中大口徑彈體尺寸自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

王曉勤 曹東旭 楊德樹(shù) 崔志軍

摘要：為解決傳統(tǒng)中大口徑彈體尺寸檢測(cè)手段落后、人工成本高且檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種中大口徑彈體尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置。該裝置利用核心檢測(cè)元器件激光位移傳感器和工業(yè)相機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈體主要尺寸的自動(dòng)檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，裝置運(yùn)行高效、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢測(cè);中大口徑彈體;激光測(cè)距;機(jī)器視覺(jué)

0 引言

在機(jī)械制造領(lǐng)域，檢測(cè)手段一直是制約該領(lǐng)域制造模式轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要因素。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中，大部分產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸檢測(cè)、螺紋檢測(cè)等仍然采用人工檢測(cè)方式，檢測(cè)手段落后，勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)精度差，最終造成生產(chǎn)成本增加、產(chǎn)品質(zhì)量低下等一系列問(wèn)題。

基于以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種中大口徑彈體尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置，改變了傳統(tǒng)檢測(cè)工藝，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、激光傳感技術(shù)等先進(jìn)檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈體尺寸的自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，裝置運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，對(duì)于提升軍工裝備生產(chǎn)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化水平具有重大意義。

1 總體思路

中大口徑彈體結(jié)構(gòu)具有相似性，檢測(cè)的主要尺寸和位置基本相同。按彈體結(jié)構(gòu)，將彈體需檢驗(yàn)的尺寸分為彈體內(nèi)膛尺寸及彈體外形尺寸。彈體內(nèi)膛尺寸主要檢測(cè)距口部端面不同距離處的內(nèi)徑、彈體內(nèi)膛深度、底凹直徑;彈體外形尺寸主要檢測(cè)彈體外徑、定心部尺寸及位置度、銅帶尺寸及位置度、端口直徑。

按檢測(cè)尺寸需求，將檢測(cè)設(shè)備分為內(nèi)膛尺寸檢測(cè)機(jī)和外形尺寸檢測(cè)機(jī)。檢測(cè)機(jī)的設(shè)計(jì)，兼容檢測(cè)不同口徑、結(jié)構(gòu)相似類(lèi)型的彈體，檢測(cè)機(jī)使用過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整相機(jī)單元安裝位置、更換工裝夾具、更換量規(guī)測(cè)頭、更換仿形測(cè)桿、更換彈體基座等硬件，調(diào)用預(yù)先設(shè)置的軟件，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的兼容檢測(cè)。

2 設(shè)備檢測(cè)原理

2.1? ? 內(nèi)膛尺寸檢測(cè)機(jī)

2.1.1? ? 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)內(nèi)膛尺寸檢測(cè)機(jī)，用于彈體內(nèi)膛尺寸檢測(cè)，包括距口部端面不同距離處的內(nèi)徑、彈體內(nèi)膛深度、底凹直徑。

內(nèi)膛尺寸檢測(cè)機(jī)由物料轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)及主檢測(cè)單元組成。物料轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)完成被檢彈體的上料、檢測(cè)單元間轉(zhuǎn)運(yùn)及下料，實(shí)現(xiàn)彈體檢測(cè)的自動(dòng)化。檢測(cè)機(jī)的主檢測(cè)單元由彈體內(nèi)膛深度檢測(cè)工位、內(nèi)徑檢測(cè)工位、壁厚工位等主要單元構(gòu)成。

2.1.2? ? 檢測(cè)運(yùn)行原理

（1）彈體內(nèi)膛深度檢測(cè)如圖1所示。

檢測(cè)時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)夾持彈體放置在固定基座上，測(cè)桿移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)仿形測(cè)桿移動(dòng)，仿形測(cè)桿接觸腔體底端（通過(guò)傳感器反饋是否接觸），相機(jī)單元采集測(cè)桿露出腔體端口位置的圖像信息，處理器通過(guò)專(zhuān)用算法，處理得到彈體內(nèi)膛深度信息。其中，仿形測(cè)桿上設(shè)計(jì)了刻度標(biāo)志線(xiàn)，用于彈體內(nèi)膛深度計(jì)算。仿形測(cè)桿使用特殊材料制作，長(zhǎng)時(shí)間使用不會(huì)變形，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)，確保不會(huì)對(duì)炮彈內(nèi)部噴漆造成損傷。

（2）內(nèi)徑檢測(cè)如圖2所示。

內(nèi)徑檢測(cè)原理：內(nèi)徑測(cè)量機(jī)構(gòu)帶動(dòng)接觸式電子內(nèi)徑卡規(guī)移動(dòng)至指定測(cè)量位置→觸發(fā)內(nèi)徑測(cè)量，分別測(cè)量出不同位置處的內(nèi)徑→電子內(nèi)徑卡規(guī)將測(cè)量結(jié)果傳輸至系統(tǒng)處理器→處理器對(duì)卡規(guī)傳輸結(jié)果進(jìn)行處理，得出內(nèi)徑尺寸并顯示在讀數(shù)顯示器上→內(nèi)徑卡規(guī)復(fù)位完成檢測(cè)動(dòng)作。此處，指定測(cè)量位置的確定，通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輔助定位桿實(shí)現(xiàn)，輔助定位桿移動(dòng)接觸腔體底部，系統(tǒng)讀取初始位置，卡規(guī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)依次向外移動(dòng)增加指定距離，實(shí)現(xiàn)定位。彈體中心的找正，通過(guò)輔助仿形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，仿形機(jī)構(gòu)參照現(xiàn)人工量具的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并輔助柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）底凹直徑檢測(cè)如圖3所示。

