RU2087876C1

RU2087876C1 - Gear measuring vibrotranslations

Info

Publication number: RU2087876C1
Application number: RU94015796A
Authority: RU
Inventors: В.П. Наумов
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1997-08-20

Abstract

FIELD: instrumentation, specifically, vibration measuring equipment, measurement of vibrotranslations both in vibrocalibrating equipment and in test of structures and parts for monoharmonic vibration in mechanical engineering and aircraft making. SUBSTANCE: converter of gear is manufactured in the form of stand 2 with light-tight shutter 6 which is mounted on mobile part of vibration test bed 4. Pickup has case 10, measuring rod 8 to which end cantilever with slot 9 and photosensors 11 on its surfaces is attached, rack mechanism 6 used to convert angular movement of axle of stepping motor 19 to linear translation of measurement rod. Case of pickup is installed on immobile part of vibration test bed. Converter and pickup are so arranged with reference to each other that light-tight shutter may move freely in slot of cantilever between light-emitting diodes and photodiodes of photosensors shutting off luminous flux. Microcomputer 16 receiving signals through threshold element 15, integrator 14 and OR gate 13 from formers of signals of photosensors 12 is used to control operation of stepping motor and to count number of steps of rotation of its shaft via code-to-pulse converter 17 and power supply unit 18. EFFECT: enhanced reliability and accuracy of measurements. 4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к виброизмерительной технике, и может быть использовано для измерения виброперемещений как в виброкалибровочных устройствах, так и при испытаниях конструкций и деталей на моногармоническую вибрацию в машиностроении и самолетостроении. The invention relates to measuring and control equipment, in particular to vibration measuring equipment, and can be used to measure vibration displacements both in vibro-calibration devices and when testing structures and parts for monoharmonic vibration in mechanical engineering and aircraft construction.

Известен "Датчик вибраций" (а.с. N 265489, кл. G 01H 11/02) для измерения низкочастотных колебаний, содержащий корпус, установленный в нем с возможностью осевого перемещения измерительный стержень из парамагнитного материала и датчик. Существенным недостатком такого устройства является возможность измерения вибраций только в области низких частот. The well-known "Vibration sensor" (a.s. N 265489, class G 01H 11/02) for measuring low-frequency vibrations, comprising a housing mounted with axial movement and a measuring rod of paramagnetic material and a sensor. A significant drawback of such a device is the ability to measure vibrations only in the low-frequency region.

Известно также устройство, содержащее датчик в виде пластин с делениями, закрепляемый на подвижной части вибратора, и преобразователь в виде отсчетного микроскопа, устанавливаемого на неподвижную часть вибростенда (Стационарное виброкалибровочное устройство СОВКУ-68. Техническое описание и инструкция по эксплуатации). В процессе калибровки вибродатчика или проведения виброиспытаний с помощью микрометрической шкалы визуально определяется размах виброперемещения какого-либо деления пластинки. Недостатками такого устройства являются низкая точность измерения больших виброперемещений ( до 10 мм размаха), ограниченная возможностями визуального процесса через объектив микроскопа и сравнения его со шкалой, большая трудоемкость измерений, возможность появления субъективных ошибок. A device is also known that contains a sensor in the form of plates with divisions, mounted on the movable part of the vibrator, and a transducer in the form of a reading microscope mounted on the fixed part of the vibrostand (SOVKU-68 Stationary Vibration Calibration Device. Technical description and instruction manual). In the process of calibrating a vibration sensor or conducting vibration tests using a micrometer scale, the magnitude of the vibration displacement of any division of the plate is visually determined. The disadvantages of this device are the low accuracy of measuring large vibration displacements (up to 10 mm in magnitude), limited by the capabilities of the visual process through the microscope lens and comparing it with the scale, the high complexity of measurements, the possibility of subjective errors.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является "Устройство для измерения виброперемещений" (авт.св. N 1809295, кл. G 01H 11/02, G 01B 7/28, 1993 г.), содержащее преобразователь в виде токопроводящей скобы, установленной на испытываемом объекте, датчик в виде размещенных в корпусе измерительного стержня и зубчато-реечного механизма, электронную схему контроля и управления, шаговый двигатель, вал которого жестко соединен с входной осью зубчато-реечного механизма. Недостатками такого устройства являются низкая надежность, связанная с возможностью повреждения зубчато-реечного механизма из-за случайного жесткого касания измерительного стержня со скобой, увеличение погрешности измерений при подгорании точек контакта. Closest to the technical nature of the invention is a "Device for measuring vibration displacements" (ed. St. N 1809295, class G 01H 11/02, G 01B 7/28, 1993), containing the Converter in the form of a conductive bracket mounted on the test object, a sensor in the form of a measuring rod and a gear-rack mechanism located in the housing, an electronic control and control circuit, a stepper motor, the shaft of which is rigidly connected to the input axis of the gear-rack mechanism. The disadvantages of this device are the low reliability associated with the possibility of damage to the rack-and-pinion mechanism due to accidental hard contact of the measuring rod with the bracket, and an increase in the measurement error during burning of the contact points.

