CN110823448B - 一种双自由度陀螺仪转子组件轴向质心测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双自由度陀螺仪转子组件轴向质心测量方法，属于角速率传感器技术领域，其特征在于，包括如下步骤：S1、使陀螺开路状态处于水平姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线平行，将陀螺传感器零位调整至最小；S2、使陀螺开路状态处于方位姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线垂直，对陀螺力矩器输入电流将陀螺传感器零位调整至最小，记录此刻电流值为I_X；S3、陀螺处于闭路状态测出陀螺轴向不平衡量D(y)_y；S4、建立电流值I_X和不平衡量D(y)_y的线性关系；S5、通过测量电流值I_X；利用线性关系，计算不平衡量D(y)_y。本发明借助力反馈再平衡回路的陀螺测试系统搭建陀螺转子质心测量系统，着重解决陀螺转子组件轴向质心位置的精准测量。

Description

一种双自由度陀螺仪转子组件轴向质心测量方法

技术领域

本发明属于角速率传感器技术领域，具体涉及一种双自由度陀螺仪转子组件轴向质 心测量方法。

背景技术

在惯性导航与测控技术领域，质心测量是一个十分重要的测试过程。例如高速运动 中的飞行器，当其质心位置超差时将很难调整其飞行方向和姿态，容易造成飞行器偏离轨道或坠毁，因此质心测量的意义重大。

大型物件包括火箭、飞机、导弹等各类飞行器的质心测量，以及小型物件包括电机转子、陀螺转子等零部件的质心测量均属于质心测量范畴。

通常情况下，质心测量均需定制昂贵的专用质心测量设备，将被测物件装夹至设备 上进行试验，从而计算出被测物体质心位置。目前测质心专用设备的质心位置测量精度最高能达到0.01mm，并且重复性不易保证。

在陀螺调试过程中，对于径向质量不平衡，可以通过高精度的动平衡设备来解决。但对于较大的陀螺轴向质量不平衡却至今没有行之有效的解决方法。经常遇到由于陀螺转子质心与支撑中心偏离过大而导致陀螺无法正常调试的情况，进而造成陀螺多次返修甚至报废。

陀螺转子组件装配后常使用加重或者去重的方式进行轴向静平衡。

当使用加重方式进行静平衡时，其加重件一般使用环氧胶固化，由于环氧胶膨胀系 数大，当陀螺加温时胶的膨胀使得陀螺转子组件质心产生微小位移，温度越高该位移越大，从而引起陀螺温漂系数大。因此使用加重方式进行陀螺轴向静平衡时，最佳的控制 陀螺转子组件质心与其支承中心偏离过大的方法是在陀螺转子组件正式装配前测出陀螺 转子组件质心与支撑中心的相对位置，以指导陀螺装配时对转子组件质心相对位置的调 整，对降低陀螺温漂系数意义重大。

当使用去重方式进行静平衡时，虽然没有转子组件上胶的膨胀问题，但仍然时常碰 到静平衡量过大，超出静平衡能够去重的范围，必须拆解整个陀螺进行返修，由于陀螺用环氧树脂胶的强度非常大，因此拆解过程中极易造成陀螺相关零部件报废，因此测质 心的作用仍然非常重要。

由于陀螺均需要精密装配以获得高精度，因此陀螺转子组件质心测量精度需要达到 微米级，定制专用测量设备还不能满足要求。因此需要发明一种能够满足陀螺转子组件质心测量精度要求的测量方法。

发明内容

本发明的目的是克服陀螺转子组件轴向质量不平衡量难以控制的缺陷，提供一种达 到微米级陀螺转子组件质心测量方法，使陀螺转子组件正式装配前能测出陀螺转子组件 质心与支撑中心的相对位置，以指导陀螺装配时对陀螺转子组件质心相对位置的调整，避免由于轴向不平衡量过大而导致陀螺无法正常调试，进而造成陀螺多次返修甚至报废。

