Аннотация

The summary

Содержание

Введение

Постановка задачи

1. Теоретическая часть

1.1 Поиск и изучение патентной и научно-технической литературы

1.2 Конструкция и принцип действия прибора ИУС-М

2. Математическое моделирование

2.1 Математическая модель прибора ИУС-М. Вывод матрицы направляющих косинусов

2.2 Математическая модель ДУС - чувствительного элемента

3. Расчетно-конструкторская часть

3.1 Расчет ДУ, ДМ (ДУМ-031)

3.1.1 Описание конструкции и основные параметры ДУМ-031

3.1.2 Расчет датчика угла

3.1.3 Расчет датчика момента

3.2 Расчет потребляемой мощности

3.3 Расчет коэффициента демпфирования

3.4 Расчет момента инерции поплавкового гидроузла

3.5 Расчет масштабного коэффициента и погрешности масштабного коэффициента прибора

3.6 Расчет коэффициента усиления УОС-096

3.7 Расчет масштабного коэффициента УОС-096

3.8 Анализ частотных характеристик и построение графиков переходных процессов ДУС

3.9 Расчет коэффициентов математического моделирования

4. Разработка блока преобразования информации

4.1 Расчет блока преобразования информации

4.2 Построение частотных характеристик и их анализ

5. Анализ погрешностей ЧЭ ДУС КХ79-060

5.1 Методические погрешности

5.2 Инструментальные погрешности

6. Разработка электрической принципиальной схемы прибора ИУС-М

7.Технологическая часть

8. Организационно-экономическая часть

8.1 Расчет себестоимости изготовления изделия после внедрения нового образца

8.2 Расчет планируемого уменьшения численности ППП

8.3 Расчет прироста прибыли от производства новой продукции

8.4 Расчет годового экономического эффекта от производства новой продукции

8.5 Расчет срока окупаемости дополнительных капитальных затрат

9. Безопасность технологического процесса

9.1 Основные положения действующего законодательства Российской Федерации об охране труда

9.2 Правовые основы охраны труда

9.3 Профессиональная подготовка кадров, допуск к самостоятельной работ (обучение профессии и охране труда)

9.4 Гигиена труда и производственная санитария (микроклимат, освещённость, вентиляция, шум, вибрация)

9.5 Порядок обеспечения спецодеждой и средствами индивидуальной защиты

9.6 Порядок проведения медицинских осмотров

9.7 Понятие ПДК и ПДУ. Их нормирование

9.8 Требования к оборудованию и технологическим процессам

9.9 Анализ вопросов безопасности технических устройств

Заключение

Список использованных источников

Введение

1.1 Поиск и изучение патентной и научно-технической литературы

Необходимость создания бесплатформенных систем для угловой ориентации космических аппаратов (КА) возникла в 80-е годы, прежде всего для решения задачи управления угловыми эволюциями КА в любом заданном направлении без ограничения величины угловых поворотов. Решение этой задачи стало возможным только после внедрения на борту КА вычислительного комплекса и разработки математических методов преобразования информационных сигналов, снимаемых с измерительных осей, жестко связанных с КА, в инерциальную систему координат. Гироскопические приборы, положенные в основу построения бесплатформенной системы, получили название гироскопические измерители вектора угловой скорости.

Переход к бесплатформенным системам потребовал от разработчиков гироскопической техники решения целого ряда проблем. В первую очередь, это создание высокоточного чувствительного элемента - гироблока (ГБ), способного при минимальном дрейфе нуля, порадка 10^-2 град/ч, производить измерения угловых скоростей до 5 - 10 град/ч с высокой стабильностью масштабного коэффициента (до 10^-5 - 10^-6).

Также необходимо было избавиться от влияния появившихся в опорах гироскопов сил реакции от гироскопического момента, возникающего при угловых эволюциях КА. Потребовалось также проведение исследовательских работ, направленных на изучение сохранения работоспособности датчика после воздействия на него вибрации и ускорений на участке выведения КА на орбиту.

При разработке конструкции приборов пришлось решать серьезные проблемы по минимизации массы и габаритов, обеспечению теплового комфорта для элементов прибора и др.

В качестве чувствительных элементов в БИНС могут применяться различные типы гироскопов, как с механическим носителем вектора кинетического момента (роторные), так и использующие измерение параметров различных электромагнитных процессов (лазерные (ЛГ), волоконно-оптические (ВОГ), твердотельные волновые (ТВГ) и т.д.).

