石英半球谐振子精密加工技术探讨

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固体振动陀螺，应用前景广阔。作为半球谐振陀螺的核心零件，石英半球谐振子壁薄、形状复杂、对加工精度要求高、制造难度大，而这些因素是制约半球谐振陀螺研制的主要瓶颈。结合半球谐振陀螺的技术发展，分析了半球谐振陀螺的结构类型和特点，介绍了石英半球谐振子的粗磨成型、精密磨削、研磨抛光、化学腐蚀、质量调平、表面镀膜等加工方法及研究进展，提出了未来半球谐振陀螺的研究重点和建议。     

半球陀螺谐振子环向振型进动特性研究

基于半球谐振子的实际加工结构特征,为降低维持半球谐振陀螺振动所需的能量损耗,建立半球谐振陀螺能量型谐振子数学模型,并研究半球谐振子绕中心轴旋转时环向振型的变化规律;通过分析半球谐振子顶端角、底端角和壁厚的非理想性对进动因子的影响,确定半球壳体旋转时应选取的最佳振型与进动因子。采用ANSYS软件构建一系列模型,验证有关理论研究结果。通过计算仿真分析可知,半球谐振子进动因子对顶端角变化的敏感性远大于对底端角变化的敏感性,且顶端角变化引起的角速度误差远大于相同底端角变化引起的角速度误差,为半球谐振陀螺的谐振子加工研制提供了理论依据。     

一种半球谐振陀螺谐振子动力学建模方法

准确完备的半球谐振陀螺（HRG）谐振子动力学模型是陀螺误差分析的基础。为建立半球壳谐振子动力学模型,基于弹性力学薄壳理论,提出了一种谐振子动力学建模方法。首先,在薄壳的弹性力学几何方程基础上,推导了半球壳谐振子的变形几何方程。其次,在提高受力分析计算精度的基础上,推导了半球壳谐振子的物理方程。然后,分析了谐振子中面的受力平衡关系,推导了谐振子的平衡微分方程。最后,基于以上对整个谐振子的动力学分析,建立了谐振子动力学方程。根据谐振子的不同外载荷形式,利用布勃诺夫-伽辽金法求解得到谐振子2阶谐振状态动力学模型,并得到了谐振子比例系数和2阶谐振频率的表达式。通过对比验证可以看出,参数计算值与实测数据结果一致,证明了所建立的动力学模型的准确性。     

半球谐振陀螺研究现状与发展趋势

半球谐振陀螺是基于哥氏效应测量角速度的新型固态陀螺,具有结构简单、精度高、功耗低、寿命长、可靠性好、抗空间辐射等优点,是捷联惯性导航系统的理想陀螺仪,在宇航领域具有独特的应用优势。半球谐振陀螺的理论精度不受量子尺寸效应限制,是高精度、微型化陀螺的重要发展方向之一。首先介绍了半球谐振陀螺的基本工作原理,其次介绍了半球谐振陀螺的发展历程,综述了半球谐振陀螺的国内外研究现状,最后对半球谐振陀螺的发展趋势进行了展望。     

金属壳谐振子研究进展

金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺,具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点,可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质,而且具有抗高过载、量程大的特点,这是其他类型陀螺所不具备的。作为金属壳谐振陀螺的核心部件,金属壳谐振子的性能至关重要。结合金属壳谐振陀螺综述了金属壳谐振子的研究进展,从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论,并指出了金属壳谐振陀螺及其谐振子的发展趋势。     

半球谐振陀螺质量不均匀性调平技术研究综述

半球谐振陀螺是具有精度高、质量小、寿命长等特点的新型固态陀螺,在航海、航空、航天等领域有着广泛应用前景。半球谐振陀螺的质量不均匀性调平技术是制造高精度半球谐振陀螺的关键技术。针对半球谐振陀螺质量不均匀性调平技术,首先对谐振子性能影响最大的四次谐波缺陷辨识方法及其关键性能指标发展现状进行了分析;其次,对影响谐振子性能的一次、二次、三次谐波缺陷辨识方法进行了归纳梳理;然后,总结分析了谐振子四类调平工艺——传统机械加工、化学刻蚀、激光刻蚀和离子束刻蚀的工艺方法及特点;最后,展望了谐振子调平技术待解决的问题及未来研究的重点。     

