автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и создание диагностического информационно-измерительного комплекса для исследования динамики движения ленточного носителя информации

Ижевский государственный технический университет

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ ЛЕНТОЧНОГО НОСИТЕЛЯ ИНФОРМАЦИИ

Специальности:

05.11.16 - «Информационно-измерительные системы (в науке и промышленности)»

05.02.19. - «Экспериментальная механика машин»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный изобретатель Российской Федерации, д.т.н., профессор В.Е.Лялин

Ижевск - 1999

Оглавление

Стр.

Список обозначений и сокращений 4

Введение 5

Глава 1. Обзор и постановка задач исследований 9

1.1. Общие сведения о регистраторах информации 9

1.2. Анализ возмущений ленточного носителя в МТЛ 11

1.3. Обзор работ по построению математических моделей

участков тракта МТЛ 14

1.4. Обзор методов контроля, измерения и диагностики

динамики МТЛ 16

1.5. Постановка задач исследований 22

Глава 2. Математическое моделирование участков ленточных

носителей 24

2.1. Анализ "трехзвенных" реологических моделей 24

2.2. Расчет колебаний и деформаций ленточного носителя, идентифицированного трехзвенной"стандартной" моделью 30

2.3. Анализ планарных колебаний ленты, идентифицирЪванной моделью Пойтинга-Томсона 37

2.4. Вероятностная модель участка ленточного носителя, находящегося под воздействием случайной нагрузки 40

2.5. Выводы 48

Глава 3. Технические средства диагностики механизмов транспортирования

ленты 50

3.1. Способ и устройства для измерения деформации ленточного

носителя 50

3.2. Способ и устройства для измерения перекоса ленточного носителя 64

3.3. Устройство для измерения скорости движения ленточного носителя 68

3.4. Устройства для измерения параметров движения ленточного носителя 72

3.5. Выводы 78 Глава 4. Анализ и расчет погрешностей измерений .79

4.1. Анализ погрешностей в косвенных измерений 79

4.2. Оценка погрешностей экспериментальных измерений параметров движения ленточного носителя 82

4.3. Анализ чувствительности относительно измеряемых

параметров 89

4.4. Выводы 91

Глава 5. Устройства для регистрации информации с компенсацией

дестабилизирующих факторов 93

5.1. Регистрирующее устройство 93

5.2. Натяжное устройство для передач с гибкой связью 95

5.3. Лентопротяжный механизм 102

5.4. Выводы 106 Заключение 107 Список литературы 110 Приложения 122

Список обозначений и сокращений

£ - деформация;

М- - параметр Ламе;

Р - параметр преобразования Лапласа

а - напряжение;

(0 - круговая частота;

Е - динамический модуль упругости;

Н - статический модуль упругости;

К - радиус;

Ун - скорость движения носителя;

V - скорость движения луча;

Т - период времени;

Апр - продольная деформация;

Ап -Поперечная деформация;

ЗУ - запоминающее устройство;

МТЛ - механизм транспортирования ленты;

ПВИК - преобразователь временного интервала в код;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ПЭ - пишущий элемент;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЦМД - цилиндрические магнитные домены;

ЭЛТ - электронно-лучевая трубка.

Введение

Информационная техника имеет колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества. Она решает огромный круг задач, связанных главным образом со сбором, переработкой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации.

По существу, ни одно экспериментальное научное исследование, ни один процесс производства не может обойтись без измерений в той или иной форме. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения, что без должного развития методов и средств измерения невозможен прогресс науки и техники. Потребности в новых видах информационной техники растут очень быстро, ставя все новые задачи. Огромное поле для приложения измерительных информационных систем представляют комплексные испытания машин, механизмов, приборов и оборудования.

Развитие современной науки и техники предъявляет высокие требования к совершенствованию устройств и способов отображения информации. Созданы различные магнитные, ферромагнитные, электрохимические, электростатические, оптико-электронные и другие регистраторы информации. При этом особое внимание обращается на такие важные факторы, как точность и качество отображения, разрешающая способность, ширина спектра записываемой информации, быстродействие, информативная емкость регистратора. Активно ведутся работы по изысканию принципиально новых способов записи и считыванию аналоговой и цифровой информации, полутоновых изображений.

Любой регистратор структурно включает динамические системы формирования и отображения информации, механической развертки носителя информации. Последняя динамическая система, включающая механизм транспортирования ленты (МТЛ) с электроприводом, в большой мере определяет точность и качество записи-воспроизведения информации.

Возрастающие требования к точности и техническому состоянию регистраторов информации обуславливают необходимость разработки и

создания информационно-измерительных средств для исследования динамики движения различных типов ленточных носителей, обладающих более высокой точностью, быстродействием и разрешающей способностью измерения. Основным отличием МТЛ является то, что они представляют собой механические системы, содержащие твердые тела, соединенные гибкой связью (лентой). Некорректный выбор конструктивных параметров, применение недостаточно точного технологического оборудования, воздействие внешних возмущений приводит к тому, что транспортируемая лента подвержена вибрациям, перекосам, деформациям, проскальзыванию носителя, что существенно снижает динамическую точность МТЛ в целом, так как ведет к помехам, которые обычно рассматриваются как мультипликативные, влекут временные ошибки, что особенно существенно при многоканальной записи информации.