Естественно, выбор тех или иных чувствительных элементов (ЧЭ) для БИНС определяется точностными и эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к системе в целом. Здесь, чтобы не анализировать все возможные сочетания этих требований, условно разделим гироскопические ЧЭ, используемые в ИИМ, на три группы.

К первой отнесем НГ с электростатическим подвесом ротора и бескардановой системой списывания углового положения и ЛГ. Объединяющим признаком для этих, весьма далеких по своим физическим основам приборов, является эксклюзивность применения в БИНС и высокая стоимость.

Третья группа может быть объединена по признакам сравнительно низкой стоимости и выработки информации только для решения задачи управления (углы и угловые скорости движения объекта относительно центра масс). Задача навигации при этом решается иными, неинерциальными, средствами в составе БИНС. Сюда следует отнести гироскопы с уходами от единиц до сотен градусов в час (большинство видов гироскопов с шарикоподшипниковыми опорами, микромеханические гироскопы и т.д.)

Наконец, наиболее интересующая нас, самая распространенная группа - это вторая группа - гироскопические ЧЭ средней точности 0,02-0,3 град/ч, предназначенные для БИНС, вырабатывающих информацию для решения навигационной задачи. Роторные (с механическим носителем вектора кинетического момента) гироскопы в классе систем средней и более высокой точности достаточно распространены, причем крупнейшие компании по-прежнему сосредоточивают усилия главным образом на двух их типах: поплавковых ДУС и ДНГ. Примеры применения роторных ДУС и особенно ДНГ в космических ГИВУС (гироскопический измеритель вектора угловой скорости) хорошо известны [2]. Также роторные ДУС применяются во системах подземной навигации, В авиационных ИСОН и др.

Разработки в России

НИИ прикладной механики имени акад. В.И. Кузнецова за последние 20 лет создано целое поколение бесплатформенных инерциальных блоков (БИБ), что обеспечило решение многих научных, народно-хозяйственных и прикладных задач в космосе. Впервые в отечественной космонавтике БИБ был применен для управления пилотируемой космической станцией «Мир» и успешно на ней работал все время ее существования с 1986 по 2001 гг. Всего было изготовлено свыше 70 образцов 7 различных модификаций БИБ для 25 космических объектов различного назначения. В настоящее время 9 приборов БИБ разных модификаций успешно продолжают свою работу на двух модулях международной пилотируемой космической станции «Альфа», спутнике связи «Ямал-100», спутнике прикладного назначения «Аркон», российско-французском спутнике «Sesat», китайских спутник серии «Ресурс». Готовятся к выводу на орбиту спутники связи «Ямал-200» и целая группа спутников «Экспресс-АМ». Ключевым элементом БИБ является чувствительный элемент - двухстепенный поплавковый интегрирующий гироблок с газодинамической опорой подвеса ротора.

Основными конструкционными особенностями поплавкового гироблока (ПГБ) являются:

- применение газодинамической опоры подвеса ротора гироскопа;

- магнитное центрирование поплавковой камеры гироблока;

- полная симметрия конструкции.

Газодинамические опоры при скорости вращения ротора 30000 об/мин, а также магнитное центрирование поплавковой камеры обеспечивают полное отсутствие «сухого» контакта между ротором и камерой, между камерой и корпусом гироблока. Этим же обеспечивается высокая стабильность взаимного расположения элементов датчика момента. Тем самым достигается наивысшая точность и практически неограниченный ресурс работы гироблока.

В целом, во всех конструкциях БИБ были применены 3 модификации ПГБ, разработанные в НИИ ПМ - КИ99-110, КИ79-132, КИНД99-003, фотографии которых представлены на рис. 1.1.1.

График на рис. 1.1.2 показывает этапы совершенствования основных характеристик ПГБ: точность в итоге удалось повысить на порядок, притом что масса была снижена вдвое. Модификация ПГБ КИНД99-003 имеет показатель отношения величины диапазона измеряемой угловой скорости к «чувствительности», близкий к 10⁶ , что характеризует его как измерительный прибор класса высокопрецизионной точности.

В приборах БИБ имеет место большое разнообразие в построении его кинематической схемы. Первоначально БИБ имели в своем составе минимально необходимое число измерителей, т.е. три, с классической ортогональной схемой расположения осей чувствительности гидроблоков.

Естественным развитием БИБ с целью повышения отказоустойчивости минимальными аппаратными затратами стало использование функциональной избыточности. Так, введение дополнительного четвертого измерительного канала БИБ позволило обеспечивать его работоспособность при одном отказе. Факт отказа устанавливается автономно, а идентифицируется при использовании других измерительных средств КА.

