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半球谐振子关键性能及制造工艺研究新进展

机械工程学报 2024年第3期60卷 354-372页

作者：马传震刘赫男陈明君田金川周子涵孙建刚秦彪哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

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... 详细信息

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。

关键词：半球谐振子频率裂解品质因数制造工艺

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半球谐振子质量不平衡对振动特性的影响研究

仪器仪表学报 2023年第3期44卷 244-252页

作者：王鹏曲天良刘天怡张熙张红波华中光电技术研究所武汉光电国家研究中心武汉430223

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... 详细信息

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。

关键词：半球谐振子质量不平衡振动特性频率裂解耦合振动

半球谐振子固有刚性轴方位角测量方法与仿真研究

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振动与冲击 2022年第5期41卷 166-172页

作者：朱蓓蓓楚建宁秦琳王宜新陈肖汪学方许剑锋上海航天控制技术研究所上海201109 华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074

半球谐振子固有刚性轴方位角测量是谐振子制造及调平等工艺过程的重要基础。首先对半球谐振子固有刚性轴方位角的测定方法进行了理论分析,其次开展了基于位置激励的半球谐振子谐响应仿真研究,模拟了固有刚性轴位置的测定过程,最后通过... 详细信息

半球谐振子固有刚性轴方位角测量是谐振子制造及调平等工艺过程的重要基础。首先对半球谐振子固有刚性轴方位角的测定方法进行了理论分析,其次开展了基于位置激励的半球谐振子谐响应仿真研究,模拟了固有刚性轴位置的测定过程,最后通过设计试验,采用非接触式声波激励,激光多普勒测振仪采集唇缘不同位置的振动信号,完成了半球谐振子固有刚性轴方位角的测定。该方法的角度分辨率优于1°,结果表明:其固有频率主轴方位角的辨识误差约为4.4%,具有良好的可行性,该方法装置简单、便于操作,对半球谐振子初期研制过程中固有刚性轴方位角的精确定位具有重要的参考意义。

关键词：半球谐振子固有刚性轴谐响应仿真声激励

基于最小均方算法的半球谐振子特征参数辨识方法

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中国惯性技术学报 2021年第1期29卷 101-106页

作者：郜中星徐睿东张勇刚哈尔滨工程大学物理与光电工程学院哈尔滨150001 哈尔滨工程大学智能科学与工程学院哈尔滨150001

作为半球谐振陀螺的核心元件,半球谐振子的加工水平直接决定了陀螺的性能优劣。然而,目前尚缺乏有效方法来对半球谐振子的性能进行量化评估。针对这一问题,提出一种利用最小均方(LMS)算法来对半球谐振子的刚度各向异性Δω、刚度失准角... 详细信息

作为半球谐振陀螺的核心元件,半球谐振子的加工水平直接决定了陀螺的性能优劣。然而,目前尚缺乏有效方法来对半球谐振子的性能进行量化评估。针对这一问题,提出一种利用最小均方(LMS)算法来对半球谐振子的刚度各向异性Δω、刚度失准角θ__(ω)、阻尼各向异性Δ(1/τ)和阻尼失准角θ_(τ)这四种特征参数进行辨识的方法。首先,根据非理想谐振子的正交误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δω和θ_(ω)信息的陀螺正交分量q的数据集;其次,根据非理想谐振子的驻波方位角误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δ(1/τ)和θ_(τ)信息的驻波方位角θ的数据集;然后,根据正交误差方程和驻波方位角误差方程构建基于LMS算法的特征参数辨识模型;最后,利用Simulink程序仿真验证所提出辨识方法的有效性。仿真结果表明:半球谐振子的四个特征参数全部在8s以内完成辨识,并且全部收敛于参数的设定值。该方法不仅可以实现对半球谐振子的加工水平进行量化评估,而且可以为半球谐振陀螺的误差分析与补偿提供理论依据。

