CN104111068B - 一种双光纤陀螺同轴装调方法 - Google Patents

一种双光纤陀螺同轴装调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双光纤陀螺同轴装调方法，通过构建光纤陀螺测量系统、建立光纤陀螺测量系统坐标系、定义光纤陀螺敏感轴在空间的各夹角、测量光纤陀螺的初始位置、标定光纤陀螺敏感轴OZ＇的位置、推导调节平面与光纤陀螺安装面的关系式、建立三维模型、计算垫片厚度，选择塞尺规格、加工垫片、装调光纤陀螺十步完成双光纤陀螺同轴的装调。光纤陀螺测量系统由主光纤陀螺（1）、备份光纤陀螺（2）、安装结构本体（3）组成。通过双光纤陀螺同轴的装调，解决使用备份光纤陀螺时给测量带来较大误差的问题。采用该方法装调完成的双光纤陀螺，能使标定出的角、。

Description

一种双光纤陀螺同轴装调方法
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺装调方法，特别是一种双光纤陀螺同轴装调方法。
背景技术
飞行器姿态控制系统是保证飞行器的关键系统，不仅在正常状态下系统要有足够的稳定裕度，而且在系统出现一度故障的情况下也要保证飞行器能稳定飞行。因此，飞行器姿态控制系统往往采取冗余设计。
采用主光纤陀螺、备份光纤陀螺同轴冗余设计时，当主光纤陀螺出现故障，可以采用备份光纤陀螺的输出数据。由于装配、机械加工、光纤环绕制工艺、测量等因素影响，两个光纤陀螺的敏感轴不可能完全同轴。由主光纤陀螺数据切换到备份光纤陀螺数据时，由于两个光纤陀螺不同轴，使用备份光纤陀螺时给测量带来较大误差。单纯通过结构件精密加工的方法来保证同轴，会使结构件的加工难度和加工成本极大提高，即使这样，也不能解决光纤环的绕制工艺带来的误差，仍不能满足高精度姿态控制系统的需要。
发明内容
本发明目的在于提供一种双光纤陀螺同轴装调方法，解决使用备份光纤陀螺时给测量带来较大误差的问题。
一种双光纤陀螺同轴装调方法的具体步骤为：
第一步构建光纤陀螺测量系统
光纤陀螺测量系统，包括：安装结构本体、主光纤陀螺、备份光纤陀螺。主光纤陀螺和备份光纤陀螺背靠背排列并分别与安装结构本体通过螺钉连接。
第二步建立光纤陀螺测量系统坐标系
以主光纤陀螺光纤环结构中心轴与主光纤陀螺安装面的交点为坐标原点O，沿光纤陀螺测量系统横轴方向向右为X轴，按照右手定则，垂直于X轴方向为Y轴，垂直于XY平面向外为Z轴。
第三步定义光纤陀螺敏感轴在空间的各夹角
定义光纤陀螺的敏感轴为OZ＇；
OZ＇在XZ平面的投影与Z轴的夹角为α，绕Y轴逆时针旋转，即投影在X轴的正方向时α＞0，绕Y轴顺时针旋转，即投影在X轴的负方向时α＜0；
OZ＇在YZ平面的投影与Z轴的夹角为β，绕X轴逆时针旋转，即投影在Y轴的正方向时β＞0,绕X轴顺时针旋转，即投影在Y轴的负方向时β＜0；
OZ＇与XY平面的夹角为A；
OZ＇在XY平面的投影与Y轴的夹角为B。
第四步测量主光纤陀螺和备份光纤陀螺的初始位置
