автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированный низкочастотный стенд линейных перемещений

и/1

На правах рукописи

.л

БУХОНОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ

О

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ СТЕНД ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Специальность 05.13.07. - автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание степени кандидата технических наук

Тула 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор B.C. КУТЕПОВ.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор В.В. САВЕЛЬЕВ Кандидат технических наук, профессор Е.Г. ВОРОПАЕВ Ведущая организация: ГНПП «СПЛАВ»

Защита диссертации состоится " 8 " декабря 1998 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета ССД 063.47.04 в Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, д. 92 (учебный корпус № 9, ауд. 101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан " Я " юября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета .

д.т.н., проф. t 2L

В. М. Мазуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задачи динамических исследований измерительной аппаратуры могут быть сформулированы как уточнение и детализация ее математической модели, определение величины и функциональных зависимостей уровня дополнительных шумов выходного сигнала, а также определение путей уменьшения или возможностей учета их три измерениях в реальных условиях.

Теоретические исследования, выполненные в 50-х годах в области гравиметрии В.А. Кузивановым, В.Д. Романюком, B.J1. Пантелеевым, и гравиметрические наблюдения, проведенные В.О. Баграмянцем, Ю.П. Измайловым, Г.С. Марковым, Е.И. Поповым и другими исследователями, токазали зависимость результатов измерений морским гравиметром, расположенным на гиростабилизированном основании, от величины и характера инерциальных возмущении, так как точность приборов Юстирает 10"6g, а погрешности измерений в десятки раз больше. Было установлено, что дальнейшее развитие теории и практики гравиметрических таблюдений с подвижного объекта невозможно без детального изучения юведения гравиметра в условиях инерциальных воздействий.

Для этого потребовалось имитировать качку корабля, фугоидные 1вижеиия самолета, перемещения подводной лодки, которые представляют юбой колебательные процессы с низкими частотами (0,2 ... 0,05) Гц и ;начительными (до нескольких метров) перемещениями.

Развитие измерений с подвижных объектов (надводный корабль, юдводная лодка, самолет и т.д.) поставило задачу создания шзкочастотного испытательного оборудования (стендов),

юспроизводящего в условиях лаборатории сигнал близкий к реальным юзмущениям. Применение стендов позволяет сократить большие материальные затраты на натурные испытания гравиинерциальных приборов.

Целыо работы является разработка, исследование и внедрение в иучно-производственные работы автоматизированного низкочастотного ;тенда линейных перемещений, выполненного на основе шарнирно )ычажных механизмов.

Для достижения поставле той цели необходимо в числе других юшить следующие задачи:

разработать конструкцию автоматизированного низкочастотного :тенда с расширенными функциональные возможностями;

разработать методы кинематического и динамического синтеза гсполнительных механизмов стенда;

- реализовать возмущения подвижного объекта, спектральные :арактеристики которых близки к реальным воздействиям на испытательном тенде.

На защиту выносится:

- конструкция автоматизированного низкочастотного стенда линейных перемещений, реализующая возмущения, спектральные характеристики которых близки к реальным воздействиям;

- методы кинематического и динамического синтеза исполнительных механизмов стенда;

- методика обеспечения выходных параметров рабочего стола автоматизированного стенда в соответствии с требуемыми условиями испытаний спектральными характеристиками;

- устройство обеспечивающее задание на стенде инерциальных вертикальных возмущений, спектральные характеристики которых близки к реальным воздействиям.

Методы исследования.

Теоретические исследования проводились с использованием спектральной теории стационарных случайных процессов и математической теории синтеза плоских механизмов. При решении задач использовался пакет программ MATHCAD 6.0.

Научная новжна диссертации заключается в развитии теоретических положений построения автоматизированного электромеханического низкочастотного стенда линейных перемещений на основе щарнирно рычажных механизмов, реализующего возмущения, спектральные характеристики которого близки к реальным воздействиям.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная конструкция низкочастотного стенда «Нормаль СЗ» внедрена, аттестована Госстандартом РФ и используется в ЦНИИЭлектроприбор г. С - Петербург.

За разработку стенда в 1995 г. коллективу авторов присуждена премия им. С.И. Мосина в области машиностроения.

Апр опция работы. Работа выполнена в рамках комплексной нау. ю-технической программы «Технические университеты» §53 № 0593 ТУ.

Отдельные результаты работы доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Конверсия, приборостроение, рынок» г. Владимир (1995 г.), на 2, 4 научно-технической конференциях «Состояние и проблемы технических измерений» г. Москва (1995, 1997г.г.), на юбилейной 20 межотраслевой научно-технической конференции памяти H.H. Острякова г. С-Петербург (1996 г.), на региональной научно-практической конференции ((Аттестация методик и проблемы технических измерений» г. Москва

(1997г.), на международной конференции «Теория приближений и гармонический анализ» г.Тула (1998 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей, тезисы 5 докладов, 1 свидетельство на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная р.абота изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 5 таолиц, 35 рисунков и библиографию из 43 наименований. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка использованных источников, и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБ ОТЫ

Во введении обоснована актуальность создания испытательного оборудования, имитирующего инерциальные возмущения надводного и подводного кораблей, как составной части технологического оборудовании в общем комплексе метрологического обеспечения динамических гравиметрических измерений. Проведен анализ современного парка низкочастотных стендов. Основным недостатком существующего испытательного оборудования является то, что сшгнал задается в виде гармонической функции и не позволяет достоверно' оценить погрешности приборов, т. к. поведение системы в этих условиях с ущественно отличается от поведения при воздействии реальных возмущений.

