ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
TEST BED FOR CARRYING OUT KINEMATIC TRIALS AND METHOD OF ITS USE

Испытательный стенд для проведения кинематических испытаний относится к области испытательной техники и может быть использован при комплексном полунатурном моделировании функционирования авиационных навигационных систем, в частности для имитации движения летательного аппарата относительно центра масс совместно с воспроизведением близкой к реальности начальной выставки гироскопов навигационной системы летательного аппарата.
Известен динамический моделирующий стенд для испытания гироскопических приборов (авторское свидетельство СССР №259444 от 21.10.1968), содержащий корпус, размещенную в нем платформу с управляемой осью для установки испытуемых гироскопических приборов, редуктор, элементы следящего привода.
Также известен стенд для испытания измерительных приборов, например гироскопических (авторское свидетельство СССР №480946 от 31.01.1972), содержащий основание, внешнюю раму, установленную на основании с помощью поворота, внутреннюю раму, служащую для закрепления испытываемого прибора, установленную во внешней раме с возможностью поворота вокруг оси, и червячные приводы для поворота рам.
Также известен динамический стенд, предназначенный для аттестации преобразователей инерциальной информации (патент РФ №2272256 от 24.08.2004), наиболее близкий к рассматриваемому техническому решению и выбранный в качестве прототипа. Динамический стенд содержит внутреннюю раму, установленную посредством двух валов на внешней раме, которая установлена посредством двух валов в основании, следящие системы с двигателями и установочную площадку для испытуемого объекта на внутренней раме.
Недостатком как аналогов, так и прототипа является ограниченная способность к воспроизведению натурных условий.
Известен способ использования динамического моделирующего стенда для испытания гироскопических приборов (авторское свидетельство СССР №259444 от 21.10.1968), при котором испытуемый гироскопический прибор устанавливают на платформе с управляемой осью, установленной на поворотном блоке, производят разворот поворотного блока с помощью ручного привода, выставляют горизонтально кронштейн, закрепленный на платформе, поворачивают гироскопический прибор в установочной плоскости на определенный угол, считывают показания гироскопического прибора, согласно показаниям аналитическим методом определяют значения угловых перемещений и угловых скоростей.
Также известен способ использования стенда для испытания измерительных приборов, например гироскопических (авторское свидетельство СССР №480946 от 31.01.1972), при котором устанавливают измерительный прибор на внутренней из двух рам, поворачивают и при необходимости фиксируют рамы с помощью червячных приводов, считывают показания прибора.
Также известен способ использования динамического стенда, предназначенного для аттестации преобразователей инерциальной информации (патент РФ №2272256 от 24.08.2004), наиболее близкий к рассматриваемому техническому решению и выбранный в качестве прототипа. Испытуемый объект устанавливают на внутренней раме из системы двух рам, которые поворачивают с помощью следящих систем с двигателями, компенсируют моменты относительно осей вращения рам с помощью системы грузов, обеспечивают вращение рам с определенными угловыми скоростями.
Недостатком как аналогов, так и прототипа является ограниченная способность к воспроизведению натурных условий.
Задачей, на решение которой направлено рассматриваемое техническое решение, является повышение качества полунатурного моделирования путем более точного воспроизведения движения объекта испытаний, которым является блок испытательной системы.
