一种火炮炮膛多参数测量装置及误差补偿方法

本发明属于火炮智能制造、测量装置，更具体地，涉及火炮炮膛测量装置及其误差补偿方法。

背景技术：

1、火炮炮膛是火炮最重要的组成部分。火炮炮膛的各项参数直接影响火炮的射程、精度和威力等方面的表现，如炮管内径、直线度、膛线质量等。炮膛测量是保证火炮质量的主要因素，首先在火炮加工之后对炮膛进行测量查看良品率，其次火炮在完成多次发射任务后，对火炮炮膛测量进行使用寿命的评估，最后未报废的火炮炮膛经过修复，然后检测其合格率保证重复使用，上述三个环节均离不开测量装置对火炮的精密测量，因此火炮炮膛亟待研发精确测量的装置。

2、目前火炮炮膛的测量主要包括以下两种：(1)接触式测量装置。包括内径千分表、长杆量规等，需要人工手动测量，在测量速度、精度方面存在较大局限性；另外，基于光电传感器的接触式测量装置应用广泛，专利cn202320613170.1利用位移传感器、倾角传感器和测量头相配合，测量头布置有可沿测量头径向运动的测头，测量头的一端与炮管的膛线抵接，另一端与顶柱一端构成楔面配合，使测头沿测量头径向运动时可推动顶柱沿测量头轴向运动。该专利可对火炮身管内任意位置处的内径进行精确测量，但是不能测量火炮炮膛的直线度，同时精度有待提高。(2)非接触式测量装置。非接触式测量装置采用和光电传感器相结合的方式，专利cn201910900020.7采用激光器模块发出激光束，通过调节机构进行调节，psd模块通过psd测量光斑位置，上位机对psd的电信号进行数据储存和直线度测量，并且辅助光线角度调节，使光束轴线与自身管轴线重合。该发明装置简单，体积小巧，适用性强，可适用于不同规格身管的测量，但测量参数过于单一，只能对火炮炮膛进行直线度测量。综上可知，现有对火炮炮膛的测量装置仍存在测量参数单一、测量效率有待提高和测量不精准的问题。

3、为克服以上问题，本发明公开的一种火炮炮膛多参数测量装置及其误差补偿方法，综合考虑和改善了上述方法的不足，创新性的采用激光干涉仪结合接触式测量的形式，利用激光干涉仪的光干涉原理和相位差原理，加以多组激光发射器和激光接收器相辅助，可以测量滑膛炮和线膛炮的多种参数，包括内径、直线度、缠度和缠距，最后采用ccd中心误差补偿方法，可以极大提高测量精度。

技术实现思路

1、本发明用于解决现有测量装置对测量参数不全面、测量精度待提高和火炮炮膛测量效率低等问题，提供了一种火炮炮膛多参数测量装置及其误差补偿方法，设计激光干涉仪结合接触式的测量方法，可测炮膛参数类型大幅增加，同时提升了测量效率和精度，最后本装置结合提出的误差补偿方法可进一步保证火炮炮膛的测量精度。

2、本发明针对现有火炮炮膛测量装置的问题，进行原理性创新，基本思想是：①为了避免测量参数的单一性，提高测量效率，设计多组光学部件并结合转动和丝杆运动，可以同时测量出火炮炮膛的半径、直线度等参数，达到一机多用的效果；②针对测量精度的问题，设计激光干涉仪结合接触式测量的方法，同时采用ccd进行误差校正，以多传感器融合的思路提高对火炮炮膛的测量精度；③考虑到线膛炮和滑膛炮的适用问题，设计旋转盘组件单元使精密测量单元可以进行螺旋轨迹运动，从而可以适用多种类型的火炮炮膛测量；④对于较长炮膛测量时身管轴线误差问题，采用多组激光发射器和激光接收器进行中心标定，可以实现长、短炮管的测量。

3、为实现上述目的和原理，本发明的技术方案如下：

4、一种火炮炮膛多参数测量装置由机架单元1、位移对中单元2、旋转盘组件单元3和精密测量单元4共四个部分组成；

5、所述机架单元1为其他单元的支撑载体，位移对中单元2放置旋转盘组件单元3，旋转盘组件单元3装有精密测量单元4，精密测量单元4在火炮炮膛1.3内部工作，测量火炮炮膛1.3的半径、直线度、缠距和缠度等参数；

