某車(chē)載武器系統(tǒng)光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

魏 國(guó)， 王率軍， 趙 益， 雷 晗， 岳 通

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

車(chē)載方艙為武器系統(tǒng)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(chē)載方艙內(nèi)通常安裝有一些光機(jī)電設(shè)備，車(chē)載方艙外通常需要布置相應(yīng)的光電探測(cè)或發(fā)射分系統(tǒng)。而對(duì)于新型光電對(duì)抗類(lèi)武器系統(tǒng)，其戰(zhàn)斗模塊需要安裝在方艙頂部視線(xiàn)范圍良好的區(qū)域，且由不同光電設(shè)備組成的戰(zhàn)斗模塊在工作時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足其運(yùn)動(dòng)自由度要求，運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)具有較好的防砂石撞擊和防雨防塵要求。同時(shí)，高機(jī)動(dòng)屬性要求裝備本身具有輕量化和自動(dòng)化的特征[2]。因此，如何實(shí)現(xiàn)車(chē)載武器系統(tǒng)光電探測(cè)或發(fā)射分系統(tǒng)的可靠防護(hù)和快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換，尤其是某些易碎精密光電設(shè)備的自動(dòng)化防護(hù)設(shè)計(jì)，是一大難題。

傳統(tǒng)的車(chē)載方艙多采用翻蓋和滑蓋裝置對(duì)艙內(nèi)光機(jī)電設(shè)備進(jìn)行有效防護(hù)[3-5]。岳通等[6]針對(duì)某武器系統(tǒng)方艙內(nèi)部導(dǎo)引設(shè)備回轉(zhuǎn)半徑大、工作范圍大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的大型翻轉(zhuǎn)頂蓋裝置；李盛蔚等[7]基于某無(wú)人機(jī)干擾車(chē)自動(dòng)升降雷達(dá)裝置環(huán)境適應(yīng)性要求，設(shè)計(jì)了一款可協(xié)同車(chē)載雷達(dá)架設(shè)的電動(dòng)翻轉(zhuǎn)頂蓋；李范春等[8]針對(duì)某武器裝備發(fā)射模塊快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換要求，設(shè)計(jì)了一種開(kāi)蓋裝置并分析了頂蓋開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間的可靠性。傳統(tǒng)的翻蓋和滑蓋裝置大多針對(duì)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(mǎn)足某些外露于方艙頂部大尺寸光電設(shè)備的保護(hù)要求，又無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)美觀(guān)、功能可靠及整體輕量化。車(chē)載武器系統(tǒng)光電設(shè)備的自動(dòng)化防護(hù)設(shè)計(jì)需要提出一種新的方法。

為解決上述問(wèn)題，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種基于橫移翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化保護(hù)裝置，在滿(mǎn)足方艙頂部安裝空間要求和戰(zhàn)斗模塊運(yùn)動(dòng)自由度要求的前提下，可為光電設(shè)備提供高效防護(hù)。該裝置結(jié)構(gòu)美觀(guān)、功能可靠且整體輕量化。詳細(xì)闡述自動(dòng)化保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、橫移翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及該裝置的自動(dòng)化控制原理。最后，通過(guò)物理樣機(jī)對(duì)自動(dòng)化保護(hù)裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可靠性。

1 光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)技術(shù)要求

根據(jù)某車(chē)載武器系統(tǒng)總體布局方案，其戰(zhàn)斗模塊外露于方艙頂部，如圖1所示。

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

針對(duì)此類(lèi)新型光電對(duì)抗武器系統(tǒng)，其戰(zhàn)斗模塊光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)技術(shù)要求如下。

(1)光電設(shè)備由探測(cè)和發(fā)射分系統(tǒng)組成并集成于伺服轉(zhuǎn)臺(tái)兩側(cè)，共同構(gòu)成戰(zhàn)斗模塊。

(2)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)工作狀態(tài)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-5°～+85°。

(3)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)工作狀態(tài)方位轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°～360°。

(4)保護(hù)裝置在閉合狀態(tài)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(hù)武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗模塊，滿(mǎn)足運(yùn)輸要求。

(5)保護(hù)裝置在開(kāi)啟狀態(tài)下，能夠滿(mǎn)足武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗模塊回轉(zhuǎn)半徑大、工作時(shí)無(wú)結(jié)構(gòu)干涉且工作范圍無(wú)遮擋的要求。

(6)保護(hù)裝置需安裝在車(chē)載方艙頂部有限的空間內(nèi)，橫移翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)安全平穩(wěn)且自動(dòng)化程度高。

