Бесплатформенные системыориентации.
Пространственные системыориентации содержали гироплатформы, физически реализующие (с точностью допогрешностей) опорные системы координат, относительно которых определяетсятекущая угловая ориентация ЛА. Задачаориентации в этих системах решалась геометрически путем непосредственногоизмерения угловых отклонений, характеризующих взаимное положение корпусаприбора, связанного с ЛА, и гироплаформы.
Эта задача может быть решена аналитически на основе измерений отдельных угловых параметров движения ЛА припоследующем преобразовании полученных сигналов или их интегрировании. Системыориентации, чувствительные элементы которых (гироскопы, угловые акселерометры идр.) установлены на корпусе ЛА, а его положение относительно осей опорнойсистемы координат вычисляется, называются безплатформенными илибескарданными(БСО). Обычно БСО входят в состав безплатформенных инерциальныхнавигационных систем (БИНС) и обеспечивают решение задачи ориентации, заменяя собой инерциальную курсовертикаль(ИКВ) или гиростабилизированную платформу (ГПС). Они могут быть использованы исамостоятельно для определения угловой ориентации ЛА относительно какой-либосистемы координат, неизменно ориентированной в инерциальном пространстве. Этаособенность обусловлена тем обстоятельством, что применяемые в качестве измерительных устройств гироскопы или угловыеакселерометры способны измерять абсолютные угловые параметры движения, а неотносительные.
Для определения ориентации ЛА относительно какой-либовращающейся опорной системы координат (например, горизонтальной) необходимознать угловую скорость ее вращения в инерциальном пространстве и учитывать этускорость при вычислениях. При этом решение задачи относительно вращающейсяопорной системы координат реализуется всхеме, когда БСО входит в состав БИНС, определяющий координаты местоположенияЛА и его линейную скорость полета в системе координат, связанной с Землей.
Основными достоинствами БСО и БИНС по сравнению с платформенными системами являются меньшие размеры и массы элементов и системы в целом; большая надежностьсистемы; меньшее потребление электроэнергии; меньшая стоимость; простотаэксплуатации и ремонта.
Вместе с тем на пути создания БСО иБИНС имеются серьезные технические трудности, главными из которых являютсянеобходимость разработки гироскопов и акселерометров, обеспечивающихтребуемую точность измерений взначительно более широком диапозоне изменения входных параметров и в более тяжелых условиях эксплуатации (на корпусе ЛА); значительнобольший объем вычислений, вызванный необходимостью аналитического моделированияопорной системы координат и преобразования сигналов акселерометров игироскопов; необходимость разработки совершенных методов начальной ориентации(выставки) и калибровки БСО и некоторые другие.
Следует также иметь в виду, чторазработка БСО и БИНС ведется одновременно с совершенствованием принциповпостроения и конструкцией элементов ИНС платформенного типа. К настоящемувремени получены достаточно высокие результаты в процессе производствагиростабилизированных платформ. Наряду с увеличением точности и повышением надежности здесьдостигнуто снижение массовых и габаритных характеристики упрощениеобслуживания.
Сравнительный анализ платформенных ибезплатформенных систем ориентации и навигации показывает, что платформенныеИНС менее критичны к общим источникам ошибок, так как гироскопы иакселерометры, установленные на платформу, в значительной степени изолированы от действия различных возмущений, ихнадежность достаточно высока, а достигнутый уровень точности навигациихарактеризуется погрешностями порядка единиц километров за час полета.
Однако, несмотря на отмеченные выше трудности, БСО и БИНС интенсивно разрабатываются иуспешно реализуются на объектах самого различного назначения, конкурируя поряду показателей с системами платформенного типа.
В качестве измерителей угловыхпараметров движения в БСО могут бытьиспользованы трехстепенные астатическиегироскопы (например, на электростатическом подвесе), одноосныегиростабилизаторы, датчики угловых скоростей (в том числе лазарные ), угловые илинейные акселерометры, приборы,выполненные на основе виброционных гироскопов, и некоторые другие.
Вырабатываемые этими приборами сигналыпоступают на вход вычислительного устройства (ВУ), где они соответствующим образом преобразуются иинтегрируются.
Бесплатформенные системыориентации,
основанные на применении датчиков
угловых скоростей.
