Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса синтеза кулачковых механизмов с учетом реальных свойств 10
1.1. Сведения о развитии методов проектирования кулачковых механизмов и изучении их свойств 10
1.2. Контактная задача и направления её развития применительно к механизмам с высшими парами 21
1.3. Задачи, решаемые в диссертации 28
Глава 2. Математические модели движения толкателя кулачкового механизма с учетом упругого контактного взаимодействия элементов высшей пары ...31
2.1. Уточнение задачи. Основные допущения 31
2.2. Дифференциальные уравнения движения толкателя и их компоненты 33
2.3. Расчет исходных данных применительно к решению дифференциального уравнения движения толкателя с учетом контактного взаимодействия элементов высшей пары (первое приближение) 38
2.3.1. Геометрическое описание кулачкового механизма 39
2.3.2. Механические и массовые характеристики механизма и его силовое нагружение 49
2.3.3. Расчет приведенного коэффициента жесткости применительно к упруговязкой модели 52
2.4. Анализ влияния параметров механизмов на величины характеристик деформации приведенного коэффициента жесткости соединения кулачок- толкатель 55
2.4. 1. Механизм с плоским толкателем 55
2.4.2. Механизм с роликовым толкателем 62
2.5. Выводы по главе 69
Глава 3. Динамика кулачковых механизмов при учете упругого контактного взаимодействия элементов высшей пары 73
3.1. Анализ влияния упругого сближения элементов высшей пары на динамику механизма при осредненном значении коэффициента жесткости 73
3.2. Решение дифференциального уравнения движения плоского толкателя при переменном коэффициенте жесткости элементов высшей пары для фазы удаления 80
3.2.1. Решение дифференциального уравнения для случая, когда Л*(к) величина переменная 80
3.2.2. Учет демпфирования сопровождающих колебаний в упругом соединении кулачек - плоский толкатель 88
3.3. Анализ установившегося движения механизма с плоским толкателем при переменном коэффициенте жесткости элементов высшей пары 93
3.4. Параметрическое возбуждение в механизме с плоским толкателем при переменном коэффициенте жесткости элементов высшей пары 107
3.5. Динамика кулачкового механизма с роликовым толкателем при учете контактного взаимодействия элементов высшей пары 114
3.5.1. Особенности моделирования движения кулачкового механизма с роликовым толкателем при учете упругого сближения элементов высшей пары 114
3.5.2. Анализ влияния упругого сближения элементов высшей пары кулачкового механизма с роликовым толкателем на законы движения толкателя 115
3.6. Выводы по главе 120
Глава 4. Экспериментальное исследование контактного взаимодействия элементов высшей пары кулачок-толкатель 124
4.1. Задачи и объект экспериментального исследования 124
4.2. Методика и средства экспериментального определения ускорения толкателей с различной жесткостью контактной пары кулачок-толкатель 126
4.3. Результаты проведенного эксперимента 142
4.3.1. Анализ законов движения, задаваемых профилем кулачкового механизма топливного насоса 142
4.3.2. Анализ результатов эксперимента 146
4.4. Выводы по главе 148
Заключение 150
Литература 156
Приложение 164
- Контактная задача и направления её развития применительно к механизмам с высшими парами
- Дифференциальные уравнения движения толкателя и их компоненты
- Решение дифференциального уравнения движения плоского толкателя при переменном коэффициенте жесткости элементов высшей пары для фазы удаления
- Методика и средства экспериментального определения ускорения толкателей с различной жесткостью контактной пары кулачок-толкатель
Введение к работе
Одним из основных видов, широко применяемых в современных машинах-автоматах, являются кулачковые механизмы, относящиеся к классу цикловых в соответствии с обеспечением периодического движения рабочих органов машины.
Вопросу синтеза этих механизмов посвящены многочисленные научные исследования как у нас в стране, так и за рубежом. Вместе с тем расширение эксплуатационных возможностей кулачковых механизмов требует дальнейшего совершенствования методов их расчета, учета динамических особенностей и составления уточненного описания свойств, которые ранее оставались либо незамеченными или их учет был связан с определенными математическими трудностями.
