半球諧振陀螺精密集成組裝技術探討

金 鑫，李澤宸，陳效真，朱海天

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039；3.北京理工大學魯南研究院，滕州 277500)

0 引言

1890年，英國物理學家G. H. Bryan敲擊酒杯時發現了半球諧振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope，HRG)的進動效應。美國自1996年已在91套導航系統中應用HRG,累計運行時長超過 1200萬h；2003年后，俄羅斯蘇霍伊設計局生產的飛機全部采用以 HRG 為核心的慣導單元；法國Sagem公司的HRG產品在AASM模塊化空地導彈項目、Spacebus 4000和Alphabus衛星項目中均有廣泛應用[1]。

半球諧振陀螺是一種沒有高速轉子和活動支承的新型陀螺儀，具有運行時間長、檢測精度高、結構小型化、能量消耗低、工作穩定性高、集成化程度高、起動時間短、能夠適應各類空間物理環境等諸多優點，故被國內外慣性技術界認為是21世紀應用于航空航天慣導系統中最理想的元件，在航空、航天、兵器等領域具有廣泛的應用前景[2]。

國內半球諧振陀螺的研究始于20世紀80年代，以北京航天控制儀器研究所、上海航天控制技術研究所、中電26所及哈爾濱工業大學、電子科技大學等多家單位為主，重在研究半球諧振陀螺的作用機理、加工工藝以及誤差分析[3]，而對陀螺裝配技術的研究較少。北京理工大學微小型研究所在國家973等多項項目支持下，在國內率先開展了精密結構體的最大熵低應力集成組裝理論、方法和技術方面的研究，形成了精密微小型機械系統高精度裝配理論體系。在突破了高精度視覺對位、無損夾持、力-位移耦合關系模型、多軸并行控制等關鍵技術的基礎上，針對三浮陀螺儀、加速度計、微小型引信、觀瞄儀、石英擺片、發動機核心機等產品中關鍵部件的裝配研制出了10余臺套具有自主知識產權的高精度柔性自動化裝配系統，并應用到科研生產中。因此，本文是在已有研究成果的基礎上，結合半球諧振陀螺的結構和裝配特點，提出了有關半球諧振陀螺集成組裝技術方面的思考，拋磚引玉，為推進我國半球諧振陀螺的高精度、高性能、低成本制造提供技術支持。

1 半球諧振陀螺結構及工作原理

半球諧振陀螺主體結構由激勵罩、諧振子和讀出基座組成。其中，作為陀螺核心敏感元件的諧振子，其形狀為帶有中心桿的Ψ型半球薄壁殼體。通過銦焊將中心桿下端固定于讀出基座的中心孔中，上端固定在激勵罩的中心孔內，從而使得諧振子封裝于激勵罩與讀出基座間。激勵罩的內表面及讀出基座的外表面制作有多個離散電極，與諧振子間形成多個小電容。通過在激勵罩離散電極上施加電壓產生靜電力繼而驅動諧振子產生振動，讀出基座利用電容變化監測振動情況和位移變化，繼而得出半球諧振陀螺旋轉角度的讀出信號[4]。半球諧振陀螺基本結構如圖1所示。

(a)半球諧振陀螺結構示意圖

(b)諧振子結構示意圖

當半球諧振陀螺以輸入軸為旋轉軸進行旋轉運動時，其振型在哥氏力的作用下相對半球諧振陀螺中的外殼體做環向進動，此時半球諧振陀螺形成四波腹型的振動型態，并產生相對于外殼體與轉角呈線性關系但方向相反的進動角度[5-8]。半球諧振陀螺振型進動原理如圖2所示。

Ψ=KΨ1

(1)

其中，Ψ為陀螺振型的進動角，Ψ1為外殼體的旋轉角度，K為進動因子。

圖2 半球諧振陀螺振型進動原理Fig.2 Principle of the mode precession of the hemispherical resonator gyro

2 半球諧振陀螺集成組裝總體技術

在半球諧振陀螺的裝配過程中，裝配誤差主要體現在激勵罩與諧振子、諧振子與讀出基座的電極位置處周向、徑向和軸向間隙及其均勻性和對稱性[9]。由于諧振子與激勵罩、讀出基座間存在裝配間隙誤差，導致電容極板間距、有效相對工作面積產生偏差，從而導致諧振子工作過程中沿不同徑向受到大小不等的靜電力，從而引發由于電極施力不對稱導致的陀螺漂移[10-12]。因此，要調整3個零件間的裝配間隙，以保障激勵罩的激勵中心、讀出基座的檢測中心和靜電場中心統一。電容兩極板間的相互作用力

(2)