В первом разделе проводится анализ внешних возмущений действующих на подвижный объект.

Известно, что движение корабля на волне можно разложить аа поступательное (вместе с центром масс) и вращательное (вокруг цен-фа масс). Основные виды качки корабля (бортовая, килепая, вертикальная) - это такие его колебания, во время которых при отклонении от положекяя устойчивого равновесия возникают силы, стремящи еся вернуть корабль в исходное положение. Дополнительные виды качки (¡рыскание, продольно и поперечно-горизонтальная качки) - это колебательные движения корабгя около положения равновесия за с 'ст изменения знака шнешнего воздействия.

В реальных условиях движение корабля представляет сложите комбинацию основных и дополнительных видов качюч, и при анализе работы приборов удобно рассматривать раздельно влиянше поступательного и вращательного движений.

Возвратно-поступательное движение центр>а масс корабля, а следовательно, и всех его точек происходит в ве ртикальной плоскосн перпендикулярной фронту волны, и именуется орбитальным движением. Эх> наиболее слабо изученный вид движения корабля.

Характер изменения ускорений показан на рис. 1.

Все виды движений корабля являются в реальных условиях случайными функциями времени.

а - абсолютные ускорения, б- ускорения от наклонов

Вследствие этого для оценки точности работы аппаратуры и создания испытательного оборудования необходимо располагать вероятностными характеристиками случайных функций для различных режимов движения корабля, которые можно определить теоретически с > !етом известных амплитудо-фазовых и частотных характеристик судна.

При определении вероятностных характеристик качки корабля на нерегулярном волнении принято считать, что качка представляют стационарный случайный процесс, при котором условия, определяющие его, не изменяются с течением времени. Случайный процесс качки корабля по своим характеристикам близок к нормальному, а поэтому он полностью определяется математическим ожиданием и корреляционной функцией.

Анализ натурных записей качки и корреляционных функций показывает, что качка корабля и возникающие при этом линейные ускорения представляют собой случайные функции, так как корреляционные связи со временем затухают.

На рис. 2. показаны спектры линейных ускорений на надводном корабле водоизмещением 6800 т при плавании в океане. Спектры можно считать приближенно узкополосными, т.е. реализация случайной функции имеет характер колебательного движения с почти постоянным периодом и медленно меняющейся амплитудой, и хорошо апроксимируется аналитически, что дает основание реализовать этот спектр в лабораторных условиях.

X - бортовая, / - килевая, X - вертикальные плоскости

Анализ дифференциального уравнения сильнодемпфированного отечественного гравиметра, с датчиком в виде кварцевой упругой системы (УС) крутильного типа, построенного по разомкнутой схеме, и установленный на ГСП показывает, что наибольшую погрешность в показания гравиметра при измерениях силы тяжести вносят вертикальные

инерциальные помехиZ, превышающие полезный сигнал (изменение ускорения силы тяжести Д^) на 4-6 порядков (рис.3).

а.мГал

Рис. 3. Частотные характеристики полезного сигнала Ag и инерционной помехи Z.

Их устранение достигается применением частотной фильтрации сигнала ГИС с использованием демпфирования пробной массы датчика и электромеханических сглаживающих устройств. Погрешность системы фильтрации является систематической и определяет точность ГИС.

Точность современных морских гравиметрических наблюдений, оцениваемая величинами порядка 0.5-3.0 мГал (10"6 g), лимитируется

низкочастотной инерционной помехой X, обусловленной качкой и орбитальным движением корабля. Отсюда, испытания приборов на стенде

вертикальных перемещений, позволяют выявить в лад возмущений X в погрешность гравиметра.

Во втором разделе осуществлен кинематический синтез низкочастотного стенда, для обеспечения прямолинейности траектории рабочего стола и оценки точности движения по этой траектории из-за технологических погрешностей.

Воспроизведение в лабораторных условиях низкочастотных возмущений подвижного объекта, вызванных его линейными

перемещениями, обеспечивается заданием рабочему столу стенда колебаний с различными частотами и амплитудами.

Поскольку чисто гармонический сигнал не полностью отражает реальные возмущения, был предложен привод в виде сферического четырехзвенного механизма, состоящего из дугового кривошипа с регулируемым углом раствора, поводка с шарнирной вилкой, закрепленной на одной оси крестовины, другая ось которой размещена в опорах стойки, в котором отсутствует поступательное движение элементов. Подвижная ось крестовины является кривошипом эллиптического прямила или кулисой тангенсного механизма (рис.4).

Рис. 4. Схема приводного сферического механизма

Механизм обеспечивает угловое теремещение крестовины, где Ц/ -

угловое перемещение оси крестовины (рад.); 8 - регулируемый угол раствора кривошипа (град.); (р - угол поворота кривошипа (град).

Функция положения характерной точки В при периодическом законе

8В = 215т[агс1§(г§<5 8т<р)] ,мм. Оценка погрешностей функции положения ведомого звена от установки размера /г определялась по 12, 10 и 7 квалитетам точности, а

установки угла раствора кривошипа д в пределах 0.5 и 0.25 по зависимости AS = JT(<p)(Ahfh + 2А8 /sin^).

Анализ, проведенный на ЭВМ показал, что наиболее относительную

погрешность AS]t/ SmiLX = 2-\0 ^, дает неточность установки угла раствора кривошипа 8. Относительная погрешность от неточности

выполнения размера h не превышает ASft / ¿'max = 1-10 Эти погрешности можно существенно уменьшить специальными устройствами для корректировки S и ll.

