王 斌

(江西服裝學(xué)院商學(xué)院 江西南昌 330201)

慣組系統(tǒng)是一種為航天器等運(yùn)載體提供導(dǎo)航位置和速度的慣性測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)中的電子元器件會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生老化、磨損等，相關(guān)慣性敏感元件因承受載體振動(dòng)、沖擊等影響，在使用一定時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致其導(dǎo)航精度降低，需要對(duì)其進(jìn)行定期標(biāo)定[1-3]。此外，為提高導(dǎo)航精度，某些彈載慣組系統(tǒng)還需在發(fā)射前對(duì)其進(jìn)行再次在線自標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定場(chǎng)所不同，標(biāo)定方法可以分為室內(nèi)標(biāo)定和外場(chǎng)標(biāo)定。根據(jù)觀測(cè)量不同可分為分立標(biāo)定和系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定，其中分立標(biāo)定是一種常用的高精度標(biāo)定方法[3-5]。

傳統(tǒng)的分立標(biāo)定方法是每隔一斷時(shí)間將慣性器件從載體上拆卸下來(lái)，然后安裝在實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，標(biāo)定完成后再重新安裝到載體上。由于慣組系統(tǒng)的使用和標(biāo)定地點(diǎn)一般跨度較大，給實(shí)際使用和維護(hù)帶來(lái)不便，且標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)、效率較低。因此，傳統(tǒng)標(biāo)定方法較難滿足機(jī)載、彈載慣組的機(jī)動(dòng)在線自標(biāo)定需求[1,5]。為改善此狀況，提出一種基于分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的慣組在線自標(biāo)定新方案，其將分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)作為標(biāo)定平臺(tái)，連同慣組系統(tǒng)一同安裝在機(jī)載、彈載等裝備中，標(biāo)定時(shí)無(wú)須拆卸，只需慣組系統(tǒng)向其發(fā)送測(cè)試標(biāo)定指令，即可完成現(xiàn)場(chǎng)在線自標(biāo)定，與傳統(tǒng)標(biāo)定方式相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

此外，為了進(jìn)一步發(fā)揮分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合慣組批量化生產(chǎn)過(guò)程中快速自動(dòng)化檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)出一套基于分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的慣組自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)8套慣組的自動(dòng)化測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可自動(dòng)輸出打印，可大幅提高批產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)試效率。

1 分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)

1.1 多齒分度技術(shù)

多齒分度技術(shù)原理是利用上、下彈性端齒盤(如圖1所示)相對(duì)旋轉(zhuǎn)并嚙合可實(shí)現(xiàn)圓周高精度角位置定位，其中下彈性端齒盤固定不動(dòng)，上彈性端齒盤抬起與下彈性端齒盤脫離嚙合，并相對(duì)下彈性端齒盤旋轉(zhuǎn)一定角位置后經(jīng)再次嚙合，即可實(shí)現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)達(dá)到分度目的[6]。該技術(shù)利用具有平均效應(yīng)的角度定位原理和機(jī)械鎖緊方式，使其具有很高的角度定位精度和重復(fù)精度，以及良好的抗振動(dòng)、抗沖擊性。其中上、下彈性端齒盤是一對(duì)直徑、齒數(shù)、齒形等完全相同的平面向心齒輪，它的每一個(gè)齒的形狀、精度、節(jié)距等幾乎完全相同，在二者相互嚙合的過(guò)程中，因齒的嚙合平均效應(yīng)作用，可獲得極高的分度精度和重復(fù)精度。

圖1 彈性端齒盤齒形圖

1.2 分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)

