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某型装备角度校准装置的研制与应用

作时间:2019-10-10  来源:军蓝科技集团总公司  作者:吴兴美 徐友 马梁 黄院生
   
摘要:为了解决与某型装备配套使用的多角度测量设备的校准问题,通过分析汇总相关技术指标,结合国内外相关校准检测方法,采用程控技术、分类设计集成测试等技术,完成了角度校准装置的研制及应用研究,投入使用后大大提升了该设备的校准质量和效率,能够满足某型装备的维修保障需要。
0 引言
我国引进的某型高精尖地导防空武器装备,其配套的经纬仪、光学象限仪、方向盘、瞄准镜、冷校靶镜等角度测量设备用于标定和检查该进口武器系统的制导方位,它们的测量精度影响装备的制导精度,而且这些设备的配置数量较大,但受各种因素影响,无法获得这些角度测量设备的校准方法和手段,经长期使用后设备精度下降,迫切需要进行校准。
初期主要采取单件外部送检的方式进行校准,但费用较高、周期较长。而且国内对这些设备的校准检测都是好立进行的,只能针对某一种角度测量设备进行检测,无法实现对这些设备的集成检测。
随着各种战训任务的激增,对设备的大修校准保障和现场巡检保障的需求日益突出,为确保装备战术性能的准确可靠,必须探索解决如何高效便捷地对这类设备实施校准保障。因此,研制一套角度校准装置来满足多种角度测量设备精度校准的需求显得十分必要。
1 需求分析及设计思路
1.1 需求分析
该装备配备的角度测量设备主要包括经纬仪、光学象限仪、冷校靶镜、瞄准镜、炮兵广角方向盘、陀螺罗盘、工兵标准测距仪等,主要技术指标如下。
1)经纬仪:水平角度(0 ~ 360)°,U H =6〞;垂直角度 ±90°,U V =10〞。
2)光学象限仪:倾斜角度 ±120°,±30〞。
3)冷校靶镜:水平角度 7°20′,±3.6′。
4)瞄准镜:水平角度(0 ~ 60-00)mil,±1mil(±3.6′)。
5)炮兵广角方向盘:方位角 60-00mil,高低角±3-00mil,±1mil (±3.6′)。
6)陀螺罗盘:方位角(0 ~ 360)°,U=30〞。7)工兵标准测距仪:距离(50 ~2000)m,±0.2m(50 ~ 52m);±1.2m(52 ~ 140m);±4.5m(140 ~ 300m);±31m (300 ~ 1000m)。这些测量设备的技术指标按测量参数可分为三类:测量角度类(经纬仪、光学象限仪、冷校靶镜、瞄准镜和炮兵广角方向盘等),测量天文方位角(陀螺罗盘类),测量距离类(工兵标准测距仪)。因此,角度校准装置的设计不仅需要实现对多种角度测量设备的集成检测,以避免单好检测所造成的诸多不便以及带来的资源浪费,还要能对这些测量设备进行量值传递。
1.2 设计思路
由于需要实现对上述水平角、倾斜角、天文方位角和距离等相关参数的检测,完成对众多角度测量设备的计量校准,如果只设计一台集成的标准设备来完成对所有测量设备的校准,势必造成各参数间的相互影响,很难满足研制要求。根据被测件的参数特点,拟采用分类研制的策略,将整个校准装置分为三个部分,将水平和竖直方向的标准结构集成在一个平台上,一次性实现水平角和倾斜角两种参数的检定,还能减小标准设备的体积,降低研制成本;再通过高精度电动平台和计算机控制与数据处理系统,将三个部分有机地集成在一起,使各参数不会相互影响,保证测量可靠。校准装置的系统框图如图 1 所示。
20191010093306.jpg
2 角度校准装置的主要硬件设计
按照设计思路,整个校准装置的硬件结构主要由三部分组成,即一套具有水平和竖直方向角度溯源的标准器(以下简称角度标准)、一套用于标定真北方位角的北向标准器(简称方位角标准),以及一套给出距离标准值的测距仪(简称测距标准)。
2.1 角度标准的设计
目前国内计量单位的角度校准设备主要有多目标式和多齿分度台式两种结构形式,鉴于被校对象的技术参数和装置都为室内环境下使用,角度标准计量设备采用由高精度电动平台、立式程控多齿分度台、卧式多齿分度台、平行光管、准线管、微动倾斜台、控制电箱和计算机等组成的形式。其中,立式程控多齿分度台为水平方向角度主标准器,卧式多齿分度台为竖直方向角度主标准器,平行光管焦平面上有刻线分划板,通过立式多齿分度台的转动,与平行光管一起构成任意角度水平方向无穷远目标;同样,通过卧式多齿分度台的转动,也能构成任意角度竖直方向无穷远目标。因此,该设备能够很方便地模拟各种情况,对被测件的水平角度、垂直角度进行校准[1] 。整体结构框图如图 2 所示。多齿分度台是检测角度的精密工具,是利用成对的直径、齿数、齿形均相同的端面齿盘,在不同的位置上啮合而产生角度位移的圆分度器具,可用于检测各种多面棱体、角度块规、光学棱镜等高精度角度器件,具有分度误差小、重复定位精度高、使用维修方便等优点,广泛应用于高精度角度测量及需要高精度输出的产品上。本次水平方向主标准器采用 552 齿立式程控多齿分度台,将自动控制技术和多齿分度台技术有机结合在一起,可自动实现分度台升降、转位等动作,使多齿分度台满足自动和高精度测量的要求;竖直方向主标准器则采用 552 齿卧式多齿分度台。装置中安装了平行光管,作为观测目标使用。校准时,为了满足角度精度要求,平行光管焦距要求不能小于550mm,但直接购置焦距为 550mm 的平行光管作为观测目标,会对角度标准的结构平衡造成极大影响。因此,设计使用的平行光管采用由两面反射镜组成的折射式结构,缩短了镜筒的长度,减少了对卧式多齿分度台配重的压力。升降台、配重杆、微动倾斜台、水平座和竖直座、电机和控制系统等共同组成了可升降的高精度电动平台,用来安置多齿分度台和平行光管等,共同实现对各种被校对象的角度校准功能。
