CN117606510A - 一种半球谐振子修调方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球谐振子修调方法，包括步骤：S1、测量半球谐振子的频率裂解值，若频率裂解值小于或者等于要求值，则不需要修调或者修调结束，若频率裂解值大于要求值，则进行S2；S2、测量半球谐振子的四个固有低频轴，标记出四个固有低频轴对应半球谐振子外周的四个位置，即为四个待修调位置；S3、若频率裂解值大于或者等于修调值，则对半球谐振子的各待修调位置进行线去除修调；若频率裂解值小于修调值并大于要求值，则对半球谐振子的各待修调位置进行点去除修调；S4、回到S1。还公开了一种半球谐振子测量装置。本半球谐振子修调方法能够提高修调效率和修调精度。本半球谐振子测量装置能够应用于半球谐振子修调方法中，提高测量准确性。

Description

一种半球谐振子修调方法及测量装置

技术领域

本发明涉及半球谐振子技术领域，尤其涉及一种半球谐振子修调方法及测量装置。

背景技术

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope，简称为HRG)是一种固体波动陀螺，具有精度高、体积小、质量低，结构简单、工作稳定，可靠性高等特点，在惯导系统中发挥着巨大的作用。半球谐振子作为HRG的核心部件，其频率裂解是影响HRG性能的最主要因素之一。频率裂解是指在工作过程中，半球谐振子四波腹工作振型会展成夹角为45°的两根固有刚性轴，且沿这两根固有刚性轴的固有频率分别为最大值和最小值(最大值对应的固有刚性轴为固有高频轴，最小值对应的固有刚性轴为固有低频轴)，二者之差就是频率裂解值。频率裂解的存在导致HRG角速率解算精度的下降，影响陀螺精度。因此，为了优化半球谐振子性能，提高陀螺精度，对半球谐振子进行修调，降低频率裂解值就十分重要。

离子束修调技术是目前新型的修调技术，具有很高的体积去除精度，加工精度可达亚纳米级别，相比于其他修调技术，离子束加工无污染，非接触，因此加工过程不会带来机械损伤和环境污染。离子束加工的原理是通过离子源形成一定浓度的等离子体，再通过聚焦离子光学系统引出离子束，并赋予其一定的能量，离子束轰击加工表面，通过与工件表面原子的碰撞将动能传递给原子，当动能大于原子的束缚能时，原子将会脱离工件表面，从而完成材料去除。

目前，离子束修调修调方面一般单一通过刚性轴位置来判断修调位置，再在修调位置进行点去除加工，这样，对于需要修调量大(频率裂解值大，如大于0.01Hz)的半球谐振子，修调效率低，并且在一处进行点去除加工，点去除深度大，修调精度不高或者最后修调的结果不够理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够提高修调效率和修调精度的半球谐振子修调方法；

还提供了一种能够应用于半球谐振子修调方法中，提高测量准确性的半球谐振子测量装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种半球谐振子修调方法，包括如下步骤：

S1、确定是否需要修调：测量半球谐振子的频率裂解值，若频率裂解值小于或者等于要求值，则不需要修调或者修调结束，若频率裂解值大于要求值，则进行S2；

S2、确定修调位置：测量半球谐振子的四个固有低频轴，标记出四个低频轴对应半球谐振子外周的四个位置，即为四个待修调位置；

S3、去除修调：若频率裂解值大于或者等于修调值，则对半球谐振子的各待修调位置进行线去除修调；若频率裂解值小于修调值并大于要求值，则对半球谐振子的各待修调位置进行点去除修调；

S4、回到S1。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述点去除修调为沿半球谐振子的径向向内去除修调，所述线去除修调为沿各待修调位置所在半球谐振子的周向去除修调。

各所述待修调位置在每次S3中的去除量相同。

根据前数次重复线去除修调的去除量和对应的频率裂解值进行线去除修调数据拟合，得出线去除量和频率裂解值的函数关系，后面每次S3中的线去除量根据该函数关系确定；根据前数次重复点去除修调的去除量和对应的频率裂解值进行点去除修调数据拟合，得出点去除量和频率裂解值的函数关系，后面每次S3中的点去除量根据该函数关系确定。

所述线去除修调以待修调位置为中心。

所述修调值为0.01Hz。

所述要求值为0.001Hz。

一种半球谐振子测量装置，包括隔振平台以及设于隔振平台上的真空箱和激光多普勒测振仪，所述真空箱朝向激光多普勒测振仪的一侧设有透光部，所述真空箱内设有能放置半球谐振子的振动机构，所述激光多普勒测振仪用于采集半球谐振子的振动信号以测量半球谐振子的频率裂解值和四个固有低频轴。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述振动机构包括旋转底座、弹性夹持组件和压电陶瓷片，所述旋转底座安装在真空箱内，所述弹性夹持组件设于旋转底座上，用于夹持半球谐振子，所述压电陶瓷片安装在弹性夹持组件上，用于激励半球谐振子振动。