本发明的目的是提供一种双自由度陀螺仪转子组件轴向质心测量方法，包括如下步 骤：

S1、使陀螺开路状态处于水平姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线平行，将陀螺传感器零位调整至最小；

S2、使陀螺开路状态处于方位姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线垂直，对陀螺力矩器输入电流将陀螺传感器零位调整至最小，记录此刻电流值为I_X；

S3、陀螺处于闭路状态测出陀螺轴向不平衡量D(y)_y；

S4、通过两次试验，建立电流值I_X和不平衡量D(y)_y的线性关系；

S5、通过测量电流值I_X；利用上述线性关系，计算不平衡量D(y)_y。

进一步，测量电流值I_X时使用多点旋转平均法。

更进一步，所述多点旋转平均法测量点数为4的倍数。

更进一步，测量不平衡量D(y)_y时使用平行极轴调试和多位置翻滚测试。

更进一步，所述线性关系的表达式为：I_x＝A·D(y)_y+B，其中，A和B均为系数。

更进一步，先进行平行极轴调试，然后再进行多位置翻滚测试。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明利用已有陀螺测试系统搭建质心测量设备，无需定制昂贵的专用质心测量 设备。

2、质心测量精度达到1微米，满足陀螺精密装配要求。

3、避免因陀螺轴向不平衡量过大而导致陀螺多次返修甚至报废，大幅节省人力及物 料成本。

4、为单自由度陀螺质心的精确测量提供参考。

5、对部分型号陀螺降低温漂系数意义重大。

附图说明

图1是本发明所涉及的陀螺转子组件受力及力矩示意图；

图2是本发明所涉及的陀螺转子组件水平及方位姿态受力及力矩示意图；

图3是本发明所涉及的陀螺转子组件其它测量位置示意图；

图4是本发明所涉及的I_xi正弦分布示意图；

图5是本发明所涉及的陀螺转子组件平行极轴状态的陀螺调试示意图；

图6是本发明所涉及的测质心仪器设备组成图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明适合于双自由度陀螺仪，借助力反馈再平衡回路的陀螺测试系统搭建陀螺转 子质心测量系统，着重解决陀螺转子组件轴向质心位置的精准测量。

一种测量陀螺转子组件轴向质心精确位置的方法。其测量系统实物组成包括陀螺测 试系统、直流线性电源、可变电阻箱、换向板。该方法通过以下步骤实现：先使陀螺开路状态处于水平姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线平行，将陀螺传感器零位调整至最小。然 后使陀螺开路状态处于方位姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线垂直，对陀螺力矩器输入电 流将陀螺传感器零位调整至最小，记录此刻电流值为I_X。最后陀螺处于闭路状态测出陀螺 轴向不平衡量D(y)_y。

所述方法特征在于将无陀螺效应情形下对X轴的施矩电流I_X与有陀螺效应情形下Y 轴轴向质量不平衡漂移系数D(y)_y关联在一起，并使I_x与D(y)_y组成一元线性关系式，关系式的系数为A和B。陀螺在初始测量质心时需要通过两次试验首先确定系数A和B， 后续测量质心时仅需测量I_X即可推导出不平衡量D(y)_y。

