本发明涉及一种振动陀螺，具体地涉及一种振动陀螺自动化修调方法。
背景技术：
随着航空航天技术的不断进步，高分辨率成像、中继通信和导航等应用对卫星的姿态稳定性和寿命要求越来越高。陀螺作为卫星姿控系统的核心部件，被用来测量卫星相对惯性空间的角位移与角速度，其零偏稳定性与卫星姿态稳定度有直接关系。卫星的在轨运行时间在3年以上甚至达到10年，陀螺是卫星中的易损部件，其持续工作时间是影响卫星寿命的关键因素。振动陀螺是一种基于哥氏力原理的固体波动陀螺，具有高灵敏度、低成本、高可靠性和长寿命等优点，有较好的发展潜力。振动陀螺主要包括半球谐振子陀螺、mems微陀螺、音叉陀螺等，其中圆柱壳体振动陀螺是一种相对易于加工的陀螺。美国、俄罗斯和英国等在振动陀螺研究方面处于领先地位，我国的中电集团26所、国防科技大学、哈尔滨工业大学等对振动陀螺的谐振子做过一些研究，在振动陀螺的结构理论和控制系统设计方面已经取得一些实质性的成果。
振动陀螺的制造是对其理论研究进行验证的关键一步。国防科技大学在理论和制造方面均进行了大量的研究，不仅提出了相应的理论模型，也制造出了样机。样机基本能够按照预期进行工作，但工作性能与需求还有差距。而这一差距主要来源于制造误差，包括材料的均匀性、加工的精度、残余内应力等。为提高陀螺的工作性能使其满足使用要求，对精加工后的谐振子进行修调是一种重要且有效的方法。修调工艺可以弥补谐振子材料上的缺陷及加工中的误差，使谐振子按照所需的性能参数进行工作。
修调精度和效率是评价振动陀螺修调工艺的两个主要指标。精度的高低直接决定了陀螺仪的使用场合及其市场定位，而修形效率是大批量生产的必要保障。目前修调工艺大多由人工完成，这在去除质量的控制、修形位置的定位及修形形状的加工上都会带来不确定因素，最终导致修调精度差、效率低。而采用自动化修调技术，一方面可以借助图像处理技术进行高精度定位，另一方面可以实现加工参数的稳定控制，从而达到高精度、高效率的修调。目前国内对修调设备方面的报道较少，关于自动化修调的研究更少。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种振动陀螺自动化修调方法，该方法自动化程度高，保证修调精度和效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种振动陀螺自动化修调方法(如图1所示)，图2是修调装置结构示意图，修调方法包括如下步骤：
(1)自动测量振动陀螺的谐振子在两种工作模态下的固有频率，并根据所述固有频率计算频率裂解值；
(2)如果所述频率裂解值不满足预设的精度要求，则通过比较两个所述固有频率的大小来自动确定修调模态和对应的修形方法；
(3)通过自动定位所述陀螺的相关物理位置及加工设备修形机构的物理位置来控制所述陀螺运动至预期加工位置；
(4)依据所需去除的质量和加工工艺参数之间的关系自动规划出加工工艺，并依据所规划的所述加工工艺对所述陀螺进行自动化修调，完成修调后返回步骤(1)；
可选的，所述步骤(1)中，通过模态切换电路实现两种工作模态的自动切换，以实现连续不间断地快速测量两种工作模态下的固有频率。如图3所示，一种振动陀螺的八片(四对)压电片均匀布置在谐振子底部，压电片的一面与谐振子杯底由导电胶粘接在一起通过图中的地线共地，另一面引出导线至相应电极用于输入或输出信号。其中驱动模态的激励压电片用于激励陀螺至驱动模态振动，并由驱动模态检测压电片测量该模态下的振动频率。检测模态检测压电片用于陀螺工作时，在有角速度输入的情况下，测量该模态的振动频率及幅值。而检测模态补偿压电片用于补偿检测模态检测压电片的测量信号。由上述分析发现，只有相应模态被激励出振动才能测量相应的固有频率。而在修调时，需要测量出两模态的固有频率。通常采用的方法是：从驱动模态的激励压电片输入激励信号，从驱动模态的检测压电片测量驱动模态的固有频率。再将激励信号从检测模态的补偿压电片输入，由检测模态的检测压电片测量该模态的固有频率。而这一切换输入信号的过程需要插拔引线，降低了测量效率，且人为插拔带来了不确定因素。所以本发明通过组合电磁继电器，再由计算机给出控制信号，实现了电路自动切换。
可选的，所述步骤(2)中，在固有频率低的模态上采用谐振子杯壁顶端打孔的修形方法进行修调(图4)，或在固有频率高的模态上采用侧壁划槽的修形方法进行修调(图5)。经过研究发现，打孔会提高孔所在模态的固有频率，划槽会降低槽所在模态的固有频率。据此，通过比较两个模态的固有频率大小可以实现自动选择相应的修调方法及模态。
可选的，所述步骤(3)中，振动陀螺的相关物理位置包括谐振子待加工点物理位置及谐振子工作模态的物理位置，其中谐振子待加工点物理位置是指谐振子待加工点的位置坐标，谐振子工作模态的物理位置是谐振子工作模态的方位角。如图6所示，通过相机获取陀螺谐振子各方位的图像。其中第一相机2和第二相机4分别获取谐振子的边线和轴线，通过相应的图像处理，由边线获得谐振子待加工点的x值，由轴线获得谐振子待加工点的y值。再处理相机2或4的图片，获得谐振子顶端线坐标，作为待加工点的z值。最后再利用第三相机6，俯视谐振子拍得周向图片，进行处理可以获得谐振子工作模态的方位角。因此可自动获得待加工点位置坐标，和谐振子工作模态的方位角。
可选的，步骤(3)中所述加工设备为激光或离子束设备，对应的所述修形机构为激光或离子束聚焦点；加工设备修形机构的物理位置是指聚焦点的空间坐标，通过处理上述相机2和4所拍摄的聚焦点图像即可获得聚焦点的三个空间坐标值。
可选的，步骤(3)中所述陀螺通过一个三自由度运动平台和一个旋转平台共同驱动至预期加工位置；其中所述三自由度运动平台带动所述陀螺在x轴向、y轴向和z轴向运动，使所述谐振子的待加工点位置坐标与所述聚焦点空间坐标重合；所述旋转平台带动所述陀螺旋转，使所述陀螺上的所述模态定位标识旋转至预期加工位置。在已知谐振子待加工点位置坐标、谐振子工作模态方位角及聚焦点空间坐标的情况下，系统首先判断谐振子工作模态方位角是否在修调方位上，如果没有则通过旋转平台使其达到相应位置。再计算谐振子待加工位置坐标和聚焦点空间坐标的差值，确定x、y及z轴分别需要移动的距离并通过移动三自由度运动平台实现定位。利用图像处理获得的相应位移参数，即可实现自动化定位。
可选的，步骤(4)中所述加工工艺参数包括所述激光设备的激光能量、重复频率、偏振方向和脉冲数等，以及所述三自由度运动平台加工时的运动轨迹。在完成定位后，即可控制激光和三自由度运动平台实现自动修调，其中激光参数和三自由度运动平台运动轨迹等工艺由系统自动生成。其中激光参数由固有频率差值和激光与谐振子材料的作用机理共同决定，三自由度运动平台加工时的运动轨迹由修形形状决定。确定好工艺后，再通过控制激光设备光路中的衰减片、激光器、偏振片、光闸来实现相应的激光参数，控制三自由度运动平台实现所规划的加工轨迹，这样即可实现自动化加工。
可选的，步骤(4)中，在完成一次修调后自动测量修调后的频率裂解值，并判断是否满足精度要求及是否需要继续修调。如果满足精度要求，则结束该陀螺的修调任务，否则自动进入下一次修调循环，以实现高精度地自动化修调。
通过上述技术方案，可以实现以下有益的技术效果：
1、可自动切换测量模态，免去了插拔引线的麻烦，避免了多次插拔引线对电路板的损耗及每次插拔电路的不确定因素，提高了测量精度和效率；
2、利用测得的两种工作模态固有频率值，自动判别需要修调的模态及修调方法，提高了判断速度与准确性；
3、利用图像处理技术，实现了自动化定位，提高了定位速度与精度；
4、利用激光对修调质量、修调质量对固有频率的影响规律，自动规划修调工艺参数，提高了修调效率。
5、结合运动控制和激光参数控制，实现了自动化加工，提高了修调精度和效率；
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明振动陀螺自动化修调方法的流程图；
图2是本发明中一种振动陀螺自动化修调装置结构示意图；
图3是一种振动陀螺压电片布置的原理图；
图4是本发明中一种振动陀螺顶端打孔修调方法的示意图；
图5是本发明中一种振动陀螺侧壁划槽修调方法的示意图；
图6(a)为第一相机拍摄示意图；
图6(b)为第二相机拍摄示意图；
图6(c)为第三相机拍摄示意图；
图6(d)为定位原理示意图；
图7是本发明中一种振动陀螺定位修调模态方位角的处理图像；
图8是本发明中一种振动陀螺定位待加工点位置坐标的处理图像；
图9是本发明中定位激光聚焦点空间坐标的处理图像。
图例说明：
1：y轴运动平台；2：第一相机；3：x轴运动平台；4：第二相机；5：拍摄工位；6：第三相机；7：旋转平台；8：激光；9：陀螺谐振子；91和95：驱动模态激励压电片；92和96：检测模态检测压电片；93和97：驱动模态检测压电片；94和98：检测模态补偿压电片；10：z轴运动平台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
本发明的一个实施例中，通过测量频率来自动确定要修调的位置和质量，自动化定位技术将需要修调的位置移动至激光聚焦点处，激光参数控制和运动控制实现了自动修调，自动工艺设计为自动修调提供了修调工艺。具体的振动陀螺为圆柱壳体振动陀螺，修调设备为激光设备。
如图1所示，具体实施时一般按以下顺序：
1、自动化测量固有频率
在进行修调之前，需要测量陀螺的固有频率并计算频率裂解值，以指导后续修调工作。如图3所示，一种振动陀螺的八片(四对)压电片均匀布置在谐振子底部，压电片的一面与谐振子杯底由导电胶粘接在一起通过图中的地线共地，另一面引出导线至相应电极用于输入或输出信号。其中驱动模态的激励压电片用于激励陀螺至驱动模态振动，并由驱动模态检测压电片测量该模态下的振动频率。检测模态检测压电片用于陀螺工作时，在有角速度输入的情况下，测量该模态的振动频率及幅值。而检测模态补偿压电片用于补偿检测模态检测压电片的测量信号。通过计算机发出指令开始测量固有频率，首先由驱动模态的激励压电片输入激励电压，激励陀螺谐振子至谐振状态，并测得固有频率为5006.874hz。利用电磁继电器完成电路的切换，将检测模态的补偿压电片作为激励压电片接入激励电压，从检测模态的检测压电片测量固有频率为5008.014hz，进而算出频率裂解值为1.140hz。此时可根据对频率裂解的精度要求，判断是否满足条件。如果满足要求则无需修调，如果未满足要求则需要继续修调。此例子中，所设定的精度要求为0.2hz。
2、自动判断修调模态及修调方法
通过比较驱动和检测模态的固有频率，发现检测模态的固有频率高于驱动模态1.140hz。如图4、图5所示，由于划槽修调会大幅降低陀螺谐振子刚度，所以更适用于大频率裂解值，因而此例中系统自动判别出使用打孔修调。打孔修调会缓慢地提高修调位置所在模态的固有频率，所以系统自动选择出驱动模态(固有频率低的模态)作为待修调模态。
3、自动定位
通过处理第三相机6拍摄的位于拍摄工位5陀螺图像识别模态定位标识(图7中的直线)，获得定位标识的安装角度。因为定位标识安装在驱动模态的方位角上，所以对应就是驱动模态所处角度。因加工位置设定在90度处，所以需要将定位标识转动到90度处，使得驱动模态位于加工位置。比如说通过图像处理，获得定位标识的倾斜角为85度，则可判断出谐振子与定位标识要逆时针旋转5度。于是计算机向旋转平台7发出指令，控制其旋转5度。在旋转结束后，还会再次处理图片，判断是否达到90度(允许有0.1度的误差)，如果没有达到则继续运动，以实现高精度定位。
