固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面重建技術(shù)研究*

任立衡，金 永

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)的裝藥質(zhì)量直接關(guān)系到最終的彈道性能，其內(nèi)型面的準(zhǔn)確測量對保證裝藥質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)作用。當(dāng)前用于測量固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面測量的方法主要有：接觸式測量法和非接觸式測量法。

Zhang等[1]根據(jù)軸孔類零件孔徑大小提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維坐標(biāo)機(jī)測量點(diǎn)數(shù)量的確定方法，完成對軸孔類零件直徑幾何尺寸的檢測。三維坐標(biāo)機(jī)測量精度高，且不受物體表面顏色和光照的限制，對物體邊界也能產(chǎn)生準(zhǔn)確的判定結(jié)果，但接觸式測量法可能會使物體表面產(chǎn)生磨損，從而造成測量的不精確。傳統(tǒng)超聲檢測方法使用的耦合劑會侵入材料內(nèi)部，使試件受潮、變污[2]。針對該問題，斯丹[3]采用電磁超聲法實(shí)現(xiàn)了油氣管道非接觸式測量，通過高頻交變電流在待測試件表面及內(nèi)部感應(yīng)出的渦流變化來探測油氣管道的信息。但該檢測法易受噪聲影響。CCD無法對三維物體的深度信息進(jìn)行測量，被廣泛的用于三維物體的形貌測量[4]。Lin和Chang[5]將一種ATOS的非接觸光學(xué)掃描與五軸測量臺相結(jié)合，開發(fā)出了一個三維物體外形尺寸檢測系統(tǒng)。Zhou等人[6]開發(fā)了一種多關(guān)節(jié)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)將激光傳感器和CCD相機(jī)結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體金屬構(gòu)件的尺寸檢測。王芳榮[7]研制了一種在旋轉(zhuǎn)平臺上使用激光照射物體，通過單目攝像頭拍攝圖像，計算激光中心后根據(jù)三角法還原物體三維坐標(biāo)的測量裝置，實(shí)現(xiàn)了多角度三維幾何尺寸自動化檢測。

針對以上方法的局限性和可行性，文中設(shè)計了固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面檢測系統(tǒng)，采用線激光位移傳感器對該內(nèi)型面進(jìn)行非接觸的全面掃描，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)內(nèi)型面的三維重建。

1 總體方案設(shè)計

如圖1所示為設(shè)計的基于懸臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)型面檢測裝置，該裝置由發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)臺、多關(guān)節(jié)測量臂和傳感器組成[8]。固體火箭發(fā)動機(jī)放置在兩對支撐輪上，支撐輪可以自動平移升降，通過調(diào)整固體火箭發(fā)動機(jī)的高度使其軸線和簡支梁重合，由支撐輪的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)殼體轉(zhuǎn)動，為了檢測旋轉(zhuǎn)角度，在與殼體接觸處裝絕對式編碼器。簡支梁支撐裝置處裝有伺服電機(jī)，通過簡支梁支撐裝置的平移傳動實(shí)現(xiàn)簡支梁的運(yùn)動功能，即伺服電機(jī)可間接驅(qū)動線激光傳感器沿固體火箭發(fā)動機(jī)的軸線方向運(yùn)動。線激光傳感器連接關(guān)節(jié)I0，簡支梁上關(guān)節(jié)I1通過連桿K與關(guān)節(jié)I0連接，開始進(jìn)入固體火箭發(fā)動機(jī)時，連桿K與簡支梁平行，開始測量時通過關(guān)節(jié)I0、I1，連桿K旋轉(zhuǎn)一定角度測得整個固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面的位移值(關(guān)節(jié)I0、I1連桿K的旋轉(zhuǎn)角度介于0°～90°)。

圖1 數(shù)據(jù)采集裝置

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和精簡

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

設(shè)固體火箭發(fā)動機(jī)的軸線方向?yàn)閥軸，伺服電機(jī)將線激光傳感器沿著軸線方向帶回起始位置，線激光傳感器以1 mm/s的速度沿著y軸直行，每直行一次固體火箭發(fā)動機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)360°，每隔0.03°采集一次數(shù)據(jù)，每條激光光線上包含800點(diǎn)數(shù)據(jù)，點(diǎn)與點(diǎn)之間間隔0.05 mm。直至采集完內(nèi)型面的所有位移值。為了采集到固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面的全部信息，分段采集時必然會使得分段輪廓數(shù)據(jù)之間會出現(xiàn)部分重合現(xiàn)象。

線激光傳感器采用激光三角法來實(shí)現(xiàn)對物體位移的非接觸式測量，通過物點(diǎn)和像點(diǎn)的三角幾何關(guān)系算出物體表面的高度坐標(biāo)，即只得到了被測物體表面該點(diǎn)的高度信息。可采用D-H模型將該數(shù)據(jù)陣列轉(zhuǎn)換成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過如上方法得到發(fā)動機(jī)內(nèi)型面的距離值矩陣，其D-H矩陣T如式(1)所示。

利用D-H矩陣將線激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。選取6組數(shù)據(jù)展示如圖2。

(1)

圖2 固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面點(diǎn)云

圖2(a)是部分固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面數(shù)據(jù)D-H建模圖，包含5 941 356個數(shù)據(jù)點(diǎn)，從圖2(b)中可以看到，分段輪廓數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)部分重合現(xiàn)象。雖然密度高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有助于更好表現(xiàn)物體表面細(xì)節(jié)，但過多的數(shù)據(jù)點(diǎn)會占用大量存儲空間，增加重建時間和難度，所以有必要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。

2.2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡

設(shè)待檢測的固體火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計半徑為R，文中采用一種基于半徑R的均值濾波方法對固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。首先對得到的三維數(shù)據(jù)均勻分塊，定義3個坐標(biāo)軸方向的最大、最小坐標(biāo)值為：xmax，xmin；ymax，ymin；zmax，zmin，設(shè)子立方體的長度為l，子立方體在3個坐標(biāo)軸方向的個數(shù)分別為：

p=int((xmax-xmin)/l)

(2)

n=int((ymax-ymin)/l)

(3)

k=int((zmax-zmin)/l)

(4)

精簡后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保留了140 513個數(shù)據(jù)，同時去除了分段輪廓數(shù)據(jù)之間的部分重合現(xiàn)象。

3 三維重建

對精簡后的固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用Delaunay逐點(diǎn)插入算法進(jìn)行三角網(wǎng)格面重建，如圖3(a)所示。如果重建曲面片Ri位于(R±0.2)mm則標(biāo)記該曲面片為綠色，即滿足設(shè)計指標(biāo)；如果Ri位于(R-0.2)mm以內(nèi)，顏色設(shè)定為淡藍(lán)色，表示該曲面片部位存在磨損；如果Ri位于(R+0.2)mm以上，顏色設(shè)定為淡黃色，表示該曲面片部位需要打磨，每超過0.1 mm，顏色逐漸變?yōu)辄S色、深黃色，利用顏色深淺來表示需要打磨的程度。采用如上的顏色判斷標(biāo)準(zhǔn)的效果圖如圖3(b)、圖3(c)。

圖3 重建圖

4 結(jié)論

以固體火箭發(fā)動機(jī)的內(nèi)型面作為研究對象，研究了內(nèi)型面檢測裝置、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡和曲面重建。設(shè)計的基于懸臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)型面檢測裝置，解決了火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)型面檢測過程中的不可接觸、不可污染的硬性要求。文中提出的精簡法適用于特征點(diǎn)較少的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此對于特征點(diǎn)多的數(shù)據(jù)精簡方法，是后續(xù)工作需要進(jìn)一步研究的問題。