автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка технологии и оборудования для балансировки полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа лазерным излучением

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Современное состояние вопроса балансировки резонатора ВТГ

1.2. Анализ требований к конструкции резонатора ВТГ

1.2.1. Принцип действия и конструкция ВТГ

1.2.2. Требования к конструкции резонатора для проведения балансировки

1.3. Обзор способов определения и коррекции дисбалансов резонатора ВТГ

1.3.1. Влияние дисбалансов резонатора на дрейф ВТГ

1.3.2. Способы определения дисбаланса от четвертой гармоники распределения упруго-массовых погрешностей резонатора

1.3.3. Способы определения 1-т-З гармоник дефекта распределения масс

1.3.4. Обзор способов коррекции дисбалансов

1.4. Постановка задачи ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КОРРЕКЦИИ ДИСБАЛАНСОВ РЕЗОНАТОРА ВТГ ПО 1*3 ГАРМОНИКАМ

2.1. Разработка методики идентификации 1-ьЗ гармоник дефекта распределения масс

2.2. Разработка методики комплексной балансировки резонатора ВТГ

2.3. Разработка алгоритма балансировки резонатора по 1н4 гармоникам

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МАТЕРИАЛОМ РЕЗОНАТОРА ВТГ

3.1. Исследование лазера как «инструмента» для коррекции неуравновешенных масс и обоснование режимов лазерной балансировки резонатора ВТГ

3.2. Формообразование следа на поверхности резонатора ВТГ

3.2.1. Методика и оборудование для проведения эксперимента

3.2.2. Формообразование отверстий под воздействием лазерного излучения

3.3. Определение зависимостей величин дисбалансов резонатора ВТГ от длительности излучения лазера

3.4. Исследование влияния основных технологических факторов на геометрические параметры и весовую характеристику балансировочного следа

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОГО БАЛАНСИРОВОЧНОГО КОМПЛЕКСА

4.1. Анализ существующего оборудования для лазерной балансировки резонаторов ВТГ

4.2. Разработка оборудования для определения 1-5-3 гармоник

4.3. Разработка лазерного балансировочного комплекса для определения и устранения дисбалансов по 1-5-4 гармоникам ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ БАЛАНСИРОВКИ РЕЗОНАТОРА ПО 1-;-4 ГАРМОНИКАМ ДЕФЕКТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС НА ТОЧНОСТЬ ВТГ

5.1. Анализ экспериментальной коррекции дисбалансов по 1-5-4 гармоникам дефекта распределения масс резонатора

5.2. Влияние коррекции дисбалансов по 1-5-3 гармоникам на добротность резонатора ВТГ

5.3. Оценка точности балансировки 1-5-3 гармоник по дрейфу ВТГ

5.4. Перспективы развития лазерной балансировки резонаторов ВТГ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Развитие современной авиационной и ракетной техники характеризуется значительным ростом скоростей, дальности полета, маневренности управляемых и беспилотных летательных аппаратов (JIA), а также сложностью решаемых тактико-технических задач. Важная роль в решении задач по управлению JIA, заключающихся в определении и обеспечении движения, ориентации и автономной навигации, принадлежит гироскопическим приборам и системам.

Требования, предъявляемые к точности современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) управления, оцениваются скоростью дрейфа гироскопа из-за действия возмущающих моментов, составляющих тысячные доли градуса в час. Жесткие требования к БИНС требуют постоянного совершенствования гироскопов по таким параметрам как точность, надежность, ресурс работы, время готовности, массовые и габаритные характеристики, стоимость и т.д.

В связи с этим в отечественном и зарубежном приборостроении наряду с совершенствованием конструкции и технологии изготовления существующих гироскопов (лазерных, динамически настраиваемых) проводятся исследования по созданию перспективных гироскопов, функционирующих на новых физических принципах. Одним из таких приборов является волновой твердотельный гироскоп (ВТГ).

Принцип действия ВТГ основан на свойстве инертности упругих волн во вращающихся осесимметричных телах. Преимуществами ВТГ являются:

- высокая точность (менее 0,001 °/час);

- отсутствие в конструкции вращающихся деталей и узлов (подшипников, ротора);

- устойчивость к прерыванию подачи электропитания;

- устойчивость к воздействию радиационного излучения;

- малое потребление энергии (< 1 Вт);

- малая чувствительность к воздействию внешних вибраций и ускорений;

- малое время готовности, определяемое электроникой ВТГ.

