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某型裝備角度校準裝置的研制與應用

作時間:2019-10-10  來源:軍藍科技集團總公司  作者:吳興美 徐友 馬梁 黃院生
   
摘要:為了解決與某型裝備配套使用的多角度測量設備的校準問題,通過分析匯總相關技術指標,結合國內外相關校準檢測方法,采用程控技術、分類設計集成測試等技術,完成了角度校準裝置的研制及應用研究,投入使用后大大提升了該設備的校準質量和效率,能夠滿足某型裝備的維修保障需要。
0 引言
我國引進的某型高精尖地導防空武器裝備,其配套的經緯儀、光學象限儀、方向盤、瞄準鏡、冷校靶鏡等角度測量設備用于標定和檢查該進口武器系統的制導方位,它們的測量精度影響裝備的制導精度,而且這些設備的配置數量較大,但受各種因素影響,無法獲得這些角度測量設備的校準方法和手段,經長期使用后設備精度下降,迫切需要進行校準。
初期主要采取單件外部送檢的方式進行校準,但費用較高、周期較長。而且國內對這些設備的校準檢測都是好立進行的,只能針對某一種角度測量設備進行檢測,無法實現對這些設備的集成檢測。
隨著各種戰訓任務的激增,對設備的大修校準保障和現場巡檢保障的需求日益突出,為確保裝備戰術性能的準確可靠,必須探索解決如何高效便捷地對這類設備實施校準保障。因此,研制一套角度校準裝置來滿足多種角度測量設備精度校準的需求顯得十分必要。
1 需求分析及設計思路
1.1 需求分析
該裝備配備的角度測量設備主要包括經緯儀、光學象限儀、冷校靶鏡、瞄準鏡、炮兵廣角方向盤、陀螺羅盤、工兵標準測距儀等,主要技術指標如下。
1)經緯儀:水平角度(0 ~ 360)°,U H =6〞;垂直角度 ±90°,U V =10〞。
2)光學象限儀:傾斜角度 ±120°,±30〞。
3)冷校靶鏡:水平角度 7°20′,±3.6′。
4)瞄準鏡:水平角度(0 ~ 60-00)mil,±1mil(±3.6′)。
5)炮兵廣角方向盤:方位角 60-00mil,高低角±3-00mil,±1mil (±3.6′)。
6)陀螺羅盤:方位角(0 ~ 360)°,U=30〞。7)工兵標準測距儀:距離(50 ~2000)m,±0.2m(50 ~ 52m);±1.2m(52 ~ 140m);±4.5m(140 ~ 300m);±31m (300 ~ 1000m)。這些測量設備的技術指標按測量參數可分為三類:測量角度類(經緯儀、光學象限儀、冷校靶鏡、瞄準鏡和炮兵廣角方向盤等),測量天文方位角(陀螺羅盤類),測量距離類(工兵標準測距儀)。因此,角度校準裝置的設計不僅需要實現對多種角度測量設備的集成檢測,以避免單好檢測所造成的諸多不便以及帶來的資源浪費,還要能對這些測量設備進行量值傳遞。
1.2 設計思路
由于需要實現對上述水平角、傾斜角、天文方位角和距離等相關參數的檢測,完成對眾多角度測量設備的計量校準,如果只設計一臺集成的標準設備來完成對所有測量設備的校準,勢必造成各參數間的相互影響,很難滿足研制要求。根據被測件的參數特點,擬采用分類研制的策略,將整個校準裝置分為三個部分,將水平和豎直方向的標準結構集成在一個平臺上,一次性實現水平角和傾斜角兩種參數的檢定,還能減小標準設備的體積,降低研制成本;再通過高精度電動平臺和計算機控制與數據處理系統,將三個部分有機地集成在一起,使各參數不會相互影響,保證測量可靠。校準裝置的系統框圖如圖 1 所示。
20191010093306.jpg
2 角度校準裝置的主要硬件設計
