韓 鐵，袁志華，馬坤鵬

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

一種內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射控裝置設(shè)計(jì)

韓 鐵，袁志華，馬坤鵬

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

內(nèi)能源轉(zhuǎn)管炮射控裝置以8253可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制電磁離合器的離合，進(jìn)而控制撥彈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與否，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)管武器點(diǎn)射發(fā)數(shù)控制。方案中采用脈沖計(jì)數(shù)器，可滿足轉(zhuǎn)管武器精確點(diǎn)射發(fā)數(shù)要求。本設(shè)計(jì)的寄存器還可以對(duì)轉(zhuǎn)管武器累計(jì)發(fā)射彈數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，便于射手射擊，為后勤維修提供了方便。

轉(zhuǎn)管武器；射控裝置；自動(dòng)控制系統(tǒng)；電磁離合器

轉(zhuǎn)管武器是指利用外能源或內(nèi)能源驅(qū)動(dòng)身管轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)武器完成各種自動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行連續(xù)射擊的多管武器。轉(zhuǎn)管武器以火力密集、可靠性高等特點(diǎn)，在防空、地面壓制以及空對(duì)地攻擊等方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。高射頻是轉(zhuǎn)管武器的主要特點(diǎn)[2]，由于轉(zhuǎn)管武器射速極高，在進(jìn)行航炮攻擊時(shí)，常出現(xiàn)無(wú)炮彈攻擊等現(xiàn)象，給射手造成很大的心理負(fù)擔(dān)[3]。為節(jié)約彈藥，并對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行有效射擊，更好地達(dá)到戰(zhàn)術(shù)要求，轉(zhuǎn)管武器應(yīng)設(shè)計(jì)射擊控制器，控制點(diǎn)射的射彈數(shù)。另外，連續(xù)射擊會(huì)降低身管壽命，身管壽命可用規(guī)定合理的射擊規(guī)范加以解決[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射控裝置，可完成對(duì)射擊彈數(shù)的控制。

1 內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器工作原理

內(nèi)能源是轉(zhuǎn)管武器利用槍彈擊發(fā)后產(chǎn)生的部分火藥氣體作動(dòng)力，通過(guò)一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使槍管組和機(jī)心匣旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)機(jī)心完成射擊循環(huán)。當(dāng)?shù)谝话l(fā)槍彈擊發(fā)后，火藥氣體進(jìn)入活塞筒腔內(nèi)，通過(guò)活塞筒內(nèi)端面的作用，迫使活塞筒相對(duì)槍管作直線運(yùn)動(dòng)，活塞筒進(jìn)行邊后退邊旋轉(zhuǎn)的螺旋運(yùn)動(dòng)，活塞筒內(nèi)側(cè)的傳動(dòng)凸起即帶動(dòng)槍管組旋轉(zhuǎn)。機(jī)心通過(guò)機(jī)心導(dǎo)桿上的滾輪沿著炮箱內(nèi)螺旋槽的軌跡作圓周和往復(fù)直線的合成運(yùn)動(dòng)。由于槍管組同機(jī)心匣聯(lián)為一體，機(jī)心匣隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使機(jī)心組完成射擊循環(huán)動(dòng)作[5]。

2 射控裝置總體方案

根據(jù)內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射擊原理，設(shè)計(jì)了射控裝置總體方案。射控裝置由射控機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)組成。電磁離合器是射控機(jī)構(gòu)的核心，它是一種自動(dòng)化執(zhí)行軟件，主動(dòng)軸通過(guò)電磁力可軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力的傳遞。自動(dòng)控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、固態(tài)繼電器和脈沖計(jì)數(shù)器組成。開(kāi)始工作時(shí)，安裝在撥彈輪上的脈沖計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)值反饋到主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)固態(tài)計(jì)算器控制電磁離合器的離合。當(dāng)射擊彈數(shù)達(dá)到設(shè)置值時(shí)，主控計(jì)算機(jī)使離合器分離，停止射擊。

圖1 總體方案框圖

3 射控機(jī)構(gòu)

由轉(zhuǎn)管武器工作原理可知，對(duì)于內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器，只要控制武器供彈部分不再供彈，轉(zhuǎn)管武器便失去了驅(qū)動(dòng)能源，即可達(dá)到停止射擊的目的。本文設(shè)計(jì)的射控機(jī)構(gòu)，通過(guò)電磁離合器的離合控制撥彈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制武器供彈，達(dá)到停射目的。射控機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 射控機(jī)構(gòu)原理圖

