的使用效果。

第二章火炮身管内径自动测量系统结构总体方案概述
火炮炮筒的优劣会影响到整个火炮系统，也是评判火炮性能优劣的一个重要指标。

火炮炮筒是一个变径的有锥度的无缝钢管，轴向距离较长，孔径变化较大，与其他的物体尺寸测量相比，由于结构细长，测量仪器无法完全深入测量，精准度难以保证，火炮炮筒内径检测难度系数更大。

目前，国内的传感器水平还不够高，灵敏度、分辨率均处于落后水平，所以对火炮内壁检测还没有完美的解决方案。

火炮炮筒在加工出厂时，只能依赖传统的专用量规来测量是否合格，检查炮筒的轴向距离，各锥面的锥度值，以及抽查某一段的内径是否符合公差要求。

上述方法只能适用于尚未投入使用的生产制造。

在经过实际使用后，仍无法准确测量。

使用最为原始的方法，物理学中介绍的阿基米德排水法，将炮筒内注满水，来计算炮筒的体积，由于测量方法太过于粗糙，导致无法满足高精准度的要求，并且此方法无法测量火炮身管内径。

测量火炮炮筒内壁质量是是一项极其重要的任务，对于准确预测火炮剩余安全使用寿命，提高火炮执行任务中的精准度有着重要意义。

面对异型孔径、细长孔无法实现高精准度这一现象，在老师的指导与帮助下设计制造了一套有关火炮身管内侧部位的检查观测设备机器，对于该设备机器的要求不单单是针对身管内侧部位的检查和观测，，对于一些细长的深孔和异型孔径也能够高精准度的测量，此装置制造成本低，经济效益良好，操作简单，自动化程度高，可以推广到生产实践当中去。

火炮炮筒是组合体，多个圆柱面与多个锥面组合而成，它们的中心线都在同一条直线上，在测量过程中我们主要测量炮筒在不同截面的直径。

通过该装置主要测量火炮炮筒的两方面数据，炮筒的轴向距离，以及与之相对应的各截面直径。

该装置采用了光栅传感器，通过光栅的位移来测量炮筒的轴向尺寸和径向尺寸。

径向尺寸测量采用接触式测量，光栅读数头读取位移量来记录径向数据，测头安装在一块儿上，滑块儿上安装有光栅尺，测头的移动带动滑块儿的移动；轴向距离采用非接触式测量，利用光栅测量。

2.1 火炮身管的测量性能指标要求
对火炮炮管测量的技术要求：
（1）炮筒内径变化范围： d=120～165毫米
（2）炮筒轴向距离范围：L小于且等于900毫米
（3）相同轴面上的观测度量的不确定程度：Ua大致为0.004毫米
（4）同一圆心的范围大致要大于且等于3毫米附近波动
（5）开关磁阻电机的相对转动速度要大于且等于25毫米每秒
（6）对于横截面积的精准度判断是在小于且等于0.003毫米附近波动
（7）横轴方向的光栅传感器的指标和参数：
观测和度量的范围：0到1000毫米之内
观测和度量的精度：1μm
（8）纵轴方向的光栅传感器的指标和参数：
观测和度量的范围：0到90毫米之内
观测和度量的精度：1μm
（9）一组光栅传感器倘若放置于相同的横截面中：
一个光栅传感器和相对应的观测于度量的垂直偏差应该在小于且等于0.03毫米左右；
另一个光栅传感器与相对应的观测于度量的距离偏差也应该在小于且等于0.03毫米左右。

2.2 光栅中位移传感器的运作原理简述
上面说到的该设备机器一般适用于高精度的距离测量。

它具有测量范围广、精度级别高、自动化程度高等优点，在实际使用过程中，不会轻易被外界干扰以至于影响测量精度，稳定性强。

通常运用于高精度的测量仪器当中。

它是一个反馈型的元器件，光栅读取头根据标尺光栅的移动测量位移与距离，将测量值反馈回系统，通过数值显示器显示出来。

随着现代生产技术水平的提高，光栅传感器的精度也越来越高，它的体积越来越小，将光栅传感器运用于火炮炮筒内径自动检测装置中，完全能够达到精度
要求。

这种观测和度量设备就符合了我们实验的相关需求，不单单可以对火炮身管内侧部位的直径进行观测和度量，还可以对一系列需要观测和度量的部位进行操作。

2.2.1光栅传感器的划分
由于所对应的需求和需求量的不一样，构造和设计出来的光栅传感器也不尽相同，从性质上主要可以被划分为两大块：物理类的光栅传感器和计量类的光栅传感器，然后在计量类的光栅传感器当中又可以进一步地划分为：投射类的光栅传感器和反射类的光栅传感器。

