Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор современных методов измерения параметров геометрии масс 12
1.1 Параметры геометрии масс космического аппарата 12
1.2 Методы измерения статических параметров геометрии масс 16
1.2.2 Рычажный метод 18
1.3.1 Вращательные методы определения моментов инерции 25
1.3.2 Маятниковые методы определения моментов инерции
1.4 Совмещенные методы определения параметров геометии масс 28
1.5 Комбинированные стенды контоля параметров геометри масс 29
Выводы к главе 1 33
ГЛАВА 2 Разработка методики измерений параметров геометрии масс 34
2.1 Методика измерения статических параметров геометрии масс 34
2.1.1 Физические принципы измерений статических моментов масс 34
2.1.1 Методика измерения положения центра масс изделия 36
2.1.2 Методика измерения массы изделия 45
2.1.3 Оценка доверительных границ результатов измерений 48
2.2 Методика измерения динамических параметров геометрии масс 58
2.2.1 Физические принципы измерений осевых моментов инерции 58
2.2.2 Методика измерения компонентов тензора инерции изделия 62
2.2.3 Исследование оптимальных схем позиционирования 67
Выводы к главе 2 74
ГЛАВА 3 Разработка средств компенсации негативного влияния диссипативных факторов на систематическую погрешность измерений 75
3.1 Принципиальная конструкция совмещенной опоры 75
3.2 Учёт влияния сил трения при измерениях статических моментов масс 80
3.3 Компенсация диссипативных сил при измерениях моментов инерции 82
Выводы к главе 3 92
ГЛАВА 4 Экспериментальная отработка автоматизированного стенда измерительного контроля параметров геометрии масс 93
4.1 Программа и методика испытаний стенда 93
4.1.1 Описание эталонной базы 93
4.1.2 Порядок и последовательность прохождения испытаний 99
4.2 Разработка программного обеспечения стенда 100
4.2.1 Функциональное назначение и логическая структура 100
4.2.2 Алгоритм работы программы 102
4.3 Результаты экспериментальной отработки методики измерений 103
4.3.1 Описание конструкции опытного образца стенда 103
4.3.2 Результаты испытаний опытного образца стенда 109
4.4 Перспективы дальнейшего совершенствования испытательной базы 111
Выводы к главе 4 113
Общие выводы и заключение 114
Перечень сокращений и условных обозначений 116
Список литературы
- Вращательные методы определения моментов инерции
- Методика измерения положения центра масс изделия
- Компенсация диссипативных сил при измерениях моментов инерции
- Описание конструкции опытного образца стенда
Введение к работе
Актуальность работы
Надежность системы управления полетом космического аппарата (КА) непосредственно зависит от точности входных технологических параметров, в том числе параметров геометрии масс (ПГМ): массы, положения центра масс (ЦМ), осевых и центробежных моментов инерции (МИ) - компонентов тензора инерции (ТИ). Контроль ПГМ проводится на этапе окончательной сборки КА для установления их действительных значений и проверки соответствия заданным допускам. Современные стенды контроля ПГМ обладают рядом недостатков.
Во-первых, традиционные стенды контроля ПГМ характеризуются низким уровнем унификации и высокой трудоёмкостью измерительного цикла, что сопряжено с большими производственными и эксплуатационными затратами.
Во-вторых, в комбинированных стендах, разработка которых ведется на протяжении последних десяти лет, выявлены следующие проблемы: российские стенды совмещенного контроля показывают низкий уровень точности, а зарубежные комплексы - высокую стоимость, обусловленную применением дорогостоящих комплектующих: сферических аэростатических подшипников в качестве опор и высокоточных измерительных приборов.
