一种基于温度梯度的半球谐振陀螺铟焊装置及工艺方法

1.本发明涉及半球谐振陀螺铟焊装配技术领域，尤其涉及一种基于温度梯度的半球谐振陀螺铟焊装置及工艺方法。


背景技术：

2.半球谐振陀螺是一种基于科里奥利效应的惯性导航元件，谐振子和电极基座是半球谐振陀螺的关键部件，二者通过高纯铟连接，其连接质量影响陀螺的使用性能、精度、寿命等，因此，对谐振子和电极基座的铟焊连接设备和铟焊工艺的研究是十分重要的。
3.目前，对半球谐振陀螺装配工艺的研究主要集中于装配检测方法、装配参数辨识、装调设备研制等，而没有研究针对谐振子和电极基座的铟焊连接工艺方法。目前，公开的专利中zl202210252949.5研究了谐振子与电极基板焊接的电极基板固定装置，该研究在装配前先在谐振子中心杆上和基座中心孔中涂抹粘稠浆状焊料。zl202111018486.8研究了用于石英半球谐振陀螺仪谐振子与基座的焊接方法，在谐振子和电极基座粗装配完成后，将锡银铜焊片插入到二者的间隙中，利用电磁感应加热方法对焊片整体加热。
4.因此，现有关于谐振子和电极基座的铟焊连接的研究仍存在一些不足和空白：
5.1.涂抹粘稠浆状焊料的工艺方法，难以平衡涂抹焊料体积和装配难度，难以完全填充装配间隙，且在谐振子和电极基座装配前，焊料可能存在局部凝固。
6.2.粗装配后插入锡银铜焊片的工艺方法，未考虑插入焊片的体积和装配间隙体积的关系，未实现谐振子和电极基座装配间隙的完全填充，且该工艺方法对熔融焊料的流动性要求高。
7.3.未有针对高纯铟的谐振子和电极基座焊接方法。铟的熔点低，且熔融铟在谐振子和电极基座的镀金层表面具有良好的铺展性和流动性能，是谐振子和电极基座焊料的优良选择。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种基于温度梯度的半球谐振陀螺铟焊装置及工艺方法，能够有效完成谐振子和电极基座的铟焊过程，解决谐振子和电极基座装配间隙无法完全、致密、均匀填充的问题，对装配环境和装配尺寸具有较强的适应性，为提高半球谐振陀螺性能和精度提供技术基础。
9.一种基于温度梯度的半球谐振陀螺铟焊装置，包括龙门架、六轴精密位移台、无损夹具、夹具、加热设备、光学平台和圆筒形铟片，铟焊对象是谐振子和电极基座；
10.所述龙门架和夹具固定在光学平台上，所述六轴精密位移台固定在龙门架的横梁上，谐振子通过无损夹具固定在六轴精密位移台上；加热设备放置在光学平台上且位于六轴精密位移台的正下方，电极基座通过夹具固定在加热设备上表面；所述圆筒形铟片在谐振子和电极基座装配前预置在谐振子中心杆或电极基座中心孔上。
11.进一步地，所述铟焊装置还包括检测装置，检测装置用于检测谐振子和电极基座
位姿，确保谐振子和电极基座处于理想装配位姿，所述检测装置采用电容检测装置或光谱共焦传感器。理想装配位姿的调整包括两步，第一步调整是将谐振子和电极基座调同轴且调水平，第二步调整z位姿，是将谐振子和电极基座调到规定的间隙。
12.进一步地，所述无损夹具的夹持力大小可调。
13.一种基于温度梯度的半球谐振陀螺铟焊工艺方法，包括以下步骤：
14.步骤1、根据谐振子和电极基座的尺寸和装配间隙，卷制相应厚度和高度的圆筒形铟片；
15.步骤2、将圆筒形铟片预置在谐振子中心杆或电极基座中心孔上，并利用无损夹具固定谐振子；
16.步骤3、检测装置检测谐振子和电极基座位姿后，利用六轴精密位移台调整谐振子水平和旋转方向的位姿，达到规定参数要求后，再调整谐振子z方向位姿(z方向为垂直于水平面的方向)，进行谐振子和电极基座的轴孔对位装配；
17.步骤4、通过加热设备对谐振子、电极基座和圆筒形铟片底端加热，加热过程中铟片高度方向上存在温度梯度，下端先达到熔点的铟先熔化，上端未熔化铟片在重力和下端熔池拉力作用下向下滑落并逐渐熔化后填充装配间隙；
18.步骤5、圆筒形铟片完全熔化后关闭加热设备，待铟冷却凝固后，完成谐振子和电极基座的铟焊装配。
19.进一步地，所述步骤1中圆筒形铟片的高度根据谐振子和电极基座的装配间隙和铟片厚度计算得到。
20.进一步地，所述步骤2中谐振子和电极基座装配前，对圆筒形铟片下端施加预紧力，使其固定在谐振子中心杆上，或将圆筒形铟片自由放置在电极基座中心孔内。
21.进一步地，所述半球谐振陀螺铟焊工艺方法应用于真空环境或常压环境。
22.有益效果：
