автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование влияния технологической наследственности на упругие характеристики подвесов датчиков параметров движения (динамически настраиваемых гироскопов и маятниковых акселерометров)

'» т №7

На правах рукописи

ОКИН

АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

УДК 629.7.054' 847.0021:548:53

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕ'ННОСТИ НА УПРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДВЕСОВ ДАТЧИКОВ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ (ДИНАМИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМЫХ ГИРОСКОПОВ И МАЯТНИКОВЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ)

Специи-., ность: 05. П. 14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроения (ГААП).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент О. М. Филонов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Явленский Константин Николаевич

кандидат технических наук, старший помощник начальника учебного отдела Михайловской артиллерийской академии Фурманов Геннадий Иосифович

Ведущее предприятие; фирма "Момент", г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится "1 о " тоня 1997 г. в _ часов на

заседанни Диссертационного Совета Д 063 21 01 при Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроения по адресу. 196211, Санкг-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроения.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроение

В. П. Ларин

ОКЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Как показывает опыт, накопленный предприятиями-производителями инерциальных датчиков параметров движения - динамически настраиваемых гироскопов (ДПГ) и маятниковых акселерометров, до настоящего времени не удалось создать изделия, удовлетворяющие требованиям крупносерийного' производства, несмотря па общеизвестную потребность и датчиках такого класса. Главной причиной, препятствующей этому, оказывается необходимость проведения после сборки обязательных и весьма сложных как но организации, так и по аппаратному обеспечению технологических операций регулировки (параметрической коррекции) изделия, направленных на приведение их функциональных характеристик к состоянию, удовлетворяющих техническим требованиям.

ovni и полнее

Чувствительным элемент

^ Y

Приводной двигатель

Рис. ! Варианты исполнения ДНГ с упругим подвесом

Трудоёмкость регулировочных операций составляет на серийных заводах до -Ю % объёма трудоёмкости их изготовления. При этом сохраняется большая определенность во времени, затрачиваемом на каждое конкретное изделие. Введение операции регулировки в технологический процесс изготовления столь сложных датчиков, каковыми являются ДПГ и маятниковые акселерометры, с

(деформация на изгиб)

Чувствительный элемент

Упругий подвес (деформация на ■кручение)

одной стороны связано .с тем, что требования к их точности намного превосходят возможности прямого технологического синтеза (обработка, сборка, контроль) не только на отечественных, но и на зарубежных предприятиях, а с другой стороны с явно недостаточной изученностью разнообразных физических явлений, лежащих в основе процессов их изготовления и эксплуатации. Исследования в этой области проводились фрагментарно, а результаты не вызывали интереса у приборостроителей,, поскольку традиционный подход к проектированию технологических процессов изготовления прецизионных датчиков предполагал обязательное включение этапа параметрической коррекции собранных изделий.

Очевидно, что данный этап технологического цикла является важнейшим препятствием к расширенному производству указанного класса изделий. Для устранения временной неопределённости в сроках изготогления каждого конкретного прибора, характерной для мелкосерийного производства, необходимо с одной стороны значительно повысить технологичность их конструкции, ориентируясь в первую очередь на пленарные принципы конструирования и' технологии, а с другой стороны выполнить исследовательские работы по и (учению физических и технологических фангторов, которые, по видимому, являются источниками флуктуации проектных параметров, не получивших еще достаточного объяснения. Системный анализ факторов, вызывающих не находящее объяснение расхождение между наблюдаемыми у инерциальных датчиков реальными метрологическими характеристиками и проектными значениями (например, т.н. "нулевой" сигнал у динамически настраиваемых гироскопах), проведённый в своё время в Государственной академии аэрокосмического приборостроения, показал, что одной из главных причин появления неформализованной составляющей результирующей погрешности измерений абсолютной угловой скорости для ДНГ являются изменения механических свойств материалов упругих подвесов чувствительных элементов под действием сил резания и Повышенной температуры в зоне обработки при формообразовании профилей.