将安装结构本体放在00级大理石平台上，在安装结构本体上安装主光纤陀螺，在主光纤陀螺的上端面选择两个测量点，并做标记。将杠杆千分尺的测微螺杆放在测量点Ⅰ上，调节微分筒使表盘上指针为0，再将测微螺杆放在测量点Ⅱ上，记录测量点Ⅱ的读数，完成主光纤陀螺的初始位置测量。用同样的方式测量备份光纤陀螺的初始位置。
第五步标定主光纤陀螺和备份光纤陀螺的敏感轴OZ＇的位置
将光纤陀螺测量系统安装在转台上，通过标定得到主光纤陀螺、备份光纤陀螺各自的角α和β。
第六步推导调节平面与光纤陀螺安装面的关系式
假设主光纤陀螺、备份光纤陀螺安装面下各有一调节平面，该平面使光纤陀螺的敏感轴OZ＇与坐标系OZ轴重合，从而实现两个光纤陀螺的敏感轴同轴。
以主光纤陀螺为例，确定调节平面。在OZ＇轴上选一点K，以OK为对角线，建立长方体模型，在长方体中有如下关系式：
OG＝OFcosB＝OKcosAcosB (1)
OF——OK在XY平面的投影
OG——OF在Y轴上的投影
OD——OK在XZ平面的投影
OE——OD在X轴上的投影
OC——OD在Z轴上的投影
OH——OK在YZ平面的投影
由式(3)和(4)得：
由式(5)和(6)得到角A、角B。调节平面垂直于平面COFK，调节平面与陀螺安装面的夹角为90°-|A|，|A|代表A的绝对值，这时确定的调节平面有两个。
光纤陀螺安装点Ⅰ、安装点Ⅱ、安装点Ⅲ和安装点Ⅳ到调节平面的距离分别记作h1、h2、h3和h4，根据转台标定出的角α和β，h1、h2、h3和h4有如下几种关系式，由关系式可确定唯一的调节平面。
如果α＞β＞0，则主光纤陀螺h2＞h3＞h1＞h4，备份光纤陀螺h2＜h3＜h1＜h4；
如果0＜α＜β，则主光纤陀螺h2＞h1＞h3＞h4，备份光纤陀螺h2＜h1＜h3＜h4；
如果α＞0，β＜0，α＞|β|，则主光纤陀螺h3＞h2＞h4＞h1，备份光纤陀螺h3＜h2＜h4＜h1；
如果α＞0，β＜0，α＜|β|，则主光纤陀螺h3＞h4＞h2＞h1，备份光纤陀螺h3＜h4＜h2＜h1；
如果α＜0，β＞0，|α|＞β，则主光纤陀螺h1＞h4＞h2＞h3，备份光纤陀螺h1＜h4＜h2＜h3；
如果α＜0，β＞0，|α|＜β，则主光纤陀螺h1＞h2＞h4＞h3，备份光纤陀螺h1＜h2＜h4＜h3；
如果α＜β＜0，则主光纤陀螺h4＞h1＞h3＞h2，备份光纤陀螺h4＜h1＜h3＜h2；
如果β＜α＜0，则主光纤陀螺h4＞h3＞h1＞h2，备份光纤陀螺h4＜h3＜h1＜h2。
用同样的方式得到备份光纤陀螺的调节平面。
第七步建立三维模型
在Pro/E中先建立一个等厚度的垫板模型，按照光纤陀螺安装孔尺寸做出四个安装孔，主光纤陀螺和备份光纤陀螺的安装孔尺寸一致，垫板的坐标系定义与光纤陀螺测量系统坐标系定义一致。Y轴所在的平面为RIGHT，平面RIGHT顺时针转过角B，生成平面DTM1，以平面DTM1为草绘平面，绘制角90°-|A|，这时需要根据角α和β的值，并且满足h1、h2、h3和h4的关系式，绘制出唯一的角90°-|A|，剪切掉该角，形成不等厚度的垫板。
第八步计算垫片厚度
在三维模型中测量光纤陀螺四个安装孔处垫板的厚度，找出最小的厚度，其他几个厚度减去最小厚度即为其他几个安装孔需加垫片的厚度，这个最小厚度对应的安装孔不加垫片。
第九步选择塞尺规格，加工垫片
