多傳感器融合的軌道炮軌道直線度測(cè)量方法

劉志耀, 狄長(zhǎng)安, 朱新成

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

軌道炮軌道直線度變化直接影響軌道炮發(fā)射性能[1]，目前國內(nèi)大多采用量規(guī)法進(jìn)行檢測(cè)。量規(guī)法操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但測(cè)量精度低，且只能定性判斷直線度誤差，無法得到具體的數(shù)值[2]。半導(dǎo)體激光器和位置敏感探測(cè)器(position sensitive detector,PSD)的出現(xiàn)，為激光準(zhǔn)直直線度測(cè)量設(shè)備的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，其響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于非接觸式直線度測(cè)量[3]。傳統(tǒng)火炮身管直線度測(cè)量沒有考慮身管間距變化對(duì)直線度的影響。

本文提出一種多傳感器融合的軌道炮軌道直線度測(cè)量方法，可以準(zhǔn)確測(cè)量軌道任意長(zhǎng)度的直線度。

1 測(cè)量原理

軌道炮的軌道截面為下凸形的異形結(jié)構(gòu)，如圖1所示，截面的中心點(diǎn)為上下弧面連線與左右兩側(cè)中分線的交點(diǎn)。軌道炮軌道直線度為軌道實(shí)際軸線與理論軸線之間的距離，如圖2所示軌道實(shí)際軸線為軌道各截面中心點(diǎn)的連線，而理論軸線為軌道首、末截面中心點(diǎn)的連線[4,5]。

圖1 軌道炮軌道截面

圖2 軌道直線度示意

圖2中以軌道末端檢測(cè)面中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以軌道的理論軸線作為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系O-xyz，則軌道實(shí)際軸線上的點(diǎn)可以用x,y,z坐標(biāo)來表示。而在測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量所建立的直角坐標(biāo)系中z1軸為激光光束所在的直線，如圖3所示，測(cè)量系統(tǒng)得到的坐標(biāo)值為以激光光束為z1坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，故需要將此坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到以身管軸線為z軸的坐標(biāo)系中，同時(shí)融合軌道間距計(jì)算直線度。

圖3 激光光束與理論夾角示意

圖3中M點(diǎn)為激光光束在PSD上的能量中心點(diǎn)，M′為軌道口的幾何中心，Z′軸為激光光束所在的直線，OM為激光器出射點(diǎn)到軌道口PSD的直線距離，MM′為PSD激光能量中心距軌道中心的距離。由于軌道中不同截面在豎直方向上的間距不一樣，測(cè)量裝置的下表面與軌道的下表面貼合， PSD豎直方向輸出量只能反映軌道下軸線的偏移量，融合軌道上下間距，設(shè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)到的一組數(shù)據(jù)為(l,x,y,r)。其中,l為激光測(cè)距傳感器輸出，mm;x,y為PSD二維偏移量輸出，mm；r為電感傳感器測(cè)間距輸出，mm。可以得軌道中軸線點(diǎn)在豎直方向的偏移量為

x=(x+r/2)

(1)

測(cè)量時(shí)，首先將PSD放置在軌道兩端口，檢測(cè)到兩組坐標(biāo)和間距值(l0,x0,y0,r0)和(l,x,y,r)，便可通過計(jì)算得到激光光束與軌道理論軸線之間的夾角β。在三角形O1MM′中由于MM′?O1M，所以

(2)

(3)

軌道炮的發(fā)射軌道彎曲狀態(tài)都是由完好的狀態(tài)朝著向下偏左或是偏右的方向彎曲。將軌道彎曲的實(shí)際軸線看作是一條平滑的弧線，并假設(shè)該弧面在一個(gè)平面內(nèi)，在實(shí)際情況下該弧線可能不在同一個(gè)平面，但這并不影響直線度的值，可以將軌道不彎曲時(shí)所在的直線看作是軌道彎曲時(shí)平滑弧線的切線[6]，則任意截面處直線度計(jì)算示意如圖4所示。

圖4 直線度分析

設(shè)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值為(li,xi,yi,ri)，在任意截面處

(4)

(5)

(6)

由軌道直線度定義可知，在該截面處的直線度為

(7)

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過以上分析，測(cè)量系統(tǒng)主要測(cè)量對(duì)象：PSD所處軌道深度、PSD測(cè)點(diǎn)處軌道間距、PSD二維偏移數(shù)據(jù)。

如圖5所示，測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)調(diào)整放置在軌道一端的移動(dòng)測(cè)量平臺(tái)，使準(zhǔn)直激光光束和激光測(cè)距傳感器光束于身管軸線相對(duì)平行；將測(cè)量單元(包含內(nèi)膛測(cè)量適配部件、電感傳感器和PSD接收器)從軌道另一端放入內(nèi)膛；利用推桿推動(dòng)測(cè)量單元在軌道內(nèi)移動(dòng)；移動(dòng)過程中，激光測(cè)距傳感器可獲得測(cè)量單元的相對(duì)位移，電感傳感器可測(cè)量軌道長(zhǎng)度方向各位置的間距，準(zhǔn)直激光光束在PSD上投影的二維坐標(biāo)變化。最后利用數(shù)據(jù)儲(chǔ)存處理終端中的專用處理軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的評(píng)定。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)工作原理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)30 mm口徑軌道炮進(jìn)行軌道直線度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 水平方向直線度

圖7 豎直方向直線度

隨后進(jìn)行的5次直線度測(cè)量結(jié)果表明在x方向最大直線度的最大值與最小值之差為0.024 mm，在y方向最大直線度的最大值與最小值之差為0.019 mm。測(cè)量誤差的主要來源為電感傳感器測(cè)量誤差，PSD測(cè)量誤差，PSD傳感器安裝誤差。電感傳感器的測(cè)量精度為0.002 mm，PSD的測(cè)量精度優(yōu)于0.005 mm，PSD傳感器安裝誤差屬于系統(tǒng)誤差，可達(dá)到0.02 mm。試驗(yàn)證明測(cè)量系統(tǒng)的精度可控制在0.03 mm。

直線度誤差測(cè)量在獲得采樣數(shù)據(jù)后，必須按一定的方法評(píng)定直線度誤差。其中最通用的方法是兩端點(diǎn)連線法[7]，兩端點(diǎn)連線評(píng)定的最大直線度為

pmax=2dmax

(8)

式中dmax為測(cè)量點(diǎn)到兩端點(diǎn)連線lAB距離的最大值。軌道直線度誤差屬于在任意方向的直線度誤差，可以分解到任意兩個(gè)相互垂直的平面上。對(duì)30 mm軌道炮測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行兩端點(diǎn)連線法直線度誤差評(píng)定，得到

(9)

4 結(jié) 論

本文提出的多傳感器融合的軌道炮軌道直線度測(cè)量方法，修正了因軌道間距變化引起的直線度測(cè)量誤差。并以此研究設(shè)計(jì)的直線度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)30 mm軌道炮進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量精度為0.03 mm以內(nèi)。有良好的應(yīng)用和推廣意義。