автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Исследование и разработка кварцевых автогенераторных измерителей параметров движения машин и механизмов

МПС РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ /МИИТ/

Pf-Б—эд-

На правах рукописи

О 6 AHR 1998

ВОЛКОВ МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 621.319.1:666.655:666.3-183:531.768

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КВАРЦЕВЫХ АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

05.02.11 - Методы контроля и диагностики в машиностроении по техническим наукам

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в ТОО "Научно-производственное объединение "КУПОЛ-М" и на кафедре "Теория механизмов и машин" МГУ путей сообщения / МИИТ /.

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

САМСАЕВ ЮРИИ АЛЕКСЕЕВИЧ , "7 и

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

НАХАПЕТЯН ЕВГЕНИИ ГРИГОРЬЕВИЧ

кандидат технических наук, доцент ФЕДОРОВ ИГОРЬ СЕРГЕЕВИЧ

Ведущая организация : ЗАО Московское научно-производственное объединение "Спектр"

Защита состоится 14 января 1998 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета К114.05.11 в Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, аудитория С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "_" декабря 1997 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу Совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.П. Корноухов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Создание точных и высокопроизводительных станков, технологического оборудования, подвижных объектов специального назначения неразрывно связано с развитием и широким внедрением цифровых систем контроля и управления движением механизмов и машин. Одной из актуальных задач создания таких систем является разработка измерителей параметров движения, имеющих выходной сигнал, удобно сопрягаемый с цифровыми средствами обработки информации. Большинство применяемых в настоящее время измерителей линейных и угловых ускорений, скоростей и перемещений, сил и моментов имеет аналоговый выходной сигнал. В цифровых системах контроля и управления это приводит к необходимости введения аналогово-цифровых преобразователей, что ведет к росту погрешностей измерения и стоимости аппаратуры. Трудности возникают при диагностике протяженных объектов, дистанционном контроле параметров движения машин в условиях промышленных помех из-за низкой помехоустойчивости аналоговых средств измерения. Значительная часть этих средств имеет ограниченный снизу диапазон рабочих частот, в то время как наибольшую информативность о работе большинства машин дает диагностика параметров движения в области низких частот (0-1000 Гц). В электронном машиностроении задача диагностики параметров движения прецизионного оптико-механического оборудования усложняется требованием высокой разрешающей способности аппаратуры по перемещению (до 0.01 мкм) при удаленности диагностируемого оборудования и размещенных на нем датчиков от аппаратуры обработки результатов измерений до нескольких сотен метров. Повышение точности позиционирования координатных столов станков, сборочных машин при одновременном повышении производительности требует введения сигналов коррекции движения по ускорению, скорости, перемещению.

Для решения указанных задач предлагаются новые кварцевые автогенераторные измерители параметров движения (АИПД): датчики линейных, угловых, вибрационных ускорений, статических и динамических сил, моментов, имеющие частотно-модулированный выходной сигнал, высокие метрологические и эксплуатационные характеристики, дающие новое качество контроля и диагностики, повышение точности и производительности машин и механизмов.

Целью работы является развитие теории, исследование и разработка новых типов кварцевых автогенераторных измерителей параметров движения, разработка методов их применения для диагностики машин. В рамках указанной проблемы необходимо было решить следующие задачи:

- сформулировать принципы конструирования АИПД,

- разработать методы анализа, инженерного расчета основных параметров кварцевых автогенераторных датчиков ускорения (КАДУ), силы (КАДС) и момента (КАДМ);

- разработать методы расчета основных погрешностей измерения АИПД, методы их снижения;

- разработать функциональные, кинематические, конструктивные и технологические схемы КАДУ, КАДС, КАДМ, комплект конструкторской документации;

- провести исследования характеристик АИПД;

- определить предпочтительные области применения АИПД;

- провести работы по внедрению АИПД для диагностики машин и механизмов.

Научная новизна. 1. На основе обобщенных моделей АИПД с резонаторами из изотропных и анизотропных диэлектриков впервые разработана методика анализа и расчета подвижных и упругих систем для новых типов датчиков ускорения, силы и момента.

2. Получены аналитические соотношения, связывающие комплексный коэффициент преобразования, начальное смещение выходной характеристики

АИПД с упругими свойствами материалов и размерами элементов конструкции, синтезированы структурные схемы АИПД.

3. Предложены и исследованы новые типы КАДУ, КАДС, КАДМ, отличающиеся широким диапазоном измерения, стабильностью параметров, помехоустойчивостью, удобством сопряжения с ЭВМ.

4. В аналитической форме установлены связи основных составляющих погрешностей АИПД с параметрами подвижной, упругой системы и внешних воздействующих факторов. Предложены и реализованы методы их компенсации.

