[發(fā)明專利]一種微殼體振動陀螺諧振結(jié)構(gòu)加工方法及成型模具

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211335730.8
• 申請日: 2022-10-28
• 公開（公告）號: CN115628731A
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧坤;肖定邦;石巖;席翔;張勇猛;吳學(xué)忠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G01C19/5691
• 分類號: G01C19/5691
• 代理公司: 長沙國科天河知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 43225
• 代理人: 趙小龍

本發(fā)明屬于微殼體振動陀螺諧振結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域，具體是涉及到一種微殼體振動陀螺諧振結(jié)構(gòu)加工方法，包括如下步驟：S1、將基材置于成型空腔之上，基材上呈圓形陣列排布的n個配合孔與成型空腔上呈環(huán)形陣列排布的n個定位銷一一配合，其中，n等于8的倍數(shù)；S2、將基材加熱設(shè)定時間，同時對所述成型空腔抽真空；S3、取出未完全成型的基材，將基材旋轉(zhuǎn)360°/n，再次將基材置于成型空腔之上，且n個配合孔和n個定位銷一一配合；S4、重復(fù)S2和S3共n次，得到微殼體曲面結(jié)構(gòu)，采用本發(fā)明所提供的方法制得的微殼體曲面結(jié)構(gòu)，采用分步驟吹制加工，實(shí)現(xiàn)低階諧波誤差的倍頻轉(zhuǎn)化，可將4次諧波誤差轉(zhuǎn)化為幅值更小的高階諧波分量，有效減小陀螺的頻率裂解。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微殼體振動陀螺諧振結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域，具體是涉及到一種微殼體振動陀螺諧振結(jié)構(gòu)加工方法及成型模具。

背景技術(shù)

陀螺儀是檢測載體平臺相對于慣性空間旋轉(zhuǎn)角速度或角度的傳感器，是慣性導(dǎo)航與姿態(tài)測量系統(tǒng)的核心器件之一，在無人平臺、機(jī)器人、工業(yè)探測、武器裝備等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價值。隨著上述應(yīng)用平臺的微小型化發(fā)展，對具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)的高性能微機(jī)電陀螺提出了迫切需求。微殼體振動陀螺是在傳統(tǒng)大半球陀螺的基礎(chǔ)上發(fā)展形成，采用三維成形工藝制造，可基于高品質(zhì)的熔融石英材料加工。因而，微殼體振動陀螺品質(zhì)因數(shù)可達(dá)百萬量級，是導(dǎo)航級微機(jī)電陀螺的理想方案之一。

微殼體振動陀螺本質(zhì)上是一種固體波動式微機(jī)械振動陀螺，基于哥氏力效應(yīng)檢測角速度的輸入。微殼體振動陀螺工作在模態(tài)匹配狀態(tài)，其驅(qū)動模態(tài)(如圖1所示)與檢測模態(tài)(如圖2所示)均為n＝2“酒杯狀”模態(tài)，兩個模態(tài)相同且振型軸正交。陀螺工作時，驅(qū)動電極施加固定頻率的正弦電壓，激勵諧振結(jié)構(gòu)工作在驅(qū)動模態(tài)即主模態(tài)；當(dāng)有外界角速度輸入時，在驅(qū)動模態(tài)相隔45°方向上會激勵出檢測模態(tài)，通過解調(diào)檢測模態(tài)振幅的大小即可計(jì)算出輸入角速度大小。根據(jù)模態(tài)匹配振動陀螺的基本理論，微殼體振動陀螺的頻率裂解(即驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的頻率差值)會降低陀螺的靈敏度，從而極大地制約陀螺性能提升，在閉環(huán)工作模式下陀螺的靈敏度表達(dá)式為式(1)；

其中，ω_x、ω_y分別表示驅(qū)動與檢測模態(tài)諧振頻率，Q_x、Q_y分別表示驅(qū)動與檢測模態(tài)品質(zhì)因數(shù)，Ag為角度增益，F(xiàn)_x為陀螺驅(qū)動力，M_eff為陀螺等效質(zhì)量。

由此可見，當(dāng)驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)諧振頻率完全匹配時，陀螺具有最大機(jī)械靈敏度；而當(dāng)存在頻率裂解時，陀螺的靈敏度將顯著降低。已有報(bào)道資料表明(《固體波動陀螺》等著作、論文)，殼體振動陀螺結(jié)構(gòu)的4次諧波誤差是導(dǎo)致陀螺產(chǎn)生頻率裂解的主導(dǎo)因素。因此，要減小陀螺的初始頻率裂解，關(guān)鍵是要抑制微殼體曲面結(jié)構(gòu)的4次諧波誤差。

熔融石英微殼體振動陀螺可采用高溫軟化成形方法(如圖3所示)加工，具有加工時間短、效率高、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。熔融石英微殼體振動陀螺制造的巨大挑戰(zhàn)是，難以加工高對稱的微殼體曲面結(jié)構(gòu)，曲面結(jié)構(gòu)的不對稱將導(dǎo)致陀螺產(chǎn)生頻率裂解對于傳統(tǒng)半球諧振陀螺，為了抑制半球曲面殼體結(jié)構(gòu)的頻率裂解，主要是在微曲面結(jié)構(gòu)加工完成之后采用精密機(jī)械修調(diào)的方法，通過質(zhì)量平衡的手段來實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配。但由于微殼體振動陀螺結(jié)構(gòu)尺寸顯著減小，微殼體振動陀螺頻率修調(diào)方法較為復(fù)雜，修調(diào)效率較低。