引信定標(biāo)體自動測試系統(tǒng)研制

任小博，姚茄

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

“引信”在行業(yè)內(nèi)屬于常規(guī)的觸發(fā)裝置，在各大科研院所及高校的日常科研及試驗活動中，經(jīng)常需要對其進行定性、定量標(biāo)定，這些參數(shù)及數(shù)據(jù)的獲取是進行系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在[1]。而傳統(tǒng)的引信測試是通過人工將定標(biāo)體或其他目標(biāo)從高處拋下，定標(biāo)體或其他目標(biāo)以自由落體的方式通過引信視場，同時手動調(diào)整引信姿態(tài)以捕捉定標(biāo)體，引信捕捉到定標(biāo)體信號后，通過示波器進行查看[2]，此方法對操作人員要求較高，試驗過程危險且耗時較長，因此需實現(xiàn)其測定過程的自動化。同時，傳統(tǒng)方法中引信的速度、加速度為固定值，整個試驗過程高速運動實現(xiàn)困難，并且在運動過程中尤其是在高速情況下會產(chǎn)生特定的震顫情況，這種震顫所帶來的數(shù)據(jù)波形跳躍及毛刺嚴(yán)重影響到最終的測試結(jié)果。

基于此，沿用以前人工測試時便捷的地方，同時避免使用過程中的缺點，研制了高效的自動化測試系統(tǒng)，用于實現(xiàn)其可控勻速運動及可控加速運動，測試系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)條件進行引信姿態(tài)調(diào)整，同時控制定標(biāo)體在規(guī)定時間內(nèi)勻速通過引信視場，此種方式定標(biāo)體通過引信視場的時間長、干擾小、速度均勻。測試系統(tǒng)實時采集、存儲引信數(shù)據(jù)，以方便后期進行查看及定量分析。

1 總體設(shè)計

整個測試系統(tǒng)由測控系統(tǒng)、單軸轉(zhuǎn)臺、引信、定滑輪、定標(biāo)體、定標(biāo)體運動機構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 定標(biāo)體組成圖

用直徑為7 mm的高強度纖維繩通過定滑輪4將定標(biāo)體5固定于暗室頂部，定標(biāo)體運動機構(gòu)6可靠固定在地面上，通過測控系統(tǒng)1的設(shè)定控制定標(biāo)體運動機構(gòu)6帶動定標(biāo)體5勻速通過引信視場，單軸轉(zhuǎn)臺2完成引信3的回轉(zhuǎn)運動以方便實時跟蹤，同時測控系統(tǒng)1完成相關(guān)數(shù)據(jù)收集并實時分析。

1.1 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要包括示波器、程控電源、工控機、定標(biāo)體運動機構(gòu)控制單元、木架等設(shè)備，如圖2所示。木架的設(shè)置主要是用于減少金屬反射面，以減少對引信的測試數(shù)據(jù)的影響。

測控系統(tǒng)放置于木架下層，單軸轉(zhuǎn)臺放置于木架上層，引信安裝于單軸轉(zhuǎn)臺上，系統(tǒng)以定滑輪連接定標(biāo)體，主控系統(tǒng)發(fā)送指令控制系統(tǒng)，以特定速度及加減速度通過引信的視場范圍。同時單軸轉(zhuǎn)臺以特定回轉(zhuǎn)速度帶動引信進行回轉(zhuǎn)運動，在引信捕捉到從上而下的目標(biāo)體的瞬間，主控系統(tǒng)將進行實時、連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，同時連續(xù)存儲至后臺數(shù)據(jù)庫，以方便后期進行數(shù)據(jù)查看和分析[3]。

測控系統(tǒng)為常規(guī)立式機柜形式，產(chǎn)品供電電源負責(zé)引信供電，主控計算機集成GPIB板卡、運動控制板卡，通過轉(zhuǎn)接單元對各個組件、部件進行控制，通過測控軟件實現(xiàn)自檢、自動測試、校準(zhǔn)等功能。調(diào)理單元內(nèi)集成繼電器控制、調(diào)理電路、伺服電動機驅(qū)動器等。測試流程如圖3所示。開始測試后，系統(tǒng)進入自動初始化程序，同時加載人工預(yù)定信息，然后啟動測試，開始設(shè)備供電，系統(tǒng)自動控制定標(biāo)體進行加減速運動，運動過程中系統(tǒng)后臺開始收集數(shù)據(jù)并上傳進行處理，保存數(shù)據(jù)，完成測試。

