馬軍偉，劉娜娜，程四化，張 琪

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

導(dǎo)引頭的主要功能是完成對目標的搜索、捕獲與跟蹤，為保證導(dǎo)引頭的測量和跟蹤精度，要求穩(wěn)定平臺對彈體的擾動具有很好的隔離作用，隔離度的高低由導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)的性能決定，而位置標定系統(tǒng)屬于一種框架類測角裝置，其平衡調(diào)試一直以來是研究的重點。

自電子信息技術(shù)發(fā)展以來，尤其是各類傳感器的產(chǎn)生，許多傳統(tǒng)的工具被電子產(chǎn)品所替代，特別是壓力傳感器[1]，因其能夠?qū)崿F(xiàn)計算方便、量度精確等特點，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，特別是軍品領(lǐng)域已逐漸涉及。

本文針對某型導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件靜平衡的調(diào)試，設(shè)計了一款靜平衡測量裝置，方案采用HX711[2]，其內(nèi)部集成24 位A/D 模塊并具有放大電路，可以處理接收到的小信號，該測試儀精度可達到0.01 g，滿足產(chǎn)品調(diào)試需求。

1 導(dǎo)引頭及其傳統(tǒng)調(diào)平衡方法

導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)組件靜平衡的精度直接決定產(chǎn)品框架角、隔離度、靈敏度、跟蹤角速度等技術(shù)指標，從而影響導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度。一直以來產(chǎn)品內(nèi)環(huán)組件靜平衡調(diào)試采用傳統(tǒng)的平衡刀架實現(xiàn)靜平衡調(diào)試，調(diào)試精度與調(diào)試效率較低。

某導(dǎo)引頭主要由位置標定系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、總體相關(guān)部件等組成，安裝于導(dǎo)彈最前端，用于搜索、捕獲和跟蹤目標，實時為導(dǎo)彈提供制導(dǎo)信息，控制導(dǎo)彈飛向目標，直至命中目標。

該型產(chǎn)品位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件是一種框架類測角裝置，傳統(tǒng)調(diào)試方法是將產(chǎn)品直接放置于調(diào)平衡刀架上進行調(diào)試（調(diào)試步驟此處不予贅述），調(diào)試過程完全依賴人為經(jīng)驗，一般情況下至少需要調(diào)整配重塊5～6 次才能將產(chǎn)品單方向調(diào)試平衡，而此時的平衡度無法驗證，目前也是依賴人為經(jīng)驗，根據(jù)肉眼觀察鑒定產(chǎn)品是否平衡，個體差異性較大，對工人的依賴程度較高，且不便于修正，返工、返修率較高，調(diào)試效率、精度較低，調(diào)試示意如圖1 所示。調(diào)試流程如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)調(diào)試方法示意

圖2 傳統(tǒng)方法調(diào)平衡流程圖

經(jīng)統(tǒng)計，傳統(tǒng)調(diào)試方法調(diào)試一具產(chǎn)品平均耗時20 min，且反復(fù)拆卸配重塊對產(chǎn)品外觀有一定磨損，同時延長了產(chǎn)品生產(chǎn)裝配周期。

2 測試儀實現(xiàn)平衡調(diào)試

壓力傳感器能夠感受微小的壓力信號，并能按照一定規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)化成可用的電信號，本文利用壓力傳感器的優(yōu)勢設(shè)計并制作了一款靜平衡測量儀，一次計算即可準確得出某型導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件在調(diào)平衡的過程中需要增減配重塊的重量及對應(yīng)厚度，提高調(diào)試效率和精度。

2.1 設(shè)計原理及系統(tǒng)組成

本設(shè)計主要由以下四部分組成：壓力傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機、液晶顯示，總體設(shè)計如圖3 所示。

