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杯形波动陀螺关键技术研究

作　者: 陶溢
导　师: 吴学忠
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 杯形波动陀螺动力学模型哥氏力频率裂解机械平衡力平衡控制零偏稳定性
分类号: TN965
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

固体波动陀螺具有精度高、体积小、稳定性好、抗冲击强等突出优点，适用于精确制导武器尤其是战术武器装备，但国内固体波动陀螺的研究水平与国外差距较大，国外高性能的固体波动陀螺对我国进行产品和技术限制。因此，开展固体波动陀螺技术研究，提高自主创新能力具有重要的战略意义。现有的高精度固体波陀螺通常由熔融石英制成，对加工精度和装配精度要求极高，带来了成本高和成品率低的问题，无法实现批量生产。本文设计了一种基于压电效应的杯形波动陀螺，其杯形谐振子由高性能合金金属结构和成品压电电极组成，通过精密机械加工技术和高性能粘接技术完成陀螺的制造。杯形波动陀螺制造工艺相对简单，成本低，精度高，性能稳定，具有批量生产的潜力。本文主要围绕杯形波动陀螺的结构设计、理论建模分析、制造工艺、测控技术和性能测试开展研究，主要研究内容如下：1.设计了一种基于压电效应的杯形波动陀螺，对陀螺的基本结构形式和工作原理进行了分析。通过对陀螺谐振子的模态特征进行了理论分析和有限元仿真，得出其基本振型函数；通过对谐振子的振动结构和压电电极进行力学分析和电学分析，建立了陀螺压电驱动器传感器模型、谐振子的集中刚度模型和集中质量模型。2.在杯形波动陀螺谐振子理论模型的基础上建立了谐振子的动力学方程，利用假设模态法、动力放大法和模态叠加法得到陀螺谐振子驱动模态的稳态响应，推导了陀螺在外界角速度作用下的等效哥氏力矩，求解陀螺谐振子敏感模态的稳态响应和检测信号输出，建立了陀螺角速度灵敏度模型，通过分析灵敏度和工作频率与谐振子几何参数和物理参数之间的关系，优化并确定了谐振子的结构尺寸。3.通过有限元仿真，研究了谐振子加工误差与其动态性能之间的关系，规划了谐振子制造精度目标；选用C902恒弹性合金作为谐振子金属结构的材料，设计了谐振子金属结构的精密机械加工流程和压电电极的胶粘引线方法并制造了谐振子样机；通过分析谐振子结构特征与谐振频率的关系，提出了基于杯底修形的杯形波动陀螺精细平衡方法，并进行了仿真和试验研究，平衡后谐振子的频率裂解接近0.01Hz，满足陀螺动态特性要求。基于上述技术制造出陀螺表头样机，样机的工作模态频率为3954Hz。4.根据杯形波动陀螺的机电耦合特点，建立了谐振子的等效电路模型，通过谐振子的频率响应曲线辨识了等效电路参数；研究了基于相位控制的谐振激励方法和基于ITAE指标的PID稳幅控制技术，提高了陀螺驱动模态的稳定性；研究了谐振子力平衡控制技术和角速度的相关解调检测方法，增加了陀螺的检测带宽和线性度。基于上述技术，研制了杯形波动陀螺测控电路，并进行了电路测试。5．对杯形波动陀螺的原理样机进行了性能测试，室温下杯形波动陀螺在±220°/s动态范围内的刻度因子为50.5mV/°/s，非线性度为216ppm，常温零偏稳定性为0.86°/hr，角度随机游走为0.07°/h1/2，全温区条件下，陀螺的频率温度系数为-14.4ppm/°C，零偏温度系数为0.066°/s/°C。杯形波动陀螺的性能基本达到战术级陀螺性能要求。