关键词：半球谐振子最小均方算法特征参数全角半球谐振陀螺

半球谐振子外球面加工原理误差分析及实验研究

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光学技术 2022年第3期48卷 295-300页

作者：刘军汉熊长新曲天良车驰骋华中光电技术研究所武汉光电国家研究中心武汉430223

通过对“范成法”加工半球谐振子外球面的机理分析,推导出外球面曲率半径的计算公式,分析出影响谐振子外球面形状误差的主要因素为砂轮的形状误差、机床的轴系定位偏差和机床旋转轴的跳动。砂轮形状误差包括砂轮中径误差和砂轮刃口半径... 详细信息

通过对“范成法”加工半球谐振子外球面的机理分析,推导出外球面曲率半径的计算公式,分析出影响谐振子外球面形状误差的主要因素为砂轮的形状误差、机床的轴系定位偏差和机床旋转轴的跳动。砂轮形状误差包括砂轮中径误差和砂轮刃口半径误差,机床轴系定位偏差包括X、Y和B轴定位偏差,机床旋转轴跳动包括径向跳动和轴向跳动。通过优化外球面加工工艺参数,加工得到的谐振子外球面圆度小于0.25μm,同心度小于0.4μm,表面粗糙度小于0.02μm,谐振子品质因数大于2.6×10^(7)。

关键词：半球谐振子范成法球面圆度表面粗糙度品质因数

半球谐振子曲面加工干涉分析及其超精密磨削工艺

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金刚石与磨料磨具工程 2022年第1期42卷 10-17页

作者：刘赫男秦彪王廷章田金川陈明君哈尔滨工业大学精密工程研究所哈尔滨150001

半球谐振子作为半球谐振陀螺的核心部件,其加工精度和表面质量直接影响半球谐振陀螺的工作精度和使用寿命。为解决半球谐振子加工难题,提高半球谐振陀螺的性能,从半球谐振子的结构特征出发,对谐振子加工过程中的干涉进行理论分析;再根... 详细信息

半球谐振子作为半球谐振陀螺的核心部件,其加工精度和表面质量直接影响半球谐振陀螺的工作精度和使用寿命。为解决半球谐振子加工难题,提高半球谐振陀螺的性能,从半球谐振子的结构特征出发,对谐振子加工过程中的干涉进行理论分析;再根据球头砂轮磨削区域分布的特点进行磨削轨迹规划,确定谐振子不同磨削阶段球头砂轮的最佳转角;最后在自研的半球谐振子超精密磨削机床上进行加工实验。超精密磨削后的谐振子表面粗糙度(Ra值)由0.615 8μm提升至0.040 2μm,面形精度(PV值)由4.590 4μm提升至0.339 0μm;经磁流变抛光后谐振子表面粗糙度(Ra值)进一步提高至0.003 2μm。研究表明:采用轨迹规划后的磨削工艺可避免砂轮与工件间的干涉,并加工出高质量的半球谐振子零件。

关键词：半球谐振子超精密磨削干涉分析轨迹规划加工工艺

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形位误差对半球谐振子频率裂解的影响

中国科学：技术科学 2023年第8期53卷 1385-1399页

作者：刘俊峰刘科显赵羽乾李飞王林凤陈善勇国防科技大学装备综合保障技术重点实验室长沙410073 国防科技大学智能科学学院长沙410073

半球谐振子是半球谐振陀螺(hemispherical resonant gyroscope,HRG)最重要的部件,其加工时引入的形位误差是造成其频率裂解并最终影响HRG精度的主要因素.本文通过优化网格划分方法建立理想半球谐振子有限元模型,大幅提升了仿真模型精度... 详细信息

半球谐振子是半球谐振陀螺(hemispherical resonant gyroscope,HRG)最重要的部件,其加工时引入的形位误差是造成其频率裂解并最终影响HRG精度的主要因素.本文通过优化网格划分方法建立理想半球谐振子有限元模型,大幅提升了仿真模型精度,分析了厚度误差、中径误差、端面误差、相对位置误差等各类形位误差对谐振子频率裂解的影响规律,利用滤波与同心处理从圆度测量数据中提取谐振子厚度差信息,同时采用白光干涉子孔拼接技术获取半球端面全口径面形,结合离子束加工技术验证了球壳厚度与端面面形度误差对半球谐振子频率裂解的影响,为进一步提高半球谐振子加工性能提供理论与技术支撑.