所述测量I_X过程中使用多点旋转平均法。

所述测量D(y)_y使用平行极轴调试和多位置翻滚测试。

所述陀螺测试系统配有转台，陀螺测试系统工作在力反馈的再平衡方式，并在陀螺 开路和闭路状态下对陀螺传感器和力矩器输出信号进行监测和获取。

所述直流线性电源对陀螺力矩器供电。

所述可变电阻箱控制对陀螺力矩器施矩电流的大小。

所述换向板通过改变对力矩器施矩电流的方向，从而控制陀螺力矩器施矩方向。

所述一元线性关系式为I_x＝A·D(y)_y+B。

所述多点旋转平均法测量点数为4的倍数。

所述平行极轴调试安排在多位置翻滚测试之前进行。

由陀螺原理可知在陀螺电机不工作情形下，陀螺没有定轴性和进动性两个特征，即 陀螺无陀螺效应。此时将陀螺处于方位姿态，陀螺轴与地面铅垂线垂直，地面铅垂线垂直参见图5，此时陀螺转子组件受重力影响，如图1所示。图1中O点为转子组件支承中 心，X、Y、Z为以O点为原点的坐标轴，P点为转子组件质心，G代表转子组件所受重力， Lg代表转子组件质心到原点的距离，F_IX为通入X轴力矩器电流I_x后在恒定磁场中产生 的力，M_G代表转子组件重力产生的力矩，其方向指向X轴负向。M_G表达式如下：

M_G＝G×L_g (1)

向陀螺X轴力矩器通电Ix，产生绕X轴力矩Mx。Mx与M_G方向相反，指向X轴正向， 大小与M_G相等：

M_G＝M_x＝K_tx×I_x (2)

式中：Ix为通入X轴力矩器电流；K_tx为陀螺X轴力矩器标度因数。

保持图1的状态，启动陀螺电机并令陀螺处于力反馈闭路状态，此时陀螺具备陀螺效应，在陀螺X轴上产生的转子组件重力矩M_G，将在陀螺Y轴上产生静态漂移率ω_Y，其 方向指向Y轴负向，即如下公式：

其中H为陀螺转子组件产生的动量矩。

在静态试验时双自由度陀螺转子组件重力矩M_G产生的静态漂移率物理模型：

ω_Y＝D(y)_F+D(y)_xg_x+D(y)_yg_y+D(y)_zg_z+ω_ey+E_y (4)

式中：D(y)_F为陀螺Y轴与g无关漂移率；D(y)_x为陀螺Y轴上由支承误差而产生的 正交不平衡引起的漂移系数；D(y)_y为陀螺Y轴上由轴向质量不平衡引起的漂移系数； D(y)_z为陀螺Y轴上由径向质量不平衡的滤波效应引起的漂移系数；g_x、g_y、g_z为重力加 速度沿陀螺X、Y、Z轴上的分量；ω_ey为地球自转加速度在Y轴上的分量；E_y为陀螺在Y 轴上的随机漂移率。

联立公式(2)、(3)、(4)有：

即有：

其中：

可得简化的一元线性方程：

I_x＝A·D(y)_y+B (7)

实测两组数据I_x1、I_x2及D(y)_y1、D(y)_y2即可求出一元线性方程组系数A和B，从而 将无陀螺效应情形下对X轴的施矩电流与有陀螺效应情形下Y轴轴向质量不平衡漂移系 数联系在一起。

在陀螺实际测试中，实测的I_x和D(y)_y却并不成线性关系，随机离散性很大。出现上述I_x和D(y)_y无线性关系的原因是两方面：(一)是陀螺支承存在残变。例如动力调谐陀 螺仪此残变为接头残变量，液浮陀螺此残变为残差等，致使无陀螺效应时I_x的测试数据重 复性很差；(二)是陀螺与g无关常值漂移D(y)_F在每次调试过程中均不一致。例如动力 调谐陀螺通常差几度至几十度不等，造成系数B测试不准。而构成系数B的其它变量中 ω_ey为常量，E_y为极小量，g_x、g_z、D(y)_x、D(y)_z为客观量，均对系数B的重复性无影响。

图2使用多点旋转平均法目的是消除陀螺支承残变的影响，从而准确测出无陀螺效 应时的I_x。

按照图2中a)所示，陀螺处于水平姿态，陀螺轴与地面铅垂线垂直，地面铅垂线参见图5，Z轴铅垂向上为陀螺电器零位轴，Z_α轴为陀螺转子组件实际轴线。先采用4点法 进行推导。由于陀螺支承残变的存在，导致陀螺在无陀螺效应时陀螺转子组件的对称轴 Z_α与陀螺电器零位轴Z的夹角为α，如图2中a)所示，令陀螺转子组件的位置①处于测 量位置。

