為了提高彈藥發(fā)射藥裝藥生產(chǎn)過程中發(fā)射藥稱量的精度和速度，設(shè)計一種改進(jìn)型的動態(tài)稱重系統(tǒng)，采用粗 －中 － 細(xì) 3 級給料方式，建立發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過稱重信號處理和稱重給料控制算法克服現(xiàn)有模式存在的效率低、精度不高等缺陷; 200 次的發(fā)射藥稱量試驗(yàn)，都穩(wěn)定在 7． 0 ± 0． 1g 范圍內(nèi)，表明改進(jìn)后的稱重系統(tǒng)滿足彈藥生產(chǎn)過程中發(fā)射藥快速精確稱量的需求。
在彈藥自動裝藥裝配生產(chǎn)中的發(fā)射藥稱裝是保證彈藥產(chǎn)品生產(chǎn)品質(zhì)和效率的關(guān)鍵工序，高效、高精的稱量過程是彈藥產(chǎn)品發(fā)射藥稱裝環(huán)節(jié)的最基本要求。如何采用電子信息、自動控制以及計算機(jī)分析等技術(shù)提高稱量系統(tǒng)的精度和速度是實(shí)現(xiàn)提高發(fā)射藥稱量過程工藝的關(guān)鍵所在。在實(shí)際彈藥生產(chǎn)線上，操作人員希望發(fā)射藥稱量與產(chǎn)品壓制同步進(jìn)行，壓彈過程中同時完成，即與壓彈過程同步，實(shí)現(xiàn)零停機(jī)。因此，必須在保證正常生產(chǎn)的同時完成發(fā)射藥的連續(xù)和快速稱量; 通過動態(tài)稱重技術(shù)可以基本實(shí)現(xiàn)稱量與壓制的同步工作，滿足這一要求，其主要特征:1) 稱量物品不是靜止?fàn)顟B(tài)。測量時，被稱重的彈藥發(fā)射藥處于某種運(yùn)動或持續(xù)振動等情況，并處于帶有沖擊力的狀態(tài)下;2) 稱量的外部環(huán)境也處于運(yùn)動狀態(tài)，即稱重衡器放置于自身處于運(yùn)動或振動的機(jī)床臺面或機(jī)架等支撐體上;3) 稱重數(shù)據(jù)讀取時間短而快，時間一般低于稱重衡器的穩(wěn)定時間。
要實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)、準(zhǔn)確的裝藥稱量，得到稱量的穩(wěn)態(tài)值，就需要對由稱重傳感器、信號采集與處理系統(tǒng)組成的動態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行正確的描述和分析，同時減小動態(tài)稱量的不穩(wěn)定性，降低稱量響應(yīng)時間，對耦合分量間進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥的動態(tài)補(bǔ)償。
發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)的難點(diǎn)是稱量精度和速度相互匹配和兼顧; 系統(tǒng)同時受到時變、非線性、不確定性以及隨機(jī)干擾等因素影響。當(dāng)發(fā)射藥輸送速度較快時，發(fā)射藥顆粒對稱量衡器產(chǎn)生沖擊并形成振動，影響稱量的精度。為滿足稱量精度，就需要降低傳輸?shù)乃俣?。彈藥生產(chǎn)時發(fā)射藥高精度和高速度的動態(tài)稱量是彈藥生產(chǎn)領(lǐng)域的一大難題。為此，研究在彈藥裝藥中將動態(tài)控制與測量方法相互融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，從而在較高的效率中實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥稱重過程的動態(tài)高精度稱量。
1.發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)組成及原理
彈藥發(fā)射藥稱重過程有其特殊性，需要為其專門制定動態(tài)稱量方案。發(fā)射藥動態(tài)稱量的特殊性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
1) 稱量物體為發(fā)射藥，屬于一種不規(guī)則的顆粒狀物體，對精度要求高，系統(tǒng)絕對精度要達(dá)到 0． 1 g 左右;
2) 對安全性的要求相當(dāng)高，系統(tǒng)設(shè)計必須符合安全性要求;
3) 要求系統(tǒng)響應(yīng)速度迅速，必須滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，盡量提高生產(chǎn)效率。
由于以上特殊性，對發(fā)射藥動態(tài)稱量高精度給料的實(shí)現(xiàn)造成極大的困難。因此，必須設(shè)計一套高效率的響應(yīng)快速、測量精度高的控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)線上的稱量系統(tǒng)和給料系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其組成如圖 1 所示。