軸1為機(jī)匣傳動(dòng)軸，通過(guò)齒輪1帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪2通過(guò)斜鍵安裝在可軸向移動(dòng)的軸3上。軸3右端與離合器的活動(dòng)鐵心接觸，左側(cè)插入六邊形套筒內(nèi)，并與彈簧相連。軸2固定，其右側(cè)與套筒連為一體，并與彈簧相連，左側(cè)安裝撥彈輪。

離合器在斷電狀態(tài)下活動(dòng)鐵心向外伸出，軸3上鍵與齒輪2鍵槽分離，彈簧處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)離合器通電后，活動(dòng)鐵心向里吸合，軸3在彈簧力作用下向右移動(dòng)，斜鍵與齒輪2上鍵槽結(jié)合，齒輪1帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)軸向傳動(dòng)，使撥彈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，武器供彈，開(kāi)始射擊。離合器斷電后，活動(dòng)鐵心復(fù)位，斜鍵再次與齒輪3上鍵槽分離，此時(shí)，齒輪2雖在轉(zhuǎn)動(dòng)，但軸2停止轉(zhuǎn)動(dòng)，撥彈輪不再供彈。

4 自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)

4.1 硬件工作原理

主控計(jì)算機(jī)主要用于接收傳感器送來(lái)的武器射擊脈沖，加以識(shí)別、處理、并進(jìn)行計(jì)算和比較，按照預(yù)定的程序輸出各種控制信號(hào)給接口電路，接口電路再經(jīng)過(guò)適配器控制武器進(jìn)行射擊與停射，并將計(jì)算出的剩余炮彈數(shù)送給顯示器實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)存儲(chǔ)武器射擊炮彈數(shù)的相關(guān)信息，并在斷電狀態(tài)下保存各種數(shù)據(jù)。

由于電磁鐵工作電流和啟動(dòng)電機(jī)的工作電流很大，單片機(jī)無(wú)法提供如此大的控制電流對(duì)電磁鐵和啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行直接控制。所以采用兩個(gè)繼電器分別作為電磁鐵和啟動(dòng)電機(jī)電路的開(kāi)關(guān)，控制電磁鐵和啟動(dòng)電機(jī)電路的關(guān)斷與閉合。

硬件工作原理如圖3所示。

4.2 編程結(jié)構(gòu)

可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的功能體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是作為定時(shí)器；二是作為計(jì)數(shù)器[6]。

圖3 硬件工作原理圖

本方案計(jì)數(shù)器/定時(shí)器采用Intel 8253，其編程結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 8253編程結(jié)構(gòu)圖

8253內(nèi)部有三個(gè)計(jì)數(shù)器，分別稱為計(jì)數(shù)器0、計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2，其結(jié)構(gòu)完全相同。每個(gè)計(jì)數(shù)器的輸入輸出都決定于設(shè)置在控制寄存器中的控制字，它們共用一個(gè)控制器，但相互之間完全獨(dú)立。每個(gè)計(jì)數(shù)器通過(guò)三個(gè)引腳與外部聯(lián)系，一個(gè)為時(shí)鐘輸出端CLK，一個(gè)為門(mén)控信號(hào)GATE，另一個(gè)為輸出端OUT。每個(gè)計(jì)數(shù)器內(nèi)部有一個(gè)16位的計(jì)數(shù)初值寄存器CR，一個(gè)計(jì)數(shù)器執(zhí)行部件CE和一個(gè)輸出鎖存器OL。執(zhí)行部件是一個(gè)16位減法計(jì)數(shù)器，其起始值就是初值寄存器的值，而初值寄存器的值由程序控制。這樣可通過(guò)設(shè)置寄存器處置來(lái)控制電路，實(shí)現(xiàn)離合器的離合與轉(zhuǎn)管武器停射。

計(jì)數(shù)器的執(zhí)行部件是計(jì)數(shù)器的核心部件，它從初值寄存器中獲得計(jì)數(shù)初值，便進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，鎖存器隨計(jì)數(shù)執(zhí)行部件的內(nèi)容而變化，當(dāng)有一個(gè)鎖存命令到來(lái)時(shí)，鎖存器便鎖定當(dāng)前計(jì)數(shù)，直到被讀走以后，又跟隨計(jì)數(shù)執(zhí)行部件進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。

