Материал: Разработка универсального тахометра

Разработка универсального тахометра

Содержание

Введение

. Схемотехническая часть

.1 Измерения радиальной скорости

.2 Методы измерения, используемые в устройстве

.3 Описание работы схемы

. Конструкторская часть

.1 Конструирование РЭА

.2 Методы обеспечения технологичности конструкции РЭС

.3 Организация процесса проектирования РЭС

.4 Основные требования, предъявляемые к РЭС

.5 Классификация РЭС

.6 Категории РЭС

.7 Выбор и обоснование конструкции универсального тахометра

. Технологическая часть

. Расчетная часть

.1 Электрический расчет

.2 Конструкторский расчет

.3 Конструктивно-технологический расчет

.4 Определение минимальной ширины печатного проводника

.5 Определение диаметров контактных отверстий

.6 Определение диаметра контактных площадок

.7 Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка

.8 Расчет надежности

. Производственные и экономические расчеты

.1 Производственные расчеты

.2 Экономические расчеты

. Мероприятия по охране труда, технике безопасности и охране окружающей среды

Заключение

Список литературы

Введение

Угловая скорость - векторная физическая величина, характеризующая скорость вращения материальной точки вокруг центра вращения. Вектор угловой скорости по величине равен углу поворота точки вокруг центра вращения в единицу времени

Современные приборы, основанные на разнообразных принципах, механических, электрических, магнитных и т.д. применялись и применяются для измерения средних значений скоростей. Поведение этих приборов при неустановившемся режиме работы поддается измерению лишь некоторыми методами. Так же, многие приборы оказывают воздействие на вращающуюся деталь либо имеют серьезные погрешности и сложности в установке и настройке, еще чаще эти проблемы встречаются все вместе.

Задачей этого дипломного проекта становится разработка универсального тахометра, основанного на методах, не требующих контакта с деталью, угловая скорость которой измеряется, либо сводящих этот контакт к минимуму посредством меток или дисков с метками. При этом универсальный тахометр способен измерять скорость вращения используя данные всего одного оборота детали, что дает высокую скорость и точность измерений, а так же возможность отслеживания динамики изменений угловой скорости исследуемой детали.

Прибор предлагается использовать в лабораториях технических учебных заведений, для наглядного сопровождения тем, касающихся измерений угловой скорости и стробоскопического эффекта. Помимо этого прибор использует несколько методов измерения, что расширяет область его применения на лекциях.

1. Схемотехническая часть

.1 Измерения радиальной скорости

Для измерения радиальной скорости объектов существуют следующие методы:

Центробежный метод, основанный на зависимости центробежных сил от угловой скорости вращения инерционной массы;

Центробежный метод характерен тем, что чувствительный элемент реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами вращающегося вала. Этот метод реализуется в коническом и кольцевом тахометрах.

В коническом тахометре (рис. 1, а) на шарнирах, вращающихся вместе с осью, установлены грузики т, которые под действием центробежных сил расходятся, перемещая вдоль оси муфту 1 и сжимая пружину 2. Изменение положения муфты 1 регистрируется показывающим элементом тахометра - стрелкой. В кольцевом тахометре (рис. 1, б) при невращающейся оси 2 (щ = 0) плоскость кольца наклонена по отношению к оси на определенный угол. При вращении кольцо стремится занять положение, перпендикулярное оси вращения, и вызывает перемещение муфты 1 и стрелки отсчетного устройства.

Центробежные тахометры нередко применяются в качестве преобразователей в регуляторах частоты вращения. Недостатком этих средств измерения является отсутствие дистанционности, значительные погрешности и технологические трудности в изготовлении и регулировании.

Достоинствами центробежного тахометрического узла являются простота конструкции, сравнительно высокая точность измерения, и независимость показаний от направления вращения.

Рисунок 1. Механические тахометры

К недостаткам следует отнести нелинейность статической характеристики, особенно заметную в начале шкалы; сравнительно малый диапазон измерения скорости вращения, который характеризуется величиной отношения от 4 до 6, малую дистанционность измерения; ограниченную предельно допустимой длиной гибкого валика (2,5 м).

