任鵬遠(yuǎn),馬保吉
(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,西安 710021)
光纖制導(dǎo)技術(shù)集合圖像探測(cè)追蹤、光纖傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù),具有傳輸速率高、損耗率低、體積小、輕便諸多優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)打擊,目前受到各國(guó)和軍方的重視[1]。但是每次進(jìn)行真實(shí)的導(dǎo)彈放線實(shí)驗(yàn)要耗費(fèi)大量的導(dǎo)彈與光纖。此外還很難在彈體上安裝一些大型的高精度實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)效果非常不理想。采用地面模擬放線實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以節(jié)省大量的人力物力。地面模擬放線裝置用于進(jìn)行長(zhǎng)距離光纜模擬飛行收放線試驗(yàn),模擬飛行器在發(fā)射和飛行狀態(tài)下光纖從線管上高速釋放的狀態(tài)。
光纖地面放線裝置用于模擬光纖線管在高低溫環(huán)境下的飛行姿態(tài)和光纖高速釋放過(guò)程,并且測(cè)量光纖高速剝離力、剝離形態(tài)、光信號(hào)傳輸特性以及線管高速釋放穩(wěn)定性和可靠性。整個(gè)裝置由控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、放線架和測(cè)試系統(tǒng)4大部分組成[2-5]。
針對(duì)前幾代地面放線裝置系統(tǒng)復(fù)雜、效率低的情況,為了確保對(duì)制導(dǎo)過(guò)程中光纖的動(dòng)態(tài)狀態(tài)模擬更接近真實(shí)情況,本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化運(yùn)行的高精度光纖放線裝置,并對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)制導(dǎo)光纖的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)模擬,并實(shí)時(shí)反饋光纖受力數(shù)據(jù),為制導(dǎo)光纖的研究提供數(shù)據(jù)支持。
為了對(duì)光纖放線狀態(tài)進(jìn)行最大程度的真實(shí)模擬,針對(duì)放線裝置的運(yùn)動(dòng)以及測(cè)控要求,需要滿足以下功能需求。
(1)模擬飛行器機(jī)動(dòng)時(shí)俯仰和偏航角運(yùn)動(dòng)逆向姿態(tài),模擬光纖線包尾艙在氣流下受到的不規(guī)則隨機(jī)擾動(dòng);(2)整套系統(tǒng)具備手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩套模式,可針對(duì)地面放線需求對(duì)角度以及角速度進(jìn)行調(diào)整,要求運(yùn)動(dòng)角度波動(dòng)范圍小于5%,同時(shí)精度在0.1°內(nèi);(3)測(cè)試實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)軸向拉力和切向力,實(shí)時(shí)顯示俯仰、偏航速度并且以圖形形式實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)解脫力;(4)測(cè)試系統(tǒng)具有良好的用戶界面、用戶管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析,報(bào)告生成與輸出功能;(5)具有充分的可擴(kuò)展接口進(jìn)行輸入輸出,方便后續(xù)功能擴(kuò)充。
放線裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。為模擬導(dǎo)彈光纖釋放過(guò)程,由水平轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng),在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)俯仰平臺(tái)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)的模擬,通過(guò)對(duì)俯仰偏航運(yùn)動(dòng)的結(jié)合,模擬光纖釋放過(guò)程中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在線包安裝法蘭上安裝有扭矩傳力桿和軸向力傳力桿,傳力桿的另一端連接到扭矩傳感器和拉力傳感器,用于測(cè)量放線過(guò)程中的軸向剝離力和徑向剝離力,監(jiān)測(cè)光纖釋放狀態(tài)[6-7]。
圖1 放線裝置設(shè)計(jì)示意圖
系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)模擬執(zhí)行機(jī)械裝置和控制測(cè)試系統(tǒng)組成。其中,控制測(cè)試系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)、傳感檢測(cè)與反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)控制與管理系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。
對(duì)于機(jī)械裝置部分,水平轉(zhuǎn)臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)配合蝸輪蝸桿進(jìn)行傳動(dòng)、俯仰機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)配合行星減速器傳動(dòng),傳動(dòng)比分別為1∶180以及1∶121。兩部分驅(qū)動(dòng)器均采用二細(xì)分,可達(dá)到0.9°的精度,通過(guò)減速裝置,最終可保證最小步距角為0.007 5°,足以滿足設(shè)計(jì)需求中的0.1°的角精度需求。
