基于DSP的火炮數(shù)字式中心線校正裝置設(shè)計

楊杰敏，陳遠江，劉重發(fā)，張鄭

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

1 中心線校正中存在的問題

傳遞動力的兩機件的軸，一般都以不同形式的聯(lián)軸器將兩軸聯(lián)接起來傳遞動力。履帶式自行火炮傳動裝置都是采用膜片式彈性聯(lián)軸器將兩根軸聯(lián)結(jié)起來的。兩軸聯(lián)接時要求兩軸心線同心。但由于制造和安裝誤差的存在，都不能保證兩軸心線同心。不同心度愈大，軸承受附加負荷就愈大，工作時，使軸承、齒輪、聯(lián)軸器受力不均，磨損加劇，溫度增高，傳動效率下降，機件振動加劇。

目前在自行火炮傳動裝置中心線校正過程中主要存在下列問題：1）測量過程復(fù)雜，需要進行多次重復(fù)測量，校正時間長；2）測量精度低，誤差在±1 mm；3）計算工作量大，不準確，有一定的隨意性。4）工作量大，操作不規(guī)范，受人為因素影響大。如在進行某型號自行火炮中心線校正方法是：首先將專用卡具分別安裝在兩個測量部件上，在上、下、左、右分別找四點利用塞尺測出徑向間隙和端面間隙值，再用上、下和左、右數(shù)值分別相減即得出所需增減調(diào)整墊的厚度。

2 技術(shù)方案

2.1 以現(xiàn)裝備為基礎(chǔ)，根據(jù)傳動裝置中心線校正原理，用規(guī)范化的傳動裝置中心線校正程序和手段，實現(xiàn)自行火炮傳動裝置中心線偏移量自動顯示校正功能。

2.2 方案采用機、電、和傳感器相結(jié)合的方式，校正數(shù)據(jù)的提取由數(shù)碼直線位移傳感器完成，控制部分由電氣系統(tǒng)實現(xiàn)。

2.3 設(shè)計專用傳感器卡具，設(shè)計定位結(jié)構(gòu)，分件組合安裝，剛性好，不變形，定位準確，易保證測量精度。

2.4 以數(shù)碼直線位移傳感器為數(shù)據(jù)提取的前端器件，測量精度高，速度快，安裝后人員操作不受測量空間限制。

2.5 以DSP芯片為處理核心的集成化數(shù)字電路設(shè)計，體積小，重量輕，實現(xiàn)自動測量和顯示，運算速度快，程控測量，測量結(jié)果直觀可見。

2.6 為確保整個儀器系統(tǒng)適應(yīng)不同使用及修理人員的訓(xùn)練、維修中操作簡便的要求，儀器采用了手持式液晶顯示，分布式數(shù)據(jù)提取方式，能直接顯示測量位置所需加減調(diào)整墊的弧度，并加金屬外殼，使儀器可靠性大大加強，抗干擾能力增強，便于攜帶。

3 設(shè)計與原理

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

3.1.1 建立發(fā)動機與傳動箱之間中心線校正數(shù)學(xué)模型

發(fā)動機和傳動箱通過聯(lián)軸器連接后，兩軸中心線位置相對偏差分四種，即在上、下、左、右位置上的徑向位移和角位移，如圖1所示。其中，如甲軸（傳動箱軸線）為基準，Y偏差和Z偏差為乙軸（發(fā)動機曲軸端軸線）相對甲軸的徑向位移（徑向偏差）；α角和β角為乙軸相對甲軸的角位移（端面偏差）。偏差值可通過安裝在軸端的校正工具測量。兩軸中心線徑向位移用徑向偏差表示，兩軸中心線角位移用兩軸的端面偏差表示，如圖2和圖3所示。

上徑間隙為JS，下徑間隙為JX，H為兩軸間距，為使兩軸線重合，可使乙軸升高或降低H距離，也就是增加或減少乙軸調(diào)整墊厚度為H。計算后，H為正值則表示應(yīng)加墊，H為負值則表示應(yīng)減墊。

如圖3所示，L為乙軸兩端固定腳的距離，M為乙軸最前固定腳距測量端面的距離，R為從乙軸中心線至測量徑向基準的距離，DS為上兩端面的間距，DX為下兩端面的間距，DD′為乙軸頭墊數(shù)據(jù)，CC′為乙軸尾墊數(shù)據(jù)，DC為乙軸兩端固定腳距離。由圖可知，如果兩軸線僅存在角位移，有以下公式：