选用塞尺作为加工垫片的原料，根据计算出的垫片厚度，选择塞尺规格，加工成不同厚度的垫片，并去毛刺。
第十步加垫片，装调光纤陀螺
将安装结构本体放在00级大理石平台上，拆下主光纤陀螺，将加工好的垫片两面涂防生锈的油脂，放在主光纤陀螺的安装孔处，安装主光纤陀螺，在螺钉不完全拧紧的状态下，将杠杆千分尺的测微螺杆放在测量点Ⅰ上，调节微分筒使表盘上指针为0，再将测微螺杆放在测量点Ⅱ上，微旋转主光纤陀螺，使测量点Ⅱ的读数与初始测量位置时记录的测量点Ⅱ的读数一致，拧紧螺钉，至此完成主光纤陀螺的装调。用同样的方法完成备份光纤陀螺的装调。
至此完成双光纤陀螺同轴的装调。
本方法通过在光纤陀螺安装孔处加垫片，借助杠杆千分尺的测量和光纤陀螺位置的微调，实现双光纤陀螺敏感轴同轴。采用该方法装调完成的双光纤陀螺，能使标定出的角|α|＜1＇、|β|＜1＇。
附图说明
图1双光纤陀螺测量系统示意图；
图2双光纤陀螺测量系统坐标系示意图；
图3以OK为对角线的长方体模型；
图4垫板Y轴所在的平面转动角B示意图；
图5在DTM1平面中绘制90°-|A|的两种方法示意图。
1.主光纤陀螺 2.备份光纤陀螺 3.安装结构本体 4.测量点Ⅰ 5测量点Ⅱ 6.安装孔Ⅰ 7.安装孔Ⅱ 8.安装孔Ⅲ 9.安装孔Ⅳ
具体实施方式
一种双光纤陀螺同轴装调方法的具体步骤为：
第一步构建光纤陀螺测量系统
光纤陀螺测量系统，包括：安装结构本体3、主光纤陀螺1、备份光纤陀螺2。主光纤陀螺1和备份光纤陀螺2背靠背排列并分别与安装结构本体3通过螺钉连接。
第二步建立光纤陀螺测量系统坐标系
以主光纤陀螺1光纤环结构中心轴与主光纤陀螺1安装面的交点为坐标原点O，沿光纤陀螺测量系统横轴方向向右为X轴，按照右手定则，垂直于X轴方向为Y轴，垂直于XY平面向外为Z轴。
第三步定义光纤陀螺敏感轴在空间的各夹角
定义光纤陀螺的敏感轴为OZ＇；
OZ＇在XZ平面的投影与Z轴的夹角为α，绕Y轴逆时针旋转，即投影在X轴的正方向时α＞0，绕Y轴顺时针旋转，即投影在X轴的负方向时α＜0；
OZ＇在YZ平面的投影与Z轴的夹角为β，绕X轴逆时针旋转，即投影在Y轴的正方向时β＞0,绕X轴顺时针旋转，即投影在Y轴的负方向时β＜0；
OZ＇与XY平面的夹角为A；
OZ＇在XY平面的投影与Y轴的夹角为B。
第四步测量主光纤陀螺1和备份光纤陀螺2的初始位置
将安装结构本体3放在00级大理石平台上，在安装结构本体3上安装主光纤陀螺1，在主光纤陀螺1的上端面选择两个测量点，并做标记。将杠杆千分尺的测微螺杆放在测量点Ⅰ上，调节微分筒使表盘上指针为0，再将测微螺杆放在测量点Ⅱ上，记录测量点Ⅱ的读数，完成主光纤陀螺1的初始位置测量。用同样的方式测量备份光纤陀螺2的初始位置。
第五步标定主光纤陀螺1和备份光纤陀螺2的敏感轴OZ＇的位置
将光纤陀螺测量系统安装在转台上，通过标定得到主光纤陀螺1、备份光纤陀螺2各自的角α和β。
第六步推导调节平面与光纤陀螺安装面的关系式
假设主光纤陀螺1、备份光纤陀螺2安装面下各有一调节平面，该调节平面使光纤陀螺的敏感轴OZ＇与坐标系OZ轴重合，从而实现两个光纤陀螺的敏感轴同轴。
以主光纤陀螺1为例，确定调节平面。在OZ＇轴上选一点K，以OK为对角线，建立长方体模型，在长方体中有如下关系式：