檢測(cè)時(shí)，使用電子塞規(guī)檢測(cè)，自動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電子塞規(guī)移動(dòng)至指定位置測(cè)量，塞規(guī)直接將測(cè)量結(jié)果傳輸至系統(tǒng)處理器，處理器對(duì)卡規(guī)傳輸結(jié)果進(jìn)行處理，得出內(nèi)徑尺寸并顯示在讀數(shù)顯示器上，電子塞規(guī)復(fù)位，完成檢測(cè)動(dòng)作。系統(tǒng)工作時(shí)，完成一次測(cè)量后，工位上的彈體夾持基座帶動(dòng)彈體旋轉(zhuǎn)90°，再次檢測(cè)相同位置處的內(nèi)徑尺寸，通過(guò)兩次抽樣檢測(cè)，保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

2.2? ? 外形尺寸檢測(cè)機(jī)

2.2.1? ? 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外形尺寸檢測(cè)機(jī)如圖4所示。

外形尺寸檢測(cè)機(jī)，用于彈體外形尺寸檢測(cè)，包括彈體指定位置處的外徑，定心部尺寸、位置度及同軸度，銅帶尺寸、位置度及同軸度，端口直徑。

外形尺寸檢測(cè)機(jī)由物料轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)及主檢測(cè)單元組成。

2.2.2? ? 檢測(cè)運(yùn)行原理

外形尺寸檢測(cè)示意圖如圖5所示。檢測(cè)時(shí)，相機(jī)單元移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)相機(jī)單元沿彈體軸向移動(dòng)，相機(jī)采集彈體口部至底部的截面輪廓圖像（光源與相機(jī)單元聯(lián)動(dòng)安裝，同步移動(dòng)）;采集完成后，旋轉(zhuǎn)基座帶動(dòng)彈體旋轉(zhuǎn)60°，相機(jī)采集彈體另一截面的輪廓圖像;旋轉(zhuǎn)基座帶動(dòng)彈體再次旋轉(zhuǎn)60°，相機(jī)采集另一截面的輪廓圖像;采集完成后，相機(jī)單元復(fù)位;處理器使用專(zhuān)用算法，處理采集到的輪廓圖像，得出彈體定心部的位置度、指定位置外徑。

主要檢測(cè)流程如下：放置產(chǎn)品→對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行軸向定位→通過(guò)壓緊氣缸對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行徑向定位→相機(jī)驅(qū)動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)相機(jī)單元對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拍照→產(chǎn)品繞自身軸線(xiàn)等間隔轉(zhuǎn)動(dòng)多截面采集產(chǎn)品輪廓→相機(jī)單元復(fù)位→處理器利用專(zhuān)用算法得出產(chǎn)品尺寸信息→不合格品剔除并噴碼→檢測(cè)完成。

檢測(cè)過(guò)程中，相機(jī)單元從3個(gè)截面采集彈體的輪廓圖像，提高了取樣的代表性，結(jié)合高精度的工業(yè)相機(jī)和專(zhuān)用算法，保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性。對(duì)于銅帶及定心部的檢測(cè)，采集定心部及銅帶位置的圖像時(shí)，相機(jī)連續(xù)觸發(fā)，連續(xù)多張采集圖像，保證圖像取樣的可靠性，算法處理時(shí)，基于連續(xù)圖像處理，得出銅環(huán)及定心部的尺寸信息，保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

在軸向及徑向定位過(guò)程中，通過(guò)帶驅(qū)動(dòng)單元的V型支撐組件和可浮動(dòng)式壓緊滾輪等特殊結(jié)構(gòu)來(lái)保證定位的準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)無(wú)需更換工裝，只需更換系統(tǒng)配置和更改固定基準(zhǔn)的安裝位置。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的中大口徑彈體尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置，改變了傳統(tǒng)檢測(cè)工藝，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)等先進(jìn)的測(cè)量手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)中大口徑彈體主要尺寸的自動(dòng)檢測(cè)，減少檢驗(yàn)工序的人員數(shù)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)在某型彈體上驗(yàn)證，該檢測(cè)設(shè)備能夠滿(mǎn)足彈體內(nèi)膛及外形尺寸自動(dòng)檢測(cè)要求，檢測(cè)結(jié)果可靠，可實(shí)現(xiàn)彈體尺寸檢測(cè)自動(dòng)化及信息自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)處理，對(duì)于全面促進(jìn)企業(yè)制造技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重大意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 章煒.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用[J].紅外，2006（2）：11-17.

收稿日期：2020-07-01

作者簡(jiǎn)介：王曉勤（1967—），女，山西芮城人，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械加工工藝技術(shù)及檢驗(yàn)技術(shù)。