CN118106680A - 一种半球谐振陀螺自动化装配系统及方法 - Google Patents
一种半球谐振陀螺自动化装配系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种半球谐振陀螺自动化装配系统及方法，涉及惯性测量系统半球谐振陀螺技术领域，其中，半球谐振陀螺自动化装配系统包括：支撑结构，其用于固定待装配的电极基座；六自由度平台，其固定在所述支撑结构上，且用于固定待装配的谐振子；电容检测模块，其用于测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，以判断是否满足装配要求；信号采集和伺服控制模块，其用于获取所述六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动。本申请可提高两件套结构半球谐振陀螺表头的装配精度与自动化水平。
Description
技术领域
本申请涉及惯性测量系统半球谐振陀螺技术领域，具体涉及一种半球谐振陀螺自动化装配系统及方法。
背景技术
惯性测量系统是控制系统的基础，它不受外界干扰，可自主对装备的姿态信息进行连续测量。半球谐振陀螺仪是惯性敏感器的核心组件之一，直接影响装备的姿态测量和导航精度。半球谐振陀螺是目前世界上最具发展潜力的新一代固体波动陀螺，比现役挠性陀螺和光学陀螺具有更优的性能、更小的体积、更低的制造成本。半球谐振陀螺的规模化应用既可以直接提升装备的性能指标，又能大大增强装备在极端条件下的适应能力，也能极大降低装备的制造和维护成本。
当前，半球谐振陀螺仍处于样机研制阶段，仍有众多关键技术需深入研究，其中半球谐振陀螺的自动化装配技术水平尚不完善，相应的装配误差限制了高精度半球谐振陀螺的大批量生产应用，因此发展半球谐振陀螺自动装配技术对其大批量生产应用具有重要意义。
半球谐振陀螺目前多由半球谐振子与电极基座两件套结构组成。半球谐振子为感测外界旋转角度的核心元件，而电极基座主要用于半球谐振子的固有振型激励与振动信号提取。电极基座上分布有8个或16个离散金属电极，分别与半球谐振子形成间隙均匀一致的电容电极，从而精确地对谐振子施加静电力使其以四波腹振型保持稳定振动，同时通过不同电极采集的电容信号实时计算谐振子振型的方位角，从而获得外界输入的旋转角度。为了提高半球谐振陀螺的性能，需要精确采集谐振子振动的电容信号，这对半球谐振子与电极基座的装配精度提出了极为严苛的要求。
发明内容
本申请提供一种半球谐振陀螺自动化装配系统及方法，其可提高两件套结构半球谐振陀螺表头的装配精度与自动化水平。
第一方面，本申请实施例提供一种半球谐振陀螺自动化装配系统，所述半球谐振陀螺自动化装配系统包括：
支撑结构，其用于固定待装配的电极基座；
六自由度平台，其固定在所述支撑结构上，且用于固定待装配的谐振子；
电容检测模块，其用于测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，以判断是否满足装配要求；
信号采集和伺服控制模块，其用于获取所述六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述六自由度平台还设有夹具，所述夹具一端固定在六自由度平台上，另一端通过所述电极基座中心孔与谐振子的支撑杆固连，且所述夹具的表面具有电气通路，以将所述谐振子的表面金属导电膜层与电容检测模块相连接。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述支撑结构上还设有锁紧机构，所述锁紧机构用于锁紧所述电极基座和谐振子。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述支撑结构上还设有焊接装置，所述焊接装置用于对锁紧后的所述电极基座和谐振子进行焊接。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述支撑结构还设有调整机构，所述调整机构用于对所述电极基座进行粗调。
第二方面，本申请实施例提供了一种半球谐振陀螺自动化装配方法，所述半球谐振陀螺自动化装配方法包括：
将电极基座固定在所述支撑结构上，并将谐振子固定在所述六自由度平台上；
利用电容检测模块测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，以判断是否满足装配要求；
利用信号采集和伺服控制模块获取所述六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动，直至满足装配要求。
结合第二方面，在一种实施方式中，所述利用电容检测模块测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，包括：
