1
Содержание:
Введение……………………………………………………………………стр. 2
1.
Обоснование схемы гиростабилизатора, выбор типа чувствительного
элемента…………………………………………………………….стр. 3
2.
Принцип работы прибора (один канал)…………………………..стр. 7
2.
Обоснование конструкции прибора………………………………стр. 9
3.
Выбор опор, двигателя стабилизации, датчика команд,
преобразователя координат, типа и количества токоподводов по оси
платформы………………………………………………………….стр. 13
4.
Расчет возмущающих моментов по оси стабилизации………….стр. 16
5.
Описание чувствительного элемента и его основных погрешностей
……………………………………………………………………….стр. 28
6.
Расчет устойчивости гиростабилизатора. Синтез регулятора..…стр. 34
7.
Расчет точности гиростабилизатора………………………………стр. 45
- статические ошибки
- динамические ошибки
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Выбор организационной формы сборки внутренней рамы……..стр. 49
2. Технологический процесс и схема сборки………………………..стр. 50
3. Расчет технологичности конструкции…………………………….стр. 54
4. Расчет размерной цепи……………………………………………..стр. 57
Заключение
Список использованной литературы.
2
Введение
На гироскопические приборы и системы возлагаются сложные задачи
по стабилизации и управлению специальными бортовыми приборами
(приборы инерциальной навигации, антенны бортовых радиолокационных
станций, чувствительные элементы пеленгаторов, координаторы цели,
аэрофотоаппараты и др.). Известно, что ось гироскопа в кардановом подвесе,
установленного на борту летательного аппарата, в течение длительного
времени сохраняет почти неизменное направление в пространстве. Однако
несовершенство элементов конструкции и тяжелые условия эксплуатации
порождают значительные моменты внешних сил, действующие на гироскоп
и
отклоняющие
ось
вращения
его
ротора,
а
следовательно
и
стабилизируемую ось от заданного направления в пространстве. Требования
высокой точности стабилизации приборов бортовых систем привели
к
необходимости создания гироскопических стабилизаторов.
Гироскопический стабилизатор с высокой точностью удерживает
платформу вместе со стабилизируемым объектом на заданных направлениях
в пространстве. В отличии от гироскопов в гиростабилизаторах моменты
внешних
сил,
действующие
на
стабилизируемую
платформу,
уравновешиваются не только гироскопическим моментом, но также и
моментом, развиваемым двигателем следящей системы или разгрузочного
устройства, снижающим собственную скорость прецессии гироскопов.
Одно из применений гиростабилизатора – получение на летательном
аппарате (ЛА) информации, необходимой для его наведения на объект
наведения (ОН) или объект пеленгации (ОП). Для этого гиростабилизатор
используют в совокупности с координатором цели. Под координатором
понимают любое пеленгационное устройство (тепловое, оптическое, антенну
и др.). Назначение гиростабилизатора — стабилизация координатора
(размещенного на стабилизированной платформе таким образом, чтобы ось
3
его
равносигнальной
зоны
была
параллельна
вектору
собственного
кинетического момента гироскопа), измерение углов отклонения платформы
от направления на ОП, а также, измерение абсолютной угловой скорости
линии визирования ωл.в .
1. ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРА, ВЫБОР ТИПА
ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА.
По
количеству
степеней
свободы
платформы
в
пространстве
гиростабилизаторы делятся на:
b) одноосные гиростабилизаторы;
c) двухосные гиростабилизаторы;
d) трёхосные гиростабилизаторы.
По роли гироскопа в процессе стабилизации гиростабилизаторы делятся
на:
a) cиловые;
b) индикаторно-силовые;
c) индикаторные.
Силовые гиростабилизаторы
Примером силового гиростабилизатора может служить трёхстепенной
гироскоп с системой разгрузки. При приложении внешнего момента к
платформе
трёхстепенной
гироскоп,
прецессируя,
противодействует
внешнему моменту, отклонение гироблока измеряется датчиком угла (ДУ) и
подаётся на систему разгрузки, которая в дальнейшем компенсирует
внешний момент.
Преимущества силовых гиростабилизаторов:
a) низкие требования к системе разгрузки (допускается релейный
закон разгрузки)
4
b) малая динамическая ошибка, так как трёхстепенной гироскоп
следит за моментом внешних сил
Недостатки силовых гиростабилизаторов:
a) низкие скорости управления, так как управление осуществляется
путём подачи сигналов на датчики момента (ДМ), заставляя гироскоп с
большим кинетическим моментом прецессировать
b) для стабилизации массивных объектов требуется большой
кинетический момент и, как следствие, увеличение габаритов и массы
гиростабилизатора.
Индикаторно-силовые гиростабилизаторы
В этих гиростабилизаторах гироскопический чувствительный элемент
оказывает слабое силовое воздействие на платформу, так как он используется
как информационный датчик (индикатор). Обычно в роли чувствительного
элемента применяют поплавковые интегрирующие гироскопы (ПИГ) из-за
маленькой собственной скорости прецессии. При приложении внешнего
момента к платформе, прецессируя, гироскоп немного сопротивляется
внешнему моменту. При этом отклонение гироблока пропорционально углу
поворота платформы, оно измеряется датчиком угла (ДУ) и подаётся на
систему стабилизации, которая компенсирует внешний момент.
Преимущества индикаторно-силовых гиростабилизаторов:
a) небольшая скорость прецессии платформы из-за особенностей
подвеса ПИГ
b) небольшие габариты ПИГ, так как он слабо участвует в силовом
воздействии на платформу
c) большие скорости управления.
Недостатки индикаторно-силовых гиростабилизаторов:
5
a) повышенные требования к системе стабилизации (жесткость
механических цепей, отсутствие люфтов, линейный усилитель без
запаздывания)
b) высокая
чувствительность
к
изменениям
температуры
(необходима точная система термостатирования).
Индикаторные гиростабилизаторы
В этих гиростабилизаторах гироскопический чувствительный элемент не
оказывает силовое воздействие на платформу, он используется только как
информационный датчик (индикатор). В роли чувствительных элементов
применяют трёхстепенные гироскопы с внешним карданным подвесом, с
внутренним карданным подвесом (ДНГ или ГВК), бескарданные (МГТУ,
БГТУ), лазерные гироскопы и другие гироскопические датчики. При
приложении
внешнего
момента
к
платформе
она
двигается
как
негироскопическое тело, отклонение платформы измеряется чувствительным
элементом
и
пропорциональный
ему
сигнал
подаётся
на
систему
стабилизации, которая компенсирует внешний момент.
Преимущества индикаторных гиростабилизаторов:
a) небольшая скорость прецессии платформы, так как гироскоп,
являясь индикатором, слабо участвует в силовом воздействии на
платформу;
b) большие скорости управления из-за малости кинетического
момента.
Недостатки индикаторных гиростабилизаторов:
a) повышенные требования к системе стабилизации (жесткость
механических цепей, отсутствие люфтов, линейный усилитель без
запаздывания)
b) большие динамические ошибки из-за того, что индикатор
“следит” за перемещением платформы, а не за возмущающим моментом.
6
Выбор
схемы
гиростабилизатора
обусловлен
его
назначением,
спецификой его работы, а также габаритами изделия.
Назначение проектируемого прибора – стабилизация и управление
координатором цели и выдача углов курса, тангажа и крена ЛА в полетной
системе координат.
Параметры движения объекта, на котором установлен прибор:
- диапазон углов поворота объекта в полетной системе координат:
курс:
35 град,
тангаж: 35 град,
крен:
35 град;
- угловые колебания: 5 град на частоте 1 Гц.
Механические воздействия на прибор:
- вибрация в диапазоне частот 10-2000 Гц с ускорением 49 м/с²
(5g),
-
ударные нагрузки с ускорением 25g и длительностью импульса
50-100мс,
-
линейные ускорения до 98 м/с² (10g) по трем осям.
Климатические воздействия на прибор:
Температура окружающей среды от -60ºС до +70ºС при атмосферном
давлении от 760 мм Hg до 450 мм Hg.
Следовательно, необходимо обеспечить стабилизацию по трем осям,
высокую скорость управления и точность гиростабилизатора при небольших
габаритах и массе, устойчивостью к температурным изменениям и
механическим воздействиям. Исходя из этого в данном проекте выбрана
схема трехстепенного индикаторного гиростабилизатора.
7
Значительную роль в работе гиростабилизатора играет чувствительный
элемент, т.к. в большой степени параметры всего прибора зависят от его
характеристик. Необходимо обеспечить следующие параметры:
1. время готовности: не более 8 мин;
2. систематическая составляющая собственного ухода платформы:
менее 0,1 º/мин;
3. скорость управления: 5 º/сек.
Исходя из этих параметров ГС в качестве чувствительного элемента
выбран динамически настраиваемый гироскоп ГВК-6. Более подробная
информация о чувствительном элементе изложена в пункте 6 – “Описание
чувствительного элемента и его основных погрешностей”.
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРИБОРА (ОДИН КАНАЛ)
Рассмотрим принцип работы прибора подробнее. Гиростабилизатор
координатора цели (ГС КЦ) осуществляет стабилизацию и управление
линией визирования. При этом измеряются угловые скорости и углы
поворота линии визирования. ГС КЦ должен обеспечивать стабилизацию и
слежение за целью с заданной точностью и одновременно быть надежным и
недорогим.