同時(shí)對(duì)水平轉(zhuǎn)臺(tái)和俯仰機(jī)構(gòu)分別配置3 個(gè)NPN 型限位開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)常開(kāi),當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行到指定位置時(shí),限位開(kāi)關(guān)向端子板輸出5 V 高電平傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制卡,系統(tǒng)通過(guò)高低電平對(duì)裝置運(yùn)行位置以及狀態(tài)進(jìn)行判斷,同時(shí)起到安全保護(hù)的作用,可防止運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大對(duì)裝置造成損壞。
控制測(cè)試系統(tǒng)部分采用運(yùn)動(dòng)控制卡作為核心控制部件,通過(guò)工控機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互,運(yùn)動(dòng)控制卡作為下位機(jī)并通過(guò)控制器對(duì)水平轉(zhuǎn)臺(tái)以及俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,運(yùn)動(dòng)控制卡外接端子板配置有I/O 輸入接口,可以同時(shí)接受限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)對(duì)裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),確保裝置運(yùn)行正確,不必對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,可避免誤差產(chǎn)生。測(cè)控系統(tǒng)組成如圖2所示。
圖2 測(cè)控系統(tǒng)組成示意圖
放線測(cè)控裝置的姿態(tài)模擬運(yùn)動(dòng)主要由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),考慮到程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程要求設(shè)備與Lab-VIEW 應(yīng)具有較好的兼容性,采用編程簡(jiǎn)單,功能豐富的雷賽DMC1000B 脈沖系列運(yùn)動(dòng)控制卡,可控制1~12 軸伺服或步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)設(shè)計(jì)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,如圖3 所示。每個(gè)電機(jī)的兩相繞組分別連接至對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的A+、A-和B+、B-端口。驅(qū)動(dòng)器的其他4 個(gè)端口分別為脈沖、方向、使能和電源端口,電源端口連接至24 V 直流電壓源,脈沖、方向、使能端口的正端與對(duì)應(yīng)的PCI 板卡輸出端口相連接,負(fù)端統(tǒng)一連接至公共端口。另外控制卡本身自帶多路通用I/O 口,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。對(duì)外接口上采用68 芯高密度屏蔽電纜線,抗干擾能力更強(qiáng),連接也更加的緊湊方便??蓪?duì)6 個(gè)位置信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,判斷裝置運(yùn)行狀態(tài),便于監(jiān)測(cè)和調(diào)整[6-9]。選用研華的16路高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡作為線包解脫力數(shù)據(jù)采集處理的設(shè)備,具有很高的精度和速度。在接線過(guò)程中,采用差分輸入的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,避免接地回路的干擾和由于環(huán)境引起的共模干擾。通過(guò)采集變送器的電壓信號(hào)傳遞到上位機(jī)便于軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理并實(shí)時(shí)顯示。
圖3 機(jī)動(dòng)模擬裝置電路示意圖
光纖放線測(cè)控系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā),軟件系統(tǒng)除用戶登錄注冊(cè)模塊外,還具備參數(shù)設(shè)置模塊、姿態(tài)控制模塊以及線包動(dòng)態(tài)解脫力數(shù)據(jù)采集測(cè)量模塊[8]。
軟件整體層次組成如圖4 所示,根據(jù)操作需要,測(cè)控系統(tǒng)軟件在登錄界面具有身份驗(yàn)證的功能,可對(duì)操作人員身份和權(quán)限信息的存儲(chǔ)與增改。通過(guò)參數(shù)設(shè)置模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)采集。
圖4 軟件整體框架
前面板是人機(jī)交互的關(guān)鍵部分,主要由數(shù)據(jù)顯示、放線裝置運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和裝置運(yùn)行參數(shù)設(shè)置3部分組成。其中,數(shù)據(jù)顯示模塊主要用于實(shí)時(shí)顯示放線時(shí)光纖軸向和徑向解脫力大小,用于觀察并記錄光纖放線狀態(tài);放線裝置運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用于監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行是否達(dá)到預(yù)期位置同時(shí)可對(duì)裝置進(jìn)行復(fù)位;電機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊主要用于設(shè)置脈沖頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、電機(jī)運(yùn)行模式等參數(shù)。裝置運(yùn)行參數(shù)設(shè)置模塊中運(yùn)行角度可調(diào)范圍為±15°,轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍為0~15°/s,裝置運(yùn)行模式可分為自動(dòng)運(yùn)行模式和手動(dòng)運(yùn)行模式,其中自動(dòng)運(yùn)行模式下又有隨機(jī)運(yùn)行模式模塊。界面如圖5所示。
