CN101846517B - 杯形波动陀螺的杯形谐振子的机械平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陀螺仪的谐振子及其平衡方法，具体公开了一种杯形波动陀螺的杯形谐振子及其机械平衡方法，该杯形谐振子包括一侧壁和固接于侧壁底部的底盘，侧壁包括上部的谐振环和下部的传振部，底盘中心设有一安装底座，谐振环顶部沿圆周方向均匀布设有修形槽，底盘上均匀布设有修形孔，其平衡方法为：先对谐振子进行静平衡调节，使其质心与理想中心轴相重合；然后对谐振环进行修形，使谐振子的频率差值减小到一误差范围内；再对谐振子的底盘进行再修形，使其频率差值减小到期望值范围内；最后对谐振子的底盘进行终修形，使其振型与期望方向一致。本发明的谐振子及其机械平衡方法具有操作简单、加工方便、精度高、效率高、成本小等优点。

Description

杯形波动陀螺的杯形谐振子的机械平衡方法

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪的谐振子及其平衡方法，尤其涉及一种固体波动陀螺的谐振子及其谐振频率、振型的调节方法。

背景技术

杯形波动陀螺是一种新型固体波动陀螺，利用杯形结构中弹性波的惯性效应实现角速动测量。杯形波动陀螺具有固体波动陀螺特有的精度高、能耗小、准备时间短、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点，发展和应用前景极为广阔。

杯形波动陀螺的工作原理为：给其谐振子底面相互垂直的四个压电激励电极施加交流电压，由逆压电效应产生的电极振动通过传振结构传递到谐振环，激励出如图1所示的谐振子的驱动模态，由图1可见，谐振子的驱动模态为环向波数为2的驻波，其中波腹点处的振幅最大，波节点处的振幅为零，波腹点连线构成固有刚性轴系；当有轴向角速度输入时，谐振环在哥氏力的作用下产生如图2所示的另一固有刚性轴系的检测模态振动，谐振环检测模态下的振动通过传振结构传递到相互垂直的四个压电敏感电极，由压电效应产生的敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。

然而，在杯形波动陀螺的制造过程中，杯形波动陀螺谐振子的加工误差会导致谐振子的振型偏移和固有频率裂解，这直接影响了杯形波动陀螺的精度及灵敏度。因此，在其谐振子制造完成之后，通常需要对谐振子进行平衡调节，这种工作将延长产品制造周期，增加成本。传统的普通谐振子调平是在谐振子的边缘去除一定质量的振动部分材料，修形手段比较单一，对修形设备的要求极高，且谐振子需要调节的频率差值越小，对去除的材料量要求越少，操作难度大，调节时间长，经济性不好；而对于杯形谐振子的平衡方法尚在研究之中，未见有相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、适于对谐振频率及振型精细调节的杯形波动陀螺的杯形谐振子，还提供一种操作简单、加工方便、精度高、效率高、成本小的杯形波动陀螺的杯形谐振子的机械平衡方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种杯形波动陀螺的杯形谐振子，所述杯形谐振子包括一圆筒形侧壁和固接于侧壁底部的圆形底盘，所述侧壁包括上部的谐振环和下部的传振部，所述底盘中心设有一安装底座，所述谐振环顶部沿圆周方向均匀布设有若干个修形槽(修形槽的数量一般为8的倍数)，所述安装底座外围的底盘上均匀布设有若干个修形孔(修形孔的数量一般为8的倍数)。所述修形槽和修形孔的数量并无严格要求，本领域人员可根据不同杯形谐振子的形状、尺寸及加工难度和加工成本的要求，自行确定修形槽和修形孔的数量，比较常用的开孔(槽)数量可以为8个、16个或32个等等。