Практическая ценность. Созданы новые автогенераторные измерители параметров движения для диагностики общепромышленного и специального оборудования. Основные типы кварцевых автогенераторных датчиков ускорения, силы, многоканальная система измерения вибраций на основе КАДУ освоены в серийном производстве. Внедренные кварцевые автогенераторные средства контроля параметров движения позволили повысить качество отработки базовых конструкций балансировочных станков, выработать рекомендации по выбору места установки прецизионного оптико-механического оборудования, повысить динамическую точность и производительность сборочных автоматов, а также способствовали повышению выхода годных изделий электронной промышленности, созданию образцов новой техники и совершенствованию технологических процессов в машиностроении.

, Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на Iй и 2й Всесоюзных конференциях "Актуальные проблемы получения и применения сегнето и пьезоэлектрических материалов" (Москва, 1981, 1984 г.); семинаре "Датчики на основе технологии микроэлектроники" (Москва, 1983 г.); семинаре "Измерение перемещений в динамическом режиме" (Каунас,

1987 г.); 2й школе-совещании "Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем и гибких производственных процессов" (Нальчик, 1990); Iе Всероссийской конференции "Балансировочная техника" (Москва, 1994 г.); - проблемном совете Российского космического агентства (Москва, 1994 г.) и ряде других конференций и семинаров.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, получено 12 авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и приложения. Содержит 193 страницы основного текста, 39 рисунков, 15 таблиц и список литературы 113 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи исследований и разработок, приведены основные положения, выносимые на защиту, рассмотрены структура работы и ее практическая ценность, творческий вклад автора и реализация полученных результатов.

В первой главе проведен анализ состояния исследований и разработок АИПД на основе струнных, кварцевых стержневых и толщинносдвиговых резонаторов, а также резонаторов на поверхностных акустических волнах и методов их применения для диагностики машин. Анализ показывает, что для комплексного решения задач контроля параметров движения и диагностики машин с применением современных вычислительных средств обработки результатов измерения требуется создание ряда автогенераторных измерителей линейных, угловых и вибрационных ускорений, статических и динамических сил, моментов с улучшенными характеристиками. Наиболее детально разработаны вопросы теории и практики вибрационно-часготных преобразователей силы и момента, струнных датчиков силы. Недостатки этих приборов связаны прежде всего с несовершенством свойств материалов колебательной и упругой систем. По авто-

генераторным датчикам ускорения имеется ограниченный объем сведений, практически отсутствует информация о методах анализа, расчета их характеристик, достигнутых результатах исследований и их применения.

Создание рядов АИПД опирается на выбор однотипных структур построения, единую элементную базу для формирования однотипных выходных сигналов датчиков, однотипные частотозадающие элементы - резонаторы, однотипные элементы упругих и подвижных систем всей гаммы датчиков ускорений, сил и моментов, единую технологическую базу изготовления основных элементов и узлов упругой и подвижной систем, элементов и узлов электронных схем, встроенных в датчики. Такой подход позволяет унифицировать выходные сигналы датчиков, что существенным образом упрощает связь датчиков с микропроцессорными системами обработки данных, особенно в многоканальных системах, а единая технологическая база снижает трудоемкость и стоимость приборов. Основная идея построения АИПД с улучшенными метрологическими характеристиками заключается в обеспечении той или иной степени симметрии структуры приборов, определяющей степень компенсации систематических погрешностей в зависимости от требований к приборам. Симметрия структуры АИПД включает симметрию функциональной схемы, симметрию кинематической и конструктивной схем, одинаковость физических свойств элементов конструкции дифференциальных приборов. Высокая разрешающая способность АИПД определяется выбором материалов колебательной системы - резонатора (кристаллический кварц, изотропные диэлектрики на основе двуокиси кремния), имеющих высокую добротность. Долговременная и температурная стабильность характеристик предлагаемых АИПД определяется более высокой стабильностью характеристик этих материалов по сравнению со сплавами металлов.

Во второй главе рассмотрены методы анализа и расчета характеристик АИПД. Из анализа обобщенных структурных схем дифференциальных АИПД установлено, что в них можно выделить два преобразователя, характеристики которых взаимно независимы и могут быть исследованы автономно.

Первый - преобразователь параметра движения в силу, приложенную к частотозадающему элементу - резонатору (Р( => Р|). Второй - преобразователь силы в изменение частоты автогенератора ^ => Д£). Для определения характеристик первого преобразователя составлены расчетные модели упругих и подвижных систем автогенераторных датчиков ускорения, силы, момента. Их анализ показывает, что они отличаются числом и местом включения элементов, имеющих сложную форму. Применение для их расчета метода конечных элементов, модифицированного для вычисления матриц жесткости упругой системы по известным матрицам элементов дало возможность найти основные статические и динамические характеристики преобразователя: перемещения, механические напряжения, силы, действующие в любом элементе конструкции, собственные частоты и собственные формы колебаний подвижных и упругих систем, статические и динамические коэффициенты преобразования.

