某車載武器系統光電設備自動化保護裝置設計

魏 國， 王率軍， 趙 益， 雷 晗， 岳 通

(西南技術物理研究所，成都 610041)

車載方艙為武器系統提供了必要的操控和工作空間，是武器裝備的重要組成部分[1]。車載方艙內通常安裝有一些光機電設備，車載方艙外通常需要布置相應的光電探測或發射分系統。而對于新型光電對抗類武器系統，其戰斗模塊需要安裝在方艙頂部視線范圍良好的區域，且由不同光電設備組成的戰斗模塊在工作時應滿足其運動自由度要求，運輸過程中應具有較好的防砂石撞擊和防雨防塵要求。同時，高機動屬性要求裝備本身具有輕量化和自動化的特征[2]。因此，如何實現車載武器系統光電探測或發射分系統的可靠防護和快速狀態轉換，尤其是某些易碎精密光電設備的自動化防護設計，是一大難題。

傳統的車載方艙多采用翻蓋和滑蓋裝置對艙內光機電設備進行有效防護[3-5]。岳通等[6]針對某武器系統方艙內部導引設備回轉半徑大、工作范圍大的特點，設計了一種新型的大型翻轉頂蓋裝置；李盛蔚等[7]基于某無人機干擾車自動升降雷達裝置環境適應性要求，設計了一款可協同車載雷達架設的電動翻轉頂蓋；李范春等[8]針對某武器裝備發射模塊快速狀態轉換要求，設計了一種開蓋裝置并分析了頂蓋開啟運動時間的可靠性。傳統的翻蓋和滑蓋裝置大多針對具備架撤或升降功能的模塊單元，其體積雖大，但高度空間較小，既難以滿足某些外露于方艙頂部大尺寸光電設備的保護要求，又無法實現結構美觀、功能可靠及整體輕量化。車載武器系統光電設備的自動化防護設計需要提出一種新的方法。

為解決上述問題，現設計一種基于橫移翻轉機構的自動化保護裝置，在滿足方艙頂部安裝空間要求和戰斗模塊運動自由度要求的前提下，可為光電設備提供高效防護。該裝置結構美觀、功能可靠且整體輕量化。詳細闡述自動化保護裝置的結構組成、工作原理、橫移翻轉機構設計方法以及該裝置的自動化控制原理。最后，通過物理樣機對自動化保護裝置開展實驗評價以驗證設計方案的可靠性。

1 光電設備自動化保護技術要求

根據某車載武器系統總體布局方案，其戰斗模塊外露于方艙頂部，如圖1所示。

圖1 某車載武器系統總體布局方案Fig.1 The scheme of generally special layout for a vehicle weapon system

針對此類新型光電對抗武器系統，其戰斗模塊光電設備自動化保護技術要求如下。

(1)光電設備由探測和發射分系統組成并集成于伺服轉臺兩側，共同構成戰斗模塊。

(2)伺服轉臺工作狀態俯仰轉動角度為-5°～+85°。

(3)伺服轉臺工作狀態方位轉動角度為0°～360°。

(4)保護裝置在閉合狀態下，具有較好的防砂石撞擊和防雨防塵功能，能夠有效地保護武器系統戰斗模塊，滿足運輸要求。

(5)保護裝置在開啟狀態下，能夠滿足武器系統戰斗模塊回轉半徑大、工作時無結構干涉且工作范圍無遮擋的要求。

(6)保護裝置需安裝在車載方艙頂部有限的空間內，橫移翻轉運動安全平穩且自動化程度高。

(7)保護裝置操作和維護需簡單方便，剛強度好且重量輕，結構美觀。

2 自動化保護裝置結構組成

2.1 總體結構簡介

根據某車載武器系統總體布局方案，光電設備集成于伺服轉臺兩側并共同構成戰斗模塊，方艙頂部開設有圓形孔以使伺服轉臺穿過而外露于方艙工作。按照光電設備自動化保護技術要求，自動化保護裝置安裝于車載方艙頂部伺服轉臺開孔兩側；裝置閉合時可環抱武器系統戰斗模塊形成有效防護，保證光電設備在運輸過程中具有良好的環境適應性；裝置開啟時可在方艙頂部迅速平穩展開，保證光電設備在工作過程中無結構干涉、無光路遮擋。其中，傳動機構是實現保護裝置自動打開/閉合運動的關鍵。