圖3 總體設(shè)計圖

方案中采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器HX711，其內(nèi)部集成24位A/D 模塊并具有放大電路，可以處理接收到的小信號，提高測試精度。在實際測試過程中，為保證測試數(shù)據(jù)的準確性，對測試數(shù)據(jù)進行均值化處理，最后根據(jù)產(chǎn)品的驗收規(guī)范進行驗證。

利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過電壓放大、濾波電路，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機對數(shù)字信號進行相應(yīng)的處理后得出所測產(chǎn)品的重量，最后通過液晶顯示顯示出來。

本設(shè)計采用HX711 來實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，HX711 是一款24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片[3]，如圖4 所示。該芯片集成了包括片內(nèi)時鐘振蕩器、穩(wěn)壓電源等外圍電路，具有集成度高、抗干擾能力強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，設(shè)計精度可達到0.01 g，滿足本產(chǎn)品調(diào)試所需要的精度。

圖4 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

HX711 模塊A 通道帶有128 倍的信號增益，可以將5 mV 的電壓放大128 倍，輸出24 位的A/D 轉(zhuǎn)化值，以多位數(shù)據(jù)的串口傳輸形式輸送給單片機。

在本設(shè)計中，采用TFT 觸控屏作為顯示以及輸入設(shè)備[4]。該部分在顯示重量之外，還作為人機交互的接口來操作該設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 液晶接口

2.2 調(diào)試方法

為實現(xiàn)導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件靜平衡的調(diào)試[5]，首先對產(chǎn)品內(nèi)環(huán)組件的調(diào)試方法進行研究，分析可得其內(nèi)環(huán)組件調(diào)試過程類似杠桿原理，保證達到平衡，關(guān)系到產(chǎn)品內(nèi)環(huán)組件兩端施加的力與力臂[6]，而影響力矩大小的因素有作用力的大小、方向和作用點。有關(guān)系式：

式中：M為力矩，單位為N·m；F為外力，單位為N；L為力臂，單位為m；α為力臂與外力的夾角。

利用式(1)即可求出力矩大小，從而確定所加配重塊的位置。本文研究的產(chǎn)品是單框架類測角裝置，兩端距離中心位置力臂不同，根據(jù)產(chǎn)品驗收規(guī)范要求，需要調(diào)試力臂較長的一端，即在此端增減配重塊，要實現(xiàn)兩端平衡，需保證sinα=1，本文研究的產(chǎn)品所添加的配重塊的厚度是標準規(guī)格（標準厚度和重量）,如圖6 所示。

圖6 配重塊示意圖

由于所使用的配重塊是標準規(guī)格，因此可以準確確定力矩的大小，而確定力矩的大小后，即可找到達到平衡點所需配重塊的重量和相應(yīng)厚度，理想狀態(tài)下即可找到一關(guān)于實際測量值與配重塊之間關(guān)系的常量K值，該常量即可作為調(diào)試過程的參考依據(jù)，對于待調(diào)試的產(chǎn)品實現(xiàn)一次計算即可確定所需配重塊的重量，從而將產(chǎn)品調(diào)試平衡。

具體實現(xiàn)過程：產(chǎn)品放置于平衡刀架上，并將測試儀放置于平衡刀架正中間位置，該測試儀內(nèi)部組成和工作原理上文已闡述，測試儀高度是根據(jù)平衡刀架的高度所確定的一固定值，即保證被測產(chǎn)品與測試儀兩者夾角最小，如此所測平衡度更精確，而根據(jù)產(chǎn)品固有狀態(tài)，能夠保證被測產(chǎn)品與測試儀夾角最小，實現(xiàn)本設(shè)計所需的調(diào)試目標。將待調(diào)試產(chǎn)品放置于平衡刀架上，由于產(chǎn)品兩端的不平衡，其一端將壓在測試儀上，如圖7 所示。