将相应的模态移动到加工方位后，还需要将待修调位置点移动至与激光聚焦点重合。为实现定位，如图2所示，首先需要获取谐振子9待加工点和激光8聚焦点的坐标，谐振子待加工点的位置信息包括谐振子的边线横坐标(由第一相机2拍摄)作为x坐标、轴线横坐标(由第二相机4拍摄)作为y坐标、顶端线纵坐标(由第一相机2或第二相机4拍摄)作为z坐标。处理后的图像如图8所示，图中大块黑色区域是处理过的谐振子图像，由于谐振子是旋转对称结构，所以第一相机2和第二相机4所拍摄的图像都是图8所示形状。其中两条竖线是处理得到的谐振子边线，第一相机2中右边竖线的横坐标被当做待加工点的x值，第二相机4中两条竖线的中线横坐标被当做待加工点的y值。而图像中靠近顶端的第一条横线纵坐标被当做待加工点的z值，这样就自动确定了待加工点的位置坐标。
激光聚焦点的位置坐标同样从第一相机2和第二相机4所拍摄的图像中获取，所拍摄的图像如图9所示，图中只有中间位置有一个白点，该白点即为激光聚集点。第一相机2和第二相机4拍摄到的图片内容基本一致，不过第一相机2中该白点的横坐标作为聚焦点的x值，第二相机4中白点的横坐标作为聚焦点的y值，而聚焦点的z值既可以是第一相机2中白点的纵坐标也可以是第二相机4中的纵坐标，但应与待加工点的z值取自同一相机所拍摄的图片。于是通过处理第一相机2和第二相机4的图像，聚焦点的坐标值也自动获取到了。
最后通过计算待加工点与聚焦点的距离，控制三维运动平台进行定位。具体的，通过图像处理获得待加工点的坐标为(2439,1306,600)(注：坐标的单位为像素)，而激光聚焦点的坐标为(2461,1295,507)。将激光聚焦点的坐标减去待加工点的坐标得到(22，-11，-93)，于是计算机利用该差值数据控制运动平台进行运动，使得x轴运动平台3沿正向移动22个像素值所对应的实际距离，y轴运动平台1沿负向移动11个像素所对应的实际距离，z轴运动平台10沿负向移动93个像素所对应的实际距离。完成移动后，会再次判断待加工点与激光聚焦点的位置坐标差值是否满足精度要求(定位精度小于50微米)。自动完成定位并达到相应的定位精度后，即可进行自动加工。
4、自动加工
当激光聚焦点与待加工点重合时，打开激光光闸即可实现加工。但针对不同的频率裂解值，需要实现不同的修调参数。影响修调的三个主要因素是修形位置、修形形状及材料去除量。其中修形位置由自动精确定位保障，修形形状由加工轨迹确定，材料去除量与激光的能量、重复频率、脉冲数等参数有关。为了实现上述自动加工，系统可以自动按照修形形状规划出轨迹，依据材料去除量确定激光参数，并控制硬件执行修调任务。如上所述，需要在谐振子驱动模态上打孔，则需要规划出孔的直径，判断是否需要径向进给。且需规划出所修调四个孔之间距离的行走轨迹，进而控制三维运动平台1、3和10实现相应轨迹加工。而激光参数需要通过研究激光与谐振子材料作用规律来推算，然后通过控制衰减片来改变能量，控制激光器改变其输出脉冲激光的重复频率，控制光闸改变脉冲数，进而完成自动加工。
5、循环修调
完成一次修调后继续测量两工作模态的固有频率，驱动模态的固有频率变为5006.963hz，检测模态的固有频率变为5007.720hz，裂解值为0.757hz。该频率裂解值仍不满足精度要求(0.2hz)，所以需要进一步修调。修调系统自动重复上述步骤，经过多次循环可以将频率裂解值降低至0.2hz以下，具体过程如下表所示。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。