在傳統滑蓋裝置平移機構的基礎上，對組合機構實現復雜運動的規律進行深入研究，提出一種新型的橫移翻轉機構來實現保護裝置的快速狀態轉換；其控制系統采用可編程控制器(programmable logic controuer, PLC)來實現保護裝置運動過程的自動化[9]。為了滿足武器裝備減重需求，自動化保護裝置部分結構件采用碳纖維復合材料以實現輕量化和結構美觀。

光電設備自動化保護裝置結構組成如圖2所示。自動化保護裝置主要由左防護罩、右防護罩、導軌安裝板、橫移機構、翻轉機構和機構防護罩等組成。其中，橫移機構、翻轉機構分別設置在防護罩前后兩側，橫移機構實現左右防護罩開啟/閉合的平移運動，翻轉機構實現左右防護罩0°～90°翻轉。整個裝置通過導軌安裝板固定在方艙頂蓋上，機構保護罩固定在導軌安裝板上，橫移機構、翻轉機構分別安裝在機構保護罩內以保護運動執行機構。

圖2 光電設備自動化保護裝置結構組成Fig.2 Structure of automatic protection device for photoelectric equipment

2.2 工作原理

設計的光電設備自動化保護裝置開啟/閉合狀態示意圖如圖3所示。

圖3 自動化保護裝置開啟/閉合狀態示意圖Fig.3 Schematic diagram of opening and closing state of the automatic protection device

當武器系統駐車工作時，自動化保護裝置處于開啟狀態，如圖3(a)所示。此時，啟動裝置開啟按鈕，橫移機構開始運行，伺服電機輸出扭矩經過經行星齒輪減速器減速增扭后，驅動左右旋對稱絲桿轉動，并帶動橫移平臺相向運動，實現左右防護罩以相同速度、相反方向橫移運動。橫移機構運行到位后，翻轉機構開始運行，由左右電動推桿提供動力，推動左右防護罩圍繞底部法蘭鉸支點實現90°翻轉。最終，左右防護罩落放在車載方艙頂壁兩側，為武器系統戰斗模塊回轉運動提供充足空間。

當武器系統行車運輸時，自動化保護裝置處于閉合狀態，如圖3(b)所示。此時，啟動裝置閉合按鈕，翻轉機構開始運行，由左右電動推桿提供動力，拉動左右防護罩圍繞底部法蘭鉸支點實現翻轉，翻轉運動采用接近開關和機械限位對左右防護罩翻轉回位極限位置進行標定和限制。翻轉機構運行到位后，橫移機構開始運行，由伺服電機輸出扭矩經過經行星齒輪減速器減速增扭后，驅動左右旋對稱絲桿轉動，并帶動橫移平臺相向運動，實現左右防護罩以相同速度、相對方向橫移運動。橫移運動通過伺服電機計數和扭矩控制進行極限位置標定。最終，左右防護罩相互扣合回位，并使用安裝在左右防護罩兩側開合面處的彈簧卡對其進行鎖緊。

2.3 橫移機構

橫移機構主要實現左右防護罩以相同速度、相對方向橫移運動。橫移機構安裝于防護罩前側并固定在導軌安裝板上，包括伺服電機、減速機、絲桿、絲母、橫移平臺、滑塊、直線導軌及聯軸器等部件，如圖4所示。左右旋絲母分別安裝在左右側橫移平臺上，防護罩底部法蘭固定點分別與橫移平臺鉸接，橫移平臺底部安裝有滑塊，分別與直線導軌配合導向，直線導軌安裝在導軌安裝板上。左右旋對稱絲桿通過聯軸器連接傳動，絲桿與4個支撐座通過軸承固定在導軌安裝板上。橫移機構由一端伺服電機提供動力，經減速機減速增扭矩后，驅動左右旋對稱絲桿轉動，并帶動左右側橫移平臺相向運動，實現左右防護罩以相同速度、相對方向橫移運動。

橫移機構通過伺服電機計數和扭矩控制進行橫移平臺極限位置標定，總行程為400 mm。鑒于橫移機構運行到位后，左右防護罩需固定在橫移平臺上進行翻轉運動，因此采用梯形絲桿副以保證橫移平臺位移到位后靜態自鎖。綜合考慮結構強度、傳動穩定性和加工工藝性，選用中徑16 mm、導程3 mm的梯形螺紋絲桿。

伺服驅動系統作為橫移機構平移運動的動力輸入，其伺服電機的選型和減速器的設計需要同時考慮載荷因素和產品經濟性。運動過程中橫移機構的受力狀態分析如圖5所示，并根據建立的受力分析圖進行了扭矩計算。

