耿晨剛

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第713研究所,鄭州 450015)

導(dǎo)軌精度檢測方法

耿晨剛

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第713研究所,鄭州 450015)

提出一種運(yùn)用激光跟蹤儀檢測某發(fā)射架導(dǎo)軌精度的方法。該方法在分析激光跟蹤儀的測量原理基礎(chǔ)上，應(yīng)用激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)對垂直發(fā)射架導(dǎo)軌的檢測，給出了詳細(xì)的檢測步驟，最后進(jìn)行測量不確定度的評定，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

激光跟蹤儀;發(fā)射架;導(dǎo)軌;檢測

1.引言

導(dǎo)軌安裝精度是某垂直發(fā)射系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，不同程度的影響著適裝導(dǎo)彈發(fā)射時的初始精度，直接決定了導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的殺傷效能。隨著導(dǎo)彈發(fā)射裝置通用化水平不斷提升，為滿足各種多型武器適裝通用化垂直發(fā)射裝置的需求，發(fā)射架物理尺寸的高度最大化設(shè)計使得發(fā)射架導(dǎo)軌的長度很長，繼而導(dǎo)軌最深段距離艦甲板面較遠(yuǎn)，大大增加了導(dǎo)軌安裝精度指標(biāo)的檢測難度。采用普通的光學(xué)測量儀器進(jìn)行精度檢測，存在工作條件苛刻、操作過程復(fù)雜、測量誤差較高等缺點(diǎn)。本文基于激光跟蹤儀的測量原理，結(jié)合發(fā)射架安裝精度指標(biāo)技術(shù)特點(diǎn)開展研究，提供出一套行之有效的大型垂直發(fā)射架導(dǎo)軌精度檢測方案。

2.激光跟蹤儀簡介

激光跟蹤儀是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。它集合了激光干涉測距、光電探測、精密機(jī)械、計算機(jī)及控制、現(xiàn)代數(shù)值計算等各種先進(jìn)技術(shù)和理論，對空間運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實(shí)時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測量。

影響激光跟蹤儀精度主要有以下幾種因素：

1)激光跟蹤儀的角度編碼器隨著距離的加大帶來的位置誤差亦很大，所以跟蹤儀本身主要是角度誤差；

2)在激光跟蹤儀的應(yīng)用中，靶標(biāo)對測量精度的影響亦不可忽視，通常靶標(biāo)外形為球形，內(nèi)部為3個互相垂直的反射鏡(CCR)。若三個發(fā)射鏡的角點(diǎn)和外球的中心不重合或3個反射鏡面相互不垂直都會引起誤差；

3)激光本身受大氣溫度、壓力、濕度及氣流流動的影響，所以大氣參數(shù)的補(bǔ)償對此儀器的正常使用十分關(guān)鍵。

3.案例設(shè)置

3.1 檢測指標(biāo)設(shè)定

以某型大型發(fā)射架為例，設(shè)其導(dǎo)軌最深段距離甲板面為7米。發(fā)射架導(dǎo)軌安裝精度指標(biāo)主要有發(fā)射架導(dǎo)軌相對于發(fā)射架安裝基座的垂直度誤差和平行度誤差。精度檢測項(xiàng)目見表1所示。

表1 發(fā)射架精度檢測項(xiàng)目

3.2 選用的檢測儀器組成及主要指標(biāo)

所選用的檢測儀器主要由激光跟蹤儀、電子傾斜儀和過渡測量平臺等組成。檢測儀器主要指標(biāo)見表2所示。

1) 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀主要包括量塊、球形測桿、直角靶座、靶球、90°轉(zhuǎn)接頭等。它是利用特征點(diǎn)相對于跟蹤儀機(jī)器原點(diǎn)的水平、垂直角度及距離來計算特征點(diǎn)空間位置坐標(biāo)。通過特征點(diǎn)坐標(biāo)值構(gòu)造直線、平面等特征元素，實(shí)現(xiàn)線性尺寸、形位公差的測量。

2 )電子傾斜儀

電子傾斜儀可對大地水平度進(jìn)行測量，主要實(shí)現(xiàn)艦基準(zhǔn)平臺基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。

3 )過渡測量平臺

過渡測量平臺的功能是模擬艦基準(zhǔn)平臺。

表2 檢測儀器主要指標(biāo)

3.3 檢測環(huán)境要求

發(fā)射架導(dǎo)軌安裝精度檢測工作通常在武器系統(tǒng)安裝載艦階段實(shí)施。測量時機(jī)選擇當(dāng)發(fā)射架安裝到位，并與船體之間完成連接和焊接之后。