Предполагаемый спектр использования прибора чрезвычайно широк: от систем автоматического управления наземными объектами до БИНС, используемых на самолетах, вертолетах, ракетах и космических аппаратах различного назначения.

По мнению ведущих отечественных и зарубежных специалистов, BIT найдет широкое применение в ближайшее время, а его предельная точность будет определяться собственными шумами электронных систем.

Основной частью ВТГ является резонатор - тонкая полусферическая оболочка, закрепленная на цилиндрическом стержне в области полюса. Высокие точностные характеристики ВТГ во многом зависят от балансировки чувствительного элемента (ЧЭ) по 1-г4 гармоникам распределения упруго-массовых погрешностей, вызванных несовершенством технологии изготовления ЧЭ и анизотропией физико-механических свойств его материала.

В настоящее время повысились требования к точности как самого ВТГ, так и его основной части - резонатора. Потребовалось проведение большого объема теоретических и экспериментальных исследований на разработку методик определения параметров дисбалансов и способов их коррекции.

Целью диссертационной работы является разработка технологии и оборудования для балансировки полусферического резонатора ВТГ лазерным излучением, обеспечивающих увеличение точности, производительности процесса и повышение точностных характеристик ВТГ.

Для достижения поставленной цели необходимо разработать, исследовать и оптимизировать комплексные методики и алгоритмы определения и коррекции дисбалансов от 1^4 гармоник дефекта распределения масс ре7 зонатора ВТГ; экспериментально исследовать особенности формообразования следа на кромке резонатора при многократном воздействии лазерного излучения; разработать и оптимизировать математическую модель зависимости величины удаляемой массы от основных технологических факторов с целью повышения точности и качества балансировки; осуществить практическую реализацию балансировки резонаторов ВТГ в лабораторных условиях; разработать принципы построения управляемого от ЭВМ прецизионного балансировочного оборудования; показать эффективность балансировки по дрейфу ВТГ; определить перспективы развития лазерной балансировки резонаторов ВТГ.

Первая глава показывает состояние вопроса балансировки резонатора ВТГ к настоящему моменту времени. Кратко излагается принцип действия и конструкция прибора. Рассматриваются причины возникновения дисбалансов, их влияние на точность гироскопа.

Проводится выбор способа коррекции масс. Исходя из вышеперечисленного, осуществляется постановка задачи, решаемой в настоящей диссертационной работе, направленная на повышение точностных характеристик ВТГ.

Вторая глава содержит методику определения 1*3 гармоник дефекта распределения масс резонатора. Указываются особенности точечной коррекции масс, и предлагается комплексный алгоритм коррекции первых четырех гармоник.

Третья глава посвящена выбору режимов работы лазера для коррекции дисбалансов резонаторов ВТГ с минимальным воздействием на структуру его материала. В главе рассматриваются процессы формообразования следов балансировки лазерным излучением. На основании экспериментальных данных строится математическая модель изменения геометрических параметров и весовой характеристики балансировочного следа от основных технологических факторов при коррекции масс лазерным излучением. 8

Четвертая глава рассматривает существующее оборудование для лазерной балансировки резонатора ВТГ. Указываются основные недостатки такого оборудования. С их учетом предлагаются схемы и элементы конструкции лазерного балансировочного комплекса (ЛБК) для определения и устранения дисбалансов от 1-г4 гармоник распределения упруго-массовых погрешностей резонатора.

Пятая глава посвящена анализу результатов балансировки резонаторов по 1-г4 гармоникам распределения упруго-массовых погрешностей, оценке влияния коррекции масс на добротность резонатора и дрейф ВТГ.

Исследования и опытные разработки проводились на российской организации Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро (ФНПЦ РПКБ, г. Раменское, Московской обл.) совместно с сотрудниками кафедры «Технология производства приборов и систем управления летательных аппаратов» «МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского (г. Москва) и Института Проблем Механики Российской Академии Наук (г. Москва).

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

По разработанным методикам определения и коррекции 1ч-3 гармоник дефекта распределения масс по кромке резонатора с использованием разработанного оборудования для определения и устранения этих дефектов была произведена экспериментальная балансировка лазерным излучением партии чувствительных элементов ВТГ. Результаты показали, что коррекция дисбалансов по 1ч-3 гармоникам в 7,5-И3,2 раза уменьшила реакции в опорах резонатора, что привело к снижению диссипации энергии колебательной системы и увеличению добротности резонаторов в 1,2-3,8 раза. Это подтвердило истинность теоретических оценок о необходимости балансировки резонатора по вышеназванным гармоникам.