Анализ подвижных систем КАДУ позволил сформулировать условия линеаризации векторных уравнений движения подвижной системы и разделения движений по координатам. Найдены матрицы коэффициентов сил инерции, демпфирования и жесткости для основных типов кинематических схем КАДУ с профильными и плоскопараллельными упругими пространственными подвесами инерционной массы. На их основе определены комплексные коэффициенты передачи К1Х(р), К|,{р), К|г(р) преобразователя ускорение-сила (\У => вдоль трех взаимно-ортогональных осей через упругие характеристики и размеры элементов подвижной системы.

Анализ предложенных кинематических и конструктивных схем кварцевых автогенераторных датчиков силы и момента показывает, что влиянием компонент вектора измеряемой силы, момента, ортогональных к направлению измерительной оси, можно пренебречь, т.е. К)у(р) = К)2(р) = 0. Поэтому пространственную расчетную модель упругой системы КАДС, КАДМ можно заменить плоской моделью.

Для определения характеристик второго преобразователя составлены расчетные схемы нагруженных силой частотозадающих элементов двух типов, обладающих наибольшими потенциальными возможностями, отличающихся видом колебаний, типом материала и способом возбуждения колебаний: резонатора, выполненного в виде стержня из высокостабильных изотропных диэлектриков с магнитоэлектрическим способом возбуждения изгибных колебаний, и пьезокварцевого резонатора с колебаниями сдвига по толщине. Решением уравнений свободных колебаний резонаторов, нагруженных силой, установлены соотношения коэффициента преобразования Кг,(р) второго преобразователя (1ч о Д£) с упругими характеристиками и размерами резонаторов.

Совокупность двух преобразователей дает возможность вести анализ метрологических характеристик функционально законченных узлов - автогенераторных датчиков ускорения, силы, момента с частотномодулированным выходным сигналом. С помощью методов структурного анализа связей элементов и их математического описания составлены структурные модели КАДУ, КАДС, КАДМ с частотным выходом, позволяющие получить математическое описание сигналов в любой точке АИПД. Передаточные функции АИПД, их элементов, взаимосвязи в структурной схеме, матрицы коэффициентов сил инерции, демпфирования и жесткости служат теоретической основой для расчета их статических и динамических характеристик.

Третья глава посвящена исследованию основных характеристик автогенераторных датчиков ускорения интегральной конструкции с изгибными резонаторами из изотропных диэлектриков. Исследования направлены на поиск принципиально новых схемотехнических и конструктивно-технологических решений интегральных автогенераторных датчиков ускорения (ИАДУ). Реализация ИАДУ потребовала решения комплекса вопросов, среди которых важнейшими являются:

- выбор функциональной и кинематической схем ИАДУ;

- разработка системы возбуждения устойчивых колебаний стержневого резонатора, расчет ее параметров;

- выбор материала чувствительного элемента и исследование его свойств;

- вывод расчетных соотношений для определения параметров ИАДУ;

- анализ погрешностей ИАДУ, определение их связи с упругими характеристиками материала, размерами элементов подвижной системы, технологическими допусками на изготовление, эксплуатационными факторами.

В результате предложен дифференциальный ИАДУ, в котором основание, резонатор, инерционная масса и ее подвес выполнены в моноблоке изотропного диэлектрика. Изгибные колебания резонаторов возбуждаются магнитоэлектрическим способом. Полученные соотношения между коэффициентом преобразования, начальным смещением выходной характеристики и конструктивными параметрами элементов ИАДУ показывают, что вариацией толщины и длины резонатора можно в широких пределах изменять диапазон измеряемых ускорений, не изменяя параметры других элементов конструкции и внешних габаритов прибора. Основной вклад в погрешности измерения ускорения ИАДУ вносят температурная составляющая погрешности начального смещения и коэффициента преобразования, погрешность линеаризации выходной характеристики. Причиной температурной погрешности является нестабильность упругих

характеристик материала и размеров элементов ИАДУ. При измерении линейных ускорений при одновременном действии вибраций появляется дополнительная погрешность, определяемая нелинейностью выходной характеристики ИАДУ.

Исследована группа материалов на основе двуокиси кремния: кварцевое стекло типов КСШ, КСП, КСГ, КВ, многокомпонентные свинцовистые стекла типа С62-1, Ф-4, бессвинцовистые стекла типа С79-2, С61-1, № 382, № 383. Автором предложен высокоточный способ определения нестабильности упругих свойств кварцевого стекла и других изотропных диэлектриков путем измерения относительной нестабильности частоты изгибных колебаний резонатора, выполненного в моноблоке исследуемого материала, позволивший на два порядка повысить разрешающую способность по сравнению с существующими методами и обеспечивший возможность исследования материалов со стабильными упругими свойствами. Из выражений, связывающих температурную составляющую погрешности ИАДУ со свойствами изотропных диэлектриков, нормируемыми при их изготовлении (скорость продольной, сдвиговой волн, температурный коэффициент задержки ультразвуковой волны), получены условия для достижения нулевого температурного коэффициента частоты изгибных колебаний стержневого резонатора. Это позволило сформулировать подход к управлению свойствами материалов и предложить состав многокомпонентного стекла, обеспечивающий температурный коэффициент частоты изгибных колебаний стержневого резонатора ИАДУ не более 3-10"7 1/°С. Несовпадение результатов эксперимента с расчетными данными по основным параметрам - рабочему диапазону, коэффициенту преобразования, резонансным частотам не превышает 10 %, зависит от технологического разброса параметров исходных материалов и точности выполнения размеров подвижной системы. Показано, что наиболее целесообразный верхний предел измеряемых ускорений при приемлемых габа-