Последнее во многом касается динамики кулачковых механизмов как нелинейных механических систем, содержащих нестационарные связи. Решение задач, направленных на изучение возникающих при этом эффектов в кулачковых механизмах, нацелено на повышение их работоспособности и долговечности и представляется актуальным. Возможности проведения подобных исследований обусловлены появлением нового эффективного математического обеспечения в виде пакетов прикладных программ, позволяющих с малыми затратами труда и времени составлять решения дифференциальных нелинейных уравнений и учитывать особенности эффектов, обусловленных нестационарностью связей. То же относится и к совершенствованию экспериментальных методов исследования, наделяемых в настоящее время повышенной точностью измерения физических параметров и обработкой получаемых результатов с широким применением средств вычислительной техники.
Одним из таких факторов, менее изученным по сравнению с другими свойствами кулачковых механизмов, является учет упругого контактного взаимодействия элементов высшей кинематической пары, изучения его влияния
на законы движения толкателя механизма и нагружение именно этого соединения, наличие которого в кулачковых механизмах часто ограничивает область их применения. В соответствии с этим целью данной работы является: исследование динамики типовых кулачковых механизмов и разработка методики их синтеза с учетом упругого контактного взаимодействия элементов высшей пары.
В данной диссертации в качестве объекта исследования принимаются плоские типовые кулачковые механизмы с плоским и роликовым толкателями. Причем входная кинематическая цепь и толкатель как выходное звено принимаются абсолютно жесткими, учитывается упругая податливость соединения элементов высшей пары механизма.
В этой связи научная новизна и значимость работы состоит:
в составлении математической модели движения толкателя кулачкового механизма с учетом упругого контактного взаимодействия элементов высшей пары и методик анализа этих моделей;
в установлении закономерности движения и описание свойств кулачковых механизмов при учете упругой податливости элементов высшей пары;
в разработке методики и результатах анализа экспериментального исследования кулачковых механизмов при изменении собственных частот упругого соединения элементов высшей пары.
Практическая значимость работы определяется возможностями оценки динамического состояния кулачкового механизма при учете конечной жесткости элементов высшей пары и рекомендациями по улучшению этого состояния. Важная роль в этом отношении отводится предлагаемым методикам анализа динамики движения и нагружения кулачкового механизма, особенно на высоких скоростных режимах с помощью ПЭВМ.
Описание свойств кулачковых механизмов при учете упругого контактного взаимодействия элементов высшей пары пополняет знания в области снижения нагруженности этих механизмов, повышения их
7 работоспособности и долговечности, а применение компьютерных технологий позволяют конструктору вести динамический синтез механизма в диалоговом режиме системно с малыми затратами времени.
Диссертация состоит из четырех глав.
В соответствии с этим первая глава диссертации содержит сведения о развитии методов проектирования и изучения свойств кулачковых механизмов. Выделяются два направления:
во-первых, это разработка методов проектирования идеальных механизмов, под которыми понимаются механизмы с абсолютно жесткими звеньями, выполненными точно по номинальным размерам с отсутствием зазоров и трения в кинематических парах по различным критериям качества;
во-вторых, исследование движения механизмов с учетом различных динамических и технологических факторов. Обращается особое внимание на применение средств вычислительной техники при синтезе кулачковых механизмов, развитие методов оптимального синтеза, на синтез «гибких» законов движения толкателя, форма которых определяется по результатам непосредственного диалогового контакта конструктора с ПЭВМ с ориентацией на визуальную оценку влияния параметров механизма на показатели качества его работы.
В этой же главе анализируются решения контактной задачи применительно к механизмам с высшими парами, отмечены перспективные направления развития теории контактного взаимодействия элементов высших пар, делаются ссылки на исследование кулачковых механизмов, в которых уменьшение контактных напряжений достигается путем применения материалов для изготовления элементов высшей пары с высокой упругой податливостью. По результатам анализа технической литературы формулируется перечень задач, решаемых в диссертации.
Во второй главе диссертации составлены математические модели движения толкателя кулачкового механизма с учетом упругого контактного
8 взаимодействия элементов высшей пары. Показано, что реакция связи и упругое сближение в этом соединении могут быть связаны различными зависимостями. В общем случае это нелинейное и неявное описание, составленное на основе формул контактного взаимодействия, приводимых в известных справочниках по контактной задаче; далее - упруго-вязкая модель, в которой коэффициенты жесткости и диссипации являются функциями угла поворота кулачка и, наконец, упруго-вязкая модель с постоянными осредненными приведенными коэффициентами жесткости и диссипации. Кроме того, в главе приводятся методики определения величины компонентов, входящих в описание математических моделей, а также выполнен анализ влияния параметров механизмов на величины характеристик деформации и приведенного коэффициента жесткости элементов соединения кулачок-толкатель.