OG＝OFcosB＝OKcosAcosB (1)
OF——OK在XY平面的投影
OG——OF在Y轴上的投影
OD——OK在XZ平面的投影
OE——OD在X轴上的投影
OC——OD在Z轴上的投影
OH——OK在YZ平面的投影
由式(3)和(4)得：
由式(5)和(6)得到角A、角B。调节平面垂直于平面COFK，调节平面与陀螺安装面的夹角为90°-|A|，|A|代表A的绝对值，这时确定的调节平面有两个。
光纤陀螺安装点Ⅰ、安装点Ⅱ、安装点Ⅲ和安装点Ⅳ到调节平面的距离分别记作h1、h2、h3和h4，根据转台标定出的角α和β，h1、h2、h3和h4有如下几种关系式，由关系式可确定唯一的调节平面。
如果α＞β＞0，则主光纤陀螺1h2＞h3＞h1＞h4，备份光纤陀螺2h2＜h3＜h1＜h4；
如果0＜α＜β，则主光纤陀螺1h2＞h1＞h3＞h4，备份光纤陀螺2h2＜h1＜h3＜h4；
如果α＞0，β＜0，α＞|β|，则主光纤陀螺1h3＞h2＞h4＞h1，备份光纤陀螺2h3＜h2＜h4＜h1；
如果α＞0，β＜0，α＜|β|，则主光纤陀螺1h3＞h4＞h2＞h1，备份光纤陀螺2h3＜h4＜h2＜h1；
如果α＜0，β＞0，|α|＞β，则主光纤陀螺1h1＞h4＞h2＞h3，备份光纤陀螺2h1＜h4＜h2＜h3；
如果α＜0，β＞0，|α|＜β，则主光纤陀螺1h1＞h2＞h4＞h3，备份光纤陀螺2h1＜h2＜h4＜h3；
如果α＜β＜0，则主光纤陀螺1h4＞h1＞h3＞h2，备份光纤陀螺2h4＜h1＜h3＜h2；
如果β＜α＜0，则主光纤陀螺1h4＞h3＞h1＞h2，备份光纤陀螺2h4＜h3＜h1＜h2。
用同样的方式得到备份光纤陀螺2的调节平面。
第七步建立三维模型
在Pro/E中先建立一个等厚度的垫板模型，按照光纤陀螺安装孔尺寸做出四个安装孔，主光纤陀螺1和备份光纤陀螺2的安装孔尺寸一致，垫板的坐标系定义与光纤陀螺测量系统坐标系定义一致。Y轴所在的平面为RIGHT，平面RIGHT顺时针转过角B，生成平面DTM1，以平面DTM1为草绘平面，绘制角90°-|A|，这时需要根据角α和β的值，并且满足h1、h2、h3和h4的关系式，绘制出唯一的角90°-|A|，剪切掉该角，形成不等厚度的垫板。
第八步计算垫片厚度
在三维模型中测量光纤陀螺四个安装孔处垫板的厚度，找出最小的厚度，其他几个厚度减去最小厚度即为其他几个安装孔需加垫片的厚度，这个最小厚度对应的安装孔不加垫片。
第九步选择塞尺规格，加工垫片
选用塞尺作为加工垫片的原料，根据计算出的垫片厚度，选择塞尺规格，加工成不同厚度的垫片，并去毛刺。
第十步加垫片，装调光纤陀螺
将安装结构本体3放在00级大理石平台上，拆下主光纤陀螺1，将加工好的垫片两面涂防生锈的油脂，放在主光纤陀螺1的安装孔处，安装主光纤陀螺1，在螺钉不完全拧紧的状态下，将杠杆千分尺的测微螺杆放在测量点Ⅰ上，调节微分筒使表盘上指针为0，再将测微螺杆放在测量点Ⅱ上，微旋转主光纤陀螺1，使测量点Ⅱ的读数与初始测量位置时记录的测量点Ⅱ的读数一致，拧紧螺钉，至此完成主光纤陀螺1的装调。用同样的方法完成备份光纤陀螺2的装调。
