Сравнительнаяоценка электрофизических и электрохимических способов создания рисунка на роторах электростатических гироскопов

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 629.7.036:621.373

Сравнительная оценка электрофизических и электрохимических способов создания рисунка на роторах электростатических гироскопов

О. С. Юльметова, А. Г. Щербак, А. А. Белаш, Б. Е. Ландау, А. Ю. Филиппов

Представлена сравнительная оценка трех способов создания рисунка: электрохимический, фотолитографический и лазерное маркирование. Рассмотрены достоинства и недостатки их использования при формировании растрового рисунка для ротора электростатического гироскопа. Сформулированы принципы сравнения рисунков на основе использования характеристик, предопределяющих эффективность функционирования оптоэлектронной системы съема информации гироскопа: кривые нелинейности, пространственные карты отражений поверхности ротора, экваториальный срез рисунка.

Ключевые слова: ротор, оптический рисунок, лазерное маркирование, электрохимия, фотолитография, оптическая система съема информации, гироскоп.

Перспективы дальнейшего развития и совершенствования бескарданного электростатического гироскопа (БЭСГ) связаны в значительной мере с улучшением условий функционирования оптоэлектронной системы съема информации с поверхности основного конструктивного элемента БЭСГ — сплошного бериллиевого ротора [1]. Точность и уровень технологического обеспечения процесса изготовления сферического ротора во многом определяют эксплуатационные характеристики гироскопа, используемого как в системах определения ориентации орбитальных космических аппаратов [2], так и в приборах вну-тритрубной диагностики при газо- и нефтедобыче. Принцип работы гироскопов этого типа основан на оптическом съеме сигнала, отраженного от поверхности сферического ротора, вращающегося в вакуумированной камере под действием сил электромагнитного поля. На поверхности ротора выполняется контрастный рисунок из чередующихся светлых и темных полос, наклоненных под определенным углом к широтным сечениям окружности ротора. Оптоэлектронные датчики облучают поверхность ротора и преобразуют отраженный от ротора модулированный световой поток в электрические сигналы. Полезная инфор-

мация об изменении углового положения оси вращения ротора относительно оси пары датчиков, содержащаяся в разности фаз сигналов датчиков, позволяет оценивать угол поворота подвижного основания, на котором размещен гироскоп, путем сопоставления данных с датчиков с калибровочной кривой. Очевидно, что точность и стабильность функционирования системы съема во многом определяются качеством растрового рисунка, для формирования которого могут использоваться различные методы. И наиболее объективная оценка эффективности этих методов связана с анализом выходных параметров оптоэлектронной системы съема информации.

Ротор, на поверхности которого формируется растровый рисунок, имеет допустимые отклонения от сферической формы на уровне сотых долей микрометра (амплитуды гармоник А2 < 0,05 мкм, Л3 < 0,025 мкм, Л4, Л5, Аб < 0,015 мкм) и осевой дисбаланс £0 < 0,02 мкм при радиальном дисбалансе £р, лежащем в пределах 0,06 ± 0,02 мкм.

Формирование рисунка, являясь финишной операцией изготовления ротора, не должно вызывать ухудшение геометрии и формы ротора или приводить к изменению его эксплуатационных характеристик. С другой стороны,

МЕШПООБРАБОШ

рисунок не должен вносить неоднородности в свойства поверхности ротора, поскольку это вызывает уводящие моменты в поле электростатического подвеса. Кроме того, технология формирования рисунка должна обеспечивать возможность варьирования его конфигурации в зависимости от конкретных требований к гироскопу.

В одной из модификаций гироскопа растровый рисунок представлен в виде чередующихся темных и светлых полос разного размера, каждая из которых формируется как средний вариант двух линий (ортодромической и локсодромической) [3], частями повторяя их в разных широтах ротора (рис. 1).

К растровому рисунку предъявляется ряд требований. Относительный контраст K, который определяется зависимостью

1 „+0,001 Сфера 0 10+о,оо2

К

К - К К + К

где Rb — коэффициент отражения базовой поверхности ротора; Rr — коэффициент отражения поверхности растра, согласно техническим требованиям лежит в пределах 0,5 ± 0,05.