圖7 測試儀調(diào)試示意

此時，測試儀通過其內(nèi)部壓力傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換后，液晶顯示屏?xí)@示一重量值，精度可達到0.01 g,記錄該值，然后利用傳統(tǒng)調(diào)試方法給產(chǎn)品增加配重塊，直至將產(chǎn)品調(diào)試平衡，并將最終產(chǎn)品調(diào)試平衡后所加的配重塊重量與厚度做記錄。通過大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與計算，找到產(chǎn)品首次測試值與最終調(diào)試達到平衡所需配重塊重量兩者之間的關(guān)系，理想狀態(tài)下，兩者之間存在一線性關(guān)系[7]，本文隨機抽取1 具產(chǎn)品的10 組測試數(shù)據(jù)，記錄測量值如表1 所示。

在實際測試過程中，第8 組與第9 組數(shù)據(jù)產(chǎn)品方向發(fā)生變化，因此在實際測試中，增加重量為0.23 g、厚度為5 絲的配重塊（最小配重）。經(jīng)實際測試，達到平衡，即對于該具產(chǎn)品，首次測量值為7.06 g，最終達到平衡后所需配重塊重量為3.46 g，厚度為0.75 mm。由表1 可得，測量值高，則所需要的配重塊重量也重，相應(yīng)的配重塊厚度也高，呈線性關(guān)系（不考慮誤差）。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，繪制三者數(shù)據(jù)趨勢圖，如圖8 所示，其中橫坐標表示配重塊厚度，單位為mm；縱坐標表示配重塊重量，單位為g。

圖8 實測數(shù)據(jù)趨勢圖

表1 測量值與對應(yīng)配重塊重量及厚度值

利用上述方法，隨機選取該型產(chǎn)品30 具，用同樣的方法進行調(diào)試，并記錄每具產(chǎn)品達到平衡時所需要配重塊的重量，將此時的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，使用最小二乘法擬合[8]，公式為：

式中：xi為產(chǎn)品達到平衡時配重塊重量，單位為g；yi為產(chǎn)品首次測試所得值，單位為g。從而求出，k=2.059，b=-0.182，即Y=2.059x-0.182。

將上述關(guān)系式進行轉(zhuǎn)換[9]，可得：

式中：k為常量2.059；y為測試儀首次測量值（未加配重塊），單位為g；x為所需配重塊重量，單位為g；b為常量0.182。

根據(jù)轉(zhuǎn)換公式(4)，即可實現(xiàn)一次計算得到產(chǎn)品在靜平衡調(diào)試過程中所需配重塊的重量，而其配重塊厚度是標準值，與其配重質(zhì)量一一對應(yīng)，固配重塊厚度的研究，此處不予贅述，利用本文所設(shè)計的測試儀調(diào)試產(chǎn)品內(nèi)環(huán)組件靜平衡，實現(xiàn)流程如圖9 所示。

圖9 測試儀調(diào)平衡流程圖

利用該測試儀在調(diào)試過程中可以將內(nèi)環(huán)組件實際壓力值直接顯示在測試儀液晶顯示屏上，而此時所測的值顯示為重量，是通過壓力傳感器將電壓信號的變化轉(zhuǎn)換為重量顯示出來，通過大量實測數(shù)據(jù)的分析，得到一固定的比例關(guān)系，實現(xiàn)一次測量、計算即可準確得到所需配重塊重量。與傳統(tǒng)調(diào)試方法比較，該方法顯著提高產(chǎn)品調(diào)試精度[10]與調(diào)試效率,該關(guān)系式也可以通過作圖法、逐差法實現(xiàn)。

2.3 調(diào)試方法驗證

為驗證上述調(diào)試方法的有效性，隨機選取50 具產(chǎn)品，分3 組,每組分別為20 具、20 具、10 具，對應(yīng)x1、x2、x3、y1、y2、y3進行驗證，按照式(4)對產(chǎn)品進行調(diào)試[11]。在保證產(chǎn)品調(diào)試平衡的前提下，測試結(jié)果如圖10、圖11 所示，其中橫坐標表示測試產(chǎn)品數(shù)量，單位為個;縱坐標表示配重塊重量，單位為g。

