Московский колледж управления и новых технологий
Модернизация блока демпфирующих гироскопов
БДГ-1М на базе альтернативных чувствительных элементов (ЧЭ).
Содержание
Введение
1 Выбор и обоснование модернизации…………………………………………………………………..…8
2 Выбор и обоснование схемы электрической
принципиальной…………………………………………………………………………………………………………………12
3 Расчет……………………………………………………………………………………………………………………………….15
3.1 Расчет прочности прибора………………………………………………………………………………….15
3.2 Расчет надежности прибора………………………………………………………………………
4 Разработка и описание конструкции БДГ-ТВГ…………………………………….
5 Разработка технологической инструкции по эксплуатации
6 Определени экономической эффективности……………………………………………
7 Охрана труда………………………………………………………………………………………………………….
7.1 Техника безопасности на участке сборки…………………………………………….
7.2 Расчет освещенности на участке сборки……………………………………………..
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Целью настоящей пояснительной записки является проработка возможности модернизации блока демпфирующих гироскопов БДГ-1М на базе альтернативных чувствительных элементов (ЧЭ).
Блок демпфирующиг гироскопов БДГ-1М предназначен для выдачи сигналов, пропорциональных угловой скорости относительно трех взаимно-перпендикулярных осей Y, X, Z.
БДГ-1М относятся к классу приборов низкой точности. В качестве чувствительных элементов в БДГ-1М используются классические механические «сухие» 2-х степенные гироскопы с торсионом для создания противодействующего момента – датчики угловой скорости прямого измерения – ДУСТУ: гиромотор в рамке, установленной в корпусе прибора с помощью шарикоподшипниковых опор и торсиона.
Принцип действия датчика ДУС ТУ основан на свойстве гироскопа с двумя степенями свободы совмещасть вектор кинетического момента гироскопа с вектором угловой скорости объекта, на котором данный гироскоп установлен.
Однако в настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. Среди наиболее интересных направлений, с помощью которых получены наиболее значительные практические результаты, можно выделить следующие:
- Поплавковые гироскопы
Поплавковый гироскоп (ПГ) представляет собой классический роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешены в жидкости с большим удельным весом так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами
Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, выполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Конструкция поплавка должна быть максимально симметричной. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тыс. оборотов в минуту.
- Динамически настраиваемые гироскопы
Динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ) принадлежат к классу гироскопов с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счет упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов).
В ДНГ в отличие от классического гироскопа используется так называемый внутренний карданов подвес, образованный внутренним кольцом, которое изнутри крепится торсионами к валу электродвигателя, а снаружи - торсионами к ротору. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов.
В динамически настраиваемых гироскопах за счет подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору.
К достоинствам ДНГ следует отнести их миниатюрность, высокую стабильность показаний, относительно невысокую стоимость.
-Кольцевые лазерные гироскопы
Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. Длины этих волн определяются условиями генерации, согласно которым на длине периметра резонатора должно уложиться целое число волн, поэтому на неподвижном основании частоты этих волн совпадают.
При вращении резонатора лазерного гироскопа путь, проходимый лучами по контуру, становится разным, и частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Волновые фронты лучей интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы.
Вращение резонатора лазерного гироскопа приводит к тому, что интерференционные полосы начинают перемещаться со скоростью, пропорциональной скорости вращения гироскопа.
Интегрирование по времени выходного сигнала лазерного гироскопа, пропорционального угловой скорости, позволяет определить угол поворота объекта, на котором установлен гироскоп.
К достоинствам лазерных гироскопов следует отнести, прежде всего, отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения.
-Волоконно-оптические гироскопы
Значительные достижения в области разработки и промышленного выпуска световодов с минимальным значением погонного затухания и интегральных оптических компонентов привели к началу работ над волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ), представляющим собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны.
Наиболее распространенный вариант ВОГ - многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности КЛГ.
ВОГ из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых среднеточных гироскопов, и можно ожидать, что он вытеснит КЛГ в диапазоне точностей 10- 2 град/час и ниже.
