一種多功能彈靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計

宋斌　李波　杜科

摘 要

隨著武器裝備的現(xiàn)代化發(fā)展，對于彈的速度要求越來越高，須對彈的靜態(tài)參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量）進(jìn)行精確測量。本文設(shè)計了一種多功能彈靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)，集質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量測試于一體，主要由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測試系統(tǒng)組成，可自動完成彈的質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量的測量，提高了測試效率。同時介紹了系統(tǒng)的測試原理以及硬件組成，分析了系統(tǒng)的測量誤差及測試效率，表明該系統(tǒng)能夠滿足彈的靜態(tài)參數(shù)測量及測試效率。

關(guān)鍵詞

質(zhì)量;質(zhì)心;轉(zhuǎn)動慣量;效率

中圖分類號： TP23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.046

0 引言

現(xiàn)代高速飛行的彈，其質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量的精度對彈的飛行軌跡精度影響較大，應(yīng)進(jìn)行精確測量。目前國內(nèi)普遍采用分離式測量方法，按照質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量先后順序采用不同設(shè)備進(jìn)行測量，自動化程度低，測試人員勞動強(qiáng)度大等缺點，且不能適應(yīng)生產(chǎn)線的快速批量測試。本文介紹了一種多功能彈靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)一臺設(shè)備同時完成質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量的測試，可廣泛應(yīng)用在自動生產(chǎn)線的測試工位，提高生產(chǎn)效率。

1 測量原理

1.1 質(zhì)量測量原理

采用防爆電子臺秤實現(xiàn)對被測物質(zhì)量的精確測量，該電子臺秤最大稱量為300kg，測量精度20g，滿足設(shè)備指標(biāo)要求。

1.2 質(zhì)心測量原理

在設(shè)備秤盤的腹心部位，安裝三支高精確度的稱重壓力傳感器，三支傳感器形成等腰三角形，安裝布置如圖1所示。

質(zhì)心測量的力學(xué)模型如圖2所示。根據(jù)靜力矩平衡原理，質(zhì)心的測量公式為：

式中：L為被測彈體的質(zhì)心;

L3—稱重傳感器2、3在軸向方向的距離;

L5—稱重傳感器3在軸向方向與長度測量尺零位的距離;

L6—待測物頂端在軸向方向與稱重傳感器3的距離;

L0—待測物頂端在軸向方向與長度測量尺零位的距離。

1.3 偏心測量原理

偏心測量采用成熟，分別測量出原位及旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°四次F1的值，根據(jù)靜力矩平衡原理，偏心的測量公式為：

式中：e為被測彈體的偏心，F(xiàn)11、F12、F13、F14分別為F1的四次測量值。

1.4 轉(zhuǎn)動慣量測試原理

轉(zhuǎn)動慣量采用成熟的扭擺法進(jìn)行測試，轉(zhuǎn)動慣量測量值Id，可由下式計算得出。

其中：

Id——待測物體的轉(zhuǎn)動慣量

I0——裝置空載的轉(zhuǎn)動慣量

Ib——標(biāo)準(zhǔn)樣柱的轉(zhuǎn)動慣量

Tb——加標(biāo)準(zhǔn)樣柱的振動周期

T0——裝置空載的振動周期

T——加待測物的振動周期

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 測量與控制系統(tǒng)設(shè)計

測量與控制系統(tǒng)由主控計算機(jī)、電子天平、高精度數(shù)字多用表、PLC主機(jī)、運動控制模塊、頻率測量模塊、數(shù)字I/O模塊、矩陣開關(guān)、伺服/執(zhí)行控制器和安全保護(hù)裝置組成，實現(xiàn)自動化測量。主控計算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理/分析，電子天平完成高精度的質(zhì)量測量，高精度數(shù)字多用表完成力傳感器的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)質(zhì)心偏心測量。運動控制模塊接收主機(jī)傳送的指令和數(shù)據(jù)，通過計算生成位置指令，并將位置指令傳給伺服/執(zhí)行控制器，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動，完成自動化測量。

1—基座部件;2—質(zhì)心偏心測量部件;3—滾轉(zhuǎn)支撐部件;

4—電子天平;5—極轉(zhuǎn)動慣量測量部件;6—長度測量部件;

7—赤道轉(zhuǎn)動慣量測量部件;8—赤道推力部件;9—秤盤支撐部件

2.2 機(jī)械臺體部件設(shè)計

機(jī)械臺體部件主要由質(zhì)心偏心測量部件、電子天平、滾轉(zhuǎn)支撐部件、長度測量部件、秤盤支撐部件、極轉(zhuǎn)動慣量測量部件、赤道轉(zhuǎn)動慣量測量部件、赤道推力部件及基座部件等組成。機(jī)械臺體部件示意圖如圖3所示。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要功能是實現(xiàn)彈體多個靜態(tài)參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量）的自動測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并判斷測試的結(jié)果是否合格，可以查看歷史測試數(shù)據(jù)和結(jié)果。該測試軟件包括底層驅(qū)動軟件和上層測控軟件兩部分，其中底層驅(qū)動軟件主要實現(xiàn)測量時的相關(guān)運動控制、邏輯控制和測試數(shù)據(jù)讀取等功能。上層測控軟件主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、測試流程和測試結(jié)果處理等工作。