Вариант построения кинематической схемы прибора с четырьмя измерительными каналами представлен на рис.1.1.3.

Эту схему имеет большинство приборов, разработанных в последние годы, а именно КИНД34-020, КИНД34-027, КИНД34-027-01.

Оси чувствительности 4-х ПГБ направлены по диагоналям куба, что обеспечивает их равномерное расположение в пространстве. Такая кинематическая схема дает равную чувствительность к отказам любого измерительного канала и предпочтительна с точки зрения обработки и диагностики информации.

Для повышения отказоустойчивости и решения проблемы автономной локализации отказов используют БИБ с числом измерительных каналов пять или шесть.

Так, разработанные в НИИ ПМ приборы КИНД34-011 и КИНМ34-002 построены на базе шести измерительных каналов с неортогональной ориентацией осей чувствительности гидроблоков.

Основные технические характеристики приборов БИБ, изготовленных в НИИ ПМ, и фотографии некоторых образцов приведены на рис. 1.1.4 и в табл. 1.1.1.

Рис. 1.1.4. Образцы приборов БИБ.

Таблица 1.1.1 Технические характеристики приборов БИБ

Сравнение БИБ с зарубежными аналогами

Одна из последних модификаций БИБ - КИНД34-020 - по всем основным параметрам является лучшим в России представителем прецизионных измерителей угловой скорости, предназначенных для бесплатформенных инерциальных систем КА.

Таблица 1.1.2 Сравнительная характеристика БИБ КИНД34-020 и инерциального блока RSU

В табл. 5.1 приведены основные технические параметры приборов КИНД34-020 и инерциального блока RSU, созданного в США для системы управления космическим телескопом «Хаббл» (официальный пресс-кит NASA называет хаббловские гироскопы наиболее точными в мире).

По имеющимся данным, Франция, Германия, Япония, КНР приборов класса высокоточных БИБ не производят, т.к. не располагают соответствующими прецизионными чувствительными элементами.

Сравнительный анализ имеющейся информации по бесплатформенным инерциальным блокам, созданным за рубежом, показывает, что по основным своим параметрам прибор КИНД34-020 не только не уступает зарубежным аналогам прибора, но и во многом превосходит их. Кроме того, отечественный БИБ стоит существенно дешевле зарубежных аналогов.

Все это свидетельствует о высокой конкурентоспособности отечественных БИБ.

Избыточные системы с чувствительными элементами, основанными на других физических принципах.

Применяются и другие типы чувствительных элементов. Так в статье «Разработка конфигурации бесплатформенного инерциального блока с избыточным количеством чувствительных элементов» с целью обеспечения высокой надежности измерения в условиях отказа отдельных датчиков, максимальной точности оценки параметров движения, удобства и уменьшения времени калибровки прибора предлагается применить конструкцию основания БИБ в виде усеченной правильной шестиугольной усеченной пирамиды, на боковых гранях которой размещены чувствительные элементы - микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры. Для калибровки одного чувствительного элемента необходимо задать его оси чувствительности две ориентации (“вверх”, “вниз” - для акселерометров), для калибровки блока с тремя четырьмя, пятью, шестью чувствительными элементами достаточно также задать всего две ориентации блока, что позволит откалибровать все датчики сразу. Это сократит время калибровки во столько раз, сколько БИБ содержит чувствительных элементов, и тем самым уменьшит стоимость прибора.

Northrop Grummans SIRU-Core (рис.1.1.5) является непосредственно избыточным инерциальным отсчетным блоком (ИОБ) разработанным для проведения непрерывных высокоточных измерений в космосе в течении долгого периода времени. Один блок SIRU обеспечивает полную избыточность, состоит из четырех полусферических резонаторных гироскопов (ПРГ), двух модулей датчика электроники и двух источников питания. Совокупность ультравысокой высокой надежности ПРГ, использование высоконадежной электроники и сохранение работоспособности прибора при отказе отдельных элементов позволяет SIRU непрерывно работать более чем 15 лет в космосе с предполагаемой надежностью 0.995.

Northrop Grummans SIRU-Dual String [5] (рис.1.1.6) состоит из двух идентичных 3-осных ИОБ в одном корпусе и применяется в космических кораблях. Избыточность управляется компьютером космического корабля, включая обнаружение ошибки.

Рис.1.1.5. SIRU-Core Рис.1.1.6. SIRU-Dual String

Измеритель угловой скорости [6] (рис.1.1.7) на основе волоконно-оптического гироскопа в комплекте с кварцевыми акселерометрами фирмы «Антарес» представляет собой четырехканальную бесплатформенную инерциальную систему ориентации и навигации с оптимальным расположением чувствительных элементов, собственным бортовым компьютером и магистральным каналом обмена с аппаратурой системы управления движением КА.