上述杯形波动陀螺的杯形谐振子的工作原理为：所述谐振环通过传振部与底盘相连接，在底盘的相邻两个修形孔之间贴有压电电极，激励压电电极的振动通过传振部传递到谐振环，激励谐振环在工作模态谐振，谐振环的振动也通过传振部传递到底盘的检测压电电极。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种针对上述杯形波动陀螺的杯形谐振子的机械平衡方法，包括以下步骤：首先，对所述杯形谐振子进行静平衡调节，使该杯形谐振子的质心与杯形谐振子的理想中心轴相重合；然后，对所述杯形谐振子的谐振环进行修形，使杯形谐振子的工作模态频率差值减小到可通过后续的底盘再修形进行调节的误差范围内；再对所述杯形谐振子的底盘进行再修形，使杯形谐振子的频率差值进一步减小到期望值范围内；最后，通过对所述杯形谐振子的底盘进行终修形，使杯形谐振子的振型与期望方向一致。可见，本发明的机械平衡方法是一种谐振环修形与底盘修形相结合的机械平衡方法。

上述的机械平衡方法中，所述静平衡调节是选择在杯形谐振子底盘的修形孔处进行扩孔操作，以确保杯形谐振子的质心在理想中心轴上。所述静平衡调节的具体操作优选是：根据所述杯形谐振子的质心偏移情况，对所述底盘上的不同修形孔进行扩孔操作。需要选择修形的修形孔的数量与位置将依据杯形谐振子的质心偏移情况而定，质心偏移越大，可能需要的修形量越多。值得提及的是，所述安装底座主要起安装固定作用，其并不是杯形波动陀螺的有效振动部分，因此不应将安装底座计算在杯形谐振子的有效总重量中。对修形孔进行修形的方法并不仅限于上述优选的扩孔操作，其实也可以是以其他一些不规则形状去除材料，但这可能会带来修形成本上的增加。

上述的机械平衡方法中，所述对谐振环进行修形是指选择在谐振环边缘的修形槽处去除材料，达到初步调节频率差值的目的。对所述谐振环进行修形的具体操作优选是：根据沿不同谐振轴工作模态间的频率差值，选择对大刚度谐振轴两侧的修形槽进行去除材料。所述可通过后续的底盘再修形进行调节的误差范围优选是指工作模态频率差值减小到10-2Hz数量级范围内(例如0.02Hz以下，这个范围可能会因谐振子尺寸的不同而略有差别)。一般来说，增加某个修形槽的深度，将引起该修形槽一侧刚度的减弱。例如，如图3所示，杯形谐振子的两个模态沿M1轴与M2轴谐振，两个模态之间存在一定频率差值Δ，在M1轴两侧的四个修形槽(图3中黑色方块所在位置的修形槽)中去除质量后，杯形谐振子沿M1轴方向的刚度将减弱，频率差值将变为Δ′；因此，通过在杯形谐振子大刚度轴两侧的修形槽不断进行修形，谐振频率差可以达到一个较小值(比如0.01Hz以下)。

上述的机械平衡方法中，所述对底盘进行再修形是在谐振环修形之后进行的操作，该操作将进一步减小杯形波动陀螺谐振频率差值。底盘再修形的操作类似于上述的静平衡调节操作，但应注意到这种底盘再修形不应破坏静平衡。对所述底盘进行再修形的具体操作优选是：根据沿不同谐振轴工作模态间的频率差值，选择对大刚度谐振轴两侧的修形孔进行扩孔操作(去除材料使孔直径增加)，直至所述的频率差值减小到期望值。所述期望值范围优选是指杯形谐振子的频率差值减小到10-2Hz数量级范围内(例如0.005Hz以下，这个范围可能会因谐振子尺寸的不同而略有差别)。例如，如图4所示，选择对M1′轴两侧的四个修形孔(图4中灰色圆圈所在位置的修形孔)进行修形，可以细微地影响M1′轴向的刚度，因此可以起到精细调节频率差值的作用。之所以在谐振环修形后选择此种方式进行频率差值的微量调节，而不是继续在谐振环进行修形处理，其原因在于杯形谐振子的谐振频率对底盘质量变化的敏感程度远不如谐振环部质量的变化。换句话说，在去除相同质量材料的情况下，对底盘进行再修形起到了微调的作用，该作用原理可以从图5和图6所示的对比实验数据中得到佐证(图中的实线和虚线分别表示不同的两条谐振轴)。图5、图6的实验对象为直径25mm的杯形谐振子，其修形槽宽1mm，槽深0.5mm，修形孔直径4.5mm；在去除相同体积材料的情况下，对修形槽进行修形的频率变化(见图5)比对修形孔进行修形的频率变化(见图6)要快得多，其中对修形槽进行修形的频率变化在10Hz级，而对修形孔进行修形的频率变化在0.1Hz级，相差两个数量级。