Задача решается за счет того, что испытательный стенд для проведения кинематических испытаний содержит неподвижное основание, первую раму, установленную с возможностью поворота во второй раме, вторую раму, с возможностью поворота установленную в третьей раме таким образом, что ось вращения первой рамы относительно второй и ось вращения второй рамы относительно третьей перпендикулярны, третью раму, установленную с возможностью поворота на подвижном основании таким образом, что ось вращения второй рамы относительно третьей и ось вращения третьей рамы относительно основания перпендикулярны; ось вращения первой рамы относительно второй, ось вращения второй рамы относительно третьей и ось вращения третьей рамы относительно основания пересекаются в одной точке; при этом подвижное основание установлено на средстве линейного перемещения с возможностью линейного перемещения, а средство линейного перемещения установлено на неподвижном основании с возможностью линейного перемещения таким образом, что направление линейного перемещения подвижного основания относительно средства линейного перемещения и направление линейного перемещения средства линейного перемещения относительно неподвижного основания взаимно перпендикулярны; при этом первая рама относительно второй, вторая рама относительно третьей и третья рама относительно подвижного основания могут совершать угловые колебательные движения, а подвижное основание относительно средства линейного перемещения и средство линейного перемещения относительно неподвижного основания могут совершать линейные колебательные движения и первая рама, вторая рама, третья рама, подвижное основание и средство линейного перемещения могут быть зафиксированы относительно друг друга, а средство линейного перемещения может быть зафиксировано относительно неподвижного основания; также испытательный стенд для проведения кинематических испытаний содержит двигатели привода для первой, второй, третьей рам, подвижного основания и средства линейного перемещения и систему управления перемещением, включающую в себя комплекс программного обеспечения, при этом на первой раме установлен объект испытаний, представляющий собой блок инерциальной информации и содержащий датчики линейных ускорений и датчики угловых скоростей и ускорений.
Задача решается также за счет того, что способ использования испытательного стенда для проведения кинематических испытаний, содержащего неподвижное основание, первую раму, установленную с возможностью поворота во второй раме, вторую раму, с возможностью поворота установленную в третьей раме таким образом, что ось вращения первой рамы относительно второй и ось вращения второй рамы относительно третьей перпендикулярны, третью раму, установленную с возможностью поворота на подвижном основании таким образом, что ось вращения второй рамы относительно третьей и ось вращения третьей рамы относительно основания перпендикулярны; ось вращения первой рамы относительно второй, ось вращения второй рамы относительно третьей и ось вращения третьей рамы относительно основания пересекаются в одной точке; при этом подвижное основание установлено на средстве линейного перемещения с возможностью линейного перемещения, а средство линейного перемещения установлено на неподвижном основании с возможностью линейного перемещения таким образом, что направление линейного перемещения подвижного основания относительно средства линейного перемещения и направление линейного перемещения средства линейного перемещения относительно неподвижного основания взаимноперпендикулярны, при этом первая рама относительно второй, вторая рама относительно третьей и третья рама относительно подвижного основания могут совершать угловые колебательные движения, а подвижное основание относительно средства линейного перемещения и средство линейного перемещения относительно неподвижного основания могут совершать линейные колебательные движения и первая рама, вторая рама, третья рама, подвижное основание и средство линейного перемещения могут быть зафиксированы относительно друг друга, а средство линейного перемещения может быть зафиксировано относительно неподвижного основания, также испытательный стенд для проведения кинематических испытаний содержит двигатели привода для первой, второй, третьей рам, подвижного основания и средства линейного перемещения и систему управления перемещением, включающую в себя комплекс программного обеспечения, при этом на первой раме установлен объект испытаний, представляющий собой блок инерциальной информации и содержащий датчики линейных ускорений и датчики угловых скоростей и ускорений, состоит в следующем:
объект испытаний устанавливают на первой раме, с помощью программного обеспечения системы управления испытательным стендом для проведения кинематических испытаний задают параметры движения первой, второй, третьей рам, подвижного основания и средства линейного перемещения, подают питание на систему управления испытательным стендом для проведения кинематических испытаний, датчики линейных ускорений и датчики угловых скоростей и ускорений, с помощью системы управления испытательным стендом для проведения кинематических испытаний осуществляют взаимное перемещение первой, второй, третьей рам, подвижного основания и средства линейного перемещения и перемещение средства линейного перемещения относительно неподвижного основания, считывают показания датчиков линейных ускорений и датчиков угловых скоростей и ускорений объекта испытаний и сопоставляют показания датчиков объекта испытаний с заданными параметрами движения первой, второй, третьей рам, подвижного основания и средства линейного перемещения.
В частном случае задача решается также за счет того, что способ использования испытательного стенда для проведения кинематических испытаний осуществляют в режиме воздействия на объект испытаний линейных ускорений, при котором предварительно задают угловое положение объекта испытаний с помощью первой, второй и третьей рам, после чего угловые перемещения первой, второй и третьей рам запрещают и осуществляют только линейные колебания подвижного основания относительно средства линейного перемещения и средства линейного перемещения относительно неподвижного основания.