当陀螺仪工作在正常闭路状态时，由于转子组件高速旋转的动量矩H很大，并且传感器工作在零位即偏角很小附近，因而传感器的电磁吸力矩对转子组件的影响很小。但 当陀螺无陀螺效应时，陀螺转子组件的动量矩为0，此时陀螺传感器的电磁吸力矩是不可 忽略的量值。

调整上图2中a)传感器电路，使得传感器零位输出最小。传感器电磁吸力矩M_α绕 X轴顺时针方向，指向X轴负向，陀螺转子组件由实线标识位置转动至虚线标识位置， Z_α轴与Z轴重合。

保持传感器调整线路不变，将陀螺转动至方位姿态，此时Z轴水平，由于陀螺转子组 件重力G作用，导致陀螺转子组件实际轴线为Z_θ轴，与Z轴夹角为θ，重力的作用力矩 为M_G，绕X轴逆时针方向，指向X轴正向。

对陀螺X轴力矩器通电，产生力矩M_LX1绕X轴顺时针方向，指向X轴负向。逐渐增 大M_LX1，使得陀螺转子组件由实线标识位置转动至虚线标识位置，Z_θ轴与Z轴重合。此 时陀螺转子上同时受三个力矩作用，分别为M_α、M_G、M_LX1，三者满足如下等式：

M_G-M_α＝M_LX1＝K_tx×I_x1 (8)

其中K_tx为X轴力矩器标度因数，I_x1为测量位置①的力矩器通电电流。

同理，将转子组件的位置②、③、④转动至测量位置，如图3所示：

重复上述位置①的过程，同理位置②、③、④有如下公式：

M_G-M_β＝M_LX2＝K_tx×I_x2 (9)

M_G+M_α＝M_LX3＝K_tx×I_x3 (10)

M_G+M_β＝M_LX4＝K_tx×I_x4 (11)

将式(8)、(9)、(10)、(11)相加得：

4M_G＝K_tx×(I_x1+I_x2+I_x3+I_x4)

即：

其中I_x2、I_x3、I_x4为测量位置②、③、④的力矩器通电电流。实际计算时I_x1、I_x2、I_x3、I_x4具有各自的正负号。从而可以观察到想要测量的无陀螺效应时的I_x实际上是多点旋转平均后的均值。

将4点法推广至多点法公式如下：

多点法各点I_xi幅值满足正弦分布，例如8点法各点幅值(假设初始相位为0°)示例如图4，8点I_xi曲线相位可能有整体偏移，但整体趋势均符合正弦分布。

图5中平行极轴调试目的是在陀螺开环工作时将传感器零位限定至最小，使陀螺闭 路时常值漂移即力矩器反馈电流趋近于0，从而解决上述系数B的重复性问题。

参见图5所示，P轴为地轴，γ为当地纬度，陀螺转子组件旋转中心轴线Z平行于 地轴P，陀螺转子组件径向平面XOY垂直于Z轴。沿陀螺Z轴有地球自转角速度输入 ωe，其转动角速度与地球绕地轴转动角速度ωe相等为15°/h，但由于陀螺X轴和Y 轴与Z轴垂直，因此在陀螺X轴和Y轴的地球自转分量为0。

在陀螺启动马达并同步后调整传感器电路，使得传感器零位输出最小，陀螺闭合反 馈回路，此时与g无关常值漂移即力矩器反馈电流趋近于0。只需在陀螺闭路翻滚测试前，陀螺转子组件旋转中心轴线平行地球极轴状态下将常值漂移调整至趋近于0，即可 消除与g无关常值漂移的影响。

实现质心测量需要配有转台的力反馈方式的陀螺测试系统、输出电压≥30V的双路 直流线性电源、阻值范围≥100KΩ的可变电阻箱、辅助换向板。仪器设备组成图如图6所示。其中，测试系统用于陀螺开路和闭路状态下对陀螺传感器和力矩器输出信号的监 测和获取；转台用于陀螺水平、平行极轴及方位姿态的变换；可变电阻箱用于对陀螺力 矩器施矩电流大小的控制；换向板用于对陀螺力矩器施矩方向的控制；线性电源负责供 电。

无陀螺效应情形下测量X轴的施矩电流使用测质心“专用陀螺”，陀螺转子组件装到 专用陀螺上，使用502胶进行固化,测量完X轴的施矩电流后再将502胶用丙酮溶解，将陀螺转子组件拆下，装到正式陀螺上。

接收到需进行陀螺转子组件质心测试的专用陀螺后，首先按规定步骤接好线，将陀 螺水平安装到测试系统工装上，进行下列测质心前准备工作：1)转台锁定至起始角 度；2)打开线性电源，电压调整至20V，插上换向工装，换向标记Y和X拨钮置于Y+和X+ 位置；3)可变电阻箱R1和可变电阻箱R2调整至999999Ω；4)关闭陀螺电机电源。5) 开启陀螺激磁电源。

打开陀螺外罩，在陀螺转子组件上端面沿径向方向画一条标记线，然后转动转子组 件使标记线指东，即测量位置1。盖上外罩，对传感器进行调零，通常情况下，X路零位 和Y路零位均调整至最小值。

将转台俯仰轴置于方位姿态，逐渐减小R1电阻箱电阻观察X路零位电压值的变化方向， 如果X路零位持续变小，则继续调小R1电阻。反之如果X路零位持续变大，则将标记为X的 换向拨钮从一侧拨至另一侧。同理逐渐减小R2电阻箱电阻观察Y路零位电压值的变化方向， 如果Y路零位持续变小，则继续调小R2电阻。反之如果Y路零位持续变大，则将标记为Y的 换向拨钮从一侧拨至另一侧。交叉调小R1、R2电阻，在调小R1、R2电阻过程中如果X路和Y路传感器零位出现振荡，则停止调小R1、R2电阻，等待X路和Y路传感器零位稳定后再交 叉调小R1、R2电阻，直到X路和Y路传感器零位变小至与“水平最小零位”的X轴Uox和Y轴 Uoy接近为止。接近程度以与水平最小零位的X轴Uox和Y轴Uoy的差值<10mV为准。当与水 平最小零位的X轴Uox和Y轴Uoy值相等时为最佳。将此时R2电阻值R2a记录下来。在上述操 作过程中，有时会碰到R1或R2在初始阻值999999Ω时，X路或Y路传感器零位即在最小零 位附近，此时将标记为X或Y的换向拨钮从一侧拨至另一侧时，X路和Y路传感器零位仍在 最小零位附近，但两种情况都未达到“水平最小零位”的水平，此时应选取离“水平最小 零位”最近的情况作为X或Y换向拨钮最终选取状态。

观察此时标记为Y或X的拨钮开关所处的位置。Y+对应陀螺转子组件质心内重，即转 子组件重心在支撑中心内侧，朝向陀螺内部，Y-对应陀螺转子组件质心外重，即转子组件重心在支撑中心外侧，朝向陀螺外部。

参照上述对位置1进行的操作，对转子组件标记指南的位置2、转子组件标记指西的 位置3、转子组件标记指北的位置4重复相同操作，并记录R2b、R2c、R2d电阻值。使用 下列公式计算I_X：

其中，R为X轴或Y轴主力矩器阻值。

将陀螺转至陀螺装配装调零板，然后对前放电阻配置过程进行接线操作。将前放电阻 配置专用辅助工装装到转台台面上，将前放电阻配置专用插头上附带的换向插头插到专 用辅助工装的换向插头上。