圖5 放線測(cè)控系統(tǒng)界面
雷賽官方提供了運(yùn)動(dòng)控制API 函數(shù)庫(kù),在其基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)將十分簡(jiǎn)單,使用LabVIEW 開(kāi)發(fā)用戶界面并調(diào)用DMC1000B函數(shù)庫(kù)中的相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)模擬裝置的運(yùn)動(dòng)及位置精確、高速、協(xié)調(diào)控制。
打開(kāi)LabVIEW 通過(guò)工具導(dǎo)入共享庫(kù)(.dll)選擇雷賽官方提供的“Dmc1000.dll”和“Dmc1000.h”兩文件將函數(shù)庫(kù)導(dǎo)入LabVIEW 生成庫(kù)文件,該庫(kù)中包含控制卡提供的各類函數(shù),使用時(shí)可直接在庫(kù)中進(jìn)行調(diào)用。
2.3.1 參數(shù)轉(zhuǎn)換
光纖放線裝置采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),對(duì)于步進(jìn)電機(jī),脈沖是其運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。因此,軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要將前面板用戶所輸入的運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù),通常細(xì)分?jǐn)?shù)越高,控制分辨率越高,但細(xì)分?jǐn)?shù)太高則影響到運(yùn)行速度[9]。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析選擇2 細(xì)分對(duì)應(yīng)400 脈沖/轉(zhuǎn),同時(shí)根據(jù)裝置傳動(dòng)比對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換,關(guān)系如下式:
式中:pps為脈沖數(shù);i為傳動(dòng)比;b細(xì)分脈沖數(shù);θ為輸入的角度參數(shù)。
2.3.2 速度調(diào)節(jié)
速度控制是電機(jī)從初始速度開(kāi)始運(yùn)行,加速至指定速度的連續(xù)運(yùn)動(dòng),只有當(dāng)接收到停止命令或外部停止信號(hào)后,才減速直至停止。本裝置采用梯形曲線的速度控制,其速度與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。
圖6 梯形運(yùn)動(dòng)示意圖
電機(jī)從起始速度開(kāi)始運(yùn)動(dòng),加速至最大速度后保持速度不變,臨結(jié)束前減速至起始速度。通過(guò)Dmc1000_in_bit函數(shù)實(shí)現(xiàn)梯形速度運(yùn)動(dòng)。
其關(guān)鍵代碼如下:
3.3.3 角度調(diào)節(jié)
放線測(cè)控裝置的控制是通過(guò)輸入角度以及加速度進(jìn)行控制的,角度通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電機(jī)輸入的控制指令的脈沖值決定的,因此,對(duì)于放線測(cè)控裝置的運(yùn)動(dòng)角度以及脈沖參數(shù)的關(guān)系需要確定。
根據(jù)前文的硬件設(shè)計(jì)中俯仰以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比以及參數(shù)轉(zhuǎn)換可知:
式中:ppsf為俯仰軸脈沖數(shù);ppss為擺動(dòng)軸脈沖數(shù)。
角度脈沖關(guān)系如圖7所示。
圖7 角度與脈沖關(guān)系
2.3.4 運(yùn)動(dòng)生成
設(shè)置好各個(gè)參數(shù)后,進(jìn)行裝置運(yùn)動(dòng),姿態(tài)模擬運(yùn)動(dòng)程序流程如圖8 所示。利用順序流程實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。兩軸先分別向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)到極限位置,然后滿行程往復(fù)運(yùn)動(dòng),直到停止按鈕按下后,軸恢復(fù)到原位置并結(jié)束運(yùn)動(dòng)。圖9所示為自動(dòng)模式下水平運(yùn)動(dòng)框圖,往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)WHILE 循環(huán)實(shí)現(xiàn),當(dāng)前面板停止按鈕按下后,退出循環(huán),同時(shí)將判斷布爾值改變,此布爾變量可對(duì)順序結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行判斷是否執(zhí)行(因LabVIEW 中WHILE循環(huán)可能存在無(wú)法及時(shí)退出的問(wèn)題,此處可防止順序結(jié)構(gòu)執(zhí)行完畢后未退出循環(huán)而再次進(jìn)入順序結(jié)構(gòu))[10-11]。
圖8 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)流程
圖9 自動(dòng)運(yùn)行程序
放線裝置在放線完畢后,需要對(duì)裝置進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位,使其回到初始位置。復(fù)位運(yùn)動(dòng)流程如圖10 所示。通過(guò)上位機(jī)軟件向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令,使裝置的俯仰機(jī)構(gòu)以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)兩電機(jī)分別運(yùn)行到極限位置,通過(guò)NPN 型接近開(kāi)關(guān)對(duì)運(yùn)行位置進(jìn)行判斷,當(dāng)運(yùn)行到相應(yīng)位置時(shí),接近開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)出低電平,此時(shí)立刻反向運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)初始位置再次通過(guò)接近開(kāi)關(guān)停止運(yùn)動(dòng)狀態(tài),編程流程如圖所示。