轉管自動機機心加速度測試系統的研究

孫亞婷,張 瑜,馬鐵華,張紅艷

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

轉管自動機機心加速度測試系統的研究

孫亞婷,張 瑜*,馬鐵華,張紅艷

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

轉管武器機心加速度參數是研究其可靠性的重要依據,針對由轉管自動機機心結構限制引起轉管武器機心加速度無法直接測量的問題。以存儲測試技術為理論指導,設計了一套具有低功耗、多種觸發方式可編程的加速度測試系統,并對轉管武器機心結構進行特定的改造使測試儀可安裝在其相應位置完成測試工作。通過實際試驗測得了完整的三軸加速度曲線,驗證了轉管武器加速度測試系統的可靠性,為凸輪曲線、機心的改進設計提供了有效的實驗數據。

存儲測試;轉管武器;機心;加速度;低功耗;觸發方式

在近距離末端防空反導作戰中,轉管武器作為射速快、初速高、命中率高的高射頻自動武器被陸、海防空體系廣泛應用。在轉管武器研制過程中,自動機循環圖的編制是整個武器設計的核心,而凸輪曲線設計是轉管武器自動機循環圖設計的關鍵[1]。合理的設計,能降低武器系統的功耗,減小武器電機的驅動功率,提高壽命[2]。其自動機的機心加速度是研究凸輪曲線動力學的主要參數[3],減小凸輪曲線槽4個過渡段的加速度一直是減小機頭、機體之間的碰撞優化轉管武器結構的主要方法[4-5]。

所以針對機心運轉過程中的動態參數獲取的重要性,設計了基于存儲測試技術[6]的轉管武器機心加速度參數測試系統,該測試儀適用于各種轉管類武器機心運動過程中的三軸加速度參數的獲取,便于轉管武器凸輪曲線槽的優化設計。

1 測試系統的工作原理

測試系統由測試儀、通信接口和上位機組成,測試儀作為系統的核心結構又包括了傳感器、硬件電路和高強度的殼體[7]。為避免所測的信號受零漂影響,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],而且據以往仿真機心加速度信號特點,選取了120 kHz的采樣頻率。

工作前,為降低機心體振動的干擾,將測試系統安裝在改裝后機心頭“中心點”上,保證傳感器質心與機心體軸線重合[9]。工作時,測試系統在MSP430的總控制下,傳感器將采集到的非電量信號通過使其內部電橋失衡轉化成差動電壓信號輸出,該信號經由信號調理電路放大濾波后進行A/D轉換并存儲,觸發信號來臨時,單片機開始把RAM中的有效數據轉存至Flash,存滿后,程序將控制模擬部分下電,測試結束。最后,將所測得的數據通過紅外讀數裝置在上位機讀取,做相應的數據處理。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統總體結構設計圖

2 測試系統關鍵技術設計

在轉管自動機機心加速度測試的過程中,惡劣的測試環境不僅對測試系統的微體積、耐高沖擊、強振動以及溫度適應性有嚴格的要求,而且對測試儀的低功耗及高可靠性也有著極為苛刻的要求。

2.1 測試系統的低功耗設計

由于測試環境內部電池供電的局限性,系統低功耗的設計顯得尤為重要。在CMOS電路中電源管理和時鐘頻率是影響系統整體功耗的主要原因,為降低其耗電量,保證測試的順利進行,采用以下解決辦法:

(1)根據MSP430單片機功耗與時鐘頻率的關系式

I(AM)=I(AM)[1ΜΗz]·f(system)[ΜΗz]

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

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

圖2 系統狀態轉換圖

系統在各工作狀態的功耗情況如表1所示。

表1 系統功耗

2.2 測試系統觸發方式的設計

轉管武器機心加速度是反映轉管武器凸輪曲線動力學特性的重要參數,減小凸輪曲線槽過渡段的加速度是凸輪曲線槽優化設計目標之一。為了使測試結果更好地與各時間點凸輪曲線槽的位置對應,分析機心過渡段時間與位移的關系,本系統采用常用的可編程的多次比較內觸發與外部磁觸發兩種觸發相結合的觸發模型,增強了系統的可靠性。