2.2 方位角标准的设计
目前,国内外对方位角类测量设备的校准主要采用北极星任意时角法和高精度陀螺经纬仪直接标定的方式。考虑到校准装置建在科研楼内,不方便进行20191010093317.jpg20191010093335.jpg20191010093327.jpg北极星观测,因此采用经校准后的高精度陀螺经纬仪进行标定。方位角标准示意图如图 3 所示。
方位角标准由两个观测目标和观测点位组成,观测目标采用平面反射镜和平行光管,两目标安置在固定架支撑座上,为了方便调整位置和角度,两观测目标均有微调座,微调座可以方便地调节水平方向和竖直方向的偏摆位置和角度,其结构如图 4 所示。观测点位采取地面点标志,标志为十字线形式,如图5 所示。十字线标志粘在地面上,位于观测目标平面反射镜的法线方向所在的竖直面内,同时位于另一观测目标平行光管的平行光延长线竖直面内。两个观测目标和观测点位的方位角采用高精度陀螺经纬仪进行标定。
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设计中,高精度陀螺经纬仪采用德国Gyromat 2000 全自动精密陀螺经纬仪,利用激光对中器快速对中,且可通过调节激光亮度获得非常理想的光斑。通过配置瑞士 Leica TM5100A 电子经纬仪的读数,可实现精确准直。校准中,Gyro-mat 2000 经过北向基准校准后,利用其精密定向和自准直功能,可精确提供平面反射镜法线方向的真方位角,其法线方向的方位角测量标准偏差均优于5”。校准陀螺罗盘时,用陀螺罗盘测量的方位角与真方位角比较,可得出偏差值[2] 。
2.3 测距标准的设计
对测距类测量设备的校准,国内外通常采用的方案有室外基线场或室内模拟法方案。考虑到室外基线场、室内模拟装置的建造费用很高,后续校准费用也不低,且该装备配置的测距类设备如工兵标准测距仪的测距范围较小,测距精度不高,因此采用全站仪室外实时比较法进行校准。该方案费用较少,还能够满足设备的溯源需求。测距校准示意图如图 6 所示。
测距标准由全站仪和全站仪标定的测距基线组成,测距基线在部署区域内选择,全站仪通过预埋的测距标志来标定距离。校准时,可选择测距基线的固定距离校准,也可实时选择全站仪测量的距离为标准距离进行校准。作为测距标准的全站仪选用了中海达华星 HTS-221 系列,测程为 1.5m ~ 2km,水平方向标准偏差 2〞,测距标准偏差 2mm+2ppm.D,满足工兵标准测距仪等测距类测量设备的校准要求[3] 。校准过程中,测站安放在室内或室外,室外目标选择固定物体或建立靶标,基线点位分配在各误差段内,至少建立 5 个点位进行测距,取测距仪测量值与全站仪距离之差为测距误差。该方法简单实用,易于实现,同时具有测量稳定性高、测量准确等优点。
3 角度校准装置的软件设计
为了利用计算机技术进行控制和测量,本设计专门开发了具有控制、检定、数据处理与评价等功能的软件包,并通过由计算机、控制电箱、数据处理系统及各种外设组成的计算机控制与数据处理系统,实现自动化检测。计算机控制与数据处理总体框图如图 7 所示。
软件采用 Visual C++6.0 编程工具在Windows 操作系统下开发,数据库系统采用 Microsoft Access。Visual C++ 作为功能强大的可视化应用程序开发工具,是编程技术人员广泛采用的面向对象开发工具,使用其开发软件具有灵活及效率高等优点,而且其访问数据库的技术成熟,功能强大。设计中采用 ODBC 编程接口访问数据库,可为应用程序访问关系型数据库提供一个统一的接口,使用该标准接口无需关注数据库管理系统的具体细节,开发过程简单、便捷[4] 。
20191010093411.jpg
计算机测试程序主界面有两个并行模块,即测量模块和查询模块,校准软件采用了单文档对应多视图的结构,各视图之间可随时切换。系统默认进入测量模块。此时若选择新测量,则进入测量类型选择界面,随后可登记基本信息(被检仪器信息、测量标准信息等),选择被检参数进行检测工作。检测结束后,可在测量界面或查询界面按一定格式打印证书(检定证书、校准证书)和原始记录。计算机测试流程如图 8 所示。
4 结论
在完成该进口装备角度校准装置研制的同时,建立了对应的检定与校准方法,开展了测量标准的不确定度分析。通过对各项标准的重复性试验,验证了精度指标,稳定性考核结果合格或满足要求。该校准装置的投入使用,大大提升了与该型装备配套的角度测量设备的保障质量和效率,确保了装备观瞄系统量值的准确可靠。该项目研制中涉及的多项相关技术可应用于其他领域,后续通过设计制作针对性工装,还可实现对其他装备经纬仪、瞄准镜、陀螺罗盘及测距仪等角度测量设备的校准。
 
 
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