Особенно заметными эти эффекты стали при проведении опытно-конструкторских рабог, участие в которых автор принимал в 1989-1992 годах, связанных с пропорциональной миниатюризацией некоторых типов ДНГ с упругим подвесам из традиционных сплавов с особыми упругими свойствами -углеродистых сплавов, инваров бериллиевых бронз. В результате экспериментов было установлено, что начиная с определенного уровня.

coorncrcrayiomcro гол'циме профилированных участков подвесов (h -параметр ~ ¡00 мкм), наблюдается отклонение реальной жёсткости от расчетной почти пропорционально отношению h к глубине слоя с пластически деформированной структурой (s - параметр), появляющейся после механической обработки этих участков. Этот вывод привёл к необходимости кардинального пересмотра традиционных методик расчёта упругих подвесок, к учёту в них ряда ранее игнорировавшихся масштабных факторов, в том число обусловленных h/S. По нашему мнению, начиная с некоторой толщины профиля (приблизительно 30 мкм) материал подвеса становится практически "вырожденным", поскольку при двустороннем фрезеровании пластически деформировенные поверхностные слои глубиной 5... 12 мкм практически стыкуются друг с другом,

Изменения структуры и ynpyi их свойств обрабатываемых участков носят двоякий характер. Во-первых, пластическая деформация структуры приводит к увеличению модуля Юнга сплавов в среднем на 10 % по сравнению с исходными заготовками. Во-вторых, из-за направленного воздействия сил резания происходит упорядочивание расположении кристаллов в деформированном слое, следствием чего становился упругая анизотропия свойств конструкционного материала. Образовавшаяся струю ура, обладая избыточным запасом потенциальной энергии н, следовательно, большими внутренними напряжениями, проявляет малозаметную устойчивую тенденцию к их релаксации, чг - приводит к необходимости регламентной калибровки датчиков даже в »словиях стационарного хранения, соответствующих техническим условиям. Специфической особенностью ДНГ является повышенный температурный режим работы упругих подвесов, связанный с диссипацией кинетической энергий внутренним трением н малой площадью поверхностен н сечений, ответственных за теплообмен. Нагрев профилированных участков (до 120...180 градусов по Цельсию, судя но результатам некоторых экспериментов) осуществляется наиболее напряжённым участком поперечного сечения (порядка 10 мкм). Этот участок, являясь по сути внутренним источником тепла, создаёт в упругих подвесах квазистационарное температурное ноле в течение всего времени работы датчика, вызывая постоянную эволюцию структуры и свойств конструкционного материала.

Цель работы. Определение степени влияния технологических факторов (механических воздействий при профилировании) на упругие характеристики (статическую жёсткость) подвесов приборов. Снижение трудоёмкости

регулнровочных операций и уменьшение неопределённости и сроках изготовления при борон указанного класса за счёт выбора режимов технологической обработки профилей подвесов, соответствующих минимальному отклонению статической жесткости упругих подвесов от их проектных значений..

Для достижения 'поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель для расчёта статической жёсткости упругих подвесов приборов, учитывающую изменения модулей упругости конструкционного материала в процессе технологической обработки. 2 Исследовать влияние технологической наследственности (изменения модулей упругости конструкционного материала) на статическую жёсткость упругих подвесов в процессе механической обработки профилей.

3. Экспериментально определить статическую жесткость упругих подвесов, прошедших механическую обработку с целью проверки результатов теоретических исследований.

4. Разработать методику расчёта режимов технологической обработки профилей подвесов с учетом заданной диаграммы жесткости и методики расчета статической жесткости упругих подвесов из изотропного и анизотропного конструкционных материалов.

Методы исследования. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлены применением математического аппарата, соответствующего решаемым задачам.

В теоретической части исследований была разработана математическая модель, представляющая собой системы дифференциальных уравнений, описывающие процессы пластической деформации и формирования текстуры в поверхностных слоях профиля подвеса и упругую деформацию подвесов при отсутствии и наличии упругой анизотропии конструкционного материала.

Интегрирование дифференциальных уравнений в частных производных было выполнено с помощью метода конечных элементов и реализовано в виде пакета прикладных программ для ПЭВМ.

Экспериментальные исследования включали в себя:

- изготовление опытной партии упругих подвесов;

- индивидуальное определение геометрических размеров профилированной части упругих подвесов опытной партии;

-7- измерение статическом жесткости упругих подвесов с помощью оптического гониометра.

Научная новизна диссертационной работы заключается з следующем: . Разработана математическая модель для расчета статической жёсткости упругих подвесов приборов, учитывающая изменения модулей упругости конструкционного материала и процессе технологической обработки. Предложенная математическая модель дополняет существующую модель погрешности упругих подвесов для указанного класса приборов и включает в себя вычислительные алгоритмы и программное обеспечение для расчёта статической жёсткости упругих подвесов. !. Проведено исследование влияния технологической наследственности (изменения модулей упругости конструкционного материала) на статическую жёсткость упругих подвесов в процессе механической обработки профилей. Полученные результаты позволяют снизить трудоёмкость регулировочных операций и уменьшить неопределённость и сроках изготовления приборов данного класса за счёт выбора режимов технологической обработки профилей подвесов, соответствующих минимальному отклонению статической жесткости упругих подвесов от их проектных значений. . Экспериментально определена статическая жесткость упругих подвесов, прошедших техно- -мическую (механическую) обработку фрезерованием. Полученные резулыа.ы подтверждают достоверность теоретических данных.

