Устройство для калибровки ударных акселерометров при свободном падении ударяющего тела с оптическим датчиком положения тела.

Они используются лишь для обнаружения ферромагнитных объектов. Датчики этого типа применяются давно, и их конструкция хорошо проработана. Подобные датчики являются наиболее дешевыми и массовыми устройствами обнаружения присутствия объекта и широко применяются в машинах промышленной автоматики. Параметры этих датчиков, выпускаемых различными производителями, очень близки и при выборе поставщика одним из критериев выбора может выступать надежность и долговременная стабильность параметров датчика. Емкостные датчики положения имеют диапазон реагирования от 2 до 25 мм при точности около 20%. Их срабатывание осуществляется при изменении емкости пространства перед датчиком при внесении в это пространство объекта, структура которого отличается от структуры воздуха. При этом этот объект не обязательно должен быть твердым телом. При определенной настройке возможно определение уровня заполнения неметаллической емкости через ее стенку. Датчики этого типа незаменимы при работе с сыпучими и жидкими средами.Ультразвуковые датчики положения имеют диапазон реагирования от 30 мм до 8 м при точности около 2%. Они реагируют на отраженный ультразвуковой импульс от внесенного объекта. При этом природа и матреиал объекта роли не играет. Необходимо только, что бы уровень отраженного сигнала превышал порог срабатывания датчика. Лучше всего обнаруживаются деревянные и металлические гладкие поверхности, несколько хуже картон. Сложности возникают при наличии на поверхности объекта поглощающего слоя – ворсовой ткани, меха и, на предельных дальностях, рассеивающей структуры поверхности, неровностей и канавок.Оптические датчики положения позволяют решить задачи определения положения, скорости и направления вращения объектов из неферромагнитных материалов (это есть их главное отличие от так называемых магнитных датчиков Холла). Примерами таких объектов могут быть купюры, монеты или жетоны, опускаемые в щель автомата, пластмассовые диски, метки, карточки и т.д.В данном стенде применены фотоэлектрические датчики, составленные из оптоэлектронных пар:- источника излучения – светодиод;- приемника излучения – фотодиод.Фиксирование положения наковальни осуществляется перекрытием потока излучения в оптическом канале. При этом прерывание потока излучения света вызывает изменение сопротивления фотодиода. Данное изменение фиксируется аппаратурой и используется для отчета интервала времени прохождения наковальней базового расстояния стенда, равного в нашем случае 25 мм.5 Проектирование устройства для калибровки ударных акселерометров5.1 Предлагаемая конструкция машины для испытаний на усталостьВ результате проведенного патентного анализ и рассмотрения конструктивных схем датчика, нами предложено модернизированное устройство для калибровки ударных акселерометров (рисунок 5.1).Рисунок 5.1 Схема предлагаемой установки:1 – свето- и фотодиоды оптоэлектронной пары датчика; 2 – проверяемый акселерометр; 3 – устройство зажима; 4 – наковальня; 5 – уловитель груза (шара); 6 – направитель нижний; 7 – направляющая трубка; 8 – основание установки; 9 – амортизатор; 10 –груз (шар); 11 – электронный блок оптоэлектронной пары; 12 – усилитель сигнала с акселерометра; 13 – аналогово-цифровой преобразователь; 14 – электронная вычислительная машина.