分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)是一種利用多齒分度技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)角度定位，通過(guò)機(jī)械定位方式鎖緊，具有鎖緊穩(wěn)定性強(qiáng)、分度精度(達(dá)3″)和重復(fù)定位精度(達(dá)3″)高，抗振動(dòng)、抗沖擊性強(qiáng)的一種裝置。其主要由機(jī)械臺(tái)體和控制電路盒兩部分組成，機(jī)械臺(tái)體主要由底座、上下彈性端齒盤、旋轉(zhuǎn)臺(tái)面、升降傳動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)位傳動(dòng)系統(tǒng)組成，彈性端齒盤齒數(shù)為360(以360齒為例)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)面與上彈性端齒盤為一體，底座與下彈性端齒盤為一體，控制電路盒控制升降和轉(zhuǎn)位傳動(dòng)系統(tǒng)，完成旋轉(zhuǎn)臺(tái)面相對(duì)底座的自動(dòng)升降與轉(zhuǎn)位，可實(shí)現(xiàn)以1°(當(dāng)齒數(shù)為360齒時(shí))為最小分度角，在0-360°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)位與定位[7]。

分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)工作原理如圖2所示，工作流程如圖3所示，其可實(shí)現(xiàn)三種狀態(tài)即定位狀態(tài)、轉(zhuǎn)位狀態(tài)、自鎖定狀態(tài)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)指令控制其在三種狀態(tài)之間自動(dòng)切換。①定位狀態(tài)：是指轉(zhuǎn)位臺(tái)可帶動(dòng)負(fù)載繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的角位置處(為360/n的倍數(shù)，n為齒數(shù))，并在工作溫度范圍內(nèi)滿足平面度、定位精度、定位重復(fù)性等要求。②轉(zhuǎn)位狀態(tài)：是指轉(zhuǎn)位臺(tái)帶動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸0～360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，并具備機(jī)械限位裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)速率不小于10°/s。③自鎖定狀態(tài)：指分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)上、下彈性端齒盤完全嚙合鎖緊時(shí)的狀態(tài)，該狀態(tài)區(qū)別于定位狀態(tài)和轉(zhuǎn)位狀態(tài)，可保證轉(zhuǎn)位臺(tái)與負(fù)載一起隨外界運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生相對(duì)位移，解除該狀態(tài)后不影響定位狀態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)性能，且能夠在安裝負(fù)載未通電情況下承受一定的振動(dòng)、沖擊和離心等試驗(yàn)條件。

圖2 工作原理圖

圖3 工作流程圖

2 在線自標(biāo)定

慣組在線自標(biāo)定方案充分利用分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將慣組系統(tǒng)安裝在分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)臺(tái)體上并與之形成一體，最終一并被安裝到彈載、車載等各種載體裝備中，當(dāng)需要對(duì)慣組進(jìn)行在線標(biāo)定時(shí)，可通過(guò)控制慣組向分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)發(fā)送相關(guān)標(biāo)定指令即可控制分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)按照預(yù)設(shè)標(biāo)定流程實(shí)現(xiàn)慣組的在線自標(biāo)定。實(shí)現(xiàn)功能包括：①實(shí)現(xiàn)0～360°方位內(nèi)連續(xù)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并在該范圍內(nèi)每隔360°/n(n為齒數(shù)的倍數(shù))的角度位置準(zhǔn)確可靠定位；②在目標(biāo)位置定位后可靠鎖緊，并能承受相應(yīng)量級(jí)的振動(dòng)、沖擊、過(guò)載等力學(xué)環(huán)境條件，保證定位精度；③鎖定狀態(tài)下，分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)在全姿態(tài)范圍內(nèi)可保持鎖定功能，通電后，其可自動(dòng)復(fù)位到0°位置。

3 自動(dòng)化測(cè)試方案

基于分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的慣組自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要由分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)、程控電源、上位機(jī)和測(cè)試軟件組成。其中分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)為慣組提供測(cè)試基準(zhǔn)角度位置，程控電源為慣組系統(tǒng)供電，上位機(jī)控制分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)、程控電源和慣組系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序工作，測(cè)試軟件自動(dòng)發(fā)送測(cè)試指令，并采集、分析和處理測(cè)試數(shù)據(jù)，以及實(shí)時(shí)顯示和保存處理結(jié)果。

