炮控性能参数测试系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 为全面提高我国装甲车辆（或类似系统）炮控系统定型试验的效率和水平，甲方提出了研制新型炮控性能参数测试系统的要求。乙方依据甲方提出的具体技术要求并依托 977炮静态检测方法和 361甲车辆炮控系统定型试验规程，完成了 “炮控性能参数测试系统 ”的设计方案。 炮控性能参数测试系统是典型的机电一体化非标测试系统。系统由施力系统、测角系统和控制系统构成，能严格按照相应国军标中的规定完成所有炮控性能参数的测试。系统自动化程度较高，测试精度较高。 本文是以炮控性能 参数测试系统为研究对象展开工作的，主要是对施力的结构进行设计计算，论述了炮控性 能参数测试系统的研制依据、系统组成、工作原理、施力结构、精度分析、关键元件的说明 等。分析了整体结构对工作稳定性的影响。本文也有重点的介绍了各组成部分的功能特点，包括直线电机、力传感器、光纤陀螺等。 关键词 ： 光纤陀螺 ； 直线电机 ； 激光测距仪 ； 力传感器 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 n to or of of a of to 977361 to of of is by A of to of of of of of of of of of of of of of is on of of as on of i. of of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 摘 要 . I . 1 章 绪论 .课题背景 .炮控系统及其性能参数测试技术国内外研究现状 . 基本系统 . 第二代系统 . 指挥仪型系统 . 炮控系统相关技术研究现状 . 炮控系统性能参数测试技术国内研究现状 . 2 章 设计方案 .系统组成 .工作原理 .机械台体 . 总体结构 . 机械台体的工作原理 . 结构有限元分析 . 定位 . 3 章 施力系统 .施力系统结构 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 施力系统有限元分析 .施力补偿原理 .力传感器 .直线电机 .精度分析 . 4 章 测角系统 .测角系统组成与原理 .测角系统关键元件 .地球自转补偿 .测角系统精度 .施力机构精确对中工作流程 .论 .谢 .考文献 .录 1 .录 2 .录 3 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 章 绪论 课题背景 坦克自 1915 年问世以来己经有 90 多年的历史。几十年间，坦克的发展在技术上经历了三次更新换代，截至现在，主战坦克己经发展到 第四代。全世界 108 个国家和地区共装备约 16 万多辆主战坦克。由于坦克具有火力强、机动灵活和防护性好等特点，自第一次世界大战末期一出现，便成为陆战之王。 坦克装甲车辆在战场上的作战性能，常被描述为 “先敌开火，首发命中 ”，这其中包含了两方面的含义 :一是系统反应的快速性 ;二是首发弹的射击精度。其中影响射击精度的主要因素有三项，称为命中目标三要素，即瞄准精确、解算正确、控制准确，其中控制准确就是对炮控系统性能的具体要求。 炮控系统及其性能参数测试技术国内外研究现状 提高坦克战地机动性，即提高坦克在行进间射 击能力，而不是坦克只能在静止时射击目标。这种需求还要求火炮控制系统使车体行进对坦克主要武器装备的影响减至最小，特别是使车体行进时对命中目标的能力的影响减到最小。期望达到这个目标的基本系统早在上个世纪 30 年代就设计出来了。自从基本系统采用以来，它们己大为改进，并且在大多数的情况下继续被采用。其间经历了基本系统、第二代系统以及指挥仪型系统。 基本系统 为使坦克能在行进间射击而设计的基本系统，包括使用两个闭环伺服系统，一个是控制火炮的高低轴，另一个是控制炮塔的旋转轴。