CN115790418A - 周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置及方法。本发明通过沿球面电极结构的半球谐振陀螺周向布置多个色散共焦测头，利用调整台和运动台合理调节色散共焦测头的姿态及位置，可以精确测得周向多个点处的半球谐振子与谐振陀螺基座间的空间径向装配间隙，为后续装调提供有效的调节依据。本发明无需借助任何电容检测信息即可通过多极空间径向装配间隙数据反演得到半球谐振子和谐振陀螺基座之间的横纵向装配间隙及装配同轴度等***装配关键参数，且测量结果稳定、对工作环境条件要求低，避免了现有电容检测当中测量值易受环境温度、湿度等条件影响的问题。

Description

周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置及方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置及方法。

背景技术

半球谐振陀螺是当前惯性导航***中最先进最核心的传感器件之一，具有十分重要的民用和军用价值。其主要由高品质熔融石英制成的半球谐振子和谐振陀螺基座所组成，谐振陀螺基座按结构可进一步分为球面电极结构和平面电极结构。而半球谐振陀螺精密装配技术在其制造生产过程中起到了至关重要的作用，半球谐振陀螺产品的整体工作性能受到其装配精度的极大影响。

中国专利申请CN114459449A公开了一种半球谐振陀螺谐振子与平板电极装配质量检测方法，通过建立半球谐振子与平板电极间等效装配电容与等效装配间隙的对应关系，使用等效装配电容值来精确表征等效装配间隙值，并以此作为评估半球谐振子与平板电极装配质量的关键指标。中国专利申请CN113804172A公开了平面电极结构半球谐振陀螺精密装配装置及方法，其采用固定于多维调整架上的光谱共焦传感器来采集半球谐振子与谐振陀螺基座间的间隙，并配合差分电容检测装置实现了半球谐振子与基座电极间隙及径向位置偏差的精确测量与调整。

上述半球谐振陀螺装配间隙测量方法虽克服了传统采用标准量块测量间隙过程中存在的对量块外形尺寸要求高、间隙调整困难、易划伤半球谐振陀螺等缺陷，但同时也导致了间隙测量模型及装置复杂度高、普适性差等问题，无法应用于除平面电极结构外的其他类型的半球谐振陀螺当中，目前也暂未发现有球面电极结构的半球谐振陀螺装配间隙检测技术的相关报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置及方法。

本发明的技术方案如下：

周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，包括大理石隔振台、运动台支撑座、Z向长行程运动台、六自由度调整台、柔性无损夹具、半球谐振子、色散共焦测头、色散共焦控制器、角度微调转台、测头固定支架、谐振陀螺基座、二维精密平移台，所述运动台支撑座设置于大理石隔振台上，Z向长行程运动台固定于运动台支撑座上，六自由度调整台固定于Z向长行程运动台上，柔性无损夹具夹持半球谐振子固定在六自由度调整台上，色散共焦测头与色散共焦控制器相连接，并通过角度微调转台固定于测头固定支架上，谐振陀螺基座设置于二维精密平移台上，二维精密平移台固定于大理石隔振台上。

进一步的，所述Z向长行程运动台用于控制测头固定支架沿垂直方向运动，其运动分辨率优于0.3μm，重复定位精度优于1μm。

进一步的，所述测头固定支架上沿半球谐振陀螺周向均匀设置了多个角度微调转台，角度微调转台上固定有色散共焦测头。

进一步的，所述角度微调转台用于调节色散共焦测头与半球谐振陀螺轴线之间的倾角，调节分辨率优于±1′。

进一步的，所述色散共焦测头的测量量程为0.2～1.2mm，纵向测量分辨率优于0.1μm，横向测量分辨率优于5μm。

进一步的，所述色散共焦测头产生光谱色散并捕捉反射光谱至色散共焦控制器，通过提取光谱峰值位置反演半球谐振子的内外表面位置信息来获取空间径向装配间隙。

进一步的，所述六自由度调整台可以实现沿X、Y、Z向的平移和旋转运动，可用于调节半球谐振子的空间位置及姿态以便于进行装配。

周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测方法，包括以下步骤：

S1：分别将半球谐振子和谐振陀螺基座固定于六自由度调整台和二维精密平移台，并将所有色散共焦测头夹持在角度微调转台的同一高度上；

S2：以一号色散共焦测头为例，调节二维精密平移台移动谐振陀螺基座，同时控制Z向长行程运动台移动测头固定支架，使谐振陀螺基座表面位于色散共焦测头的量程终点附近，此时测得的谐振陀螺基座表面距离为D₁₁(下标中的第一个数字表示该距离测量值对应的是一号色散共焦测头)；

