Разработка математической модели для расчета требуемой точности механизма транспортирования ленты видеомагнитофона

Несмотря на бурное развитие в последние годы технологий оптической и магнитной записи видеоинформации на диски, видеоаппаратура как средство записи и воспроизведения информации продолжает неуклонно развиваться. Об этом свидетельствуют те факты, что объем продаж видеомагнитофонов (ВМ) в 1998 году в США составил 25 млн. штук [38], а объем их продаж в 2000 году вырос на 5% по сравнению с 1999 годом [39]. Кроме того, развитие дисков сдерживается отсутствием единого стандарта записи и высокой стоимостью носителей, и, поэтому, наряду с разработкой альтернативных технологий ведущие фирмы продолжают разрабатывать форматы цифровой записи на магнитную ленту. Так, в 2000 году на рынке появились ВМ формата Digital VHS [28].

Видеоаппаратура как средство записи и воспроизведения информации неуклонно развивается уже более сорока лет. В процессе развития видеоаппаратуры постоянно изменяется и совершенствуется конструкция механизма транспортирования ленты, так как MTJ1 является важнейшей неотъемлемой частью видеомагнитофона.

На данном этапе одной из основных проблем является обеспечение взаимозаменяемости видеофонограмм при требовании снижения стоимости МТЛ, которая, в свою очередь, определяется высокой точностью МТЛ.

За время развития видеоаппаратуры созданы достаточно совершенные методы общего расчета МТЛ, проанализированы и изучены различные явления, специфичные только для МТЛ ВМ. Что же касается проблемы обеспечения адекватной точности, то здесь также проведены обширные исследования, определено влияние отдельных параметров на искажения видеосигнала, предложены методы расчета отдельных параметров МТЛ. Однако до сих пор остро стоит проблема создания единой комплексной методики расчета требуемой точности МТЛ ВМ.

На данный момент ни одна из существующих моделей не отражает всего многообразия явлений, определяющих взаимодействие ВГ, МТЛ и МЛ.

В связи с этим тема настоящего исследования представляется актуальной, тем более, что в процессе сборки МТЛ различные операции регулировки и настройки до сих пор производятся вручную. Сокращение, а в пределе полное устранение ручных операций позволит значительно снизить стоимость производства видеоаппаратуры.

Целью данной диссертационной работы является исследование взаимосвязанного влияния различных параметров МТЛ на искажения видеосигнала и создание на основе этого исследования комплексной математической модели для расчета требуемой точности изготовления и сборки деталей и узлов рабочей зоны МТЛ ВМ.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основании анализа работ, посвященных исследованию точности МТЛ ВМ, выявить всевозможные подходы к созданию единой модели для расчета точности, определить неучтенные группы факторов, а также отдельные неучтенные, но существенные параметры МТЛ, и определить наиболее перспективные подходы, на основе которых целесообразно создавать комплексную модель.

2. Проанализировать и классифицировать виды искажений видеосигнала, а также обуславливающие их причины, связанные с параметрами МТЛ.

3. Проанализировать процессы, происходящие в рабочей зоне МТЛ и влияющие на положение ВГ и МЛ.

4. На основе проведенного анализа разработать модель, описывающую взаимосвязь между различными группами параметров МТЛ и искажениями видеосигнала.

5. Провести экспериментальную проверку работоспособности разработанной модели.

Исследования выполнены на кафедре киновидеоаппаратуры С-Петербургского государственного университета кино и телевидения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Выводы.

Данный пример показывает возможность взаимозависимого расширения отдельных допусков с применением селективной сборки. Расчет пределов возможного расширения допусков произведен с помощью разработанной модели.

Любое расширение допусков в конечном счете позволит снизить себестоимость МТЛ, поскольку: более широкие допуски могут позволить сократить время отдельных технологических операций изготовления и обработки деталей (за счет увеличения скорости обработки или увеличения глубины обработки за один проход), в пределе возможно сокращение количества проходов режущего инструмента или даже исключение отдельных операций, более широкие допуски могут позволить снизить класс точности обрабатывающего оборудования, более широкие допуски позволяют сократить время сборочных и регулировочных операций, которые выполняются вручную, а пределе возможно и исключение отдельных ручных операций.

4.3. СЛЕДСТВИЕ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПОГРЕШНОСТЕЙ МЕХАНИЗМА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЛЕНТЫ.