Неравномерность контраста, определяемая полуразницей максимального и минимального контраста в процентах, должна составлять не более 10 %. Четкость границ растра является обязательным требованием, однако количественными показателями на стадии формирования растра ее определить сложно.

Существуют различные методы нанесения растрового рисунка, каждый из которых имеет достоинства и недостатки. Очевидно, что только сравнительный анализ этих методов с выбором критериев, основанных на данных функционирования оптоэлектронной системы съема информации, позволит объективно определить оптимальную технологию формирования рисунка с обеспечением наиболее эффективного функционирования оп-тоэлектронной системы съема информации в гироскопе.

Цель работы — выявить корреляцию параметров оптоэлектронной системы съема информации бескарданного электростатического гироскопа и характеристик растровых ри-

Рис. 1. Фрагмент чертежа ротора

сунков на поверхности ротора. Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

1) анализ особенностей различных технологий формирования оптических рисунков на поверхности прецизионных узлов гироскопических приборов;

2) выбор критериев оценки и сравнения эффективности функционирования оптоэлек-тронной системы съема информации в зависимости от способа выполнения растрового рисунка;

3) сравнительная оценка выходных параметров оптоэлектронной системы съема информации гироскопа для роторов с рисунками, выполненными различными технологическими методами.

Электрохимический метод нанесения рисунка. Технология нанесения рисунка электрохимическим методом [4] предполагает изготовление специальных электродов, имеющих на вогнутой сферической поверхности полость, геометрическая форма границ которой полностью совпадает с формой растра, представленного на рис. 1.

Одной из сложнейших задач является изготовление электродов. Наиболее очевидный недостаток электрохимической технологии — износ этих электродов. Технология электрохимического метода предполагает заполнение

ЧЕТАППООЕ

электролитом выемки электрода, формирующего растр. Далее электрод с электролитом в специальной оснастке, ориентирующей расположение каждого электрода, подносится к поверхности ротора. Подается напряжение, и цветообразование осуществляется за счет электрохимического воздействия, в результате которого формируется черный отпечаток, с химической точки зрения являющийся конгломератом оксида и гидрооксида бериллия. Отсюда следует, что точность изготовления электрода полностью определяет точность наносимого растра. Однако из-за воздействия электролита электрод подвержен сильному износу. Саморазрушение оснастки приводит к неровности краев рисунка, возможному прожигу и низкой повторяемости значений относительной контрастности и равномерности рисунка. В свою очередь, при малоуправ-ляемом технологическом процессе возможен неконтролируемый брак. Достоинство технологии — получение очень высокого контраста. Недостатки: быстрый износ электродов оснастки, невозможность гибкой перестройки технологии при изменении формы рисунка, изменение формы ротора после нанесения рисунка, неуправляемый разброс контрастности — от 0,5 до 0,8 — при формировании рисунка на одном режиме, высокая неравномерность контрастности — от 13 % и выше.

Метод фотолитографии. Технология изготовления растрового рисунка на сферическом роторе фотолитографическим методом [5, 6] предполагает нанесение равномерного и тонкого светочувствительного слоя (фоторезиста) на ротор в зоне размещения рисунка и формирование светового изображения заданной топологии на сферической поверхности ротора.

Для формирования светового изображения на фоторезистивном слое, нанесенном на ротор, были теоретически и экспериментально исследованы три способа: контактный, проекционный и контактно-проекционный. При контактном способе в качестве фотошаблона использовалась объемная маска, примыкающая непосредственно к сферической поверхности ротора. При проекционном способе световое изображение на сферической поверхности проецируется с плоского фото-

шаблона в расходящемся пучке когерентного света, который исходит из точечного источника, сформированного специальной оптической системой. Контактно-проекционный способ заключается в получении изображения на сферической поверхности с помощью волоконно-оптического преобразователя типа «плоскость-сфера», представляющего собой плоскополусферическую волоконно-оптическую линзу. В качестве источника света был использован типовой люминесцентный осветитель.

