MEMS保險機構加載模擬裝置

王彭穎愷，隋　麗，李國中

(北京理工大學機電動態控制重點實驗室，北京　100081)

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MEMS保險機構加載模擬裝置

王彭穎愷，隋麗，李國中

(北京理工大學機電動態控制重點實驗室，北京100081)

0引言

引信安全系統通常采用雙環境保險機構，常用的是后坐保險機構和離心保險機構。考核保險機構性能最可靠的方法是靶場射擊實驗，但該方法實驗費用高，尤其是對于高價值彈藥，靶場實驗的高昂費用越來越難以承受。另一方面，從機構設計，試件生產到靶場實驗的周期較長，難以做到對機構修改的即時檢測。研究模擬加載實驗方法取代或部分取代靶場實驗，將會極大推動引信技術的發展。

現有的模擬加載方法主要有沖擊加載法和離心加載法。沖擊加載法包括跌落加載法、馬歇特加載法，以及各種空氣炮、火藥炮加載方法。沖擊加載法產生的沖擊加速度可以達到數萬g，但其持續時間只有100 μs左右[1]。雖然可以通過改變碰撞目標的材料(如增加不同材質的襯墊)，增加持續時間，但其效果有限，持續時間難以達到毫秒級[2]。空氣炮、火藥炮加載方法實驗過程繁瑣，費用也偏高。對于離心加載法，可以通過改變離心機的轉速和離心半徑改或增加助推[3]改變加速度值。但離心機加速慢，加速時間長，基本上是一種靜態加載方法，難以模擬所需的加載要求。本文針對上述問題，提出了MEMS保險機構加載模擬裝置。

1模擬加載裝置的設計

1.1模擬加載裝置的結構及作用原理

模擬加載裝置是一種具有兩自由度的旋轉裝置，它主要由電機、大旋轉板、小旋轉板、扭簧、杠桿、啟動裝置、保護罩等組成，其結構如圖1所示(保護罩未畫出)。電機帶動大旋轉板旋轉，小旋轉板位于大旋轉板一端，其轉軸平行于電機軸。

大旋轉板由電機帶動進行高速旋轉，產生所需的離心加速度。待測的MEMS保險機構安裝在小旋轉板上，小旋轉板與大旋轉板之間裝有扭簧，套在小旋轉板轉軸上，扭簧兩臂分別固定在大、小旋轉板上。小旋轉板克服扭簧力矩旋轉一個角度后，杠桿將其固定在這一位置。在此位置，要保證被測的MEMS保險機構的運動方向垂直于大旋轉板的旋轉半徑。啟動機構擋住杠桿，使其不能運動。如果不用杠桿而將啟動機構直接擋住小旋轉板，扭簧的恢復力矩將對啟動機構產生很大的摩擦力，啟動機構難以可靠啟動釋放小旋轉板。設置杠桿的目的是減小作用在啟動機構上的摩擦力。

1.2加速度幅值的控制與結構設計

離心速度的計算公式：

a=R×w2

(1)

式(1)中： a為離心加速度；R為小旋轉板的旋轉軸心距大旋轉板的旋轉軸心的旋轉半徑(偏心距)；w為大旋轉板的旋轉角速度。

由離心加速度計算公式(1)可知，改變偏心距R或者改變旋轉角速度ω都可以改變加速度大小。本試驗中偏心距R為140 mm，大旋轉板轉速為3 600 r/min。產生的最大離心加速度約為2 000g。

1.3加速度持續時間的控制與結構設計

在進行加載試驗時，小旋轉板帶動扭簧旋轉180°，并用杠桿卡住。當轉速達到預期值時，啟動裝置釋放杠桿，在扭簧復原力的作用下小旋轉板旋轉180°恢復初始狀態。在這個旋轉過程中，保險機構受到的加速度從0到最大值，再由最大值降至0。

