CN113029122A - 一种用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置，属惯性导航、制导及控制领域。本发明利用振动能量耗散原理，将机抖激光陀螺机械抖动机构传递到安装壳体和安装基座的能量通过一端固定，另一端自由的抖动耗散辐条以动能的形式耗散，同时，将抖动耗散辐条镶嵌在大阻尼粘弹性阻尼材料中，以提高耗散效率和降低噪音。本发明利用抖动耗散辐条和阻尼耗散缓冲垫，可以有效地减小机抖激光陀螺机械抖动对安装壳体和安装基座的振动能量传递并减小噪音，在保证机抖激光陀螺精度的同时，降低机抖激光陀螺惯性导航系统中机抖激光陀螺互相之间的共振耦合效应，提高由机抖激光陀螺组成的捷联惯性导航系统的导航精度。

Description

一种用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置
技术领域
本发明涉及一种用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置，属惯性导航、制导及控制领域。
背景技术
机抖激光陀螺是一种精度高、体积小、动态范围宽、稳定性好、抗冲击振动能力强的惯性空间角速率测量装置，已经广泛应用于军事及民用商业领域，包括航空、航天、航海及陆地的姿态测量、定位定向、轨道、桥梁、堤坝检测等系统中。为了克服激光陀螺自身固有的锁区效应，机抖激光陀螺使用机械抖动偏频法，在激光陀螺微晶玻璃光学谐振腔的内孔壁粘贴机械抖动装置，带动激光陀螺光学谐振腔做周期性的往复抖动，使激光陀螺的输入角速率快速通过锁区，从而消除闭锁效应带来的误差。
文献1为国防科技大学应用物理系汤建勋等在《激光杂志》2000年第21卷第2期上发表的论文《机械抖动激光陀螺抖动机构的设计》，研究了机械抖动激光陀螺抖动机构的设计方法，并设计了一种实用的抖动机构。该机构的体积，刚性，谐振频率，灵敏度，热膨胀，偏频量及偏频稳定性等方面都符合机械抖动偏频的要求。但是该文献并没有从减小机械抖动激光陀螺抖动机构的抖动对安装基座传递能量的角度去考虑和设计，因此需要进一步完善。
文献2为美国专利US4349183，Thomas M.Wirt,,et al.“Spring for a ringlaser gyro dither mechanism”，介绍了一种改进的用于机抖激光陀螺抖动机构的抖动辐条组件，每个抖动辐条由四个压电陶瓷片驱动，减小了抖动辐条的横截面积和惯性矩，增强了抖动辐条与抖动机构外缘径向连接点处的抗弯曲性能。通过改进的抖动驱动机构三弹簧隔振系统，将传递到激光陀螺的抖动扭矩与传递到环形配重的抖动扭矩相抵消，从而尽可能地减少了传递到安装壳体上的振动能量。但是该发明的结构复杂，三弹簧隔振系统的加工与装配工艺难度大，难以精确保证同轴安装，而且体积和重量较大，不利于激光陀螺的小型化、轻量化设计。
文献3为美国专利US4115004,Thomas J.Hutchings,et al.“CounterbalancedOscillating Ring Laser Gyro”，介绍了一种在机抖激光陀螺的机械抖动机构内部安装反向抖动配重装置以抵消因激光陀螺光学谐振腔抖动对安装壳体影响的方法。该方法可以提高激光陀螺的安装稳定性，减小机械抖动机构对安装环境中其它振动敏感装置的影响。但是该专利提出的反向抖动配重装置的结构复杂，而且该结构的谐振频率品质因数低，难以起振，抗干扰能力弱。在机抖激光陀螺惯性导航系统中，至少需要在三个自由度方向上安装机抖激光陀螺，并且安装在同一个安装基座上，对于品质因数低的机械抖动机构，机抖激光陀螺惯性导航系统装配体会发生共振耦合效应，使机械抖动机构功能失效，进而影响机抖激光陀螺惯性导航系统的输出精度。
发明内容
本发明的目的是充分利用现有机抖激光陀螺成熟的机械抖动机构，灵活运用能量耗散理论，在不改变现有机抖激光陀螺机械抖动机构总体安装方式及控制方法的基础上，降低机抖激光陀螺机械抖动对安装壳体和安装基座的振动传递，减小由机抖激光陀螺组成的捷联惯性导航系统中三个(或三个以上)机抖激光陀螺互相之间的共振耦合效应，从而提高由机抖激光陀螺组成的捷联惯性导航系统的导航精度。该方案基于原有的机抖激光陀螺机械抖动机构，仅需做简单的加工即可，易于实施，效果明显。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置，包括抖动驱动机构和阻尼耗散机构；所述抖动驱动机构包括抖动驱动辐条、压电陶瓷片和安装法兰，所述阻尼耗散机构包括抖动耗散辐条和阻尼耗散缓冲垫；所述抖动驱动辐条在一个圆柱体上镂空加工而成，包括4片I形抖动驱动辐条、4片T形抖动驱动辐条，所述4片I形抖动驱动辐条和4片T形抖动驱动辐条之间两两错开；在每片I形抖动驱动辐条的左右两侧各粘贴有一块压电陶瓷片，取任意一块压电陶瓷片作为机械抖动信号的检测以进行抖动控制，其余七块压电陶瓷片上施加周期性的电压信号以驱动抖动驱动机构以谐振频率抖动；安装法兰设置在4片I形抖动驱动辐条的底部外侧，用于将抖动驱动机构固定在安装基座上；所述抖动耗散辐条为4片T形抖动耗散辐条，处在4片T形抖动驱动辐条的正下方，外形尺寸在水平面的投影与T形抖动驱动辐条相同，高度小于T形抖动驱动辐条的高度；4片抖动耗散辐条与4片抖动驱动辐条共用同一个中心轴但不相连，这种一端固定，另一端自由的设置保证了机抖激光陀螺机械抖动能量的传递。
所述阻尼耗散缓冲垫采用的材料为大阻尼粘弹性材料，上面开有与4片I形抖动驱动辐条、4片T形抖动耗散辐条相对应的凹槽，抖动驱动辐条和抖动耗散辐条镶嵌在凹槽中，当机抖激光陀螺抖动驱动机构振动时，由于抖动耗散辐条与抖动驱动辐条共用同一个中心轴，抖动耗散辐条也会产生振动，迫使阻尼耗散缓冲垫产生拉压变形及剪切变形，从而将机械振动能转化为热能进行耗散。
进一步地，所述阻尼耗散缓冲垫的材料为橡胶。
进一步地，所述阻尼耗散缓冲垫的材料为羧基丁腈橡胶基粘弹性材料。
本发明基于以下原理：为了消除机抖激光陀螺机械抖动机构的抖动对于安装壳体以及安装基座的影响，减小机抖激光陀螺惯性导航系统装配体的共振耦合效应，本发明利用振动能量耗散原理，将机抖激光陀螺机械抖动机构传递到安装壳体和安装基座的能量通过一端固定，另一端自由的抖动耗散辐条以动能的形式耗散，同时，将抖动耗散辐条镶嵌在大阻尼粘弹性阻尼材料中，以提高耗散效率和降低噪音。其中的大阻尼粘弹性阻尼材料在机械结构振动时，会受到交变的拉压应力和应变以及剪切变形，从而有效地将机械振动能转化为热能进行耗散。通过增加这个抖动能量耗散结构，本发明在不改变现有机抖激光陀螺机械抖动机构总体安装方式及控制方法的基础上，利用抖动耗散辐条和阻尼耗散缓冲垫，可以有效地减小机抖激光陀螺机械抖动对安装壳体和安装基座的振动能量传递并减小噪音，在保证机抖激光陀螺精度的同时，降低机抖激光陀螺惯性导航系统中机抖激光陀螺互相之间的共振耦合效应，提高由机抖激光陀螺组成的捷联惯性导航系统的导航精度。
本发明具有以下技术效果：
1)本发明在原有机抖激光陀螺机械结构的基础上进行改进，在抖动驱动辐条中的4片T形抖动驱动辐条底部增加了共轴但不与其相连的4片T形抖动耗散辐条，同时增加了阻尼耗散缓冲垫，并没有改变原有机抖激光陀螺的安装尺寸与安装方式，成本很低，同时与原来的机抖激光陀螺装配过程完全兼容。
2)通过采用本发明的抖动耗散消振装置，可以有效地将机抖激光陀螺中机械抖动机构传导到安装基座中的抖动能量耗散掉，从而降低机抖激光陀螺的抖动对其它敏感设备的影响，同时对于减小由机抖激光陀螺组成的捷联惯性导航系统中三个(或三个以上)机抖激光陀螺互相之间的共振耦合作用有非常明显的效果。
附图说明
图1为现有的机抖激光陀螺机械抖动机构示意图；
图2为本发明的机抖激光陀螺机械抖动机构示意图；
图3为本发明的阻尼耗散缓冲垫示意图；
图4为采用本发明所述抖动耗散消振装置的机抖激光陀螺装配爆炸示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理及具体实施方式做进一步介绍。
如图1所示，图1为文献1所述现有的机抖激光陀螺机械抖动机构，其抖动驱动机构包括抖动驱动辐条10，压电陶瓷片11，安装法兰12。
图2为本发明的机抖激光陀螺机械抖动耗散消振装置，包括抖动驱动机构和阻尼耗散机构。其中抖动驱动机构与现有的机抖激光陀螺抖动驱动机构相同。
