CN114719777B - 一种射流侵彻内孔形貌测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种射流侵彻内孔形貌测量方法，通过测量射流侵彻靶板内部形貌求得侵彻深度和内容积，具体步骤如下：第一步，搭建内孔形貌测量装置；第二步，将射流侵彻靶板放置于水平工作台并调节好位置；第三步，内窥镜向下伸入射流侵彻靶板的内孔完成形貌测量；第四步，求取射流侵彻靶板的侵彻深度和内容积。
Description
技术领域
本发明涉及射流侵彻试验测试领域，用于测量射流侵彻内孔形貌，具体涉及一种射流侵彻内孔形貌测量方法。
背景技术
目前国内外对聚能射流的理论计算和计算机仿真进行了大量的研究，但是射流侵彻靶板后形成的内孔形貌并未进行过多研究，通常在聚能射流侵彻靶板的试验中，射流侵彻所形成的射孔尺寸均是切开靶板后测得的。对于无法直接进行切割靶板、不方便进行切割靶板的实验，就需要一种伸入射流孔内部进行内孔形貌的测量方法，得到真实实验数据对研究聚能装药战斗部的威力设计和评估尤为重要，则需要一种射流侵彻内孔形貌测量方法。
中国专利CN201910587295.X中公开了《一种孔检测方法》，其利用光发射装置与光接收装置，根据光斑信息求孔直线度或孔垂直度等，从而实现孔的检测。但是整个检测方法无法对内孔直径较小的射流孔进行检测，同时射流孔内部形貌较为复杂，检测方法无法伸入射流孔内部检测。陈昊在《聚能金属射流形成及侵彻过程中的动态变形研究》研究了射流侵彻形成机理，侵彻形成的内孔深度以及孔径信息，研究射流侵彻靶板后的微观结构，对整个射流过程有一定的了解，但是孔内形貌需要切割靶板得到，无法直接观测内孔形貌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射流侵彻内孔形貌测量方法，采用深入式测量射流内孔形貌方式，用于射流侵彻靶板不进行切割情况下的射流内孔形貌测量。
实现本发明的技术解决方案为：一种射流侵彻内孔形貌测量方法，步骤如下：
步骤1、搭建内孔形貌测量装置：
所述内孔形貌测量装置包括水平工作台、驱动机构、内窥镜、夹持件、支撑机构。支撑机构用于支撑固定驱动机构，支撑机构底部固定在水平工作台上，内窥镜通过夹持件与驱动机构连接，驱动机构带动内窥镜沿竖直方向运动，实现对射流侵彻靶板的内孔测量。
步骤2、将射流侵彻靶板放置在水平工作台上，调节射流侵彻靶板的位置，使得内窥镜的镜头对准射流侵彻靶板的内孔。
步骤3、内窥镜在驱动机构带动下向下运动，到达射流侵彻靶板的内孔顶部时，该阶段为匀速向下伸入阶段Ⅰ。内窥镜继续向下伸入射流侵彻靶板的内孔，内窥镜随着移动自动对焦，采集射流侵彻靶板的内孔形貌信息，该阶段为匀速测量阶段Ⅱ。内窥镜向上移动，退出内孔，该阶段为匀速向上退出阶段Ⅲ。
步骤4、根据采集到的射流侵彻靶板的内孔形貌信息，求取射流侵彻靶板的侵彻深度和内容积。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明能够得到射流孔内部形貌特征，可以计算侵彻深度以及内容积。
(2)本发明采用内窥镜伸入、电机、丝杠直线导轨滑台结构实现内窥镜伸入射流孔内并能够成功退出射流孔，以实现对射流孔形貌的测量。
(3)本发明采用丝杠滑台和电机正反转来控制内窥镜镜头上下移动过程，可以很好地对射流孔形貌进行信息采集。
(4)射流检测系统是应用在射流孔检测领域，可以保证研究试验人员在不切割钢板的情况下观察射流孔内部形貌，使用本发明进行射流侵彻的试验数据采集，有利于研究聚能装药战斗部的威力设计和评估。
附图说明
图1为本发明射流侵彻内孔形貌测量方法的流程图。
图2为本发明的内孔形貌测量装置结构图，其中图(a)处于匀速向下伸入阶段Ⅰ，图(b)处于匀速测量阶段Ⅱ。
图3为本发明中丝杠直线导轨滑台结构图。
图4为本发明的速度曲线图，其中，图(a)为先向下再向上的进给速度曲线图，图(b)为先向下再向上的位置变化曲线图。
图中：1-射流侵彻靶板，2-内窥镜，3-夹持件，4-丝杠直线导轨滑台，5-驱动电机，6-电机固定架，7-双通铜柱，8-弹性联轴器，9-丝杠直线导轨滑台固定架，10-双头螺纹柱，11-水平工作台，401-丝杠，402-钢轴，403-滑台，404-法兰直线轴承，405-丝杠杆轴承座。