23.1、本发明的铟焊装置将谐振子通过无损夹具固定在六轴精密位移台上，电极基座通过夹具固定在加热设备上表面，所圆筒形铟片在谐振子和电极基座装配前预置在谐振子中心杆或电极基座中心孔上，能在不增大装配难度的前提下实现装配间隙完全填充和部分填充。在谐振子和电极基座装配前，未将全部焊料置于装配间隙中，解决了预制焊料体积和装配难度互相矛盾的问题，能实现在不增大装配难度的前提下焊料完全填充装配间隙，并可按照需求，通过改变卷制铟片高度调整装配间隙填充程度。
24.2、本发明的铟焊工艺方法利用温度梯度导致的铟片高度方向的温度差异，引入重力和熔池拉力，进一步提高了焊接致密、均匀程度。采用的焊料高纯度铟熔点较低为156.51℃，易于进行装配操作并能减小焊接加热对谐振子和电极基座的影响，同时，利用铟和镀膜金层铺展性和流动性强的特点，并引入上端未熔化铟片重力和下端铟熔池拉力，提高了谐振子和电极基座的焊接致密和均匀程度。
25.3、本发明的铟焊工艺方法适用性较强。既能运用于不同真空度的真空环境，也能运用于常压环境。选定合适厚度的铟片，能适用于不同装配间隙的谐振子和电极基座。
附图说明
26.图1为本发明的半球谐振陀螺铟焊装置结构图；
27.图2为本发明的半球谐振陀螺铟焊工艺方法流程图；
28.图3为本发明的半球谐振陀螺铟焊焊前卷制铟片装配示意图。
29.其中，1-龙门架、2-六轴精密位移台、3-无损夹具、4-谐振子、5-电极基座、6-夹具、7-加热设备、8-光学平台。
具体实施方式
30.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
31.本发明提供了一种基于温度梯度的半球谐振陀螺铟焊装置，如附图1所示，铟焊装置包括龙门架1、六轴精密位移台2、无损夹具3、夹具6、加热设备7、光学平台8、圆筒形铟片和检测装置，铟焊对象是谐振子4和电极基座5。
32.龙门架1和夹具6固定在光学平台上，六轴精密位移台2固定在龙门架1的横梁上，谐振子4通过无损夹具3固定在六轴精密位移台2上，加热设备7放置在光学平台8上，电极基座5通过夹具6固定在加热设备7上方，圆筒形铟片在谐振子4和电极基座5装配前预置在谐振子中心杆或电极基座5的中心孔上。
33.其中，谐振子4由石英玻璃制成，其表面均匀镀膜，采用无损夹具3以减小夹持对谐振子4的损坏，同时，无损夹具3夹持力可调。可采用的夹持方式包括吸附式夹具和机械式夹具等。
34.夹具6为v形卡盘式，夹具6一端固定，一端活动，活动端在控制系统驱动下和固定端配合，抱紧电极基座5。
35.加热设备7采用加热平台或加热片，其大小应不影响检测装置工作。
36.检测装置可采用电容检测、光谱共焦传感器等，不是本发明的内容，在此不再赘述。
37.本发明基于温度梯度的半球谐振陀螺铟焊工艺方法流程如附图2所示，具体包括以下步骤：
38.步骤1、根据谐振子中心杆和基座中心孔的尺寸和装配间隙，选择合适厚度的铟片以减小后续谐振子和电极基座的装配难度，并根据装配间隙和铟片厚度，确定卷制圆筒形铟片的高度h：
[0039][0040]
其中，d为电极基座中心孔直径，d为谐振子中心杆直径，h为装配间隙高度，a为装配间隙填充比例，完全填充间隙时为1，δ为铟片厚度。
[0041]
确定所用铟片厚度和高度后，将裁剪后的铟片卷制为与谐振子中心杆直径或电极基座中心孔直径相同的圆筒形铟片。
[0042]
步骤2、驱动夹具的活动端，使其与电极基座夹具固定端配合，夹持抱紧电极基座。将步骤1中卷制的与谐振子中心杆直径相同的圆筒形铟片包裹在谐振子中心杆上，铟片下端与谐振子中心杆下端平齐，同时对待装配间隙高度上的圆筒形铟片施加一定的预紧力，保证在后续谐振子移动过程中铟片不会滑落。或将步骤1中卷制的与电极基座中心孔直径相同的圆筒形铟片放置在中心孔中、局部加热设备上，不对圆筒形铟片施加任何预紧力。最后，利用无损夹具夹持谐振子。
[0043]
步骤3、检测装置检测谐振子和电极基座位姿，并利用六轴精密位移台调整谐振子水平和旋转方向的位姿，达到规定参数要求后，调整谐振子z方向位姿，进行谐振子和电极基座的轴孔对位装配。
[0044]
步骤4、加热设备通电工作，加热谐振子、电极基座和卷制铟片底端。采用局部加热的方法，圆筒形铟片在高度方向上存在温度梯度，下端靠近加热设备处先达到铟的熔点，上端远离加热设备处后达到铟的熔点，下端圆筒形铟片熔化后，上端圆筒形铟片在重力和熔池拉力的共同作用下滑落并逐渐熔化，达到致密、有效、均匀填充装配间隙的效果。
[0045]
步骤5、圆筒形铟片完全熔化后关闭加热设备，等待铟冷却凝固，完成谐振子和电极基座的铟焊装配。
[0046]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。