В другом частном случае задача решается также за счет того, что способ использования испытательного стенда для проведения кинематических испытаний осуществляют в режиме воздействия на объект испытаний угловых ускорений, при котором фиксируют перемещение подвижного основания относительно средства линейного перемещения и перемещение средства линейного перемещения относительно неподвижного основания и осуществляют угловое колебательное движение первой рамы относительно второй, второй рамы относительно третьей и третьей рамы относительно подвижного основания.
В третьем частном случае задача решается также за счет того, что способ использования испытательного стенда для проведения кинематических испытаний осуществляют в режиме проверки объекта испытаний при максимальном линейном ускорении, при котором предварительно задают угловое положение объекта испытаний с помощью первой, второй и третьей рам, после чего угловые перемещения первой, второй и третьей рам запрещают, затем осуществляют перемещение подвижного основания относительно средства линейного перемещения и средства линейного перемещения относительно неподвижного основания таким образом, чтобы объект испытаний развил максимальное линейное ускорение.
В четвертом частном случае задача решается также за счет того, что способ использования испытательного стенда для проведения кинематических испытаний осуществляют в режиме проверки объекта испытаний при максимальном времени воздействия ускорения, при котором предварительно задают угловое положение объекта испытаний с помощью первой, второй и третьей рам, после чего угловые перемещения первой, второй и третьей рам запрещают, затем осуществляют перемещение подвижного основания относительно средства линейного перемещения и средства линейного перемещения относительно неподвижного основания таким образом, что объект испытаний перемещался с заданной величиной линейного ускорения максимально возможное время.
В пятом частном случае задача решается также за счет того, что способ использования испытательного стенда для проведения кинематических испытаний осуществляют в режиме определения предельного угла считывания датчиков, при котором предварительно ставят в соответствие каждому из датчиков угловых скоростей и ускорений одну из рам, располагают рамы таким образом, чтобы ось вращения каждой рамы совпадала с рабочей осью соответствующего ей датчика, выбирают один из датчиков угловых скоростей и ускорений объекта испытаний, осуществляют неколебательный поворот рамы, соответствующей выбранному датчику угловых скоростей и ускорений, колебательный поворот оставшихся рам вокруг их осей и колебательное движение подвижного основания относительно средства линейного перемещения и средства линейного перемещения относительно неподвижного основания.
В шестом частном случае задача решается также за счет того, что способ использования испытательного стенда для проведения кинематических испытаний осуществляют в режиме считывания комплексных показаний, при котором осуществляют колебательные движения первой рамы относительно второй, второй рамы относительно третьей, третьей рамы относительно подвижного основания, подвижного основания относительно средства линейного перемещения и средства линейного перемещения относительно неподвижного основания.
Техническое решение позволяет получать более точное воспроизведение натурных кинематических условий при моделировании движения объекта испытаний, уменьшить погрешность при проведении полунатурных испытаний.
На фиг.1 изображен общий вид испытательного стенда с объектом испытаний в изометрии, на фиг.2 - схема расположения датчиков линейных ускорений, угловых скоростей и ускорений в составе объекта испытаний, на фиг.3 - схема взаимодействия систем, входящих в состав испытательного стенда, в процессе проведения испытаний.
c1
c2
с3
Объект испытаний 1 представляет собой, например, блок инерциальной системы, входящий в состав навигационной системы летательного аппарата 2. Объект испытаний 1 содержит три датчика линейных ускорений 3, рабочие оси которых сориентированы по трем взаимно перпендикулярным осям O, O и О связанной системы координат объекта испытаний 1. Также объект испытаний 1 содержит три датчика угловых скоростей и ускорений 4, рабочие оси которых сориентированы по трем взаимно перпендикулярным осям связанной системы координат объекта испытаний 1. Датчики линейных ускорений 3 и датчики угловых скоростей и ускорений 4 могут быть выполнены, например, гироскопическими. Объект испытаний 1 подключен к навигационной системе летательного аппарата 2 с целью обработки данных, получаемых датчиками линейных ускорений 3 и датчиками угловых скоростей и ускорений 4.