Рис.1.1.7. Измеритель угловой скорости

В заключение, хочу сказать, что, не смотря на огромное разнообразие ЧЭ, “поплавковый гидроблок сохраняет перспективу из-за уникального сочетания наивысших показателей во всем основным параметрам точности (дрейф нуля, стабильность масштабного коэффициента, чувствительность, низкая шумовая составляющая) в сочетании с ресурсом (до 15 и более лет)”.

1.2 Конструкция и принцип действия прибора ИУС-М

Блоки с избыточным числом инерциальных датчиков, защищенные от ограниченного числа неисправностей, используются в настоящее время в целом ряде космических систем. Ожидается, что данная система заменит на борту КА «Союз - ТМА» в системе управления использующиеся в настоящее время три комплекта приборов КХ97-010М (классическая система «троирования»). Это позволит снизить стоимость системы и повысит ее эффективность. Важным моментом является возможность использования в ИУС-М электронных устройств, обеспечивающих формирование выходного сигнала с заданной точностью и выдачу их соответственно в БЦВМ и систему телеизмерения.

Рис.1.2.1. Общий вид прибора ИУС-М

При разработке измерительной системы для формирования дискретного выходного сигнала применяется датчик первичной информации с аналоговым контуром обратной связи и преобразованием типа «напряжение - цифровой код» (ПНК) для формирования дискретного выходного сигнала. Преобразование сигнала в этом случае позволяет использовать в цепи обратной связи аналоговый усилитель обратной связи, схемные решения которого достаточно хорошо отработанны. Кроме того, формирование аналоговых сигналов не вызывает технических затруднений.

Учитывая универсальность настроек входных каскадов данного блока преобразования информации примем единую схему БПИ для всех измерительных каналов.

В соответствии с требованиями технического задания, разрабатываемый аналоговый усилитель обратной связи в цепи «ДУ-ДМ» измерительных каналах ДУСов обеспечивает астатический режим работы привода по углу прецессии. Такой контур обратной связи существенно снижает влияние на работу прибора перекрестных связей.

Измеритель угловых скоростей выполнен в виде двух неортогональных троек чувствительных элементов, объединенных в общем корпусе и электронных блоков, обеспечивающих его работу. Прибор содержит три группы чувствительных элементов и электронных блоков.

Измерительных канал предназначен для измерения проекций векторов абсолютных угловых скоростей объекта на соответствующие оси, связанные с объектовой системой координат, и формирования дискретных и аналоговых выходных сигналов.

В состав измерительного канала входят: чувствительный элемент - гироскопический поплавковый двухстепенный датчик угловой скорости; аналоговый усилитель обратной связи, обеспечивающий формирование тока обратной связи в датчике момента ДУСа и выдачу в систему управления аналогового выходного сигнала в виде напряжения постоянного тока, о величине и знаке которого можно судить о входной угловой скорости; блок преобразования информации (БПИ), обеспечивающий формирование дискретного выходного сигнала в виде унитарного кода о величине и знаке тока обратной связи в датчике момента, первичный источник питания (ПСП) и вторичный источник питания (ВИП).

Блок БПИ представляет собой преобразователь типа “напряжение- цифровой код”.

Блок БКУ предназначен для формирования сигналов компенсации систематических составляющих скорости дрейфа ДУСов, не зависящих от ускорения.

Источник вторичного напряжения (ВИП) обеспечивает питание электронных блоков, а так же питание схемы формирования тестового смещения и сигнала компенсации систематической составляющей скорости дрейфа ДУСов, не зависящих от ускорения (БКУ).

Питание БИНС осуществляется от бортового источника постоянного напряжения 27В.

Датчиком первичной информации канала измерения угловой скорости является поплавковый датчик угловой скорости.

Датчик угловой скорости предназначен для измерения угловой скорости объекта вокруг одной из его координатных осей и выдачи электрического сигнала, пропорционального по величине и соответствующего по знаку угловой скорости. Датчик угловой скорости представляет собой поплавковый двух степенной ДУС с гидроузлом с прецизионными опорами и комбинированным датчиком угла и датчиком момента.

Внутренняя полость заполнена вязкой жидкостью Бл-П ТУ6-01-935-74, которая снимает трение в опорах и демпфирует гидроузел.

Наружная цилиндрическая поверхность корпуса поплавкового гироузла и внутренняя поверхность корпуса имеют 12 продольных выступов, осуществляющих лопастное демпфирование.