6、所述机架单元1包括l型机架1.1、v型架1.2、火炮炮膛1.3、t型槽1.4、电机槽1.5；

7、所述l型机架1.1放置在水平平台上，具有整机支撑主体的作用，t型槽1.4放置移动台2.3，电机槽1.5放置移动电机2.1；v型架1.2通过螺栓连接安装在l型机架1.1上，火炮炮膛1.3安装在v型架1.2上，所述v型架1.2的顶端开口角度设置为90度，用于约束不同口径的火炮炮膛1.3的4个自由度，分别为沿y轴方向移动自由度、沿z轴方向移动自由度、绕y轴转动自由度和绕z轴转动自由度，从而实现火炮炮膛1.3与l型机架1.1y轴方向的对中；

8、所述位移对中单元2包括移动电机2.1、齿轮2.2、移动台2.3、齿条2.4、升降电机2.5、丝杆2.6、t型升降台2.7、旋转电机2.8、移动台盖2.9；

9、所述移动电机2.1通过螺钉连接安装在电机槽1.5中，电机2.1输出端通过键连接与齿轮2.2相连，齿轮2.2与齿条2.4相啮合，齿条2.4焊接在移动台2.3底部侧边，移动台2.3底部安置在机架单元1中t型槽1.4内，由移动电机2.1带动齿轮2.2旋转，通过齿轮2.2与齿条2.4啮合，进而带动移动台2.3整体沿y轴方向运动；

10、所述升降电机2.5通过螺钉连接安装在移动台2.3内部凹槽中，且升降电机2.5输出端通过联轴器与丝杆2.6固定连接，丝杆2.6与t型升降台2.7内部的传动螺纹孔构成螺纹副，由升降电机2.5驱动丝杆2.6旋转，从而实现t型升降台2.7沿z轴方向运动；

11、所述t型升降台2.7具有y轴方向和z轴方向两个移动自由度，可以在yoz平面任意移动，其y轴方向自由度为移动电机2.1提供输出，z轴方向自由度为升降电机2.5提供输出；

12、进一步的，旋转电机2.8通过螺钉安装在t型升降台2.7内部，旋转电机2.8输出端通过螺栓与旋转盘4.1固定安装，为旋转盘组件单元3提供旋转驱动力；

13、所述旋转盘组件单元3包括旋转盘3.1、环形光栅3.2、转盘电机3.3、固定轴承3.4、长丝杆3.5、光滑长杆3.6、激光发射器3.7、激光接收器3.8；

14、所述旋转盘3.1包括旋转盘3.11和旋转盘3.12，分别安装在左右侧旋转电机2.8上，两个环形光栅3.2安装在旋转盘3.1的背部，环形光栅3.2用于精确测量旋转盘3.1工作时的旋转角度，该角度是计算火炮炮膛1.3缠度和缠距的关键参数；四个固定轴承3.4通过螺钉连接环形等距安装在旋转盘3.11上，两个固定轴承3.4通过螺钉连接呈对称分布安装在旋转盘3.12上，固定轴承3.4为精密测量单元4提供支撑，减小转动摩擦；

15、所述两个转盘电机3.3通过螺钉连接呈对称安装在旋转盘3.12上，转盘电机3.3输出端通过联轴器与长丝杆3.5一端相连，长丝杆3.5另一端安装在旋转盘3.12的固定轴承3.4上，并且长丝杆3.5呈中心对称分布；光滑长杆3.6两端分别安装在左右侧旋转盘3.1的固定轴承3.4上，并且呈中心对称分布；

16、进一步的，长丝杆3.5和光滑长杆3.6在安装时贯穿精密测量单元4中的d型壳4.1，长丝杆3.5与d型壳4.1内部螺纹孔4.8组成螺纹副，精密测量单元4在转盘电机3.3旋转驱动下，实现在火炮炮膛1.3内部沿x轴方向运动，光滑长杆3.6保证精密测量单元4在测量工作过程中的稳定性，避免造成测量误差；