3
1
2
2
3
1
3
1
2
3
3
3
Объект испытаний 1 смонтирован на первой раме 5. Первая рама 5 установлена во второй раме 6 с возможностью поворота с помощью, например, валов (на фиг. не обозначено). Вторая рама 6 установлена в третьей раме 7 с возможностью поворота с помощью, например, валов (на фиг. не обозначено). Взаимное расположение первой 5, второй 6 и третьей 7 рам таково, что первая 5, вторая 6 и третья 7 рамы образуют карданный подвес. Третья рама 7 установлена на подвижном основании 8 и имеет возможность поворота относительно оси О поворота третьей рамы 7 относительно подвижного основания 8. Ось О поворота первой рамы 5 относительно второй 6 перпендикулярна оси O поворота второй рамы 6 относительно третьей 7. Ось О перпендикулярна оси О. Ось O и ось О изменяют взаимное расположение в процессе работы испытательного стенда, однако ось O, ось О и ось О всегда пересекаются в одной точке. Ось О всегда находится в горизонтальной плоскости. Ось О всегда имеет вертикальное положение.
Подвижное основание 8 установлено на средстве линейного перемещения 9, которое может быть выполнено в виде траверсы, таким образом, что имеет возможность перемещаться вдоль средства линейного перемещения 9 в направлении А (см. фиг.1), например по направляющим, которые имеют на своих торцах зубчатую рейку. Средство линейного перемещения 9, в свою очередь, имеет возможность линейного перемещения относительно неподвижного основания 10 в направлении Б (см. фиг.2), например, с помощью рельс и колес 11. Направление А и направление Б взаимно перпендикулярны и горизонтальны.
На первой раме 5 установлены двигатели привода 12, обеспечивающие поворот первой рамы 5 относительно второй рамы 6. На второй раме 6 установлены двигатели привода 13, обеспечивающие поворот второй рамы 6 относительно третьей рамы 7. На третьей раме 7 установлены двигатели привода 14, обеспечивающие поворот третьей рамы 7 относительно подвижного основания 8. На подвижном основании 8 установлены двигатели привода 15, обеспечивающие линейное перемещение подвижного основания 8 относительно средства линейного перемещения 9. На средстве линейного перемещения 9 установлены двигатели привода 16, обеспечивающие линейное перемещение средства линейного перемещения 9 относительно неподвижного основания 10.
Двигатели привода 12-16 соединены с системой управления испытательным стендом 17, имеющей в своем составе комплекс программного обеспечения. Двигатели привода 12-16 могут быть соединены с системой управления испытательным стендом 17 через усилитель мощности 18, например силовой инвертор, сервоусилитель или дифференциальный усилитель, в случае необходимости усилителей мощности может быть несколько. На первой раме расположены датчики положения объекта испытаний 19, предназначенные для обеспечения обратной связи для системы управления испытательным стендом 17. Датчики положения объекта испытаний 19 соединены с системой управления испытательным стендом 17. Система управления испытательным стендом 17 соединена с навигационной системой летательного аппарата 2. Программное обеспечение, входящее в состав системы управления испытательным стендом 17, дополнительно выполняет функцию сопоставления исходных данных, согласно которым система управления испытательным стендом 17 осуществляет перемещение подвижных частей испытательного стенда (первой рамы 5, второй рамы 6, третьей рамы 7, подвижного основания 8, средства линейного перемещения 9) и обработанных навигационной системой летательного аппарата 2 показаний датчиков линейных ускорений 3 и датчиков угловых скоростей и ускорений 4.
За несколько секунд перед подачей питания на объект испытаний 1 комплекс программного обеспечения задает параметры движения объекта испытаний 1 и система управления передает сигналы на двигатели привода 12-16. Параметры движения объекта испытаний 1 могут быть заданы двумя способами: воспроизведение информации о движении реального летательного аппарата во время исполнения конкретных маневров при летных испытаниях, записанной бортовым самописцем, и задание параметров движения оператором испытательного стенда. Получив управляющий сигнал от системы управления, двигатели привода 12-14 отрабатывают посредством зубчатого зацепления своих валов и реек необходимые линейные перемещения объекта испытаний 1 в горизонтальной плоскости, а двигатели привода 15-16 отрабатывают угловые перемещения объекта испытаний 1. Система слежения за движением испытательного стенда с помощью датчиков положения объекта испытаний 20 обеспечивает обратную связь для системы управления испытательным стендом 17 посредством корректирующих сигналов.
