MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)加載模擬裝置

王彭穎愷，隋　麗，李國中

(北京理工大學(xué)機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)加載模擬裝置

王彭穎愷，隋麗，李國中

(北京理工大學(xué)機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

0引言

引信安全系統(tǒng)通常采用雙環(huán)境保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，常用的是后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。考核保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)性能最可靠的方法是靶場(chǎng)射擊實(shí)驗(yàn)，但該方法實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高，尤其是對(duì)于高價(jià)值彈藥，靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的高昂費(fèi)用越來越難以承受。另一方面，從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，試件生產(chǎn)到靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的周期較長，難以做到對(duì)機(jī)構(gòu)修改的即時(shí)檢測(cè)。研究模擬加載實(shí)驗(yàn)方法取代或部分取代靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，將會(huì)極大推動(dòng)引信技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)有的模擬加載方法主要有沖擊加載法和離心加載法。沖擊加載法包括跌落加載法、馬歇特加載法，以及各種空氣炮、火藥炮加載方法。沖擊加載法產(chǎn)生的沖擊加速度可以達(dá)到數(shù)萬g，但其持續(xù)時(shí)間只有100 μs左右[1]。雖然可以通過改變碰撞目標(biāo)的材料(如增加不同材質(zhì)的襯墊)，增加持續(xù)時(shí)間，但其效果有限，持續(xù)時(shí)間難以達(dá)到毫秒級(jí)[2]?？諝馀凇⒒鹚幣诩虞d方法實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，費(fèi)用也偏高。對(duì)于離心加載法，可以通過改變離心機(jī)的轉(zhuǎn)速和離心半徑改或增加助推[3]改變加速度值。但離心機(jī)加速慢，加速時(shí)間長，基本上是一種靜態(tài)加載方法，難以模擬所需的加載要求。本文針對(duì)上述問題，提出了MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)加載模擬裝置。

1模擬加載裝置的設(shè)計(jì)

1.1模擬加載裝置的結(jié)構(gòu)及作用原理

模擬加載裝置是一種具有兩自由度的旋轉(zhuǎn)裝置，它主要由電機(jī)、大旋轉(zhuǎn)板、小旋轉(zhuǎn)板、扭簧、杠桿、啟動(dòng)裝置、保護(hù)罩等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示(保護(hù)罩未畫出)。電機(jī)帶動(dòng)大旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)，小旋轉(zhuǎn)板位于大旋轉(zhuǎn)板一端，其轉(zhuǎn)軸平行于電機(jī)軸。

大旋轉(zhuǎn)板由電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生所需的離心加速度。待測(cè)的MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安裝在小旋轉(zhuǎn)板上，小旋轉(zhuǎn)板與大旋轉(zhuǎn)板之間裝有扭簧，套在小旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸上，扭簧兩臂分別固定在大、小旋轉(zhuǎn)板上。小旋轉(zhuǎn)板克服扭簧力矩旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，杠桿將其固定在這一位置。在此位置，要保證被測(cè)的MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向垂直于大旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)半徑。啟動(dòng)機(jī)構(gòu)擋住杠桿，使其不能運(yùn)動(dòng)。如果不用杠桿而將啟動(dòng)機(jī)構(gòu)直接擋住小旋轉(zhuǎn)板，扭簧的恢復(fù)力矩將對(duì)啟動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大的摩擦力，啟動(dòng)機(jī)構(gòu)難以可靠啟動(dòng)釋放小旋轉(zhuǎn)板。設(shè)置杠桿的目的是減小作用在啟動(dòng)機(jī)構(gòu)上的摩擦力。

1.2加速度幅值的控制與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離心速度的計(jì)算公式：

a=R×w2

(1)

式(1)中： a為離心加速度；R為小旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)軸心距大旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)軸心的旋轉(zhuǎn)半徑(偏心距)；w為大旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角速度。

由離心加速度計(jì)算公式(1)可知，改變偏心距R或者改變旋轉(zhuǎn)角速度ω都可以改變加速度大小。本試驗(yàn)中偏心距R為140 mm，大旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。產(chǎn)生的最大離心加速度約為2 000g。

1.3加速度持續(xù)時(shí)間的控制與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，小旋轉(zhuǎn)板帶動(dòng)扭簧旋轉(zhuǎn)180°，并用杠桿卡住。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期值時(shí)，啟動(dòng)裝置釋放杠桿，在扭簧復(fù)原力的作用下小旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)180°恢復(fù)初始狀態(tài)。在這個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受到的加速度從0到最大值，再由最大值降至0。

在這一變化過程中，忽略大旋轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)速及小旋轉(zhuǎn)板的安裝位置，小旋轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間即為加速度的持續(xù)時(shí)間，它與小旋轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭簧的扭矩有關(guān)。小旋轉(zhuǎn)板的運(yùn)動(dòng)方程為：

目前，各種類型的編碼器廣泛用于測(cè)控、機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其他許多技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)編碼器測(cè)量精度和分辨率的要求不斷提高，促進(jìn)了編碼器設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展。本文闡述了編碼器的原理和分類，并分析了編碼器在機(jī)床、自動(dòng)化控制、新能源開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后探討了編碼器小型化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。未來，將不斷研制出更多的新型編碼器，編碼器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛，其工作的可靠性和精度也將不斷提高。本文對(duì)編碼器的工作原理以及應(yīng)用現(xiàn)狀等進(jìn)行具體論述，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

J(d2θ/dt2)=M(θ0-θ)-f(d/2)mRw2

(2)

式(2)中：J為小旋轉(zhuǎn)板(包括被測(cè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和玻璃蓋板)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為小旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角度；M為扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度；θ0為扭簧的預(yù)扭角度；f為小旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸圓柱面摩擦系數(shù)；d為小旋轉(zhuǎn)板直徑;m為小旋轉(zhuǎn)板的質(zhì)量(包括被測(cè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和玻璃蓋板)；R為小旋轉(zhuǎn)板的距大旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)軸心的旋轉(zhuǎn)半徑(偏心距)；w為大旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角速度。

當(dāng)小旋轉(zhuǎn)板的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料確定之后，其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就可以確定。通過求解上述運(yùn)動(dòng)方程(2)，可以得到扭簧扭轉(zhuǎn)剛度M與小旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，確定扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度M，進(jìn)而對(duì)扭簧進(jìn)行設(shè)計(jì)或選擇。

在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，大旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力作用于被測(cè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)零件上，當(dāng)運(yùn)動(dòng)零件運(yùn)動(dòng)方向與離心力夾角從90°開始變化時(shí)，離心力一方面可以推動(dòng)運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)；另一方面，其在垂直零件運(yùn)動(dòng)方向的分量會(huì)對(duì)零件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)摩擦力阻礙零件的運(yùn)動(dòng)。圖2,圖3分別給出了旋轉(zhuǎn)板位置關(guān)系圖和放大的小旋轉(zhuǎn)板圖。

如圖2，圖3所示，設(shè)小旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸位置為A，大旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸位置為B滑塊質(zhì)心為C。小旋轉(zhuǎn)板在旋轉(zhuǎn)過程中某一時(shí)刻轉(zhuǎn)過的角度為θ，即AB與AC的夾角為θ，滑塊受到的離心力F與AC夾角為α，即AB與AC夾角為α，因?yàn)锳C?AB,AC?BC,可近似認(rèn)為AB∥BC，∠θ=∠α。

圖1　模擬加載裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of loading devices

圖2旋轉(zhuǎn)板位置關(guān)系圖
Fig.2Rotating plate location diagram

圖3　小旋轉(zhuǎn)板示意圖Fig.3　Small rotating board

根據(jù)離心力計(jì)算公式可以得到滑塊在旋轉(zhuǎn)過程中受到的離心力大小為：

F=mrw2

(3)

式(3)中：m為滑塊質(zhì)量;r為滑塊旋轉(zhuǎn)半徑，變量;w為大旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)角速度。

由受力分析可以得到滑塊受到的主動(dòng)力Fx和摩擦力Ff計(jì)算公式：

Fx=Fsinα=Fsinθ

(4)

Ff=fFy=fFcosα=fFcosθ

(5)

若定義摩擦力與主動(dòng)力之比為K，即：

K=Ff/Fx=f/tanθ

(6)

當(dāng)θ不同時(shí)，可以列出表1。從表中可以看出：當(dāng)θ<5.71°時(shí)，F(xiàn)x5.71°時(shí)，主動(dòng)力大于摩擦力。θ>45°后，摩擦力與主動(dòng)力之比小于10%，并且隨著θ的增大，摩擦力的影響逐漸減小，當(dāng)θ=90°時(shí)，摩擦力為0。

