RU2638870C1 - Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method - Google Patents
Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638870C1 RU2638870C1 RU2016127127A RU2016127127A RU2638870C1 RU 2638870 C1 RU2638870 C1 RU 2638870C1 RU 2016127127 A RU2016127127 A RU 2016127127A RU 2016127127 A RU2016127127 A RU 2016127127A RU 2638870 C1 RU2638870 C1 RU 2638870C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- rotation
- axis
- coating
- imbalance
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05C13/00—Means for manipulating or holding work, e.g. for separate articles
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/50—Substrate holders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/02—Rotary gyroscopes
- G01C19/04—Details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
Abstract
Description
Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении роторов электростатических гироскопов (ЭСГ).The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in the manufacture of rotors of electrostatic gyroscopes (ESG).
Сферический ротор (сплошной или полый тонкостенный), изготавливаемый, как правило, из бериллия, является основным узлом чувствительного элемента ЭСГ. Точность и качество выполнения ротора во многом определяют эксплуатационные характеристики гироскопа. Технологический процесс изготовления ротора ЭСГ должен обеспечивать требования по точности сферы (диаметр и некруглость) и величине дисбаланса на уровне десятых и сотых долей микрометра. На окончательно обработанной наружной сферической поверхности ротора осуществляется формирование тонкопленочного износостойкого покрытия нитрида титана (толщиной 0,8-1,2 мкм) для улучшения условий посадок ротора (в том числе и аварийных). Далее на этом покрытии формируется светоконтрастный растровый рисунок в виде полос, представляющих собой отрезки сферических винтовых линий, для съема сигнала с ротора посредством оптоэлектронной системы гироскопа.A spherical rotor (solid or hollow thin-walled), made, as a rule, of beryllium, is the main node of the ESG sensing element. The accuracy and quality of the rotor are largely determined by the operational characteristics of the gyroscope. The manufacturing process of the ESG rotor should provide requirements for the accuracy of the sphere (diameter and non-circularity) and the imbalance at the level of tenths and hundredths of a micrometer. On the finished surface of the outer spherical surface of the rotor, a thin-film wear-resistant coating of titanium nitride (0.8-1.2 μm thick) is formed to improve rotor landing conditions (including emergency ones). Further, a light-contrast raster pattern is formed on this coating in the form of strips representing segments of spherical helix lines for signal collection from the rotor by means of an optoelectronic gyroscope system.
Известен способ изготовления ротора электростатического гироскопа (патент РФ №2193161), при котором осуществляют формообразование заготовки ротора с выполнением в его теле армирующего элемента, обеспечивающего требуемую величину и соотношение осевого и экваториального моментов инерции. Далее производят балансировку ротора, включающую последовательные операции измерения его дисбаланса и устранение этого дисбаланса посредством направленной доводки сферической поверхности ротора и сферодоводки до получения сферы требуемого диаметра. После этого в полюсной зоне методом электрохимического маркирования формируют на поверхности ротора светоконтрастный рисунок, обеспечивающий возможность оптического съема сигнала об угловом положении ротора относительно корпуса. Этим же электрохимическим методом выполняется и растровый рисунок в экваториальной зоне ротора в пределах заданного широтного угла.A known method of manufacturing a rotor of an electrostatic gyroscope (RF patent No. 2193161), in which the forming of the rotor blank is carried out with the implementation of a reinforcing element in its body that provides the required value and the ratio of axial and equatorial moments of inertia. Next, the rotor is balanced, including successive operations of measuring its imbalance and eliminating this imbalance by directionally fine-tuning the spherical surface of the rotor and the spherical finishing to obtain a sphere of the required diameter. After that, in the pole zone by the method of electrochemical marking, a light-contrast pattern is formed on the surface of the rotor, which makes it possible to optically pick up the signal about the angular position of the rotor relative to the housing. Using the same electrochemical method, a raster drawing is performed in the equatorial zone of the rotor within the specified latitudinal angle.
Данный способ содержит следующие основные недостатки.This method contains the following main disadvantages.
1. Сложность обеспечения минимального дисбаланса (сотые доли микрометра) при условии получения заданной величины диаметра ротора с точностью формы на уровне сотых и тысячных долей микрометра. Это обусловлено тем, что при устранении дисбаланса методом направленной доводки с использованием трубчатого притира осуществляется съем материала с полусферической поверхности ротора, которая симметрична вектору дисбаланса, причем съем материала производится со стороны, определенным образом ориентированной относительно вектора дисбаланса ротора. Эта технологическая операция заведомо искажает сферу ротора. Далее осуществляется сферодоводка ротора в трехшпиндельном устройстве, что позволяет восстановить сферическую форму ротора, но изменяет полученную на предшествующей операции величину дисбаланса. Последующие этапы контроля дисбаланса, дополнительной направленной доводки и сферодоводки позволяют методом последовательного приближения обеспечить получение требуемых конечных значений дисбаланса и геометрии ротора. Однако фактически в данном случае имеет место противоречивый характер указанных операций, что приводит к неопределенности технологического процесса в части выбора величины припуска, необходимого для балансировки ротора, и параметров обработки ротора.1. The difficulty of ensuring a minimum imbalance (hundredths of a micrometer), provided that the specified diameter of the rotor is obtained with an accuracy of form at the level of hundredths and thousandths of a micrometer. This is due to the fact that when the imbalance is eliminated by the directional refinement method using tubular grinding, the material is removed from the hemispherical surface of the rotor, which is symmetrical to the imbalance vector, and the material is removed from the side oriented in a certain way with respect to the rotor unbalance vector. This technological operation obviously distorts the sphere of the rotor. Next, the rotor is spherically drilled in a three-spindle device, which allows you to restore the spherical shape of the rotor, but changes the unbalance value obtained in the previous operation. The subsequent stages of imbalance control, additional directional refinement and spherical debugging allow the method of successive approximation to obtain the required final values of the imbalance and rotor geometry. However, in fact, in this case there is a contradictory nature of these operations, which leads to the uncertainty of the technological process regarding the choice of the allowance necessary for balancing the rotor, and the processing parameters of the rotor.
2. Способ электрохимического маркирования связан со слабо контролируемым удалением материала ротора и в зависимости от требуемой величины контрастности искажает форму ротора и изменяет величину дисбаланса в пределах десятых долей микрометра, что ограничивает возможности изготовления перспективных модификаций ЭСГ, где требования по дисбалансу и точности формы ротора на порядок выше.2. The method of electrochemical marking is associated with poorly controlled removal of the rotor material and, depending on the required contrast value, distorts the shape of the rotor and changes the imbalance within tenths of a micrometer, which limits the possibility of manufacturing promising modifications of the ECG, where the requirements for the imbalance and accuracy of the rotor shape are an order of magnitude above.
3. Данную технологию трудно модифицировать, например, при необходимости изменения формы растров на роторе.3. This technology is difficult to modify, for example, if necessary, change the shape of the rasters on the rotor.
Такие же недостатки имеет способ изготовления ротора электростатического гироскопа (патент РФ №2140623), при котором после сферодоводки и балансировки ротора на его сферической поверхности выполняют растровый рисунок путем нанесения слоя фоторезиста, на котором и формируют световое изображение с плоского фотошаблона. После экспозиции и последующего проявления обнажившиеся в соответствии с рисунком участки металла стравливают, и остатки фоторезиста удаляют.The method of manufacturing the rotor of an electrostatic gyroscope (RF patent No. 2140623) has the same disadvantages, in which, after spherododating and balancing the rotor on its spherical surface, a raster drawing is performed by applying a layer of photoresist on which a light image from a flat photomask is formed. After exposure and subsequent development, metal sections exposed in accordance with the pattern are etched and the remaining photoresist is removed.
