Устройство для динамической балансировки роторов лучом лазера

Со)ОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 09) 111) Ю С.О 1 М 1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЦТИЙ(46) 30.10.88. Бюл. У 40 (71) Московский авиационный технологический институт им.К.Э,Циолковского(53) 620.1.05:53 1.382 (088.8) (56) Суминов В.М., Баранов П,Н, Разработка и исследование полуавтоматической лазерной балансировочной установки. Отчет НИР по теме 9 617, М.: МАТИ им.К.Э.Циолковского, 1979, с.62-66.Авторское свидетельство СССР 11 1226091, С 01 М 1/38, 1985.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙБАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА(57) Изобретение относится к балансировочной технике. Цель изобретения - повышение точности и производительности за счет использованияпассивного модулятора и блоков управления скорости, обеспечивакнцихдва этапа коррекции. Сигналы с датчиков 5 и 6,7 опорного сигнала идисбаланса поступают на входы блока8 измерений, преобразуются и поступают на входы блока 20 управлениякорректирующим лазером 4 и блоков ..13 и 35 управления скоростью. Блок13 управления скоростью через блок23 ключей связан с приводом балансируемого ротора, блок 35 управления скоростью через второй блок 36ключей - с приводом 32 модулятора 30.Изобретение относится к технологии приборостроения и может быть ис. пользовано для балансировки роторов, ,имеющих собственный привод, в част-.ности роторов, динамически настраиваемых гироскопов лучом лазера.Целью изобретения является повышение точности и производительностибалансировки, что достигается использованием в устройстве пассивного модулятора и модификацией структурыэлектронного блока устройства с целью обеспечения двух этапов коррекции.дисбалансов; на предварительном этапе нелинейного и линейногорежимов автоматической балансировкиза счет управления энергетическойнакачкой лазера и на окончательном , этапе за счет пространственной моду ляции лазерных импульсов постоянной , энергии.На фиг. 1-3 приведена структурная схема устройства; на фиг.4схема расположения прорези в диске;на фиг.5 и б - осциллограммы, харак, теризующие работу устройства по оси абсцисс отложено время й, по осиординат - напряжение О, частота вращения С и энергия импульсов генера ции Ю, и соответствует номеру блока на структурной схеме.Устройство для динамической ба;лансировки лучом лазера содержит ; основание 1, закрепленный на немподвес 2, предназначенный для уста-: новки ротора с приводом, расположенные соосно фокусирующий объектив 3 и корректирующий лазер 4, датчик 5 ,опорного сигнала и датчики 6 и 7 дисбаланса, связанный с датчиками 5-7блок 8 измерений, последовательно соединенные амплитудный детектор 9, пороговый элемент 10, элемент 2 И 11, соединенный К-входом триггер 12 режима, и блок 13 управления скоростью, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 опорного сигнала, триггер 14 запрета, обратный выход которого связан с вторым входом элемента 2 И 11, последовательно соединенные второй пороговой элемент 15, вход которого связан с выходом блока 8 измерений и входом амплитудного детектора 9, блок 16 формирования строба фазы дисбаланса, элемент И 17, второй и третий. входы которого соединены соответственно с выходом триггера 12 режима и обратным выходом триггера 14 запрета, ждущий мультивибратор 18 и второй триггер 19 запрета, выход которого связан с четвертым входом элемента И 17, блок 20управления лазером, вход которогосвязан с выходом ждущего мультивибратора 18, а выход - с входом лазера4, блок 21 включения и сброса, выходкоторого связан с Б-входами триггера12 режима и первого триггера 14 запрета, источник 22 переменного тока,связанный с ним сигнальными входамиблок 23 ключей, выходы которогопредназначейы для соединения с входами привода ротора, а управляющийвход - с выходом блока 13 управления скоростью, последовательно соединенные кварцевый генератор 24, делитель 25 частоты, второй выход которого соединен с вторым входом блока16 формирования строба фазы дисба-ланса, а третий - с третьим входомблока 13 управления .