(7)保護(hù)裝置操作和維護(hù)需簡(jiǎn)單方便，剛強(qiáng)度好且重量輕，結(jié)構(gòu)美觀(guān)。

2 自動(dòng)化保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)組成

2.1 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

根據(jù)某車(chē)載武器系統(tǒng)總體布局方案，光電設(shè)備集成于伺服轉(zhuǎn)臺(tái)兩側(cè)并共同構(gòu)成戰(zhàn)斗模塊，方艙頂部開(kāi)設(shè)有圓形孔以使伺服轉(zhuǎn)臺(tái)穿過(guò)而外露于方艙工作。按照光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)技術(shù)要求，自動(dòng)化保護(hù)裝置安裝于車(chē)載方艙頂部伺服轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)孔兩側(cè)；裝置閉合時(shí)可環(huán)抱武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗模塊形成有效防護(hù)，保證光電設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中具有良好的環(huán)境適應(yīng)性；裝置開(kāi)啟時(shí)可在方艙頂部迅速平穩(wěn)展開(kāi)，保證光電設(shè)備在工作過(guò)程中無(wú)結(jié)構(gòu)干涉、無(wú)光路遮擋。其中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置自動(dòng)打開(kāi)/閉合運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。

在傳統(tǒng)滑蓋裝置平移機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行深入研究，提出一種新型的橫移翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換；其控制系統(tǒng)采用可編程控制器(programmable logic controuer, PLC)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)化[9]。為了滿(mǎn)足武器裝備減重需求，自動(dòng)化保護(hù)裝置部分結(jié)構(gòu)件采用碳纖維復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)輕量化和結(jié)構(gòu)美觀(guān)。

光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。自動(dòng)化保護(hù)裝置主要由左防護(hù)罩、右防護(hù)罩、導(dǎo)軌安裝板、橫移機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)防護(hù)罩等組成。其中，橫移機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在防護(hù)罩前后兩側(cè)，橫移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右防護(hù)罩開(kāi)啟/閉合的平移運(yùn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右防護(hù)罩0°～90°翻轉(zhuǎn)。整個(gè)裝置通過(guò)導(dǎo)軌安裝板固定在方艙頂蓋上，機(jī)構(gòu)保護(hù)罩固定在導(dǎo)軌安裝板上，橫移機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別安裝在機(jī)構(gòu)保護(hù)罩內(nèi)以保護(hù)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structure of automatic protection device for photoelectric equipment

2.2 工作原理

設(shè)計(jì)的光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)裝置開(kāi)啟/閉合狀態(tài)示意圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化保護(hù)裝置開(kāi)啟/閉合狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of opening and closing state of the automatic protection device

當(dāng)武器系統(tǒng)駐車(chē)工作時(shí)，自動(dòng)化保護(hù)裝置處于開(kāi)啟狀態(tài)，如圖3(a)所示。此時(shí)，啟動(dòng)裝置開(kāi)啟按鈕，橫移機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，伺服電機(jī)輸出扭矩經(jīng)過(guò)經(jīng)行星齒輪減速器減速增扭后，驅(qū)動(dòng)左右旋對(duì)稱(chēng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)橫移平臺(tái)相向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右防護(hù)罩以相同速度、相反方向橫移運(yùn)動(dòng)。橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)行到位后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，由左右電動(dòng)推桿提供動(dòng)力，推動(dòng)左右防護(hù)罩圍繞底部法蘭鉸支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)90°翻轉(zhuǎn)。最終，左右防護(hù)罩落放在車(chē)載方艙頂壁兩側(cè)，為武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗模塊回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供充足空間。

當(dāng)武器系統(tǒng)行車(chē)運(yùn)輸時(shí)，自動(dòng)化保護(hù)裝置處于閉合狀態(tài)，如圖3(b)所示。此時(shí)，啟動(dòng)裝置閉合按鈕，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，由左右電動(dòng)推桿提供動(dòng)力，拉動(dòng)左右防護(hù)罩圍繞底部法蘭鉸支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用接近開(kāi)關(guān)和機(jī)械限位對(duì)左右防護(hù)罩翻轉(zhuǎn)回位極限位置進(jìn)行標(biāo)定和限制。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行到位后，橫移機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，由伺服電機(jī)輸出扭矩經(jīng)過(guò)經(jīng)行星齒輪減速器減速增扭后，驅(qū)動(dòng)左右旋對(duì)稱(chēng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)橫移平臺(tái)相向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右防護(hù)罩以相同速度、相對(duì)方向橫移運(yùn)動(dòng)。橫移運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)計(jì)數(shù)和扭矩控制進(jìn)行極限位置標(biāo)定。最終，左右防護(hù)罩相互扣合回位，并使用安裝在左右防護(hù)罩兩側(cè)開(kāi)合面處的彈簧卡對(duì)其進(jìn)行鎖緊。