Прак-Ппсская ценность. В диссертационной работе были разработаны (стодики для проведения конструкторских и технологических расчетов на этапе роектировапия и изготовления упругих подвесов:

методика расчета и выбора режимов резания технологической операции фрезерования профилей упругих подвесов с заданной диаграммой жесткости; методика расчета статической жесткости упругих подвесов без учёта текстуры конструкционного материала;

методик;! расчёта статической жёсткости упругих подвесов с учётом текстуры конструкционного материала.

Рсзульташ работы также внедрены в учебный процесс ГААП. Материалы иссертации были использованы и лекционных курсах, лабораторном рактикуме, практических занятиях по специальности "Технологическое беспечеинс производства авиационных приборов и информационно-

вычислительных комплексов". Автор принимал участие в написании учебного пособия "Спецтехнология приборостроения".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- в процессе совместных работ при выполнении НИР в ЬИЛ-1 Государственной академии аэрокосмического приборостроения;

- ежегодно на заседаниях кафедры "Технологии авиаприборостроекия" Государственной академии аэрокосмического приборостроения (1992, 1993, 1994, 1995 гг.);

- на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (г. Москва 1994 г. МГАТУ им. 1С.Э. Циолковского).

Публикации. В процессе работы над диссертацией было опубликовано 6 работ: отчет по НИР, два доклада, учебное пособие, две статьи.

Структура и об'ьем диссертации. Диссертационная работа изложена на 235 страницах машинописного текста, иллюстрируется 21 рисунком на 20 страницах и 14 таблицами на 2! странице, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и одного приложения на 100 страницах.

Основные положения, представляемые к защите. "

1. Математическая модель для расчёта статической жёсткости упругих подвесов приборов, учитывающая изменения модулей упругости конструкционного материала в процессе технологической обработки, включающая систему дифференциальных уравнений для расчёта пластической деформации профиля упругого подвеса, систему уравнений для расчёта модулей упругости деформированного конструкционного материала и систему дифференциальных уравнений для расчёта статической жёсткости подвеса из упруго анизотропного материала.

2. Результаты исследований влияния технологической наследственности (изменения модулей упругости конструкционного материала) на статическую жёсткость упругих подвесов в процессе механической обработки профилей, позволяющие снизить трудоёмкость регулировочных операций и уменьшить неопределённость в сроках изготовления приборов данного класса за счёт

пмбора режимов технологической обработки профилей подвесов, соо! ветстпующих минимальному отклонению статической жесткости упругих подпесов о г их проектных значении. 3 Результаты экспериментального исследования статической жесткости опытной партии упругих подвесов, прошедших технологическую (механическую) обработку фрезерованием, подтверждающие достоверность теоретических данных. 1 Методики расчета режимов технологической обработки профилен подвесов с учетом заданной диаграммы жесткости и расчета статической жесткости упругих подвесов из анизотропного и изотропного конструкционных материалов для проведения технологических и конструкторских расчетов на этапе проектирования и изготовления упругих подвесов приборов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассматривается обзор литературных источников по вопросу сияния технологической наследственности на метрологические и кенлуатационные характеристики приборов с "упругими подвесами |увствительных элементов.

Раздел 1.1 агииает особенности проектирования и изготовления пругих подпесов прио^пов.

Ключевым понятием исследуемой в диссертации проблемы является онягие технологической наследственности, которой по определению проф. А. V. Маталина называется перенесение на готовое изделие в процессе его ■брабогки погрешностей, технических и физико-химических свойств исходной агогопки или свойств и «ргрешносгей, последовательно формирующихся у нее ри прохождении технологического маршрута. Это определение устанавливает ричииную связь между состоянием поверхностного слоя конструкционного атериада после обработки и степенью влияния видов и режимов механической брабожи на свойства готовых изделий - микрогеометрией, микротвердостыо, нубиион наклепа, величиной, знаком и глубиной распространения остаточных апряженнй и т. д.

В диссертационной работе под технологической наследственностью онпмаеюч совокупность изменений физико-химических свойств

конструкционного материала изделия, накопленных в ходе технологического процесса.

Такой взгляд на технологическую наследственность позволяет разделить вопросы, связанные с формообразованием заготовки, сохранением исходных свойств заготовки и конкретизацией видов технологических воздействий, выделяя в качестве главного признака изменение физических свойств конструкционного материала заготовки.