在這一變化過程中，忽略大旋轉板的轉速及小旋轉板的安裝位置，小旋轉板的轉動時間即為加速度的持續時間，它與小旋轉板的轉動慣量和扭簧的扭矩有關。小旋轉板的運動方程為：

目前，各種類型的編碼器廣泛用于測控、機床、工業機器人及其他許多技術領域。對編碼器測量精度和分辨率的要求不斷提高，促進了編碼器設計技術的改進和發展。本文闡述了編碼器的原理和分類，并分析了編碼器在機床、自動化控制、新能源開發等領域的應用現狀，最后探討了編碼器小型化、智能化的發展趨勢。未來，將不斷研制出更多的新型編碼器，編碼器的應用領域將更加廣泛，其工作的可靠性和精度也將不斷提高。本文對編碼器的工作原理以及應用現狀等進行具體論述，并對其未來發展趨勢進行了展望。

J(d2θ/dt2)=M(θ0-θ)-f(d/2)mRw2

(2)

式(2)中：J為小旋轉板(包括被測保險機構和玻璃蓋板)的轉動慣量；θ為小旋轉板的旋轉角度；M為扭簧的扭轉剛度；θ0為扭簧的預扭角度；f為小旋轉板轉軸圓柱面摩擦系數；d為小旋轉板直徑;m為小旋轉板的質量(包括被測保險機構和玻璃蓋板)；R為小旋轉板的距大旋轉板的旋轉軸心的旋轉半徑(偏心距)；w為大旋轉板的旋轉角速度。

當小旋轉板的結構參數和材料確定之后，其質量和轉動慣量就可以確定。通過求解上述運動方程(2)，可以得到扭簧扭轉剛度M與小旋轉板旋轉時間的關系。根據所需要的轉動時間，確定扭簧的扭轉剛度M，進而對扭簧進行設計或選擇。

在實際試驗時，大旋轉板轉動產生的離心力作用于被測保險機構的運動零件上，當運動零件運動方向與離心力夾角從90°開始變化時，離心力一方面可以推動運動零件的運動；另一方面，其在垂直零件運動方向的分量會對零件的運動產生一個摩擦力阻礙零件的運動。圖2,圖3分別給出了旋轉板位置關系圖和放大的小旋轉板圖。

如圖2，圖3所示，設小旋轉板轉軸位置為A，大旋轉板轉軸位置為B滑塊質心為C。小旋轉板在旋轉過程中某一時刻轉過的角度為θ，即AB與AC的夾角為θ，滑塊受到的離心力F與AC夾角為α，即AB與AC夾角為α，因為AC?AB,AC?BC,可近似認為AB∥BC，∠θ=∠α。

圖1　模擬加載裝置結構圖Fig.1　Structure diagram of loading devices

圖2旋轉板位置關系圖
Fig.2Rotating plate location diagram

圖3　小旋轉板示意圖Fig.3　Small rotating board

根據離心力計算公式可以得到滑塊在旋轉過程中受到的離心力大小為：

F=mrw2

(3)

式(3)中：m為滑塊質量;r為滑塊旋轉半徑，變量;w為大旋轉板旋轉角速度。

由受力分析可以得到滑塊受到的主動力Fx和摩擦力Ff計算公式：

Fx=Fsinα=Fsinθ

(4)

Ff=fFy=fFcosα=fFcosθ

(5)

若定義摩擦力與主動力之比為K，即：

K=Ff/Fx=f/tanθ

(6)

當θ不同時，可以列出表1。從表中可以看出：當θ<5.71°時，Fx5.71°時，主動力大于摩擦力。θ>45°后，摩擦力與主動力之比小于10%，并且隨著θ的增大，摩擦力的影響逐漸減小，當θ=90°時，摩擦力為0。