Координатор направляется на объект наведения, при этом на выходе КЦ
выдается сигнал, пропорциональный рассогласованию между направлением
на цель и линией равносигнальных направлений. Этот сигнал подается на
исполнительный элемент системы (двигатели разгрузки ГС) и координатор
поворачивается таким образом, чтобы совместить линию равносигнальных
направлений и направление на цель. Существует два основных режима работы
ГС КЦ – режимы стабилизации и управления. Рассмотрим каждый из них (при
описании режимов работы гиростабилизатора будет использован рис.1).
1. Режим стабилизации
8
Режим стабилизации заключается в поддержке положения платформы
неподвижным
относительно
инерциального
пространства.
Рассмотрим
стабилизацию по одному каналу - оси OX (стабилизация по остальным двум
каналам осуществляется аналогично). При действии на платформу П момента
внешних сил по оси X платформа повернется по этой оси на некоторый
малый угол α; трехстепенной гироскоп Г2 при этом сохраняет вектор своего
кинетического
момента H
неподвижным
относительно
инерциального
пространства, а его корпус движется вместе с платформой. В результате с
датчика угла ДУ1 снимается сигнал, пропорциональный углу α. Он поступает
на преобразователь координат (ПК), а затем на цепь разгрузки: усилитель
У1→двигатель стабилизации ДС1. Двигатель прикладывает к оси внешней
рамки момент, противоположный по знаку моменту внешних сил. В
установившемся режиме эти моменты равны и платформа неподвижна в
своем исходном положении. Вектор собственного кинетического момента
гироскопа
Г1
поддерживается
платформы
OZ3
при
помощи
в
плоскости,
системы
перпендикулярной
внутренней
оси
коррекции:
ДУ3→У3→ДМ3. Это необходимо для того, чтобы измерительная ось
гироскопа Г2 совпадала с его осью чувствительности. Работа других каналов
осуществляется по той же схеме и состоит в парировании внешних
возмущающих моментов, действующих на платформу с координатором цели,
двигателями
стабилизации,
которые
управляются
сигналами,
пропорциональными угловым отклонениям платформы от ее начального
положения.
2. Режим управления
Режим управления заключается в изменении линии визирования цели
путем подачи на датчики момента гироскопов управляющих сигналов с КЦ. В
этом режиме с координатора цели снимаются сигналы, которые через
соответствующие усилители поступают на датчики момента гироскопов. Под
действием этих моментов гироскопы прецессируют в соответствующем
9
направлении, при этом сигналы с ДУ 1,2,4 изменяют свои значения. Далее
следует режим обнуления сигнала с датчика угла гироскопа (режим
стабилизации, который уже был описан выше).
Рассмотрим работу одного канала. Когда цель “уходит” с линии
визирования по оси X, с координатора цели на бортовую вычислительную
машину (БВМ) поступает соответствующий сигнал. Сигнал, преобразованный в
БВМ, идет на датчик момента ДМ1 в виде:
Ux X H R / K ДМ ,
где R – эталонное сопротивление, K ДМ – крутизна датчика момента ДМ1.
X - скорость вращения платформы вокруг Ox.
ДМ1 прикладывает к ротору гироскопа Г2 момент, и тот прецессирует,
стремясь совместить вектор собственного кинетического момента с вектором
внешнего момента ДМ1. Угол поворота ротора измеряется датчиком угла ДУ1,
сигнал с которого поступает на систему разгрузки У1→ДС1 и платформа с
координатором цели принимает новое положение (см. режим стабилизации),
соответствующее нулевому сигналу с КЦ.
3. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА.
Конструкция гиростабилизатора главным образом определяется схемой
стабилизации, требованиями технического задания, а также конструкцией
составных частей прибора (чувствительных элементов, опор, датчиков угла и
момента и др.).
1. Выбор схемы стабилизации
В
данном
приборе
выбрана
индикаторная
схема
стабилизации
(стабилизация осуществляется по трем осям) с использованием двух
10
чувствительных элементов, в качестве которых выбраны динамически
настраиваемые гироскопы ГВК-6.
Обоснование:
Данная схема стабилизации выбрана ввиду специфики
работы прибора, а также учитывая и то, что использование индикаторной схемы
позволяет
значительно
снизить
массово-габаритные
характеристики
гиростабилизатора. (см. п.1 ).
2. Выбор конструкции карданового подвеса
Платформа гиростабилизатора крепится во внешнем кардановом
подвесе в соответствии с установочными и присоединительными размерами.
Обоснование: Внешний карданов подвес выбран ввиду отсутствия
необходимости в больших углах поворота платформы и минимизации
конструкции, что характерно для внутреннего карданова подвеса. С другой
стороны, внешний подвес обеспечивает необходимую жесткость конструкции,
это и является определяющим фактором при выборе конструкции подвеса (изза меньшего расстояния между опорами внутренний карданов подвес не
обладает достаточной жесткостью, что приводит к появлению дополнительных
поворотов стабилизируемых элементов). Так же внешний карданов подвес
более прост в изготовлении, что уменьшает его стоимость.
3. Выбор двигателей стабилизации
В качестве двигателей стабилизации используются безредукторные датчики
момента.
Обоснование: Безредукторные датчики момента позволяют получить более
высокую точность стабилизации, что является существенным фактором при
выборе типа двигателя стабилизации. Также датчик момента – это стандартное
изделие, что снижает себестоимость изделия и повышает его технологичность.
11
4. Внешний вид
Габаритные размеры ГС должны соответствовать габаритному чертежу.
Наружная поверхность ГС не должна иметь раковин, вздутий, вмятин, следов
коррозии, трещин и других дефектов.
Обоснование:
-
Габаритные
размеры
частей
ГС
обусловлены
установочными
размерами в нем. Невыполнение требований по габаритным размерам
не позволит должным образом собрать прибор.
-
Увеличение габаритных размеров ГС вызывает увеличение его веса,
что ухудшает работу прибора и всей системы.
-
Увеличение габаритов ГС вызывает увеличение потребляемой
мощности, что приводит к перегреву статора гиромотора и
подшипников и сокращению срока службы ГС
-
Уменьшение габаритов гиромотора, используемого в чувствительном
элементе
ГС вызывает уменьшение собственного кинетического
момента.
5. Покупные изделия и материалы
Изделия и полуфабрикаты, используемые в ГС, должны соответствовать
государственным стандартам, техническим условиям и иметь паспорта
или
сертификаты,
подтверждающие
их
годность.
Подшипники,
входящие в комплект ГС, должны поставляться заводом-изготовителем
с приемкой заказчиком и должны иметь протоколы, подтверждающие
возможность их применения в ГС.
Обоснование:
- Применение изделий и материалов, не соответствующих указанным
требованиям, не позволяет гарантировать надежную работу ГС.
12
- Применение изделий и материалов, не соответствующих указанным
требованиям, возможно только после их проверки на заводеизготовителе ГС. Это увеличивает стоимость производства ГС.
6. Температурный режим работы
Гиростабилизатор должен безотказно работать в интервале температур
внешней среды от –60 до +70 ºС.
ГС должен безотказно работать при воздействии циклических
изменений температуры окружающей среды от –60 до +60 ºС.
Обоснование:
- Указанный диапазон температур обусловлен температурным режимом
работы гироприборов, использованных в ГС.
- В указанном диапазоне температур момент сил трения подшипников
минимальный.
- В указанном диапазоне температур практически не происходит
тепловой деформации элементов конструкции ГС.
7. Виброустойчивость
ГС должен быть виброустойчив и выдерживать вибрации в диапазоне
частот от 10 до 2000 Гц с перегрузкой до 5, а также ударные нагрузки с
ускорением 25g и длительностью импульса 50-100 мс и линейные ускорения
до 10g по трем осям.
Обоснование: Указанные параметры вибрации характерны для мест
крепления ГС и являются предельными при устойчивой работе прибора.
8. Электропитание
ГС должен работать от источника питания:
13
1) постоянного напряжения 2,5В, 15В
2) переменного напряжения 10В, 18В 480Гц;
3) переменного напряжения 6,3В 1500Гц;
4) переменного напряжения 2,5В 19,2кГц;
5) переменного напряжения115В 400Гц.
Обоснование:
- Выбор напряжения и частоты питания обусловлен необходимостью
получения заданной угловой скорости вращения ротора
чувствительного элемента. Допуск на скорость вращения ротора
определяется допуском на частоту питания.
- Выбор напряжения и частоты питания обусловлен необходимостью
получения минимального значения потребляемой мощности.
- Выбор напряжения и частоты питания обусловлен требованиями
минимального перегрева статора.
4. ВЫБОР ОПОР, ДВИГАТЕЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ, ДАТЧИКА
КОМАНД, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ КООРДИНАТ, ТИПА И
КОЛИЧЕСТВА ТОКОПОДВОДОВ.
1) В качестве опор рам выбраны шарикоподшипники, так как они
наиболее хорошо соответствуют конструкционным и экономическим
требованиям. Шарикоподшипниковые опоры имеют малый момент трения и
большой срок службы. В результате малого трения происходит
незначительный нагрев опор и элементов прибора, а следовательно и
незначительные тепловые деформации.
Выбор серии и номера шарикоподшипников определяется множеством
факторов: моментом нагрузки, сроком службы и др. Однако в данном
приборе основным условием является диаметр внутреннего кольца, через
которое проходят токоподводы к подвижной части прибора. Исходя из опыта
14
проектирования, диаметр внутреннего кольца лежит в пределах d=10..15 мм.
