某裝調(diào)系統(tǒng)裝調(diào)效率提升可行性研究?

譚應(yīng)波

（1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）（2.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心 永川 402162）

1 引言

水中兵器在水中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)關(guān)系到系統(tǒng)工作使命能否可靠順利的完成，為了保證水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的穩(wěn)定，在技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)需要保證水中兵器在海水中保持一定的正浮力，且質(zhì)心、浮心、穩(wěn)心高滿足要求。由于水中兵器受限于尺寸、重量、體積、電池能量密度、功耗等原因，自身的調(diào)節(jié)余量比較有限，便對裝調(diào)系統(tǒng)的裝調(diào)精度提出了較高的要求。

2 現(xiàn)有裝調(diào)系統(tǒng)的不足

現(xiàn)有裝調(diào)系統(tǒng)專為測量某類水中兵器質(zhì)量、質(zhì)心設(shè)計(jì)，量程小、不能兼顧多種型號(hào)，且由于不具備質(zhì)偏測量功能，需將水中兵器吊放入水槽中進(jìn)行衡重測試，增加了人員操作、操作步驟繁瑣、容易帶入人工測量誤差、工作效率相對較低等。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在機(jī)械工程領(lǐng)域，質(zhì)量、質(zhì)心測量的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛［1］，依據(jù)不同的測量原理，質(zhì)量質(zhì)心的測量方法常分為三類:復(fù)擺測量法［2］、懸掛法［3］和質(zhì)量反應(yīng)法［4］。

復(fù)擺測量法利用的是復(fù)擺擺動(dòng)原理來實(shí)現(xiàn)測量［5］，通過兩次擺動(dòng)不同的擺幅測量，該方法只能計(jì)算在高度方向上的質(zhì)心坐標(biāo)，而且試驗(yàn)操作步驟繁多、過程復(fù)雜，安全性較差，很多環(huán)節(jié)都容易引入誤差，影響測量精度。

懸掛法利用被試體在自由懸掛狀態(tài)時(shí)，質(zhì)心必定要通過懸掛點(diǎn)的垂直面，以此可以確定質(zhì)心的位置，該方法精度不高，只對小型設(shè)備適用。

質(zhì)量反應(yīng)法則利用了力矩平衡原理［6］，因?yàn)榘踩愿摺⒃囼?yàn)過程實(shí)現(xiàn)相對簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。

我國從俄羅斯引進(jìn)的一部彈頭質(zhì)量特性測量設(shè)備，質(zhì)量精度可以達(dá)到0.01%，質(zhì)心精度為±0.1mm，該設(shè)備主要采用是刀口天平法設(shè)計(jì)，只適用于小量程測量［7］。

目前，航空、航天及水中兵器行業(yè)，為測量較大質(zhì)量的圓柱形彈體質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏數(shù)據(jù)，較為普遍的采用平臺(tái)式測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［8］。為實(shí)現(xiàn)質(zhì)偏測量功能，有的采用3支撐點(diǎn)式測量方法［9］，產(chǎn)品完成技術(shù)準(zhǔn)備后，一次吊裝，可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏數(shù)據(jù)的測量。

近年來，國內(nèi)多家科研單位和高校都加大了質(zhì)量特性測量方面的研究力度，南京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等自主研發(fā)了多種型號(hào)的質(zhì)量特性測量設(shè)備，有的量程達(dá)到20000kg，質(zhì)量測量精度達(dá)到0.03%以上，徑向質(zhì)心測量精度可達(dá)0.1mm，軸向質(zhì)心測量精度可達(dá)0.3mm［10］。

雖然平臺(tái)式測量系統(tǒng)具有質(zhì)量測量范圍廣、精度高的特點(diǎn)，但同時(shí)也存在體積大、總重量大、價(jià)格較昂貴、不具備裝調(diào)功能、不適合快速機(jī)動(dòng)運(yùn)輸?shù)热秉c(diǎn)，總而言之，質(zhì)量、質(zhì)心測試設(shè)備朝著大量程、高精度及自動(dòng)化方向發(fā)展。