Обычно в составе БСО используется блокчувствительных элементов, состоящих изтрех ДУС, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны. Так же разрабатываются системы с избыточнымколичеством измерителей (четыре, шесть и более ), что позволяет увеличитьточность и надежность получения информации о параметрах движения объекта.
Принципиальная схема БСО с тремягироскопическими ДУС приведена на рисунке. В блоке чувствительных элементовсмонтированы ДУС, оси чувствительности которых ориентированы вдоль осей прямоугольной системы координат . Реагируя на угловые скоростивращения основания ,представляющие собой проекции вектора абсолютной угловойскорости вращения ЛА на оси ,эти приборы вырабатывают соответствующие сигналы, являющиеся первичными длярешения задачи ориентации в БСО.
Аналогично строится БСО прииспользовании в качестве ДУС трехлазерных гироскопов (ЛГ), каждый из которых имеет ось чувствительности,ориентированную вдоль осей прямоугольнойсистемы координат , связанной сЛА. Сигналы с выходов отдельных ЛГ поступают в систему предварительнойобработки информации ( СПОИ ), а затем на вход БЦВМ, где они соответствующимобразом преобразуются и интегрируются.
Независимость показаний этих датчиковот смежных угловых скоростей обеспечивается высокой точностьюмонтажа отдельных измерителей или точностью изготовления монолитного трехкомпонентного блока лазерныхгироскопов, смонтированного в корпусе блока чувствительных элементов БСО.
Конструкция блока демпфирующихгироскопов.
Блок демпфирующих гироскопов предназначен для работы вконтуре обратной связи по угловой скорости инерциальной системы навигации и стабилизации. Блок демпфирующих гироскопов трехканальный- почислу каналов ИНС. С каждым каналомстабилизации работает один канал блокадемпфирующих гироскопов. Все три каналаидентичны ивключают в себя ДУС иусилитель обратной связи ДУС. Оси чувствительности ДУС направлены в трех взаимоперпендикулярных направлениях по осямстабилизации ракеты. Кроме того в блок ДГ входит блок контроля скоростивращения гиромоторов, который выдаетсигнал о готовности блока к работе (в БЦВМ ).
Конструктивно блок ДГ состоит изкорпуса, крышки, трех ДУСов и электронной части. Корпус блока литой изалюминиевого сплава. На корпусе имеются три посадочных места для установки ДУСов. Перпендикулярность осей ДУСовобеспечивается штифтами на корпусе блока, входящего в пазы на корпусемоментного датчика ДУС.
Под крышкой, изготовленной изалюминиевого сплава находится электронная часть блока, включающая трехканальныйусилитель обратной связи ДУС и блок контроля скорости вращения гиромоторов.Электронная часть изготовлена методом печатного монтажа;усилительно-преобразующие элементыэлектронной части собраны на микросхемах средней и малой интеграции.
Герметичность блока демпфирующихгироскопов обеспечивается резиновым уплотнением между корпусом и крышкой.
Электрическое соединение блока ДГ саппаратурой ИНСН осуществляется через малогабаритный разъем типа«вилка».
Крышка, разъем, печатные платы электронной части и ДУС крепятся на корпусе блока ДГ винтами.
Основным измерительным элементом блокаДГ является ДУС.
ДУС предназначен для выдачи сигнала,пропорционального угловой скоростиотносительно осей связанной системы координат ракеты.
ДУС работает совместно с усилительнымконтуром обратной связи. Блок состоит из гиромотора, индукционного датчика имоментного датчика.
ДУС представляет собой гироскоп сдвумя степенями свободы, охваченный обратной связью. Принцип его действия основан на сравнении гироскопическогомомента Мг с моментом электрической пружины Мпр. При вращении блока вокруг осиОУ с угловой скоростью относительно оси ОХ гироузла возникаетгироскопический момент Мг=
Под действиемгироскопического момента ось роторагиромотора стремится повернуться вокруг оси ОХ таким образом, чтобы совместить векторкинематического момента Н с вектором угловой скорости кратчайшим путем. Ротор индукционного датчика, связанный с гироузлом,повернется, и с выхода индукционногодатчика в схему контура обратной связипоступает сигнал. Усиленный и преобразованный в схеме контура сигналпоступает в обмотку моментного датчика ив последовательно соединенный с ней резистор. При взаимодействии тока вкатушке датчика с магнитным полем постоянного магнита возникает момент вокругоси ОХ, препятствующий отклонению гироузла.
