王惠方，潘江峰，宋華斌，解鳳娟，侯立國

（西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099）

基于虛擬樣機的某彈協(xié)調器定位可靠性分析

王惠方，潘江峰，宋華斌，解鳳娟，侯立國

（西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099）

彈協(xié)調器是大口徑火炮裝填系統(tǒng)的重要組成部分。針對某彈協(xié)調器的定位可靠性進行仿真分析及可靠度計算，在Recur Dyn中建立彈協(xié)調器多剛體模型和剛柔耦合虛擬樣機模型，導入Matlab中建立機械控制混合模型，在協(xié)調器協(xié)調65°的工況下，進行協(xié)調運動仿真。根據(jù)彈協(xié)調器樣機試驗測試結果對兩種模型的仿真結果進行評價，其中剛柔耦合仿真模型的正確性得到驗證；在考慮協(xié)調過程中的蝸輪的磨損、小平衡機壓力變化、驅動電壓變化3個影響因素的基礎上進行仿真，從而得到可靠性分析數(shù)據(jù)；采用響應面法與蒙特卡洛法相結合的方法對協(xié)調器65°協(xié)調定位可靠度進行計算。

彈協(xié)調器；定位可靠性；虛擬樣機；蒙特卡洛法

彈藥自動裝填系統(tǒng)是大口徑自行火炮的重要組成部分，其性能是制約火炮作戰(zhàn)效能提升的關鍵因素之一。某火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)可實現(xiàn)彈丸的全自動裝填，彈協(xié)調器對彈丸的傳送是彈丸裝填過程中的一個重要環(huán)節(jié)。

彈協(xié)調器用于接收彈倉推出的彈丸，然后通過旋轉實現(xiàn)與火炮射角的協(xié)調，之后通過翻轉將彈丸傳送到輸彈線上，最后由輸彈機輸彈入膛。該彈協(xié)調器由兩個串勵式直流電機并聯(lián)驅動，減速部分包括兩級直齒輪傳動和一級蝸輪蝸桿傳動，其中蝸輪與耳軸固聯(lián)。平衡油缸和蓄能器等組成的小平衡機，用于平衡協(xié)調器的重力矩，減小驅動電機的負載，支撐協(xié)調器平穩(wěn)運動。協(xié)調器與托架之間有角度傳感器，用于提供協(xié)調器相對于起落部分的角度信號，使協(xié)調器轉至正確位置［1］。

筆者利用虛擬樣機技術，建立了彈協(xié)調器的多剛體模型和剛柔耦合模型，通過實物樣機測試對兩種模型的仿真結果進行評價。在此基礎上，利用正交試驗設計方法對彈協(xié)調器的協(xié)調定位精度進行虛擬樣機仿真，并采用響應面法與蒙特卡洛法相結合的方法對協(xié)調器65°協(xié)調定位可靠度進行計算。

1 彈協(xié)調器虛擬樣機建模

在UG軟件中建立彈協(xié)調器的幾何裝配模型，利用其與Recur Dyn軟件的接口，導入到Recur Dyn中，根據(jù)協(xié)調器各部件間的拓撲關系，為協(xié)調器各零件間建立約束關系，從而建立多剛體虛擬樣機模型，如圖1所示。利用Recur Dyn中自帶的R-Flex模塊，對支臂進行模態(tài)分析，替代剛性支臂，其他零件仍為剛體，從而建立協(xié)調器剛柔耦合虛擬樣機模型，如圖2所示。

在虛擬樣機中，導入計算得到的平衡機力隨角度變化的曲線，來模擬小平衡機的作用，齒輪間采用實體接觸碰撞的約束關系。

1.1 機械控制聯(lián)合仿真模型建模

協(xié)調器由兩個串勵式直流電機并聯(lián)驅動，電機的數(shù)學模型為

式中：U為電機輸入電壓；E為反電動勢；Ra為電樞電阻；Ia為電樞電流；La為電樞繞組電感；Φ為主磁通；Kf為勵磁系數(shù)；Ce為反電動勢系數(shù)；ω為電機轉速；T為電機輸出轉矩；CT為電磁轉矩系數(shù)［2］。

根據(jù)電機的控制方案，采用Matlab／Simulink建立控制系統(tǒng)模型，利用Recur Dyn與Matlab的接口將機械模型導入，并將其與控制系統(tǒng)模型連接，從而建立機械控制混合仿真模型［3］，如圖3所示。

1.2 模型仿真分析及試驗驗證

對多剛體模型和剛柔耦合虛擬樣機模型分別設置初始仿真參數(shù)，蝸輪磨損量為0 mm，小平衡機壓力為5 MPa，電機驅動電壓為26 V，進行仿真分析。

以實物樣機為試驗對象，把測試結果采集記錄后，分別得到協(xié)調器沿z軸的角位移信號及x、y、z軸3個方向的角速度信號，對數(shù)據(jù)進行必要的濾波處理，得到協(xié)調器協(xié)調65°的角位移曲線和角速度曲線。與理想狀態(tài)時彈協(xié)調器多剛體模型及剛柔耦合模型仿真結果對比，如圖4和圖5所示。