上述的机械平衡方法中，所述对底盘进行终修形是指对杯形谐振子底盘上的修形孔去除材料，将杯形波动陀螺的振型调至理想位置。所述对底盘进行终修形的操作是上述对底盘进行再修形操作的延续，对底盘进行再修形时由于关注的是频率误差，因此可能只需要对谐振轴两侧的修形孔进行扩孔操作即可，而对谐振子底盘进行终修形时由于关注的是方向调整，可能只需要对谐振轴一侧的修形孔进行扩孔操作即可。对于高精度的杯形波动陀螺，保证杯形谐振子振型的准确是十分重要的，同时不宜过多的去除材料，这可能会导致不能接受的频率变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的机械平衡方法可靠简单，其实现了谐振子的谐振环修形与底盘修形的有机统一。谐振环修形频率变化快，使其作为粗修形手段(初步修形手段)；底盘修形频率变化慢，使其作为精修形手段；谐振环修形效率高，底盘修形的精度高，将两种修形操作相结合用于对杯形谐振子进行修形，不仅提高了修形效率，而且保证了修形的精度。本发明的机械平衡方法操作灵活，使用者可以选择多种设备作为修形手段，比如线切割、电火花加工等，为生产加工带来了极大方便。此外，本发明的杯形谐振子及其相应的机械平衡方法经济效益高，采用本发明的方法修形，极大程度地避免了废品的产生，即使加工误差较大的杯形谐振子，通过本发明的调平和修形也能够达到很高的精度。

附图说明

图1为杯形波动陀螺的杯形谐振子的驱动模态示意图。

图2为杯形波动陀螺的杯形谐振子的检测模态示意图。

图3为本发明的机械平衡方法中对谐振环进行修形的操作示意图。

图4为本发明的机械平衡方法中对底盘进行再修形的操作示意图。

图5为本发明的机械平衡方法中对修形槽进行修形的谐振子频率变化图。

图6为本发明的机械平衡方法中对修形孔进行修形的谐振子频率变化图。

图7为本发明实施例中的杯形谐振子的俯视图。

图8为图7中A-A处的剖视图。

图9为本发明实施例中杯形谐振子的修形槽和修形孔的编号示意图。

图例说明：

1、侧壁；11、谐振环；12、传振部；2、底盘；21、安装底座；3、修形槽；4、修形孔；5、压电电极

具体实施方式

实施例：

一种如图7、图8所示的本发明的杯形波动陀螺的杯形谐振子，杯形谐振子包括一圆筒形侧壁1和固接于侧壁1(侧壁的高度为10mm)底部的圆形底盘2(底盘的直径为25mm)，侧壁1包括上部的谐振环11和下部的传振部12，底盘2中心设有一安装底座21，谐振环11通过传振部12与底盘2相连接。谐振环11顶部沿圆周方向均匀布设有十六个修形槽3(槽宽1mm槽深0.5mm)，安装底座21外围的底盘2上均匀布设有八个修形孔4(修形孔的直径为4.5mm)。在底盘2的相邻两个修形孔4之间贴有压电电极5，激励压电电极的振动通过传振部传递到谐振环，激励谐振环在工作模态谐振，谐振环11的振动也通过传振部12传递到底盘2的压电电极5。

一种上述杯形波动陀螺的杯形谐振子的机械平衡方法，为了方便描述，现已对本实施例杯形谐振子的修形槽和修形孔进行了如图9所示的编号(即修形槽3沿顺时针方向依次按1～16进行编号，修形孔4沿顺时针方向依次按a～h进行编号)，包括以下步骤：