2.3 橫移機(jī)構(gòu)

橫移機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)左右防護(hù)罩以相同速度、相對(duì)方向橫移運(yùn)動(dòng)。橫移機(jī)構(gòu)安裝于防護(hù)罩前側(cè)并固定在導(dǎo)軌安裝板上，包括伺服電機(jī)、減速機(jī)、絲桿、絲母、橫移平臺(tái)、滑塊、直線(xiàn)導(dǎo)軌及聯(lián)軸器等部件，如圖4所示。左右旋絲母分別安裝在左右側(cè)橫移平臺(tái)上，防護(hù)罩底部法蘭固定點(diǎn)分別與橫移平臺(tái)鉸接，橫移平臺(tái)底部安裝有滑塊，分別與直線(xiàn)導(dǎo)軌配合導(dǎo)向，直線(xiàn)導(dǎo)軌安裝在導(dǎo)軌安裝板上。左右旋對(duì)稱(chēng)絲桿通過(guò)聯(lián)軸器連接傳動(dòng)，絲桿與4個(gè)支撐座通過(guò)軸承固定在導(dǎo)軌安裝板上。橫移機(jī)構(gòu)由一端伺服電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)減速機(jī)減速增扭矩后，驅(qū)動(dòng)左右旋對(duì)稱(chēng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)左右側(cè)橫移平臺(tái)相向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右防護(hù)罩以相同速度、相對(duì)方向橫移運(yùn)動(dòng)。

橫移機(jī)構(gòu)通過(guò)伺服電機(jī)計(jì)數(shù)和扭矩控制進(jìn)行橫移平臺(tái)極限位置標(biāo)定，總行程為400 mm。鑒于橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)行到位后，左右防護(hù)罩需固定在橫移平臺(tái)上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用梯形絲桿副以保證橫移平臺(tái)位移到位后靜態(tài)自鎖。綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、傳動(dòng)穩(wěn)定性和加工工藝性，選用中徑16 mm、導(dǎo)程3 mm的梯形螺紋絲桿。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為橫移機(jī)構(gòu)平移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力輸入，其伺服電機(jī)的選型和減速器的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮載荷因素和產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中橫移機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)分析如圖5所示，并根據(jù)建立的受力分析圖進(jìn)行了扭矩計(jì)算。

表1所示為自動(dòng)化保護(hù)裝置橫移機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)部分技術(shù)參數(shù)。

圖4 橫移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Structure composition of the traverse mechanism

圖5 橫移機(jī)構(gòu)的受力分析Fig.5 Analysis of the traverse mechanism

由摩擦阻力計(jì)算公式Fa=Ktμmg，可求得橫移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力Fa為

Fa=Ktμm1g=529.2 N

(1)

根據(jù)計(jì)算的摩擦阻力，由絲桿副獲得所需推力的驅(qū)動(dòng)扭矩計(jì)算公式[10]T=Fal/(2πη)，可求得伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，橫移機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)如表2所示。伺服驅(qū)動(dòng)輸出扭矩1.6 N·m，即可滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)橫移運(yùn)動(dòng)扭矩需求。

表1 橫移機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of driving system for the traverse mechanism

表2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table 2 Parameters of servo driving system

2.4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)推桿提供動(dòng)力，推拉左右防護(hù)罩圍繞底部法蘭鉸支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)90°翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝于防護(hù)罩后側(cè)并固定在導(dǎo)軌安裝板上，包括左右電動(dòng)推桿、橫移平臺(tái)、滑塊及直線(xiàn)導(dǎo)軌等部件，如圖6所示。電動(dòng)推桿上端與防護(hù)罩中部固定點(diǎn)鉸接，下端與橫移平臺(tái)內(nèi)側(cè)鉸接；防護(hù)罩底部法蘭固定點(diǎn)與橫移平臺(tái)外側(cè)鉸接，橫移平臺(tái)底部安裝有滑塊，分別與直線(xiàn)導(dǎo)軌配合導(dǎo)向，直線(xiàn)導(dǎo)軌安裝在導(dǎo)軌安裝板上。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)行到位后，由電動(dòng)推桿提供動(dòng)力，推拉左右防護(hù)罩圍繞底部法蘭鉸支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)0°～90°翻轉(zhuǎn)。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用接近開(kāi)關(guān)和機(jī)械限位對(duì)左右防護(hù)罩翻轉(zhuǎn)回位極限位置進(jìn)行標(biāo)定和限制。而電動(dòng)推桿作為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)推拉運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力輸入，是整個(gè)裝置能否實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。為計(jì)算電動(dòng)推桿額定輸入扭矩，分析了極限狀態(tài)下(拉動(dòng)罩殼瞬間)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力情況，并根據(jù)建立的機(jī)構(gòu)原理圖進(jìn)行了扭矩計(jì)算，如圖7所示。表3所示為自動(dòng)化保護(hù)裝置翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分技術(shù)參數(shù)。