скоростью, ивторой ждущий мультивибратор 26,выход которого подключен к второмувходу второго триггера 19 запрета,последовательно соединенные второйэлемент 2 И 27, входы которого связаны с выходами триггера 12 режимаи первого триггера 14 запрета, третий ждущий мультивибратор 28, второй вход которого соединен с первымвыходом делителя частоты, и систему 29 удаления продуктов эрозии,второй вход которой связан с выходом второго элемента 2 И 27 и вторымвходом второго ждущего мультивибратора 26, пассивный модулятор 30,выполненный в виде диска 31 с приводом 32 и с кольцевой прорезью 33,пересекающей ось корректирующеголазера 4 и имеющей ось вращения, параллельную оси последнего, датчик34 положения конца прорези 33, пос-.леповательно соединенные. второй блок35 управления скоростью, первый входкоторого связан с выходом триггера 12режима, второй - с датчиком 34 положения конца прорези, а третий - счетвертым выходом делителя 25 частоты, и второй блок 36 ключей, сигнальные входы которого связаны с источником 22 переменного тока, а выходы - с приводом 32 модулятора 30,третий элемент 2 И 37, входы которогосвязаны с выходами блоков 13 и 35управления скоростью, а выход - сК-входом триггера 14 запрета, пос 3,14343ледовательно соединенные четвертыйждущий мультивибратор 38, вход ко.торого связан с выходом датчика 34.положения конца прорези, управляемый фазовращатель 39 и цифровой ключ41), второй сигнальный вход которогосоединен с выходом четвертого ждущего мультивибратора 38, а выход - спятым входом элемента И 17, связан-10ные входами с выходом амплитудногодетектора 9 второй пороговой элемент41 и инвертирующий усилитель 42, выход которого подключен к управляющему входу управляемого фазовращателя 1539, и последовательно соединенныеисточник 43 опорного напряжения ианалоговый ключ 4 й, второй сигнальный вход которого связан с выходомамплитудного детектора 9, выход - с 20вторым входом блока 20 управлениялазером, управляющий вход - с управляющим входом цифрового ключа 40 ис выходом второго порогового элемента 41, выход стробирования которого 25соединен с выходом второго элемента2 И 27.Система 29 удаления продуктов эрозии выполнена в виде последовательносоединенных электропневмоклапана 45, 30предназначенного для соединения спневмомагистралью 46 высокого давления, камеры 47 с отверстиями 48,расположенными соосно закрепленномуна камере 47 фокусирующему объективу 3 и перпендикулярно оси камеры3547, насоса 49, предназначенного дляудаления продуктов эрозии, и блока 50управления, выход которого соединенс входом насоса й 9.- 40Блоки 13 и 35 управления скоростью(фиг.2) выполнены каждый в виде двухдополнительных делителей 51 и 52(53 и 54) частоты, вход первого изкоторых связан с третьим (четвертым) 45. выходом делителя 25 частоты и представляет собой третий выход блока13 (35) управления скоростью, элемента ЗИИЛИ 55 (56), первый входкоторого представляет собой второйвход блока 13 (35) управления скоростью, второй и пятый входы соединены с первым выходом первого дополнительного делителя 51 (53) частоты,а третий, четвертый и шестой соот"55ветственно - с первым и вторым выходами второго дополнительного (четвер.того) делителя 52 (54) частоты итретьим (четвертым) выходом делите- . 014ля 25 частоты, счетчика 57 (58), С-вход которого соединен с выходом элемента ЗИИЛИ 55 (56) блока 59 (60) сравнения кодов, двух регистров 61 и 62 (63 и 64), С-входы которых соединены с выходом счетчика 57 (58), а выходы соответственно с первым и вторым входами блока 59 (60) сравнения кодов, распределителя 65 (Ьб) импульсов, второй и третий входы которого соединены между собой и с вторым выходом дополнительного делителя 51 (52) частоты, первый и.: четвертый соответственно - с вторым и первым выходами второго дополнительного делителя 52 (54) частоты, а первый и второй выходы соответственно - с 7-входами регистров 61 и 62 (63 и 64) дополнительного элемента 2 И 67 (68), выход которого представляет собой выход, а первый вход- первый вход блока 13 (35) управления скоростью, а второй вход соединен с выходом блока 59 60) сравнения кодов, и трех последовательно соединенных ждущих мультивибраторов 69 - 71 (72-74), вход и выход первого из которых соединен соответственно с первым выходом дополнительного делителя 51 (52) частоты и пятым входом распределителя 65 (66) импульсов, а выход третьего - с К- входом счетчика 57 (58).Управляемый фазовращатель 39 (фиг.З) может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных генератора 75 пилообразного ,напряжения, компаратора 76, управляющий вход которого представляет собой управляющий вход фазовращателя 39 и ждущего мультивибратора 77.Устройство работает следующимобразом.Балансируемый ротор устанавливает" ся на подвес 2 и подключается при" .водом к блоку 23 ключей. Импульс с выхода блока 21 включения и сброса задним фронтом устанавливает триггеры Режима 12 и запрета 14 в состояние логической "1". Триггер 14 запрета удерживает от срабатывания элемент И 17 и триггер 12 режима от срабатывания до.разгона ротора и диска 31 модулятора 30 до частоты балансирования. Частота Г вращения диска 31 выбирается не кратной частоте К вращения ротора. Обычно Е=0,21-0,ЗЕ. При .этом ширина коль25 30 35 40 цевой прорези 33 должна превышатьдиаметр П лазерного луча (Ь =1, 11,2 Р,1), а длина определяетсяпо Формуле где Ке - средний радиус расположения кольцевой прорези;максимальная длительностьлазерного импульса;П- диаметр лазерного луча,проходящего через прорезь.В частности, для ь= 2 мс, К4 см, Гц 50 Гц, В= 1,0 сме1 Ь 2 3,14 4 2 10 з 50+1=85 см.Сигнал логической "1" с выходатриггера 12 режима включает черезэлементы 2 И 67 и 68 блоки 23 и 36ключей, через которые на приводыротора и диска 31 с выходов источника 22 переменного тока начинаетпоступать переменный ток рабочейчастоты. Ротор и диск 31;начинаютразгоняться. При выходе их на рабочие обороты сигналы первых выходовс блоков 13 и 35 управления скоростью срабатывают через элемент2 И 37 в начальное положение триггер14 запрета, сигнал с обратного выхода которого разрешает срабатывание элемента И 17 и через элемент2 И 11 подготавливает возврат триггера 12 режима по К-входу, еслидисбаланс ротора в плоскости коррекции не превышает по величине поля допуска. Если это не так, то бу"дет осуществлен цикл коррекции дисбаланса. Одновременно через элемент2 И 27 и блок 50 управления насосомвключается насос 49, второй порого. вый элемент 41, начинается циклкоррекции дисбаланса. Дисбаланс ротора в плоскостях коррекции воспринимается датчиками 5-7 и преобразуется известным образом блоком 8 измерений в два синусоидальных напряжения, первое из которых характеризует величину и угол дисбаланса водной, а второе - в другой плоскости коррекции,Напряжение, характеризующее дисбаланс в требуемой плоскости коррек-.ции, воспринимается пороговым элементом 15, Формирующим прямоугольные импульсы, начальная Фаза кото-. 1434301 6рых несет информацию об угле дисба-ланса. После сдвига на определенныйугол блоком 16 формирования строба5Фазы дисбаланса эти импульсы соответствуют положению "тяжелого места"ротора в Фокусе объектива 3 лазера 4,Одновременно импульсы с выходадатчика 34 положения конца прорези10 после задержки на величину о мультивибратором 38 поступают непосредственно или через управляемый фазовращатель 39 и переключающий цифровой ключ 40 на пятый вход элементаИ 17, Это неебходимо для компенсации времени задержки от момента подачи запускающего лазер 4 импулвсадо возникновения генерации (ь ) иэквивалентного доворота прорези на20 Величину (Фиг 4);1 Положение цифрового ключа 40 характеризуется состоянием второго порогового элемента 41, настроенного на величину напряжения срабатывания У,с 0,1-0,2 13 где Б - напряжение, обеспечивающее накачку лазера 4 с величиной, максимальной для данного типа лазера, энергии. Если величина напржкения О, с 0,2 П то срабатывают ключи 40 и 44 и подключают дополнительный управляемьп Фазовращатель 39, обеспечивающий сдвиг указан/+ных импульсов на величину , ъ ь, что позволяет управлять отсечкой части лазерных импульсов с помощью диска 31 модулятора (фиг.4), и источник 43 опорного напряжения с величиной Б = 0,3 О, на вход блока 20 управления лазером. Это позволяет обеспечить стабильную величину энергии лазерных импульсов с энергией Ы, =0,3 И где И - максимальная величина энергии лазерных импульсов. Пусть величина дисбаланса обеспечивает напряжение на выходе ампли тудного детектора 9 О,0,2 0 , тогда его коррекция протекает следующимобразом. С выхода делителя 25 поступают импульсы с периодом следования импульсов лазера 4 конкретноготипа (например, для установки "Квант.- 16" Е О, 1 Гц; "квант" йи1 О Гц и т.д.). Эти импульсы своимпередним Фронтом запускают послепоступления сигнала с элемента 2 И 27первый 26 и второй 28 ждущие мультивибраторы.