序言

正回顾半球谐振陀螺技术发展历史,应该说,美国诺格公司(含台尔柯、利顿阶段)发明并发展了半球谐振陀螺,而法国萨基姆公司(后合并为赛峰公司)赋予了半球谐振陀螺新的发展空间和机遇。2000年前后,萨基姆公司提出平面电极两件套方案,并在此基础上先后突破了全角控制、参数自校准、谐振子批量制造等关键难题,针对陆海空天多个应用领域研制了典型产品,特别是2018年发布了精度可达1海里/5天的战略级惯导系统,以至于该公司信心满满的宣称半球谐振陀螺将改变惯性技术版图,并对其进行大力商业推广。这一系列动作和成果引人瞩目,美、俄以及我国近年来重新关注半球谐振陀螺技术的发展,并投入了极大的研究热情。     

半球谐振陀螺在平台惯性系统中的应用研究

半球谐振陀螺作为新型振动陀螺, 具有长寿命、长稳定期、高精度等优 点,能显著提高惯性系统的性能。讨论了半球谐振陀螺的特点,分析了其误差模型,研 究了半球谐振陀螺在平台惯性系统的应用技术和方法,重点介绍了基于半球谐振陀螺的 平台稳定回路、框架归零回路和调平锁定回路设计,并通过试验样机进行了试验验证。     

半球谐振陀螺精密集成组装技术探讨

半球谐振陀螺零件制造的高精度和对称性是保障产品性能指标的关键,当前制造技术的短板是制约半球谐振陀螺性能指标提升、高合格率和低成本制造,以及批量生产的主要原因之一,集成组装是半球谐振陀螺制造过程的关键环节。因此提出了面向半球谐振陀螺装配的"六心一线"目标,即半球谐振子几何球心、质量中心、谐振中心、激励罩的激励电极中心、读出基座输出检测中心以及形成的静电场中心必须做到同心、同轴,探讨了保证"六心一线"的集成装调技术,为保障半球谐振陀螺的装配精度、性能和装配合格率提供技术支持。     

半球谐振陀螺全角模式控制技术研究

介绍了半球谐振陀螺全角模式的工作机理及其技术特点。对全角模式下振型的控制进行了理论分析,采用乘法相干解调对陀螺振型参数进行提取,并采用参数激励方法对谐振子进行驱动和控制。设计了数字电路进行实验,结果表明该全角模式控制技术实现了半球谐振陀螺的角速率积分功能,能够0°～360°全角度敏感输出,测得的角速度测量值超过300(°)/s,角度测量线性度优于10~(-4),与传统的力平衡模式相比,半球谐振陀螺的动态特性得到大幅提升。     

Comparison of hemispherical resonator gyro and optical gyros

The basic design of the small hemispherical resonator gyro inertial and tactical grade sensors and associated electronics is described. To reduce the cost of the electronics and maintain part per million accuracy, emphasis has been placed on digital control and processing techniques. A comparison of the ring laser gyro, fiber optic gyro, and hemispherical resonator gyro sensors shows that the latter offer lower cost, smaller size, and higher reliability than their optical counterparts     

半球谐振陀螺信号检测与动态性能改进方法的研究

半球谐振陀螺是一种全新的固体陀螺,具有独特的结构和工作方式。针对 半球谐振陀螺信号的提取、检测与控制,提出了半球谐振陀螺信号检测的改进方法和自 主开发的力平衡控制电路系统,以及其动态性能指标的改善方法,实验结果表明了该技 术效果显著。研究可为半球谐振陀螺提供理论研究和工程应用参考。     

基于FPGA的FIR滤波器设计与实现

本文根据激光陀螺仪信号的解调原理,提出了一种利用数字信号处理技术并采用FPGA实现的解调方法。分析了FIR滤波器的工作原理,根据激光陀螺仪对滤波器的要求,给出了由FPGA设计实现FIR滤波器的基本原理,并利用IP核实现了FIR滤波器,满足了激光陀螺仪的需求。通过在国产激光陀螺仪上的应用,验证了方案的正确性。通过对激光陀螺仪脉冲计数的高速采样并利用数字滤波器处理,可以有效的消除抖动引起的信号噪声,得到所需要的惯性信息。采用FPGA设计实现,可以提高运算速度,并且可以缩短数据采样的延时。     

