Устройство для автоматической балансировки роторов гироскопов

СОЮЗ СОВЕТСКИХкцмламааепРЕСПУБЛИК С 01 М 1/ ДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССРЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ ОБРЕТЕНИ ОПИСА 1г ОМУ СОИ СТ 5 юл. 1 п виаци име ный техноло Э. ЦиолковН. Баранов,йков(71) Московский агический институтского(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙБАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ ГИРОСКОПОВ(57) Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для балансировки динамическинастраиваемых гироскопов. Целью изобретения является повышение точностии производительности балансировки эасчет использования контура управлениябалансировкой в зависимости от текущего значения энергии импульсов генерации. Сигнал с датчика измерения импульсов генерации преобразуется в интеграторе и запоминается в блоке аналоговой памяти, откуда он поступаетна вход управляющей ЭВМ, выход которой через блок управления связан скорректирующим лазером. 5 ил.1 122Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для балансировки гироскопов, в частности динамически настраиваемыхгироскопов.Цель изобретения - повышение точности и производительности балансировки за счет использования контура управления процессом балансировки в зависимости от текущего значения энергии импульсов генерации.На фиг, 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - конструктивная схема вибростола с приспособлением; на фиг, 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 3; на фиг. 5 - вид В на фиг, 3.Устройство для автоматической балансировки роторов гироскопов содержит основание 1, закрепленный на нем вибровозбудитель 2 с вибростолом 3, выполненным в виде корпуса 4, шагового двигателя 5, плиты б, изготовленной с возможностью перемещения микрометрическим винтом 7 в горизонтальной плоскости, связанным с шаговым двигателем 5, и двух регулируемых упоров 8 и 9, установленных на кронштейнах 10 и 11 по обе стороны от плиты 6 в направлении ее перемещения, корректирующий лазер 12 с фокусирующим объективом 13, закрепленные на вибростоле 3 вакуумный колпак 14 и приспособление .15 для установки гироскопа 16, выполненное в виде кронштейна 17, стакана 18 для закрепления гироскопа 16, установленного на кронштейне 17 с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной направлению движения пчиты 6, осуществляющего поворот стакана 18 червячного редуктора 19, связанного с ним второго шагового двигателя 20, третьего 21 и четвертого 22 регулируемых упоров, установленных на кронштейне 17 и фиксирующих вертикальное и горизонтальное положение стакана 18, пальца 23, закрепленного на оси вращения стакана 18 и взаимодействующего с регулируемыми упорами 21 и 22 в вертикальном и горизонтальном положениях стакана 18, привода 24, выполненного в виде соленоида 25 и третьего шагового двигателя 26, вал 27 которого выполнен подпружиненным пружиной 28 с возможностью перемещения в осевом направлении так, что в пра 6090 3вом крайнем положении взаимодействует своей спиральной торцовой поверхностью с выполненной подобным жеобразом торцовой поверхностью вала гироскопа 16, подвижные фиксаторы 29-31, установленные на основании 1 равномерно по окружности, каждый из которых подпружинен соответственно пружинами 32-34, электромагнитные приводы 35-37, взаимодействующую с корпусом 4 вибростола 3 систему 38 защиты, выполненную в виде последовательно соединенных пневмомагистрали 39, электропневмоклапана 40, сопла 41 и блока 42 отсоса,последовательно соединенные датчик43 измерения импульсов генерации,установленный на пути луча лазераусилитель-калибратор 44, аналоговыйключ 45, интегратор 46, выполненныйв виде соединенных параллельно инвертирующего операционного усилителя 47, конденсатора 48 и второгоаналогового ключа 49, и блок 50аналоговой памяти, выполненный ввиде последовательно соединенныхтретьего аналогового ключа 51 и второго операционного усилителя 52,выход которого является выходом блока 50 аналоговой памяти, и запоминающего конденсатора 53, включенного между входом второго операционного усилителя 52 и корпусом, последовательно соединенные компаратор54, вход которого .