专利名称：一种气体润滑驱动二自由度狭缝节流球形陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体润滑驱动二自由度狭缝节流球形陀螺仪，属于惯性导航领 域。
背景技术：
陀螺仪作为指示仪表，可以用来指示运载体的姿态和方向，是航空、航海、卫星等 空间技术、导弹等武器装备中不可或缺的稳定和定向装置。目前的自由转子陀螺仪中，转子的驱动技术一般采用电机驱动，或对其施加外磁 场作用，依靠电磁力矩实现转子的加转、章动阻尼、恒速及修正等技术。这种驱动技术能达 到的转速高，但外加电场或磁场所施加的力矩方向不可避免的会和转子惯性主轴间存在角 度误差，对转子的转动产生一个周期性的干扰作用。电机线圈作为耗能元件，不可避免的会 给陀螺带来温升以及由此产生的热干扰，这对仪表的精度也会产生很大的影响。另外，采用 这类驱动的陀螺仪，需要屏蔽外界干扰磁场，即便如此，仍会存在一定的杂散磁场的干扰， 这些干扰也是影响陀螺仪漂移精度的重要因素。现役陀螺仪中，经典的框架式陀螺仪应用广泛，精度一般。框架的支承连接可采用 滚子轴承或气浮轴承。随着惯性器件设计和制造技术的发展，以静电陀螺仪、球形气浮陀螺 仪为代表的自由转子陀螺仪，在高精度导航装置中的应用得到广泛关注，其研究和应用方 兴未艾。这类陀螺仪和框架式陀螺仪相比，因为采用静电支承或气浮支承，消除了机械连接 所引起的摩擦力矩或弹性约束力矩的干扰。这种支承系统的改革，极大的提高了陀螺仪的 性能，使自由转子陀螺仪成为一种随机漂移率很低的高精度惯性装置。现在应用的静电陀螺仪，是靠配置在球腔上的几对对称电极产生的静电引力将球 形陀螺转子悬浮在高真空的球腔上，转子在真空环境下旋转，它能消除来自气体或液体介 质的干扰力矩，但电极的配置精度、转子高速旋转时离心变形引起的转子非球形误差等原 因引起的静电干扰力矩，是陀螺仪干扰力矩的主要误差源。而减小这些误差的影响存在很 大的困难，故静电陀螺仪制造难度很大，成本很高。气浮球形陀螺仪采用气体作为润滑介质，其粘度小，故源自介质的粘性作用的干 扰力矩小。高速转动时，气膜的均化作用可以在一定程度上弥补零件的制造误差，故旋转较 平稳，对组件的制造精度要求相对较低。该类陀螺仪的结构简单，成本低，制造难度相对较 小。但该类支承方式的陀螺仪存在的主要问题是承载能力小，刚度低。目前气体陀螺仪采用的润滑方式主要有动压润滑和外供气体静压润滑两种。动压 润滑陀螺仪的启动和停止性能差，低速时刚度小。外供气体静压润滑可避免这些问题，保证 低速时的承载性能。供气方式可采用小孔节流和狭缝节流，比较而言，后者可获得较高的气 膜支承刚度。但对球形陀螺仪来说，无论采用何种节流方式，其节流装置的制造都很困难， 难以保证高的制造精度和球面上良好的对称性，而节流装置在球面上的对称性误差，是导 致来自润滑气体的干扰力矩的最重要原因。
发明内容
为了克服二自由度气浮陀螺仪驱动装置复杂、电磁干扰力矩大、支承刚度较低，启 动和制动性能差等问题，本发明提供一种二自由度的气体驱动狭缝节流外供气体润滑球形 陀螺仪。该陀螺仪从原理上避免了电机或磁场驱动造成的磁场干扰，启动性能好，承载刚度 高，结构简单。气体在该陀螺仪内的流经路线和功用是经外部加压的气体从供气轴进气端进 入，经由供气轴上的两处通气孔，进入球形定子内部的两个气槽，然后经过定子球组件上的 连续圆周节流狭缝节流，进入球形定子与转子球腔形成的气膜间隙中，产生气浮支承作用 和气体润滑效果。部分承载气膜区的气体从转子两端面中心孔流出，另有部分承载气膜区 的具有一定压力的气体进入转子上中间气隙内，从转子圆周上的切向节流孔经小孔节流后 流出，利用出流气体的反冲作用驱动转子旋转。该陀螺仪的检测系统由位移传感器、陀螺转子、A/D数据采集卡和微处理器组成。 