2.3.1 底層驅(qū)動軟件

底層驅(qū)動軟件主要以西門子PLC的TIA Portal V13為開發(fā)平臺，其主要功能為：

a）讀取光柵尺的值，計算出被測彈體的長度;

b）控制臺體升降運動、旋轉(zhuǎn)等運動，同時記錄測量數(shù)據(jù)（彈體重量、擺動周期）等;

c）限位、安全保護(hù)等邏輯控制。

2.3.2 上層測控軟件

上層測控軟件主要包括參數(shù)校準(zhǔn)、彈體測試和傳感器標(biāo)定等工作：

a）通過對樣柱進(jìn)行測試，實現(xiàn)參數(shù)的校準(zhǔn);

b）實現(xiàn)測試的控制流程，保證測試過程中的各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)穩(wěn)定可靠;

c）自動實現(xiàn)彈體多個靜態(tài)參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量）的測試，可選擇單個、多個參數(shù)進(jìn)行測試。

d）對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出測試結(jié)果。并可實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的保存和查看等功能。

e）可對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

3 誤差分析

3.1 質(zhì)量誤差

設(shè)備采用高精度電子天平進(jìn)行質(zhì)量的測量，其精度可達(dá)到量程300kg，精度20g，完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 質(zhì)心誤差

質(zhì)心誤差主要由光柵尺和位移計測量誤差以及傳感器測量誤差引起。

質(zhì)心誤差：δ質(zhì)心=δ距+δ傳

其中：δ距-光柵尺和位移計精度引起的誤差;

δ傳-稱重傳感器測量誤差引起的誤差。

1）光柵尺和位移計直接影響測試結(jié)果，本案選擇光柵尺和位移計測距總誤差：δ距=0.02+0.1=0.12mm

2）傳感器測量誤差引起的質(zhì)心誤差

根據(jù)隨機(jī)誤差傳遞公式，由函數(shù)關(guān)系式：

三只稱重傳感器的量程分別為F1=200kg，F(xiàn)2=F3=100kg，其測量誤差δ1=200×0.02%=0.04kg，δ2=100×0.02%=0.02kg，電子臺秤測量誤差δG=0.02kg。

質(zhì)心的總誤差為：δ質(zhì)心=δ距+δ傳=0.12+0.036=0.156 mm<1mm

3.3 偏心誤差

由偏心函數(shù)關(guān)系式（2）可得偏心誤差。

系統(tǒng)測試過程中F11、F12、F13與F14分別為同一力的四次測量，其測量值相差很小，可以忽略。因此偏心的誤差可簡化為：

測量系統(tǒng)，傳感器精度為0.04Kg，支撐距離L4為680mm，偏心測量誤差為：δe=0.096<0.2mm

3.4 轉(zhuǎn)動慣量誤差

轉(zhuǎn)動慣量的誤差主要是由周期測量和阻尼比變化引起的誤差。

3.4.1 周期測量引起的誤差

由于采用成熟測量方法，周期測量誤差引起的轉(zhuǎn)動慣量的相對誤差為：

該轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)周期實際測量值為2.58s，測量誤差為0.005s，故周期測量引起的誤差為：

3.4.2 阻尼比變化引起的誤差

轉(zhuǎn)動慣量的變化影響阻尼比，阻尼比影響轉(zhuǎn)動慣量，假設(shè)加有效負(fù)載后轉(zhuǎn)動慣量是加載前的k倍，k>0，它的影響如下所示：

由于采用標(biāo)準(zhǔn)量柱比較測量法，取標(biāo)準(zhǔn)量柱和待測彈的轉(zhuǎn)動慣量差值倍數(shù)k=200，阻尼比ζ=0.05，阻尼比變化引起的誤差為：

3.4.3 測量總誤差

測量總誤差是周期測量引起的誤差與阻尼比變化引起的誤差之和。

4 測試結(jié)果

采用Φ252mm的標(biāo)準(zhǔn)樣柱進(jìn)行比較測試，其理論值如表1所示。

將標(biāo)準(zhǔn)樣柱固定在測量設(shè)備上分別進(jìn)行測量，其測量結(jié)果如表2所示。

同時對測試時間進(jìn)行了測試，系統(tǒng)完成一次測試時間約8分鐘，采用原分離式測量法完成一次測試約30分鐘，因此大大節(jié)約了測試時間，提高了測試效率。

5 結(jié)束語

多功能彈靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)采用自動化設(shè)計理念，實現(xiàn)了靜態(tài)參數(shù)的自動化測量，經(jīng)測試滿足使用指標(biāo)要求。同時與傳統(tǒng)測試方法相比，測試效率大幅提高，減輕了測試人員勞動強(qiáng)度，因此可廣泛應(yīng)用于彈的自動化裝配生產(chǎn)線，具有較高的推廣價值。

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