CN102744524B

CN102744524B - 振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整装置及方法

Info

Publication number: CN102744524B
Application number: CN201210261078.XA
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 方针; 余波
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: CETC 26 Research Institute
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN102744524A

Abstract

本发明公开了一种振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整装置及方法，包括工作平台、夹具、定位基柱和测量系统；测量系统包括三个激光位移传感器和数据处理及显示单元，三个激光位移传感器的光源线与其在激励罩外圆柱面上投影点的切线垂直，其中两个激光位移传感器的光源点连线与定位基柱轴线平行；第三个激光位移传感器的光源点与另外两个激光位移传感器其中一个的光源点在同一圆周上，该同一圆周的圆心在定位基柱轴线上，且两者光源线垂直相交于定位基柱中心轴上。本发明满足激励罩各项性能参数，降低工艺过程成本，工艺简单，操作方便，缩短刻蚀工艺时间，表面无划痕，大大提高激励罩电极刻蚀的成品率。

Description

振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整装置及方法

技术领域

本发明涉及激励罩平衡调整技术的改进，特别涉及卫星捷联惯性导航系统中振动陀螺仪激励罩电极刻蚀平衡调整装置及方法，属于振动陀螺仪技术领域。

背景技术

半球谐振陀螺具有稳定性好、寿命长、可靠性高、噪声低、抗核辐射、耐高冲击振动等特点外，还可以连续工作15年以上并保持要求的性能，被国际惯性技术界认为是各类捷联惯性系统中最理想的器件。

半球谐振陀螺主要由激励罩、谐振子和基座三部分组成。其中激励罩由熔融石英玻璃加工而成，通过镀膜方式使内外表面金属化，然后采取激光刻蚀技术使外圆柱面的对电极导通，其余电极绝缘电阻达到500MΩ以上，内表面形成16个离散电极，绝缘电阻达到500MΩ以上。在电极刻蚀之前，需要进行激励罩平衡调整。目前激励罩的平衡调整和电极刻蚀都是在同一工作平台上进行的，在工作平台上设有一垂直的定位基柱，激励罩通过夹具固定在工作平台上并套在定位基柱上，夹具既能实现对激励罩的夹持，又能实现激励罩在X、Y、Z三个方向的独立调整，X、Y方向在工作平台上，Z方向垂直于工作平台；平衡调整就是通过夹具在X、Y、Z三个方向对激励罩的调整，使激励罩与定位基柱轴线平行，同时与定位基柱同心。调整到位后，再对激励罩进行电极刻蚀。在激励罩的制作过程中，激励罩的平衡调整是电极刻蚀技术的难点，也是半球谐振陀螺中的关键技术之一。

现有的激励罩电极刻蚀前的调整方法是先将激励罩4通过夹具安装在分度头5上，用百分表6的敏感针头接触其外圆柱面上，利用分度头旋转180°左右，观测百分表值，根据指针的转动多少进行相应的平衡调整，然后再旋转分度头90°和270°左右，观测百分表值，根据指针的转动多少进行相应的平衡调整，保证激励罩和分度头尽量同心，激励罩端面保持水平。现有技术激励罩平衡调整示意图见图1，所用仪器涉及到百分表6和分度头5，通过旋转分度头，观察百分表的显示刻度，估算激励罩圆柱表面的同心度和平行情况，分度头每旋转一周，只能调整一点及其对电极的平衡情况，整个操作过程通过多次旋转分度头慢慢调整激励罩的平衡状况。由于激励罩内球面的刻蚀面积和外圆柱表的刻蚀线条闭合等性能的影响，导致激励罩在刻蚀工艺中存在以下缺点：

1、激励罩刻蚀前平衡调整时，只有一个观察点，通过多次旋转分度头进行调整，且一个激励罩一般要进行多次多角度的调整，工艺繁琐，效率较低。

2、百分表的敏感针头接触激励罩的外圆柱面，在分度头旋转时，会划伤表面的金属膜层，影响表面的导通情况和金属粉尘多余物的产生。

3、平衡调整时，百分表度数和旋转角度等存在较大的误差，导致调整结果不准确，成功率不高和工艺反复的现象。

外圆柱面的电路布线绕行一周的线条闭合误差较大，甚至不能闭合，导致导通电阻不导通，相邻绝缘电阻不绝缘的现象；内球面刻蚀的16个离散电极的几何图形分布不均匀、面积不一致，导致半球陀螺速率范围减小、噪声增加、零偏不稳定等现象发生。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就是提供一种振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整装置及方法，本发明调整工艺简单，缩短刻蚀工艺时间，表面无划痕，精度和成品率都大大提高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整装置，包括工作平台、设于工作平台上兼起平衡调整的夹具、设于工作平台上对激励罩定位的定位基柱和测量激励罩平衡状态的测量系统；所述测量系统包括三个激光位移传感器和用于接收三个激光位移传感器输出的数据处理及显示单元，三个激光位移传感器分别用于测量其与激励罩外圆柱面的距离，三个激光位移传感器的光源线与其在激励罩外圆柱面上投影点的切线垂直，其中两个激光位移传感器的光源点连线与定位基柱轴线平行；第三个激光位移传感器的光源点与另外两个激光位移传感器其中一个的光源点在同一圆周上，该同一圆周的圆心在定位基柱轴线上，且两者光源线垂直相交于定位基柱中心轴上。