速度曲线图中：V-速度，L-位移，T-时间，Ⅰ-匀速向下伸入阶段，Ⅱ-匀速测量阶段，Ⅲ-匀速向上退出阶段，v1-匀速向下伸入速度，v2-匀速测量速度，v3-匀速向上退出速度，L1-向下伸入位移，L2-测量位移，L3-向上退出位移，t1-伸入时刻，t2-测量时刻，t3-退出时刻。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
结合图1～图3，一种射流侵彻内孔形貌测量方法，步骤如下：
步骤1、搭建内孔形貌测量装置：
所述内孔形貌测量装置包括水平工作台11、驱动机构、内窥镜2、夹持件3、支撑机构；支撑机构用于支撑固定驱动机构，支撑机构底部固定在水平工作台11上，内窥镜2通过夹持件3与驱动机构连接，驱动机构带动内窥镜2沿竖直方向运动，实现对射流侵彻靶板1的内孔探测。
所述驱动机构包括丝杠直线导轨滑台4和驱动电机5，驱动电机5位于丝杠直线导轨滑台4的顶面，丝杠直线导轨滑台4的底面垂直固定于水平工作台11上，丝杠直线导轨滑台4和驱动电机5通过支撑机构在垂直方向上连接，夹持件3一端与丝杠直线导轨滑台4的滑台403固连，另一端用于固连内窥镜2；控制驱动电机5的正反转，进而实现控制丝杠向下或向上进给，实现滑台403向下或向上运动。丝杠直线导轨滑台4由丝杠401、滑台403和钢轴402组成，中间的滑台403通过两个法兰直线轴承404和两个钢轴402与丝杠401安装，可以在竖直方向上下进给运动。两个竖直安装的钢轴402能够保证滑台403在上下进给运动的时候，限制其径向转动，保证射流内孔检测的稳定性。
支撑机构包括电机固定架6和丝杠直线导轨滑台固定架9，电机固定架6设置于丝杠直线导轨滑台固定架9顶面，电机固定架6用于固定驱动电机5，丝杠直线导轨滑台固定架9用于为丝杠直线导轨滑台4提供支撑。电机固定架6通过四个双通铜柱7固定安装在丝杠直线导轨滑台固定架9上，电机5安装在电机固定架6上通过螺栓连接。丝杠直线导轨滑台固定架9通过四个双头螺纹柱10支撑连接在水平工作台11上。所述电机固定架6与丝杠直线导轨滑台固定架9二者间距正好可以放置弹性联轴器8。电机5通电后通过弹性联轴器8与丝杠401连接，实现丝杠401运转进而带动滑台403上下运动。
步骤2、将射流侵彻靶板1设置在水平工作台11上，调节射流侵彻靶板1的位置，使得内窥镜2的镜头对准射流侵彻靶板1的内孔。水平工作台11为6mm钢板，用于安装双头螺纹柱10和进行上下运动的丝杠401的丝杠杆轴承座405，固定双头螺纹柱10的一端与上面丝杠直线导轨滑台固定架9连接。
步骤3、内窥镜2在驱动机构带动下向下运动，到达射流侵彻靶板1的内孔顶部时，该阶段为匀速向下伸入阶段Ⅰ；内窥镜2继续向下伸入射流侵彻靶板1的内孔，内窥镜2随着移动自动对焦，采集射流侵彻靶板1的内孔形貌信息，该阶段为匀速测量阶段Ⅱ；内窥镜2向上移动，退出内孔，该阶段为匀速向上退出阶段Ⅲ(如图4所示)。内窥镜2在高度L1位置随滑台向下运动，电机启动后，滑台在丝杠的进给下做匀速直线运动，在滑台速度达到v1到达指定位置的时候，内窥镜自动对焦开始准备进入射流孔内部进行内部形貌测量。滑台进入匀速阶段Ⅱ开始匀速进入射流孔内部进行测量，这时滑台的速度为v2。射流孔内部需要观测的内孔深度一般在14～20cm之间，所以这部分观测需要匀速保持内窥镜稳定进行观测。形貌测量结束后保存内窥镜得到的数据。按下开关电机反转带动丝杠使滑台匀速退出射流孔内部完成形貌测量，这时滑台的速度为v3。
步骤4、根据采集到的射流侵彻靶板1的内孔形貌信息，求取射流侵彻靶板1的侵彻深度和内容积。根据内窥镜得到的视频序列，通过特征点提取算法得到射流侵彻靶板1的内孔形貌信息的点云数据点，得到的点云数据由欧氏距离计算得出射流侵彻靶板1的侵彻深度；再通过最小二乘原理拟合的目标函数和微元法得到射流侵彻靶板1的内容积。
关于本发明重要零件参数的选择，包括丝杠401行程、内窥镜2镜头尺寸、滑台403尺寸，丝杠401行程须满足一定要求才能保证滑台403上的内窥镜伸入射流孔观测时保证镜头完好聚焦，得到清晰的图像。内窥镜2镜头尺寸一般要小于10mm，保证内窥镜镜头能够顺利进入射流孔内部完整的观测到射流孔内部。