根據(jù)檢測儀器的性能和導(dǎo)軌精度指標(biāo)的精度要求檢測作業(yè)處于以下環(huán)境：檢測應(yīng)于日落后3小時至日出前1小時或陰天時進(jìn)行；環(huán)境溫度要求5℃～40℃；測量時其他人停止作業(yè)；船體基準(zhǔn)橫傾應(yīng)在3′以內(nèi)，縱傾應(yīng)在2′以內(nèi)；船體在塢內(nèi)，處于半坐墩狀態(tài)；測量面需光滑，無多余物。

4.檢測方案

4.1 檢測原理

本方案主要是利用傾斜儀和過渡測量平臺將艦基準(zhǔn)平臺轉(zhuǎn)換到彈庫表面上，然后用激光跟蹤儀對過渡測量平臺、艏艉線、艏艉線垂直線及導(dǎo)軌等特征點(diǎn)進(jìn)行測量，利用各特征元素建立坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)垂直度、平行度的測量。

4.2 檢測具體流程

4.2.1 準(zhǔn)備

用電子傾斜儀測量出艦基準(zhǔn)平臺橫向和縱向傾斜角度值；

將過渡測量平臺放置彈庫表面上，并保證與激光跟蹤儀激光頭之間無光線阻擋，平臺中心線與艦艏艉線基本處于同一鉛垂面上，用傾斜儀測量平臺橫向和縱向角度值，并調(diào)整使得平臺中心線與艦基準(zhǔn)平臺之間夾角滿足不大于0.5°條件；

打開發(fā)射架被測量隔艙艙口蓋，將激光跟蹤儀機(jī)頭通過90°轉(zhuǎn)接頭安裝在三腳架上并放置在隔艙口上端，確保隔艙被測導(dǎo)軌測量面均在激光跟蹤儀激光可達(dá)范圍內(nèi)，連接激光跟蹤儀控制器，加電預(yù)熱激光跟蹤儀機(jī)頭，固定三腳架。

4.2.2 測量

用激光跟蹤儀測量過渡測量平臺上表面(平面P)，測量點(diǎn)應(yīng)在平臺大面分布，點(diǎn)數(shù)不少于9點(diǎn)，平面度小于0.09mm時，平面特征可接受。

用激光跟蹤儀球形測桿測量出彈庫表面艦艏艉線及與艏艉線垂直的中心刻線4個特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，如圖1所示：

圖1 特征點(diǎn)設(shè)置示意圖

將4個特征點(diǎn)，投影至平面P，用與艦艏艉線垂直的中心刻線投影點(diǎn)構(gòu)造直線L1，艦艏艉線投影點(diǎn)構(gòu)造直線L2；

以平面P的法線方向?yàn)閆軸，直線L1方向?yàn)閄軸，L1與L2交點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系；根據(jù)艦基準(zhǔn)平臺與平面P之間的夾角，對坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使Z軸與艦基準(zhǔn)平臺法向重合；

用激光跟蹤儀球形測桿測量出船體前艦艏艉線2個特征點(diǎn)，以2個特征點(diǎn)的方向?qū)ψ鴺?biāo)系的X軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使X軸方向與艦艏艉線方向重合；

在導(dǎo)軌軌面上取兩個測量點(diǎn)，在測量點(diǎn)處放置一標(biāo)準(zhǔn)量塊(量塊應(yīng)緊貼正交軌面，見圖2)，將靶座和靶球放置到測量點(diǎn)處(靶座應(yīng)緊貼量塊側(cè)面和軌面，見圖2)。通過激光跟蹤讀取定位導(dǎo)軌各測點(diǎn)處的X和Y坐標(biāo)值。

4.2.3 計算

發(fā)射架導(dǎo)軌方位精度等于處于同一高度導(dǎo)軌左、右兩側(cè)的兩測量點(diǎn)處Y坐標(biāo)值差，X方向?qū)к壌怪倍鹊扔谕瑐?cè)上、下方導(dǎo)軌的兩個測量點(diǎn)處X坐標(biāo)值差，Y方向?qū)к壌怪倍鹊扔谕瑐?cè)上、下兩定位段導(dǎo)軌測量點(diǎn)處Y坐標(biāo)值差。

圖2 量塊布置示意圖

5.測量不確定度評定

5.1 垂直度測量不確定度評定

5.1.1 測量方法

垂直度測量是利用艦基準(zhǔn)平臺和艦艏艉線為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，然后測量導(dǎo)軌的位置來計算垂直度，垂直度不確定度來源于艦基準(zhǔn)平臺水平度測量誤差、過渡測量平臺水平度測量誤差(傾斜儀測量)、過渡測量平臺測量誤差(激光跟蹤儀測量)及導(dǎo)軌位置測量誤差。

