CN106082602B - 一种高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备 - Google Patents

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一种高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，包包括XYZ三向给进机构、W向伺服旋转机构、成型模具以及高温火焰控制系统，所述高温火焰控制系统包括高温火焰喷枪，待加工石英片固定在成型模具上，成型模具与W向伺服旋转机构固定连接且W向伺服旋转机构能够带动成型模具同步高速旋转，XYZ三向进给机构和W向伺服旋转机构用于实现待加工石英片与高温火焰喷枪喷出的高温火焰的对准。本发明的熔融石英微壳体谐振结构加工设备能显著提升熔融石英微壳体谐振结构的加工精度，加工效率得到明显提升，同时该加工设备适用于多种尺寸范围和材料的谐振结构。

Description

一种高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备
技术领域
本发明属于机械加工设备技术领域，具体涉及一种精度壳体谐振结构的加工设备。
背景技术
陀螺仪是测量载体在惯性空间角运动的传感器，是惯性导航和姿态测量系统的基础核心器件。在精确制导、无人系统、石油勘探、稳定平台、空间飞行器等领域具有非常重要的应用价值。
陀螺仪的综合性能和成本是决定其发展方向的根本因素。随着壳体振动陀螺理论的发展和微陀螺加工技术研究的不断深入，微型壳体振动陀螺成为最具发展潜力的微陀螺之一。微型壳体振动陀螺的高性能归根于其高度对称的敏感结构，工作模态的频率裂解和品质因数是衡量陀螺敏感结构的重要指标。降低频率裂解，提高品质因数，是制造高精度壳体振动陀螺的关键技术。
目前熔融石英材料的微型壳体谐振结构的加工方法主要有圆片级膨胀变形工艺和高温喷灯吹制工艺。圆片级膨胀变形工艺兼容性好，适合制作低深宽比谐振结构，但其面型控制方法单一，后续加工工艺方法有限。
高温喷灯吹制工艺灵活方便，可加工多种形状的谐振结构，这种方法对加工对准精度由很高的要求，通常需要大量的时间进行对准，加工效率较低。高温喷灯吹制工艺以其加工便利，可控性强，成本低的优点，成为最有潜力的加工方法之一。加工过程中的模具加工精度、火焰对准精度、火焰温度、真空度等是影响高温喷灯吹制工艺加工的谐振结构精度和面型的关键因素。提升对准精度、提高工艺可重复性和面型精度，是提升高温喷灯吹制工艺加工精度的关键，也是制造高精度微壳体谐振陀螺的基础。
发明内容
为了克服现有玻璃吹制变形加工工艺的不足，本发明提供一种高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，能够显著提高谐振结构加工精度、提升加工工艺稳定性的加工设备，同时大大提高加工效率。
本发明的技术方案是：
一种高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，包括XYZ三向给进机构、W向伺服旋转机构、成型模具以及高温火焰控制系统，所述高温火焰控制系统包括高温火焰喷枪，待加工石英片固定在成型模具上，成型模具与W向伺服旋转机构固定连接且W向伺服旋转机构能够带动成型模具同步高速旋转，XYZ三向进给机构和W向伺服旋转机构用于实现待加工石英片与高温火焰喷枪喷出的高温火焰的对准。
进一步地，所述XYZ三向给进机构包括XY二维进给机构和Z向进给机构，W向伺服旋转机构、高温火焰喷枪分别固定安装在XY二维进给机构或Z向进给机构上。XYZ三向进给机构可以使高温火焰喷枪喷出的高温火焰与石英片的相对位置高度控制得更为精确。高温火焰控制系统可以保证火焰出口温度在1200℃～2000℃之间精确可调。
进一步地，所述XY二维进给机构包括一个X向的加载/卸载导轨，用于实现加工位置与卸载位置之间的切换，XY二维进给机构固定在X向的加载/卸载导轨上。
进一步地，所述W向伺服旋转机构固定在XY二维进给机构上，能够带动成型模具同步高速旋转。W向伺服旋转机构的驱动轴与成型模具之间通过螺纹件连接，可以通过调整螺纹件的间隙保证W向伺服旋转机构与成型模具之间的同轴度。
进一步地，还包括真空控制系统，待加工石英片置于成型模具上，成型模具内设置有成型空腔，成型空腔与真空控制系统连接，真空控制系统能够对成型模具内的成型空腔进行抽真空操作。
进一步地，所述成型模具包括上盖板、底座以及设置在底座内的成型空腔，所述石英片设置在上盖板与底座之间，所述上盖板和底座采用石墨材料磨削加工得到。
进一步地，所述高温火焰喷枪固定在Z向进给机构上且其喷口垂直向下，高温火焰喷枪位于成型模具的正上方。
进一步地，还包括火焰挡板机构，用于实现加热/冷却之间的快速切换；所述火焰挡板机构包括火焰挡板以及实现火焰挡板位置切换的切换机构，所述火焰挡板位于成型模具和高温火焰喷枪之间。实现火焰挡板位置切换的切换机构可以为各种形式，要求能够实现火焰挡板的位置切换即可，如将火焰挡板固定在一滑轨上，通过滑动实现火焰挡板的位置切换。也可以直接在成型模具和高温火焰喷枪之间搭建一个固定火焰挡板的支架，高温火焰喷枪对石英石进行火焰加热时，取走火焰挡板即可。也可以在火焰挡板上连接一个弹簧开关、铰链或者合页实现火焰挡板的位置切换。
