任小博，姚茄

（凱邁（洛陽(yáng)）測(cè)控有限公司，河南 洛陽(yáng) 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?？蒲屑霸囼?yàn)活動(dòng)中，經(jīng)常需要對(duì)其進(jìn)行定性、定量標(biāo)定，這些參數(shù)及數(shù)據(jù)的獲取是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在[1]。而傳統(tǒng)的引信測(cè)試是通過(guò)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(guò)引信視場(chǎng)，同時(shí)手動(dòng)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(hào)后，通過(guò)示波器進(jìn)行查看[2]，此方法對(duì)操作人員要求較高，試驗(yàn)過(guò)程危險(xiǎn)且耗時(shí)較長(zhǎng)，因此需實(shí)現(xiàn)其測(cè)定過(guò)程的自動(dòng)化。同時(shí)，傳統(tǒng)方法中引信的速度、加速度為固定值，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程高速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)困難，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中尤其是在高速情況下會(huì)產(chǎn)生特定的震顫情況，這種震顫所帶來(lái)的數(shù)據(jù)波形跳躍及毛刺嚴(yán)重影響到最終的測(cè)試結(jié)果。

基于此，沿用以前人工測(cè)試時(shí)便捷的地方，同時(shí)避免使用過(guò)程中的缺點(diǎn)，研制了高效的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)其可控勻速運(yùn)動(dòng)及可控加速運(yùn)動(dòng)，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)條件進(jìn)行引信姿態(tài)調(diào)整，同時(shí)控制定標(biāo)體在規(guī)定時(shí)間內(nèi)勻速通過(guò)引信視場(chǎng)，此種方式定標(biāo)體通過(guò)引信視場(chǎng)的時(shí)間長(zhǎng)、干擾小、速度均勻。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)引信數(shù)據(jù)，以方便后期進(jìn)行查看及定量分析。

1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)控系統(tǒng)、單軸轉(zhuǎn)臺(tái)、引信、定滑輪、定標(biāo)體、定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度纖維繩通過(guò)定滑輪4將定標(biāo)體5固定于暗室頂部，定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6可靠固定在地面上，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)1的設(shè)定控制定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6帶動(dòng)定標(biāo)體5勻速通過(guò)引信視場(chǎng)，單軸轉(zhuǎn)臺(tái)2完成引信3的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以方便實(shí)時(shí)跟蹤，同時(shí)測(cè)控系統(tǒng)1完成相關(guān)數(shù)據(jù)收集并實(shí)時(shí)分析。

1.1 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)主要包括示波器、程控電源、工控機(jī)、定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)機(jī)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(duì)引信的測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

測(cè)控系統(tǒng)放置于木架下層，單軸轉(zhuǎn)臺(tái)放置于木架上層，引信安裝于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)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(guò)引信的視場(chǎng)范圍。同時(shí)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)以特定回轉(zhuǎn)速度帶動(dòng)引信進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)連續(xù)存儲(chǔ)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和分析[3]。

測(cè)控系統(tǒng)為常規(guī)立式機(jī)柜形式，產(chǎn)品供電電源負(fù)責(zé)引信供電，主控計(jì)算機(jī)集成GPIB板卡、運(yùn)動(dòng)控制板卡，通過(guò)轉(zhuǎn)接單元對(duì)各個(gè)組件、部件進(jìn)行控制，通過(guò)測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)自檢、自動(dòng)測(cè)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。測(cè)試流程如圖3所示。開(kāi)始測(cè)試后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)初始化程序，同時(shí)加載人工預(yù)定信息，然后啟動(dòng)測(cè)試，開(kāi)始設(shè)備供電，系統(tǒng)自動(dòng)控制定標(biāo)體進(jìn)行加減速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)后臺(tái)開(kāi)始收集數(shù)據(jù)并上傳進(jìn)行處理，保存數(shù)據(jù)，完成測(cè)試。

圖3 測(cè)試流程圖

1.2 單軸轉(zhuǎn)臺(tái)

單軸轉(zhuǎn)臺(tái)如圖4所示，主要用于引信裝置的放置及受控的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在測(cè)控系統(tǒng)的控制下，能夠以一定的速度實(shí)現(xiàn)引信回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，方便捕捉通過(guò)視場(chǎng)的目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度。

圖4 單軸轉(zhuǎn)臺(tái)及引信裝置

1.3 定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)機(jī)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(dòng)排線，以防止因繩索疊壓而影響線速度。

1.3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定標(biāo)體測(cè)試系統(tǒng)傳動(dòng)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(jī)構(gòu)、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)等組成[4]，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)繞線筒旋轉(zhuǎn)進(jìn)行繞線，繞線筒帶動(dòng)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(jī)構(gòu)，帶動(dòng)其進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)。