三个位移传感器安装在陀螺仪基座上，通过测量转子一个端面上相应点的位移来确定转子 端面法线相对于运载体的方位变化，从而实现该陀螺仪两个自由度方向的角位移测量。从原理上说，该陀螺仪的支承是通过外供气体静压润滑技术实现。支承润滑区域 是球形定子和球腔上的转子相配合的球面气膜间隙，介质是外供压气体。气体的节流是通 过球形定子上的两条对称配置的连续狭缝实现的。该陀螺仪采用气体相对于转子的反冲作用驱动。气体相对于转子的反冲气流速度 是由支承气膜区的具有一定压力的气体，经过转子上的切向小孔节流获得具有一定压力 的气体经过等熵过程，流过沿转子切向的节流孔，压力降低，流速增加，出流气体获得一个 较高的流速流出转子，在其反冲作用下，转子获得一定的转动动量。因为该陀螺仪靠气体静 压作用获得支承和润滑效果，支承介质的粘度很小，因此转子转动阻力很小。转子启动后， 在反冲气流作用下，转速不断增加，直至来自气体介质的摩擦阻力矩和气流的驱动力矩相 等时，转子转速会达到最大值，并在这两个力矩的共同作用下保持恒定，实现转子的稳定高 速旋转。为了使得该陀螺仪具有更好的启动性能，在短时间内达到稳定高速运转，同时减 少定子球与转子球腔之间的摩擦，提高陀螺仪的使用寿命，本发明采取了两项措施一是基 座上固定感应电机定子，陀螺转子作为感应电机的转子，工作时电机定子形成中高频旋转 磁场，陀螺转子由切割磁力线产生的电磁力矩带动而旋转；二是在平行于转子端面的基座 上圆周均布着数个喷气小孔，保证陀螺转子在启动和制动过程中不发生严重的摆动现象。 陀螺启动初始，供入外压气体的同时给感应电机定子通电以形成与转子旋转方向相同的旋 转磁场，外压气体将陀螺转子浮起，陀螺转子在气体反驱动力矩和感应电磁力矩的共同动 作用下在很短的时间内达到稳定转速，此时电机停止工作，陀螺转子只在气体反驱动力矩 作用下维持运转；当陀螺仪要停止工作时，给电机定子通入逆向电流，形成与转子旋转方向 相反的旋转磁场，陀螺转子在电磁制动力矩的作用下做减速运动直至速度接近于零，此时 电机停止工作，同时也停止供气。针对气体润滑球形陀螺仪承载刚度低，节流装置加工难度大的问题，本发明采用 两条节流狭缝不是直接加工形成，而是靠球形定子组件的装配保证。定子组件是由两对称 的球缺及中间的一个鼓形体轴组成。鼓形体轴中间的鼓形体部分两端有定位面，比鼓形体外缘节流狭缝处轴向高出一个节流狭缝的宽度，组件装配时，该定位面和球缺接触定位，以 此保证狭缝宽度和精度。本发明涉及一种气体润滑驱动二自由度狭缝节流球形陀螺仪，包括下半转子、上 半转子、两个球缺、鼓形体供气轴、感应电机定子、位移传感器、上基座外壳、下基座外壳、上 端盖、下端盖，其中鼓形体供气轴和两个对称球缺组成球形定子总成，下半转子和上半转子 组成转子总成，下半转子和上半转子的内表面为球腔并沿外圆周表面具有数个节流切向 孔，所述球形定子与所述转子的球腔之间形成球形轴承副，感应电机定子位于球形转子的 外部，利用螺钉通过鼓形体供气轴一端的螺纹孔将供气轴固定在上基座外壳和下基座外壳 上，感应电机定子和位移传感器也固定在上基座外壳和下基座外壳上，上端盖与上基座外 壳配合，下端盖与下基座外壳配合，供气轴上设有气体通道，气槽在所述球形定子内位于鼓 形体供气轴的两端，两个对称的球缺和鼓形体供气轴通过定位销定位装配，装配后两边通 过锁紧螺母锁紧，球缺与供气轴上的定位面形成在圆周上连续延伸的两条节流狭缝。根据本发明的一种实施方式，所述转子总成外形为球体，下半转子和上半转子的 内部各具有半球腔，它们由平行于球腔赤道面的两平面剖分而成。根据本发明的一种实施方式，所述转子总成两端面开有中心孔，供气轴的两端穿 过装配后转子的两端中心孔。根据本发明的一种实施方式，在所述转子总成外表面上的数个节流切向孔内安装 小孔节流器，小孔节流器的内部与球腔内的气槽相通。根据本发明的一种实施方式，下半转子和上半转子通过穿过其上的螺纹孔的紧固 螺栓实现连接紧固。