В данном проекте выбраны подшипники П1060900. Их габариты: 10x26x8.
2) Выбор типа двигателя стабилизации в первую очередь обусловлен
уровнем внешних моментов, которые он должен парировать во время
эксплуатации, а также массовыми и точностными требованиями прибора. В
данном
проекте
в
качестве
двигателя
стабилизации
используется
безредукторный датчик момента. Это обусловлено тем, что безредукторные
датчики момента позволяют получить высокую точность стабилизации,
поскольку в них отсутствуют люфтовые погрешности, высокий уровень
демпфирования, а также низкая жесткость, свойственные двигателям с
редуктором. К тому же безредукторные датчики момента являются
стандартным изделием, что снижает себестоимость прибора и повышает его
технологичность.
Максимальный возмущающий момент данного гиростабилизатора
приложен к оси OX внешней рамы и равен 0,118 Нм (см. пункт 5 – Расчет
возмущающих моментов вокруг оси стабилизации). Следовательно, момент,
развиваемый датчиком момента должен быть равен M ДМ K зап M x max , где
K зап 1,2 - коэффициент запаса. M ДМ 1,42 .
Данному требованию лучше всего удовлетворяет датчик момента ДМ20,
имеющий следующие характеристики:
крутизна 2,50,3 кгсм/А
коэффициент демпфирования D=50 гсмс
сопротивление обмотки 32 Ом
максимальный момент 0,15 Нм
масса
0,215 кг
15
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДАТЧИКА МОМЕНТА
ДМ-20.
Принцип действия магнитоэлектрического датчика момента основан на законе
Ампера , в соответствии с которым на проводник с током Iу, расположенный в
магнитном поле В, действует выталкиваемая сила F , направление которой
определяется по правилу левой руки.
Безредукторный двигатель постоянного тока построен по стандартной схеме
двигателей постоянного тока.
Статор
представляет собой постоянный магнит, вложенный в секцию из
магнитомягкого материала и жестко крепится на корпусе и залит изолятором. На
роторе крепится
якорь, внутри
которого находится
алюминиевый виток
(короткозамкнутый). Якорь изолирован от корпуса слоем изолятора. Экран
крепится к витку при помощи соответствующих винтов.
В
качестве
шарикоподшипник
опоры
ротора
ШП13.
применен
Предварителный
двухрядный
осевой
радиальноупорный
натяг
ШП
1ООН
устанавливается с помощью специальной прокладки и гаек.
Постоянные
магниты
для
магнитоэлектрических
датчиков
момента
изготавливаются литьем из сплавов на основе железа, алюминия, никеля, кобальта.
Наиболее часто применяемые марки сплавов ЮНДК24, ЮНДК25БА,
обладающие
высокими
магнитными
характеристиками
и
стабильностью.
Магнитопроводы чаще всего изготовляются из технически чистого железа (железа
армко). По магнитным свойствам
низкоуглеродная
к технически чистому железу приближается
электротехническая сталь и сталь марки 10. Немагнитные
каркасы обычно изготавливаются из пластмассы или алюминиевых сплавов.
Катушки мотаются медным проводом (изоляция-лак), диаметром по меди - 0,080,12 мм, приклеиваются к немагнитным каркасам и часто
для получения
монолитной детали «катушка-каркас» заливаются синтетическими смолами.
3) Выбор датчика команд и преобразователя координат.
Углы прокачки гиростабилизатора равны 35 град по каждой оси,
следовательно датчики команд должны иметь рабочий угол не менее 70 град.
Из соображений экономичности в качестве датчика команд и
16
преобразователя координат выбираем синусно-косинусный трансформатор
СКТ2-6465, имеющий рабочий угол 360 град.
Технический характеристики СКТ2-6465:
число пар полюсов: 32;
максимальное выходное напряжение: 6±1,2В;
Крутизна выходного напряжения: 55 мВ/угл.мин.;
Отношение минимального выходного напряжения к крутизне: 0,3угл.мин.;
Асимметрия нулевых точек: ±15´´;
Наружный диаметр: 65 мм;
Внутренний диаметр: 35 мм;
Высота: 16 мм;
Масса: 180 г.
4) Токоподводы служат для подвода электроэнергии от источников
питания к потребителям. Углы прокачки данного гиростабилизатора
позволяют использовать гибкие токоподводы. В гибких токоподводах, в
отличие от коллекторных, отсутствует дребезг, они просты в изготовлении,
имеют малый вес и габариты.
5. РАСЧЕТ ВОЗМУЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ ВОКРУГ ОСИ
СТАБИЛИЗАЦИИ
В процессе эксплуатации вокруг осей карданового подвеса
гиростабилизатора возникают возмущающие моменты за счет движения ЛА с
линейными и угловыми ускорениями и вибрациями. Если уровень этих
моментов превышает допустимое значение, гиростабилизатор выходит из
строя или теряет работоспособность. Следовательно, для того, чтобы
определить параметры гиростабилизатора, в частности, параметры системы
разгрузки, а также чтобы определить его погрешности, необходимо
произвести расчет моментов.
17
Прежде чем производить расчет моментов, необходимо определить
массу элементов гиростабилизатора и их моменты инерции. Здесь и в
дальнейшем будем пользоваться кинематической схемой, представленной на
рис.1
Расчет массы элементов ГС
1) Масса платформы
Масса платформы рассчитывается как сумма масс элементов,
находящихся на ней, умноженная на коэффициент запаса: km 1,2
Масса координатора цели: mКЦ 1,5 кг ;
масса датчика момента, ДМ21: m ДМ 0,215 кг ;
масса датчика угла, СКТ2-6465: m ДУ 0,18 кг ;
масса чувствительного элемента, ГВК-6: mЧЭ 0,32 кг ;
масса преобразователя координат, СКТ2-6465: mПК 0,15 кг .
Следовательно, масса платформы:
mПЛ ( mКЦ m ДМ / 2 m ДУ / 2 2m ЧЭ mПК / 2) k m
mПЛ (1,5 0,215 / 2 0,18 / 2 2 0,32 0,18 / 2) 1,2 2.913 кг
Масса датчиков угла и момента считается распределенной между
платформой и внутренней рамой, поэтому в расчете берется с
коэффициентом 1/2.
2) Масса внутренней рамы:
18
Внутренняя рама представляет собой кольцо с внешним диаметром
D 2R 165мм 0,165м , внутренним диаметром d 2r 155мм 0,155м и
высотой h 40 мм 4 102 м (см. рис. 2а ). Материал внутренней и наружной
рам – алюминиевый сплав АЛ27 ГОСТ 1583-93. Его плотность
2.7 103 кг / м3 .
Тогда с учетом элементов, находящихся на внутренней раме и
коэффициента запаса, масса внутренней рамы будет равна:
mВР h ( R 2 r 2 ) m ДМ m ДУ mПК / 2 km
mВР 3,14 4 10 2 2,7 10 3 (0,0825 2 0,0775 2 ) 0,215 0,18 0,18 / 2 1,2 0,90 кг
3) Масса наружной рамы
Как и внутренняя, наружная рама представляет собой кольцо с внешним
диаметром D 2 R 250 мм 0,25м , внутренним диаметром
d 2r 240 мм 0,24 м и высотой h 135 мм 0.135 м (см. рис. 2б) .
Масса наружной рамы:
mНР h ( R 2 r 2 ) m ДМ / 2 m ДУ / 2 km
mНР 3,14 0,4 10 3 2,7 10 3 (0,125 2 0,12 2 ) 0,215 / 2 0,18 / 2 1,2 1,92 кг
Расчет моментов инерции
1) Моменты инерции платформы
19
X,X1,X2,X3
"
ДС1
У1
ДУ,
У2
ДУ$
ПК
У3
ДУ1
ДУ3
Г1
Г2
ДМ3
H
ДМ4
ДУ4
У4
ДУ2
ДС2
ДМ1
H
ДМ2
ДС3
Координатор цели
$
Y
Y,Y1,Y2,Y3
Z'
,
X
ДУ"
Z,Z1,Z2,Z3
БВМ
рис.1. Кинематическая схема гиростабилизатора.
З
165
З
250
З
155
З
240
Рис. 2а. Внутренняя рама
Рис. 2б. Наружная рама
20
Оси платформы: X3, Y3, Z3 (см. рис.1). Если считать платформу цилиндром
радиусом RПЛ 6 10 3 м , то вокруг этих осей ее моменты инерции будут
равны:
2
RПЛ
6 10 3
I X 3 mПЛ
2,913
5,24 10 3 кг м 2
2
2
2
R
I Y 3 I Z 3 mПЛ ПЛ 2,62 10 3 кг м 2
4
2) Моменты инерции внутренней рамы
Оси внутренней рамы X2, Y2, Z2 (см. рис.1). Ее моменты инерции
вокруг этих осей будут равны:
mВР 2
RВР rВР2 0,9 0,0825 2 0,0775 2 3,63 10 4 кг м 2
2
2
m
0,9
2
0,0825 2 0,0775 2 1,82 10 4 кг м 2
I Y 2 I Z 2 ВР RВР
rВР2
4
4
IX2
3) Моменты инерции наружной рамы
Оси наружной рамы X1, Y1, Z1 (см. рис.1). Ее моменты инерции вокруг
этих осей будут равны:
mНР 2
RНР rНР2 1,92 0,125 2 0,12 2 1,18 10 3 кг м 2
2
2
m
2
2
1,92 0,125 2 0,12 2 5,88 10 4 кг м 2
I X 1 I Y 1 НР RНР
rНР
4
4
I Z1
Рассмотрим отдельные составляющие внешних моментов вокруг осей
стабилизации.
