RU2743492C1 - Ball gyroscope rotor manufacturing method - Google Patents
Ball gyroscope rotor manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743492C1 RU2743492C1 RU2020121430A RU2020121430A RU2743492C1 RU 2743492 C1 RU2743492 C1 RU 2743492C1 RU 2020121430 A RU2020121430 A RU 2020121430A RU 2020121430 A RU2020121430 A RU 2020121430A RU 2743492 C1 RU2743492 C1 RU 2743492C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- coating
- spherical
- screen
- source
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- G01C19/06—Rotors
Abstract
Description
Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении роторов шаровых гироскопов с неконтактным подвесом ротора - электростатического и криогенного.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in the manufacture of rotors of ball gyroscopes with non-contact suspension of the rotor - electrostatic and cryogenic.
Сферический ротор является основным узлом чувствительного элемента шарового гироскопа. Точность и качество выполнения ротора во многом определяют эксплуатационные характеристики гироскопа. Технологический процесс изготовления ротора должен обеспечивать требования по геометрической точности сферы и величине дисбаланса на уровне сотых долей микрометра. На окончательно обработанной наружной сферической поверхности ротора осуществляется формирование функционального тонкопленочного покрытия, например, износостойкого покрытия нитрида титана (толщиной 0,8-1,2 мкм) для улучшения условий посадок ротора (в том числе и аварийных) с рабочих оборотов - 60000-180000 оборотов в минуту, в зависимости от модификации прибора. 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.The spherical rotor is the main component of the sensing element of the ball gyroscope. The accuracy and quality of the rotor performance largely determines the performance of the gyroscope. The technological process of manufacturing the rotor must meet the requirements for the geometric accuracy of the sphere and the magnitude of the unbalance at the level of hundredths of a micrometer. On the finished outer spherical surface of the rotor, a functional thin-film coating is formed, for example, a wear-resistant coating of titanium nitride (0.8-1.2 microns thick) to improve the conditions of rotor landings (including emergency ones) from operating revolutions of 60,000-180000 revolutions per minute, depending on the modification of the device. Further, on this coating, a light-contrast raster pattern is formed in the form of stripes, which are segments of spherical helical lines, for picking up a signal from the rotor by means of the gyroscope's optoelectronic system.
При этом наиболее важными технологическими операциями являются балансировка и нанесение на сферическую поверхность ротора методом конденсации ионной бомбардировкой или магнетронного напыления тонкопленочного функционального покрытия, каким может являться, например, нитрид титана, обладающий требуемой износостойкостью для обеспечения посадок ротора с рабочих оборотов и позволяющий формировать на покрытии растровый рисунок.In this case, the most important technological operations are balancing and deposition on the spherical surface of the rotor by the method of condensation by ion bombardment or magnetron sputtering of a thin-film functional coating, which can be, for example, titanium nitride, which has the required wear resistance to ensure the landing of the rotor from the operating speed and allows the formation of a raster drawing.
Процесс получения покрытий с указанной точностью связан с обеспечением строго равнозначных условий напыления на всех участках ротора. Очевидно, что при этом важным аспектом является решение проблемы крепления ротора в оснастке для напыления для получения покрытия равномерной толщины с указанной выше точностью.The process of obtaining coatings with the specified accuracy is associated with ensuring strictly equivalent spraying conditions on all sections of the rotor. Obviously, in this case, an important aspect is to solve the problem of fixing the rotor in the spraying tooling in order to obtain a coating of uniform thickness with the above accuracy.
Известен способ изготовления ротора электростатического гироскопа [патент РФ №2193161], при котором осуществляют формообразование заготовки ротора с выполнением в его теле армирующих элементов, обеспечивающих требуемую величину и соотношение осевого и экваториального моментов инерции. Далее производят балансировку ротора, включающую последовательные операции измерения его дисбаланса и устранения 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. Данный способ содержит следующие основные недостатки.There is a known method of manufacturing an electrostatic gyroscope rotor [RF patent No. 2193161], in which the rotor blank is formed with reinforcing elements in its body that provide the required value and ratio of axial and equatorial moments of inertia. Next, the rotor is balanced, including sequential operations of measuring its imbalance and eliminating this imbalance by means of directional finishing of the spherical surface of the rotor and spherical shaping 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 a signal about the angular position of the rotor relative to the housing. The same electrochemical method is used to perform a raster pattern in the equatorial zone of the rotor within a given latitudinal angle. This method contains the following main disadvantages.
1. Сложности обеспечения минимального дисбаланса (сотые доли микрометра) при условии получения заданной величины диаметра ротора с обеспечением точности формы также на уровне сотых долей микрометра. Это обусловлено тем, что при устранении дисбаланса методом направленной доводки с использованием трубчатого притира [В.Г. Кедров, В.В. Вернадский, К.Х. Клямкин. Устранение небаланса полого тонкостенного сферического ротора // Морское приборостроение. - 1969. - №5. - С. 118-122] осуществляется съем материала с полусферической поверхности ротора, которая симметрична вектору дисбаланса, причем съем материала производится со стороны, определенным образом ориентированной относительно вектора дисбаланса. Эта технологическая операция заведомо искажает сферическую форму ротора. Далее осуществляется сферодоводка ротора, 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 явно выраженный противоречивый характер указанных операций, что приводит к неопределенности технологического процесса в части выбора величины припуска, необходимого для балансировки ротора, и параметров его обработки.1. Difficulties in ensuring the minimum imbalance (hundredths of a micrometer), provided that a given value of the rotor diameter is obtained with ensuring the accuracy of the shape also at the level of hundredths of a micrometer. This is due to the fact that when eliminating the imbalance by the method of directional debugging using a tubular lapping [V.G. Kedrov, V.V. Vernadsky, K.Kh. Klyamkin. Elimination of unbalance of a hollow thin-walled spherical rotor // Marine Instrument Engineering. - 1969. - No. 5. - P. 118-122] material is removed from the hemispherical surface of the rotor, which is symmetric to the imbalance vector, and the material is removed from the side oriented in a certain way relative to the imbalance vector. This technological operation deliberately distorts the spherical shape of the rotor. Further, the spherical adjustment of the rotor is carried out, which allows restoring the spherical shape of the rotor, but changes the amount of unbalance obtained in the previous operation. The subsequent stages of unbalance control, additional directional finishing and spherical finishing allow using the method of successive approximation to ensure that the required final values of the unbalance and rotor geometry are obtained. However, in fact, in this case, there is a clearly expressed contradictory nature of these operations, which leads to the uncertainty of the technological process in terms of the choice of the amount of allowance required for balancing the rotor, and the parameters of its processing.
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 гироскопов, 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 amount of imbalance within tenths of a micrometer, which limits the possibilities of manufacturing promising modifications of gyroscopes, where the requirements for imbalance and accuracy of the rotor shape are an order of magnitude higher.
3. Данную технологию трудно модифицировать, например, при необходимости изменения формы растрового рисунка на роторе.3. This technology is difficult to modify, for example, if it is necessary to change the shape of the raster pattern on the rotor.
