基于虛擬樣機(jī)的某彈協(xié)調(diào)器定位可靠性分析

王惠方，潘江峰，宋華斌，解鳳娟，侯立國(guó)

（西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099）

基于虛擬樣機(jī)的某彈協(xié)調(diào)器定位可靠性分析

王惠方，潘江峰，宋華斌，解鳳娟，侯立國(guó)

（西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099）

彈協(xié)調(diào)器是大口徑火炮裝填系統(tǒng)的重要組成部分。針對(duì)某彈協(xié)調(diào)器的定位可靠性進(jìn)行仿真分析及可靠度計(jì)算，在Recur Dyn中建立彈協(xié)調(diào)器多剛體模型和剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，導(dǎo)入Matlab中建立機(jī)械控制混合模型，在協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)65°的工況下，進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)彈協(xié)調(diào)器樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)兩種模型的仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ偷恼_性得到驗(yàn)證；在考慮協(xié)調(diào)過(guò)程中的蝸輪的磨損、小平衡機(jī)壓力變化、驅(qū)動(dòng)電壓變化3個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，從而得到可靠性分析數(shù)據(jù)；采用響應(yīng)面法與蒙特卡洛法相結(jié)合的方法對(duì)協(xié)調(diào)器65°協(xié)調(diào)定位可靠度進(jìn)行計(jì)算。

彈協(xié)調(diào)器；定位可靠性；虛擬樣機(jī)；蒙特卡洛法

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)是大口徑自行火炮的重要組成部分，其性能是制約火炮作戰(zhàn)效能提升的關(guān)鍵因素之一。某火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)彈丸的全自動(dòng)裝填，彈協(xié)調(diào)器對(duì)彈丸的傳送是彈丸裝填過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

彈協(xié)調(diào)器用于接收彈倉(cāng)推出的彈丸，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)與火炮射角的協(xié)調(diào)，之后通過(guò)翻轉(zhuǎn)將彈丸傳送到輸彈線上，最后由輸彈機(jī)輸彈入膛。該彈協(xié)調(diào)器由兩個(gè)串勵(lì)式直流電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，減速部分包括兩級(jí)直齒輪傳動(dòng)和一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其中蝸輪與耳軸固聯(lián)。平衡油缸和蓄能器等組成的小平衡機(jī)，用于平衡協(xié)調(diào)器的重力矩，減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載，支撐協(xié)調(diào)器平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。協(xié)調(diào)器與托架之間有角度傳感器，用于提供協(xié)調(diào)器相對(duì)于起落部分的角度信號(hào)，使協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)至正確位置［1］。

筆者利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了彈協(xié)調(diào)器的多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過(guò)實(shí)物樣機(jī)測(cè)試對(duì)兩種模型的仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)彈協(xié)調(diào)器的協(xié)調(diào)定位精度進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，并采用響應(yīng)面法與蒙特卡洛法相結(jié)合的方法對(duì)協(xié)調(diào)器65°協(xié)調(diào)定位可靠度進(jìn)行計(jì)算。

1 彈協(xié)調(diào)器虛擬樣機(jī)建模

在UG軟件中建立彈協(xié)調(diào)器的幾何裝配模型，利用其與Recur Dyn軟件的接口，導(dǎo)入到Recur Dyn中，根據(jù)協(xié)調(diào)器各部件間的拓?fù)潢P(guān)系，為協(xié)調(diào)器各零件間建立約束關(guān)系，從而建立多剛體虛擬樣機(jī)模型，如圖1所示。利用Recur Dyn中自帶的R-Flex模塊，對(duì)支臂進(jìn)行模態(tài)分析，替代剛性支臂，其他零件仍為剛體，從而建立協(xié)調(diào)器剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，如圖2所示。

在虛擬樣機(jī)中，導(dǎo)入計(jì)算得到的平衡機(jī)力隨角度變化的曲線，來(lái)模擬小平衡機(jī)的作用，齒輪間采用實(shí)體接觸碰撞的約束關(guān)系。

1.1 機(jī)械控制聯(lián)合仿真模型建模

協(xié)調(diào)器由兩個(gè)串勵(lì)式直流電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為

式中：U為電機(jī)輸入電壓；E為反電動(dòng)勢(shì)；Ra為電樞電阻；Ia為電樞電流；La為電樞繞組電感；Φ為主磁通；Kf為勵(lì)磁系數(shù)；Ce為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速；T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；CT為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)［2］。

根據(jù)電機(jī)的控制方案，采用Matlab／Simulink建立控制系統(tǒng)模型，利用Recur Dyn與Matlab的接口將機(jī)械模型導(dǎo)入，并將其與控制系統(tǒng)模型連接，從而建立機(jī)械控制混合仿真模型［3］，如圖3所示。

1.2 模型仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)多剛體模型和剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型分別設(shè)置初始仿真參數(shù)，蝸輪磨損量為0 mm，小平衡機(jī)壓力為5 MPa，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為26 V，進(jìn)行仿真分析。

以實(shí)物樣機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，把測(cè)試結(jié)果采集記錄后，分別得到協(xié)調(diào)器沿z軸的角位移信號(hào)及x、y、z軸3個(gè)方向的角速度信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的濾波處理，得到協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)65°的角位移曲線和角速度曲線。與理想狀態(tài)時(shí)彈協(xié)調(diào)器多剛體模型及剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娼Y(jié)果對(duì)比，如圖4和圖5所示。