每个闭环系统加装一个陀螺仪，分别 检测火炮高低和方位运动的角速度。陀螺仪检测到的速度与炮手控制的速度之间的差值，使高低和方位伺服电机按相反的方向转买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 动火炮和炮塔，使差值或 “误差 ”为零，从而 “稳定 ”火炮。因此，只要炮手保持他的控制稳定，一个双轴稳定系统会自动地保持火炮位置在空间的一个确定的位置上，不管此时车体作横摇、纵摇、侧滑等运动。图 1出了其两个稳定的功率驱动装置之一的方框图。 图 1有陀螺速度反馈的全电方位驱动装置的方框图 图中 一一炮手的速度命令 ; 一一车体方位速率 ; 一一炮塔方位速率 ; 一一方位电机速度。 第二代系统 低不平的地面时，基本系统的影响必然不 能足够迅速地把火炮瞄准误差减小到一个足够低的水平。因此，在上世纪 60 年代初各国开始发展更加完善的 “第二代 ”系统。 “第二代 ”系统通常在正反馈开环环节里加上两个附加陀螺，响应车体的角速度，并给高低和方位驱动提供一个预期的指令，从而近似地稳定火炮。于是，一个附加陀螺安装在炮架里，以便检测在炮塔旋转平面里的炮架角速度，并产生负反馈命令给方位驱动，其原理如图 1示。 图 1方位驱动装置的简化方框图 图中 目标的方位速度 ; 瞄准线的方位速率 ; 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 加陀螺安装在炮塔里，检测火炮高低平面中炮塔角速度，并产生正反馈命令给高低驱动。因此，对两个炮架陀螺的要求简化为校正正反馈回路的误差，并且大大地改善了火炮的稳定性。 指挥仪型系统 定火炮控制系统能够减少运动引起的火炮瞄准误差的标准偏差，每个轴约由 到 是第二代系统仍然只能维持坦克炮在空间的位置，而不能给炮手提供尽可能多的帮助。换句话说，必须借 助炮手的视觉反 馈来使整个武器目标环路闭合。 炮手的瞄准具与火炮的机械连接断开，并独立地稳定瞄准具 那么将给炮手提供更加稳定的图像，这是因为任何瞄具的惯量都要比火炮的惯量小得多。事实上，独立稳定的瞄准具，其瞄准线误差的标准偏差在每个轴上仅为 立稳定的炮手瞄准具与随动该瞄准具的火炮相结合的结果，就是指挥仪型系统。图 1指挥仪型系统的简化方框图。 图 1挥仪型系统的简化方框图 为简便起见，图 1省略了来自射击控制计算机和火炮 偏置指令输入。 图中符号说明与图 1同。独立稳定的炮手瞄准具的设置，不改善火炮本身的稳定性，但它使炮手能精确得多地瞄准和跟踪目标。这样，当伺服机构使火炮从动于炮手光学瞄准时，不直接驱动火炮，达到了很大的总体精度。 炮控系统相关技术研究现状 高新技术的广泛应用，使炮控系统的性能有了进一步的提高。为了满足买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 战场上对坦克装甲车辆作战效能的更高要求，新型坦克的炮控系统在硬件上使用了最先进的仪器设备及高精度的元器件，软件方面国内外也进行了大量的技术投入。 军械工程学院的一个课题组利用 言中 的 真软件，对坦克炮控系统进行计算机的动态仿真分析，其研究结果对提高国产主战坦克作战性能有一定的实用价值。北京理工大学注重坦克炮控系统控制方法的研究，其主要利用最优传递函数法和滑动模态变结构控制进行炮控系统的研究。装甲兵工程学院周启煌教授领导的课题组数年来一直从事坦克炮控系统的研究工作，他们从对炮控系统的系统结构、工作原理分析入手，研究炮控系统的功能综合化设计方法，建立系统的数学模型，讨论炮控系统的半实物仿真方法，为我国新一代坦克炮控系统的研发，提供了新思想、新方法。为了实现坦克武器系统的数 字化，在炮控系统、火控系统、瞄准跟踪系统、通讯指挥系统的研制中，大量地使用了单板计算机以及基于计算机的先进的数据分析处理方法。如专用控制芯片、 理芯片的应用、动态数据统计处理方法及小波分析的使用等，先进技术的运用大大提高了坦克武器系统的整体作战能力和战场生存能力。 