4.3 點(diǎn)射彈數(shù)控制方案選擇

實(shí)現(xiàn)點(diǎn)射彈數(shù)的精確控制有兩種方法，一種是定時(shí)停止射擊，另一種是控制自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度停止射擊，無(wú)論采用哪種方法都需要使用定時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.3.1 計(jì)時(shí)方案

本方案采用延時(shí)控制，定時(shí)器的門(mén)控信號(hào)GATE與擊發(fā)按鈕連接，CLK信號(hào)連接1MHz標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，在進(jìn)行射擊前先進(jìn)行射擊彈數(shù)選擇，系統(tǒng)自動(dòng)裝載延時(shí)時(shí)間。

要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)管武器30發(fā)、60發(fā)、120發(fā)的點(diǎn)射，可通過(guò)CLK時(shí)鐘信號(hào)控制時(shí)間，從而控制電磁鐵離合實(shí)現(xiàn)武器的停射。本方案中8253的頻率為1MHz，T=1/f=1×10，轉(zhuǎn)管武器射速為6000發(fā)/min，計(jì)數(shù)初值計(jì)算如表1所示。

表1 延時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，如果實(shí)現(xiàn)30發(fā)點(diǎn)射，那么延時(shí)時(shí)間為0.3s，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)輸出3×105個(gè)方波信號(hào)，在延時(shí)結(jié)束后OUT信號(hào)輸出一個(gè)下降沿信號(hào)，控制電磁鐵離合，撥彈輪停止供彈。其時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 延時(shí)控制的時(shí)序圖

由于撥彈輪開(kāi)始射擊時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，采用此方法的誤差較大。

4.3.2 脈沖控制方案

本方案采用脈沖控制，定時(shí)器的門(mén)控信號(hào)GATE與擊發(fā)按鈕相連，CLK信號(hào)連接脈沖計(jì)數(shù)器，傳動(dòng)齒輪上安裝脈沖，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，就有一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。射擊前通過(guò)設(shè)置計(jì)數(shù)初值來(lái)選擇射擊彈數(shù)，當(dāng)撥彈輪轉(zhuǎn)過(guò)預(yù)定角度后，OUT產(chǎn)生一個(gè)下降沿，離合器分離，撥彈輪停止供彈。本方案設(shè)計(jì)的六管轉(zhuǎn)管武器，即撥彈輪每轉(zhuǎn)過(guò)360°射擊六發(fā)子彈，傳動(dòng)裝置齒輪齒數(shù)設(shè)計(jì)為30，每轉(zhuǎn)過(guò)12°即產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。計(jì)數(shù)初值計(jì)算如表2所示。

表2 脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值

時(shí)序圖如圖6所示。

圖6 采用脈沖控制的時(shí)序圖

通過(guò)設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)器可達(dá)到精確射擊的目的。比較兩個(gè)方案，本設(shè)計(jì)采用脈沖控制方案，即控制自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

4.4 輸入/輸出控制

由于計(jì)數(shù)器具有計(jì)數(shù)功能，可將累計(jì)脈沖數(shù)發(fā)往寄存器，計(jì)算累計(jì)發(fā)射的彈數(shù)。顯示時(shí)，系統(tǒng)將寄存器的數(shù)據(jù)調(diào)出來(lái)，換算成射擊發(fā)數(shù)，在顯示器上顯示?？傒d彈量減去累計(jì)發(fā)射的彈數(shù)即剩余炮彈量。顯示面板由6個(gè)7段LED數(shù)碼管組成六位的10進(jìn)制數(shù)顯示器，可以滿足此武器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示要求。LED數(shù)碼管顯示器具有功耗低，顯示亮度高的優(yōu)點(diǎn)。

六位7段LED數(shù)目管顯示器功能：當(dāng)顯示累計(jì)發(fā)射數(shù)目時(shí)，六位顯示器全部顯示累計(jì)發(fā)射數(shù)目的數(shù)據(jù)。在其它時(shí)間，前三位顯示轉(zhuǎn)管武器最常用的發(fā)射模式“30”、“60”或“120”各按鍵功能，控制器外觀示意圖如圖7所示。