Таким образом, в настоящее время актуально создание автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов контроля статических и динамических ПГМ на базе стенда с единой системой базирования, обеспечивающих высокие показатели точности (абсолютная погрешность измерения горизонтальных КЦМ ±0,1 мм, вертикальных ±1,0 мм, массы ±0,3 кг, относительная погрешность измерений осевых МИ ±0,1 %). Существенное сокращение эксплуатационных затрат может быть достигнуто за счёт комплексной автоматизации измерений, а фундаментальное снижение стоимости оборудования - заменой дорогостоящих опор на стандартные подшипники качения с сохранением существующих антифрикционных характеристик.
Цель работы заключается в повышении уровня метрологического обеспечения автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов контроля параметров геометрии масс космических аппаратов за счёт совмещения измерений массы, положения центра масс и компонентов тензора инерции на едином оборудовании, достижения высокого уровня точности измерений каждого из параметров с сокращением эксплуатационных и производственных затрат.
Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:
1. Провести сравнительный анализ методов измерений ПГМ на предмет их точности, границ применимости, возможности комплексной автоматизации и совместного использования в едином оборудовании. Выбрать и обосновать принципиальную схему комбинированного стенда для измерения статических и динамических ПГМ - массы, положения ЦМ, осевых МИ и компонентов ТИ.
Разработать методики автоматизированных измерений параметров геометрии масс для выбранной принципиальной схемы, обеспечивающие абсолютную погрешность измерений горизонтальных КЦМ ±0,1 мм, вертикальных ±1,0 мм, массы ±0,3 кг, и относительную погрешность измерений
осевых МИ ±0,1% для КА в диапазоне масс от 50 до 1000 кг при доверительной вероятности, определенной государственными поверочными схемами для соответствующих величин.
-
Теоретически обосновать и экспериментально отработать способ исключения методических погрешностей измерений ПГМ за счёт компенсации негативного влияния диссипативных сил в опоре совмещенного стенда на результаты измерений как статических, так и динамических параметров.
-
Эмпирическим путем проверить разработанные методики измерений ПГМ на базе опытного образца автоматизированного комбинированного стенда, который реализует описанные подходы, для объектов испытаний в диапазоне масс от 50 до 1000 кг для подтверждения характеристик точности.
Тема диссертационной работы отвечает планам работ по реализации задач Федеральной космической программы России на 2011-2020 гг. в рамках следующих опытно-конструкторских работ: «Прогресс АСК», гос. контракт №922-Т507/11 от 23.04.2011, «Балансир», гос. контракт №922-Т378/11 от 15.12.2011, «Центровка», гос. контракт №922- К449/14/74 от 19.02.2014.
Предметом исследования является комбинированный высокоточный метод измерительного контроля параметров геометрии масс космических аппаратов, пригодный для комплексной автоматизации.
Методы исследования
Разработка методик измерений ПГМ проведена с применением аппарата прикладной метрологии, теоретической механики, теории автоматического управления. Для анализа методик и их оптимизации использованы методы имитационного моделирования. Экспериментальные данные получены в ходе аттестации опытного образца стенда «АМИК» в качестве испытательного оборудования по ГОСТ Р 8.568-97.
Научная новизна
-
Впервые разработана методика автоматизированных измерений статических и динамических ПГМ на едином испытательном стенде, учитывающая систематические составляющие погрешностей, обусловленные деформацией оснастки и неопределенностью геометрических характеристик.
-
Впервые разработаны методы снижения случайных составляющих погрешностей измерений компонентов тензора инерции КА за счет оптимизации технологической схемы позиционирования объекта испытаний относительно базовой системы координат стенда.
-
Впервые разработаны методы полного исключения методической погрешности измерений ПГМ, обусловленной негативным влиянием диссипативных сил в опорах комбинированного автоматизированного стенда.
Практическая значимость
1. Впервые теоретически обоснованы и апробированы методики автоматизированного измерения массы, положения ЦМ и компонентов ТИ космических аппаратов на стенде с совмещенной системой базирования; достигнуты высокие показатели точности, которые были ранее характерны для стендов раздельного базирования. Абсолютная погрешность измерений вертикальной КЦМ ±1,0 мм, горизонтальных ±0,1 мм, массы ±0,3 кг,
относительная погрешность измерений МИ ±0,1%.