Приближенно можно считать, чтогироскопический момент уравновешивается моментом от электрической пружины, тоесть:
где К1-крутизнамоментного датчика.
Соответственновыходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки, равно:
то есть выходноенапряжение пропорционально измеряемой угловой скорости. Дифференцированиесигнала для создания демпфирующегомомента осуществляется в усилительном контуре обратной связи.
Сигнал, пропорциональный угловойскорости, с индукционного датчика поступает на вход фазового детектора, выполненного на транзисторнойматрице 1НТ251 и микросхеме 143КТ1.
Преобразованный выходной сигналфазового детектора усиливается трехкаскадным усилителем, выполненным на 153УДЗи 550УП1. В обратной связи первого каскада усилителя реализована корректирующаяячейка, которая совместно скоэффициентом усиления второго каскада обеспечивает необходимое демпфирование ДУС.
Обмотка моментного датчикапоследовательно с нагрузкой подключена к выходу усилителя.
В конструкции блока выделяютсяследующие узлы:
гиромотор (ГМ15-10ФБ), индукционныйдатчик (ИДР-9И), моментный датчик(М-32/10РА), токоподводы, колодка-ввод, кожух, крышка.
Гиромотор, представляющий собой трехфазныйасинхронный двигатель обращенного типа, состоит из нессиметричного ротораколокольного типа с короткозамкнутой обмоткой, статора с четырехполюснойобмоткой, радиально-упроных шарикоподшипниковых опор и корпуса с крышкой. К гироузлу крепятся ротор индукционного датчикаи ротор моментного датчика. На гироузле установлены грузы для балансировки иупоры, ограничивающие поворот гироузла.
Индукционный датчик служит дляпреобразования угла поворота подвижной системы блока в электрический сигнал.Индукционный датчик — четырехполюсный бесконтактный рамочного типа — состоит изкольцевого ротора с четырьмя катушками обмотки управления и цилиндрическогочетырехполюсного статора, состоящего из двух магнитопроводов.
Моментный датчик совместно с контуромобратной связи предназначен для создания момента, пропорционального подаваемомуна его обмотку постоянного тока.Моментный датчик рамочный, магнито-электрического типа, состоит из ротора, на наружнойповерхности которого наклеены магнитная обмотка и контрольная обмотка, идвухполюсного постояенного магнита сцилиндрическим магнитопроводом.
Электрическое питание катушекиндукционного и моментного датчика игиромотора и съем сигналов осуществляется через узел токоподводов.
Корпус блока выполнен из алюминиевогосплава. На корпусе установлены кронштейны с регулируемыми упорами дляограничения поворота гироузла. Блокзащищен кожухом и крышкой.
Технико — экономическоеобоснование проектируемого прибора.
Корабль, самолёт, ракета, т.е.любой движущийся объект требует ориентации в пространстве. Для этой цели широкоприменяются гироскопические системы и устройства. Современные летательныеаппараты, морские корабли обладают большой автономностью, покрывают во времядвижения большие расстояния, поэтому неправильная ориентировка их в пространстве значительно увеличивает как времяпрохождения маршрута, так и затраты,связанные с его преодолением. Точность инадежность, затраты и сроки создания — эти показатели всегда находятся в сферевнимания конструкторов, разработчиков гироскопических систем. Это не случайно, ибо именно соотношения,пропорции этих показателей и определяютэкономическую эфективность гироскопических систем.
Технико-экономическое обоснованиеконструкции предполагает сопоставление затрат, связанных с созданиемгиросистемы, и эффекта, который достигается при ее реализации. Лучшимпризнается тот вариант, у которого экономический эффект максимален.
Технико-экономическое обоснованиегиросистемы содержит:
— определение цели разработки гиросистемы;
— установление функциональногоназначения гиросистемы;
— выявление степени влияниятактико-технических параметров на эффективность выполняемых объектом задач;
— расчет затрат, связанных сфункционированием гиросистемы и сопоставление их с затратами на аналогичныеустройства;
— расчет экономического эффекта;
Метод определения себестоимости
гиросистемы
Метод баллов.
