石志杰,陳龍淼,羊柳,劉太素
(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.南京工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)
彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)在火炮武器系統(tǒng)中負(fù)責(zé)彈丸、模塊藥的存儲(chǔ)補(bǔ)給、記憶識(shí)別,自動(dòng)選擇彈丸類型、裝藥種類及藥塊數(shù)量[1],并進(jìn)行任意角度下的裝填動(dòng)作。藥協(xié)調(diào)器作為自動(dòng)裝填系統(tǒng)的重要子部件,主要功能是接收從自動(dòng)化藥倉(cāng)中分出的藥塊,隨后繞耳軸回轉(zhuǎn)將藥塊協(xié)調(diào)至指定射角的輸藥位,其協(xié)調(diào)到位精度和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)直接影響著火炮的射擊狀態(tài)和射速,如果協(xié)調(diào)的定位誤差超出了規(guī)定的精度指標(biāo),則會(huì)影響到發(fā)射任務(wù)的完成[2]。
機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠性的定義[3-6]為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下,機(jī)構(gòu)完成規(guī)定功能的能力。相應(yīng)的,機(jī)構(gòu)可靠度定義為機(jī)構(gòu)完成規(guī)定功能的概率。機(jī)構(gòu)可靠性的研究最早源于零件運(yùn)動(dòng)副磨損問題,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,可靠性預(yù)計(jì)和建模方法大致可分為純概率方法、近似概率方法和非概率方法[7]。在純概率方法中,蒙特卡洛模擬(Monte Carlo Simulation,MCS)作為一種經(jīng)典的隨機(jī)抽樣數(shù)值仿真方法,是可靠性分析問題成熟有效的解決手段。
使用MCS對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行可靠性分析,能夠減少試驗(yàn)工作量,但前提應(yīng)保證仿真模型的準(zhǔn)確性,模型對(duì)外部輸入的響應(yīng)量要與實(shí)際系統(tǒng)相吻合。然而,待研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性往往不能得到全部認(rèn)識(shí),這時(shí)就需要針對(duì)不確定參數(shù)辨識(shí)建模。系統(tǒng)辨識(shí)就是在一組模型類中選取一個(gè)與數(shù)據(jù)擬合得最好的模型[8]。近年來,在經(jīng)典辨識(shí)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展出了一些新的參數(shù)辨識(shí)方法。趙旭寶等[9]基于改進(jìn)PSO算法對(duì)彈性膠泥緩沖器動(dòng)力學(xué)模型各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化求解。趙搶搶等[10]以時(shí)序曲線相似度為目標(biāo)函數(shù),使用差分進(jìn)化算法對(duì)研究對(duì)象的區(qū)間不確定參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。武詩(shī)睿等[11]提出了一種基于摩擦-速度曲線特定區(qū)域形狀分析的LuGre摩擦參數(shù)辨識(shí)法,辨識(shí)實(shí)驗(yàn)量更小精度更高。
此外,圍繞火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)的可靠性問題已經(jīng)存在較多研究。高學(xué)星[7]將自動(dòng)裝填系統(tǒng)中的常見故障以概率形式抽象為模型的不確定性參數(shù),創(chuàng)建了基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代理模型,提高了裝填系統(tǒng)可靠性的計(jì)算效率。曹汝男[12]提出一種新的主動(dòng)學(xué)習(xí)方法,兼顧失效概率的估計(jì)精度,提高了復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性分析效率,并將其運(yùn)用到火炮協(xié)調(diào)器的定位精度可靠性分析中。楊麗[13]考慮某雙路供彈系統(tǒng)的動(dòng)作特性,分析了供彈機(jī)構(gòu)可靠性,研究了針對(duì)自動(dòng)火炮關(guān)鍵性能的評(píng)估策略。