Следует отметить, что проблемы, связанные с комплексным обеспечением требований по дисбалансу и точности размеров и формы ротора, могут быть частично решены при изготовлении чувствительного элемента ЭСГ, когда балансировку ротора заканчивают по достижении заданной величины дисбаланса, фиксируя фактически полученный конечный диаметр. При этом требуемый радиальный зазор между ротором и электродами подвеса обеспечивается обработкой сферической поверхности электродов подвеса (патент РФ №2153649). Однако данная технология крайне неэкономична, т.к. полностью исключает взаимозаменяемость узлов чувствительного элемента и связана с большими сложностями доводки электродов подвеса.It should be noted that the problems associated with the comprehensive provision of imbalance requirements and the accuracy of the size and shape of the rotor can be partially solved in the manufacture of the ESG sensing element, when the balancing of the rotor is completed upon reaching the specified value of the imbalance, fixing the actual final diameter obtained. Moreover, the required radial clearance between the rotor and the suspension electrodes is provided by processing the spherical surface of the suspension electrodes (RF patent No. 2153649). However, this technology is extremely uneconomical, because completely eliminates the interchangeability of the nodes of the sensitive element and is associated with great difficulties in fine-tuning the suspension electrodes.
Известны технологические способы балансировки ротора посредством притирки его поверхности по сфере с удалением нужного количества металла без ухудшения поверхности ротора, или посредством перераспределения легкоплавкого материала по внутренней поверхности ротора за счет тепловых воздействий с его внешней стороны [Ковалев М.П., Моржаков С.П., Терехова А.С. Динамическое и статическое уравновешивание гироскопических устройств // М.: Машиностроение, 1974, 252 с.]. Однако эти способы крайне трудоемки, мало контролируемы и не обеспечивают высокую точность процесса.Known technological methods for balancing the rotor by grinding its surface over the sphere with the removal of the desired amount of metal without deteriorating the rotor surface, or by redistributing fusible material on the inner surface of the rotor due to thermal effects from its outer side [Kovalev MP, Morzhakov SP , Terekhova A.S. Dynamic and static balancing of gyroscopic devices // M .: Mashinostroenie, 1974, 252 p.]. However, these methods are extremely time-consuming, little controlled and do not provide high accuracy of the process.
По наибольшему числу общих существенных признаков для предлагаемого способа в качестве прототипа принята технология изготовления ротора электростатического гироскопа (патент РФ №2555699), при которой производят: формообразование и балансировку заготовки ротора до получения требуемых величин дисбаланса и диаметра, включая последовательные операции направленной доводки и сферодоводки; наносят на поверхность ротора тонкопленочное износостойкое покрытие нитрида титана требуемой толщины методом, например, магнетронного напыления, в условиях вращения ротора вокруг основной оси и одномоментного изменения наклона его оси фиксации на заданный угол относительно потока напыляемого материала после каждого поворота ротора на 360° вокруг основной оси вращения. Далее на покрытии осуществляют формирование растрового рисунка посредством лазерного маркирования. При обработке лазерным лучом формирование рисунка происходит за счет образования оксидной пленки (в воздушной среде), а режимы лазерной обработки выбирают из условия получения растрового рисунка толщиной, меньшей, чем толщина покрытия.According to the largest number of common essential features for the proposed method, the technology for manufacturing the rotor of an electrostatic gyroscope (RF patent No. 2555699) was adopted as a prototype, in which they produce: shaping and balancing of the rotor blank to obtain the required imbalance and diameter values, including sequential operations of fine-tuning and sphere-finishing; a thin film wear-resistant coating of titanium nitride of the required thickness is applied to the rotor surface, for example, by magnetron sputtering, under conditions of rotation of the rotor around the main axis and at one time changing the inclination of its axis of fixation by a predetermined angle relative to the flow of the sprayed material after each rotation of the rotor 360 ° around the main axis of rotation . Then, a raster pattern is formed on the coating by laser marking. When processing with a laser beam, a pattern is formed due to the formation of an oxide film (in air), and the laser treatment modes are selected from the condition of obtaining a raster pattern with a thickness less than the coating thickness.
Представленный способ-прототип позволяет обеспечить получение нанесенного методом магнетронного напыления покрытия нитрида титана с отклонениями по толщине, не превышающими десятые и сотые доли микрометра.The presented prototype method allows to obtain a titanium nitride coating deposited by magnetron sputtering with thickness deviations not exceeding tenths and hundredths of a micrometer.
Вместе с тем, данный способ имеет следующие недостатки:However, this method has the following disadvantages:
1. Такие же, как и у приведенных выше аналогов, сложности по обеспечению дисбаланса и точности формы на уровне сотых долей микрометра при строго заданном значении конечного диаметра ротора. Это обусловлено противоречиями взаимного влияния операций направленной доводки и сферодоводки, что приводит к неопределенности в технологии изготовления ротора при выборе величины припуска на его балансировку.1. The same difficulties as in the above analogues, in ensuring imbalance and shape accuracy at the level of hundredths of a micrometer with a strictly specified value of the final rotor diameter. This is due to contradictions in the mutual influence of directional refinement and sphere-finishing operations, which leads to uncertainty in the technology of manufacturing the rotor when choosing the amount of allowance for its balancing.
2. Ограниченные технологические возможности процесса изготовления ротора, связанные с тем, что достигаемая на стадии направленной доводки величина дисбаланса ротора может, в лучшем случае, только сохраняться, а возможность при необходимости корректировать дисбаланс в процессе нанесения покрытия отсутствует. Хотя вносимая масса материала покрытия при определенном распределении по поверхности ротора, в принципе, могла бы решать задачу корректировки дисбаланса.2. The limited technological capabilities of the rotor manufacturing process, due to the fact that the rotor unbalance achieved at the stage of directional refinement can only be preserved at best, and there is no possibility, if necessary, to correct the imbalance during the coating process. Although the introduced mass of the coating material with a certain distribution over the surface of the rotor, in principle, could solve the problem of correcting the imbalance.
3. Несогласованность и отсутствие управляемой взаимосвязи таких основных технологических операций по финишному изготовлению ротора, как процессы направленной доводки, сферодоводки и нанесения покрытия нитрида титана. При этом выполнение последующих операций может негативно влиять на результаты предыдущих, выводя полученные параметры ротора за пределы допуска.3. Inconsistency and lack of controlled interconnection of such basic technological operations for the final manufacture of the rotor as the processes of directional refinement, spherical finishing and coating of titanium nitride. Moreover, the execution of subsequent operations can negatively affect the results of the previous ones, taking the obtained rotor parameters out of tolerance.
4. Сложность и большая трудоемкость процесса получения требуемой точности ротора в части величины дисбаланса.4. The complexity and high complexity of the process of obtaining the required accuracy of the rotor in terms of imbalance.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей процесса изготовления ротора электростатического гироскопа за счет того, что при нанесении износостойкого покрытия одновременно осуществляется корректировка величины дисбаланса, полученного на стадии направленной доводки и сферодоводки.The objective of the invention is to expand the technological capabilities of the manufacturing process of the rotor of an electrostatic gyroscope due to the fact that when applying a wear-resistant coating, the imbalance obtained at the stage of directional refinement and spherical dressing is simultaneously adjusted.
Технический результат - расширение технологических возможностей и повышение стабильности процесса изготовления ротора электростатического гироскопа, в том числе, и в части корректировки дисбаланса с сохранением точности сферы (диаметр и некруглость).The technical result is the expansion of technological capabilities and increasing the stability of the manufacturing process of the rotor of an electrostatic gyroscope, including in terms of adjusting the imbalance while maintaining the accuracy of the sphere (diameter and non-circularity).
Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что тонкопленочное покрытие формируют переменной толщины, причем образуют наружную сферическую поверхность покрытия с центром, смещенным относительно геометрического центра заготовки ротора на величину δ в сторону, противоположную направлению вектора дисбаланса ротора, при этом величину δ определяют из соотношения: , где ρпокр и ρрот - плотность материала покрытия и ротора, а в процессе напыления дополнительно осуществляют циклическое возвратно-поступательное перемещение ротора вдоль оси потока напыляемого материала с амплитудой ΔL отклонения ротора от среднего положения, при этом амплитуду ΔL определяют из зависимости: , где h - средняя толщина покрытия, равная 1/2(hmax-hmin), причем цикл указанного перемещения соответствует повороту ротора вокруг основной оси вращения на 360°. В положении, когда ротор находится на расстоянии L0+ΔL от источника напыляемого материала, где L0 - расстояние от среднего положения ротора до указанного источника, ротор ориентируют вектором дисбаланса в сторону источника напыляемого материала.According to the invention, the problem is solved in that the thin-film coating is formed of a variable thickness, and the outer spherical surface of the coating is formed with the center offset from the geometric center of the rotor blank by δ in the direction opposite to the direction of the imbalance vector rotor, while the value of δ is determined from the ratio: , where ρ coating and ρ mouth is the density of the coating material and the rotor, and during the spraying process, the rotor rotates along the flow axis of the sprayed material with the amplitude ΔL of the deviation of the rotor from the middle position, and the amplitude ΔL is determined from the dependence: where h is the average coating thickness equal to 1/2 (h max -h min ), and the cycle of this movement corresponds to a rotation of the rotor around the main axis of rotation by 360 °. In the position when the rotor is at a distance L 0 + ΔL from the source of the sprayed material, where L 0 is the distance from the middle position of the rotor to the specified source, the rotor is oriented by the imbalance vector towards the source of the sprayed material.
