某型裝備角度校準(zhǔn)裝置的研制與應(yīng)用

摘要：為了解決與某型裝備配套使用的多角度測量設(shè)備的校準(zhǔn)問題，通過分析匯總相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)校準(zhǔn)檢測方法，采用程控技術(shù)、分類設(shè)計(jì)集成測試等技術(shù)，完成了角度校準(zhǔn)裝置的研制及應(yīng)用研究，投入使用后大大提升了該設(shè)備的校準(zhǔn)質(zhì)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(jìn)的某型高精尖地導(dǎo)防空武器裝備，其配套的經(jīng)緯儀、光學(xué)象限儀、方向盤、瞄準(zhǔn)鏡、冷校靶鏡等角度測量設(shè)備用于標(biāo)定和檢查該進(jìn)口武器系統(tǒng)的制導(dǎo)方位，它們的測量精度影響裝備的制導(dǎo)精度，而且這些設(shè)備的配置數(shù)量較大，但受各種因素影響，無法獲得這些角度測量設(shè)備的校準(zhǔn)方法和手段，經(jīng)長期使用后設(shè)備精度下降，迫切需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

初期主要采取單件外部送檢的方式進(jìn)行校準(zhǔn)，但費(fèi)用較高、周期較長。而且國內(nèi)對這些設(shè)備的校準(zhǔn)檢測都是好立進(jìn)行的，只能針對某一種角度測量設(shè)備進(jìn)行檢測，無法實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備的集成檢測。

隨著各種戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)的激增，對設(shè)備的大修校準(zhǔn)保障和現(xiàn)場巡檢保障的需求日益突出，為確保裝備戰(zhàn)術(shù)性能的準(zhǔn)確可靠，必須探索解決如何高效便捷地對這類設(shè)備實(shí)施校準(zhǔn)保障。因此，研制一套角度校準(zhǔn)裝置來滿足多種角度測量設(shè)備精度校準(zhǔn)的需求顯得十分必要。

1 需求分析及設(shè)計(jì)思路

1.1 需求分析

該裝備配備的角度測量設(shè)備主要包括經(jīng)緯儀、光學(xué)象限儀、冷校靶鏡、瞄準(zhǔn)鏡、炮兵廣角方向盤、陀螺羅盤、工兵標(biāo)準(zhǔn)測距儀等，主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）經(jīng)緯儀：水平角度（0 ～ 360）°，U H =6〞；垂直角度 ±90°，U V =10〞。

2）光學(xué)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備的技術(shù)指標(biāo)按測量參數(shù)可分為三類：測量角度類（經(jīng)緯儀、光學(xué)象限儀、冷校靶鏡、瞄準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)測距儀）。因此，角度校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)不僅需要實(shí)現(xiàn)對多種角度測量設(shè)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(fèi)，還要能對這些測量設(shè)備進(jìn)行量值傳遞。

1.2 設(shè)計(jì)思路

由于需要實(shí)現(xiàn)對上述水平角、傾斜角、天文方位角和距離等相關(guān)參數(shù)的檢測，完成對眾多角度測量設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)，如果只設(shè)計(jì)一臺集成的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來完成對所有測量設(shè)備的校準(zhǔn)，勢必造成各參數(shù)間的相互影響，很難滿足研制要求。根據(jù)被測件的參數(shù)特點(diǎn)，擬采用分類研制的策略，將整個(gè)校準(zhǔn)裝置分為三個(gè)部分，將水平和豎直方向的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)平臺上，一次性實(shí)現(xiàn)水平角和傾斜角兩種參數(shù)的檢定，還能減小標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的體積，降低研制成本；再通過高精度電動(dòng)平臺和計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將三個(gè)部分有機(jī)地集成在一起，使各參數(shù)不會相互影響，保證測量可靠。校準(zhǔn)裝置的系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

2 角度校準(zhǔn)裝置的主要硬件設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)思路，整個(gè)校準(zhǔn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)器（以下簡稱角度標(biāo)準(zhǔn)）、一套用于標(biāo)定真北方位角的北向標(biāo)準(zhǔn)器（簡稱方位角標(biāo)準(zhǔn)），以及一套給出距離標(biāo)準(zhǔn)值的測距儀（簡稱測距標(biāo)準(zhǔn)）。