Как следствие балансировки, наблюдалось уменьшение синусоидальной систематической составляющей дрейфа ВТГ от снижения потерь колебательной энергии в областях крепления резонатора в корпусе прибора. При уменьшении реакций в опорах резонатора в 8,4 раза, величина его добротности возросла в 2,25 раза, что привело к снижению синусоидальной составляющей дрейфа ВТГ в 7,5 раза. Это подчеркивает важность и необходимость процесса балансировки полусферического резонатора для создания точного ВТГ.

Рассмотрены перспективы развития технологического процесса лазерной балансировки резонаторов ВТГ, направленные на дальнейшее повышение точности и производительности коррекции масс.

157

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, представленные в диссертации, определяют научную новизну настоящей работы и позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Разработаны, исследованы и экспериментально подтверждены комплексные методики определения и коррекции дисбалансов от 14-4 гармоник распределения упруго-массовых погрешностей резонатора ВТГ, положенные в основу новой технологии и оборудования, обеспечивающих более чем на порядок увеличение точности балансировки и повышение ее производительности.

2. Исследованы особенности формообразования следа на кромке резонатора при многократном взаимодействии лазерного излучения с материалом чувствительного элемента, позволившие определить режимы лазерной коррекции, при которых не наблюдается падение добротности и достигается минимальный объем дефектного слоя на поверхности следа.

3. Построена математическая модель процесса взаимодействия лазерного излучения с материалом резонатора ВТГ, позволившая определить зависимость весовой характеристики и геометрических параметров следа от основных технологических факторов: энергии и длительности пачки лазерных импульсов, положения фокуса объектива оптической системы относительно кромки резонатора, начального теплового нагрева материала резонатора. Анализ полученных уравнений обеспечил выявление оптимального режима удаления масс в процессе балансировки.

4. По разработанным методикам и алгоритмам проведена экспериментальная лазерная балансировка партии резонаторов ВТГ по 1-4-4 гармоникам дефекта распределения масс в лабораторных условиях. В результятр -чктттрптлл^рытя п1,ииу т/гг^ггрттппятгмт* пглттл7хтрчт/л »л » .У V ■ 1V 11.Т. VII А • IV 1 ил V 1 X IV/! 1IV .

159

1. Егармин Н.Е. Динамика волнового твердотельного гироскопа: Препринт АН СССР. ИПМ. - М.Д986. - 68 с.

2. Егармин Н.Е. Динамика неидеальной оболочки и управление ее колебаниями // Изв. АН СССР. МТТ. 1993. - №4 - с. 49 - 59.

3. Егармин Н.Е. О прецессии стоячих волн колебаний вращающейся осесимметричной оболочки // Изв. АН СССР. МТТ. - 1986. - №1. - с. 142 -148.

4. Егармин Н.Е. Свободные и вынужденные колебания вращающегося вязкоупругого кольца // Изв. АН СССР. МТТ. 1986. - №2. -с. 150- 154.

5. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. -М.: Наука, 1985. 126 с.

6. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. О динамических эффектах в упругом вращающемся кольце //Изв. АН СССР. МТТ. 1983. - №5. - с. 17 - 23.

7. Журавлев В.Ф., Попов A.JI. О прецессии собственной формы колебаний сферической оболочки при ее вращении // Изв. АН СССР. МТТ.- 1985. -№1,- с. 147-151.

8. Збруцкий A.B., Сарапулов С.А., Локоть Н.М. Влияние вращения на автоколебания кольцевого резонатора // Изв. ВУЗов. Приборостроение.- 1989. №9. - с. 45-51.

9. Збруцкий A.B., Сарапулов С.А., Киселенко С.П. Влияние погрешностей изготовления упругого кольцевого резонатора на точность твердотельного волнового гироскопа // Механика гироскопических систем.- 1987.-Вып. 6.-с. 18-23.

10. Збруцкий A.B., Сарапулов С.А., Киселенко С.П. Частотные характеристики неидеального оболочечного резонатора // Изв. ВУЗов. Приборостроение, 1982. - №6. - с. 34 - 40.160

11. Матвеев В.А., Нарайкин О.С., Иванов И.П. Расчет полусферического резонатора на ЭВМ // Изв. ВУЗов. Машиностроение. -1987. №7. - с. 76-80.