国外在炮控系统的研发上取得了相当多的成果，由于先进武器系统的研究大多具有一定的密级，在公开发行的刊物上很难看到近期的进展情况。有一部分文章是讨论坦克炮控系统的变结构控制方法和非线性鲁棒控制方法的。在国外一般将炮控系统作为火控系统的组成部分进 行统一研究，许多先进的基于计算机的算法在坦克炮控系统中得到广泛地应用，用于改善火控系统的整体性能险，这些研究成果对我们进一步认识炮控系统的特性是有帮助的。 炮控系统性能参数测试技术国内研究现状 目前，国内炮控系统静态参数的测试方法是前苏联武器系统试验测试方法的延续，基本上停留在上世纪五、六十年代的水平。施力控制采用人工手段完成，测力设备为机械测力计 (弹簧秤 );炮口的运动轨迹利用固定在炮口的铅笔在坐标靶上画出的曲线确定，炮口的转角由靶面上画线的长短，经近似公式计算得到 ;火炮身管的角速度测量是利用 秒表测得火炮转动一定角度需要的时间，经计算获得。供电电源性能测量使用的工具为分离式万用表、电流表和电压表。其所用量具和测试方法存在如下缺点 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 (1)为因素大，因测试方法所限，不同人的测试结果不同，因人而异，带有主观性 ; (2)试验周期长，完成一次全面检测要用 3 天以上的时间。因数据量大，所用时间较长，并且有些时间是用在重复测量上，一组数据要测量多次才能得到结果，总试验周期需要 2月 ; (3)参试人员多，每测一组数据需 6 人以上才能完成，并且要相互配合得当，否则必须重新测量 ; (4)测量精度低，因人为因素及所 用测试量具的落后，所得的数据不能真实反映系统的精度。 国内炮控系统试验测试的现状及需求说明见表 1 1内炮控系统测试试验的现状及需求 武器系统 评价项目 炮控系统 组合炮控关联参数 测试方法 现状 人工手动 无 需求 白动 自动 测试手段 现状 铅笔、坐标纸、弹簧 秤 无 需求 光纤陀螺、白动施力 机构 计算机测试 测试精度 现状 5%一 15% 无 需求 1%以下 1%以下 控制方法 现状 人工手动 需求 自动施力 数据处理工效 现状 5 3 天 无 需求 2 人实 时 1 人实时 测试精度难于定量评定，试验周期过长，这必将导致试验费用的增加、试验质量的降低。利用这种原始的手段和落后的方法是无法在有限周期内优质高效地完成炮控系统设计定型试验任务的。为此，必须研制一套基于计算机技术的炮控系统性能参数测试试验系统。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 章 设计方案 系统组成 炮控性能参数测试系统由机械台体、施力系统、测角系统、控制系统构成。其中测角系统包括常温测角系统和环境试验测角系统。 工作原理 施力平台具有三个平动自由度，三组直线运动单元可以同步驱动施力平台沿 向平动，便 于对中炮口的施力卡箍。当施力平台就位后，三个平动自由度锁定，安装在其上的四个正交布置的直线施力机构在控制器的驱动下完成施力。如果需要进行角度、角速度、角加速度测量，则安装在身管尾部的光纤陀螺测角系统将同时工作。测角系统具有宽温工作范围，可以在环境实验室中工作。 机械台体 总体结构 如图 2 1 所示，机械台体由底座、脚轮、支撑、 台、 Z 向运动单元、施力平台、 施力框架 、 直线电机单元和外罩等附件构成。台体重量约 700心位置在底座上面约 120。 台体的结构具有以下特点： 1） 整个台体呈现闭式框架结构以利于提高刚度； 2） 动部分具有辅助框架结构以提高刚度； 3）台体的 动部分以及加载系统尽可能采用铝合金材料以减轻重量； 4）台体底座采用钢板焊接结构，在密度上和其上的运动框架有很大差别，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 利于降低台体重心，提高台体在移动、支撑和加载时的稳定性； 5）控制系统硬件部分集成在台体底座内，人机界面部分和底座固连，保证了整个台体对外只有一条电源线，便于台体移动； 机械台体的工作原理 通过 后面的推手或前面的拉手可以人工 将 机械台体 移动到测试初步位置 ， 炮管 中心与环形运动 导轨中心完成 粗 定位 。 