В третьей главе составлены методики решения дифференциальных уравнений и описана динамика кулачковых механизмов на основе выполненных расчетов. Причем, прежде всего, дан ответ на вопрос о необходимости учета контактного взаимодействия элементов высшей пары при осредненном значении коэффициента жесткости соединения. Для этого в безразмерном обобщенном виде сопоставлены частота возмущения, задаваемая законом ускорения толкателя, и собственная частота упругого соединения. Далее на основе математического пакета MathCAD выполнено решение дифференциального уравнения, в котором задействована математическая модель упруго-вязкого описания контактного взаимодействия с изменяемым приведенным коэффициентом жесткости, показаны особенности поведения сопровождающих ускорений массы толкателя при различных значениях приведенного модуля упругости соединения на отдельных фазах движения и на установившемся режиме движения механизма в целом. Осуществлен анализ параметрического возбуждения в кулачковом механизме, обусловленным периодическим изменением собственной частоты соединения; показано, что
9 наиболее неустойчивыми в этом отношении являются механизмы, профиль которых построен на основе законов с разрывом непрерывности функции ускорения толкателя, т.е. с «мягкими» ударами.
В четвертой главе описана методика экспериментального исследования кулачкового механизма и приведены результаты этого эксперимента для механизмов с роликовыми толкателями, изготовленными из материалов с различными модулями упругости: в частности использовались ролики, покрытые бронзой и полимером. Эксперимент проводился на различных скоростных режимах: 180 об/мищ 420 об/мин; 600 об/мин. Анализ результатов эксперимента показал, что модуль упругости материалов соединения кулачок-толкатель изменяет собственную частоту колебаний на одном и том же скоростном режиме. Вместе с тем, в ходе эксперимента установлено, что при увеличении скорости вращения кулачкового вала, динамическая картина сопровождающих ускорений существенно усложняется.
Заключение содержит основные выводы и результаты выполненного исследования.
В целом диссертация содержит 163 страницы, включая 71 рисунок, 2 таблицы, библиографический список из 132 наименований и приложение.
Контактная задача и направления её развития применительно к механизмам с высшими парами
Как отмечается в [75], изучение контактных деформаций и напряжений необходимо для решения проблемы прочности деталей в местах их взаимодействия при передаче усилий от одного элемента конструкции другому. Типовыми деталями в этом отношении являются подшипники качения, зубчатые передачи, кулачковые механизмы, колеса подвижного состава, рельсы и т.д.
Применительно к вопросам, рассматриваемым в данной диссертации, как это уже указывалось во введении, контактные перемещения элементов высших кинематических кулачковых пар оказывают существенное влияние на законы ускорения толкателя особенно в быстроходных механизмах, где доминирующим силовым фактором, определяющим работоспособность и ресурс работы механизма, является силовое инерционное нагружение. В этой связи анализ контактного взаимодействия в этих механизмах приобретает важное значение. Известно, что одним из первых исследователей и основоположников теории деформаций упругих тел в местах контакта является Г. Герц [125]. Предложенная им теория контактных деформаций была разработана применительно к двум следующим случаям: была рассмотрена задача, когда имело место первоначальное точечное касание деталей до деформации; был исследован случай касания двух цилиндров по образующей, т.е. случай первоначального линейного контакта. В [108] Г.И. Шевелёва пишет, что решение Г. Герца можно использовать только при следующих условиях: контактирующие поверхности представляют собой поверхности второго порядка, и поле условных внедрений тел друг в друга описывается в декартовой системе координат полиномом 2-й степени; размеры области контакта столь малы, что её можно считать плоской, т.е. пренебречь изменением ориентации нормали в различных точках этой области; контактная площадка удалена от кромок контактирующего тела на расстояния во много раз превышающие характерный размер контактной площадки; толщины контактируемых тел в пределах области контакта во много раз больше характерного размера контактной площадки. Там же отмечается, что перечисленные условия при контакте тел часто не выполняются, и использование в этих случаях решение Г. Герца ставит под сомнение полученный результат. Далее решения задач теории упругости разрабатывали А.Н. Динник [30], СП. Тимошенко [97], Н.М. Беляев [7, 8], А.И. Лурье [50], И.Я. Штаерман [109], Л.А. Галин [25], М.В. Коровчинский [39], СВ. Пинегин [66] и многие другие ученые.
