某裝調系統裝調效率提升可行性研究?

譚應波

（1.海軍工程大學兵器工程學院 武漢 430033）（2.重慶紅江機械有限責任公司技術中心 永川 402162）

1 引言

水中兵器在水中的運動姿態關系到系統工作使命能否可靠順利的完成，為了保證水下運動姿態的穩定，在技術準備時需要保證水中兵器在海水中保持一定的正浮力，且質心、浮心、穩心高滿足要求。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，自身的調節余量比較有限，便對裝調系統的裝調精度提出了較高的要求。

2 現有裝調系統的不足

現有裝調系統專為測量某類水中兵器質量、質心設計，量程小、不能兼顧多種型號，且由于不具備質偏測量功能，需將水中兵器吊放入水槽中進行衡重測試，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 國內外發展現狀

在機械工程領域，質量、質心測量的應用已經十分廣泛［1］，依據不同的測量原理，質量質心的測量方法常分為三類:復擺測量法［2］、懸掛法［3］和質量反應法［4］。

復擺測量法利用的是復擺擺動原理來實現測量［5］，通過兩次擺動不同的擺幅測量，該方法只能計算在高度方向上的質心坐標，而且試驗操作步驟繁多、過程復雜，安全性較差，很多環節都容易引入誤差，影響測量精度。

懸掛法利用被試體在自由懸掛狀態時，質心必定要通過懸掛點的垂直面，以此可以確定質心的位置，該方法精度不高，只對小型設備適用。

質量反應法則利用了力矩平衡原理［6］，因為安全性高、試驗過程實現相對簡單等優點而被廣泛采用。

我國從俄羅斯引進的一部彈頭質量特性測量設備，質量精度可以達到0.01%，質心精度為±0.1mm，該設備主要采用是刀口天平法設計，只適用于小量程測量［7］。

目前，航空、航天及水中兵器行業，為測量較大質量的圓柱形彈體質量、質心、質偏數據，較為普遍的采用平臺式測量系統設計［8］。為實現質偏測量功能，有的采用3支撐點式測量方法［9］，產品完成技術準備后，一次吊裝，可以實現質量、質心和質偏數據的測量。

近年來，國內多家科研單位和高校都加大了質量特性測量方面的研究力度，南京理工大學、西北工業大學、哈爾濱工業大學等自主研發了多種型號的質量特性測量設備，有的量程達到20000kg，質量測量精度達到0.03%以上，徑向質心測量精度可達0.1mm，軸向質心測量精度可達0.3mm［10］。

雖然平臺式測量系統具有質量測量范圍廣、精度高的特點，但同時也存在體積大、總重量大、價格較昂貴、不具備裝調功能、不適合快速機動運輸等缺點，總而言之，質量、質心測試設備朝著大量程、高精度及自動化方向發展。

4 裝調系統誤差特性分析

裝調系統采用四點測量法［11］，測量原理圖如圖1 所示，通過四個力傳感器的輸出和相應的運算來得到重心的位置［12］，系統的測量誤差主要來源于質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 質量測量誤差分析

1）質量測量誤差主要來源于稱重傳感器精度誤差和數據采集模塊的誤差。設獨立的每個傳感器的綜合極限誤差分別為σwi（i=1、2、3、4），則質量測量極限誤差:

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準值，則兩地間重力加速度值相差達0.273%。

4.2 軸向質心/徑向質偏測量誤差分析

軸向質心/徑向質偏的測量誤差由以下因素累計的總誤差。

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兩條中軸線的平行度誤差。設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誤差，不可消除，但誤差大小為已知。

3）手動操作距離測量裝置時會引入人工測量誤差，且由不同的人操作，測量誤差亦將不同。

4.2.2 質量測量誤差引起的測量誤差

質量測量誤差主要由稱重傳感器的安裝誤差、稱重傳感器及數據采集模塊的測量誤差、測量基準面水平誤差、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

設計之初還需考慮結構變形引起的傳感器位置誤差，經計算和有限元分析后，基本可忽略結構剛度引入的位置誤差。

由軸向質心計算公式:

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

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

ΔL3為傳感器安裝位置誤差絕對值。

2）稱重傳感器及數據采集模塊測量誤差引入的計算誤差

設每個稱重傳感器的綜合極限誤差為σ，質量測量誤差引起的軸向質心計算誤差為σxc。

3）稱重傳感器測量基準面水平度引入的測量誤差

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

5 裝調系統改進建議

基于以上誤差分析得出以下結果和建議。

5.1 提升質量測量量程及精度

質量測量的誤差主要來源于稱重傳感器和數據采集模塊的精度誤差，同時重力加速度的變化也會帶來質量測量誤差，質量測量精度還影響著軸向質心和徑向質偏的計算精度。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償的高精度數據采集模塊，可有效提升裝調系統質量測量量程及精度，為后續計算質量、質心、質偏數據提供有力保障。

5.2 提升距離測量裝置的精度和重復度

選擇高精度的距離測量裝置，可有效降低距離測量誤差，提升裝調系統的質心、質偏測量精度。如采用如基于激光的高精度自動測距方案，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性，最終達到提升質心、質偏測量精度和重復性的目的。

5.3 提升機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，引入的質心質偏測量誤差越大，提高機械結構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夾角α越大，軸向質心和徑向質偏的測量誤差越大，合理考慮結構布局、被測物放置狀態自動對心結構設計等，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面處于水平

稱重傳感器測量基準面與水平面間的夾角θ越大，引入的質心、質偏測量誤差也越大；故裝調系統安放時應盡量找一個剛性平地，并配備合理的水平檢測手段，確保稱重傳感器的測量基準面處于水平。

5.6 優化裝調操作流程

5.6.1 增加徑向質偏測量功能

通過對機械結構的重新優化設計、稱重傳感器的合理布局及上位機軟件質偏測量功能開發設計，可實現徑向質偏測量功能，減少下水測量環節，為后續調重計算提供數據支持。

表1 操作流程優化前后對照表

5.6.2 優化裝調系統高精度配重算法

調重計算前技術準備均不涉及調重衡重參數調節，且流程已經實現最優化，操作的步驟流程已無法簡化，技術準備所需的時間得到固化。

后續過程涉及調重衡重參數測量和調節，通過上述技術升級，并配合核心調重算法優化，可減少現場浮力浮心測量、穩心高測量和計算、衡重計算、配重鉛塊微調和下水復測（必要時）等操作環節，實現對操作流程的優化，詳見表1，達到節省技術準備時間、提升工作效率的目的。

6 結語

在原有裝調系統基礎上，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償的高精度數據采集模塊、稱重傳感器合理布局、采用高精度自動測距方案、優化上位機軟件等方式方法，既可實現裝調系統的遠程包裝箱機動運輸及陣地快速展開，同時減少了人員操作，提升了裝調精度和重復性，使操作準備流程更加方便簡捷，技術準備時間大幅減少，裝調效率得到較大的提升。