-
Разработаны конструкция, система управления и исполнительные алгоритмы опор автоматизированной компенсации сил трения, применимые для исключения методической погрешности измерений в стендах совмещенного контроля ПГМ КА в диапазоне масс от 50 до 1000 кг. Их использование сокращает затраты на производство стендов в десять раз в сравнении со стендами, в которых используются аэростатические сферические подшипники.
-
Разработано метрологическое обеспечение автоматизированного стенда контроля ПГМ для изделий в диапазоне масс от 50 до 1000 кг в объеме программы и методики испытаний, реализующее проверку соответствия характеристик стенда требованиям единства и необходимой точности измерений.
-
Разработанные методики были применены в опытном образце стенда автоматизированного контроля ПГМ «АМИК». Проведенная первичная аттестация опытного образца в качестве испытательного оборудования подтвердила метрологическую прослеживаемость результатов измерений и их высокую точность; стенд был признан годным для применения в сфере государственного регулирования.
Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах по созданию автоматизированных стендов на ФГУП НПО «Техномаш», что отражено в акте о внедрении.
На защиту выносятся:
Методики автоматизированных измерений параметров геометрии масс, обеспечивающие высокие показатели точности измерений: абсолютная погрешность измерений горизонтальных КЦМ ±0,1 мм, вертикальных ±1,0 мм, измерений массы ±0,3 кг, относительная погрешность измерений осевых МИ ±0,1% для КА в диапазоне масс от 50 до 1000 кг.
Теоретическое обоснование оптимизации технологической схемы позиционирования изделия при измерениях компонентов ТИ, обеспечивающей минимизацию случайной погрешности измерения углового отклонения главной оси инерции относительно строительной оси.
Научно-методический подход к исключению негативного влияния сил трения в опорных узлах на точность результатов измерений статических и динамических ПГМ на стенде с совмещенной системой базирования.
Научно-техническое обоснование принципиальной конструкции автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса контроля ПГМ.
Программные алгоритмы автоматизированных измерений массы, положения ЦМ и компонентов ТИ на совмещенном стенде, обеспечивающие заданные параметры точности, и сокращение испытательного цикла с пяти до одной рабочей смены.
Результаты испытаний опытного образца автоматизированного стенда контроля ПГМ «АМИК», подтверждающие высокую точность предложенных методов: абсолютные погрешности измерения координат центра масс (КЦМ) ±0,1... 1,0 мм, массы ±0,3 кг, осевых МИ ±0,1 %.
Достоверность и обоснованность результатов исследований гарантируется корректностью выбора исходных допущений при постановке задач,
адекватностью применяемых моделей и подтверждается данными физических экспериментов, поставленных на опытном образце автоматизированного стенда контроля ПГМ «АМИК», разработанном ФГУП «НПО «Техномаш».
Личный вклад автора состоит в разработке, теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности принципиально нового подхода к автоматизированным совмещенным измерениям разнородных ПГМ КА, который обеспечивает повышение точности, снижение эксплуатационных затрат испытаний и производственной стоимости стендов. Все основные результаты и выводы работы получены лично автором.
Апробация основных результатов работы проводилась на научных конференциях и семинарах, в том числе: «Актуальные проблемы российской космонавтики: XXXVI Академические чтения по космонавтике» (Москва, 2012) [1]; «Науки и технологии: XXXII Всероссийская конференция по проблемам науки и технологий» (Миасс, 2012) [2, 4]; «Новые технологии: IX Всероссийская конференция» (Миасс, 2012) [3]; «Новые материалы и технологии для ракетно-космической и авиационной техники» (Королёв, Московская обл., 2013) [5]; «Итоги диссертационных исследований: Всероссийский конкурс молодых ученых, посвященного 90-летию со дня рождения академика В.П. Макеева» (Миасс, 2012) [7, 6]; «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2014) [8]; «Состояние и проблемы измерений: XIII Всероссийская научно-технической конференции» (Москва, 2015) [11].
