履帶裝備行動(dòng)部分智能調(diào)整裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 兵，唐 昊，邢煒焱，李 磊

(中國人民解放軍32142部隊(duì)， 河北 保定 071000)

1 引言

修理分隊(duì)對(duì)履帶裝備行動(dòng)部分的調(diào)整主要包括平衡肘高度調(diào)整和負(fù)重輪的中心線校正兩個(gè)內(nèi)容。在平衡肘高度調(diào)整方面，傳統(tǒng)方法是針對(duì)不同型號(hào)裝備采用不同規(guī)格的專用工具進(jìn)行，其弊端有：一是通用性差，各型裝備專用工具各不相同，平時(shí)不便于管理，演訓(xùn)不便于攜帶；二是精準(zhǔn)度不高，機(jī)械式操作不精準(zhǔn)、水平垂直關(guān)系難把握、肉眼判斷有誤差；三是調(diào)整方法不一，各型裝備基準(zhǔn)點(diǎn)(線)不同、測量位置不同、誤差控制方法不同，導(dǎo)致調(diào)整方法繁雜；四是對(duì)作業(yè)人員要求高，需熟記各型裝備調(diào)整方法及技術(shù)參數(shù)，往往需反復(fù)查閱資料，維修效率低。在負(fù)重輪中心線校正方面，傳統(tǒng)方法是鉛垂線法和測距法，其弊端有：一是鉛垂線法受地形條件影響大，負(fù)重輪、主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪的徑向中心線標(biāo)定過程復(fù)雜，主觀判斷不準(zhǔn)確，誤差較大；二是測距法測量基準(zhǔn)確定不精確，受零部件磨損程度影響大[1]。為規(guī)避這些問題，可研發(fā)一款履帶裝備行動(dòng)部分智能調(diào)整裝置，通過理論計(jì)算統(tǒng)一測量基點(diǎn)，利用激光直線標(biāo)定、測距精準(zhǔn)優(yōu)勢，融合具備智能調(diào)控的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高調(diào)整的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)可針對(duì)不同型號(hào)裝備平衡肘高度調(diào)整和中心線校正的一機(jī)多用，從而達(dá)到提升人機(jī)功效、節(jié)約人力資源、提高維修效率的預(yù)期目標(biāo)[2]。

2 結(jié)構(gòu)功能需求分析

1) 基座設(shè)計(jì)應(yīng)方便靈活、適應(yīng)性強(qiáng)

從車間及演訓(xùn)維修保障的實(shí)際需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)履帶裝備行動(dòng)部分的精準(zhǔn)調(diào)整，裝置基座應(yīng)與待調(diào)整裝備平正關(guān)系對(duì)應(yīng)，且裝置要滿足通用性強(qiáng)、尺寸合理、行動(dòng)方便、調(diào)節(jié)自如、收納便捷、自動(dòng)調(diào)平、承載穩(wěn)固的基本要求[3]。

2) 測距系統(tǒng)應(yīng)精準(zhǔn)高效、正確率高

從滿足操作簡單、測值精確的實(shí)際需求出發(fā)，該部分一方面可利用激光直線特性實(shí)現(xiàn)負(fù)重輪中心線定位，另一方面可利用激光測距精準(zhǔn)特性，實(shí)現(xiàn)測距數(shù)值的采集與傳輸。

3) 控制執(zhí)行應(yīng)有效對(duì)應(yīng)、誤差率低

從顯示控制層面滿足界面展示簡單明了、信號(hào)處理科學(xué)及時(shí)、指令下達(dá)清晰準(zhǔn)確和執(zhí)行層面機(jī)構(gòu)平穩(wěn)精細(xì)、誤差率低的實(shí)際需求出發(fā)，控制層命令擬制要科學(xué)高效，執(zhí)行層執(zhí)行命令應(yīng)平穩(wěn)可靠，同時(shí)，解決2個(gè)層面的對(duì)應(yīng)關(guān)系是裝置的核心環(huán)節(jié)[4]。

3 結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)

為具體實(shí)現(xiàn)履帶裝備行動(dòng)部分智能調(diào)整裝置功能，將整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 履帶裝備行動(dòng)部分智能調(diào)整裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The design structure of the intelligent adjustment device for the action part of the crawler equipment

3.1 裝置實(shí)體結(jié)構(gòu)

將自調(diào)節(jié)基座、基于激光測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測算模塊、顯示控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)融合，合理布局[5]。裝置實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Device physical structure

3.2 自調(diào)節(jié)基座

該基座由底座、可折疊激光發(fā)射箱架、支撐調(diào)平裝置組合而成。自調(diào)節(jié)基座實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自調(diào)節(jié)底座實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The physical structure of the self-adjusting base