12. Новожилов В.В. Расчет напряжений в тонкой сферической оболочке при произвольной нагрузке // Доклады АН СССР. Москва, 1940 - Т. ХХУП, №6. - с. 537 - 540.

13. Сарапулов С. А., Киселенко С.П. Влияние маятниковых колебаний на точность твердотельного волнового гироскопа // Механика гироскопических систем. -1991. Вып. 10. - с. 50 - 53.

14. Сарапулов С.А., Киселенко С.П., Павловский М.А. Влияние продольной вибрации на динамические характеристики твердотельного волнового гироскопа // Изв. ВУЗов. Приборостроение. 1991. - №1. - с. 48 -53.

15. Егармин Н.Е. Нелинейные эффекты в динамике вращающегося кругового кольца // Изв. АН СССР. МТТ. 1993. - №3. - с. 50 - 53.

16. Северов Л.А. Механика гироскопических систем: Учеб. пособие. -М.: Изд-во МАИ, 1996.-212 с.: ил.

17. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. «Гироскоп, приборы и устройства»/ Д.С. Пельпор, И.А. Михалев, В.А. Бауман и др.; Под ред. Д.С. Пельпора.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1988.-424 е.: ил.

18. Измайлов Е.А., Журавлев В.Ф., Дормаш М.Н. Состояние и проблемы исследований ВТГ. Разработка теории управляемого ВТГ. М., Вопросы фундаментальных и поисковых исследований в интересах оборонной промышленности, вып. 69, 1991.

19. Егармин Н.Е. Некоторые проблемы динамики волнового твердотельного гироскопа: Препринт АН СССР. ИПМ.- М., 1989. 44 с.

20. Егармин Н.Е. Погрешности волнового твердотельного гироскопа: Препринт АН СССР. ИПМ. М., 1989. - 20 с.161

21. Журавлев В.Ф., Линч Д.Д. Электрическая модель волнового твердотельного гироскопа //Изв. РАН. МТТ. 1995.-№1.-с. 12-24.

22. Киреенков А.А. Исследования электрической модели волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) // Изв. РАН. МТТ. 1996. - №3. - с. 142 -153.

23. Egarmin N.E., Yurin V.E. Introduction to theory of vibratory gyroscopes // Published by Binom Co., Moscow, 1993. ISBN 5-85959-037-7.

24. Loper E.J., Lynch D.D. Hemispherical resonator gyros report and test results // Proceeding of the National Technical Meetings of Institute of Navigation. New York, 1984. - p. 105 - 107.

25. Loper E.J., Lynch D.D., Stevenson K.M. Projected perfomans of smaller hemispherical resonator gyros // Proseeding of the IEE. Position, location and navigation symposium. New York, 1986. - p. 61 - 64.

26. Жбанов Ю.К., Журавлев В.Ф. О балансировке волнового твердотельного гироскопа. Изв. РАН. МТТ. 1998. №4.

27. Журавлев В.Ф. Теоретические основы волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) // Изв. АН СССР. МТТ. 1993. - №3. - с. 50 - 59.

28. Матвеев В.А., Липатников В.И., Алехин А.В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа: Учеб. Пособие для ВТУЗов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. - 168 е., ил.

29. Липатников В.И., Матвеев В.А. Система съема информации твердотельного волнового гироскопа // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1997. -№1. - с. 109-113.

30. Zbanov Y.K. Theoretical aspects of balansing the hemispherical resonator gyro // The 2th Saint Petersburg International Conferens on Gyroscopic Technology and Navigation. Saint Petersburg, 1995. - p. 88.162

31. Гуськов А.М., Чижов A.C. Модель резонатора твердотельного волнового гироскопа как динамической системы оболочка-крепежный стержень. Вестник МГТУ, Сер. Пр-е, 1991, №4, с. 55-63.

32. Патент РФ 2147117. Способ балансировки полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа / Б.П. Бодунов, В.М. Лопатин, Б.С. Лунин. Опубл. в Б.И. № 9, 2000.

33. Технический отчет по теме №1483. Разработка методик регулировки резонатора и создание оборудования для регулировки, М, МАТИ, 1987.163

34. Технический отчет по теме №1483. Разработка лазерного балансировочного комплекса для частотной настройки ВТГ, М, МАТИ, 1988.