Представленный способ в принципе обеспечивает расширение технологических возможностей процесса изготовления ротора ЭСГ и повышение точности ротора, однако требует решения проблема выявления инструментальных средств для его реализации, т.е. создания устройства для осуществления этого способа. Очевидно, что конструкция устройства должна позволять управлять процессом напыления в части регулирования толщины покрытия по заданному закону с получением точности на уровне сотых долей микрометра.The presented method, in principle, provides the expansion of technological capabilities of the manufacturing process of the ESG rotor and increase the accuracy of the rotor, however, the problem of identifying tools for its implementation, i.e. creating a device for implementing this method. It is obvious that the design of the device should allow controlling the spraying process in terms of controlling the coating thickness according to a given law with obtaining accuracy at the level of hundredths of a micrometer.
Известно устройство для нанесения покрытий в вакуумных установках (патент РФ №2038416), содержащее камеру, внутри которой расположен испаритель и механизм вращения подложкодержателя с подложкой, выполненный в виде двух подвижных рамок, установленных одна в другую в опорах с возможностью независимого вращения каждой рамки от своего электродвигателя. Причем электродвигатель внешней рамки неподвижно закреплен на корпусе камеры, а на внутренней рамке закреплены второй дополнительный электродвигатель и электродвигатель с установленным на валу подложкодержателем.A device for coating in vacuum installations (RF patent No. 2038416) is known, comprising a chamber, inside of which there is an evaporator and a rotation mechanism for the substrate holder with the substrate, made in the form of two movable frames installed in one another in supports with the possibility of independent rotation of each frame from its own electric motor. Moreover, the electric motor of the outer frame is fixedly mounted on the camera body, and the second additional electric motor and electric motor with a substrate holder mounted on the shaft are fixed on the inner frame.
При включении электродвигателей подложка, имеющая, например, форму шара, начинает вращаться в рамках относительно трех координатных осей. При этом происходит напыление на все поверхности подложки. Выбранный закон распределения толщин покрытия реализуется за счет различных частот вращения электродвигателей.When electric motors are turned on, a substrate having, for example, the shape of a ball starts to rotate within relatively three coordinate axes. In this case, spraying occurs on all surfaces of the substrate. The selected law of the distribution of coating thicknesses is implemented due to different frequencies of rotation of the electric motors.
Приведенное устройство-аналог имеет следующие недостатки.The above analog device has the following disadvantages.
- Чрезмерная сложность конструкции устройства, связанная с его значительными габаритами и массой. Массивные и имеющие большие габариты элементы конструкции устройства (электродвигатели, оси, рамки), пересекая в процессе вращения поток напыляемого материала, приводят к экранированию поверхности детали, т.е. создают теневые эффекты, существенно ухудшающие равномерность покрытия и форму сферы, на которую наносится покрытие.- Excessive complexity of the design of the device associated with its significant dimensions and weight. Massive and large-sized structural elements of the device (electric motors, axles, frames), crossing the flow of sprayed material during rotation, lead to screening of the surface of the part, i.e. create shadow effects that significantly impair the uniformity of the coating and the shape of the sphere on which the coating is applied.
- Невысокое качество покрытия, обусловленное возможной нестабильностью работы электродвигателей и избыточного количества сложных элементов кинематики, находящихся в зоне температур 300°С - 400°С.- The low quality of the coating, due to the possible instability of the electric motors and an excess of complex kinematic elements in the temperature range 300 ° C - 400 ° C.
- Получение покрытий требуемой конфигурации за счет выбора различных частот вращения электродвигателей практически неприемлемо для получения формы ротора с точностью в сотые доли микрометра вследствие сложности подбора и, главное, возможности сохранения стабильности в процессе напыления как частот вращения электродвигателей, так и соотношения этих частот.- Obtaining coatings of the required configuration due to the choice of different rotational speeds of electric motors is practically unacceptable for obtaining the shape of the rotor with an accuracy of hundredths of a micrometer due to the complexity of the selection and, most importantly, the possibility of maintaining stability during spraying of both the rotational speeds of the electric motors and the ratio of these frequencies.
Не решают проблемы напыления тонкопленочных покрытий сложной конфигурации на прецизионные сферические изделия и технические решения, основанные на использовании нескольких источников напыляемого материала. Например, установка для напыления покрытий (патент Японии №6099803), в которой вокруг вращающегося держателя деталей размещены попарно противолежащие мишени магнетронных распылителей. Такие же недостатки присущи и другим известным установкам: устройству для расположения образца в герметичной камере (патент Франции №2115822), манипулятору для сферических объектов (авт. св. СССР №1366385), вакуумной установке для нанесения покрытий (патент РФ №2058427), устройству для напыления покрытий (патент РФ №2038416).They do not solve the problem of spraying thin-film coatings of complex configuration on precision spherical products and technical solutions based on the use of several sources of sprayed material. For example, an installation for spraying coatings (Japanese Patent No. 6099803), in which opposite targets of magnetron sprays are placed in pairs around a rotating part holder. The same disadvantages are inherent in other known installations: a device for positioning a sample in an airtight chamber (French patent No. 21585822), a manipulator for spherical objects (ed. St. USSR No. 1366385), a vacuum coating system (RF patent No. 2058427), a device for spraying coatings (RF patent No. 2038416).
По наибольшему числу общих существующих признаков для предлагаемого устройства в качестве прототипа принято устройство для напыления тонкопленочных функциональных покрытий на сферические роторы электростатического гироскопа (патент РФ №2555699). Устройство содержит вакуумную камеру, внутри которой размещены источник напыляемого материала и механизм вращения ротора из двух вставленных одна в другую рамок в виде концентричных полуколец, имеющих возможность независимого вращения. В состав устройства, кроме того, входят два привода вращения рамок, один из которых соединен с наружной рамкой и установлен на корпусе камеры, а второй размещен на внутренней рамке и выполнен в виде поворотно-шагового механизма. Этот механизм обеспечивает одномоментный поворот внутренней рамки на заданный угол после каждого оборота наружной рамки на угол 360°. С внутренней рамкой жестко связаны фиксаторы для крепления ротора, например, в виде соосных игольчатых упоров, при этом оси вращения рамок и ось игольчатых упоров пересекаются в одной точке, совпадающей с центром ротора, закрепленного в указанных упорах, а ось вращения внутренней рамки наклонена к оси вращения наружной рамки.The largest number of common existing features for the proposed device as a prototype adopted a device for spraying thin-film functional coatings on spherical rotors of an electrostatic gyroscope (RF patent No. 2555699). The device comprises a vacuum chamber, inside of which there is a source of sprayed material and a rotor rotation mechanism of two frames inserted one into the other in the form of concentric half rings having the possibility of independent rotation. The structure of the device, in addition, includes two frame rotation drives, one of which is connected to the outer frame and mounted on the camera body, and the second is placed on the inner frame and is made in the form of a rotary-step mechanism. This mechanism provides simultaneous rotation of the inner frame at a given angle after each revolution of the outer frame at an angle of 360 °. The internal frame is rigidly connected with clamps for mounting the rotor, for example, in the form of coaxial needle stops, while the axis of rotation of the frames and the axis of the needle stops intersect at one point that coincides with the center of the rotor fixed in these stops, and the axis of rotation of the inner frame is inclined to the axis rotation of the outer frame.