其中，底座整體采用不銹鋼材質(zhì)，由核心顯示控制區(qū)、組件定位儲(chǔ)藏區(qū)、行動(dòng)裝置組成。作為整個(gè)裝置的基座，為可調(diào)節(jié)激光發(fā)射箱架，電動(dòng)直流油缸、控制盒、連接線倉等提供安裝位置，為可調(diào)節(jié)激光發(fā)射箱架、激光發(fā)射箱、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、坡度感應(yīng)儀、激光接收器等提供儲(chǔ)藏空間[6]。各功能區(qū)間設(shè)置隔斷，其中顯示控制模塊采用密封防水設(shè)計(jì)。

可折疊激光發(fā)射箱架，主要用于連接底座和激光發(fā)射箱。采用帶鎖緊裝置的可伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于根據(jù)不同車型調(diào)節(jié)激光發(fā)射箱的位置，具有體積小、質(zhì)量輕、抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)。支撐調(diào)平裝置主要包括控制箱、電動(dòng)支腿4個(gè)、傾角傳感器2個(gè)。主要用于實(shí)現(xiàn)基座與車體相對(duì)平正，2個(gè)高精度傾角傳感器分別置于車體平面及基座平面，工作時(shí)根據(jù)傾角傳感器的數(shù)據(jù)值，通過控制箱“一鍵調(diào)平”鍵，系統(tǒng)可自動(dòng)完成空行程、觸地、直至調(diào)平。同時(shí)，還具備一鍵回收、微調(diào)平、單腿動(dòng)作、緊急停止等功能，操作簡便。

3.3 基于激光測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量模塊

由激光發(fā)射箱、4個(gè)激光接收器、1個(gè)負(fù)重輪中心線定位環(huán)及附件組合而成[7]。激光測距箱實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 激光測距箱實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The physical structure of the laser ranging box

3.3.1激光發(fā)射箱和激光接收器

主要由箱體、行動(dòng)機(jī)構(gòu)、1個(gè)激光測距器、2個(gè)激光發(fā)射器組成。激光發(fā)射箱采用全鋁板材，通過支架固連于底座上，展開時(shí)發(fā)射箱與底座處于平正關(guān)系，通過線纜插口與顯示控制盒連接，實(shí)現(xiàn)電源、數(shù)據(jù)傳輸[8]。

2個(gè)等比伸縮接收器(1號(hào)、2號(hào))、1個(gè)內(nèi)嵌式平衡肘軸孔接收器(3號(hào))、1個(gè)外套式負(fù)重輪軸接收器(4號(hào))、1個(gè)負(fù)重輪中心線定位環(huán)(5號(hào))，用于接收激光發(fā)射器發(fā)出的激光信號(hào)，在調(diào)整平衡肘和校正負(fù)重輪中心線時(shí)根據(jù)實(shí)際情況分別使用。

1號(hào)接收器安裝在主動(dòng)輪上，用來精準(zhǔn)定位主動(dòng)輪齒圈間的中心位置，2號(hào)接收器安裝在誘導(dǎo)輪上，用來精準(zhǔn)定位誘導(dǎo)輪間的中心位置，如圖5所示；3號(hào)接收器依托平衡肘軸孔安裝定位，用來精準(zhǔn)定位平衡肘軸孔的中心位置，如圖6所示。

圖5 等比伸縮接收器(1號(hào)、2號(hào))安裝位置示意圖Fig.5 Installation position of the equal-ratio telescopic receiver (No.1，No.2)

圖6 內(nèi)嵌式平衡肘軸孔接收器(3號(hào))安裝位置示意圖Fig.6 Installation position of the built-in balance toggle shaft hole receiver (No.3)

4號(hào)接收器外套于負(fù)重輪軸軸承臺(tái)肩，用來精準(zhǔn)定位負(fù)重輪軸軸承臺(tái)肩上切面的頂點(diǎn)位置，5號(hào)安裝位置與4號(hào)相同，起輔助作用，如圖7所示。整車激光接收器安裝效果如圖8所示。

圖7 外套式負(fù)重輪軸接收器(4號(hào))與負(fù)重輪 中心線定位環(huán)(5號(hào))安裝位置示意圖Fig.7 The installation position of the jacket type road wheel axle receiver (No.4) and the road wheel centerline positioning ring (No.5)

