УСТАНОВКА ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ВОЛНОВЫХ ГИРОСКОПОВ И ИЗМЕРЕНИЯ ИХ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Полезная модель относится к области приборостроения, а более конкретно к установкам для балансировки кварцевых резонаторов твердотельных волновых гироскопов, применяющихся в навигационных системах самолетов, кораблей, космических аппаратов и в управляемых бурильных установках.
В настоящее время балансировку кварцевых резонаторов твердотельных волновых гироскопов производят путем удаления массы с поверхности оболочки резонатора с помощью лазерного луча. Чтобы уменьшить влияние процесса на добротность резонатора в районе экватора (кромки) оболочки резонатора нарезают зубцы [1, 2], служащие для удаления масс кварцевого стекла в процессе балансировки. Нарезание зубцов (необходимых исключительно для технологических целей) существенно увеличивает трудоемкость и стоимость резонаторов. Кроме того, наличие промежутков между зубцами не позволяет вести сплошное удаление дефектов геометрии, имеющих плавный характер.
2
Известно устройство для автоматической балансировки резонатора твердотельного волнового гироскопа лучом лазера [3], содержащее вакуумный стенд с прозрачным окном, закрепленным неподвижно датчиком возбуждения и двумя датчиками перемещения, поворотную платформу, на которой закреплен резонатор, причем платформа через магнитную муфту соединена с электроприводом, имеющим блок управления, блок создания среды, выставленный соосно с имеющимся объективом импульсный CO-лазер с блоком управления, при этом фокус объектива совпадает с кромкой резонатора, поворотную заслонку, расположенную между лазером и объективом, микроЭВМ, имеющую комплектацию из процессора, четырехвходного аналого-цифрового преобразователя, двух цифроаналоговых преобразователя, регистра данных и выходного регистра, блок измерений и блок синхронизации.
Указанному устройству присущи следующие недостатки:
- в процесс балансировки лазерный луч производит точечный нагрев оболочки резонатора, в результате которого происходит выплескивание точечной массы кварцевого стекла и образование кратеров в рабочей зоне оболочки резонатора, что приводит к локальным напряжениям, снижающим акустические (добротность) и прочностные свойства резонаторов;
- относительно большое время процесса балансировки;
- невозможность проведения балансировки резонаторов, не имеющих балансировочных зубцов;
- невозможность контроля других гармоник дебаланса (кроме четвертой, приводящей к разночастотности колебаний резонатора).
Несмотря на недостатки, указанное решение можно принять за прототип, как наиболее близкий аналог.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание установки для балансировки кварцевых резонаторов твердотельных волновых гироскопов и измерения их акустических параметров, обеспечивающей получение технического результата, состоящего:
- в улучшении акустических и прочностных свойств балансируемых резонаторов;
- в обеспечении возможности балансировки резонаторов, не имеющих балансировочных зубцов на оболочке резонатора;
- в обеспечении возможности контроля не менее 4-х гармоник дебаланса и их уменьшения в процессе балансировки до требуемого минимума.
Этот технический результат согласно предлагаемой заявке на полезную модель достигается тем, что установка для балансировки кварцевых резонаторов твердотельных волновых гироскопов и измерения их акустических параметров включает установленную на вибронезависимом фундаменте вакуумную камеру, соединенную с системой вакуумирования, ионноплазменный источник, размещенный внутри камеры узел крепления резонатора, связанный с установленным вне камеры программным электроприводом его вращения, систему возбуждения колебаний резонатора и съема информации о линейных и угловых движениях оболочки резонатора и датчик съема информации о параметрах вибрации ножки возбужденного резонатора, систему управления с пультом управления, программным блоком и блоком обработки измеряемых параметров. Указанная установка производит непрерывное удаление масс с наружной поверхности оболочки резонатора пучком ионов, что снижает погрешность распределения масс до минимальных значений и, как следствие, повышает акустические качества кварцевых резонаторов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (Фиг.1), на котором представлена блок-схема патентуемого устройства.
