CN201837394U - 捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置，包括支架、支脚、螺柱和隔振器，支架有若干个支脚点对称伸出，支架与产品舱段联接，支脚通过悬挂螺柱固定激光IMU，激光IMU与悬挂螺柱之间装有隔振器；或者支脚与产品舱段联接，支架与产品舱段之间装有隔振器，支架通过悬挂螺柱固定激光IMU。本实用新型系统隔振效果良好，尤其对高频隔振的改善十分明显，而且减轻了结构重量，节省了占用空间。

Description

捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置

技术领域

本发明涉及隔振与结构设计技术领域，尤其是是捷联式激光陀螺惯性测量单元(以下简称激光IMU)的具有特定隔振性能和结构功能的安装装置。

背景技术

激光IMU的使用对于国内某些产品仍然是一项较为新颖和先进的技术，所以目前其安装装置仍有很多不足，大致可归纳为以下几个方面：首先，目前的安装装置基本上为平板式、框架式或两者的变型结构，对于激光IMU不但起不到减振和隔振作用，反而容易在设备敏感频带内引起振动放大，所以其结构和功效不能与设备安装需求相匹配，组件级别的安装减振系统不能与整个产品的布局和减振系统相匹配，也就无法给设备提供良好的工作环境；其次，目前的安装装置通常只起支撑和固定作用，强调结构稳固性，重量和刚度都很大，但功能性效果却不很理想，反而牺牲了很多重量和空间，例如某产品用于安装激光IMU的结构件，其厚度最大达到了70mm，并且虽然采用了一些减重措施，但其重量仍然超过了8kg；再次，目前的安装装置经常是简单的采用将螺栓穿入设备安装孔来进行固定的方式，对于在舱体的狭小空间内安装体积和重量都相对较大的激光IMU，实际操作十分不便；然后，目前的安装装置对于激光IMU安装精度要求是采用多级销钉定位来满足的，并且由于空间结构的限制，销钉之间的距离往往很近，为了能达到设备安装精度，就需要减小零件间隙，提高零件加工精度，这就一定程度上增加了成本；最后，目前的安装装置还存在着影响周围其他设备布局，限制舱体内部电缆走向和结构本身难以进一步优化等缺点。

发明内容

为了克服现有技术减振功效不匹配、体积和重量较大、安装操作不方便、设备安装精度差等不足，本发明提供一种捷联式激光陀螺惯性测量单元的隔振安装装置，能够改善激光IMU的力学环境，并最终提高产品的性能和命中精度。

本发明解决其技术问题采用了两种技术方案，第一种方案采用内收式支架结构，包括支架、支脚、螺柱和隔振器，支架的外形轮廓呈圆环状，圆环外径以刚好能够从产品舱段前端装入为准，支架有若干个支脚向内伸出，各支脚沿支架的圆心点对称；支架在圆环部位通过螺栓和定位销与产品舱段联接，支脚上装有悬挂螺柱，而激光IMU通过悬挂螺柱安装固定，激光IMU与悬挂螺柱之间装有隔振器，激光IMU位于支架的弹性中心，以求达到最佳的隔振效果，激光IMU使用定位工装获得定位精度。

第二种方案采用外扩式支架结构，包括支架、支脚、螺柱和隔振器，支架的外形轮廓呈多边形，多边形形状以刚好能够包围激光IMU为准，支架有若干个支脚向外伸出，各支脚沿支架的中心点对称，支架和支脚的外部结构尺寸同样以刚好能从产品舱段前端装入为准，支架在支脚部位通过螺栓与产品舱段联接，支脚与产品舱段之间装有隔振器，支架多边形顶点部位装有悬挂螺柱，而激光IMU通过悬挂螺柱安装固定，激光IMU位于支架的弹性中心，以求达到最佳的隔振效果，同时产品舱段安装有定位销，激光IMU使用定位工装配合定位销来获得定位精度。

