中大口徑彈藥物理量自動化測量系統(tǒng)的應用與研究

毛明旭，于曉光，陳 濤，劉志強，趙學龍

(1.遼寧科技大學，遼寧鞍山 114051;2.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110179;3.西北工業(yè)集團，西安 710043)

彈藥的靜態(tài)參數(shù)(質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏、長度等)是衡量彈藥性能的重要指標［1-2］，直接決定著彈藥的運行軌跡及打擊精度，因此，關(guān)于靜態(tài)參數(shù)測量方法的研究和靜態(tài)測量參數(shù)儀器的研制，一直受到國內(nèi)外生產(chǎn)廠家以及使用單位的高度重視［3-5］。經(jīng)過國內(nèi)一些軍工企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的質(zhì)量質(zhì)心質(zhì)偏及長度等測量裝置自動化程度較低，一般采用人工搬運、人工旋轉(zhuǎn)、人工定位、人工測量、人工記錄等，這在一定程度上造成了測量精度不高、測量周期長、人工勞動強度大等缺點。

中大口徑彈藥質(zhì)量質(zhì)心質(zhì)偏及長度自動化測量系統(tǒng)是根據(jù)上述問題以及兵工自動化發(fā)展需求而設(shè)計，能完成多種型號、多種尺寸的中大口徑彈藥實現(xiàn)質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏及長度的自動化測量，外觀圖如圖1 所示。

圖1 設(shè)備外觀

1 測量原理

1.1 質(zhì)量、質(zhì)心測量原理

在測量平臺下方呈等腰三角形布置三只測力傳感器，產(chǎn)品通過V 型支撐與測量平臺相連。待測產(chǎn)品、工裝及傳感器的受力方式如圖2 所示。

圖2 質(zhì)量、質(zhì)心測量原理框圖

彈藥的質(zhì)量

彈藥的軸向質(zhì)心位置(以產(chǎn)品前端面算起)

其中: L0為待測物頭部到前傳感器的距離;X 為前傳感器到待測物質(zhì)心的距離;LG為前、后傳感器的間距; P1、P2、P3為3個傳感器的稱量值; P 為待測物質(zhì)量; P0為工裝(包括測量平臺、V 型支撐等)的質(zhì)量;Gx為待測物質(zhì)心(以產(chǎn)品前端面為基準)。

1.2 質(zhì)偏測量原理

產(chǎn)品質(zhì)偏位置測量時，如圖3 所示，轉(zhuǎn)動待測物使之處于0°，90°，180°，270°位置，并通過測出相應這4 個位置時傳感器所受的壓力F1、F2、F3、F4。

圖3 質(zhì)偏測量原理

根據(jù)靜力矩平衡原理，徑向質(zhì)心計算如下:

式中:E 為待測物的偏心距;A 為待測物的偏心角; B 為刀口到待測物軸心的距離; Le為測偏心傳感器支承點到刀口的距離; F1、F2、F3、F4為待測物位于0°，90°，180°，270°時偏心傳感器的讀數(shù)。

1.3 彈長測量原理

產(chǎn)品長度測量的原理:在產(chǎn)品前后設(shè)計了兩套位置測量裝置，兩套位置測量裝置分別向產(chǎn)品運動，測量擋塊與產(chǎn)品兩端接觸后，停止運動并記錄測量數(shù)據(jù)，測量原理如圖4所示。

其中:Lx為彈體長度; L1為長度測量裝置1 移動的距離; L2為長度測量裝置2 移動的距離;L 為兩個傳感器基準面之間的距離。

圖4 彈長測量原理

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)機械設(shè)計

如圖5 所示工作時，3 只稱重傳感器用于測量產(chǎn)品的重量并計算其質(zhì)心位置; 產(chǎn)品V 型支撐工裝用于放置定位產(chǎn)品;V 型支撐工裝自動升降裝置用于在產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)90°或不工作時使支撐工裝及產(chǎn)品與測量傳感器脫離，避免傳感器長期承載而變形;前后兩套長度測量裝置為由氣缸自動推動的長度測量傳感器組成，用于自動測量產(chǎn)品的長度; 彈體自動翻轉(zhuǎn)裝置為由伺服電機驅(qū)動的氣動抓手翻轉(zhuǎn)裝置，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)偏測量時4 個90°位置的自動翻轉(zhuǎn);專用測量軟件根據(jù)3 個稱重傳感器及長度測量傳感器的數(shù)據(jù)自動計算產(chǎn)品的長質(zhì)心位置及長度。測量過程為:當產(chǎn)品到達質(zhì)心及長度測量工位時止停，搬運機械手將產(chǎn)品搬運至設(shè)備V 型支撐工裝，V型支撐工裝自動升降裝置驅(qū)動支撐工裝及產(chǎn)品落到測量工位進行測量，兩側(cè)長度測量裝置由氣缸推動與產(chǎn)品接觸進行產(chǎn)品長度測量，測量軟件記錄測量數(shù)據(jù)。V 型支撐工裝自動升起，產(chǎn)品自動翻轉(zhuǎn)裝置上的氣動抓手夾緊產(chǎn)品并將產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)90°后進行第二次測量，如此往復，產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)360°后，測量軟件可根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出產(chǎn)品的質(zhì)心及長度，并將測量數(shù)據(jù)通過總線傳入生產(chǎn)管理系統(tǒng)，判定產(chǎn)品的合格與否。

圖5 質(zhì)量/質(zhì)心/質(zhì)偏/長度測量系統(tǒng)

2.2 測控系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由計算機自動控制，測控系統(tǒng)主要包括計算機、測控儀、稱重測量儀、行程開關(guān)、光電傳感器等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 測控系統(tǒng)原理框圖

2.3 測試軟件

測量軟件在Windows XP 操作系統(tǒng)下，采用Labwindows/CVI 開發(fā)平臺開發(fā)，具有界面友好、操作方便、系統(tǒng)可靠等優(yōu)點［6-7］，如圖7 所示。

圖7 質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏測量模塊

系統(tǒng)軟件可以實現(xiàn)以下功能:質(zhì)量質(zhì)心質(zhì)偏長度使用一套測試軟件實現(xiàn);質(zhì)量質(zhì)心質(zhì)偏長度測量臺的卸載加載全部采用軟件自動控制實現(xiàn)，對電機的開停進行軟件和硬件雙保險，防止危險操作和燒壞電機;參數(shù)設(shè)置:具有去皮、預設(shè)皮重、日期、項目標號、被測產(chǎn)品編號、打印編號等功能。具有質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏、長度檢測和計量校準功能;數(shù)據(jù)統(tǒng)計和報表功能:能夠?qū)z測數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總，并以EXCEL、WORD 等表格方式報表輸出; 測試軟件包括標效軟件、測量數(shù)據(jù)部分和打印顯示部分，存儲的數(shù)據(jù)采用標準的數(shù)據(jù)庫文件格式，方便數(shù)據(jù)的整合與分析。

3 結(jié)論

本套系統(tǒng)已投入使用，實現(xiàn)了完全無人化操作，提高了檢測精度、工作效率和本質(zhì)安全度，降低了勞動強度，避免了因人為操作造成的火工品表面劃傷以及傾覆等危險事故的發(fā)生。通過現(xiàn)場工作測試。按每天工作8 h 計，日檢測彈藥120 發(fā);而采用人工搬運可檢測50 發(fā)，大大提高了工作效率和檢測精度。

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