1. Моменты трения.
21
Моменты трения, действующие вокруг осей карданового подвеса,
главным образом определяются трением в опорах карданового подвеса. В
качестве опор выбраны шарикоподшипники П1060900.
Из опыта проектирования, выбираем угол контакта k 20 ,
коэффициенты трения качения: k1 0,0069 см; k2 0,0035 см; k3 0,008 см ,
момент трения ненагруженного шарикоподшипника: M 0 7,2 г см
(“Гироскопические системы” под ред. проф. Д.С. Пельпора, ч.2 стр.6, табл.
1.1, Москва «Высшая школа» 1977г.).
Для того, чтобы рассчитать момент трения, необходимо определить
силы реакций в опорах: радиальную нагрузку R и осевую нагрузку А.
Согласно техническому заданию, гиростабилизатор эксплуатируется в
поле силы тяжести с линейными перегрузками n x n y n z 10 .
1) Силы реакций в опорах платформы
Осевая нагрузка :
Aпл mпл g nZ 2,913 9,81 10 285,77 H
Радиальная нагрузка :
Rпл 0.5mпл g nY2 n X2 0,5 2,913 9,81 100 100 202 ,08 H
2) Силы реакций в опорах внутренней рамы
Вес внутренней рамы :
Pвр ( mвр mпл ) g ( 2,913 0,9) 9,81 37,482 H
Осевая нагрузка :
Aвр Pвр nY 35,451 10 374 ,82 H
Радиальная нагрузка :
Rвр 0.5Pвр nZ2 n X2 0,5 37,482 100 100 265,04 H
3) Силы реакций в опорах наружной рамы
22
Вес наружной рамы :
Pнр ( mпл mвр mнр ) g ( 2,913 0,9 1,92 ) 9,81 56,32 H
Осевая нагрузка :
Aнр Pнр n X 41,311 10 563,2 H
Радиальная нагрузка
Rнр 0.5Pнр nY2 nZ2 0,5 56,32 100 100 398,24 H
При комбинированной нагрузке, имеющей место для подшипников
гиростабилизатора, из-за произвольного расположения вектора линейного
ускорения ЛА относительно гироплатформы учет ее влияния производится
по формуле:
A0 max 1,58 R tg k 0,5 A ,
где A, R – радиальная и осевая нагрузки.
Максимальный момент трения рассчитывается по формуле:
M тр ш/п 2M 0 500 (k1 k2 ) k3 A
(“Гироскопические системы” под ред. проф. Д.С. Пельпора, ч.2 стр.8,
1.5).
1) Момент трения вокруг оси Z3 платформы
A0 max 1,58 202 ,08 tg 20 0,5 285,77 259 ,09 H
M тр ш/п 2(7,2 500 (0,0069 0,0035 ) 0,008 252 ,42 100 ) 432 ,34 г см
2) Момент трения вокруг оси Y2 внутренней рамы
A0 max 1,58 265,04 tg 20 0,5 374 ,82 339 ,82 H
M тр ш/п 2(7,2 500 (0,0069 0,0035 ) 0,008 339 ,82 100 ) 561,51г см
3) Момент трения вокруг оси X1 наружной рамы
A0 max 1,58 398,24 tg 20 0,5 563,2 510,61H
M тр ш/п 2(7,2 500 (0,0069 0,0035 ) 0,008 563,2 100 ) 834 ,78 г см
23
2. Моменты от люфтов карданова подвеса и остаточной
несбалансированности
Осевые и радиальные люфты в опорах карданова подвеса, а также
несбалансированность вращающихся частей гиростабилизатора приводят к
появлению моментов вокруг оси подвеса. При отсутствии перегрузок эти
моменты достигают значения x y z 10 3 Н м
Максимальные значения этих моментов:
M нбx 1 n y 3 10 3 10 10 2 Н м
M нбy 2 n z 3 10 3 10 10 2 Н м
M нбz 3 n x 3 10 3 10 10 2 Н м
3. Моменты от неравножесткости карданового подвеса
Под влиянием сил инерции, возникающих при движении ЛА с
ускорением, происходят упругие деформации элементов карданового
подвеса и относительные перемещения его рам. Направления перемещений
из-за неравножесткости гиростабилизатора в разных направлениях обычно не
совпадают с действием сил инерции, что приводит к возникновению
моментов вокруг осей подвеса.
Для расчета моментов от неравножесткости необходимо определить
следующие величины:
-
величины коэффициентов динамичности. Из опыта проектирования
примем их равными:
X 1 Y 1 Z 1 2
X 2 Y 2 Z 2 3
X 3 Y 3 Z 3 3
(“Гироскопические системы” под ред. проф. Д.С. Пельпора, ч.2 стр.28).
24
-
линейные ускорения по трем осям. По условиям ТЗ они равны:
WX WY WZ 10 g
-
максимальные ускорения при линейных вибрациях:
WX WY WZ 5g
-
жесткости подвеса рам по трем осям. Из опыта проектирования примем
их равными:
CY 1 1,9 10 7 H / м; CZ 1 1,3 10 7 Н / м
C X 2 3,8 10 7 Н / м; CY 2 1,6 10 7 Н / м; CZ 2 2,7 10 7 Н / м
C X 3 2,3 10 7 Н / м; CY 3 3,6 10 7 Н / м; CZ 3 1,2 10 7 Н / м
(“Гироскопические системы” под ред. проф. Д.С. Пельпора, ч.2 стр.28).
При линейных ускорениях ЛА моменты от неравножесткости равны:
1) Момент вокруг оси платформы
1
1
2
1,28 10 3 Н м
M нжZ 3 mпл WY WX
C X 3 CY 3
2) Момент вокруг оси внутренней рамы
1
1
M нжY 2 (mпл mВР ) 2 WZWX
C X 2 CZ 2
1
1
2
6,04 10 3 Н м
mпл WZWX
CY 3 CZ 3
3) Момент вокруг оси наружной рамы
25
1
1
M нжX 1 ( mпл mВР mНР ) 2 WZWY
CZ 1 CY 1
1
1
( mпл mВР ) 2 WZWY
CZ 2 CY 2
1
1
2
7,38 10 3 Н м
mпл WZWY
CZ 3 C X 3
При линейных вибрациях моменты от неравножесткости равны:
1) Момент вокруг оси платформы
1
1
2
2,89 10 3 Н м
M нжZ 3 mпл WY WX X 3Y 3
C X 3 CY 3
2) Момент вокруг оси внутренней рамы
1
1
M нжY 2 ( mпл mВР ) 2 WZWX Z 2 X 2
C
C
X2
Z2
1
1
2
1,36 10 2 Н м
mпл WZWX Y 3Z 3
CY 3 CZ 3
3) Момент вокруг оси наружной рамы
1
1
M нжX 1 ( mпл mВР mНР ) 2 WZWY Z 1Y 1
C
C
Z1
Y1
1
1
( mпл mВР ) 2 WZWY Z 2 Y 2
C Z 2 CY 2
1
1
2
6,98 10 3 Н м
mпл WZWY Z 3Y 3
CZ 3 C X 3
(“Гироскопические системы” под ред. проф. Д.С. Пельпора, ч.2 стр.17).
4. Моменты тяжения токоподводов
26
В данном проекте используются гибкие токоподводы; их момент
тяжения определяется по формуле: M тп
kтп N
,
lтп
где kтп 7 10 6 Нм / рад – коэффициент угловой жесткости;
N – количество токоподводов в жгуте:
- от корпуса к наружной раме: N X 1 47 ,
- от наружной рамы к внутренней: N Y 2 41 ,
- от внутренней рамы к платформе: N Z 3 29 ;
35 0,61 рад - максимальный угол поворота;
lтп 4 10 2 м - длина токоподводов.
Тогда моменты тяжения т/п:
1) По оси платформы
7 106 29 0,61
M тпZ 3
3,1 103 Н / м
2
4 10
2) По оси внутренней рамы
7 106 41 0,61
M тпY 2
4,38 103 Н / м
2
4 10
3) По оси наружной рамы
7 106 47 0,61
M тпX 1
5,02 103 Н / м
2
4 10
(“Гироскопические системы” под ред. проф. Д.С. Пельпора, ч.2 стр.10).
5. Инерционный момент
При угловых движениях основания наружная и средняя рамы
поворачиваются относительно платформы с переменной угловой скоростью.
27
Движение с угловым ускорением вызывает инерционный момент,
действующий вокруг оси наружной рамы.
При колебаниях основания с малой амплитудой вокруг оси Z1 по
гармоническому закону 0 sin( 2 f Z 1t ) инерционный момент вокруг оси
X1
M X 1ин ( I X 1 I Z 2 ) 0 ( 2 f Z 1 ) 2 tg 0 sin( 2 f Z 1 t )
I X1
I Z 1 IY 2
I Z 2tg 02 02 ( 2 f Z 1 ) 2 0,5 sin( 2 0 ) cos 2 (2 f Z 1 t )
2
cos 0
углы 0 0 35 0,61 рад ,
амплитуда колебаний 0 3 0,0523 град ;
частота колебаний f Z 1 2,3c 1 .