2.1 角度標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)計(jì)量單位的角度校準(zhǔn)設(shè)備主要有多目標(biāo)式和多齒分度臺式兩種結(jié)構(gòu)形式，鑒于被校對象的技術(shù)參數(shù)和裝置都為室內(nèi)環(huán)境下使用，角度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量設(shè)備采用由高精度電動(dòng)平臺、立式程控多齒分度臺、臥式多齒分度臺、平行光管、準(zhǔn)線管、微動(dòng)傾斜臺、控制電箱和計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)器，臥式多齒分度臺為豎直方向角度主標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)動(dòng)，與平行光管一起構(gòu)成任意角度水平方向無窮遠(yuǎn)目標(biāo)；同樣，通過臥式多齒分度臺的轉(zhuǎn)動(dòng)，也能構(gòu)成任意角度豎直方向無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。因此，該設(shè)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(jìn)行校準(zhǔn)[1] 。整體結(jié)構(gòu)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(shù)、齒形均相同的端面齒盤，在不同的位置上嚙合而產(chǎn)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(guī)、光學(xué)棱鏡等高精度角度器件，具有分度誤差小、重復(fù)定位精度高、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高精度角度測量及需要高精度輸出的產(chǎn)品上。本次水平方向主標(biāo)準(zhǔn)器采用 552 齒立式程控多齒分度臺，將自動(dòng)控制技術(shù)和多齒分度臺技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分度臺升降、轉(zhuǎn)位等動(dòng)作，使多齒分度臺滿足自動(dòng)和高精度測量的要求；豎直方向主標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)使用。校準(zhǔn)時(shí)，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(biāo)，會對角度標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)平衡造成極大影響。因此，設(shè)計(jì)使用的平行光管采用由兩面反射鏡組成的折射式結(jié)構(gòu)，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(dòng)傾斜臺、水平座和豎直座、電機(jī)和控制系統(tǒng)等共同組成了可升降的高精度電動(dòng)平臺，用來安置多齒分度臺和平行光管等，共同實(shí)現(xiàn)對各種被校對象的角度校準(zhǔn)功能。

2.2 方位角標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)外對方位角類測量設(shè)備的校準(zhǔn)主要采用北極星任意時(shí)角法和高精度陀螺經(jīng)緯儀直接標(biāo)定的方式。考慮到校準(zhǔn)裝置建在科研樓內(nèi)，不方便進(jìn)行北極星觀測，因此采用經(jīng)校準(zhǔn)后的高精度陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行標(biāo)定。方位角標(biāo)準(zhǔn)示意圖如圖 3 所示。

方位角標(biāo)準(zhǔn)由兩個(gè)觀測目標(biāo)和觀測點(diǎn)位組成，觀測目標(biāo)采用平面反射鏡和平行光管，兩目標(biāo)安置在固定架支撐座上，為了方便調(diào)整位置和角度，兩觀測目標(biāo)均有微調(diào)座，微調(diào)座可以方便地調(diào)節(jié)水平方向和豎直方向的偏擺位置和角度，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。觀測點(diǎn)位采取地面點(diǎn)標(biāo)志，標(biāo)志為十字線形式，如圖5 所示。十字線標(biāo)志粘在地面上，位于觀測目標(biāo)平面反射鏡的法線方向所在的豎直面內(nèi)，同時(shí)位于另一觀測目標(biāo)平行光管的平行光延長線豎直面內(nèi)。兩個(gè)觀測目標(biāo)和觀測點(diǎn)位的方位角采用高精度陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行標(biāo)定。

設(shè)計(jì)中，高精度陀螺經(jīng)緯儀采用德國Gyromat 2000 全自動(dòng)精密陀螺經(jīng)緯儀，利用激光對中器快速對中，且可通過調(diào)節(jié)激光亮度獲得#理想的光斑。通過配置瑞士 Leica TM5100A 電子經(jīng)緯儀的讀數(shù)，可實(shí)現(xiàn)精que準(zhǔn)直。校準(zhǔn)中，Gyro-mat 2000 經(jīng)過北向基準(zhǔn)校準(zhǔn)后，利用其精密定向和自準(zhǔn)直功能，可精que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(biāo)準(zhǔn)偏差均優(yōu)于5”。校準(zhǔn)陀螺羅盤時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

