CN113432590A - 基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置及其调整方法，通过基座和谐振子的位置关系，彩色共聚焦传感器检测二者相对位置关系，并构建了本装置对其X轴、Y轴和Z轴进行调整，同时根据调试过程形成了本装置的检测方法。实现了半球谐振陀螺谐振子与基座电极之间间隙的亚微米级精度精确测量与调整，满足高精度半球谐振陀螺研制要求，推动我国新型惯性器件及武器装备的发展。本发明通过彩色共聚焦传感器的检测，能够检测并调整谐振子与基座电极之间X轴、Y轴和Z轴方向的间隙，提高陀螺装配效率，且间隙一致性调整精度不受位移台定位精度的影响。本发明属于光学非接触测量方法，不会产生接触式测量方法存在的划伤或污染工件表面的问题。

Description

基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置及其调整方法

技术领域

本发明属于惯性测量传感器技术领域，尤其是基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置及其调整方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型惯性级固体陀螺，它具有精度高、体积小、抗冲击能力强、寿命长和可靠性高等独特优点，在军事应用中具有明显的优势。半球谐振陀螺主要由半球谐振子与基座电极两大核心功能构件组成，一般采用静电激励和电容检测实现对谐振子中驻波的控制和检测。装配时谐振子与基座电极之间的间隙不均匀不仅会导致陀螺各个电极之间的电容值不一致，还会产生电极角度位置偏差。高精度的半球谐振陀螺要求控制电极与读出电极间的信号幅度和相位很精确，具有位置偏差或电容值不均匀的电极都将增大对谐振子驻波的控制难度，影响半球谐振陀螺精度。另外，谐振子与基座电极之间Z向间隙误差会导致电容增益非线性偏差，进而给陀螺的动态控制带来困难和误差。因此对于高精度的半球谐振陀螺，必须在装配过程中对谐振子与基座电极的球心进行精确对准。

对于球面电极结构的半球谐振陀螺来说，其谐振子与基座电极之间间隙在0.1mm～0.15mm之间，高精度的半球谐振陀螺要求间隙一致性误差小于1.5μm，如图3所示。由于谐振子与基座均为球面，且二者之间间隙较小、间隙一致性要求较高，无法采用传统的接触式测量方式对其进行测量。谐振子与基座表面均镀有金层，亦无法直接采用光学测量方式对其间隙进行直接测量。另外，由于技术封锁，目前没有谐振陀螺精密装配技术的相关报道。综上所述，谐振子与基座电极之间球心精确对准对于高精度半球谐振陀螺研制来说具有重要意义，然而该技术难度较大，目前并没有方案可供参考。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置及其调整方法，能够实现半球谐振陀螺谐振子与基座电极之间间隙的亚微米级精度的实时精确测量与调整，满足高精度半球谐振陀螺研制要求，推动我国新型惯性器件及武器装备的发展。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置，包括基座、基座固定工装、基座姿态调整工装、多个彩色共聚焦传感器、水平方向彩色共聚焦传感器支架、谐振子、谐振子固定工装、谐振子姿态调整工装、30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台、30度方向彩色共聚焦传感器固定支架、多自由度定位平台和陀螺装配一体化工装，所述谐振子通过谐振子固定工装固定在谐振子姿态调整工装上，谐振子姿态调整工装固定在多自由度定位平台上，多自由度定位平台固定在陀螺装配一体化工装内；基座通过基座固定工装固定在基座姿态调整工装上，基座姿态调整工装固定在陀螺装配一体化工装上，30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台固定在30度方向彩色共聚焦传感器固定支架上，30度方向彩色共聚焦传感器固定支架与水平方向彩色共聚焦传感器支架固定在陀螺装配一体化工装上，30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台和水平方向彩色共聚焦传感器支架固定多个彩色共聚焦传感器。

而且，所述水平方向彩色共聚焦传感器支架固定在陀螺装配一体化工装的顶部，30度方向彩色共聚焦传感器固定支架固定在陀螺装配一体化工装中部偏上位置。

而且，所述水平方向彩色共聚焦传感器支架包括至少两个水平方向彩色共聚焦传感器支架。

而且，所述30度方向彩色共聚焦传感器固定支架与水平面夹角为25度至35度。

而且，所述多自由度定位平台固定在陀螺装配一体化工装内的底部。

一种基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置的调整方法，包括以下步骤：

步骤1、调整谐振子与基座电极的水平和俯仰姿态，使其与水平面平行；

步骤2、以谐振子为基准建立坐标系，其中X轴和Y轴与水平面平行，Z轴垂直于水平面；

步骤3、粗略调整基座与谐振子Z轴同轴；

步骤4、调整彩色共聚焦传感器的位置，使其量程包含谐振子与基座，完成装配前准备工作；

步骤5、记录此时谐振子Z轴坐标位置为初始位置z0；

步骤6、30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台调整30度彩色共聚焦传感器的位置，使其远离谐振子；

步骤7、利用多自由度定位平台调整谐振子Z轴位置，使其下降并与基座分离，此时彩色共聚焦传感器观测基座当前位置的坐标，记录传感器读数，并记为C1_i，其中i＝1，2，…，n，n为彩色共聚焦传感器数量；

步骤8、利用谐振子姿态调整工装调整谐振子Z轴位置，使之回到初始位置z0；

步骤9、利用30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台调整30度彩色共聚焦传感器的位置，使其靠近谐振子；

步骤10、利用彩色共聚焦传感器记录谐振子当前位置坐标，并记为C2_i，其中i＝1，2，…，n，C1_i与C2_i之间的差值ΔC_i为谐振子与基座之间的间隙，其中i＝1，2，…，n；

步骤11、判断得到的ΔC_i的值，若ΔC_i的值均小于规定值，则调整结束，否则利用多自由度定位平台调整谐振子的X轴、Y轴和Z轴的位置，并返回步骤5。

而且，步骤6中远离谐振子的距离为10mm，步骤7中下降距离为15mm；步骤8中靠近谐振子距离为10mm；步骤11中规定值为0.1微米。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过基座和谐振子的位置关系，彩色共聚焦传感器检测二者相对位置关系，并构建了本装置对其X轴、Y轴和Z轴进行调整，同时根据调试过程形成了本装置的检测方法。本发明实现了半球谐振陀螺谐振子与基座电极之间间隙的亚微米级精度精确测量与调整，满足高精度半球谐振陀螺研制要求，推动我国新型惯性器件及武器装备的发展。

2、本发明通过彩色共聚焦传感器的检测，能够检测并调整谐振子与基座电极之间X轴、Y轴和Z轴方向的间隙，提高陀螺装配效率，且间隙一致性调整精度不受位移台定位精度的影响。

3、本发明通过将基座部分安装在一体化工装上部，通过谐振子部分安装在一体化工装内部，在调整过程时隔离了基座部分和谐振子部分，能实现谐振子与基座电极之间间隙的无损测量，不存在划伤或污染工件表面的风险，同时本发明属于光学非接触测量方法，不会产生接触式测量方法存在的划伤或污染工件表面的问题。

附图说明

图1为本发明的装置结构图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的谐振子与基座之间球面间隙示意图；

图4为本发明X轴和Y轴方向的间隙测量原理示意图；

图5为本发明Z轴方向间隙测量原理示意图；

图6为本发明水平方向彩色共聚焦传感器支架和30度方向彩色共聚焦传感器固定支架位置关系图。

附图说明：

1-基座；2-基座固定工装；3-基座姿态调整工装；4-彩色共聚焦传感器；5-水平方向彩色共焦传感器固定支架；6-谐振子；7-谐振子固定工装；8-谐振子姿态调整工装；9-30度方向彩色共焦传感器运动位移台；10-30度方向彩色共焦传感器固定支架；11-多自由度定位平台；12-陀螺装配一体化工装。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置，如图1所示，包括基座1、基座固定工装2、基座姿态调整工装3、多个彩色共聚焦传感器4，水平方向彩色共聚焦传感器支架5、谐振子6、谐振子固定工装7、谐振子姿态调整工装8、30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台9、30度方向彩色共聚焦传感器固定支架10、多自由度定位平台和陀螺装配一体化工装11，谐振子通过谐振子固定工装固定在谐振子姿态调整工装上，谐振子姿态调整工装固定在多自由度定位平台上，多自由度定位平台固定在陀螺装配一体化工装内；基座通过基座固定工装固定在基座姿态调整工装上，基座姿态调整工装固定在陀螺装配一体化工装上，30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台固定在30度方向彩色共聚焦传感器固定支架上，30度方向彩色共聚焦传感器固定支架与水平方向彩色共聚焦传感器支架固定在陀螺装配一体化工装上，30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台和水平方向彩色共聚焦传感器支架固定多个彩色共聚焦传感器。