基于上述高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，本发明还提供一种高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备的加工方法，包括以下步骤：将一石英片置于一成型空腔之上，调节XYZ三向进给机构使得高温火焰位于所述石英片的正上方的一定高度处，启动W向伺服旋转机构使所述石英片和成型空腔保持高速旋转，高温火焰对石英片进行快速加热软化，同时通过真空控制系统对所述成型空腔进行抽真空，使软化的石英片向所述成型空腔内变形，得到高精度的熔融石英微壳体谐振结构。
本发明的优点在于：
本发明的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，包括XYZ三向进给机构，用于实现石英片与高温火焰的精确对准，大大降低了对准误差对谐振结构精度的影响；W向伺服旋转机构，用于消除微小的火焰对准误差，进一步增加了石英谐振结构的中心对称性；高温火焰控制系统，采用氧气+燃气的产热方式，火焰出口温度可以在1200℃～2000℃内精确可调。本发明的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备由静态的熔融石英壳体吹制变形加工设备改进而来，克服了静态对准加工设备对准误差大、加工效率低的问题，使熔融石英微壳体谐振结构的加工精度得到了明显的提升，显著降低了石英片初始误差(如结构误差、面型误差、内应力等)对微壳体谐振结构工作模态稳定性的影响，能够显著降低谐振结构频率裂解，提高谐振结构品质因数。
本发明的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，用于熔融石英谐振结构的高温吹制成型工艺，这种加工设备加工的壳体谐振结构可通过后续的划片和装配工艺形成微型壳体谐振陀螺，极大提升了微型壳体谐振陀螺的性能。
本发明的熔融石英微壳体谐振结构加工设备能显著提升熔融石英微壳体谐振结构的加工精度，加工效率得到明显提升，同时该加工设备适用于多种尺寸范围和材料的谐振结构。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备的结构流程图。
图中标号说明：
10、加载/卸载导轨；11、XY二维进给机构；12、W向伺服旋转机构；13、真空控制系统；14、高温火焰控制系统；15、火焰挡板；16、Z向进给机构；17、高温火焰喷枪；20、上盖板；21、石英片；22、底座。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备的结构简图，该加工设备包括XY二维进给机构11、Z向进给机构16、W向伺服旋转机构12、火焰挡板15、高温火焰控制系统14和真空控制系统13。所述XYZ三向进给机构用于实现高温火焰与石英玻璃片的对准，W向伺服旋转机构用于提高火焰加热的中心对称精度，高温火焰控制系统用于实现石英片表面温度的精确控制，真空控制系统用于实现石英片成型的面型控制。
其中XY二维进给机构11包括一个大行程的X向的加载/卸载导轨10，用于实现加工位置与卸载位置之间的切换，XY二维进给机构11固定在X向的加载/卸载导轨上，W向伺服旋转机构12固定在XY二维进给机构11上。W向伺服旋转机构12上固定有成型模具，成型模具能够在W向伺服旋转机构的带动下同步高速旋转。W向伺服旋转机构可以在保持高速可调旋转的同时实现成型空腔内部真空度的精确控制。W向伺服旋转机构12的驱动轴与成型模具之间通过螺纹件连接，可以通过调整螺纹件的间隙保证W向伺服旋转机构与成型模具之间的同轴度。高温火焰喷枪17固定在Z向进给机构上且其喷口垂直向下，高温火焰喷枪17位于成型模具的正上方。成型模具和高温火焰喷枪17之间设有火焰挡板机构，用于实现加热/冷却之间的快速切换。火焰挡板机构包括火焰挡板15以及实现火焰挡板15位置切换的切换机构，所述火焰挡板位于成型模具和高温火焰喷枪之间。本实施例中，实现火焰挡板位置切换的切换机构为一组供火焰挡板滑动的导轨。
参照图2，成型模具包括上盖板20、底座22以及设置在底座22内的成型空腔，石英片21设置在上盖板20与底座22之间。成型空腔与真空控制系统13连接，真空控制系统13能够对成型模具内的成型空腔进行抽真空操作。本发明中上盖板20和底座22采用石墨材料磨削加工得到。
将石英片21置于成型空腔上方的底座22上，W向伺服旋转机构12使成型空腔和石英片保持高速旋转，高温火焰喷枪17对所述石英片进行加热，真空控制系统13同时对所述成型空腔进行抽真空，将软化的石英片吸附至所述成型空腔内部，得到高精度熔融石英微壳体谐振结构。
该高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备由静态的熔融石英壳体吹制变形加工设备改进而来，这种多自由度对准结构，克服了常规的静态对准结构对准误差大、可重复性差、加工效率低等问题，使得石英壳体谐振结构的加工精度有了明显的提升，显著降低了石英片误差(如结构误差、面型误差、内应力等)对微壳体谐振结构工作模态稳定性的影响，能够显著降低谐振结构频率裂解，提高谐振结构品质因数。