其中，F為靜電力，ε為電容率，V為控制電壓，A為電容極板面積，d為陀螺裝配間隙。

諧振子由于加工誤差和零件材料的不均勻，使得零件的質心和形心位置不統一，進而導致振子激振后諧振中心偏離質心和形心，造成三心不統一，直接影響半球諧振陀螺的角度檢測精度。因此，開展裝配前的諧振子幾何誤差建模與可裝配性評價技術研究對于提高裝配成功率具有重要的意義。半球諧振陀螺的科研生產中，裝配工藝參數及裝配誤差的產生將使半球諧振陀螺關鍵指標偏離設計值，繼而影響陀螺的性能。因此，本文提出半球諧振陀螺六心一線集成裝調技術，即諧振子幾何球心、質量中心、諧振中心、座體電極激勵中心、信號輸出檢測中心以及陀螺靜電場中心等“六心”同軸或同軸誤差控制在最優范圍內。

半球諧振陀螺精密集成組裝技術總體方案如圖3所示。首先選取半球諧振陀螺各零件關鍵裝配關系作用表面進行三維檢測，并對檢測數據進行濾波分析，建立基于NURBS曲面重構的三維一體化模型；在此模型基礎上計算質心、形心、激勵中心和檢測中心；通過仿真分析方法確定諧振中心和靜電場中心，綜合所獲得的“六心”位置，初步獲得半球諧振陀螺的裝配工藝參數并開展裝配。為實現高精度裝配，結合半球諧振陀螺的特點，需突破高精度空間對準、高精度無損柔性夾持、裝配中間指標的在線檢測、多維精密位姿調整等技術來保證；待裝配好后，進行精度和性能指標的測試，若不滿足要求，則需要根據仿真分析計算、力-電-位移裝調模型、最大熵低應力的裝配參數多目標優化等重新迭代生成裝配工藝參數，若迭代后的裝配中仍不滿足指標要求，則需返回開展零件修正，然后，再重新進入裝配，直到滿足指標要求，進行零件固聯。

圖3 半球諧振陀螺精密集成組裝技術總體方案Fig.3 The overall scheme of the precision integrated assembly technology of hemispherical resonator gyro

3 半球諧振陀螺集成組裝關鍵技術

半球諧振陀螺精密集成組裝技術涉及面向裝配的幾何誤差三維一體化建模技術、無損柔性夾持技術、高精度空間對準技術、多維精密位姿調整技術等相關技術。

3.1 面向裝配的幾何誤差三維一體化建模技術

在半球諧振陀螺零件加工過程中，由于機床加工精度、刀具磨損、機床振動以及加工工藝系統力變形、熱變形等各種因素的綜合影響，加工后零件表面存在一定的幾何形狀誤差，包括位置、方向偏差和形狀誤差，不能簡單地將零件的裝配接合面或者功能相關結構認定為理想特征。因此，基于實際測量數據建立含有幾何形狀誤差的關鍵零部件裝配面模型，再將誤差面與理想的三維陀螺零件模型進行集成，最終得到帶有幾何誤差的三維一體化零件模型，為準確計算零件的質心、形心、激勵中心和檢測中心提供技術支持。

為了建立半球諧振陀螺零件的誤差模型，首先要對零件的加工和裝配工藝進行分析，確定影響加工和裝配精度的關鍵表面；再運用柔性三坐標測量機或高精度非接觸式測量儀獲取具有拓撲矩形網格特征的零件表面型值點陣，提取有效點陣坐標并進行數據處理；采用NURBS方法建立帶有幾何形狀誤差的曲面模型，并與理想的三維實體模型集成，使原有的三維零件理想模型具有實際的幾何形狀誤差，幾何誤差建模方法如圖4所示，幾何形狀誤差模型如圖5所示。

圖4 幾何誤差建模方法Fig.4 Geometric error modeling method

圖5 幾何形狀誤差模型Fig.5 Geometry error model

NURBS曲面數學模型由控制點、節點矢量、權因子等參數唯一確定，計算公式如下

(3)

基于以上帶有誤差的三維模型建立半球諧振陀螺的擬實裝配模型，獲得諧振子的真實球殼曲面，求出帶有加工誤差表面的諧振子形心和質心、激勵罩電極中心、讀出基座電極中心及其分布誤差，仿真預測其諧振中心和靜電場中心，為后續滿足六心一線裝配要求的裝配工藝設計和優化提供參考依據。

3.2 無損柔性夾持技術

作為半球諧振陀螺結構的諧振子，其材料為熔融石英玻璃，直徑15～60mm，壁厚0.3～1.1mm。材料硬脆易碎且微小薄壁的機械結構特性使得其對工裝夾具要求較高，高精度無損夾持是難點。針對微小型零件的裝夾國內外普遍采用兩種方式，一種是機械式微夾持器，這類夾持器至少具有2個手指，通過手指端部的運動實現夾持動作；另一種是吸附式微夾持器，利用真空、液體、靜電等產生的吸附力對微小型零件進行定位或抓取。

在利用機械式微夾持器完成裝配動作時，針對諧振子半球殼微小且易碎的結構特點，提出基于微力反饋的柔性夾持方法，帶有力反饋裝置的微型手指夾持諧振子中心桿上端，以避免夾持力過大損壞諧振子表面或夾持力過小引起被夾持零件脫落；手指末端需設置以彈簧為主的柔性接觸結構或聚四氟乙烯等柔性材料實現無損柔性夾持[14-16]。

