郎飛陽(yáng)，李維嘉

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

由于武備自身的特殊性，在武備系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，其研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、周期長(zhǎng)。如果能夠在進(jìn)行射擊試驗(yàn)之前，對(duì)武備系統(tǒng)可能遇到的各種工況進(jìn)行盡可能多的模擬試驗(yàn)，將會(huì)極大地降低研制風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約研發(fā)成本。本射擊模擬裝置是用于中大口徑火炮進(jìn)行模擬加載的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下，模擬發(fā)射裝置使用過(guò)程中承受的多種載荷，對(duì)驗(yàn)證發(fā)射裝置性能和減少開(kāi)發(fā)周期有著重要的意義。

1 主要功能要求

對(duì)火炮發(fā)射裝置進(jìn)行發(fā)射模擬，主要目的是模擬發(fā)射裝置可能承受的各種載荷，為火炮強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)以及分析各種載荷對(duì)發(fā)射精度造成影響的過(guò)程。根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)可知，炮膛在發(fā)射炮彈時(shí)主要受力狀況為炮膛所受合力引起的發(fā)射后坐力[1-2]。因此對(duì)后坐力的模擬是本裝置的主要目的之一。該裝置具有以下功能：

1)沖擊力模擬功能。能夠模擬火炮設(shè)計(jì)時(shí)的炮膛合力，提供100～1 000 t的沖擊載荷。

2)軸向交變載荷加載功能。能夠模擬火炮射擊時(shí)的后坐阻力，其值介于10～100 t之間。

3)垂直交變載荷加載功能。在炮管的垂直方向提供0～10 t的交變載荷，用于模擬火炮射擊時(shí)的側(cè)向擾動(dòng)。

4)被試設(shè)備位姿調(diào)整功能。具有被試設(shè)備位姿調(diào)整平臺(tái)，用于車(chē)體的縱向、橫向和方向的調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)沖擊模擬的加載軸線與炮管的軸線的同軸度為Φ1 mm的技術(shù)要求，需要加載裝置的角度控制精度為0.1 mil。

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)裝置的功能要求，經(jīng)過(guò)多方案的優(yōu)選，所提出的射擊模擬裝置主要由以下幾部分組成：模擬沖擊載荷的沖量發(fā)生器、放置沖量發(fā)生器的平移滑車(chē)、調(diào)整加載高度及角度的俯仰門(mén)架、提升俯仰門(mén)架上下運(yùn)動(dòng)的升降滑車(chē)、為升降滑車(chē)提供導(dǎo)軌的固定門(mén)架等，如圖1所示。以及固定被試設(shè)備的車(chē)體位姿調(diào)整平臺(tái)、液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。該裝置是一個(gè)集機(jī)、電、液、氣、計(jì)算機(jī)控制、PLC控制于一體的復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)。

3 工作原理

3.1 加載準(zhǔn)備

對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行模擬加載時(shí)，首先把平移滑車(chē)移動(dòng)到俯仰門(mén)架遠(yuǎn)端；被試發(fā)射裝置固定于車(chē)體位姿調(diào)整平臺(tái)上，并通過(guò)對(duì)車(chē)體位姿調(diào)整平臺(tái)的微調(diào)，使發(fā)射裝置的炮管與俯仰門(mén)架的導(dǎo)軌平行。當(dāng)炮管調(diào)整到工作位置后，通過(guò)調(diào)整升降滑車(chē)的高度和俯仰門(mén)架俯仰的角度，使炮管中軸線的方向與平移滑車(chē)加載軸線的方向重合。為使射擊模擬裝置能夠?qū)Σ煌吞?hào)的發(fā)射裝置進(jìn)行加載，該裝置特設(shè)計(jì)了以下4種功能：

1)俯仰門(mén)架通過(guò)升降滑車(chē)可以沿固定門(mén)架立柱導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)發(fā)射裝置的高度變化，變化范圍為0.6 ～2.5 m。

2)俯仰門(mén)架可以繞升降滑車(chē)上的固定軸做俯仰運(yùn)動(dòng)，俯仰范圍為0°～5°，以適應(yīng)裝置發(fā)射角度的變化。

3)平移滑車(chē)具有沿俯仰門(mén)架導(dǎo)軌做前后移動(dòng)的功能，以適應(yīng)發(fā)射裝置車(chē)身長(zhǎng)度的變化，變化范圍為3 ～9 m。

4)車(chē)體位姿調(diào)整平臺(tái)不僅起到固定被試發(fā)射裝置的作用，還能夠?qū)Ρ辉嚢l(fā)射裝置的位姿進(jìn)行微調(diào)。通過(guò)配合活動(dòng)門(mén)架的上下、俯仰、平移滑車(chē)的前后滑動(dòng)，達(dá)到使被試發(fā)射裝置炮管中軸線的方向與平移滑車(chē)加載軸線的方向重合的目的。本質(zhì)上講，車(chē)體位姿調(diào)整平臺(tái)是一個(gè)3自由度的并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)[3]，可以對(duì)被試發(fā)射裝置的前后、左右方向和航向角進(jìn)行微調(diào)，如圖2所示。