图2示出了本发明的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备加工流程图，加工过程包括以下步骤：
S1：将石英片21放置在成型空腔上方的底座22上，盖上上盖板20，此时成型模具从上至下依次为上盖板20、石英片21、底座22，如图2(a)所示。其中成型空腔与真空控制系统13相连接。将所述成型模具移至加载位置，调节XYZ三向进给机构，使高温火焰喷枪17位于石英片21的正上方的一定高度处。
S2：启动W向伺服旋转机构12，使W向伺服旋转机构12保持高速旋转，通过高温火焰控制系统调整高温火焰喷枪喷出的高温火焰至合适状态。打开火焰挡板15对石英片21进行快速加热使其软化，同时打开真空控制系统13对成型空腔进行抽真空操作，在内外压强差的作用下，将熔融的石英片21吸附至成型空腔内部变形，完成石英片21的成型加工，如图2(b)所示；
S3：依次关闭火焰挡板15、真空控制系统13、W向伺服旋转机构12，将成型模具移至卸载位置，取下上盖板20，得到高精度熔融石英微壳体谐振结构，如图2(c)所示。本发明制作出来的壳体谐振结构为中心对称，其面型由成型空腔轮廓、高温火焰温度、真空控制系统共同控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该提出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于：包括XYZ三向进给机构、W向伺服旋转机构、成型模具、真空控制系统以及高温火焰控制系统，所述高温火焰控制系统包括高温火焰喷枪，待加工石英片固定在成型模具上，成型模具内设置有成型空腔，成型空腔与真空控制系统连接，真空控制系统能够对成型模具内的成型空腔进行抽真空操作；成型模具与W向伺服旋转机构固定连接且W向伺服旋转机构能够带动成型模具同步高速旋转，XYZ三向进给机构和W向伺服旋转机构用于实现待加工石英片与高温火焰喷枪喷出的高温火焰的对准，其中所述XYZ三向进给机构用于实现高温火焰与待加工石英片的对准，W向伺服旋转机构用于提高火焰加热的中心对称精度，高温火焰控制系统用于实现石英片表面温度的精确控制，高温火焰控制系统采用氧气+燃气的产热方式，火焰出口温度在1200℃～2000℃内精确可调。
2.根据权利要求1所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于：所述XYZ三向进给机构包括XY二维进给机构和Z向进给机构，W向伺服旋转机构、高温火焰喷枪分别固定安装在XY二维进给机构和Z向进给机构上。
3.根据权利要求2所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于：所述XY二维进给机构包括一个X向的加载/卸载导轨，用于实现加工位置与卸载位置之间的切换，XY二维进给机构固定在X向的加载/卸载导轨上。
4.根据权利要求1所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于：所述成型模具包括上盖板、底座以及设置在底座内的成型空腔，所述石英片设置在上盖板与底座之间。
5.根据权利要求4所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于：所述上盖板和底座采用石墨材料磨削加工得到。
6.根据权利要求1所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于：所述高温火焰喷枪固定在Z向进给机构上且其喷口垂直向下，高温火焰喷枪位于成型模具的正上方。
7.根据权利要求6所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于：还包括火焰挡板机构，用于实现加热/冷却之间的快速切换；所述火焰挡板机构包括火焰挡板以及实现火焰挡板位置切换的切换机构，所述火焰挡板位于成型模具和高温火焰喷枪之间。
8.根据权利要求7所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备，其特征在于，实现火焰挡板位置切换的切换机构为供火焰挡板滑动的导轨。
9.一种基于权利要求1至8中任一权利要求所述的高精度熔融石英微壳体谐振结构加工设备的高精度熔融石英微壳体谐振结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将石英片放置在成型模具内，成型模具从上至下依次为上盖板、石英片、底座，其中底座内的成型空腔与真空控制系统相连接；将所述成型模具移至加载位置，利用对准夹具调节XYZ三向进给机构，使高温火焰喷枪位于石英片的正上方的一定高度处；
S2：使W向伺服旋转机构保持高速旋转，通过高温火焰控制系统调整高温火焰至合适状态，打开火焰挡板，使高温火焰喷枪对石英片进行快速加热使其软化；同时打开真空控制系统对成型空腔进行抽真空操作，在内外压强差的作用下，将熔融的石英片吸附至成型空腔内部，完成石英片的成型加工；
S3：依次关闭火焰挡板、真空控制系统、W向伺服旋转机构，将成型模具移至卸载位置，取下上盖板，得到高精度熔融石英微壳体谐振结构。
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