-Микромеханические гироскопы
Микромеханические гироскопы (ММГ) относятся к области низких точностей (хуже 10- 1 град/час). Эта область традиционно считалась малоперспективной для задач управления движущимися объектами и навигации и серьезно не рассматривалась в научных и инженерных кругах.
Но в последнее время ситуация резко изменилась, и в печати одно за другим стали появляться сообщения о новом классе гироскопических чувствительных элементов, получивших название микромеханических.
Это одноосные гироскопы вибрационного типа, изготавливаемые на базе современных кремниевых технологий. ММГ представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор типа описанного выше камертона.
Точность полученных к настоящему времени ММГ находится на уровне 102 град/час, но ожидается, что ее можно будет повысить на порядок и приблизить к точности гироскопа Фуко.
Решающее значение имеет исключительно низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов. Благодаря использованию хорошо отработанных современных технологий массового производства микроэлектроники ожидаемая цена одного чувствительного элемента будет лежать в пределах от нескольких сот до единиц долларов (при уходах соответственно от 101 до 103 град/час).
В свою очередь, дешевизна ММГ открывает возможность их использования в совершенно новых областях: автомобили и бинокли, телескопы и видеокамеры, "мыши" и "джойстики" персональных компьютеров, мобильные робототехнические устройства и даже детские игрушки.
Конечно, ММГ можно использовать и при совершенствовании военной техники (прицелы, "думающие" бомбы, тактическое оружие), но не эти приложения являются определяющими в экономическом плане. Имеются прогнозы, по которым производство ММГ может достигнуть ста миллионов в год при общей стоимости 4,5 млрд. долл.
В настоящее время разработка первого поколения ММГ уже завершена, решаются задачи их интеграции в инерциальные измерительные модули совместно
с электроникой и вычислительной техникой. Первые инерциальные модули уже появились в лабораториях.
- Неконтактные гироскопы
В отличие от ММГ неконтактные гироскопы находятся на другом полюсе среди гироскопических чувствительных элементов, так как с их помощью удалось достичь сверхвысоких точностей.
Неконтактные гироскопы имеют резервы дальнейшего повышения точности и, по крайней мере, в обозримом будущем будут оставаться лидерами в этом отношении.
В неконтактных подвесах реализуется состояние левитации, то есть состояние, при котором ротор гироскопа парит в силовом поле подвеса без какого-либо механического контакта с окружающими телами.
Среди гироскопов с неконтактными подвесами можно выделить гироскопы с электростатическим и магнитным подвесами ротора. В электростатическом гироскопе (ЭСГ) проводящий сферический ротор подвешен в вакуумированной полости в регулируемом электрическом поле, создаваемой системой электродов. Если поверхность ротора - идеальная сфера, то силы электрического поля, действующие по нормали к проводящей поверхности ротора, не могут создать момента относительно его центра и возникает возможность создания идеального гироскопа.
Ротором электростатического гироскопа может служить бериллиевый шар диаметром 1 см, раскрученный до скорости порядка 180 тыс. оборотов в минуту. Для такого подвеса характерно практически полное отсутствие трения (при вакууме в подвесе 10- 8 мм рт.ст. постоянная времени выбега ротора за счет остатков газа имеет величину порядка 100 лет).
Ничтожно малые величины возмущающих моментов сил, действующих на левитирующий в вакууме ротор, обеспечивают неограниченно долгое и надежное сохранение направления оси вращения гироскопа в пространстве.
Гироскопы с магниторезонансным подвесом ротора (МСГ) являются в определенной степени аналогами гироскопов с электростатическим подвесом ротора, в которых электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор - ферритовым.
Современные гироскопы с неконтактными подвесами - это сложнейшие приборы, которые вобрали в себя новейшие достижения техники. Только три страны в мире
в настоящее время способны производить электростатические гироскопы. Кроме США и Франции в их число входит и Россия.
- Твердотельные волновые гироскопы
В основе функционирования волнового твердотельного гироскопа (ВТГ, ТВГ) лежит физический принцип, заключающийся в инертных свойствах упругих волн в твердом теле.