При проектировании новой техники и технологиивсегда возникает необходимость в определении таких экономических показателей, как себестоимость итрудоемкость. Проблема заключается в том, что эти показатели необходимо определять в условиях ограниченной информации об объектеразработки. Так, мы располагаемполными сведениями только по предшествующим, аналогичным разработкам, пообъекту же разработки нам известны лишьосновные тактико-технические параметры. В этих условиях целесообразно использовать для определения себестоимостиметод баллов.
Общие положения метода баллов.
Основным положением метода балловявляется то, что любая разработка в системе народногохозяйства может быть рассмотрена спозиции системного анализа, т.е. какбольшая и сложная система. Само существование этой систмеы и эффективность еефункционирования связаны с большим числом различных факторов, влияние которыхна систему неодинаково. Например, себестоимость прибора зависит от эффективности использования ресурсов,производственной структуры, организационных особенностей производства. Целью желюбого производства является выпуск продукции заданного количества, определяемого тактико-техническими показателямиприбора. При этом прослеживается взаимосвязь между производственными итактико-техническими показателями. Например, повышение точности прибора можетпривести к увеличению числа технологическихопераций и его трудоемкости, к увеличению парка оборудования, его структуры истоимости. Это положение справедливо для любой разработки. Установитьвзаимосвязи можно, используя опыт предшествующих разработок. При этом точностьисследования определяется выбранными аналогами, которые должны принадлежатьпринципиально той же развивающейся системе. Следовательно, зная параметры и ихвзаимосвязи, можно определить любой из них, варьируя другими как факторами,влияющими на его изменения. Например, себестомость гироприбора изменяется взависимости от изменения его тактико-технических показателей.
Влияние каждого показателянеравнозначно, и его весомость вычисляется как величина, измеряемая в баллах.
Выполнениеорганизационно-экономической части
1. Задача на проектирование:
Получить более точный прибор.
2. В качестве показателей можнорассмотреть следующие технические характеристики и условия эксплуатации блоковДУСов:
— масса прибора;
— габариты прибора;
— объем прибора;
— количество деталей;
— количество стандартных изделий;
— порог чувствительности;
— масса драгоценных металлов;
— количество прецизионных опор;
— диапазон температур функционированияприбора;
— нулевой сигнал;
— составляющая нулевого сигнала, независящая от «g».
3. Анализ показателей, влияющих насебестоимость блока ДУСов:
— масса прибора влияет насебестоимость, так как увеличивается материалоёмкость.
График влияния:
— габариты прибора влияют насебестоимость, так как увеличивается материалоёмкость.
График влияния:
— объем прибора влияет насебестоимость, так как увеличивается материалоёмкость.
График влияния:
— количество деталей приводит кросту себестоимости, так как усложняетсятехпроцесс сборки, используется больше оборудования, число рабочих.
График влияния:
— количество стандартных изделийуменьшает себестоимость, так как не требуется разработка новоготехнологического процесса и нового оборудования, упрощается сборка изделия,требуется низкая квалификация рабочих.
График влияния:
— порог чувствительности. Снижаетсятребование к изготовлению опор, к обработке поверхностей, дешевле оборудование.
График влияния:
— масса драгоценных металлов.Увеличивается себестоимость, так как стоимость драгоценных металлов высока.
График влияния:
— количество прецизионных опорпредполагает дорогостоящее оборудование, высокую квалификацию рабочих, сложныйпроцесс сборки.
График влияния:
— диапазон температур функционированияприбора предполагает подбор материаловс одинаковыми коэффициентами температурного расширения, высокую стоимостьматериалов.
График влияния:
— нулевой сигнал влияет наизменение себестоимости. Менее жесткиетребования к изготовлению опор, нестабильности крутизны ДМ; Н; Rиз.
График влияния:
— составляющаянулевого сигнала, не зависящая от «g», влияет на изменениесебестоимости. Менее жесткие требованияк изготовлению токоподводов, опор, обработке поверхности, влиянию магнитныхполей. График влияния:
4. Все факторы сведем в таблицуанализа показателей, влияющих на себестоимость блока ДУС'ов и определим характер зависимости знаками"+", если влияние на себестоимость прямопропорциональное; или "-",если зависимость обратнопропорциональная.
