CN208721005U - 一种狭长腔体的内膛轮廓扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种狭长腔体内膛轮廓扫描系统，包括设置在腔体外部的全局基准校对装置、设置在狭长腔体内部的测量装置以及轴向测距装置，所述测量装置部分包括前环形激光发生器(3)和后环形激光发生器(5)、中图像传感器(4)、前图像传感器(2)、后图像传感器(6)、尾部图像传感器(8)、前步进电机(12)、FPGA控制系统以及前车载平台(11)；所述轴向测距装置包括锥形光发生器(7)、后车载机构(10)、后步进电机(9)及步进电机控制系统；所述全局基准校对装置包括平行光发生器(1)和固定支架(13)；本实用新型提供的狭长腔体内膛的轮廓扫描系统，实现了实时在线快速测量，适用于不同口径大小的腔体内膛轮廓检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，属于光电测量技术领域。
背景技术
电磁轨道发射过程中，脉冲大电流高速滑动电接触过程产生的各种损伤都会在轨道内膛留下不同的物理特征和现象，对轨道内膛形态的测量测试和研究分析，是分析各种损伤物理机理、解决损伤问题、评估发射器使用寿命的重要手段。同时狭长腔体内膛轮廓的测量研究对于火炮身管寿命评估、各种管道损伤探测等也具有重要的参考意义。
对于内膛轮廓扫描，就表面形态扫描而言，大致可以分为机械接触测量和光学测量两类。
(1)机械接触式。目前已有的接触机械式表面轮廓扫描仪采用的是接触式的压力传感器，通过对内膛表面的直接接触测量从而得到内膛的轮廓形状。其装置基于机械接触的可伸缩的探针，沿着被测物体表面移动，进而通过探针伸缩的相对位移测量得到物体表面形态信息。该方法操作和测量需要基准面，现有的商用表面轮廓测量仪器通常对被测试测量的尺寸有要求，结构复杂，使用时的限制条件较多。
(2)光学测量方法。光学测量内膛轮廓早期多利用激光三角测量法以二维位置传感器和激光器作为基本元器件，测量适于微细管道及深孔的三维重建系统。例如在管道测量、传统火炮内膛测量等场合，该种系统主要由管道机器人、形貌检测器和曲率检测器等部分组成。形貌检测器可以采集管道内壁截面信息，并计算出界面换上的点在局部坐标系中的位置。曲率检测器负责管孔中心轴线在检测器采样位置处的局部几何性质，并完成管道中轴线的构建，进而可以实现管道内表面的三维重建。
对于内膛表面形态的扫描目前还有一种基于环形光切图像法的管内壁测量系统。测量系统主要由半导体激光器、环形光发生器以及摄像机组成。来自光环发生器的环形光带投射于被测管内壁上并成像于摄像机。根据光散射和反射的理论，测量系统参数被选择以优化系统。
中国专利公开说明书CN202329405U公开了一种火炮身管内膛检测系统，其结构包括安装于轴杆上的定心机构和内径测量机构，所述定心机构包括固定于轴杆上的固定板、端部与所述固定板铰接并环布于固定板的若干伞骨以及安装于所述轴杆上的用于将伞骨撑开的弹性支撑机构。该装置虽然采用了准直定心，但其通过轴杆定心，适用身管身管口径大，应用于内膛100mm到155mm的身管。同时该装置通过轴杆推进量确定测量位置。
中国专利公开说明书CN105424724A公开了一种基于主动式全景视觉的火炮膛疵病检测装置,利用沿火炮膛爬行的主动式全景视觉传感器,采集火炮膛全景图像和火炮膛激光切片扫描全景图像。该装置虽然实现了主动测量，但其未涉及提到装置的准直方案，故对于测量结果会有一定偏差。同时该装置未涉及轴向位移量的测量，以往通过程序控制步进电机控制装置步进的方法精确较差，无法获得装置在身管的准确位置信息。
发明内容
基于以上分析，本发明目的是解决腔体内膛轮廓精准、快速测量问题，使测量装置在每次轮廓检测过程中更准确、更方便获得偏移信息和轴向位移信息。
为达到上述目的，本发明提供了一种狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，包括设置在腔体外部的全局基准校对装置、设置在狭长腔体内部的测量装置以及轴向测距装置，所述系统包括设置在腔体外部的全局基准校对装置、设置在狭长腔体内部的测量装置以及轴向测距装置，所述测量装置部分包括前环形激光发生器(3)和后环形激光发生器(5)、中图像传感器(4)、前图像传感器(2)、后图像传感器(6)、尾部图像传感器(8)、前步进电机(12)、FPGA控制系统以及前车载平台(11)；所述轴向测距装置包括锥形光发生器(7)、后车载机构(10)、后步进电机(9)及步进电机控制系统；所述全局基准校对装置包括平行光发生器(1)和固定支架(13)；所述FPGA控制系统分别与各个图像传感器、测距装置中的前步进电机(12) 连接，并置于测量装置中的前车载平台(11)中；所述步进电机控制系统与轴向测距装置中的后步进电机(9)连接，并与锥形光发生器(7)置于轴向测距的后车载平台(10)中。
本发明所述测量装置为一体化结构，前环形激光发生器(3)与中图像传感器(4)之间通过顶部的一体结构连接，后环形激光发生器(5)与后图像传感器(6)之间通过底部的一体结构连接。
本发明腔体内膛轮廓测量方法适用于测量火炮身管，电磁发射器身管，狭长管道等不同口径大小的腔体内膛轮廓。
作为本发明内膛轮廓扫描系统的一种改进，通过升级各部分图像传感器的像素可以获得更高的测量精度，更换不同焦距的镜头可以测量不同口径的腔体。
作为本发明内膛轮廓扫描系统的另一种改进，用于内膛轮廓测量的前环形激光发生器(3) 和后环形激光发生器(5)可以与测量装置中间部分的中图像传感器(4)和后图像传感器(6) 位置替换。