表1　K值隨θ的變化

根據表1，可以畫出圖4 。圖4給出了不考慮摩擦(以下稱為理想情況)和考慮摩擦(以下稱為實際情況)兩種情況下，滑塊所受離心力的對比。圖中橫坐標θ為小旋轉板的旋轉角度，縱坐標為滑塊所受離心加速度，為直觀起見，加速度做了歸一化處理，設理想情況滑塊所受最大加速度為1。圖中實線為理想情況的加速度曲線，虛線為實際情況的加速度曲線。從圖中曲線變化趨勢可以看到，實際情況的加速度值要小于理想情況的值。通常情況下，后坐保險機構在最大膛壓前解除保險，因此只需考慮θ=90°前滑塊受力情況。為了減小摩擦力的影響，可以預先給扭簧旋轉一個角度(5.71°)，這樣小旋轉板在轉動過程中，滑塊受力就接近無摩擦的情況，只是離心力達到最大值，小轉轉版旋轉的角度不是90°，而是85°，旋轉時間有所減少。對于這一問題，可以通過適當減小扭簧的剛度來增加小旋轉板的轉動時間。

在進行小旋轉板設計時需要注意，要盡量保證其質心位于旋轉軸上。若重心偏離轉軸，在轉動的過程中會產生轉矩，從而對被測機構產生附加角加速度，進而影響作用時間。

1.4機構啟動的控制與設計

啟動裝置有兩種方案。一種方案是采用導電滑環。導電滑環可以實現從固定位置到旋轉位置傳送數據或功率。在這種方案中，采用電磁鐵作為啟動控制裝置。初始時使用電磁鐵擋住杠桿，當大旋轉板轉速達到預定轉速(即設置的加速度)時，外部電源通過導電滑環給電磁鐵供電，驅動其動作釋放杠桿，進而釋放小旋轉板。這種方案的特點是可以通過外部電路控制電磁鐵工作，還可以在大旋轉板上安裝加速度傳感器實時檢測安保機構所受加速度大小。其不足之處在于當需要較高轉速時，導電滑環兩部分之間高速摩擦，滑環的工作可靠性難以保證。

第二種方案采用人工手動進行非接觸式控制，其結構如圖5所示。圖中所示定位銷上、下部分直徑較大，中間有一凹槽。平時，定位銷的下部擋住杠桿，使其不能運動。工作時，定位銷向下運動，由于定位銷中部的凹槽，當其運動到一定位置時，杠桿可以被釋放。定位銷的運動采用非接觸磁力推動方式。具體方案是：在定位銷上部固定一塊釹鐵硼永久磁鐵，在防護罩內部與定位銷相對應的位置上安裝一塊體積較大的釹鐵硼永久磁鐵，兩塊磁鐵相對面的極性相同，當其靠近時，相互之間會產生排斥力。在實驗開始時，用防護罩罩在旋轉裝置上，控制距離使兩磁鐵之間無相互作用力。當大旋轉板的轉速達到預定值時，移動裝有永久磁鐵的防護罩慢慢靠近大旋轉板。當兩磁鐵之間的間隙減小到一定程度時，排斥力就會推動定位銷向下運動，從而釋放杠桿。啟動裝置應盡量靠近大旋轉板的旋轉軸， 減小摩擦力，以便啟動裝置可靠運動。

圖4　小旋轉板示意圖Fig.4　The centrifugal force on the slider in two conditions

圖5　啟動機構結構圖Fig.5　Structure of starting devices

2模擬加載裝置的性能分析

本文設計的模擬加載裝置，其性能目標主要有兩個，加速度值和加速度作用時間。試驗中的加速度值采取理論計算值約2 000g。加速度作用時間通過靜態旋轉測試得到，測試電路如圖6所示。

靜態旋轉測試是在大旋轉板靜止的情況下，測試小旋轉板釋放后旋轉180°停止的時間。測試時在大旋轉板旋轉終止位置處放置一金屬板開關K2，旋轉臺為節點K，與之接觸的杠桿為開關K1。由電路圖可知，在小旋轉板靜止時，K與K1接觸，開關K1閉合，電路輸出為低電平。當杠桿被釋放，小旋轉板開始運動，則節點K與K1分離高電平。當小旋轉板轉動180°后，與K2接觸，K2閉合，電路輸出低電平。高電平的持續時間即為加速度作用時間。圖7所示為示波器記錄下的電路輸出波形。表2所示為試驗測得的作用時間。從表中數據可以看出，隨動臺的旋轉時間穩定在2 ms左右。