Технический результат изобретения повышение надежности и точности измерений. The technical result of the invention to increase the reliability and accuracy of measurements.

Для этого устройство для измерения виброперемещений, содержащее вибростенд с установленными на его подвижной части преобразователем и на неподвижной части датчиком с измерительным стержнем, связанным с зубчато-реечным механизмом, шаговый двигатель, соединенный с последним, формирователь, соединенные последовательно интегратор, пороговый элемент, микроЭВМ, кодово-импульсный преобразователь и блок питания, подключенный к шаговому двигателю, снабжено вторым формирователем, элементом ИЛИ, преобразователь выполнен в виде штатива со светонепроницаемой шторкой, к торцу измерительного стержня датчика прикреплена параллельно подвижной части вибростенда консоль с прорезью и размещенными на ее поверхностях парами фотодатчиков, выходы которых соединены с формирователями, выполненными в виде формирователей сигналов фотодатчиков и соединенными с соответствующими входами элемента ИЛИ, преобразователь и датчик установлены с возможностью перемещения шторки в прорези консоли. To this end, a device for measuring vibratory displacements, comprising a vibrostand with a transducer mounted on its moving part and a fixed part with a measuring rod connected to a rack-and-pinion mechanism, a stepper motor connected to the latter, a shaper connected in series with an integrator, a threshold element, a microcomputer, pulse-code converter and power supply connected to a stepper motor, equipped with a second driver, OR element, the converter is made in the form of a tripod with light an impermeable shutter, a console is attached to the end of the measuring rod of the sensor parallel to the movable part of the vibrating stand with a slot and pairs of photosensors located on its surfaces, the outputs of which are connected to the shapers made in the form of signal shapers of the photosensors and connected to the corresponding inputs of the OR element, the converter and the sensor are installed with the possibility moving the curtains in the slots of the console.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2-4 - алгоритм работы устройства. Figure 1 presents a diagram of the proposed device; in FIG. 2-4 - the algorithm of the device.

Устройство содержит светонепроницаемую шторку 1, закрепленную на штативе 2, который установлен на подвижной части вибростенда 4, зубчато-реечный механизм 6, заключенный в корпус 10, преобразующий угловые перемещения входной оси 6 в линейные перемещения измерительного стержня 8, к торцу последнего прикреплена консоль с прорезью 9 с размещенными на ее поверхности двумя фотодатчиками 11. Шторка 1 имеет возможность проходить в прорезь консоли 9 между светодиодами и фотодиодами фотодатчиков 11, перекрывая тем самым световой поток. Кроме того, в устройство входят формирователь импульсов фотодатчиков 12, входы которых соединены с выходом фотодатчиков 11, элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам формирователей импульсов 12, интегратор 14, вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ 13, пороговый элемент 15, вход которого соединен с выходом интегратора 14, микроЭВМ 16, на шину ввода которой подключен выход порогового элемента 15, кодово-импульсный преобразователь 17, вход которого соединен с шиной вывода микроЭВМ 16, блок питания 17, вход которого подключен к выходу кодово-импульсного преобразователя 17, шаговый двигатель 19, вход которого соединен с выходом блока питания 18, а вал двигателя жестко соединен с входной осью 7 зубчато-реечного механизма 6. The device comprises a lightproof shutter 1, mounted on a tripod 2, which is mounted on the movable part of the vibration stand 4, a rack-and-pinion mechanism 6, enclosed in a housing 10, converting the angular displacements of the input axis 6 into linear displacements of the measuring rod 8, a console with a slot is attached to the end of the latter 9 with two photosensors located on its surface 11. The shutter 1 has the ability to pass into the slot of the console 9 between the LEDs and the photodiodes of the photosensors 11, thereby blocking the light flux. In addition, the device includes a pulse shaper of photosensors 12, the inputs of which are connected to the output of the photosensors 11, an OR element, the inputs of which are connected to the outputs of the pulse shapers 12, an integrator 14, the input of which is connected to the output of the OR element 13, a threshold element 15, the input of which is connected with the output of the integrator 14, microcomputer 16, on the input bus of which the output of the threshold element 15 is connected, a pulse-code converter 17, the input of which is connected to the output bus of the microcomputer 16, a power supply 17, the input of which is connected to the output of codes 17 is a pulsed drive, stepper motor 19, whose input is connected to the output power supply 18 and the motor shaft is rigidly connected to the input shaft 7 rack and pinion mechanism 6.

