СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЗУБЧАТОГО РЕЗОНАТОРА ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА
METHOD OF BALANCING METAL TOOTHED RESONATOR OF SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE

Изобретение относится к балансировке резонаторов волновых твердотельных гироскопов и может быть использовано при производстве навигационных приборов для самолетов, катеров, управляемых бурильных головок.
Необходимость балансировки резонаторов волновых твердотельных гироскопов вызвана отклонением геометрии реальных резонаторов от идеальной осесимметричной формы. С этой целью проводят измерения параметров неуравновешенной массы и удаляют ее с определенных мест резонатора. Чтобы избежать изменения жесткости резонатора, удаление неуравновешенной массы осуществляют с поверхности балансировочных зубцов, расположенных на кромке резонатора [ЕР 0141621, MHK:G01C19/56, 1983]. Точность балансировки зависит от точности измерения параметров неуравновешенной массы и точности удаления массы с каждого балансировочного зубца.
Наиболее близким к предложенному способу является способ балансировки резонатора волнового твердотельного гироскопа [Rozelle D.M. The hemispherical resonator gyro: from wineglass to the planets // Spaceflight Mechanics. 2009. V.134. AAS 09-176]. Этот способ включает определение параметров неуравновешенной массы, а именно ее величины и распределения по кромке резонатора, расчет массы, подлежащей удалению с каждого балансировочного зубца и удаление ее с поверхности балансировочных зубцов импульсным лазерным лучом.
Известный способ может быть использован для балансировки резонаторов, изготовленных как из кварцевого стекла, так и из металла.
Недостатком известного способа является ограниченная точность балансировки, связанная с тем, что величина массы, испаряемой лазерным импульсом, зависит от многих параметров. Например, в работе [Белкин А.А. Разработка технологии и оборудования для балансировки полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа лазерным излучением // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2000. 189 с.] предложена формула, включающая 16 параметров, большинство из которых подбирают экспериментально для каждой обрабатываемой поверхности. Так как поверхности балансировочных зубцов отличаются друг от друга, точность удаления неуравновешенной массы лазерным испарением ограничена и составляет по данным авторов 1-3%.
Задачей изобретения является повышение точности удаления неуравновешенной массы при балансировке металлических зубчатых резонаторов.
Технический результат заключается в повышении качества резонатора за счет улучшения осевой однородности его упруго-массовых свойств, которая достигается за счет использования технологии электрохимического растворения излишней массы.
Поставленная задача решается тем, что измеряют параметры неуравновешенной массы, рассчитывают массы, подлежащие удалению с каждого балансировочного зубца, и удаляют ее с поверхности балансировочных зубцов путем электрохимического растворения, при этом каждый зубец погружают в отдельную ванну с электролитом и через поверхность каждого зубца пропускают электрический заряд, величину которого регулируют временем пропускания постоянного тока, величину которого выбирают в зависимости от состава электролита и металла резонатора.
Поставленная задача решается тем, что заявленный способ балансировки металлического зубчатого резонатора волнового твердотельного гироскопа, включает измерение параметров неуравновешенной массы, расчет массы, подлежащей удалению с каждого балансировочного зубца, и удаление ее с поверхности балансировочных зубцов путем электрохимического растворения, при этом каждый зубец погружают в отдельную ванну с электролитом и через поверхность каждого зубца пропускают электрический заряд, величину которого регулируют временем пропускания постоянного тока, величину которого выбирают в зависимости от состава электролита и металла резонатора.
Частным вариантом настоящего изобретения является упомянутый выше способ, согласно которому удаление неуравновешенной массы осуществляют с каждого зубца по очереди или одновременно.
Частным вариантом настоящего изобретения является упомянутый выше способ, согласно которому массу, подлежащую удалению с каждого зубца, рассчитывают по
формуле
i
где M - масса, подлежащая удалению с балансировочного зубца i,
i
ϕ - угловая ориентация балансировочного зубца i,
ψ - угловая ориентация неуравновешенной массы,
k - коэффициент, определяемый конструкцией резонатора.
Частным вариантом настоящего изобретения является упомянутый выше способ, согласно которому отключение тока, протекающего через каждый зубец, осуществляют посредством автоматического таймера, устанавливаемого на заранее рассчитанное время.
Предлагаемый способ балансировки металлического зубчатого резонатора волнового твердотельного гироскопа включает следующие стадии: измерение параметров неуравновешенной массы, расчет массы, подлежащей удалению с каждого балансировочного зубца, и удаление неуравновешенной массы с поверхности балансировочных зубцов путем электрохимического растворения, при этом каждый зубец погружают в отдельную ванну с электролитом и через поверхность каждого зубца пропускают заранее рассчитанный электрический заряд, величину которого контролируют временем пропускания постоянного тока.