Важной характеристикой низкочастотных испытательных стендов является обеспечение строго прямолинейной вертикальной траектории.

Наиболее перспективным при обеспечении высокой точности траектории движения рабочего стола стенда было предложено использование шарнирно рычажный механизмов (1ПРМ) с вращательными кинематическими парами, имеющие при простой кинематической схеме высокую плавность при движении.

Оценка точности движения рабочего стола шарнирно-рычажной системы подвеса проведена в пределах технологических допусков на изготовление деталей, как основных погрешностей.

Проведенные исследования показали, что линейные отклонения от номинальных длин звеньев не более 0.005м, что соответствует 11 квагштету точности изготовления звеньев. Перемещения рабочего стола в вертикальной плоскости не превышает Аутах < 0.46мм. Наибольшее значение отклонения от вертикали составило А (р =0.5' угловых минут.

Сравнивая полученные результаты с результатами аттестации стенда Госстандартом РФ следует, что точность теоретических и экспериментальных результатов отличается не более 10 %.

В третьем разделе проводится анализ динамических характеристик стенда, позволяющий определяет уровень дополнительных нежелательных высокочастотных колебаний, а также их характер и величину.

Составлена динамическая расчетная схема, учитывающая внешние нагрузки и распределение масс звеньев. Получены дифференциальные уравнения описывающие движение PC стенда. Уравнение движения в форме приведенных моментов есть

и

di w

у) — Q

dt 2

где:

= 21$ sin yr eos у/ -21, sin у/ cos у/ = 2(112 )у/ sin у/ cos у/;

dt или

d^f- = (I-I2)y,sin2y,. at

Дифференциальные уравнения движения рабочего стола стенда запишем в виде

[l0 + I, sin2 у/ + /, cos у/] ■ у/ + (/, - 12) 2y) = Qw>

[l0 + sin2 у/ + /, COS2 y/\ys + (I, - I, siny/ cos у/ = = Oc+Q1siny/ + Q2cbsy/.

Для определения собственной частоты механической системы стенда рассмотрим уравнения

V с.п.„-П.

Inpy/ + Qx sin^/ = 0; у/ + ~s\ny/ = 0;

1пр

| 2 7

-= к ; у/ + к~ sin^ = 0.

I пр

Выражение для периода колебаний

Т = —| d"

kJ

dn

где А = I г/ \ / полный эллиптический интеграл;

К = f

Полученные результаты показали, что частоты собственных колебаний ШРМ, в силу нелинейности уравнений механической системы, изменяются в диапазоне от 0.38 с"1 до 0.47 с"1, в то время как частоты возмущающих воздействий лежат в диапазоне от 0.03 до 0.35 с"1. Это позволяет сделать вывод о том, что система работает в дорезонансном режиме.

В четвертом разделе разработан и реализован автоматизированный стенд линейных перемещений, проведен анализ движения задающего приводного механизма, а также рассматриваются спектральные характеристики выходных параметров движения рабочего стола.

Существующие низкочастотные испытательные стенды задают возмущающие воздействия в виде гармонического сигнала. Справедливость введения соответствующих поправок в показания гравиметра по результатам испытаний на таких стендах нуждается в уточнении, поскольку в реальных условиях эксплуатации аппаратуры на подвижном объекте амплитуда и частота инерциальных возмущений изменяется с течением времени и их рассматривают как случайный стационарный процесс.

В Тульском государственном техническом университете в 1991 году разработан при участии автора и внедрен в промышленность (ЦНИИЭлектроприбор г. С. - Петербург) стенд, имеющий шифр «Нормаль СЗ» (рис.5), задающий вертикальные инерциальные возмущения периодического характера с амплитудой до 2700 мм и периодами до 200 е., максимальная масса испытываемой аппаратуры - 1500 кг. Испытываемая аппаратура 1 устанавливается на горизонтальном рабочем столе 2 размером 1300x1800мм, связанным со стойкой двойным шарнирным параллелограммом АВВ'А' - ВВ'С'С. Прямолинейное движение стола по вертикали обеспечивается эллипсографом, состоящим из рычагов АВ и СБ, и ролика 7 с осью /*', движущегося в прямолинейных горизонтальных направляющих. Для разгрузок ролика 7 рычаги АВ и В'А кинематически связаны парой зубчатых секторов 8, 9.

Подвижные части стенда уравновешены двумя противовесами, один из которых 10 расположен непосредственно на рычажной системе, другой 11, связан через систему канатов и блоков 3 с рабочим столом 2 и уравновешивг гт испытываемую аппаратуру и рабочий стол. Противовес 11 для уравновешивания при изменении массы аппаратуры выполнен в виде наборных грузов.

Приводной механизм стенда состоит из дугового кривошипа 4 с регулируемым углом раствора 8, поводка 5, заканчивающегося вилкой и крестовины 6. Поводок шарнирно соединен с кривошипом, а вилка поводка -с осью крестовины ИВ'. Другая горизонтальная ось крестовины О размещена в опорах стойки.

Кривошип вращается вокруг оси с постоянной угловой скоростью о

зт электродвигателя и поводок при этом описывает конус с углом 8 при зершине О. Крестовина совершает колебательные движения относительно горизонтальной оси О и передает эти угловые движения рычажной системе тодвеса рабочего стола стенда.