根据本发明的一种实施方式，上基座外壳和下基座外壳通过螺栓连接配合，感应 电机定子与下基座外壳之间采用过渡配合，并采用标准键通过下基座外壳上的键槽连接和 限制转动，装配后通过两外壳上的定位面保证感应电机定子的轴向定位。根据本发明的一种实施方式，三个位移传感器圆周均布于上基座外壳的阶梯通孔 内，传感器测头与转子总成端面相距0. 2mm-0. 3mm。根据本发明的一种实施方式，上基座外壳与上端盖连接并固定在运载体上，下端 盖与下基座外壳采用螺钉连接，并通过螺纹孔与外部气源连接，下基座外壳上的环形气槽 与圆周均布的数个喷嘴连通，喷嘴的喷射口与转子总成端面相距0. 5mm。根据本发明的一种实施方式，供气轴上设有横贯的管轴，轴内具有气体通道和通 气孔。本发明的有益效果是采用气体反作用驱动陀螺仪，感应电机辅助启动和制动，基 座喷气孔定中和限制摆动，外供压气体同时起润滑、支承和驱动作用，使陀螺仪结构简单紧 凑，干扰力矩诱因少；采用狭缝节流，可以使陀螺仪得到满意的支承刚度；两节流狭缝的精 度由零件制造和组件装配精度保证，方便地解决了球形结构上节流狭缝的加工难题，工艺 性好，精度易保证。
下面结合附图对本发明进一步说明。图1是本发明的主体结构剖面图。
图2是本发明的定子组件结构剖面图。图3是本发明定子部分鼓形体轴零件的三维轴测图。图4是本发明的转子零件10与喷嘴13装配的三维轴测图。图5是本发明的转子零件10与喷嘴13装配的剖面图。
图6是本发明基座零件1的三维轴测图。图7是本发明基座零件3的三维轴测图。图1中，1是陀螺仪的上基座外壳，2是感应电机定子，3是陀螺仪的下基座外壳，4 是与下基座外壳3配合的下端盖，5是球形定子两端的锁紧螺母，6是对称的两个球缺，7是 定位销，8是下半转子，9是鼓形体供气轴，10是上半转子，11是上基座外壳1的上端盖，12 是位移传感器。图2中，16是球缺上的定位孔，15是将鼓形体供气轴固定在基座上的螺纹孔，22是 气体进入狭缝的通气孔，20是鼓形体供气轴与球缺的装配时的定位面，18是与气源连接的 气体通道，17是鼓形体供气轴与狭缝之间的气槽。图3中，23是鼓形体轴上将两个球缺连接起来的定位孔，21是由鼓形体部分的外 缘形成的节流狭缝，19是管轴。图4和图5中，13是安装于转子圆周切向的小孔节流器，24是转子端面的中心孔， 25是均布于转子圆周并沿切向定向的切向孔，内装小孔节流器13，26是上半转子10的半球 腔，27是用于连接上半转子和下半转子的螺纹孔，28，29是为了连通节流器13以从球腔内 排气的气槽。图6中，30是连接固定鼓形体供气轴的通孔，31是与上端盖11配合的定位面，32 是圆周均布的用于固定位移传感器的三个阶梯通孔，33是电机的定位面。图7中，34是圆周均布的起定中和限制转子摆动的喷嘴，35是连接鼓形体供气轴 的通孔，36是与下端盖4配合的定位面，37是连接喷嘴34与外部气源的环形气槽，38是用 于固定电机定子的键槽，39是电机的定位面。
具体实施例方式如图1所示，本发明的球形气动陀螺仪包括下半转子8，上半转子10，两个球缺6， 供气轴9，感应电机定子2，位移传感器12，上基座外壳1，下基座外壳3，上端盖4，下端盖11 等组件。各组件之间的位置和连接关系如下鼓形体供气轴9和两个对称球缺6组成球形 定子总成，内表面为球腔并沿外圆周表面具有数个节流切向孔25的下半转子8和上半转子 10组成转子总成；球形定子总成与转子总成的球腔之间形成球形轴承副，球形转子外部是 感应电机定子2，利用螺钉通过鼓形体供气轴9 一端的螺纹孔将供气轴9固定在上基座外壳 1和下基座外壳3上，感应电机定子2和位移传感器12也固定在上基座外壳1和下基座外 壳3上。本发明的陀螺仪采用外压气体润滑球形支承，内定子、外转子结构，气体经由供 气轴输入，由转子外表面圆周上的切向喷气孔流出，球形定子和转子内球腔相配合提供支 承作用和润滑效果，外压气体经由基座上的数个喷嘴起到陀螺仪转子定中和限制摆动的作 用，固定在基座上的三个位移传感器检测陀螺转子的偏转角度，采用电机辅助陀螺转子启 动和制动。
