Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет)

«Высшая школа электроники и компьютерных наук»

Кафедра «Системы автоматического управления»

Специальность 24.03.02 - Системы управления движением и навигация

Контрольная работапо дисциплине: «Проектирование гироскопических приборов»

Тема: «Поплавковый интегрирующий гироскоп для гиростабилизированной платформы»

ЮУрГУ-240302.2016.382. ПЗ КР

Нормоконтролер: к.т.н., доцент В. В. Седышев

Руководитель: к.т.н., доцент В. В. Седышев

Автор работы:

студент группы КЭ-433

А.В. Здрогов

29 марта 2017 г.

Челябинск 2017



Аннотация

Здрогов, А. В. Поплавковый интегрирующий гироскоп для гиростабилизатора. Пояснительная записка к работе по курсе «Проектирование гироскопических приборов» - Челябинск, ЮУрГУ, КЭ, 2017 г. 15с., библ. список - 7 наим. 1 лист чертежа ф. А1, 2 листа чертежа ф. А3.

В данной работе рассмотрен принцип работы поплавкового интегрирующего гироскопа, его уравнения движения, разработана конструктивная схема и рассчитаны основные параметры элементов гироскопа, также рассчитаны погрешности. Построена числовая модель и получены динамические характеристики.

В качестве датчика угла выбран индукционный датчик типа «микросин», он имеет одно достоинство, которое заключается в том, что они создают радиальные нагрузки на опоры значительно меньшие, чем нагрузки, создаваемые несимметричными индукционными датчиками.

В данном приборе используется демпфирующая жидкость Лигроин. Она позволит практически полностью разгрузить опоры. Остаточный вес составляет Н.

В проекте спроектирован ПИГ, который будет использоваться в гироскопической платформе для летающих аппаратов.



Оглавление

Аннотация

Введение

1. Анализ конструкции поплавкового интегрирующего гироскопа

2. Принцип работы конструкции поплавкового интегрирующего гироскопа

3. Исследование динамики конструкции ПИГ

Заключение

Библиографический список



Введение

Поплавковые интегрирующие гироскопы (ПИГ) предназначены для измерения угла поворота объекта (основания) в инерциальном пространстве. Используют их в основном как чувствительные элементы (датчик) в системах стабилизации и автоматического управления. На самолётах, ракетах, спутниках и космических кораблях интегрирующие гироскопы применяют в основном в системах гироскопической стабилизации для построения стабилизированных платформ и угловой стабилизации акселерометров в системах инерциальной навигации. Это объясняется тем, что функции измерения угла поворота, ранее выполнявшиеся интегрирующими гироскопами, в настоящее время реализуют датчики угловой скорости, выход которых подключён к электронному интегратору.

Так как ПИГ высокоточный прибор, следовательно, дорогостоящий, в настоящее время они используются в основном на ракетной технике. Изготавливаются поплавковые интегрирующие гироскопы на ЦНИИ «Электроприбор» в городе Санкт-Петербург.

Цель работы: спроектировать конструкцию поплавкового интегрирующего гироскопа для гиростабилизаторной платформы на летательный аппарат.

Задачи:

· Сконструировать конструктивную схему,

· Описать принцип работы ПИГ,

· Составить операционную схему технического процесса сборки прибора,

· Получить динамические характеристики ПИГ.



1. Анализ конструкции поплавкового интегрирующего гироскопа

Необходимо провести анализ конструкции ПИГ для того, чтобы понять сложность конструкции прибора. Узнать его конструктивные особенности. Какие инструменты необходимы для сборки прибора

Для анализа конструкции ПИГ рассмотрим рисунок 1.

Рисунок 1 - Конструкция поплавкового интегрирующего гироскопа: 1 - трубка; 2 - токоподводы; 3 - кожух; 4 - датчик угла; 5 - прокладка; 6 - система термостатирования; 7 - корпус; 8 - датчик момента; 9 - магнитный подвес; 10 - прокладка; 11 - сильфон; 12 - винты; 13 - гиромотор; 14 - поплавок; 15 - крышка поплавка; 16 - крышка корпуса; 17 - цапфа; 18 - камневая опора.