Материалы диссертации отражены в тринадцати научных работах, в числе которых три статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ [9, 10, 13], а также патент на изобретение [12].
Структура и объем работы
Работа состоит из 4 глав, выводов к каждой главе, общих выводов, списка литературы и приложения; содержит 128 страниц текста, 50 рисунков, 13 таблиц. Список литературы включает 104 источника.
Вращательные методы определения моментов инерции
Широкое распространение получил метод, основанный на принципе работы станка для динамической балансировки с вертикальной осью вращения. Платформа с изделием приводится в свободное вращение, с помощью датчиков силы измеряются динамические реакции, по которым вычисляются центробежные моменты инерции [28, 65]. Для измерения момента инерции относительно оси вращения к платформе прикладывается тормозящий момент известной величины и измеряется отрицательная величина углового ускорения. Коэффициент пропорциональности между тормозящим моментом и ускорением и есть искомый момент инерции. 1.3.2 Маятниковые методы определения моментов инерции
Широкое экспериментальное применение получили маятниковые способы определения осевых МИ. Эти методы предполагают придание системе стенда с объектом измерений колебательного движения. Расчет величины МИ определяется по измеряемым параметрам колебаний.
Обычно для получения простых аналитических формул для расчета осевых МИ принимается гипотеза о малости угла отклонения от положения равновесия. Искомые величины оцениваются по периодам установившихся колебаний.
В 50-е годы XX века для определения моментов инерции КА применялся маятниковый метод колебаний нитяного подвеса: измерялись периоды колебания изделия, подвешенного на гибких тросах относительно вертикальной оси [42, 88]. Известны способы реализации этого метода с двумя (бифиляр), тремя (трифиляр) и большим количеством тросов (мультифиляр) [20, 27, 51, 90]. Метод обладает низкой точностью ввиду отсутствия надежного базирования оси колебаний.
Широкое распространение получил метод физического маятника [12, 20, 54, 55]. Изделие подвешивается за неподвижную ось таким образом, что находится в устойчивом положении равновесия, вблизи которого совершает малые колебания. Осевой момент инерции рассчитывается по периоду этих колебаний. Метод прост в реализации, но имеет существенные недостатки, зависящие от типа подвеса: При использовании нитей или тросов ввиду их малой жесткости колебания могут происходить сразу в двух плоскостях, что способно катастрофически увеличить погрешность. Жесткие подвесы имеют большую массу из-за крупных габаритов, что увеличивает паразитный момент инерции оснастки, тем самым снижая точность. Для увеличения точности метод модифицировался: применялось качание по вогнутым направляющим, качание эллиптического маятника, двойного физического маятника. В наше время метод широко применяется в автомобильной промышленности [45, 104].
С 1970-х годов по наше время в качестве базового для большинства образцов стендов контроля МИ КА применяются методы колебаний систем с упругой связью [71], или т.н. унифилярные подвесы. Платформа стенда с установленным на нее изделием соединена с подвижным основанием с помощью упругого элемента, в качестве которого обычно выступают пружинные конструкции, упругие стержни (торсионы). Под действием упругих сил, возникающих вследствие деформации упругого элемента, возникают малые колебания, по периоду которых рассчитывается осевой МИ [20, 74, 67].
Применяемые на практике стенды обычно имеют вертикальную ось колебаний для того, чтобы исключить влияние силы тяжести на динамику движения. Конструктивно ось колебаний размещают вблизи ЦМ системы, чтобы уменьшить величину переносного момента инерции. Стенд «АСКИ», основанный на методе унифиляра (Рисунок 1.8) [61,73].
На практике созданы стенды, конструкция платформ которых посредством наклона и поворота КА в пространстве, обеспечивает возможность измерения моментов инерции относительно различных осей в системе координат КА. По результатам ряда измерений МИ рассчитываются все компоненты ТИ объекта.