ритно-весовых характеристиках (Р = 50-150 г.) находится в пределах 500-5000 м-с"2. Реализация приборов с низким уровнем верхнего предела измерения в интегральных чувствительных элементах затруднена из-за усложнения технологии изготовления и необходимости введения в интегральную конструкцию демпфирующих устройств. Погрешность статической калибровки составляет величину 0.1-0.3 %, дополнительная температурная погрешность составляет 0.01-0.03 %/°С. Ценным свойством ИАДУ является значительно меньшие постоянные времени прямого и обратного упругого последействия Т„:£ 1с (вместо 30-40 с) и малая относительная динамическая погрешность последействия 5Д < 0.015 % (вместо 0.1-0.35 %) по сравнению с характеристиками приборов, выполненных из сплавов металла типа 35ХГСА, 50ХГА.

Четвертая глава посвящена исследованию автогенераторных датчиков ускорения с толщинносдвиговыми пьезокварцевыми резонаторами (ПК АД У). Из анализа характеристик толщинносдвиговых резонаторов дважды повернутых У-срезов с учетом действующих на резонаторы ПКАДУ сил и моментов выявлена необходимость определения полного пространственного распределения их силовой чувствительности. В результате исследований определены функции влияния на частоту колебаний резонаторов сил и моментов, действующих в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии резонатора. Сформулированы требования к подвесу инерционной массы. Выполнение требований достигается формированием упругого пространственного подвеса инерционной массы - шарнира с малой угловой жесткостью. Разработаны и исследованы варианты дифференциальных ПКАДУ для различных задач контроля параметров движения и диагностики машин. Для дифференциальных датчиков ускорения с пьезокварцевыми резонаторами коэффициент преобразования вдоль измерительной оси ОХ с параметрами подвижной системы связан соотношением:

Кдх(р) = К0,/(Т21х-р2 + 2-^ix'Tix'P + 1) +

+ Ко2/(Т22х-р2 + 2^2х-Т2х-р+1); (1)

а начальное смещение выходной характеристики ПКАДУ соотношением:

fpo = fo. - f02 = o.SKhpO-'-CCai/pi)172 - (Ьр2)-'-(Сз2/Р2)1/2]; (2)

n n

где: Koi = MorKropi-Kpix/SX'ix; K02 = Мог'К^-Кргх/ЕКзх;

i=l 1=1

КпзрН2)- коэффициент силовой чувствительности резонаторов;

Kpi(2jx - коэффициент жесткости резонаторов в направлении измерительной оси;

ZK'i(2)x - коэффициент суммарной жесткости подвижной системы;

п

Тц2)х = [Moi(2)]1/2-[SK,2x]"I/2- постоянная времени подвижной системы;

п

<íi(2)x = 1Рц2)х/2] [Мо1(2)]1/2-[5Х12хГ1/2 - относительный коэффициент затухания i"!

подвижной системы;

foi(2) - начальная частота колебаний резонатора при W = 0; hpi(2), Pi(2) - толщина, плотность материала резонатора; Сэ1(2)- коэффициент эквивалентной упругости резонаторов; Di(2)x - коэффициент демпфирования подвижной системы. Коэффициенты преобразования КАДУ для осей ОУ и OZ аналогичны коэффициентам (1). Отношение статических коэффициентов Кду(0) и Кда(0) к коэффициенту Km(0) определяет боковую чувствительность КАДУ. При построении высокочувствительных датчиков ускорения с порогом чувствительности не более КГ6 мс"2 для диагностики подвижных объектов, обладающих большой массой, малыми собственными частотами колебаний (космические аппараты, прецизионное оптико-механическое оборудование) решались одновременно задача получения коэффициента преобразования не менее З-Ю3 Гц/м-с"2 и защиты подвижной системы от интенсивных механических воздействий в реальных условиях эксплуатации. Высокий коэффициент преоб-