Такие же недостатки имеет способ изготовления ротора электростатического гироскопа [патент РФ №2140623], когда 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, а остатки фоторезиста удаляют.The same disadvantages have a method of manufacturing a rotor of an electrostatic gyroscope [RF patent No. 2140623], when after spherical adjustment and balancing of the rotor on its spherical surface, a raster pattern is made by applying a photoresist layer, on which a light image is formed from a flat photomask. After exposure and subsequent development, areas of metal exposed in accordance with the drawing are vented, and the remains of the photoresist are 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 электростатического гироскопа, когда балансировку ротора заканчивают по достижении заданной величины дисбаланса, фиксируя фактически полученный на данный момент 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 complex provision of requirements for the imbalance and accuracy of the dimensions and shape of the rotor can be partially solved in the manufacture of the sensitive element of the electrostatic gyroscope, when the balancing of the rotor is completed upon reaching a given value of unbalance, fixing the final diameter actually obtained at the moment. In this case, the required radial gap between the rotor and the suspension electrodes is ensured 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.].Known technological methods of balancing the rotor by grinding its surface over a sphere with the removal of the required amount of metal without deteriorating the surface of the rotor, or by redistributing low-melting material along the inner surface of the rotor due to thermal effects from its outer side [Kovalev MP, Morzhakov S.P. , Terekhova A.S. Dynamic and static balancing of gyroscopic devices // M .:, Engineering, 1974, 252 pp.].
Однако эти способы крайне трудоемки, мало контролируемы и не обеспечивают высокую точность процесса и устранение противоречий при формировании комплекса функциональных параметров ротора. Более эффективными являются технические решения, предусматривающие в процессе технологического цикла корректировку параметров ротора, в частности его дисбаланса.However, these methods are extremely laborious, little controllable and do not provide high process accuracy and elimination of contradictions in the formation of a complex of functional parameters of the rotor. More effective are technical solutions that provide for the adjustment of the rotor parameters, in particular, its imbalance, during the technological cycle.
Известен способ изготовления ротора шарового гироскопа [патент РФ №2592748], при котором осуществляют формообразование и балансировку ротора, включая последовательные операции направленной доводки посредством трубчатого притира, ось вращения которого проходит через центр ротора, и сферодоводки. Далее на поверхность ротора наносят тонкопленочное износостойкое покрытие нитрида титана методом, например, магнетронного напыления, с фиксацией ротора двумя диаметрально разнесенными игольчатыми упорами. На поверхности тонкопленочного покрытия производят лазерное маркирование растрового рисунка, расположенного в экваториальной зоне сферического пояса ротора, определяемой заданным широтным углом α. При этом в процессе устранения дисбаланса методом направленной доводки формируют условия для преимущественного уменьшения радиальной составляющей этого вектора, причем балансировку производят до получения требуемого конечного диаметра ротора. На втором этапе окончательную балансировку осуществляют посредством выполнения на поверхности ротора двух соосных диаметрально разнесенных выемок с заданной величиной массы удаляемого из каждой выемки материала. При этом в большей мере устраняется осевая составляющая полученного на первом этапе промежуточного дисбаланса, что определяется углом наклона оси выполняемых выемок к оси симметрии ротора, а выемки выполняют на сферической поверхности шаровых сегментов за пределами зоны растрового рисунка ротора. Кроме того, формирование двух диаметрально разнесенных выемок, которые одновременно выполняют функцию опорных элементов для фиксации игольчатых упоров при напылении покрытия, обеспечивает надежность крепления ротора в оснастке и минимизирует негативные эффекты экранирования поверхности ротора элементами оснастки.A known method of manufacturing a rotor of a ball gyroscope [RF patent No. 2592748], in which the shaping and balancing of the rotor is carried out, including sequential operations of directional finishing by means of a tubular lap, the axis of rotation of which passes through the center of the rotor, and spherical lining. Next, a thin-film wear-resistant titanium nitride coating is applied to the rotor surface by the method, for example, magnetron sputtering, with the rotor being fixed with two diametrically spaced needle stops. On the surface of the thin-film coating, laser marking of a raster pattern located in the equatorial zone of the spherical belt of the rotor, determined by a given latitudinal angle α, is performed. In this case, in the process of eliminating the imbalance by the method of directional fine-tuning, conditions are formed for the predominant decrease in the radial component of this vector, and the balancing is performed until the required final rotor diameter is obtained. At the second stage, the final balancing is carried out by making two coaxial diametrically spaced grooves on the rotor surface with a predetermined value of the mass of material removed from each groove. At the same time, the axial component of the intermediate imbalance obtained at the first stage is eliminated to a greater extent, which is determined by the angle of inclination of the axis of the grooves to be made to the axis of symmetry of the rotor, and the grooves are made on the spherical surface of the ball segments outside the zone of the raster pattern of the rotor. In addition, the formation of two diametrically spaced recesses, which simultaneously serve as supporting elements for fixing the needle stops during coating spraying, ensures the reliability of the rotor fastening in the tooling and minimizes the negative effects of shielding the rotor surface by the tooling elements.
В данном случае проблемы комплексного формирования параметров ротора решается за счет разнесения операций получения точной сферы ротора и окончательной балансировки, а также управляемостью процесса устранения дисбаланса, что обусловлено возможностью регулировать долю преимущественно устраняемых составляющих дисбаланса ротора на каждом из этапов балансировки.In this case, the problem of the complex formation of the rotor parameters is solved due to the separation of the operations of obtaining the exact rotor sphere and the final balancing, as well as the controllability of the process of eliminating the imbalance, which is due to the ability to regulate the proportion of the predominantly eliminated components of the rotor imbalance at each of the balancing stages.
Вместе с тем, способ имеет ряд недостатков, обусловленных его ограниченными технологическими возможностями.However, the method has a number of disadvantages due to its limited technological capabilities.
1. Проблемы с формированием диаметрально разнесенных выемок заданной массы в случае, когда растровый рисунок расположен в зоне шарового пояса, определяемой большой величиной широтного угла. В этом случае поверхность сферических сегментов в полюсных частях ротора сравнительно мала и возможны варианты, когда позиции выемок, которые необходимо выполнять на втором этапе балансировки, располагаются в зоне растрового рисунка, что в принципе недопустимо.1. Problems with the formation of diametrically spaced grooves of a given mass in the case when the raster image is located in the sphere of the spherical belt, determined by a large value of the latitudinal angle. In this case, the surface of the spherical segments in the pole parts of the rotor is relatively small and variants are possible when the positions of the grooves that must be performed in the second balancing stage are located in the area of the raster pattern, which is in principle unacceptable.
2. Ненадежная фиксация ротора игольчатыми упорами, установленными в две диаметрально разнесенные выемки, при увеличении его массы. Размеры выемок достаточно малы, в общем случае соизмеримы с размерами пор на его поверхности и составляют не более десятых долей миллиметра. Поэтому использование выемок в качестве опорных элементов не всегда обеспечивает надежность и стабильность крепления ротора в оснастке для напыления. Это связано с тем, что ротор в оснастке вращается с периодическим изменением ориентации оси вращения и на него действуют нагрузки, связанные с динамикой вращения, включая инерционные составляющие.2. Unreliable fixation of the rotor with needle stops installed in two diametrically spaced recesses, with an increase in its mass. The dimensions of the grooves are small enough, in general, commensurate with the dimensions of the pores on its surface and are no more than tenths of a millimeter. Therefore, the use of recesses as support elements does not always ensure the reliability and stability of the rotor attachment in the spray equipment. This is due to the fact that the rotor in the tooling rotates with a periodic change in the orientation of the axis of rotation and is subject to loads associated with the dynamics of rotation, including inertial components.
3. Ограничения, обусловленные тем, что в ряде случаев на поверхности ротора крайне нежелательно формирование выемок, по сути, являющихся дефектами поверхности. Например, для ротора криогенного гироскопа подобные дефекты негативно влияют на сверхпроводящие свойства поверхности и резко ухудшают точность и условия функционирования ротора в подвесе.3. Limitations due to the fact that in a number of cases on the surface of the rotor it is highly undesirable to form grooves, in fact, are surface defects. For example, for the rotor of a cryogenic gyroscope, such defects negatively affect the superconducting properties of the surface and sharply worsen the accuracy and conditions of the rotor's operation in the suspension.
Более эффективным является использование технологических методов, основанных на решении в процессе изготовления ротора многоцелевых задач, например, создание при нанесении функционального покрытия условий для управляемого процесса распределения массы покрытия по поверхности ротора, что обеспечивает и корректировку дисбаланса ротора.It is more effective to use technological methods based on solving multipurpose tasks in the rotor manufacturing process, for example, creating conditions for a controlled process of distributing the coating mass over the rotor surface during the application of a functional coating, which also provides for the correction of the rotor imbalance.
По наибольшему числу общих существенных признаков в качестве прототипа принята технология изготовления ротора шарового гироскопа [М.А. Туманова О.С. Юльметова, А.Г. Щербак. Исследование процесса корректировки дисбаланса сферического ротора на стадии напыления тонкопленочного покрытия // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2017 - т. 17 - №6 - с. 1045-1051], при которой осуществляют формообразование и балансировку сферического ротора до получения требуемых величин дисбаланса и диаметра, контролируют параметры ротора, наносят на поверхность ротора функциональное тонкопленочное покрытие нитрида титана методом конденсации ионной бомбардировкой с креплением ротора в двух диаметрально разнесенных фиксаторах, один из которых имеет форму трехконцевой вилки с тремя игольчатыми упорами. Оси фиксаторов совмещают с динамической осью ротора и обеспечивают постоянное вращение ротора с изменением ориентации осей вращения по отношению к потоку напыляемого материала. Далее на поверхности тонкопленочного покрытия производят лазерное маркирование растрового рисунка, расположенного в экваториальной области ротора, определяемой заданным широтным углом. При напылении покрытия позиции контакта игольчатых упоров трехконцевой вилки с ротором выбирают в зоне сферического сегмента за пределами поверхности шарового пояса, на которой формируется растровый рисунок, что и определяет указанную выше необходимость совмещение динамической оси ротора и оси фиксаторов. При этом в процессе напыления осуществляют формирование покрытия переменной толщины за счет изменения расстояния между ротором и источником напыляемого материала. Таким образом, осуществляют корректировку дисбаланса ротора посредством управляемого распределения массы материала покрытия по поверхности сферического ротора с образованием наружной сферической поверхности, центр которой смещен относительно центра заготовки ротора на заданную величину δ в сторону, определяемую вектором дисбаланса .According to the greatest number of common essential features, the technology of manufacturing the rotor of a ball gyroscope was adopted as a prototype [M.A. Tumanova O.S. Yulmetova, A.G. Shcherbak. Investigation of the process of correcting the imbalance of a spherical rotor at the stage of spraying a thin-film coating // Scientific and technical bulletin of St. Petersburg State University ITMO. - 2017 - v. 17 - No. 6 - p. 1045-1051], in which the shaping and balancing of the spherical rotor is carried out until the required values of unbalance and diameter are obtained, the parameters of the rotor are controlled, a functional thin-film coating of titanium nitride is applied to the rotor surface by the method of condensation by ion bombardment with the rotor fastening in two diametrically spaced clamps, one of which has the shape of a three-end fork with three needle stops. The axes of the retainers are aligned with the dynamic axis of the rotor and provide constant rotation of the rotor with a change in the orientation of the axes of rotation with respect to the flow of the sprayed material. Next, on the surface of the thin-film coating, laser marking of the raster pattern located in the equatorial region of the rotor, determined by a given latitudinal angle, is performed. When spraying the coating, the contact positions of the needle stops of the three-end plug with the rotor are selected in the area of the spherical segment outside the surface of the spherical belt, on which the raster pattern is formed, which determines the above-mentioned need to align the dynamic axis of the rotor and the axis of the retainers. In this case, during the spraying process, a coating of variable thickness is formed by changing the distance between the rotor and the source of the sprayed material. Thus, the rotor unbalance is corrected by means of a controlled distribution of the coating material mass over the surface of the spherical rotor with the formation of an outer spherical surface, the center of which is displaced relative to the center of the rotor blank by a given value δ to the side determined by the unbalance vector ...
Способ-прототип имеет следующие недостатки.The prototype 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 корректировки дисбаланса и процесса нанесения покрытия. С одной стороны, при напылении необходимо совмещение динамической оси ротора с осью фиксаторов, а с другой стороны, ориентация ротора по отношению к источнику напыляемого материала должна учитывать направление вектора дисбаланса.1. The same, as in the above analogs, the difficulties in ensuring the imbalance and shape accuracy at the level of hundredths of a micrometer at a strictly specified value of the final diameter of the rotor. This is due to conflicting interactions between imbalance correction operations and the coating process. On the one hand, when spraying, it is necessary to align the dynamic axis of the rotor with the axis of the retainers, and on the other hand, the orientation of the rotor in relation to the source of the sprayed material must take into account the direction of the imbalance vector.
Ограниченные технологические возможности, которые связаны с тем, что в зависимости от реальных условий напыления и конструкции фиксаторов возможно отклонение наружной поверхности покрытия от сферы заданного диаметра вследствие неравномерности толщины покрытия. Это обусловлено различной конфигурацией фиксаторов, обеспечивающих крепление ротора, и связано с экранированием напыляемой поверхности ротора в зоне, в которой размещена трехконцевая вилка с тремя игольчатыми упорами. Указанное отклонение геометрии, можно определить как некруглость ротора, контроль которой осуществляется на основе гармонического анализа круглограмм ротора в нескольких сечениях. К сферическому ротору в части формы предъявляются требования к усредненным амплитудам гармоник в четырех меридиональных сечениях и одном экваториальном [Б.Е. Ландау, Т.Г. Леонова, С.Н. Федорович, А.Ю. Филиппов. Совершенствование методов оценки формы ротора как фактор повышения точности электростатического гироскопа // Материалы XXXI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. - 2018. - С. 345-351]. Каждое из сечений измеряется с помощью кругломера типа Talyrond с прецизионным вращением щупа, проходящего по большому кругу сечения. Полученный с кругломера периодический сигнал с помощью программного обеспечения Talyrond дискретно раскладывается в ряд Фурье с определением амплитудного спектра , где Xn - комплексная амплитуда n-ой гармоники, N - длина сигнала.Limited technological capabilities, which are associated with the fact that, depending on the actual conditions of spraying and the design of the retainers, deviation of the outer surface of the coating from the sphere of a given diameter is possible due to the unevenness of the coating thickness. This is due to the different configuration of the clamps that secure the rotor, and is associated with the shielding of the sprayed surface of the rotor in the area in which the three-end fork with three needle stops is located. The specified geometry deviation can be defined as the rotor out-of-roundness, the control of which is carried out on the basis of harmonic analysis of the rotor circular diagrams in several sections. To the spherical rotor in terms of the shape, requirements are imposed on the averaged amplitudes of harmonics in four meridional sections and one equatorial section [B.E. Landau, T.G. Leonova, S.N. Fedorovich, A.Yu. Filippov. Improvement of methods for assessing the shape of a rotor as a factor in increasing the accuracy of an electrostatic gyroscope // Materials of the XXXI conference in memory of the outstanding designer of gyroscopic devices N.N. Ostryakov. - 2018. - S. 345-351]. Each of the sections is measured using a Talyrond-type circular gage with precision rotation of the stylus passing along a large circle of the section. The periodic signal received from the circular meter using the Talyrond software is discretely decomposed into a Fourier series with the determination of the amplitude spectrum , where X n is the complex amplitude of the n-th harmonic, N is the signal length.
Для сплошного ротора бескарданного электростатического гироскопа (далее - БЭСГ) паспортизуются амплитуды А пяти гармоник формы (А2≤0,05 мкм, А3≤0,025 мкм, А4, А5, А6≤0,015 мкм), каждая из которых описывает определенный дефект: вторая гармоника определяет эллиптичность, третья - треугольную аномалию, четвертая - прямоугольную и т.д. Уровень геометрической точности роторов составляет сотые доли микрометра.For a solid rotor of a cardless electrostatic gyroscope (hereinafter - BESG), the amplitudes A of five harmonics of the form (A 2 ≤0.05 μm, A 3 ≤0.025 μm, A 4 , A 5 , A 6 ≤ 0.015 μm) are certified, each of which describes a certain defect: the second harmonic determines ellipticity, the third - a triangular anomaly, the fourth - rectangular, etc. The level of geometric accuracy of the rotors is hundredths of a micrometer.
2. Недостаточная эффективность процесса корректировки дисбаланса посредством формирования покрытия со смещенным центром и несогласованная взаимосвязь технологических операций по напылению покрытия и корректировке дисбаланса, поскольку искажение формы ротора вследствие экранирования вносит неопределенность в процесс корректировки дисбаланса, и требуемые параметры ротора в части дисбаланса могут не обеспечиваться.2. Insufficient efficiency of the process of correcting the imbalance by forming a coating with an offset center and inconsistent interrelation of technological operations for spraying the coating and correcting the imbalance, since the distortion of the rotor shape due to shielding introduces uncertainty in the process of correcting the imbalance, and the required rotor parameters in terms of imbalance may not be provided.
3. Ограничения технологии, связанные с тем, что для роторов различных типоразмеров необходимо изменение конструкции фиксаторов и игольчатых упоров, так например, увеличение диаметра и массы ротора вызывает необходимость повышения жесткости этих фиксаторов и упоров для обеспечения надежного крепления ротора. Это приводит к увеличению габаритов фиксаторов и упоров и, как следствие, к усилению негативного экранирующего эффекта, приводящего к неравномерной толщине покрытия, что изменяет условия процесса корректировки дисбаланса.3. Limitations of technology associated with the fact that for rotors of different standard sizes it is necessary to change the design of retainers and needle stops, for example, an increase in the diameter and weight of the rotor necessitates an increase in the rigidity of these retainers and stops to ensure reliable fastening of the rotor. This leads to an increase in the dimensions of the retainers and stops and, as a consequence, to an increase in the negative shielding effect, leading to an uneven coating thickness, which changes the conditions for the imbalance correction process.
Решаемая техническая проблема - совершенствование технологических возможностей процесса изготовления ротора шарового гироскопа, в частности за счет того, что после нанесения износостойкого покрытия осуществляется корректировка формы ротора.The technical problem to be solved is to improve the technological capabilities of the process of manufacturing the rotor of a ball gyroscope, in particular, due to the fact that after applying a wear-resistant coating, the shape of the rotor is adjusted.
Достигаемый технический результат - повышение точности изготовления формы ротора шарового гироскопа.The achieved technical result is an increase in the accuracy of manufacturing the shape of the ball gyroscope rotor.
Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что при напылении функционального покрытия трехконцевую вилку с игольчатыми упорами (далее - трехконцевая вилка) устанавливают в полюсной зоне, которая находится по одну сторону с вектором дисбаланса от экваториальной плоскости ротора. После нанесения покрытия на роторе со стороны размещения трехконцевой вилки определяют высоту Н и диаметр основания Dc (на фиг. не показан) шарового сегмента, имеющего отклонения формы поверхности от сферы ротора диаметром D. Ось симметрии указанного фрагмента, которая совпадает с динамической осью ротора, определяется на основании круглограммы ротора, полученной с помощью кругломера типа Talyrond. Корректировка формы ротора осуществляется посредством дополнительного напыления на сферическую поверхность сегмента корректирующего слоя покрытия, при этом используют точечный источник испарения материала покрытия, а ротор ориентируют упомянутым шаровым сегментом в сторону источника таким образом, чтобы точка испарения располагалась на оси симметрии фрагмента и, соответственно, на динамической оси ротора. Между ротором и источником располагают экран с отверстием диаметра d≈(0,05-0,25)⋅D, ось которого лежит на динамической оси ротора; в процессе нанесения дополнительного слоя осуществляют перемещение экрана вдоль динамической оси ротора по направлению к источнику, изменяя расстояние между ротором и экраном от величины L1, составляющей 0,01-0,1 от диаметра D, до величины L2, при этом время напыления t определяют из условия , где Vk - скорость осаждения покрытия; значения диаметра d и расстояния L2 выбирают из соотношения , где L - расстояние от ротора до источника напыляемого материала, а в процессе напыления осуществляют вращение ротора вокруг динамической оси.According to the invention, the problem is solved by the fact that when spraying a functional coating, a three-end plug with needle stops (hereinafter referred to as a three-end plug) is installed in the pole zone, which is located on one side with the unbalance vector from the equatorial plane of the rotor. After coating the rotor from the side of the three-end plug, the height H and the diameter of the base D c (not shown in the figure) of the spherical segment are determined, which has deviations of the surface shape from the sphere of the rotor with the diameter D. The axis of symmetry of the specified fragment, which coincides with the dynamic axis of the rotor, is determined on the basis of the rotor round-diagram obtained with a Talyrond round-gauge. Correction of the rotor shape is carried out by additional spraying on the spherical surface of the segment of the correction layer of the coating, while using a point source of evaporation of the coating material, and the rotor is oriented with the said ball segment towards the source so that the point of evaporation is located on the axis of symmetry of the fragment and, accordingly, on the dynamic rotor axis. Between the rotor and the source there is a screen with a hole of diameter d≈ (0.05-0.25) ⋅D, the axis of which lies on the dynamic axis of the rotor; in the process of applying an additional layer, the screen is moved along the dynamic axis of the rotor towards the source, changing the distance between the rotor and the screen from the value L 1 , which is 0.01-0.1 of the diameter D, to the value L 2 , while the spraying time is t determined from the condition , where V k is the deposition rate of the coating; the values of the diameter d and the distance L 2 are selected from the ratio , where L is the distance from the rotor to the source of the sprayed material, and during the spraying process, the rotor rotates around the dynamic axis.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 и 2 представлены общий вид ротора и схема его крепления в фиксаторах, на фиг. 3 - начальный и на фиг. 4 - конечный этапы процесса нанесения на ротор дополнительного тонкопленочного функционального покрытия. На фиг. 1-4 обозначены:The essence of the invention is illustrated by a drawing, where FIG. 1 and 2 show a general view of the rotor and a diagram of its fastening in the clamps, Fig. 3 - initial and in FIG. 4 - the final stages of the process of applying an additional thin-film functional coating to the rotor. FIG. 1-4 are designated:
1 - заготовка сферического ротора (далее - заготовка ротора) после формообразования и балансировки, на поверхности которого формируется износостойкое функциональное покрытие нитрида титана;1 - a blank of a spherical rotor (hereinafter referred to as a blank of a rotor) after shaping and balancing, on the surface of which a wear-resistant functional coating of titanium nitride is formed;
2 - основное функциональное покрытие (далее - основное покрытие), формируемое на поверхности заготовки ротора 1;2 - the main functional coating (hereinafter - the main coating), formed on the surface of the workpiece of the
3, 4 - диаметрально разнесенные фиксаторы, в которых крепится заготовка ротора 1;3, 4 - diametrically spaced clamps, in which the blank of the
5 - игольчатые упоры фиксатора 3;5 - needle stops of the retainer 3;
6 - игольчатый упор фиксатора 4;6 - needle stop of the latch 4;
7 - ротор после напыления основного покрытия 2 (далее - ротор);7 - rotor after spraying the main coating 2 (hereinafter - the rotor);
8 - шаровой сегмент, соответствующий зоне экранирования;8 - spherical segment corresponding to the shielding zone;
9 - основание шарового сегмента 8;9 - the base of the
10 - источник напыляемого материала (далее - источник);10 - the source of the sprayed material (hereinafter referred to as the source);
11 - экран;11 - screen;
12 - отверстие в экране 11;12 - hole in the
О - геометрический центр заготовки ротора 1;O - the geometric center of the
MN - динамическая ось заготовки ротора 1;MN - dynamic axis of the
k, m, n, - точки контакта игольчатых упоров 5 и 6 с заготовкой ротора 1;k, m, n, - points of contact of the needle stops 5 and 6 with the
с* - вершина шарового сегмента 8;c * - the top of the
с - вершина шарового сегмента после напыления корректирующего слоя покрытия;с - the top of the spherical segment after spraying the adjustment layer of the coating;
K - точка испарения на источнике 10;K is the point of evaporation at
D - диаметр ротора 7;D is the diameter of the rotor 7;
Н - высота шарового сегмента 8;H - the height of the
h - толщина покрытия 2, нанесенного на ротор 1;h is the thickness of the
d - диаметр отверстия 12 в экране 11;d is the diameter of the
L - расстояние между поверхностью ротора 7 и источником 10;L is the distance between the surface of the rotor 7 and the
L1 - расстояние между поверхностью ротора 7 и экраном 11 в начальный момент напыления;L 1 - the distance between the surface of the rotor 7 and the
L2 - расстояние между поверхностью ротора 7 и экраном 11 в конце напыления;L 2 is the distance between the surface of the rotor 7 and the
а* и b* - точки определяющие зону напыления при расстоянии L1 между ротором 7 и экраном 11; a * and b * - points defining the spraying zone at a distance L 1 between the rotor 7 and the
ψ1 и ψ2 - углы, определяющие поток напыляемого материала, проходящего через отверстие 12 экрана 11;ψ 1 and ψ 2 - angles defining the flow of the sprayed material passing through the
Δh - толщина дополнительного слоя функционального покрытия, которую необходимо нанести на шаровой сегмент 8 в точке с*, для восстановления сферической формы ротора 7.Δh is the thickness of the additional layer of functional coating, which must be applied to the
θmax - угол, определяющий шаровой сегмент 8 с основанием 9;θ max is the angle defining the
- вектор дисбаланса заготовки ротора 1. is the unbalance vector of the
Предлагаемый способ изготовления ротора шарового гироскопа заключается в выполнении совокупности и последовательности следующих операций.The proposed method for manufacturing a ball gyroscope rotor consists in performing a set and sequence of the following operations.
1. Средствами механической обработки (точение, доводка) и балансировки посредством направленной доводки и сферодоводки осуществляют формообразование заготовки ротора 1 диаметром D-2h после нанесения основного покрытия нитрида титана 2 толщиной h, и вектором дисбаланса , с выполнением в теле ротора армирующих элементов, обеспечивающих создание момента инерции и определяющих динамическую ось MN ротора. При нанесении на поверхность заготовки ротора 1 основного покрытия нитрида титана 2 заготовка ротора 1 устанавливается в двух диаметрально разнесенных фиксаторах 3 и 4 устройства для напыления. Один из фиксаторов 3 представляет собой трехконцевую вилку с тремя игольчатыми упорами 5, контактирующими с заготовкой ротора 1, а фиксатор 4 содержит один игольчатый упор 6 (фиг. 1 и 2). Ось фиксаторов 3 и 4 совмещают с динамической осью MN заготовки ротора 1. Контактирующие с заготовкой ротора 1 игольчатые упоры 5 трехконцевой вилки располагают в полюсной зоне сферического сегмента, который находится по одну сторону с вектором дисбаланса от экваториальной плоскости заготовки ротора 1 за пределами шарового пояса, в котором осуществляется нанесение растрового рисунка. В данном случае реализуется наиболее надежная схема, при которой заготовка ротора 1 крепится в четырех точках k, m, n, контакта игольчатых упоров 5 и 6 с заготовкой ротора 1, что соответствует вершинам правильной трехгранной пирамиды. Одна точка k, определяет вершину пирамиды, располагалась со стороны одного полюса ротора, а три точки - m, n и - со стороны другого полюса - в вершинах равностороннего треугольника, являющегося основанием этой пирамиды. При этом указанные три точки m, n и находятся в зоне сферического сегмента за пределами шарового пояса, в котором выполняется растровый рисунок, центр указанного треугольника лежит на оси MN, а плоскость треугольника перпендикулярна этой оси (фиг 2). Заготовка ротора 1, полученная после операций направленной доводки и сферодоводки, имеет исходный вектор дисбаланса . Определяя вектор дисбаланса и формируя покрытие со смещением центра его сферической поверхности относительно геометрического центра О заготовки ротора 1 на расчетную величину δ с выбором направления этого смещения, которое задается вектором дисбаланса , можно корректировать величину ε0 этого дисбаланса в соответствии с выражением , где ρпокр и ρрот - плотность покрытия и материала заготовки ротора 1.1. By means of mechanical processing (turning, finishing) and balancing by means of directional finishing and spherical finishing, the rotor blank 1 with a diameter D-2h is formed after the main coating of
2. При нанесении основного покрытия 2 по представленной схеме со стороны фиксатора 3 возможно экранирование поверхности ротора трехконцевой вилкой, приводящее к неравномерности толщины формируемого основного покрытия 2. Очевидно, что степень экранирования, определяемая конфигурацией фиксатора 3 и кинематикой изменения положения заготовки ротора 1 в процессе напыления, имеет максимальную величину в точке, лежащей на оси MN заготовки ротора 1 (точка с* на фиг. 3 и 4), и уменьшается по мере удаления от этой точки в сторону экваториальной плоскости заготовки ротора 1. Размещение фиксатора 3 с трехконцевой вилкой в полюсной зоне заготовки ротора 1, которая находится по одну сторону с вектором дисбаланса от экваториальной плоскости ротора, позволяет минимизировать величину отклонения от формы ротора 7 в зоне экранирования. Это связано с тем, что с этой стороны формируется более тонкий слой основного покрытия 2, а уменьшение толщины, обусловленное экранированием пропорционально формируемой расчетной толщине основного покрытия 2. Меньшее искажение формы ротора 7 для данных условий определяет более высокую эффективность последующего процесса корректировки формы. Зону экранирования можно определить как поверхность шарового сегмента 8 с основанием 9 и вершиной с*, в пределах которой толщина покрытия изменяется от величины h* в основании 9 до величины h*-Δh на вершине сегмента 8 в точке с*. В данном случае обозначение h* определяет текущую толщину покрытия в данной зоне поверхности ротора 7 с учетом смещения центра основного покрытия 2 относительно центра О заготовки ротора 1. Таким образом, для выявления условий процесса корректировки формы ротора после формирования основного покрытия 2 у ротора 7 определяют высоту Н и диаметр Dc основания 9 указанного шарового сегмента 8 с вершиной с*, имеющего отклонения формы поверхности от сферы диаметра D, обусловленные экранированием поверхности заготовки ротора 1 трехконцевой вилкой 3 при нанесении основного покрытия 2.2. When applying the
Это отклонение в точке с* составляет величину Δh и монотонно убывает по мере приближения к основанию 9 сегмента 8, принимая нулевое значение точках а и b. Для восстановления сферической формы ротора 7 необходимо осуществить нанесение дополнительного корректирующего слоя покрытия на сферическую поверхность шарового сегмента 8.This deviation at point c * is the value of Δh and decreases monotonically as it approaches the
Очевидно, что конфигурация дополнительного слоя должна соответствовать геометрическим параметрам указанного отклонения, т.е. в позиции точки с* этот слой должен иметь толщину Δh с убыванием толщины до нулевого значения в основании 9 сегмента 8. Эти параметры достаточно точно определяются, как указано выше, гармоническим анализом круглограмм ротора в меридиональном сечении.It is obvious that the configuration of the additional layer must correspond to the geometric parameters of the specified deviation, i.e. at the position of the point c * this layer should have a thickness Δh with a decrease in thickness to zero at the
В общем виде это отклонение формы ротора можно определить как амплитуду третьей гармоники, которая описывает треугольную аномалию формы ротора, вызванную экранированием при напылении.In general terms, this deviation of the rotor shape can be defined as the amplitude of the third harmonic, which describes a triangular rotor shape anomaly caused by shielding during sputtering.
Целесообразно оценить влияние указанного отклонения геометрии на величину изменения дисбаланса ротора. Очевидно, что важным фактором является степень отклонения от номинальной толщины покрытия и зона экранирования, определяемая шаровым сегментом 8, который характеризуется углом θmax, как это показано на фиг. 2, 3 и 4. Можно задать форму поверхности ротора 7 (фиг. 1) с учетом экранирования следующим образом [М.А. Туманова О.С. Юльметова, А.Г. Щербак. Исследование процесса корректировки дисбаланса сферического ротора на стадии напыления тонкопленочного покрытия // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2017 - т. 17 - №6 - с. 1045-1051]:It is advisable to evaluate the influence of the specified geometry deviation on the amount of rotor unbalance change. Obviously, an important factor is the degree of deviation from the nominal coating thickness and the shielding area defined by the
где Rp - радиус ротора после механической обработки, θ - текущее значение угла θmax. Рассматривая интеграл , определяющий центр масс ротора 7, где z - смещение центра масс, в сферической системе координатwhere R p is the rotor radius after machining, θ is the current value of the angle θ max . Considering the integral defining the center of mass of the rotor 7, where z is the displacement of the center of mass, in a spherical coordinate system
где последнее равенство было получено пренебрежением всех степеней Δh выше первой можно, после преобразований, получить выражение для изменения дисбаланса от исходного значения ε0:where the last equality was obtained by neglecting all degrees of Δh above the first, it is possible, after transformations, to obtain an expression for changing the imbalance from the initial value ε 0 :
где M0 - масса ротора, определяемая плотностью подложки.where M 0 is the mass of the rotor, determined by the density of the substrate.
В конечном счете, для бериллиевого ротора с покрытием нитрида титана, можно представить зависимости изменения дисбаланса от величины Δh при толщине h=1,0 мкм для различных углов θmax, из которых, исходя из фактических значений отклонения от сферической формы ротора и величины его дисбаланса, можно оценить допустимые пределы величины Δh и соответствующего этой величине изменения дисбаланса.Ultimately, for a beryllium rotor with a titanium nitride coating, it is possible to represent the dependence of the change in the unbalance on the value of Δh at a thickness of h = 1.0 μm for various angles θ max , from which, based on the actual values of the deviation from the spherical shape of the rotor and the magnitude of its unbalance , it is possible to estimate the permissible limits of the value of Δh and the change in the unbalance corresponding to this value.
Очевидно, что варьируя значением h, можно регулировать изменение дисбаланса. При этом уменьшение угла θmax минимизирует негативный эффект экранирования. Практически при угле θmax, равным 60° величина Δh, равная 0,01 мкм, обусловливает изменение дисбаланса на 0,015 мкм. Получаемую при этом форму ротора можно квалифицировать как треугольную аномалию, определяющую амплитуду третьей гармоники А3, которая не должна превышать 0,025 мкм. Удельный осевой дисбаланс, на величину которого непосредственно влияет эта гармоника, при этом должен составлять не более 0,02 мкм. Следует отметить, что для ротора криогенного гироскопа, получаемого нанесением ниобиевого покрытия на сферическую основу из углеситалла, при таких же величинах амплитуды третьей гармоники изменение дисбаланса будет значительно выше, поскольку плотность ниобия существенно превышает плотность нитрида титана.It is obvious that by varying the value of h, it is possible to regulate the change in the unbalance. In this case, a decrease in the angle θ max minimizes the negative screening effect. In practice, at an angle θ max equal to 60 °, the value of Δh equal to 0.01 µm causes a change in the imbalance of 0.015 µm. The resulting rotor shape can be classified as a triangular anomaly, which determines the amplitude of the third harmonic A 3 , which should not exceed 0.025 μm. Specific axial imbalance, the value of which is directly affected by this harmonic, should be no more than 0.02 microns. It should be noted that for the rotor of a cryogenic gyroscope, obtained by applying a niobium coating on a spherical base made of carbonitall, at the same magnitudes of the third harmonic amplitude, the change in the imbalance will be much higher, since the density of niobium significantly exceeds the density of titanium nitride.
Это позволяет определить требования к ротору, поступающему на операцию напыления, по допустимому искажению формы вследствие экранирования и определить условия корректировки формы ротора, которые должны обеспечивать получение необходимых значений и формы и дисбаланса ротора.This makes it possible to determine the requirements for the rotor entering the spraying operation, according to the permissible shape distortion due to shielding, and to determine the conditions for correcting the rotor shape, which should ensure that the required values of the rotor shape and imbalance are obtained.
3. Технология процесса нанесения дополнительного слоя должна быть универсальна и обеспечивать условия формирования этого слоя на поверхности шарового фрагмента 8, высота Н которого может меняться в широких пределах - от десятых долей миллиметра до половины диаметра D ротора 7. При этом должно быть обеспечено условие получения на вершине сегмента 8 дополнительного слоя требуемой толщины Δh при монотонном уменьшении этой толщины до нуля в основании 9 сегмента 8 (показано пунктирной линией на фиг. 3). Это реализуется посредством использования точечного испарения (точка K) материала покрытия с источника 10 (фиг. 3 и 4), что является принципиально важным фактором процесса, и размещением между источником 10 и ротором 7 экрана 11 с отверстием 12, имеющим диаметр d. В начальный момент ротор 7 устанавливают в камере установки вакуумного напыления в приспособлении, ориентируя его динамической осью MN в сторону источника 10 и обеспечивая размещение точки испарения К источника на этой оси. Конструкция приспособления для выставки ротора не принципиальна. Между ротором 7 и источником 10 размещают экран 11 на минимально возможном расстоянии L1, составляющим 0,01-0,1 от диаметра D, от ротора 7. Реально расстояние L1 составляет десятые доли миллиметра. Экран 11 размещают на направляющих, которые с помощью привода (на фиг. 3 и 4 не показаны) обеспечивают возможность перемещения экрана 11 вдоль оси MN в сторону источника 10 - направление перемещения на фиг. 3 обозначено стрелкой. В начале процесса напыления определяемый углом ψ1 поток испаряемого с источника 10 материала, проходя через отверстие 12 экрана 11, формирует на роторе 7 дополнительный слой покрытия в зоне сферического сегмента, поверхность которого также определяется этим углом ψ1. Очевидно, что угол ψ1, и, как следствие, напыляемая зона сегмента задается диаметром d отверстия 12 в экране 11, расстоянием L между ротором 7 и источником 10 и расстоянием L1 между ротором 7 и экраном 11. Эта зона обозначена на фиг. 3 и 4 точками а* и с*. Основной принцип процесса формирования дополнительного слоя заключается в синхронизации процесса нанесения покрытия и перемещения экрана 11. Поэтому с начала процесса напыления осуществляют перемещение экрана 11 в сторону источника 10 до момента времени, определяемого формированием напыляемой зоны в виде сферической поверхности шарового сегмента 8 (показано сплошной линией на фиг. 4). Эта зона задается углом ψ2 (фиг. 4), который также определяется диаметром d отверстия 12 в экране 11, расстоянием L между ротором 7 и источником 10 и расстоянием L2 между ротором 7 и экраном 11. Как видно из фиг. 4, изменение положения экрана 11 в процессе напыления обеспечивает формирование дополнительного корректирующего покрытия требуемой геометрии на всей сферической поверхности сегмента. Для получения зависимости можно рассмотреть подобные (по признаку равных углов) прямоугольные треугольники в системе «источник 10 - экран 11» и в системе «источник 10 - ротор 7» (фиг. 4). Первый треугольник имеет катеты 1/2d и (L-L2), а второй - 1/2Dc и (L+Н). Из равенства соотношений этих катетов следует выражение , устанавливающее взаимосвязь между диаметром Dc и высотой Н шарового сегмента, с одной стороны, и диаметром d отверстия в экране 11 и расстояниями L и L2 между ротором 7, источником 10 и экраном 11, с другой стороны, и позволяющее требуемую зону нанесения покрытия. Важным аспектом в данном случае является то, что задать время напыления t соответствует времени перемещения экрана 11. Это обеспечивает условие формирование требуемой толщины Δh дополнительного слоя покрытия в точке с*, которая является вершиной шарового сегмента 8, и монотонное убывание толщины по мере приближения с основанию этого сегмента 8, где толщина дополнительного слоя равна нулю, что и требуется для корректировки формы ротора.3. The technology of the process of applying an additional layer should be universal and provide the conditions for the formation of this layer on the surface of the
Время t напыления и, соответственно, время перемещения экрана 11, определяется исходя из устанавливаемого эмпирическим путем значения скорости Vk осаждения покрытия с учетом геометрических параметров ротора 7 и шарового сегмента 8, что последовательным преобразованием очевидных выражений, определяющих связь времени напыления с толщиной покрытия и скоростью осаждения, можно представить в виде зависимости . Достаточно очевидной также является необходимость вращения ротора 7, при напылении дополнительного слоя, вокруг оси MN. Это позволяет компенсировать негативное влияние возможной неоднородности потока напыляемого материала в поперечном сечении зоны напыления, определяемой углами ψ1 и ψ2.The spraying time t and, accordingly, the travel time of the
3. После операции нанесения дополнительно слоя осуществляют контроль геометрии и дисбаланса ротора, и при получении параметров, соответствующих техническим требованиям, производят нанесение растрового рисунка методом лазерного маркирования.3. After the operation of applying an additional layer, the geometry and imbalance of the rotor are monitored, and upon obtaining the parameters that meet the technical requirements, the raster pattern is applied by the method of laser marking.
По сравнению с прототипом существенно расширяются технологические возможности процесса изготовления ротора. Обеспечивается возможность корректировки формы ротора после нанесения основного функционального покрытия, что позволяет варьировать конфигурацию фиксаторов, выбирая их из условия надежного крепления ротора в процессе напыления. Кроме того учитывается фактор выбора позиции установки фиксатора в виде трехконцевой вилки в процессе формирования основного функционального покрытия, исходя из создания наиболее оптимальных условий корректировки формы ротора. При этом минимизируется влияние условий процесса нанесения покрытия на конечный результат и решается противоречие, связанное с неопределенностью процесса корректировки дисбаланса ротора в процессе нанесения покрытия. В предлагаемом техническом решении изготовление ротора с требуемыми параметрами, включая получение дисбаланса и требуемой точности формы на уровне сотых и тысячных долей микрометра, обеспечивается в процессе двух последовательных и взаимосвязанных операций нанесения покрытия и корректировки формы ротора.Compared to the prototype, the technological capabilities of the rotor manufacturing process are significantly expanded. The possibility of adjusting the shape of the rotor after the application of the main functional coating is provided, which makes it possible to vary the configuration of the retainers, choosing them from the condition of reliable fastening of the rotor during the spraying process. In addition, the factor of choosing the position of the retainer in the form of a three-end fork is taken into account in the process of forming the main functional coating, based on the creation of the most optimal conditions for adjusting the shape of the rotor. This minimizes the effect of the conditions of the coating process on the end result and resolves the contradiction associated with the uncertainty of the process of correcting the rotor imbalance during the coating process. In the proposed technical solution, the manufacture of a rotor with the required parameters, including obtaining an unbalance and the required shape accuracy at the level of hundredths and thousandths of a micrometer, is provided in the process of two successive and interconnected operations of coating and adjusting the rotor shape.
При этом на стадии получения точной сферы заготовки ротора допускается возможность отклонения величины дисбаланса от заданного значения, а на стадии формирования покрытия - искажения формы ротора, поскольку и дисбаланс, и форма ротора могут корректироваться последующими технологическими операциями, что повышает управляемость процесса изготовления роторов шаровых гироскопов.At the same time, at the stage of obtaining the exact sphere of the rotor blank, it is possible to deviate the value of the unbalance from the specified value, and at the stage of formation of the coating, distortion of the rotor shape, since both the unbalance and the shape of the rotor can be corrected by subsequent technological operations, which increases the controllability of the process of manufacturing ball gyro rotors.
Были изготовлены бериллиевые ротора, в которых после нанесения покрытия амплитуда третьей гармоники А3 составляла величину 0,030-0,050 мкм, при допустимых величинах А3≤0,025 мкм. После корректировки формы значения указанных амплитуд находились в пределах 0,018-0,023 мкм. Это реализуется в условиях, когда скорость осаждения материала Vk составляет величины 0,003-0,01 мкм/мин, а время напыления - 3-10 минут. То есть обеспечивается достижение заданного технического результата.Beryllium rotors were manufactured, in which, after coating, the amplitude of the third harmonic A 3 was 0.030-0.050 μm, with permissible values A 3 ≤ 0.025 μm. After correcting the shape, the values of the indicated amplitudes were in the range of 0.018-0.023 μm. This is realized under conditions when the deposition rate of the material V k is 0.003-0.01 μm / min, and the spraying time is 3-10 minutes. That is, the achievement of a given technical result is ensured.
Технико-экономическая эффективность изобретения заключается как в расширении технологических возможностей процесса изготовления роторов шаровых гироскопов различного типа, так и в повышении эффективности навигационных систем и комплексов, где эти гироскопы используются.The technical and economic efficiency of the invention lies both in expanding the technological capabilities of the process of manufacturing rotors of ball gyroscopes of various types, and in increasing the efficiency of navigation systems and complexes where these gyroscopes are used.
На данный момент в АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» предлагаемый способ был реализован при производстве опытной партии бериллиевых роторов электростатических гироскопов. В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования способа при серийном изготовлении этих приборов.At the moment, in JSC "Concern" TsNII "Elektropribor", the proposed method was implemented in the production of a pilot batch of beryllium rotors of electrostatic gyroscopes. At present, technical documentation is being developed for using the method in the serial production of these devices.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020121430A RU2743492C1 (en) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | Ball gyroscope rotor manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020121430A RU2743492C1 (en) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | Ball gyroscope rotor manufacturing method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2743492C1 true RU2743492C1 (en) | 2021-02-19 |
Family
ID=74666000
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020121430A RU2743492C1 (en) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | Ball gyroscope rotor manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2743492C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3966507A (en) * | 1974-03-21 | 1976-06-29 | Dornier System Gmbh | Process for manufacturing hollow-cylindrical rotors |
RU2286535C1 (en) * | 2005-03-10 | 2006-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for making a rotor of spherical gyroscope |
RU2660756C2 (en) * | 2016-11-03 | 2018-07-09 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method of making spherical gyroscope rotor |
-
2020
- 2020-06-23 RU RU2020121430A patent/RU2743492C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3966507A (en) * | 1974-03-21 | 1976-06-29 | Dornier System Gmbh | Process for manufacturing hollow-cylindrical rotors |
RU2286535C1 (en) * | 2005-03-10 | 2006-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for making a rotor of spherical gyroscope |
RU2660756C2 (en) * | 2016-11-03 | 2018-07-09 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method of making spherical gyroscope rotor |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
О.С. Юльметова, М.А. Туманова, А.Г. Щербак. Исследование процесса корректировки дисбаланса сферического ротора на стадии напыления тонкопленочного покрытия. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2017, том 17, N 6, стр. 1045-1051. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4380212A (en) | Arrangement for uniformly coating surfaces of revolution by vapor deposition in a high vacuum | |
CN112281133B (en) | Harmonic oscillator film thickness distribution and uniformity correction method | |
RU2743492C1 (en) | Ball gyroscope rotor manufacturing method | |
Chen et al. | A stitching linear-scan method for roundness measurement of small cylinders | |
RU2592748C1 (en) | Method for making electrostatic gyroscope rotor | |
CN111394700A (en) | Evaporation coating manufacturing device and method | |
CN112985299B (en) | Optical probe online detection method based on path planning | |
US20030236645A1 (en) | Evaluating method for testing of simple geometry and complete gauging of the work pieces with defined tolerance zones | |
CN107218879A (en) | The method that Nano Coordinate Measuring Machine microballoon probe sphericity high-acruracy survey can be achieved | |
CN110500989B (en) | Beam bridge deflection test error control method | |
CN112435837A (en) | Spherical three-dimensional uniform magnetic field coil for SERF atomic magnetic field/inertial measurement sensor | |
RU2638870C1 (en) | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method | |
RU2812538C1 (en) | Method for manufacturing electrostatic gyroscope rotor | |
CN110375680A (en) | The measuring method of revolving body dynamic shaft core position based on binocular visual positioning technology | |
RU2507306C1 (en) | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments | |
CN116009478A (en) | Wafer surface shape prediction model establishment method based on Abbe principle and Blaine principle | |
RU2660756C2 (en) | Method of making spherical gyroscope rotor | |
Zhang et al. | A systematic error modeling and separation method for the special cylindrical profile measurement based on 2-dimension laser displacement sensor | |
RU2555699C1 (en) | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope | |
Chen et al. | Research on automatic compensation technology for eccentricity of grinding wheel | |
JP2012112894A (en) | Method for centering probe | |
Filippov et al. | Integrated approach to the technology of manufacturing electrostatic gyro rotors | |
CN114440851B (en) | Static installation error and parameter identification method, storage medium and equipment of flat electrode type hemispherical resonator gyroscope | |
CN114813799B (en) | Residual stress field measuring device and modeling method for spherical shell parts | |
Broadway et al. | Controlling thin film thickness distribution in two dimensions |