轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)機(jī)心加速度測試系統(tǒng)的研究

孫亞婷,張 瑜,馬鐵華,張紅艷

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)機(jī)心加速度測試系統(tǒng)的研究

孫亞婷,張 瑜*,馬鐵華,張紅艷

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

轉(zhuǎn)管武器機(jī)心加速度參數(shù)是研究其可靠性的重要依據(jù),針對(duì)由轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)機(jī)心結(jié)構(gòu)限制引起轉(zhuǎn)管武器機(jī)心加速度無法直接測量的問題。以存儲(chǔ)測試技術(shù)為理論指導(dǎo),設(shè)計(jì)了一套具有低功耗、多種觸發(fā)方式可編程的加速度測試系統(tǒng),并對(duì)轉(zhuǎn)管武器機(jī)心結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定的改造使測試儀可安裝在其相應(yīng)位置完成測試工作。通過實(shí)際試驗(yàn)測得了完整的三軸加速度曲線,驗(yàn)證了轉(zhuǎn)管武器加速度測試系統(tǒng)的可靠性,為凸輪曲線、機(jī)心的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

存儲(chǔ)測試;轉(zhuǎn)管武器;機(jī)心;加速度;低功耗;觸發(fā)方式

在近距離末端防空反導(dǎo)作戰(zhàn)中,轉(zhuǎn)管武器作為射速快、初速高、命中率高的高射頻自動(dòng)武器被陸、海防空體系廣泛應(yīng)用。在轉(zhuǎn)管武器研制過程中,自動(dòng)機(jī)循環(huán)圖的編制是整個(gè)武器設(shè)計(jì)的核心,而凸輪曲線設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)管武器自動(dòng)機(jī)循環(huán)圖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。合理的設(shè)計(jì),能降低武器系統(tǒng)的功耗,減小武器電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率,提高壽命[2]。其自動(dòng)機(jī)的機(jī)心加速度是研究凸輪曲線動(dòng)力學(xué)的主要參數(shù)[3],減小凸輪曲線槽4個(gè)過渡段的加速度一直是減小機(jī)頭、機(jī)體之間的碰撞優(yōu)化轉(zhuǎn)管武器結(jié)構(gòu)的主要方法[4-5]。

所以針對(duì)機(jī)心運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)獲取的重要性,設(shè)計(jì)了基于存儲(chǔ)測試技術(shù)[6]的轉(zhuǎn)管武器機(jī)心加速度參數(shù)測試系統(tǒng),該測試儀適用于各種轉(zhuǎn)管類武器機(jī)心運(yùn)動(dòng)過程中的三軸加速度參數(shù)的獲取,便于轉(zhuǎn)管武器凸輪曲線槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 測試系統(tǒng)的工作原理

測試系統(tǒng)由測試儀、通信接口和上位機(jī)組成,測試儀作為系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)又包括了傳感器、硬件電路和高強(qiáng)度的殼體[7]。為避免所測的信號(hào)受零漂影響,本測試儀選用了ENTRAN公司的EGAXT3型壓阻式三軸加速度傳感器[8],而且據(jù)以往仿真機(jī)心加速度信號(hào)特點(diǎn),選取了120 kHz的采樣頻率。

工作前,為降低機(jī)心體振動(dòng)的干擾,將測試系統(tǒng)安裝在改裝后機(jī)心頭“中心點(diǎn)”上,保證傳感器質(zhì)心與機(jī)心體軸線重合[9]。工作時(shí),測試系統(tǒng)在MSP430的總控制下,傳感器將采集到的非電量信號(hào)通過使其內(nèi)部電橋失衡轉(zhuǎn)化成差動(dòng)電壓信號(hào)輸出,該信號(hào)經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ),觸發(fā)信號(hào)來臨時(shí),單片機(jī)開始把RAM中的有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至Flash,存滿后,程序?qū)⒖刂颇M部分下電,測試結(jié)束。最后,將所測得的數(shù)據(jù)通過紅外讀數(shù)裝置在上位機(jī)讀取,做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)機(jī)心加速度測試的過程中,惡劣的測試環(huán)境不僅對(duì)測試系統(tǒng)的微體積、耐高沖擊、強(qiáng)振動(dòng)以及溫度適應(yīng)性有嚴(yán)格的要求,而且對(duì)測試儀的低功耗及高可靠性也有著極為苛刻的要求。

2.1 測試系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

由于測試環(huán)境內(nèi)部電池供電的局限性,系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在CMOS電路中電源管理和時(shí)鐘頻率是影響系統(tǒng)整體功耗的主要原因,為降低其耗電量,保證測試的順利進(jìn)行,采用以下解決辦法:

(1)根據(jù)MSP430單片機(jī)功耗與時(shí)鐘頻率的關(guān)系式

I(AM)=I(AM)[1ΜΗz]·f(system)[ΜΗz]

可推斷出單片機(jī)最高頻率工作模式下的功耗最低時(shí)鐘頻率的8倍以上,所以系統(tǒng)采用了高低晶振交互方的式來給系統(tǒng)提供時(shí)鐘,即在頻率要求不高(系統(tǒng)處于待讀數(shù)態(tài))情況下選用MSP430內(nèi)部DCO(數(shù)控振蕩器)作為系統(tǒng)時(shí)鐘,而在系統(tǒng)高速采樣和通信的時(shí)選用外部高頻晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘,這樣就可以降低由于時(shí)鐘頻率產(chǎn)生的不必要的功耗[10];

(2)另外采用分區(qū)、分時(shí)電源管理技術(shù)來有效地控制功率消耗,即配合使用CD4013和可同時(shí)輸出兩路2.8 V穩(wěn)定電壓的LP5996,對(duì)電路的數(shù)字和模擬部分按需上電、分開供電來盡可能地關(guān)斷與狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持無關(guān)的元器件的電源,而且為防止發(fā)生電氣沖突,還要通過與門將與這些被斷電器件相連的高電平狀態(tài)信號(hào)屏蔽掉。系統(tǒng)工作各狀態(tài)的供電情況如圖2所示,其中VCC為電池電源,VDD為數(shù)字電源,VEE為模擬電源。

圖2 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

系統(tǒng)在各工作狀態(tài)的功耗情況如表1所示。

表1 系統(tǒng)功耗

2.2 測試系統(tǒng)觸發(fā)方式的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)管武器機(jī)心加速度是反映轉(zhuǎn)管武器凸輪曲線動(dòng)力學(xué)特性的重要參數(shù),減小凸輪曲線槽過渡段的加速度是凸輪曲線槽優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。為了使測試結(jié)果更好地與各時(shí)間點(diǎn)凸輪曲線槽的位置對(duì)應(yīng),分析機(jī)心過渡段時(shí)間與位移的關(guān)系,本系統(tǒng)采用常用的可編程的多次比較內(nèi)觸發(fā)與外部磁觸發(fā)兩種觸發(fā)相結(jié)合的觸發(fā)模型,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

內(nèi)觸發(fā)是由EGAXT3型加速度傳感器采樣數(shù)據(jù)不斷與控制芯片MSP430設(shè)置的閾值進(jìn)行比較判斷,當(dāng)采樣數(shù)據(jù)大于閾值三次,比較計(jì)數(shù)器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),系統(tǒng)由循環(huán)采樣態(tài)進(jìn)入順序采樣[9]。

外觸發(fā)采用CS3040 磁觸發(fā)式霍爾傳感器,安裝時(shí)將磁鐵固定在機(jī)心頭前端3 mm～5 mm處,然后把霍爾開關(guān)裝在在改裝后的機(jī)心頭套筒測試儀的端蓋頂部。當(dāng)機(jī)心運(yùn)行到指定的觸發(fā)位置時(shí),霍爾開關(guān)感應(yīng)預(yù)設(shè)位置的磁場將觸發(fā)信號(hào)通過高溫導(dǎo)線傳遞給測試系統(tǒng)[11],開始將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)的 FLASH,然后進(jìn)行下部分工作。其安裝示意圖如圖 3所示。

圖3 霍爾開關(guān)安裝示意圖

3 測試系統(tǒng)的安裝

由于自動(dòng)機(jī)機(jī)心處空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于測試系統(tǒng)的安裝,所以要對(duì)機(jī)心機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改造。為保證測試過程安全可靠,安裝時(shí)將利用定位螺栓和固定螺蓋將套筒式測試儀固定在機(jī)心頭處,使裝

置和機(jī)心不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。并將外觸發(fā)用的霍爾開關(guān)固定到螺蓋表面的凹槽中。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 機(jī)心與套筒連接結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)測結(jié)果分析

上述轉(zhuǎn)管機(jī)槍三維加速度測試系統(tǒng)已在某研究所進(jìn)行了實(shí)際測試,成功獲取了某機(jī)芯在不同射速下的加速度數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同射速下的三軸機(jī)心加速度信息

圖5 2 000發(fā)/min射速下濾波后X、Y、Z軸加速度

圖5為射速2 000發(fā)/min下經(jīng)MATLAB濾波處理后的完整的三維加速度變化曲線,其X軸正向峰值為431gn;Y軸正向峰值為1 611gn;Z軸正向峰值為235gn。