4 裝調(diào)系統(tǒng)誤差特性分析

裝調(diào)系統(tǒng)采用四點(diǎn)測量法［11］，測量原理圖如圖1 所示，通過四個(gè)力傳感器的輸出和相應(yīng)的運(yùn)算來得到重心的位置［12］，系統(tǒng)的測量誤差主要來源于質(zhì)量測量誤差和距離測量誤差，誤差分析如下。

圖1 測量原理圖

4.1 質(zhì)量測量誤差分析

1）質(zhì)量測量誤差主要來源于稱重傳感器精度誤差和數(shù)據(jù)采集模塊的誤差。設(shè)獨(dú)立的每個(gè)傳感器的綜合極限誤差分別為σwi（i=1、2、3、4），則質(zhì)量測量極限誤差:

2）重力加速度變化引入的測量誤差

重力加速度隨緯度和海拔的變化而變化，處于我國北方的哈爾濱重力加速度值為9.80665，而地處南方的廣州重力加速度值為9.7833，通常取9.8作為重力加速度的標(biāo)準(zhǔn)值，則兩地間重力加速度值相差達(dá)0.273%。

4.2 軸向質(zhì)心/徑向質(zhì)偏測量誤差分析

軸向質(zhì)心/徑向質(zhì)偏的測量誤差由以下因素累計(jì)的總誤差。

4.2.1 距離測量誤差引起的測量誤差

距離測量誤差主要由距離測量裝置的安裝位置誤差、距離測量裝置自身的測量誤差、人工操作引入的測量誤差累加而成。

1）距離測量裝置安裝位置誤差引起的測量誤差

距離測量裝置的安裝誤差為被測物體放置于測量裝置上時(shí)兩條中軸線的平行度誤差。設(shè)α為兩條軸線的空間夾角，則由安裝誤差引起的測量誤差:

2）距離測量裝置測量誤差引起的測量誤差

距離測量裝置本身的測量誤差為系統(tǒng)誤差，不可消除，但誤差大小為已知。

3）手動(dòng)操作距離測量裝置時(shí)會(huì)引入人工測量誤差，且由不同的人操作，測量誤差亦將不同。

4.2.2 質(zhì)量測量誤差引起的測量誤差

質(zhì)量測量誤差主要由稱重傳感器的安裝誤差、稱重傳感器及數(shù)據(jù)采集模塊的測量誤差、測量基準(zhǔn)面水平誤差、重力加速度影響等累加而成。

1）稱重傳感器安裝誤差引入的測量誤差

設(shè)計(jì)之初還需考慮結(jié)構(gòu)變形引起的傳感器位置誤差，經(jīng)計(jì)算和有限元分析后，基本可忽略結(jié)構(gòu)剛度引入的位置誤差。

由軸向質(zhì)心計(jì)算公式:

當(dāng)不考慮距離L2和傳感器自身測量誤差時(shí)，可求得稱重傳感器安裝誤差引入的軸向質(zhì)心測量誤差ΔXc2:

同理，由徑向質(zhì)偏公式，當(dāng)不考慮距離L2和傳感器自身測量誤差時(shí)，可求得稱重傳感器安裝誤差引入的徑向質(zhì)偏測量誤差:

ΔL3為傳感器安裝位置誤差絕對值。

2）稱重傳感器及數(shù)據(jù)采集模塊測量誤差引入的計(jì)算誤差

設(shè)每個(gè)稱重傳感器的綜合極限誤差為σ，質(zhì)量測量誤差引起的軸向質(zhì)心計(jì)算誤差為σxc。

3）稱重傳感器測量基準(zhǔn)面水平度引入的測量誤差

若稱重傳感器測量基準(zhǔn)面與水平面存在一定夾角，設(shè)夾角為θ，雖然稱重傳感器受到的總壓力不變，但各個(gè)稱重傳感器所承載的重力已發(fā)生了微弱變化，水平度引入的測量誤差ΔXθ。