17、所述四个激光发射器3.7通过螺钉环形等距安装在旋转盘3.12上，四个激光接收器3.8通过螺钉环形等距安装在旋转盘3.11上；通过调整左右侧移动台2.3在yoz平面内位置，使激光发射器3.7发射的激光均被激光接收器3.8接收，实现位移对中单元2左右两侧中心与火炮炮膛1.3中心对中，满足本装置对于长、短炮膛的精确测量需求；

18、所述旋转盘组件单元3为精密测量单元4提供沿x轴方向的移动自由度和绕自身轴线的转动自由度；其沿x移动自由度为转盘电机3.3提供输出，转动自由度为旋转电机2.8提供输出；

19、所述精密测量单元4在火炮炮膛1.3内进行沿x轴方向平移运动的同时可以绕自身轴线旋转，以实现螺旋轨迹运动，保证精密测量单元4对火炮炮膛1.3内部的全方位测量；

20、所述精密测量单元4包括d型壳4.1、空心架4.2、激光干涉仪4.3、分光棱镜4.4、ccd4.5、空心架延伸管4.6、测针组件4.7、螺纹孔4.8、限程孔4.9；

21、所述精密测量单元4安置在火炮炮膛1.3内部，d型壳4.1为胶合连接形成的完整封闭圆筒，其内部可以放置多种光学部件，d型壳4.1上设计有螺纹孔4.8，螺纹孔4.8与长丝杆3.5组成螺纹副，使精密测量单元4可沿x方向自由移动；

22、所述空心架4.2通过螺钉连接安装在d型壳4.1内部，与xoy面平行，用于放置测量所需的激光干涉仪4.3和四个分光棱镜4.4，空心架4.2上焊接有空心架延伸管4.6，两组相同测针组件4.7沿着z轴方向安装在空心架延伸管4.6上，空心架延伸管4.6设计有限程孔4.9，用来限制测针组件4.7的上下位移距离，并防止其脱落；

23、进一步的，激光干涉仪4.3通过螺钉沿x轴方向安装在空心架4.2内部，利用激光干涉仪4.3可以实现精密测量单元4的纳米级测量，使本装置具有较高的测量精度；

24、进一步的，四个分光棱镜4.4与激光干涉仪4.3同轴安装，并沿x轴方向等距分布空心架4.2内部；

25、所述ccd4.51和ccd4.52通过螺钉沿z轴方向安装在d型壳4.1内壁，其分别与从x轴正方向安装的分光棱镜4.41和分光棱镜4.43相对应；根据偏振分光原理，激光干涉仪4.3发射的光线依次穿透四个分光棱镜4.4的几何中心，ccd4.51和ccd4.52分别接收到由分光棱镜4.41和分光棱镜4.43的折射光线，通过相机平面内光斑中心与平面中心的位置距离对比，对火炮炮膛1.3半径和直线度的测量结果进行补偿并校正；

26、所述测针组件4.7包括弹簧架4.71、弹簧4.72、反光镜4.73、红宝石测针4.74；

27、所述四个相同弹簧4.72安装在弹簧架4.71的四个支脚内，通过测针组件4.7的伸缩量可以根据火炮炮膛1.3直径的大小自动调整，从而保证精密测量单元4对不同口径的火炮炮膛1.3的测量通用性；

28、所述红宝石测针4.74沿着z轴方向安装在弹簧架4.71上且顶端暴露在d型壳4.1外部，红宝石测针4.74与火炮炮膛1.3内部相接触，使精密测量单元4可以进行接触式测量；

29、所述反光镜4.73安装在弹簧架4.71底部中心，通过反光镜4.73的反光原理和分光棱镜4.4的偏振分光原理，激光干涉仪4.3发射的光线在精密测量单元4中形成闭环，精密测量单元4开始具备测量功能，可以根据旋转盘组件单元3的转动和丝杆运动，并且利用多传感器融合，进而测量出火炮炮膛1.3的半径、直线度、缠度和缠距等参数，实现一机多用的功能；

30、进一步的，本发明基于上述的一种火炮炮膛多参数测量装置，提出了一种对应的误差补偿方法，具体过程如下：

31、理论情况下，即无误差时，ccd4.51接收到的激光光斑应位于ccd4.51相机平面内的中心，若存在偏离，即存在位置误差，该位置误差实质为分光棱镜4.4的安装误差，即激光干涉仪4.3的中心与分光棱镜4.4的中心不在同一条直线上，位置误差在z轴方向的误差为有效误差，在y轴方向的误差为无效误差。

32、若不存在位置误差时，火炮炮膛1.3的半径计算公式为：

33、r＝l2+l3                                 (1)

34、式中，r的物理意义为火炮炮膛1.3的实际半径；l2的物理意义为第一组分光棱镜4.4中心到反光镜4.73的距离；l3的物理意义为红宝石测针4.74的长度，为固定值；

35、若存在位置误差，则需进行校正，步骤如下：

36、步骤一：火炮炮膛1.3的半径计算公式变更为：

37、r＝l2+l3+fl4                                      (2)

38、式中，l4≥0，其物理意义为反射点1与ccd3.51中心的偏距；f＝±1，其物理意义为l4的距离方向；

39、步骤二：判断l4距离方向；

40、此时俯视ccd4.51，若激光反射到ccd4.51的点(反射点1)在ccd4.51中心左边时，激光干涉仪4.3的中心在分光棱镜4.4的中心偏下，此时l2比实际值偏大，故f＝-1；

41、故火炮炮膛1.3的半径计算公式为：

42、r＝l2+l3-l4                                 (3)

43、若反射点在ccd4.51中心右边时，激光干涉仪4.3的中心在分光棱镜4.4的中心偏上，此时l2比实际值偏小，故f＝1；

44、火炮炮膛1.3的半径计算公式为：

45、r＝l2+l3+l4                              (4)

46、步骤三：通过判断公式(5)是否成立，检测本发明装置的测量精确性；

47、l标＝r+fl4                                             (5)

48、式中l标的物理意义为火炮炮膛1.3的设计半径。

49、本发明基于上述的一种火炮炮膛多参数测量装置，提供了对火炮炮膛直线度、缠距和缠度的计算方法，具体过程如下：

50、(1)火炮炮膛1.3直线度l-计算

51、通过动态计算公式(6)，计算火炮炮膛1.3的直线度；

52、l-＝(l2-l6)/l5                               (6)

53、式中l5的物理意义为两组反光镜4.73的距离；l6的物理意义为第二组分光棱镜4.4中心到反光镜4.73的距离；

54、(2)火炮炮膛1.3缠距l缠距计算

55、通过公式(7)，计算火炮炮膛1.3缠距l缠距；

56、l缠距＝2rπ/tanα                                (7)

57、式中l缠距的物理意义为火炮炮膛1.3的缠距，也称作火炮炮膛1.3的膛线导程；α的物理意义为火炮炮膛1.3的缠角，其中α通过环形光栅3.2测量得出；

58、(3)火炮炮膛1.3缠度η计算

59、通过公式(8)，计算火炮炮膛1.3的缠度；

60、η＝l缠距/2r                     (8)

61、式中η的物理意义为火炮炮膛1.3的缠度；

62、本发明的有益效果是：

63、1.本发明中采用多组光学器件组合使用，通过多组电机相配合，从而可以使精密测量单元对火炮炮膛的半径、直线度、缠距和缠角进行测量。

64、2.本发明中精密测量单元中采用激光干涉仪结合接触式测量，可以极大提高测量装置对火炮炮膛的测量精度。

65、3.本发明采用ccd作为测量误差校正的光学器件，有效减小由位置误差引起的测量误差。

66、4.本发明中设计位移对中单元和采用四组激光发射器与激光接收器的转盘组件单元，可以在测量前使测量装置和火炮炮膛中心坐标对中，减小炮膛轴线误差，适用于长、短火炮炮膛。

67、5.本发明中精密测量单元设计测针组件，既保证了红宝石探针自身在测量运动中的稳定性，同时可以根据不同内径的火炮炮膛进行调整，对不同口径的火炮炮膛测量具有通用性。