本发明提供的狭长腔体内膛的轮廓扫描系统，相比非在线的轮廓诊断，具有测量快速、不破坏实验装置墙体结构，提高试验和研究分析效率的特点；相比在线的机械式轮廓扫描仪，具有测量自动化程度高、操作方便，能实时给出内膛2D和3D形态的特点；同时本系统进行了基准校对和轴向测距，提高了测量结果的精确度，有效的减小了测量结果误差有利于科研和实验。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的内膛轮廓检测装置示意图。
具体实施方式
使用标定板将平行光发生器固定在内膛口外，使其光束能穿透整个腔体，将测量装置与轴向测距装置装于腔体内膛，平行光束打在前图像传感器(2)上。装置启动后，完成整个轮廓检测装置的初始化。中图像传感器(4)和后图像传感器(6)抓取轮廓图形的同时，记录当时的前图像传感器(2)和尾部图像传感器(8)的图形，用于分析当时测量装置的姿态信息和轴向位移信息。每次截面测量完成后测量装置前进一定距离，轴向测距装置不移动。当测量装置与轴向测距装置距离一定时，测量装置不移动轴向测距装置前进一定距离。二者反复交替，距离保持在0～50mm，直至测完整个腔体内膛轮廓。
管道内表面的缺陷可由内表面反射环形激光发生器发出的激光来计算其缺陷深度信息，当环形激光束照射到被测表面时，表面高度的变化致使成像点位置发生移动，透镜将照射点成像到图像传感器上，在图像传感器的像平面上记录该点的位置。由于装置连接处遮挡，所以每一个图像传感器不能获得整圈的高精度截面轮廓。本发明中用于轮廓抓取的中图像传感器(4)和后图像传感器(6)分别抓取下半圈和上半圈的内膛轮廓，这样既保证了测量的精确度也保证了快速测量的要求。
本发明中测量装置在测量每一个内膛截面轮廓数据的同时，会获得由全局基准校对系统提供的测量装置位置偏移和角度偏移信息，轴向测距系统提供的轴向位移信息。其中内膛轮廓测量装置与轴向测距装置通过无线网络通信，待测量完成后最终获得内膛轮廓的三维图形。
本发明提供的狭长腔体内膛的轮廓扫描系统，利用双图像传感器抓取轮廓图像，实现了实时在线快速测量，且配套地提出了一种全局基准校对方法和一种轴向测距方法；轮廓抓取采用的是激光三角法测量，是一种非接触式测量方式；测量快速方便，可自动输出内膛轮廓结果及内膛二维，三维形貌特征；基于图像传感芯片成像，实现三角法测量的数据处理；采用商用的低成本数字图像传感芯片，成本低，便于系统升级扩展。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行改进或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：所述系统包括设置在腔体外部的全局基准校对装置、设置在狭长腔体内部的测量装置以及轴向测距装置，所述测量装置包括前环形激光发生器(3)和后环形激光发生器(5)、抓取轮廓的中图像传感器(4)和后图像传感器(6)、全局基准的前图像传感器(2)、轴向测距的后图像传感器(6)、前步进电机(12)、FPGA控制系统以及前车载平台(11)；所述轴向测距装置包括锥形光发生器(7)、后车载平台(10)、后步进电机(9)及步进电机控制系统；所述全局基准校对装置包括平行光发生器(1)和固定支架(13)；所述FPGA控制系统分别与各个图像传感器、测距装置中的前步进电机(12)连接，并置于测量装置中的前车载平台(11)中；所述步进电机控制系统与轴向测距装置中的后步进电机(9)连接，并与锥形光发生器(7)置于轴向测距的后车载平台(10)中。
2.根据权利要求1所述狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：实现狭长腔体内膛轮廓测量，准直校对和轴向测量，用于绘制内膛轮廓三维图形。
3.根据权利要求1所述狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：用于全局基准校对的平行光发生器(1)固定于腔体外部，且发出光束穿透腔体内部。
4.根据权利要求1所述狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：所述测量装置为一体化结构，前环形激光发生器(3)与中图像传感器(4)之间通过顶部的一体结构连接，后环形激光发生器(5)与后图像传感器(6)之间通过底部的一体结构连接。
5.根据权利要求1所述狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：内膛轮廓测量装置与轴向测距装置通过无线网络通信。
6.根据权利要求1所述狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：所述轮廓扫描系统共采用四块图像传感器，前图像传感器(2)用于全局基准校对，中图像传感器(4)和后图像传感器(6)用于内膛轮廓抓取，尾部图像传感器(8)用于轴向测距。
7.根据权利要求1所述狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：前环形激光发生器(3)与中图像传感器(4)实现对内膛轮廓下半圈的测量，后环形激光发生器(5)与后图像传感器(6)实现对内膛轮廓上半圈的测量，二者结合得到整个内膛轮廓测量结果。
8.根据权利要求1所述狭长腔体的内膛轮廓扫描系统，其特征在于：锥形光发生器(7)置于后车载平台(10)中，且后车载平台(10)始终与测量装置的前车载平台(11)保持0～50mm的距离。
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