关键词： HRG 半球谐振子形位误差频率裂解子孔拼接

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一种半球谐振子固有刚性轴方位的标定方法

中国惯性技术学报 2021年第4期29卷 526-531页

作者：袁立山解伟男奚伯齐王泽宇伊国兴曾庆双哈尔滨工业大学航天学院空间控制与惯性技术研究中心哈尔滨150080 哈尔滨工业大学(鞍山)工业技术研究院鞍山114000

固有刚性轴方位是半球谐振子振动性能参数的一个核心指标,其方位的精确标定对于谐振子质量平衡精度提升具有重要意义。利用矩阵逼近法将谐振子的径向振动分解为主驻波和辅驻波,从理论上论证了主驻波和辅驻波在圆周角和振动相位上的正交... 详细信息

固有刚性轴方位是半球谐振子振动性能参数的一个核心指标,其方位的精确标定对于谐振子质量平衡精度提升具有重要意义。利用矩阵逼近法将谐振子的径向振动分解为主驻波和辅驻波,从理论上论证了主驻波和辅驻波在圆周角和振动相位上的正交性,从而说明了谐振子节点振动和辅驻波之间的关系,进而设计了谐振子固有刚性轴方位的标定方案,即在谐振子上相隔22.5°的两个位置上分别进行静电激励,并测量二者各自的节点振幅,通过节点振幅的比值可以标定固有刚性轴的方位。数值仿真的结果表明:针对超低频率裂解(0.005 Hz以下)谐振子的固有刚性轴方位标定,所提出方法的理论辨识误差量级可达到10^(-12)度,此外,该测试方法的理论测试时长可控在100秒以内,与其他方法相比,在测试效率上有着较为明显的优势。

关键词：半球谐振子固有刚性轴矩阵逼近法静电激励

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变壁厚半球谐振子设计及参数优化

中国惯性技术学报 2020年第6期28卷 789-793页

作者：胡强滕霖岳亚洲曹诗音朱良健孟冰中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所西安710065

相比采用球面电极的半球谐振陀螺,采用平板电极的半球谐振陀螺可有效降低零部件制造和陀螺装配难度,但该陀螺仅利用半球谐振子唇沿进行振型激励和检测。针对传统等壁厚半球谐振子唇沿面积小,影响采用平板电极的半球陀螺振型激励效率和... 详细信息

相比采用球面电极的半球谐振陀螺,采用平板电极的半球谐振陀螺可有效降低零部件制造和陀螺装配难度,但该陀螺仅利用半球谐振子唇沿进行振型激励和检测。针对传统等壁厚半球谐振子唇沿面积小,影响采用平板电极的半球陀螺振型激励效率和检测信噪比的问题。设计了一种变壁厚半球谐振子,通过有限元分析仿真研究了变壁厚半球谐振子球壳表面半径、表面球心距离、内圆角和锚柱半径等关键参数对各阶振型及相应频率的影响,给出了一组变壁厚半球谐振子优化参数。通过对比优化后谐振子的工作频率的实测结果与仿真结果,验证了所提出的仿真模型的有效性及可靠性。结果表明,所提出的变壁厚半球谐振子在保证工作振型谐振频率基本不变且相邻振型频差较大的情况下,通过增大唇沿面积有效增加了激励电容和检测电容面积,为提高陀螺振型激励效率和检测信噪比奠定基础。最后对3个变壁厚谐振子工作振型的谐振频率进行实验测试,测试与仿真结果非常接近,证明所提出的有限元仿真和分析较为准确。

关键词：半球谐振陀螺平板电极半球谐振子唇沿面积