Так, в [31] А.Н. Динник, исходя из общих уравнений теории упругости, получил выражения для компонентов напряженного состояния соприкасающихся сферических тел (круговые площадки контакта) и цилиндров с параллельными осями (площадки контакта в виде полосы). В работах Н.М. Беляева исследуется напряженное состояние в общем случае эллиптической площадки контакта.
В работах И.Я. Штаермана [109] рассматривается в самом общем виде задача о первоначально точечном контакте двух упругих тел, прижимаемых друг к другу заданными внешними усилиями. Автор отказывается от одного из основных допущений классической теории - от предположения о малости поверхности контакта по сравнению с общей поверхностью соприкасающихся тел. Вместе с тем принимается во внимание не только сближение соприкасающихся тел, обусловленное их деформацией, но и их относительное вращение в процессе деформации тел.
В теории Г. Герца первоначальное расстояние между соответствующими точками поверхности сжимаемых тел, соприкасающихся до деформации в начале координат, аппроксимируется суммой членов второй степени разложения в степенной ряд, т.е. предполагается, что поверхности сжимаемых тел имеют так называемое прикосновение первого порядка. И.Я. Штаерман снимает это ограничение, предполагая между сжимаемыми телами касание любого порядка.
В монографии Н.И. Мусхелишвили [54] дано решение контактной задачи, в соответствии с которым ширина полоски контакта не считается малой.
В [55] М.З. Народецкий исследует напряжения и деформации вблизи от поверхности контакта с учетом общего напряженного состояния соприкасающихся тел. Одно из основных положений классической теории деформации тел в местах контакта состоит в том, что силы давления, передаваемые от одного тела на другое и распределенные по поверхности контакта нормальны к этой поверхности. Вместе с тем в ряде случаев приходится сталкиваться с наличием помимо нормальной также и касательной нагрузки и с необходимостью учета её влияния на напряженное состояние соприкасающихся тел. Так в зубчатых передачах рабочая поверхность зуба помимо нормальной нагрузки воспринимает и касательную, связанную с относительным скольжением. То же наблюдается в кулачковых механизмах с плоскими толкателями.
Сложность точного решения этой задачи заставляет почти всех исследователей ограничиваться приблизительным решением. Основное допущение этого решения заключается в предположении, что для нормальных сил сохраняется эллипсоидальный закон их распределения по площадке контакта и что касательные силы пропорциональны силам нормальным. Исследования при наличии касательных сил выполнены в работах Б.С. Ковальского [39] и М.М. Саверина [81].
Развитие перечисленных выше работ представлено в монографии Н.Г. Горячевой и М.Н. Добычина [26], где приведены результаты исследований в области контактных задач с учетом свойств поверхностей твердых тел. Рассмотрены вопросы контактирования тел с шероховатой поверхностью, исследовано влияние трения на параметры сопряжений, а также фрикционные эффекты, связанные с вязкоупругими свойствами материалов, изложены методы решения контактных задач с учетом изнашивания тел с неоднородными свойствами. Решения перечисленных задач позволили определить напряжения и деформации при различных видах относительных перемещений контактируемых поверхностей - прямолинейного скольжения под нагрузкой, скольжения с вращением, свободном качении, качении со скольжением, качении с вращением, а также других комбинированных видах нагружения контактов.
Дифференциальные уравнения движения толкателя и их компоненты
В данной главе диссертации составлены дифференциальные уравнения движения толкателей кулачковых механизмов с учетом контактного взаимодействия элементов высшей пары. Рассмотрено два вида типовых плоских кулачковых механизмов: с вращающимся кулачком и роликовым толкателем (ВПР) и с вращающимся кулачком и плоским (тарельчатым) толкателем (ВПП). Различие этих механизмов с позиции поставленной задачи состоит в особенностях формы элементов высшей пары.