В процессе колебаний на стол стенда действуют диссипативные силы, вызывающие затухание колебательного процесса [20, 42]. К таким силам относятся силы трения скольжения и качения в опорах и шарнирах, внутреннее трение в материале унифиляра, сопротивление воздуха. Многие стенды зарубежных и отечественных производителей оснащены аэростатическими платформами, задача которых заключается в снижении трения в системе для уменьшения его влияние на динамику колебательного процесса [82].
В общем случае для колебаний характерна анизохронность - зависимость периода от амплитуды [20]. При использовании подвесов удается существенно снизить силу трения, но полностью исключить ее влияние на колебательный процесс не удается. По мере затухания среднее значение периода изменяется, что отражается в увеличении случайной погрешности измерений. Существующие методики коррекции периода колебаний носят приблизительный характер.
Методика измерения положения центра масс изделия
Qsc, QHC - границы неисключенных систематических погрешностей измеренных геометрических параметров стенда, численные значения которых равны пределам допускаемых погрешностей средств измерений.
Qsd, іїш - границы неисключенных систематических погрешностей величин линейных прогибов конструкции стенда, равные пределу допускаемой погрешности индикаторов деформаций: Є Sd %„=к (2.46) бор/ - границы неисключенных систематических погрешностей равновесных углов в соответствии с (2.12): уі іриі + lc + L + lki . (2.47)
Границы неисключенных систематических погрешностей измеренных величин равновесных углов Qapui оцениваются на основе заданных паспортных неопределенностей величин угла 0а и дисбаланса %. Частные производные определителей матриц коэффициентов системы нормальных уравнений: Сш,
Неисключенные систематические погрешности величин начальных угловых отклонений от плоскости горизонта 0ос определяются на основе паспортной погрешности датчика горизонта.
Неисключенная систематическая погрешность косвенного измерения величины угловой деформации платформы в плоскости наклона 0«j согласно [46] с учетом единообразия средств измерения деформаций {йхв dxc dxA), а также относительной малости пределов основных допускаемых погрешностей данных средств измерения: ,, (2.50) Rdcos(d)
Величина границы неисключенной погрешности корректировочной поправки Qaid согласно [46]: 0 =.12 +0 +е2 +е2 (2 51) где 0А77арг - неисключенная систематическая погрешность рассчитанных равновесных углов по известным параметрам КП: КПарі ф2 1 + ьїнАІ + blstf + ъ1уЪ уШЪ + ъ1 \шъ (2.52) ГДЄ baSi, ЬаНі, ЬщсКПі, ЬауКПі, ЬагКПі - ЧаСТНЬІЄ ПрОИЗВОДНЬІЄ ПО ПЄрЄМЄННЬІМ: baSi КПарі d tgCLf dS 1 + tg2 affl/)j. H + Xpjj 7 КПарі И7 і 0„ = — = aHi дН 1 + tg2 CLj j. H + Xpjj , № КПарі Ї8&КПрі 1 ьахкпі=—д = -, 2 777 ; (2.53) КПІ Х + Ш КПрі Я + ХКПІ аукпі= z = Т 77 дУпп. 1 + tg акпріН + хкпі: и дКПарі 1 SilKp, yazKHi p. 1 і f 2 M 4 05, 0я, QxKin., QyKm., QzKm. - границы неисключенных систематических погрешностей соответствующих элементов. QxKin. - неисключенная систематическая погрешность рассчитанного значения суммарной вертикальной КЦМ системы КП с адаптером: ЄхЮ7ї =л1Ь1кп2ХКП + Ь1пКП тКП + Ь1са 1а + bLa L + bLPla С2"54) ГДЄ ЬХХКП, ЬхтКП, Ьхха, Ьхта, ЪхНа - ЧаСТНЬІЄ ПрОИЗВОДНЬІЄ ПО ПЄрЄМЄННЬІМ; QxKn, втКП, Qxa, Qma, Qha - границы неисключенных систематических погрешностей соответствующих элементов. ЬххКП = тКп/(тКП + та) Ка=та1{тКП+таУ bxha = тКп/(тКП +та) (2.55) КтКП = (ХКП+К-Ха)та/(тКП+та)2 ЪХта=-(ХКП+К-Ха)тКпКтКП+та)2 QyKm. - неисключенная систематическая погрешность рассчитанного значения суммарной вертикальной КЦМ у системы КП с адаптером: УуКПТ. \ууТУyY. ууа&уа утсРта утКП тКП і \Л.