Упругая волна может распространяться в сплошной среде как жесткое тело, не изменяя своей конфигурации. Такая частицеподобная волна называется солитоном и рассматривается как модельное воплощение корпускулярно-волнового дуализма:
с одной стороны — это волна, с другой — неизменность конфигурации приводит к аналогии с частицей.
Однако эта аналогия в некоторых явлениях простирается и дальше. Так, если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол.
Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора.
Резонатор ВТГ представляет собой тонкую упругую оболочку вращения, сделанную из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь при колебаниях. Обычно форма оболочки - полусфера с отверстием в полюсе, поэтому ВТГ называется в литературе полусферическим резонаторным гироскопом.
Один край резонатора (у полюса) жестко прикреплен к основанию (ножке). Другой край, называемый рабочим, свободен.
На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, которые образуют вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы.
Часть конденсаторов служит для силового воздействия на резонатор. Вместе с соответствующими электронными схемами они образуют систему возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды. С ее помощью в резонаторе устанавливают так называемую вторую форму колебаний, у которой стоячая волна имеет четыре пучности через каждые 90 град.
Вторая группа конденсаторов служит датчиками положения пучностей на резонаторе. Соответствующая (весьма сложная) обработка сигналов этих датчиков позволяет получать информацию о вращательном движении основания резонатора.
К достоинствам ТВГ относятся:
· высокое отношение точность / цена,
· способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшой вес,
· низкая энергоемкость,
· малое время готовности,
· слабая зависимость от температуры окружающей среды.
Полученные к настоящему времени результаты испытаний опытных экземпляров ТВГ позволяют рассчитывать, что ТВГ найдет свою нишу в области датчиков средней точности.
Анализируя принципы действия приведенных гироскопических чувствительных элементов, их характеристики, а также развитие производства данных типов гироскопов в РФ, наиболее подходящими для достижения поставленной задачи модернизации блока БДГ-1М видятся чувствительные элементы на основе ММГ и ТВГ.
Общепризнанной тенденцией, претворяющейся уже сегодня на Западе и в USA в практику, является использование в CУ для БПЛА военного назначения в качестве ДУС низкой и даже средней точности микромеханических гироскопов. При обеспечении ими необходимых точностных характеристик достигается значительное сокращение габаритно-массовых характеристик и энергопотребления.
Однако использование ММГ-технологии для военного применения сдерживается из за отсутствия в РФ реального производства ММГ гироскопов.
Чувствительные элементы на базе ТВГ по габаритно-массовым показателям уступают ММГ, однако, также как и ММГ, отличаются низким энергопотреблениям и хорошими точностными показателями в области низких и средних точностей (случайный дрейф в запуске <1 °/час) И ,что особенно важно, производством ТВГ в отличии от ММГ занимаються и отечественные фирмы.
С учетом вышесказанного в качестве альтернативных чувствительных элементов для модернизации блока БДГ-1М предлагается использовать твердотельные волновые гироскопы (ТВГ).. При обеспечении ими необходимых точностных характеристик достигается значительное сокращение габаритно-массовых характеристик и энергопотребления.
1 Выбор и обоснование модернизации
Объектом модернизации является блок демпфирующих гироскопов БДГ-1М.
Блок демпфирующих гироскопов БДГ-1М, чувствительными элементами которого являются классические механические «сухие» гироскопы, был спроектирован в 80-90х годах и имеет относительно высокое энергопотребление, а также габаритно-массовые характеристики.
Столь долгая жизнь БДГ-1М объясняется:
- удовлетворенностью заказчика техническими и эксплуатационными характеристиками БДГ-1М, включая характеристики надежности;
- простотой конструкции и технологичностью изготовления ДУСТУ
и, как следствие, сравнительно низкой их стоимостью и БДГ-1М в целом;
- отсутствием в этот период конкурентных решений от Российской промышленности.