試驗測試了彈協(xié)調器在65°協(xié)調時的運動姿態(tài)，揭示了彈協(xié)調器協(xié)調動作的運動規(guī)律，彈協(xié)調器的仿真曲線與角速度測試曲線在加速段和減速段的運動過程存在一定偏差，但在最終定位階段基本一致，最終都能定位在目標位置。由此看出剛柔耦合模型與系統(tǒng)實際表現(xiàn)更加接近，因此利用該模型可進行后續(xù)的可靠性計算。

2 協(xié)調65°定位仿真分析

正交試驗設計方法是一種用正交表安排多因子試驗的設計方法，是一種高效率、快速、經濟的試驗設計方法［4］。依據(jù)三因素五水平的正交表要求，對彈協(xié)調器剛柔耦合虛擬樣機模型進行仿真分析，得到的仿真結果如表1所示。

3 協(xié)調65°定位可靠度計算

機構運動可靠度計算方法有解析法、響應面法、動態(tài)故障樹法、重要抽樣法、蒙特卡洛方法等［5］，其中蒙特卡洛法又稱隨機抽樣法或統(tǒng)計試驗法，主要用于求解具有隨機性不確定性問題［6］。在實際工程問題中，大多數(shù)情況下狀態(tài)函數(shù)與基本隨機變量之間的顯式函數(shù)關系是不存在的，這時可以應用數(shù)值模擬的方法擬合一個輸出與隨機變量之間的關系式，從而建立響應面多項式。

筆者采用響應面法與蒙特卡洛方法相結合的方法，利用Design Expert軟件，采用逐步回歸的方法對仿真得到可靠性數(shù)據(jù)進行響應面多項式的擬合。

通過對隨機變量進行大量的隨機抽樣，然后把抽樣值依次代入功能函數(shù)，根據(jù)計算得到的功能函數(shù)值，確定可靠與否，最后根據(jù)事件發(fā)生次數(shù)，計算出事件發(fā)生的頻率從而得到可靠度或失效率［7］。其中，得到定位值與隨機變量之間的關系表達式如下：

式中：F表示定位值；U表示驅動電壓；p表示小平衡機壓力；M表示蝸輪磨損量。

根據(jù)Design Expert軟件得到的響應面表達式，在Isight軟件中的Calculator模塊進行近似建模，建立蒙特卡洛仿真任務組件，如圖6所示。

設定影響定位誤差的各因素的分布規(guī)律如表2所示。

根據(jù)上述的假定對蒙特卡洛模塊進行變量的設置，根據(jù)指標要求允許定位誤差值為0.6°，即輸出值范圍為（64.4°，65.6°）時，定位準確。采用描述抽樣的方式，設置仿真次數(shù)為10 000，仿真結果如圖7所示。

由圖7蒙特卡洛仿真結果可知，彈協(xié)調器協(xié)調65°定位可靠度為0.840 9。

4 結束語

筆者以虛擬樣機技術為基礎，分別建立了彈協(xié)調器多剛體模型和剛柔耦合機械控制聯(lián)合仿真模型，較真實地模擬了惡劣工作環(huán)境下的協(xié)調角位移與運動姿態(tài)，同時仿真結果也得到了實物樣機試驗的驗證。設計正交試驗從虛擬仿真中得到了計算可靠性所需的數(shù)據(jù)，應用響應面法進行了多項式擬合，并采用Isight軟件中蒙特卡洛方法對彈協(xié)調器協(xié)調65°時的定位可靠性進行了隨機抽樣，計算出了協(xié)調器協(xié)調定位的可靠度。采取的方法可應用于對一般機電產品進行可靠性分析評估。

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Analysis on Positioning Reliability of the Coordinator Based on Virtual Prototype

WANG Huifang，PAN Jiangfeng，SONG Huabin，XIE Fengjuan，HOU Liguo

（Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

Coordinator is an important part of the large caliber gun auto-loading system.This paper is aimed at the positioning reliability of the coordinator，simulation analyzing and reliability computing.The multi-rigid-body model and the rigid-flexible virtual prototype model of the coordinator were established in Recur Dyn software，and each model was imported to Matlab software，so the hybrid model of electromechanical was set up with the motor control model established.These two coordinator models were simulated respectively in 65 degrees working condition，and the rigid-flexible model was proved correct by the actual testing result.After wards，given several factors affecting the accurate positioning such as worm wear，pressure change of the small balancing machine and motor driving voltage change，simulations were carried out to get data for reliability analysis.Through response surface methodology and Monte Carlo simulation，the coordinator positioning reliability of coordinating 65 degrees is to be calculated.

coordinator；positioning reliability；virtual prototype；Monte Carlo

TJ303+.3

A

1673-6524（2015）03-0027-04

2014- 11- 10；

2015- 04- 21

王惠方（1972－），男，研究員級高級工程師，主要從事火箭炮系統(tǒng)技術研究。E-mail：stonar＠sina.com