Для расширения диапазона измерения центробежных тахометров применяют в одних случаях пружины переменной жесткости, а в других - специальные механические редукторы с ручным переключением скоростей вращения вала тахометра при переходе с одного предела на другой. Так, например, переносные (ручные) тахометры часто выполняются многопредельными, т.е. снабжаются коробкой скоростей, позволяющей менять диапазон измеряемых скоростей. Ручной тахометр ИО-10 имеет следующие диапазоны измерения скоростей: 25-100; 75-500; 250-1000; 750-5000; 2500-10000 об/мин. Тахометр имеет циферблат с двумя концентричными шкалами, соответствующими двум группам диапазонов скоростей.

Часовой метод, основанный на зависимости угла поворота вала за фиксированный промеж уток времени от угловой скорости его вращения;

Принцип действия часового тахометра состоит в том, что угловая скорость измеряется по числу оборотов испытуемого вала за определенный промежуток времени. Таким образом, с помощью часового тахометра определяется не мгновенное значение угловой скорости, а ее среднее значение за известный промежуток времени.

 (1)

 (2)

где -  число оборотов испытуемого вала за промежуток времени;

Выражая угловую скорость числом оборотов в минуту, получаем зависимость (3) в виде:

 (3)

Часовые тахометры часто называют тахометрами средней скорости, а также тахоскопами. Для определения промежутка времени в часовом тахометре имеется часовой механизм, отчего эта группа тахометров и получила свое название. По степени автоматизации процесса измерения часовые тахометры могут быть неавтоматические, полуавтоматические и автоматические. Механизм ручного неавтоматического часового тахометра (тахоскопа) состоят из счетчика оборотов, секундомера с ценой оборота стрелки 60 с, пускового устройства и устройства для установки счетчика оборотов и секундомера на нулевое показание. Приводной валик тахоскопа соединяется с испытуемым валом, после чего оператор нажатием на пусковую кнопку одновременно включает счетчик оборотов и секундомер. Наблюдая показания секундомера оператор через 60 с выключает счетчик, показания которого дают среднюю за 60 с скорость испытуемого вала в об/мин.

Полуавтоматический часовой тахометр отличается тем, что выключение счетчика оборотов происходит автоматически через определенный промежуток времени после пуска. Пуск и установка счетчика в нулевое положение производится оператором вручную. Шкала счетчика градуируется в об/мин.

Схема полуавтоматического часового тахометра типа 9ЧП приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Полуавтоматический часовой тахометр

Пуск механизма производится нажатием на кнопку пускового рычага 1. При нажатии заводится пружина 14 часового механизма. Одновременно пусковой рычаг поворачивает сердечко (кулачок) 11 сидящее фрикционно на центральной оси 10, возвращая стрелку 12 на нулевую отметку циферблата 13. После опускания кнопки стрелка и центральная ось остаются застопоренными собачкой 6, сцепленной с колесом 9, неподвижно сидящим на центральной оси. Приводной валик 7 был присоединен к испытуемому валу перед пуском тахометра: он может вращаться благодаря проскальзыванию во фрикционной муфте 8. Заведенная пружина 14 приводит в действие часовой механизм, спусковое колесо 2 начинает вращаться, палец 5 спускового колеса нажимает на собачку 6, освобождая колесо 9 и ось 10. Стрелка начинает вращаться. По истечении определенного времени (обычно 3 или 6с.) палец 5 освобождает собачку 6, которая стопорит колесо 9 и ось 10. Стрелка останавливается и по шкале можно произвести отсчет измеренной угловой скорости. После измерения прибор отключают от испытуемого вала. Характеристика этого тахометра имеет вид:

 (4)

 (5)

где,  - угол поворота стрелки счетчика в рад;

 - передаточное отношение передачи между осью стрелки и приводным валиком тахометра;

- время работы счетчика в с.

Относительная приведенная погрешность тахометров этого типа не должна превышать ±1% при установке прибора в нормальном положении (шкала горизонтальна, приводной вал и проверяемый соосны) и при температуре в пределах 20±5 °С.

Непрерывное измерение угловой скорости осуществляется автоматическими часовыми тахометрами. В этих приборах включение и выключение счетчика осуществляется периодически часовым механизмом, приводимым в действие от приводного валика тахометра через фрикцион. Указатель счетчика после каждого измерения не устанавливается на нулевую отметку шкалы, а показывает результат последнего измерения до завершения следующего измерения.