разования ПКАДУ при относительно малой инерционной массе удалось получить путем повышения коэффициента преобразования инерционной силы, приложенной в центре масс подвижной системы в силу, приложенную к резонатору. Для повышения виброустойчивости и прочности применено жидкостное демпфирование подвижной системы в совокупности с механическими упорами, ограничивающими перемещение подвижной системы. Для контроля интенсивных движений подвижных объектов с ускорениями до 3000 м-с"2 и полосой рабочих частот 0-1000 Гц при одновременном снижении погрешности достигнуто в предложенных впервые дважды дифференциальных ПКАДУ. Статический режим дважды дифференциального ПКАДУ характерен более высокой степенью компенсации систематических погрешностей резонаторов и элементов подвижной системы от действия различных эксплуатационных факторов. Динамические свойства дважды дифференциального ПКАДУ выше по сравнению с обычными дифференциальными датчиками благодаря более высоким резонансным частотам подвижной системы при одинаковых коэффициентах преобразования. Поперечная чувствительность ПКАДУ является функцией неидентичности характеристик поперечной чувствительности резонаторов, разброса коэффициентов жесткости резонаторов и подвижных систем. Наименьшей поперечной чувствительностью обладают дважды дифференциальные ПКАДУ, величина которой не превышает 2-10"4.

Исследования динамики подвижной системы ПКАДУ показали, что затухание определяется, главным образом, элементами соединений резонаторов с основанием и подвижной системой, а коэффициент затухания находится в пределах 0.0035-0.025. В высокочувствительных ПКАДУ введение жидкостного демпфирования подвижной системы увеличивает коэффициент затухания до 0.5-0.7. Полученные аналитические зависимости дают связь между основными составляющими погрешностей начального смещения выходной характеристики,

коэффициента преобразования и упругими характеристиками, размерами элементов подвижной системы, дестабилизирующими эксплуатационными факторами. Сформулирован подход к формированию ПКАДУ унифицированной конструкции, позволивший реализовать ряд приборов для контроля параметров движения и диагностики машин, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1

Ч Основные \ х-ки ТипЧ КАДУХ Рабочий диапазон, мс"2 Коэфф. преобразования, Гцм'с2 Погрешность статической калибровки, % Диапаз. рабочих частот, Гц Погрешн. в диапаз. рабочих частот, % Дополн. температ. погрешность, %/°С Масса, г

ПВ-01М ± 1 3000.0 ± 0.1 0-10 ±5.0 ±0.05 600

ПВ-1М ± 10 500.0 ±0.1 0-40 ±5.0 ±0.05 390

ДАД1-10 ± 10 300.0 ±0.2 0-50 ±5.0 ±0.05 170

ДАД1-10А2 ± 100 50.0 ±0.3 0-250 ±5.0 ±0.05 150

ДАД1-70 ±700 7.5 ±0.3 0-500 ±5.0 ±0.05 130

ПУ-1 ±1000 2.5 ±0.5 0-500 ±5.0 ±0.05 20

ДАД1-150 ± 1500 3.0 ±0.3 0-750 ±5.0 ±0.05 120

ДАД1-300 ±3000 5.0 ±0.5 0-1000 ±5.0 ±0.03 120

ДАД1А-300 ±3000 2.5 ±0.5 0-1000 ±5.0 ±0.03 65

В пятой главе проведен анализ характеристик кварцевых автогенераторных датчиков силы и момента. Кинематическая схема КАДС построена таким образом, что измеряемое усилие через плоскую мембрану трансформируется в усилие, приложенное к упругому элементу, состоящему из консольной упругой балки и жестко связанных с ней двух пьезокварцевых резонаторов. Статический коэффициент преобразования датчика силы с параметрами кинематической цепи связан соотношением:

Ep-bp-hx Сб + Ср

КдС = 2-Кпэр--(Lb - Lp/2)--; (3)

Еб-1б См + Сб + Ср

где: С6 = Еб-Ьб-Ьб/(4-Ьб3) - коэффициент линейной жесткости упругой балки; Ср = Ер-Ьр-Ир'/^-Ьр-ЬеХ!-« - Ц>/3) - коэффициент линейной жесткости упругой системы, состоящей из упругой балки и жестко связанных с ней резонаторов; С„ = Ем-Ь„3/(0.217-ки2) - коэффициент линейной жесткости мембраны; Ьр, Ьр, Ьр, Ер - ширина, толщина, длина, модуль упругости резонатора; Ьб, Ьо, Ев - ширина, толщина, длина, модуль упругости балки; Ьм, Ям, Ем - толщина, радиус, модуль упругости мембраны; Ьх - расстояние от продольной оси симметрии балки до продольной оси симметрии резонатора.

Из соотношения (3) видно, что вариацию параметров КАДС легко проводить изменением толщины мембраны, толщины и длины упругой балки. Это позволило на одной кинематической и конструктивной схеме создать ряд автогенераторных датчиков силы с верхним пределом измерения от 10 до 1000 Н, основные характеристики которых приведены в таблице 2.

Таблица 2

^Ч. Параметры Тип N. КАДС Диапазон измерения, Н Коэффициент преобразования, Гц/Н Погрешность статической калибровки, % Диапазон рабочих частот, Гц Масса, г

ДМД1-1 10 500 ±0.3 0-200 230

ДМД1-10 100 50 ±0.3 0-500 240

ДМД1-100 1000 5 ±0.5 0-1000 250

Такой набор датчиков силы позволяет решать широкий спектр задач измерения квазистатических и динамических сил в машиностроении.