ПИГ состоит из четырёх узлов и пяти отдельных элементов. Узлами прибора являются: датчик угла поз. 4, датчик момента поз. 8, магнитный подвес поз. 9, камневая опора поз. 18, сильфон поз. 11.

Для достижения необходимой точности прибора. Сборка ПИГ осуществляется в специальном производственном помещение, где выдержаны специальные требования для помещения. Сборка прибора осуществляется без механической обработки. Необходимы следующие комплектующие материалы: припой ПОСК 50-18 с флюсом ВТС, отвёртка с плоским наконечником шириной 6мм.

Составим операционную схему технологического процесса сборки ПИГа.

1. Сборка поплавка:

a) В поплавок поз. 14, в специальные опоры вставляется гиромотор поз. 13. Ось гиромотора зажимается винтами.

b) В поплавок через специальные отверстия проводятся токопроводы. Отверстия изолируются эпоксидной смолой ЭД-20

c) Поплавок закрывается крышкой поз.15. Крышка запаивается.

d) На наружной стороне поплавка, на специальные выступы устанавливаются часть магнитного подвеса поз 9.

e) В специальное отверстие устанавливается цапфа поз. 17.

2. Сборка корпуса:

a) В правую часть корпуса поз. 7 вставляется камневая опора поз. 18.

b) На специальные выступы устанавливается вторая часть магнитного подвеса поз. 9.

c) В корпус на посадочную поверхность с натягом устанавливается датчик момента поз. 8.

d) В корпус поз. 7 устанавливается поплавок поз. 14

e) В корпус на посадочную поверхность с натягом устанавливается датчик угла поз. 4.

f) В крышку корпуса поз. 7 в посадочную поверхность с натягом устанавливается камневая опора поз. 18.

g) Через специальные отверстия в крышке корпуса поз. 16 проводятся токопровода. Отверстия изолируются эпоксидной смолой ЭД-20.

h) Крышка корпуса поз. 16 закрывает корпус и запаивается.

3. Корпус поз. 7 обматывается обмоткой терморегулирования поз. 6.

4. Сборка кожуха:

a) В правую часть кожуха поз 3. устанавливается сильфон поз. 11. Запаивается.

b) Правая часть кожуха надевается на корпус поз. 7. И прикручивается на винты.

c) С другой стороны, на корпус надевается вторая часть кожуха и запаивается.

Вывод: проанализировав конструкцию ПИГ можно сделать выводы, о том, что это сложный прибор, он будет состоять и четырёх узлов и пяти отдельных элементов. Для сборки такого ПИГ необходимы специальные условия рабочего помещения.

2. Принцип работы конструкции поплавкового интегрирующего гироскопа

Описание принципа работы поплавка. Основным элементом ПИГ является поплавок на камневых опорах и на магнитном подвесе. Корпус поплавкового интегрирующего гироскопа заполняется вязкой жидкостью (лигроином), плотность которой равна средней плотности поплавка и элементов, связанных с ним. В этом случае сила тяжести подвижной части ПИГ уравновешивается выталкивающей силой жидкости (Архимедовой силой). Сила тяжести приложена в центре тяжести, а выталкивающая сила в центре давления. При изготовлении ПИГ принимаются меры для совмещения центра тяжести и центра давления с осью Ox вращения поплавка. В идеальном случае нагрузка на опоры будет равна нулю и их роль сводится к центрированию поплавка в корпусе.

Описание принципа работы камневых опор.

В качестве опор ПИГ применяются прецизионные опоры часового типа, создающей момент трения. В качестве шипа используется цапфа диаметром 1 мм; в качестве подшипника - втулки из камня (сапфир). На практике не удаётся уравнять силы тяжести и центр давления, то есть поплавок будет тонуть или всплывать. Цапфы опор должны изготавливаться из высокопрочных сталей, так как силы гироскопической реакции будут нагружать их во время работы прибора.