Мультивибратор 28 формирует импульс длительностью 7: , равной времени включения сжатого газа защиты от продуктов эрозии (обычно=0,5- 2 с), а второй мультивибратор 26 - короткий импульс 3 = 0,1 с, создающий временную задержку, необходимую для срабатывания электропневмоклапана 45 и подачи сжатого газа из магистрали 46, и включающий задним фронтом второй триггер 19 запрета, единичный сигнал на выходе которого, разрешает прохождение импульса строба "тяжелого места" через элемент И 17. При совпадении во времени строба "тяжелого места" и строба, характеризующего положение прорези, соответствующее сдвигу ее относительно луча на фазовый угол ц учитывающий задержку срабатывания лазера 4 от момента подачи запускающего импульса), на выходе элемента И 17 образуется импульс, который калибруется по длительности ждущим мультивибратором 18 Р=0,05 мкс) и определяется конструкцией блока 20 управления. Он срабатывает в исходное состояние второй триггер 19 запрета, запрещающий прохождение импулЬсов строба "тяжелого места" на время периода Т, так как с помощью амплитудного детектора 9 выделяется постоянное напряжение, пропорциональное дисбалансу. Зто напряжение управляет через аналоговый ключ 44 и блок 20 управления энергией импульсов лазера 4 (в качестве блока управления может быть использована система управления СУМлазера типа "Квант" ), а также является опорным для пороговых элементов 10 и 41, настроенных на амплитуду сбрасывания, пропорциональную остаточному дисбалансу. Стробы тяжеЛого места" ротора с выхода блока 16 формирова- . ния строба фазы "тяжелого места" и датчика 34 (при условии включения триггера режима 12 и запрета 19 и выключения триггера 14 запрета) инит циируют запуск корректирующего лазера 4 через блок 20 управления. Лазерный импульс производит коррекцию неуравновешенности массы и на поверхности ротора возникает след .от воздействия.Продукты эрозии, возникающие при действии луча лазера с материалом ротора, интенсивно всасываются подвоздействием сжатого газа, поступающего из пневмомагистрали 46 внутрькамеры 47 через отверстие 48, и отсасываются насосом 49, удаляясь иззоны ротора, что исключает образование облоя наего поверхности. Придостижении величиной дисбаланса значе О ния срабатывания второго пороговогоэлемента 41 последний сработает иподключит посредством ключей 40 и 4 Фуправляемый фазовращатель 39 на входэлемента И 17 и источник 43 опорного 15 напряжения на вход блока 20 управле-.ния лазером. В результате цикл коррекции будет протекать уже импульсами лазера 4 энергией И, = сопйй, а ихуправление пропорционально величине 20 дисбаланса будет осуществлятвся засчет отсечки хвостового их участкадиском 31 модулятора ЭО. С этойцелью сигнал на выходе дополнительносдвигается управляемым фазовращате лем 39 на величину ;, обеспечивающую проворот прорези до началагенерации, а следовательно, отсечкухвостового участка импульса (фиг.4).Величина задержки с,; регулируется 30 управляемым фазовращателем обратнопропорционально величине дисбалансасигналом с усилителя 42. В этом режиме процесс автоматически повторяется до достижения дисбалансомполя допуска из зоны на поверхностиротора, после чего пороговый элемент 1 О отключает триггер 12 режима,прекращается подача питающего напряжения на приводы ротора модулято О ра 30 и отключается насос 49. Ротори модулятор 30 останавливаются, ротор поворачивают. и балансируют вдругой плоскости.1Процессы подстройки частоты вращения ротора и диска 31 модулятора30 при балансировке протекают следующим образом.При работе блока 13 (35)последовательность импульсов стабильной 50частоты с выхода кварцевого генератора 24 делится делителями 25,51 и52 (25, 53 и 54) частоты соответственно первым до частоты опорногосигнала Г и частоты Г И.) балан фсировки вторым - до частоты Й =40,05 Гц и третьиь - до частоты Г =0,25 Гц. Указанные напряжения и импульсы с выхода датчика 5 (34) опорного сигнала ротора (модулятора)коммутируются элементом ЗИИЛИ 55 (56) в последовательность пачек импульсов длительностью каждая Г =1 с, частотой следования Е, содержащих четные импульсы частотой заполнения Г (Й ) а нечетйые - частотой эаРз мэ фполнения Й (Г ), которые несутрзинформацию о текущем Е .(К.) и за данном Ер(Г ) значениЯх частоты 10 вращения. Эти импульсы записываются с счетчиком 58 59), предварительно сбрасываемым в нулевое положение импульсами частоты Й, с выхода ждущего мультивибратора 7174). Парал лельные коды, соответствующие заданной Йр (Й) и текущей Е р,.(Г, частотам вращения, последовательно за.