进一步地，所述三个激光位移传感器完全相同，且其感测头与待调整激励罩的外圆柱面的距离为80±0.5mm。

一种振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整方法，平衡调整步骤为：

1）将激励罩通过夹具安装在工作平台上并套在定位基柱上；

2）利用两个光源点连线与定位基柱轴线平行的激光位移传感器分别测量激光位移传感器与激励罩外圆柱面的距离；若两激光位移传感器与激励罩外圆柱面的距离相等，表明激励罩轴线与定位基柱轴线平行，此时直接进入第4）步，否则进入第3）步；

3）通过夹具对激励罩倾斜角度进行调整，直到第2）步中两激光位移传感器与激励罩外圆柱面的距离相等；

4）利用两个激光位移传感器分别测量激光位移传感器与激励罩外圆柱面的距离，其中一个激光位移传感器为第2）步中的某一个激光位移传感器，该两个激光位移传感器的光源点在同一圆周上，该同一圆周的圆心在定位基柱轴线上，且两者光源线垂直相交于定位基柱中心轴上；距离测量好后作为初始值记录下来，然后旋转工作平台180°，再分别测量两激光位移传感器与激励罩外圆柱面的距离并作为比较值记录下来；将比较值与初始值比对，若工作平台旋转前后两激光位移传感器各自对应的距离值相等，表明激励罩与定位基柱同心，此时即完成激励罩电极刻蚀平衡调整；否则进入第5）步；

5）通过夹具使激励罩分别沿X、Y轴方向平移以调整激励罩与定位基柱的同心度，然后再次旋转工作平台180°，如果工作平台旋转前后两激光位移传感器各自对应的距离值相等，则表明激励罩调整到位；否则重复本步骤，直到工作平台旋转180°前后两激光位移传感器各自对应的距离值相等，此时即完成激励罩电极刻蚀平衡调整。

本电极刻蚀平衡调整方法中，所有激光位移传感器分别与数据处理及显示单元连接，由数据处理及显示单元接收激光位移传感器输出的距离信息并进行分析比较，再将夹具需要对激励罩进行调整的方向和调整值显示出来以指导调整，使夹具调整更方便和容易。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、整个平衡调整采用一体化，自动化实施数据采集，并根据采集数据分析比对，给出具体调整方式与方法，工艺简单，操作方便，且刻蚀前的调整时间大大缩短。

2、采用激光位移传感器实现非接触式测试，产品表面无划痕，导通情况良好，没有金属粉尘产生。

3、平行调整与同心度调整精度都达到μm级，一致性好，所有产品无须重新调整和无工艺反复现象，精确性和成品率高。

4、外圆柱面绕行一周的布线闭合完整，对电极导通电阻较低，相邻绝缘电阻全部达到500MΩ以上；内球面刻蚀的16个离散电极的几何图形分布均匀、面积一致性良好，没有出现因离散电极引起半球陀螺的误差和误差补偿等现象发生。

总之，本发明满足激励罩的各项性能参数，降低整个工艺过程成本，工艺简单，操作方便，缩短刻蚀工艺时间，大大提高激励罩的电极刻蚀的成品率。

附图说明

图1是现有技术激励罩平衡调整示意图。

图2是本发明激励罩平衡调整原理图。

图3是本发明激励罩平衡调整示意图。

其中，1-第一激光位移传感器；2-第二激光位移传感器；3-第三激光位移传感器；11-第一激光位移传感器光源；21-第二激光位移传感器光源；31-第三激光位移传感器光源；4-激励罩；5-分度头；6-百分表；7-工作平台中心对称轴；8-夹具。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整装置，包括工作平台、设于工作平台上兼起平衡调整的夹具、设于工作平台上对激励罩定位的定位基柱和测量激励罩平衡状态的测量系统。所述测量系统包括三个激光位移传感器和用于接收三个激光位移传感器输出的数据处理及显示单元，三个激光位移传感器分别用于测量其与激励罩外圆柱面的距离，三个激光位移传感器的光源线与其在激励罩外圆柱面上投影点的切线垂直，其中两个激光位移传感器的光源点连线与定位基柱轴线平行。第三个激光位移传感器的光源点与另外两个激光位移传感器其中一个的光源点在同一圆周上，该同一圆周的圆心在定位基柱轴线上，且两者光源线垂直相交于定位基柱中心轴上。