圖10 首次測量y 值結(jié)果統(tǒng)計圖

圖11 所需配重x 值結(jié)果統(tǒng)計圖

由圖10、圖11 可見，產(chǎn)品首次測試值y1、y2、y3與對應(yīng)配重塊重量x1、x2、x3符 合關(guān)系，其中常數(shù)b=0.182,k=2.059。利用該調(diào)平衡方法，實現(xiàn)產(chǎn)品平衡調(diào)試，解決了產(chǎn)品調(diào)試效率低的瓶頸問題，為導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件的批量生產(chǎn)提供了技術(shù)[12]方法。

2.4 調(diào)試方法的應(yīng)用

本文所研究的導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件靜平衡的調(diào)試一直以來依靠人為經(jīng)驗進行調(diào)試，調(diào)試精度、效率較低，采用本調(diào)試方法后，調(diào)試效率顯著提高，對所調(diào)試產(chǎn)品，裝配于整彈上進行外場靶試，產(chǎn)品命中率達到90%以上。

在目前的生產(chǎn)裝調(diào)過程中，采用該測試儀調(diào)試產(chǎn)品，極大地提高了生產(chǎn)裝調(diào)效率[13]，調(diào)試精度顯著提高?；谏鲜鲂Ч瑢⒃摲椒☉?yīng)用于本公司生產(chǎn)的其他導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件的調(diào)試上，都取得了良好的裝調(diào)效果，后期決定將該方法推廣應(yīng)用于同類產(chǎn)品的調(diào)試過程中，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)裝調(diào)效率。

3 經(jīng)濟效益與社會效益

該操作法是一種全新的調(diào)校方法，通過實踐應(yīng)用，在經(jīng)濟效益和提高工作效率方面都取得了顯著效果，節(jié)約了大量的生產(chǎn)費用，降低了生產(chǎn)成本。在提高工作效率方面，利用傳統(tǒng)調(diào)試方法一具產(chǎn)品調(diào)試至少需要5～6 次試驗，平均耗時20 min，采用該調(diào)試方法后，調(diào)試一具產(chǎn)品耗時4 min，效率提高了5 倍，同時采用電子設(shè)備調(diào)試，降低了操作工人的工作強度[14]，并且降低了員工的技能等級要求，減少了產(chǎn)品在生產(chǎn)裝配過程中的返工、返修，為企業(yè)節(jié)約了大量的成本，具有較高的經(jīng)濟效益與社會效益。

4 結(jié)論

本文分析了某導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件靜平衡調(diào)試方法，得到以下結(jié)論：

(1)研究了某型導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件傳統(tǒng)的靜平衡調(diào)試方法，分析弊端后，提出采用壓力傳感器設(shè)計了一款靜平衡測試儀，該測試儀精度可達到0.01 g，滿足產(chǎn)品調(diào)試需求。

(2)通過實際調(diào)試數(shù)據(jù)，分析出該型產(chǎn)品位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件靜平衡調(diào)試的方法，并形成一關(guān)系式，即Y=2.059x-0.182，x為所需配重塊重量，單位為g；y為測試儀首次測量值（未加配重塊），單位為g；實現(xiàn)一次計算即可將產(chǎn)品調(diào)試平衡。

(3）采用本調(diào)試方法，實現(xiàn)了產(chǎn)品位置標定系統(tǒng)內(nèi)環(huán)組件靜平衡調(diào)試由人工向數(shù)字化的初步轉(zhuǎn)變[15]，解決了調(diào)試過程中瓶頸問題，提高了生產(chǎn)裝調(diào)效率，適用于框架類測角裝置平衡的調(diào)試。隨著電子技術(shù)的進步，可選用其他敏感傳感器進一步提高測量精度。

以上結(jié)論可為導(dǎo)引頭位置標定系統(tǒng)和彈體總體裝調(diào)工作提供相關(guān)理論支撐和參考。