圖6 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成Fig.6 Structure composition of the turnover mechanism

圖7 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力分析示意圖Fig.7 Analysis of the turnover mechanism

表3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分技術(shù)參數(shù)Table 3 Parameters of the traverse mechanism

根據(jù)表3中參數(shù)，由扭矩計(jì)算公式Mt=KtmgL[10]，可求得防護(hù)罩的旋轉(zhuǎn)扭矩負(fù)載Mp為

Mp=Ktg2gLp=109.37 N·m

(3)

假設(shè)電動(dòng)推桿最大驅(qū)動(dòng)力為Fmax，由力矩平衡定理可得

(4)

根據(jù)計(jì)算的驅(qū)動(dòng)力，兼顧翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性要求及其安裝空間和質(zhì)量，選用額定推/拉力為2 500 N的電動(dòng)推桿；同時(shí)，電動(dòng)推桿具有IP66級(jí)防塵防水功能以保證其工作可靠。

2.5 罩殼結(jié)構(gòu)

整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性的重要途徑[2]。為了滿(mǎn)足武器裝備輕量化要求，左右防護(hù)罩殼、機(jī)構(gòu)保護(hù)罩及導(dǎo)軌安裝板均選用碳纖維復(fù)合材料，采用預(yù)浸料熱壓罐成型工藝制備。該工藝具有產(chǎn)品纖維含量高、力學(xué)性能好和質(zhì)量輕等特點(diǎn)，尤其適用于制造大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)件。

設(shè)計(jì)的碳纖維左右防護(hù)罩殼結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。罩殼主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維斜紋預(yù)浸料一體成型，主體厚度為1.2 mm。罩殼整體結(jié)構(gòu)分為上部保護(hù)層、中部過(guò)渡層、底部法蘭及加強(qiáng)筋，上部保護(hù)層與中部過(guò)渡層采用碳纖維預(yù)浸料逐層搭接增厚至2 mm。罩殼中部過(guò)渡層及底部法蘭與執(zhí)行機(jī)構(gòu)鉸接位置預(yù)埋鋁板，采用銷(xiāo)柱螺接形式預(yù)留連接接口。左右防護(hù)罩閉合面采用L形卡槽方式配合密封以實(shí)現(xiàn)IP54級(jí)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(nèi)。

剛性不足是大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)件存在的主要問(wèn)題。為兼顧產(chǎn)品美觀(guān)和結(jié)構(gòu)可靠，左右防護(hù)罩殼外表面光滑平整美觀(guān)，內(nèi)表面相應(yīng)位置具有多個(gè)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)置在防護(hù)罩殼體與底座法蘭連接過(guò)渡處。左右防護(hù)罩殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9(a)所示，采用聚氨酯泡沫材料制成長(zhǎng)條狀的加強(qiáng)筋粘貼在罩殼內(nèi)表面。實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)情況如圖9(b)所示，結(jié)果表明，左右防護(hù)罩殼整體剛度滿(mǎn)足使用要求，產(chǎn)品功能符合環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)。

圖8 罩殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of the housing

圖9 罩殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of the enhanced housing

圖10 自動(dòng)化保護(hù)裝置系統(tǒng)控制原理框圖Fig.10 Control principle of the automatic protection device system

3 自動(dòng)控制原理

自動(dòng)化控制是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)，為保證光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)裝置自動(dòng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，采用PLC控制器結(jié)合外部傳感器閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)化。整個(gè)裝置的控制原理如圖10所示：當(dāng)操作控制面板或手控盒上的開(kāi)啟/閉合按鈕時(shí)，PLC控制器接收按鍵命令并輸入至內(nèi)部輸入映像緩沖區(qū)，PLC讀取輸入映像緩存區(qū)指令，按照軟件邏輯執(zhí)行自動(dòng)化保護(hù)裝置的開(kāi)啟/閉合運(yùn)動(dòng)控制；控制系統(tǒng)通過(guò)外部傳感器等方式檢測(cè)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