соединен с выходом И усилителя-калибратора 44, и ждущиймультивибратор 55, выход которогоссединей с управляющим входом третьего аналогового ключа 51, последовательно соединенные датчик 56 опорного сигнала, формирователь 57 и фазовращатель,58, выполненный в видепоследовательно соединенных генератора 59 пилообразного напряжения,второго компаратора 60, преобразо 4 ф вателя 61 импульсов в синусоидальный сигнал, управляемого ключа 62 иусилителя 63, выход которого соединен с входом вибровозбудителя 2, иисточника 64 регулируемого опорного фО напряжения, выход которого связанс вторым входом второго компаратора60, два канала 65 и 66 электрическойпружины, каждый из которых выполненв виде последовательно соединенных М датчика 67 (68) угла, усилителядемодулятора 69 (70) и датичка 71соединенных избирательного усилителя 74, вход которого соединен с датчиком 67 угла, амплитуд:ого детектора 75 и цифрового вольтметра 76,второго формирователя 77, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя 74, цифрового фазометра 78, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя77 и с выходом второго компаратора60,:,а второй вход - с выходом формиронаделя 57, и блока .79 питания,выход которого соединен с гироскопом 16, управляющую ЭВМ 80, выполненную в виде последовательно соединенных коммутатора 81 аналоговыхсигналов, первый вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 75, второй и третий - соответственно свыходами усилителей-демодуляторов 69 и 70, а четвертый - с выходом блока:50 аналоговой памяти,;ганалого-цифрового преобразователя82, процессора 83, связанного с выходом цифрового фазометра 78, икоммутатора 84 цифровых сигналов,выходы которого являются выходамиуправляющей ЭВМ 80, блок 85 управления, первый вход которого соединенс выходами управляющей ЗВМ 80,. а выход - с корректирующим лазером 12,и блок 86 управления фиксаторат,входы которого соединены с выходамиуправляющей ЭВМ 80, а выходы: первый - с вторым входом блока 85 управления, второй - с первым шаговым двигателем 5, третий - с вторым шаговымдвигателем 20, четвертый - с третьимшаговым двигателем 26, пятый - стретьим входом блока 85 управления иуправляющим входом второго аналогового ключа 49, шестой - с входамиэлектропневмоклапана 40 и блока 4отсоса, седьмой - с входом соленоида25, восьмой - с входами электромагнитных приводов 35-37, девятый - свходами усилитепей-демодуляторов 69и 70 и блока 79 питания гироскопа 16,а десятый - с управляющим входомуправляемого ключа 62,Устройство работает следункцимобразом.Балансируемый гироскоп 16 устанав-.ливают и закрепляют в стакане 18приспособления 15 для установки гироскопа 16 и подключают к блоку 79 питаниягироскопа 16, устанавливаютвакуумный колпак 14 и осуществляютсоздание разреженной газовой среды(блок вакуумирования не показан). В управляющую ЭВМ 80 с ленточного или дискового программоносителя вводят программу работы.При включении программы управляющая ЭВИ 80 выдает сигнал, который включает подачу питающего напряжения на выходе блока 79 питания гироскопа 16, а также включает усилители- демодуляторы 69 и 70 в обоих каналах 65 и 66 электрической пружины. Реализация такого включения может быть осуществлена в виде обычной релейной схемы, содержащей электромагнитное реле с переключаемыми контактами.Начинается разгон гироскопа 16до рабочей частоты вращения, причемон является заФиксированным по осямчувствительности Х и У каналами 65и 66 электрической пружины. Черезпромежуток времени, достаточный дляосуществления вакуумирования и разгона гироскопа 16 до рабочей частоты Г вращения (с=1,5-3 мин в зависимости,от марки гироскопа), начинается цикл измерения дисбалансов.