两种支架均可选择任意适宜的材料制作，支脚数量和尺寸可根据空间大小和设备外形进行设计，但支脚的长度和截面应选择适当参数，使得隔振器固有频率、支架在支脚部位的固有频率以及产品舱段固有频率按从低向高的规律分布，并且相邻两者之间的频率比保持在2～5以内为佳，同时支架在支脚部位的固有频率在三个正交方向的差异不应超过20％。

隔振器一般使用黏弹性阻尼橡胶材料制作，上下两层橡胶材料中间装有钢套，以便与设备或产品舱段固定，隔振器的固有频率和阻尼应根据使用条件选取，一般阻尼比ζ＝0.05～0.12，频率比Z＝3～10。

悬挂螺柱基本上是一种带台阶的双头螺栓，为了便于安装其圆柱部分加工有平面夹持结构，而且为了防止松动，安装悬挂螺柱时采用了双螺母加上自锁螺母的原理。

定位销结构上大致可分为三段，上段为圆柱段，与定位工装配合定位，中段为上下带凸缘的方形柱体，是安装时的加持部位，下段为带台阶的螺纹，台阶配合定位，螺纹用来固定；定位工装在安装激光IMU时使用，起定位和检验安装精度的作用，用完后拆下以备下次使用。

本发明的有益效果是：

本发明是根据经典振动力学原理以及结构系统优化准则来设计的。在经典振动力学理论中，对于一个机械振动系统而言，振动的绝对传递函数为：

式中

ω_n—固有频率，ζ—阻尼比。

对于金属结构的机械振动系统，一般ζ都很小，而当ζ很小(ζ≈0)时：

所以在小阻尼情况下，只有频率比

时才有隔振效果，反之就可能发生共振，结构将会对振动产生放大，这也正是隔振设计的理论依据。

通常的激光IMU安装装置是通过提高刚度来追求稳固性的，但受限于空间环境和材料，其刚度或者说固有频率有其极限，往往满足不了需要，甚至结构本身还可能对振动产生放大；而本发明提供的安装装置，舍弃了单纯追求稳固的思路，将结构设计成相对低频并且与振动系统具有合适频率比的支架形式，强调系统匹配性，安装支架不仅对激光IMU起到支撑固定作用，更相当于一个弹簧隔振装置，不但消除了中间的放大环节，还能对从基体传来的振动能量起到预先隔离作用。

对于隔振器设计，原理仍然是经典振动力学原理，但由于其材料的特殊性，计算和分析比较复杂，当时，如单从隔振观点出发，阻尼越小隔振效果越好，但工程实践中经常遇到外界突然冲击和扰动，为避免弹性支撑物体产生过大振幅的自由振动，常常人为的增加一些阻尼以抑制其振幅，并且这样可使自由振动很快消失。所以综合考虑，实用最佳阻尼比取ζ＝0.05～0.12，频率比取Z＝3～10。

两种结构中，激光IMU都位于支架系统的弹性中心，以求达到最佳的隔振效果，并且棱镜中心与瞄准窗口中心重合，激光IMU的安装精度也有定位保证，满足安装要求。

利用本发明研制开发的两种结构的安装装置目前都有所应用，以某产品的激光IMU安装装置为例：结构件厚度可降至20mm～30mm，重量降至1.8kg左右；安装支架与隔振器以及激光IMU的固有频率形成了很好的间隔性和匹配性，减振和隔振效果可达90％以上；安装设备时间由原来的半个小时左右降至不到十分钟，而且操作者的劳动强度大大降低了；当相关零件加工精度与原来相仿时，设备的安装精度可以提高一倍以上；采用本发明的安装装置，结构和设备布局灵活，对周围设备影响小，电缆排布自由，基本不会受到限制，而且安装装置本身可以有多种多样的变化，后续进一步优化和改进的潜力很大。