Несомненным преимуществом заявленного способа является возможность удаления неуравновешенной массы со всех зубцов одновременно, что позволяет значительно уменьшить время балансировки. В этом случае все зубцы одновременно погружают в систему изолированных друг от друга ванн с электролитом, а схема подключения тока предусматривает наличие выключателя (таймера) для каждого зубца с целью контроля времени прохождения тока и, соответственно, электрического разряда, необходимого для удаления неуравновешенной массы с каждого конкретного зубца. Более того, наличие таймеров, установленных на заранее заданное время включения (выключения) в схеме подключения электрического тока к каждому зубцу, позволяет осуществлять процесс в автоматическом режиме.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид металлического зубчатого резонатора волнового твердотельного гироскопа, на фиг.2 показана конструкция 16-зубцового металлического резонатора с пьезоэлектрическими преобразователями, на фиг.3 схематически изображен отдельный балансировочный зубец в электролитической ванне при удалении неуравновешенной массы.
1
2
Металлический зубчатый резонатор, имеющий не менее 16 балансировочных зубцов, закрепляют посредством втулки 1 (см. Фиг.1, 2). Для определения параметров неуравновешенной массы в резонаторе возбуждают колебания и проводят измерения их амплитуд. Для возбуждения колебаний в резонаторе и их измерений могут быть использованы емкостные, магнитные, пьезоэлектрические преобразователи, число таких преобразователей не менее трех. Из-за массового дисбаланса резонатора собственные частоты второй изгибной моды колебаний, которая является рабочей модой волнового твердотельного гироскопа, не равны друг другу, в результате чего амплитудно-частотная характеристика резонатора имеет два резонансных пика. Разность этих двух резонансных частот F и F по модулю прямо пропорциональна величине неуравновешенной массы M:
где k - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией резонатора [В.А. Матвеев, В.И. Липатников, А.В. Алехин. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1998. С.63].
1
2
1
2
1
Величины резонансных частот определяют путем подачи на один из преобразователей переменного напряжения возбуждения, а два других преобразователя, расположенных под углом 45° друг к другу, используют для определения резонанса и измерения углового положения неуравновешенной массы на кромке резонатора. Изменяя частоту напряжения возбуждения, измеряют амплитудно-частотную характеристику резонатора, определяют две резонансные частоты F и F (F<F) и вычисляют их разность. Угловая ориентация неуравновешенной массы соответствует угловой ориентации ψ низкочастотной собственной оси на частоте F. Это угловое положение определяют по формуле:
0
45
где U - напряжение пьезоэлектрического преобразователя, положение которого принимают за условный 0 окружного угла; U - напряжение пьезоэлектрического преобразователя, расположенного под углом 45.
i
Для балансировки резонатора неуравновешенная масса удаляется с балансировочных зубцов 2. Массу M, подлежащую удалению с балансировочного зубца i, определяют по формуле:
i
где ϕ - угловая ориентация балансировочного зубца i.
i
Рассчитанную неуравновешенную массу удаляют с каждого зубца путем электрохимического растворения. Для этого резонатор погружают в электролит (см. Фиг.3), при этом каждый зубец 2 погружают в отдельную ванну с электролитом 4 и через поверхность каждого зубца пропускают заранее рассчитанный электрический заряд. Согласно закону Фарадея количество удаленного металла прямо пропорционально электрическому заряду, прошедшему через обрабатываемую поверхность. Для балансировки резонатора через поверхность балансировочного зубца i необходимо пропустить заряд Q, равный:
где K - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции и материала резонатора. Этот коэффициент определяют экспериментально по потере массы за единицу времени электрохимического растворения.
i
Величину пропускаемого через поверхность зубца i электрического заряда Q, контролируют временем пропускания t постоянного тока I.
Величина тока I определяется по формуле:
где S - площадь поверхности балансировочного зубца, ρ - плотность тока, рекомендуемая в общедоступных справочниках для конкретного состава электролита и температуры электрохимического растворения. В качестве электролита могут быть использованы любые, известные специалистам электролиты, используемые для электрохимического растворения. Предпочтительны кислотные электролиты, обеспечивающие растворение продуктов, образующихся при электрохимическом растворении металла. Условия электрохимического растворения (в частности, температуру и плотность тока) выбирают исходя из конкретного сплава, из которого изготовлен резонатор, в соответствии с рекомендациями общедоступных источников, таких как [Розбери Ф. Справочник по вакуумной технике и технологии. 1972. М.: Энергия. 456 с.].
После электрохимической обработки резонатор промывают дистиллированной водой и сушат.
i
Как следует из формул (3)-(5) точность удаления массы с балансировочного зубца определяется нестабильностью тока I, проходящего через его поверхность и ошибкой во времени обработки t. На практике погрешность этих величин не превышает 0.01-0.1%, что и позволяет существенно повысить точность удаления неуравновешенной массы при балансировке металлического зубчатого резонатора волнового твердотельного гироскопа по сравнению с известным способом.
