作者:Steve Meyer，特约编辑
从450英尺的巨型风力涡轮机到微小的压电驱动器，机电一体化面临各种各样的挑战。其中更独特和更具挑战性的应用是测试枪支瞄准器所需的技术。
军队里有个小挑战给你。创建一个模拟的力量，可与枪炮比较。听起来还不错，是吗?下面是一些需要考虑的规格:螺栓动作必须超过100英寸/秒。峰值加速度超过3000 g。这一切都必须以与自动武器开火相当的速度进行——大约每分钟300发子弹。
军事机构花费大量的时间和金钱来测试将在战场上使用的设备。没人想卷入武装冲突，但如果你不得不去那里，你就得确保你所有的装备都能正常工作。
近年来，手枪和步枪的瞄准器已经从相对简单的磨砂玻璃光学、激光瞄准系统发展到今天的固态CCD和热成象仪。由于主导技术是以硅为基础的电子技术，因此有必要将电子封装置于实际炮火中所产生的独特力量之下。对电子设备进行冲击和振动测试并不是什么新鲜事，但对安装在手枪和步枪上的电子设备的测试规程提出了一系列独特的问题。
武器的冲击数据
实际作用在步枪上的力量并没有很好的记录。当描述事件的数据有限时，要模拟某些事情就会困难得多。Ascendant Engineering Solutions公司的工程师决定使用多个三轴加速度计和高速数据采集来收集武器发射的更准确信息——当你可以获得真实信息时，没有必要做任何假设。也有一些惊喜。
这图表显示了子弹发射时的能量含量，即烟火事件．意想不到的信息是在周期发射周期的“闪电前进”部分的重要能量。
除了子弹发射时预期的冲击外，打开和关闭枪栓还需要大量的能量来重新装填武器。在任何有关武器的工程文献中都没有记载这种“内室”冲击。由于螺栓作用包含比子弹更高的频谱，为了避免不完整的事件模型导致的假阳性结果，有必要对力的要求进行一些修改。该行业在测试武器瞄准器方面已经存在问题，需要改进设计。
图表显示了两种不同股票来源的两种非常不同的频率分布。
枪阻抗
对测试部件施加冲击的典型方法是将该部件耦合到刚性基座上。
在成像电子设备的情况下，这将是一个错误，因为瞄准器安装在步枪上。在一个柔顺而非刚性的框架中，一个质量约为瞄准器质量两倍的枪身可以更准确地表示扛着武器的士兵的质量关系和后坐力特性。载荷对基座耦合刚度的两种情况的频响差约为25%。系统设计在这方面的错误将再次导致无效的测试结果。
为了验证安装在步枪上的成像硬件，必须使用实弹进行测试。这是一个耗时和昂贵的过程，因为训练有素的专家必须拿起武器和瞄准器，并发射数十万发实弹，以验证瞄准器电子设备可以在战场上使用。
如果需要一种特定的瞄准具(10万发或更多的实弹)合格，执行这项任务的成本是每发1-2美元，那么将花费数十万美元来确定一种候选瞄准具是否能在战场上使用。通常，需要定期进行测试，以确保制造商的产品执行一致，这为测试的需求增加了一个持续的特性。维护一个测试设施和低温操作的特殊测试能力的间接成本使任务更加困难和昂贵。对于一个特定的武器瞄准具，资格测试、定期测试和扩展温度范围测试的成本每年可达100万美元。
大型钢缆安装提供了所需的弯曲，代表武器的反冲，对持步枪的人的肩膀。
武器瞄准器的实弹测试需要实弹射击，其中子弹的加速度测量范围为10,000至30,000 g。因此，如果要使用另一种测试形式，它必须以很高的速度产生巨大的力。全自动住火武器水平可以达到每分钟1000发子弹,但现有测试技术,如跌落测试,或影响测试,才可以测试速度每分钟8周期,不能准确模拟所有的力量作用于被测试。这就留下了一个需要解决的缺口。
设置性能目标是一个成功的工程工作中的关键活动。目标设定得越详细越好。为了在视觉测试方面做出显著的改进，Ascendant Engineering Solutions公司的工程师们开始了解这个问题，并创建了以下系统的项目目标:
•能够在所有Mil-Standard -40°C至70°C的温度下工作
•便携，不需要特殊的基础设施来操作
•准确地再现所有激波力和频谱
•模拟火炮质量与被测瞄准具的适当质量阻抗
•模拟肩扛武器时的适当后座力阻尼
•以接近全自动的速度运行
权衡技术
高能量密度的电磁系统，如轨道炮和磁悬浮过山车，具有复制炮火力量的能量密度，但除了驱动任务本身之外，为这些系统提供动力是一项主要的工程工作。因为该计划的目标之一是消除对特殊支持基础设施的需要，电磁解决“烟火事件”被认为是不可行的。
完整的系统显示计算机，屏幕和键盘的比例的照片。这个装置足够小，可以由两个人操作，并且可以通过正常的关门。
液压系统具有功率密度，但液压流体的粘性特性表明液压系统无法实现自动武器射击的高循环率。由于空气是一种粘度很低的流体，所以考虑采用全空气溶液。气动执行器的高速度使得气动成为评估的首选。
M4步枪的螺栓动作是4英寸。中风的长度。在发射武器的冲击之间，它必须每秒打开和关闭5次。开启和关闭的五个周期是40英寸。实际旅行的开始，停止，安定，并发生在发射的冲击之间。考虑到在自动武器射击中所经历的更高的循环率，实际速度要高出许多倍，这使得武器模拟器的这方面对于电磁解决方案是不切实际的。AES的工程师很快得出结论，气动驱动将是最可能的解决方案。
炮口冲击用气动缸模拟烟火事件。
在几个月的时间内，AES能够建立设计的原型元素，以测试使模拟器执行螺栓动作和射击冲击的理论。结果令人印象深刻。该公司能够实现300发每分钟的射击速度，使用普通的现成的气动缸与高速控制。NFPA标准气瓶是武器冲击模拟器中选择的解决方案。由于普通的现成零件成本低且简单，高循环率引起的磨损可以通过定期更换气缸来轻松解决。
重量不到200磅，简单的钢架提供了所需的支撑，钢丝绳提供了可与扛着武器的人相媲美的柔顺耦合。该计算机控制系统提供了一个简单的图形用户界面和详细的操作软件，以每分钟300轮的速度进行自动测试，并具有监督功能，当系统开始超出设计特性时将关闭。
该系统还可以在军事测试使用的整个温度范围(-40°C至70°C)中运行，以确保在所有条件下正常运行。仅仅是让人类能够在零下40°C的环境下测试东西就需要一些非常壮观和昂贵的保护措施。由于AES武器冲击仿真系统被设计为在全温度范围内自动操作，因此在极端温度范围内无需人工进行测试。
该系统使用110v交流电源和标准气动部件供气。利用专用计算机提供一个基于National Instrument Labview的简单图形用户界面，用于设置测试和记录事件数据。此外，还有传感器和内部软件来测量性能，以确保正常运行。如果有任何超出设计容忍度的地方，系统会自动关闭。
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