Установка представляет собой основание 8, на котором установлена нижняя направляющая 6 и амортизатор 9. В верхней части направляющей 6 установлен улавливатель 5, назначение которого заключается в захвате груз 10 (металлического шара) после передачи им части импульса наковальне 4. На уловитель установлена направляющая трубка 7 с устройством зажима 3 груза 10 в верхнем положении. Моменты прохождения наковальней 4 начальной и конечной точки базовой линии измерения скорости Sб фиксируются фотоэлектрическими датчиками положения 1, представляющие собой пару фото- и светодиодов. Сигнал с этих оптоэлектронных пар поступает на электронный блок 11, который осуществляет питание этих датчиков и подготовку информации для аналого-цифрового преобразователя 13. Сигнал с калибруемого ударного акселерометра 2 поступает предварительно на усилитель 12 и далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13. Информация в виде цифрового сигнала с АЦП поступает на компьютер 14.В ЭВМ сигнал может быть записан на жесткий диск и обработан в специальном программном обеспечении для получения калибровочной характеристики испытуемого акселерометра.5.2 Анализ видов и последствий возможных отказовАнализ функций узла фиксирования положений наковальни.Главная функция: фиксация положения наковальни в момент прохождения начальной и конечной точек базового отрезка.Функции деталей узла приведены в таблице 5.1.Таблица 5.1 Анализ функций узла фиксирования положения наковальниОбозначениеФункциональныеэлементы (детали)Функция (подфункция)Обеспечива-емая функция1Корпус 1.1 Объединение всех деталей в единый узел1.2Закрепление кабелей передачи информации;1.3 Фиксация свето- и фотодиодов0хХ2Светодиод2.1Излучение светах3Фотодиод3.1Воспринимает световое излучение х4Электрон-ный блок4.1Обеспечивает питание и считывание информации с фотодиодах5АЦП5.1Преобразование информации из аналоговой формы в цифровуюх6ЭВМ6.1 Обработка и хранение информациихТаблица 5.2 Матрица отбора элементов узла измерения статического усилия по критериям применения№ п/пКритерии примененияДетали0102030405061Потенциальная угроза3393112Высокие затраты при отказе1191113Функционально важная деталь1391114Взаимозависимые детали1391115Показатель приоритета абсолютный610366446Показатель приоритета относительный0,10,130,60,10,060,067Производится анализ FMEAдадададанетнетFMEA анализ приведен в приложении.5.3 Расчет уловителяУловитель предложенного стенда работает на ударную нагрузку.Для расчет на удар сначала рассмотрим его статическое нагружение. Так как данная деталь имеет сложную форму и аналитическое определение напряжений и перемещений не представляется возможным, воспользуемся системами компьютерного инженерного анализа (САЕ системы).5.3.1 Определение напряжений и деформаций при статическом нагруженииДля анализ напряженно-деформированного состояния данной детали воспользуемся системой APM-FEM. Данный программный продукт является библиотекой прочностного анализа системы Компас-3D.Будем считать, что на данную деталь (в статике) действует вертикальная сила G=25 Н (масса груза 2 кг).Полученная при данной нагрузкекарта напряжений в детали приведена на рисунке 5.2, а карта перемещений – на рисунке 5.3.Рисунок 5.1 Карта напряжений в уловителе при статическом приложении нагрузкиРисунок 5.2 Карта перемещений в уловителе5.3.2 Определение напряжений при ударном действии силыНапряжения при ударном действии силы определим из выражения [6], [5]:где – динамический коэффициент; – напряжения. возникающие при статическом действии силы.Динамический коэффициент определим из выражения[6],[5]:где Н – высота падения груза, м; – максимальная деформация детали, м;Тогда максимальные напряжения в уловителе при ударе составят:Для материала детали Сталь 45 напряжения текучести составляют [4]: =560 МПа.Тогда допустимые напряжения:Таким образом, при ударе прочность уловителя обеспечивается.5.4 Расчет погрешности определения скорости наковальниОтносительная погрешнсотьопределения скорости вычисляется по формуле:где δS – погрешность измерения расстояния между оптопарами; – погрешность определения времени;Принимаем следующее: измерение линейных величин проводят штангенциркулем, абсолютная погрешность которого составляет 0,05 мм.