1
2
0
45
1,
Согласно заявляемому изобретению был осуществлен способ балансировки зубчатого цилиндрического резонатора из нержавеющей стали диаметром 25 мм с рабочей частотой колебаний около 4.2 кГц (см. Фиг.2). Резонатор снабжен 8 пьезоэлектрическими преобразователями 3, приклеенными на внешнюю сторону его дна и 16 балансировочными зубцами 2, расположенными с интервалом 22.5°. Положение пьезоэлектрического преобразователя 3-1 принимали за условный 0 окружного угла. Для определения параметров неуравновешенной массы резонатора к пьезоэлектрическому преобразователю 3-3 прикладывали переменное напряжение амплитудой 5 В с частотой около 4.2 кГц. К пьезоэлектрическим преобразователям 3-1 и 3-2, расположенным под углом 45°, подключали вольтметры переменного тока. Изменяя частоту приложенного переменного напряжения, измеряли амплитудно-частотную характеристику резонатора, определяли резонансные частоты F, F и вычисляли их разность. По величинам напряжений U и U пьезоэлектрических преобразователей 3-1 и 3-2, соответствующих резонансу на частоте F рассчитывали угловую ориентацию собственной оси ψ по формуле (2). Полученные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
F<sub>1</sub>, Гц
F<sub>2</sub>, Гц
F<sub>2</sub>-F<sub>1</sub>, Гц
U<sub>0</sub>, B
U<sub>45</sub>, В
ψ, град.
4203.06
4223.19
20.13
0.602
0.133
6.23
i
2
Расчет электрического заряда, пропускаемого через поверхность каждого балансировочного зубца, проводили по формуле (4). Экспериментально определенная величина коэффициента К составляла 1,91 Кл/Гц. Для расчета времени электрохимического растворения металла с каждого зубца задавали значение тока I=32 мА и определяли t по формуле (5). Это значение тока соответствовало плотности тока 80 мА/см, приведенной в справочнике [Розбери Ф. Справочник по вакуумной технике и технологии. 1972. М.: Энергия. 456 с.] и рекомендуемой там же для нержавеющей стали при использовании электролита следующего состава:
Азотная кислота концентрированная 70%
Уксусная кислота концентрированная 30%.
Результаты расчетов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Номер балансировочного зубца i
Угловое положение балансировочного зубца ϕ<sub>i</sub>, град.
Заряд Q<sub>i</sub>, Кл
Время обработки t<sub>i</sub>, с
2-1
0
73.317
2291.2
2-2
22.5
54.649
1707.8
2-3
45
3.580
111.9
2-4
67.5
22.248
695.3
2-5
90
73.317
2291.2
2-6
112.5
54.649
1707.8
2-7
135
3.580
111.9
2-8
157.5
22.248
695.3
2-9
180
73.317
2291.2
2-10
202.5
54.649
1707.8
2-11
225
3.580
111.9
2-12
247.5
22.248
695.3
2-13
270
73.317
2291.2
2-14
292.5
54.649
1707.8
2-15
315
3.580
111.9
2-16
337.5
22.248
695.3
i
Неуравновешенную массу удаляли с поверхности балансировочных зубцов путем ее электрохимического растворения одновременно со всех зубцов. При этом каждый зубец 2 погружали в отдельную ванну с электролитом 4 (Фиг.3). Клемму «-» внешнего источника тока 5 подключали к электроду 6 через выключатель 7, а клемму «+» внешнего источника тока 5 подключали к резонатору. Электрохимическое растворение металла с поверхности каждого балансировочного зубца проводили в течение времени, указанного в таблице 2, при комнатной температуре и величине постоянного тока I=32 мА. Величину электрического заряда Q, протекающего через поверхность зубца, контролировали временем замыкания выключателя 7, согласно таблице 2. После электрохимической обработки резонатор промывали дистиллированной водой, сушили и вновь проводили измерение параметров неуравновешенной массы. Результаты измерений приведены в таблице 3.
Таблица 3
<img file="00000008.tif" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />, Гц
<img file="00000009.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, Гц
<img file="00000010.tif" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />, Гц
<img file="00000011.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />, В
<img file="00000012.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />, В
<img file="00000013.tif" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />, 0
4223.23
4223.21
0.02
0.605
0.13
6.06
Согласно данным таблицы 3 частоты  и  практически равны, то есть резонатор отбалансирован. Точность удаления неуравновешенной массы составила
.
Таким образом, предложенный способ балансировки металлических зубчатых резонаторов волновых твердотельных гироскопов позволяет довести точность удаления неуравновешенной массы до 0.1%.