利用电容检测模块检测谐振子唇缘位置与电极基座上表面离散电极所形成的电容，并将电容大小转换为实际的电容间隙距离；
通过比较8个离散电极所检测到距离及平均距离，确定谐振子相对电极基座的位置与姿态。
结合第二方面，在一种实施方式中，还包括：
利用固定在六自由度平台的夹具，通过电极基座中心孔与谐振子的支撑杆固连，基于夹具表面的电气通路，以将所述谐振子的表面金属导电膜层与电容检测模块相连接。
结合第二方面，在一种实施方式中，还包括：
利用支撑结构上的锁紧机构，将满足装配要求的所述电极基座和谐振子进行锁紧。
结合第二方面，在一种实施方式中，还包括：
利用支撑结构上的焊接装置，对锁紧后的所述电极基座和谐振子进行焊接。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本申请中的半球谐振陀螺自动化装配系统，可实现两件套半球谐振陀螺的精密装配与焊接，相比现有的依靠视觉定位的装配方式，本申请通过监测电极电容信号控制调整装配间隙，其装配精度更高，误差可控，可靠性更高。
其中，信号采集和伺服控制模块通过对比谐振子与电极基座之间的相对位置与理论值，输出位置误差，并控制六自由度平台调整谐振子的位置与姿态，进一步与理论值比较，直至满足误差要求。整体装配过程实现闭环误差控制，保证谐振子与基座上多个离散电极的间隙均匀一致，提高了装配的精度与产品的可靠性。
六自由度运动平台可实现装配过程中半球谐振子进行线位移与角运动，从而将谐振子与基座上的离散电极对齐，并调整电极间隙到理论设定值，保证装配精度要求。
此外，还通过焊接装置的设计，可实现谐振子与电极基座之间的原位焊接。在谐振子与电极基座之间的相对位置调整完毕后，通过支撑结构上的锁紧机构对其进行固定，随后直接进行谐振子与电极基座之间的焊接，不需要进行二次调整，保证调整精度即为最终的装配精度，进一步降低装配误差。
附图说明
图1为本申请半球谐振陀螺自动化装配系统一实施例的结构框图；
图2为本申请半球谐振子的结构示意图；
图3为本申请电极基座的结构示意图；
图4为本申请半球谐振子与电极基座装配到位的结构示意图；
图5为本申请半球谐振陀螺自动化装配方法一实施例的流程示意图；
图6为本申请半球谐振陀螺自动化装配方法的工作流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述，是用于区分不同的对象等，其不代表先后顺序，也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。
在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
在本申请实施例描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤，但是应该理解，这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行，并且这些操作或步骤可以进行组合。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
第一方面，本申请实施例提供一种半球谐振陀螺自动化装配系统。
一实施例中，参照图1，图1为本申请半球谐振陀螺自动化装配系统一实施例的结构框图。如图1所示，半球谐振陀螺自动化装配系统包括：
支撑结构，其用于固定待装配的电极基座；六自由度平台，其固定在所述支撑结构上，且用于固定待装配的谐振子。
电容检测模块，其用于测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，以判断是否满足装配要求。
信号采集和伺服控制模块，其用于获取所述六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动。
在本实施例中，支撑结构用于固定电极基座和六自由度平台；电极基座上表面分布有8个环形离散电极，电容检测模块用于测量谐振子唇缘和离散电极之间的电容大小；信号采集和伺服控制模块用于采集并分析电容检测模块的电容和六自由度平台的位置与姿态，根据8个离散电极的电容与预设值的相对误差，通过软件控制六自由度平台运动以调整谐振子的位姿，从而改变谐振子与电极基座所形成的电极的大小；在六自由度平台将谐振子与电极基座的相对位置完成调整后，通过钎焊的方式将电极基座与谐振子进行固定。
相比现有的依靠视觉定位的装配方式，本实施例中的半球谐振陀螺自动化装配系统，通过监测电极电容信号控制调整装配间隙，其装配精度更高，误差可控，可靠性更高。
具体而言，下面对半球谐振陀螺自动化装配系统的结构和原理进行介绍：