В частности, применительно к механизму ВПР толкатель в зоне его контакта выполнен в виде окружности (в общем случае - в виде кривой второго порядка). При этом профиль кулачка, как известно [74], может быть как выпуклым, так и вогнутым, т.е. иметь как отрицательную, так и положительную кривизну. Причем, имеются особые точки, когда радиус кривизны меняют знак и величину (от - оо до +оо).
Другой особенностью механизма ВПР является наличие переменного угла давления а, что при описании движения толкателя с учетом упругого контактного взаимодействия, приводит к дифференциальному уравнению с переменным коэффициентом, изменяющимся в достаточно больших пределах с периодической детерминированной частотой. Так, при изменении угла давления в пределах от 0 до 30 этот коэффициент в виде cos а изменяется от 1,0 до 0,86, что позволяет прогнозировать появление параметрических колебательных явлений. Уравнения движения толкателя применительно к механизму ВПР становятся существенно нелинейными при описании контактного взаимодействия в виде реакции связи Р как нелинейной функции 8 - упругого сближения элементов высшей пары.
Применительно к механизму ВПП заметим, что кривизна профиля кулачка этого механизма всегда отрицательна, т.е. профиль кулачка выпуклый. Радиус кривизны поверхности толкателя, контактирующего с профилем кулачка равен бесконечности. Механизмы с вогнутой формой контактирующей поверхности толкателя в данной диссертации не рассматривается. Другая особенность - угол давления есть величина постоянная. Это несколько упрощает математическое описание движения толкателя.
При составлении дифференциальных уравнений движения принимаются следующие допущения: звенья механизмов жесткие, учитывается упругая податливость только элементов высшей пары; зазоры в подвижных соединениях механизмов отсутствуют; трение в кинематических парах отсутствует; механизмы изготовлены и собраны идеально точно; стойка механизмов неподвижна; вращение кулачка происходит с постоянной угловой скоростью; погрешности изготовления поверхности профиля кулачка и толкателя ничтожно малы; сближение поверхности кулачка и ролика происходит в пределах упругих деформаций; проскальзывание ролика по поверхности профиля кулачка отсутствует.
При принятых допущениях данной физической модели соответствует система с одной степенью подвижности с голономными и стационарными связями, положение в которой приведенной массы толкателя определяется обобщенной координатой, отсчитываемой от положения устойчивого равновесия. В соответствии с этим перемещение, скорости и ускорения звеньев механизма могут быть представлены через детерминированные функции.
Решение дифференциального уравнения движения плоского толкателя при переменном коэффициенте жесткости элементов высшей пары для фазы удаления
Для закона постоянного ускорения, как и в [47], на интервале разбега толкателя коэффициент динамичности получается равным двум. Причем его величина не зависит от собственной частоты упругого соединения кулачок-толкатель и жесткости замыкающей пружины. Вместе с тем, при «слабом» демпфировании колебаний в рассматриваемой системе на момент начала интервала выбега, когда к этому времени колебания, возникающие на интервале разбега еще окончательно не погашены, в зависимости от периода сопровождающих колебаний и длительности интервала разбега, коэффициент динамичности может возрасти до 4 единиц (при наиболее неблагоприятном соотношении параметров системы).
Ориентируясь на частоту возмущения 2тс, определяем, что рассматриваемый колебательный процесс наблюдается в дорезонансной зоне. Причем эти данные говорят о том, что частота возмущения и осредненная частота собственных колебаний соизмеримы. Значения Д» могут быть и еще меньшими, например, с увеличением скорости вращения кулачка или при длительности фазового интервала разбега толкателя меньшей 90, когда t д 0,01 с. Кроме того, минимизация размеров кулачка, как известно [47], приводит к уменьшению размеров кривизны профиля кулачка, а, следовательно, и к уменьшению осредненного значения приведенного коэффициента жесткости элементов высшей пары.
В этой связи будем утверждать, что учет контактной жесткости элементов высшей пары особенно для быстроходных механизмов также необходим, как и ставший уже традиционным учет жесткости толкателя и последующей кинематической цепи механизма в целом.
Как показано выше, рекомендации по выбору закона, движения толкателя при расчетах с учетом величины приведенного коэффициента жесткости элементов высшей пары совпадают с известными рекомендациями, когда принимается во внимание конечная жесткость толкателя в целом.