Через несколько секунд с момента воспроизведения движений носителя подается питание на объект испытаний 1. С подачей питания на объект испытаний 1 датчики линейных ускорений 3 и датчики угловых скоростей и ускорений 4 приходят в рабочее состояние. В тот момент, когда объект испытаний 1 с помощью датчиков линейных ускорений 3 и датчиков угловых скоростей и ускорений 4 определяет направление истинного вектора гравитации, испытательный стенд продолжает воспроизводить перемещение объекта испытаний 1 согласно выдаваемым сигналам комплекса программного обеспечения.
Испытательный стенд с помощью системы управления и двигателей привода 12-16 осуществляет перемещение объекта испытаний 1 согласно заданным параметрам. Датчики линейных ускорений 3 и датчики угловых скоростей и ускорений 4 измеряют линейные и угловые ускорения движения объекта испытаний 1. Навигационная система летательного аппарата 2 получает и обрабатывает данные измерений с датчиков линейных ускорений 3 и датчиков угловых скоростей и ускорений 4. С помощью программного обеспечения система управления испытательным стендом 17 сопоставляет заданные параметры движения с данными измерений, полученными навигационной системой летательного аппарата 2, проверяет работу и определяет погрешности измерений датчиков линейных ускорений 3 и датчиков угловых скоростей и ускорений 4, а также проверяет работу и определяет погрешности работы навигационной системы летательного аппарата 2. Характер движения, имитируемого испытательным стендом, способ задания параметров движения. имитируемого испытательным стендом, датчики, участвующие в измерениях, и тип результатов зависят от режима, в котором происходит работа испытательного стенда.
Испытательный стенд может работать в следующих режимах.
Режим I. Проверка воздействия линейных ускорений на объект испытаний
Датчики угловых скоростей и ускорений 4 объекта испытаний отключают. Первую раму 5, вторую раму 6 и третью раму 7 поворачивают таким образом и фиксируют, чтобы объект испытаний 1 занял определенное угловое положение относительно неподвижного основания 10. Это положение выбирают из соображений повышения точности испытаний за счет упрощения расчетов - например таким образом, чтобы рабочие оси двух из трех датчиков линейных ускорений 3 были соответственно параллельны направлениям линейного перемещения подвижного основания 8 относительно средства линейного перемещения 9 и средства линейного перемещения 9 относительно неподвижного основания 10, а рабочая ось третьего датчика линейных ускорений 3 была параллельной направлению действия на объект испытаний 1 силы тяжести - вертикальной.
Далее совершают колебательное движение как подвижного основания 8 относительно средства линейного перемещения 9, так и средства линейного перемещения 9 относительно неподвижного основания 10. Эти линейные колебания имеют сложный характер, т.е. каждое из них представляет собой сумму нескольких гармонических колебаний. Гармонические колебания в данном режиме не используются, так как это вносит дополнительные погрешности в результаты измерений.
Данный режим необходим для того, чтобы отдельно определить погрешности датчиков линейного ускорения 3 при линейных колебаниях.
2
Линейные ускорения - до 10 м/с.
Частота колебаний - 0,5-3 Гц.