На фиг. 2-4 изображен алгоритм работы устройства (сплошными линиями показан алгоритм работы при выключенном стенде, а пунктирными линиями - дополнительные блоки при работе с включенным стендом. Обозначения и названия записей блок-схемы алгоритма приведены в таблице). In FIG. Figure 2-4 shows the operation algorithm of the device (solid lines show the operating algorithm when the stand is off, and dashed lines show additional blocks when working with the stand turned on. The designations and names of records in the flowchart of the algorithm are shown in the table).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Перед началом испытаний производится измерение разности двух величин: ширины шторки L' и расстояния между фотодатчиками L (фиг.1,б). Измерение производится в автоматическом режиме при неработающем стенде. В процессе измерения микроЭВМ 16 вырабатывает кодовые сигналы определенной тактовой последовательности, которые преобразуются кодово-импульсным преобразователем 17 в управляющие импульсы, воздействующие на токовые ключи блока питания 18. Количество токовых ключей равно числу обмоток шагового двигателя 19. Количество разрядов кодовой посылки также соответствует этому числу. Before the test starts, the difference between two values is measured: the width of the curtain L 'and the distance between the photosensors L (Fig. 1, b). Measurement is carried out automatically with a stand inactive. During the measurement process, the microcomputer 16 generates code signals of a certain clock sequence, which are converted by a pulse-code converter 17 into control pulses acting on the current switches of the power supply 18. The number of current keys is equal to the number of windings of the stepper motor 19. The number of bits of the code packet also corresponds to this number.

В соответствии со значением кодовой посылки одного такта открываются соответствующие кодовые ключи и по обмоткам шагового двигателя, включенным последовательно с токовыми ключами и источником питания, начинает перетекать ток. При этом вал двигателя поворачивается на один угловой шаг. При следующем такте кодовой посылки вал двигателя поворачивается еще на один угловой шаг и т.д. Скорость и направление дискретного углового перемещения вала шагового двигателя зависит от значения кода посылки, частоты тактовой последовательности посылок, определяемой программой микроЭВМ. Вместе с валом двигателя дискретно поворачивается и жестко связанная с ним входная ось 7 зубчато-реечного механизма 6. Зубчато-реечный механизм преобразует угловое перемещение входной оси в линейное перемещение измерительного стержня 8. Допустим, от микроЭВМ задана последовательность кодовых сигналов, соответствующая перемещению измерительного стержня 8 вниз. В момент прохождения нижней кромки шторки нижним фотодатчиком 11 появляются сигнал на выходе соответствующего формирователя 12. Электрический сигнал, пройдя элемент ИЛИ 13, интегратор 14 и пороговый элемент 15, будет принят микроЭВМ 16, которая прекратит выдавать кодовые сигналы первоначального значения и начнет вырабатывать кодовые сигналы, соответствующие перемещению измерительного стержня 8 вверх. При этом программно начнется счет шагов углового перемещения вала шагового двигателя и соответственно шагов линейного перемещения измерительного стержня 8. В момент прохождения верхней кромки шторки 1 верхним фотодатчиком 11 сработает схема верхнего формирователя 12, микроЭВМ прекратит счет шагов перемещения и выдаст на вход кодово-импульсного преобразователя 17 кодовую последовательность на перемещение измерительного стержня в среднее положение фотодатчиков между кромками шторки. In accordance with the value of the code sending of one cycle, the corresponding code keys are opened and the current starts flowing through the windings of the stepper motor connected in series with the current keys and the power source. In this case, the motor shaft rotates by one angular step. At the next cycle of the code transmission, the motor shaft rotates one more angular step, etc. The speed and direction of the discrete angular movement of the stepper motor shaft depends on the value of the parcel code, the frequency of the clock sequence of the parcels determined by the microcomputer program. Together with the motor shaft, the input axis 7 of the rack-and-pinion mechanism 6, rigidly connected with it, rotates discretely. The rack-and-pinion mechanism converts the angular movement of the input axis to the linear movement of the measuring rod 8. Suppose that a sequence of code signals corresponding to the movement of the measuring rod 8 is specified from the microcomputer down. At the moment of passage of the lower edge of the shutter by the lower photosensor 11, a signal appears at the output of the corresponding driver 12. An electric signal, having passed the OR 13 element, integrator 14 and threshold element 15, will be received by the microcomputer 16, which will stop issuing code signals of the original value and begin to generate code signals, corresponding to the movement of the measuring rod 8 up. In this case, the program will begin the calculation of the steps of the angular movement of the shaft of the stepper motor and, accordingly, the steps of the linear movement of the measuring rod 8. At the moment of passage of the upper edge of the shutter 1 by the upper photosensor 11, the circuit of the upper driver 12 will work, the microcomputer will stop the calculation of the steps of the movement and give the pulse-code converter 17 code sequence for moving the measuring rod to the middle position of the photosensors between the edges of the curtain.