基于A3200控制器的超精密机床控制系统的设计与应用

以一种新型的运动控制器—A3200控制器为核心搭建了数控系统硬件平台,对控制器的控制函数及直接命令进行了研究,基于机床的需求开发了数控系统软件平台。同时,结合A3200控制器与伺服系统参数整定与优化方法,对伺服系统参数进行了整定和优化,提高了系统的精确性和稳定性。最后,对半球谐振子进行了加工试验,验证了数控系统的控制性能及加工精度。     

微型化半球陀螺制备工艺发展现状及趋势分析

因低噪声、高性能、无磨损的优势,半球陀螺已成为航空、航天领域内的最佳导航陀螺。半球陀螺的微型化是微机电陀螺领域的研究热点,全球各研究单位设计了多种形态的谐振器结构,开发了各具特色的加工工艺,其选用的材质也各不相同,并研制出了形态各异的微半球陀螺结构。对半球陀螺微型化的历程和方式进行了综述,着重对微型化半球陀螺壳体谐振器的结构形态、工艺制备方法和选材进行了对比和分析,并对各微型化途径的特点进行了讨论和展望。     

基于加工误差仿真的半球谐振子优化设计

针对半球谐振陀螺谐振子制造过程中存在的加工误差,采用有限元仿真,分析了半球谐振子结构参数、尺寸公差和形位公差变化对其工作模态频率和临近模态频率的影响,研究了半球谐振子形位公差变化对频率裂解和品质因数的影响。通过仿真分析可知,半球谐振子结构参数壁厚、半球中心半径及内倒角半径都会影响模态频率;半球谐振子形位公差中的内外球心距离误差对其工作模态影响较大,中心轴平行误差对频率裂解和品质因数影响较大;半球谐振子壁厚、内倒角半径、小柱半径及内外球心距离误差变化会使工作模态频率与相邻模态间存在干扰。在此基础上,提出了半球谐振子结构参数及形位公差优化设计建议,并通过半球谐振子品质因数Q值和频率裂解测量对该建议进行了验证。     

Motion equations of hemispherical resonator and analysis of frequency split caused by slight mass non-uniformity

The mass non-uniformity of hemispherical resonator is one of reasons for frequency split, and frequency split can cause gyroscope to drift. Therefore, it is of great significance to analyze the relationship between mass non-uniformity and frequency split, which can provide a theoretical basis for mass balance of imperfect resonator. The starting point of error mechanism analysis for gyroscope is the motion equations of resonator. Firstly, based on the Kirchhoff-Love hypothesis in the elastic thin shell theory, the geometric deformation equations of resonator are deduced. Secondly, the deformation energy equation of resonator is derived according to the vibration mode and relationship between the stress and strain of hemispherical thin shell. Thirdly, the kinetic energy equation of resonator is deduced by the Coriolis theorem. Finally, the motion equations of resonator are established by the Lagrange mechanics principle. The theoretical values of precession factor and natural frequency are calculated by the motion equations, which are substantially consistent with the ones by the finite element method and practical measurement, the errors are within a reasonable range. Simultaneously, the varying trend of natural frequency with respect to the geometrical and physical parameters of resonator by the motion equations is consistent with that by the finite element analysis. The above conclusions prove the correctness and rationality of motion equations. Similarly, the motion equations of resonator with mass non-uniformity are established by the same modeling method in case of ignoring the input angular rate and damping, and the state equations with respect to the velocity and displacement of vibration system are derived, then two natural frequencies are solved by the characteristic equation. It is concluded that one of reasons for frequency split is the 4th harmonic of mass non-uniformity, and thus much attention should be paid to minimizing the 4th harmonic of mass non-uniformity in the course of mass balancing for imperfect resonator.     

石英半球谐振子精密成型技术

石英半球谐振陀螺以其轻质、低功耗、长寿命、高可靠、应用精度范围宽、成本低等优势，引起了惯性技术界的瞩目。半球谐振陀螺的核心器件——石英半球谐振子的成型技术是当前的研究重点。经不断试验和摸索，以范成球面弹性展成为基础，通过均衡磨削原则、磨头最大包络原则和三阶段37道工序的精细优化工艺流程，较好地实现了高精度微应力硬脆石英谐振子异形薄壁件的成型，形成了专用的结构成型中心，为石英半球谐振陀螺的核心半球谐振子球壳成型开创了一条可行途径。