Устройство для динамической балансировки роторов лучом лазера

 

Изобретение относится к балансировочной технике Цель изобретения - повышение точности и производительности за счет использования пассивного модулятора и блоков управления скорости, обеспечивающих два этапа коррекции Сигналы с датчиков 5 и 6,7 опорного сигнала и дисбаланса поступают на входы блока 8 измерений, преобразуются и поступают на входы блока 20 управления корректирующим лазером 4 и блоков . 13 и 35 управления скоростью. Блок 13 управления скоростью через блок 23 ключей связан с приводом балансируемого ротора, блок 35 управления скоростью через второй блок 36 ключей - с приводом 32 модулятора 30 6 ил. i С CiO 2 Фаг.1

Со(ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (11) (511 4 G 01 М 1/38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4225741/25-28 (22) 18. 04. 87 (46) 30.10.88. Бюл. М - 40 (7f) Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского (72) В.N.Суминов, П.Н.Баранов, В.И.Опарин, Ф.Ф.Горелочкин и С.Н.Абрамов (53) 620.1.05:53 1.382 (088.8) (5Ü) Суминов В.M., Баранов П.Н.

Разработка и исследование полуавтоматической лазерной балансировочной установки. Отчет НИР по теме Р 617, М.: МАТИ им.К.Э.Циолковского, 1979 с.62-66.

Авторское свидетельство СССР

11= .1226091, G 01 М 1/38, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ

БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА (57) Изобретение относится к балансировочной технике. Цель изобретения — повышение точности и производительности за счет использования пассивного модулятора и блоков управления скорости, обеспечивающих два этапа коррекции. Сигналы с датчиков 5 и 6,7 опорного сигнала и дисбаланса поступают на входы блока

8 измерений, преобразуются и поступают на входы блока 20 управления корректирующим лазером 4 и блоков . .f3 и 35 управления скоростью. Блок

13 управления скоростью через блок

23 ключей связан с приводом балансируемого ротора, блок 35 управления скоростью через второй блок 36 ключей — с приводом 32 модулятора 30.

1434301

Изобретение относится к технологии приборостроения и может быть ис. пользовано для балансировки роторов,,имеющих собственный привод, в част-.

) ности роторов, динамически настраиваемых гироскопов лучом лазера.

Целью изобретения является повышение точности и производительности балансировки, что достигается использованием в устройстве пассивного модулятора и модификацией структуры электронного блока устройства с целью обеспечения двух этапов коррекции.дисбалансов: на предваритель- 15 ном этапе нелинейного и линейного режимов автоматической балансировки за счет управления энергетической накачкой лазера и на окончательном

; этапе за счет пространственной моду- 2р

I ляции лазерных импульсов постоянной, энергии.

На фиг. 1-3 приведена структур ная схема устройства; на фиг.4 схема расположения прорези в диске; на фиг.5 и б — осциллограммы, харак, теризующие работу устройства по оси ! ! абсцисс отложено время t, по оси ординат — напряжение 0„, частота вращения t и энергия импульсов генера1

i ции W, n соответствует номеру блока на структурной схеме.

Устройство для динамической ба;лансировки лучом лазера содержит

; основание 1, закрепленный на нем подвес 2, предназначенный для уста-: новки ротора с приводом, расположен: ные соосно фокусирующий объектив 3 и корректирующий лазер 4, датчик 5 ,:опорного сигнала и датчики 6 и 7 дис- 4р баланса, связанный с датчиками 5-7 блок 8 измерений, последовательно соединенные амплитудный детектор 9, пороговый элемент 10 элемент 2И 11, соединенный R-входом триггер 12 ре- 45 жима, и блок 13 управления скоростью, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 опорного сигнала, триггер 14 запрета, обратный выход которого связан с вторым входом эле- 5< мента 2И 11, последовательно соединенные второй пороговой элемент 15, вход которого связан с выходом блока

