基于DSP的火炮數字式中心線校正裝置設計

楊杰敏，陳遠江，劉重發，張鄭

（武漢軍械士官學校，武漢 430075）

1 中心線校正中存在的問題

傳遞動力的兩機件的軸，一般都以不同形式的聯軸器將兩軸聯接起來傳遞動力。履帶式自行火炮傳動裝置都是采用膜片式彈性聯軸器將兩根軸聯結起來的。兩軸聯接時要求兩軸心線同心。但由于制造和安裝誤差的存在，都不能保證兩軸心線同心。不同心度愈大，軸承受附加負荷就愈大，工作時，使軸承、齒輪、聯軸器受力不均，磨損加劇，溫度增高，傳動效率下降，機件振動加劇。

目前在自行火炮傳動裝置中心線校正過程中主要存在下列問題：1）測量過程復雜，需要進行多次重復測量，校正時間長；2）測量精度低，誤差在±1 mm；3）計算工作量大，不準確，有一定的隨意性。4）工作量大，操作不規范，受人為因素影響大。如在進行某型號自行火炮中心線校正方法是：首先將專用卡具分別安裝在兩個測量部件上，在上、下、左、右分別找四點利用塞尺測出徑向間隙和端面間隙值，再用上、下和左、右數值分別相減即得出所需增減調整墊的厚度。

2 技術方案

2.1 以現裝備為基礎，根據傳動裝置中心線校正原理，用規范化的傳動裝置中心線校正程序和手段，實現自行火炮傳動裝置中心線偏移量自動顯示校正功能。

2.2 方案采用機、電、和傳感器相結合的方式，校正數據的提取由數碼直線位移傳感器完成，控制部分由電氣系統實現。

2.3 設計專用傳感器卡具，設計定位結構，分件組合安裝，剛性好，不變形，定位準確，易保證測量精度。

2.4 以數碼直線位移傳感器為數據提取的前端器件，測量精度高，速度快，安裝后人員操作不受測量空間限制。

2.5 以DSP芯片為處理核心的集成化數字電路設計，體積小，重量輕，實現自動測量和顯示，運算速度快，程控測量，測量結果直觀可見。

2.6 為確保整個儀器系統適應不同使用及修理人員的訓練、維修中操作簡便的要求，儀器采用了手持式液晶顯示，分布式數據提取方式，能直接顯示測量位置所需加減調整墊的弧度，并加金屬外殼，使儀器可靠性大大加強，抗干擾能力增強，便于攜帶。

3 設計與原理

3.1 數學模型的建立

3.1.1 建立發動機與傳動箱之間中心線校正數學模型

發動機和傳動箱通過聯軸器連接后，兩軸中心線位置相對偏差分四種，即在上、下、左、右位置上的徑向位移和角位移，如圖1所示。其中，如甲軸（傳動箱軸線）為基準，Y偏差和Z偏差為乙軸（發動機曲軸端軸線）相對甲軸的徑向位移（徑向偏差）；α角和β角為乙軸相對甲軸的角位移（端面偏差）。偏差值可通過安裝在軸端的校正工具測量。兩軸中心線徑向位移用徑向偏差表示，兩軸中心線角位移用兩軸的端面偏差表示，如圖2和圖3所示。

上徑間隙為JS，下徑間隙為JX，H為兩軸間距，為使兩軸線重合，可使乙軸升高或降低H距離，也就是增加或減少乙軸調整墊厚度為H。計算后，H為正值則表示應加墊，H為負值則表示應減墊。

如圖3所示，L為乙軸兩端固定腳的距離，M為乙軸最前固定腳距測量端面的距離，R為從乙軸中心線至測量徑向基準的距離，DS為上兩端面的間距，DX為下兩端面的間距，DD′為乙軸頭墊數據，CC′為乙軸尾墊數據，DC為乙軸兩端固定腳距離。由圖可知，如果兩軸線僅存在角位移，有以下公式：

圖1 兩軸線在空間的相對位置

圖2 徑向偏差

圖3 乙軸傾斜時的端面偏差

由于安裝維修過程中，兩軸線可能同時存在角位移和徑向位移，因此，實際校正時，應將公式（1）、（2）、（3）合并，得到以下公式：

在實際校正過程中，將傳感器夾具固定在發動機曲軸端膜片聯軸器外圓螺紋孔中，將帶校正基準的卡具測量基準面裝在傳動箱主動連接齒輪的連接盤上，按中心線要求測量上、下、左、右四點的徑向間隙和端面間隙。公式（4）、（5）中的JX、JS、DS、DX、M、R、L七個數據中，JX、JS、DS、DX在測量時可轉化為校正儀卡具測量基準面的徑向和端面上、下間隙，將測量卡具按上述要求裝好后，這四個數據即可測出。而對于自行火炮底盤，M、R、L三個數值是固定的，代入公式后，可得到自行火炮傳動裝置發動機與傳動箱中心線校正算法模型。

由上、下兩點測量出的徑向、端面間隙值利用公式計算得出發動機頭部、尾部所加減調整墊的厚度，由左、右兩點測量出的徑向、端面間隙值利用公式計算得出發動左右移動距離。

自行火炮發動機與傳動箱中心線校正數學模型如下：

（注：頭墊指發動機頭部端面下調整墊的厚度，尾墊指發動機尾部端面下調整墊的厚度，頭移指發動機頭部向左后向右所移動的距離，尾移指發動機尾部向左后向右所移動的距離。）

3.1.2 建立傳動箱和變速箱之間中心線校正數學模型

將傳感器和測量基準面分別裝在主離合器與傳動箱的被動聯接齒輪上，通過測量JQ、JH、DQ、DH、JS、JX的間隙，計算出它們間隙之差，即可得到調整墊厚度。數學模型為：