本发明已经通过了试验验证，系统隔振效果良好，尤其对高频隔振的改善十分明显，而且减轻了结构重量，节省了占用空间，对产品的性能和精度有较大提高，再加上仍然具有很大发展潜力，未来将会有广阔的前景和重要的价值。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1(a)为内收式支架示意图，图1(b)为内收式支架及激光IMU安装示意图；

图2(a)为外扩式支架示意图，图2(b)为外扩式支架及激光IMU安装示意图；

图3为支架系统装配示意图；

图4为隔振器结构示意图；

图5为悬挂螺柱结构示意图；

图6为定位销结构示意图；

图中，1-内收式安装支架，2-产品舱段(半剖)，3-定位销，4-悬挂螺柱，5-50型激光IMU，6-隔振器，7-定位工装，8-外扩式安装支架，9-隔振器，10-悬挂螺柱，11-90型激光IMU，12-定位销，13-定位工装，14-隔振器钢套，15-隔振器橡胶材料，16-悬挂螺柱夹持平面，17-悬挂螺柱台阶，18-定位销圆柱端，19-定位销方形柱体，20-定位销台阶。

具体实施方式

实施实例1：参照图1，采用内收式支架结构，包括支架、支脚、螺柱和隔振器，支架的外形轮廓呈圆环状，圆环外径以刚好能够从产品舱段前端装入为准，支架有若干个支脚向内伸出，各支脚沿支架的圆心点对称；支架在圆环部位通过螺栓和定位销与产品舱段联接，支脚上装有悬挂螺柱，而激光IMU通过悬挂螺柱安装固定，激光IMU与悬挂螺柱之间装有隔振器，激光IMU位于支架的弹性中心，以求达到最佳的隔振效果，激光IMU使用定位工装获得定位精度。安装支架为4支脚内收结构，铝合金材料，总厚度38mm，重量1.85kg，支脚长度约100mm，截面大致为20mm×15mm，一阶固有频率约220Hz，与隔振器固有频率60Hz的频率比为3.6，与激光IMU特征频率450Hz～500Hz的频率比为2.2左右，形成了很好的间隔性和匹配性，减振和隔振效果良好；而且安装操作方便，定位精度高。

实施实例2：参照图2，采用外扩式支架结构，包括支架、支脚、螺柱和隔振器，支架的外形轮廓呈多边形，多边形形状以刚好能够包围激光IMU为准，支架有若干个支脚向外伸出，各支脚沿支架的中心点对称，支架和支脚的外部结构尺寸同样以刚好能从产品舱段前端装入为准，支架在支脚部位通过螺栓与产品舱段联接，支架与产品舱段之间装有隔振器，支架多边形顶点部位装有悬挂螺柱，而激光IMU通过悬挂螺柱安装固定，激光IMU位于支架的弹性中心，以求达到最佳的隔振效果，同时产品舱段安装有定位销，激光IMU使用定位工装配合定位销来获得定位精度。安装支架为4支脚外扩结构，铝合金材料，总厚度50mm，重量1.85kg，支脚长度约150mm，截面大致为20mm×18mm，一阶固有频率约180Hz，与隔振器固有频率80Hz的频率比为2.3，与激光IMU特征频率380Hz～420Hz的频率比为2.3左右，也形成了很好的间隔性和匹配性，减振和隔振效果良好；同样安装操作方便，定位精度高。