ЗО) где Ьуукп, Ьуткп, Ьууа, Ъута - частные производные по переменным; %ш, Qya - границы неисключенных систематических погрешностей соответствующих элементов. (2.57) утКП Ьута ЬууКП=тКп/(тКП+та); Ьууа=та/(тКП+та; тт + та) ; 7 // \2 Ьута=УкптКп/{тКП+та) . QzKin. -неисключенная систематическая погрешность рассчитанного значения суммарной вертикальной КЦМ z системы КП с адаптером: QzMTS = / 20zS + bLQ2a + bLaQL + КтКП тКП , (2.58) где bzzKn, bzmiai, bzza, bZma - частные производные по переменным; QzKii, Qza - границы неисключенных систематических погрешностей соответствующих элементов. тКп/(тКП+та; = та/{тКП+та; U тг-п = zzKll (2.59) b 7 // \2 ЬгтКП = Zama \тКП +ГПа) ; 7 // \2 Ьгта=2КПтКп/(тКП+та) . Погрешности результатов измерения Ахи, Дум, Агм оценивается на основе композиции распределений случайных е(хи), е(уи), e(zu) и неисключенных систематических погрешностей 0(хи), Э(уи), 0(ztt): Л„= ,(є( ») + Є( »)); А =К (s(v ) + Q(v )); (2.60) уи у J и su AZH= Z(S(ZH) + 0(ZH)). Значения коэффициентов A » А определяются из Таблицы 2 в зависимости от соотношений Q(xu)/S(xu), Q(yu)/S(yu), Q(zu)/S(zu) при доверительной вероятности і3=0,95 [46]. Q/S 0,5 0,75 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 К 0,81 0,77 0,74 0,71 0,73 0,76 0,78 0,79 0,80 0,81 Для обеспечения необходимой точности измерений искомых ПГМ был проведен анализ, заключающийся в решении обратной задачи - поиске необходимых величин погрешностей применяемых измерительных средств.
Компенсация диссипативных сил при измерениях моментов инерции
Статические измерения производятся вблизи положения равновесия относительно оси наклона стенда. Большая часть веса платформы с изделием воспринимается двумя неподвижными опорами. Силы трения покоя в опорах вызывают момент, влияющий на силу реакции в третьей точке опоры - датчике дисбаланса. Изменение силы реакции на датчике влияет на точность измерений, так как его показания непосредственно входят в расчёты КЦМ изделия.
При измерении МИ на систему также оказывают влияние трение скольжения и качения в опорах, в материале пружин и трение подвижной конструкции о воздух. Вследствие их влияния происходит диссипация энергии в колебательной системе, что, в свою очередь, приводит к затуханию колебаний; изменению периода, величина которого лежит в основе расчета МИ, что вносит существенную погрешность в результаты измерения, и ограничивает объем получаемых статистических данных. С точки зрения измерительной системы это выражается, как высокая временная ползучесть.
В современных стендах для снижения сил трения применялись специальные типы подвесов. При измерении КЦМ - призматические опоры, карданные ножевые подвесы, а для измерения МИ - дорогостоящие аэростатические подшипники [94]. С помощью этих технических средств удавалось в разы уменьшить силу трения в опорах стенда, но не исключить ее полностью.