表1　K值隨θ的變化

根據(jù)表1，可以畫出圖4 。圖4給出了不考慮摩擦(以下稱為理想情況)和考慮摩擦(以下稱為實(shí)際情況)兩種情況下，滑塊所受離心力的對(duì)比。圖中橫坐標(biāo)θ為小旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角度，縱坐標(biāo)為滑塊所受離心加速度，為直觀起見，加速度做了歸一化處理，設(shè)理想情況滑塊所受最大加速度為1。圖中實(shí)線為理想情況的加速度曲線，虛線為實(shí)際情況的加速度曲線。從圖中曲線變化趨勢(shì)可以看到，實(shí)際情況的加速度值要小于理想情況的值。通常情況下，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在最大膛壓前解除保險(xiǎn)，因此只需考慮θ=90°前滑塊受力情況。為了減小摩擦力的影響，可以預(yù)先給扭簧旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度(5.71°)，這樣小旋轉(zhuǎn)板在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，滑塊受力就接近無摩擦的情況，只是離心力達(dá)到最大值，小轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)版旋轉(zhuǎn)的角度不是90°，而是85°，旋轉(zhuǎn)時(shí)間有所減少。對(duì)于這一問題，可以通過適當(dāng)減小扭簧的剛度來增加小旋轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

在進(jìn)行小旋轉(zhuǎn)板設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，要盡量保證其質(zhì)心位于旋轉(zhuǎn)軸上。若重心偏離轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而對(duì)被測(cè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生附加角加速度，進(jìn)而影響作用時(shí)間。

1.4機(jī)構(gòu)啟動(dòng)的控制與設(shè)計(jì)

啟動(dòng)裝置有兩種方案。一種方案是采用導(dǎo)電滑環(huán)。導(dǎo)電滑環(huán)可以實(shí)現(xiàn)從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳送數(shù)據(jù)或功率。在這種方案中，采用電磁鐵作為啟動(dòng)控制裝置。初始時(shí)使用電磁鐵擋住杠桿，當(dāng)大旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速(即設(shè)置的加速度)時(shí)，外部電源通過導(dǎo)電滑環(huán)給電磁鐵供電，驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作釋放杠桿，進(jìn)而釋放小旋轉(zhuǎn)板。這種方案的特點(diǎn)是可以通過外部電路控制電磁鐵工作，還可以在大旋轉(zhuǎn)板上安裝加速度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)安保機(jī)構(gòu)所受加速度大小。其不足之處在于當(dāng)需要較高轉(zhuǎn)速時(shí)，導(dǎo)電滑環(huán)兩部分之間高速摩擦，滑環(huán)的工作可靠性難以保證。

第二種方案采用人工手動(dòng)進(jìn)行非接觸式控制，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中所示定位銷上、下部分直徑較大，中間有一凹槽。平時(shí)，定位銷的下部擋住杠桿，使其不能運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，定位銷向下運(yùn)動(dòng)，由于定位銷中部的凹槽，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，杠桿可以被釋放。定位銷的運(yùn)動(dòng)采用非接觸磁力推動(dòng)方式。具體方案是：在定位銷上部固定一塊釹鐵硼永久磁鐵，在防護(hù)罩內(nèi)部與定位銷相對(duì)應(yīng)的位置上安裝一塊體積較大的釹鐵硼永久磁鐵，兩塊磁鐵相對(duì)面的極性相同，當(dāng)其靠近時(shí)，相互之間會(huì)產(chǎn)生排斥力。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，用防護(hù)罩罩在旋轉(zhuǎn)裝置上，控制距離使兩磁鐵之間無相互作用力。當(dāng)大旋轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)，移動(dòng)裝有永久磁鐵的防護(hù)罩慢慢靠近大旋轉(zhuǎn)板。當(dāng)兩磁鐵之間的間隙減小到一定程度時(shí)，排斥力就會(huì)推動(dòng)定位銷向下運(yùn)動(dòng)，從而釋放杠桿。啟動(dòng)裝置應(yīng)盡量靠近大旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)軸， 減小摩擦力，以便啟動(dòng)裝置可靠運(yùn)動(dòng)。

圖4　小旋轉(zhuǎn)板示意圖Fig.4　The centrifugal force on the slider in two conditions

圖5　啟動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Structure of starting devices

2模擬加載裝置的性能分析

本文設(shè)計(jì)的模擬加載裝置，其性能目標(biāo)主要有兩個(gè)，加速度值和加速度作用時(shí)間。試驗(yàn)中的加速度值采取理論計(jì)算值約2 000g。加速度作用時(shí)間通過靜態(tài)旋轉(zhuǎn)測(cè)試得到，測(cè)試電路如圖6所示。