表1所示為自動化保護裝置橫移機構傳動系統部分技術參數。

圖4 橫移機構結構組成Fig.4 Structure composition of the traverse mechanism

圖5 橫移機構的受力分析Fig.5 Analysis of the traverse mechanism

由摩擦阻力計算公式Fa=Ktμmg，可求得橫移運動產生的摩擦阻力Fa為

Fa=Ktμm1g=529.2 N

(1)

根據計算的摩擦阻力，由絲桿副獲得所需推力的驅動扭矩計算公式[10]T=Fal/(2πη)，可求得伺服驅動系統所需扭矩為

T=Fal/(2πη)=1.26 N·m

(2)

綜合考慮載荷因素并盡可能選用標準產品，橫移機構伺服驅動系統選型設計如表2所示。伺服驅動輸出扭矩1.6 N·m，即可滿足機構橫移運動扭矩需求。

表1 橫移機構傳動系統技術參數Table 1 Parameters of driving system for the traverse mechanism

表2 伺服驅動系統技術參數Table 2 Parameters of servo driving system

2.4 翻轉機構

翻轉機構主要由電動推桿提供動力，推拉左右防護罩圍繞底部法蘭鉸支點實現90°翻轉運動。翻轉機構安裝于防護罩后側并固定在導軌安裝板上，包括左右電動推桿、橫移平臺、滑塊及直線導軌等部件，如圖6所示。電動推桿上端與防護罩中部固定點鉸接，下端與橫移平臺內側鉸接；防護罩底部法蘭固定點與橫移平臺外側鉸接，橫移平臺底部安裝有滑塊，分別與直線導軌配合導向，直線導軌安裝在導軌安裝板上。翻轉機構在橫移機構運行到位后，由電動推桿提供動力，推拉左右防護罩圍繞底部法蘭鉸支點實現0°～90°翻轉。

翻轉機構采用接近開關和機械限位對左右防護罩翻轉回位極限位置進行標定和限制。而電動推桿作為翻轉機構推拉運動的動力輸入，是整個裝置能否實現安全平穩運動的關鍵。為計算電動推桿額定輸入扭矩，分析了極限狀態下(拉動罩殼瞬間)翻轉機構的受力情況，并根據建立的機構原理圖進行了扭矩計算，如圖7所示。表3所示為自動化保護裝置翻轉機構部分技術參數。

圖6 翻轉機構結構組成Fig.6 Structure composition of the turnover mechanism

圖7 翻轉機構的受力分析示意圖Fig.7 Analysis of the turnover mechanism

表3 翻轉機構部分技術參數Table 3 Parameters of the traverse mechanism

根據表3中參數，由扭矩計算公式Mt=KtmgL[10]，可求得防護罩的旋轉扭矩負載Mp為

Mp=Ktg2gLp=109.37 N·m

(3)

假設電動推桿最大驅動力為Fmax，由力矩平衡定理可得

(4)

根據計算的驅動力，兼顧翻轉機構環境適應性要求及其安裝空間和質量，選用額定推/拉力為2 500 N的電動推桿；同時，電動推桿具有IP66級防塵防水功能以保證其工作可靠。

2.5 罩殼結構

整車輕量化設計是實現武器系統機動性的重要途徑[2]。為了滿足武器裝備輕量化要求，左右防護罩殼、機構保護罩及導軌安裝板均選用碳纖維復合材料，采用預浸料熱壓罐成型工藝制備。該工藝具有產品纖維含量高、力學性能好和質量輕等特點，尤其適用于制造大尺寸薄壁結構件。

設計的碳纖維左右防護罩殼結構示意圖如圖8所示。罩殼主體結構采用碳纖維斜紋預浸料一體成型，主體厚度為1.2 mm。罩殼整體結構分為上部保護層、中部過渡層、底部法蘭及加強筋，上部保護層與中部過渡層采用碳纖維預浸料逐層搭接增厚至2 mm。罩殼中部過渡層及底部法蘭與執行機構鉸接位置預埋鋁板，采用銷柱螺接形式預留連接接口。左右防護罩閉合面采用L形卡槽方式配合密封以實現IP54級防塵防水功能。L形卡槽與罩體一體成型，密封橡膠安裝在L形卡槽內。

剛性不足是大尺寸薄壁結構件存在的主要問題。為兼顧產品美觀和結構可靠，左右防護罩殼外表面光滑平整美觀，內表面相應位置具有多個加強結構，加強結構設置在防護罩殼體與底座法蘭連接過渡處。左右防護罩殼加強結構示意圖如圖9(a)所示，采用聚氨酯泡沫材料制成長條狀的加強筋粘貼在罩殼內表面。實際產品生產情況如圖9(b)所示，結果表明，左右防護罩殼整體剛度滿足使用要求，產品功能符合環境適應性指標。