Процессор 83 выдает в адрес второгошагового двигателя 20 последователь)ность кодов, общее, число которых соответствует необходимому количествуимпульсов для поворота стакана 18на 90 до вертикального положенияоси вращения гироскопа 16. Вращениеосуществляется с помощью второго З 5 шагового двигателя 20 через червячный редуктор 19. Палец 23 и четвер"тый упор 22 ограничивают перемещение стакана 18 при достижении имвертикального положения оси вращения 4 О гироскопа 16, а муфта второго шагового двигателя 20 отключает его, еслитребуемое положение достигнуто ранееокончания подачи кодов. В данномположении осуществляется замер мо ментного дисбаланса ротора динамически настраиваемого гьроскопа 16,проявляющегося в виде модуляциисигнала датчиков 67 и 68 угла из-завоздействия на ротор главного момента М дисбалансов, Этот дисбалансГ0 определяют по спектру сигналовс одного из датчиков 67 (68) угла,например с выхода датчика 67 угла.Спектр сигналов, первая гармоника 55 которого имеет частоту вращения Йвоспринимается избирательным усилйтелем 74, где из него выделяется синусэидальный сигнал, величина кото226090 6рого пропорциональна величине, афаза - углу моментного дисбалансаР 1. Нанряжение выпрямляется амплитудным детектором 75 и измеряетсяцифровым вольтметром 76, работающимв автоматическом режиме. Напряжениес выхода амплитудного детектора 75,пропорциональное величине дисбаланса,поступает через коммутатор 81 аналоговых сигналов на вход аналого-цифрового преобразователя 82, параллельый код на выходе которого восприни 1 ается процессором 83. Цикл опросаоммутатора 81 аналоговых сигналованалого-цифрового преобразователя2 создается соответствующей подпрораммой процессора 83, которая обес.ечивает сначала подачу адреса входаоммутатора 81 аналоговых сигналов,соответствующего его первому входу,а затем производит опрос аналогоцифрового преобразователя 82, записывая в память процессора 83 код,соответствующий величине модуляционного сигнала П, иэ которого затемопределяют моментный дисбаланс поформуле(С-А) ЦР Угол Ч моментного дисбаланса Р определяется следующим образом,Сигнал с выхода избирательного усилителя 74 воспринимается вторым формирователем 77, где из него формируется строб, соответствующий во времени максимуму первой гармоники сигнала дисбаланса, т,е. "тяжелому" месту ротора, Этот строб вместе с импульсом опорного сигнала, воспринимаемым через формирователь 57 с выхода датчика 56 опорного сигнала, поступает на входы цифрового фаэометгде С - полярный момент инерцииротора;А - экваториальный момент инерции ротора;0 - амплитуда модуляционногосигнала датчика 67 угла;К - коэффициент передачи усилительно-преобразовательного .тракта (избирательный усилитель 74, амплитудный детектор 75, коммутатор 81 аналоговых сигналов, аналогоцифровой преобразователь 82). 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ра 78, работающего в автоматическомрежиме, где выделяется параллельныйкод, соответствующий углу дисбаланса Р, который индицируется также нацифровом табло цифрового фазометра 78.Код на его выходе воспринимается процессором 83 после завершения подпрограммы записи величины дисбаланса,угол дисбаланса Р записывается в памяти процессора 83. После записи моментного дисбаланса Р устройствоначинает записывать статический дисбаланс Р гироскопа 16, для чегопроизводят запись тока 1 дрейфа вцепи канала 65 электрической пружиныпри неподвижной плите 6 в указанномположении гироскопа 16, Этот токвоспринимается через коммутатор 81аналоговых сигналов по запросу спроцессора 83 аналого-цифровым преобразователем 82 и записывается в память процессора 82.