筆者在考慮柔性體和運(yùn)動(dòng)副間隙的前提下,建立了某火炮藥協(xié)調(diào)器剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型和控制模型。針對(duì)系統(tǒng)中的區(qū)間不確定參數(shù),使用隨機(jī)慣性權(quán)重的粒子群算法,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),同時(shí)設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)研究此方法的有效性和辨識(shí)精度。在利用辨識(shí)參數(shù)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性后,使用該模型對(duì)藥協(xié)調(diào)器不同工況下的動(dòng)作可靠度進(jìn)行估計(jì),同時(shí)得到各尺寸參數(shù)對(duì)定位誤差的影響程度,為藥協(xié)調(diào)器的可靠性設(shè)計(jì)提供參考。
藥協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)組成包括耳軸連接盤、協(xié)調(diào)電機(jī)、減速器、協(xié)調(diào)臂和調(diào)姿電缸組件等,自動(dòng)輸藥機(jī)安裝在協(xié)調(diào)臂末端的調(diào)姿軸上。圖1為藥協(xié)調(diào)器和輸藥機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
輸藥時(shí),在調(diào)姿電缸組件的驅(qū)動(dòng)下輸藥機(jī)可以繞調(diào)姿軸做18°的調(diào)姿運(yùn)動(dòng),上下極限位置都有機(jī)械限位,分別對(duì)應(yīng)接藥姿態(tài)和輸藥姿態(tài)(圖1為輸藥姿態(tài)),同時(shí)輸藥機(jī)還隨協(xié)調(diào)臂一起繞耳軸回轉(zhuǎn)作協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。藥協(xié)調(diào)器通過調(diào)姿和協(xié)調(diào)兩個(gè)動(dòng)作,配合完成輸藥機(jī)軸線在任意高低射角下與炮膛軸線對(duì)齊的輸藥功能。由此可知,輸藥機(jī)自水平接藥位協(xié)調(diào)至目標(biāo)射角輸藥的過程中,藥協(xié)調(diào)臂的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度值為射角加調(diào)姿角(18°)。
總體來看,藥協(xié)調(diào)器動(dòng)作可靠性的影響因素主要包括以下幾點(diǎn):
1)藥協(xié)調(diào)器的協(xié)調(diào)臂、限位塊、推桿等構(gòu)件在制造過程存在的尺寸誤差、形位誤差,以及在裝配和焊接時(shí)產(chǎn)生的間隙和變形,都一定程度上影響了協(xié)調(diào)器的到位精度。
2)協(xié)調(diào)臂的變形。藥協(xié)調(diào)器是在高速、重載的條件下工作的,這個(gè)過程中其主體協(xié)調(diào)臂會(huì)產(chǎn)生變形,影響動(dòng)作的可靠性。
3)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)誤差。控制系統(tǒng)的輸出誤差較大,抗干擾能力不強(qiáng),規(guī)定時(shí)間內(nèi)電機(jī)無法驅(qū)動(dòng)部件到達(dá)理論位置,也會(huì)降低藥協(xié)調(diào)器的動(dòng)作可靠性。
為了研究協(xié)調(diào)過程,基于藥協(xié)調(diào)器的工作原理,作出如下假設(shè):
1)除協(xié)調(diào)臂外,所有部件均假定為剛體,不考慮載荷及構(gòu)件變形影響。
2)協(xié)調(diào)過程中耳軸和炮尾固定不動(dòng),忽略車體的姿態(tài)擾動(dòng)。
3)輸藥機(jī)限位塊與協(xié)調(diào)器碰塊之間、各組轉(zhuǎn)動(dòng)副軸孔之間的碰撞為彈性碰撞。
將裝配好的藥協(xié)調(diào)器三維模型導(dǎo)入ADAMS中,根據(jù)實(shí)際的物理約束情況添加運(yùn)動(dòng)副,并定義了接觸關(guān)系,拓?fù)鋱D如圖2所示。其中,H2、H3、H4為固定約束,H1、H5、H6、H8為旋轉(zhuǎn)約束,H7為平移約束,調(diào)姿驅(qū)動(dòng)力簡(jiǎn)化為H7運(yùn)動(dòng)方向的單向力。
由于在協(xié)調(diào)過程中,協(xié)調(diào)臂會(huì)發(fā)生彈性變形,因此模型需要考慮柔性體構(gòu)件對(duì)協(xié)調(diào)器動(dòng)作可靠性產(chǎn)生的影響。協(xié)調(diào)臂主體由耳軸掛套、連接加強(qiáng)筋、堵塊以及鋼板焊接而成,耳軸掛套采用實(shí)體單元進(jìn)行離散,折臂部分采用殼單元進(jìn)行離散,并參考實(shí)際約束副建立外連節(jié)點(diǎn)和剛性區(qū)域。協(xié)調(diào)臂結(jié)構(gòu)材料屬性如表1所示,有限元離散模型如圖3所示。
表1 協(xié)調(diào)臂結(jié)構(gòu)材料屬性
提取前12階模態(tài)輸出協(xié)調(diào)臂的模態(tài)中性文件,替換原先的剛體模型并重新添加相關(guān)約束,建立剛?cè)狁詈系乃巺f(xié)調(diào)器模型。