Особенности кинематики дифференциального КАДМ заключаются в использовании связанных между собой двух упругих пространственных подвесов, расположенных в пространстве таким образом, что суммарная угловая жесткость подвеса относительно измерительной оси много меньше угловой жестко-

сти подвеса в двух других, ортогональных к ней осей и двух пьезокварцевых резонаторов, нагруженных практически только напряжениями растяжения-сжатия. Статический коэффициент преобразования КАДМ:

0-КПэр Ер-Ьр-Ьр-Ьр

Кдм(0) =---------(---------------------------------------------------); (4)

2 Ер-Ър-Ър-Ър*ф/2)2 + 0. 14-Еп-Ьп-6п5/2-Яп-1/2

где: - О - расстояние между резонаторами;

- Ел, Ь„, &„, Ип - модуль упругости материала, ширина, толщина и радиус утоненной части упругого подвеса.

Вариация диапазона измерения при одной кинематической и конструктивной схеме КАДМ ведется изменением расстояния Б между резонаторами и параметров упругого подвеса. Исследования показали, что минимальный верхний предел измерения КАДМ с резонаторами ЭПК-В ограничивается возможностями реализации размеров упругого подвеса и составляет 5-Ю"2 Нм при пороге чувствительности до 10"7 Нм. При этом метрологические характеристики КАДМ практически полностью определяются свойствами пьезокварцевых резонаторов. Расширение верхнего предела измерения КАДМ путем увеличения угловой жесткости подвеса также ограничено возможностями изготовления, и максимальный верхний предел измерения по расчетным данным составляет величину 14 Н-м. Разработан ряд датчиков момента с верхним пределом измерения от 10"1 до 10 Н-м, расчетным диапазоном рабочих частот 0-1000 Гц. Основные характеристики которых представлены в таблице 3.

Таблица 3

^\Дараметры КАДМ Диапазон измерения, Нм Коэффициент преобразования, Гц/Нм Погрешность статической калибровки, % Диапазон рабочих частот, Гц Масса, г

ДМК1-01 0.1 50ООО ±0.2 0-200 100

ДМК1-1 1.0 5000 ±0.3 0-500 ПО

дмкмо 10.0 500 ±0.5 0-1000 120

Шестая глава содержит анализ результатов освоения в производстве разработанных кварцевых автогенераторных измерителей параметров движения, измерительных систем на их основе и применения их для контроля и диагностики машин.

Общий объем выборки при испытаниях датчиков ускорения составляет 220 штук. Статическая калибровка КАДУ в диапазоне ускорений ± 9.81 мс"2 проводилась с использованием оптической делительной головки ОДГЭ-5, обеспечивающей погрешность задания ускорения не более 210ц м-с'2. Статическая калибровка КАДУ в диапазоне ускорений ± 10-3000 м-с2 проводилась с использованием прецизионных линейных центрифуг ПЦ-4, ПЦ-6, обеспечивающих погрешность задания ускорений не более 0.1 %. Среднеквадратическая погрешность статической калибровки КАДУ типа ПВ-01М, ПВ-1М, ДАД1-10 в диапазоне ± 9,81 м-с"2 не превышает 0.1 %, тала ДАД1-300 и типа ДАД1-ЗООА в диапазоне ± 3000 м-с"2 не превышает 0.5 %.

Исследования погрешности КАДУ в диапазоне рабочих частот 0.1-10 Гц, в диапазоне ускорений ± 9.81 м-с2 проводились на гравитационном стенде СВГ-202-ИТ (погрешность стенда ±4%). В диапазоне частот 10-1000 Гц динамические характеристики КАДУ исследовались на электродинамическом калибровочном вибростенде типа 4809 фирмы "Брюль и Къер" (погрешность стенда ± 3 %). Общий объем выборки при испытаниях датчиков силы составляет 100 штук. Погрешность статической калибровки КАДС в диапазоне до 1000 Н не превышает 0.5 %.

КАДУ типа ПВ-01М, ПВ-1М, ПУ-1 и укомплектованная этими датчиками многоканальная система измерения вибраций СИВ-288-01, разработанная под руководством и при непосредственном участии автора, применены для диагностики элементов конструкций сверхчистых производственных помещений и размещенного в них прецизионного оптико-механического оборудования, амортизи-

рованных платформ для его установки. Эти средства обеспечили измерение виброперемещений от 0.01 мкм и более в диапазоне частот от 0.05 Гц до 500 Гц при удаленности датчиков от устройств цифровой обработки сигналов до 600 м. Кроме того, система обеспечивает спектральный, векторный, корреляционный, статистический анализ вибрационных сигналов, допусковый контроль вибраций и сигнализацию о превышении допустимых значений вибрации оборудования и оказалась особенно эффективной при диагностике оборудования с собственными частотами систем амортизации менее 1 Гц.

