石英加速度计输入轴失准角调平装置的制作方法

本发明涉及加速度计测试领域，具体涉及一种石英加速度计输入轴失准角调平装置。

背景技术：

加速度计是利用牛顿第二定律(惯性定律)测量加速度的惯性导航器件，被广泛应用于导弹、潜艇、飞船等武器系统，是武器导航系统的核心部件之一。加速度计输入轴失准角(以下简称失准角)为加速度计输入轴相对于输出基准轴的对准误差角。影响失准角的主要因素为加速度计内部敏感部件(石英摆片)，相对于加速度计外壳的几何安装面的平行程度。两者平行程度越好，失准角越小，两者的空间位置稳定性越好，失准角的稳定性越好。失准角越小，稳定性越高，加速度计获取的外界加速度就越准确，导航精度越高。

失准角的调平在表芯(敏感部件)安装到加速度计表壳的过程中进行。通过不断的调整表芯相对于表壳的位置，直至失准角满足技术指标(理论上输出为零)。但是受目前调平工艺局限，调节完成后，失准角随时间推移不断发生变化。失准角超差会严重影响加速度计的合格率，而且后期失准角易发生漂移，极大降低了加速度计在型号上的使用精度。失准角超差问题目前亟待解决。

目前加速度计失准角的调平原理如图1所示，加速度计包括表壳1和表芯2，首先将表壳1放置在固定在一个调节块3上，然后在表壳1底部放置小片弹性垫片4(玻璃布板)，再将表芯2(敏感部件)通过弹性垫片4放置在表壳1底部，在调平块3上方固定一个调平支架5，调平支架5上均匀分布的三个调平螺钉6，三个调平螺钉6伸入至表壳1内并且与表芯2相接触，分别旋转三个调平螺钉6向表芯2施力，观察表芯2(敏感部件)的输出，通过输出来调节表芯2相对于表壳1安装面的空间位置。当表芯2与表壳1之间的空间相对位置满足指标后，在表芯2与表壳1之间涂胶，然后烘干固化，最后移除三个调平螺钉6。至此，加速度计输入轴失准角调平过程完成。

目前的失准角调平方法，由于表芯与表壳之间存在弹性垫片，失准角理论上几乎不可能调节为零，只能无限逼近，而且调平效率低下。

其次，表芯与表壳之间，通过弹性垫片的过渡而存在相互斥力，环境试验后，这种相互斥力容易造成表壳底部蠕变而变形，严重时表壳底部凸起；

另一方面，相互斥力容易造成表芯空间位置随时间推移发生变化，进而造成失准角长期稳定性较差。

技术实现要素：

为了解决现有石英加速度计失准角调平过程中，表芯和表壳之间存在相互斥力造成表壳底部变形以及失准角容易超差的问题，本发明采用表芯悬空调平的基本方法从根本上解决现行工艺中表芯与表壳之间存在斥力的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的具体技术方案是：

本发明提供了一种石英加速度计输入轴失准角调平装置，包括调平块、设置在调平块上的调整支架以及均匀设置在调整支架上的三个调平螺钉；调平块上安装待调平石英加速度计的表壳；

其改进之处是：还包括万向结螺杆；万向结螺杆包括半球形头部以及螺杆部；调整支架上开设有凹坑；半球形头部嵌装在凹坑内，螺杆部伸出凹坑后与待调平石英加速度计的表芯螺纹连接，从而将待调平石英加速度计的表芯悬置在待调平石英加速度计的表壳内；三个调平螺钉伸入待调平石英加速度计的表壳内部并且与所述待调平石英加速度计的表芯接触。

进一步地，上述凹坑由半球形凹部和圆孔部组成；所述半球形凹部与半球形头部形状、尺寸相适配；所述圆孔部的直径大于所述螺杆部的直径。

进一步地，上述调平支架包括相互连接的三条支撑臂，三条支撑臂沿圆周方向呈120°分布，每条支撑臂均通过螺钉固定在调平块上；所述凹坑开设在三条支撑臂的交叉位置。

进一步地，上述半球形头部与凹坑接触的位置设置有润滑脂或者铅粉。

进一步地，本发明优化调平装置关键参数，通过表芯与表壳之间的空间分布关系，在满足调平需要前提下，合理的节省表芯内部空间以及调平装置的机械可靠性和使用耐久性，具体是：

设圆孔部的深度h1，圆孔部的直径与螺杆部直径之间的间隙为h2，待调平石英加速计的表芯的底部与待调平石英加速计的表壳之间间隙为b；

其中，圆孔部的深度h1的计算公式为：

圆孔部的直径与螺杆部直径之间的间隙为h2的计算公式为：

待调平石英加速计的表芯的底部与待调平石英加速计的表壳之间间隙为b的计算公式为：

a为表芯和表壳之间的间隙，d1为万向结螺杆的螺杆部直径，d2为万向结螺杆的半球形头部直径,l为表芯上端面到调平支架上端面的距离，d3表芯直径为，h为表芯的高度。

本发明的有益效果是：

1)本发明通过万向结螺杆将表芯悬空，从根本上解决了现行失准角调平工艺造成的失准角容易超差以及重复性较差的缺点。

2)本发明采用万向结螺杆与调平支架之间的球面设计，完全释放了螺杆部的转动自由度，进而可以使得表芯在调平的过程中获得任意姿态。

3)本发明通过干涉计算，优化调平装置关键参数，通过表芯与表壳之间的空间分布关系，在满足调平需要前提下，合理的节省表芯内部空间以及调平装置的机械可靠性和使用耐久性。