Представленное устройство-прототип позволяет расширить технологические возможности при напылении тонкопленочных функциональных покрытий на сферические роторы электростатического гироскопа, обеспечивая возможность получения покрытий с минимальными отклонениями по заданной толщине (до сотых долей микрометра). Кроме того, возможно получение покрытий переменной толщины с большей толщиной в зоне заданного шарового слоя, т.е. покрытия эллипсоидальной формы с привязкой профиля покрытия, например, к динамической оси вращения ротора, что осуществляется соответствующим позиционированием ротора при его фиксации в игольчатых упорах.The presented prototype device allows you to expand technological capabilities when spraying thin-film functional coatings on the spherical rotors of an electrostatic gyroscope, providing the ability to obtain coatings with minimal deviations in a given thickness (up to hundredths of a micrometer). In addition, it is possible to obtain coatings of variable thickness with a larger thickness in the area of a given spherical layer, i.e. the coating is ellipsoidal with a binding profile of the coating, for example, to the dynamic axis of rotation of the rotor, which is carried out by the corresponding positioning of the rotor when it is fixed in the needle stops.
Вместе с тем представленное устройство-прототип имеет следующие недостатки.However, the presented prototype device has the following disadvantages.
1. Ограничения, связанные с тем, что устройство-прототип обеспечивает формирование функционального покрытия либо с минимальной разнотолщинностью, либо, как указано выше, покрытия переменной толщины, имеющего эллипсоидальную форму.1. Limitations associated with the fact that the prototype device provides the formation of a functional coating either with minimal thickness or, as indicated above, a coating of variable thickness having an ellipsoidal shape.
Т.е. наружная поверхность покрытия эквидистантна или симметрична сфере напыляемого ротора. Отсутствует возможность получения наружной сферической поверхности покрытия с центром, смещенным относительно геометрического центра ротора на заданную величину для корректировки дисбаланса ротора за счет перераспределения материала покрытия по поверхности ротора, в данном случае.Those. the outer surface of the coating is equidistant or symmetrical to the sphere of the sprayed rotor. There is no possibility of obtaining the outer spherical surface of the coating with the center offset from the geometric center of the rotor by a predetermined amount to correct the imbalance of the rotor due to the redistribution of the coating material on the surface of the rotor, in this case.
2. Ограниченные кинематические возможности устройства в части ориентации и позиционирования ротора относительно источника напыляемого материала. Устройство не позволяет варьировать расстоянием от ротора до источника, тогда как, исходя из зависимости, определяющей, что скорость осаждения покрытия обратно пропорциональна квадрату расстояния, можно использовать изменение расстояния в качестве значимого фактора для формирования покрытия заданной конфигурации.2. Limited kinematic capabilities of the device in terms of orientation and positioning of the rotor relative to the source of the sprayed material. The device does not allow varying the distance from the rotor to the source, whereas, based on the dependence determining that the deposition rate of the coating is inversely proportional to the square of the distance, you can use the distance change as a significant factor for forming a coating of a given configuration.
3. Отсутствие управляемой взаимосвязи основных технологических операций по финишному изготовлению ротора - процессов балансировки и нанесения покрытия, поскольку формирование покрытия может негативно влиять на дисбаланс ротора, исключая возможность каким-либо образом корректировать его величину.3. The absence of a controlled relationship between the main technological operations for the final production of the rotor - balancing and coating processes, since the formation of the coating can negatively affect the imbalance of the rotor, excluding the possibility of any way to adjust its value.
4. Сложность и сравнительно большая трудоемкость получения требуемой точности параметров ротора в части диаметра и величины дисбаланса, поскольку операции устранения дисбаланса и сферодоводки содержат технологические противоречия.4. The complexity and relatively high complexity of obtaining the required accuracy of the rotor parameters in terms of the diameter and magnitude of the imbalance, since the operations of eliminating the imbalance and spherical debugging contain technological contradictions.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей процесса изготовления ротора электростатического гироскопа.The objective of the invention is to expand the technological capabilities of the manufacturing process of the rotor of an electrostatic gyroscope.
Технический результат - расширение технологических возможностей и повышение стабильности процесса изготовления ротора электростатического гироскопа, в том числе и в части корректировки дисбаланса с сохранением точности сферы (диаметр и некруглость).The technical result is the expansion of technological capabilities and increasing the stability of the manufacturing process of the rotor of an electrostatic gyroscope, including in terms of adjusting the imbalance while maintaining the accuracy of the sphere (diameter and non-circularity).
Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что привод вращения наружной рамки соединен с этой рамкой посредством одноколенного вала; на основании камеры жестко закреплен упор, ось упора и ось вращения приводарасположены в одной плоскости, проходящей через ось потока напыляемого материала; шатунная шейка одноколенного вала, имеющая эксцентриситет ΔL относительно оси коренных шеек, совпадающей с осью вращения привода, и упор посредством цилиндрических шарниров связаны с концами шатуна; расстояние между осями упомянутых шарниров составляет величину L1, при этом привод вращения установлен на направляющих, обеспечивающих возможность его возвратно-поступательного перемещения вдоль оси потока напыляемого материала; шарнирное соединение шатуна с шатунной шейкой выполнено с возможностью варьирования величины L1, а шатунная шейка установлена в одноколенном вале с возможностью изменения эксцентриситета ΔL.According to the invention, the task is solved in that the rotation drive of the outer frame is connected to this frame by means of a single shaft; an emphasis is fixed on the camera base, the axis of the emphasis and the axis of rotation of the drive are located in one plane passing through the axis of flow of the sprayed material; a connecting rod neck of a single-shaft shaft having an eccentricity ΔL relative to the axis of the main journals coinciding with the axis of rotation of the drive, and the stop through cylindrical joints connected to the ends of the connecting rod; the distance between the axes of the said hinges is L 1 , while the rotation drive is mounted on rails, providing the possibility of its reciprocating movement along the axis of flow of the sprayed material; the articulated connection of the connecting rod with the connecting rod journal is made with the possibility of varying the value of L 1 , and the connecting rod journal is installed in a single shaft with the possibility of changing the eccentricity ΔL.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема корректировки дисбаланса ротора, на фиг. 2 - общий вид устройства для напыления покрытия, на фиг. 3 - ориентация элементов устройства, когда ротор находится на максимальном расстоянии от источника напыляемого материала, и на фиг. 4 - ориентация элементов устройства при расположении ротора на минимальном расстоянии от источника.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a circuit for correcting rotor imbalance, FIG. 2 is a general view of a device for spraying a coating; FIG. 3 shows the orientation of the elements of the device when the rotor is at the maximum distance from the source of the sprayed material, and in FIG. 4 - the orientation of the elements of the device with the location of the rotor at a minimum distance from the source.
На фиг. 1, 2, 3 и 4 обозначены:In FIG. 1, 2, 3 and 4 are indicated:
1 - Сферический ротор диаметром Dp, на поверхность которого наносится тонкопленочное функциональное покрытие (далее - ротор).1 - Spherical rotor with a diameter of D p , on the surface of which is applied a thin-film functional coating (hereinafter referred to as the rotor).
2 - Тонкопленочное покрытие (далее - покрытие), образующее конечный ротор диаметром Dp *, нанесенное на ротор 1 и имеющее центр О* сферической поверхности, который смещен на величину δ относительно центра О наружной сферы заготовки ротора 1.2 - Thin film coating (hereinafter referred to as the coating), forming a final rotor with a diameter D p * , deposited on the
3 - Источник напыляемого материала.3 - Source of sprayed material.
4 - Поток напыляемого материала.4 - The flow of sprayed material.
5 и 6 - Наружная и внутренняя рамки устройства, обеспечивающие вращение и одномоментные повороты ротора 1 (далее - рамки).5 and 6 - The outer and inner frames of the device, providing rotation and simultaneous rotations of the rotor 1 (hereinafter referred to as the frame).
7 - Привод вращения ротора 1 вокруг основной оси (далее - привод).7 - Drive rotation of the
8 и 9 - Игольчатые упоры для фиксации ротора во внутренней рамке 6.8 and 9 - Needle stops for fixing the rotor in the inner frame 6.
10 - Шатунная шейка одноколенного вала (далее - шатунная шейка).10 - The connecting rod neck of a single shaft (hereinafter - the connecting rod neck).