Исследовательские работы, направленные на создание и совершенствование приборов с упру| ими подвесами, качество которых соответствовало бы современному уровню и удовлетворяло бы сложному и противоречивому комплексу требований, в последние годы проводилось в следующих направлениях:

- разработка новых методик и проектирование конструкций приборов;

- создание материалов для упругих элементов с заданным сочетанием физико-механических свойств;

- разработка нового технологического оснащения для изготовления и контроля параметров упругих элементов малых сечений.

Раздел 1. 2 посвящен анизотропии упругих свойств пружинных сплавов.

Затрагивается вопрос взаимосвязи между симметрией кристалла и симметрией физических свойств. Приводится классификация упруго анизотропных тел с точки зрения эквивалентных направлений и плоскостей изотропии и даются формулы для расчета модулей продольной упругости и модулей сдвига, область применения которых ограничивается простейшими видами кристаллографической текстуры.

Природа возникновения упругой анизотропии материалов связана с особенностями их внутреннего строения. Тела с аморфной структурой или поликристаллы с равновероятным расположением кристаллитов и структурных элементов обычно не обнаруживают анизотропию механических свойств, в то время как материалы с закономерным внутренним строением, как правило, анизотропны (монокристаллы, поликристаллы с кристаллографической текстурой или геометрической направленностью структурных составляющих и включений).

В этом же разделе приводится описание различных упругой анизотропии, ее классификация, сопоставляются значения модулей упругости поликристаллических и монокристаллических материалов.

Раздел 1. 3 дает характеристику текстуры конструкционных материалов

упругих подвесов приГоров, выступающей в диссертации в качестве основного источника возникновения упругой анизотропии материала.

Отмечается, что методы управления развитием текстур представляют научный н практический интерес, а многочисленные попытки предсказать тип текстуры имели офаничемнын успех из-за сложности задачи, неоднозначности принимаемых допущений и отсутствия ряда необходимых количественных данных. Поскольку одним из основных технологических факторов, вызывающих формирование кристаллографической текстуры, является пластическая деформация, то в разделе рассматривается физическая природа взаимодействия процессов пластической деформации материала и образование в ней кристаллографической текстуры.

Основным рыводом по данной главе является то, что на сегодняшний день не существует сплавов, одновременно удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к упругим элементам (подвесам) приборов. Обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик упругих элементов (подоеслм) может быть достигнуто согласованным »управляемым изменениями физических свойств конструкционных материалов заготовок, наследуемыми в процессе се обработки.

П главе 2 рассматривается математическая модел'ь, описывающая влияние технологической нл^челственностн на статическую жесткость упругих подвесов динамически наст] <•• \о,мых гироскопов и маятниковых акселерометров.

В разделе 2. ; фи~;мотрены трн подхода к построению математической модели исследуемого оСьекта, основанные на применении аппарата макроскопической теории механики сплошных сред; теории микрополярных сред (сред Коссера); статистической механики сплошных сред.

Ограниченное число публикаций по вопросам математического моделирования процессов, исследуемой проблемы, затрудняют выбор подхода к построению математической модели исследования, его более глубокое и детальное обоснование.

Учитывая специфику технологических исследований - необходимость, моделирования нескольких физических процессов, Приближенный' харатер вычислений и их большой объем, следует считать целесообразным использование макроскопической теории механики сплошных сред, поскольку математические модели, построенные на ее основе: - являются хорошо разработанными и проверенными на практике;

- 12- построенные на их базе алгоритмы, имеют относительно невысокую трудоемкость при нахождении приближенных решении с помощью ЭВМ;

- обеспечивают требуемую степень приближения решаемой научной задачи.

К недостаткам подхода можно отнести:

- математические трудности получения точных аналитических решений для деформируемых тел со сложными геометрической формой и схсмой закрепления;

- высокую трудоемкость программной формализации алгоритмов приближенных методов решения.

В разделе 2. 2 приведены уравнения процесса пластического деформирования заготовк.ч. упругого подвеса при механической обработке профиля. Граничные условия соответствуют условиям схеме закрепления при фрезеровании профиля. Вид обработки определяет величину и направление механических усилий, действующих со стороны инструмента на заготовку, и условия закрепления ее в приспособлении. Выбор операции фрезерования является не требованием или ограничением применяемой математической модели, а вытекает 'из практики опытного производства чувствительных элементов приборов с упругим подвесом и условий проведения доступного эксперимента с целью использования одних и тех же исходных данных для измерения и для вычисления статической жесткости упругих подвесов.

