一种多功能弹静态参数测试系统设计

2020-04-27宋斌李波杜科

科技视界 2020年5期

宋斌　李波　杜科

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。