圖8 激光接收器安裝效果圖Fig.8 The installation effect picture of the laser receiver

3.3.2激光發(fā)射箱與激光接收器工作關(guān)系

第1步：利用2個(gè)激光發(fā)射器和1、2號(hào)激光接收器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪與誘導(dǎo)輪同心標(biāo)定；第2步：利用激光測距器“原位”按鈕，實(shí)現(xiàn)激光測距器位于激光發(fā)射器的鉛垂面上，通過顯示控制面板按鍵，電動(dòng)調(diào)整激光測距器X軸向移動(dòng)，將激光點(diǎn)與4號(hào)接收器環(huán)形傳感器(環(huán)形刻線)頂部切線某點(diǎn)重合，通過調(diào)整平衡肘軸向位移，將激光點(diǎn)與各車型對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)傳感器(刻度線)重合，實(shí)現(xiàn)負(fù)重輪中心線精確定位；第3步：啟動(dòng)自動(dòng)激光測距程序，測量激光測距器到4號(hào)接收器環(huán)形傳感器(環(huán)形刻線)的距離(定義為L1)，并傳輸至中央處理器；第4步：通過顯示控制面板按鍵，電動(dòng)調(diào)整激光測距器位置，將激光點(diǎn)與3號(hào)接收器重合，測量激光測距器到3號(hào)接收器距離(定義為L2)，并傳輸至中央處理器；第5步：中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理后，形成控制指令控制電動(dòng)缸工作，對(duì)平衡肘角度進(jìn)行調(diào)整；第6步：重復(fù)第4步，對(duì)調(diào)整結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，如在誤差范圍內(nèi)，調(diào)整結(jié)束，如超過誤差，按第5步微調(diào)后安裝。

3.4 顯示控制系統(tǒng)

由顯示屏及功能按鍵、中央處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合而成。設(shè)有24 V直流、220 V交流電源接口。野外維修作業(yè)時(shí)使用24 V電源接口；車間生產(chǎn)時(shí)使用220 V電源接口，通過電源適配器轉(zhuǎn)化為24 V直流電源。

顯示屏作為軟件輸出載體，承擔(dān)界面、命令、數(shù)據(jù)顯示功能。功能按鍵主要提供開關(guān)機(jī)、菜單、車型選擇、調(diào)整位置選擇、返回、復(fù)位等功能。

由電源模塊、信號(hào)處理器、主機(jī)控制單元、內(nèi)置電池、報(bào)警器組成。電源模塊將外部供入主機(jī)的24 V直流電壓變?yōu)橹鳈C(jī)工作時(shí)所需電壓(一般5 V或3.7 V)，并具備穩(wěn)壓功能。

信號(hào)處理器主要用來接收測距器數(shù)據(jù)，處理后傳輸給主機(jī)控制單元，主機(jī)控制單元計(jì)算出平衡肘軸孔和負(fù)重輪軸上端面切點(diǎn)垂直方向上的高度差，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出程控調(diào)整指令。

3.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

該部分主要包含：伺服電機(jī)、電動(dòng)缸、帶鎖止裝置的雙向自調(diào)節(jié)滑道、負(fù)重輪軸支座[9]。其中：伺服電機(jī)根據(jù)中央處理器調(diào)整指令帶動(dòng)電動(dòng)缸工作，使電動(dòng)缸伸縮到恰當(dāng)高度；帶鎖止裝置的雙向自調(diào)節(jié)滑道與負(fù)重輪軸支座連接在一起，起到平穩(wěn)推動(dòng)負(fù)重輪軸擺動(dòng)的作用。執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the actuator

4 功能測試

4.1 整機(jī)工作流程

1) 接上電源，打開控制面板上的電源開關(guān)整機(jī)通電。

2) 打開激光測距器開關(guān)(短按1次左側(cè)激光測距器工作，連按2次右側(cè)激光測距器工作，連按3次兩個(gè)激光測距器同時(shí)工作；激光發(fā)射器控制方法同上)。

3) 待主機(jī)準(zhǔn)備就緒之后，按下控制面板的“菜單”鍵顯示屏彈出車型畫面。

4) 按方向鍵“上、下、作、右”選擇車型，選擇完車型之后按“OK”鍵確認(rèn)。

5) 按方向“↑”“↓”“←”“→”鍵選擇對(duì)應(yīng)的車型的平衡肘，按“OK”鍵確認(rèn)。顯示屏顯示出當(dāng)前平衡肘的理論數(shù)值和實(shí)際數(shù)值；若實(shí)際數(shù)值在理論數(shù)值的誤差范圍之內(nèi)，主控不會(huì)報(bào)警；若超出誤差范圍主控會(huì)報(bào)警，此時(shí)提醒你要重新調(diào)整。

6) 調(diào)整平衡肘的方法：① 若“手/自”開關(guān)在自動(dòng)位置，在第5步操作完之后主控單元會(huì)自動(dòng)控制高度油缸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)重輪軸上升或下降，直至距離符合要求電機(jī)停轉(zhuǎn)；② 若“手/自”開關(guān)在手動(dòng)位置，第5步操作完之后按方向鍵上鍵“↑”或下鍵“↓”油缸電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)重輪軸上升或下降，直至距離符合要求松開按鍵。