Этот момент зависит от времени. Рассмотрим его максимальное
значение:
M X 1ин M X 1ин max ( I X 1 I Z 2 ) 0 ( 2 f Z 1 ) 2 tg 0
M X 1ин 5,89 10 3 H м
(“Гироскопические системы” под ред. проф. Д.С. Пельпора, ч.2 стр.21).
28
Расчет суммарного момента:
Момент относительно оси
10 4 Н м
Наименование возмущающего момента
X1
Y2
Z3
Момент трения в опорах, M тр
834,78
561,51
432,34
Момент небаланса, M нб
100
100
100
73,82
60,4
12,82
69,79
12,72
27,38
Момент тяжения токоподводов, M тп
50,24
135,97
28,85
Инерционный момент рам подвеса, M ин
58,92
–
–
Суммарный возмущающий момент
1187,7
901,81
605,11
Момент от неравножесткости при линейных
(1)
ускорениях, M нж
Момент от неравножесткости при линейной
( 2)
вибрации, M нж
6. ОПИСАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА И ЕГО ОСНОВНЫХ
ПОГРЕШНОСТЕЙ.
Гироблок ГВК-6 представляет собой трехстепенной динамически
настраеваемый гироскоп консольного типа с монолитным кардановым
подвесом, предназначенный для использования в качестве основного
элемента специальных авиационных гироплатформ. Сборочный чертеж
ГВК6 представлен на листе №6 графической части.
1) Конструкция настройка и балансировка ГВК-6
Ротор 8 подвешен во вращающемся двухкольцевом подвесе 19.
Вал
привода
установлен
в
радиально
упорных
шарикоподшипниках
совмещенного типа, установленных с предварительным усилием осевого типа,
создаваемого пружиной 22.
29
В качестве привода применяется синхронный гистерезисный двигатель,
имеющий систему управления вращения ротора 7 (с помощью статора 9), которая
обеспечивает высокую стабильность частоты вращения ротора при малом времени
разгона.
Отклонения
ротора
8
фиксируются
торцевым
ДУ
2
(статор
ДУ)
индукционного типа, включенным по дифференциальной схеме.
ДНГ имеет кожухи 15,16, герметично закрывающую корпус с токоподводами.
К
операциям
настройки
и
балансировки
относятся:
динамическая
балансировка ротора, вращающихся частей вала привода; радиальная и осевая
балансировка, т.е. совмещение центра масс ротора и колец с центром упругого
подвеса; динамическая настройка прибора по условию B0 0 .
Динамическая балансировка вала привода осуществляется с помощью
корректировочных масс, жестко связанных с приводным валом, или перемещением
вращающейся части чувствительного элемента (ротора с кардановым подвесом )
относительно оси приводного вала.
Основной схемой испытаний при динамической настройке является схема
перекрестной «электрической пружины», когда сигнал с ДУ подается на
соответствующий ДМ.
Регулировка прибора представляет собой технологические операции, не
связанные с перемещением корректировочных масс на вращающихся элементах
ДНГ и осуществляется путем изменения относительного положения элементов
прибора, выставки элементов в процессе сборки, подбора параметров газовой
среды, регулирования параметров электрической схемы.
2) Основные элементы ГВК-6:
e) Привод с карданом.
30
Привод представляет собой вал, укрепленный в корпусе гироблока
при помощи специальных шарикоподшипников и вращаемый двигателем.
На валу установлен кардан - основная прецизионная деталь гироблока,
изготавливаемая из одного куска металла, к которой предъявляются очень
жесткие требования по точности изготовления и выставке. Внутренний
объем гироблока заполнен водородом. Для стабильности параметров
элементов гироблок термостатируется. Рабочая температура + 75°С.
f) Двигатель.
В ГВК-6 используется синхронный гистерезисный двигатель. Основные
технические данные двигателя:
а) питание – переменное 2-хфазное напряжение
прямоугольной формы частотой 480±0,096 Гц
18±2,7В в форсажном режиме;
10±1В в рабочем режиме.
б) потребляемая мощность
20 ВА в форсажном режиме
3 ВА а рабочем режиме
3. Датчик момента.
Два
датчика
момента
(основной
и
компенсационный)
магнитоэлектрического типа. Основные технические данные датчиков
момента:
а) крутизна характеристики
- основного
95±20°А
мА
- компенсационного
30± 6°/ч
мА
31
б) нестабильность крутизны
- основного ДМ
±0,05%
- компенсационного ДМ
±0,5%
в) нелинейность крутизны
±0,05%
Скорость управления, требуемая в техническом задании:
треб 5 / c 5 2 / 180 0.175 рад / с
Скорость управления, обеспечиваемая датчиком момента:
0.27 / c 0.27 2 / 180 0.01 рад / с
Кинетический момент ГВК-6: H=200 сН*см*с
Момент ДМ: M ДМ H 2cН см
Следовательно, для обеспечения скорости управления, заданной в
техническом задании, необходима доработка датчика момента такая,
чтобы он развивал момент:
M ДМ треб H 35cН см
Момент ДМ равен произведению тока управления и крутизны ДМ.
Следовательно, доработку можно вести 2-мя путями:
1) Увеличивая ток управления.
2) Увеличивая крутизну ДМ. Для этого можно:
- установить более сильный магнит
- поставить дополнительный магнит.
32
4. Датчик угла.
Четыре датчика угла индуктивного типа, соединенные в мостовую
схему.
Основные технические данные датчика угла:
а) крутизна характеристики
4,7±0,7мВ.
б) нулевой сигнал
1мВ
в) фазовый сдвиг выходного сигнала датчиков угла должен
быть в пределах
±30°
г) величина модуляции сигналов ДУ на частотах 240 Гц и
480 Гц
не более 6"
д) питание - переменным синусоидальным напряжением
2,5±0,125 В частотой 19200±19,2 Гц
е) потребляемый ток
не более 70 мА
4. Система обогрева.
Система обогрева состоит из двух обмоток термодатчика с общим
сопротивлением 758 Ом, нагревательного элемента - две катушки с общим
сопротивлением 200 Ом и терморегулятора. Нагревательный элемент
питается напряжением 115 В частотой 400 Гц и потребляет 70 ВА.
3) Технические характеристики гироблока
1. Систематическая составляющая скорости дрейфа 3°/ч
2. Случайная составляющая скорости дрейфа
в вертикальном положении
0,02°/ч
33
в курсовом положении
0,056°/ч
3. Изменение систематической составляющей скорости дрейфа от
запуска к запуску не более
в вертикальном положении
0,02°/ч
в курсовом положении
0,05°/ч
4. Систематическая
составляющая
скорости
дрейфа,
пропорциональная квадрату ускорения, не более
на частотах до 100 Гц
0,03 °/ч
g2
более 100Гц
0,05 %
g2
5. Квадратурная составляющая скорости дрейфа
не более ±0,5°/ч
6. Среднеквадратичное
g
значение
переменной
составляющей
скорости дрейфа не более
в вертикальном положении
0,018°/ч
в курсовом положении
0,075°/ч
7. Температурный коэффициент скорости дрейфа
не более 0,03°/ч °С при температуре окружающей среды от +60 С
до +70 С и изменении температуры статирования на 1°С.
8. Резонансная частота гироблока
480±0,3 Гц
9. Минимальный допустимый угол отклонения ротора от рабочего
положения до упора
не менее ±30'
10. Кинетический момент
200 сН*см*с
34
11. Время готовности
8 мин.
12. Время непрерывной работы
не более 8 час.
13. Гарантийный ресурс
2000 час.
14. Габариты
d54х44 мм
15. Масса
не более 390 г.
16. Стоимость
5 тыс. рублей по ценам 1983г.
7. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ТРЕХОСНОГО ИНДИКАТОРНОГО
ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА. СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА.
В данном разделе учитывается собственное движение ГС,
характеризуемое колебаниями вокруг осей стабилизации и прецессии при
действии возмущающего момента. Исследование устойчивости
гиростабилизатора проведем для одного канала, полагая при этом, что
взаимосвязь между каналами отсутствует. При выводе уравнения движения
учитываются момент инерции платформы, демпфирующий момент, момент
внешних сил и момент разгрузки, зависящий от угла поворота платформы.
Для получения закона изменения угла (t) рассмотрим уравнение движения
гиростабилизатора вокруг оси OX.
По принципу Даламбера, сумма всех моментов вокруг оси OX равна
нулю:
I П s 2 D s М внеш K Р , где
I П - момент инерции платформы по оси OX;
D - коэффициент демпфирования по оси OX;
K Р - крутизна разгрузки.
Запишем данное уравнение в изображении Лапласа при нулевых н.у.:
35
I ПЛ s 2 D s М ВНЕШ K р
После преобразования уравнение примет вид:
I П s 2 D s М ВНЕШ K р
Данному уравнению соответствует структурная схема:
Запишем передаточную функцию нескорректированной разомкнутой
(как показано на структурной схеме) системы:
W ( s)
Кр
I П s 2 D s
Kp
s D
1
K
1
C
, где
(TП s 1)
s TП s 1
TП
IП
– постоянная времени платформы
D
KС
Kp
D
– добротность по скорости (коэффициент усиления)
Используя данную передаточную функцию выведем передаточную
функцию замкнутой нескорректированной системы (передаточную функцию
угла поворота платформы в зависимости от момента внешних сил Мвнеш:
Ф , Мвнеш
W (S )
1
1 W ( S ) I П s 2 D s K p
36
Для последующего анализа устойчивости необходимо определить
значения величин: Кс (коэффициента усиления канала разгрузки), D
(демпфирование по оси платформы, определяемое параметрами датчика
момента по данной оси), In (момент инерции платформы вокруг данной оси).