8 измерений и входом амплитудного детектора 9, блок 16 формирования строба фазы дисбаланса, элемент И 17, второй и третий. входы которого соединены соответственно с выходом триггера 12 режима и обратным выходом триггера 14 запрета, ждущий мультивибратор 18 и второй триггер 19 запрета, выход которого связан с четвертым входом элемента И 17, блок 20 управления лазером, вход которого связан с выходом ждущего мультивибратора 18, а выход — с входом лазера

4, блок 21 включения и сброса, выход которого связан с S-входами триггера

12 режима и первого триггера 14 запрета, источник 22 переменного тока, связанный с ним сигнальными входами блок 23 ключей, выходы которого предназначейы для соединения с входами привода ротора, а управляющий вход » с выходом блока 13 управления скоростью, последовательно соединенные кварцевый генератор 24, делитель 25 частоты, второй выход которого соединен с вторым входом блока

16 формирования строба фазы дисба- ланса, а третий — с третьим входом блока 13 управления .скоростью, и второй ждущий мультивибратор 26, выход которого подключен к второму входу второго триггера 19 запрета, последовательно соединенные второй элемент 2И 27, входы которого связаны с выходами триггера 12 режима и первого триггера 14 запрета, третий ждущий мультивибратор 28, второй вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, и систему 29 удаления продуктов эрозии, второй вход которой связан с выходом второго элемента 2И 27 и вторым входом второго ждущего мультивибратора 26, пассивный модулятор 30, выполненный в виде диска 31 с приводом 32 и с кольцевой прорезью 33, пересекающей ось корректирующего лазера 4 и имеющей ось вращения,„ параллельную оси последнего, датчик

34 положения конца прорези 33, пос-. ледовательно соединенные. второй блок

35 управления скоростью, первый вход которого связан с выходом триггера 12 режима, второй — с датчиком 34 положения конца прорези, а третий — с четвертым выходом делителя 25 частоты, и второй блок 36 ключей, сигнальные входы которого связаны с источником 22 переменного тока, а выходы — с приводом 32 модулятора 30, третий элемент 2И 37, входы которого связаны с выходами блоков 13 и 35 управления скоростью, а выход — с

К-входом триггера 14 запрета, пос3.

14343 ледовательно соединенные четвертый ждущий мультивибратор 38, вход ко.торого связан с выходом датчика 34 положения конца прорези, управляемый фазовращатель 39 и цифровой ключ

40, второй сигнальный вход которого соединен с выходом четвертого ждущего мультивибратора 38, а выход - с пятым входом элемента И 17, связанные входами с выходом амплитудного детектора 9 второй пороговой элемент

41 и инвертирующий усилитель 42, выход которого подключен к управляющему входу управляемого фазовращателя

39, и последовательно соединенные источник 43 опорного напряжения и аналоговый ключ 44 второй сигнальный вход которого связан с выходом амплитудного детектора 9, выход - с 20 вторым входом блока 20 управления лазером, управляющий вход — с управляющим входом цифрового ключа 40 и с выходом второго порогового элемента 41, выход стробирования которого 25 соединен с выходом второго элемента

2И 27.

Система 29 удаления продуктов эрозии выполнена в виде последовательно соединенных электропневмоклапана 45, 30 предназначенного для соединения с пневмомагистралью 46 высокого давления, камеры 47 с отверстиями 48, расположенными соосно закрепленному на камере 47 фокусирующему объективу 3 и перпендикулярно оси камеры

47, насоса 49, предназначенного для удаления продуктов эрозии, и блока 50 управления, выход которого соединен с входом насоса й9. — 40

Блоки 13 и 35 управления. скоростью (фиг.2) выполнены каждый в виде двух дополнительных делителей 51 и 52 (53 и 54) частоты, вход первого из которых связан с третьим (четвертым) 45 . выходом делителя 25 частоты и представляет собой третий выход блока

13 (35) управления скоростью, элемента ЗИ-2ИЛИ 55 (56), первый вход которого представляет собой второй вход блока 13 (35) управления скоростью, второй и пятый входы соединены с первым выходом первого дополнительного делителя 51 (53) частоты, а третий, четвертый и шестой соот55 ветственно — с первым и вторым выходами второго дополнительного (четвер.того) делителя 52 (54) частоты и третьим (четвертым) выходом делите- .