В разделе 2. 3 приведены уравнения, описывающие процесс развития кристаллографической текстуры в конструкционном материале упругого подвеса при фрезеровании профиля. Аппарат теории текстурообразования позволяет по известному распределению значений тензора пластической деформации и распределению угловой ориентации отдельных кристаллитов определить модули упругости конструкционного материала в текстурнрованных слоях профиля упругого подвеса.

Раздел 2. 4 содержит уравнения, описывающие упругую деформацию подвеса, соответствующего условиям его эксплуатации в изделии. Принимаемые граничные условия вытекают из особенностей конструкции упругого подвеса, схемы его закрепления (условной схемы закрепления, т. к. упругий подвес и отдельные конструктивные компоненты чувствительного элемента изготавливаются из монолитной заготовки), массовой внешней нагрузки, эквивалентной действию гироскопического момента на чувствительный элемент динамически настраиваемого гироскопа или действию сил инерции на чувствительный элемент акселерометра. Полученные значения

упругих смещении упругого подвеса позволяют рассчитать величину его статической жесткости из анизотропного (текстурнрованного) и изотропного (не пекстурнровг.ншм'о) конструкционных материалов.

И^ЭЯеЛ рассматриваются вычислительные алгоритмы и инженерные методики расчета статической жесткости упругих подвесов динамически настраиваемых гироскопов и маятниковых акселерометров.

!3 разделе 3. 1 представлен алгоритм вычисления статической жесткости упругого подвеса без учета текстуры конструкционного материала. Алгоритм базируется на математической модели, приведенной в главе 2.

Дано обоснование применению метода конечных элементов для решения системы линейных дифференциальных уравнений в частных производных теории упругости, который имеет следующие преимущества перед конкурирующими методом конечных разностей и методом граничных элементов:

- хорошо зарекомендовал себя применительно к линейной теории упругости;

- мало чувствителен к ошибкам численной аппроксимации исследуемого

объекта;

- легко автоматизируется на ЭВМ;

- обеспечивает формальное соответствие между моделируемым!! физическими объектами (например, зернами поликристалла) и математическими объектами (конечными элементами аппроксимации).

Приведена структурная схема алгоритма, который является последовательно нисходящим и включает в себя 8 блоков.

Рассмотрена схема конечно-элементной аппроксимации упругого подвеса, соответствующая условиям задачи и алгоритм метода конечных •элементов для решения задач теории упругости.

Разработанное на базе алгоритма программное обеспечение приведено в приложении.

Раздел 3. 2 включает в себя описание алгоритма вычисления статической жесткости упругого подвеса с учетом текстуры конструкционного материала. Алгоритм базируется на математическом модели, приведенной в главе 2.

Расчет статической жесткости упругого подвеса построен на базе уравнений деформационной теории пластичности, теории текстурообразовання, линейной теории упругости. Для решения* системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных теории пластичности и системы линейных дифференциальных уравнений в частных производных

теории упругости использовалась конечно-элементная аппроксимация.

Приведена структурная схема алгоритма, который является последовательно нисходящим с одним внутренним циклом и включает 13 блоков.

Дано описание блоков алгоритма.

Разработанное на базе алгоритма программное обеспечение приведено в приложении к диссертации.

Разработанные в разделах 3. 1 и 3. 2 алгоритмы и программное обеспечение являются инструментом для проведения теоретических исследований, связанных с определением упругих характеристик подвесов приборов, для которых фактор влияния- технологической наследственности является значимым, а также для которых такое влияние отсутствует. Последнее обстоятельство позволяет сопоставить теоретические результаты исследований для случаев, учитывающих и не учитывающих фактор технологической наследственности, провести сравнительную количественную оценку степени влияния технологической наследственности на упругие характеристики подвесов приборов. •

Раздел 3. 3 содержит описание инженерной методики расчета режимов резания технологической операции фрезерования профилей упругого подвеса с заданной диаграммой жесткости.

Приведен алгоритм методики, который структурно относится к числу нисходящих алгоритмов с одним вложенным циклом и состоит из 11 блоков.

Методика позволяет провести расчет и выбор технологических параметров обработки профилей с учетом влияния технологической наследственности на упругие характеристики подвесов приборов.

В разделе 3. 4 представлена инженерная методика расчета статической жесткости упругого подвеса без учета текстуры конструкционного материала.

Приведен алгоритм методики, который структурно относится к числу нисходящих однопроходных алгоритмов и состоит из 4 блоков.

Отличительной особенностью данной методики является использование математического аппарата линейной теории упругости вместо расчетных методов сопротивления материалов. В этом случае жесткость вычисляется не как функция геометрических параметров упругого подвеса, а как функция упругих смещений краевой точки профиля, соответствующих условиям деформации подвеса при работе прибора.