圖8 罩殼結構示意圖Fig.8 Structure diagram of the housing

圖9 罩殼加強結構示意圖Fig.9 Structure diagram of the enhanced housing

圖10 自動化保護裝置系統控制原理框圖Fig.10 Control principle of the automatic protection device system

3 自動控制原理

自動化控制是實現武器系統快速狀態轉換的關鍵技術，為保證光電設備自動化保護裝置自動安全平穩運行，采用PLC控制器結合外部傳感器閉環控制來實現裝置運動過程的自動化。整個裝置的控制原理如圖10所示：當操作控制面板或手控盒上的開啟/閉合按鈕時，PLC控制器接收按鍵命令并輸入至內部輸入映像緩沖區，PLC讀取輸入映像緩存區指令，按照軟件邏輯執行自動化保護裝置的開啟/閉合運動控制；控制系統通過外部傳感器等方式檢測各執行機構運動位置，從而實現閉環控制。

根據光電設備自動化保護裝置工作原理，橫移機構通過伺服驅動器采集電機轉動圈數和電機運行轉矩數據，并將橫移機構直線運動距離轉化為電機運行圈數，即可獲得機構當前的運動位置。橫移運動以閉合位置為原點，運動行程為400 mm，預設電機最大計數值作為橫移機構運動極限的位置標定。同時，為防止多次運動后電機旋轉產生累計誤差，在橫移機構運行到位處設置機械限位，使得閉合時可通過電機旋轉計數結合轉矩標定的方式判定極限位置。自動化保護裝置翻轉運動通過翻轉電動缸實現，翻轉電動缸由直流電機驅動，通過接近開關檢測防護罩打開/閉合位置；為防止接近開關出現故障時機構運行產生問題，同時檢測翻轉電機運行轉矩并設置電機轉矩閾值作為翻轉電動缸運行極限狀態的輔助標定。

4 實驗驗證

為了驗證設計方案的可行性，通過物理樣機對自動化保護裝置開展了實驗評價。

圖11 自動化保護裝置樣機Fig.11 Prototype of the automatic protection device

如圖11所示，由定性分析物理樣機開啟/閉合運動狀態可知，自動化保護裝置閉合時可環抱武器系統戰斗模塊形成有效防護，保證光電設備在運輸過程中具有良好的環境適應性；自動化保護裝置開啟時可在方艙頂部迅速平穩展開，保證光電設備在工作過程中無結構干涉、無光路遮擋。同時，保護裝置橫移翻轉運動安全平穩、自動化程度高、操作和維護簡單方便、剛強度好且結構美觀。

表4 實測數據與設計指標對比統計表Table 4 Comparison between measured data and design indexes

如表4所示，由定量對比自動化保護裝置實測數據與設計指標可知，整個裝置開啟/閉合運動參數在設計指標范圍內，橫移翻轉運動迅速平穩、運動精度高。保護裝置在閉合狀態下，具有較好的密封性和防雨防塵功能。然而，自動化保護裝置整體質量稍大于設計指標。機構設計過程中選取的安全系數稍大和復合材料成型工藝計算偏差是導致質量增加的主要原因。質量指標在不影響全系統性能的前提下可以適當放大。

5 結論

針對某車載武器系統光電設備自動化防護需求，設計了一種基于橫移翻轉機構的自動化保護裝置，并給出基于該機構的自動化保護裝置結構組成、工作原理、驅動系統選型設計和控制原理，最后通過物理樣機對自動化保護裝置開展了實驗評價。

(1)橫移翻轉機構可實現自動化保護裝置的快速狀態裝換：橫移機構完成左右防護罩開啟/閉合的平移運動，翻轉機構完成左右防護罩0°～90°翻轉。橫移翻轉機構可集成在車載方艙頂部有限的安裝空間內。

(2)使用碳纖維復合材料，采用預浸料熱壓罐成型工藝實現了自動化保護裝置的輕量化設計。左右防護罩殼采用碳纖維整體成型結合聚氨酯泡沫局部加強的方案，保證了產品輕質美觀、剛強度好。

(3)采用PLC控制器結合外部傳感器閉環控制，實現了自動化保護裝置運動過程的自動化，且整個橫移翻轉運動安全平穩。

(4)物理樣機實驗結果表明，自動化保護裝置閉合時可環抱武器系統戰斗模塊形成有效防護，保證光電設備在運輸過程中具有良好的環境適應性；開啟時可在方艙頂部迅速平穩展開，保證光電設備在工作過程中無結構干涉、無光路遮擋。