根據(jù)光電設(shè)備自動(dòng)化保護(hù)裝置工作原理，橫移機(jī)構(gòu)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器采集電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，并將橫移機(jī)構(gòu)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)距離轉(zhuǎn)化為電機(jī)運(yùn)行圈數(shù)，即可獲得機(jī)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)位置。橫移運(yùn)動(dòng)以閉合位置為原點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)行程為400 mm，預(yù)設(shè)電機(jī)最大計(jì)數(shù)值作為橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)極限的位置標(biāo)定。同時(shí)，為防止多次運(yùn)動(dòng)后電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生累計(jì)誤差，在橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)行到位處設(shè)置機(jī)械限位，使得閉合時(shí)可通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)矩標(biāo)定的方式判定極限位置。自動(dòng)化保護(hù)裝置翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)翻轉(zhuǎn)電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)電動(dòng)缸由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)防護(hù)罩打開(kāi)/閉合位置；為防止接近開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)行產(chǎn)生問(wèn)題，同時(shí)檢測(cè)翻轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩并設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)矩閾值作為翻轉(zhuǎn)電動(dòng)缸運(yùn)行極限狀態(tài)的輔助標(biāo)定。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，通過(guò)物理樣機(jī)對(duì)自動(dòng)化保護(hù)裝置開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

圖11 自動(dòng)化保護(hù)裝置樣機(jī)Fig.11 Prototype of the automatic protection device

如圖11所示，由定性分析物理樣機(jī)開(kāi)啟/閉合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可知，自動(dòng)化保護(hù)裝置閉合時(shí)可環(huán)抱武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗模塊形成有效防護(hù)，保證光電設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中具有良好的環(huán)境適應(yīng)性；自動(dòng)化保護(hù)裝置開(kāi)啟時(shí)可在方艙頂部迅速平穩(wěn)展開(kāi)，保證光電設(shè)備在工作過(guò)程中無(wú)結(jié)構(gòu)干涉、無(wú)光路遮擋。同時(shí)，保護(hù)裝置橫移翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)安全平穩(wěn)、自動(dòng)化程度高、操作和維護(hù)簡(jiǎn)單方便、剛強(qiáng)度好且結(jié)構(gòu)美觀(guān)。

表4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表Table 4 Comparison between measured data and design indexes

如表4所示，由定量對(duì)比自動(dòng)化保護(hù)裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，整個(gè)裝置開(kāi)啟/閉合運(yùn)動(dòng)參數(shù)在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，橫移翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)迅速平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)精度高。保護(hù)裝置在閉合狀態(tài)下，具有較好的密封性和防雨防塵功能。然而，自動(dòng)化保護(hù)裝置整體質(zhì)量稍大于設(shè)計(jì)指標(biāo)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中選取的安全系數(shù)稍大和復(fù)合材料成型工藝計(jì)算偏差是導(dǎo)致質(zhì)量增加的主要原因。質(zhì)量指標(biāo)在不影響全系統(tǒng)性能的前提下可以適當(dāng)放大。

5 結(jié)論

針對(duì)某車(chē)載武器系統(tǒng)光電設(shè)備自動(dòng)化防護(hù)需求，設(shè)計(jì)了一種基于橫移翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化保護(hù)裝置，并給出基于該機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)組成、工作原理、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)和控制原理，最后通過(guò)物理樣機(jī)對(duì)自動(dòng)化保護(hù)裝置開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

(1)橫移翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化保護(hù)裝置的快速狀態(tài)裝換：橫移機(jī)構(gòu)完成左右防護(hù)罩開(kāi)啟/閉合的平移運(yùn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成左右防護(hù)罩0°～90°翻轉(zhuǎn)。橫移翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可集成在車(chē)載方艙頂部有限的安裝空間內(nèi)。

(2)使用碳纖維復(fù)合材料，采用預(yù)浸料熱壓罐成型工藝實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化保護(hù)裝置的輕量化設(shè)計(jì)。左右防護(hù)罩殼采用碳纖維整體成型結(jié)合聚氨酯泡沫局部加強(qiáng)的方案，保證了產(chǎn)品輕質(zhì)美觀(guān)、剛強(qiáng)度好。

(3)采用PLC控制器結(jié)合外部傳感器閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化保護(hù)裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)化，且整個(gè)橫移翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)安全平穩(wěn)。

(4)物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)化保護(hù)裝置閉合時(shí)可環(huán)抱武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗模塊形成有效防護(hù)，保證光電設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中具有良好的環(huán)境適應(yīng)性；開(kāi)啟時(shí)可在方艙頂部迅速平穩(wěn)展開(kāi)，保證光電設(shè)備在工作過(guò)程中無(wú)結(jié)構(gòu)干涉、無(wú)光路遮擋。