Как показали дальнейшие исследования возможности приводного механизма значительно шире, чем они использовались в стенде шифр (Нормаль СЗ».

Закон движения рабочего стола степ ;а описывается зависимостью 8(ф) = АВ-г==г

Л/] + В25т2ф

где: 0 < В< 1 есть тангенс угла наклона поводка, определяющий длину ривошипа, А- удвоенная длина рычага подвеса рабочего стола, (р = (01.

Дважды дифференцируя уравнение по обобщенной координате (р. ¡ыли определены выражения для скорости и ускорения рабочего стола

АВ-

со$(р

^ "" {\ + В28т2<рУ/2'

о. АА + ЪЪг)$\п(р-2В2 ътЪ(р -— = =—Аол-1-

с\<р'

(1+ В2 ят2(р)5'2

На рис.6 представлен график аналога ускорения при воспроизводимое и синусном (пунктирная линия) законах движения рабочего стола.

№

Рис.6. Графики функций

а <р2

М-

Из сопоставление этих законов следует:

- воспроизводимый закон движения при одинаковых амплитуда; перемещений обеспечивает амплитуд)' ускорений в 1.44 раза больше, чел при синусоидальном законе, что в свою очередь позволяет уменьшить хо; рабочего стола и соответственно габариты стенда.

Задача определения спектральных характеристик выходны:

«Г Ъ ^

параметров лине! ных перемещений и ускорении стенда ). --

й<р

является актуальной, так как критерием соответствия регулярного сигнала воспроизводимом на стенде к реальному воздействию является близость и: спектральных характеристик.

Был исследован регулярный сигнал, воспроизводимый на стенде 1 помощью его разложения в ряд Фурье.

Из-за нечётности функции перемещения рабочего стола

следует, что а равно нулю при всех к, так как график функции

ТС

перемещения симметричен относительно прямой —, то в оставшихся

разложениях по синусам будут присутствовать только нечётные гармоники.

С

= К

Ьх

ААВ

к

1

В

\

V

1+ В'

л/Г+5%

+--Е

г

В

В

V

В'М + В*

где: К , Е- полные эллиптические интегралы 1-го и 2-го родов. Были получены гармоники . .

1+ В'

у

16АВ

ж

2-В

2

1

3 В4 VI

к

+ В'

в

А

ЗВ

КУ1 + В

с

В

+ В2;

¿5 = 56, -

80 АВ

п

2-В'

3 В4 V]

1-*

+ В'

в

\1\ + В'

2(1-В")

ЗВ4

/

64 АВ

к

4В4-ЗВ2+8

VI+ В2Е (

В

/I

+ в2 у

1

15 В"

К

1+ В'

в

4

18А4

+ В2Е

1 + В\ В

1 + В2у

Явные выражения для коэффициентов Фурье выражаются через эллиптические интеграпы. Так как б'(^) гладкая функция, то

коэффициенты Фурье в разложении для аналога ускорения ----^

Л

Г

Л

равны Ь[ = —¿|, Щ = —96з, ¿>5 = —25Ь$,...

Полученные выражения дают возможность анализировать спектральный состав функций ), при изменении параметра 5.

Когда перемещения рабочего стола максимальные, В = БШ 45° и

А = 1.

Перемещение описывается выражением

5(9») = 0.605 бш©/ + 0.00298 втЗа*, а ускорение - $\(р) = -0.605 втсй - 0Ш1ътЪш.

^ \ \ \ \ \

\-| N

СО

со со

тпах

Рис.7. График спектральной плотности ускорений

Проведенный анализ показал, что график спектральной плотности ускорений воспроизводимом на стенде при фиксированных значениях радиуса кривошипа (параметр В) (рис.7), достаточно далек от спектральной плотности реальных случайных возмущений, действующих на подвижный объект.

В пятом разделе выполнено моделирование реальных возмущений на автоматизированном низкочастотном стенде и достигнуто их практическая реализация.

На основании проведённых теоретических исследований изменение формы спектральных характеристик регулярного выходного сигнала автоматизированного стенда, достигается за счет изменения радиуса

тового кривошипа приводного механизма во время работы (параметр В ановится задаваемой функцией времени).

В формировании спектра основную роль играет частота, с которой ¡ращается в нуль значения 3{<р). Предложено для изменения характера :ектра изменять г(<р) с меньшей частотой, чем частота вращения 'ивошипа приводного механизма стенда.

Для описания движения рабочего стола стенда подходящим является

кон

, г{<р) БШ(уф)

= 2-

1 +

' ^ $,т(\(р)

¿

е: }~{(р) = }"о\а + Ь$\п((р + (р$)\, (р = Ш, V - число обозначающее, по олько раз вращение кривошипа больше чем изменение его радиуса.

Анализ закона движения (рис. 8), при котором скорость вращения ивошипа в 2,3,4 раза больше частоты изменения его радиуса, подтвердил вод, что получаемый в результате расчетов спектр близок к спектральным рактеристикам реальных возмущений. Характер получаемого спектра, жно изменить, обеспечивая сдвиг его пика в сторону увеличения частот эмоник.

0.24 0.21 0.18 0 15 0.12 0 09 0 06 0.03 О

О 0.43 0.86 1.29 1.72 2.15 2.58 3.01 3.44 03

1

1 { \

1 } 1 \

1 1 \ \

/ 1 \ \

/ \ \ \

/ \ / / \

/ / г N

Рис. 8. График спектральной плотности ускорений РС стенда при у- 2

Анализ закона движения РС с изменяющимися коэффициентами а б (рис.9) показывает, что можно изменять характер спектра, обеспечив; более плавное убывание амплитуд гармоник, сглаживать его пики.