S3：来回精调角度微调转台的倾角，使色散共焦控制器接收到的光谱谱峰达到最大值，确保色散共焦测头轴线与谐振陀螺基座表面的球心相交；

S4：调节六自由度调整台完成半球谐振子与谐振陀螺基座间的粗装配，记录此时测得的半球谐振子上表面距离D₁₂和下表面距离D₁₃；

S5：考虑光线折射对半球谐振子下表面距离D₁₃测量结果的影响，采用光线追迹的办法建立几何光学补偿模型，可进一步将下表面距离D_13m表示为D₁₂+k(D₁₃-D₁₂)，其中k表示补偿系数；

S6：于是半球谐振陀螺单极空间径向装配间隙可表示为δ₁＝D₁₁-D_13m；

S7：对所有色散共焦测头重复步骤S2～S6，直至获得各极空间径向装配间隙δ₁～δ_n。

进一步的，利用测得的空间径向装配间隙数据可以进一步计算得到半球谐振子和谐振陀螺基座间的横纵向装配间隙及装配同轴度等关键装配参数。

进一步的，该方法还可用于半球谐振陀螺装配间隙精密在线测量及其装配过程中半球谐振陀螺姿态实时调整当中。

本发明的有益效果为：

1、提供了一种能够应用于球面电极结构的半球谐振陀螺装配间隙高精度非接触式精密检测技术：通过沿半球谐振陀螺周向布置多个色散共焦测头，并利用调整台和运动台合理调节色散共焦测头的姿态及位置，可以测得周向多个点处的半球谐振子与谐振陀螺基座间的空间径向装配间隙。

2、通过建立简单的几何光学补偿模型对间隙测量结果进行补偿，可使装配间隙测量精度达0.1μm，远高于现有的半球谐振陀螺装配间隙测量方法，该测量数据可为后续半球谐振子及谐振陀螺基座姿态和位置的装调提供精确有效的调节依据。

3、所采用的光学测量方法除具备非接触式测量的普遍优点外，还无需借助任何电容检测信息即可通过多极色散共焦测头测得的空间径向装配间隙数据反演得到半球谐振子和谐振陀螺基座之间的横纵向装配间隙及装配同轴度等能够评价***装配质量的关键参数，且测量结果稳定、对工作环境条件要求低，避免了目前所采用的电容检测法当中测量值易受环境温度、湿度等条件影响的问题。

附图说明

图1为本发明检测装置整体结构图。

图2为本发明色散共焦测头测量半球谐振子原理示意图。

图3为本发明色散共焦测头测量谐振陀螺半球原理示意图。

图4为本发明半球谐振子和谐振陀螺基座间的装配间隙测量示意图。

图5为本发明半球谐振陀螺周向多极横向装配间隙及同轴度检测示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图并举实施例来进一步详细说明。

本发明公开了周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，如图1所示，包括大理石隔振台1、运动台支撑座2、Z向长行程运动台3、六自由度调整台4、柔性无损夹具5、半球谐振子6、色散共焦测头7、色散共焦控制器8、角度微调转台9、测头固定支架10、谐振陀螺基座11、二维精密平移台12。运动台支撑座2设置于大理石隔振台1上，Z向长行程运动台3固定于运动台支撑座2上，六自由度调整台4固定于Z向长行程运动台3上，柔性无损夹具5夹持半球谐振子6固定在六自由度调整台4上，色散共焦测头7与色散共焦控制器8相连接，并通过角度微调转台9固定于测头固定支架10上，谐振陀螺基座11设置于二维精密平移台12上，二维精密平移台12固定于大理石隔振台1上。