按照設計思路,整個校準裝置的硬件結構主要由三部分組成,即一套具有水平和豎直方向角度溯源的標準器(以下簡稱角度標準)、一套用于標定真北方位角的北向標準器(簡稱方位角標準),以及一套給出距離標準值的測距儀(簡稱測距標準)。
2.1 角度標準的設計
目前國內計量單位的角度校準設備主要有多目標式和多齒分度臺式兩種結構形式,鑒于被校對象的技術參數和裝置都為室內環境下使用,角度標準計量設備采用由高精度電動平臺、立式程控多齒分度臺、臥式多齒分度臺、平行光管、準線管、微動傾斜臺、控制電箱和計算機等組成的形式。其中,立式程控多齒分度臺為水平方向角度主標準器,臥式多齒分度臺為豎直方向角度主標準器,平行光管焦平面上有刻線分劃板,通過立式多齒分度臺的轉動,與平行光管一起構成任意角度水平方向無窮遠目標;同樣,通過臥式多齒分度臺的轉動,也能構成任意角度豎直方向無窮遠目標。因此,該設備能夠很方便地模擬各種情況,對被測件的水平角度、垂直角度進行校準[1] 。整體結構框圖如圖 2 所示。多齒分度臺是檢測角度的精密工具,是利用成對的直徑、齒數、齒形均相同的端面齒盤,在不同的位置上嚙合而產生角度位移的圓分度器具,可用于檢測各種多面棱體、角度塊規、光學棱鏡等高精度角度器件,具有分度誤差小、重復定位精度高、使用維修方便等優點,廣泛應用于高精度角度測量及需要高精度輸出的產品上。本次水平方向主標準器采用 552 齒立式程控多齒分度臺,將自動控制技術和多齒分度臺技術有機結合在一起,可自動實現分度臺升降、轉位等動作,使多齒分度臺滿足自動和高精度測量的要求;豎直方向主標準器則采用 552 齒臥式多齒分度臺。裝置中安裝了平行光管,作為觀測目標使用。校準時,為了滿足角度精度要求,平行光管焦距要求不能小于550mm,但直接購置焦距為 550mm 的平行光管作為觀測目標,會對角度標準的結構平衡造成極大影響。因此,設計使用的平行光管采用由兩面反射鏡組成的折射式結構,縮短了鏡筒的長度,減少了對臥式多齒分度臺配重的壓力。升降臺、配重桿、微動傾斜臺、水平座和豎直座、電機和控制系統等共同組成了可升降的高精度電動平臺,用來安置多齒分度臺和平行光管等,共同實現對各種被校對象的角度校準功能。
2.2 方位角標準的設計
目前,國內外對方位角類測量設備的校準主要采用北極星任意時角法和高精度陀螺經緯儀直接標定的方式?紤]到校準裝置建在科研樓內,不方便進行20191010093317.jpg20191010093335.jpg20191010093327.jpg北極星觀測,因此采用經校準后的高精度陀螺經緯儀進行標定。方位角標準示意圖如圖 3 所示。
方位角標準由兩個觀測目標和觀測點位組成,觀測目標采用平面反射鏡和平行光管,兩目標安置在固定架支撐座上,為了方便調整位置和角度,兩觀測目標均有微調座,微調座可以方便地調節水平方向和豎直方向的偏擺位置和角度,其結構如圖 4 所示。觀測點位采取地面點標志,標志為十字線形式,如圖5 所示。十字線標志粘在地面上,位于觀測目標平面反射鏡的法線方向所在的豎直面內,同時位于另一觀測目標平行光管的平行光延長線豎直面內。兩個觀測目標和觀測點位的方位角采用高精度陀螺經緯儀進行標定。
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設計中,高精度陀螺經緯儀采用德國Gyromat 2000 全自動精密陀螺經緯儀,利用激光對中器快速對中,且可通過調節激光亮度獲得非常理想的光斑。通過配置瑞士 Leica TM5100A 電子經緯儀的讀數,可實現精確準直。校準中,Gyro-mat 2000 經過北向基準校準后,利用其精密定向和自準直功能,可精確提供平面反射鏡法線方向的真方位角,其法線方向的方位角測量標準偏差均優于5”。校準陀螺羅盤時,用陀螺羅盤測量的方位角與真方位角比較,可得出偏差值[2] 。