В разделе 3. 5 инженерная методика расчета статической жесткости

упру г ого подвеса с учетом текстуры конструкционного материала.

Приведен алгоритм методики, который структурно относится к числу нисходящих однопроходных алгоритмов и состоит из 7 блоков.

Отличительной особенностью данной методики является использование математической модели, разработанной в данной диссертационной работе -учитывающей фактор технологической наследственности, образование и развитие кристаллографической текстуры в конструкционном материале подвеса, а также уравнений линейной теории упругости вместо уравнении теории сопротивления материалов. В этом случае жесткость вычисляется не как функция геометрических параметров упругого подвеса, а как функция упругих смешений краевой точки профиля, соответствующих условиям деформации подвеса при работе прибора.

Указанные методики позволяют без изменении использовать алгоритмы н программное обеспечение, разработанные в диссертационной работе.

Глаза 4 посвящена исследованию влияния технологической наследственности на статическую жесткость упругих подвесов динамически настраиваемых гироскопов и маятниковых акселерометров.

В разделе 4. 1 представлены результаты расчетов на ЭВМ значений статической жесткости упругих подвесов без уч.ета текстуры конструкционного материала. Вычисления проводились на ПЭВМ PC АТ-286 с помощью пакета прикладных программ, разработанного в системе программирования "TURBO PASCAL 6.0". Исходные тексты программ помещены приложение к диссертации.

Результаты вычислений статической жесткости упругих подвесов без учета текстуры конструкционного материала сведены в таблицу.

По приведенным данным построен график зависимости статической жесткости упругого подвеса без учета текстуры конструкционного материала от толщины профиля (см. рис. 2). График представляет собой монотонную неубывающую кривую, соответствующую повышению сопротивления подвеса упругой деформации при увеличении толщины центральной части профиля. Диапазон изменения значений статической жесткости составляет от 175315.34 до 182879.43 (Н мм)/Ы.

В разделе 4. 2 представлены результаты расчетов на ЭВМ значений статической жесткости упругих подвесов с учетом текстуры конструкционного материала. Вычисления проводились на ПЭВМ PC АТ-286 с помощью пакета прикладных программ, разработанного в системе программирования "TURBO

РАБСЛЬ 6.0". Исходные тексты программ пометены приложение к диссертации.

Приведен расчет значений поверхностной нагрузки с учетом исходных данных, заимствованных из эксперимента (см. глава 5). Результаты вычисления усилии резания при фрезеровании профилей помешены в таблицу.

По результатам вычислений статической жесткости упругих подвесов с учетом текстуры конструкционного материала построен график зависимости статической жесткости упругого подвеса г. учетом текстуры конструкционного материала от толщины профиля (см. рис. 2) и график зависимости модуля сдвига конструкционного материала упругого подвеса от толщины профиля при различных технологических нагрузках. , .

Из рисунка 2 видно, что зависимость статической жесткости упругого подвеса с текстурой от толщины профилированного участка имеет нелинейный и немонотонный характер. На кривых наблюдается несколько локальных экстремумов. Диапазон изменения значений сгашческой жесткости составляет ог 186031.06 до 200330.82 (Н мм)/п.<3.

Диапазон изменения значений модуля сдвига составляет от 68626.34 до 74401.50 Н/(мм мм).

Представленные на рис. 2 зависимости являются основным результатом теоретических исследований данной диссертационной рабош Они показывают, что в указанном диапазоне толщин профиля статическая жесткость упругих подвесов с текстурой конструкционного материала превышают статическую жесткость не текстурировапных упругих подвесов на 2... 13 %, подтверждая гипотезу о влиянии технологической наследственности па упругие характеристики подвесов приборов.

В разделе 4. 3 рассматривается погрешность вычисления статической жесткости упругих подвесов с текстурой конструкционного материала. Эга величина для не текстурнро'ванных упругих подвесов входит составной частью в погрешность вычисления статической жесткости упругих подвесов с текстурой конструкционного материала.

Погрешность включает четыре составляющие:

- погрешность округления (инструментальная составляющая),

- погрешность вычисления тензора пластической деформации (методическая составляющая);

- погрешность вычисления модулей упругости конструкционною материала с текстурой (методическая составляющая);

Рис. 2. Графики зависимости статической жесткости упругого подвеса с учетом и без учета тексгуры конструкционного материала от тогацины профиля при различных технологических нагрузках (теория)

- 18- погрешность вычисления упругих смещений подвеса в процессе его . деформации при работе прибора (методическая составляющая).

Раздел содержит расчет погрешности округления.