Исходя из требований проектирования к установившейся статической
ошибке по углу стабилизации
СТ 1
1
*
2.9 104 рад
60 180
определим коэффициент разгрузки К р .
Используя уравнение движения одного канала гиростабилизатора или
выражение для передаточной функции , Мвнеш , составим выражение для
статической ошибки гиростабилизатора:
( s ) Ф , Мвнеш М внеш
М внеш
I П S D S K p
2
В качестве внешнего момента возьмем максимальный момент из пункта
«Расчет моментов». Наибольшее значение имеет момент, действующий по
оси Х: М внеш 1187 ,7cH см
Статическая ошибка гиростабилизатора рассчитывается при t или
при S 0 :
( s)
М внеш
lim
М внеш
s 0 I П S 2 D S K p
KP
Тогда, исходя из вышесказанного, крутизна разгрузки:
KP
M внеш
1187 .7
4,1 10 6 cH см / рад , а
4
( s ) 2,9 10
коэффициент усиления системы стабилизации будет равен:
37
4,1 10 6
Kc
8,16 10 4 1 / с рад
D
50
Kp
Коэффициент демпфирования по оси подвеса платформы относительно
носителя определяется коэффициентом демпфирования двигателя
стабилизации ДМ21: D 50сН см с
Постоянная времени платформы:
I П 5,24 10 2
ТП
10,5с
D
50
( I П 5,24 10 2 сН см с 2 )
Собственная круговая частота недемпфированных колебаний:
0
Кр
IП
4,1 10 6
88,28 Гц
5,24 10 2
Качество регулирования определяется относительным коэффициентом
затухания:
1 D
5,4 10 4
2 I П 0
Переходной процесс (представляет собой затухающую гармонику)
нескорректированной замкнутой системы будет иметь вид:
П 0 е t * sin( 0 1 2 t ) ст
/2
0
38
6 10
4
5 10
4
4 10
4
( t) 3 10
4
2 10
4
1 10
4
0
33.33
66.67
100
t
По полученной передаточной функции разомкнутой системы
Wnskor ( S )
Кр
I П s D s
2
KP
1
K
1
C
построим
s D (TП s 1)
s TП s 1
логарифмическую амплитудно-частотную характеристику L() и фазовую
частотную характеристику ФЧХ Ф().
39
L( ) 20 log W ( j )
( ) arg( W ( j )) 180 /
200
100
L
0
100
0.01
0.1
1
3
10
100
1 10
10
100
1 10
ЛАЧХ нескорректированной системы
45
90
135
180
225
0.01
0.1
1
3
ЛФЧХ нескорректированной системы
Из приведенного выше графика видно, что ЛФЧХ не пересекает –180, а
лишь асимптотически приближается к ней. Из этого можно сделать вывод,
что =0 (запас по фазе ищем на частоте среза), а = (запас по амплитуде
на частоте, при которой = -180,т.е. ЛФЧХ должна пересекать -180), что
говорит о том, что система находится на границе устойчивости. Из графика
находим ср = 83,3 рад/с (точка пересечения амплитудной характеристики с
осью частот).
Чтобы увеличить запас по фазе, необходимо ввести корректирующее
дифференцирующее звено Wp (S ) T1 S 1 . Включение корректирующего
звена показано на схеме:
40
Если правильно выбрать постоянные времени T1 и Т2 , мы обеспечим
необходимый запас устойчивости и, тогда на частоте среза ЛАЧХ будет
пересекать ось 0 дБ под наклоном –20 дБ/дек. Введением апериодического
1
звена Wапер ( S )
на несколько большей частоте вернем систему в
T2 S 1
исходное состояние.
Выбор T1 и Т2 проведем по показателю колебательности М, который
примем равным М=1.5 (М=11.5)
h
M 1
5
M 1
Значение базовой частоты определяется с помощью ЛАЧХ.
б = 83,3 рад/сек.
T1
1
б
1
М ( М 1)
М
6,58 10 3 с
0.021с Т 2
б
М 1
М 1
T1 Т2 (условие устойчивости дифференцирующего звена)
Частоты будут равны соответственно:
1
1
рад
48.097
Т1
сек
2
1
рад
152 .097
Т2
сек
41
Вид передаточной функции корректирующего устройства с учетом
выше написанного имеет вид:
WK ( s )
0,021s 1
0,00658 s 1
15
10
Lk
5
0
5
1
10
100
1 10
3
Вид передаточной функции системы с учетом коррекции:
Wскор ( s )
81700
1
0,021s 1
s
10.48 s 1 0,00658 s 1
По полученной передаточной функции построим логарифмические
амплитудную и фазовую частотные характеристики W(s):
42
200
Lнскор
100
Lскор
0
100
0.01
0.1
1
3
10
100
1 10
10
100
1 10
ЛАЧХ нескорректированной системы
ЛАЧХ скорректированной системы
45
нскор
скор
90
135
180
225
0.01
0.1
1
3
ЛФЧХ нескорректированной системы
ЛФЧХ скоррестированной системы
Из приведенного выше графика видно, что ср = 122,12 рад/с, =, = 30
Введение корректирующего дифференцирующего звена снижает
помехозащищенность системы. Необходимо вводить корректирующие
звенья, снижающие помехи (ЛАХ должны быть как можно ниже). Число этих
звеньев должно быть таким, чтобы не уменьшить запасы устойчивости на
частоте среза. Исходя из вышесказанного, введем еще одно апериодическое
звено для реализации фильтра, который будет подавлять высокочастотную
помеху.
WКУ
1
0.000658 s 1
Вид передаточной функции системы с учетом коррекции:
Wскор ( s )
81700
1
0,021s 1
1
s
10.48s 1 0,00658 s 1 0,000658 s 1
43
По полученной передаточной функции построим логарифмические
амплитудную и фазовую частотные характеристики W(s):
200
Lнскор
100
Lскор
0
100
0.01
0.1
1
3
10
100
1 10
10
100
1 10
ЛАЧХ нескорректированной системы
ЛАЧХ скорректированной системы
45
нскор
скор
90
135
180
225
0.01
0.1
1
ЛФЧХ нескорректированной системы
ЛФЧХ скорректированной системы
Из приведенного выше графика видно, что ср = 121,86 рад/с, =16,53 дБ,
= 25,4
Исходя из этого, можно сделать вывод, что система устойчива.
Запишем передаточную функцию скорректированной замкнутой системы:
Wскор ( s )
Фскор ( s )
Wскор ( s ) 1
( s ) Фскор ( s )
MX
s
График переходного процесса скорректированной замкнутой системы:
3
44
5 10
5 10 4.5 10 4
4
4 10
4
3.5 10
4
3 10
4
S ( t) 2.5 10
4
2 10
4
1.5 10
4
1 10
5
5 10
0
4
4
0
0.05
0.1
t
0
0.15
0.2
0.2
Реализация корректирующего звена в виде пассивных четырехполюсников:
Корректирующие устройства, используемые для обеспечения
необходимых запасов устойчивости и подавления высокочастотной
составляющей сигнала, представлены в таблице:
Схема корректирующего устройства,
обладающего передаточной
T s 1
функцией Wky 1
T2 s 1
Схема корректирующего устройства,
обладающего передаточной
1
функцией Wky
T3 s 1
Рассчитаем значения элементов, входящих в эти схемы:
При емкости равной С =10 мкФ найдем значения сопротивлений R1 и
R2:
T1
0.021
2,1кОм
C 10 10 6
T1 R1
R T
2,1 10 3 0,00658
R2 1 2
0,658 кОм
T2 R2
T1
0,021
T1 R1 C R1
45
1 10
T3 6,58 10 4
= 65.8 Ом
T3 0.000658 T3 0.000658 R3
T3 T2
C
10 5
8. РАСЧЕТ ТОЧНОСТИ ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА
Точность гиростабилизатора характеризуется величинами статической и
динамической ошибок.
1.
Статическая ошибка
Представляет собой угловое отклонение платформы по оси
стабилизации при действии максимального момента. При расчете
устойчивости гиростабилизатора крутизна разгрузки Кр была определена
таким образом, чтобы обеспечить статическую ошибку, соответствующую
требованиям технического задания. Таким образом, статическая ошибка при
использовании параметров цепи разгрузки (см. Расчет устойчивости)
составляет 1 угловую минуту.
2.
Динамическая ошибка.
Проверим требования по коэффициенту подавления колебаний L(S) = 80
дБ на частоте качки = 1 Гц. Для этого построим передаточную функцию
замкнутой системы и проверим коэффициент подавления на частоте = 1 Гц
= 3.14 рад/с. Чтобы его регулировать, необходимо изменять значение
коэффициента разгрузки.