所述隔振平台上设有三维调整座，所述激光多普勒测振仪设于三维调整座上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的半球谐振子修调方法，针对频率裂解值大于或者等于修调值的半球谐振子，先进行线去除修调，当频率裂解值小于修调值并大于要求值时，再进行点去除修调，直到半球谐振子的频率裂解值小于或者等要求值。即半球谐振子的频率裂解值达到要求。这样，对于频率裂解值大(大于或者等于修调值)的半球谐振子，先进行线去除修调，提高修调效率，再进行点去除修调，减少了点去除的深度，提高了修调精度。

本半球谐振子测量装置结构简单，能够应用于半球谐振子修调方法中，提高测量准确性。

附图说明

图1是本发明半球谐振子修调方法的原理图。

图2是本发明半球谐振子修调方法的点去除修调数据拟合。

图3是本发明半球谐振子修调方法的线去除修调数据拟合。

图4是本发明半球谐振子测量装置的立体结构示意图。

图5是本发明半球谐振子测量装置的振动机构的结构示意图。

图6是本发明半球谐振子测量装置对半球谐振子的固有刚性轴位置的找寻波形图。

图7是离子束机床的结构示意图。

图中各标号表示：

1、真空箱；2、隔振平台；3、激光多普勒测振仪；4、三维调整座；5、旋转底座；6、压电陶瓷片；7、半球谐振子；8、弹性夹持组件；9、透光部；11、固定机构；12、离子源；13、光阑片；14、离子束。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例一：

图1示出了本发明半球谐振子修调方法的一种实施例，本实施例的半球谐振子修调方法，包括如下步骤：

S1、确定是否需要修调(即确定是否满足要求)：测量半球谐振子7的频率裂解值(即半球谐振子频率裂解值测量)，若频率裂解值小于或者等于要求值(是满足要求)，则不需要修调或者修调结束，若频率裂解值大于要求值(不满足要求)，则进行S2；

S2、确定修调位置：测量半球谐振子7的四个固有低频轴(即半球谐振子7刚性轴位置测量)，标记出四个固有低频轴对应半球谐振子7外周的四个位置，即为四个待修调位置；

S3、去除修调(半球谐振子7离子束修调)：若频率裂解值大于或者等于修调值，则对半球谐振子7的各待修调位置进行线去除修调；若频率裂解值小于修调值并大于要求值，则对半球谐振子7的各待修调位置进行点去除修调；

S4、回到S1。

本半球谐振子修调方法，针对频率裂解值大于或者等于修调值的半球谐振子7，先进行线去除修调，当频率裂解值小于修调值并大于要求值时，再进行点去除修调，直到半球谐振子7的频率裂解值小于或者等要求值。即半球谐振子7的频率裂解值达到要求。这样，对于频率裂解值大(大于或者等于修调值)的半球谐振子7，先进行线去除修调，提高修调效率，再进行点去除修调，减少了点去除的深度，提高了修调精度。

进一步地，本实施例中，点去除修调为沿半球谐振子7的径向向内去除修调，线去除修调为沿各待修调位置所在半球谐振子7的周向去除修调。这样，待修调位置经线去除修调后，形成弧形槽，经点去除修调后形成孔。

进一步地，本实施例中，各待修调位置在每次S3中的去除量相同。确保各待修调位置去除加工后，半球谐振子7的对称性，使每次经S3的去除加工后，半球谐振子7的频率裂解值变小。

进一步地，本实施例中，如图2所示，横坐标为每点加工时间，对应点去除量，纵坐标为频率裂解值，即为频率裂解值；如图2所示，横坐标为每段加工时间，对应线去除量，纵坐标为频率裂解值，即为频率裂解值。根据前数次重复线去除修调的去除量和对应的频率裂解值进行线去除修调数据拟合，形成如图3所示的拟合曲线，根据拟合曲线得出线去除量和频率裂解值的函数关系，后面每次S3中的线去除量根据该函数关系确定；根据前数次重复点去除修调的去除量和对应的频率裂解值进行点去除修调数据拟合，形成如图2所示的拟合曲线，根据拟合曲线得出点去除量和频率裂解值的函数关系，后面每次S3中的点去除量根据该函数关系确定。通过拟合函数关系对后续去除量的确定，使频率裂解值随着重复去除加工次数的进行，根据函数关系逐渐减少，提高了加工的精确率和效率。