Несмотря на широкое применение МТЛ и наличие исследований по анализу и синтезу их динамических характеристик, методы динамического расчета колебаний и деформаций ленточного носителя с учетом распределенности его параметров развиты недостаточно.

В связи с процессом микроминиатюризации и увеличением продольной и поперечной плотности записи информации необходимо учесть распределенность параметров ленточного носителя, так как инерционные свойства ленты становятся соизмеримыми с инерционными свойствами других элементов тракта в МТЛ.

Для проведения динамического анализа на стадии проектирования необходимо принять во внимание, что при вынужденных случайных возмущениях в ЛПМ возникают стохастические колебания и встает актуальная задача определения колебаний и деформаций ленточного носителя при действии случайной нагрузки.

Цель работы - разработка и создание диагностического комплекса информационно-измерительных средств для исследования динамики движения носителя в механизмах транспортирования ленты, включающая решение следующих задач:

- проведение исследований вынужденных продольных и планарных колебаний участка ленточного носителя под воздействием продольной нагрузки с учетом распределенности параметров, получение аналитических выражений для напряженно-деформированного состояния ленты;

- проведение исследований продольных стохастических колебаний участка ленточного носителя, находящегося под воздействием возмущений, которые рассматриваются как стационарный случайный процесс;

разработка комплекса информационно-измерительных средств, позволяющих проводить измерения динамических деформаций, перекосов и скорости движения различных типов ленточных носителей с более высокой точностью измерения за счет увеличения разрешающей способности, одновременного измерения нескольких параметров движения и сокращения времени измерения;

- определение погрешностей экспериментальных измерений и оценка чувствительности относительно измеряемых параметров;

- создание оригинальных технических решений, направленных на коррекцию влияния возмущений, вызванных конструктивными и технологическими погрешностями при создании МТЛ;

внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработанных информационно-измерительных средств при создании комплекса аппаратуры для геофизических исследований скважин и средств диагностики используемых регистраторов.

Методы исследования. Установление реологических моделей участков ленточных носителей осуществлено на основе методов теории упругости и пластичности. Теоретические исследования базируются на основах теории колебаний, математического моделирования систем с распределенными параметрами, корреляционной теории стационарных случайных функций.

Разработка информационно-измерительных средств, механизмов транспортирования ленты проводилась на основах теории измерения электрических и механических величин, теории точной магнитной записи, теории механизмов и машин, теории электростатики и электродинамики.

Оценка погрешностей измерений основана на теории точности измерительных систем.

Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст изложен на 121 странице, рисунков 37, таблиц 3, список литературы включает в себя 122 наименования.

Содержание работы по главам:

- в первой главе приведены общие сведения об электронно-лучевых, электрохимических, электростатических, электромагнитных и других регистраторах информации, дан анализ дестабилизирующих факторов, влияющих на стабильность движения ленточного носителя информации, рассмотрены работы по построению математических моделей участков тракта МТЛ, классифицированы способы и устройства для измерения перекосов, деформаций и скорости движения ленты, поставлены задачи исследований;

- во второй главе проведены теоретические исследования и расчет вынужденных продольных и планарных колебаний ленточного носителя, находящегося под воздействием возмущений, построена вероятностная модель участка ленточного носителя, находящегося под воздействием случайной нагрузки;

третья глава посвящена разработке и созданию комплекса информационно-измерительных средств для определения параметров движения ленточного носителя, рассмотрены оригинальные способы и устройства для измерения динамических перекосов, деформаций и скорости движения ленты;

- в четвертой главе проведены анализ и расчет погрешностей измерений параметров движения ленточного носителя, определены функции чувствительности относительно измеряемых параметров;

- разработанные механизмы транспортирования ленты с компенсацией дестабилизирующих факторов, влияющих на динамику движения ленточного носителя, приведены в пятой главе работы.

В заключении проанализированы результаты работы.

Глава 1. Обзор и постановка задач исследований

В главе рассмотрены исследования по разработкам в области создания информационно-измерительных средств для исследования динамической точности транспортирования ленточного носителя информации. Даны общие сведения о регистраторах информации. Приведен анализ дестабилизирующих факторов, которые оказывают существенные влияния на точность регистрации информации. С целью исследования динамических свойств МТЛ рассмотрены работы по построению математических моделей участков тракта МТЛ. Дан обзор методов контроля, измерения и диагностики динамики МТЛ. На основании этого выявлены проблемы и задачи, которые требуют своего решения для дальнейшего совершенствования регистраторов информации.