5 裝調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)建議

基于以上誤差分析得出以下結(jié)果和建議。

5.1 提升質(zhì)量測量量程及精度

質(zhì)量測量的誤差主要來源于稱重傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊的精度誤差，同時(shí)重力加速度的變化也會(huì)帶來質(zhì)量測量誤差，質(zhì)量測量精度還影響著軸向質(zhì)心和徑向質(zhì)偏的計(jì)算精度。通過選用高精度、大量程的稱重傳感器及配套帶重力加速度差異補(bǔ)償?shù)母呔葦?shù)據(jù)采集模塊，可有效提升裝調(diào)系統(tǒng)質(zhì)量測量量程及精度，為后續(xù)計(jì)算質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏數(shù)據(jù)提供有力保障。

5.2 提升距離測量裝置的精度和重復(fù)度

選擇高精度的距離測量裝置，可有效降低距離測量誤差，提升裝調(diào)系統(tǒng)的質(zhì)心、質(zhì)偏測量精度。如采用如基于激光的高精度自動(dòng)測距方案，可減少人員操作，避免代入人工測量誤差，提升距離的測量精度和重復(fù)性，最終達(dá)到提升質(zhì)心、質(zhì)偏測量精度和重復(fù)性的目的。

5.3 提升機(jī)械加工精度和裝配工藝

稱重傳感器的安裝誤差ΔL1和ΔL3越大，引入的質(zhì)心質(zhì)偏測量誤差越大，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工精度和安裝工藝可減小稱重傳感器的安裝誤差。距離測量裝置的安裝位置誤差?yuàn)A角α越大，軸向質(zhì)心和徑向質(zhì)偏的測量誤差越大，合理考慮結(jié)構(gòu)布局、被測物放置狀態(tài)自動(dòng)對心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，能在很大程度上降低此類誤差。

5.4 合理選取傳感器的間距

5.5 確保稱重傳感器測量基準(zhǔn)面處于水平

稱重傳感器測量基準(zhǔn)面與水平面間的夾角θ越大，引入的質(zhì)心、質(zhì)偏測量誤差也越大；故裝調(diào)系統(tǒng)安放時(shí)應(yīng)盡量找一個(gè)剛性平地，并配備合理的水平檢測手段，確保稱重傳感器的測量基準(zhǔn)面處于水平。

5.6 優(yōu)化裝調(diào)操作流程

5.6.1 增加徑向質(zhì)偏測量功能

通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的重新優(yōu)化設(shè)計(jì)、稱重傳感器的合理布局及上位機(jī)軟件質(zhì)偏測量功能開發(fā)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)徑向質(zhì)偏測量功能，減少下水測量環(huán)節(jié)，為后續(xù)調(diào)重計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

表1 操作流程優(yōu)化前后對照表

5.6.2 優(yōu)化裝調(diào)系統(tǒng)高精度配重算法

調(diào)重計(jì)算前技術(shù)準(zhǔn)備均不涉及調(diào)重衡重參數(shù)調(diào)節(jié)，且流程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，操作的步驟流程已無法簡化，技術(shù)準(zhǔn)備所需的時(shí)間得到固化。

后續(xù)過程涉及調(diào)重衡重參數(shù)測量和調(diào)節(jié)，通過上述技術(shù)升級，并配合核心調(diào)重算法優(yōu)化，可減少現(xiàn)場浮力浮心測量、穩(wěn)心高測量和計(jì)算、衡重計(jì)算、配重鉛塊微調(diào)和下水復(fù)測（必要時(shí)）等操作環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對操作流程的優(yōu)化，詳見表1，達(dá)到節(jié)省技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間、提升工作效率的目的。

6 結(jié)語

在原有裝調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過選用更大量程更高精度的稱重傳感器及配套帶重力加速度差異補(bǔ)償?shù)母呔葦?shù)據(jù)采集模塊、稱重傳感器合理布局、采用高精度自動(dòng)測距方案、優(yōu)化上位機(jī)軟件等方式方法，既可實(shí)現(xiàn)裝調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程包裝箱機(jī)動(dòng)運(yùn)輸及陣地快速展開，同時(shí)減少了人員操作，提升了裝調(diào)精度和重復(fù)性，使操作準(zhǔn)備流程更加方便簡捷，技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間大幅減少，裝調(diào)效率得到較大的提升。