COMPACT ROTARY PLATFORM AS A UNIVERSAL LABORATORY STAND

ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Теорія та практика навігаційних приладів і систем ТЕОРІЯ ТА ПРАКТИКА НАВІГАЦІЙНИХ ПРИЛАДІВ І СИСТЕМ УДК 681.518.22 КОМПАКТНА ОБЕРТОВА ПЛАТФОРМА ЯК УНІВЕРСАЛЬНИЙ ЛАБОРАТОРНИЙ СТЕНД Заморський О. В. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна E-mail: З стендового обладнання для випробування гіроскопічних приладів і систем та їх чутливих елементів виділяється одновісна обертова платформа. Подається огляд принципів побудови промислово освоєних стендів для дослідження статичних і динамічних характеристик гіроскопічних приладів і систем. Пропонується схема побудови універсального лабораторного стенду, компактної обертової платформи для дослідження статичних і динамічних характеристик мікромеханічних гіроскопів і акселерометрів, як датчиків кутової швидкості. Розглядаються фізичні компоненти такого стенду та технічні і технологічні проблеми його практичної реалізації. Запропонований лабораторний стенд розглядається як кіберфізична система, в якій обчислювальні компоненти відіграють вирішальну роль при визначені параметрів системи та досліджуваних мікромеханічних датчиків. Для цього, окрім фізичного контуру керування електричним приводом для забезпечення стабільності кутової швидкості платформи, розглядається незалежний вимірювальний контур для аналітичного визначення параметрів системи, в тому числі досліджуваних мікромеханічних датчиків. Універсальність стенду забезпечується вирішенням зворотних задач – визначенням в процесі випробовувань статичних і динамічних характеристик електричного приводу та вимірювальних датчиків, які працюють на різних фізичних принципах. Передбачається, що малогабаритний лабораторний стенд, окрім вирішення практичних задач дослідження мікромеханічних датчиків, при розробці відповідного інформаційного інтерфейсу віртуального приладу, може ефективно застосовуватися в навчальному процесі при проведенні лабораторних робіт з відповідних дисциплін напряму приладобудування. Ключові слова: лабораторний стенд; обертова платформа; електричний привід; мікродвигуни постійного струму; датчики кутової швидкості; мікромеханічні датчики; гіроскопи; акселерометри. Вступ Розвиток стендового обладнання для дослідження статичних і динамічних характеристик гіроскопічних приладів і систем розпочинався з простих електромеханічних пристроїв з шарикопідшипниковими підвісами та приводним двигуном з редуктором. Підвіс платформи розташовувався в масивному корпусі стенду. Стабільність кутової швидкості обертової платформи забезпечувалась завдяки її значній інерційній масі. Такий спосіб, який вважається традиційним, застосовується і в сучасних прецизійних стендах з аеростатичним підвісом та безщітковими і безпідшипниковими двигунами, з ртутними струмознімачами та безконтактними датчиками [1]. Обертові платформи зі значною інерційною масою застосовуються в прецизійних стендах фірми Acutronic, типові характеристики яких, наприклад, одновісної обертової платформи серії AC1120S (рис. 1, а): статичні параметри – стабільність кутової швидкості 0,001% в діапазоні ± 3000°/с з дискретністю завдання швидкості 0,001°/с, похибка кутового позиціонування менше 15′′; динамічний параметр – максимальне прискорення 40°/с2 без навантаження на платфор- му; механічний параметр – биття менше 15′′; діаметр платформи AC1120S – 250 мм, навантаження – до 20 кг [2]. Стендам з обертовою платформою, побудованим за традиційною схемою, притаманні порівняно значні вага і розміри. В стендах нового покоління спосіб забезпечення високої точності і стабільності кутової швидкості обертової платформи базується на високоточній системі керування приводним двигуном за замкнутою схемою із застосуванням інерціальних датчиків [1]. За такою ж схемою побудовано, наприклад, високоточну систему ГС1Л (рис. 1, б) підприємства «Арсенал» (Київ), яка вимірює плоскі кути в динамічному режимі з граничною точністю 0,5′′ [3]. Подальший розвиток стендів з системами керування на основі інерціальних датчиків направлений на їх мініатюризацію та зниження енергоємності з забезпеченням стабільності й точності завдання кутової швидкості на рівні стендів, які побудовані за традиційною схемою [1]. У вітчизняних учбових лабораторіях використовуються одновісні обертові платформи – малогабаритні електромеханічні поворотні пристрої типу МПУ з розімкнутою схемою керування при- Вісник КПІ. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, Вип. 60(2), 2020. 5 ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Теорія та практика навігаційних приладів і систем відним двигуном та з редукторною схемою передачі. В МПУ-1, наприклад, обертання привідного валу синхронного гістерезисного двигуна Г-31А з числом обертів 3000 об/хв і крутним моментом 1,275 мН∙м передається на вал платформи через муфту, черв’ячний редуктор з передавальним відношенням 150:1 і фрикційний варіатор з передавальним відношенням від 0,8:1 до 4000:1. Таким чином, забезпечується діапазон кутових швидкостей платформи від 0,03°/с до 150°/с. Статичні похибки обертової платформи МПУ-1 зростають при зменшенні частоти обертів платформи: похибка завдання кутової швидкості ручним способом по лімбу від 2 % до 5 %; нестабільність завданої кутової швидкості від 1 % до 2 %; різниця між кутовими швидкостями при реверсі від 1 % до 1,5 %. При малих обертах платформи також зростає інтенсивність зношення елеме- нтів фрикційного варіатора МПУ, що є його особливістю. Завдання та визначення динамічних параметрів обертової платформи МПУ не передбачено та не забезпечено, що обмежує її функціональні можливості. Визначення кутових позицій обертової платформи МПУ можливе лише візуально за градусною шкалою. Будь-які вимірювальні пристрої в МПУ відсутні (окремі зразки мають в своїй комплектації лише механічний стрілочний секундомір). Отже, поширені лабораторні стенди навчальних лабораторій мають порівняно вузький діапазон кутових швидкостей, порівняно високі похибки та функціональні обмеження, не мають будь-якого цифрового чи аналогового інформаційного забезпечення. Розміри пристрою МПУ-1 – 405×275×290 мм, діаметр обертової платформи – 220 мм, навантаження – до 8 кг (рис. 1, в). Рис. 1. Обертові платформи: а) AC1120S фірми Acutronic (Швейцарія); б) ГС1-Л казенного підприємства «Арсенал» (Україна); в) МПУ-1 (СРСР) [1-3]. Мета роботи – розрахунок і практична реалізація універсального лабораторного стенду – компактного пристрою з одновісною обертовою платформою і відповідним механічним, електромеханічним та інформаційним (апаратно-програмним) забезпеченням для дослідження і визначення статичних і динамічних характеристик мікромеханічних датчиків, гіроскопів і акселерометрів, як датчиків кутової швидкості, порівняно невисокої точності і вартості. Запропонований лабораторний стенд розглядається як кіберфізична система, в якій обчислювальні компоненти відіграють вирішальну роль при визначені параметрів системи та досліджуваних мікромеханічних датчиків. Для цього, окрім фізичного контуру керування електричним приводом для забезпечення ст (...truncated)