Подсчитанное количество шагов линейного перемещения измерительного стержня будет соответствовать искомой разности. Указанную операцию проводят несколько раз с целью статистической обработки получаемых результатов. После включения вибростенда также производится измерение вышеуказанной разности в аналогичном порядке, но с учетом того, что размер светонепроницаемого пространства между двумя движущимися кромками шторки L" будет меньше первоначального на размах виброперемещения 2A=L'-L"(фиг.1 б, в). При этом формирователи 12 при каждом приближении фотодатчиков к кромкам шторки будут выдавать периодическую последовательность импульсов с частотой, равной частоте вибропроцесса, и длительностью, зависящей от степени приближения фотодатчика к кромке шторки. Пройдя элемент ИЛИ 13 и попав в интегратор 14, последовательность импульсов будет преобразована в сигнал постоянного уровня, который сравнивается в пороговом элементе 15 с заранее определенным значением. При равенстве измеренного уровня интегрированных импульсов и эталонного значения на выходе порогового элемента появится сигнал, воспринимаемый микроЭВМ как команда на остановку шагового двигателя или перемещение его вала в противоположном направлении. Разность отсчетов в двух случаях измерения (при включенном вибростенде) определит величину искомого размаха виброперемещения
L'- L (L''- L) L'- L''=2A.The calculated number of steps of linear movement of the measuring rod will correspond to the desired difference. The specified operation is carried out several times with the aim of statistical processing of the results. After turning on the vibration stand, the above difference is also measured in a similar order, but taking into account the fact that the size of the opaque space between the two moving edges of the curtain L "will be smaller than the initial vibrational displacement 2A = L'-L" (Fig. 1 b, c). In this case, the shapers 12 at each approximation of the photosensors to the edges of the curtain will produce a periodic sequence of pulses with a frequency equal to the frequency of the vibration process and a duration depending on the degree of proximity of the photosensor to the edge of the curtain. After going through the OR element 13 and falling into the integrator 14, the pulse train will be converted into a constant level signal, which is compared in the threshold element 15 with a predetermined value. If the measured level of integrated pulses is equal to the reference value, a signal appears on the output of the threshold element, which the microcomputer interprets as a command to stop the stepper motor or move its shaft in the opposite direction. The difference in readings in two measurement cases (with the vibrostand turned on) will determine the magnitude of the desired range of vibration displacement
L'- L (L``-L) L'- L '' = 2A.

Использование одного фотодатчика для измерения непосредственно размаха виброперемещения путем фиксации границ перемещения какой-либо одной движущейся кромки шторки возможно, но с увеличением погрешности измерений за счет гистерезисных явлений в фотодатчике при переходе им границ "тень-свет" и "свет-тень". The use of one photosensor to directly measure the magnitude of the vibration displacement by fixing the boundaries of movement of any one moving edge of the curtain is possible, but with an increase in the measurement error due to hysteresis phenomena in the photosensor when it crosses the shadow-light and light-shadow boundaries.