Диагностика вибросостояния радиотелескопа РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории АН СССР прибором МР-01 с набором КАДУ, дала возможность выявить причину динамических ошибок измерения астрофизических сигналов и выработать алгоритм их компенсации.

Впервые с помощью датчиков ПВ-01М, ПВ-1М в составе бортового комплекса СИУ-03 на беспилотных космических аппаратах "ФОТОН-8", "ФОТОН-9", "ФОТОН-10", получен большой объем данных по ускорениям в области инфранизких частот при получении новых материалов в условиях невесомости. Как показывают результаты измерений, уровни ускорений в полосе частот от 0 до 0.16 Гц не превышают (1-10)10 5 м с'2 при пороге чувствительности аппаратуры не более 1.7-10"6 м с"2. Подтверждена высокая эксплуатационная надежность и сохраняемость характеристик датчиков во всех условиях эксплуатации, включая вывод на орбиту и посадку спускаемого аппарата.

Набор автогенераторных датчиков ускорения и силы в составе комплекса МР-01 использован для определения частотных характеристик элементов конструкции балансировочных станков, влияния внешних вибраций и виброизолирующих фундаментов на характеристики станков.

Прибор контроля эффективности тормозных систем "ЭФТОР" укомплектован датчиками ускорения ДАД1-10 и датчиками силы ДМД1-100 и использу-

ется при проведении технического осмотра и экспертизы транспортных средств. Микропроцессорная система прибора по сигналам датчиков вычисляет начальную скорость, установившееся замедление, усилие нажатия на тормозную педаль, тормозной путь транспортного средства, сравнивает расчетные данные с допустимыми значениями в соответствии с ГОСТ 25478-91. С помощью выпущенных промышленностью более 450 приборов получен большой объем информации по диагностике тормозных систем транспортных средств.

Особую область применения автогенераторных датчиков ускорения, силы представляют системы измерения и управления движением различных высокоточных и производительных станков и машин. Так, введение контура обратной связи по ускорению с применением приборов типа ПУ-1, ДАД1-100 снижает динамическую погрешность позиционирования координатного стола сборочных автоматов в 6-8 раз, а траекторную ошибку снижает со 100 мкм до 10-12 мкм при одновременном повышении скорости перемещения в 3-5 раз.

Применение КАДУ типа ПВ-1М (ПВ-01) в составе аппаратуры ПИК-01, разработанной в МНПО "Спектр", позволило провести измерения радиусов кривизны ж.-д. пути Забайкальской жел. дороги от 200 м до 2000 м с погрешностью не хуже 2 % во время движения вагон-лаборатории со скоростью от 20 до 200 км/час.

Основные результаты работы.

1. Автором сформулированы принципы конструирования и разработаны теоретические основы кварцевых автогенераторных измерителей параметров движения для систем контроля и диагностики машин, подвижных объектов специального назначения.

2. Проведен анализ функциональных, кинематических, конструктивно-технологических схем автогенераторных измерителей параметров движения, материалов чувствительных элементов, способов возбуждения незатухающих

колебаний резонаторов АИПД. Выявлены основные причины нестабильности характеристик АИПД, связанные с несовершенством функциональных и кинематических схем датчиков ускорения, силы и момента, несовершенством упругих свойств материалов упругих и подвижных систем датчиков.

3. Предложены новые схемотехнические и конструктивно-технологические решения АИПД, построенные на основе объемных стержневых резонаторов из изотропных диэлектриков и толпшнносдвиговых пьезокварцевых резонаторов. Основные решения защищены авторскими свидетельствами.

4. На основе обобщенных моделей разработаны инженерные методики анализа и расчета упругих и подвижных систем кварцевых датчиков ускорения, силы и момента с частотным выходом.

5. Проведены исследования характеристик автогенераторных датчиков ускорения с чувствительными элементами интегральной конструкции из материалов на основе двуокиси кремния. Показано, что наиболее целесообразный верхний предел измеряемых ускорений составляет (0.5-5)-103 мс"2. Погрешность статической калибровки составляет 0.1-0.3 %, дополнительная температурная погрешность 0.01-0.03 %/°С.

6. На основе пьезокварцевых резонаторов реализованы КАДУ повышенной чувствительности с порогом до 1.7-10"6 м-с'2, широкодиапазонные с верхним пределом измерения до З-Ю3 м-с"2 и погрешностью статической калибровки от 0.1 % до 0.5 %, дополнительной температурной погрешностью 0.03-0.05 %/°С. Впервые автором предложен новый класс дважды дифференциальных КАДУ, позволивший повысить полосу рабочих частот при одновременном снижении погрешностей.

