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一种多功能弹静态参数测试系统设计

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  摘 要
  随着武器装备的现代化发展,对于弹的速度要求越来越高,须对弹的静态参数(质量、质心、转动惯量)进行精确测量。本文设计了一种多功能弹静态参数测试系统,集质量、质心、转动惯量测试于一体,主要由机械执行机构和测试系统组成,可自动完成弹的质量、质心及转动惯量的测量,提高了测试效率。同时介绍了系统的测试原理以及硬件组成,分析了系统的测量误差及测试效率,表明该系统能够满足弹的静态参数测量及测试效率。
  关键词
  质量;质心;转动惯量;效率
  中图分类号: TP23                        文獻标识码: A
  DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.046
  0 引言
  现代高速飞行的弹,其质量、质心及转动惯量的精度对弹的飞行轨迹精度影响较大,应进行精确测量。目前国内普遍采用分离式测量方法,按照质量、质心、转动惯量先后顺序采用不同设备进行测量,自动化程度低,测试人员劳动强度大等缺点,且不能适应生产线的快速批量测试。本文介绍了一种多功能弹静态参数测试系统,可实现一台设备同时完成质量、质心、转动惯量的测试,可广泛应用在自动生产线的测试工位,提高生产效率。
  1 测量原理
  1.1 质量测量原理
  采用防爆电子台秤实现对被测物质量的精确测量,该电子台秤最大称量为300kg,测量精度20g,满足设备指标要求。
  1.2 质心测量原理
  在设备秤盘的腹心部位,安装三支高精确度的称重压力传感器,三支传感器形成等腰三角形,安装布置如图1所示。
  质心测量的力学模型如图2所示。根据静力矩平衡原理,质心的测量公式为:
  式中:L为被测弹体的质心;
   L3—称重传感器2、3在轴向方向的距离;
   L5—称重传感器3在轴向方向与长度测量尺零位的距离;
   L6—待测物顶端在轴向方向与称重传感器3的距离;
   L0—待测物顶端在轴向方向与长度测量尺零位的距离。
  1.3 偏心测量原理
  偏心测量采用成熟,分别测量出原位及旋转90°、180°、270°四次F1的值,根据静力矩平衡原理,偏心的测量公式为:
  式中:e为被测弹体的偏心,F11、F12、F13、F14分别为F1的四次测量值。
  1.4 转动惯量测试原理
  转动惯量采用成熟的扭摆法进行测试,转动惯量测量值Id,可由下式计算得出。
  其中:
  Id——待测物体的转动惯量
  I0——装置空载的转动惯量
  Ib——标准样柱的转动惯量
  Tb——加标准样柱的振动周期
  T0——装置空载的振动周期
  T——加待测物的振动周期
  2 测试系统总体设计
  2.1 测量与控制系统设计
  测量与控制系统由主控计算机、电子天平、高精度数字多用表、PLC主机、运动控制模块、频率测量模块、数字I/O模块、矩阵开关、伺服/执行控制器和安全保护装置组成,实现自动化测量。主控计算机完成数据处理/分析,电子天平完成高精度的质量测量,高精度数字多用表完成力传感器的数据采集实现质心偏心测量。运动控制模块接收主机传送的指令和数据,通过计算生成位置指令,并将位置指令传给伺服/执行控制器,实现机构的运动,完成自动化测量。
  1—基座部件;2—质心偏心测量部件;3—滚转支撑部件;
  4—电子天平;5—极转动惯量测量部件;6—长度测量部件;
  7—赤道转动惯量测量部件;8—赤道推力部件;9—秤盘支撑部件
  2.2 机械台体部件设计
  机械台体部件主要由质心偏心测量部件、电子天平、滚转支撑部件、长度测量部件、秤盘支撑部件、极转动惯量测量部件、赤道转动惯量测量部件、赤道推力部件及基座部件等组成。机械台体部件示意图如图3所示。
  2.3 软件设计