如图2-6所示，供气轴9上设有气体通道18，引导气体进入内部开有气槽17的球 形定子内，气槽17位于鼓形体供气轴9的两端。两个对称的球缺6和鼓形体供气轴9通过 定位销7定位装配，装配后两边通过锁紧螺母5锁紧，球缺6与供气轴9装配后形成两条在 圆周上连续的节流狭缝21，狭缝宽度通过鼓形体供气轴9上的定位面20和球缺6的配合保 证。转子外形为球体，下半转子8和上半转子10内部各具有半球腔26，是以平行于球腔赤 道面的两平面40，41剖分而成的，装配后二者形成近似完整的球腔，只在过球腔轴线的轴 向剖面有一个小的对称气隙，该气隙是由平面40，41形成，其大小等于两平面间的距离。转 子内表面的球腔与球形定子间形成小的间隙，作为承载气膜间隙。转子两端面开有中心孔 24，使承载区气体与环境气体连通，供气轴9的两端穿过装配后转子的两端中心孔24。两 个半转子内部半球腔26间存在气隙，气隙外部有气槽28，29。在通过转子球腔中心的截面 上，在转子上通过球腔中心的截面上，沿转子外表面的圆周切向上开有数个节流切向孔25， 孔内安装小孔节流器13，其连通气槽28，29和转子外部环境。连通球面支承润滑气膜区的 转子上的气隙相通，而外部和周围环境相通。转子总成由沿过球腔赤道面剖分的两轴向部分下半转子8和上半转子10装配而 成，通过两半转子上的螺纹孔27，用紧固螺栓实现连接紧固。如图7所示，上基座外壳1和下基座外壳3通过螺栓连接配合，感应电机定子2与 下基座外壳3之间是过渡配合，并采用标准键通过下基座外壳3上的键槽38连接和限制转 动，装配后通过两外壳上的定位面33，39保证感应电机定子2的轴向定位。三个位移传感 器12圆周均布于上基座外壳1的阶梯通孔32内，传感器测头与转子端面相距0. 2-0. 3mm, 通过任意时刻三个传感器测得的位移信息确定转子总成端面，即可得到转子端面法线相对 于运载体的角位移，上基座外壳1与上端盖11连接并固定在运载体上。下端盖4与下基座 外壳3采用螺钉连接，并通过螺纹孔14与外部气源连接，下基座外壳3上的环形气槽37与 圆周均布的数个喷嘴34连通，喷嘴34的喷射口与转子端面相距0. 5mm。供气轴9上设有横贯的管轴19，气体从鼓形体供气轴9与外部气源连接的管轴19 进入，经轴内的气体通道18和通气孔22，进入球形定子内部的两个气槽17，然后经过陀螺 仪定子组件上的两圆周连续节流狭缝21节流，进入球形定子与转子球腔形成的球面承载 区的气膜间隙中，产生气浮支承作用和气体润滑效果。部分承载气膜区的气体从两转子端 面中心孔24流出，另有部分承载气膜区的具有一定压力的气体通过转子上球形气腔中间 的气隙，进入气槽29内，再经由气槽28，从安装于转子切向孔25内的小孔节流器13节流后 流出转子外，利用出流气体的反冲作用驱动转子旋转。电机定子2在转子启动过程中形成 与转子旋转方向相同的旋转磁场，转子在电磁力矩和气体反冲击力矩作用下加速到稳定转 速；陀螺仪停止工作时，感应电机定子2形成与转子总成旋转方向相反的旋转磁场，产生的 电磁制动力矩使转子减速至停止。陀螺仪启动和制动过程中，另一路气体通过下基座端盖4 上的管螺纹孔14被引入到下基座外壳3的环形气槽37内，并由均布于下基座外壳3上的 数个喷嘴34喷射而出，喷射气流作用于转子端面上，起到定中和限制转子摆动作用。
权利要求