46
Структурная схема в этом случае будет иметь вид:
осн(s)
D*s+Куп
р
Мвнеш(s)
1/(Iпs +Ds)
2
п (s)
Kp
Передаточная функция угла поворота платформы с учетом корректирующего
звена будет иметь вид:
Ф , Мвнеш ( s )
1 /( I П s 2 D s )
1 K p Wкор ( s ) /( I П s 2 D s )
Коэффициент подавления колебаний – отношение амплитуды вынужденных
колебаний платформы к амплитуде колебаний основания вокруг оси
стабилизации.
Ф( s) п ( s) / осн ( s) K подавл ( s)
где п (s) - амплитуда вынужденных колебаний платформы, осн (s) амплитуда колебания основания вокруг оси стабилизации.
K подавл ( s ) п ( s ) / осн ( s ) Ф , Мвнеш ( s ) ( D s К упр )
K подавл ( s )
( D s К упр ) /( I П s 2 D s )
1 K p Wкор ( s ) /( I П s 2 D s )
D s К упр
I П s 2 D s K p
T1s 1
(T2 s 1) (T3 s 1)
L( ) 20 lg K п ( j )
47
Коэффициент подавления колебаний будет иметь вид:
40
40
50
60
L
70
80
90
100 100
1
1
10
100
1 10
3
4
1 10
10000
Коэффициент подавления угловых колебаний на частоте качки = 1 Гц равен
L(s) = 82 дБ, что удовлетворяет условию технического задания.
48
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пельпор Д.С. Гироскопические системы.Ч1. - М.: Высшая школа, 1986.
2. Пельпор Д.С., Матвеев В.А., Арсеньев В.Д. Динамически настраиваемые
гироскопы. - М.: Машиностроение, 1988.
3. Пельпор Д.С. Гироскопические системы.Ч2. - М.: Высшая школа, 1986.
4. Пельпор Д.С. Гироскопические системы.Ч3. - М.: Высшая школа, 1986.
5. В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, А.В. Яковлев, Теория автоматического
управления техническими системами.-М., изд. МГТУ, 1993.
6. Лекции по теории гироскопов и гиростабилизаторов.
7. Лекции по основам схемотехники.
49
Московский Государственный Технический Университет
им. Н. Э. Баумана
Расчетно – пояснительная записка
к квалификационной работе бакалавра по теме:
Трехосный индикаторный
гиростабилизатор координатора цели
Технологическая часть
Выполнил: Леженин А.Ю.
Консультант по технологической части:
Гоцеридзе Р.М.
Группа: ИУ 2-83
Москва
2003 г.
50
РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТА
1.1 Выбор организационной формы сборки.
Экономичность и трудоемкость сборочного процесса во многом
зависят от вида организации производства - организационной формы сборки.
Выбор последней связан с особенностями конструкции прибора, его
размерами, программой выпуска, трудоемкостью сборочных операций,
сроками сменяемости прибора и рядом других факторов.
Различают стационарную и подвижную сборку. В свою очередь, стационарная сборка может быть поточной и непоточной.
Непоточная сборка выполняется по принципу концентрации и частичной
дифференциации. В первом случае сборочный процесс выполняется одним или
несколькими рабочими на одном сборочном посту. Такая форма сборки
применяется в единичном и опытном производствах. Во втором случае сборочный
процесс расчленяют на сборку отдельных сборочных единиц и общую сборку по
схеме сборочного состава изделия. Это находит применение в серийном
производстве.
При поточной неподвижной сборке каждый рабочий или бригада рабочих в
технологической последовательности, переходя с объекта на объект, с
соблюдением определенного такта сборки выполняет свою операцию. Эту
форму сборки применяют для приборов больших габаритов и массы.
Подвижную сборку применяют в поточном производстве; она бывает со
свободным и с принудительным движением собираемого изделия. Сборка с
принудительным движением собираемого изделия разделяется на подвижную сборку непрерывного движения и подвижную сборку периодического
движения. При сборке с принудительным движением собираемого изделия
такт выпуска t (мин) определяют по формуле
51
t=F/N
где F — фонд рабочего времени за плановый период, мин; N — программа
выпуска за плановый период. В приборостроении в основном применяют
подвижную поточную сборку.
1.2 Построение технологической схемы сборки.
Сборка изделия - дискретный во времени процесс, который состоит из
отдельных переходов. Переход - наименьшая законченная часть технологического процесса, выполняемая без перерыва во времени. Упорядоченный
набор переходов образует сборочную операцию.
Первым этапом разработки маршрутного технологического процесса
сборки является построение технологической схемы сборки.
Процесс сборки изделия состоит из операций, выполняемых, не только
последовательно, но и параллельно, а иногда и с циклами. Технологическая
схема сборки является графической интерпретацией такого процесса.
Наиболее ясно и полно отражают технологический процесс сборки схемы с
базовой деталью. При построении технологической схемы сборки
используются условные обозначения.
Правила построения технологических схем сборки:
1. На условном изображении элемента в нижней половине указывается
номер позиции по чертежу; в верхней половине - количество одинаковых
элементов. На условном изображении материала указывается марка
материала. Покупные элементы штрихуются в верхней половине.
2. Технологическая схема сборки начинается с изображения базовой
детали или базовой сборочной единицы, выполняющей в данной конструк-
52
ции роль корпуса или основания, а заканчивается изображением собранного
изделия.
3. Сборочные единицы или детали, собираемые одновременно, присоединяются
к линиям сборки в одной точке.
4. Несколько деталей или сборочных единиц, устанавливаемых после их
предварительной сборки, но без образования сборочной единицы,
присоединяются к дополнительной линии сборки в последовательности их
соединения; дополнительная линия сборки подводится к основной в точке
операции, на которой формируется сборочная единица с другими элементами
изделия.
5. Сборочная единица, формируемая параллельно с основным изделием,
строится на дополнительной линии сборки; а дополнительная линия сборки
подводится к основной в точке сборки этой сборочной единицы с основным
изделием.
6. Стрелка показывает направление сборки. При частичной разборке
стрелка направлена от операции к элементу.
7. Знаки контрольных и регулировочных операций подводятся к линии
сборки непосредственно после той сборочной единицы, относительно которой они производятся.
8. Определяющий диаметр знака - 10 мм.
Номера позиций деталей соответствуют спецификации, приведенной в
расчетной записке.
Исходя из особенностей сборки карданного подвеса (основы данного
прибора), а также монтажа датчиков угла, датчиков момента (т.е.
соответствие между их ротором и статором, используемых на разных этапах
сборки) выбираем стационарную форму сборки.
53
Технологический процесс сборки
Технологический процесс сборки заключается в соединении деталей в
узлы, а также узлов и отдельных деталей в приборные устройства, В связи с
этим все работы сборочного процесса разбивают на отдельные
последовательные стадии (сборка узлов, агрегатов, механизмов, общая
сборка), которые дальше расчленяются на отдельные последовательные
операции, переходы и приёмы.
Суть операций технологического процесса сборки представлена в
таблице:
N операции
05
Содержание операции
Подготовительная
Промывка, размагничивание.
Приспособления
Инструмент
Верстак
Сборочная
10
Вставить полуось 21 датчика
момента в соответствующую
цапфу ДМ на внутренней
раме 7.
Верстак
Сборочная
15
Надеть внутреннюю раму 7 на
платформу 19
Верстак
Отвертка
Сборочная
20
Привинтить полуоси 21 и 22 к
платформе 19 согласно
чертежу.
Верстак
Гаечный ключ
Сборочная
25
Надеть датчик момента поз.
12 на полуось 21 закрепить
его гайкой 8.
Верстак
Отвертка
Сборочная
30
35
Привинтить статор датчика
момента поз. 12 к внутренней
раме винтами поз. 1.
Сборочная
Надеть ротор датчика угла
Верстак
Верстак
Гаечный ключ
54
поз. 29 на полуось 22 и
закрепить его гайкой 9 с
прокладкой 25.
Клей,
гаечный ключ
Сборочная
40
Вклеить статор датчика угла
поз. 30 в соответствующую
цапфу датчика угла на
платформе 19 и закрепить его
гайкой 10 с прокладкой 26.
Регулировочная.
45
Регулировать положение
ротора датчика угла
относительно статора.
Верстак
Регулировочноизмерительное
устройство
Сборочная
50
Надеть шарикоподшипники
20 на полуоси 21 и 22
Верстак
Сборочная
55
Приклеить колодки 13 к
крышкам 14
Отвертка
Сборочная
Привинтить крышки 14 к
внутренней раме 7 винтами
поз. 2
Верстак
65
Регулировочная
Стенд.
70
Тех. контроль
60
Номера позиций деталей соответствуют спецификации,
приведенной в
расчетно-пояснительной записке.
Технологическая схема сборки представлена на рис.1.
1.3 Расчет технологичности конструкции прибора.
Показатели технологичности конструкции приборов разработаны на основании ГОСТ 14201-73…14203-73, методики Госстандарта СССР, ОСТ и
обобщения опыта по отработке и оценке технологичности конструкции
изделий.
55
Данные показатели применены к конструкции отдельных функциональных
элементов, используемых в САУ и измерительных комплексах. Они определяются на этапе рабочего проектирования и входят в комплект документации на изделие, передаваемое в серийное производство.
Технологичным является такое изделие, которое при условии выполнения
всех технических требований более удобно в эксплуатации и позволяет при
данной серийности производства изготовить его с минимальными затратами
труда, материалов и с наименьшим производственным циклом.