7. Предложенный и реализованный унифицированный ряд КАДС с верхним пределом измерения от 10 до 1000 Н имеет погрешность статической калибровки не более 0.5 %, диапазон рабочих частот 0-1000 Гц; унифицирован-

ный ряд КАДМ с верхним пределом измерения от 0.1 Н м до 10 Н-м имеет погрешность статической калибровки 0.2-0.5 %, диапазон рабочих частот 0-1000 Гц.

8. Под руководством и непосредственном участии автора разработана и внедрена система измерения вибраций СИВ-288-1, обеспечивающая: измерение виброускорений в диапазоне (3-10"6-100) м с'! в диапазоне рабочих частот 0.05500 Гц и виброперемещений в диапазоне 10"2-105 мкм; спектральный, корреляционный, статистический анализ вибраций оборудования по 288 каналам. Система не имеет отечественных и зарубежных аналогов.

9. С помощью разработанных автогенераторных измерителей параметров движения с участием автора получен значительный объем данных по вибродиагностике элементов конструкции, узлов, агрегатов балансировочных станков, прецизионного огпико-механического оборудования в электронной промышленности, контролю параметров движения тормозных систем транспортных средств, элементов конструкции радиотелескопа РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории, космических аппаратов "ФОТОН" и других машин и механизмов. Полученные данные способствовали созданию образцов новой техники.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 46 научно-технических отчетах, статьях, 12 авторских свидетельствах на изобретения, в том числе:

1. Волков М.В. Кварцевые акселерометры. Обзор. ЦНИИ "Электроника". 1987, 14с.

2. Волков М.В. Пьезорезонансные датчики в системах контроля дисбаланса балансировочных станков. Ж. "Автоматизация и современные технологии". /М.: Машиностроение. 1995, с. 12-15.

3. Волков М.В., Поздняков М.М., Цветков Л.И. Результаты измерения параметров вибраций радиотелескопа РТ-22 КрАО. Тезисы докладов на 22й Все-

союзной конференции "Радиотелескопы и интерферометры", с. 53-54. Ереван. 1991 г.

4. Волков М.В., Малов В.В. Пьезорезонансные датчики в системах управления прецизионными приводами. Тезисы докладов на семинаре "Измерение перемещений в динамическом режиме". Каунас. 1987 г.

5. Волков М.В., Иванов Г.М., Новиков В.И., Хмелев В.В. Устройство для измерения крутящего момента. A.c. № 115879 (СССР). 1985 г.

6. Волков М.В. Интегральные преобразователи ускорений в частоту из материалов на основе двуокиси кремния. В кн. "Датчики на основе технологии микроэлектроники". МДНТП. Материалы конференции. 1983 г. с. 89-93.

7. Волков М.В. Способ определения нестабильности упругих свойств кварцевого стекла. A.c. №401917. (СССР). 1973 г.

8. Волков М.В. Миниатюрный кварцевый преобразователь ускорения с частотным выходом. Тезисы докладов 2 школы-совещания "Метрологичское обеспечение информационных измерительных систем и гибких производственных процессов". Нальчик. 1990 г.

9. Волков М.В., Колесник Е.С., Малов В.В. и др. Пьезоакселерометр. A.C. № 1458832 (СССР). Б. И. № 6. 1989 г.

10. Волков М.В., Засецкий Г.Е., Малов В.В. Пьезорезонансные акселерометры в системах контроля прецизионного технологического оборудования. -Труды семинара "Твердотельные волновые датчики для прецизионного машиностроения". г. Каунас, 1990 г. 5с.

11. Волков М.В., Никулин В.Х., Прусакова Л.М., Викторова О.С. Стекло. A.C. №833600. (СССР). Б.И. № 16, 1981 г.

12. Волков М.В., Малов В.В., Макаров В.М. и др. Устройство для измерения механических величин. A.C. № 540162 (СССР). Б. И № 47,1976 г.

13. Разработка преобразователей ускорения для специального технологического оборудования. Отчет по ОКР "Минск-88". НИИ "ФОНОН" 1989 г. 87 с. Соавторы: Малов В.В. и др.

14. Разработка сигнализаторов момента касания и усилий резания обрабатывающего инструмента. Отчет по ОКР "Мономер-2" НИИ "ФОНОН". 1988, 33 с. Соавторы: Семенов В.Ф. и др.

15. Разработка системы измерения вибраций. Отчет по ОКР "Микровибр". НИИ "ФОНОН". 1990 г. 63 с. Соавторы: Засецкий Г.Е., Протасов А.К. и др.

16. Разработка преобразователей вибрации и дифференциального давления. Отчет по ОКР "Микроклимат УД-1". НИИ "ФОНОН". 1990 г. 24 с. Соавторы: Семенов В.Ф. и др.

ВОЛКОВ МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КВАРЦЕВЫХ АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ Специальность 05.02.11 - Методы контроля и диагностики в машиностроении по техническим наукам

Подписано к печати 04- -/¿.9? . Объем 5"

Формат бумаги 60-90 1/16 Заказ Тираж 90

Типография МИИТа, 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова 15