Режим II. Особый вариант режима I, проверка работы датчиков линейных ускорений 3 объекта испытаний 1 при максимальном линейном ускорении либо при максимальном времени воздействия линейного ускорения
Содержание режима практически аналогично режиму I, первая 5, вторая 6 и третья 7 рамы также ориентируют аналогичным образом и фиксируют, датчики угловых скоростей и ускорений 4 объекта испытаний 1 также отключают. Линейное перемещение осуществляют таким образом, что объекту испытаний 1 сообщают максимально возможное линейное ускорение либо перемещают с ускорением, используемым в режиме I, максимально возможное время. Возможен вариант, что оба линейных перемещения осуществляют так, что объект испытаний 1 перемещают по «диагонали» - диагонали прямоугольника, образованного крайними положениями объекта испытаний 1 при линейных перемещениях. В таком случае объект испытаний 1 должен быть сориентирован таким образом, что рабочая ось одного из датчиков линейных ускорений 3 была направлена параллельно этой «диагонали», также возможен случай, при котором объект испытаний 1 поворачивают относительно этой оси. Этого достигают, например, таким образом: третью раму 7 ориентируют так, что плоскость третьей рамы 7 перпендикулярна «диагонали», а плоскости второй рамы 6 при этом придают горизонтальное положение, вторую 6 и третью 7 рамы фиксируют в неподвижном относительно подвижного основания положении - таким образом ось вращения первой рамы 5 относительно второй рамы 6, а следовательно, и ось вращения первой рамы 5 относительно подвижного основания 8 (следовательно, и ось вращения первой рамы 5 относительно неподвижного основания 10, поскольку поворот подвижного основания 8 относительно неподвижного основания 10 непредусмотрен) параллельны диагонали, и первая рама 5 может совершать поворот вокруг оси своего поворота относительно второй рамы 6.
Этот режим может быть использован для изучения поведения датчиков линейных ускорений 3 при максимальном линейном ускорении и проверке возникающих погрешностей. Линейное ускорение в данном случае выше, чем в первом режиме, частота колебаний отсутствует по причине отсутствия колебаний.
Режим III. Определение предельных углов считывания датчиков
1
2
3
Совершают равномерный неколебательный поворот относительно одной или двух осей (O, O или О), соответствующих одному или двум проверяемым датчикам угловых скоростей и ускорений. Это соответствие определяется из начального положения рам 5, 6 и 7, которое таково, что ось вращения каждой из рам 5, 6 и 7 совпадает с рабочей осью одного из датчиков угловых скоростей и ускорений 4, и каждому из датчиков угловых скоростей и ускорений 4 поставлена в соответствие одна из рам 5, 6 или 7. Это соответствие рам 5, 6 и 7 и датчиков угловых скоростей и ускорений 4 может быть произвольным, т.е. никакая конкретная рама 5, 6 или 7 не должна быть обязательно поставлена в соответствие именно конкретному датчику угловых скоростей и ускорений 4. Относительно оставшихся осей и по направлениям линейного перемещения совершают сложные либо гармонические колебания. Колебательные законы берут из записи показаний при летных испытаниях, что дополнительно позволяет отсеять длиннопериодические колебания.
Значения частот и линейных ускорений те же, что и в режиме I.
Режим IV. Считывание комплексных показаний
Осуществляют комплексную проверку общих показаний и общих погрешностей при комплексном воздействии. Это необходимо для того, чтобы определить, какую дополнительную погрешность имеют датчики линейных ускорений 3 и датчики угловых скоростей и ускорений 4 объекта испытаний 1 совместно сверх своих частных погрешностей. Включают все три датчика линейных ускорений 3 и все три датчика угловых скоростей и ускорений 4 (включая и указанные ниже частные случаи). Параметры колебаний по всем пяти степеням свободы задает оператор. В частном случае для определения погрешностей считывания и ошибок системы (программы) задают именно гармонические колебания.
Режим V. Проверка воздействия угловых ускорений на объект испытаний
Полностью аналогичен режиму I, за исключением того, что запрещают только линейные перемещения и включены только датчики угловых скоростей и ускорений 4. Данный режим необходим для того, чтобы отдельно определить погрешности датчиков угловых скоростей и ускорений 4 при угловых колебаниях.
Объект испытаний в рассматриваемом испытательном стенде для проведения кинематических испытаний и способе его использования при проведении испытаний имеет до пяти степеней свободы, что позволяет проводить полунатурные испытания инерциальных систем, в частности инерциальных систем, входящих в состав навигационных систем летательных аппаратов, с большей полнотой и точностью и также позволяет снизить требуемое количество натурных испытаний. Дополнительно испытательный стенд для проведения кинематических испытаний позволяет более точно определить как индивидуальные погрешности датчиков, входящих в состав объекта испытаний при частных видах движения, так и совместные погрешности датчиков при комплексных испытаниях, а также, в частном случае, погрешности навигационных систем летательных аппаратов.