三个激光位移传感器完全相同，且其感测头与待调整激励罩的外圆柱面的距离为80±0.5mm，确保感应距离在有效测量范围内。

本发明所涉及的振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整方法，采用非接触式激光位移传感器与数据处理及显示单元相结合，通过可调夹具安装激励罩在工作平台上进行电极分割前的平衡调整，其具体步骤如下:

1. 激光位移传感器的安装，见图2：

本发明采用非接触式位移测试原理，利用三个激光位移传感器（分别称为第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2和第三激光位移传感器3）测试传感器与激励罩4外圆柱面的距离，传感器的感测头与激励罩4的外圆柱面的距离保持在80±0.5mm的圆周范围内，确保感应距离在有效测量范围内，各光源线与其在圆柱面上投影点的切线垂直，其中第一和第二激光位移传感器平行重叠安装，其激光光源点连成的线与定位基柱轴线平行。同时第三激光位移传感器3与第一激光位移传感器1的光源点在同一圆周上，该同一圆周的圆心在定位基柱轴线上，且两者光源线垂直相交于定位基柱中心轴上；保证激励罩X、Y、Z方向上能够通过三个传感器数据的测试与比对，时时了解激励罩是否调整平衡。图中标号11为第一激光位移传感器光源，标号21为第二激光位移传感器光源，标号31为第三激光位移传感器光源，标号7为工作平台中心对称轴，也即定位基柱轴线。

2. 平衡调整测试：

（1）平行调整

三个传感器位置固定好后，将激励罩4通过夹具8安装在工作平台上并套在定位基柱上。数据处理及显示单元显示三个传感器光源到激励罩外圆柱面的距离。观察第一、第二激光位移传感器的测试值，显示激励罩轴线是否与定位基柱轴线平行（也即激励罩端面是否与工作平台平行），若系统界面显示二者值不相等，说明激励罩基准与工作平台基准不平行，存在一定的误差，且测试系统显示激励罩工装夹具的调整方向和调整值，根据界面提示，通过工装夹具调整激励罩倾斜度使第一和第二激光位移传感器的测试值相等，保障激励罩端面与工作平台平行，即可进行后面的同心度调整。

（2）同心度调整

确定激励罩端面与工作平台平行后，再调整激励罩与工作平台的同心度。观察第一和第三激光位移传感器（等效坐标轴的X、Y轴）的测试值，测试系统记录初始值，然后通过转台控制系统，旋转工作平台180°，测试系统显示目前测试值，并通过与初始值分析比对，分别显示激励罩在X、Y轴位置的调整方向和调整值，根据系统显示界面提示，通过工装夹具调整激励罩与工作平台的同心度，然后再次通过转台控制系统旋转工作平台180°，如果第一和第三激光位移传感器的前后测试值相等，则显示激励罩调整到位，若还有少量误差，继续通过上述方法进行调整，直到工作平台旋转180°前后第一和第三激光位移传感器传感器的测试值没有变化。此时即完成激励罩电极刻蚀平衡调整。

图2是本发明激励罩平衡调整原理图，采用三个同类型号的非接触式激光位移传感器1、2、3，将工作平台的转台控制系统和激光位移传感器测试系统优化组合成激励罩激光平衡调整测试系统，通过系统对激光位移传感器的测试值和要求的结果值进行分析比对，给出指导性调整措施和指导结果，保证定位基柱中心对称轴和激励罩中心对称轴重合。

图3是本发明激励罩平衡调整示意图，其包括激光位移传感器的安装调试，以及具体的软件系统的测试实施。现有技术的平衡调整方式的调试时间为20～30min，激励罩与工作平台的平行度为0.01～0.05mm，同心度为0.01～0.05mm，外圆柱表面有较深的划痕；而本发明平衡调整方式的调试时间为2～4min，激励罩与工作平台的平行度为≤0.003mm，同心度为≤0.003mm，一致性良好，且外圆柱表面无划痕。采用本发明的平衡调整方法调试出的激励罩电极刻蚀完全能够满足陀螺精度和工程应用的要求。

本发明的创新点在于对激励罩是否平行和同心的判断上，即通过三个激光位移传感器非接触式的测量来判断激励罩是否与定位基柱平行和同心，并且通过测试软件能够直观地得到该向X、Y、Z那个方向进行调整，至于具体的调整过程和现有技术完全一样。本发明边调整边观看显示器（显示器显示调整方向和调整值），故能够一次调整到位，避免反复调整，反复测量，效率高，精度好。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整方法，其特征在于，平衡调整步骤为：

1）将激励罩通过夹具安装在工作平台上并套在定位基柱上；

2.根据权利要求1所述的振动陀螺激励罩电极刻蚀平衡调整方法，其特征在于，所有激光位移传感器分别与数据处理及显示单元连接，由数据处理及显示单元接收激光位移传感器输出的距离信息并进行分析比较，再将夹具需要对激励罩进行调整的方向和调整值显示出来以指导调整。