0.21 0.18 0.15 0.12

0.09 0.06 0.03

° 0 043 0 &5 1 29 1 72 2.15 2.52 3 01 3.44 Ф Рис. 9. График спектральной плотности ускорений РС стенда

Таким образом, теоретически доказано, что исследуя регулярны! сигнал стенда, проведя его разложение в ряд Фурье, можно получить зако! движения РС стенда такой, что его характеристики близки к спектральныл характеристикам реальных возмущений.

Для задания квазислучайного характера возмущений предложе! механизм, защищенный патентом РФ, внедрение которого в конструкция стенда Нормаль СЗ , позволит максимально приблизить задание возмущенш соответствующим реальным условиям эксплуатации гравиинерциальньо систем.

Для контроля выходных параметров движения рабочего стола стендг разработано и изготовлено устройство для измерения ускорений. Оно состоит из акселерометра (А), блока аналого-цифрового преобра ования (АЦП) г интерфейса (рис. 5.10), что в совокупности образует автоматизированный низкочастотный стенд линейных перемещений, позволяющий воспроизводить возмущения близкие к реальным воздействиям.

1 - >

I \ \

/ \ \

/ ! \ т

Рис. 5.10 Устройство для измерении ускорений

На ускорения рабочей' площадки реагирует маятник (М) твительного элемента датчика акселерометра (ДА) Выбор данного юра обусловлен возможностью обеспечения требуемой точности рений, долговременной стабильностью показаний, . индифферентностью лияния изменений температуры, давления и других факторов. Датчик -Iеромегра выполнен в виде отдельной конструкции, состоящей из ника чувствительного элемента (М), датчика угла (ДУ), итозлектрического преобразователя (МЭГГ и обмоток остатирования.

Угловые положения маятника определяются датчиком утла кционного типа, обмотка возбуждения которо/о запитывастся от соидалыюго генератора несущей частоты ГНЧ.

Выходное напряжение обмотки ротора датчика угла после усиления нательным усилителек УС поступает на вход фазового дискриминатора который сравнивая фазы несущего напряжения и напряжения полезного ша определяет направление отклонения чувствительного элемента.

Для устранения статической погрешности измерения постоянное ¡жение с фазового дискриминатора подается на вход интегратора (ИНТ), дное напряжение о интегратора, пропорциональное ускорению рабочего V/ поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и на обратной связи (БОС). При взаимодействии тока блока обратной связи 1тным полем постоянного магнита в магнитоэлектрическом

преобразователе датчика акселерометра ДА создается момент, стремящий вернуть маятник в нулевое положение. АЦП осуществляется преобразован сигнала в 12-ти разрядный параллельный двоичный код, пропорциональш входному ускорению и передается на интерфейс ЭВМ.

Таким образом теоретические исследования могут быть реализованы практике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

Диссертационная работа содержит решение задачи создан автоматизированного низкочастотного стенда линейных перемещени построенного на основе шарнирно-рычажных механизмов и реализующе возмущения, со спектральными характеристиками близкими к реальнь воздействиям, использование которого имеет существенное значение да развития технической базы метрологического обеспечения измерительнь приборов установленных на подвижном основании.

Основные результаты и выводы выполненных исследований :

- разработана конструкция автоматизированного низкочастотно! стенда линейных перемещений для испытаний гравиинерциапышх систем расширенными функциональными возможностями;

- разработаны методы кинематического и динамического синте: исполнительных механизмов стенда;

- разработана методика обеспечения выходных параметров рабочег стола автоматизированного стенда в соответствии с требуемыми условиям испытаний спектральными характеристиками.

- реализовано за счет применения специального механизма, задани на стенде инерциальных вертикальных возмущений, спектральны характеристики которых близки к реальным воздействиям.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. В.П. Бухонов. К вопросу о воспроизведении в лаборатории реальны дг чжений подвижного объекта // Конверсия, приборострое! не, рыноь

зисы докладов Всероссийской научно-технической конференции Владимир, 1995,-с. 111-113.

2. Л.А. Булатов, В.П. Бухонов, B.C. Кутепов, И.В. Сергеев. К вопрос создания испытательной техники с заданными спектральным] характеристиками выходного сигнала// Состояние и проблемы технически измерений. Тезисы докладов второй научно-технической конференции Москва, 1995.-с. 30-31.

3. JI.A. Булатов, В.П. Бухонов, B.C. Кутепов, И.В. Сергеев. Спектральные характеристики выходного сигнала стенда линейных перемещений./ Вопросы оборонной техники. 1996.- №1-2, с.90-91.

4. JI.A. Булатов, Я.Н. Берштам, В.П. Бухонов, B.C. Кутепов, Е.П. Сабадашевский. Низкочастотный динамический стенд // Материалы юбилейной 20 межотраслевой научно-технической конференции памяти H.H. Острякова / С-Петербург, 1996, с.15.

5. JI.A. Булатов, В.П. Бухонов, B.C. Кутепов. Устройство для имитации инерциальных сил/ Подъемно- транспортные машины: Известия ТулГУ. Тула, 1997.-с. 179-182.

6. В.П. Бухонов. Низкочастотный стенд вертикальных перемещений « Нормаль СЗ » Подъемно- транспортные машины: Известия ТулГУ. Тула, 1997,- с. 174-178.