Погрешность вычисления тензора пластической деформации была определена в процессе численного моделирования при выполнении условия достижения точности в метоле дополнительных нагрузок и составляет 6 %.

. Погрешность вычисления модулей упругости конструкционного материала с текстурой была рассчитана в процессе численного моделирования и составила 2.5...4 %.

Погрешность вычисления упругих смещений подвеса в процессе его деформации при работе прибора была определена по косвенным данным и составила 0.8... 1.2 %.

Таким образом, величина относительной погрешности вычисления статической жесткости упругих подвесов с учетом текстуры конструкционного материала составит й первом приближении 9.5... 11.4 "о. Поскольку расхождение между значениями статической жесткости подвесов с учетом и без учета текстуры конструкционного материала изменяется от 2 до 13 % при поле допуска на нее 9.5...11.4 %, то можно сделать вывод, что часть полученных результатов является значимой и позволяет с помощью разработанной математической модели количественно оценить влияние технологической наследственности на упругие характеристики подвесов указанного класса приборов.

В главе 5 рассматривается экспериментальное определение статической жесткости упругих подвесов динамически настраиваемых гироскопов и маятниковых акселерометров, прошедших механическую обработку.

Раздел 5. I. содержит план проведения эксперимента но определению статической жесткости упругих подвесов контрольной парши образцов, приводятся характеристики устройства для измерения линейных размеров подвесов.

Результаты измерения статической жесткости упругих' подвесов контрольной партии из 300 образцов, которые разбиты на 30 серий (групп) по 10 деталей в каждой и затабулированы. Там же находятся значения погрешности измерения статической жесткости упругих подвссов.

Измеренные значения статической жесткости лежат в диапазоне от 180267.31 до 269413.76 (H мм)/гасГ Погрешность измерения составляет 5. .8 % от значения статической жесткости подвеса.

В отделе 5. 2. изложена методика измерения статической жесткости упругих подвесов контрольной партии образцов. Для оценки равноточностн измерений в методике используется метод Романовского. Критическая область измеряемых значений определяется по критерию Греббса.

Полученные значения статической жесткости упругих подвесов контрольной партии расходятся с Теоретическими данными на величину порядка 5...30 % от вычисленных значений. С учетом погрешностей вычисления (8. .10 %) и измерения (5...8 %) расхождение значений статической жесткости упругих подвесов с текстурой конструкционного материала составило ¡8...48 %.

Указанную величину можно считать приемлемой для первого приближения решаемой задачи и, следовательно, значимой с точки зрения достоверности полученных теоретических результатов.

Основные результаты и выводы. Решаемая в диссертационной работе задача исследования влияния технологической наследственности на упругие характеристики подвесов датчиков параметров движения (динамически настраиваемых гироскопов и маятниковых акселерометров) представляет собой получение в первом приближении количественной оценки степени влияния усилий резания при фрезеровании профиля упругого подвеса на его статическую жесткость, сопоставление значений статических жйстокостей упругих подвесов, прошедших различную обработку, сопровождающуюся и не 'сопровождающуюся пластическим деформированием заготовки.

В качестве основного технологического фактора влияния в первом приближении было принято усилие резания, действующее со стороны ■ инструмента на заготовку в процессе формообразования профиля. Такие факторы как температура обработки, применение смазочно-охлаждающих жидкостей, вибрационные воздействия на заготовку, применяемый инструмент и другие в рассмотрение не принимались. Акцент был сделан на механообработку - наиболее распространенную технологическую операцию в приборостроительном производстве.

В диссертационной работе математическая связь между технологическими воздействиями и упругими свойствами -конструкционного материала подвеса и далее с его статической жесткостью, была получена с п'омощыо математического аппарата теории пластичности, теории текстурообразовання и теории упругости. Альтернативными подходами к

построению математической модели являются применение теории микрополярных сред (сред Коссера) и статистической механики сплошных сред.

Выбор макроскопической теории механики сплошных сроч в качестве основы ддя построения математической модели связан со следующими обстоятельствами:

- хорошей разработанностью и практической эффективностью;

- построенные на основе ее уравнений алгоритмы имеют относительно невысокую трудоемкость при нахождении приближенных решений на ЭВМ;

- обеспечением требуемой степени приближения решаемой научной задачи.

Алгоритмическая реализация модели базируется на приближенном методе решения систем линейных и нелинейных уравнений в частных производных - методе конечных элементов в изопараметрической постановке, который обладает рядом преимуществ перед конкурирующими методом конечных разностей и методом граничных элементов:

- хорошо зарекомендовал себя при решении задач линейной теории упругости;

- является мало чувствительным к ошибкам численной аппроксимации исследуемого объекта;

- обеспечивает формальное соответствие между моделируемыми физическими объектами (например, зернами поликристалла) и математическими объектами (конечными элементами аппроксимации).