圖4 慣組自動(dòng)化測(cè)試總體結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，該系統(tǒng)具體可實(shí)現(xiàn)以下三大功能：①自動(dòng)控制程控電源按需向慣組系統(tǒng)供電；②自動(dòng)控制分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)旋轉(zhuǎn)臺(tái)面的升降、轉(zhuǎn)位和自鎖緊；③實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、分析處理、顯示和保存慣組系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)。整體上可實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試：①慣組系統(tǒng)偏航角α、俯仰角β和側(cè)滾角δ的精度測(cè)試[8]；②慣組系統(tǒng)開機(jī)重復(fù)性測(cè)試[8]；③慣組系統(tǒng)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性測(cè)試[8]。慣組系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試流程如圖5所示。

圖5 慣組系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試流程圖

為了提高測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)PCI-E多串口卡(包括RS-232、RS-422和RS-485，最高波特率達(dá)921600)、CAN通信模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單可靠快速傳輸。測(cè)試軟件采用VC++2010工具進(jìn)行開發(fā)，具有通用型強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定且效率高的特點(diǎn)。

4 對(duì)比分析

如表1所示，基于分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的慣組在線自標(biāo)定系統(tǒng)同傳統(tǒng)標(biāo)定方式相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。一方面可使慣組系統(tǒng)免于重復(fù)拆卸標(biāo)定，提高工作效率，滿足慣組在線實(shí)時(shí)自標(biāo)定的需求；另一方面相對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)定方式其慣組系統(tǒng)的標(biāo)定精度也得到了明顯提高。其不足之處在于分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)目前暫未實(shí)現(xiàn)多維自由度的空間動(dòng)態(tài)變換，其更適合于只需標(biāo)定系統(tǒng)部分關(guān)鍵誤差參數(shù)即可滿足要求的場(chǎng)合，詳見表1。

表1 傳統(tǒng)標(biāo)定方式與新型標(biāo)定方式對(duì)比表

如表2所示，基于分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的慣組自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)同基于轉(zhuǎn)臺(tái)方式測(cè)試系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①檢測(cè)效率高，人工勞動(dòng)量可大幅減輕；②自鎖緊穩(wěn)定性更強(qiáng)、分度精度和重復(fù)定位精度更高；③設(shè)備體積小，成本投入大幅降低，性價(jià)比高。不足之處在于對(duì)俯仰角和側(cè)滾角精度測(cè)試時(shí)需額外增加角度工裝，測(cè)試相對(duì)繁瑣。因此其特別適用于俯仰角和側(cè)滾角為0°時(shí)慣組系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)的測(cè)量，以及批量生產(chǎn)中的慣組系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)的預(yù)檢。

表2 慣組自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)與基于轉(zhuǎn)臺(tái)方式測(cè)試系統(tǒng)對(duì)比分析

5 結(jié) 語(yǔ)

文章充分利用了分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的突出優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種基于分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)的慣組系統(tǒng)在線自標(biāo)定方案和慣組系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)試方案，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，其在多個(gè)方面具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值，也為慣組系統(tǒng)在線自標(biāo)定和批產(chǎn)化中自動(dòng)化測(cè)試研究提供了一種借鑒方案。通過(guò)文中對(duì)慣組系統(tǒng)新型標(biāo)定和測(cè)試方法與傳統(tǒng)方法的對(duì)比分析可知，分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)因目前暫未實(shí)現(xiàn)多維自由度的空間動(dòng)態(tài)變換，使得慣組系統(tǒng)的標(biāo)定和測(cè)試還存在一定的不足。因此，后續(xù)可通過(guò)對(duì)多維自由度分度盤轉(zhuǎn)位臺(tái)進(jìn)行深入研究和開發(fā)，可進(jìn)一步提升現(xiàn)有方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。