7. Л.А. Булатов, В.П. Бухонов, B.C. Кутепов. Низкочастотный стенд имитирующий качку корабля с заданными спектральными характеристиками // Состояние и проблемы технических измерений. Тезисы докладов четвертой научно-технической конференции/Москва, 1997,- с.272-273.

8. В.П. Бухонов. Устройство имитации низкочастотных вертикальных возмущений // Аттестация методик и проблемы технических измерений. Тезисы докладов региональной научно-практической конференции / Москва, 1997,-с. 27.

9. В.П. Бухонов, И.В. Сергеев. Имитация в лаборатории линейных теремещений с заданными спектральными /■' Дифференциальные уравнения и трикладные задачи / ТулГУ-Тула, 1997.-е. 150-155.

10. JI.A. Булатов, В.П. Бухонов, B.C. Кутепов, В.Г. Пешехонов, Е.П. Габадашевский. Низкочастотный динамический стенд Свидетельство РФ на юлезную модель № 4377 от 16.06.97 Б.И. № 6, 1997г.

11. JI.A. Булатов, В.П. Бухонов, B.C. Кутепов, И В. Сергеев, воспроизведение линейных перемещений с заданными спектральными арактеристиками // Теория приближений и гармонический анализ. Тезисы [окладов международной конференции / Тула, 1998,- с. 121.

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ¿¿ч*,

Бухонов Владимир Петрович

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ СТЕНД ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Специальность 05.13.07. - Автоматизация технологических

процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д. т. н., профессор Кутепов B.C.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................4

1. ВНЕШНИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА 19

1.1. Общая характеристика возмущающих воздействий .... 20

1.2. Анализ уравнения движения гиростабилизированного гравиметра................................................................................................................37

1.3. Выводы......................................................................................................................43

2. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НИЗКОЧАСТОТНОГО СТЕНДА..............................................................................................................................46

2.1. Синтез приводного механизма............................................................46

2.2. Синтез шарнирно-рычажного подвеса..........................................52

2.2.1. Определение траектории движения рабочего стола стенда........................................................................................................................52

2.2.2. Оценка точности движения рабочего стола стенда по прямолинейной траектории..................................................................59

2.3. Выводы........................................................................................................................63

3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕНДА..................67

3.1. Динамический синтез стенда....................................................................67

3.2. Обеспечение равномерности движения привода стенда 74

3.3. Уравновешивание подвижных масс ................................................86

3.4. Выводы........................................................................................................................91

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО СТЕНДА......................................................92

4.1. Назначение, технические характеристики и описание 93 конструкции......................................................

4.2. Анализ закона движения рабочего стола....................................96

4.3. Спектральные характеристики выходных параметров рабочего стола......................................................................................................102

4.4. Выводы............................................................ 107

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА АВТОМАТИЗИРОВАННОМ НИЗКОЧАСТОТНОМ

СТЕНДЕ 108

5.1. Реализация на стенде выходных параметров, спектральные характеристики которых близки к реальным возмущениям........................................ 109

5.2. Спектральных характеристики выходных параметров

при различных законах движения рабочего стола........ 114

5.3. Техническая реализация квазислучайного характера возмущений на стенде......................................... 123

5.4. Выводы............................................................ 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............. 132

Приложение 136

ВВЕДЕНИЕ

Метрологическое обеспечение измерений в динамике имеет обычную цель: достижение единства измерений, для чего необходимо нормирование и определение динамических характеристик и оценка величины и характера изменения от возмущений погрешностей измерений.

Динамические характеристики необходимо знать для выбора средств измерений. Известные величины динамических погрешностей позволяют прогнозировать точность результатов.

Выходной сигнал набортного гравиметра кроме полезного сигнала измерения изменения ускорения силы тяжести содержит динамические помехи, обусловленные структурой датчика, инерциаль-ными возмущениями и их комбинациями. Одно из основных причин динамических погрешностей измерения Лg гиростабилизированным гравиметром являются [ 1 ]:

- вертикальные ускорения основания (а2 );

- колебания оси чувствительности датчика вследствие вертикальных ускорений;

- горизонтальные ускорения (ах, а у ).

Исключение влияния вертикальных ускорений обеспечивается частотной фильтрацией. От выбора структуры фильтра зависит появление на выходе гравиметра флюктуаций инфранизких помех, что равноценно систематической погрешности фильтрации. Окончательный ответ о выбранной оптимальной структуре фильтра гравиметра могут дать только экспериментальные исследования и, в первую очередь, динамические испытания в условиях вертикальных ускорений, путем многократных наблюдений на одном режиме.

Так как принцип измерения силы тяжести на подвижном объ-

екте основан на частотной фильтрации полезного сигнала вертикальных ускорений, то оценка точности выделения полезного сигнала, проверки эффективности фильтрации, оценки нелинейностей гравиметра и т.п. в лабораторных условиях может быть выполнена только на специальных стендах. Метрологическое обеспечение динамических измерений как научное направление сформировалось во ВНИ-ИМ им. Д.И. Менделеева при участии В.О. Арутюнова, В.А. Грановского, B.C. Пеллинца, Д.Ф. Тартаковского, К.П. Широкова и др. ученых. Это было обусловлено созданием новых машин, приборов и устройств, работающих на подвижных объектах.