После выполненияэтой подпрограммы процессор 83 включает электромагнитные приводы 35-37,которые освобождают корпус 4 вибростола 3 от фиксаторов 29-31, обеспечивая его подвижность в вертикальном положении. Через временной промежуток (=0,5 с) процессор 83 выдает код, который включает управляемый ключ 62, разрешая тем самым прохождение синусоидального сигнала навибровозбудитель 2. Указанный синусоидальный сигнал формируется следующим образом. Отметка на поверхностиротора гироскопа 16 формирует приего вращении на выходе датчика 56опорного сигнала, установленного вплоскости расположения датчика 67угла, импульсы с частотой Г вращения ротора гироскопа 16. После ихкалибровки по длительности и амплитуде в формирователе 57 они поступают в фазовращатель 58, где запускают генератор 59, дилообразноенапряжение с выхода которого сравнивается по амплитуде с постояннымрегулируемым напряжением с выходаисточника 64 опорного напряженияво втором компараторе 60. Заднийфронт полученных таким образом импульсов регулируется в пределах=0-1/Гр в зависимости от амплитудыпостоянного напряжения с выхода источника 64 опорного напряжения, аследовательно, характеризует фазовыйсдвиг сигнала относительно отметкина роторе гироскопа 16 и служитопорным для запуска преобразователя( сс да ф"2 й1 (р р сР );А Щ ф ф1ЕВ Фй АЭ С вр 41 Ч + ) ( ВЮЧ ) СаВ =(Р зР " Ч 1-(Эвм Э - фэ Ч ); 61 импульсов в синусоидальный сигнал,начальная фаза которого совпадаетс фазой заднего фронта. Этот сигналпосле прохождения через управляемыйключ 62 и усиления в усилителе 63возбуждает колебания. вибровозбудителя 2. Изменяя фазу этих колебанийизменением (вручную) амплйтуды постоянного напряжения, добиваютсямаксимального показания тока дрейфа,снимаемого с выхода усилителя-демодулятора 69. Это напряжение черезпромежуток времени ( =20 с), достаточный для выбора фазового сдвигафазовращателя 58, записывается черезкоммутатор 81 аналогичных сигналов ианалого-цифровой преобразователь 82в память процессора 83, где величинастатического дисбаланса определяетсяпо формуле О - -с- - (1-т,),фъасгде К, - коэффициент пропорциональности (К е ),.ЮК- крутизна системы: датчик67 момента - усилитель-модулятор 69;Н - кинетический момент роторагироскопа;а - амплитуда ускорения вибрации вдоль оси вращения гироскопа 16,Угол дисбаланса р относительносТотметки на роторе гироскопа 16 .регулируется цифровым фазометром 78,,работающим в автоматическом режиме.Параллельный код с его выхода воспринимается после окончания подпрограммы записи величины статическогодисбаланса О После этого с выхода,процессора 83 последовательно поступают коды, отключающие вибровозбудитель 2 и арретирующие фиксаторами29-31 вибростол 3 эа счет действияпружин 32-34. Процессор 83 выдаеттакже по адресу шагового двигателя20 последовательность кодов, общеечисло которых соответствует необходимому для поворота стакана 18 на090 дооризонтального положения осивращения гироскопа 16. Система госВ = (р сиз р,сов Ч) ( тона для определения осевого дисбаланса Р, гироскопа 16, представляющего собой несовпадение центра его масс с центром подвеса ротора вдольоси вращения, Для его определения измеряют ток 1 дрейфа в укаэанном положении оси вращения гироскопа в канале 65 электрической пружины, вводят описанным способом в память про цессора 83 и по формуле где К; - коэффициент пропорциональ ности;К,=К,КН,определяют величину осевого дисбаланса Р,. 20 Угол осевого дисбаланса О, не играет роли, так как дисбаланс О, направлен вдоль оси вращения ротора .гироскопа 16. Знак его определяет плоскость коррекции, где он находит ся: "+ " плоскость А и "-" - плоскость В.