一种气体润滑驱动二自由度狭缝节流球形陀螺仪，包括下半转子(8)、上半转子(10)、两个球缺(6)、鼓形体供气轴(9)、感应电机定子(2)、位移传感器(12)、上基座外壳(1)、下基座外壳(3)、上端盖(4)、下端盖(11)，其中鼓形体供气轴(9)和两个对称球缺(6)组成球形定子总成，下半转子(8)和上半转子(10)组成转子总成，下半转子(8)和上半转子(10)的内表面为球腔并沿外圆周表面具有数个节流切向孔(25)，所述球形定子与所述转子的球腔之间形成球形轴承副，感应电机定子(2)位于球形转子的外部，利用螺钉通过鼓形体供气轴(9)一端的螺纹孔将供气轴(9)固定在上基座外壳(1)和下基座外壳(3)上，感应电机定子(2)和位移传感器(12)也固定在上基座外壳(1)和下基座外壳(3)上，上端盖(4)与上基座外壳(1)配合，下端盖(11)与下基座外壳(3)配合，供气轴(9)上设有气体通道(18)，气槽(17)在所述球形定子内位于鼓形体供气轴(9)的两端，两个对称的球缺(6)和鼓形体供气轴(9)通过定位销(7)定位装配，装配后两边通过锁紧螺母(5)锁紧，球缺(6)与供气轴(9)上的定位面(20)形成在圆周上连续延伸的两条节流狭缝(21)。
2.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪转子外形为球体，下半转子 (8)和上半转子(10)的内部各具有半球腔(26)，它们由平行于球腔赤道面的两平面(40， 41)剖分而成。
3.如权利要求1-2中的一项所述的陀螺仪，其特征在于，所述转子总成两端面开有中 心孔(24)，供气轴(9)的两端穿过装配后转子的两端中心孔(24)。
4.如权利要求1-3中的一项所述的陀螺仪，其特征在于，在所述转子总成外表面上的 数个节流切向孔(25)内安装小孔节流器(13)，小孔节流器(13)的内部与球腔内的气槽 (28，29)相通。
5.如权利要求1-4中的一项所述的陀螺仪，其特征在于，下半转子(8)和上半转子 (10)通过穿过其上的螺纹孔(27)的紧固螺栓实现连接紧固。
6.如权利要求1-5中的一项所述的陀螺仪，其特征在于，上基座外壳(1)和下基座外 壳(3)通过螺栓连接配合，感应电机定子(2)与下基座外壳(3)之间采用过渡配合，并采用 标准键通过下基座外壳(3)上的键槽(38)连接和限制转动，装配后通过两外壳上的定位面 (33，39)保证感应电机定子(2)的轴向定位。
7.如权利要求1-6中的一项所述的陀螺仪，其特征在于，三个位移传感器(12)圆周均 布于上基座外壳(1)的阶梯通孔(32)内，传感器测头与转子总成端面相距0.2mm-0.3mm。
8.如权利要求1-7中的一项所述的陀螺仪，其特征在于，上基座外壳(1)与上端盖(II)连接并固定在运载体上，下端盖(4)与下基座外壳(3)采用螺钉连接，并通过螺纹孔 (14)与外部气源连接，下基座外壳(3)上的环形气槽(37)与圆周均布的数个喷嘴(34)连 通，喷嘴(34)的喷射口与转子总成端面相距0.5mm。
9.如权利要求1-8中的一项所述的陀螺仪，其特征在于，供气轴(9)上设有横贯的管轴 (19)，轴内具有气体通道(18)和通气孔(22)。
全文摘要
一种气体润滑驱动二自由度狭缝节流球形陀螺仪。它包括下半转子、上半转子、两个球缺、鼓形体供气轴、感应电机定子、位移传感器、上基座外壳、下基座外壳、上端盖、下端盖，其中鼓形体供气轴和两个对称球缺组成球形定子总成，下半转子和上半转子组成转子总成。沿转子外表面，在通过球腔中心的截面圆周上开有数个切向小孔，内装节流器，连通球面支承气膜区和外部环境。气体从供气轴进入，通过节流狭缝，流入球形支承区，产生支承和润滑作用；部分气体经转子切向的小孔节流后高速流出，利用气体的反冲作用驱动转子旋转。电机辅助转子启动和制动，基座喷孔的喷射气流起定中和限制转子摆动作用，通过检测转子端面法线方向确定偏转方向。
文档编号G01C19/12GK101982733SQ201010507848
公开日2011年3月2日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者周亮, 姚英学, 崔大朋, 秦冬黎 申请人:哈尔滨工业大学