試驗(yàn)測(cè)試了彈協(xié)調(diào)器在65°協(xié)調(diào)時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，揭示了彈協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，彈協(xié)調(diào)器的仿真曲線與角速度測(cè)試曲線在加速段和減速段的運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在一定偏差，但在最終定位階段基本一致，最終都能定位在目標(biāo)位置。由此看出剛?cè)狁詈夏Ｐ团c系統(tǒng)實(shí)際表現(xiàn)更加接近，因此利用該模型可進(jìn)行后續(xù)的可靠性計(jì)算。

2 協(xié)調(diào)65°定位仿真分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一種用正交表安排多因子試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［4］。依據(jù)三因素五水平的正交表要求，對(duì)彈協(xié)調(diào)器剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型進(jìn)行仿真分析，得到的仿真結(jié)果如表1所示。

3 協(xié)調(diào)65°定位可靠度計(jì)算

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠度計(jì)算方法有解析法、響應(yīng)面法、動(dòng)態(tài)故障樹(shù)法、重要抽樣法、蒙特卡洛方法等［5］，其中蒙特卡洛法又稱隨機(jī)抽樣法或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法，主要用于求解具有隨機(jī)性不確定性問(wèn)題［6］。在實(shí)際工程問(wèn)題中，大多數(shù)情況下?tīng)顟B(tài)函數(shù)與基本隨機(jī)變量之間的顯式函數(shù)關(guān)系是不存在的，這時(shí)可以應(yīng)用數(shù)值模擬的方法擬合一個(gè)輸出與隨機(jī)變量之間的關(guān)系式，從而建立響應(yīng)面多項(xiàng)式。

筆者采用響應(yīng)面法與蒙特卡洛方法相結(jié)合的方法，利用Design Expert軟件，采用逐步回歸的方法對(duì)仿真得到可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面多項(xiàng)式的擬合。

通過(guò)對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行大量的隨機(jī)抽樣，然后把抽樣值依次代入功能函數(shù)，根據(jù)計(jì)算得到的功能函數(shù)值，確定可靠與否，最后根據(jù)事件發(fā)生次數(shù)，計(jì)算出事件發(fā)生的頻率從而得到可靠度或失效率［7］。其中，得到定位值與隨機(jī)變量之間的關(guān)系表達(dá)式如下：

式中：F表示定位值；U表示驅(qū)動(dòng)電壓；p表示小平衡機(jī)壓力；M表示蝸輪磨損量。

根據(jù)Design Expert軟件得到的響應(yīng)面表達(dá)式，在Isight軟件中的Calculator模塊進(jìn)行近似建模，建立蒙特卡洛仿真任務(wù)組件，如圖6所示。

設(shè)定影響定位誤差的各因素的分布規(guī)律如表2所示。

根據(jù)上述的假定對(duì)蒙特卡洛模塊進(jìn)行變量的設(shè)置，根據(jù)指標(biāo)要求允許定位誤差值為0.6°，即輸出值范圍為（64.4°，65.6°）時(shí)，定位準(zhǔn)確。采用描述抽樣的方式，設(shè)置仿真次數(shù)為10 000，仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7蒙特卡洛仿真結(jié)果可知，彈協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)65°定位可靠度為0.840 9。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者以虛擬樣機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，分別建立了彈協(xié)調(diào)器多剛體模型和剛?cè)狁詈蠙C(jī)械控制聯(lián)合仿真模型，較真實(shí)地模擬了惡劣工作環(huán)境下的協(xié)調(diào)角位移與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，同時(shí)仿真結(jié)果也得到了實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)的驗(yàn)證。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)從虛擬仿真中得到了計(jì)算可靠性所需的數(shù)據(jù)，應(yīng)用響應(yīng)面法進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合，并采用Isight軟件中蒙特卡洛方法對(duì)彈協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)65°時(shí)的定位可靠性進(jìn)行了隨機(jī)抽樣，計(jì)算出了協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)定位的可靠度。采取的方法可應(yīng)用于對(duì)一般機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行可靠性分析評(píng)估。

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Analysis on Positioning Reliability of the Coordinator Based on Virtual Prototype

WANG Huifang，PAN Jiangfeng，SONG Huabin，XIE Fengjuan，HOU Liguo

（Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

Coordinator is an important part of the large caliber gun auto-loading system.This paper is aimed at the positioning reliability of the coordinator，simulation analyzing and reliability computing.The multi-rigid-body model and the rigid-flexible virtual prototype model of the coordinator were established in Recur Dyn software，and each model was imported to Matlab software，so the hybrid model of electromechanical was set up with the motor control model established.These two coordinator models were simulated respectively in 65 degrees working condition，and the rigid-flexible model was proved correct by the actual testing result.After wards，given several factors affecting the accurate positioning such as worm wear，pressure change of the small balancing machine and motor driving voltage change，simulations were carried out to get data for reliability analysis.Through response surface methodology and Monte Carlo simulation，the coordinator positioning reliability of coordinating 65 degrees is to be calculated.

coordinator；positioning reliability；virtual prototype；Monte Carlo

TJ303+.3

A

1673-6524（2015）03-0027-04

2014- 11- 10；

2015- 04- 21

王惠方（1972－），男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事火箭炮系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：stonar＠sina.com