Для снижения сил трения подвижной конструкции стендов о воздух применялись заградительные барьеры, стенды помещались в вакуумные камеры, также известны эксперименты по проведению измерений в среде инертных газов.
Все вышеперечисленные технические приемы эффективно снижают трение, но приводят к существенному удорожанию стендов, но так и не сводят диссипацию энергии к нулю. Качественный переход на новый технологический уровень должен быть сопряжен с принципиально новым подходом к решению проблемы борьбы с трением, а именно - полным исключением диссипации энергии в ходе колебательного процесса.
Известно, что трение покоя имеет адгезионную и деформационную составляющую [101]. Для материалов с высокой твердостью деформационная составляющая менее существенна, чем адгезионная, поэтому ею можно пренебречь. Определяющим параметром адгезионного схватывания является площадь контактируемых поверхностей: чем больше площадь, тем больше точек контакта может образоваться, тем выше значение коэффициента трения. Именно по этой причине в стендах статической балансировки ранее в качестве подвеса использовались ножевые опоры, контакт в которых происходит по линии, позже -карданные призматические опоры с контактом точке. Как было замечено в главе 1, такие опоры невозможно применить для измерения динамических ПГМ, поскольку требуется высокая твердость ножей: до 55-61 НЯСэ, что определяет их высокую хрупкость и низкую усталостную прочность.
Традиционно в стендах контроля осевых МИ применялись аэростатические подшипники. Между кольцами подшипников под давлением находится газовая прослойка толщиной до 20 мкм, обеспечивающая их беспрепятственное вращение друг относительно друга. Давление газа находится в диапазоне от 5 атм. и более -в зависимости от нагрузочной способности подшипника. Строгие допуски на размеры и форму сопрягаемых поверхностей колец, высокие требования к антифрикционным свойствам материалов, сложность пневматической системы для нагнетания давления, а также требования к надежности и безопасности эксплуатации обуславливают высокие показатели стоимости и трудоемкости производства аэростатических подшипников.
Несмотря на то, что применение аэростатических опор существенно снижает трение, полностью исключить его влияние на колебательный процесс без использования дополнительных средств невозможно. В общем случае для колебаний характерна зависимость периода от амплитуды. На практике даже после непродолжительной серии колебаний (10-15 циклов) амплитуда снижается настолько, что изменение периода выходит за границы доверительно интервала. Адекватность модели свободных колебаний необходимо подтверждать расчетом логарифмического декремента затухания, что дает результат только в случае линейно вязкого трения. В результате усложнения измерительной схемы происходит ограничение количества входных данных для статистической обработки, что, в свою очередь, ухудшает метрологические показатели испытательного оборудования.
Проблема диссипации энергии в ходе измерений решается введением в систему такого узла, который способен поддерживать колебания на заданной амплитуде в течение длительного времени [29]. При реализации механизма на основе прямого непрерывного внешнего возмущения характер колебаний изменяется относительно свободной системы, что вносит существенную неопределенность в величину измеряемого периода. Использование кратковременной прерывистой внешней силы способствует отдалению формы колебаний от гармонических, что также увеличивает погрешность измерений.
Погрешность измерений отечественных [43] и зарубежных [86] стендов определения осевых МИ находится на уровне не более 0,5%. Дальнейшее уменьшение погрешности измерений оказалось невозможным достичь компенсацией сопротивления с помощью аэростатических подшипников и увеличением добротности колебаний за счет внешних возмущений. Качественный переход на новый технологический уровень должен быть сопряжен с принципиально новым подходом к проблеме борьбы с трением, а именно -полным исключением диссипации энергии в ходе колебательного процесса.
Описание конструкции опытного образца стенда
Основываясь на принципах работы стенда, разработаны алгоритмы управления исполнительными устройствами. Блок-схемы алгоритмов при измерении КЦМ, массы и моментов инерции представлены в Приложении П.З.