若上述之差不合條件，則增減變速箱前支架的調理墊進行調整，調整墊不多于4片。

3.1.3 建立行星轉向機和變速箱側支架之間中心線校正數學模型

將帶傳感器的夾具裝在行星轉向機連接盤上，變速箱側支架按原來位置裝好，在側支架蓋下加墊片，調圓支架孔（與變速箱軸承固定套外徑一致），擰緊固定螺栓，通過測量JS、JX、JQ、JH的間隙，計算出它們的間隙之差，即可得到調整墊厚度。數學模型為：

SX=|JS-JX|＜1mm

若不合條件，增減支架下的調整墊(不多于2片)；

QH=|JQ-JH|＜1mm

若不合條件，改變支座的定位銷孔。

3.2 硬件設計

中心線校正測量裝置如圖4所示。用戶通過鍵盤將命令輸入DSP芯片，請求處理；DSP按照用戶的要求控制傳感器和液晶顯示屏。傳感器接收到采樣命令后將采集到的位移信號經過內部的A/D轉換處理，通過串口與DSP通信。液晶顯示屏則將處理好的數據顯示出來讓用戶取得信息。

圖4 裝置原理框圖

3.2.1 傳感器的選定

傳統校正方法中，使用專用卡具和塞尺測量，完全手工操作，誤差大、操作復雜、準確度和自動化水平低。針對修理中的實際情況，本設計中，綜合了體積、重量、維護性、可靠性等要求，最終采用了HY-65010R數碼直線位移傳感器，該傳感器通過一個 MAX485模塊，可直接與DSP芯片的串口模塊相連。該傳感器強度高、耐高溫、耐壓、耐油、耐水、耐腐蝕。考慮到實際測量數據范圍及體積影響，有效測量距離設計為10 mm，測量精度0.01 mm，滿足中心線校正要求。

3.2.2 傳感器夾具設計

由于自行火炮傳動裝置部件連接結構相同，對于不同自行火炮測量中可使用同一套傳感器夾具。在使用中，先將帶校正基準的卡具測量基準面裝在基準軸上，再將傳感器夾具固定在被測部件軸上，兩傳感器固定在傳感器夾具中，使兩傳感器對準測量基準面的端平面，并使傳感器的觸頭壓入一半。

3.2.3 電路設計

為了簡化電路，全部電路采用模塊化設計思想。調試環節少，連接方便簡單。整個電路包括兩個部分，一個是以 DSP為核心的功能實現模塊，一個是將交流電轉化為直流穩壓12 V、5 V、3.3 V的電源模塊。為了保證測量的實時性及儀器的穩定性，采用了功能強大、運算速度高、程序可擴展性強的DSP芯片TMS320LF2407A來完成整個系統的控制及信號處理功能。儀器涉及到的外圍設備有：液晶顯示屏、鍵盤陣列、傳感器。液晶和鍵盤陣列是組成人機交互界面的重要組成部分，鍵盤用于將用戶的命令要求輸入DSP請求處理，而液晶則將處理好的數據顯示出來讓用戶取得信息。液晶模塊內置處理芯片，只需利用2407的普通I/O進行控制，即能實現數據的顯示，其標準用戶硬件接口采用簡單的 REQ/BUSY握手協議來完成。鍵盤陣列用 8279芯片進行了擴展，節省了DSP的通用I/O口，其利用中斷響應來完成鍵盤的輸入命令響應和讀值。傳感器的采樣、數據的計算等都是鍵盤中斷的服務子程序。為了配合傳感器的使用，采用了485的串口標準，使DSP的串口通信模塊與傳感器通信。

3.3 軟件設計

由于程序的編制和運行關系到測量精確度和易操作性，設計中，為使操作者準確掌握測量過程，程序將每步測量計算所得數據如JS、JX、DS、DX等顯示出來，最后給出經計算得出的被測部件頭、尾分別應增減調整墊厚度和前后移動距離。該儀器的程序框圖見圖5。

圖5 程序框圖

4 使用情況

中心線校正裝置經試驗和部隊使用，具有安裝方便、操作簡單、工作可靠、精度高、造價低、車間、野外均可用，校正結果超過了修理規范對技術指標要求，具有以下特點：

1）HY-65010R數碼直線位移傳感器精度高、體積小、功耗低；傳感器夾具設計合理，外形美觀，調整方便。

2）采用外接220 V交流電經內置電源模塊轉換為12 V、5 V、3.3 V的供電，安全可靠，電源紋波系數小，電源穩定可靠，發熱量小，具有一定的短路保護功能。

3）采用 DSP芯片進行數據處理，液晶顯示計算結果，直接輸出測量部位增加或減少調整墊的厚度，測量精度＜0.1 mm。

4）外殼采用金屬噴塑，加強了對整機和機內電子元器件的保護，適合于部隊的使用維修特點。

5）通電后可長時間連續工作（不小于3 h）。

6）整套儀器采用鋁合金箱盒盛裝，外形美觀大方。

5 結束語

從部隊維修工作的實際出發，本校正裝置采用傳感器技術和DSP技術相結合的方法，并通過程序實現全部測量和計算過程自動化，把計算數據直接顯示給使用和維修人員，實現了儀器自動顯示功能，極大地提高了工作效率，縮短了維修時間，提高了校正精度。同時，為確保野戰修理的需要，該中心線校正裝置采用便攜式設計思想，突出了儀器的通用性設計，達到了多種自行火炮共用一種校正裝置的目標，滿足自行火炮部隊修理工作的需求。

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[1]楊杰敏等編. 自行火炮底盤拆裝與調試工藝. 武漢軍械士官學校, 2002.