11 - Щеки одноколенного вала.11 - Cheeks of a single shaft.
12 - Коренные шейки одноколенного вала (далее - коренные шейки).12 - The root necks of a single-shaft shaft (hereinafter referred to as the root necks).
13 - Упор, жестко зафиксированный на основании вакуумной камеры (далее - упор).13 - emphasis, rigidly fixed on the basis of the vacuum chamber (hereinafter - emphasis).
14 и 15 - Цилиндрические подшипники, связывающие упор 13 и коренную шейку 12 с шатуном 16.14 and 15 - Cylindrical bearings connecting the
17 - Направляющие, жестко закрепленные на основании камеры и задающие направление возвратно-поступательного перемещения привода 7 с ротором 1.17 - Guides, rigidly fixed to the base of the camera and setting the direction of the reciprocating movement of the actuator 7 with the
Dp - диаметр ротора 1, на который осуществляется напыление покрытия 2.D p - the diameter of the
Dp * - диаметр наружной сферы покрытия 2 (конечный диаметр готового ротора).D p * is the diameter of the outer sphere of the coating 2 (final diameter of the finished rotor).
δ - величина смещения центра О* наружной сферической поверхности покрытия 2 относительно центра О наружной сферы заготовки ротора 1.δ is the amount of displacement of the center O * of the outer spherical surface of the
M1M2 - основная ось вращения ротора 1, задаваемая приводом 7.M 1 M 2 - the main axis of rotation of the
N1N2 - ось одномоментного поворота ротора 1 с внутренней рамкой 6 после каждого оборота ротора вокруг оси M1M2 на 360°.N 1 N 2 - the axis of simultaneous rotation of the
- Вектор дисбаланса ротора 1. - Vector imbalance of the
a - Точка выхода вектора дисбаланса на поверхность ротора 1.a - The output point of the imbalance vector to the surface of the
b - Точка на поверхности ротора 1, диаметрально противоположная точке а.b - A point on the surface of the
hmin и hmax - Минимальная и максимальная толщина покрытия 2 на роторе 1.h min and h max - The minimum and maximum thickness of the
L0 - Среднее расстояние от источника 3 потока напыляемого материала 4 до ротора 1.L 0 - The average distance from the
L1 - Рабочая длина шатуна 16 или расстояние между осями упора 13 и шарнира 15.L 1 - the working length of the connecting
ΔL - Эксцентриситет оси шатунной шейки 10 относительно оси коренных шеек 12 одноколенного вала, определяющий амплитуду возвратно-поступательного перемещения привода 7 с ротором 1.ΔL - The eccentricity of the axis of the connecting
Реализация предлагаемого способа изготовления ротора ЭСГ с использованием устройства для осуществления этого способа заключается в выполнении совокупности и последовательности следующих операций.Implementation of the proposed method for manufacturing an ESG rotor using a device for implementing this method consists in performing the totality and sequence of the following operations.
1. Средствами механической обработки (точение, шлифовка, доводка) производят формообразование заготовки ротора диаметром Dp+Δ (где Δ - припуск на балансировку этой заготовки ротора, на фигурах не указан) посредством направленной доводки и сферодоводки. Ротор 1, полученный после операций направленной доводки и сферодоводки, имеет заданный диаметр Dp и дисбаланс (фиг 1). Очевидно, что диаметр Dр определяется с учетом напыления1. By means of machining (turning, grinding, lapping), a rotor blank is formed by a diameter D p + Δ (where Δ is the allowance for balancing this rotor blank, not shown in the figures) by means of directional refinement and sphere-finishing. The
функционального покрытия необходимой толщины до получения требуемого конечного диаметра Dp * готового ротора. Определяя вектор дисбаланса и формируя покрытие 2 со смещением центра О* его сферической поверхности относительно центра О ротора 1 на расчетную величину δ с выбором направления этого смещения, которое задается вектором дисбаланса , можно корректировать величину ε0 этого дисбаланса. Очевидно, что в данном случае требуется учитывать плотности материала ротора 1 и покрытия 2. Т.е. на этапе формирования покрытия 2 необходимо выявление зависимости величины требуемого смещения δ центра О* этого покрытия 2 относительно центра О ротора 1.functional coating of the required thickness to obtain the desired final diameter D p * of the finished rotor. Determining the imbalance vector and forming a
2. Для этого в системе координат с началом в геометрическом центре О ротора 1 с покрытием 2 можно записать выражение для центра масс z системы, который соответствует конечному дисбалансу ε1 ротора с покрытием (фиг. 1):2. For this, in the coordinate system with the origin in the geometric center O of the
где интеграл определяет центр масс ротора 1, VΣ - объем конечного готового ротора, образованного ротором 1 и покрытием 2, V1 - объем ротора 1 и V2 - объем покрытия 2, z - центр масс системы, MΣ - масса конечного готового ротора, ρ - плотность конечного готового ротора, dν - область интегрирования.where is the integral determines the center of mass of
Приведенное выражение можно представить в виде , где ε0 - разница между геометрическим центром О ротора 1 и его центром масс (т.е. исходный дисбаланс) и M0 - масса ротора 1.The above expression can be represented as , where ε 0 is the difference between the geometric center О of the
Рассмотрим интеграл , где можно принять из соображений симметрии, т.к. начало системы координат определено в геометрическом центре О* ротора с покрытием.Consider the integral where can I take for symmetry reasons, as the origin of the coordinate system is defined in the geometric center O * of the coated rotor.
Заменяя в интеграле переменную (координата соответствует системе координат с началом в центре О ротора 1), получаем:Replacing the integral variable (coordinate corresponds to the coordinate system with the origin in the center О of the rotor 1), we obtain:
. .
Интеграл , как указано выше, равен нулю из соображений симметрии, т.к. он берется в системе координат с началом в центре О ротора 1, а интеграл равен объему ротора 1.Integral , as indicated above, is equal to zero for reasons of symmetry, because it is taken in the coordinate system with the origin in the center О of
Таким образом , где Rp - радиус ротора 1, равный 1/2 Dр.In this way where R p is the radius of the
Подставляя полученное выражение в исходную формулу (1), получаем:Substituting the resulting expression in the original formula (1), we obtain:
Здесь масса ротора 1 и - масса конечного готового ротора, т.е. масса ротора 1 с покрытием 2.Here
С достаточной точностью можно считать, что отношение , тогда для изменения величины дисбаланса получается выражение:With sufficient accuracy, we can assume that the ratio , then to change the magnitude of the imbalance we get the expression:
Характерно, что величина смещения δ центра О* конечного готового ротора от центра О исходного ротора 1 не зависит от диаметра ротора.It is characteristic that the displacement δ of the center O * of the final finished rotor from the center O of the
Из выражения (3) можно определить значение δ, зная исходный дисбаланс ε0 ротора 1 и задавая требуемую величину ε1 конечного дисбаланса ротора с покрытием. Очевидно, что значение ε1 целесообразно задать равным нулю. В этом случае имеем выражение, которое позволяет определить величину смещения δ:From expression (3), one can determine the value of δ, knowing the initial imbalance ε 0 of the
Зависимость величины смещения δ от корректируемого дисбаланса ε0, определяемая из условия, что ε1=0 носит линейный характер. Для бериллиевого ротора с покрытием нитрида титана (плотности соответственно равны: ρпокр=5,44 г/см3 и ρрот=1,85 г/см3) можно определить, что для ε0=0,2 мкм имеем δ=0,102 мкм, ε0=0,4 мкм - δ=0,205 мкм, для ε0=0,8 мкм - δ=0,41 мкм и т.д. Из приведенных значений видна эффективность предлагаемого технического решения. Так, например, при требуемой величине конечного дисбаланса не более 0,05 мкм, можно получать точную сферу ротора 1 заданного диаметра Dр, фиксируя при этом фактически получаемый дисбаланс ε0, который может быть в пределах 0,3-0,6 мкм, а затем корректировать этот дисбаланс на стадии формирования покрытия 2, смещая центр О* сферы покрытия относительно центра О ротора 1 на расчетную величину δ, которая, как указано выше, будет составлять 0,1-0,3 мкм, что вполне приемлемо для средней толщины покрытия 0,8-1,2 мкм.The dependence of the offset δ on the corrected imbalance ε 0 , determined from the condition that ε 1 = 0 is linear. For a beryllium rotor coated with titanium nitride (densities are respectively equal: ρ coat = 5.44 g / cm 3 and ρ mouth = 1.85 g / cm 3 ) we can determine that for ε 0 = 0.2 μm we have δ = 0.102 μm, ε 0 = 0.4 μm - δ = 0.205 μm, for ε 0 = 0.8 μm - δ = 0.41 μm, etc. From the above values, the effectiveness of the proposed technical solution is visible. So, for example, with the required value of the final imbalance of not more than 0.05 μm, it is possible to obtain the exact sphere of the
3. Для осуществления процесса формирования покрытия 2 со смещенным на величину δ относительно центра О заготовки ротора 1 центра О* наружной сферической поверхности покрытия, которая является наружной сферой конечного готового ротора, целесообразно использовать известную зависимость величины скорости осаждения νoc при магнетронном напылении от расстояния L напыляемого объекта до источника напыляемого материала [Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы // М.: Радио и связь, 1982, 73 с.]:3. To carry out the process of forming a
где L0 - расстояние от поверхности до источника напыляемого материала, Ω - угол между направлением потока материала и нормалью к поверхности, А - размерная константа, определяемая параметрами процесса напыления.where L 0 is the distance from the surface to the source of the sprayed material, Ω is the angle between the direction of flow of the material and the normal to the surface, A is the dimensional constant determined by the parameters of the spraying process.