靜態(tài)旋轉(zhuǎn)測(cè)試是在大旋轉(zhuǎn)板靜止的情況下，測(cè)試小旋轉(zhuǎn)板釋放后旋轉(zhuǎn)180°停止的時(shí)間。測(cè)試時(shí)在大旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)終止位置處放置一金屬板開關(guān)K2，旋轉(zhuǎn)臺(tái)為節(jié)點(diǎn)K，與之接觸的杠桿為開關(guān)K1。由電路圖可知，在小旋轉(zhuǎn)板靜止時(shí)，K與K1接觸，開關(guān)K1閉合，電路輸出為低電平。當(dāng)杠桿被釋放，小旋轉(zhuǎn)板開始運(yùn)動(dòng)，則節(jié)點(diǎn)K與K1分離高電平。當(dāng)小旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)180°后，與K2接觸，K2閉合，電路輸出低電平。高電平的持續(xù)時(shí)間即為加速度作用時(shí)間。圖7所示為示波器記錄下的電路輸出波形。表2所示為試驗(yàn)測(cè)得的作用時(shí)間。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨動(dòng)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間穩(wěn)定在2 ms左右。

圖6　加速度過載作用時(shí)間測(cè)試電路Fig.6　test circuit of theaction time of acceleration

圖7　電路輸出波形Fig.7　Output oftest circuit

表2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

Tab.2Test result of rotation time

時(shí)間1234Ta/ms1.8060.8861.6461.768Tb/ms3.8542.9344.0943.976ΔT/ms2.0482.0482.4482.208

3應(yīng)用舉例

測(cè)試裝置如圖8所示。在試驗(yàn)中要注意，由于大旋轉(zhuǎn)板是高速旋轉(zhuǎn)，為防止在實(shí)驗(yàn)過程中有零件飛出傷人的可能，需要使用防護(hù)罩，并通過防護(hù)罩上的透明蓋板觀測(cè)。

實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得的旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)速約為2 857 r/min，轉(zhuǎn)速滿足要求。圖9是安保機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)前的狀態(tài)，后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)沒有被卡銷卡住，保險(xiǎn)未解除；圖10是安保機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的狀態(tài)，后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)被卡住，并且解除對(duì)離心保險(xiǎn)的約束，解保成功。

圖8　測(cè)試裝置實(shí)物圖Fig.8　Picture of testing devices

圖9　安保機(jī)構(gòu)未解除保險(xiǎn)圖Fig.9　Safe and arming systembefore test

圖10　安保機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)圖Fig.10　Safe and arming systemafter test

4結(jié)論

本文提出了MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)加載模擬裝置。該裝置可以通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭簧的扭矩，在一定范圍內(nèi)改變加載加速度的幅值和加載時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模擬實(shí)驗(yàn)裝置能夠在一定程度上模擬MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在實(shí)際發(fā)射過程中受到的加速度變化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。后續(xù)工作內(nèi)容可以對(duì)小旋轉(zhuǎn)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可以更加準(zhǔn)確的控制作用時(shí)間。

參考文獻(xiàn):

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摘要:針對(duì)火箭彈引信主動(dòng)段時(shí)間較長，已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法模擬解保過程中加速度變化的問題，提出了MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)加載模擬裝置。該裝置具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，分別由電機(jī)和扭簧驅(qū)動(dòng)。通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭簧的力矩，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整加速度幅值和加載持續(xù)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用范圍廣的特點(diǎn)，對(duì)MEMS安保機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)數(shù)千g加速度和數(shù)毫秒持續(xù)時(shí)間的加載模擬。

關(guān)鍵詞:MEMS引信安保機(jī)構(gòu)；加速度模擬；旋轉(zhuǎn)臺(tái)；強(qiáng)力磁鐵

A MEMS Safe and Arming System Load Simulation Device WANG Pengyingkai, SUI Li, LI Guozhong

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Beijing 100081, China)

Abstract:The specific acceleration change is hard to be simulated when a certain type of rocket projectile lunched. This paper proposed a loading device that could solve the mentioned problem. The device had two rotating mechanism, respectively driven by motor and torsional spring. By changing the speed of the motor torque and torsional spring, the acceleration amplitude and duration of loading could be adjusted in a certain range. The experimental results showed that the device had simple structure and the operation was convenient, which could simulate the loading of thousands g maintaining several ms of MEMS safe and arming system.

Key words:MEMS safe and arming system; acceleration simulation ; rotating mechanism; NdFeB

中圖分類號(hào):TJ434.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1008-1194(2015)06-0017-04

作者簡(jiǎn)介:王彭穎愷(1992—)，女，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：傳感與機(jī)電控制。E-mail：wpyk1992@126.com。

*收稿日期:2015-06-15