全文目录

摘要  12-14
Abstract  14-16
第一章绪论  16-28
  1.1 论文研究的背景及意义  16-18
  1.2 国内外固体波动陀螺研究综述  18-26
    1.2.1 国外固体波动陀螺研究综述  18-24
    1.2.2 国内固体波动陀螺研究综述  24-26
  1.3 论文的主要研究内容  26-28
第二章杯形波动陀螺的结构设计与理论建模  28-65
  2.1 总体结构与工作原理  28-34
    2.1.1 设计思路  28-30
    2.1.2 总体结构设计  30-32
    2.1.3 基本工作原理  32-34
  2.2 杯形谐振子的模态分析  34-43
    2.2.1 谐振子的板壳建模  35-36
    2.2.2 谐振子杯底的固有振动  36-37
    2.2.3 谐振子杯壁的固有振动  37-39
    2.2.4 谐振子的有限元分析  39-43
  2.3 压电驱动与检测原理分析  43-48
    2.3.1 弯曲压电驱动器原理  44-47
    2.3.2 弯曲压电传感器原理  47-48
  2.4 圆环的刚度分析  48-58
    2.4.1 圆环的径向刚度分析  49-54
    2.4.2 圆环的轴向刚度分析  54-58
  2.5 杯形谐振子的力学建模  58-64
    2.5.1 谐振子的集中刚度模型  58-61
    2.5.2 谐振子的集中质量模型  61-64
  2.6 本章小结  64-65
第三章杯形波动陀螺的动力学分析与结构优化  65-91
  3.1 谐振子驱动模态的稳态响应  65-75
    3.1.1 谐振子动力响应的分析方法  65-66
    3.1.2 谐振子驱动模态的动力学方程  66-69
    3.1.3 谐振子驱动模态的稳态响应  69-73
    3.1.4 驱动模态的检测信号  73-75
  3.2 谐振子的哥氏力  75-81
    3.2.1 谐振子的振动速度与哥氏力  75-77
    3.2.2 谐振子的哥氏力与等效力矩  77-81
  3.3 谐振子敏感模态的稳态响应  81-85
    3.3.1 谐振子敏感模态的稳态响应  81-83
    3.3.2 敏感模态的检测信号  83-85
  3.4 杯形波动陀螺的灵敏度分析  85-87
    3.4.1 杯形波动陀螺角速度灵敏度模型  85-86
    3.4.2 杯形波动陀螺角速度灵敏度分析  86-87
  3.5 谐振子结构尺寸分析与优化  87-90
  3.6 本章小结  90-91
第四章杯形波动陀螺的关键制造工艺研究  91-120
  4.1 基本工艺流程设计  91-92
  4.2 谐振子金属结构的精密加工  92-102
    4.2.1 金属结构的选材及热处理  92-96
    4.2.2 金属结构的加工精度规划  96-99
    4.2.3 金属结构的精密加工工艺  99-101
    4.2.4 金属结构的加工精度测量  101-102
  4.3 谐振子压电电极的胶粘  102-109
    4.3.1 压电电极位置精度与谐振子动态性能  103-104
    4.3.2 胶粘质量与谐振子动态性能  104-106
    4.3.3 压电电极的胶粘工艺  106-107
    4.3.4 陀螺表头的模态测试  107-109
  4.4 谐振子的机械平衡  109-119
    4.4.1 谐振子机械平衡方法基本原理  110-111
    4.4.2 谐振子机械平衡方法仿真研究  111-117
    4.4.3 谐振子机械平衡方法试验研究  117-119
  4.5 本章小结  119-120
第五章杯形波动陀螺的测控技术研究  120-139
  5.1 谐振子的等效电路模型  120-126
    5.1.1 谐振子的等效电路模型  120-125
    5.1.2 谐振子等效电路的参数辨识  125-126
  5.2 驱动控制技术  126-133
    5.2.1 谐振子驱动模态的谐振激励  127-130
    5.2.2 谐振子驱动模态的稳幅控制  130-133
  5.3 力平衡控制及角速度检测技术  133-136
    5.3.1 谐振子力平衡控制技术  133-136
    5.3.2 角速度信号检测技术  136
  5.4 测控电路的设计与测试  136-138
    5.4.1 测控电路设计  136-137
    5.4.2 测控电路测试  137-138
  5.5 本章小结  138-139
第六章杯形波动陀螺的性能测试  139-144
  6.1 测试系统与测试标准  139
  6.2 性能测试结果  139-143
    6.2.1 刻度因子测试  139-140
    6.2.2 零偏稳定性和随机误差测试  140-142
    6.2.3 温度稳定性测试  142-143
  6.3 本章小结  143-144
第七章总结与展望  144-147
  7.1 全文总结  144-146
  7.2 研究展望  146-147
致谢  147-149
参考文献  149-159
作者在学期间取得的学术成果  159-160

杯形波动陀螺关键技术研究

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