关于本发明得到的数据处理后得到射流侵彻靶板(1)的侵彻深度和内容积应满足以下公式：
χ2+y2+Ax+By+C＝0 (2)
Vk＝πR2Δd (7)
式(1)为射流内孔侵彻深度，式(2)为内孔底面圆的一般参数方程，式(3)为根据最小二乘原理拟合的目标函数，式(4)是函数F最小时对应方程，式(5)方程的矩阵展开形式，式(6)射流内孔底面圆的半径，式(7)第k个微元体体积，式(8)射流孔内容积。
其中，d为射流内孔侵彻深度，(xi,yi)为数据点坐标，A，B，C为圆的一般参数方程中的参数，F为最小二乘原理拟合的目标函数，N为数据点总数，R为射流内孔的底面半径，Vk为第k个微元体体积，Δd为第k个微元体高，VT为射流孔内容积，M为微元体总数。
本发明所述的射流侵彻内孔形貌测量方法，采用水平工作台、驱动机构、内窥镜、夹持件、支撑机构伸入射流孔内部进行射流侵彻内孔形貌测量。本发明采用伺服电机驱动丝杠带动夹持件上的内窥镜进入射流孔内部进行形貌测量，可以很好地观测到射流孔内部具体形貌。本发明测量方案中不需要切割射流侵彻靶板，可以保证研究试验的便捷性和满足一些特定场合下不方便切割射流侵彻靶板情况。本发明涉及射流侵彻内孔形貌测量试验领域，使用本发明进行射流侵彻试验测试数据采集，有利于研究聚能装药战斗部的威力设计和评估。
Claims (3)
1.一种射流侵彻内孔形貌测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、搭建内孔形貌测量装置：
所述内孔形貌测量装置包括水平工作台(11)、驱动机构、内窥镜(2)、夹持件(3)、支撑机构；支撑机构用于支撑固定驱动机构，支撑机构底部固定在水平工作台(11)上，内窥镜(2)通过夹持件(3)与驱动机构连接，驱动机构带动内窥镜(2)沿竖直方向运动，实现对射流侵彻靶板(1)的内孔测量；
步骤2、将射流侵彻靶板(1)放置在水平工作台(11)上，调节射流侵彻靶板(1)的位置，使得内窥镜(2)的镜头对准射流侵彻靶板(1)的内孔；
步骤3、内窥镜(2)在驱动机构带动下向下运动，到达射流侵彻靶板(1)的内孔顶部时，该阶段为匀速向下伸入阶段Ⅰ；内窥镜(2)继续向下伸入射流侵彻靶板(1)的内孔，内窥镜(2)随着移动自动对焦，采集射流侵彻靶板(1)的内孔形貌信息，该阶段为匀速测量阶段Ⅱ；内窥镜(2)向上移动，退出内孔，该阶段为匀速向上退出阶段Ⅲ；
步骤4、根据采集到的射流侵彻靶板(1)的内孔形貌信息，求取射流侵彻靶板(1)的侵彻深度和内容积；
采集到的射流侵彻靶板(1)的内孔形貌信息由点云构成，求取射流侵彻靶板(1)的侵彻深度和内容积应满足以下公式：
χ2+y2+Ax+By+C＝0 (2)
Vk＝πR2Δd (7)
其中，d为射流内孔侵彻深度，(xi,yi)为数据点坐标，A，B，C为圆的一般参数方程中的参数，F为最小二乘原理拟合的目标函数，N为数据点总数，R为射流内孔的底面半径，Vk为第k个微元体体积，Δd为第k个微元体高，VT为射流孔内容积，M为微元体总数。
2.根据权利要求1所述的射流侵彻内孔形貌测量方法，其特征在于：驱动机构包括丝杠直线导轨滑台(4)和驱动电机(5)，驱动电机(5)位于丝杠直线导轨滑台(4)的顶面，丝杠直线导轨滑台(4)的底面垂直固定于水平工作台(11)上，丝杠直线导轨滑台(4)和驱动电机(5)通过支撑机构在垂直方向上连接，夹持件(3)一端与丝杠直线导轨滑台(4)的滑台固连，另一端用于固连内窥镜(2)；控制驱动电机(5)的正反转，进而实现控制丝杠向下或向上进给，实现滑台向下或向上运动。
3.根据权利要求1所述的射流侵彻内孔形貌测量方法，其特征在于：支撑机构包括电机固定架和丝杠直线导轨滑台固定架，电机固定架设置于丝杠直线导轨滑台固定架顶面，电机固定架用于固定驱动电机(5)，丝杠直线导轨滑台固定架用于为丝杠直线导轨滑台(4)提供支撑。
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| CN114719777A (zh) | 2022-07-08 |
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