писываются регистрами 61 и 62 (63 и 64) выходов распределителя 65 (66) 20 импульсов, причем последний выдает импулься (частотой Г), сдвинутые друг относительно друга на половину периода. Это необходимо для того, чтобы записывать в регистре У 1 (63) код, соответствующий заданной частоте вращения, а в регистре 62 (64) - текущей частоте вращения. Коды выходов регистров Ь 1 и 62 (63 и У 4) сравниваются блоком 59 (УО) срав нения кодов так, что сигнал на его выходе равен логической "1" при йГ, и логическому чО", если наоборот. Этот сигнал через третий элемент 2 И Ь 7 (68) и блок 23 36) ключей управляет скоростью вращения ротора (модулятора), а также первым перепадом отключает триггер 14 запрета.40 Формула изобретения Устройство для динамической балансировки роторов лучом лазера, содержащее основание, закрепленный45 на нем подвес, предназначенный для - установки ротора с приводом, расположенные соосно фокусирующий объектив и корректирующий лазер, датчик опорного сигнала, датчики дисбаланса, связанный с датчиками блок измерений, последовательно соединенные амплитудный детектор пороговый элемент, элемент 2 И соединенный К-входом триггер режима, и блок управления скоростью, второй вход которого соединен с выходом датчика опорного сигнала, триггер запрета, обратный выход которого связан с вторым входом элемента 2 И, последовательносоединенные второй пороговый элемент, вход которого связан с выходомблока измерений и входом амплитудного детектора, блок формированиястроба фазы дисбаланса, элемент И,второй и третий входы которого соединены соответственно с выходомтриггера режима и обратным выходомтриггера запрета, ждущий мультивибратор и второй триггер запрета, выход которого связан с четвертымвходом элемента И, блок управлениялазером, вход которого связан с выходом ждущего мультивибратора, авыход - с входом лазера, блок включения и сброса, выход которого связан с Б-входами триггера режима ипервого триггера запрета, источникпеременного тока, связанный с нимсигнальными входами блок ключей,выходы которого предназначены длясоединения с входами привода ротора,а управляющий вход - с выходом блока управления скоростью, последовательно соединенные кварцевый генератор, -делитель частоты, второйвыход которого соединен с вторымвходом блока формирования стробафазы дисбаланса, а третий - с третьимвходом блока управления скоростью,и второй ждчций мультивибратор, выход которого подключен к второмувходу второго триггера запрета,и последовательно соединенные второйэлемент 2 И, входы которого связаныс выходами триггера режима и первоготриггера запрета, третий ждущиймультивибратор, второй вход которогосоединен с первым выходом делителячастоты, и систему удаления продуктов эрозии, второй вход которойсвязан с выходом второго элемента2 И и вторым входом второго ждущегомультивибратора, о т л и ч а ю щ е"е с я тем, что, с целью повышенияточности и производительности балансировки, оно снабжено пассивным модулятором, выполненным в виде дискас приводом и с кольцевой прорезью,пересекающей ось корректирующеголазера и имеющего ось вращения, параллельную оси последнего, датчикомположения конца прорези, последовательно соединенными вторым блокомуправления скоростью, первый входкоторого связан с выходом триггерарежима, второй - с датчиком положе 1434301ния конца прорези, а третий - с четвертым выходом делителя частоть 1, ивторым блоком ключей, сигнальныевходы которого связаны с источникомпеременного тока, а выходы " с приводом модулятора, третьим элементом2 И, входы которого связаны с выходамн блоков управления скоростью, авыход - с К-выходом триггера запре- фта, последовательно соединеннымичетвертым ждущим мультивибратором,вход которого связан с выходом датчика положения конца прорези, управляемым фазовращателем, и цифровымключом, второй сигнальный вход которого соединен с выходом четвертогождущего мулвтивибратора, а выход -.с пятым входом элемента И, связанными входами с выходом амплитудногодетектора вторым пороговым элементом и инвертирующнм усилителем, выход которого подключен к управляацему входу управляемого фазовращате-ля, и последовательно соединенныаиисточником опорного напряжения ианалоговым ключом, второй сигналь-.ный вход которого связан с выходомамплитудного детектора, выход - свторым входом блока управления лазером, управляющий вход - с управляющим входом цифрового ключа и с выходом второго порогового элемента, выход стробирования которого соединенс выходом второго элемента 2 И.1434301Составитель Ю. Круглов Редактор Е.Копча Техред М ХоданичКорректор И.Муска Заказ 5547/44 Тираж 847 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. ужгород, ул. Проектная, 4