2.2.2光栅位移传感器的运作机能
在计量类的光栅传感器当中最为普遍和常见的就是光栅位移传感器，它主要就是采用了莫尔条纹的一种光现象的原理实现相应的观测和度量操作的。

下面来简要介绍一下其运作的方式方法：当设定出来放置距离一样的光栅，在这里我们假定一个光栅为L1，另外一个光栅为L2。

在尽可能的移动范围之内，通过光源一定程度的照射中通过光衍射和干涉之下，我们来观测这些明暗相互间隔的有规律性的条纹，这些可以观测出来的条纹，也就是我们常说的莫尔条纹。

紧接着，我们将L1用螺丝钉等设备使其固定在需要被监测的物件上，在尽可能的移动范围之内进行一定移动并且记录下来。

开始的时候，经过光电器件使得这些有规律的明暗相间的条纹通过一系列的内部简化，模拟出电信号，再放大成形，使之得到大概有九十度的正弦规律的波纹。

然后我们得到的数据信息为[40,41]。

莫尔条纹主要特性：
（1）更替规则
这些有规律的条纹一般情况下会随着光源一定程度的照射过程中的衍射作用和干涉作用而产生一系列的变换和更替、
（2）放大效果
倘若一组光栅线所成的角度及其的小的时候，该光栅的光栅距、这些有规律条纹之间的距离以及光栅线所成的夹角的度数之间的关系：
L =
W
2sin θ
2≈
W
θ（式
2.1）
根据（式 2.1）我们基本上得知，倘若一组光栅直接进行相对的移动的时候，使得一个光栅的栅距为W 时，那么这些有规律的条纹相对移动的距离就为L。

所以当光栅线所成的夹角的度数越小的时候，这些有规律的条纹相对移动的距离就会越大。

（3）均衡效果
因为这些有规律的条纹是通过大量的光作用构造的条纹来共同生成的，但是其中的一些外界因素导致产生的不一样距离的误差，在莫尔条纹中会被弱化，甚至直接不做考虑成分。

（4）距离变换
因为光栅的所产生我们模拟出来的光栅线呈现的角度是可以改变的，因此，我们就在这一组光栅的相对位移固定的前提之下，来对光栅线呈现的角度的方向进行不同程度的调整，那么就会使得这些有规律的条纹的移动方向产生变换。

2.2.3光栅线位移传感器的相关性能
（1）观测和度量的精准度
光栅线位移传感器设备的观测和度量的精准度一般情况下来说和以下几点有着密切关系：
（a）指示光栅对于所需要操作的物体进行扫描的质量和性能；
（b）信号处理电路当中的可能会产生误差的小元件的质量和性能；
（c）光栅在相对位移时候的误差指标和参数等等。

（2）信号加工
对于光栅机器设备的观测和度量，主要就是通过把这些有规律的条纹进行分解之后进一步的详细观测和度量操作。

针对这些分解主要就可以按照相对质量、相对位移的准确度、光信号在进行传播过程当中作用出来的有规律的条纹波动图形等等。

另外一个方面，我们在试验当中还要确保进行的效率，在读出我们需要的数据信息的同时还要提高相应的速度。

（3）细分工艺
其中的主要可以进行细分工艺的操作有很多种，比如我们常用的直接细分工艺、锁相细分工艺、软件细分工艺以及电桥细分工艺等等。

通过以上这些操作方式来对需要进行观测和度量的光栅的光栅距离也就变换成为上述那些有规律的
条纹条数来观测和度量了。

（4）光栅的指标记号
既然光栅在试验当中是作为增量性质的观测和度量的指标，那么我们可以间接通过对光栅线的相对位移进行观测和记录从而确定出我们需要的那个指标和参数。

在对整个火炮的身管进行观测和度量的时候，我们需要根据客户给定或者事先规定的距离编码来对缩短到零位的这直接的距离进行进一步的观测和度量。

然后运用到的光栅尺的绝对位置就可以通过上面得到的两个参考指标的记号来决定了。

2.2.4产品选择
本文中选用国产某公司的ISL-A1-1000直线光栅尺，该光栅是一种通用的微型组件式系统，可在米思米官网直接购买，分辨率为 1 μm ，有效行程为1000mm，最大测量速度50m/min,符合设计的测量精度要求，如表1所示。