Как уже было отмечено выше, одной из отличительных особенностей данного анализа погрешностей МТЛ является то, что в разработанной модели в единую систему сведены как возможные отклонения ВГ от своего номинального положения, так и отклонения МЛ от своего номинального положения. Такой системный подход приводит к важным следствиям. Так, разработанная модель позволяет рассчитать положение МЛ в любой точке на направляющей БВГ для комплексной оценки требуемой точности МТЛ. Однако, погрешности МТЛ можно не только оценивать и рассчитывать, но и компенсировать в процессе работы МТЛ. В частности, такое компенсирование возможно за счет целенаправленного управления положением МЛ на направляющей БВГ. Это приводит к идее создания CAT нового принципа действия: система, которая изменяет не положение ВГ относительно ВД, а положение МЛ (ВД) относительно ВГ.

Принцип действия системы автотрекинга, изменяющей положение магнитной ленты относительно направляющей блока видеоголовок.

Как известно, главная цель системы автотрекинга CAT — минимизировать поперечный сдвиг ВГ с ВД в процессе воспроизведения поля. Кроме того, CAT также используются для устранения шумовых полос на изображении при воспроизведении с неноминальной скоростью (поскольку изменяется угол между траекторией движения ВГ и ВД). Во всех существующих CAT относительно ВД перемещается ВГ. Основные недостатки существующих CAT — это сложность конструкции и, как следствие, высокая стоимость (поскольку исполнительный механизм крепится внутри БВГ) и ограниченный диапазон неноминальных скоростей воспроизведения (без шумовых полос) из — за ограниченной амплитуды перемещения ВГ.

CAT, которая регулирует положение МЛ относительно ВГ, позволит в значительной степени устранить эти недостатки.

Конструктивно (на уровне функциональных компонентов) CAT такого типа могла бы быть реализована следующим образом.

На направляющей БВГ в нескольких местах устанавливаются пьезокерамические актуаторы, которые смогут менять положение (высоту базового края) МЛ над направляющей БВГ по сигналу, поступающему с ВГ, на требуемую величину на каждом участке направляющей (Рис. 40, на рисунке актуаторы показаны дискретно, в частности, они могут быть закреплены под гибкой полосой и, таким образом, поддерживать «гибкую» направляющую). Такая система имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными.

Простота изготовления, поскольку актуаторы крепятся на наружной поверхности БВГ, тогда как в традиционных системах внутри вращающегося барабана.

Возможность расширения диапазона неноминальных скоростей движения МЛ, при которых возможно воспроизведение изображения без шумовых полос (поскольку возможно увеличение амплитуды перемещения актуаторов, т.к. они крепятся снаружи БВГ, и пространственные ограничения существенно меньше).

Возможность расширения некоторых допусков (тех, которые влияют на положение МЛ относительно ВГ или направляющей) на параметры БВГ и элементов МТЛ за счет того, что CAT сможет корректировать положение МЛ относительно ВГ (на Рис. 40 в качестве примера показана погрешность угла наклона направляющей БВГ Дап).

Снижение стоимости CAT, т.к. отпадает необходимость в золоченых токосъемниках, которые необходимы в традиционных системах для подвода постоянного тока на вращающийся барабан БВГ.

Рис. 40. Схема CAT, регулирующей положение МЛ над направляющей БВГ Выводы к главе 4.

В данной главе рассмотрены методы практического использования разработанной модели для расчета требуемой точности МТЛ ВМ. Предложен алгоритм расчета требуемой точности, показана возможность взаимозависимого расширения отдельных допусков с помощью разработанной модели, предложена CAT нового принципа действия, регулирующая положение МЛ на направляющей БВГ.

Обоснованное расширение допусков на параметры МТЛ позволит сократить время изготовления отдельных деталей, снизить класс точности производственного оборудования и, возможно, исключить какие-либо операции регулировки МТЛ, которые в настоящее время выполняются вручную, например, операция регулировки высоты НР. Таким образом, это позволит снизить стоимость технологии изготовления МТЛ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной диссертационной работе получены следующие новые результаты.

1. На основании обзора работ, посвященных исследованию точности МТЛ ВМ, выявлено следующее.