在藥協(xié)調(diào)器中,上位機(jī)發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器,通過電流控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,經(jīng)過減速器后驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)臂進(jìn)行繞軸動(dòng)作。編碼器實(shí)時(shí)反饋協(xié)調(diào)臂當(dāng)前角度給驅(qū)動(dòng)器調(diào)整控制量,形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)這一實(shí)際工作情況,定義協(xié)調(diào)臂在回轉(zhuǎn)耳軸處所受的驅(qū)動(dòng)力矩為
T=KT·iq·i·ξ,
(1)
式中:KT=300 N·mm/A,為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù);iq為電機(jī)q軸電流;i=128,為協(xié)調(diào)減速器的傳動(dòng)比;ξ為協(xié)調(diào)減速器的傳動(dòng)效率。
摩擦是一種復(fù)雜的非線性物理現(xiàn)象[14],是機(jī)械伺服系統(tǒng)的主要阻尼來源,對(duì)藥協(xié)調(diào)器的控制性能影響很大。在協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí),由于減速器的存在以及一些未知的阻尼特性,用試驗(yàn)樣機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出的電流去控制藥協(xié)調(diào)器的動(dòng)力學(xué)模型會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的超調(diào)現(xiàn)象。由于ADAMS內(nèi)置的摩擦模型始終不能很好地貼合試驗(yàn)數(shù)據(jù),筆者選擇庫(kù)侖-黏性摩擦模型[14-15]來建立較為準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。藥協(xié)調(diào)器工作時(shí)的摩擦力矩定義為
(2)
式中:θ為角位移;Kv>0為黏性摩擦系數(shù);Kc>0為庫(kù)侖摩擦力矩;sgn(·)是符號(hào)函數(shù)。
為了在運(yùn)動(dòng)過程中速度過渡平滑、減小沖擊,藥協(xié)調(diào)器選用如圖4所示的七段式S形速度曲線規(guī)劃法建立理想運(yùn)動(dòng)軌跡(以目標(biāo)射角60°為例)??刂颇P筒捎肞ID控制器,PID控制器按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制,因其原理簡(jiǎn)單、調(diào)參方便、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程中[16]。
規(guī)定電流為機(jī)械系統(tǒng)輸入變量,角位移及其他狀態(tài)量為輸出變量,導(dǎo)出藥協(xié)調(diào)裝置的動(dòng)力學(xué)模型,搭建如圖5所示的PID聯(lián)合仿真控制模型。
由1.2節(jié)建模過程可知,藥協(xié)調(diào)器模型包含較多參數(shù),其中一些參數(shù)可以通過測(cè)量和計(jì)算獲得,還有一些參數(shù)則是不確定的??紤]設(shè)備精度和加工方式對(duì)構(gòu)件尺寸的影響,藥協(xié)調(diào)器各組轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸孔尺寸服從表2的設(shè)計(jì)公差。
表2 藥協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)副配合列表
為了研究表2中各組轉(zhuǎn)動(dòng)副的間隙和尺寸分布,需要在1.2節(jié)建立的藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上作一些調(diào)整。首先,建立表中各轉(zhuǎn)動(dòng)副處軸孔的參數(shù)化模型,再用平面約束結(jié)合接觸力的方式分別替換掉原先的理想旋轉(zhuǎn)約束。此外,黏性摩擦系數(shù)Kv、庫(kù)侖摩擦力矩Kc和減速器傳動(dòng)效率ξ這些模型參數(shù)也是未知的,且難以在試驗(yàn)中直接測(cè)量得到。事實(shí)上,即便是單個(gè)產(chǎn)品在一次動(dòng)作過程中這些參數(shù)也是變化的,考慮到協(xié)調(diào)定位的時(shí)間很短,可以近似地把它們看作定值,并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)獲得。不同產(chǎn)品之間的上述參數(shù)雖然也存在波動(dòng),但在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造過程中并不能提前估計(jì)和人為干預(yù)。因此筆者利用辨識(shí)參數(shù)進(jìn)行可靠度計(jì)算,分析設(shè)計(jì)尺寸對(duì)藥協(xié)調(diào)器可靠性的影響,以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。