01

4 ля 25 частоты, счетчика 57 (58), С-вход которого соединен с выходом элемента ЗИ-2ИЛИ 55 (56) блока 59 . (60) сравнения кодов, двух регистров 61 и 62 (63 и 64), С-входы которых соединены с выходом счетчика

57 (58), а выходы соответственно с первым и вторым входами блока 59 (60) сравнения кодов, распределителя

65 (Ь6) импульсов, второй и третий входы которого соединены между собой и с вторым выходом дополнительного

@делителя 51 (52) частоты, первый и.- четвертый соответственно — с вторым и первым выходами второго дополнительного делителя 52 (54) частоты, а первый и второй выходы соответственно — с V-входами регистров 61 и

62 (63 и 64) дополнительного элемента 2И 67 (68), выход которого представляет собой выход, а первый входпервый вход блока 13 (35) управле-. ния скоростью, а второй вход соединен с выходом блока 59 (60) сравнения кодов, и трех последовательно соединенных ждущих мультивибраторов

69 — 71 (72-74), вход и выход первого из которых соединен соответственно с первым выходом дополнительного делителя 51 (52) частоты и пятым входом распределителя 65 (66) импульсов, а выход третьего - с Rвходом счетчика 57 (58).

Управляемый фазовращатель 39 (фиг.3) может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных генератора 75 пилообразного ,напряжения, компаратора 76, управ .ляющий вход которого представляет собой управляющий вход фазовращателя 39 и ждущего мультивибратора 77.

Устройство работает следующим образом.

Балансируемый ротор устанавливается на подвес 2 и подключается при" .водом к блоку 23 ключей. Импульс с выхода блока 21 включения и сброса задним фронтом устанавливает триггеpb) Режима 12 и запрета 14 в состояние логической "1". Триггер 14 запрета удерживает от срабатывания элемент И 17 и триггер 12 режима от срабатывания до.разгона ротора и диска 31 модулятора 30 до частоты балансирования. Частота f вращения диска 31 выбирается не кратной частоте f вращения ротора. Обычно

f,=0,25-0>3fa ° При .этом ширина коль5

1ь 2 iR - ° Е +Р, 1о 2 Re p <.е °

5 f4 цевой прорези 33 должна превысить диаметр П„лазерного луча (h =

1,1...1,2 Dg) а длина определяется по формуле где R - средний радиус расположения кольцевой прорези; максимальная длительность лазерного импульса;

П„ - диаметр лазерного луча, проходящего через прорезь.

В частности, для 6„— 2 мс R ер

4 см, fö 50Гц, D 1,0 см

1 Ь 2 3,14 4 .2 -10 ç . 50+1= 8ь5 см. !

Сигнал логической "1" с выхода триггера 12 режима включает через элементы 2И 67 и 68 блоки 23 и 36 ключей, через которые на приводы ротора и диска 31 с выходов источника 22 переменного тока начинает поступать переменный ток рабочей частоты. Ротор и диск 31;начинают разгоняться. При выходе их на рабочие обороты сигналы первых выходов с блоков 13 и 35 управления скоростью срабатывают через элемент

2И 37 в начальное положение триггер

14 запрета, сигнал с обратного выхода которого разрешает срабатывание элемента И 17 и через элемент

2И 11 подготавливает возврат триггера 12 режима по R-входу, если дисбаланс ротора в плоскости коррекции не превышает по величине гголя допуска. Если это не так, то будет осуществлен цикл коррекции дисбаланса. Одновременно через элемент 2И 27 и блок 50 управления насосом включается насос 49, второй порого . вый элемент 41, начинается цикл коррекции дисбаланса. Дисбаланс ротора в плоскостях коррекции воспринимается датчиками 5-7 и преобразу ется известным образом блоком 8 измерений в два синусоидальных напряжения, первое из которых характеризует величину и угол дисбаланса в одной, а второе — в другой плоскости коррекции.