然后进行微调：通 过施力系统中的激光测距仪，测出炮管 卡箍到施力框架的相位点距离，反馈给 炮管 卡箍处于施力框架的中心位置。 然后通过 移系统进一步精确定位，使炮 管中心与环形运动导轨中心近似重合，满足测试要求。自动定位过程如 2 图 2 1 炮控性能参数测试系统机械结构效果 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 结构有限元分析 动态刚度特性是施力控制时非常重要的技术参数，本次有限元分析的主要任务是建立机械台体的有限元模型，进行模态特性分析，考察结构静动态刚度特性。 在模型建立的过 程中，对机械结构作了适当的简化，主要包括连接部位的简化、圆角和倒角特征的简化等等，这些简化能显著提高分析效率并且对分析结果影响不大。 动单元、直线电机导轨、框架、导轨等材质为铝合金，其余部分材质为钢，材料属性如表 2示。 表 2于有限元分析的材料属性 材料 密度（ kg/ 弹性模量（ 泊松比 钢 7900 200 合金 2800 70 械台体的 1 6 阶模态分析，模态分析的综合结果如表 2 2 所示。 表 2控性能参数测试系统机械台体模态分析列表 阶 次 数值（ 变形方向 1 体沿 X 方向变形 2 体沿 Y 方向变形 3 体绕 Z 轴扭曲变形 4 支架绕 Z 轴扭曲变形，底座略微变形 5 支架沿 Y 方向变形 6 体绕 Z 轴扭曲变形 机械台体的整体有限元分析结果表明：台体具备各向较均匀的刚度分配，底座具备足够的刚度，最低模态高于加载控制频带一个数量级，可以很好地提供加载所需的支撑环境。 定位 图 2的激光测距仪是 列工业激光测距传感器是 司买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 的传统产品，基于三角测量原理 是一款短距离高精度的传感器。该传感器具有先进的数字化背景 ，且有着高测量精度和抗干扰能力， 蔽，信号输出稳定，结实的金属外壳， 护等级，抗震抗冲击能力强，还有模拟量的输出和开关量的输出。 激光测距仪的测距原理是： 激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离 ,并 将该测量值变成 110V 模拟量传送给计算机的 A/D 输入口 ,完成炮管上卡箍表面 到激光测距仪的距离。 台体定位的步骤如下 ： 1）提升底座四角的四个支 撑，使脚轮着地； 2）将四个支撑折叠到复位位置后安全夹紧； 3）推动台体后面的推手，通过目测将台体推到大致位置； 4）展开四个支撑，在人机界面的指导下手动迅速调平台体； 5）启动自动对中功能，对中台体和施力卡箍。如图 3 2 所示，在启动自动对中功能的时候，布置在测距施力总成上的激光测距传感器测出施力平台和卡箍加载面之间的距离， 线运动伺服系统会以低速伺服运动的方式将卡箍自动对中到施力平台中心。 图 2 2 测距施力总成 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 章 施力系统 施力系统结构 如图 3示，施力系统由高强度铝合金施 力平台、直线电机、测距施力 、施力框架 总成等构成。二个测距施力总成集成在一个直线电机上，可以完成国军标规定 的施力测试要求 。 图 3 1 施力系统结构 施力系统有限元分析 图 3 2 至图 3 5 分别模拟了 Z 向和 X 向最大施力情况下（ 800N）结构买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 的应力和应变情况。 