Возможные искажения видеосигнала возникают как вследствие отклонения ВГ от ее номинального положения, так и вследствие отклонения МЛ от ее номинального положения. На взаимное положение ВГ и МЛ взаимосвязанно влияют факторы, определяющие положение ВГ, преаде всего это параметры БВГ, и факторы, определяющие положение МЛ, прежде всего это параметры, определяющие взаимное расположение направляющих элементов рабочей зоны МТЛ. Влияние погрешностей геометрических параметров рабочей зоны на положение МЛ необходимо рассматривать взаимосвязанно в совокупности с учетом силовых воздействий со стороны направляющих элементов на МЛ.

Определена необходимость создания комплексной математической модели для расчета требуемой точности параметров МТЛ, влияющих на взаимное положение ВГ и МЛ. Эта методика должна связывать как параметры, определяющие положение ВГ, так и параметры, определяющие положение МЛ в рабочей зоне.

2. Впервые разработана математическая модель, связывающая параметры, определяющие искажения видеосигнала, и погрешности изготовления и сборки деталей и узлов МТЛ, а именно, взаимосвязанно учитывающая погрешности БВГ и погрешности взаимного расположения направляющих элементов рабочей зоны МТЛ.

3. Проанализированы вероятностные факторы, влияющие на взаимозаменяемость видеофонограмм. Разработан метод описания разности значений какого — либо параметра МТЛ различных ВМ как произведения коэффициента, зависящего от закона распределения значений данного параметра, и величины допуска на этот параметр. Теоретически определены коэффициенты для нормированного и центрированного нормального и равновероятного законов распределения, определяющие допустимую величину разности значений параметров различных ВМ. Так, при нормированном и центрированном нормальном законе распределения величин некоторого параметра МТЛ вероятность выхода значения разности величин этого параметра для различных ВМ за пределы 0.6 8 (8 — допуск на величину параметра) не превосходит вероятности выхода величины этого параметра за пределы 8. Это открывает возможность расширения допусков на некоторые параметры МТЛ, например, на диаметры барабанов БВГ, угол наклона направляющей БВГ и др.

4. В рамках общей модели, связывающей искажения видеосигнала и погрешности МТЛ, на основе метода преобразования координат разработана математическая модель, описывающая геометрическое положение МЛ над наклонной направляющей БВГ в зависимости от погрешностей взаимного расположения элементов рабочей зоны МТЛ. Реальная геометрическая траектория движения МЛ вокруг реального БВГ моделируется как траектория движения вокруг мнимой (или нескольких мнимых) стойки по известному закону.

5. В рамках общей модели, связывающей искажения видеосигнала и погрешности ^ МТЛ, разработана модель, описывающая реальное положение МЛ в рабочей зоне.

МТЛ. Эта модель взаимосвязанно учитывает как геометрические параметры направляющих элементов и их погрешности, так и действия сил, зависящих от этих геометрических параметров, со стороны направляющих элементов на МЛ. В частности, модель разработана с учетом действия силы, прижимающей МЛ к наклонной направляющей БВГ.

6. Проведена экспериментальная проверка разработанной модели. Экспериментальное исследование подтвердило работоспособность предложенной модели.

7. Разработанная математическая модель для расчета требуемой точности рабочей зоны МТЛ открывает возможности взаимозависимого расширения отдельных допусков. Это позволит сократить время изготовления отдельных деталей, снизить класс точности производственного оборудования, а также сделает возможным сокращение ручных операций регулировки положения направляющих элементов рабочей зоны МТЛ в процессе сборки. В частности, задав конструктивные параметры МТЛ, а также допуски на них, можно определить допуск на ранее регулируемый вручную параметр и обеспечить этот допуск в процессе сборки средствами робототехники. Например, возможно автоматизировать установку НР, ограничивающих МЛ сверху, по высоте относительно шасси МТЛ. В настоящее время этот параметр, как правило, регулируется вручную.

8. Предложено создание системы автотрекинга на новом принципе действия — за счет регулирования положения МЛ над наклонной направляющей БВГ управляемыми пьезоэлементами. Благодаря гибкости МЛ ее можно перемещать на различные расстояния в различных точках направляющей БВГ, т. е. целенаправленно изменять угол наклона и кривизну наклонной направляющей. Таким образом можно компенсировать различные искривления ВД по всей ее длине, а также погрешности некоторых параметров МТЛ. Кроме того, такой подход позволяет расширить диапазон неноминальных скоростей «бесшумового» воспроизведения ВМ, т.к. появляется возможность изменять угол наклона МЛ относительно ВГна большую величину.