За счет этого существенно увеличился коэффициент жидкостного демпфирования при сравнительно небольшой вязкости поддерживающей жидкости по сравнению с традиционным демпфированием с помощью гладких цилиндров.

Изменение температуры компенсируется сильфоном.

В приборе (рис.1.2.2) установлены: индукционный датчик угла и магнитоэлектрический датчик момента, конструктивно объединенные в одну сборку ДУМ-036, обмотка возбуждения ДУ, постоянный магнит и магнитопровод расположены на неподвижной части прибора - крышке. Магнитопровод является общим, как для датчика угла, так и для датчика момента.

Рис 1.2.2. Схема датчика угловой скорости с электрической пружиной: ДУ - датчик угла; ДМ - датчик момента; ГД - гидравлический демпфер, Х0Y0Z0 - оси, связанные с корпусом; Y, Z - оси, связанные с рамкой

Сигнальная обмотка ДУ, обмотка управления и обратной связи ДМ расположены на одном корпусе ротора комбинированного датчика угла и момента в торцевой части гидроузла.

Принцип действия датчика угловой скорости основан на свойстве двухстепенного гироскопа: совмещать вектор кинетического момента Н с вектором входной угловой скорости .

При действии угловой скорости на двухстепенный гироскоп возникает гироскопический момент М_г, вектор которого направлен по оси подвеса рамки, а величина определяется отношением:

.

Под действием гироскопического момента М_г рамка с гиромотором будет поворачиваться вокруг ОХ в направлении, указанном стрелкой, пока векторы Н и не совпадут.

Повороту гидроузла препятствуют:

Упругий момент, пропорциональный углу поворота гидроузла, создаваемый электрической пружиной.

Демпфирующий момент, пропорциональный угловой скорости поворота гидроузла (лопастное демпфирование).

Инерционный момент, пропорциональный угловому ускорению гидроузла относительно его оси вращения.

Момент помех (момент трения, момент тяжения и др.).

Уравнение движения с точностью до момента помех:

(1.2.1)

где I - момент инерции поплавкового гидроузла относительно оси ОХ;

b - коэффициент демпфирования, удельный демпфирующий момент;

k - жесткость электропружины;

- угловое ускорение гидроузла относительно корпуса прибора;

- угловая скорость гидроузла относительно корпуса прибора;

- угол поворота гидроузла относительно корпуса прибора.

Принцип работы:

При воздействии на прибор угловой скорости гидроузел придет в движение, и будет поворачиваться, жестко связанный с ним, ротор датчика угла.

В результате поворота в обмотках ДУ появится электрическое напряжение, величина и фаза которого зависят от величины угла и направления поворота гидроузла относительно нулевого положения.

Это напряжение поступает на вход фазочувствительного усилителя, где усиливается и преобразуется в постоянный ток, величина и полярность которого определяются величиной и фазой сигнала датчика угла.

В цепь нагрузки усилителя включена обмотка датчика момента, жестко связанная с гидроузлом.

При протекании по обмоткам ДМ тока определенной величины и полярности, возникает момент, который накладывается на гироузел.

Величина этого момента пропорциональна току усилителя, и, следовательно, по величине и полярности тока можно определить величину и направление угловой скорости.

В общем случае этот момент определяется выражением:

(1.2.2)

Или

(1.2.3)

где М_пр - противодействующий момент;

k₁ - крутизна характеристики датчика момента;

i - ток в обмотке датчика момента.

В соответствии с (1.2.3) для установившегося положения гироузла, а так же , где k₃ - коэффициент усиления УОС; U_ДУ - выходное напряжение датчика угла:

(1.2.4)

где k₂ - крутизна характеристики ДУ;

Имеем:

; ;

где k₁k₂k₃ - жесткость электропружины:

(1.2.5)

(1.2.6)

где - крутизна выходной характеристики потоку;

- крутизна выходной характеристики по углу.

2. Математическое моделирование

2.1 Математическая модель прибора ИУС-М. Вывод матрицы направляющих косинусов

• Обратная матрица находится из соотношения:
• М=(А^ТА)^-1А^Т
• 2.2 Математическая модель ДУС - чувствительного элемента
• В настоящем разделе приводится описание математической модели измерительного канала прибора КХ34-021 [11], содержащего гироблок КХ79-060, усилитель обратной связи УОС-096 и аналого-цифровой преобразователь типа БПИ-190.

Параметры гидроблока КХ79-060 сведены в таблицах 2.2.1 и 2.2.2.