3.2 沖擊力模擬功能

首先由提升裝置將沖擊質(zhì)量塊提升至預(yù)發(fā)射位置，并由發(fā)射扳機(jī)鎖定，當(dāng)發(fā)射扳機(jī)扣動(dòng)后，預(yù)充氣的沖量發(fā)生器缸筒帶動(dòng)沖擊質(zhì)量塊，經(jīng)過(guò)一定行程的加速，按預(yù)定的動(dòng)量撞擊被試發(fā)射裝置。通過(guò)調(diào)整預(yù)充氣壓力和沖擊質(zhì)量塊質(zhì)量大小，可以調(diào)整撞擊時(shí)沖擊質(zhì)量塊的動(dòng)量，從而使沖量發(fā)生器前端的主緩沖器按設(shè)定的F-t曲線作用于被試發(fā)射裝置[4-6]。

3.3 交變載荷加載

進(jìn)行交變載荷加載時(shí)首先將加載液壓缸與發(fā)射裝置被試部件固連。由控制系統(tǒng)對(duì)加載缸的有桿腔和無(wú)桿腔的壓力進(jìn)行控制，從而控制加載缸輸出力，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射裝置的交變載荷加載。

4 俯仰門(mén)架的高精度角度及同步控制

俯仰門(mén)架采用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)推桿來(lái)控制俯仰角度，如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)俯仰角度的高精度控制，需要對(duì)兩個(gè)電動(dòng)推桿進(jìn)行精準(zhǔn)控制和同步控制。為此，采用高性能的伺服電機(jī)，按“步進(jìn)”模式進(jìn)行精準(zhǔn)同步控制。為了便于調(diào)試和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)誤差，還可以對(duì)任意電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的補(bǔ)碼控制。

電動(dòng)推桿伸縮的控制流程如圖4所示。

其中：電子手輪脈沖發(fā)生器(100PPR)；減速器加速比為8:1；電動(dòng)推桿減速比為10.6667:1，螺桿導(dǎo)程為16.91 mm；

由控制流程圖可以看出，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制采用PLC功能模塊FM353發(fā)送脈沖指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此電機(jī)的同步可以對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送同樣的脈沖指令實(shí)現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)碼時(shí)，只對(duì)單個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令即可。

根據(jù)控制流程，可得電動(dòng)推桿的控制精度為：

式中:n為電子手輪每轉(zhuǎn)一格控制FM353功能模塊發(fā)送脈沖數(shù)；N為伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需控制脈沖數(shù)；i1為減速器減速比；i2為電動(dòng)推桿減速比；d為電動(dòng)推桿導(dǎo)程。

由于推桿伸縮量的控制精度與俯仰角度的控制精度之間不是線性關(guān)系，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到電動(dòng)推桿呈水平時(shí)，推桿伸縮的變化量Δl對(duì)俯仰角度的變化量Δθ影響程度最大。影響程度最大時(shí)的關(guān)系為：

為此，可以得出俯仰角度在0°～65°范圍內(nèi)變化時(shí)的控制精度，理論上均能夠達(dá)到0.000 4 mil的精度要求。無(wú)疑，俯仰門(mén)架所采取的控制方式，為滿足系統(tǒng)加載時(shí)所需要的0.1 mil角度的控制精度要求，奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

做為自行火炮多功能加載設(shè)備，該裝置具有如下特點(diǎn)：

1)系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)械、電動(dòng)、液壓、氣壓、控制為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)分部件的設(shè)計(jì)要求較高。每個(gè)分部件的設(shè)計(jì)都經(jīng)過(guò)了有限元的分析計(jì)算，確保各個(gè)分部件在具有較大安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，擁有良好的剛度、較小的質(zhì)量。

2)由于本系統(tǒng)是一個(gè)大型加載設(shè)備，如何保證操作人員的安全性也是設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。該加載設(shè)備所有的操控都是通過(guò)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況，均可以通過(guò)安裝于實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是由遠(yuǎn)程控制平臺(tái)數(shù)據(jù)采集卡自動(dòng)采集。

3)系統(tǒng)是一個(gè)高度智能化的加載設(shè)備，所有的加載功能都可以由操作人員用簡(jiǎn)單的操作步驟實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)為二級(jí)系統(tǒng)，分為監(jiān)控級(jí)和執(zhí)行級(jí)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，執(zhí)行級(jí)由可靠性高的PLC系統(tǒng)構(gòu)成。計(jì)算機(jī)中都預(yù)置有操作軟件，它們可以根據(jù)人工指令自動(dòng)完成指定的功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

該射擊模擬裝置已裝配完畢，并進(jìn)行了調(diào)試和部分加載實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)整體功能、性能均滿足設(shè)計(jì)要求，能夠較好的模擬火炮射擊時(shí)的受力狀況。

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