Напряжение, характеризующее дисбаланс в требуемой плоскости коррек-. ции, воспринимается пороговым элементом 15, Формирующим прямоугольные импульсы, начальная фаза кото-.

34301 6 рых несет информацию об угле дисба- ланса. После сдвига на определенный угол блоком 16 формирования строба фазы дисбаланса эти импульсы соответствуют положению "тяжелого места" ротора в фокусе объектива 3 лазера 4.

Одновременно импульсы с выхода датчика 34 положения конца прорези после задержки на величину с муль- тивибратором 38 поступают непосредственно нли через управляемый фазовращатель 39 и переключающий цифровой ключ 40 на пятый вход элемента

И 17. Это неебходнмо для компенсации времени задержки от момента подачи запускающего лазер 4 импулвса до возникновения генерации (о ) и

6 эквивалентного доворота прорези на величину (фиг.4):

Положение цифрового ключа 40 характеризуется состоянием второго порогового элемента 41, настроенного на величину напряжения срабатывания ц, а 0,1-0,,2 1)о, где U — напряжение обеспечивающее накачку лазера 4 с величиной, максимальной для данного типа лазера, энергии. Если величина напряжения О, с 0,2 U то срабатывают ключи 40 и 44 и подключают дополнительный управляемьп фазовращатель 39, обеспечивающий сдвиг указанных импульсов на величину c > с, <,, что позволяет управлять отсечкой части лазерных импульсов с помощью диска 31 модулятора (фиг.4), и источник 43 опорного напряжения с величиной U = 0,3 U, на вход блока 20 управления лазером. Это позволяет обеспечить стабильную величину энергии лазерных импульсов с энергией

M =0,3 M где И - максимальная величина энергии лазерных импульсов.

Пусть величина дисбаланса обеспе» чивает напряжение на выходе амплитудного детектора 9 U< о 0,2 U тогда его коррекция протекает следующим образом. С выхода делителя 25 поступают импульсы с периодом следования импульсов лазера 4 конкретного типа (например, для установки "Квант.-fÀ 0 f Гц " вант 17 fè

10 Гц и т.д.). Эти импульсы своим передним фронтом запускают после поступления сигнала с элемента 2И 27

1434301 первый 26 и второй 28 ждущие мультивибраторы.

Мультивибратор 28 формирует импульс длительностью 7:, равной времени включения сжатого газа защиты от продуктов эрозии (обычно =0,52 с), а второй мультивибратор 26— короткий импульс = 0,1 с, создающий временную задержку, необходимую для срабатывания электропневмоклапана 45 и подачи сжатого газа из магистрали 46, и включающий задним фронтом второй триггер 19 запрета, единичный сигнал на выходе которого, разрешает прохождение импульса строба "тяжелого места" через элемент

И 17. При совпадении во времени строба "тяжелого места" и строба, характеризующего положение прорези, соответствующее сдвигу ее относительно луча на фазовый угол ср учитывающий задержку срабатывания лазера 4 от момента подачи запускающего импульса), на выходе элемента

И 17 образуется импульс, который калибруется по длительности ждущим мультивибратором 18 (<=0,05 мкс) и определяется конструкцией блока 20 управления. Он срабатывает в исходное состояние второй триггер 19 запрета, запрещающий прохождение импулЬсов строба "тяжелого места" на время периода Т„, так как с помощью амплитудного детектора 9 выделяется постоянное напряжение, пропорциональное дисбалансу. Зто напряжение управляет через аналоговый ключ 44 и блок 20 управления энергией импульсов лазера 4 (в качестве блока управления может быть использована система управления CYM-4 лазера типа

"Квант" ), а также является опорным для пороговых элементов 10 и 41, настроенных на амплитуду сбрасывания, пропорциональную остаточному дисбалансу. Стробы тяжеЛого места" ротора с выхода блока 16 формирова- . ния строба фазы "тяжелого места" и датчика 34 (при условии включения триггера режима 12 и запрета 19 и выключения триггера 14 запрета) инит циируют запуск корректирующего лазера 4 через блок 20 управления.