圖6　加速度過載作用時間測試電路Fig.6　test circuit of theaction time of acceleration

圖7　電路輸出波形Fig.7　Output oftest circuit

表2轉動時間測試結果

Tab.2Test result of rotation time

時間1234Ta/ms1.8060.8861.6461.768Tb/ms3.8542.9344.0943.976ΔT/ms2.0482.0482.4482.208

3應用舉例

測試裝置如圖8所示。在試驗中要注意，由于大旋轉板是高速旋轉，為防止在實驗過程中有零件飛出傷人的可能，需要使用防護罩，并通過防護罩上的透明蓋板觀測。

實驗過程中測得的旋轉板轉速約為2 857 r/min，轉速滿足要求。圖9是安保機構實驗前的狀態，后座保險機構沒有被卡銷卡住，保險未解除；圖10是安保機構實驗結束后的狀態，后座保險機構被卡住，并且解除對離心保險的約束，解保成功。

圖8　測試裝置實物圖Fig.8　Picture of testing devices

圖9　安保機構未解除保險圖Fig.9　Safe and arming systembefore test

圖10　安保機構解除保險圖Fig.10　Safe and arming systemafter test

4結論

本文提出了MEMS保險機構加載模擬裝置。該裝置可以通過改變電機的轉速和扭簧的扭矩，在一定范圍內改變加載加速度的幅值和加載時間。實驗結果表明，該模擬實驗裝置能夠在一定程度上模擬MEMS保險機構在實際發射過程中受到的加速度變化，具有結構簡單，操作方便，適用范圍廣等優點。后續工作內容可以對小旋轉板的結構進行設計，使其可以更加準確的控制作用時間。

參考文獻:

[1]陳強強. 引信發射后坐與旋轉雙環境模擬技術研究與模擬系統設計[D].南京：南京理工大學,2003.

[2]夏偉強,范錦彪,馬鐵華，等.一種高G值沖擊加速度模擬實驗方法[J].電子測量與儀器學報，2006:104-106.

[3]張艷兵,馬鐵華,祖靜，等.模擬導彈發射的空氣炮啟動帶矢量轉臺離心機[J].探測與控制學報,2012,34(1):28-32.

摘要:針對火箭彈引信主動段時間較長，已有的實驗設備無法模擬解保過程中加速度變化的問題，提出了MEMS保險機構加載模擬裝置。該裝置具有兩個旋轉機構，分別由電機和扭簧驅動。通過改變電機的轉速和扭簧的力矩，可以在一定范圍內調整加速度幅值和加載持續時間。實驗結果表明，該裝置具有結構簡單，操作方便，適用范圍廣的特點，對MEMS安保機構可實現數千g加速度和數毫秒持續時間的加載模擬。

關鍵詞:MEMS引信安保機構；加速度模擬；旋轉臺；強力磁鐵

A MEMS Safe and Arming System Load Simulation Device WANG Pengyingkai, SUI Li, LI Guozhong

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Beijing 100081, China)

Abstract:The specific acceleration change is hard to be simulated when a certain type of rocket projectile lunched. This paper proposed a loading device that could solve the mentioned problem. The device had two rotating mechanism, respectively driven by motor and torsional spring. By changing the speed of the motor torque and torsional spring, the acceleration amplitude and duration of loading could be adjusted in a certain range. The experimental results showed that the device had simple structure and the operation was convenient, which could simulate the loading of thousands g maintaining several ms of MEMS safe and arming system.

Key words:MEMS safe and arming system; acceleration simulation ; rotating mechanism; NdFeB

中圖分類號:TJ434.2

文獻標志碼:A

文章編號:1008-1194(2015)06-0017-04

作者簡介:王彭穎愷(1992—)，女，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：傳感與機電控制。E-mail：wpyk1992@126.com。

*收稿日期:2015-06-15