Описание принципа работы системы термостатирования.

Для того чтобы вязкость и плотность жидкости были стабильными во время работы прибора ПИГ снабжён системой термостатирования, обеспечивающей, обеспечивающей постоянство температуры с точностью до 0,1…0,01°С. Система термостатирования состоит из термодатчика, в качестве которого применяется терморезистор или обмотка из медно-никелевого провода. Термодатчик является плечом мостовой схемы с сопротивлением. Если температура термодатчика соответствует рабочей температуре жидкости мост сбалансирован. При изменении температуры изменяется сопротивление и в диагонали моста появляется напряжение, которое поступает на вход фазочувствительного усилителя.

Описание принципа работы сильфона.

Для компенсации расширения жидкости при работе системы термостатирования в конструкции ПИГ предусмотрен сильфон. Размеры сильфона и его ход рассчитан из условия компенсации объёмного расширения жидкости от температуры хранения до рабочей температуры. При разогреве прибора или его охлаждении подпятники опор воспринимают значительные усилия из-за «поршневого эффекта». «Поршневой эффект» проявляется при появлении перепада давления в торцовых областях прибора. Для выравнивания давлений в этих областях жидкость должна протекать по кольцевой щели, образуемой поплавком и корпусом. Так как размеры щели малы, то избыточное давление создаёт значительную силу, которая воспринимается подпятником. Для снижения перепада давлений и снижения осевых усилий в конструкции прибора предусмотрены проходные каналы позволяющие жидкости перетекать из одной торцовой области в другую или установка сильфонов с двух сторон поплавка.

Описание принципа работы датчика угла.

Индукционный датчик угла - микросин представляет собой индукционный датчик с симметричным четырёхполюсным статором и двухполюсным ротором. На каждом полюсе статора располагаются две одинаковые обмотки, одна из которых является обмоткой возбуждения, а вторая - сигнальной. Все обмотки возбуждения соединены последовательно так, что мгновенная полярность диаметрально противоположных полюсов, перекрываемых полюсами ротора, противоположна.

Все они работают на принципе дифференциального трансформатора с воздушными зазорами в магнитопроводе. При повороте ротора датчика относительно статора изменяется площадь воздушных зазоров под полюсами статора. В результате этого происходит перераспределение магнитных потоков и в выходных обмотках датчика, расположенных на полюсах статора, трансформируется (индуцируется) э.д.с, пропорциональная углу поворота. поплавковый гироскоп термостатирование

Индукционные датчики типа микросин имеют достоинство, которое заключается в том, что они создают радиальные нагрузки на опоры значительно меньше, чем несимметричные индукционные датчики.

Недостатками индукционных датчиков является наличие у них момента электромагнитного взаимодействия между статором и ротором датчика при отклонении последнего от нулевого положения и значительный уровень нулевого напряжения.

Описание принципа работы датчика момента.

Электромагнитный датчик момента представляет собой электромагниты, якоря которых движется на поступательно, а вращательно, втягиваясь в зону того полюса магнитопровода, магнитное поле которого наиболее интенсивно.

Электромагнитный датчик момента типа «микросин» своим внешним видом и способом соединения обмоток возбуждения и управления не отличается от датчика угла типа микросин.

Датчик момента микросин может работать как на переменном, так и на постоянном токе. При отсутствии тока в катушках вправления якорь в пределах небольших углов поворота находится в положении безразличного равновесия. При наличии тока в катушках управления в полюсах магнитопровода создаются магнитные потоки управления. Эти потоки складываются с потоками возбуждения в нечетных полюсах и вычитаются в четных, а при реверсе момента наоборот: складываются в четных и вычитаются в нечётных.

Электромагнитные датчики момента типа микросин могут работать в режиме «электромагнитной пружины», т.е. развиваемый ими момент будет пропорционален углу поворота якоря. В этом случае на полюсах магнитопровода располагаются только последовательно соединённые катушки возбуждения. Катушки управления в этой схеме не нужны. Магнитные катушки возбуждения включаются так, чтобы получилась чередующая полярность полюсов.

