高速動態稱重技術在小口徑槍彈自動生產中的應用

孔 淼，彭 旭，晏 希

(中國兵器工業第五八研究所彈藥中心，四川綿陽 621000)

槍彈的質量控制是槍彈裝配生產中一個需要嚴格控制的環節。槍彈的裝藥精度、槍彈彈頭彈殼加工質量、槍彈裝配現場的潔凈度等環節都會影響槍彈的最終質量。槍彈生產的質量失控，可能會造成炸膛、啞彈、彈道性能偏差等嚴重影響。因此必須對裝配后的槍彈進行嚴格的重量檢測。

目前國內槍彈稱重檢測采用8 杠桿機械天平結構生產模式，配重砝碼必須隨著每批次產品進行人工手動調節，且穩定時間長，生產最高效率只能達到80 發/min。該設備使用過程中存在效率低下，調節時間長，設備自動化程度低，無法統計和分析產品信息、設備維護性能差，誤判率高等缺點。不能滿足日益增長的槍彈大批量生產和產品信息化需求。

為了大幅度提高槍彈的生產效率，必須將槍彈高速物流與動態稱重技術相結合，在線對槍彈質量進行跟蹤、記錄和分選。本項目利用電磁力平衡的原理和動態補償技術，實現了槍彈生產中快速標定、高速高精度在線稱量、自動分選、在線產品數據記錄能功能，大幅度提高了槍彈實際生產能力和自動化水平。

1 電磁力平衡式稱量原理

在電子式稱量設備中，多采用應變片式或電磁感應式測量重力。應變片式稱重傳感器易受安裝精度、溫度、環境影響［1-3］，同時信號輸出小受電磁干擾影響大，動態穩定時間較長，在一定的環境下，如靜態稱量時比較適用，但對于速度達到200 發/min 的高速在線稱量，難以將稱量精度控制在±0.1 g 以內。

因此考慮采用電磁力平衡式傳感器技術，其原理是當稱體受到外力作用時，稱體向下偏移零點發生變化，為了補償向下偏移量線圈切割磁力線形成反作用力將稱體向上抬起。最終保持稱的零點，傳感器輸出補償反作用力所產生的電流，儀表顯示重量值，工作原理如圖1 所示。

圖1 電磁力平衡式傳感器工作原理

根據力的平衡原理:F=mg，F 為線圈切割磁力線形成的反作用力，為了保持力的平衡，F 值與物體重力一致。

根據安培定律，F 與線圈長度l，磁感應強度B 和線圈電流I 有關

由此推算出物體質量關系為

其中磁感應強度保持一致，I 的大小由電流計測得，由此可以換算出稱體物體質量。

電磁力平衡式傳感器采用“主動”測量方式，稱量主體不變形，不易損壞，動態響應快，測量精度高。且在電磁力平衡式傳感中采用溫度采樣和溫度補償記錄庫存技術，使傳感器工作過程不受溫度變化的影響，大大保證長時間生產的穩定性和精度。

2 關鍵技術

2.1 稱重系統物流的傳輸速率、同步、平穩性和安全技術

為了保證稱量精度的穩定性，結構上物流系統采用3 段分離式物流傳輸設計，分為輸入段、動態稱量段、輸出端3段。分離式動態稱重段通過減震設計避免了輸入物流和輸出物流對稱量的震動干擾。輸入端與稱量段之間采用筆形輥筒結構作為過渡銜接，實現了微間隙調節，很好地減少了高速物流對稱重單元的沖擊。輸入段和輸出段采用3 自由度設計，稱量段由于相對必須保證稱量物流的穩定性，只具有高度調節和水平調節功能，整個系統的結構設計便于根據不同的產品運動特征方便人為校調。

為了完成精確的稱量段定位和剔廢段定位，采用全閉環全數字直流伺服驅動技術，精確控制3 個獨立式傳輸機構的傳輸速度，并由CAN 總線將3 部分的速度信息反饋回中央控制器，由中央控制器對3 個部分的速度進行同步調節，實現各分離機構的平穩過渡和產品在檢測段，剔廢段的精確定位。

2.2 動態稱量數據跟蹤和軟件濾波算法

動態稱量過程中，進稱量段和出稱量段的測量值是一個震蕩上升和一個震蕩下降的過程，穩定稱量段是一個波動在濾波通道內變化的一組檢測值，工作原理如圖2 所示。評估點可以取穩定測量段采樣值的算術平均，并且使評估點的位置落于平穩采樣段的接近中點，可以大大提高檢測精度。

圖2 動態稱量工作原理

要保證動態測量的精度，必須保證使評估點落在稱量平穩段上，因此對需要對稱量起始段和稱量終止段的采樣數據進行邊緣點分析，找出合理的拐點位置，由此判斷出進稱量段數據，出稱量段數據和稱量段數據，同時對稱量段數據進行處理，得出合理的動態稱量值。

先采用數字濾波對采樣曲線平滑，保證采樣數據的有效性，然后采用逐級縮小限幅濾波算法［4-8］，通過對進出段數據的穩定性進行分析，最后將數據跟蹤目標鎖定在滿足精度變化的一組小的超調量變化的數據范圍內，即穩定稱量段數據。由此可以求出合理的動態稱量值。限幅濾波的方程為

在進出稱量段，由于前值后值的變化差值較大，接近穩定稱量段，A 的幅值逐漸縮小，最后達到一個相對變化較小的區域值。在A 相對穩定時，此時開始記錄正常稱量數據。

根據經驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值A(設為A)，每次檢測到新值時應進行判斷:如果本次值與上次值之差≤A，則本次值有效; 否則，本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。

2.3 稱重系統可靠性技術

為了保證稱量的可靠性，自動檢重稱的物流系統必須滿足以下幾個條件:最小間距、皮帶傳輸速度與測量時間的匹配關系，自動稱量工作示意圖如圖3 所示。

圖3 產品自動稱量示意圖

1)產品最小間距計算

產品間距必須保證: 產品邊緣A 即將出稱量段，下一個產品邊緣B 即將進入稱量段。

由稱量示意圖知，為了保證稱量的可靠性，2 發彈體之間的最小間距必須滿足

式中:AA為稱重段軸間距離(mm);r 為輥軸半徑(mm)。

2)需要的皮帶傳輸速度VB

式中:AA為稱量段軸間距離(mm);r 為輥軸半徑(mm);n 為通過量(個/min)。

3)自動檢重稱(Measuring time)的測量時間tM(ms):

式中:AA為稱量段軸間距離(mm);LP為產品長度(mm); VB為皮帶速度(m/min)。

3 應用效果

該動態稱重技術現已成功應用于某槍彈自動裝配線，槍彈稱重和分選效率達到240 發/min，在該速度下動態稱重精度達到±0.1 g，且具有速度調節，產品重量快速標定、生產參數查詢等功能。極大地提高了槍彈生產的效率，降低了使用維護難度、具有較高的可靠性和先進性。

4 結束語

高速動態稱重技術要達到穩定的稱量效果，必須滿足以下條件:

1)采用動態響應快，高靈敏高精度的測量方式;

2)保證傳輸工件輸送的平穩性;

3)動態稱重數據特征值提取的可靠性;

4)工件輸送速度、間距和測量穩定時間的匹配。

采用電磁力平衡式三段式皮帶傳輸動態稱重技術，提高了系統的動態響應能力，保證了稱量穩定，減少了稱量的動態穩定時間，極大地適應了小口徑槍彈的高效高速生產需求，提高了國內槍彈自動化生產水平。

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