1.1. Общие сведения о регистраторах информации

При регистрации аналоговой информации в большинстве случаев используются свойства изменения состояния носителя информации под влиянием внешних механических, электромагнитных, тепловых и других воздействий.

В информационно-измерительной технике большое применение, помимо разнообразных самописцев, имеют светолучевые и электронно-лучевые осциллографы [120] с регистрацией на фоточувствительных материалах. Отечественные светолучевые осциллографы типов Н700, Н010М, Н017 и др. позволяют регистрировать со статической погрешностью до 2% от 3 до 50 величин, имеющих частотный диапазон от 0 до 30 кГц. Электронно-лучевые осциллографы Н023, Н040 имеют полосу частот до 1000 кГц. Существуют светолучевые осциллографы типов Н115.Н117 и др. с ультрафиолетовой записью на бумагу типа УФ, не требующей химического проявления, а также с записью электрографическим способом (Н009,Н001 и др.). Применяются электронно-лучевые осциллографы с электростатической записью, обладающей, по сравнению с фотографической записью, некоторыми преимуществами,

связанными с упрощением условий хранения и способов отображения записанной информации [106].

Ввиду относительно невысокого быстродействия электрографические, термоэлектрические, электрохимические регистраторы находят применение в специализированных измерительных информационных системах и графических устройствах отображения информации [100,110].

Весьма широкое применение в измерительных информационных системах имеет электромагнитная регистрация, часто используемая для оперативной памяти. Для регистрации непрерывных величин в качестве носителей информации используются ленты с ферромагнитным покрытием (ширина 3,8; 6,35; 12,7 и др.), стальная лента (толщиной до 0,05 мм) и проволока [66,76,119]. Последние позволяют резко повысить плотность регистрации по сравнению с пленками, имеющими ферромагнитное покрытие. Существуют и активно развиваются способы записи высокой плотности с помощью лазерного луча [59].

Для записи и хранения кодоимпульсных сигналов в измерительных информационных системах широко используются электромагнитные, полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ), голографические ЗУ и ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) [40,118].

Магнитные ленты имеют длину до 750 м, продольную плотность записи до 1кбит/мм, ширину дорожки примерно 1 мм, емкость 10 Гбит, скорость записи от 1 до 10 м/с, время пуска и остановки 5-10 мс, время поиска информации-десятки секунд [46].

Все более широкое применение в информационно-измерительной технике получают регистраторы с вращающимися магнитными головками. Это объясняется тем, что поверхностная плотность этих устройств во много раз превосходит поверхностную плотность при традиционной записи с помощью неподвижных головок [59,76].

ЗУ на магнитных дисках (МД) имеют емкость от 10 Мбит до 100 Гбит, количество дисков несколько десятков, число дорожек на диске до нескольких

сотен. Коммутация дорожек в них производится путем перемещения магнитных головок с цифровым управлением [40,101,118].

Ферритовые ЗУ имеют емкость порядка 10 Мбайт, малое время записи и выборки (5-10 мкс). Полупроводниковые ЗУ имеют относительно невысокие емкости и высокое быстродействие (время записи и выборки примерно 0,1 мкс) [64,118].

1.2. Анализ возмущений ленточного носителя в МТЛ

От качества изготовления и технического состояния МТЛ зависит точность и достоверность переработки различного рода информации, записанной на ленточный носитель. Одним из решающих факторов при этом является качество функционирования движущихся механизмов, недостаточное совершенство которых не позволяет удовлетворить все возрастающие требования к объемной плотности, оперативности и надежности регистрации информации.

Погрешности конструирования и производства МТЛ, а также воздействие внешних возмущений приводит к возникновению колебаний ленточного носителя, которые сильно влияют на точность записи-воспроизведения информации [55,89,90,92].

В процессе транспортирования лента может совершать продольные, поперечные и перпендикулярные колебания. Кроме того, возможны крутильные колебания вокруг трех осей в пространстве и динамические перекосы [50,59,83]. Причин этому несколько. Одна - сабельность ленты, когда она из-за своей искривленности не может двигаться в одной плоскости, параллельной плите МТЛ; другая - неперпендикулярность элементов тракта направлению движения ленты, причем неперпендикулярность вращающихся элементов МТЛ может быть переменной функцией угла поворота. Примером молсет служить ролик, у которого ось вращения выполнена под углом к образующей цилиндрической поверхности. Сочетание набора такого рода возмущающих факторов могут быть самыми разнообразными.

В неблагоприятных случаях лента приобретает тенденцию прижиматься к какой-либо реборде, наползать на нее и даже деформироваться в точке контакта с ребордой. Реборды эффективно удерживают ленту до тех пор, пока ее упругих свойств хватает для компенсации сил «увода». В нормальном режиме лента имеет тенденцию перемещаться в пределах зазора, предусмотренного конструкцией, вызывая динамический перекос [47,50,115].

Все вышеуказанные перемещения ленты являются нежелате