表1
ISL-A1-1000系统的特性与优点有：
（1）可以直接装配在微型系统；
（2）无损测量高精度测量；
（3）不易受外界干扰，稳定性强；
（4）便于安装；
（5）读数头小巧便于安装。

与其配合的有读数头安装架，如图2.1、2.2所示：
图2.1 读出数据设备安装支架 图2.2 读出数据设备安装支架
2.3 自动观测和度量总体结构以及相应原理
2.3.1 自动观测和度量总体结构以及相应原理
我们所选择的该火炮身管的内部观测和度量的机器设备主要是由以下几个部分构成的：随机控制系统部分、传送部分、左右定位部分、直径观测和度量部分以及计算机控制系统部分等。

（1）随机控制系统部分：随机控制系统主体是随机电磁电机，通电为直流电。

我们选择的是三菱随机控制系统，分辨率为 17bit ，拥有电磁制动器，可以更平稳的结束运转,如图2.3所示。

联轴器选用的是广州COUP-LINK ，型号为 DAAKPC19-6-6，如图2.4所示。

图2.3 伺服电机图2.4 联轴器（2）传动部分：采用光杠和丝杠结合，齿轮啮合的方式，滚珠丝杠选用
C-VALUE系列的C-BSS1505-1000，采用标准螺母，精密丝杠轴向间隙0.015mm 以下，如图2.5所示。

光杠选用C-VALUE系列的CPSFJZ8-[20-800/1]-M[3,4, 5]-N[3,4,5]-SC[0-792/1]，如图2.6所示，直线轴承等部件。

图2.5 滚珠丝杠图2.6 光杠（3）左右端定位：其中的滚轮设备是为了方便辅助滚珠丝杠以及光杠支撑
操作的，主要在整个火炮当中起着支撑的作用，简介地影响到了发射的准确度和精准度。

（4）直径观测和度量：通过光栅尺来对直径进行观测和度量，如图2.7所示。

压缩弹簧（P515，线圈外径55.6mm，压紧长度为 49mm）,如图2.8所示。

探头等部件。

图2.7 直线滑轨图2.8 压缩弹簧
（5）计算机控制系统部分：光栅尺数显箱，XYZ三轴独立显示，如图2.9所示。

图2.9 光栅尺数显箱
2.3.2SolidWorks 软件简介
Solidworks公式成立1993年成立，公司最初成立的目的是为了给工作的工程师们设计一套绘图软件。

它是基于Windows系统开发设计的一个软件，操作简单方便，便于学习，可以熟练使用Windows系统人员能够很快上手该软件。

目前，该软件在全球积累了大量的用户，并在全球设立办事处推广该软件，该软件可以运用于各行各业，比如机械制造，生产制造之前绘制零件图，生成装配图，可以直接将装配图转化为生产需要的工程图。

根据资料显示，每年有大量的培训机构来教授该软件的使用，国内外知名高校也都在教学比如国内的顶尖学府清华大学，美国的著名学府麻省理工大学。

并且Solidworks公司内部工程师每时每刻都在不断地创新，研究新的技术以满足更多的需求，迎合世界发展的潮流，越来越多的用户使用并认可该软件，公司不断努力创新，也使得该公司满获赞誉，从该软件制造出来现在共斩获十七项国际大奖。

用户的认可与支持，使得该软件在各行各业都保有大量的用户，尤其是在机械设计制造行业，有着其他三维软件不可撼动的地位。

Solidworksr软件功能强大可实现多种需求，从最简单零件图，到各个零件组合装配成装配体,可以选择各种颜色来区分各个零部件，还可以进行模型的仿真。

与其他的三维设计软件相比较，该软件有如下特点；
（1）基于功能强大的Windows系统，简单易学方便操作，学习起来速度更快，效率更高。

（2）功能强大，在各个领域都有应用，机械设计制造业、航空航天发动机生产制造、钣金、动画制作等等。

给一个机械结构加上一个驱动，该结构就可以动起来，演示起来更加生动。

（3）可以制作零件图，选定一定的基准，可以将零件装配到一起生成装配体，可以将装配体直接生成工程图，各个零件加上颜色便于区分。

如图 2.10总体装配图。