По аналогии для текущей толщины h* напыляемого покрытия в произвольно выбранной точке можно записать:By analogy, for the current thickness h * of the sprayed coating at an arbitrary selected point, we can write:
При постоянном значении расстояния L0 ротора 1 от источника 3 потока напыляемого материала 4 на роторе 1 формируется, как это осуществляется в устройстве-прототипе, покрытие одинаковой толщины с точностью в сотые доли микрометра. Равномерность покрытия обеспечивается тем, что ротор 1 в процессе напыления и размещается в устройстве из двух рамок в виде концентричных полуколец 5 и 6, которые имеют возможность независимого вращения. С рамкой 5 связан основной привод вращения 7, обеспечивающий постоянную скорость вращения вокруг оси M1M2, а с внутренней рамкой 5 - вспомогательный привод, выполненный в виде поворотно-шагового механизма (на фиг. 2, 3 и 4 не обозначен). Это устройство обеспечивает поворот рамки 5 на заданный угол вокруг дополнительной оси N1N2 после каждого оборота рамки 6 с закрепленным в ней посредством соосных игольчатых упоров 8 и 9 ротором 1 вокруг оси M1M2 на угол 360°.With a constant value of the distance L 0 of the rotor 1 from the
4. Для формирования покрытия переменной толщины с центром О* наружной сферы покрытия 2, смещенным на заданную величину δ относительно центра О ротора 1, используя приведенную выше зависимость (6) толщины формируемого покрытия 2 от расстояния между ротором 1 и источником 3 потока напыляемого материала 4, в предлагаемом устройстве обеспечивается дополнительное циклическое возвратно-поступательное перемещение ротора 1 вдоль оси потока напыляемого материала 4 с амплитудой ΔL отклонения ротора 1 от среднего положения (фиг. 2, 3 и 4). При этом цикл указанного перемещения соответствует повороту ротора вокруг основной оси вращения M1M2 на 360°. Для этого привод вращения 7 наружной рамки 5 соединен с этой рамкой посредством одноколенного вала, который является частью механизма, преобразующего вращательное движение привода 7 в возвратно-поступательное перемещение самого привода с ротором 1. Амплитуда ΔL указанного возвратно-поступательного перемещения задается тем, что шатунная шейка 10, закрепленная на щеках 11 одноколейного вала, выполнена с эксцентриситетом ΔL относительно оси коренных шеек 12, а сами оси шеек 12 совпадают с осью вращения привода 7. Шатунная шейка 10 и упор 13 посредством цилиндрических шарниров 14 и 15 связаны с концами шатуна 16, при этом упор 13 жестко закреплен на основании вакуумной камеры. Расстояние между осями шарниров 14 и 15 составляет величину L1, а оси привода вращения 7 и упора 13 расположены в одной плоскости, параллельной оси потока 4 напыляемого материала. Возвратно-поступательное перемещение ротора 1 вдоль оси потока напыляемого материала 4 обеспечивается тем, что привод вращения 7 установлен на направляющих 17, которые жестко закреплены на основании вакуумной камеры и задают требуемое направление перемещения привода 7 с ротором 1.4. To form a coating of variable thickness with the center О * of the outer sphere of the
Очевидно, что когда ротор 1 находится на расстоянии L0+ΔL от источника напыляемого материала (фиг. 3), где L0 - расстояние от среднего положения ротора до указанного источника, т.е. когда скорость осаждения минимальна, его необходимо ориентировать вектором дисбаланса в сторону источника 3 напыляемого материала. В процессе напыления на так называемом «тяжелом месте» (точка а) ротора 1 формируется покрытие наименьшей толщины hmin (фиг. 1). Условие перемещения ротора 1 строго вдоль оси потока напыляемого материала 4 определяется тем, что при этом минимизируется влияние на получение покрытия заданного профиля изменения угла Ω согласно выражению (6). Поскольку цикл указанного возвратно-поступательного перемещения соответствует повороту ротора вокруг оси вращения M1M2 на 360°, то толщина покрытия 2 будет монотонно меняться от минимальной величины hmin до максимального значения hmax. При этом формируется наружная поверхность покрытия (фиг. 1), которая является наружной сферой конечного готового ротора, с центром О*, смещенным относительно центра О ротора 1 на величину δ.It is obvious that when the
Таким образом, процесс формирования покрытия переменной толщины обеспечивается последовательным выбором необходимой величины смещения δ в зависимости от корректируемого дисбаланса ε0 из условия, что ε1 задается равным нулю, и определении амплитуды ΔL возвратно-поступательного перемещения ротора 1.Thus, the process of forming a coating of variable thickness is ensured by the sequential selection of the required displacement value δ depending on the adjusted imbalance ε 0 from the condition that ε 1 is set equal to zero and the amplitude ΔL of the reciprocating movement of the
5. Очевидно, что имеет место взаимосвязь величин hmax и hmin, которые определяют смещение δ центра О* сферы покрытия 2 относительно центра О ротора 1, и таких параметров, как амплитуда ΔL и среднее расстояние L0 ротора 1 от источника 3.5. Obviously, there is a relationship between the values of h max and h min , which determine the offset δ of the center О * of the
Используя выражение (6) и переводя cos2(Ω) в постоянную В (В - константа, задаваемая параметрами процесса напыления) для максимальной и минимальной толщины покрытия hmax и hmin можно записать:Using expression (6) and translating cos 2 (Ω) into constant B (B is a constant defined by the parameters of the spraying process) for the maximum and minimum coating thickness h max and h min, we can write:
Из очевидных геометрических преобразований следует:From the obvious geometric transformations it follows:
откуда можно получить выражение, определяющее взаимосвязь между величинами δ, L0 и ΔL:where can we get the expression that defines the relationship between the quantities δ, L 0 and ΔL:
Получение точной аналитической зависимости ΔL=f(δ) для определения амплитуды возвратно-поступательного перемещения ротора крайне сложно, т.к. связано с решением уравнения четвертой степени, каким является зависимость (10). Рациональным вариантом является определение эмпирическим путем постоянной В для конкретных условий напыления и построение графических зависимостей ΔL=f(δ) для совокупности реальных значений L0. В качестве отличительного признака формулы изобретения, определяющего используемые величины ΔL, целесообразна следующая зависимость для определения ΔL.Obtaining the exact analytical dependence ΔL = f (δ) to determine the amplitude of the reciprocating movement of the rotor is extremely difficult, because is related to the solution of the fourth degree equation, which is the dependence (10). A rational option is to determine empirically the constant B for specific spraying conditions and construct graphical dependencies ΔL = f (δ) for the set of real values of L 0 . As a distinctive feature of the claims defining the ΔL values used, the following relationship is reasonable for determining ΔL.
Достаточно очевидными преобразованиями выражений (7) и (8) и учитывая, что, как следует из Фиг. 1 и как указывалось в описании заявки, смещение , а средняя толщина покрытия , можно получить требуемую зависимость:Fairly obvious transformations of expressions (7) and (8), and considering that, as follows from FIG. 1 and as indicated in the description of the application, the offset and average coating thickness , you can get the required dependency:
6. Очевидно, что для требуемых значений δ в представленном устройстве необходимо обеспечить возможность варьирования величинами L1 и ΔL посредством выполнения подвижного шарнирного соединения шатуна 16 с шатунной шейкой 10 и возможностью изменения эксцентриситета шатунной шейки 10 относительно оси коренных шеек, что для устройства является существенными отличительными признаками. При этом величины L0, L1 и ΔL взаимосвязаны. Конкретное конструктивное оформление указанного шарнирного соединения не является принципиальным. Например, изменение величины L1 можно осуществить посредством выполнения шарнирного соединения шатуна 16 с шатунной шейкой 10 в обойме, которая имеет возможность перемещения вдоль шатуна с фиксацией в требуемом положении. А одним из вариантов варьирования величины ΔL является изменение эксцентриситета шатунной шейки 10 относительно коренных шеек 12 (или основной оси M1M2 вращения ротора 1) посредством выполнения продольных пазов в щеках 11 одноколенного вала и крепежных узлов фиксации в этих пазах.6. It is obvious that for the required values of δ in the presented device, it is necessary to provide the possibility of varying the values of L 1 and ΔL by performing a movable articulation of the connecting
7. Включение привода 7 обеспечивает вращения ротора 1 вокруг основной оси вращения. Одновременно начинается вращение одноколенного вала,7. The inclusion of the actuator 7 provides rotation of the
задаваемое приводом 7, при котором шатунная шейка 10 вращается по окружности радиусом ΔL. В данном механизме одноколенный вал является звеном, задающим качательное движение шатуну 16. А выходным звеном схемы фактически является привод 7, совершающий возвратно-поступательное перемещение с амплитудой ΔL. При этом через шарнир 15 на шатун 16 передается усилие, которое вынуждает его менять угол наклона к плоскости, проходящей через ось M1M2 и ось упора 13, в которой осуществляется возвратно-поступательное перемещение привода 7 с ротором 1. В процессе вращения одноколейного вала постоянно меняется наклон к указанной плоскости и колена этого вала, которое выполняет функцию кривошипа, и, как следствие, меняется и конфигурация треугольника, образованного этим коленом, шатуном 16 и отрезком, характеризуемым расстоянием между осью М1М2 и осью упора 13. А поскольку направление перемещения привода 7 с ротором 1 задается направляющими 17 в плоскости, походящей через ось M1M2 и ось упора 13, который жестко закреплен на основании камеры, то это перемещение будет носить возвратно-поступательный характер вдоль оси потока 4 напыляемого материала с амплитудой ΔL относительно среднего положения. Обозначив среднее расстояние L0, можно показать, что значение L0 определяется из выражения . Указанная схема реализуется при жесткой фиксации упора 13 на основании вакуумной камеры. Вращение вокруг оси M1M2, задаваемое приводом 7, синхронизировано с возвратно-поступательным перемещением привода с ротором. В данной конструкции привод, выполняя свою основную функцию - вращение и изменение ориентации ротора, обеспечивает собственное возвратно-поступательное перемещение для обеспечения формирования покрытия заданной конфигурации. Представленная на фиг. 3 схема ориентации определяет позицию ротора 1, когда при расстоянии L0+ΔL максимально приближенной точкой к источнику 3 является точка а, соответствующая месту пересечения вектора дисбаланса с поверхностью ротора, т.н. «тяжелое место» ротора. В этой позиции формируется покрытие с конечной толщиной hmin. Аналогично диаметрально противоположная точка b определяет «легкое место» ротора и ориентирована в сторону источника 3, когда при повороте вокруг основной оси вращения M1M2 на угол 180° привод 7 с ротором 1 перемещаются в позицию, показанную на фиг. 4 и соответствующую минимальному расстоянию L0-ΔL ротора 1 от источника 3. В этой позиции шатунная шейка 10 и упор 12 располагаются по разные стороны от коренных шеек 12, а расстояние от ротора 1 до источника 4 определяется разницей L0-ΔL (фиг. 4). В этой позиции скорость осаждения напыляемого покрытия максимальна и соответственно формируется покрытие с конечной толщиной hmax.defined by the actuator 7, in which the connecting
8. Принципиальным элементом технологии является позиционирование ротора 1, как это показано на фиг. 3. Ротор 1 фиксируют в игольчатых упорах 7 и 8 в позиции его максимального удаления от источника 4 напыляемого материала, ориентируя при этом вектор дисбаланса в сторону источника 3 потока напыляемого материала 4. При этом коренные шейки 12 и упор 13 располагаются по разные стороны от шатунной шейки 10, что соответствует наибольшему расстоянию от ротора 1 до источника 3, которое определяется суммой L0+ΔL (фиг. 3). В этой позиции скорость осаждения напыляемого покрытия 2 на ротор 1 минимальна, и формируется покрытие с конечной толщиной hmin.8. A fundamental element of the technology is the positioning of the
Таким образом, создаются необходимые исходные условия выполнения операции нанесения покрытия с точки зрения корректировки дисбаланса ротора 1, что определяется перераспределением материала покрытия по наружной поверхности ротора. Указанное перераспределение связано с монотонным изменением толщины покрытия с привязкой характера этого изменения к вектору дисбаланса заготовки ротора 1, причем покрытие 2 при этом имеет точную наружную сферическую поверхность, которая является наружной сферической поверхностью конечного ротора.Thus, the necessary initial conditions for performing the coating operation are created from the point of view of correcting the imbalance of the
При несоответствии каких-либо параметров покрытия или ротора техническим требованиям осуществляется стравливание покрытия в химических реактивах, инертных к основному материалу ротора - бериллию. Таким образом, восстанавливается исходная заготовка ротора, и на его поверхность повторно наносится покрытие нитрида титана.If any parameters of the coating or rotor do not meet the technical requirements, the coating is etched in chemicals that are inert to the main material of the rotor - beryllium. Thus, the initial rotor blank is restored, and titanium nitride coating is re-applied to its surface.
Полученный ротор с нанесенным покрытием нитрида титана устанавливается в приводе лазерной установки и на его наружной сферической поверхности методом лазерного маркирования формируется растровый рисунок заданной конфигурации.The resulting rotor coated with titanium nitride is installed in the drive of the laser system and a raster pattern of a given configuration is formed by laser marking on its outer spherical surface.
Нанесение растра осуществляется по поверхности нитрида титана, при этом режим лазерной обработки выбирают из условия получения толщины растра меньшей, чем толщина hmin покрытия. Далее следует паспортизация основных параметров ротора - геометрия, дисбаланс, контрастность и равномерность контраста растрового рисунка.The raster is applied over the surface of titanium nitride, and the laser treatment mode is selected from the condition of obtaining a raster thickness less than the coating thickness h min . This is followed by the certification of the main rotor parameters - geometry, imbalance, contrast and uniformity of the contrast of the raster pattern.
Таким образом, по сравнению с прототипом, существенно расширяются технологические возможности процесса изготовления ротора. Обеспечивается взаимосвязь технологических операций балансировки ротора методом направленной доводки и сферодоводки, с одной стороны, и формирования функционального покрытия - с другой. При этом минимизируется противоречие, когда направленная доводка устраняет дисбаланс, но искажает форму, а последующая сферодоводка восстанавливает сферическую форму, однако, может изменять величину дисбаланса. В предлагаемом техническом решении изготовление ротора с требуемыми параметрами, включая получение дисбаланса и точности формы на уровне сотых и тысячных долей микрометра, обеспечивается в процессе двух последовательных и взаимосвязанных операций.Thus, in comparison with the prototype, the technological capabilities of the manufacturing process of the rotor are significantly expanded. The interconnection of technological operations of balancing the rotor by the method of directional fine-tuning and sphere-finishing is provided, on the one hand, and the formation of a functional coating, on the other. At the same time, the contradiction is minimized when directed refinement eliminates the imbalance, but distorts the shape, and subsequent spherical finishing restores the spherical shape, however, it can change the amount of imbalance. In the proposed technical solution, the manufacture of the rotor with the required parameters, including obtaining an imbalance and accuracy of the form at the level of hundredths and thousandths of a micrometer, is provided in the process of two sequential and interconnected operations.