进一步的，所述的Z向长行程运动台3用于控制测头固定支架10沿垂直方向运动，其运动分辨率优于0.3μm，重复定位精度优于1μm。

进一步的，所述的测头固定支架10上沿半球谐振陀螺周向均匀设置了多个角度微调转台9，角度微调转台上固定有色散共焦测头7。

进一步的，所述的角度微调转台9用于调节色散共焦测头7与半球谐振陀螺轴线之间的倾角，调节分辨率优于±1′。

进一步的，所述的色散共焦测头7的测量量程为0.2～1.2mm，纵向测量分辨率优于0.1μm，横向测量分辨率优于5μm。

进一步的，所述的色散共焦测头7产生光谱色散并捕捉反射光谱至色散共焦控制器8，通过提取光谱峰值位置反演半球谐振子的内外表面位置信息来获取空间径向装配间隙。

如图2中(a)所示，由色散共焦测头7产生的色散光谱聚焦在装配后的半球谐振子6的内外表面上，色散共焦控制器8接收并提取反射回的共焦光谱信号峰值，如图2中(b)所示，光谱信号峰值处对应的光谱波长分别为λ₁、λ₂，通过标定过的已知光谱波长λ与测量距离值D之间映射关系，即可以获得最终的距离测量值D(λ₁)和D(λ₂)。如图3中(a)所示，由色散共焦测头7产生的色散光谱聚焦在装配后的谐振陀螺基座11的外表面上，如图3中(b)所示，色散共焦控制器8接收到的光谱信号峰值处对应的光谱波长为λ₃，通过光谱波长与测量距离值间的映射关系可以获得最终的距离测量值D(λ₃)。

进一步的，所述的六自由度调整台4可以实现沿X、Y、Z向的平移和旋转运动，可用于调节半球谐振子6的空间位置及姿态以便于进行装配。

周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测方法，包括以下步骤：

S1：分别将半球谐振子6和谐振陀螺基座11固定于六自由度调整台4和二维精密平移台12，并将所有色散共焦测头7夹持在角度微调转台9的同一高度上；

S2：对一号色散共焦测头进行调节，先调节二维精密平移台12移动谐振陀螺基座11，同时控制Z向长行程运动台3移动测头固定支架10，使谐振陀螺基座11表面位于色散共焦测头7的量程终点附近，此时测得的谐振陀螺基座表面距离为D₁₁(下标中的第一个数字表示该距离测量值对应的是一号色散共焦测头)；

S3：来回精调角度微调转台9的倾角，使色散共焦控制器8接收到的光谱谱峰达到最大值，确保色散共焦测头轴线与谐振陀螺基座表面的球心相交；

S4：调节六自由度调整台4完成半球谐振子6与谐振陀螺基座11间的粗装配，记录此时测得的半球谐振子上表面距离D₁₂和下表面距离D₁₃；

S5：考虑光线折射对半球谐振子下表面距离D₁₃测量结果的影响，采用光线追迹的办法建立几何光学补偿模型，可进一步将下表面距离D_13m表示为：

D₁₂+k(D₁₃-D₁₂)，其中k表示补偿系数；

S6：半球谐振陀螺单极空间径向装配间隙可表示为δ₁＝D₁₁-D_13m；

S7：对所有色散共焦测头7重复步骤S2～S6，直至获得各极空间径向装配间隙δ₁～δ_n。

作为一种优选的实施方式，利用测得的空间径向装配间隙数据可以进一步计算得到半球谐振子和谐振陀螺基座间的横纵向装配间隙及装配同轴度等关键装配参数。

如图4所示，使用色散共焦测头在装配前后分别对谐振陀螺基座和半球谐振子内壁位置进行测量即可得到径向装配间隙δ_r(对应上文中的空间径向装配间隙δ₁～δ_n)，而横纵向装配间隙则可分别近似表示为δ_x≈δ_r/cosθ，δ_y≈δ_r/sinθ，其中θ为色散共焦测头与谐振陀螺基座底面间的夹角。如图5所示，均布在半球谐振陀螺周围的多极色散共焦测头测得的各极横向装配间隙值分别为δx₁、δx₂、δ_x3和δ_x4。根据这些横向装配间隙值，可以进一步计算得出半球谐振子6与谐振陀螺基座11间的装配同轴度Δ_x1＝δ_x2-δ_x1和Δ_x2＝δ_x3-δ_x4。