参见图2所示，谐振子为半球形薄壳，球壳直径为20mm或30mm，在球壳一侧对称轴处连接有圆柱形支撑杆，用于与电极基座进行固定。半球谐振子通常由石英玻璃通过精密加工而成，且在半球谐振子支撑杆、内球面和唇缘处镀有金属导电薄膜，膜厚一般为20nm～100nm。
参阅图3所示，电极基座为中间设有圆形通孔的圆柱形基板，通常也由石英玻璃加工而成，在电极基板的上表面均匀分布有8个环形的离散金属电极，环形电极尺寸与半球谐振子唇缘直径相当。
支撑结构主要包括基座、调整机构、锁紧机构和焊接装置。支撑结构为框架式，并安装于隔振平台上，可为电极基座与焊接装置提供高精度定位安装，同时具有电极基座固定位置的粗调与锁紧功能，且电极基座可在支撑结构上进行360°旋转。支撑结构上有相应的电气通路，用以将电极基座上表面的离散电极连接至电容检测模块。
其中，基座用于调整机构、锁紧机构、六自由度平台、电容检测模块和信号采集和伺服控制模块的安装固定；调整机构用于调节电极基座与焊接装置的位置与姿态，完成对所述电极基座进行粗调。锁紧结构用于调整位置和姿态后固定。焊接装置用于对锁紧后的所述电极基座和谐振子进行焊接，优选地，焊接装置通过钎焊的方式将位置与姿态调整完毕后的半球谐振子与电极基座进行焊接固定。
六自由度平台还设有夹具，所述夹具一端固定在六自由度平台上，另一端通过所述电极基座中心孔与谐振子的支撑杆固连，使半球谐振子可以随六自由度平台进行线位移与角运动。夹具与半球谐振子可使用低温焊料焊接或胶粘的方式进行固接。夹具表面具有电气通路，将半球谐振子表面金属导电膜层与电容检测模块相连接。
六自由度平台可以实现X、Y、Z三个方向的位移运动和θx、θy、θz方向的旋转运动，并通过与六自由度平台固连的夹具，带动半球谐振子进行空间位置与姿态的精密运动。六自由度平台X与Y方向位移分辨率应优于0.5μm，Z方向位移分辨率应优于0.01μm，θx与θy旋转角位移分辨率应优于0.3'，θz旋转角位移分辨率应优于0.5'。在初始阶段，需要初步调整六自由度平台Z轴和θz轴，调整谐振子与电极基座距离及圆周相对方位，以产生有效的电容检测信号并调节谐振子模态轴与电极的相对方位。
电容检测模块用于测量谐振子与电极基座上不同电极之间的电容信号，并将其转换为距离信息，实时监测半球谐振子唇缘与电极基座多个离散电极之间的距离间隙信息，并根据电容信号大小计算电极与谐振子的间距与偏斜误差，并将结果发送到信号采集和伺服控制模块。
电容检测模块的检测精度应优于0.01μm，通过比较8个离散电极所检测到距离及平均距离，确定谐振子相对电极基座的位置与姿态，若不满足要求，则将测量比对结果发送至信号采集和伺服控制模块。
信号采集和伺服控制模块用于获取六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动，直至谐振子与电极基座的间距满足目标要求。半球谐振子唇缘平面与平面电极间距控制在50μm～60μm，平行度优于2'。
待半球谐振子与电极基座相对位置调整完毕后，焊接装置通过钎焊方式将谐振子与电极基座进行焊接固定，焊接时六自由度平台通过绕电极基座对称轴旋转，使得电极基座中心孔与谐振子支撑杆圆周方向焊料均匀，半球谐振子与电极基座装配完成后如图4所示。
经过上述设计，可以理解的是，本申请中的半球谐振陀螺自动化装配系统，可实现两件套半球谐振陀螺的精密装配与焊接，相比现有的依靠视觉定位的装配方式，本申请通过监测电极电容信号控制调整装配间隙，其装配精度更高，误差可控，可靠性更高。
其中，信号采集和伺服控制模块通过对比谐振子与电极基座之间的相对位置与理论值，输出位置误差，并控制六自由度平台调整谐振子的位置与姿态，进一步与理论值比较，直至满足误差要求。整体装配过程实现闭环误差控制，保证谐振子与基座上多个离散电极的间隙均匀一致，提高了装配的精度与产品的可靠性。
六自由度运动平台可实现装配过程中半球谐振子进行线位移与角运动，从而将谐振子与基座上的离散电极对齐，并调整电极间隙到理论设定值，保证装配精度要求。
此外，还通过焊接装置的设计，可实现谐振子与电极基座之间的原位焊接。在谐振子与电极基座之间的相对位置调整完毕后，通过支撑结构上的锁紧机构对其进行固定，随后直接进行谐振子与电极基座之间的焊接，不需要进行二次调整，保证调整精度即为最终的装配精度，进一步降低装配误差。
第二方面，本申请实施例还提供一种半球谐振陀螺自动化装配方法。
一实施例中，参照图5和图6所示，图5为本申请半球谐振陀螺自动化装配方法一实施例的流程图。如图5所示，半球谐振陀螺自动化装配方法包括：
S1、将电极基座固定在所述支撑结构上，并将谐振子固定在所述六自由度平台上；
S2、利用电容检测模块测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，以判断是否满足装配要求；
S3、利用信号采集和伺服控制模块获取所述六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动，直至满足装配要求。