图 3 2 Z 方向最大施力时的应力分析 图 3 3 Z 方向最大施力时的应变分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 3 4 X 向最大施力时的应力分析 图 3 5 X 向最大施力时的应变分析 最大施力情况下的有限元分析表明，系统具备很好的刚度，变形不会影响到加载精度。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 施力补偿原理 以水平施力为例，在进行施力前，卡箍的受力平面一定会与施力方向有一个夹角，随着施力过程的进行，身管发生转动，整个夹角还会继续改变，为了补偿这个夹角给施力带来的误差，本设计采用以下方法： 为了消除由对中导致的初始误差角，在测距施力总成上安装有两个进口激光测距传感器，传感器精度为 图 3 6 所示，容易计算得出初始偏差角： =l) ( 3在进入施力阶段后，由于身管转动 会改变 ，此时控制系统可以由测角系统测得或者施力系统线位移折算出身管转动角度，从而实时获得施力方向和卡箍受力面的夹角。 国军标中规定的施力方向都是垂直于身管的，因此施力控制系统实时根据施力夹角修正施力给定值，从而保证垂直于身管方向的力严格符合国军标的要求。 图 3 6 施力补偿测量原理图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 力传感器 力传感器的种类很多，比较适合该测试系统的力传感器的敏感器部分用技术比较成熟的应变式力传感器。将该应变量变换为与之对应的电信号，完成力传感器测量。应变量的测量常用的有电容式、电感式力传感器，本项目传感器 是基于电容测量技术的。如图 3 1 所示，两种力传感器安装在总成上，可以通过总成的旋转和锁紧机构轻松实现高低档位力传感器的切换。选用世界上较先进的丹麦艾勒森（ 数字测力传感器主要基于以下特点 : 1、结构坚固：其全数字式传感器具有高达 10 倍的过载能力及侧向负载性能，而且传感器对扭力的影响不敏感。防护等级达到 2、高性能技术指标参数：很高的测量精度和分辨率； 3、与系统的集成十分方便：由于全数字传输，通过 以直接读取传感器数字，彻底消除因模拟电路带来的信号漂移和测 量误差，且传输距离较长，电磁兼容性好； 4、机械结构简单：由于允许超强的过载、侧向负载、扭力和冲击，无需机械保护装置，且全数字传感器出厂已经标定完毕； 5、适应于动态测量应用场合：传感器具有高达 1K 的采样速率，额定受力情况下传感器变形量小于 此能够快速响应力的变化。 6、具有内置的诊断功能的智能化传感器，确保测试的可靠 表 3要技术指标 技术参数 单位 数值 额定量程（ 0、 100 安全超载 % 001000 安全侧向负载 % 002000 最小静载 % 测量精度 % 复性误差 % 后性误差 % 变（ 30 分钟） % 点温度系数 /输出温度系数 % /10C 偿温度范围 C +50C 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 工作温度范围 C +80C 最大变形量 0000g 6 输出 0 防护 据处理板需要的身管与真北的夹角，及炮管与 地球相对位置通过初始标定，预先标定一个位置，该位置于真北的位置固定且已知，将炮管瞄准事先标定好的初始位置，作为地球转速补偿的依据，通过事先设定当地地理信息。数据处理板采用这些信息与倾角一起能自动补偿地球自转的影响。 通过上述选择，该角度测量、角速度测量在理论上设计可以实现如表 4 3 指标 表 4 3 指标 ： 序号 参数 指标 1 轴数 正交双轴 2 最大输入角速度 3 最小输入角速度 4 角速度测量精度 5 角速度分辨率 6 最小角位 移分辨率 零偏 地球自转补偿 进行光纤陀螺测角系统误差理论计算及补偿方法分析的依据如下： 1) 在地理坐标中，在纬度不变条件下，地球自转角速度在地理坐标系下的分量与纬度的定量计算关系是固定的，所以在地理坐标系下固定方向矢量受地球自转的影响也是固定的；同理，在不同的矢量方向，地球自转在该方向上的分量也不一样； 2) 如果陀螺敏感轴的方向在测试中保持不变，陀螺测试的输出