作为一种优选的实施方式，该方法还可用于半球谐振陀螺装配间隙精密在线测量及其装配过程中半球谐振陀螺姿态实时调整当中。

需要强调的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，其特征在于，包括大理石隔振台、运动台支撑座、Z向长行程运动台、六自由度调整台、柔性无损夹具、半球谐振子、色散共焦测头、色散共焦控制器、角度微调转台、测头固定支架、谐振陀螺基座、二维精密平移台；所述运动台支撑座设置于大理石隔振台上，Z向长行程运动台固定于运动台支撑座上，六自由度调整台固定于Z向长行程运动台上，柔性无损夹具夹持半球谐振子固定在六自由度调整台上，色散共焦测头与色散共焦控制器相连接，并通过角度微调转台固定于测头固定支架上，谐振陀螺基座设置于二维精密平移台上，二维精密平移台固定于大理石隔振台上。

2.根据权利要求1所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，其特征在于，所述Z向长行程运动台用于控制测头固定支架沿垂直方向运动，其运动分辨率优于0.3μm，重复定位精度优于1μm。

3.根据权利要求2所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，其特征在于，所述测头固定支架上沿半球谐振陀螺周向均匀设置有多个角度微调转台，角度微调转台上固定有色散共焦测头。

4.根据权利要求3所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，其特征在于，所述角度微调转台用于调节色散共焦测头与半球谐振陀螺轴线之间的倾角，调节分辨率优于±1′。

5.根据权利要求3所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，其特征在于，所述色散共焦测头的测量量程为0.2-1.2mm，纵向测量分辨率优于0.1μm，横向测量分辨率优于5μm。

6.根据权利要求3所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，其特征在于，所述色散共焦测头产生光谱色散并捕捉反射光谱至色散共焦控制器，通过提取光谱峰值位置反演半球谐振子的内外表面位置信息来获取空间径向装配间隙。

7.根据权利要求1所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测装置，其特征在于，所述六自由度调整台能够实现沿X、Y、Z向的平移和旋转运动，可用于调节半球谐振子的空间位置及姿态以便于进行装配。

8.周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：分别将半球谐振子和谐振陀螺基座固定于六自由度调整台和二维精密平移台，并将所有色散共焦测头夹持在角度微调转台的同一高度上；

S2：对一号色散共焦测头进行调节，先调节二维精密平移台移动谐振陀螺基座，同时控制Z向长行程运动台移动测头固定支架，使谐振陀螺基座表面位于色散共焦测头的量程终点附近，此时测得的谐振陀螺基座表面距离为D₁₁；

S3：来回精调角度微调转台的倾角，使色散共焦控制器接收到的光谱谱峰达到最大值，确保色散共焦测头轴线与谐振陀螺基座表面的球心相交；

S4：调节六自由度调整台完成半球谐振子与谐振陀螺基座间的粗装配，记录此时测得的半球谐振子上表面距离D₁₂和下表面距离D₁₃；

S5：考虑光线折射对半球谐振子下表面距离D₁₃测量结果的影响，采用光线追迹的办法建立几何光学补偿模型，进一步将下表面距离D_13m表示为D₁₂+k(D₁₃-D₁₂)，其中k表示补偿系数；

S6：于是半球谐振陀螺单极空间径向装配间隙可表示为δ₁＝D₁₁-D_13m；

S7：对所有色散共焦测头重复步骤S2～S6，直至获得各极空间径向装配间隙δ₁～δ_n。

9.根据权利要求8所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测方法，其特征在于，利用测得的空间装配间隙数据能够进一步计算得到半球谐振子和谐振陀螺基座间的横纵向装配间隙及装配同轴度。

10.根据权利要求8所述的周向多极光谱测距半球谐振陀螺装配间隙检测方法，其特征在于，该方法还能够用于半球谐振陀螺空间装配间隙精密在线测量及其装配过程中半球谐振陀螺姿态实时调整当中。

Images