由5圖可看出機(jī)心在做凸輪曲線往復(fù)軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)伴隨回轉(zhuǎn)組件做徑向圓周運(yùn)動(dòng),來完成轉(zhuǎn)管機(jī)槍不同槍管彈丸的輪換發(fā)射。凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知軸向加速度是主要關(guān)心的指標(biāo),所以單獨(dú)分析軸向Y軸運(yùn)動(dòng)的速度變化過程,對(duì)曲線進(jìn)行一次積分和二次積分得到機(jī)心在凸輪曲線運(yùn)動(dòng)中速度和位移曲線如圖6所示。

圖6 機(jī)心在軸向Y方向加速度與速度曲線圖

積分?jǐn)?shù)據(jù)表明,槍管每旋轉(zhuǎn)一周,機(jī)心進(jìn)行一次射擊循環(huán),而在一次射擊循環(huán)中,機(jī)心要經(jīng)過兩次加速和減速階段,如果以機(jī)心為參照,則機(jī)心加速階段為正傳動(dòng),減速階段為逆?zhèn)鲃?dòng)。再者,機(jī)心速度與實(shí)驗(yàn)前轉(zhuǎn)速電機(jī)提供的射速大體相同,每個(gè)周期的最大位移與實(shí)際凸輪結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)距離基本相符。由此可見該測試方法可行,測試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,為研究圖輪曲線過渡段的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

5 結(jié)論

通過對(duì)某轉(zhuǎn)管武器機(jī)心運(yùn)轉(zhuǎn)過程中動(dòng)態(tài)信息測試要求的分析,在現(xiàn)有存儲(chǔ)測試技術(shù)理論的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套具有低功耗、觸發(fā)方式可編程的可安裝在機(jī)芯頭內(nèi)隨機(jī)心一起運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試儀。測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著射速的提高,機(jī)心加速度越來越大。不同射速下各周期測試結(jié)果都具有較好的一致性,但在某過渡曲線段,有很大的加速度。加速度的波形和幅值與測試前建模仿真的圖基本吻合,斜直線段上的測試結(jié)果具有加速度,該結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果大體相同,為凸輪曲線槽的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1] 羅定. 某轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析[D]. 南京:南京理工大學(xué),2013.

[2] 黃坤,楊臻,李強(qiáng). 轉(zhuǎn)管武器自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性仿真分析[J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科版),2012(2):121-125.

[3] 劉杰,李強(qiáng). 圓柱凸輪建模方法分析與研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2012(11):74-76.

[4] 王惠源,薄玉成,楊志良. 轉(zhuǎn)管武器機(jī)心加速度測試實(shí)驗(yàn)[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2008(3):75-77.

[5] 徐健,薄玉成,常學(xué)芳. 超高射速轉(zhuǎn)管炮凸輪曲線槽分析與改進(jìn)[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2007(4):43-46.

[6] 張文棟. 存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用[M]. 北京:高等教育出版社,2002:9-26.

[7] 馬強(qiáng),沈大偉,馬鐵華. 引信加速度信號(hào)測試儀設(shè)計(jì)[J]. 電子器件,2016,39(2):383-387.

[8] 李志敏,張瑜,范錦彪. 轉(zhuǎn)管武器加速度參數(shù)測試系統(tǒng)的沖擊校準(zhǔn)法[J]. 電子器件,2016,38(2):379-382.

[9] 劉紅娟,沈大偉,李新娥. 彈載高g值三軸加速度測試系統(tǒng)技術(shù)分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(1):21-24.

[10] 沈建華,楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:145-147.

[11] 汪能. 基于霍爾開關(guān)的閘門開度儀的設(shè)計(jì)[J]. 硅谷,2010(24):43-44.

Acceleration Parameters Test System Research of Gatling Gun Storage Measurement Technique

SUNYating,ZHANGYu*,MATiehua,ZHANGHongyan

(National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Gatling Gun Bolt Acceleration is an important basis for research arms of structural reliability. For the issues of the Gatling Gun Bolt Acceleration can not be measured directly due to structural constraints,a set of programmable acceleration test system with low power consumption and multiple trigger modes is designed. It is based on the test and measurement technology and can be installed in corresponding position to complete the test work. Through the actual test the full range curve of three-axis acceleration is measured,the reliability of Gatling Gun acceleration tester has been verified,and it provides reliable experimental data for the cam profile and the movement design.

memory testing;gatling gun;bolt;acceleration;low power consumption;trigger mode

2016-04-25 修改日期:2016-06-27

TN06

A

1005-9490(2017)03-0668-04

C:7320E;7210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.030