Устройство для измерения виброперемещений выполнено на фотодатчиках, основными элементами которых являются светодиоды АЛ107 и фотодиоды ФДК. Формирователи импульсов фотодатчиков выполнены по схемам, приведенным в статье О. Онищенко "Точный фотодатчик" ("В помощь радиолюбителю", вып.107, 1990 г. с. 21). Ширина шторки выбрана из условия L'-L=2A_maх, где 2A_maх- max измеряемый размах виброперемещения. В качестве зубчато-реечного механизма применен индикатор часового типа ИЧ-10 с измерительным диапазоном 0-10 мм и ценой деления шкалы 0,01 мм. В устройстве использован шаговый двигатель типа ШД-300/300-А, вал которого жестко связан с осью часового индикатора. Угловой шаг вала 3, следовательно, один полный оборот вал совершает за 120 шагов. Стрелка часового индикатора за 1 полный оборот проходит 100 делений шкалы, что соответствует 1 мм перемещения измерительного стержня. Исходя из вышеуказанного следует, что за 1 шаг углового перемещения вала измерительный стержень перемещается на величину 0,008333 мм. Эту величину можно принять за цену деления предлагаемого устройства. При этом размах измеряемых виброперемещений может быть до 10 мм. При использовании специально изготовленного зубчато-реечного механизма шаг дискретизации и соответственно диапазон измеряемых перемещений могут варьироваться.A device for measuring vibration displacements is made on photosensors, the main elements of which are AL107 LEDs and FDK photodiodes. The pulse shapers of the photosensors are made according to the schemes given in the article by O. Onishchenko "Accurate photosensor"("To help the radio amateur," issue 107, 1990, p. 21). The width of the curtain is selected from the condition L'-L = 2A _max , where 2A _max is the maximum measured swing range. A clock indicator ICh-10 with a measuring range of 0-10 mm and a scale division value of 0.01 mm was used as a rack-and-pinion mechanism. The device used a stepper motor type ШД-300/300-А, the shaft of which is rigidly connected with the axis of the hour indicator. The angular pitch of the shaft 3, therefore, the shaft completes one full revolution in 120 steps. The hand of the hour indicator for 1 full revolution passes 100 divisions of the scale, which corresponds to 1 mm of movement of the measuring rod. Based on the above, it follows that in 1 step of the angular displacement of the shaft, the measuring rod moves by a value of 0.008333 mm. This value can be taken as the division price of the proposed device. In this case, the range of measured vibrations can be up to 10 mm. When using a specially made gear rack mechanism, the sampling step and, accordingly, the range of measured movements can vary.

Интегратор выполнен в виде RC-цепочки, пороговый элемент собран на микросхеме К554САЗА. В качестве микроЭВМ использован комплекс ДВК-3 с внешним интерфейсом И-2. Кодово-импульсный преобразователь играет роль согласующего звена между микроЭВМ и токовыми ключами блока питания и выполнен на микросхемах серии К 176. Токовые ключи собраны на транзисторах КТ603Б и КТ801Б по известной схеме (см.ж. "Радио", N 4, 1977, стр.32). Источник питания - источник постоянного тока напряжением 24 В. The integrator is made in the form of an RC chain, the threshold element is assembled on a K554SAZA chip. As a microcomputer, the DVK-3 complex with an external I-2 interface was used. The pulse-code converter plays the role of a matching link between the microcomputer and the current switches of the power supply and is made on the K 176 series microcircuits. The current keys are assembled on the KT603B and KT801B transistors according to the well-known scheme (see Zh. Radio, No. 4, 1977, p. 32). The power source is a 24 V DC source.

Claims

A device for measuring vibratory displacements, comprising a vibrostand with a transducer mounted on its movable part and on a fixed part, a sensor with a measuring rod connected to a rack-and-pinion mechanism, a stepper motor connected to the latter, a shaper connected in series with an integrator, a threshold element, a microcomputer, a pulse converter and a power supply connected to a stepper motor, characterized in that it is equipped with a second driver, an OR element, the converter is made in the form a console with a lightproof shutter, a console with a slot and pairs of photosensors located on its surfaces, the outputs of which are connected to the corresponding shapers made in the form of signal shapers of the photosensors and connected to the corresponding inputs of the OR element, is attached to the end of the measuring rod, sensor, and the converter and the sensor is installed with the possibility of moving the curtain in the slots of the console.