內觸發是由EGAXT3型加速度傳感器采樣數據不斷與控制芯片MSP430設置的閾值進行比較判斷,當采樣數據大于閾值三次,比較計數器產生觸發信號,系統由循環采樣態進入順序采樣[9]。

外觸發采用CS3040 磁觸發式霍爾傳感器,安裝時將磁鐵固定在機心頭前端3 mm～5 mm處,然后把霍爾開關裝在在改裝后的機心頭套筒測試儀的端蓋頂部。當機心運行到指定的觸發位置時,霍爾開關感應預設位置的磁場將觸發信號通過高溫導線傳遞給測試系統[11],開始將數據存儲到單片機內的 FLASH,然后進行下部分工作。其安裝示意圖如圖 3所示。

圖3 霍爾開關安裝示意圖

3 測試系統的安裝

由于自動機機心處空間狹小、結構復雜,不利于測試系統的安裝,所以要對機心機械結構進行合理改造。為保證測試過程安全可靠,安裝時將利用定位螺栓和固定螺蓋將套筒式測試儀固定在機心頭處,使裝

置和機心不發生相對運動。并將外觸發用的霍爾開關固定到螺蓋表面的凹槽中。其結構設計圖如圖4 所示。

圖4 機心與套筒連接結構圖

4 實測結果分析

上述轉管機槍三維加速度測試系統已在某研究所進行了實際測試,成功獲取了某機芯在不同射速下的加速度數據。測試結果如表2所示。

表2 不同射速下的三軸機心加速度信息

圖5 2 000發/min射速下濾波后X、Y、Z軸加速度

圖5為射速2 000發/min下經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圖可看出機心在做凸輪曲線往復軸向運動的同時伴隨回轉組件做徑向圓周運動,來完成轉管機槍不同槍管彈丸的輪換發射。凸輪結構設計知軸向加速度是主要關心的指標,所以單獨分析軸向Y軸運動的速度變化過程,對曲線進行一次積分和二次積分得到機心在凸輪曲線運動中速度和位移曲線如圖6所示。

圖6 機心在軸向Y方向加速度與速度曲線圖

積分數據表明,槍管每旋轉一周,機心進行一次射擊循環,而在一次射擊循環中,機心要經過兩次加速和減速階段,如果以機心為參照,則機心加速階段為正傳動,減速階段為逆傳動。再者,機心速度與實驗前轉速電機提供的射速大體相同,每個周期的最大位移與實際凸輪結構運動最遠距離基本相符。由此可見該測試方法可行,測試數據真實可靠,為研究圖輪曲線過渡段的設計提供了依據。

5 結論

通過對某轉管武器機心運轉過程中動態信息測試要求的分析,在現有存儲測試技術理論的基礎上,設計了一套具有低功耗、觸發方式可編程的可安裝在機芯頭內隨機心一起運動的轉管武器加速度參數測試儀。測試實驗結果表明,隨著射速的提高,機心加速度越來越大。不同射速下各周期測試結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果具有加速度,該結果和理論計算結果大體相同,為凸輪曲線槽的改進設計提供了依據。

[1] 羅定. 某轉管自動機動態特性分析[D]. 南京:南京理工大學,2013.

[2] 黃坤,楊臻,李強. 轉管武器自動機運動特性仿真分析[J]. 中北大學學報(自然科版),2012(2):121-125.

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

[4] 王惠源,薄玉成,楊志良. 轉管武器機心加速度測試實驗[J]. 火炮發射與控制學報,2008(3):75-77.

[5] 徐健,薄玉成,常學芳. 超高射速轉管炮凸輪曲線槽分析與改進[J]. 火炮發射與控制學報,2007(4):43-46.

[6] 張文棟. 存儲測試系統的設計理論及其應用[M]. 北京:高等教育出版社,2002:9-26.

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

[8] 李志敏,張瑜,范錦彪. 轉管武器加速度參數測試系統的沖擊校準法[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技術分析[J]. 傳感技術學報,2013,26(1):21-24.

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

[11] 汪能. 基于霍爾開關的閘門開度儀的設計[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