На полученный таким образом ротор с защитным рельефом наносили сплошное покрытие из нитрида титана методом катодно-ионной бомбардировки. Затем защитный рельеф с покрытием удаляли, и на роторе проявлялся четкий растровый рисунок, который образован покрытием, прочно сцепленным со свободными от защитного рельефа участками сферической поверхности ротора.

Фотолитографический метод был апробирован при создании растров на роторе элек-тростатичесого гироскопа, диаметр которого составляет 50 мм. Достоинство технологии — возможность получения рисунка требуемой контрастности без изменения формы ротора. Недостатки: отсутствие возможности гибкой перестройки технологии при изменении формы рисунка, использование расходных материалов.

Лазерное маркирование. В качестве альтернативы электрохимическому и фотолитографическому методам нанесения было предложено лазерное маркирование [7, 8]. Современные лазерные комплексы, интегрированные с компьютером, позволяют фрагмент чертежа растра, оформленный в распознаваемом системой формате, посылать на маркировку. Преимущества этой технологии обусловлены рядом факторов. Во-первых, отсутствие изнашиваемой оснастки, что позволяет получить стабильные геометрические очертания растрового рисунка, устойчивые значения относительной контрастности, ее минимальную неоднородность, а также обеспечивает управляемость технологического процесса. Во-вторых, в предложенной технологии рисунок формируется по поверхности тонкопленочного покрытия нитрида титана, что повышает износостойкость узла и обеспечивает

возвратный механизм технологии, поскольку глубина рисунка меньше толщины покрытия, что позволяет химически стравливать покрытие, не нарушая геометрии и формы ротора. В-третьих, механизм цветообразования обусловлен локальным лазерным окислением поверхности пленки нитрида титана за счет образования различных оксидов титана.

Объективная оценка общей эффективности и конкретные преимущества каждого из методов формирования рисунка целесообразно определять на основе сравнительного анализа данных функционирования оптоэлектронной системы съема информации.

Для оптической системы съема важным понятием является кривая нелинейности (или координатная характеристика) — зависимость измеренного угла от истинного угла положения ротора. В идеальном случае (в декартовой системе координат) она должна быть линейной, но из-за большой кривизны сферического ротора, а также из-за погрешностей изготовления гироузла она искажена. Построение кривых нелинейности осуществляется следующим образом. Гироскоп устанавливают на поворотный стол, стол с гироскопом поворачивают на заданный угол, снимают показания гироскопа, строят кривую зависимости разности заданного и измеренного углов, т. е. полученной погрешности, от заданного значения угла. Кривую нелинейности, полученную экспериментально, аналитически описывают рядом Фурье. В связи с этим чем ближе форма кривой нелинейности к форме синусоидального сигнала, тем меньшим набором гармоник она описывается и не содержит высоких гармоник. Каждый ротор индивидуален, и у каждого кривая нелинейности — своя, поэтому полученные гармоники паспортизуются и вычитаются из реального сигнала в целях компенсации погрешности при работе гироскопа в реальных условиях. То есть кривая нелинейности — это погрешность, которая учитывается при построении калибровочной кривой, на ее основе оценивается изменение углового положения подвижного объекта.

Исходя из вышесказанного наиболее значимым критерием оценки качества рисунка принята форма кривых нелинейности. Наряду с этой характеристикой также предложено использовать:

• однородность цветовой гаммы пространственных карт отражений сигнала при сканировании поверхности ротора;

• характеристики экваториального среза рисунка на поверхности ротора.

Пространственная карта отражения поверхности ротора представляет собой развертку отраженного сигнала, описывающего широту и долготу сферического ротора в угловых диапазонах по горизонтали от 0 до 359°, а по вертикали — от 0 до 90°. Карты строят на специальном стенде в статике по следующей схеме. Ротор закрепляется на поворотном основании и поворачивается дискретно с шагом 1° 360 раз. Оптический датчик излучает свет на длине волны работы гироскопа 860 нм и фиксирует отклик, при этом получается срез ротора в текущем сечении. Нулевое положение датчика находится в зоне экватора ротора, т. е. определяется экваториальным срезом. Далее датчик перемещается вдоль верхней полусферы ротора на 1° от нулевой точки экватора, и снова ротор сканируется по кругу. Сначала сканируется верхняя полусфера, затем — нижняя. Программное обеспечение обрабатывает результаты измерения стенда и выдает значения контрастности, рассчитанной по формуле (1), неравномерности и карты отражений для визуальной оценки четкости и однородности рисунка. Пространственная карта отражений — это вид рисунка «глазами» оптической системы съема гироскопа. Для исключения влияния внешнего освещения стенд размещен в темной комнате.