使用API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)位,首先通過(guò)Dmc1000_start t move實(shí)現(xiàn)正負(fù)方向脈沖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)位移[12-13]。函數(shù)Dmc1000_in bit 獲取接近開(kāi)關(guān)接受的裝置位置信息,對(duì)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),在LabVIEW 采用多線并行的順序結(jié)構(gòu),同時(shí)打開(kāi)俯仰以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)位線程,進(jìn)行復(fù)位操作。
圖10 系統(tǒng)復(fù)位流程
如圖11 所示為模擬信號(hào)采集程序的循環(huán)部分,通過(guò)研華的DAQ-NAVI 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,利用creat、timing、read、clear 控件組成基本數(shù)據(jù)采集框架,并且可通過(guò)DAQNavi Property Assistant 控件對(duì)通道號(hào)、通道電壓范圍以及端子接線方式進(jìn)行設(shè)置,添加采樣率和采樣數(shù)輸入控件,方便用戶對(duì)采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置采樣方式為多通道多采樣輸出2D DBL波形,之后對(duì)波形進(jìn)行數(shù)組索引分別輸出軸向解脫力和徑向解脫力電壓信號(hào),然后通過(guò)For 循環(huán)和公式節(jié)點(diǎn),依據(jù)傳感器所給的電信號(hào)與力信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,經(jīng)過(guò)波形圖標(biāo)在前面板顯示力信號(hào)圖像[14]。
圖11 數(shù)據(jù)采集程序
裝置運(yùn)行過(guò)程中,需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ),使用Access 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)這種采集量大同時(shí)需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存可能會(huì)導(dǎo)致上位機(jī)內(nèi)存占用過(guò)大而使軟件運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定,因此采用NI 公司自帶的TDMS 方式進(jìn)行存儲(chǔ),以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù),文件占用小同時(shí)速度快,方便操作員后續(xù)對(duì)裝置進(jìn)行狀態(tài)判斷以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而判斷光纖放線姿態(tài)[15]。
根據(jù)裝置設(shè)計(jì)需求光纖放線裝置測(cè)控系統(tǒng)需完成在載荷30 kN 工況下穩(wěn)定運(yùn)行模擬光纖釋放過(guò)程,對(duì)于釋放過(guò)程中光纖的運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)對(duì)線包的軸向力以及徑向力的測(cè)試間接進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷光纖動(dòng)態(tài)過(guò)程是否穩(wěn)定,同時(shí)采取的數(shù)據(jù)供后續(xù)研究。
圖12、13 所示為動(dòng)態(tài)釋放過(guò)程中采集的數(shù)據(jù),可發(fā)現(xiàn)光纖在運(yùn)行過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定,會(huì)出現(xiàn)周期性突變,其原因是光纖線包匝數(shù)變化,釋放線的方向改變從而導(dǎo)致軸向力變化,而這些變化都是周期性的,說(shuō)明設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行,軸向力的范圍在-10~+10 N/m 范圍內(nèi),對(duì)于傳感器的采集范圍足夠滿足,設(shè)計(jì)合理。
圖12 軸向解脫力
圖13 徑向解脫力
光纖放線測(cè)控系統(tǒng)先從裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)始,使系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)有一個(gè)宏觀的概念,直觀地了解各個(gè)機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置。之后設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制部分的軟件,包含了位置判斷復(fù)位模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊、手動(dòng)運(yùn)行模塊。最后對(duì)裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、顯示數(shù)據(jù)和生成報(bào)表?;赑CI 數(shù)據(jù)采集卡高速和高精度特點(diǎn),加上穩(wěn)定而且高精度的力傳感器,使得整個(gè)系統(tǒng)集成度好,實(shí)現(xiàn)了高精度采集數(shù)據(jù)。軟件程序根據(jù)觸發(fā)條件及時(shí)地、穩(wěn)定地控制機(jī)動(dòng)模擬裝置的啟停,提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平,實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際光纖放線過(guò)程中線包狀態(tài)的高程度模擬。整套裝置可將放線過(guò)程中光纖受力狀態(tài)高精度采集到,這些所得數(shù)據(jù)可以為研究人員提供參考。