5. Анализируем показатели, влияющие насебестоимость:
— масса у аналогов и у проектируемого прибораодинакова, поэтому этот показатель фактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;
— габариты у аналогов и упроектируемого прибора одинаковы, поэтому этот показатель фактором, влияющим наизменение себестоимости, не является;
— объём у аналогов и у проектируемогоприбора одинаков, поэтому этот показатель фактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;
— количество деталей у аналогов и упроектируемого прибора одинаково, поэтому этот показатель фактором, влияющим наизменение себестоимости, не является;
— количество стандартных деталей уаналогов и у проектируемого прибора одинаково, поэтому этот показательфактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;
— масса драгоценных металлов уаналогов и у проектируемого прибора одинакова, поэтому этот показательфактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;
— количество прецизионных опор уаналогов и у проектируемого прибора одинаково, поэтому этот показательфактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;
— диапазон температур функционированияприбора у рассматриваемого прибора и уаналогов находится в диапазоне от — 50 до + 75 С. В связи с этим влияние насебестоимость этого показателя можно не учитывать.
Таким образом, факторами, влияющимина изменение себестоимости для данныхприборов, являются:
— порог чувствительности;
— нулевой сигнал;
— составляющая нулевого сигнала,независящая от «g».
6. Оценка себестоимости блока ДУС'ов.
Выбираем два прибора-аналога сблизкими техническими характеристиками проектируемого ДУСа. Отобранныепоказатели и их значения заносим в таблицу показателей для расчетасебестоимости.
7. Проведем расчет себестоимостипроектируемого прибора c помощью программы SVVD.
8. Рассчитаем условную экономию:
Эу=S2/a2 — Sп/aп,
где a2, aп — показатели качества аналога-2, проектируемого прибора соответственно;
S2 = 120 млн. руб. , Sп=232 млн. руб.
a2 = w1/w2 = 0.3/0.13 = 2.3,
aп = w2/wп = 0.13/0.0014 = 92.1
Эу = 120 000000/2.3 — 232 000 000/92.1 =
= 49 654 912 руб.
Анализ технологического процессасборки
ДУС с точки зрения охраны труда,техники безопасности и охраны окружающей среды.
Качество и точность высокоточныхприборов зависит от технологической гигиены, то есть системы мероприятий, обеспечивающих условиявысокой производственной чистоты,заданный микроклимат, очистку жидкостей,материалов, деталей, инструментов, устранение загрязнений.
В помещениях создается микроклимат,т.е. метеорологические условия внутренней среды этих помещений, которыеопределяются действующим на организм человека сочетанием температуры,влажности, скорости движения воздуха, теплового излучения.
Для высокого уровняработоспособности создаются оптимальныеусловия-сочетания количественныхпоказателей микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействиина человека обеспечивают сохранение нормального теплового состоянияорганизма без напряжения механизмовтерморегуляции.
Сборка приборов производится вручную иклассифицируется как легкая физическая работа с энергозатратами до 120 ккал/ч(139 Вт ). Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещенийпри категории работ, классифицирующихся по ГОСТ12.1.005-88 как легкая 1а приведены в таблице.
Помещения оборудованыприточно-вытяжной вентиляцией. Схемы приточной и вытяжной вентиляции показанына рисунках.
При выполнении сборки прибора и, вчастности, электромонтажа (пайки) могут возникнуть следующие виды опасностей и вредностей:
-электроопасность;
-пожароопасность;
-взрывоопасность;
-опасность теплового ожога;
-опасность химического ожога;
-отравление, заболевание кожи;
-травмирование от механическихповреждений.
1. Поражение электрическим токомможет возникнуть:
-при ненадежном заземлении всех узловоборудования, которые могут оказатьсяпод напряжением;
-при прикосновении к открытым токоведущим частям оборудования;
— при некачественной изоляциинаружной электропроводки.
2. Источником пожароопасностиявляются:
— легковоспламеняемая жидкость(ЛВЖ), применя-емая при расконсервации,пайке (бензин). Этот вид опасности наблюдается при установке ДУ и ДМ.
Подробнее пожароопасность рассмотренав предпоследней части работы.