Лазерный импульс производит коррекцию неуравновешенности массы и на поверхности ротора возникает след .от воздействия.

Продукты эрозии, возникающие при действии луча лазера с материалом ротора, интенсивно всасываются под воздействием сжатого газа, поступающего из пневмомагистрали 46 внутрь камеры 47 через отверстие 48, и отсасываются насосом 49, удаляясь из зоны ротора, что исключает образование облоя на его поверхности. При достижении величиной дисбаланса значе1п ния срабатывания второго порогового элемента 41 последний сработает и подключит посредством ключей 40 и 4Ф управляемый фазовращатель 39 на вход элемента И 17 и источник 43 опорного

15 напряжения на вход блока 20 управле-. ния лазером. В результате цикл коррекции будет протекать уже импульсами лазера 4 энергией M, = const, а их управление пропорционально величине дисбаланса будет осуществлятвся за счет отсечки хвостового их участка диском 31 модулятора 30. С этой целью сигнал на выходе дополнительно сдвигается управляемым фазовращате25 лем 39 на величину ;, обеспечивающую проворот прорези до начала генерации, а следовательно, отсечку хвостового участка импульса (фиг.4).

Величина задержки с,; регулируется

3Q управляемым фазовращателем обратно пропорционально величине дисбаланса сигналом с усилителя 42. В этом режиме процесс автоматически повторяется до достижения дисбалансом поля допуска из зоны на поверхности ротора, после чего пороговый элемент 10 отключает триггер 12 режима, прекращается подача питающего напряжения на приводы ротора модулято4 ра 30 и отключается насос 49 ° Ротор и модулятор 30 останавливаются, ротор поворачивают. и балансируют в другой плоскости.

Процессы подстройки частоты вра45 щения Ротора и диска 31 модулятора

30 при балансировке протекают следующим образом.

При работе блока 13 (35)последовательность импульсов стабильной

50 частоты с выхода кварцевого генератора 24 делится делителями 25,51 и

52 (25, 53 и 54) частоты соответственно первым до частоты опорного сигнала f и частоты fp(f„) балан55 сировки вторым — до частоты f =

0,05 Гц и третььщ - до частоты f =.

0,25 Гц. Указанные напряжения и им пульсы с выхода датчика 5 (34) опорного сигнала ротора (модулятора) 1434301 коммутируются элементом ЗИ-2KIH 55 (56) в последовательность пачек импульсов длительностью каждая с, =1 с, частотой следования f, содержащих четные импульсы частотой заполнения

f (f ) а нечетйые — частотой эар> ®э полнения f (f„), которые несут рэ информацию о текущем Е „.(К„, ) и за. данном fр tf з) значениЯх частоты 1п вращения. Эти импульсы записываются с счетчиком 58 <59), предварительно сбрасываемым в нулевое положение импульсами частоты f с выхода ждущего мультивибратора 71(74). Параллельные коды, соответствующие заданfp (м ) и текущей f pT(f r): частотам вращения, последовательно за.писываются регистрами 61 и 62 (63 и

64) выходов распределителя 65 (66) 2О импульсов, причем последний выдает импулься (частотой f<), сдвинутые друг относительно друга на половину периода. Это необходимо для того, чтобы записывать в регистре 61 (63) код, соответствующий заданной частоте вращения, а в регистре 62 (64)— текущей частоте вращения. Коды выходов регистров Ь1 и 62 (63 и 64) сравниваются блоком 59 (60) срав- ЗО нения кодов так, что сигнал на его выходе равен логической "1" при

f> > f, и логическому чО", если наоборот. Этот сигнал через третий элемент 2И 67 (68) и блок 23 (36) ключей управляет скоростью вращения ротора (модулятора), а также первым перепадом отключает триггер 14 запретаа.