Вывод: были описаны принципы работы всех элементов ПИГ: поплавка, сильфона, датчика угла, датчика момента и т.д.

3. Исследование динамики конструкции ПИГ

Для того чтобы оценить характеристики разработанного ПИГ, необходимо исследовать его динамику, т.е. рассмотреть переходные процессы. Для этого используем числовую модель ПИГ, описанную в работе по разработке ПИГ [7] и подставив в эту модель реальные параметры прибора, полученные в ПО Compas 3D получим переходные процессы[8].

Сравним полученные значения моментов инерции ротора и колец с моментами инерции, заданными в техническом задании.

Моменты инерции ротора по осям, связанным с ним (по техническому заданию):

Jx = 4,3 ;

Jy = 9,54 ;

Jz = 4.3.

Моменты инерции ротора по осям, связанным с ним (спроектированного в работе в ПО Компас - 3D [8]):

Jx = 4,23 ;

Jy = 9,46 ;

Jz = 4.23.

Для сравнения результатов приведем переходные процессы по углам ?? и ?? для заданных и полученных моментов инерции, представленных на рисунках 2 и 3. Графики под номером 1 соответствуют полученным моментам инерции, а под номером 2 - заданным.

Рисунок 2 - график переходной функции по углу в.

,

,

Вывод: по графикам видно, что оба процесса апериодические, время регулирования переходного процесса графика 1 больше, чем у 2, что говорит о меньшем быстродействии системы при уточнённых параметрах моментов инерции, но процесс системы 1 более пологий, по сравнению с системой 2, что говорит о меньшей колебательности системы.

Полученные при проектировании значения моментов инерции мало отличаются от заданных не более, чем на 5%. Это связано с тем, что при проектировании расчет моментов инерции осуществляется со всеми элементами ПИГ.



Заключение

В проекте была рассмотрена работа ПИГ, составлена операционная схема технологического процесса сборки прибора, спроектирована конструкция прибора

В третьем разделе было проведено исследование динамики ПИГ. В качестве числовой модели была использована модель, которая была выведена в работе по расчету параметров основных элементов прибора. Спроектированная твердотельная модель ПИГ дала возможность определить реальные значения массово-инерционные параметры, которые были использованы при получении динамических характеристик, разница оказалась не более 5%.

В дальнейшем необходимо уменьшить отличие параметров реального и спроектированного ПИГ, как минимум вдвое, более тщательным подбором материалов элементов конструкции модели и учитывать не идеальность радиальной балансировки ротора и всей вращающейся части ПИГ.



Библиографический список

1. Лысов, А.Н. Прикладная теория гироскопов / А. Н. Лысов, Н. Т. Виниченко, А. А. Лысова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. - 250 с.

2. Виниченко, Н.Т. Расчёт и проектирование гироскопических двигателей / Н. Т. Виниченко. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1981. - 59 с.

3. Коновалов, С.Ф. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III. Акселерометры, датчики угловой скорости, интегрирующие гироскопа и гироинтеграторы: Учебное пособие / С. Ф. Коновалов, Е.А. Никитин, Л. М. Селиванова; под ред. Д. С. Пельпора - М.: Высш. школа, 1980. - 128с.

4. Никитин, Е. А. Гироскопические системы, ч. III. Элементы гироскопических приборов: учебное пособие / Е. А. Никитин. - М., «Высшая школа», 1972. - 472 с.

5. Андрейченко, К. П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров / К. П. Андрейченко. - М.: Машиностроение, 1987. - 128 с.

6. Седышев, В. В. Проектирование гироскопических приборов: учебное пособие / В. В. Седышев. - Челябинск, 2015. - 82 с.

7. Здрогов, А.В Поплавковый интегрирующий гироскоп для гиростабилизатора: курсовая работа. Курсовая работа / А. В. Здрогов. - Челябинск, ЮУрГУ, 2016. - 31с.

8. Программное обеспечение Компас - 3D v15, Service pack 2.

Размещено на Allbest.ru

...