35. Технический отчет по теме №1483/2. Оптимизация режимов частотной настройки резонатора ТВГ лучом С02-лазера, М, МАТИ, 1989.

36. Патент РФ 2079107. Устройство для автоматической балансировки резонатора твердотельного волнового гироскопа лучом лазера / П.Н. Баранов, В.М. Суминов, В.М. Опарин, Г.М. Виноградов, В.И. Липатников, Е.Т. Шариков. Опубл. в Б.И. №13, 1997.

37. Loper E.J., Lynch D.D. Projected System Performance Based on Resent HRG Test Results. Proc. IEEE/AIAA 5th Digital Avionics Systems Conference, Seattle, WA, Octeber 31 November 3, 1983.

38. Loper E.J., Lynch D.D. Vibratory Rotational Sensor, United States. № 4951508. August, 1990.

39. Lynch D.D. Hemispherical resonator gyro // IEEE Trans. Aerosp. Electron. System. 1984. - №17. - p. 432 - 433.

40. Pat. 415704 (USA), ICN G01cl9/58. Sonic vibrating bell gyro / E.J.Loper, D.D.Lynch (USA); General Motors Corp. (USA). №908548; Declar. 22.05.78; Publish 05.06.79; NCN 73-505.- 10 p.

41. Bryan G.H. On the beats in the vibrations of revolving cylinder or bell //Proc. Gamb. Phil. Soc. Math. Phys. Sci. 1890. - V.7. - p. 101 - 111.

42. Scott V.B. Delco makes low-cost gyro prototype // Aviation week. -1982.-V.117,№17.-p. 64-72.

43. Точность производства в машиностроении и приборостроении. Под ред. А.Н. Гаврилова. М., Машиностроение, 1973.

44. Сарапулов С.А., Киселенко С.П., Иосифов А.О. Влияние вращения на динамику неидеального полусферического резонатора // Механика гироскопических систем. 1993. - Вып. 12. - с. 59 - 66.164

45. Суминов В.М., Опарин В.И. и др. исследование процесса обработки кварцевых полусферических резонаторов ТВГ излучением импульсного С02 лазера, М, МАТИ, 1989.

46. Химия: Справ, материалы: Кн. Для учащихся /Ю.Д. Третьяков, H.H. Олейников, Я.А. Кеслер, И.В. Казимирчик; Под ред. Ю.Д. Третьякова. 2-е изд., перераб. -М.: Просвещение, 1989. - 224 с.

47. Промышленные применения лазеров/Под ред. Дж. Реди; Пер. с англ. В.А. Афанасьева, Е.А. Верного, К.Б. Шерстнева; -М.: Изд-во «Мир», 1981.-640 е.: ил.

48. Промышленное применение лазеров/Под ред. Г. Кебнера; Пер. с англ. A.JI. Смирнова; Под ред. И.В. Зуева. М.: Машиностроение, 1988. -280 е.: ил.

49. Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях / М.С. Бахарев, Л.И. Миркин, С.А. Шестериков и др. М., Изд-во Моск. унта. 1988.-224 с.

50. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. М.: Сов. Радио, 1979. - 136 е., ил. - (Массовая б-ка инженера «Электроника»),

51. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, И. В. Зуев, А. Н. Кокора. М.: Машиностроение, 1985. - 496 е., ил.

52. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учеб. пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, A.A. Соколов; Под ред. А.Г. Григорьянца.- М.: Высш. шк. 1988.- 191 е.: ил.

53. Лазерное технологическое оборудование для обработки кварцевого резонатора, Справка, М, МАТИ, 1989.

54. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989. - 304 е.: ил.

55. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов A.C. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 336 е.: ил.165

56. Бартенев Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла. М., Стройиздат, 1960.

57. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 7.0 PRO М.: CK Пресс, 1998. 352 е., ил.

58. Доладугина B.C., Чижов A.C. Нарушения изотропности в кварцевом стекле, снижающее диссипативные характеристики. «Оптический журнал», 1998, том 65, №12, с. 146 152.

59. Многомерный статистический анализ и временные ряды, М. Кендалл, А. Стьюарт, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1976.

60. Матвеев В.А., Липатников В.И., Алехин A.B. Идентификация неоднородности распределения массы резонатора твердотельного волнового гироскопа // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1997. - №1. - с. 104- 108.166