进一步地，本实施例中，线去除修调以待修调位置为中心。也就是说，待修调位置的线去除修调路线以待修调位置为中心。

进一步地，本实施例中，修调值为0.01Hz。

进一步地，本实施例中，要求值为0.001Hz。

如图1所示，通过半球谐振子7频率裂解值测量，判断半球谐振子7频率裂解值是否满足要求，若是，则不需要修调加工或者加工结束，若否，则进行S2。半球谐振子7采用离子束进行修调，半球谐振子7离子束修调方式根据频率裂解值值来定，若频率裂解值值大于或者等于0.01Hz，半球谐振子7线修调，若频率裂解值值小于0.01Hz(并且大于0.001Hz)，半球谐振子7点修调。

进一步地，采用离子束去除方式对半球谐振子7质量进行去除；半球谐振子7频率裂解值较大时采用线去除的方式修调，此时去除时间和路径较长，避免对半球谐振子7破坏；半球谐振子7频率裂解值较小时采用点去除的方式修调，此时去除时间较短，点去除保证离子束去除效率足够去除质量；半球谐振子7置于高精度主轴上，可以根据加工要求旋转角度；离子束能量和束径可调，可以精确去除质量。

进一步地，采用如图7所示的离子束机床对半球谐振子7进行频率裂解值修调。离子束修调装置包括用于固定半球谐振子7的固定机构11、离子源12以及光阑片13。

修调时，半球谐振子7安装在固定机构11上，固定机构11安装在旋转台上，固定机构11与旋转台的找正精度优于0.01mm。光阑片13直径2mm，安装在离子源12上方控制离子束14束径。离子束14照射在半球谐振子7唇沿向上2mm处。

当半球谐振子7的频率裂解值大于或者等于0.01Hz时，加工方式采用线去除修调；当半球谐振子7的频率裂解值小于0.01Hz时，加工方式采用点去除修调，每次加工完成后需重新测量半球谐振子7的频率裂解值和固有刚性轴位置，直至半球谐振子7的频率裂解值达到要求。

进一步地，设定离子束14能量800V，真空箱1真空度低于5E-3Pa时以20sccm的流量通入氩气，20分钟后将氩气流量修改为5sccm，点燃离子源12。

进一步地，采用线去除修调时，去除范围为以四个低频刚性轴(固有低频轴)为中心的、距离半球谐振子7唇沿2mm的弧长4mm区域，加工时可通过控制系统运行数控程序，离子束14中心对准弧线，以一定时间均匀扫过，之后依次加工其余三条弧线。

采用点去除修调时，去除位置为以四个低频刚性轴为中心的、距离半球谐振子唇沿2mm的点，加工时，离子束14中心对准点，停留一段时间，之后依次加工其余三个点。

每次加工结束后，都需要对半球谐振子7的频率裂解值和固有刚性轴位置重新测量，测量完成后依据当前频率裂解值和低频刚性轴位置确定下一次去除方式和去除位置。测量结果拟合如图2、图3所示，当完成一个半球谐振子7加工后，其实验拟合数据作为参考依据供后续半球谐振子7加工使用。

本实施例中，当半球谐振子7频率裂解值接近0.001Hz时，换取直径更小的光阑片13，设定更低的离子束14能量来精细化去除质量。

实施例二：

图4和图5示出了本发明半球谐振子测量装置的一种实施例，本实施例的半球谐振子测量装置，包括隔振平台2以及设于隔振平台2上的真空箱1和激光多普勒测振仪3，真空箱1朝向激光多普勒测振仪3的一侧设有透光部9，真空箱1内设有能放置半球谐振子7的振动机构，激光多普勒测振仪3用于采集半球谐振子7的振动信号以测量半球谐振子7的频率裂解值和四个固有低频轴。实施例一的半球谐振子修调方法的频率裂解值和四个固有低频轴即采用本半球谐振子测量装置测量所得。本半球谐振子测量装置结构简单，能够应用于实施例一的半球谐振子修调方法中，提高测量准确性。

本实施例中，振动机构包括旋转底座5、弹性夹持组件8和压电陶瓷片6，旋转底座5安装在真空箱1内，弹性夹持组件8设于旋转底座5上，用于夹持半球谐振子7，压电陶瓷片6安装在弹性夹持组件8上，用于激励半球谐振子7振动。

本实施例中，隔振平台2上设有三维调整座4，激光多普勒测振仪3设于三维调整座4上。激光多普勒测振仪3设于三维调整座4上，可在X轴、Y轴和Z轴组成的三维空间中移动调节，X轴和Y轴位于水平面上并垂直，Z轴竖向设置，即与X轴、Y轴垂直。

进一步地，半球谐振子测量装置还包括控制系统，压电陶瓷片6、激光多普勒测振仪3、三维调整座4、旋转底座5均与控制系统信号连接。

测量时，半球谐振子7固定在弹性夹持组件8上，弹性夹持组件8与旋转底座5的找正精度优于0.01mm，压电陶瓷片6粘接于弹性夹持组件8侧面，共同置于真空箱1内。激光多普勒测振仪3激光聚焦在半球谐振子7唇沿位置。真空箱1内抽真空至1E-3Pa，用压电陶瓷片6扫频激励半球谐振子7，激光多普勒测振仪3将振动信号传输到控制系统进行数据分析。