Зависимость (3.14) представляет неоднородное линейное дифференциальное уравнение с переменным коэффициентом, зависящим от аргумента уравнения; причем, правая часть в (3.14) есть кусочно-непрерывная функция.
Как известно [21, 23, 112] аналитическое решение таких уравнений весьма трудоемко, и найдено лишь для ряда частных случаев. В этой связи решение уравнения (3.14) будем осуществлять на ЭВМ с помощью математического пакета MathCad в форме задачи Коши, используя вычислительный блок «Given-odesolve», специально предназначенный для решения линейных дифференциальных уравнений.
Перед обращением к функции «odesolve» [29, 77] записывается ключевое слово «Given», вводится начальное условия, задается имя аргумента (в данном случае параметр «А»), правый конец интегрирования и шаг «step», который используется при интегрировании уравнения.
Для решения данной задачи с помощью указанного вычислительного блока применялся метод Рунге-Кутта 4-го порядка с фиксированным шагом. При выборе шага интегрирования были использованы известные рекомендации [29, 77], в соответствии с которыми уменьшение длины шага в 10 раз не приводило к изменению результата.
В рассматриваемом диапазоне изменения параметров жесткость дифференциального уравнения (3.14) невелика и число шагов при расчетах на интервале изменения аргумента, соответствующего одному обороту кулачка, принималось равным 1000, решение уравнения было устойчивым.
Для проверки этого решения применялся численный метод Рунге-Кутта с постоянным шагом с именем встроенной функции «rkfixed» в сетке из 1000 равноотстоящих узлов. Результаты расчета были теми же самыми.
На первоначальном этапе представлялось рациональным выполнить анализ решения дифференциального уравнения (3.14) на фазе подъема толкателя и далее в развитие этого, задавая возмущения - правую часть уравнения (3.14) применительно к одному и более оборотов кулачка. Расчет выполнялся для типовых законов движения толкателя.
Методика и средства экспериментального определения ускорения толкателей с различной жесткостью контактной пары кулачок-толкатель
Для регистрации и обработки оцениваемых параметров использовался аппаратно-программный комплекс, состоящий из датчиков, соединительных кабелей, усилителя, контроллера АЦП и ПЭВМ.
Одним из основных элементов данного комплекса является персональный компьютер со специальным программным обеспечением, который управляет работой всех остальных компонентов в реальном времени и осуществляет постэкспериментальный анализ и визуализацию сигналов и результатов анализа.
Входной измерительный тракт комплекса составляют датчики, усилители, фильтры и АЦП. Каждое из этих устройств характеризуется собственными точностными характеристиками, которые определены для выполнения достоверных измерений.
Датчики для измерения ускорений толкателей располагаются на специально изготовленных штангах, которые закреплены на корпусах толкателей - объекте исследования. Снимаемые с них электрические сигналы аналогового типа.
Усилители и фильтры располагаются непосредственно в системном блоке компьютера. Контроллеры АЦП, осуществляющие преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму внутренние, вставляемые непосредственно в разъемы шинной магистрали материнской платы.
Соединение усилителей и АЦП с датчиками осуществляется экранированными кабелями. Датчики выполняют преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал и являются первым звеном, представляющим информацию о состоянии объекта исследования. Поэтому к ним предъявляются особые требования по точности выполняемого преобразования, стабильности при воздействии помех и т.д. В этой связи важнейшими характеристиками датчиков являются: точность; чувствительность; динамический диапазон; надежность и долговечность; стабильность параметров и характеристик во времени; вид статической характеристики (реверсивная, нереверсивная, линейная, нелинейная); обратное воздействие датчика на объект исследования; быстродействие; удобство монтажа и обслуживания. Датчики выдают выходные унифицированные стандартные сигналы (в соответствии с требованиями системы ГСП - Государственная Система Приборов).
Усилитель включается в измерительный тракт в том случае, когда выходной сигнал датчика, или первичного измерителя низок по амплитуде и его нужно привести к выходному диапазону АЦП (обычно +5В), чтобы обеспечить приемлемый уровень точности преобразования аналоговой информации в цифровую форму. Усилитель кроме своей основной функции осуществляет также фильтрацию входного сигнала, оставлял в нем только представляющие интерес для анализа частотные составляющие и удаляющие различные помехи (типа сетевые наводки 50 Гц).