Результатом работы системы служит получение массива показаний с датчиков силы, угла наклона и частотомера в случае успешного окончания работы, либо выдача оператору сообщений об аварийном завершении работы в противном случае. После завершения работы очередного силового элемента происходит проверка состояния системы, которая заключается в оценке состояния концевых выключателей, контролирующих положение силовых элементов. К силовым элементам, подлежащим проверке относятся: двигатель подвижной стойки, фиксатор планшайбы, двигатель поворота планшайбы, разжимная цанга, двигатели снижения трения, привод фиксации противовеса, привод крена.
Если проверка проходит успешно, то программа выполняет следующий шаг алгоритма. В противном случае на экран выводится сообщение об ошибке и прекращается выполнение программы.
Все устройства аналогово-цифрового преобразования сигнала с датчиков оснащены цифровым интерфейсом (RS-232, RS-485, USB), что позволяет управляющему компьютеру получать значения с датчиков в автоматическом режиме. Опрос датчиков проходит в следующем формате: - считывание данных из передающего буфера устройства в массив; - поиск в массиве стартового байта последнего переданного блока данных; - дешифрация считаных данных (преобразование в числовой вид); - запись значений в постоянное запоминающее устройство; - очистка передающего буфера устройства. На основе сформулированных алгоритмов было разработано программно-математическое обеспечения стенда «АМИК», предназначенного для контроля координат центра масс и массы изделий весом до 1 т. В Приложении П.4 представлены выдержки из руководства оператора стенда, поясняющие работу интерфейсной части программного обеспечения.
Изложенные в диссертационной работе принципы определения координат центра масс, массы и моментов инерции космических аппаратов нашли практическое применение в ходе разработки автоматизированного стенда измерительного контроля «АМИК» (Рисунки 4.5, 4.6) [70].
Стенд представляет собой уравновешивающее устройство, имеющее установленную в подшипниках на двух опорных стойках крестообразную платформу, уравновешенную относительно общей оси подшипников, являющейся осью наклона платформы. Третья боковая опорная стойка - подвижная, выполняет задачу наклона платформы на угол от 0 до 20 угловых градусов. Платформа на столе стенда для установки изделия расположена с известным смещением относительно оси наклона.
Измерение координат центра масс производится методом уравновешивания изделия относительно оси наклона платформы стенда в четырех различных положениях и измерения углов наклона стола от начального горизонтального положения до равновесного положения. В различные положения изделие приводится поворотом планшайбы. В качестве начала отсчета угла наклона используется горизонтальное положение платформы, а положение равновесия определяют по показанию силоизмерительного датчика в боковой опоре.
Измерение массы производится с помощью уравновешивания изделия после установки контрольного груза на ложемент платформы стенда.
Для измерения моментов инерции в конструкции стенда применяется пружинный узел в составе платформы, который прикрепляется к неподвижной стойке после приведения подвижной части стенда в положение равновесия. При этом образуется колебательная система, подвижной частью которой является платформа с изделием, имеющая возможность совершать упругие крутильные колебания относительно оси наклона под действием упругости пружинного узла, соединяющего стол с неподвижной стойкой. По результатам измерений периодов колебаний стола с изделием определяется момент инерции изделия.
Номинальные параметры применяемых для аттестации стенда «АМИК» контрольных приспособления КП-50 и КП-1000 были определены на стендах «АСКИ» (аттестат №1/13-1 от 30.10.2013) и «АСКМ» (аттестат №1/13-2 от 30.10.2013), аттестованных в соответствии с [23] ЗАО «ИТ «Тест-Прибор», аккредитованной на право аттестации испытательного оборудования.
Методика измерений массы, координат центра масс и момента инерции аттестована в соответствии с [22], о чем выдано свидетельство № 006/POCCRU.0001.310066/2015. В качестве датчика дисбаланса в стенде используется везоизмерительный датчик Т24А, производство ООО «ТЕНЗО-М», Россия (Рисунок 4.7).