附图说明

图1为现有调平装置的结构示意图。

图2为本发明调平装置的结构外形图。

图3为本发明调平装置的剖视图。

图4为万向结螺杆和调平支架的一种装配示意图。

图5为万向结螺杆和调平支架的另一种装配示意图。

图6为待调平石英加速度计的表芯干涉计算原理图。

图7为万向结螺杆转动极限位置计算原理图。

图8为活动间隙h2的计算原理图。

图9为增厚壁垒h1的计算原理图。

图10为表芯悬空距离b的计算原理图。

附图标记如下：

1-表壳、2-表芯、3-调平块、31-盲孔、4-弹性垫片、5-调平支架、51-凹坑、511-半球形凹部、512-圆孔部、52-支撑臂、53-螺钉、6-调平螺钉、7-万向结螺杆、71-半球形头部、72-螺杆部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作进一步的详述：

如图2、图3和图4所示，该调平装置包括调平块3、设置在调平块3上的调整支架5、均匀设置在调整支架5上的三个调平螺钉6以及万向结螺杆7；调平块3上开设有盲孔31，待调平石英加速度计的表壳1(下面简述为表壳)固定在所述盲孔31内，万向结螺杆7包括半球形头部71以及螺杆部72；调整支架5上开设有凹坑51；半球形头部71嵌装在凹坑51内，螺杆部72伸出凹坑51后与表芯2(下面简述为表芯)螺纹连接，从而将表芯2悬置在表壳1内；三个调平螺钉6伸入表壳1内部并且与表芯2接触。分别旋转三个调平螺钉6向表芯2施力，观察表芯2的输出，通过输出来调节表芯2相对于表壳1安装面的空间位置。由于万向结螺杆7可以在凹坑51内自由转动，进而可以使得表芯2在调平的过程中获得任意姿态。调平灵活性更好，理论上可以使得加速度计的输入轴失准角为零。

基于上述的基本设计，该调平装置还做出了一下优化的设计：

优化1：

如图5所示，凹坑51由半球形凹部511和圆孔部512组成；半球形凹部511与半球形头部71形状、尺寸相适配，圆孔部512的直径大于所述螺杆部72的直径。因此，在万向结螺杆7与调整支架5凹坑51球面接触处，增加一个增厚壁垒h1(圆孔部深度)，这样可以提高球面接触的可靠性，同时在螺杆部72与圆孔部512之间具有活动间隙h2，可以防止失准角调平的过程中，万向结螺杆7和调整支架5干涉。

优化2：为了方便将万向结螺杆旋入或旋出表芯，万向结螺杆7的半球形头部71上开设有一字凹槽(便于平口起子操作)或内六角凹槽(便于内六方扳手操作)。

优化3：为了使调平支架机构合理，稳定性好，本发明还给出一种调平支架5的具体结构：包括相互连接的三条支撑臂52，三条支撑臂52沿圆周方向呈120°分布，每条支撑臂52均通过螺钉53固定在调平块3上；凹坑51开设在三条支撑臂52的交叉位置。

优化:4：调平装置关键尺寸优化

表芯悬空高度优化惯性导航系统要求加速度计尽可能小型化，这样就要求失准角在调平过程中，表芯和表壳底部的空间在满足调平要求的情况的尽可能小，才能节省空间，符合小型化要求。

如图6所示，表芯和表壳之间的间隙a是加速度计零组件的固定尺寸，在失准角调平过程中，表芯绕o点开始转动，确保在调平过程中表芯下端面、表芯中部凸起部分以及表芯上端面三者边缘画圆，弧长最短者即就是路径最小者，为首先接触点(机械限位)。弧长分别为s1、s2、s3、s4以及smax。通过计算smax为最小路径，此时表芯绕o点转过的角度为wmax。即就是表芯最多转动wmax，就触碰表壳内壁，此时表芯悬空的最小距离为b，才能不影响调平过程顺利进行。

在图6的计算之中确定了表芯悬空距离b，以及机械限位处表芯最小转动角度wmax。通过计算，如图7所示，调整增厚壁垒(圆孔部的直径与螺杆部的外径之间的间隙)h1以及活动间隙(圆孔部的深度h2)，使得万向结螺杆到达极限转动位置的转动角度w'于wmax，这样才能保证调平过程的理论姿态，即就是调平的任意性。

计算过程如下：

1)活动间隙h2与增厚壁垒h1计算

首先计算表芯极限转角wmax计算如下，如图8所示：

当转角很小时，由θ≈tanθ得，转角wmax所对的弧长为表芯和表壳之间的间隙a，此时：

其中，d3为表芯的直径，表芯的高度为h，表芯上端面到调平支架上端面的距离为l(其中表芯上端面到调整支架上端面的距离为l根据表壳尺寸具体与三条支撑臂高度尺寸而定。l的取值范围一般为15mm-20mm)；

2)活动间隙计算h2计算如下：

得

所以

其中，w1为表芯侧壁中点与转动圆心o的连线与表芯中心线的夹角，d1为万向结螺杆的螺杆部直径，d2为万向结螺杆的半球形头部直径；

增厚壁垒h1计算如下，如图9所示：

由直角三角形相似定律得

hx²＝(d2-h1)h1

得

又由图知道

整理得

根据求根公式且h1大于0得

其中，hx为圆孔部的半径；

3)表芯悬空距离b计算，如图10所示：

设表芯转动半径为λ，则

所以

而所以

带入得

所以表芯悬空距离满足

通过表芯与表壳之间的空间分布关系，在满足调平需要前提下，合理的节省表芯内部空间以及调平装置的机械可靠性和使用耐久性.

优化5：具体操作过程中，在万向结螺杆的半球形头部与凹坑接触的位置设置有润滑脂或者铅粉等增加润滑效果。

试验证明：该调平装置调平效率高，可以把加速度计失准角调平在远小于现行工艺技术指标的范围内，而且后期失准角比较稳定，重复精度高。