至此完成双光纤陀螺同轴的装调。

Claims (1)

1.一种双光纤陀螺同轴装调方法，其特征在于具体步骤为：
第一步构建光纤陀螺测量系统
光纤陀螺测量系统，包括：安装结构本体(3)、主光纤陀螺(1)、备份光纤陀螺(2)；主光纤陀螺(1)和备份光纤陀螺(2)背靠背排列并分别与安装结构本体(3)通过螺钉连接；
第二步建立光纤陀螺测量系统坐标系
以主光纤陀螺(1)光纤环结构中心轴与主光纤陀螺(1)安装面的交点为坐标原点O，沿光纤陀螺测量系统横轴方向向右为X轴，按照右手定则，垂直于X轴方向为Y轴，垂直于XY平面向外为Z轴；
第三步定义光纤陀螺敏感轴在空间的各夹角
定义光纤陀螺的敏感轴为OZ＇；
OZ＇在XZ平面的投影与Z轴的夹角为α，绕Y轴逆时针旋转，即投影在X轴的正方向时α＞0，绕Y轴顺时针旋转，即投影在X轴的负方向时α＜0；
OZ＇在YZ平面的投影与Z轴的夹角为β，绕X轴逆时针旋转，即投影在Y轴的正方向时β＞0,绕X轴顺时针旋转，即投影在Y轴的负方向时β＜0；
OZ＇与XY平面的夹角为A；
OZ＇在XY平面的投影与Y轴的夹角为B；
第四步测量主光纤陀螺(1)和备份光纤陀螺(2)的初始位置
将安装结构本体(3)放在00级大理石平台上，在安装结构本体(3)上安装主光纤陀螺(1)，在主光纤陀螺(1)的上端面选择两个测量点，并做标记；将杠杆千分尺的测微螺杆放在测量点Ⅰ上，调节微分筒使表盘上指针为0，再将测微螺杆放在测量点Ⅱ上，记录测量点Ⅱ的读数，完成主光纤陀螺(1)的初始位置测量；用同样的方式测量备份光纤陀螺(2)的初始位置；
第五步标定主光纤陀螺(1)和备份光纤陀螺(2)的敏感轴OZ＇的位置
将光纤陀螺测量系统安装在转台上，通过标定得到主光纤陀螺(1)、备份光纤陀螺(2)各自的角α和β；
第六步推导调节平面与光纤陀螺安装面的关系式
假设主光纤陀螺(1)、备份光纤陀螺(2)安装面下各有一调节平面，该调节平面使光纤陀螺的敏感轴OZ＇与坐标系OZ轴重合，从而实现两个光纤陀螺的敏感轴同轴；
以主光纤陀螺(1)为例，确定调节平面；在OZ＇轴上选一点K，以OK为对角线，建立长方体模型，在长方体中有如下关系式：
OG＝OF cos B＝OK cos A cos B (1)
OF——OK在XY平面的投影
OG——OF在Y轴上的投影
O D = O E s i n α = O F sin B s i n α = O K cos A sin B s i n α - - - ( 2 )
OD——OK在XZ平面的投影
OE——OD在X轴上的投影
O C = O D c o s α = O K cos A sin B c o s α s i n α - - - ( 3 )
OC——OD在Z轴上的投影
O C = O H c o s β = O G s i n β c o s β = O K cos A cos B s i n β c o s β - - - ( 4 )
OH——OK在YZ平面的投影
由式(3)和(4)得：
t g B = t g α t g β - - - ( 5 )
sin A = O C O K = O K cos A cos B O K sin β c o s β ⇒ t g A = cos B t g β - - - ( 6 )