2.3 測距標準的設計
對測距類測量設備的校準,國內外通常采用的方案有室外基線場或室內模擬法方案?紤]到室外基線場、室內模擬裝置的建造費用很高,后續校準費用也不低,且該裝備配置的測距類設備如工兵標準測距儀的測距范圍較小,測距精度不高,因此采用全站儀室外實時比較法進行校準。該方案費用較少,還能夠滿足設備的溯源需求。測距校準示意圖如圖 6 所示。
測距標準由全站儀和全站儀標定的測距基線組成,測距基線在部署區域內選擇,全站儀通過預埋的測距標志來標定距離。校準時,可選擇測距基線的固定距離校準,也可實時選擇全站儀測量的距離為標準距離進行校準。作為測距標準的全站儀選用了中海達華星 HTS-221 系列,測程為 1.5m ~ 2km,水平方向標準偏差 2〞,測距標準偏差 2mm+2ppm.D,滿足工兵標準測距儀等測距類測量設備的校準要求[3] 。校準過程中,測站安放在室內或室外,室外目標選擇固定物體或建立靶標,基線點位分配在各誤差段內,至少建立 5 個點位進行測距,取測距儀測量值與全站儀距離之差為測距誤差。該方法簡單實用,易于實現,同時具有測量穩定性高、測量準確等優點。
3 角度校準裝置的軟件設計
為了利用計算機技術進行控制和測量,本設計專門開發了具有控制、檢定、數據處理與評價等功能的軟件包,并通過由計算機、控制電箱、數據處理系統及各種外設組成的計算機控制與數據處理系統,實現自動化檢測。計算機控制與數據處理總體框圖如圖 7 所示。
軟件采用 Visual C++6.0 編程工具在Windows 操作系統下開發,數據庫系統采用 Microsoft Access。Visual C++ 作為功能強大的可視化應用程序開發工具,是編程技術人員廣泛采用的面向對象開發工具,使用其開發軟件具有靈活及效率高等優點,而且其訪問數據庫的技術成熟,功能強大。設計中采用 ODBC 編程接口訪問數據庫,可為應用程序訪問關系型數據庫提供一個統一的接口,使用該標準接口無需關注數據庫管理系統的具體細節,開發過程簡單、便捷[4] 。
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計算機測試程序主界面有兩個并行模塊,即測量模塊和查詢模塊,校準軟件采用了單文檔對應多視圖的結構,各視圖之間可隨時切換。系統默認進入測量模塊。此時若選擇新測量,則進入測量類型選擇界面,隨后可登記基本信息(被檢儀器信息、測量標準信息等),選擇被檢參數進行檢測工作。檢測結束后,可在測量界面或查詢界面按一定格式打印證書(檢定證書、校準證書)和原始記錄。計算機測試流程如圖 8 所示。
4 結論
在完成該進口裝備角度校準裝置研制的同時,建立了對應的檢定與校準方法,開展了測量標準的不確定度分析。通過對各項標準的重復性試驗,驗證了精度指標,穩定性考核結果合格或滿足要求。該校準裝置的投入使用,大大提升了與該型裝備配套的角度測量設備的保障質量和效率,確保了裝備觀瞄系統量值的準確可靠。該項目研制中涉及的多項相關技術可應用于其他領域,后續通過設計制作針對性工裝,還可實現對其他裝備經緯儀、瞄準鏡、陀螺羅盤及測距儀等角度測量設備的校準。
 
 
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