5.1.2數(shù)學(xué)模型

E=S1-S2+S3+60tan-1{(A-B)/2000}

(1)

式中：E—垂直度；S1—艦水平基準(zhǔn)平面縱向或橫向水平度；S2—過渡測量平臺縱向或橫向水平度；S3—過渡測量平臺激光跟蹤儀測量平面角度偏差；A—側(cè)導(dǎo)軌位置1的X或Y坐標(biāo)；B—側(cè)導(dǎo)軌位置2的X或Y坐標(biāo)；2000—位置1到位置2距離(估算值)；60—度轉(zhuǎn)換分。

5.1.3方差和傳播系數(shù)

各輸入量彼此獨(dú)立不相關(guān)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u由下式得

(2)

式中：f—垂直度與各分量的函數(shù)關(guān)系；u(xi)—各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

依上式可知，

u2=C2(S2)μ2(S1)+C2(S2)μ2(S2)+

C2(S3)μ2(S3)+C2(A)μ2(A)+C2(B)μ2(B)

(3)

其中：C(S1)=C(S2)=C(S3)=1;C(A)=C(B)=60/2000=0.03。

5.1.4計算分量不確定度

1)艦基準(zhǔn)平臺角度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Si)

2)數(shù)據(jù)A、數(shù)據(jù)B引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(A)、u(B)

5.1.5合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u

標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

各不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，則：

u2=C2(S1)μ2(S2)+C2(S2)μ2(S2)+

C2(S3)μ2(S3)+C2(A)μ2(A)+C2(B)μ2(B)

(4)

其中：C(S1)=C(S2)=C(S3)=1；C(A)=C(B)=60/2000=0.03u=0.22′。

5.1.6擴(kuò)展不確定度

(5)

k=2，k一般取2。

5.2 平行度測量不確定度評定

5.2.1測量方法

平行度測量是利用平面P和艦艏艉線為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，然后測量導(dǎo)軌的位置來計算平行度。平行度不確定度來源主要來源于艦艏艉線測量誤差和導(dǎo)軌位置測量誤差。

5.2.2數(shù)學(xué)模型

平行度F=W+60tan-1{(C-D)/600}

(6)

式中：F—平行度；W—艦艏艉線測量角度偏差；C—導(dǎo)軌左位置的Y坐標(biāo)；D—導(dǎo)軌右位置的Y坐標(biāo)；600—導(dǎo)軌左位置到右位置距離(估算值)；60—度轉(zhuǎn)換分。

5.2.3方差和傳播系數(shù)

C2(D)μ2(D)

(7)

其中：C(W)=1；C(C)=C(D)=0.1,

5.2.4計算分量不確定度

1)艦艏艉線引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(W)

2)數(shù)據(jù)A、數(shù)據(jù)B引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(C)、u(D)

5.2.5合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u

標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

各不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，則：

(8)

5.2.6擴(kuò)展不確定度

(9)

k=2，k一般取2。

6.結(jié)束語

通過對利用激光跟蹤儀檢測發(fā)射架導(dǎo)軌精度方案的闡述，以及對測量方法不確定度的評定計算可知，該檢測方案簡單、易行，檢測精度高，滿足設(shè)例的發(fā)射架精度測量要求。本測量方案是基于艦船靜止環(huán)境的精度檢測，而如何實(shí)現(xiàn)海上動基座條件下垂直發(fā)射架的各種狀態(tài)參數(shù)檢測則是一項(xiàng)需要我們深入研究的課題。

[1]葉德培.測量不確定度[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996.

[2]溫俊銘.空間角度計算[M].北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[3]甘永立.形狀和位置誤差檢測[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

GuidePrecisionDetectionMethod

GENG Chen-gang

(The 713 Research Institute of CSIC,Zhengzhou 450015,China)

By a method to detect a launcher guide precision laser tracker.Base on analyzing the measurement theory of the laser tracker system,the method actualizes the checking of vertical launcher rail,and put forward the particular steps of back-check.At last,the article gets an evaluation of uncertainty measurement to validate the validity and feasibility of this method.

laser tracker system;launcher;rail;check

P258

A

1008-3715(2013)05-0122-04

2013-07-25

耿晨剛(1970—)，男，河南安陽人，中國船舶重工集團(tuán)公司第713研究所工程師，從事機(jī)械設(shè)計研究。

(責(zé)任編輯趙冰)