圖5 主傳動(dòng)系統(tǒng)剖面圖

按照實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(guò)程中不得產(chǎn)生頓挫現(xiàn)象，頓挫現(xiàn)象反映到測(cè)控系統(tǒng)后將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的鋸齒波現(xiàn)象，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，應(yīng)該考慮到定滑輪系統(tǒng)的靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)，將可控伺服電動(dòng)機(jī)自身的不帶傳動(dòng)機(jī)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，將可控伺服電動(dòng)機(jī)的線加速度ax設(shè)定為6 m/s2左右（可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)），則加減速時(shí)間t=Vmax/ax=0.5 s。代入時(shí)間t和加速度ax數(shù)據(jù)后，目標(biāo)的線性距離（加減速過(guò)渡到勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程）h加減速=ax·t2/2=0.75 m。以總距離范圍18 m計(jì)算，實(shí)際的目標(biāo)的勻速運(yùn)動(dòng)距離h實(shí)際=h總-2h加減速=16.5 m。定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型如圖6所示，按實(shí)際情況，設(shè)計(jì)繞線筒半徑r為0.15 m。則減速機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩τj=G·ax·r=45 N·m。減速機(jī)的角加速度aj最低要求為aj=ax/r=40 rad/s2。減速機(jī)角速度ωj=Vmax/r=20 rad/s。則減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速nj=60ωj/（2π）=191 r/min。普通的工業(yè)伺服電動(dòng)機(jī)的最高額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，通過(guò)計(jì)算可知減速機(jī)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(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T=τj/15=3 N·m。設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ij=G·r2/4=0.281 kg·m2。轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Id=I/N2=0.00125 kg·m2。則容許負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I轉(zhuǎn)=Id/20=0.0000625 kg·m2。按以上選擇電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)參數(shù)如表1、表2所示。

圖6 定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型

表1 伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)表

表2 行星減速機(jī)參數(shù)表

1.3.2 排線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖7所示，排線系統(tǒng)與主傳動(dòng)系統(tǒng)為聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，排線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要滿足傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩、減速比等的整體要求，又要滿足繩索排線過(guò)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(shí)際=16.5 m，勻速運(yùn)動(dòng)最大速度Vmax=3 m/s，加減速時(shí)間為0.5 s，則絲杠的排線時(shí)間t排線=h實(shí)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(jī)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(jī)之間的傳動(dòng)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(jí)，如圖7所示，根據(jù)手冊(cè)選定齒數(shù)為60/60/30。根據(jù)上文可知，減速機(jī)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(fù)載，F(xiàn)0為動(dòng)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(dòng)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(huì)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(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)的操作軟件采用NI公司的LabWindows/CVI2010進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)環(huán)境經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的更新迭代，技術(shù)非常成熟，擅長(zhǎng)相關(guān)測(cè)試儀器及設(shè)備的控制，同時(shí)包括后臺(tái)的數(shù)據(jù)分析等功能都非常強(qiáng)大[5]。軟件自身能夠以不同的總線控制測(cè)試時(shí)序，同時(shí)完成對(duì)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(jì)方案，同時(shí)結(jié)合其他相關(guān)硬件資源完成測(cè)試功能。

引信定標(biāo)體自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試控制軟件包含4個(gè)主要模塊（校準(zhǔn)、自檢、測(cè)試控制、數(shù)據(jù)分析），軟件測(cè)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(hù)（每年1次）；測(cè)試控制功能主要用于設(shè)備供電、自動(dòng)測(cè)試、項(xiàng)目存儲(chǔ)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(chǔ)、繪制 圖形、對(duì)比分析等。

圖9 測(cè)試界面

3 實(shí)物驗(yàn)證

該設(shè)備在某研究所暗室進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，暗室總高20 m，調(diào)試時(shí)將定標(biāo)體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)限位總行程調(diào)整為18 m，距頂1 m，距地1 m，保護(hù)定標(biāo)體不會(huì)碰到房頂和地面。試驗(yàn)完成后，測(cè)試程序通過(guò)GPIB讀取引信反饋數(shù)據(jù)波形并以.txt格式存儲(chǔ)，可用數(shù)據(jù)查看軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查看并可實(shí)時(shí)讀取返回信號(hào)的峰峰值和頻率。通過(guò)后期分析，信號(hào)明顯，無(wú)其他干擾出現(xiàn)。實(shí)物驗(yàn)證整體如圖10所示。

圖10 實(shí)物驗(yàn)證圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述的“引信定標(biāo)體自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制”，通過(guò)定標(biāo)體與引信之間的聯(lián)動(dòng)控制及測(cè)試數(shù)據(jù)的后期處理，實(shí)現(xiàn)了此類測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化及無(wú)人化。并且通過(guò)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證，效果良好[6]。該設(shè)備通用性強(qiáng)，能夠應(yīng)用于所有此類引信測(cè)試系統(tǒng)之中，同時(shí)也為此類科研項(xiàng)目提供了實(shí)物借鑒。