圖3 測試流程圖

1.2 單軸轉(zhuǎn)臺

單軸轉(zhuǎn)臺如圖4所示，主要用于引信裝置的放置及受控的回轉(zhuǎn)運動，在測控系統(tǒng)的控制下，能夠以一定的速度實現(xiàn)引信回轉(zhuǎn)運動，方便捕捉通過視場的目標(biāo)信號，同時需要根據(jù)實際情況隨時調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度。

圖4 單軸轉(zhuǎn)臺及引信裝置

1.3 定標(biāo)體運動機構(gòu)

定標(biāo)體運動機構(gòu)為該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于定標(biāo)體繩索的加減速收放及自動排線，以防止因繩索疊壓而影響線速度。

1.3.1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計

定標(biāo)體測試系統(tǒng)傳動系統(tǒng)剖面圖如圖5所示，主要由主齒輪、副齒輪、繞線筒、排線機構(gòu)、減速機、電動機等組成[4]，電動機通過減速機輸出轉(zhuǎn)矩帶動繞線筒旋轉(zhuǎn)進行繞線，繞線筒帶動主齒輪旋轉(zhuǎn)，主齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩至副齒輪，副齒輪將力矩傳遞至排線機構(gòu)，帶動其進行左右運動。

圖5 主傳動系統(tǒng)剖面圖

按照實際試驗場所所具備的暗室高度，目標(biāo)體的下降總范圍h總為18 m。按以往實際經(jīng)驗及需求，設(shè)定目標(biāo)體的最大速度Vmax為3 m/s，額定載荷G最大為50 kg，要求目標(biāo)下降過程中不得產(chǎn)生頓挫現(xiàn)象，頓挫現(xiàn)象反映到測控系統(tǒng)后將會產(chǎn)生嚴(yán)重的鋸齒波現(xiàn)象，嚴(yán)重影響實驗數(shù)據(jù)。同時，應(yīng)該考慮到定滑輪系統(tǒng)的靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)，將可控伺服電動機自身的不帶傳動機構(gòu)的線加速度ax設(shè)定至小于重力加速度9.8 m/s2的范圍，按照以往的實際經(jīng)驗及數(shù)據(jù)分析，將可控伺服電動機的線加速度ax設(shè)定為6 m/s2左右（可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)），則加減速時間t=Vmax/ax=0.5 s。代入時間t和加速度ax數(shù)據(jù)后，目標(biāo)的線性距離（加減速過渡到勻速運動過程）h加減速=ax·t2/2=0.75 m。以總距離范圍18 m計算，實際的目標(biāo)的勻速運動距離h實際=h總-2h加減速=16.5 m。定標(biāo)體運動簡化模型如圖6所示，按實際情況，設(shè)計繞線筒半徑r為0.15 m。則減速機輸出最大轉(zhuǎn)矩τj=G·ax·r=45 N·m。減速機的角加速度aj最低要求為aj=ax/r=40 rad/s2。減速機角速度ωj=Vmax/r=20 rad/s。則減速機輸出轉(zhuǎn)速nj=60ωj/（2π）=191 r/min。普通的工業(yè)伺服電動機的最高額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，通過計算可知減速機的減速比n為15.7，取整后的減速比n設(shè)定為15，那么電動機的輸出轉(zhuǎn)矩T=τj/15=3 N·m。設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量Ij=G·r2/4=0.281 kg·m2。轉(zhuǎn)換到電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量Id=I/N2=0.00125 kg·m2。則容許負載轉(zhuǎn)動慣量I轉(zhuǎn)=Id/20=0.0000625 kg·m2。按以上選擇電動機及減速機參數(shù)如表1、表2所示。

圖6 定標(biāo)體運動簡化模型

表1 伺服電動機參數(shù)表

表2 行星減速機參數(shù)表

1.3.2 排線系統(tǒng)設(shè)計

如圖7所示，排線系統(tǒng)與主傳動系統(tǒng)為聯(lián)動系統(tǒng)，排線系統(tǒng)的設(shè)計既要滿足傳動系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩、減速比等的整體要求，又要滿足繩索排線過程中不重疊壓線的要求。

圖7 排線系統(tǒng)原理圖

繩索選用線徑d線=7 mm的尼龍繩。由上文可知，卷筒半徑r為0.15 m，目標(biāo)從高空下降行程為h總=18 m，勻速距離h實際=16.5 m，勻速運動最大速度Vmax=3 m/s，加減速時間為0.5 s，則絲杠的排線時間t排線=h實際/Vmax+2t=6.5 s。絲杠的排線距離l排線=h總·d線/（2π·r）=130.7 mm。則絲杠直線速度v排線=l排線/t排線=20.1 mm/s。