如图6所示，水平方向彩色共聚焦传感器支架固定在陀螺装配一体化工装的顶部，30度方向彩色共聚焦传感器固定支架固定在陀螺装配一体化工装中部偏上位置；水平方向彩色共聚焦传感器支架包括至少两个水平方向彩色共聚焦传感器支架；30度方向彩色共聚焦传感器固定支架与水平面夹角为25度至35度；所述多自由度定位平台固定在陀螺装配一体化工装内的底部。

本发明的装置中谐振子具备水平姿态调节和精确的X轴、Y轴和Z轴位移调整功能。通过多个彩色共聚焦传感器分别实现X轴、Y轴和Z轴三个方向间隙的测量，然后通过多自由度定位平台实现谐振子X轴、Y轴和Z轴三个自由度位置的调整，从而实现谐振子与基座电极球心的空间高精度对准。

谐振子与基座电极之间的间隙利用高精度的彩色共聚焦传感器进行测量。为避免运动平台引入的测量与调整误差，彩色共聚焦传感器的数量最佳为6个，本实施例采用6个彩色共聚焦传感器，分别对X轴、Y轴和Z轴方向的间隙进行测量，每个方向上有2个彩色共聚焦传感器，30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台上固定1个彩色共聚焦传感器，其中存在1个水平方向彩色共聚焦传感器支架上固定1个彩色共聚焦传感器与30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台上固定的1个彩色共聚焦传感器共同完成对Z轴的测量。高精度的彩色共焦传感器测量精度可达到0.15微米，量程为几百微米，能够满足谐振子与基座电极间隙测量需求。彩色共聚焦传感器的测量原理是由光源射出一束宽光谱的复色光，通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一个波长都对应一个到被测物体的距离值。测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单色光，可以通过小孔被光谱仪感测到。通过计算被感测到的波长，即可获得被测物体的距离值。该传感器的测量范围从测量起始点到线性量程的终点。

X轴和Y轴方向的间隙测量原理如图4所示。测量间隙时，先将谐振子Z轴位置降低，测基座的位置并记录坐标z1_i，其中i＝1,2,…,4，为X轴与Y轴的4个彩色共聚焦传感器的采集结果(本段其余i含义同上)，然后将谐振子升到预定位置，测量并记录谐振子的位置并记录坐标z2_i，z1_i与z2_i之间的差值记为谐振子与基座之间的间隙。利用位移台调整谐振子的位置，即可实现间隙的调整。

Z轴方向的间隙测量原理与X轴和Y轴方向类似，也是通过升降谐振子并分别记录基座与谐振子的位置，记录并实现间隙的调整。如图5所示，区别在于：①传感器的起始测量点距离被测面距离较近，升降过程中需要利用小型位移台将Z方向2位置处的测头往后移，行程约10mm，位移台的运动误差会耦合到间隙测量结果中，因此需要优先选用精度和分辨率较高的位移台；②基座与谐振子的位置误差并不是Z向间隙真实值，而是遵循以下规律：

当谐振子球心与基座球心重合时，传感器Z1与传感器Z2测得的间隙相同；

当谐振子球心高于基座球心时，传感器Z1测量的间隙值大于传感器Z2测得的间隙值；

当谐振子球心低于基座球心时，传感器Z1测量的间隙值小于传感器Z2测得的间隙值。

利用上述规律，可以实现Z轴间隙的调整，即当传感器Z1测得的间隙大于传感器Z2测得的间隙时，向下调整谐振子位置，直至二者相同；当当传感器Z1测得的间隙小于传感器Z2测得的间隙时，向上调整谐振子位置，直至二者相同。

一种基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置的调整方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、调整谐振子与基座电极的水平和俯仰姿态，使其与水平面平行；

步骤2、以谐振子为基准建立坐标系，其中X轴和Y轴与水平面平行，Z轴垂直于水平面；

步骤3、粗略调整基座与谐振子Z轴同轴；

步骤4、调整彩色共聚焦传感器的位置，使其量程包含谐振子与基座，完成装配前准备工作；

步骤5、记录此时谐振子Z轴坐标位置为初始位置z0；

步骤6、30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台调整30度彩色共聚焦传感器的位置，使其远离谐振子；

步骤7、利用谐振子姿态调整工装调整谐振子Z轴位置，使其下降15mm与基座分离，此时彩色共聚焦传感器观测基座当前位置的坐标，记录传感器读数，并记为C1_i，其中i＝1，2，…，n，n为彩色共聚焦传感器数量；

步骤8、利用谐振子姿态调整工装调整谐振子Z轴位置，使之回到初始位置z0；

步骤9、利用30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台调整30度彩色共聚焦传感器的位置，使靠近谐振子前进10mm；

步骤10、利用彩色共聚焦传感器记录谐振子当前位置坐标，并记为C2_i，其中i＝1，2，…，n，C1_i与C2_i之间的差值ΔC_i为谐振子与基座之间的间隙，其中i＝1，2，…，n；

步骤11、判断得到的ΔC_i的值，若ΔC_i的值均小于0.1微米，则调整结束，否则利用多自由度定位平台调整谐振子的X轴、Y轴和Z轴的位置，并返回步骤5。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置，其特征在于：包括基座、基座固定工装、基座姿态调整工装、多个彩色共聚焦传感器、水平方向彩色共聚焦传感器支架、谐振子、谐振子固定工装、谐振子姿态调整工装、30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台、30度方向彩色共聚焦传感器固定支架、多自由度定位平台和陀螺装配一体化工装，所述谐振子通过谐振子固定工装固定在谐振子姿态调整工装上，谐振子姿态调整工装固定在多自由度定位平台上，多自由度定位平台固定在陀螺装配一体化工装内；基座通过基座固定工装固定在基座姿态调整工装上，基座姿态调整工装固定在陀螺装配一体化工装上，30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台固定在30度方向彩色共聚焦传感器固定支架上，30度方向彩色共聚焦传感器固定支架与水平方向彩色共聚焦传感器支架固定在陀螺装配一体化工装上，30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台和水平方向彩色共聚焦传感器支架固定多个彩色共聚焦传感器。

2.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置，其特征在于：所述水平方向彩色共聚焦传感器支架固定在陀螺装配一体化工装的顶部，30度方向彩色共聚焦传感器固定支架固定在陀螺装配一体化工装中部偏上位置。

3.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置，其特征在于：所述水平方向彩色共聚焦传感器支架包括至少两个水平方向彩色共聚焦传感器支架。

4.根据权利要求1或3所述的基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置，其特征在于：所述30度方向彩色共聚焦传感器固定支架与水平面夹角为25度至35度。

5.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置，其特征在于：所述多自由度定位平台固定在陀螺装配一体化工装内的底部。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置的调整方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、调整谐振子与基座电极的水平和俯仰姿态，使其与水平面平行；

步骤2、以谐振子为基准建立坐标系，其中X轴和Y轴与水平面平行，Z轴垂直于水平面；

步骤3、粗略调整基座与谐振子Z轴同轴；

步骤4、调整彩色共聚焦传感器的位置，使其量程包含谐振子与基座，完成装配前准备工作；

步骤5、记录此时谐振子Z轴坐标位置为初始位置z0；

步骤6、30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台调整30度彩色共聚焦传感器的位置，使其远离谐振子；

步骤7、利用多自由度定位平台调整谐振子Z轴位置，使其下降并与基座分离，此时彩色共聚焦传感器观测基座当前位置的坐标，记录传感器读数，并记为C1_i，其中i＝1，2，…，n，n为彩色共聚焦传感器数量；

步骤8、利用谐振子姿态调整工装调整谐振子Z轴位置，使之回到初始位置z0；

步骤9、利用30度方向彩色共聚焦传感器运动位移台调整30度彩色共聚焦传感器的位置，使其靠近谐振子；

步骤10、利用彩色共聚焦传感器记录谐振子当前位置坐标，并记为C2_i，其中i＝1，2，…，n，C1_i与C2_i之间的差值ΔC_i为谐振子与基座之间的间隙，其中i＝1，2，…，n；

步骤11、判断得到的ΔC_i的值，若ΔC_i的值均小于规定值，则调整结束，否则利用多自由度定位平台调整谐振子的X轴、Y轴和Z轴的位置，并返回步骤5。

7.根据权利要求6所述的基于光谱共焦的半球谐振陀螺精密装配装置的调整方法，其特征在于：所述步骤6中远离谐振子的距离为10mm，所述步骤7中下降距离为15mm；所述步骤8中靠近谐振子距离为10mm；所述步骤11中规定值为0.1微米。

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