Оптимизация расположения упоров в микромеханических гироскопах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 531. 383−11:531. 714. 7
ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ УПОРОВ В МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПАХ Д. П. Елисеев, Д.В. Розенцвейн
Разработана методика оптимизации расположения упоров, ограничивающих перемещения в микромеханическом гироскопе. Предложены критерии оптимизации, сформулирован перечень варьируемых параметров для системы упоров. Выполнены расчеты для моделей микромеханических гироскопов с различными упругими подвесами методом конечно-элементного анализа, подтвердившие возможность использования разработанной методики для оптимизации числа и расположения упоров.
Ключевые слова: микромеханический гироскоп, упругий подвес, динамическая нагрузка.
Введение
В конструкциях микромеханических гироскопов (ММГ) для исключения замыкания электродов электростатических датчиков и уменьшения напряжений при расширенном динамическом диапазоне используют ограничители перемещения — упоры.
В настоящей работе рассматривается микромеханический гироскоп КЯ-типа, разработанный в ЦНИИ «Электроприбор» [1]. Его конструкция представляет собой инерционное тело (ИТ) в виде диска, закрепленного на основании посредством упругих элементов (рис. 1). ИТ в автоколебательном режиме совершает первичные угловые колебания в плоскости диска вокруг оси X, возбуждаемые гребенчатым электростатическим двигателем. При наличии угловой скорости основания ^ возникают вторичные угловые колебания вокруг оси У с выходом из плоскости ИТ, амплитуда которых является мерой угловой скорости [2]. Эти колебания измеряются емкостными датчиками системы съема, расположенной под ИТ.
Ось первичных _
с — ь л'- ^ 7 Т Ось чувствительности колебании V- V ^
_. 7 Ось вторичных
Гребенчатый / /колебан14Й
двигатель у
элемент I & quot-^у^У Ж Система съема
Основание
Рис. 1. Конструктивная схема ММГ
Расположение упоров в действующей конструкции осуществлено методом подбора. Их введением достигнуты показатели ударопрочности конструкции 105 g при наличии трех пар упоров [3]. Чтобы имеющимися средствами достичь максимальных динамических диапазонов для ММГ, необходимо провести оптимизацию расположения упоров. Целью работы является разработка методики оптимального расположения ограничителей перемещения ИТ ММГ. Ниже приводятся критерии, методика и численные расчеты оптимизации расположения упоров в ММГ КЯ-типа с подвесами трех типов (рис. 2) при нагружении перпендикулярно плоскости диска. Предложенные расчеты справедливы и для других типов ММГ.
а б в
Рис. 2. Схемы упругих подвесов ММГ (центральная часть датчика): типа, А (а) — типа Б (б) — типа В (в)
Критерии оптимизации ограничителей перемещения
Для определения оптимального расположения упоров использовались следующие критерии, определяющие качество ММГ:
— минимизация напряжений, возникающих во всей зоне упругого подвеса при воздействии динамической нагрузки-
— минимизация количества упоров для повышения технологичности изделия.
Наличие упоров не должно мешать свободному перемещению ИТ ММГ по оси вторичных колебаний (рис. 1) в том диапазоне измерений, для которого он рассчитан, поэтому высота упоров оговаривается из условия расстояния между ИТ и обкладкой электростатического датчика на основании. Необходимо проводить расчеты как для нулевого положения ИТ, так и для рабочего положения. В настоящей работе рабочее положение характеризуется поворотом ИТ относительно оси первичных колебаний на 1° (максимальная амплитуда колебания), вследствие чего возникают дополнительные напряжения в упругом подвесе.
На основании изложенных критериев определяются параметры оптимизации системы упоров в ММГ, для которых проводится оптимизация (рис. 3):
— количество упоров-
— угол расположения упоров относительно оси 02-
— диаметр установки упоров относительно центра ММГ.
г
Рис. 3. Параметры оптимизации: ф — угол между осью ОЪ и упором- й — диаметр расположения упоров-
п — количество упоров
Методика оптимизации ограничителей перемещения и результаты расчета с различными упругими подвесами
Разработанная методика оптимизации параметров расположения упоров в ММГ представляет собой последовательность расчетов и анализа полученных результатов. Расчеты проводились в приложении Рго/МЕСНАМСА программного пакета Рго/ЕМОШЕЕК Начальные условия по задаваемым нагрузкам получены из анализа расчетных данных для критичных напряжений в моделях ММГ с предложенными упругими подвесами без упоров и с учетом поворота ИТ относительно оси первичных колебаний на угол 1° (рис. 4). Затем в конструкцию вводятся два упора (по одному упору под каждую обкладку электростатического датчика). Далее расчет ведется согласно алгоритму, представленному на рис. 5.
На каждом этапе расчета проводится анализ зависимостей напряжений ст, возникающих в конструкции, от исследуемого параметра. Окончательный выбор параметра производится по критерию наименьшего напряжения, и дальнейший расчет проводится с учетом изменения параметров. При этом за допустимый уровень напряжений в поликристаллическом кремнии принято значение стдоп = 500МПа.
После этого осуществляется расчет возникающих напряжений от действующей нагрузки для рассчитанных параметров. Методика предусматривает многопроходный анализ, с учетом изменения количества упоров. Результаты для каждого прохода фиксируются и анализируются для максимальных нагрузок при заданном количестве упоров. На рис. 6 представлены графики изменения напряжений от задаваемой нагрузки в конструкциях ММГ с тремя различными подвесами, с варьируемым числом упоров.
I
100. 00--------
0. 00−1--------.
О 1Ш0 2000 3000 -1000 5000 $ 00″ 700″ нагрузка, д
Рис. 4. Зависимость напряжений в упругом подвесе ММГ от воздействующей нагрузки без наличия упоров- ст — допустимые напряжения для кремния
Выбор количества упоров N=2,4,6…
1
Диаметр установки упоров О (О'-тш)^ СТ тпп СТ: :-1
* Угол установки упоров ф (О О г- -1 & lt- С7л& lt-->--1 Сравнение результатов G (N)
*
Окончательный расчет_|
& lt-J (G) — (Ттак & lt- СГдол
Рис. 5. Методика оптимизации упоров в ММГ
нагрузка, g Нагрузка. Q
а б
1110. 00
lOSOW
950,1″
| aiooo
| 75 000
к
| SSO. OO 550. 00 450 00 350,00
0 10 000 2000) 3)000 400(0 5000) 0)000 70)00 9000) 9 ММ 100)00 110 000 12 000) Нагрузка, g
в
Рис. 6. Изменение напряжений от нагрузки для ММГ: с подвесом типа, А и наличием 2, 4 или 6 упоров (а) — б) с подвесом типа Б и наличием 2-х или 4-х упоров (б) — с подвесом типа В и наличием 2, 4 или 6 упоров (в) — стдоп- допустимые напряжения для кремния
По графикам видно, что подвес типа, А (рис. 2) наиболее чувствителен к нагрузкам, перпендикулярным плоскости диска. Применение упоров для данной конструкции не дает значительного увеличения ударопрочности из-за высокой жесткости подвеса.
Для подвеса типа Б (рис. 2) применение двух упоров уже дает значительный прирост ударостойкости — ММГ способен выдержать удары до 105 g.
По результатам оптимизации подвес типа В (рис. 2) можно признать компромиссным решением по жесткости. Он достаточно мягкий, чтобы при использовании упоров ММГ выдерживал удары до 105 g, и при этом относительно жесткий и имеет высокую добротность [4].
Падение напряжений в конструкции при росте нагрузки объясняется тем, что сила, действующая перпендикулярно плоскости диска, разгружает подвес ММГ от напряжений, вызванных рабочим режимом — поворотом ИТ на 1°. На рис. 7 представлены напряжения в подвеса типа Б (рис. 2) при использовании двух упоров. По этим данным можно судить о характере излома и изгиба торсионов. При меньшей нагрузке ротор гироскопа проседает, «садится» на упоры и тянет за собой торсионы, изгибая их вниз, в сторону установки упоров. Напряжения, созданные таким образом, «разгружают» подвес ротора от напряжений, создаваемых при рабочем режиме гироскопа — повороте ротора на угол 1°. При увеличении нагрузки перемещение ротора увеличивается, при этом он не просто «садится» на упоры, а выгибается на них, что приводит к выгибанию и торсионов, т. е. они деформируются в сторону, противоположную установке упоров.

