一种陀螺振动特性的激光调谐装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体振动陀螺领域，具体涉及一种陀螺振动特性的激光调谐装置与方法。
【背景技术】
[0002]固体振动陀螺是一种基于固态振动原理的谐振陀螺，与传统转子陀螺相比，没有高速转子和活动支撑，避免了机械摩擦，具有寿命长、成本低、尺寸小、质量轻、可靠性强、能承受恶劣环境等优点。随着技术的发展和市场需求的逐步提高，固体振动陀螺将在惯性技术领域中占有越来越重要的地位，对固体振动陀螺的研究与应用开发己经成为近年来的热点。目前应用的固体振动陀螺主要分为微机械振动陀螺和半球谐振陀螺两大类。圆柱壳体振动陀螺是一种新型固体振动陀螺，其精度高于微机械振动陀螺。圆柱壳体振动陀螺的工作原理与半球谐振陀螺相似，且具有半球谐振陀螺的精度高和寿命长的优点。相对于半球谐振陀螺，圆柱壳体振动陀螺结构更加简单、具有更好的可制造型，且灵敏度高、能耗小、加工精度要求较低、加工成本也较低，在军民各领域具有明显的应用优势。
[0003]基于哥氏力原理的圆柱壳体振动陀螺对其制造工艺质量要求很高，然而由于陀螺的谐振部分，即陀螺谐振子体积较小，在其制造过程中，很容易出现误差。例如，要加工直径在25_、壁厚小于Imm的陀螺谐振子:一方面，在旋转切削时易变形，加工精度难以保证?’另一方面，陀螺的驱动和检测单元为贴片式压电电极，贴片的形状以及方位误差也会导致陀螺的刚性轴产生偏移，导致驱动与检测模态的振动特性不一致，这对陀螺的振动特性存在影响，这是无论如何改善工艺条件、改变加工手段都无法避免的。因此，在应用圆柱壳体振动陀螺之前，需要对其谐振子的振动特性进行调谐。
[0004]目前圆柱壳体振动陀螺振动特性调谐工艺主要是依赖机械加工方法对其谐振子进行材料去除，较常见的是采用传统机械方法在陀螺谐振子上进行钻孔或者划槽等加工等方法。然而，随着技术的发展人们发现单纯的机械加工方法的精度已经难以满足陀螺加工过程的需求。机械加工方法主要存在以下几个限制陀螺的振动特性调谐精度以及具体实用性问题:第一，机械加工机床的工作条件不够精密，机床夹具以及定位方式的精度也有限，导致定位精度无法保证。第二，刀具的加工精度会限制陀螺振动特性调谐的精度。第三，机械加工设备庞大，且对于不同类型的陀螺，需要更换调谐所用刀具，十分麻烦。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是传统机械方法在陀螺振动特性调谐时存在的机床夹具及定位方式精度低、刀具的加工精度低、机械加工设备庞大以及调谐不同类型的陀螺时需要更换刀具的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种陀螺振动特性的激光调谐装置，包括:
[0007]精密四维运动平台单元、激光光路单元、机械视觉单元；
[0008]所述精密四维运动平台单元用于固定待加工的陀螺谐振子，并根据待加工的陀螺谐振子的预设加工点的位置调节所述陀螺谐振子的空间位置，使陀螺谐振子的预设加工点的位置与激光的聚焦点位置重合；
[0009]所述激光光路单元用于根据所述预设加工点的位置产生加工所述陀螺谐振子的激光；
[0010]所述机械视觉单元用于获取所述激光的聚焦点位置和所述陀螺谐振子的预设加工点的位置。
[0011]优选地，所述精密四维运动平台单元包括:
[0012]平台总底板、三维运动平台底座、X轴方向平移台、Y轴方向平移台、Z轴方向平移台、第一平台转接件、绕Z轴方向旋转平台、陀螺夹具；所述三维运动平台底座固定于所述平台总底板上的预设位置；所述X轴方向平移台、所述Y轴方向平移台以及所述Z轴方向平移台从下至上依次通过连接件固定于所述三维运动平台底座上；
[0013]所述绕Z轴方向旋转平台通过所述第一平台转接件水平安装在所述Z轴方向平移台上；
[0014]所述陀螺夹具安装在所述绕Z轴方向旋转平台上，并固定所述陀螺谐振子；
[0015]所述第一平台转接件包括:第一板、第二板和肋板；
[0016]所述第一板上开设有多个第一连接部件过孔，所述第一连接部件过孔用于通过连接部件将所述Z轴方向平移台、所述肋板及所述第二板固定；
[0017]所述第二板上开设有多个第二连接部件过孔；
[0018]所述肋板为梯形，用于加强所述第一平台转接件的稳定性和可靠性。
[0019]优选地，所述精密四维运动平台单元还包括第二平台转接件、XY方向平移台、绕X轴俯仰平台、绕Y轴俯仰平台、陀螺底座、陀螺线路板；
[0020]所述第二连接部件过孔用于通过连接部件将所述绕X轴俯仰平台、所述第一板及所述肋板固定；
[0021]所述陀螺线路板和所述陀螺谐振子均固定在所述陀螺底座上；
[0022]所述绕X轴俯仰平台与所述绕Y轴俯仰平台之间成第三预设角度并依次固定于所述第一平台转接件上；
[0023]所述绕Z轴方向旋转平台通过第二平台转接件安装在所述绕Y轴俯仰平台上；
[0024]所述陀螺夹具安装在所述绕Z轴方向旋转平台上，并固定所述陀螺谐振子具体为:
[0025]所述陀螺夹具通过所述XY方向平移台安装在所述绕Z轴方向旋转平台上，并固定所述陀螺底座。
[0026]优选地，所述激光光路单元包括:
[0027]按照激光由产生到入射的次序设置的光源、光阑、衰减片、第一激光反射镜、第二激光反射镜及第三激光反射镜；
[0028]所述第一激光反射镜的平面与所述激光光束之间成第一预设角度，使光束反射至所述第二激光反射镜；
[0029]所述第二反射镜的平面与所述激光光束之间成第二预设角度，使光束反射至所述第三激光反射镜；
[0030]所述激光经过所述第三激光反射镜反射至所述陀螺谐振子的预设加工点的位置；
[0031]所述激光包括:连续激光、长脉冲激光、超短脉冲激光。
[0032]优选地，所述激光光路单元还包括设置在所述第三激光反射镜与所述陀螺谐振子之间的聚焦透镜，用于对经过所述第三激光反射镜反射的激光光束进行聚焦，然后将其入射至所述陀螺谐振子的预设加工点的位置。
[0033]优选地，所述机械视觉单元具体包括第一相机、第二相机；
[0034]所述第一相机与所述第二相机之间成第三预设角度，并通过连接部件固定于所述平台总底板上，用于获取所述激光的聚焦点位置和所述预设加工点的位置。
[0035]优选地，所述激光光路单元中除所述光源外的其它元件均安装在所述平台总底板上；所述精密四维运动平台单元与所述机械视觉单元均安装在所述平台总底板上。
[0036]优选地，还包括陀螺特性检测单元；
[0037]所述陀螺特性检测单元位于所述陀螺线路板上，用于对陀螺振动特性进行实时检测，并输出调谐前后陀螺的振动特性数据；所述陀螺线路板上装有陀螺驱动电路，用于驱动陀螺。
[0038]优选地，还包括调谐算法控制单元；
[0039]所述调谐算法控制单元与所述第一相机、所述第二相机及所述陀螺特性检测单元进行数据通讯，分别获取所述激光的聚焦点位置、所述预设加工点的位置及所述振动特性数据；
[0040]所述调谐算法控制单元用于根据所述振动特性数据及预设调谐策略制定激光调谐工艺，并根据所述激光的聚焦点位置和所述预设加工点的位置的偏差控制所述精密四维运动平台单元移动，同时控制所述激光光路单元中的激光快门对所述陀螺谐振子进行调谐。
[0041]另一方面，本发明还提供了一种陀螺振动特性的激光调谐方法，该方法利用上述任一种的激光调谐装置对陀螺谐振子进行激光烧蚀加工，其具体步骤包括:
[0042]S1:利用所述机械视觉单元获取到所述激光的聚焦点位置和所述陀螺谐振子的预设加工点的位置；
[0043]S2:调节所述精密四维运动平台单元使所述陀螺谐振子的预设加工点的位置与所述激光的聚焦点重合；
[0044]S3:利用所述激光光路单元在所述陀螺谐振子的预设加工点的位置上进行激光烧蚀加工；通过改变所述激光的参数来控制烧蚀区域的去除量和形状，达到对陀螺振动特性的调谐；
[0045]所述激光烧蚀加工的位置包括所述陀螺谐振子的上沿、外壁、内壁、底面；所述烧蚀区域的形状包括坑状、槽状、线状；
[0046]S4:将陀螺振动特性在调谐前、后变化的数值分别进行记录和对比，判断振动特性是否满足要求；若不满足要求则继续调谐；若满足要求则停止调谐。
[0047]本发明以下述两方面理论结合为依据，即基于激光烧蚀不同合金材料(即各类圆柱壳体振动陀螺谐振子的材料)的实验研究所总结出的激光参数与烧蚀量与烧蚀形貌之间的烧蚀规律以及针对需要进行调谐加工的位置和去除形状所作出的理论分析，利用可调谐的激光在陀螺谐振子的杯壁上沿或杯壁内外侧等预设加工位置上进行定点精确材料烧蚀去除加工，同时可实现陀螺振动特性的在线调谐与检测测量。与现有技术