Экваториальный срез — сигнал с оптического датчика, который снят с плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора в зоне экватора, и характеризует уровень отраженного сигнала, мВ, для каждой точки поверхности ротора от 0 до 360°. Экваториальный срез имеет форму меандра как результат отклика на чередование темных и светлых участков. Очевидно, что для равноразмерных полос рисунка на роторе ширина участков меандра должна быть одинаковая. А для рисунка с хорошей равномерностью контраста интенсивность отклика должна быть также одинаковой.

Ниже приводится сравнительная оценка оптических характеристик рисунков, выполненных методом электрохимии и лазерного маркирования, так как именно эти две техно-

1ЕТДЛЛ00БРАБ0Т1

логии были использованы для изготовления серийной продукции.

Внедрение лазерного метода нанесения рисунка в технологический цикл изготовления ротора и анализ статистических данных результатов испытаний гироскопических приборов позволили получить следующие результаты.

Во-первых, технологический брак на такой операции отсутствует. Это связано с ремонтопригодностью технологии, обусловленной возможностью стравливания покрытия и повторного напыления и маркирования рисунка благодаря тому, что глубина рисунка в два раза меньше толщины покрытия.

Во-вторых, гибкость технологии позволила перестроить технологический процесс, когда возникла необходимость изменения конфигурации рисунка для изготовления роторов новых модификаций гироскопа.

В-третьих, набор статистических данных показал, что угловая скорость вращения ротора с лазерным рисунком стабилизируется

Нелинейность

-30

60

Градусы

Рис. 2. Кривые нелинейности, построенные для двух роторов с электрохимическим рисунком:

— кривая 1:  — кривая 2

Нелинейность

-40

Градусы

Рис. 3. Кривая нелинейности ротора с лазерным рисунком

при радиальном дисбалансе 0,06 ± 0,02 мкм, а для ротора с электрохимическим рисунком — при дисбалансе 0,08 ± 0,04 мкм. Это может быть связано с уменьшением диссипатив-ных потерь при вращении ротора благодаря большей однородности поверхностного слоя ротора за счет уменьшения глубины и площади лазерного рисунка. Следует отметить, что глубина рисунка при лазерном маркировании в четыре раза меньше, чем при методе электрохимии.

В-четвертых, появилась заметная стабильность при построении кривых нелинейности. Для электрохимического рисунка кривые нелинейности не имели повторяемости и характер самих кривых сильно отличался от синусоидального, что создавало дополнительные погрешности при аппроксимации этих кривых рядом Фурье, а следовательно, усложняло модель погрешности оптической системы съема информации.

На рис. 2 представлены кривые нелинейности, построенные для двух роторов с электрохимическим рисунком.

Для лазерного рисунка характерный вид кривой нелинейности представлен на рис. 3. Из рисунка видно, что нелинейность лазерного рисунка имеет форму, близкую к форме синусоидального сигнала. В перспективе если набор статистики покажет стабильность и повторяемость формы кривых, то эту нелинейность можно будет учесть в форме рисунка, который отправляется на маркировку, что сведет итоговую нелинейность к минимуму. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность уменьшения влияния нелинейности на точность определения остальных коэффициентов оптической системы съема и в конечном счете может упростить модель ее погрешности.

В-пятых, неравномерность контрастности рисунка уменьшилась на практике в два раза: с 15 % для электрохимии до 7 % при лазерном маркировании. На рис. 4 представлены пространственные карты отражений, полученные при сканировании поверхности ротора. Рисунок показывает, что карта отражения поверхности ротора с электрохимическим рисунком (рис 4, а) имеет сильную неоднородность по сравнению с картой отражения ротора с лазерным рисунком (рис. 4, б).