Установка для балансировки кварцевых резонаторов твердотельных волновых гироскопов включает вакуумную камеру 1, установленную на вибронезависимом фундаменте 2 и соединенную с системой вакуумирования 3, состоящей из вакуумных насосов, аппаратуры управления и контроля параметров вакуума в камере 1 (на чертежах не показаны). На вакуумной камере 1 установлен ионноплазменный источник 4, генерирующий пучок ионов, бомбардирующих внешнюю полусферическую поверхность оболочки 5 резонатора 6, закрепленного внутренней ножкой 7 в поворотном узле крепления 8 резонатора 6, размещенном внутри камеры 1. Поворотный узел крепления 8 резонатора через передаточный механизм 9 связан с установленным вне камеры программным электроприводом вращения 10 резонатора. Во внутренней полости полусферической оболочки 5 резонатора 6 установлена система 11 возбуждения колебаний резонатора и съема информации о параметрах рабочих колебаний оболочки 5. Вблизи второй (внешней) ножки (позицией не обозначена) резонатора 6 размещен датчик 12 (лазерный или пьезоэлектрический) съема информации о линейных колебаниях этой ножки вдоль трех осей, вызванных дефектами распределения масс в теле полусферической оболочки 5 резонатора 6. Управление процессами при балансировке и контроле параметров работы резонаторов, а также обработка результатов измерений выполняются системой управления 13, в состав которой входит программный блок 14 и блок обработки 15 измеряемых параметров. Задание режимов балансировки и контроля измерения параметров осуществляется оператором с пульта управления 16, связанного с системой управления 13 установки.
6
Установка работает следующим образом. Во внутренней полости вакуумной камеры 1 на поворотном узле 8 крепления резонатора устанавливается подвергающийся балансировке кварцевый резонатор 6 и крепится, например, за внутреннюю ножку 7. Система вакуумирования 3 производит откачку газа из вакуумной камеры 1 до остаточного давления порядка 2×10 мм.рт.ст. Для выявления места расположения масс, подлежащих удалению, и закона их распределения резонатор с помощью системы 11 возбуждают на резонансной частоте и поворачивают вокруг оси программным электроприводом 10. Наличие несбалансированных масс на оболочке 5 резонатора приводит к угловым и линейным колебаниям ножки. По сигналам, снимаемым с датчика 12, определяются амплитуды минимум 4-х гармоник разложения дефекта в ряд Фурье в зависимости от углового положения дефекта в теле оболочки резонатора. Полученные результаты используются для расчета оптимального закона балансировки, после чего производится балансировка резонатора. Для этого во внутреннюю полость вакуумной камеры 1 с помощью электронного натекателя (на чертеже не показан) напускается аргон, являющийся рабочим газом ионно-плазменного источника 4. Воздействием на определенные участки оболочки резонатора низкоэнергетическим пучком ионизированных частиц производится удаление микроскопических слоев с поверхности оболочки, не вызывая напряжений и не образовывая глубоких кратеров (воронок) на поверхности полусферической оболочки, снижающих добротность резонаторов. Снижение погрешности распределения масс производится в процессе балансировки до минимального значения, не превышающего нескольких десятков микрограмм, и которое можно зафиксировать датчиком 12.
После проведения балансировки производят контроль следующих параметров кварцевого полусферического резонатора:
- частоту собственных колебаний и добротность;
- разночастотность;
- разнодобротность;
- величины 1-4 гармоник дисбаланса;
- азимутальное положение 1-4 гармоник дисбаланса.
Измерение акустических параметров производится в вакуумной камере 1. Для регистрации сигналов используются емкостные и пьезоэлектрические датчики.
7
Патентуемая установка по сравнению с известными позволяет на порядок сократить время балансировки кварцевых резонаторов, довести точность балансировки резонаторов до 30 мгк при сохранении высокой акустической добротности резонатора (10 и выше) и производить балансировку резонаторов, не имеющих балансировочных зубцов. Установка позволяет также контролировать следующие параметры кварцевых полусферических резонаторов: частоту собственных колебаний и добротность резонаторов, положение осей добротности и разнодобротность, положение осей жесткости и разночастотность, величину дисбаланса на основной форме колебаний и азимутальное расположение дефектов масс на основной форме колебаний.
Источники информации:
1. Патент ЕР 0141621 (А2), кл. МПК G01C 19/56. Vibratory rotational sensor. Опубл. 15.05.1985 г.
2. David D. Lynch. The Hemispherical Resonator Gyro. Principal Technical Fellow. Delco Systems Operations 6767 Hollister Avenue Goleta, CA 93117 USA.
3. Патент RU 2079107, кл. МПК G01C 19/56, G01M 1/38 (2006.01). Устройство для автоматической балансировки резонатора твердотельного волнового гироскопа лучом лазера. Приоритет от 06.07.1993 г.
4. А.С. 1556280, кл. МПК 7G01 19/56. Способ определения механического разбаланса резонатора твердотельного волнового гироскопа. Приоритет от 01.02.1988 г.
5. А.С. 1582799, кл. МПК G01C 19/56. G01M 1/38. Способ динамической и статической балансировки резонатора вибрационного твердотельного гироскопа. Приоритет от 22.04.1988 г.
6. Патент RU 2147117, кл. МПК G01C 19/56 (2006/01). Способ балансировки полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа. Приоритет от 04.12.1998 г.