В процессе теоретических исследований были получены следующие результаты:

- определены значения статической жесткости упругих подвесов без учета текстуры конструкционного материала; они лежат в диапазоне 01 175315.34 до 182879.43 (Н мм)/гас1;

- определены значения' модуля упругости конструкционного материала упругих подвесов с текстурой; они лежат в диапазоне от 68626.34 до 74401.50 Н/(мм мм), соответствующие различным усилиям резания;

- определены значения статической жесткости упругих подвесов с учетом текстуры конструкционного материала; они лежат в диапазоне от 186031.06 до 200330.82 (Н мм)/га<1, соответствующие различным усилиям резания.

В рамках диссертационной работы были проведены экспериментальные исследования влияния технологической наследственности на упругие характеристики подвесов датчиков параметров движения (динамически настраиваемых гироскопов и маятниковых акселерометров), которые включали

в себя:

- изготовление контрольной партии упругих подвесов фрезерования профилей;

- измерение линейных размеров упругих подвесов контрольной партии;

- измерение статической жесткости упругих подвесов контрольной партии.

Была разработана методика измерения статической жесткости упругих подвесов, которая представляет собой статический метод измерения угловых положений недвижной части подвеса относительно неподвижной. В качестве измерительного устройства использовался опти ческий гониометр и специально разработанная для этой цели измерительная оснастка.

В процессе исследования были получены значения статической жесткости контрольной партии упругих подвесов, прошедших технологическую обработку фрезерования профилей; они лежат в диапазоне от 180267.31 до 269413.76 (Н мм)/гас!, соответствующие различным усилиям резания;

Представленные выше данные являются основным результатом исследований. Они показывают, что в указанном диапазоне толщин профиля статическая жесткость упругих подвесов с текстурой конструкционного материала превышают статическую жесткость не текстурированных упругих подвесов на 2... 13 %, с учетом погрешности вычисления эти величины уменьшатся до 0...3 %, оставаясь тем не менее значимыми и подтверждая чтогезу о влиянии технологической наследстоенностн на упругие сарактеристики подвесов приборов.

Полученные значения статической жесткости упругих подвесов контрольной партии расходятся с теоретическими данными на величину юрядка 5...30 % от вычисленных значений. С учетом погрешностей (ычислення (8... 10 %) и измерения (5...8%) расхождение значений статической кесткости упругих подвесов с текстурой конструкционного материала составит 8...48 %. Указанную величину можно считать приемлемой, для первого рнближения решаемой задачи и, следовательно, значимой с точки зрения остоверности полученных теоретических результатов.

Практические результаты работы над диссертацией представляют собой: инженерную методику расчета и выбора режимов резания технологической операции фрезерования профилей упругого подвеса с заданной диаграммой жесткости;

инженерную методику расчета статической жесткости упругого подвеса без учета текстуры конструкционного материала;

инженерную методику расчета статической жесткости упругого подвеса с

учетом текстуры конструкционного материала;

На основании представленных выше результатов исследования можно заключить, что степень влияния усилий резания, действующих на заготовку в процессе технологической (механической) обработки профиля, нп изменение статической жесткости упругих подвесов, заданных формы и размеров, является значимой и требует учета технологических (¡¡акторов влияния в процессе проектирования и изготовления датчиков параметров движения указанных классов.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Разработка и исследование датчика угловой скорости на базе РВГ. 14, 12. 89; № ГР УЗ5664; Ленинград, 1089.68 е.;

2. Окин А. Б., Павлова А. В., Филонов О. М. Спецтехнология производства гироскопических приборов и систем: учебное пособие/ ЛИАП. СПб., 1991. 68

3. Электромеханика ' и приборостроение. Межвузовский сборник научных трудов. Издательство Казанского университета. Казань. 1994. 310 с;

4. Окин А. Б. Об одной задачи теории пластичности: Сб. науч. ст./ СПб ГААП, СПб., 1996;

5. Окин А. Б. Исследования влияния техноло! ч<джой наследственности на упругие характеристики подвесов динамически настраиваемых гироскопов/ Тезисы доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии". Изд-во МГАТУ им. К. Э. Циолковского. Москва, 1994. с. 13;

6. Киршина И. А., Окнн А. Б., Филонов О. М. Метод измерения статической неуравновешенности роторов динамически настраиваемых гироскопов с упругим подвесом/ Тезисы доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии". Изд-во МГАТУ им. К". Э. Циолковского. Москва, 1994. с. 12.