Недостатками часовых тахометров считается неизбежность воздействия на движущуюся деталь, и если на крупной детали с высокой скоростью вращения это воздействие минимально, то на небольшой вал часовой тахометр может оказать сильное воздействие, что приведет к высокой погрешности

·              Фрикционный метод, основанный на самовыравнивании (за счет трения скольжения) окружной скорости вращения фрикционного ролика с окружной скоростью конуса, вращающегося с постоянной угловой скоростью;

Простейшая схема фрикционного тахометра представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Фрикционный тахометр

Через зубчатую передачу 1-2 электродвигатель вращает диск 3 с постоянной угловой скоростью. Диск приводит во вращение ролик 4 за счет трения между ними. Угловая скорость ролика будет пропорциональна угловой скорости диска и расстоянию от ролика до оси вращения диска и обратно пропорциональна радиусу ролика.

Если скорость винта 5 и ролика 4 неодинаковы, ролик будет перемещаться вдоль винта. Направление перемещения таково, что скорость ролика будет приближаться к скорости винта. При установившейся скорости винта ролик займет такое положение, при котором его скорость будет равна скорости винта. При этом получается:

 или: (6)

 (7)

где - расстояние ролика от оси вращения диска;

 - радиус ролика.

Так как - величина постоянная для данного тахометра, то следовательно расстояние ролика до оси вращения диска пропорционально измеряемой угловой скорости.

Следовательно, соединенный с роликом указатель будет показывать по шкале величину измеряемой угловой скорости.

Чувствительным элементом вибрационного тахометра является ряд упругих стальных полос, закрепленных одним концом, каждая из которых настроена на определенную собственную частоту колебаний. Настройка достигается за счет изменения толщины или длины пластин, а также за счет изменения величины масс на свободных концах полосок. Для измерения скорости вала какой-либо машины или станка тахометр крепится к станине или кожуху машины. При вращении вала возникает вибрация частей машины; эта вибрация передается основанию тахометра; при этом возбуждаются резонансные колебания одной-двух полосок, собственные частоты которых близки к частоте вибраций машины.

Недостатками данного метода можно считать необходимость контакта тахометра с вращающейся деталью. Так же задействованные стальные полосы подвержены эффекту «усталости металла» что может привести к погрешности измерений.

Магнитоиндукционный метод, основанный на увлечении проводящего тела (цилиндра, диска и др.) полем вращающегося постоянного магнита благодаря взаимодействию наводимых в проводящем теле индукционных токов с магнитным полем постоянного магнита;

Принцип действия измерительного механизма магнитоиндукционного тахометра (рис. 4) основан на силовом взаимодействии поля постоянного магнита и токов, возникающих в металлическом теле при его движении в магнитном поле.

Рисунок 4. Магнитоиндуктивный тахометр

Постоянный магнит 4 соединен с осью тахометра 5. При движении магнита его магнитное поле непрерывно пересекает цилиндрический колпачок 3 из алюминия. Возникающие в толще алюминия вихревые токи взаимодействуют с магнитным полем и увлекают колпачок в сторону вращения магнита. С осью колпачка связана стрелка указателя 1. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 2. Сила взаимодействия вихревых токов, индуктируемых во вращающемся колпачке, и магнитного поля зависит от скорости вращения. Поэтому угол отклонения стрелки пропорционален скорости вращения выходного вала и шкала магнитного тахометра равномерная.

Магнитоиндукционные тахометры очень просты и надежны в эксплуатации. Они нашли широкое применение на самолетах, в автомобильных спидометрах и во многих других приборах. Приводной валик автомобильного спидометра соединяется с одним из валов коробки передач автомобиля посредством гибкого валика. Механизм самолетного тахометра обычно соединяется с контролируемым валом при помощи электрической синхронной передачи.

Недостатком магнитоиндуктивного метода можно считать зависимость ЭДС от скорости вращения вала. Так, если скорость вращения мала - ЭДС будет недостаточной для измерений, а если слишком велика - избыточна, что тоже может привести к погрешности. Из-за перепадов скоростей возникает необходимость использования большого диапазона частот, что приводит к усложнению устройства.