  软件设计主要功能是实现弹体多个静态参数(质量、质心、转动惯量)的自动测试,根据测试数据进行处理,并判断测试的结果是否合格,可以查看历史测试数据和结果。该测试软件包括底层驱动软件和上层测控软件两部分,其中底层驱动软件主要实现测量时的相关运动控制、逻辑控制和测试数据读取等功能。上层测控软件主要实现参数设置、测试流程和测试结果处理等工作。
  2.3.1 底层驱动软件
  底层驱动软件主要以西门子PLC的TIA Portal V13为开发平台,其主要功能为:
  a)读取光栅尺的值,计算出被测弹体的长度;
  b)控制台体升降运动、旋转等运动,同时记录测量数据(弹体重量、摆动周期)等;
  c)限位、安全保护等逻辑控制。
  2.3.2 上层测控软件
  上层测控软件主要包括参数校准、弹体测试和传感器标定等工作:
  a)通过对样柱进行测试,实现参数的校准;
  b)实现测试的控制流程,保证测试过程中的各个环节的状态稳定可靠;
  c)自动实现弹体多个静态参数(质量、质心、转动惯量)的测试,可选择单个、多个参数进行测试。
  d)对测试数据进行处理,得出测试结果。并可实现测试数据的保存和查看等功能。
  e)可对传感器进行标定。
  3 误差分析
  3.1 质量误差   设备采用高精度电子天平进行质量的测量,其精度可达到量程300kg,精度20g,完全满足技术指标要求。
  3.2 质心误差
  质心误差主要由光栅尺和位移计测量误差以及传感器测量误差引起。
  质心误差:δ质心=δ距+δ传
  其中:δ距-光栅尺和位移计精度引起的误差;
    δ传-称重传感器测量误差引起的误差。
  1)光栅尺和位移计直接影响测试结果,本案选择光栅尺和位移计测距总误差:δ距=0.02+0.1=0.12mm
  2)传感器测量误差引起的质心误差
  根据随机误差传递公式,由函数关系式:
  三只称重传感器的量程分别为F1=200kg,F2=F3=100kg,其测量误差δ1=200×0.02%=0.04kg,δ2=100×0.02%=0.02kg,电子台秤测量误差δG=0.02kg。
  质心的总误差为:δ质心=δ距+δ传=0.12+0.036=0.156 mm<1mm
  3.3 偏心误差
  由偏心函数关系式(2)可得偏心误差。
  系统测试过程中F11、F12、F13与F14分别为同一力的四次测量,其测量值相差很小,可以忽略。因此偏心的误差可简化为:
  测量系统,传感器精度为0.04Kg,支撑距离L4为680mm,偏心测量误差为:δe=0.096<0.2mm
  3.4 转动惯量误差
  转动惯量的误差主要是由周期测量和阻尼比变化引起的误差。
  3.4.1 周期测量引起的误差
  由于采用成熟测量方法,周期测量误差引起的转动惯量的相对误差为:
  该转动惯量测试系统周期实际测量值为2.58s,测量误差为0.005s,故周期测量引起的误差为:
  3.4.2 阻尼比变化引起的误差
  转动惯量的变化影响阻尼比,阻尼比影响转动惯量,假设加有效负载后转动惯量是加载前的k倍,k>0,它的影响如下所示:
  由于采用标准量柱比较测量法,取标准量柱和待测弹的转动惯量差值倍数k=200,阻尼比ζ=0.05,阻尼比变化引起的误差为:
  3.4.3 测量总误差
  测量总误差是周期测量引起的误差与阻尼比变化引起的误差之和。
  4 测试结果
  采用Φ252mm的标准样柱进行比较测试,其理论值如表1所示。
  将标准样柱固定在测量设备上分别进行测量,其测量结果如表2所示。
  同时对测试时间进行了测试,系统完成一次测试时间约8分钟,采用原分离式测量法完成一次测试约30分钟,因此大大节约了测试时间,提高了测试效率。
  5 结束语
  多功能弹静态参数测试系统采用自动化设计理念,实现了静态参数的自动化测量,经测试满足使用指标要求。同时与传统测试方法相比,测试效率大幅提高,减轻了测试人员劳动强度,因此可广泛应用于弹的自动化装配生产线,具有较高的推广价值。
  参考文献
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