2 упора


6 упорон
un 4 у-пора

Стоит отметить, что при отсутствии рабочей деформации подвеса зависимость напряжений от внешней нагрузки становится линейной.
а б
Рис. 7. Напряжения в подвесе ММГ типа Б: при нагрузке 25 000 д (а) — при нагрузке 90 000 д (б)
Заключение
Предложена методика оптимизации расположения упоров по критерию минимизации напряжения в упругом подвесе микромеханического гироскопа и области контактных взаимодействий инерционного тела с упорами. Для гироскопа КЯ-типа упоры располагаются радиально под обкладками электростатических датчиков вторичных колебаний. Оптимизация в таком случае представляет собой автоматизированный подбор параметров топологии упоров: количество, диаметр расположения упоров и угол между ними. При оптимизации получены параметры, снижающие напряжения в упругом подвесе при нагрузках, перпендикулярных плоскости диска микромеханического гироскопа, и позволяющие повысить уда-ропрочность до 105 g при использовании одной пары упоров.
На основе разработанной методики возможно создание программы автоматического определения оптимального расположения упоров в конструкции микромеханического гироскопа, которая дополнит используемые компьютерные средства проектирования микромеханических гироскопов [5].
Авторы выражают благодарность научному руководителю М. И. Евстифееву за помощь в подготовке статьи.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 10−08−153а.
Литература
1. Пешехонов В. Г. Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2008. — № 2. — С. 29−31.
2. Распопов В. Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. — Тула: Гриф и К., 2004. — 476 с.
3. Евстифеев М. И., Розенцвейн Д. В. Анализ контактных взаимодействий в микромеханических гироскопах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2010. — № 4 (68). — С. 46−50.
4. Евстифеев М. И. Результаты экспериментального исследования влияния линейных перегрузок на характеристики ММГ КЯ-типа // Гироскопия и навигация. — 2010. — № 2. — С. 100.
5. Евстифеев М. И. Анализ компьютерных средств проектирования микромеханических гироскопов с позиций мехатроники // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2004. — № 2. — С. 31−36.
Елисеев Даниил Павлович — ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», инженер-конструктор,
eliseev. dp@gmail. com
Розенцвейн Дмитрий Владимирович — ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», научный сотрудник,
Rosenzwein@mail. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой