半球谐振子关键性能及制造工艺研究新进展

半球谐振陀螺具有结构简单、精度高、可靠性高、工作寿命长等特性,在国防军事、通信卫星、载人航天、天文观测、海洋工程等领域具有重大应用场景。半球谐振子作为半球谐振陀螺仪的核心器件,其加工质量直接影响半球谐振子的频率裂解和品质因数,进而影响半球谐振陀螺仪的工作精度和使用寿命,因此非常有必要对半球谐振子的性能及制造工艺进行研究。主要从半球谐振陀螺仪工作原理和研究历程、半球谐振子的频率裂解和品质因数、半球谐振子的制造工艺三个方面进行综述,重点分析了半球谐振子的频率裂解与品质因数的研究方法和最新进展以及半球谐振子的超精密磨削工艺和抛光工艺,并探讨分析了其在发展过程中面临的挑战和仍需要解决的问题,希望为后续精确计算、测量半球谐振子的频率裂解和品质因数,改进半球谐振子的制造工艺,提高半球谐振陀螺仪的导航精度提供参考。     

有缺陷半球壳振型进动的研究

半球壳是新型半球谐振陀螺HRG 的核心部件。本文主要研究有缺陷(如壳体材料密度不均匀,壳体壁厚加工不均匀)的半球壳谐振子旋转时振型的进动情况。对于设计半球谐振陀螺有现实意义。     

对准误差对半球谐振陀螺仪输出精度的影响

通过误差机理分析以及在单轴速率转台上的标定试验,分析了半球谐振陀螺仪的激励器和位移传感器对准误差对输出精度的影响.利用环形谐振子的运动方程,得出了在对准误差的情况下谐振子的径向振动方程.根据半球谐振陀螺仪闭环检测原理,计算了陀螺仪输出角速率的误差.计算结果表明,对准误差将产生与角速率平方项有关的误差,导致陀螺仪输出非线性.在单轴速率转台上进行了标定试验,验证了输出中存在与速率平方项有关的误差,并针对克服此项误差进行了一些探讨.     

硅微半球陀螺频率裂解修调工艺规律仿真分析

频率裂解是影响半球谐振陀螺性能的主要因素之一.硅微半球陀螺谐振子球壳的厚度为μm量级,半径为mm量级,小而脆弱的谐振子导致修调难度大,针对此问题,文中通过有限元仿真的方法分析了在硅半球壳谐振子唇边进行打孔对频率裂解的影响规律.得到了"应该在低频模态上打孔以减小频率裂解"、"修调的加工精度需要在微米级甚至是亚微米级"、"...     

薄壁金半球壳镀金沉积法制造技术研究

通过对薄壁金半球壳的结构工艺性分析,采用了在黄铜胎上沉积金层的工艺方法来制造薄壁金半球壳,获得的半径为2mm和4mm,厚度为0.05mm的纯金半球壳体,工艺实现过程相对简单,制造成本较低.为薄壁壳体的制造提供一种新的技术途径.     

半球谐振陀螺振子耦合振动的有限元分析

半球壳谐所在振子是半球谐振陀螺的敏感部件。如何固定，封装该谐振子有重要的实际意义。本文在详细分析谐振子振动的基础上，采用有限元法深入研究了支承结构，得到了支承杆对其振动特性影响的有关规律。基于减小支承杆弯曲振动对谐振子动力特性的影响，得到Ψ型结构最佳的重要结论，给出了谐振子有关参数的实用设计准则。     

力平衡模式下半球谐振陀螺正交误差控制

针对力平衡半球谐振陀螺的正交漂移问题,对半球谐振陀螺的漂移机理进行了理论建模与分析。引起半球谐振陀螺漂移的主要因素是谐振子的频率裂解以及周向振元衰减时间常数不一致。谐振子振元衰减时间常数不一致主要导致陀螺产生同相漂移;而谐振子频率裂解主要导致陀螺产生正交漂移。同相漂移由于和外界输入角速率所产生的哥氏力相位相同,因此无法从陀螺的输出中剔除,只能通过标定进行补偿。正交漂移则可通过正交控制回路改变谐振子不同方位角上的刚度系数予以消除。为了将谐振子的频率裂解抑制到最小,将陀螺正交漂移项作为正交回路的误差反馈量,实现了基于FPGA的全数字控制方案。实验结果表明,此控制方案可以有效地降低谐振子的频率裂解,抑制半球谐振陀螺的正交漂移。     

半球谐振子质量不平衡对振动特性的影响研究

质量不平衡是半球谐振子制造过程产生的主要缺陷之一,其对谐振子的振动特性产生重要的影响。为制定半球谐振质量不平衡评价方法及为修调提供依据,对谐振子的结构特征及质量不平衡进行了表征,通过耦合振动物理模型及仿真分析,明确了谐振子耦合振动产生机理、质量不平衡对频率裂解及支撑损耗的影响。并通过实验,测得了谐振子的不同去除质量下频率裂解特性及耦合振动特性,得到了谐振子质量不平衡与振动特性之间的关系,通过实验数据得出未经过平衡的谐振子1、3次谐波及2次谐波的分布特征,以及它们引入的支撑损耗分别为1.6×10^-8、3.7×10^-9;频率裂解与4次谐波不平衡质量对应关系为0.01 Hz/μg,由此可以对谐振子质量不平衡进行评价及制定调平工艺。     

变厚度轴对称壳谐振子振型的进动研究

轴对称壳谐振子绕其中心轴旋转时,其振型相对壳体将发生移动,称为环向振型的进动。振型的进动角(?)与壳体转过的角(?)有一恒定的关系(图1),可写成(?)=K(?)_1(1>K>0)(1)K 称为振型的进动因子。作者在文献中,对等厚度轴对称壳振型的进动情况作了详细分析。由于实际加工条件的局限和出于某些特殊要求的考虑,实用中的壳体总是变厚度的。本文主要研究变厚度轴对称壳谐振子旋转时环向振型的进动情况,给出圆柱壳和半球壳的具体结论。同时还讨论了半球谐振陀螺中采用n=2(四波腹)环向振型的依据。     

静电梳微谐振子蟹脚型结构的振动特性

运用梁的理论讨论了静电梳微谐振子常见结构———蟹脚型结构的振动特性 ,推导出计算蟹型结构谐振频率的计算公式 ,分析了各几何参量对结构谐振频率的影响 ,并和静电梳微谐振子的另一种常见结构———直脚型结构的振动特性进行了比较。得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有指导意义     

振动轮式微机械陀螺仪中滑膜阻尼机理的研究

对空气阻尼进行定性和定量分析是MEMS器件设计中非常重要的一个步骤，直接影响MEMS器件的动态性能。研究了第三个区域中振动轮式微机械陀螺仪的滑膜阻尼，提出了滑膜阻尼模型，分析了滑膜阻尼的动态性能，包括速度分布、阻尼机制以及由此产生的能量损耗。根据滑膜阻尼分析结果，给出了品质因数的计算公式。试验表明，空气条件下振动轮式微机械陀螺仪品质因数的测试结果与理论值的误差约为16%。研究结果为振动轮式微机械陀螺仪结构设计中定量分析空气阻尼提供了理论依据。     

静电梳微谐振子蟹脚型结构的振动特性

运用梁的理论讨论了静电梳微谐振子常见结构－蟹脚型结构的振动特性,推导出计算蟹型结构谐振频率的计算公式,分析各几何参量对结构谐振频率的影响,并和静电梳微谐振子的另一种常见结构－直脚型结构的振动特性进行了比较,得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有设计具有指导意义。     

半球缺阻流体无阀压电泵的实验验证

设计了一套压电双晶片作为激励源的半球缺阻流体无阀压电泵。分析了该压电泵的结构及工作原理,并采用有限元软件对其内部流场进行模拟分析。仿真结果表明:该泵存在正反向流阻不等特性,半球缺阻可以作为泵的无运动部件阀。最后,实际制作了半球缺无阀压电样泵和多组半径不等的半球缺,并进行了泵的流阻及流量实验。实验结果表明:该泵正反向流时间差随入口压强增大而减小;当驱动电压为150V,频率为17Hz,半球缺半径为4.0mm时,泵的输出流量达到最大,其值为121.4ml/min;同时,该泵单位时间内的输出流量随半球缺半径增大而呈递减的变化趋势,而且半球缺的半径大小对该类无阀压电泵的工作效能有较大的影响。     

半球加工表面粗糙度及其控制技术分析

对半球形零件车削过程中刀具运动轨迹与零件加工型面之间的关系进行分析,从几何运动学角度探讨了加工表面残留面积高度.分析知,残留面积高度主要随进给量增大而增大.在进给量一定时,加工半球半径大,残留面积高度相对小.并对实际加工中表面粗糙度的主要影响因素及控制方法进行分析,为半球件车削表面质量的控制提供了依据.     

MEMS微半球谐振陀螺的力反馈模态及其FPGA平台实现

MEMS(micro-electro-mechanical system)微型陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点,MEMS微半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点,文中分析了微半球谐振陀螺的工作原理以及检测方法。针对MEMS微半球谐振陀螺高工作频率,高品质因数等特点,提供了一种数字式力反馈模式下的MEMS微半球谐振陀螺数字式闭环控制检测方案以及其FPGA平台硬件实现,完成目前MEMS微半球谐振陀螺的控制与检测工作。     

硅微陀螺仪的机械耦合误差分析

机械耦合误差是硅微陀螺仪的主要误差之一,为了向减小或消除机械耦合误差提供理论依据,研究了机械耦合误差的产生机理。本文以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生的误差信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号。结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生。最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号,为342.59 º/s,且与理论结果相吻合。因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一。     

考虑热误差的双转台机床工艺误差谱预测方法

五轴数控机床的几何误差和热误差是影响工件加工精度的两个重要因素,对这些误差因素进行分析可以有效提高薄壁件工件的加工精度。本文首先基于齐次坐标变换法,建立了双转台五轴数控机床的旋转轴几何误差模型;然后基于对标准球进行在机接触测量,辩识得出两旋转轴的12项几何误差,这些误差考虑了两旋转轴之间的相互影响和其热误差的影响;最后分析五轴数控机床加工空间的几何误差场,在该加工空间内几何误差从中心到外侧逐渐增加,当A轴旋转角度增加时,误差的最大值也随之增加。与其它位置误差辨识方法相比,本方法的测量精度符合加工要求,测量时间只需要30 min。     

双壁纳米碳管的谐振与能量耗散特点的研究

运用分子动力学模拟方法模拟气体环境下双壁碳纳米管振荡器的谐振现象和能量耗散。在真空条件下建立双壁纳米碳管谐振子模型,验证双壁碳纳米管振荡器谐振现象,得到内碳管振动位移曲线及在此过程中内碳管所受回复力的变化情况,并讨论温度对同一碳管管型的谐振频率的影响。通过对谐振过程中存在的能量损耗的分析,提出从能量损耗角度来讨论摩擦的方法,得到碳管谐振过程中摩擦力的变化情况。结果表明:双壁碳纳米管的运动类似于弹簧振子的运动,其振幅的衰减快慢与温度有关,温度越高,衰减得越快;摩擦力会导致能量耗散,温度越高,内外碳管间的摩擦力也越大,能量耗散的也越多;双壁碳管中的内碳管在运动中所受的回复力与温度没有关系。     

凸轮磨床及其加工工艺系统误差对凸轮磨削精度的影响和减小误差的措施

对已有的凸轮磨床进行分析,探讨凸轮加工误差的来源,对这些误差进行了分类,在磨削加工的加工误差中既有机床结构误差、,也有系统加工工艺误差,控制系统产生的误差等。着重研究了磨削加工中由于砂轮半径变化、X轴对刀误差、C轴对刀误差引起的凸轮轮廓偏差,还有通过建立几何模型,从数学角度说明了由此造成的影响,并对如何减小这类误差提供了解决措施,最后对凸轮与砂轮磨削时的弹性形变对凸轮加工精度地影响做了一定的分析。     

双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪的理论计算及仿真

提出了一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪.采用两块反相、同频、等幅振动质量块作为敏感单元,通过测量谐振器谐振频率变化来计算转速的大小.推导了哥氏力与输人转速的传递函数,用瑞利-里茨法求得在轴向力作用下梁的固有频率方程,利用马蒂厄方程分析了双端音叉谐振器的运动数学表达式及陀螺仪标度因数方程.ANSYS分析表明:谐振器固有谐振频率为4.043 1×106Hz;在谐振器端部施加1×105Pa预载荷后,谐振频率偏移量为20.7 kHz.仿真结果验证了理论推导的正确性.该陀螺仪减少了振动噪声及能量损耗,消除了外界共模加速度引起的误差.