所述抖动驱动机构包括抖动驱动辐条10，压电陶瓷片11，安装法兰12。所述阻尼耗散机构包括抖动耗散辐条20和阻尼耗散缓冲垫3(见图3)；所述抖动驱动辐条10包括4片I形抖动驱动辐条101、103、105、107和4片T形抖动驱动辐条102、104、106、108；4片I形抖动驱动辐条和4片T形抖动驱动辐条两两错开；在每片I形抖动驱动辐条101、103、105、107的左右两侧各粘贴有一块压电陶瓷片11，一共八片，取任意一块压电陶瓷片11作为机械抖动信号的检测，其余七块压电陶瓷片上施加周期性的电压信号以驱动机械抖动机构以谐振频率抖动。每片T形抖动驱动辐条102、104、106、108的径向端面外侧与机抖激光陀螺微晶玻璃光学谐振腔2(见图4)的内孔壁通过粘贴的方式相连。安装法兰12设置在4片I形抖动驱动辐条的底部外侧，为4个带有安装螺纹孔的凸台，与机抖激光陀螺安装壳体4(见图4)底部中心的安装基座用螺丝连接固定。所述抖动耗散辐条20为4片T形抖动耗散辐条，位于4片T形抖动驱动辐条的正下方，外形尺寸在水平面的投影与T形抖动驱动辐条相同，高度小于抖动驱动辐条的高度，以便于加工。4片抖动耗散辐条与4片抖动驱动辐条共用同一个中心轴但不相连，这种一端固定，另一端自由的设置保证了机抖激光陀螺机械抖动能量的传递。
如图3所示，所述阻尼耗散缓冲垫3采用橡胶制作，上面开有与4片I形抖动驱动辐条、4片T形抖动耗散辐条相对应的凹槽，抖动驱动辐条和抖动耗散辐条镶嵌在凹槽中，当机抖激光陀螺抖动驱动机构振动时，由于抖动耗散辐条与抖动驱动辐条共用同一个中心轴，抖动耗散辐条也会产生振动，迫使阻尼耗散缓冲垫产生拉压变形及剪切变形，从而将机械振动能转化为热能进行耗散。
采用本发明所述抖动耗散消振装置的机抖激光陀螺装配爆炸示意图如图4所示，装配步骤如下：
S1、将本发明所述抖动耗散消振装置1的4个T形抖动辐条的径向端面外侧与机抖激光陀螺微晶玻璃光学谐振腔2的中心孔内壁通过粘胶的方式固定连接；
S2、将阻尼耗散缓冲垫3与抖动耗散消振装置1过盈配合安装；
S3、将经过S1、S2步骤安装好的装配体固定到机抖激光陀螺安装壳体4底部中心的安装基座上；
S4、将机抖激光陀螺安装上盖5安装在机抖激光陀螺安装壳体4上。
通过如本发明所述的改进，可以有效地将机抖激光陀螺的机械抖动能量通过抖动耗散辐条耗散到阻尼耗散缓冲垫当中，从而显著降低机抖激光陀螺机械抖动能量向安装基座的传递，这样不但减小了机抖激光陀螺机械抖动对安装载体系统外部振动敏感设备的干扰，减小了噪音，而且降低了由机抖激光陀螺组成的惯性导航系统内部三个(或三个以上)机抖激光陀螺相互之间的共振耦合效应，在低成本、全兼容的前提下可以有效提高捷联惯性导航系统的应用导航精度。

Claims (3)

1.一种用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置，其特征在于：包括抖动驱动机构和阻尼耗散机构；所述抖动驱动机构包括抖动驱动辐条、压电陶瓷片和安装法兰，所述阻尼耗散机构包括抖动耗散辐条和阻尼耗散缓冲垫；所述抖动驱动辐条在一个圆柱体上镂空加工而成，包括4片I形抖动驱动辐条、4片T形抖动驱动辐条，所述4片I形抖动驱动辐条和4片T形抖动驱动辐条之间两两错开；在每片I形抖动驱动辐条的左右两侧各粘贴有一块压电陶瓷片，取任意一块压电陶瓷片作为机械抖动信号的检测以进行抖动控制，其余七块压电陶瓷片上施加周期性的电压信号以驱动抖动驱动机构以谐振频率抖动；安装法兰设置在4片I形抖动驱动辐条的底部外侧，用于将抖动驱动机构固定在安装基座上；所述抖动耗散辐条为4片T形抖动耗散辐条，处在4片T形抖动驱动辐条的正下方，外形尺寸在水平面的投影与T形抖动驱动辐条相同，高度小于T形抖动驱动辐条的高度；4片抖动耗散辐条与4片抖动驱动辐条共用同一个中心轴但不相连；
所述阻尼耗散缓冲垫采用的材料为大阻尼粘弹性材料，上面开有与4片I形抖动驱动辐条、4片T形抖动耗散辐条相对应的凹槽，抖动驱动辐条和抖动耗散辐条镶嵌在凹槽中，当机抖激光陀螺抖动驱动机构振动时，由于抖动耗散辐条与抖动驱动辐条共用同一个中心轴，抖动耗散辐条也会产生振动，迫使阻尼耗散缓冲垫产生拉压变形及剪切变形，从而将机械振动能转化为热能进行耗散。
2.一种根据权利要求1所述用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置，其特征在于：所述阻尼耗散缓冲垫的材料为橡胶。
3.一种根据权利要求1所述用于机抖激光陀螺的抖动耗散消振装置，其特征在于：所述阻尼耗散缓冲垫的材料为羧基丁腈橡胶基粘弹性材料。
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