进一步地，一实施例中，所述利用电容检测模块测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，包括：
利用电容检测模块检测谐振子唇缘位置与电极基座上表面离散电极所形成的电容，并将电容大小转换为实际的电容间隙距离；
通过比较8个离散电极所检测到距离及平均距离，确定谐振子相对电极基座的位置与姿态。
进一步地，一实施例中，还包括：
利用固定在六自由度平台的夹具，通过电极基座中心孔与谐振子的支撑杆固连，基于夹具表面的电气通路，以将所述谐振子的表面金属导电膜层与电容检测模块相连接。
进一步地，一实施例中，还包括：
利用支撑结构上的锁紧机构，将满足装配要求的所述电极基座和谐振子进行锁紧。
进一步地，一实施例中，还包括：
利用支撑结构上的焊接装置，对锁紧后的所述电极基座和谐振子进行焊接。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种半球谐振陀螺自动化装配系统，其特征在于，所述半球谐振陀螺自动化装配系统包括：
支撑结构，其用于固定待装配的电极基座；
六自由度平台，其固定在所述支撑结构上，且用于固定待装配的谐振子；
电容检测模块，其用于测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，以判断是否满足装配要求；
信号采集和伺服控制模块，其用于获取所述六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动。
2.如权利要求1所述的半球谐振陀螺自动化装配系统，其特征在于：
所述六自由度平台还设有夹具，所述夹具一端固定在六自由度平台上，另一端通过所述电极基座中心孔与谐振子的支撑杆固连，且所述夹具的表面具有电气通路，以将所述谐振子的表面金属导电膜层与电容检测模块相连接。
3.如权利要求1所述的半球谐振陀螺自动化装配系统，其特征在于：
所述支撑结构上还设有锁紧机构，所述锁紧机构用于锁紧所述电极基座和谐振子。
4.如权利要求3所述的半球谐振陀螺自动化装配系统，其特征在于：
所述支撑结构上还设有焊接装置，所述焊接装置用于对锁紧后的所述电极基座和谐振子进行焊接。
5.如权利要求1所述的半球谐振陀螺自动化装配系统，其特征在于：
所述支撑结构还设有调整机构，所述调整机构用于对所述电极基座进行粗调。
6.一种利用如权利要求1所述的半球谐振陀螺自动化装配系统的半球谐振陀螺自动化装配方法，其特征在于，所述半球谐振陀螺自动化装配方法包括：
将电极基座固定在所述支撑结构上，并将谐振子固定在所述六自由度平台上；
利用电容检测模块测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，以判断是否满足装配要求；
利用信号采集和伺服控制模块获取所述六自由度平台的实时位姿信息以及电容检测模块计算的位姿误差和判断结果，并在不满足装配要求时根据所述位姿误差驱动所述六自由度平台进行相应的线位移与角运动，直至满足装配要求。
7.如权利要求6所述的半球谐振陀螺自动化装配方法，其特征在于：其特征在于，所述利用电容检测模块测量所述谐振子与电极基座上离散电极之间的电容信号，并根据所述电容信号计算当前谐振子相对电极基座的位姿误差，包括：
利用电容检测模块检测谐振子唇缘位置与电极基座上表面离散电极所形成的电容，并将电容大小转换为实际的电容间隙距离；
通过比较8个离散电极所检测到距离及平均距离，确定谐振子相对电极基座的位置与姿态。
8.如权利要求6所述的半球谐振陀螺自动化装配方法，其特征在于：其特征在于，还包括：
利用固定在六自由度平台的夹具，通过电极基座中心孔与谐振子的支撑杆固连，基于夹具表面的电气通路，以将所述谐振子的表面金属导电膜层与电容检测模块相连接。
9.如权利要求6所述的半球谐振陀螺自动化装配方法，其特征在于：其特征在于，还包括：
利用支撑结构上的锁紧机构，将满足装配要求的所述电极基座和谐振子进行锁紧。
10.如权利要求9所述的半球谐振陀螺自动化装配方法，其特征在于：其特征在于，还包括：
利用支撑结构上的焊接装置，对锁紧后的所述电极基座和谐振子进行焊接。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118293897A (zh) * | 2024-06-06 | 2024-07-05 | 四川图林科技有限责任公司 | 一种一体化结构半球谐振陀螺 |
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2024
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