相對以往采用的粗 － 細(xì)兩級給料方式，作者采用粗 － 中－ 細(xì) 3 級給料; 兩級給料采用的是傳統(tǒng)的快加藥和慢加藥相結(jié)合的加藥原理。由于在實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn): 快速過程給料沖擊大，慢速過程給料速度慢，直接導(dǎo)致發(fā)射藥稱重精度和效率無法提高，成為彈藥生產(chǎn)過程中影響效率和品質(zhì)的瓶頸環(huán)節(jié)。而 3 級給料采用的是組合式加藥原理和機(jī)理，通過增加一次中速加藥降低了粗加藥時的物料沖擊，減少了細(xì)加藥的時間，從而提高了發(fā)射藥稱重加藥控制精度，降低了發(fā)射藥裝填加藥時間。
級給料工作過程如下: 控制系統(tǒng)發(fā)送指令，發(fā)射藥按－ 中 － 細(xì) 3 個速度依次向計量藥斗投料，控制系統(tǒng)實(shí)時讀取計量藥斗的重量和發(fā)射藥的重量，控制粗 － 中 － 細(xì) 3 個裝藥料斗的開關(guān)，具體過程如下:
1) 發(fā)射藥重量遠(yuǎn)小于所設(shè)定的重量時 ( 一般為小于70% ) ，粗藥斗打開快速下料，其余藥斗關(guān)閉;
2) 發(fā)射藥重量在設(shè)定重量的 70% ～ 90% 時，中藥斗以中間速度下料，其余藥斗關(guān)閉;
3) 發(fā)射藥重量達(dá)到設(shè)定重量 90% 以上時，細(xì)藥斗打開，下料速度緩慢，保證最終的稱量精度。
4) 發(fā)射藥重量快達(dá)到設(shè)定重量時，細(xì)藥斗馬上關(guān)閉。因?yàn)榭罩羞€有一部分發(fā)射藥的重量，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥有延時，一般需要一個提前關(guān)閉的落差量，即對加藥時間進(jìn)行預(yù)估。
其理想狀態(tài)給料曲線如圖 2 所示，大、中投量決定稱量的速度，小投量決定稱量的精度。
2.發(fā)射藥動態(tài)稱量技術(shù)
建立的數(shù)學(xué)模型和控制算法同時適用于兩級和 3 級給料稱量方式，但是 3 級給料的控制原理和信號計算過程更復(fù)雜，參數(shù)取樣更豐富，模型更加接近于實(shí)際，稱量精度更高，同時兼顧了稱量效率。
2． 1發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
典型的發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)模型如圖 3 所示，可以等效為一個二階系統(tǒng)，模型由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器構(gòu)成，其動態(tài)模型為
式( 1) 中: m 為稱重藥斗質(zhì)量，K 為彈簧彈性系數(shù)，C 為等效阻尼常數(shù)，f( t) 為被稱發(fā)射藥的重量，g( t) 為發(fā)射藥的沖擊力，x( t) 稱重藥斗相對于參考零點(diǎn)的位移。
在式( 1) 中，g( t) 物料沖力受發(fā)射藥下落的高度和速度
影響，而發(fā)射藥動態(tài)稱量系統(tǒng)實(shí)際稱量時在剛開始開啟粗給料斗時沖擊力較大，但是粗給料加藥的精度對最終的稱量精度不產(chǎn)生影響，同時沖擊力造成的稱量過沖量在稱量后期可通過稱量系統(tǒng)自動調(diào)整過來，至此 g ( t) 可以忽略，從而式 ( 1) 能簡化變化為
2． 2發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)控制原理
根據(jù)上述分析，發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)為在線實(shí)時稱量，控制系統(tǒng)讀取的發(fā)射藥重量實(shí)時變化。而在實(shí)際彈藥發(fā)射藥稱量過程中，下料的振動、發(fā)射藥對衡器的沖擊等隨機(jī)干擾會對發(fā)射藥的稱重精度產(chǎn)生較大影響。在發(fā)射藥稱量非線性模型內(nèi)，所形成的動態(tài)稱重數(shù)學(xué)模型與實(shí)際稱量會有一定的偏差，從而需要校正，而校正的實(shí)現(xiàn)仍較困難; 由于模型的阻尼不斷變化，這也導(dǎo)致校正或配置極點(diǎn)實(shí)施難度較大。為實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥的動態(tài)定量稱量，需要快速并準(zhǔn)確的稱量出通過給料閥門的發(fā)射藥質(zhì)量，及時關(guān)閉給料閥門，并且預(yù)估已通過給料閥門，尚未落到稱重傳感器上而處于空中的那部分發(fā)射藥質(zhì)量。