После определения укаэанных дисбалансов в,соответствии с внутренней подпрограммой процессор 83 отключает блок 79 питания гироскопа 16 и каналы 65 и 66 электрической пружины. Гироскоп 16 тормозится до полнойостановки, затем процессор 83 осуществляет преобразование замеренных дисбалансов Э П и О. с целью уменьшения величины удаляемой массы и проведения их к четырем точкам по поверхности ротора гироскопа 16В результате определяются величины суммарных неуравновешенных масс ш ЕА(Ы шЕА(6) и углы РА(Ь 1 р М ЕА(В),Эти преобразования осуществляютрешением следующей системы уравнений;45стст м1 стэесоз У +Э созЧ10ления, включая накачку лазера 12 врезультате чего в его конденсаторныхбатареях (не показаны) запасаетсяэнергия накачки, пропорциональная15величине дисбаланса.Послеэтой подготовки соответствующим кодом включают электропневмоклапан 40 и блок 42 отсоса. Возникает направленный поток газа, отсасы 20ваемый блоком 42 отсоса и защищающийповерхность ротора гироскопа 16 ифокусирующий объектив 13 от продуктов эрозии, возникающих при лазерномвоздействии. Через промежуток време 25ни И 0,1 с), достаточный для срабатывания электропневмоклапана 40 иблока 42 отсоса, кодом с процессора83 на третий вход блока 85 управления осуществляется запуск лазера 12,в результате чего с поверхности рото 30ра удаляется неуравновешенная массаш А . Лазерный импульс регистрируется датчиком 43 измерения импульсовгенерации лазера 12, представляющимсобой, например, фотодиод с большойЗ 5 активной поверхностью, закрепленныйв корпусе с окном, затененным светофильтрами, и установленный на путилуча лазера 12, в виде электрического импульса Ч(С)=Кр(С), где р (Е)40 текущее значение мощности импульса,К - коэффициент пропорциональности(обычно К 10-1 ОмВ/Вт), т.е. явля.ется величиной, пропорциональноймощности генерации лазерного импульса.Указанный импульс после усиленияусилителем-калибратором 44 интегрируется в интеграторе 46 в постоянноенапряжение50 О К р(Е)6=Ко ЪГ=К(Т)тп.А,Ч =Ч+180; Е= асс ЕА ЕА где К - радиус коррекциифГ - расстояние между плоскостями А и В коррекции;1 и 1 - расстояние от плоскостейкоррекции А и В до центраподвеса ротора гироскопа 16.После расчета величин неуравновешенных масс ш и углов у суймарЕных дисбалансов осуществляют их коррекцию. Через время (1=30 с), достаточное для остановки ротора гироскопа 16, код с выхода процессора включает соленоид 25, который выдвигает вал 27 и последний по своей спиральной поверхности соединяется с валом ротора гироскопа 16. После этого на шаговый двигатель 5 поступает последовательность кодов, количество которых позволяет переместить плиту 6 с гироскопом 16 в приспособлении 15 для установки гироскопа в положение, соответствующее совпадению плоскости А ротора гироскопа 16 с фокусом объектива 13 лазера 12. Упор 9 ограничивает перемещение плиты 6, а муфта первого шагового двигателя 5 отключает его, если требуемое положение будет достигнуто ранее окончания его поворота.Аналогичным образом срабатывает третий:шаговый двигатель 26, на вход которого подается последовательность кодов, количество которых соответствует повороту на угол У А . Код сЕвыхода процессора 83, пропорциональный величине удаляемой массы Р АФ поступает на первый вход блока 85 управления и обеспечивает накачку лазера до определениой энергии У. где К(Т) - коэФфициент, характери.зующий зависимость величины удаляемой массы ш отеэнергии лазерного имйульса,Процессор 83 выдает следующий код,,но уже на второй вход блока 85 управгде С, - время интегрирования( .2 10-з)И, - энергия импульса генерации,величина которого пропорциональна истинному значению энергии У импульса генерации.