對測距類測量設(shè)備的校準(zhǔn)，國內(nèi)外通常采用的方案有室外基線場或室內(nèi)模擬法方案�？紤]到室外基線場、室內(nèi)模擬裝置的建造費(fèi)用很高，后續(xù)校準(zhǔn)費(fèi)用也不低，且該裝備配置的測距類設(shè)備如工兵標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。該方案費(fèi)用較少，還能夠滿足設(shè)備的溯源需求。測距校準(zhǔn)示意圖如圖 6 所示。

測距標(biāo)準(zhǔn)由全站儀和全站儀標(biāo)定的測距基線組成，測距基線在部署區(qū)域內(nèi)選擇，全站儀通過預(yù)埋的測距標(biāo)志來標(biāo)定距離。校準(zhǔn)時(shí)，可選擇測距基線的固定距離校準(zhǔn)，也可實(shí)時(shí)選擇全站儀測量的距離為標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行校準(zhǔn)。作為測距標(biāo)準(zhǔn)的全站儀選用了中海達(dá)華星 HTS-221 系列，測程為 1.5m ～ 2km，水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差 2〞，測距標(biāo)準(zhǔn)偏差 2mm+2ppm.D，滿足工兵標(biāo)準(zhǔn)測距儀等測距類測量設(shè)備的校準(zhǔn)要求[3] 。校準(zhǔn)過程中，測站安放在室內(nèi)或室外，室外目標(biāo)選擇固定物體或建立靶標(biāo)，基線點(diǎn)位分配在各誤差段內(nèi)，至少建立 5 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)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(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有測量穩(wěn)定性高、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

3 角度校準(zhǔn)裝置的軟件設(shè)計(jì)

為了利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行控制和測量，本設(shè)計(jì)專門開發(fā)了具有控制、檢定、數(shù)據(jù)處理與評價(jià)等功能的軟件包，并通過由計(jì)算機(jī)、控制電箱、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及各種外設(shè)組成的計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測。計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)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(tǒng)下開發(fā)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用 Microsoft Access。Visual C++ 作為功能強(qiáng)大的可視化應(yīng)用程序開發(fā)工具，是編程技術(shù)人員廣泛采用的面向?qū)ο箝_發(fā)工具，使用其開發(fā)軟件具有靈活及效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且其訪問數(shù)據(jù)庫的技術(shù)成熟，功能強(qiáng)大。設(shè)計(jì)中采用 ODBC 編程接口訪問數(shù)據(jù)庫，可為應(yīng)用程序訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，使用該標(biāo)準(zhǔn)接口wuxu關(guān)注數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的具體細(xì)節(jié)，開發(fā)過程簡單、便捷[4] 。

計(jì)算機(jī)測試程序主界面有兩個(gè)并行模塊，即測量模塊和查詢模塊，校準(zhǔn)軟件采用了單文檔對應(yīng)多視圖的結(jié)構(gòu)，各視圖之間可隨時(shí)切換。系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入測量模塊。此時(shí)若選擇新測量，則進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)信息等），選擇被檢參數(shù)進(jìn)行檢測工作。檢測結(jié)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(zhǔn)證書）和原始記錄。計(jì)算機(jī)測試流程如圖 8 所示。

4 結(jié)論

在完成該進(jìn)口裝備角度校準(zhǔn)裝置研制的同時(shí)，建立了對應(yīng)的檢定與校準(zhǔn)方法，開展了測量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度分析。通過對各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了精度指標(biāo)，穩(wěn)定性考核結(jié)果合格或滿足要求。該校準(zhǔn)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(shè)備的保障質(zhì)量和效率，確保了裝備觀瞄系統(tǒng)量值的準(zhǔn)確可靠。該項(xiàng)目研制中涉及的多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用于其他領(lǐng)域，后續(xù)通過設(shè)計(jì)制作針對性工裝，還可實(shí)現(xiàn)對其他裝備經(jīng)緯儀、瞄準(zhǔn)鏡、陀螺羅盤及測距儀等角度測量設(shè)備的校準(zhǔn)。

 

 

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