由于两根刚性轴(固有高频轴和固有低频轴)位置振幅不同，首先在激励半球谐振子7振动后移除激励使其自由振动并匀速转动旋转底座5，同时观察振动信号幅值变化，幅值会周期性上下浮动，其中幅值最高点和最低点位置即是固有刚性轴位置，通过此方法快速确定固有刚性轴大致位置。

在确定好的固有刚性轴位置附近以0.1°为刻度转动半球谐振子7，观察到振动信号拍频逐渐消失，振动信号均匀衰减，此时为精确的半球谐振子7固有刚性轴位置，如图6所示。两根固有刚性轴位置夹角为45°，最后通过比较两根固有刚性轴的固有频率大小确定低频刚性轴位置。如图6所示，本发明半球谐振子测量装置对半球谐振子7的固有刚性轴位置的找寻波形图，中间的图为两根刚性轴(固有刚性轴)位置的时间和振副图，图中黑块的上下边线形状即为两根固有刚性轴的振动波形图；最上面的图为两根刚性轴(固有刚性轴)位置左偏0.3°的时间和振副图，图中黑块的上下边线形状即为两根固有刚性轴的振动波形图；最下面的图为两根刚性轴(固有刚性轴)位置右偏0.3°的时间和振副图，图中黑块的上下边线形状即为两根固有刚性轴的振动波形图；对比可知，相对偏差位置，两根固有刚性轴位置的振动波形更平顺。

测量半球谐振子7非刚性轴位置振动信号，观测到拍频信号，计算拍频周期的倒数获得半球谐振子7的频率裂解值。

半球谐振子7的频率裂解值为振动信号一个拍频周期的倒数。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种半球谐振子修调方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定是否需要修调：测量半球谐振子(7)的频率裂解值，若频率裂解值小于或者等于要求值，则不需要修调或者修调结束，若频率裂解值大于要求值，则进行S2；

S2、确定修调位置：测量半球谐振子(7)的四个固有低频轴，标记出四个固有低频轴对应半球谐振子(7)外周的四个位置，即为四个待修调位置；

S3、去除修调：若频率裂解值大于或者等于修调值，则对半球谐振子(7)的各待修调位置进行线去除修调；若频率裂解值小于修调值并大于要求值，则对半球谐振子(7)的各待修调位置进行点去除修调；

S4、回到S1。

2.根据权利要求1所述的半球谐振子修调方法，其特征在于：所述点去除修调为沿半球谐振子(7)的径向向内去除修调，所述线去除修调为沿各待修调位置所在半球谐振子(7)的周向去除修调。

3.根据权利要求2所述的半球谐振子修调方法，其特征在于：各所述待修调位置在每次S3中的去除量相同。

4.根据权利要求3所述的半球谐振子修调方法，其特征在于：根据前数次重复线去除修调的去除量和对应的频率裂解值进行线去除修调数据拟合，得出线去除量和频率裂解值的函数关系，后面每次S3中的线去除量根据该函数关系确定；根据前数次重复点去除修调的去除量和对应的频率裂解值进行点去除修调数据拟合，得出点去除量和频率裂解值的函数关系，后面每次S3中的点去除量根据该函数关系确定。

5.根据权利要求2所述的半球谐振子修调方法，其特征在于：所述线去除修调以待修调位置为中心。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的半球谐振子修调方法，其特征在于：所述修调值为0.01Hz。

7.根据权利要求6所述的半球谐振子修调方法，其特征在于：所述要求值为0.001Hz。

8.一种半球谐振子测量装置，其特征在于：包括隔振平台(2)以及设于隔振平台(2)上的真空箱(1)和激光多普勒测振仪(3)，所述真空箱(1)朝向激光多普勒测振仪(3)的一侧设有透光部(9)，所述真空箱(1)内设有能放置半球谐振子(7)的振动机构，所述激光多普勒测振仪(3)用于采集半球谐振子(7)的振动信号以测量半球谐振子(7)的频率裂解值和四个固有低频轴。

9.根据权利要求8所述的半球谐振子测量装置，其特征在于：所述振动机构包括旋转底座(5)、弹性夹持组件(8)和压电陶瓷片(6)，所述旋转底座(5)安装在真空箱(1)内，所述弹性夹持组件(8)设于旋转底座(5)上，用于夹持半球谐振子(7)，所述压电陶瓷片(6)安装在弹性夹持组件(8)上，用于激励半球谐振子(7)振动。

10.根据权利要求8所述的半球谐振子测量装置，其特征在于：所述隔振平台(2)上设有三维调整座(4)，所述激光多普勒测振仪(3)设于三维调整座(4)上。