3. Взрыв может произойти при наличиипаров ЛВЖ выше норм взрывоопасной концентрации, а также при сильной запыленностивентиляционных систем отходами технологических процессов и наличиенакопившегося статического разряда.
4. Тепловые ожоги можно получить:
— от попадания на кожу расплавленногоприпоя, флюса;
— от прикосновения к нагретым деталям, частям оборудования или инструмента.
Этот вид опасности возникает наоперациях, включающих пайку припоями, лужение.
5. Химические ожоги могут произойти при работе с химически опаснымивеществами на операциях пайки,расконсервации, удалении остатков флюса.
6. Опасность отравления и заболеваниякожи может иметь место при выполнении операций связанных с использованием токсичных материалов:
— лужении, пайки припоями,содержащими свинец, цинк, кадмий;
— работе с флюсами, содержащимисвинец, цинк, хлористые и фтористые соединения;
— при промывке, расконсервациибензином.
7. Травмирование от механическихповреждений может возникнуть принеправильном соблюдении элементарных правил техники безопасности, при переносе тяжелых предметов,неосторожности, переоценке собственныхсил, да и просто чисто случайно. НЕ исключая такое повреждение, в помещениидолжна находиться как минимум одна аптечка, содержащая средства первой помощи пострадавшему.
Меры безопасности
Для обеспечения безопасности работающих необходимо:
1. Для предупреждения пораженияэлектрическим током предусмотреть:
— надежное заземление всех узловоборудования и электроинструмента, а также вентиляционных систем, которые могутоказаться под напряжением;
— качественную изоляцию наружнойподводки;
— расположение неизолированныхтоковедущих частей в недоступныхместах;
паяльники с рабочим напряжением неболее 36 В;
— штепсельные розетки закрытого типа счетким обозначением величины напряжения;
— резиновые изоляционные коврики дляотсоединения человека от «массы»;
— на электрощитах должны быть надписи «ОПАСНО:
ВЫСОКОЕНАПРЯЖЕНИЕ.»;
— также необходимо предусмотретьблокировки напряжения для выполнения ремонтных и контрольных работ.
2. Для предупреждения и ликвидациипожара необходимо предусмотреть:
— специальное изолированное помещениедля хранения и разлива ЛВЖ;
— вытяжные шкафы на участках дляхранения ЛВЖ в количестве непревышающем суточную потребность, определяемую технологическим отделом;
— специальную тару для хранения ЛВЖ:не опрокидывающуюся, с четким названием жидкости и надписью «ОГНЕОПАСНО».
Подробнее причины пожара и меры по его предотвращению и ликвидации рассмотрены в предпоследней части работы.
4. Для предотвращения тепловых ожоговпредусмотреть:
— предварительную сушку деталей и инструментов перед погружением врасплавленный припой;
— теплоизолирующие экраны,специальные подставки для паяльников, атакже инструменты и приспособления;
— индивидуальные средства защиты дляработы с расплавленными припоями, флюсами;
-правильную организацию рабочегоместа.
5. Для предупреждения химическихожогов предусмотреть:
— инструменты, приспособления,индивидуальные средства защиты (спецодежда, предохранительные очки, защитныеперчатки).
6. Для предотвращения опасностиотравления, заболеваний кожи предусмотреть :
— общеобменную приточно-вытяжнуювентиляцию, обеспечивающую нормальные климатические условия в рабочем помещении;
— местные автономные вытяжныеустройства на рабочих местах;
— включение вентиляции за 15 минут доначала работы и выключение через 15минут после окончания работы;
— скорость движения воздуханепосредственно на участках пайки и отмывки не менее 0,6 м/с независимо отконструкции воздухоприемников.
Эргономические требования к рабочемуместу сборщика. Выбор рабочей зоны.
Имеется много видов работ, при которыхлюдям приходится оставаться в течении длительного времени в одном и том жеположении сидя. Позы работающих задаются необходимостью следить зрительно завыполнением задачи. Когда задача сопряжена с риском ошибки, то очевидно, чтонельзя их работу ещё более усложнить. В таких случаях надо приложить огромныеусилия, чтобы уменьшить дискомфорт и трудности, связанные с досягаемостьюинструментов и види