根據(jù)前文建立的藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型,每給定一組不確定性參數(shù)(Kv,Kc,ξ),模型在實(shí)際控制器電流的驅(qū)動(dòng)下就會(huì)得到一條角位移的仿真曲線,與試驗(yàn)曲線最為吻合的仿真曲線所對(duì)應(yīng)的就是最優(yōu)的一組參數(shù)。也就是說,藥協(xié)調(diào)器的參數(shù)辨識(shí)問題可以被認(rèn)為是一個(gè)優(yōu)化問題。
在仿真角位移曲線的時(shí)間軸上等距選取m個(gè)時(shí)間點(diǎn)(t1,t2,…,tm),并將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)處的角位移θ與實(shí)際角位移θ*的差值取絕對(duì)值,把它們和的最小值作為優(yōu)化目標(biāo),即目標(biāo)函數(shù)計(jì)算公式為
(3)
目標(biāo)函數(shù)的尋優(yōu)采用基于隨機(jī)慣性權(quán)重的粒子群算法(Particle Swarm optimization,PSO),因其容易理解、精度高、收斂快,該算法在許多優(yōu)化問題中得到成功應(yīng)用。在PSO中,每個(gè)粒子都可以看作是優(yōu)化空間內(nèi)的一個(gè)解,都有一個(gè)由目標(biāo)函數(shù)決定的適應(yīng)度值,算法從隨機(jī)解出發(fā)迭代尋找最優(yōu)解。每次迭代中,粒子會(huì)跟蹤本身找到的歷史最優(yōu)解(個(gè)體極值)和整個(gè)種群目前找到的最優(yōu)解(群體極值)來更新自己的位置,公式如下[17-18]:
(4)
(5)
為了改善算法迭代初期的局部搜索能力和迭代后期的全局搜索能力,避免其陷入局部最優(yōu)[19],采用隨機(jī)慣性權(quán)重的改進(jìn)粒子群算法。隨機(jī)慣性權(quán)重w的生成公式為
w=μmin+(μmax-μmin)×rand(0,1)+σ×N(0,1),
(6)
式中:μmin和μmax分別代表隨機(jī)慣性權(quán)重的最小值和最大值;rand(0,1)表示[0,1]均勻分布隨機(jī)數(shù);σ表示標(biāo)準(zhǔn)差;N(0,1)表示正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。
綜上,辨識(shí)藥協(xié)調(diào)器不確定性參數(shù)的流程圖如圖6所示。
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)、產(chǎn)品說明書和相關(guān)文獻(xiàn),確定待辨識(shí)參數(shù)的搜索范圍分別為:黏性摩擦系數(shù)Kv∈[50,350],單位N·m·s·rad-1;庫(kù)侖摩擦力矩Kc∈[200,800],單位N·m;減速器傳動(dòng)效率ξ∈[0.75,0.95]。
為了檢驗(yàn)2.2節(jié)的方法辨識(shí)藥協(xié)調(diào)器參數(shù)的精度,筆者設(shè)計(jì)了幾組仿真試驗(yàn),表3給出了辨識(shí)結(jié)果。結(jié)果表明,在仿真試驗(yàn)中,藥協(xié)調(diào)器3個(gè)待辨識(shí)參數(shù)值的平均辨識(shí)誤差分別為0.77%、1.24%和0.13%,辨識(shí)精度良好。
表3 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)結(jié)果
選擇6塊藥裝填、藥協(xié)調(diào)器從接藥位協(xié)調(diào)到30°射角的工況,對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)臺(tái)架進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,獲得電流和角位移數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)變化過程如圖7所示,可以發(fā)現(xiàn)適應(yīng)度值在迭代一定次數(shù)后趨于收斂,但不為0,這是因?yàn)闃訖C(jī)試驗(yàn)還受到多種外界因素的干擾。
在重復(fù)性協(xié)調(diào)試驗(yàn)后,共選取3組電流和角位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí),如表4所示,并將3次試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終的辨識(shí)值。
表4 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)結(jié)果
將參數(shù)的辨識(shí)值代回仿真模型后,另取一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照組,對(duì)比仿真角位移曲線和試驗(yàn)角位移曲線,如圖8所示??梢钥吹?二者具有很高的相似度,這說明辨識(shí)結(jié)果是合理的,與試驗(yàn)情況相吻合,達(dá)到了工程需要。
藥協(xié)調(diào)器的動(dòng)作可靠性受尺寸參數(shù)、外部載荷、環(huán)境變量等多種因素的影響,這些因素可以設(shè)為系統(tǒng)的隨機(jī)變量X=(x1,x2,…,xn),則裝置的輸出響應(yīng)函數(shù)為
Y=D(X)=D(x1,x2,…,xn).