将陀螺装夹到陀螺测试系统夹具上并接线，转台主轴置于初始位置，启动陀螺查看陀 螺闭路情况，若闭路正常则将转台俯仰轴转动至平行极轴位置。启动陀螺马达并打开激 磁，改变传感器桥路电阻，使传感器零位最小且传感器输出信号与传感器输入信号一致。 闭合反馈回路，观察陀螺常值漂移大小，当机械零位和电器零位重合时，在平行极轴位置两路陀螺常值漂移应在0°/h附近。如果不满足上述条件，关闭陀螺等待数秒重启陀 螺，重复上述调试过程。

关闭陀螺，将转台俯仰轴转动至水平姿态，启动陀螺观察陀螺常值漂移大小，X路和 Y路陀螺常值漂移均应0°/h。若陀螺常值漂移输出不满足上述条件，需要将转台俯仰轴重新转动至平行极轴位置并重复全调试过程，直至满足最终条件为止。

启动陀螺仪数据采集系统的多位置翻滚程序，测出Y轴轴向不平衡量D(y)y。

当一种型号陀螺最初测陀螺转子质心前，首先按照公式(7)确定系数A和B。实测两组 数据I_x1、I_x2及D(y)_y1、D(y)_y2即可求出一元线性方程组系数A和B，当A和B确定以 后，再测陀螺转子质心时只需进行无陀螺效应情形下测量X轴的施矩电流的操作，即可 推算出陀螺轴向不平衡量D(y)_y。因此有陀螺效应情形下测量Y轴轴向质量不平衡漂移系 数仅应用于确定系数A和B。

后续在进行陀螺转子质心的测试时，只需要先测出I_X，然后使用以下公式：

D(y)_y＝(I_X-B)/A (15)

即可计算静平衡量，分析静平衡量外重或内重的程度，给出选用装配正式陀螺所用 的装陀螺转子组件定位工装的选择建议。定位工装的定位高度集中在某一段范围内。固定高度的定位工装为2微米一档组成系列，可调节的定位工装要求调节精度分辨率达到2微米。一般情况下，当静平衡量为外重时减小装陀螺转子组件定位工装的高度，当静平 衡量为内重时增加装陀螺转子组件定位工装的高度。

例如某样品陀螺经过上述试验测定A＝1.754×10^-6，B＝0.7568×10^-6。同时通过上 述试验推算出该样品陀螺转子组件质心移动1微米，静平衡量变化52.2°/h/g。该陀螺转子组件在测质心专用陀螺上实际测得电流I_X为3.954×10^-4(A)，按照公式(15)计 算对应的D(y)_y为内重225°/h/g，则增加2档定位工装的高度，225°/h/g-52.2°/h/g×2(档)×2μm(每档)＝16.2度。因此该样品陀螺轴向不平衡量预留了内重16.2° /h/g，后续精静平衡时可使用激光去重等手段完成轴向不平衡量调整。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡 是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种双自由度陀螺仪转子组件轴向质心测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、使陀螺开路状态处于水平姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线平行，将陀螺传感器零位调整至最小；

S2、使陀螺开路状态处于方位姿态，此时陀螺轴与地面铅垂线垂直，对陀螺力矩器输入电流将陀螺传感器零位调整至最小，记录此刻电流值为I_X；测量电流值I_X时使用多点旋转平均法；

S3、陀螺处于闭路状态测出陀螺轴向不平衡量D(y)_y；测量不平衡量D(y)_y时使用平行极轴调试和多位置翻滚测试；先进行平行极轴调试，然后再进行多位置翻滚测试；

S4、通过两次试验，建立电流值I_X和不平衡量D(y)_y的线性关系；所述线性关系的表达式为：I_x＝A·D(y)_y+B，其中，A和B均为系数；

S5、通过测量电流值I_X；利用上述线性关系，计算不平衡量D(y)_y。

2.根据权利要求1所述的双自由度陀螺仪转子组件轴向质心测量方法，其特征在于，所述多点旋转平均法测量点数为4的倍数。

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