圖7控制器外觀示意圖

“累計(jì)”：按下此按鍵時(shí)，顯示器會(huì)顯示武器的累計(jì)發(fā)射數(shù)目，“XXXXXX”。

“射擊”：按下此鍵時(shí)，武器迅速開(kāi)始根據(jù)預(yù)定程序進(jìn)行射擊，達(dá)到停射條件時(shí)，武器根據(jù)設(shè)定的程序停射，并顯示此次發(fā)射模式“30XXXX”、“60XXXX”或“120XXX”。

“30”：按下此鍵時(shí)，武器自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)預(yù)置下次發(fā)射模式，即點(diǎn)射數(shù)。并顯示“30XXXX”。

60發(fā)和120發(fā)同理。

“輸入”：此鍵為載彈量數(shù)據(jù)輸入按鍵，按下此鍵，可通過(guò)數(shù)字按鍵“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”輸入載彈量。輸入模式為從數(shù)據(jù)的高位到低位依次輸入，直到按下“確定”按鍵時(shí)完成載彈量的輸入。在“輸入”按鍵按下后，除數(shù)字鍵和“確定”鍵外，其他按鍵均無(wú)效。

控制面板操作過(guò)程：

主機(jī)接通電源后，按電源鍵，主控計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)，自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，并顯示上次武器的發(fā)射模式和載彈量，顯示格式“30XXXX”、“60XXXX”或“120XXX”為載彈量模式，“30”、“60”或“120”為發(fā)射模式，即30發(fā)、60發(fā)或120發(fā)點(diǎn)射。系統(tǒng)第一次工作時(shí)的初始數(shù)據(jù)為零，顯示“000000”。

按下各按鍵時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置的程序識(shí)別各功能鍵和數(shù)字鍵，對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行各種功能控制和操作[7]。

5 裝置可行性分析

電磁離合器和計(jì)數(shù)器已成功應(yīng)用于23mm航炮上，本設(shè)計(jì)中將電磁離合器和計(jì)數(shù)器組合，用于控制射彈發(fā)數(shù)是可行的。設(shè)轉(zhuǎn)管武器射速為6000發(fā)/min，則射擊一發(fā)彈藥的時(shí)間為10ms；自動(dòng)控制系統(tǒng)從采集信號(hào)、作出判斷到向控制電磁鐵的繼電器發(fā)出信號(hào)的時(shí)間約為0.02ms，繼電器的反應(yīng)時(shí)間為0.1ms；電磁鐵電路由于采用了逆變電容升壓電路，可認(rèn)為電流上升時(shí)間很短暫，約為2ms。累計(jì)以上動(dòng)作時(shí)間，武器自動(dòng)控制系統(tǒng)控制停射的總時(shí)間在13ms之內(nèi)。

綜上：點(diǎn)射理論控制精度可控制在±2發(fā)以內(nèi)。

6 結(jié)論

針對(duì)內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器設(shè)計(jì)了一種基于電磁離合器的射控裝置，本裝置通過(guò)控制電磁離合器的離合來(lái)控制撥彈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，實(shí)現(xiàn)對(duì)高射速轉(zhuǎn)管武器點(diǎn)射數(shù)目的精確控制。通過(guò)計(jì)數(shù)器可對(duì)點(diǎn)射炮彈數(shù)和累計(jì)發(fā)射炮彈數(shù)進(jìn)行記錄，并可顯示剩余炮彈數(shù)和累計(jì)發(fā)射炮彈數(shù)等功能。

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[7]eeprom.MC34063.http://www.dianyuan.com/bbs/d/69/253333.html,2008-09-03.

DesignaMechanismtoControltheBurstFiringforOwnEnergySpinTubeGun

HAN Tie，YUAN Zhihua，MA Kunpeng

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The mechanism to control the burst firing for the own energy spin tube gun makes 8253 programmable counter/timer as the core of the automatic control system,through the automatic control system to control the electromagnetic clutch of the clutch,then control the allocation of ammunition rounds of rotation or not,in order to control the number of burst firing of the gun.The program uses pulse counter to meet the precise burst of the gun′s requests.The design of the register can not only count the total number of the gun fired,make the shooter easily to fire,but also provide a convenient logistics service.

spin tube gun； firing number-controlled mechanism; automatic control system；electromagnetic clutch

2013-06-04

韓鐵(1986—)，男，碩士研究生；通訊作者：袁志華(1963—)，男，教授，研究方向：火炮自動(dòng)武器與彈藥工程.

1003-1251(2014)01-0077-04

TJ35

A

趙麗琴)