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет преобразование входных аналоговых сигналов в цифровую форму, приемлемую для ввода в компьютер, в виде отдельной микросхемы вставляется в компьютер, которая называется АЦП-контроллер. Наряду с собственно микросхемой в нее входит также и следующие дополнительные компоненты: 1) мультиплексор или коммутатор, обеспечивающий последовательное наблюдение АЦП к нескольким независимым входным аналоговым каналам; 2) таймер, позволяющий менять частоту аналого-цифрового преобразования; 3) входной 8-ми разрядный порт для ввода дискретных высших сигналов; 4) выходной 8-ми разрядный порт для вывода дискретных сигналов, используемых для управления (включение/выключение) внешними устройствами и приборами; 5) цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для вывода на внешние устройства аналогового сигнала, который может быть использован с целью тестирования аппаратуры или же непрерывного управления;
В качестве программы для работы с сигналами анализаторами и контроллерами в среде Windows использован аппаратно-программный комплекс CONAN [45], как комплексный компьютерный измеритель исследуемых параметров толкателя. Наряду с типовыми средствами исследования сигналов системы CONAN обладает следующими основными отличительными возможностями: готовые настройки на типовые исследования с формированием банка автоматизированных методик; автоматизация и программирование комплексных исследования в течении короткого времени; экспресс-анализ, управление, диагностика и использование визуальных приборов в реальном времени; быстрые и мощные процедуры временного, частного и структурного анализа с многоуровневыми средствами реализации специальных методик и вычислений; наглядная и всесторонняя визуализация записей и результата анализа с цветным картированием и трехмерными диаграммами; широкий выбор средств преобразования и редактирование записей; статистический анализ, широкая совместимость с другими программными продуктами; простой и интуитивно понятный диалог развитая контекстная помощь по экранному справочнику-гипертексту и детальная методическая документация.
Технические характеристики системы CONAN: входное сопротивление не менее 100 Мом; подавление синфазной помехи не хуже 100 дВ; уровень шума, приведенный ко входу (пик-пик): a) в полосе 0,03..30 Гц не более 1,2 мкВ; b) в полосе 0,03..1200 Гц не более 7 мкВ; емкость гальванической развязки не более 125 пФ; восстанавливаемый пробой изоляции не менее 4,5 кВ; разрядность АЦП 12 разрядов; максимальная полоса пропускания 1000 Гц; токи потребления от источника питания: +12 - 400 мА, +5 В - 30 мА показатели окружающей среды: a) температура от +10 до +40 градусов Цельсия; b) относительная влажность до 80% при температуре +30 градусов Цельсия и атмосферное давление 750 +/- 30 мм рт. ст.; вес не более 4 кг. Исполнительные характеристики: Число независимых входных аналогов дифференциальных каналов усилителя = 4, число дополнительных аналоговых входов НЦП = 4, входных дискретных входов АЦП = 4, входных дискретных TTL-каналов АЦП (управляющих) = 4. Градации усиления (программно устанавливаемые): 50 g; 10 g; 5 g (в меню планирования исследования CONAN им соответствуют значения 0,1; 0,5; 1). Фильтры верхних частот (программно установленные): 0,05; 0,1; 0,5; 1; 2,5 Гц. При установке частоты, меньшей 0,1 Гц, из-за большой постоянной времени возможен продолжительный (до десяти секунд) выход усилителя на рабочий режим (установка нуля). Фильтры нижних частот (программно устанавливаемые): 100; 1000 Гц. 5. Усилитель имеет защиту входных каскадов от статического напряжения и других мощных воздействий. Состав комплекса: Контроллер АЦП с 4-канальным усилителем 0 вид 1 полуплаты, вставляемой в ISA-слот персонального компьютера; Кабели с вибродатчиком; Инсталляционная дискета с системой CONAN;
АЦП по своему внутреннему устройству является полным автоматом, что позволяет после задания частоты дискретизации больше не вмешиваться в процесс преобразования информации. Все необходимые установки режимов работы АЦП, чтение преобразованной информации, работа с регистрами ввода/вывода осуществляется командами ввода/вывода ПЭВМ через шину ISA. Причем при чтении преобразований информации необходимо выполнять двухбайтовые (in АХ, DX), а при выполнении операций записи или чтения таймера регистров ввода/вывода команды должны быть однобайтовыми (out DX,AXmrainAX,DX).