Тогда: δS =0,05/25=0,002Принимаем, что погрешность определения времени=0,01ТогдаТ.е., погрешность определения скорости ожидается в пределах 1,2%.5.6 Расчет размерной цепиОпределяются увеличивающие и уменьшающие звенья. Составляется уравнение размерной цепи.Аj-номинальный размер j-ого составляющего звена размерной цепиξj- передаточное отношение, характеризующее влияние составляющего звена на исходное.А1 = 117ммА3= 150,5ммА2 = 41,5ммA= A1() + A2(+) + A3 (-) A117+ 41,5 -150,5=8ммРисунок 5.4 Схема к расчету размерной цепиОпределяется приближенное значение единицы допускаi1=1.17i2=0.4i3=1.51Σi=1,17+0.4+1.51=3Число единиц допуска находится по формуле:где [ТΣ]-допуск, мкмПо значению α с использованием таблицы выбирается ближайший квалитет N = 8A1 = 117ммТ1 = 54мкмA2 = 41,5ммТ2 = 39мкмA3 = 150,5мм Т3 = 63мкмT= 54+39-63=30мкмT≤ [T] условие выполняется 30200мкмТаблица 5.1 Результаты расчетаj№звенаПередаточноеОтношение,Номинальный размер, мм№квалитетаДопускТj , мкмВерхнееотклонениеНижнееотклонение1+1117654+0,05402+141,5639+0,03903-1150,5663+0,06305.7 Разработка технологического процесса изготовления уловителяДля изготовления детали «Уловитель» необходимо выполнение следующих технологических операций:1. Операция: токарнаяОборудование: токарно-винторезной станок-Точить наружнуюповерхность на Ø86h8;-Точить наружнуюповерхность на Ø86h8;-Точить внутреннюю поверхность на Ø67H14;-Точить торцы на размер 200,026;-Точить внутреннююфосонную поверхность на сферу R39,5+0,025 мм;2 . Термическая:- калить и отпустить до 36...38 HRC2. Контрольная:- проверить соответствие размеров и твердости детали чертежу.ЗаключениеВ данной работе было рассмотрено устройство для калибровки ударных акселерометров, охарактеризован метод подобных испытаний, описана конструкция установки, выбрана конструктивная схемаисполнения стенда. По данномуоборудованию определены индексы МПК и проведен патентный анализ в базе данных Федерального института промышленной собственности (ФИПС Роспатента). Это в свою очередь позволило определить конструктивные недостатки известных стендов, выбрать прототип. Так же был проведен анализ видов и последствий возможных отказов по методу FailureModeandEffectsAnalysis (FMEA) узла измерения статической нагрузки. Далее, был разработан сборочный чертеж предлагаемой установки, рабочие чертежи его деталей. Также была рассмотрена размерная цепь и определен размер замыкающего звена механической части стенда. Проведен анализ прочности при воздействии ударной нагрузки на уловитель груза. На основе сказанного выше, можно сделать вывод о том, что поставленная цель –разработка устройства для калибровки ударных акселерометров, достигнута путем решения поставленных задач.Список использованной литературы1 Испытательная техника. Спавочик в двух книгах. Книга 1./Под ред. В.В.Клюева - М.: Машиностроение, 1982 - 582с.2Информационно-поисковая система. ФГБУ ФИПС./ Электронныыф ресурс. Режим доступпа:http://www1.fips.ru/wps/wcm/connect/content_ru/ru/inform_resources/inform_retrieval_system/ Дата доступа: (14.12.2015)3 ГОСТ ИСО 5347-2-97 Вибрация. Калибровка датчиков вибрации и удара. Часть 2. Первичная калибровка акселерометров ударом с использованием баллистического метода измерений. 4 Материалы и сортаменты для Компас/ Электронный ресурс. ООО Аскон, 2014. 5Дарков А.В.Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1989. -624 с.6ФеодосьевВ.И. Сопротивление материалов: Учебник для студ-ов высш.техн.учеб.зав. – 10-е изд., перераб. и доп. . М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. -558 с.7 Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник в 2 книга. / Под ред. д.т.н, проф. В.В.Клюева–М.: Машиностроение, 1978. – 1 кн. – 448с., 2 кн. – 439с.