Динамические измерения на сегодня базируются на использовании математического аппарата и экспериментальной базы статической метрологии. В то же время физическое моделирование естественных квазипериодических движений исследуемого объекта на динамических стендах или в соответствии с терминологией работы [ 2 ] "полунатурное" моделирование является единственным средством проверки функционирования динамических систем и их элементов при воздействии возмущений. К таким системам в первую очередь следует отнести гравиинерциальные комплексы, акселерометры, гироскопические приборы и т.п.

В целом задачи динамических исследований измерительной аппаратуры может быть сформулированы как уточнение и детализация ее математической модели, а также определение величины и функциональных зависимостей уровня дополнительных шумов выходного сигнала, а также определение путей уменьшения или возможностей учета их при измерениях в реальных условиях.

Теоретические исследования, выполненные в 50-х годах в области гравиметрии В.А. Кузивановым, В.Д. Романюком, B.JI. Пантелеевым, и гравиметрические наблюдения, проведенные В.О. Багра-мянцем, Ю.П. Измайловым, Г.С. Марковым, Е.И. Поповым и другими

исследователями, показали зависимость результатов измерений морским гравиметром, расположенным на гиростабилизированном основании, от величины и характера инерциальных возмущении. Было установлено, что дальнейшее развитие теории и практики гравиметрических наблюдений с подвижного объекта невозможно без детального изучения поведения гравиметра в условиях инерциальных воздействий.

Для этого потребовалось имитировать качку корабля, фугоид-ные движения самолета, перемещения подводной лодки, которые представляют собой колебательные процессы с низкими частотами (0,2 ... 0,05) Гц и значительными (до нескольких метров) перемещениями.

Принятое деление измерительных приборов на низкочастотные и высокочастотные в литературе является условным. Приборы, решающие навигационные задачи, относятся к низкочастотным с нешироким диапазоном частот (от единиц до десятков единиц герц), а приборы, контролирующие поведение конструкций в различных условиях эксплуатации - к высокочастотным (до несколько десятков, сотен герц).

В литературе [ 3...6 ], посвященной моделированию возмущении в лаборатории, в основном обсуждаются вопросы об испытаниях приборов на виброустойчивость, вибропрочность, линейные нагрузки, значительно превышающие 1Эти испытания различной аппаратуры узаконены соответствующими ГОСТами.

Публикации в печати освещают работу испытательных устройств только в диапазоне частот от 0,5 Гц и выше. Создан государственный специальный эталон [ 7 ], обеспечивающий задание ускорений в диапазоне 1— 10 м/с2 с частотами 0,5 ... 30 Гц. В то же время на подвижном объекте имеют место низкочастотные ускорения с ам-

плитудой менее 2 м/с2 (200 Гал).

Известна серийная виброиспытательная аппаратура, среди которой наиболее широко используются отечественные вибростенды типа ВЭДС, обеспечивающие виброускорения с частотой 25...5000 Гц и зарубежные механические стенды типа 8Т. Для заданий постоянных ускорений применяются центрифуги.

Для моделирования бортовой и килевой качек надводного корабля или космического аппарата исследователи и производственники используют стенды с колебательным движением рабочего стола [ 7 ].

Широкое применение имеет стенд типа «Скорсби», представляющий собой пространственный механизм с приводным двигателем постоянной скорости, однако для «Скорсби» характерны паразитная составляющая угловой скорости и воспроизведение только синфазных угловых колебаний в двух плоскостях, что ограничивает его применение.

Из-за отсутствия серийного низкочастотного оборудования (стендов) для задания линейных перемещений геофизические организации, работающие с гравиинерциальной аппаратурой, при содействии ВУЗов начали разработку таких стендов в 1960 году. Первый в бывшем Советском Союзе динамический стенд для имитации инер-циальных возмущении на море был создан в ОКБ ИФЗ АН СССР по инициативе Ю.Д. Буланже [ 8 ]. Он получил шифр ИС-М (Рис.В.1.).

Недостатками ИС-М являются ограниченность его динамических характеристик, малая грузоподъемность, наличие виброускорений из-за наличия упругих элементов в механизме перемещения вертикальной тележки.

В 1964 году по заданию ИФЗ АН СССР в Тульском механическом институте разработан мощный испытательный стенд ИС-ВГУ (Рис.В.2.) [ 9 ], предназначенный для раздельного задания синфазных вертикальных и горизонтальных линейных ускорений с амплитудой до 400 Гал с периодом от 4 до 64 с. Как и в стенде ИС-М, недостатком ИС-ВГУ являются значительные по величине высокочастотные колебания рабочего стола, так как в системе передачи движения участвуют канаты и перемещение рабочей площадки происходит по направляющим рельсам.

Несколько позже по времени аналогичный по принципу действия, но с меньшими техническими возможностями стенд линейных ускорений был построен в ГАиШ МГУ [ 10 ]. При работе этого стенда также отмечается значительный уровень вибрации, источником которой, кроме канатов в системе привода, являются вертикальные направляющие для соответствующей платформы.

Для оценки характера и степени совместного влияния вертикальных и горизонтальных ускорений на показания морского гравиметра в 1968 году в ОКБ ИФЗ АН СССР разработан испытательный стенд ИС-ОД (стенд орбитального движения). Стенд имитирует движение центра масс надводного корабля по круговой траектории. Амплитуда движения меняется дискретно и устанавливается 0.4; 0.8; 1.2 м. Недостаток стенда - невозможность изменения фазового соотношения между вертикальными и горизонтальными ускорениями, что ограничивает возможности стенда в исследовании влияния ускорении на гравиметр.

Примерно с теми же техническими возможностями во ВНИИгеофизики создан стенд «Орбита».