1、静平衡调节：首先，根据本实施例杯形谐振子的质心偏移情况(质心：x向偏0.042mm，y向偏0.0018mm)，对底盘2上的若干个修形孔4进行扩孔操作，具体选择的修形孔位置及修形量如下表1所示：

表1：本实施例步骤1的修形操作参数调整表

注：上表1中括号内的数字表示相对应的去除材料的质量，单位为mg。

由上表1可见，本步骤中进行过修形的修形孔有a#～d#修形孔，通过对杯形谐振子进行静平衡调节，使该杯形谐振子的质心与杯形谐振子的理想中心轴相重合；

2、谐振环进行修形：根据沿不同谐振轴工作模态间的频率差值，选择对大刚度谐振轴两侧的修形槽进行去除材料，具体选择的修形槽位置及修形量如下表2所示：

表2：本实施例步骤2的修形操作参数调整表

注：上表2中1～16栏分别表示1#～16#修形槽的槽深，其中括号内的数字表示相对应的去除材料的质量，单位为μg。

由上表2可见，本步骤中共进行过五轮修形槽的修形，每一轮修形都涉及两条谐振轴和八个修形槽，且所涉修形槽均位于谐振轴两侧，通过上述五轮的谐振环修形使杯形谐振子的工作模态频率差值减小到10^-2Hz数量级范围内；

3、底盘进行再修形：根据沿不同谐振轴工作模态间的频率差值，选择对大刚度谐振轴两侧的修形孔4进行扩孔操作，具体选择的修形孔位置及修形量如下表3所示：

表3：本实施例步骤3和步骤4的修形操作参数调整表

注：上表3中括号内的数字表示相对应的去除材料的质量，单位为mg。

由上表3可见，本步骤中进行过修形的修形孔有a#、d#、e#和h#修形孔，这四个修形孔同样分布于一谐振轴两侧，通过对底盘进行再修形，使杯形谐振子的频率差值进一步减小到期望值10^-3Hz数量级范围内；

4、底盘进行终修形：通过对所述杯形谐振子的底盘进行终修形，使杯形谐振子的振型与期望方向一致。对底盘进行终修形是上述对底盘进行再修形操作的延续，对谐振子底盘进行终修形时由于关注的是方向调整，因此只需要对谐振轴两侧的a#和e#修形孔进行扩孔操作即可(见上表3)。

Claims (1)

1.一种杯形波动陀螺的杯形谐振子的机械平衡方法，所述杯形谐振子包括一圆筒形侧壁和固接于侧壁底部的圆形底盘，所述侧壁包括上部的谐振环和下部的传振部，所述底盘中心设有一安装底座，所述谐振环顶部沿圆周方向均匀布设有若干个修形槽，所述安装底座外围的底盘上均匀布设有若干个修形孔，其机械平衡方法包括以下步骤：

首先，对所述杯形谐振子进行静平衡调节，使该杯形谐振子的质心与杯形谐振子的理想中心轴相重合；所述静平衡调节的具体操作是：根据所述杯形谐振子的质心偏移情况，对所述底盘上的不同修形孔进行扩孔操作；

然后，对所述杯形谐振子的谐振环进行修形，使杯形谐振子的工作模态频率差值减小到10^-2Hz数量级范围内；对所述谐振环进行修形的具体操作是：根据沿不同谐振轴工作模态间的频率差值，选择对大刚度谐振轴两侧的修形槽进行去除材料；

再对所述杯形谐振子的底盘进行再修形，使杯形谐振子的频率差值进一步减小到10^-3Hz数量级范围内；对所述底盘进行再修形的具体操作是根据沿不同谐振轴工作模态间的频率差值，选择对大刚度谐振轴两侧的修形孔进行扩孔操作；

最后，通过对所述杯形谐振子的底盘进行终修形，使杯形谐振子的振型与期望方向一致。

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