两种技术方案本质相同，都是选择相对于激光IMU的特征频率较低的频率区间作为安装支架的设计目标并进行优化，使得安装支架三个正交方向的固有频率与激光IMU和隔振器的特征频率之间有一个匹配合适的频率比从而避开了安装结构对振动放大的不利环节，绕过了用提高安装结构的固有频率来回避激光IMU特征频率的困难，而且支架本身也可以发挥弹簧隔振的作用。同时两种技术方案又因使用环境不同而有所差异，如产品使用50型激光IMU，由于其体积、质量和转动惯量都较小，激光IMU本体没有凸出的连接法兰，并且角振动相对较小，所以采用内收式支架，其舱体与内收式支架是固联的，由于操作空间有限，隔振器以悬挂螺柱的形式安装，只需将隔振器-IMU组件的孔位对准螺杆向前轻推即安装到位，操作者就可以腾出手来从容地进行螺纹紧固工序；如产品使用90型激光IMU，由于其体积、质量和转动惯量都较大，激光IMU本身具有凸出的连接法兰，而且操作空间较开阔，所以设计成外扩式支架，为解决其角振动较大的问题，将隔振器设计在靠外位置安装，增大了每组隔振器的间距，这样就重点改善了对角振动的隔振效果，而该方案IMU与外扩式支架是固联的。两种安装支架在设计时特别将其优化为三向固有频率近似相等，并且前三阶振动模态的振形都为平动形态，对改善IMU工作环境和提高导弹精度都具有更好的效果。

上述的两个实施实例中，橡胶弹簧的结构形式根据需要设计为环柱形与圆筒形的结合形式，可根据隔振器的形状尺寸以及橡胶材料的弹性模量E和G计算出橡胶弹簧的x、y、z方向的刚度，使之与整个隔振安装装置匹配。经过优化计算，选择了适宜的隔振器材料和尺寸，实施实例1中，隔振器固有频率设计为60Hz，实施实例2中，隔振器固有频率设计为80Hz，都与相应的载荷和使用条件匹配。

Claims (6)

1.捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置，包括支架、支脚、螺柱和隔振器，其特征在于：支架的外形轮廓呈圆环状，圆环外径以刚好能够从产品舱段前端装入为准，支架有若干个支脚向内伸出，各支脚沿支架的圆心点对称；支架在圆环部位通过螺栓和定位销与产品舱段联接，支脚上装有悬挂螺柱，而捷联式激光陀螺惯性测量单元通过悬挂螺柱安装固定，捷联式激光陀螺惯性测量单元与悬挂螺柱之间装有隔振器，捷联式激光陀螺惯性测量单元位于支架的弹性中心，捷联式激光陀螺惯性测量单元使用定位工装获得定位精度。

2.捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置，包括支架、支脚、螺柱和隔振器，其特征在于：支架的外形轮廓呈多边形，多边形形状以刚好能够包围捷联式激光陀螺惯性测量单元为准，支架有若干个支脚向外伸出，各支脚沿支架的中心点对称，支架和支脚的外部结构尺寸同样以刚好能从产品舱段前端装入为准，支架在支脚部位通过螺栓与产品舱段联接，支脚与产品舱段之间装有隔振器，支架多边形顶点部位装有悬挂螺柱，而捷联式激光陀螺惯性测量单元通过悬挂螺柱安装固定，捷联式激光陀螺惯性测量单元位于支架的弹性中心，产品舱段安装有定位销，捷联式激光陀螺惯性测量单元使用定位工装配合定位销来获得定位精度。

3.根据权利要求1或2的捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置，其特征在于：所述支脚的长度和截面应选择适当参数，使得隔振器固有频率、支架在支脚部位的固有频率以及产品舱段固有频率按从低向高的规律分布，并且相邻两者之间的频率比保持在2～5，同时支架在支脚部位的固有频率在三个正交方向的差异不超过20％。

4.根据权利要求1或2的捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置，其特征在于：所述隔振器使用黏弹性阻尼橡胶材料制作，上下两层橡胶材料中间装有钢套，隔振器的阻尼比ζ＝0.05～0.12，频率比Z＝3～10。

5.根据权利要求1或2的捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置，其特征在于：所述悬挂螺柱是带台阶的双头螺栓，其圆柱部分加工有平面夹持结构。

6.根据权利要求1或2的捷联式激光陀螺惯性测量单元隔振安装装置，其特征在于：所述定位销上段为圆柱段，中段为上下带凸缘的方形柱体，下段为带台阶的螺纹。

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