Среди имеющихся в геофизических организациях конструкций наиболее мобильной является стенд для испытания морской гравиметрической аппаратуры СИГМА-4 [ 11 ] (Рис.В.З.).

Стенд обеспечивает воспроизведение в лабораторных условиях возмущения от качки и рыскания надводного судна в гармоническом режиме, задавая одновременно или в любых комбинациях четыре движения: вертикальные, горизонтальные перемещения, наклоны в плоскости перемещения и рыскание или круговое движение в горизонтальном направлении. По своим техническим возможностям СИГМА-4 не имеет отечественных и зарубежных аналогов.

Это стационарная установка, позволяющая осуществить одновременное гармоническим режимом задание случайных возмущений. На стенде можно проводить исследование гравиметрической аппаратуры с целью изучения влияния вертикальной качки корабля, его наклонов и орбитального движения на волне. Он один заменяет весь необходимый комплект динамических стендов для испытания морских гиростабилизированных гравиметров, требующийся при их выпуске и промышленной эксплуатации. Сложность кинематической схемы и конструкции СИГМА-4, громоздкость, необходимость специального помещения затрудняют его тиражирование в нескольких экземплярах.

Он используется, главным образом, для проведения научно-исследовательских и опытно-методических работ, а также для обеспечения подготовки гравиметров при выполнении Мировой гравиметрической съемки на судах АН СССР.

Принцип моделирования изменения силы тяжести при эталонировании методом наклона положен в основу единственного стенда инфранизких колебаний [ 12 ], разработанного в ГАиШ МГУ и предназначенного для воспроизведения изменения силы тяжести по гармоническому закону.

Развитие измерений с подвижных объектов (надводный корабль, подводная лодка, самолет и т.д.) поставило задачу создания низкочастотного испытательного оборудования (стендов) позво-

ляющего воспроизводить в условиях лаборатории возмущающего сигнала близкого к реальным возмущениям.

Как показано в работах В.Л. Пантелеева [13] определение систематических погрешностей, вызванных влиянием вертикальных ускорений основания, - одно из важных испытаний гравиметрической аппаратуры. Именно эти испытания позволяют судить о пригодности гравиметра для работы в условиях качки корабля и установить тот предел инерциальных помех, при которых наблюдения возможны без потери точности.

Систематические погрешности, обусловленные влиянием вертикальных ускорений, прежде всего, связаны с нелинейностью динамической системы гравиметра - нелинейностью упругой системы и преобразователя. Нелинейность исполнительного механизма может создавать систематическую погрешность в гравиметрах с автоматической обратной связью.

С помощью стендовых испытаний удается обнаружить влияние всех нелинейностей в совокупности, а также оценить величину и характер систематической погрешности. Для этого, сначала нужно установить, как зависит эта погрешность при неизменном периоде от амплитуды. Как правило, эта зависимость подчиняется квадратиче-скому закону. На втором этапе исследований можно установить зависимость систематической погрешности гравиметра от частоты. В этом и заключается основное назначение стенда вертикальных возмущений.

Для обеспечения точности съемки, характеристики гравиметра должны быть такими, чтобы можно было пренебречь систематической погрешностью. Так как достичь этого чрезвычайно сложно технически, то оценив эту погрешность на стенде ее следует исключить путем введения соответствующих поправок.

Зависимость параметров переходной функции гравиметра от

вертикальных ускорений означает то, что такая важная динамическая характеристика, как время запаздывания, зависит от состояния моря и качки корабля. А так как условия наблюдения постоянно меняются, возникают большие трудности при математической обработке результатов измерений. Поэтому настройку системы, выбор ее параметров необходимо проводить на стенде вертикальных колебаний.

В Тульском политехническом институте (1982 г.) был создан стенд вертикальных возмущений СВУ (Рис.В.4.), содержащий шар-нирно рычажный подвес рабочего стола, систему уравновешивания подвижных масс, задающий зубчато-рычажный механизм и привод с электродвигателем мощностью 1.5 кВт. При общей высоте стенда 2.5 м размах перемещений рабочего стола до 1.5 м.

Одним из недостатков этого стенда является малая амплитуда перемещений рабочего стола и возможность работы только в гармоническом режиме.

Все существующие динамические стенды имеют общий недостаток: они не позволяют воспроизводить реальные возмущения подвижного объекта.

В реальных условиях приборы, установленные на надводном корабле, испытывают воздействие случайных возмущений от качки. Характер этих возмущений рассмотрен далее в первой главе. Аппроксимировать случайные возмущения с определенными допущениями можно лишь в случае узкополосного спектра.

Первой попыткой приблизить условия испытаний к реальным было усовершенствование установки СИГМА-4 с таким расчетом, чтобы имелась возможность перевода ее в режим задания случайных возмущений, не исключая при этом и гармонический режим работы.

Была предложена механическая часть стенда, позволяющая воспроизводить случайные возмущения. В качестве - следящей и управляющей системы предполагалось использовать узлы и механизмы корабельного гиропоста, который управлялся по сигналам, поступающим от гировертикали. Установка получила шифр СИГМА-4К [ 1 ]. Однако из-за технических сложностей эта установка не была полностью реализована.

Целью проводимых в диссертации исследований является:

разработка, исследование и внедрение в научно-производственные работы автоматизированного низкочастотного стенда линейных перемещений выполненного на основе шарнирно рычажных механизмов.

Поставленная цель определила задачи исследований в той посл