а)

1 2 3 4 5 6

б)

1 2 3 4 5 6 7

У//////ЛУ/////Л

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 8

УХУ/////

Рис. 4. Пространственные карты отражений сигнала с поверхности ротора: а) электрохимический; б) лазерный рисунок

Для лазерного рисунка — это четкие полосы с однородным контрастом.

О четкости и однородности лазерного рисунка позволяет судить и экваториальный срез. Судя по экваториальному срезу рисунка, сигнал с датчика для лазерного рисунка (рис. 5) более стабилен. Интенсивность отражения от темных полос соизмеримая — порядка 0,013 мВ. Для электрохимического рисунка интенсивность отраженного сигнала темных полос находится в диапазоне 0,004-0,013 мВ, а значит, полосы разноконтрастные. Меньшая интенсивность отраженного сигнала говорит о более высоком уровне контрастности для электрохимического рисунка. Для лазерно-

го рисунка контраст составляет 0,5 ± 0,05, а для электрохимического — 0,7 ± 0,1. Однако больший контраст создает большую неоднородность на поверхности ротора.

Использование технологии лазерного маркирования при изготовлении серии роторов упростило методику калибровки, так как уменьшилось число идентификационных коэффициентов благодаря синусоидальной форме кривых нелинейности для роторов с лазерным рисунком.

Перспективы дальнейших работ связаны с уменьшением контрастности рисунка наряду с увеличением коэффициента усиления оптического датчика. Требуется выявить оп-

ЧЕТАППООЕ

тимальное соотношение коэффициента контрастности рисунка и коэффициента усиления датчика, обеспечивающее корректную работу оптической системы съема информации гироскопа. Уменьшение контрастности уменьшает глубину рисунка и, как следствие, поверхностную неоднородность ротора, возникающую при формировании рисунка. Интерес вызывает формирование рисунка путем локальной модификации шероховатости без химико-физических преобразований поверхности ротора, что возможно при маркировании рисунка на поверхности ротора в среде аргона.

Выводы

Определены критерии оценки и проведено сравнение эффективности функционирования оптоэлектронной системы в зависимости от способа выполнения растрового рисунка.

На основе выбранных критериев и анализа технологических методов формирования рисунка установлена зависимость параметров оптоэлектронной системы съема информации бескарданного электростатического гироскопа от характеристик растровых рисунков на роторе.

Выявлены принципиальные преимущества лазерного растра по сравнению с растром, полученным электрохимическим методом. Обозначены перспективы дальнейших исследований.

Литература

1. Ландау Б. Е. Электростатический гироскоп со сплошным ротором // Гироскопия и навигация. 1993. № 1. С. 6-12.

2. Основные результаты разработки и испытаний системы определения ориентации на электростатических гироскопах для низкоорбитальных космических аппаратов / Б. Е. Ландау, Г. И. Емельянцев, С. Л. Левин [и др.] // Гироскопия и навигация. 2007. № 2 (57). С. 3-12.

3. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. 832 с.

4. Сравнительная оценка электрохимического и фотохимического методов формообразования светокон-трастного рисунка на роторе бескарданного электростатического гироскопа / Б. Н. Агроскин, В. И. Галай [и др.] // Гироскопия и навигация. 1996. № 3 (14). С. 39-45.

5. Пат. РФ № 2140623 от 27.10.99 г. МКИ 001025/00, 002Б27/18. Способ изготовления рельефных рисунков на сферических поверхностяхи устройство для его осуществления / В. А. Гинзбург, А. К. Гуттовская, В. Н. Нарвер [и др.]

6. Филиппов В. А., Перминова Н. В., Гинсбург В. А. Расчет плоских фотошаблонов для проецирования изображения на сферические поверхности // Гироскопия и навигация. 1997. № 3 (18). С. 35-38.

7. Юльметова О. С. Разработка технологических методов управления функциональными характеристиками узлов гироприборов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2011. 24 с.

8. Управление контрастностью растрового рисунка при лазерной маркировке: моделирование технологического процесса / О. С. Юльметова, А. Г. Щербак, В. П. Вейко [и др.] // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. № 6 (58). С. 485-49.

Уважаемые авторы!

Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.

Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.

С уважением, редакция журнала «Металлообработка»