Компаратор 54, настроенный на нулевой начальный уровень входного сигнала, срабатывает от импульса генерации и формирует прямоугольный импульс длительность которого равна длительности сигнала с выхода датчика 43 измерения импульсов генерации. Через время, соответствующее времени указанного импульса и достаточное для осуществления интегрирования сигнала от импульса генерации, ждущий мульти- вибратор 55 формирует от заднего фронта импульса с компаратора 54 импульс записи и отпирает третий аналоговый ключ 51, в результате в конденсаторе 53 происходит запоминание напряжения, величина которого пропорциональна текущему значению энергии лазерного импульса. Время хранения информации на входе усилителя 52 для существующих схем составляет около 30 мин, что достаточно для его эффективной работы в предлагаемом устройстве. Величина энергии и. через1 время" 100 мкс с момента подачи процессором 83 импульса запуска лазера записывается им в память, где сравнивается с заданным значением Ил Вырабатывается сигнал ошибки ЬУ щ =(У -У, ), который затем отрабатывается процессором 83 и формирует ньвый цикл коррекции массы из той же зоны ротора гироскопа 16, для чего последовательно подает коды на второй и третий входы блока 85 управления, осуществляя накачку лазера 12 до нового значения энергии ДИ, а затем и генерацию корректирующего импульса. Если размеры зоны малы и повторную коррекцию дисбаланса из нее произвести не удается, то величина энергии ЬУ разбивается пополам и коррекцию осуществляют последовательно под малым углом 6 Ч 1-3 слева и справа от начальной зоны. В данном случае перед указанным циклом сигналом на третий шаговый двигатель осуществляют указанный поворот, а затем уже корректируют дисбаланс. Указанный процесс может быть повторен несколько раэ до тех пор, пока суммарная корректирующая энергия будет равна где- индекс;и - число корректирующих импульсов в зоне коррекции,После этого последовательность кодов с выхода процессора 83 прекращает подачу газа в зону обработки, а также поворачивает третьим шаговым двигателем 26 ротор гироскопа 16 наОугол 180 , а затем подпрограмма кор" рекции дисбаланса повторяется, но уже для величины неуравновешенной массы вА . Устранив дисбаланс в плоскости коррекции А, приступают к коррекции дисбаланса в плоскости В,С этой целью процессор 83 подает поадресу шагового двигателя 5 последовательность кодов, которая вызываетперемещение плиты 6 с приспособлением 15 для установки гироскопа нарасстояние 1,до плоскости коррекции В.После этого вьппе описанным образомосуществляется коррек чия дисбалан 1сов ш б и ш Ь во второй плоскостикоррекции.После окончания процесса балансировки с выхода процессора 83 последовательно поступают коды, которыеотключают накачку лазера 12 и размыкают кинематическую связь между ро-.тором гироскопа 16 и валом 31 третьего шагового двигателя 26. Вакуумныйколпак 14 снимается, гироскоп 16отключается от блока 79 питания иудаляется. На этом процесс балансировки заканчивается.Применение в предлагаемом устройстве датчика измерения импульсагенерации, усилителя-калибратора 35и блока аналоговой памяти, а такжеиспользование контура управления балансировкой в зависимости от текущего значения энергии импульсов генерации обеспечивает повьппение точности и производительности процессаприменительно к балансировке роторов динамически настраиваемых гироскопов. Формула изобретения Устройство для автоматической балансировки .роторов гироскопов по авт. св. В 1055980, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и производительности балансировки, оно снабжено последовательно соединенными датчиком измерения импульсов генерации, установленным на пути луча лазера, усилителем-калибратором, аналоговым ключом, интегратором, установочный вход которого соединен с третьим входом блокауправления, и блоком аналоговой памяти, выход которого соединен с четвертым входом ЭВМ, и последовательносоединенными компаратором, вход которого соединен с выходом усилителякалибратора, и ждущим мультивибратором, вход которого соединен с вторым входом блока аналоговой памяти,1226090 дб Составитель Ю. КругловА. Козориз Техред В.Кадар Корректор А. Ферен Реда аказ 211 ПодписноеСССР д. 4/5 оизводственно-полигр 0НИИПИпо035,Тираж 778Государственного комитет елам изобретений и открь осква, Ж, Раушская на ческое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная