CN117570952B - 减小半球谐振陀螺振动耦合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，提供一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，包括：S100、构建半球谐振陀螺台体模型，采用集总参数法将台体模型等效为四个位于陀螺安装面中心的质点；S200、计算质点在四个方向上的模态刚度；S300、根据三维质点运动微分方程建立频率特征方程，获得台体模型的固有基频，验证固有基频大于或等于1500Hz；S400、将陀螺安装面的一致性参数引入三维质点运动微分方程，设定质点响应幅值较激励幅值降低10倍以上，获得陀螺安装面的一致性参数。本发明有效减小谐振陀螺之间的振动耦合，降低半球谐振陀螺的输出噪声，保证惯性导航系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法。
背景技术
谐振陀螺工作时，自身存在微米级的高频微幅振动激励，经过台体的振动传导会在陀螺之间产生振动互扰。根据振动力学的定量分析，需要惯性组合件中台体的基频（即台体的第一阶固有频率）大于或等于1500Hz，同时需要保证四个陀螺安装面受振动影响的一致性。
常规惯导系统采用正交配置，若要保证台体结构的陀螺安装面的一致性，使台体的基频达到1500Hz以上，则需要提高台体的质量及相应的加工精度，随之也会大大的提高加工难度及加工成本。因此，亟需找到满足半球谐振陀螺振动耦合工程要求的产品及加工参数，以此对加工难度及加工成本进行控制。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，实现对谐振陀螺安装面的一致性参数的解算，完成振动解耦，保证惯性导航系统的性能。
本发明提供一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，包括如下步骤：
S100、构建半球谐振陀螺台体模型，采用集总参数法将台体模型等效为四个位于陀螺安装面中心的质点；
S200、将质点等效为弹簧质量系统，获得对应的三维质点运动微分方程，计算质点在四个方向上的模态刚度，其中，四个方向为空间直角坐标系的x方向、y方向、z方向和垂直陀螺安装面的方向；
S300、根据三维质点运动微分方程建立频率特征方程，并根据S200步骤中获得的模态刚度解算频率特征方程，解算频率特征方程，获得台体模型的固有基频，验证固有基频大于或等于1500Hz；
S400、将陀螺安装面的一致性参数引入三维质点运动微分方程，获得其中一质点的振动激励引起另一质点响应的三维振动方程，设定质点响应幅值较激励幅值降低10倍以上，获得陀螺安装面的一致性参数。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S200步骤中，三维质点运动微分方程为：
其中，、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向上的坐标分量；/>、、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向的模态质量；；/>、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向的模态刚度；/>为第/>个质点在垂直陀螺安装面的方向的模态刚度；/>、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向上的坐标分量二次微分。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S300步骤中，频率特征方程为：
其中，为台体模型的固有基频；/>为第/>个质点的质量矩阵，；
其中，为第/>个质点的刚度矩阵，。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述陀螺安装面的一致性参数包括四个所述陀螺安装面的平面度误差、每个所述陀螺安装面的倾斜度与设定角度之间的倾斜度误差/>和四个所述陀螺安装面的倾斜度之间的倾斜度偏差/>。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S400步骤中，第个质点的振动激励引起第/>个质点响应的三维振动方程为：
其中，为谐振陀螺的高频工作频率；/>为谐振陀螺上高频振动的振幅；/>为谐振陀螺上高频振动的初始相位；/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y两个方向的模态质量；/>；/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y两个方向上的坐标分量；/>为第/>个质点在垂直陀螺安装面的方向的模态刚度；/>为谐振陀螺的振动历程的时间变量。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S400步骤中，获得的陀螺安装面的一致性参数包括：
四个所述陀螺安装面的平面度误差小于0.004mm；
每个所述陀螺安装面的倾斜度与设定角度之间的倾斜度误差小于0.1′；
四个所述陀螺安装面的倾斜度之间的倾斜度偏差小于0.1′。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S100步骤中，所述台体模型包括台体本体、底座、装配台和支撑柱，所述台体本体设有四个倾斜设置的陀螺安装面，四个所述陀螺安装面沿所述台体本体的中轴线周向均布，所述底座设于所述台体本体的底侧，所述装配台位于所述台体本体的腰部，且设置于相邻所述陀螺安装面之间，所述装配台的支撑中心与所述台体本体的质心位于同一平面，所述支撑柱的一端与所述底座连接，所述支撑柱的另一端与所述装配台的装配孔过盈配合。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述装配孔与所述装配台的垂直度误差小于0.005mm。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述装配台的高度为14mm~16mm。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述支撑柱与所述装配孔的过盈量为0mm~0.004mm。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明提供的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，包括如下步骤：
S100、构建半球谐振陀螺台体模型，采用集总参数法将台体模型等效为四个位于陀螺安装面中心的质点；
S200、将质点等效为弹簧质量系统，获得对应的三维质点运动微分方程，计算质点在四个方向上的模态刚度，其中，四个方向为空间直角坐标系的x方向、y方向、z方向和垂直陀螺安装面的方向；
S300、根据三维质点运动微分方程建立频率特征方程，并根据S200步骤中获得的模态刚度解算频率特征方程，解算频率特征方程，获得台体模型的固有基频，验证固有基频大于或等于1500Hz；
S400、将陀螺安装面的一致性参数引入三维质点运动微分方程，获得其中一质点的振动激励引起另一质点响应的三维振动方程，设定质点响应幅值较激励幅值降低10倍以上，获得陀螺安装面的一致性参数；通过构建台体模型，基于台体模型的模态刚度，解算验证台体模型的固有基频大于或等于1500Hz，根据质点之间的激励响应关系，获得陀螺安装面的一致性参数，符合加工条件，同时有效减小谐振陀螺之间的振动耦合，降低半球谐振陀螺的输出噪声，保证惯性导航系统的性能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法的流程示意图。
图2是本发明提供的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法中构建的半球谐振陀螺台体模型的爆炸图。
附图标记：
100、台体本体；110、陀螺安装面；120、装配台；130、支撑柱；
200、谐振陀螺；
300、底座；310、轴孔；320、紧定螺钉；
400、加速度计。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，发明构思为考虑谐振陀螺工作时，自身存在微米量级的高频微幅振动激励，使得谐振陀螺之间存在振动影响，而该振动影响与台体的模态刚度和陀螺安装面的一致性参数密切相关。因此，将台体的固有基频通过结构设计方式调整至大于或等于1500Hz，经验证后，再通过约束条件设定质点响应幅值较激励幅值降低10倍以上，解算获得陀螺安装面的一致性参数，实现减小振动耦合的目的。
下面结合图1至图2描述本发明的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，包括如下步骤：
S100、构建半球谐振陀螺台体模型，采用集总参数法将台体模型等效为四个位于陀螺安装面中心的质点；
S200、将质点等效为弹簧质量系统，获得对应的三维质点运动微分方程，计算质点在四个方向上的模态刚度，其中，四个方向为空间直角坐标系的x方向、y方向、z方向和垂直陀螺安装面的方向；
S300、根据三维质点运动微分方程建立频率特征方程，并根据S200步骤中获得的模态刚度解算频率特征方程，解算频率特征方程，获得台体模型的固有基频，验证固有基频大于或等于1500Hz；
S400、将陀螺安装面的一致性参数引入三维质点运动微分方程，获得其中一质点的振动激励引起另一质点响应的三维振动方程，设定质点响应幅值较激励幅值降低10倍以上，获得陀螺安装面的一致性参数。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S200步骤中，三维质点运动微分方程为：
其中，、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向上的坐标分量；/>、、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向的模态质量；/>；、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向的模态刚度；/>为第/>个质点在垂直陀螺安装面的方向的模态刚度；/>、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向上的坐标分量二次微分。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S300步骤中，频率特征方程为：
其中，为台体模型的固有基频；/>为第/>个质点的质量矩阵，；
其中，为第/>个质点的刚度矩阵，。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述陀螺安装面的一致性参数包括四个所述陀螺安装面的平面度误差、每个所述陀螺安装面的倾斜度与设定角度之间的倾斜度误差/>和四个所述陀螺安装面的倾斜度之间的倾斜度偏差/>。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S400步骤中，第个质点的振动激励引起第/>个质点响应的三维振动方程为：
其中，为谐振陀螺的高频工作频率；/>为谐振陀螺上高频振动的振幅；/>为谐振陀螺上高频振动的初始相位；/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y两个方向的模态质量；/>；/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y两个方向上的坐标分量；/>为第/>个质点在垂直陀螺安装面的方向的模态刚度；/>为谐振陀螺的振动历程的时间变量。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S400步骤中，获得的陀螺安装面的一致性参数包括：
四个所述陀螺安装面的平面度误差小于0.004mm；
每个所述陀螺安装面的倾斜度与设定角度之间的倾斜度误差小于0.1′；
四个所述陀螺安装面的倾斜度之间的倾斜度偏差小于0.1′。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述S100步骤中，所述台体模型包括台体本体100、底座300、装配台120和支撑柱130，所述台体本体100设有四个倾斜设置的陀螺安装面110，四个所述陀螺安装面110沿所述台体本体100的中轴线周向均布，所述底座300设于所述台体本体100的底侧，所述装配台120位于所述台体本体100的腰部，且设置于相邻所述陀螺安装面110之间，所述装配台120的支撑中心与所述台体本体100的质心位于同一平面，所述支撑柱130的一端与所述底座300连接，所述支撑柱130的另一端与所述装配台120的装配孔过盈配合。如图2所示，具体的，底座300设有四个轴孔310，支撑柱130的下端穿设于轴孔310内，并与紧定螺钉320连接，实现支撑柱130与底座300的紧固连接。
进一步地，每相邻的两个陀螺安装面110之间设置一个装配台120，也就是说，装配台120设置四个，对应的支撑柱130设置四个。沿垂直于陀螺安装面110的方向，每个陀螺安装面110设置陀螺安装孔，用以冗余装配谐振陀螺200；对台体本体100的顶侧沿台体本体100的轴线方向进行加工，制备加速度计安装孔，实现将加速度计400对应装配于加速度计安装孔内。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述装配孔与所述装配台的垂直度误差小于0.005mm。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述装配台的高度为14mm~16mm。
根据本发明提供的一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，所述支撑柱与所述装配孔的过盈量为0mm~0.004mm。
本发明提供的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，包括如下步骤：
S100、构建半球谐振陀螺台体模型，采用集总参数法将台体模型等效为四个位于陀螺安装面中心的质点；
S200、将质点等效为弹簧质量系统，获得对应的三维质点运动微分方程，计算质点在四个方向上的模态刚度，其中，四个方向为空间直角坐标系的x方向、y方向、z方向和垂直陀螺安装面的方向；
S300、根据三维质点运动微分方程建立频率特征方程，并根据S200步骤中获得的模态刚度解算频率特征方程，解算频率特征方程，获得台体模型的固有基频，验证固有基频大于或等于1500Hz；
S400、将陀螺安装面的一致性参数引入三维质点运动微分方程，获得其中一质点的振动激励引起另一质点响应的三维振动方程，设定质点响应幅值较激励幅值降低10倍以上，获得陀螺安装面的一致性参数；通过构建台体模型，基于台体模型的模态刚度，解算验证台体模型的固有基频大于或等于1500Hz，根据质点之间的激励响应关系，获得陀螺安装面的一致性参数，有效减小谐振陀螺之间的振动耦合，降低半球谐振陀螺的输出噪声，保证惯性导航系统的性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、质点等效：构建半球谐振陀螺台体模型，采用集总参数法将台体模型等效为四个位于陀螺安装面中心的质点；
S200、构建三维质点运动微分方程：将质点等效为弹簧质量系统，获得对应的三维质点运动微分方程，计算质点在四个方向上的模态刚度，其中，四个方向为空间直角坐标系的x方向、y方向、z方向和垂直陀螺安装面的方向；
S300、固有基频验证：根据三维质点运动微分方程建立频率特征方程，并根据S200步骤中获得的模态刚度解算频率特征方程，获得台体模型的固有基频，验证固有基频大于或等于1500Hz；
S400、获取陀螺安装面的一致性参数：将陀螺安装面的一致性参数引入三维质点运动微分方程，获得其中一质点的振动激励引起另一质点响应的三维振动方程，设定质点响应幅值较激励幅值降低10倍以上，获得陀螺安装面的一致性参数。
2.根据权利要求1所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述S200步骤中，三维质点运动微分方程为：
其中，、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向上的坐标分量；/>、/>、分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向的模态质量；/>；/>、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向的模态刚度；/>为第/>个质点在垂直陀螺安装面的方向的模态刚度；/>、/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y、z三个方向上的坐标分量二次微分。
3.根据权利要求2所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述S300步骤中，频率特征方程为：
其中，为台体模型的固有基频；/>为第/>个质点的质量矩阵，；
其中，为第/>个质点的刚度矩阵，/>。
4.根据权利要求3所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述陀螺安装面的一致性参数包括四个所述陀螺安装面的平面度误差、每个所述陀螺安装面的倾斜度与设定角度之间的倾斜度误差/>和四个所述陀螺安装面的倾斜度之间的倾斜度偏差。
5.根据权利要求4所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述S400步骤中，第个质点的振动激励引起第/>个质点响应的三维振动方程为：
其中，为谐振陀螺的高频工作频率；/>为谐振陀螺上高频振动的振幅；/>为谐振陀螺上高频振动的初始相位；/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y两个方向的模态质量；；/>、/>分别依次为第/>个质点在x、y两个方向上的坐标分量；为第/>个质点在垂直陀螺安装面的方向的模态刚度；/>为谐振陀螺的振动历程的时间变量。
6.根据权利要求5所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述S400步骤中，获得的陀螺安装面的一致性参数包括：
四个所述陀螺安装面的平面度误差小于0.004mm；
每个所述陀螺安装面的倾斜度与设定角度之间的倾斜度误差小于0.1′；
四个所述陀螺安装面的倾斜度之间的倾斜度偏差小于0.1′。
7.根据权利要求1所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述S100步骤中，所述台体模型包括台体本体、底座、装配台和支撑柱，所述台体本体设有四个倾斜设置的陀螺安装面，四个所述陀螺安装面沿所述台体本体的中轴线周向均布，所述底座设于所述台体本体的底侧，所述装配台位于所述台体本体的腰部，且设置于相邻所述陀螺安装面之间，所述装配台的支撑中心与所述台体本体的质心位于同一平面，所述支撑柱的一端与所述底座连接，所述支撑柱的另一端与所述装配台的装配孔过盈配合。
8.根据权利要求7所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述装配孔与所述装配台的垂直度误差小于0.005mm。
9.根据权利要求7所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述装配台的高度为14mm~16mm。
10.根据权利要求7所述的减小半球谐振陀螺振动耦合的方法，其特征在于，所述支撑柱与所述装配孔的过盈量为0mm~0.004mm。
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Citations (6)
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