При этом на стадии получения точной сферы ротора допускается возможность отклонения величины дисбаланса от заданного значения, поскольку дисбаланс может корректироваться на стадии формирования тонкопленочного функционального покрытия, что повышает управляемость процесса устранения дисбаланса.Moreover, at the stage of obtaining the exact sphere of the rotor, it is possible to deviate the imbalance from the set value, since the imbalance can be corrected at the stage of formation of the thin-film functional coating, which increases the controllability of the process of eliminating the imbalance.
Таким образом, поставленная цель достигнута. Достижение поставленной цели обеспечивается единством существенных признаков способа, выполнением условия необходимости и достаточности признаков и их устойчивой взаимосвязью.Thus, the goal is achieved. Achieving this goal is ensured by the unity of the essential features of the method, the fulfillment of the conditions of necessity and sufficiency of the features and their stable relationship.
Технический результат - расширение технологических возможностей и повышение стабильности процесса изготовления ротора электростатического гироскопа, в том числе и в части корректировки дисбаланса с сохранением точности сферы (диаметр и некруглость) - достигнут.The technical result - the expansion of technological capabilities and increasing the stability of the manufacturing process of the rotor of an electrostatic gyroscope, including in terms of adjusting the imbalance while maintaining the accuracy of the sphere (diameter and non-circularity) - is achieved.
На практике получены бериллиевые роторы, в которых осуществлялась корректировка дисбаланса от величины порядка 0,25-0,35 мкм до значения 0,02-0,05 мкм за счет смещением центра сферы тонкопленочного покрытия нитрида титана относительно центра заготовки ротора на величину 0,12-0,18 мкм. В реальных условиях это соответствует величинам L0=100 мм и ΔL=15 мм. При этом точность формы ротора, характеризуемая амплитудами гармоник, обеспечивалась в пределах 0,04-0,015 мкм.In practice, beryllium rotors were obtained in which the imbalance was adjusted from a value of the order of 0.25-0.35 μm to a value of 0.02-0.05 μm due to the displacement of the center of the sphere of a thin-film coating of titanium nitride relative to the center of the rotor blank by 0.12 -0.18 μm. In real conditions, this corresponds to L 0 = 100 mm and ΔL = 15 mm. Moreover, the accuracy of the shape of the rotor, characterized by the amplitudes of the harmonics, was provided in the range of 0.04-0.015 μm.
На данный момент в АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» предлагаемые способ и устройство были опробованы при изготовлении опытной партии бериллиевых роторов электростатических гироскопов с получением положительных результатов.At the moment, in JSC Concern TsNII Elektropribor, the proposed method and device have been tested in the manufacture of an experimental batch of beryllium rotors of electrostatic gyroscopes with obtaining positive results.
В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования способа в серийном изготовлении этих приборов.Currently, technical documentation is being developed for using the method in the serial production of these devices.
Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в расширении технологических возможностей процесса изготовления роторов электростатических гироскопов, в повышении эффективности навигационных систем и комплексов, где эти гироскопы используются.The technical and economic efficiency of the invention consists in expanding the technological capabilities of the manufacturing process of rotors of electrostatic gyroscopes, in increasing the efficiency of navigation systems and complexes where these gyroscopes are used.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016127127A RU2638870C1 (en) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016127127A RU2638870C1 (en) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2638870C1 true RU2638870C1 (en) | 2017-12-18 |
Family
ID=60718927
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016127127A RU2638870C1 (en) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2638870C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112461263A (en) * | 2020-11-20 | 2021-03-09 | 大连理工大学 | Nano manufacturing method of diamond gyro harmonic oscillator |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0712575A (en) * | 1993-05-04 | 1995-01-17 | General Motors Corp <Gm> | Microstructure body for vibration gyroscope |
RU2038416C1 (en) * | 1992-09-03 | 1995-06-27 | Евгений Николаевич Ивашов | Device for plating in vecuum apparatuses |
US20120291709A1 (en) * | 2005-06-08 | 2012-11-22 | Applied Materials, Inc. | Rotating substrate support and methods of use |
WO2013158067A1 (en) * | 2012-04-16 | 2013-10-24 | The Timken Company | Method and table assembly for applying coatings to spherical components |
RU2539487C2 (en) * | 2012-05-03 | 2015-01-20 | Вера Дмитриевна Мирошникова | Application of coating by magnetron spraying and substrate holder based thereon |
RU2555699C1 (en) * | 2014-06-02 | 2015-07-10 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope |
-
2016
- 2016-07-05 RU RU2016127127A patent/RU2638870C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2038416C1 (en) * | 1992-09-03 | 1995-06-27 | Евгений Николаевич Ивашов | Device for plating in vecuum apparatuses |
JPH0712575A (en) * | 1993-05-04 | 1995-01-17 | General Motors Corp <Gm> | Microstructure body for vibration gyroscope |
US20120291709A1 (en) * | 2005-06-08 | 2012-11-22 | Applied Materials, Inc. | Rotating substrate support and methods of use |
WO2013158067A1 (en) * | 2012-04-16 | 2013-10-24 | The Timken Company | Method and table assembly for applying coatings to spherical components |
RU2539487C2 (en) * | 2012-05-03 | 2015-01-20 | Вера Дмитриевна Мирошникова | Application of coating by magnetron spraying and substrate holder based thereon |
RU2555699C1 (en) * | 2014-06-02 | 2015-07-10 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112461263A (en) * | 2020-11-20 | 2021-03-09 | 大连理工大学 | Nano manufacturing method of diamond gyro harmonic oscillator |
CN112461263B (en) * | 2020-11-20 | 2023-03-24 | 大连理工大学 | Nano manufacturing method of diamond gyro harmonic oscillator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jones et al. | Rapid optical fabrication with computer-controlled optical surfacing | |
CN111099045B (en) | Full physical simulation method for double super satellite dynamics and control air floatation platform | |
CN109894614A (en) | The method and its application of trajectory planning are filled on a kind of developable surface | |
RU2638870C1 (en) | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method | |
CN112658811B (en) | Method for controlling CCOS (computer-controlled optical operating System) shape-modifying edge error effect | |
CN113554614A (en) | Pipeline measurement system pose calibration method for point cloud splicing | |
CN112729180A (en) | Control method of shape measuring apparatus and non-volatile recording medium | |
Jones | Computer-controlled polishing of telescope mirror segments | |
Lipa et al. | High precision measurement of gyro rotor sphericity | |
Miller et al. | A controller architecture for integrating a fast tool servo into a diamond turning machine | |
RU2153649C1 (en) | Method for manufacture of sensitive element of electrostatic gyroscope | |
CN106940194B (en) | Online compensation method for centrifugal deformation error of magnetic suspension sensitive gyroscope rotor | |
CN111605735A (en) | Spacecraft three-phase control variable envelope angular momentum analysis method | |
RU2743492C1 (en) | Ball gyroscope rotor manufacturing method | |
RU2555699C1 (en) | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope | |
Kilaru et al. | Differential deposition to correct surface figure deviations in astronomical grazing-incidence x-ray optics | |
RU2507306C1 (en) | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments | |
Fawcett et al. | Development of Wolter I x-ray optics by diamond turning and electrochemical replication | |
CN112677041A (en) | Flat rotating mechanism | |
Vlasevskiy et al. | Bearings stiffness parameter estimation by sensitivity method | |
RU2116622C1 (en) | Process of manufacture of hollow rotor of electrostatic gyro | |
RU2812538C1 (en) | Method for manufacturing electrostatic gyroscope rotor | |
Zimmerman | Computer-controlled optical surfacing for off-axis aspheric mirrors | |
CN105241440B (en) | A kind of complex appearance rotor centrifugal distortion compensation method based on the loading of inverse field force | |
RU2586396C1 (en) | Method of making rotor of electrostatic gyroscope |