圖1 兩軸線在空間的相對位置

圖2 徑向偏差

圖3 乙軸傾斜時的端面偏差

由于安裝維修過程中，兩軸線可能同時存在角位移和徑向位移，因此，實際校正時，應(yīng)將公式（1）、（2）、（3）合并，得到以下公式：

在實際校正過程中，將傳感器夾具固定在發(fā)動機曲軸端膜片聯(lián)軸器外圓螺紋孔中，將帶校正基準的卡具測量基準面裝在傳動箱主動連接齒輪的連接盤上，按中心線要求測量上、下、左、右四點的徑向間隙和端面間隙。公式（4）、（5）中的JX、JS、DS、DX、M、R、L七個數(shù)據(jù)中，JX、JS、DS、DX在測量時可轉(zhuǎn)化為校正儀卡具測量基準面的徑向和端面上、下間隙，將測量卡具按上述要求裝好后，這四個數(shù)據(jù)即可測出。而對于自行火炮底盤，M、R、L三個數(shù)值是固定的，代入公式后，可得到自行火炮傳動裝置發(fā)動機與傳動箱中心線校正算法模型。

由上、下兩點測量出的徑向、端面間隙值利用公式計算得出發(fā)動機頭部、尾部所加減調(diào)整墊的厚度，由左、右兩點測量出的徑向、端面間隙值利用公式計算得出發(fā)動左右移動距離。

自行火炮發(fā)動機與傳動箱中心線校正數(shù)學(xué)模型如下：

（注：頭墊指發(fā)動機頭部端面下調(diào)整墊的厚度，尾墊指發(fā)動機尾部端面下調(diào)整墊的厚度，頭移指發(fā)動機頭部向左后向右所移動的距離，尾移指發(fā)動機尾部向左后向右所移動的距離。）

3.1.2 建立傳動箱和變速箱之間中心線校正數(shù)學(xué)模型

將傳感器和測量基準面分別裝在主離合器與傳動箱的被動聯(lián)接齒輪上，通過測量JQ、JH、DQ、DH、JS、JX的間隙，計算出它們間隙之差，即可得到調(diào)整墊厚度。數(shù)學(xué)模型為：

若上述之差不合條件，則增減變速箱前支架的調(diào)理墊進行調(diào)整，調(diào)整墊不多于4片。

3.1.3 建立行星轉(zhuǎn)向機和變速箱側(cè)支架之間中心線校正數(shù)學(xué)模型

將帶傳感器的夾具裝在行星轉(zhuǎn)向機連接盤上，變速箱側(cè)支架按原來位置裝好，在側(cè)支架蓋下加墊片，調(diào)圓支架孔（與變速箱軸承固定套外徑一致），擰緊固定螺栓，通過測量JS、JX、JQ、JH的間隙，計算出它們的間隙之差，即可得到調(diào)整墊厚度。數(shù)學(xué)模型為：

SX=|JS-JX|＜1mm

若不合條件，增減支架下的調(diào)整墊(不多于2片)；

QH=|JQ-JH|＜1mm

若不合條件，改變支座的定位銷孔。

3.2 硬件設(shè)計

中心線校正測量裝置如圖4所示。用戶通過鍵盤將命令輸入DSP芯片，請求處理；DSP按照用戶的要求控制傳感器和液晶顯示屏。傳感器接收到采樣命令后將采集到的位移信號經(jīng)過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換處理，通過串口與DSP通信。液晶顯示屏則將處理好的數(shù)據(jù)顯示出來讓用戶取得信息。

圖4 裝置原理框圖

3.2.1 傳感器的選定

傳統(tǒng)校正方法中，使用專用卡具和塞尺測量，完全手工操作，誤差大、操作復(fù)雜、準確度和自動化水平低。針對修理中的實際情況，本設(shè)計中，綜合了體積、重量、維護性、可靠性等要求，最終采用了HY-65010R數(shù)碼直線位移傳感器，該傳感器通過一個 MAX485模塊，可直接與DSP芯片的串口模塊相連。該傳感器強度高、耐高溫、耐壓、耐油、耐水、耐腐蝕?？紤]到實際測量數(shù)據(jù)范圍及體積影響，有效測量距離設(shè)計為10 mm，測量精度0.01 mm，滿足中心線校正要求。

3.2.2 傳感器夾具設(shè)計

由于自行火炮傳動裝置部件連接結(jié)構(gòu)相同，對于不同自行火炮測量中可使用同一套傳感器夾具。在使用中，先將帶校正基準的卡具測量基準面裝在基準軸上，再將傳感器夾具固定在被測部件軸上，兩傳感器固定在傳感器夾具中，使兩傳感器對準測量基準面的端平面，并使傳感器的觸頭壓入一半。

3.2.3 電路設(shè)計

為了簡化電路，全部電路采用模塊化設(shè)計思想。調(diào)試環(huán)節(jié)少，連接方便簡單。整個電路包括兩個部分，一個是以 DSP為核心的功能實現(xiàn)模塊，一個是將交流電轉(zhuǎn)化為直流穩(wěn)壓12 V、5 V、3.3 V的電源模塊。為了保證測量的實時性及儀器的穩(wěn)定性，采用了功能強大、運算速度高、程序可擴展性強的DSP芯片TMS320LF2407A來完成整個系統(tǒng)的控制及信號處理功能。儀器涉及到的外圍設(shè)備有：液晶顯示屏、鍵盤陣列、傳感器。液晶和鍵盤陣列是組成人機交互界面的重要組成部分，鍵盤用于將用戶的命令要求輸入DSP請求處理，而液晶則將處理好的數(shù)據(jù)顯示出來讓用戶取得信息。液晶模塊內(nèi)置處理芯片，只需利用2407的普通I/O進行控制，即能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，其標(biāo)準用戶硬件接口采用簡單的 REQ/BUSY握手協(xié)議來完成。鍵盤陣列用 8279芯片進行了擴展，節(jié)省了DSP的通用I/O口，其利用中斷響應(yīng)來完成鍵盤的輸入命令響應(yīng)和讀值。傳感器的采樣、數(shù)據(jù)的計算等都是鍵盤中斷的服務(wù)子程序。為了配合傳感器的使用，采用了485的串口標(biāo)準，使DSP的串口通信模塊與傳感器通信。

3.3 軟件設(shè)計

由于程序的編制和運行關(guān)系到測量精確度和易操作性，設(shè)計中，為使操作者準確掌握測量過程，程序?qū)⒚坎綔y量計算所得數(shù)據(jù)如JS、JX、DS、DX等顯示出來，最后給出經(jīng)計算得出的被測部件頭、尾分別應(yīng)增減調(diào)整墊厚度和前后移動距離。該儀器的程序框圖見圖5。

圖5 程序框圖

4 使用情況

中心線校正裝置經(jīng)試驗和部隊使用，具有安裝方便、操作簡單、工作可靠、精度高、造價低、車間、野外均可用，校正結(jié)果超過了修理規(guī)范對技術(shù)指標(biāo)要求，具有以下特點：

1）HY-65010R數(shù)碼直線位移傳感器精度高、體積小、功耗低；傳感器夾具設(shè)計合理，外形美觀，調(diào)整方便。

2）采用外接220 V交流電經(jīng)內(nèi)置電源模塊轉(zhuǎn)換為12 V、5 V、3.3 V的供電，安全可靠，電源紋波系數(shù)小，電源穩(wěn)定可靠，發(fā)熱量小，具有一定的短路保護功能。

3）采用 DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理，液晶顯示計算結(jié)果，直接輸出測量部位增加或減少調(diào)整墊的厚度，測量精度＜0.1 mm。

4）外殼采用金屬噴塑，加強了對整機和機內(nèi)電子元器件的保護，適合于部隊的使用維修特點。

5）通電后可長時間連續(xù)工作（不小于3 h）。

6）整套儀器采用鋁合金箱盒盛裝，外形美觀大方。

5 結(jié)束語

從部隊維修工作的實際出發(fā)，本校正裝置采用傳感器技術(shù)和DSP技術(shù)相結(jié)合的方法，并通過程序?qū)崿F(xiàn)全部測量和計算過程自動化，把計算數(shù)據(jù)直接顯示給使用和維修人員，實現(xiàn)了儀器自動顯示功能，極大地提高了工作效率，縮短了維修時間，提高了校正精度。同時，為確保野戰(zhàn)修理的需要，該中心線校正裝置采用便攜式設(shè)計思想，突出了儀器的通用性設(shè)計，達到了多種自行火炮共用一種校正裝置的目標(biāo)，滿足自行火炮部隊修理工作的需求。

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[1]楊杰敏等編. 自行火炮底盤拆裝與調(diào)試工藝. 武漢軍械士官學(xué)校, 2002.