7) 負(fù)重輪中心線的調(diào)整方法：① 將3、4、5號(hào)接收器分別裝在主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪和負(fù)重輪上；② 打開水平激光器的開關(guān)；③ 使得激光器的激光分別打在3、4號(hào)接收器上；④ 打開一個(gè)垂直激光發(fā)射器，調(diào)整負(fù)重輪使得其上的5號(hào)接收器可以接收到垂直激光發(fā)射器的激光。整機(jī)工作流程如圖10所示。

圖10 整機(jī)工作流程框圖Fig.10 Work flow chart of the whole machine

4.2 負(fù)重輪中心線調(diào)整功能測試

履帶行動(dòng)部分智能調(diào)整裝置配置到位，配置高精度角度儀，各系統(tǒng)接通電源，并完成自檢；電動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)缸，實(shí)現(xiàn)與平衡肘配合；激光發(fā)射箱及支架展開安裝各激光接收器；支撐調(diào)整機(jī)構(gòu)工作實(shí)現(xiàn)裝置與車體保持平正；打開激光發(fā)射器開關(guān)，調(diào)整確定主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪中心線；控制激光發(fā)射器運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與3號(hào)激光接收器頂面切線某點(diǎn)重合；調(diào)整平衡肘，實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)與3號(hào)接收器對(duì)應(yīng)車型定位線重合。

通過對(duì)照試驗(yàn)，由表1可以看出，基于激光測距系統(tǒng)的平衡肘調(diào)整法相對(duì)于傳統(tǒng)的調(diào)整法，用時(shí)更短，更有效率。

表1 基于激光測距系統(tǒng)的平衡肘調(diào)整時(shí)間與傳統(tǒng)調(diào)整方法時(shí)間表Table 1 ComparisonTable of balance elbow adjustment time based on laser ranging system and traditional adjustment method time

4.3 平衡肘高度調(diào)整功能測試

以07式122 mm自行榴彈炮為例：改進(jìn)前07式122 mm自行榴彈炮平衡肘調(diào)整方法為：采用依次測量單個(gè)平衡肘自負(fù)重輪軸中心至平衡肘軸中心的距離[10]。此方法難以準(zhǔn)確定位負(fù)重輪軸中心和平衡肘中心位置，實(shí)際維修作業(yè)過程中人為誤差較大。改進(jìn)后07式122 mm自行榴彈炮第1平衡肘基于激光測距系統(tǒng)的平衡肘調(diào)整方法下的高差標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法：

負(fù)重輪軸臺(tái)肩的直徑為φ1，負(fù)重輪軸中心到平衡肘軸孔中心的垂直距離為LAB。負(fù)重輪軸臺(tái)肩上端面到平衡肘軸孔中心的垂直距離為LCD。如圖11所示。

其上下浮動(dòng)為7 mm。

按照此類方法，逐一對(duì)各車型各平衡肘調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，形成基于激光測距系統(tǒng)的平衡肘調(diào)整方法高差標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，并寫入軟件程序[11]。按此方法進(jìn)行維修作業(yè)，僅需選定車型、軸序，無需查看相關(guān)數(shù)據(jù)，即可自動(dòng)完成調(diào)整作業(yè)。

圖11 PLZ07式122 mm自行榴彈炮平衡肘 調(diào)整量計(jì)算原理示意圖Fig.11 The calculation principle of the balance elbow adjustment of the PLZ07 122 mm self-propelled howitzer

表2 基于激光測距系統(tǒng)的平衡肘調(diào)整方法高差標(biāo)準(zhǔn)值

說明:按照基于激光測距系統(tǒng)的平衡肘調(diào)整方法，逐型號(hào)對(duì)各型履帶裝甲軍械裝備平衡肘高差標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算確定。將結(jié)果編入程序，便于維修過程中直接調(diào)用。

首次調(diào)整07式122 mm自行榴彈炮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如圖12所示，只需按照提示數(shù)據(jù)要求啟動(dòng)向下調(diào)整按鈕，執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)向下調(diào)整13 mm，即可滿足技術(shù)要求。精確性水平、智能化程度和調(diào)整效率大幅度提升。

圖12 履帶裝備行動(dòng)部分智能精準(zhǔn)調(diào)整裝置工作界面Fig.12 The working interface of the intelligent precision adjustment device for the action part of the crawler equipment

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的履帶裝備行動(dòng)部份自動(dòng)調(diào)整裝置工作穩(wěn)定、操作方便、測量精確、通用性強(qiáng)，可裝備各級(jí)裝備修理分隊(duì)，用于部隊(duì)訓(xùn)練、考核、演習(xí)及作戰(zhàn)過程中裝備保障人員遂行裝備維修任務(wù)。