激勵罩等零件的夾持可采用吸附式夾持器，真空吸附式夾持器由于其結構簡單、環境兼容性好、可結合不同零件結構，設計吸附頭并計算吸附力以實現多類型跨尺度零件的定位夾持功能。

3.3 高精度空間對準技術

半球諧振陀螺的裝配通過使激勵罩、諧振子和讀出基座同軸對稱且保證周向電容極板間隙的均勻性，即讀出基座，同時要求各個電極有效面積能夠完全對應即保證空間軸向和周向位置對準。裝配過程中除了需要二維平面中心對準外，還需要進行空間三維的同軸對準，因此提出了基于單目視覺和電-位移多信息融合的自適應裝調技術，實現宏-微結合的空間裝調。

高精度對位技術是通過視覺檢測方法提取待裝配零件的關鍵特征圖像信號，并進行邊緣識別，以六心一軸線為裝調目標，從幾何上擬合出間隙調整量，并作為初步調整量上傳給控制系統。半球諧振陀螺根據現在的設計結構，其裝配工序中可存在1～2次視覺對位過程，分別是諧振子半球殼邊緣與讀出基座外圓以及諧振子中心桿與激勵罩中心孔的圖像識別過程。目前高精度機械系統的對位普遍采用單目視覺，其要求成像系統能夠實時獲取待裝配件和已裝配件的端面位姿信息；同時由于檢測尺寸跨度相對較大，要求相機鏡頭組件可以檢測諧振子外圓以及中心孔，故而成像系統需要在高分辨率的基礎上具有一定的視場范圍跨度；同時針對臺階面等結構，要求成像系統具有一定的景深以保證成像清晰[20]。其視覺對位檢測基本流程如圖6所示。

圖6 視覺對位檢測基本流程Fig.6 Basic process of visual alignment detection

然而，單目視覺由于其無法檢測深度信息，只能在零件端面處保證徑向方向的同軸對準，很難實現軸向、周向和空間徑向方向的六心一軸線對準，因此，在單目同軸對位基礎上，提出基于電信號檢測的多維對位調整方法，建立電信號-位姿之間的映射關系模型，通過檢測激勵電極的信號和檢測電極的電信號來推算半球諧振陀螺零件的位姿，電信號輸出原理如圖7所示。半球諧振陀螺每完成裝配調整后，都要在位上電測量，若極板間距不均勻或有效面積未完全對應，均會導致電容極板間電信號產生差異，在理論模型分析及大量實測數據訓練學習后，建立電信號-位姿映射關系模型，通過檢測諧振子周向的電信號間接獲取裝配位姿，從而指導裝配零件位姿自適應調整。

圖7 電容傳感器信號輸出原理Fig.7 Principle of signal output of capacitance sensor

3.4 多維精密位姿調整技術

半球諧振陀螺裝配過程中的多維位姿調整是保證陀螺裝配六心一線的關鍵，多維調整平臺需達到亞微米級的調整精度才能滿足陀螺高精度裝配的要求。近些年來，隨著驅動電機、反饋元件等產品的迅速發展，傳統的位姿調整平臺已經達到微米級甚至亞微米級的定位精度，同時不斷發展的新技術促使了新型位姿調整平臺的產生。目前可用于半球諧振陀螺裝配的位姿調整平臺主要有串聯式調整機構和并聯微動調整平臺[21]。圖8所示為典型的三自由度串聯式調整機構，可實現X、Y軸平動自由度及C軸轉動自由度的精密調整。

圖8 三自由度調整機構Fig.8 3-DOF adjustment mechanism

為了在陀螺裝配過程中調整其六維姿態，采用六軸微動并聯調整平臺，通過柔性鉸鏈機構消除傳統運動副固有的機械摩擦和間隙，可實現亞微米級位姿調整，具有多自由度、結構緊湊、精度高、良好的輸入-輸出線性關系及便于控制等諸多優點。六軸并聯調整平臺常見結構如圖9所示。

圖9 六軸并聯調整平臺Fig.9 Six-axis parallel adjustment platform

4 半球諧振陀螺自動化集成組裝裝置設計方案

基于半球諧振陀螺裝調要求，提出了半球諧振陀螺裝調裝置的主體結構如圖10所示，主要由Z向垂直位移模塊、無損夾持模塊、單目視覺和電信號-位姿檢測模塊、微動調整模塊、零件基座定位模塊及控制模塊組成。該裝調裝置的配置可以初步實現半球諧振陀螺裝配過程的空間六心一線優化裝調，為保證陀螺儀的使用性能提供了核心技術支持。

圖10 半球諧振陀螺裝調裝置Fig.10 The assembly and adjustment device for hemispherical resonant gyroscope

5 結語

本文探討了半球諧振陀螺實現高精度自動化集成組裝的相關技術，提出了面向半球諧振陀螺六心一線裝配目標的裝配方法、總體技術和關鍵技術等，給出了半球諧振陀螺自動化集成組裝裝置設計初步方案，為提高半球諧振陀螺的裝配精度、裝配成功率、性能指標提供解決途徑。