絲杠螺距R選定為3 mm，則絲杠轉(zhuǎn)速n絲杠=v排線/R=402 r/min。根據(jù)上文可知減速機輸出轉(zhuǎn)速nj為191 r/min，N齒輪=n絲杠/nj=2.1。則絲杠與減速機之間的傳動比為2，齒輪模數(shù)比N齒輪為2。則根據(jù)空間尺寸，齒輪傳遞分為3級，如圖7所示，根據(jù)手冊選定齒數(shù)為60/60/30。根據(jù)上文可知，減速機輸出最大轉(zhuǎn)矩τj=45 N·m，則齒輪模數(shù)為2 mm，最小齒輪的容許傳遞力矩為50 N·m，則齒輪參數(shù)如表3所示。

表3 齒輪參數(shù)表

由于排線系統(tǒng)需要自鎖，所以選用30°梯形絲杠，絲杠參數(shù)如表4所示。

表4 30°梯形絲杠參數(shù)表

Fs為軸向負載，F(xiàn)0為動態(tài)容許推力，α為9.8，絲杠接觸面壓力P絲杠=Fs·α/F0=500×9.8÷6670=0.734 N/mm2。d絲杠為絲杠有效直徑，d升角為絲杠螺紋升角，n絲杠為絲杠轉(zhuǎn)速，則絲杠最大滑動速度V絲杠=10-3·π·d絲杠·n絲杠/cos d升角=380 mm/s>v排線。絲杠磨損PV值曲線圖如圖8所示。如圖8所示，絲杠在使用期限內(nèi)，不會發(fā)生磨損導(dǎo)致的設(shè)備損壞，保證了設(shè)備整體上的可靠性及安全性。

圖8 絲杠磨損PV值曲線圖

2 軟件設(shè)計

該測試系統(tǒng)的操作軟件采用NI公司的LabWindows/CVI2010進行開發(fā)，其開發(fā)環(huán)境經(jīng)過長時間的更新迭代，技術(shù)非常成熟，擅長相關(guān)測試儀器及設(shè)備的控制，同時包括后臺的數(shù)據(jù)分析等功能都非常強大[5]。軟件自身能夠以不同的總線控制測試時序，同時完成對相關(guān)硬件資源的控制。相關(guān)數(shù)據(jù)的采集及分析主要依靠示波器及AD卡完成，采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計方案，同時結(jié)合其他相關(guān)硬件資源完成測試功能。

引信定標(biāo)體自動測試系統(tǒng)的測試控制軟件包含4個主要模塊（校準(zhǔn)、自檢、測試控制、數(shù)據(jù)分析），軟件測試界面如圖9所示。校準(zhǔn)功能和自檢功能主要用于設(shè)備自身硬件的故障定位，與用戶設(shè)備的定期維護（每年1次）；測試控制功能主要用于設(shè)備供電、自動測試、項目存儲等；數(shù)據(jù)分析功能用于相關(guān)分析數(shù)據(jù)的收集、存儲、繪制 圖形、對比分析等。

圖9 測試界面

3 實物驗證

該設(shè)備在某研究所暗室進行了實物驗證，暗室總高20 m，調(diào)試時將定標(biāo)體運動機構(gòu)限位總行程調(diào)整為18 m，距頂1 m，距地1 m，保護定標(biāo)體不會碰到房頂和地面。試驗完成后，測試程序通過GPIB讀取引信反饋數(shù)據(jù)波形并以.txt格式存儲，可用數(shù)據(jù)查看軟件進行實驗數(shù)據(jù)查看并可實時讀取返回信號的峰峰值和頻率。通過后期分析，信號明顯，無其他干擾出現(xiàn)。實物驗證整體如圖10所示。

圖10 實物驗證圖

4 結(jié)語

本文所述的“引信定標(biāo)體自動測試系統(tǒng)研制”，通過定標(biāo)體與引信之間的聯(lián)動控制及測試數(shù)據(jù)的后期處理，實現(xiàn)了此類測試設(shè)備的自動化及無人化。并且通過數(shù)據(jù)分析驗證，效果良好[6]。該設(shè)備通用性強，能夠應(yīng)用于所有此類引信測試系統(tǒng)之中，同時也為此類科研項目提供了實物借鑒。