在稱重信號處理部分，對系統(tǒng)建立含有未知參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)在線參數(shù)估計的基本思想，即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)確定后，實(shí)時讀取稱重系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，同時按照某種固定的算法連續(xù)通過讀取的數(shù)據(jù)去修正模型中的參數(shù)估計值，即一邊測量數(shù)據(jù)，一邊修正模型。試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)稱量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型盡量接近實(shí)際稱量系統(tǒng)。擾動噪聲主要是觀測噪聲，沒有明顯的相關(guān)性，可以近似看成是隨機(jī)噪聲。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。
2． 3稱重信號算法
發(fā)射藥動態(tài)稱重控制系統(tǒng)為 PLC，其傳遞函數(shù)以差分方程實(shí)現(xiàn)為最佳，這樣便于應(yīng)用遞推表達(dá)式。輸入隨機(jī)噪聲后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。
通過分析，隨機(jī)噪聲 v( k) 以觀測噪聲的形式出現(xiàn)，即使v( k) 不服從正態(tài)分布，只要 θ 的估計值滿足式( 11) ，都可以取得較滿意的效果 。基于系統(tǒng)模型的通用性并加入了動態(tài)振蕩和沖擊力干擾，同時過濾了噪聲、尖峰干擾等，再進(jìn)行參數(shù)估計并利用結(jié)果相互校正。
2． 4稱重系統(tǒng)給料控制算法
在對稱重信號進(jìn)行預(yù)估處理的基礎(chǔ)上，當(dāng)系統(tǒng)秒重到接近給定值時，控制系統(tǒng)需要提前動作以達(dá)到當(dāng)電磁閥完全關(guān)閉時所得到的質(zhì)量正好等于或者接近于設(shè)定的質(zhì)量。
3.實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證
在常溫條件下，稱量 7． 00 g 的粒狀發(fā)射藥，按照系統(tǒng)1 s / 次采集的稱重控制器重量，其單次稱量的發(fā)射藥重量曲線如圖 6 所示。
經(jīng)過 200 次的發(fā)射藥稱量試驗(yàn)，從結(jié)果中隨機(jī)抽取 20發(fā)已稱量的發(fā)射藥，在經(jīng)過校準(zhǔn)的精度為 0． 001 g 電子天平上重新稱量并記錄重量數(shù)據(jù)，其稱量結(jié)果取樣柱狀對比圖如圖 7。
從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出，圖 6 中的單次發(fā)射藥重量曲線與圖 2 中的理想給料曲線十分逼近，且稱量的發(fā)射藥重量全都穩(wěn)定在 7． 0 ± 0． 1g 范圍內(nèi)，滿足高精度稱量的要求。造成波動的原因主要是稱量過程中滯空發(fā)射藥以及發(fā)射藥下落的高度差所引起的。首先，在進(jìn)料過程中，發(fā)射藥從給料裝置下落到料斗里，只有到達(dá)料斗里的那部分稱重傳感器才能檢測到，而空中的余料是檢測不到的，但當(dāng)排料口打開后，最終得到的發(fā)射藥實(shí)際重量卻包括滯空的發(fā)射藥; 其次，發(fā)射藥下落的高度差由于機(jī)械結(jié)構(gòu)是固定的，物料下落的高度隨著物料在料斗里的堆積而逐漸減少，造成發(fā)射藥下落的沖擊力產(chǎn)生變化; 與此同時，發(fā)射藥給料速度與下落高度差變化還具有不穩(wěn)定因素，不能完全精確控制，只能通過稱重信號處理算法與給料控制算法逼近真實(shí)稱量過程。
4.結(jié)語
改進(jìn)型的發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)采用粗 － 中 － 細(xì)三級給料方式，建立發(fā)射藥動態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過稱重信號處理和稱重給料控制算法克服現(xiàn)有模式存在的缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 改進(jìn)后的稱重系統(tǒng)滿足彈藥生產(chǎn)過程中發(fā)射藥快速精確稱量的需求，但如何精確控制發(fā)射藥給料速度與預(yù)測估計滯空物料重量需要進(jìn)一步研究。