Исходя из этого положения строится методика определения показателей
технологичности конструкции приборов. Основная идея методики
заключается в том, что технологичная конструкция изделия обеспечивает
наибольшую производительность труда, снижение затрат и сокращение
времени на проектирование, технологическую подготовку производства,
изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия при обеспечении
необходимого его качества.
Показатели технологичности используются для:
а) количественной оценки технологичности конструкции прибора перед
передачей его в серийное производство;
б) указания конструкторам требований по технологичности при выдаче
задания на проектирование нового прибора.
Система показателей содержит:
а) базовые частные коэффициенты, к которым относятся коэффициенты
освоенности Kосв, унификации деталей Куд и унификации материалов Кум;
б) комплексный коэффициент технологичности Ктех .
56
Выражения для определения значений всех частных показателей технологичности должны для «идеального» прибора стремиться к 1; фактические
значения частных показателей технологичности К должны находиться в
пределах 0 < К < 1.
Значения коэффициентов определяются на основе анализа технической
документации на изделие (сборочного чертежа и спецификации). Для
расчета коэффициентов Куд, Kосв составляется таблица:
Общее количество
деталей (без
В том числе
собственные заимство-
крепежных)
стандартные
Количество
покупные
крепежных
деталей
ванные
n
nсб
nзм
nст
nпок
nкр
N
Nсб
Nзм
Nст
Nпок
Nкр
В таблице n - число наименований деталей в изделии;
N - общее число деталей в изделии.
Заполним таблицу с помощью спецификации;
Общее количество
деталей (без
В том числе
собственные заимство-
крепежных)
Количество
стандартные
покупные
крепежных деталей
ванные
23
17
0
1
5
10
49
30
0
5
14
66
Коэффициенты освоенности прибора и унификации его деталей определяются по формулам:
Коэффициент освоенности:
K осв ( N ст N зм N пок ) / N
K осв (5 0 14 ) / 49 0,4
Коэффициент унификации:
57
K ун 1 ( n n кр ) /( N N кр )
K ун 1 ( 23 10) /( 49 66) 0,713
Примечания:
1. К стандартным относятся детали, охваченные ГОСТом и ОСТом,
отраслевой нормалью.
2. К заимствованным относятся детали, взятые из других аналогичных
разработок, и детали, изготовляемые по стандартам предприятий (СТП).
3. К собственным относятся детали, которые применяются только в
данном приборе и на которые разработаны чертежи в проекте на прибор.
4. Сборочные единицы, полученные армированным литьем или прессованием из пластмасс, принимаются за одну деталь.
5. К крепежным деталям относятся гайки, винты, болты, шпильки, заклепки и т.п., а также монтажные провода, товарные знаки, изоляционные
прокладки и т.п..
Коэффициент унификации материалов К определяется только для
собственных деталей прибора по формуле:
K ум 1
С
nсб
где С - количество сорторазмеров материалов для изготовления
собственных деталей прибора;
Сорторазмер обусловлен маркой материала и определяющим размером. Для
определения K ум составляется таблица:
58
Количество
Металлы
Сортораэмеров
Пластмассы
Керамика
Сумма
черные
цветные
драгоценные
1
1
-
-
-
2
13
2
-
-
-
15
материалов
Собственных
деталей
Тогда коэффициент унификации материалов
K ум 1
С
2
1 0,87
nсб
15
Комплексный коэффициент технологичности определяется как произведение
базовых частных коэффициентов
K техн Kосв K ун K ум 0,4 0,713 0,87 0,25
1.4 Расчет сборочной размерной цепи.
1) Общие положения
В приборах, работающих на разных физических принципах, имеются
механические сборочные единицы. К геометрическим параметрам этих единиц
(например, осевой зазор в опорах чувствительных элементов, колебание зазора
между магнитопроводами ротора и статора в электродвигателях и датчиках и др.)
предъявляются точностные требования. Эти точностные требования совместно с
размерами
отдельных деталей , от которых они зависят, образуют замкнутые
размерные цепи.
Размерная цепь (РП) в соответствии с РД 50-635-87 - совокупность размеров,
непосредственно участвующих в решении поставленной задачи и образующих
замкнутый контур.
59
Размерные цепи отражают объективные размерные связи в конструкции
прибора в технологических процессах изготовления его деталей и сборки.
Звено РЦ – один из размеров, образующих РЦ.
Замыкающее звено – звено РЦ , являющееся исходным при постановке задачи
или получающееся последним в результате ее решения.
Составляющее звено – звено РЦ , функционально связанное с замыкающим
звеном.
Увеличивающее звено – составляющее звено РЦ, с увеличением которого
замыкающее звено увеличивается (т.е. для которого передаточная функция
i=dF/dXi 0).
Уменьшающее звено – составляющее звено РЦ, с увеличением которого
замыкающее звено уменьшается ( т.е. для которого i 0).
Компенсирующее звено – составляющее звено РЦ , изменением которого
достигается требуемая точность замыкающего звена.
Общее звено- звено, одновременно принадлежащее нескольким РЦ.
Схема РЦ – графическое изображение РЦ.
2) Задачи и методы расчета размерных цепей (РД 50-635-87).
Прямая задача - задача, в которой заданы параметры (номинальное значение,
допустимые отклонения и т. д.) замыкающего звена РЦ и требуется найти
параметры ее составляющих звеньев.
Обратная задача - задача, в которой известны в один и тот же момент
времени параметры (допуски, поля рассеяния, координаты их середин и т.д. )
составляющих звеньев РЦ и требуется определить параметры замыкающего звена.
Решением обратной задачи проверяется правильность решения прямой задачи.
60
Статическая задача - задача, решаемая без учета факторов, влияющих на
изменение звеньев РЦ во времени.
Динамическая задача - задача, решаемая с учетом факторов, влияющих на
изменение звеньев РЦ во времени.
Метод расчета на максимум-минимум - метод расчета, учитывающий
только предельные отклонения звеньев РЦ и самые неблагоприятные сочетания.
Вероятностный метод расчета - метод расчета, учитывающий рассеяние
размеров и вероятность различных сочетаний отклонений составляющих звеньев
РЦ.
Для различных методов достижения точности замыкающего звена необходимо
применить различные методы расчета РЦ.
Размерные цепи, для которых оказывается экономически оправданным риск
возможного выхода за пределы поля допуска замыкающих звеньев и части
изделий, рассчитывают вероятностным методом.
В РЦ, в которых должна быть обеспечена полная взаимозаменяемость,
допуски рассчитывают по методу максимума - минимума.
В ряде случаев возможны сочетания различных методов достижения точности
замыкающего звена данной РЦ.
3) Расчеты
На все размеры размерной цепи устанавливаем экономически
целесообразные допуски по 8 квалитету точности. Размеры и предельные
отклонения на них, взятые для этого квалитета точности приведены в
таблице:
61
Условное
Номинальная величина Допуск Т,
обозначение
размера, мм
мкм
А
1
размера
15
27
А2
331
39
А3
130
63
А4
33,8
39
А5
8
22
А6
11,3
27
А7
15
27
А8
222,5
72
Ак
-
-
Чертеж размерной цепи представлен на рис.2а и рис.2б
Требуется
определить
размеры
прокладки
28
в
целях
обеспечении
предварительного натяга в шарикоподшипниках около 6..8 кг. Зная, что размеры
А1, А2, А3, А4, А5, А7 - уменьшающие, а размеры А6 и А8 - увеличивающие,
находим размер Ак.
При расчете по методу максимума-минимума:
Ак =А6+А8-А1-А2-А3-А4-А5-А7=
11,3+222,5-15-31-130-33,8-8-15=1 мм
Вычислим производственный допуск:
Тк = Т1+Т2+Т3+Т4+Т5+Т6+Т7+Т8+Т9+Т10
Тк=27+39+63+39+22+27+27+72=289 мкм
Верхнее отклонение (Ак =1) Еs=0. Нижнее отклонение (Ак=1) Еi=-289;
При расчете по вероятностному методу
62
T t T 12 T 2 2 T 32 T 4 2 T 52 T 62 T 7 2 T 82
где t – коэффициент риска, - относительное среднее квадратичное отклонение.
Из опыта проектирования берем произведение t 1,3 .
T 1,3 27 2 39 2 632 39 2 22 2 27 2 27 2 72 2 159 мкм
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Э.Г. Богатырев, З.Ф. Уразаев. Методические указания по выполнению
технологической части дипломных проектов. М., изд. МВТУ, 1978.
2. Р.М. Гоцеридзе, З.Ф. Уразаев. Методы обеспечения точности сборки
приборов. М.: Издательство МГТУ, 1993.
63
Заключение
В результате проектирования все требования технического задания
выполнены:
1.
Допустимая статическая ошибка по углу стабилизации 1 мин;
2.
Коэффиц. подавления колебаний не менее 80 дб на частоте 1 Гц;
3.
Систематическая составляющая собственного ухода платформы менее 0,1
град/мин;
4.
Наибольшая скорость приведения по всем осям 5 град/с;
5.
Габаритные размеры координатора о50х100мм, объем электроники на
координаторе 0,3 л;
6.
Габаритные размеры гиростабилизатора о250х250 мм;
7.
Масса прибора не более 5 кг;
8.
Время готовности не более 8 минут;
9.
Технический ресурс не менее 2000 часов;
10. Углы прокачки ±35 градусов.