(7)
已知理想情況下藥協(xié)調(diào)器的輸出響應(yīng)為Y*,Y*是確定工況下的一個(gè)給定值,由此可得系統(tǒng)的輸出誤差為
δ=Y-Y*.
(8)
(9)
式中:當(dāng)Z>0時(shí),表示藥協(xié)調(diào)器的運(yùn)動(dòng)可靠;當(dāng)Z=0時(shí),表示機(jī)構(gòu)處于臨界失效狀態(tài);當(dāng)Z<0時(shí),機(jī)構(gòu)處于失效狀態(tài)。
因此,藥協(xié)調(diào)器動(dòng)作失效概率為
(10)
式中,fδ(·)為輸出誤差δ的概率密度函數(shù)。
由于柔性體的存在、控制系統(tǒng)的誤差和其他外部隨機(jī)擾動(dòng),難以得到式(9)中藥協(xié)調(diào)器顯式的可靠性功能函數(shù),為此筆者使用MCS對(duì)藥協(xié)調(diào)器的動(dòng)作可靠度進(jìn)行估計(jì)。
假設(shè)各軸孔尺寸參數(shù)服從正態(tài)分布,均值由基本尺寸和設(shè)計(jì)公差決定,標(biāo)準(zhǔn)差根據(jù)3σ原則確定,具體取值如表5所示。通過Isight內(nèi)置的Monte Carlo模塊,對(duì)藥協(xié)調(diào)器的模型參數(shù)進(jìn)行描述抽樣(Descriptive Sampling)。
表5 各尺寸參數(shù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差
描述抽樣是將每一個(gè)隨機(jī)變量所定義的空間分為相等的概率子空間,對(duì)每一個(gè)隨機(jī)變量子空間的分析只進(jìn)行一次[20],可以在不影響結(jié)果的前提下極大地減少抽樣點(diǎn)數(shù)量。藥協(xié)調(diào)器動(dòng)作的允許誤差極限閾值為±0.18°,在裝填6塊藥、射角30°和60°兩個(gè)工況下,分別對(duì)各尺寸參數(shù)進(jìn)行1 000次抽樣,得到藥協(xié)調(diào)器的動(dòng)作可靠度為99.8%和99.9%,協(xié)調(diào)定位誤差的頻數(shù)分布直方圖及累積概率分布圖分別如圖9、10所示。
可以看到,考慮協(xié)調(diào)臂柔性后,實(shí)際協(xié)調(diào)角度有偏大的趨勢(shì),協(xié)調(diào)定位誤差的整體分布向x軸正方向偏移。由于30°射角較60°射角時(shí)協(xié)調(diào)器負(fù)載對(duì)耳軸處的力矩更大,而裝填的時(shí)序要求卻縮短了,因此,60°射角的協(xié)調(diào)定位誤差整體要小于30°射角,分布也更為集中,可靠性表現(xiàn)總體上優(yōu)于30°射角。
在MCS模塊里,失效率的影響因素可以通過軟件后處理中的Pareto圖表示,如圖11所示??梢钥闯?30°射角時(shí)調(diào)姿軸轉(zhuǎn)動(dòng)副的間隙大小對(duì)協(xié)調(diào)器失效率的影響貢獻(xiàn)最大,而60°射角時(shí)則是電缸支座轉(zhuǎn)動(dòng)副的間隙大小影響最大,二者與失效率均為正相關(guān)。
筆者建立了某火炮藥協(xié)調(diào)器剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型和控制模型,分析了藥協(xié)調(diào)器動(dòng)作可靠性的影響因素?;陔S機(jī)慣性權(quán)重的粒子群算法,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)系統(tǒng)中的參數(shù)并驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性,也表明了該辨識(shí)方法的可行性。在考慮柔性體、控制誤差和運(yùn)動(dòng)副間隙的條件下,對(duì)藥協(xié)調(diào)器動(dòng)作可靠度進(jìn)行了估計(jì)。通過MCS得到在裝填6塊藥、協(xié)調(diào)角度30°和60°的工況下,藥協(xié)調(diào)器動(dòng)作可靠度為99.8%和99.9%,總體失效概率較小。本文研究結(jié)果對(duì)類似結(jié)構(gòu)自動(dòng)裝填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和可靠性分析具有一定的借鑒意義。