Формула изобретения

Устройство для динамической балансировки роторон лучом лазера, содержащее основание, закрепленный 45 на нем подвес, предназначенный для - установки ротора с приводом, расположенные соосно фокусирующий объектив и корректирующий лазер, датчик опорного сигнала, датчики дисбаланса, 50 связанный с датчиками блок измерений, последовательно соединенные амплитудный детектор, пороговый элемент, элемент 2И„ соединенный К-входом триггер Режима, и блок управления скоростью, второй вход которого соединен с выходом датчика опорного сигнала, триггер запрета, обратный выход которого связан с вторым входом элемента 2И, последовательно соединенные второй пороговый элемент, вход которого связан с выходом блока измерений и входом амплитудного детектора, блок формирования строба фазы дисбаланса, элемент И, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом триггера режима и обратным выходом триггера запрета, ждущий мультивибратор и второй триггер запрета, выход которого связан с четвертым входом элемента И, блок управления лазером, вход которого связан с выходом ждущего мультивибратора, а выход — с входом лазера, блок включения и сброса, выход которого связан с S-входами триггера режима и первого триггера запрета, источник переменного тока, связанный с ним сигнальными входами блок ключей, выходы которого предназначены для соединения с входами привода ротора, а управляющий вход — с выходом блока управления скоростью, последовательно соединенные кварцевый генератор, -делитель частоты, второй выход которого соединен с вторым входом блока формирования строба фазы дисбаланса, а третий — с третьим входом блока управления скоростью, и второй жд чций мультивибратор, выход которого подключен к второму входу второго триггера запрета,и последовательно соединенные второй элемент 2И, входы которого связаны с выходами триггера режима и первого триггера запрета, третий ждущий мультивибратор, второй вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, и систему удаления продуктов эрозии, второй вход которой связан с выходом второго элемента

2И и вторым входом второго ждущего мультивибратора, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности и производительности балансировки, оно снабжено пассивным мос дулятором, выполненным в виде диска с приводом и с кольцевой прорезью, пересекающей ось корректирующего лазера и имеющего ось вращения, параллельную оси последнего, датчиком положения конца прорези, последовательно соединенными вторым блоком управления скоростью, первый вход которого связан с выходом триггера режима, второй — с датчиком положе1434301

12 ния конца прорези, а третий — с четвертым выходом делителя частоты, и вторым блоком ключей, сигнальные входы которого связаны с источником переменного тока, а выходы — с приводом модулятора, третьим элементом

2Н входы которого связаны с выходамн блоков управления скоростью, а выход - с К-выходом триггера запрета, последовательно соединенными четвертым ждущим мультивибратором, вход которого связан с выходом датчика положения конца прорези, управляемым фазовращателем, и цифровым ключом, второй сигнальный вход которого соединен с выходом четвертого ждущего мулвтивибратора, а выход—.с пятым входом элемента И, связанными входами с выходом амплитудного детектора вторым пороговым элементом и инвертирующнм усилителем, выход которого подключен к управляюа1ему входу управляемого фазовращате- ля, и последовательно соединенныии источником опорного напряжения и

1р аналоговым ключом Второй cMFHBJIb ный вход которого связан с выходом амплитудного детектора, выход - с вторым входом блока управления лазером, управляющий вход — с управляющим входом цифрового ключа и с выходом второго порогового элемента, вы ход стробирования которого соединен с выходом второго элемента 2И.

1434301

1434301

Составитель Ю. Круглов

Редактор Е.Копча exÐ åÀ М Хода н ич

Корректор И.Муска

Заказ 5547/44 Тираж 847 Подпис но е

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4