由式(5)和(6)得到角A、角B；调节平面垂直于平面COFK，调节平面与陀螺安装面的夹角为90°-|A|，|A|代表A的绝对值，这时确定的调节平面有两个；
光纤陀螺安装点Ⅰ、安装点Ⅱ、安装点Ⅲ和安装点Ⅳ到调节平面的距离分别记作h1、h2、h3和h4，根据转台标定出的角α和β，h1、h2、h3和h4有如下几种关系式，由关系式可确定唯一的调节平面；
如果α＞β＞0，则主光纤陀螺(1)h2＞h3＞h1＞h4，备份光纤陀螺(2)h2＜h3＜h1＜h4；
如果0＜α＜β，则主光纤陀螺(1)h2＞h1＞h3＞h4，备份光纤陀螺(2)h2＜h1＜h3＜h4；
如果α＞0，β＜0，α＞|β|，则主光纤陀螺(1)h3＞h2＞h4＞h1，备份光纤陀螺(2)h3＜h2＜h4＜h1；
如果α＞0，β＜0，α＜|β|，则主光纤陀螺(1)h3＞h4＞h2＞h1，备份光纤陀螺(2)h3＜h4＜h2＜h1；
如果α＜0，β＞0，|α|＞β，则主光纤陀螺(1)h1＞h4＞h2＞h3，备份光纤陀螺(2)h1＜h4＜h2＜h3；
如果α＜0，β＞0，|α|＜β，则主光纤陀螺(1)h1＞h2＞h4＞h3，备份光纤陀螺(2)h1＜h2＜h4＜h3；
如果α＜β＜0，则主光纤陀螺(1)h4＞h1＞h3＞h2，备份光纤陀螺(2)h4＜h1＜h3＜h2；
如果β＜α＜0，则主光纤陀螺(1)h4＞h3＞h1＞h2，备份光纤陀螺(2)h4＜h3＜h1＜h2；
用同样的方式得到备份光纤陀螺(2)的调节平面；
第七步建立三维模型
在Pro/E中先建立一个等厚度的垫板模型，按照光纤陀螺安装孔尺寸做出四个安装孔，主光纤陀螺(1)和备份光纤陀螺(2)的安装孔尺寸一致，垫板的坐标系定义与光纤陀螺测量系统坐标系定义一致；Y轴所在的平面为RIGHT，平面RIGHT顺时针转过角B，生成平面DTM1，以平面DTM1为草绘平面，绘制角90°-|A|，这时需要根据角α和β的值，并且满足h1、h2、h3和h4的关系式，绘制出唯一的角90°-|A|，剪切掉该角，形成不等厚度的垫板；
第八步计算垫片厚度
在三维模型中测量光纤陀螺四个安装孔处垫板的厚度，找出最小的厚度，其他几个厚度减去最小厚度即为其他几个安装孔需加垫片的厚度，这个最小厚度对应的安装孔不加垫片；
第九步选择塞尺规格，加工垫片
选用塞尺作为加工垫片的原料，根据计算出的垫片厚度，选择塞尺规格，加工成不同厚度的垫片，并去毛刺；
第十步加垫片，装调光纤陀螺
将安装结构本体(3)放在00级大理石平台上，拆下主光纤陀螺(1)，将加工好的垫片两面涂防生锈的油脂，放在主光纤陀螺(1)的安装孔处，安装主光纤陀螺(1)，在螺钉不完全拧紧的状态下，将杠杆千分尺的测微螺杆放在测量点Ⅰ上，调节微分筒使表盘上指针为0，再将测微螺杆放在测量点Ⅱ上，微旋转主光纤陀螺(1)，使测量点Ⅱ的读数与初始测量位置时记录的测量点Ⅱ的读数一致，拧紧螺钉，至此完成主光纤陀螺(1)的装调；用同样的方法完成备份光纤陀螺(2)的装调。
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