Целью данной модернизации блока демпфирующих гироскопов БДГ-1М являются следующи критерии:
1) Минимизация массы блока
2) Минимизация габаритных размеров
3) Помещение составных частей в единый корпус
4) Уменьшение энергопотребления
5) Замена чувствительных элементов на современные.
Для достижения поставленных целей модернизации предлагается заменить чувствительные элементы блока БДГ-1М , на более современные – твердотельные волновые гироскопы (ТВГ)..
Приведем описание блока БДГ-1М для последующего выбора контретных ТВГ гироскопов.
Описание БДГ-1М
БДГ-1М состоит из двух основных частей: Измеритель угловых скоростей
и устройства усилительного.
Измеритель угловых скоростей предназначен для измерения угловых скоростей, действующих по измерительной оси датчика, и выдачи электрического сигнала, пропорционального угловой скорости платформы, на которой он закреплен. Чувствительными элементами измерителя угловых скоростей являются 3 гироскопических датчика ДУС ТУ, закрепленных на кронштейне, с соответствующей ориентацией относительно измерительных осей.
Преобразование измерительной угловой скорости в электрический сигнал переменного тока осуществляется с помощью индукционного датчика угла, выходной ситгнал которого пропорционален величине и соответствует по фазе измеряемой угловой скорости.
Усилительное устройство является преобразующим и усилительным устройством и выполняет следующие задачи:
- обеспечение напряжения питания гироскопов с помощью вторичных источников питания;
- усиление и преобразование выходного сигнала переменного тока с датчиков ДУСТУ в сигнал постоянного тока с помощью усилителей фазочувствительных.
Краткие технические данные блока демпфирующих гироскопов БДГ-1М представлены в таблице 1
Таблица 1
-
Напряжение питания, В
(±12,0±0,6) – постоянный ток
(27,0±2,7) – постоянный ток
Потребляемые токи, А
1,2 от источника 27 В
0,09 от источника +12 В
0,03 от источника -12 В
Нулевой сигнал в каналах курса, крена, тангажа, В
0±0,3
Время готовности, с
10
Диапазон измерения угловой скорости, °/с
±60 – вокруг осей Y и Z
±120 – вокруг оси X
Крутизна выходного сигнала, В·с/°
(0,125±0,025) - вокруг осей Y и Z
(0,0625±0,0125) – вокруг оси X
Полярность выходного сигнала при положительном направлении скорости (против часовой стрелки) вокруг осей X, Y и Z (См. рисунок 1)
положительная
Масса блока, кг
не более 2,2
Порог чувствительности, °/с
0,09 – вокруг осей Y и Z
0,18 - вокруг оси X
Полярность выходного сигнала блока демпфирующих гироскопов БДГ-1М представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – полярность выходного сигнала БДГ-1М
Исходя из имеющихся технических данных на блок БДГ-1М в качестве альтернативных ЧЭ решено использовать гироскопы Российского производства фирмы ангстрем, модель ТВГ-1БА.
Характеристики гироскопа ТВГ-1БА приведены в таблице 2.
Таблица 2
Колличество осей |
1 |
Выходной формат |
Аналоговый |
Выходной сигнал, В |
±10 |
Диапазон измерения, град/с |
±250 |
Время запуска, с |
<1 |
Время прогрева, с |
<50 |
Напряжение питания, В |
От +18 до +36 |
Потребляемая мощность, Вт |
<2,3 |
Рабочая температура, °С |
От -40 до +85 |
Температура хранения, °С |
От -55 до +90 |
Виброустойчивость рабочая, gRMS, Гц |
12g,1-2000Гц 10мин/ось |
Удароустойчивость, g,мсек |
300g, 2-5 мсек |
Среднее время наработки на отказ, час |
500 000 |
Срок службы, лет |
17 |
Вес (ЧЭ) |
71 |
Вес (электроника и кабель) |
73 |
Размеры, мм |
H25xD29,4 (ЧЭ) |
Модернизированному блоку на базе гироскопов ТВГ-1БА присвоивается наименование БДГ-ТВГ.
