CN113967856A - 加速度计蓝宝石摆片加工方法及摆片光反射放大法精密摆角测量 - Google Patents
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Abstract
一种精密加工方法，采用磨削切削加工方法以及纯金(或同属性材料)做为粘合剂桥，用于加工厚度小于等于3/100毫米蓝宝石摆片上挂帘部分，并减少应力达到所需值。由于上述加工方法所导致的蓝宝石工件在加工机床上的固定方法必须采用新的固定方法，该固定方法采用高精度网格平台+工件边缘止位的固定方法。由于上述加工方法所导致的蓝宝石工件在加工机床上的固定方法必须采用新的固定方法，该固定方法采用高精度网格平台+抽气吸附止位的固定方法。一种加速度计摆片在工作时的偏转角度测量方法，该方法采用一束光(或与光具有相同反射特性的其它电磁波、粒子流，例如：超短波，红外线，紫外线，射线等)照在摆片上并形成反射，通过摆片偏转前和偏转后反射光点的位移精确测量偏转角度，该技术可以实现对读数值的任意放大而对摆片本身不产生任何影响和干涉。
Description
加速度计装置的主要功能是装置本身感知加速度和通过所感知的加速度量计算出装置相应的位移量，其物理模型和数学模型详见“图1”，一个铅球固定在A 端，当该装置向箭头方向移动时，由于加速度的作用，令到铅球朝与运动相反的方向发生偏转，偏转角度为Ω，众所周知：mg x sin Ω＝ma，S＝Vot+1/2at2其中m为铅球的质量，g为重力加速度，a为装置运动的加速度，Vo为装置的初速度，t为时间。
在实际工业应用中，考虑到加速度计装置的测量精度和稳定性，国内相同原理的加速度计绝大多数均采用石英摆片结构，以石英(化学分子式：SiO2)为原料，其结构详见“图2”，外框B固定，摆片C通过挂帘D(一般为二片，其厚度一般小于3/100毫米)可以自由摆动，当整个装置朝箭头方向或箭尾方向运动时，由于加速度的作用以及挂帘对摆片的约束令到摆片摆动后的位置和摆片摆动前的位置之间产生一个夹角，加速度越大，则该夹角就越大，通过该夹角量以及上述公式获得其位移。加速度计最典型的应用为惯性导航，由于大多数运动装置的运动轨迹并非规则的单向运动，然而任何复杂的运动轨迹均可以分解成为三维坐标系中三种坐标的单向运动，因此运动装置需要在三维坐标系X，Y，Z坐标分别设置加速度计即可以满足其惯性导航的需求。
目前石英摆片的最大问题是其精度容易受到外界的干扰而产生误差，因此需要定期对其进行标定，标定时需要技术人员和精密仪器的介入，而且需要一定的时间才能完成，这一切均给其使用带来麻烦，国内科学家及专家们近几十年都在潜心研究替代石英摆片的方法，以便解决该麻烦，石英的密度为2.65克/立方厘米，蓝宝石(化学分子式：al2O3)的密度为3.95-4.1克/立方厘米，石英和蓝宝石均为硬度高、高度透明、高度绝缘物质，但蓝宝石密度，透明度，硬度，电参数均优于石英，被业内公认为替代石英的不二选择和用于制造加速度计摆片的最佳原材料，且用蓝宝石制造的加速度表摆片和用石英制造的加速度摆片在结构上高度相似，详见“图3”，外框E固定，摆片F通过挂帘G(厚度小于等于3/100毫米)可以自由摆动，其工作原理在说明书里之前已经论述清楚，这里不再重复。这样所有的问题都集中在了蓝宝石摆片挂帘G的加工问题，由于蓝宝石硬度高达9(石英的硬度6-7之间)，且无法进行无应力加工(石英在常温下能与氢氟酸发生化学反应，自身被逐渐腐蚀掉，按照该特性，可以使用化学法对其进行无应力加工)，而蓝宝石在常温下几乎不与任何物质发生令到自身被腐蚀掉的化学反应，挂帘G在使用过程中，其应力指标一般不大于10的负六次方牛顿，否则，就会陡然增加导航的误差和存在挂帘破裂失效的风险。综合上述，国内尚没有成功制造蓝宝石摆片的先例。
我们发明了一种具有工业可实施性的方法，成功制造了整个蓝宝石摆片包括最难制造的挂帘G，对于挂帘G的制造：采用机械多点、多刃切削磨削方式进行加工，该加工依赖于一台主轴转速不低于每分钟6万转，切削线速度不低于50米 /秒，圆跳动、轴跳动不高于30纳米的精密机床，粗加工可采用陶瓷或树脂粘合剂桥以便提高进度和产量，甚至可以采用超声和激光等加工方式，在接近完成量时则换用纯金(或同属性物质)粘合剂桥，磨粒精细度不小于20000目，此时的每次切削磨削进给量不高于30纳米。
任何一个工件的加工事先都必须被可靠固定在机床上，对于蓝宝石的加工也不例外，然而常规的夹具、工装均不适用挂帘G的加工，常规夹具和工装均产生令到蓝宝石工件的微小形变及在加工过程中出现的微小震动、仿形复刻效应等等，均会导致加工失败。为此，我们发明了两种适合蓝宝石加工的工装夹具，(1) 精密网格平台，详见“图4”网格平面度高低误差不大于30纳米。二维作标(X，Y) 止位。(2)采用网格平台+抽气吸附止位固定，详见“图5”。
在加速度计机构中，另外一个直接影响精度的因素为摆片工作时的偏转角度读数精度，传统的加速度计采用电磁法或电容法读取摆片工作时的偏转角度数值，其普遍做法是先将摆片镀金，然后粘上线圈，并装置磁铁，当粘有线圈的摆片在磁场中发生位置偏转时，其电参数或电容参数发生变化，而系统通过电路读取该数值，从而获得摆片偏转的角度量。这种机构存在滞后、干扰、漂移等一系列问题导致误差直接影响精度。我们发明了一种光学装置，其工作原理详见“图6”，一束光(或具有光反射特性的其它电子波、粒子流，例如：超短波，红外线，紫外线，射线)照射在摆片F上并形成反射，可根据所需求的精度设置反射的接收点，当摆片F发生偏转时，接收点的光点也跟着发生偏转，而且该光点的位移可根据接收点的设置被放大，从而获得更好的精度，且该放大理论上无倍率限制，可根据所需求的精度任意设置。该光学系统对于摆片F的摆动不会造成任何影响和干预，而且对于摆片F摆动时的物理精度不会造成任何影响和干预。
附图说明：
图1：加速度计工作原理示意图
图2：加速度计石英摆片结构图
图3：加速度计蓝宝石摆片结构图
图4：加工蓝宝石摆片工件，抽气式固定工装结构原理图
图5：加工蓝宝石摆片工件，网格+止位固定工装结构原理图
图6：利用光线反射偏转量读取摆片偏转角数据原理示意图。
Claims (9)
1.一种加速度计蓝宝石(al2O3)摆片加工方法，包括通过高精密机床解决技术难点：厚度小于等于3/100毫米，应力值小于等于10的负六次方牛顿的蓝宝石工件加工，在两种特制夹角的支撑下，使用纯金粘合剂桥对工件进行磨削加工。
2.一种加速度计蓝宝石(al2O3)摆片加工方法，包括通过高精密机床解决技术难点：厚度小于等于3/100毫米，应力值小于等于10的负六次方牛顿的蓝宝石工件加工，在两种特制夹角的支撑下，使用颗粒度大于等于20000目金刚石(或等效)的磨粒，对工件进行磨削加工。
3.一种加速度计蓝宝石(al2O3)摆片加工方法，包括通过高精密机床解决技术难点：厚度小于等于3/100毫米，应力值小于等于10的负六次方牛顿的蓝宝石工件加工，进给量不高于30纳米。
4.一种加速度计蓝宝石(al2O3)摆片加工方法，包括通过高精密机床解决技术难点：厚度小于等于3/100毫米，应力值小于等于10的负六次方牛顿的蓝宝石工件加工，需使用特殊夹具或工装将待加工工件固定于精密机床上，该夹具或工装使用网格式平面平台+坐标X，Y轴止位的方式。
5.一种加速度计蓝宝石(al2O3)摆片加工方法，包括通过高精密机床解决技术难点：厚度小于等于3/100毫米，应力值小于等于10的负六次方牛顿的蓝宝石工件加工，需使用特殊夹具或工装将待加工工件固定于精密机床上，该夹具或工装使用网格式平面平台+抽气吸附止位固定方式。
6.上述2，3所述网格的间距为小于等于0.5毫米，槽宽小于等于0.5毫米，槽最点深小于等于1.5毫米。
7.上述2，3所述网格之间的间距可以为等距或非等距，网格线之间的关系可为平行、垂直、交叉。
8.上述2，3所述槽横截面形状可为：正方形、矩形、梯形、不规则形。
9.一种测量加速度计摆片偏转角度的方法，该方法使用一束光(或具有光反射特性的其它电子波、粒子流，例如：超短波，红外线，紫外线，射线)照射在摆片F上并形成反射，可根据所需求的精度设置反射的接收点，当摆片F发生偏转时，接收点的光点也跟着发生偏转，而且该光点的位移可根据接收点的设置被放大，从而获得更好的精度，且该放大理论上无倍率限制，可根据所需求的精度任意设置。该光学系统对于摆片F的摆动不会造成任何影响和干预，而且对于摆片F摆动时的物理精度不会造成任何影响和干预。
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