一種多功能彈靜態參數測試系統設計

宋斌　李波　杜科

摘 要

隨著武器裝備的現代化發展，對于彈的速度要求越來越高，須對彈的靜態參數（質量、質心、轉動慣量）進行精確測量。本文設計了一種多功能彈靜態參數測試系統，集質量、質心、轉動慣量測試于一體，主要由機械執行機構和測試系統組成，可自動完成彈的質量、質心及轉動慣量的測量，提高了測試效率。同時介紹了系統的測試原理以及硬件組成，分析了系統的測量誤差及測試效率，表明該系統能夠滿足彈的靜態參數測量及測試效率。

關鍵詞

質量;質心;轉動慣量;效率

中圖分類號： TP23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.046

0 引言

現代高速飛行的彈，其質量、質心及轉動慣量的精度對彈的飛行軌跡精度影響較大，應進行精確測量。目前國內普遍采用分離式測量方法，按照質量、質心、轉動慣量先后順序采用不同設備進行測量，自動化程度低，測試人員勞動強度大等缺點，且不能適應生產線的快速批量測試。本文介紹了一種多功能彈靜態參數測試系統，可實現一臺設備同時完成質量、質心、轉動慣量的測試，可廣泛應用在自動生產線的測試工位，提高生產效率。

1 測量原理

1.1 質量測量原理

采用防爆電子臺秤實現對被測物質量的精確測量，該電子臺秤最大稱量為300kg，測量精度20g，滿足設備指標要求。

1.2 質心測量原理

在設備秤盤的腹心部位，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。

質心測量的力學模型如圖2所示。根據靜力矩平衡原理，質心的測量公式為：

式中：L為被測彈體的質心;

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90°、180°、270°四次F1的值，根據靜力矩平衡原理，偏心的測量公式為：

式中：e為被測彈體的偏心，F11、F12、F13、F14分別為F1的四次測量值。

1.4 轉動慣量測試原理

轉動慣量采用成熟的扭擺法進行測試，轉動慣量測量值Id，可由下式計算得出。

其中：

Id——待測物體的轉動慣量

I0——裝置空載的轉動慣量

Ib——標準樣柱的轉動慣量

Tb——加標準樣柱的振動周期

T0——裝置空載的振動周期

T——加待測物的振動周期

2 測試系統總體設計

2.1 測量與控制系統設計

測量與控制系統由主控計算機、電子天平、高精度數字多用表、PLC主機、運動控制模塊、頻率測量模塊、數字I/O模塊、矩陣開關、伺服/執行控制器和安全保護裝置組成，實現自動化測量。主控計算機完成數據處理/分析，電子天平完成高精度的質量測量，高精度數字多用表完成力傳感器的數據采集實現質心偏心測量。運動控制模塊接收主機傳送的指令和數據，通過計算生成位置指令，并將位置指令傳給伺服/執行控制器，實現機構的運動，完成自動化測量。

1—基座部件;2—質心偏心測量部件;3—滾轉支撐部件;

4—電子天平;5—極轉動慣量測量部件;6—長度測量部件;

7—赤道轉動慣量測量部件;8—赤道推力部件;9—秤盤支撐部件

2.2 機械臺體部件設計

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

2.3 軟件設計

軟件設計主要功能是實現彈體多個靜態參數（質量、質心、轉動慣量）的自動測試，根據測試數據進行處理，并判斷測試的結果是否合格，可以查看歷史測試數據和結果。該測試軟件包括底層驅動軟件和上層測控軟件兩部分，其中底層驅動軟件主要實現測量時的相關運動控制、邏輯控制和測試數據讀取等功能。上層測控軟件主要實現參數設置、測試流程和測試結果處理等工作。

2.3.1 底層驅動軟件

底層驅動軟件主要以西門子PLC的TIA Portal V13為開發平臺，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、旋轉等運動，同時記錄測量數據（彈體重量、擺動周期）等;

c）限位、安全保護等邏輯控制。

2.3.2 上層測控軟件

上層測控軟件主要包括參數校準、彈體測試和傳感器標定等工作：

a）通過對樣柱進行測試，實現參數的校準;

b）實現測試的控制流程，保證測試過程中的各個環節的狀態穩定可靠;

c）自動實現彈體多個靜態參數（質量、質心、轉動慣量）的測試，可選擇單個、多個參數進行測試。

d）對測試數據進行處理，得出測試結果。并可實現測試數據的保存和查看等功能。

e）可對傳感器進行標定。

3 誤差分析

3.1 質量誤差

設備采用高精度電子天平進行質量的測量，其精度可達到量程300kg，精度20g，完全滿足技術指標要求。

3.2 質心誤差

質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。

質心誤差：δ質心=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心誤差

根據隨機誤差傳遞公式，由函數關系式：

三只稱重傳感器的量程分別為F1=200kg，F2=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。

質心的總誤差為：δ質心=δ距+δ傳=0.12+0.036=0.156 mm<1mm

3.3 偏心誤差

由偏心函數關系式（2）可得偏心誤差。

系統測試過程中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，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 轉動慣量誤差

轉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動慣量的相對誤差為：

該轉動慣量測試系統周期實際測量值為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

轉動慣量的變化影響阻尼比，阻尼比影響轉動慣量，假設加有效負載后轉動慣量是加載前的k倍，k>0，它的影響如下所示：

由于采用標準量柱比較測量法，取標準量柱和待測彈的轉動慣量差值倍數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 測試結果

采用Φ252mm的標準樣柱進行比較測試，其理論值如表1所示。

將標準樣柱固定在測量設備上分別進行測量，其測量結果如表2所示。

同時對測試時間進行了測試，系統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，因此大大節約了測試時間，提高了測試效率。

5 結束語

多功能彈靜態參數測試系統采用自動化設計理念，實現了靜態參數的自動化測量，經測試滿足使用指標要求。同時與傳統測試方法相比，測試效率大幅提高，減輕了測試人員勞動強度，因此可廣泛應用于彈的自動化裝配生產線，具有較高的推廣價值。

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