2 Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной
Выбор новых чувствительных элементов ставит задачу модернизации электрической схемы блока БДГ-ТВГ.
Рассмотрим принцип работы блока БДГ-1М для дальнейшего выбора модернизированной схемы электрической принципиальной блока БДГ-ТВГ.
Функциональная схема блока БДГ-1М представлена на рисунке 1. Для наглядности на схеме приведен один из трех измерительных трактов (канал курса ψ)
Рисунок 1 - Функциональная схема блока БДГ-1М
Принцип работы схемы (БДГ-1М):
- Преобразователи Е1 и Е2 преобразуют постоянное напряжение питания БДГ-1М.
27В (бортсеть) в переменное напряжение 36 В 400 Гц (для питания гиромоторов
датчиков ДУСТУ)
- генератор E6 преобразует постоянное напряжение +12В в переменное напряжение (3,7±0,5)В частоты (7500±1300) Гц (для питания индукционных датчиков ДУСТУ) а также управляет ключами фазочувствительных усилителей
- индукционными датчиками угла измеряемая угловая скорость по трем каналам преобразуется в электрические сигналы переменного тока, пропорциональные
по величине и соответствующие по фазе измеряемой угловой скорости.
- фазочувствительные усилители Е3, Е4, Е5 преобразуют и усиливают выходные сигналы переменного тока с датчиков ДУСТУ в сигналы постоянного тока, величина
и полярность которых зависят от величины и фазы сигналов
с датчиков ДУСТУ, и обеспечивают заданную крутизну выходного сигнала
за счет регулировки и подбора резисторов в цепи обратной связи усилителей
- при наличии напряжения 36 В 400 Гц для питания гиромоторов выдаеться сигнал «Исправность» в виде замыкания контактов реле
- схема встроенного контроля обеспечивает проверку работоспособности блока без задания угловых скоростей.
Поскольку гироскопы, используемые в модернизированном блоке БДГ-ММГ требуют питания напряжением 27В постоянного тока и имеют аналоговый выход
с диапазоном выходного сигнала ±10 В, схема электрическая принципиальная блока БДГ-ММГ значительно упрощается по сравнению со схемой блока БДГ-1М.
Исходя из технческих требований на блок БДГ-1М и выбранный ТВГ опеделим технические требования к схеме модернизированого блока БДГ-ТВГ.
Технические требования к схеме БДГ-ТВГ:
- обеспечение питания трех гироскопов ТВГ-1БА напряжением 27В постоянного тока;
- вывод команды «Исправность» на внешний разъем блока при правильном функционировании трех гироскопов;
- вывод выходных сигналов с трех гироскопов на внешний разъем блока..
Схема электрическая принципиальная блока БДГ- ТВГ приведена в приложении на чертеже ДП 200104.41.05.2012.01 Э3.
Принцип работы схемы (БДГ-ТВГ):
Напряжение бортсети 27В постоянного тока подается на контакты 1, 2 разъема Х1 блока БДГ- ТВГ и далее на переходную печатную плату А4. На печатной плате напряжение питания растраивается на три канала и подводится на контакты 1, 2 разъемов Х1 каждого из трех гироскопов А1, А2, А3.
Выходные сигналы в виде напряжений постоянного тока в диапазоне ±10 В, формируемые внутри гироскопов А1, А2, А3 с контактов 3, 4 разъемов Х1 каждого
из гироскопов поступают на печатную плату А4 и далее на контакты 3, 4, 5, 6, 7, 8 разьема Х1 блока БДГ-ММГ.
Внутри гироскопов А1, А2, А3 при наличии напряжения питания 27В происходит замыкание контактов реле (котакты 5, 6 разъемов Х1 гироскопов А1, А2, А3). Эти цепи выведены на плату А4, где последовательно соединены и выведены на контакты 9, 10 выходного разъема Х1 блока БДГ-ММГ. При формировании команды «Исправность» на всех трех гироскопах, цепь на выходном разъеме БДГ-ТВГ Х1:9-Х1:10 замыкается, что являеться признаком исправного состояния блока БДГ-ТВГ