微机械陀螺仪组合的测试工装和交叉耦合的快速调整方法

技术领域

本发明涉及导航、制导及控制领域，尤其涉及一种低成本、小型化的微机 械陀螺组合交叉耦合的快速调整方法。

背景技术

随着微机电系统的快速发展，微机械惯性器件技术也越来越成熟。相对比 传统的惯性器件，微机械惯性器件有着体积小、重量轻、成本低、可靠性好、 功耗低、测量范围大等优点。而以微机械器件为核心设计的微机械惯性测量组 合可以独立自主地进行导航/制导，不依赖于外部信息，也不向外界辐射能量， 具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点。目前微机械惯性测 量组合已经开始在多个领域内得到大量的应用。但是微惯性器件的制造技术根 源于集成电子技术，微惯性器件也多以集成芯片形式出现，并焊接到电路板配 以外围支持电路。每一个微机械惯性器件最终以电路板的形式出现。

交叉耦合指的是当在惯性测量组合的某个测量轴的方向上有角速率输入 时，非敏感轴的耦合输出与敏感轴输入的比值；惯性测量组合的交叉耦合数据 反应陀螺仪工作轴与坐标轴的不正交误差，此数据过大将直接导致工作轴敏感 角速率失真。而微机械惯性器件的电路板形式通常会使微机械惯性测量组合的 交叉耦合过大并且调整困难。在专利200710119970.3中描述了一种交叉耦合 的调整方法，但是该专利是需要用反复进行机械加工的方法来提高交叉耦合的 精度。这种方法会带来加工后本体保护被破坏，容易给组合带入多余物等问题， 因此不利于大批量、快速生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有敏感轴垂直于安装面的微机械陀螺仪安装误差 大、精度难以控制的不足，提供了一种结构简单、操作方便、成本低廉、易于 实现较高精度调整微机械陀螺组合交叉耦合误差的高精度测试工装及其调整方 法。

本发明的技术解决方案是：微机械陀螺仪组合的测试工装，测试工装主体 为六面体，六面体上表面向内部凹陷形成一个长方形凹槽，微机械陀螺仪组合 本体安装在所述的长方形凹槽内，长方形凹槽内部加工一个螺纹孔，用于安装 固定螺杆；凹槽底面与组合本体安装面平行作为第一基准面，与第一基准面垂 直的凹槽一个侧面作为第二基准面，六面体的其余外表面上加工出与第一基准 面平行的第三基准面，与第二基准面平行的第四基准面，及与第三基准面、第 四基准面都垂直的第五基准面。

所述的工装的五个基准面的表面粗糙度Ra优于0.8，各基准面两两平行度 和垂直度优于0.005mm。

所述的工装采用变形铝合金或不锈钢材料。

一种交叉耦合的快速调整方法，步骤如下：

第一步，将微机械陀螺组合安装在上述的测试工装上，具体要求如下：组 合本体底面与第一基准面刚性连接，组合本体的垂直基准面与工装的第二基准 面靠紧，利用螺杆和压板将组合固定；

第二步，将装有微机械陀螺组合的测试工装与转台刚性连接，微机械陀螺 组合体输出导线连接到测试设备上；

第三步，测量非敏感轴输出，根据测量值计算非敏感轴与输入轴之间的耦 合量；

第四步，根据第三步中计算的耦合量的大小和方向，选择不同厚度的调整 垫片垫在焊有微机械陀螺仪的电路板的四角安装螺钉处；

第五步，测量非敏感轴输出，计算耦合量，如果不在要求范围内，则重复 第四步和第五步；如果满足要求，则完成该输入轴交叉耦合系数的调整；

第六步，翻转测量工装，改变输入轴，对其余两轴重复第三步～第五步，从 而完成微机械陀螺组合各轴交叉耦合系数调整。

所述第四步中的调整垫片采用紫铜，或环氧层压玻璃布板，或聚四氟乙烯 薄膜材料，厚度分为一系列不同规格。

本发明的原理是：本发明在进行微机械陀螺仪电路板安装时安装螺钉处采 用不同厚度垫片安装方式，如果结构本体基准面相对陀螺仪敏感轴垂直度不满 足要求，可以根据夹角的大小和方向，对相应安装垫片厚度进行调整，使夹角 趋向于零。

另外，所设计的测量工装选用变形铝合金材料，具有足够的刚度、强度、 硬度，不易变形，稳定性好，具有较高的平面度和表面粗糙度以及较高的垂直 度、平行度等形位公差，能方便快速地改变组合的输入轴方向，有利于提高调 整效率。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明设计的微机械陀螺组合的高精度测量工装采用六面体结构设 计，留有空间以安装微机械陀螺组合，利用螺杆和压板加以固定；第一基准面 和第二基准面很好的将组合的正交坐标系方向传递出来，操作简单，精度高；

(2)高精度测试工装上的第三基准面、第四基准面、第五基准面与微机械 陀螺组合的三个坐标轴方向一一平行，通过翻转工装，可以方便快捷的变换需 要调整的微机械陀螺的敏感轴方向；

(3)在不增加额外结构件的基础上，通过调整垫片厚度的方式调整微机械 陀螺仪非敏感轴的耦合量，成本低廉，易于实现，灵活方便。

(4)本发明有操作方便、成本低廉、易于实现较高调整精度的优点，特别 适合进行微机械惯性测量组合的批量化生产。

附图说明

图1为本发明的微机械陀螺仪安装示意图；

图2为本发明的微机械陀螺组合示意图；

图3a、3b分别为本发明测试工装不同方向的外形图；

图4为本发明的微机械陀螺组合交叉耦合调整装配图。

具体实施方式

本发明以敏感轴垂直于陀螺安装面的微机械陀螺仪为例，利用一种高精度 测试工装，调整微机械陀螺仪组合三个敏感轴的交叉耦合量。

微机械陀螺仪的安装方法如图1、图2所示：将敏感轴垂直于陀螺安装面 的微机械陀螺仪2焊接在陀螺仪电路板3上(Y轴陀螺仪电路板6，Z轴陀螺 仪电路板7，X轴陀螺仪电路板8)；X、Y、Z轴陀螺仪电路板焊接完成后，利 用四个紧固螺钉1连接在组合结构本体5的对应位置上；在交叉耦合调整过程 中会将调整垫片4安装在电路板下方四角，利用紧固螺钉1固定。

微机械陀螺组合交叉耦合调整装配如图4所示：包括高精度测试工装15 和微机械陀螺组合14。其高精度测试工装外形如图3所示，主体为六面体，包 括第一基准面9、第二基准面10、第三基准面11、第四基准面12、第五基准 面13和内部长方形凹槽；长方形凹槽由六面体上表面向内部凹陷，形状、尺 寸根据微机械陀螺组合的外形尺寸设计而成，以使陀螺组合本体嵌入到高精度 测试工装长方形凹槽里；微机械陀螺组合与高精度测试工装的配合关系为：与 组合本体安装面平行的底面作为第一基准面9，与第一基准面9垂直的一侧面 作为第二基准面10，组合本体放到长方形凹槽里后，通过这两个基准面找正位 置，通过螺杆16和压板17固定连接，使之难以再与高精度测试工装发生相对 的位置移动；在六面体其余外表面上加工出与第一基准面9平行的第三基准面 11，与第二基准面10平行的第四基准面12，及与第三、第四基准面都垂直的 第五基准面13，以满足传递微机械陀螺组合三个输出轴正交关系需要。

长方形凹槽内部留有一螺纹孔，用来连接螺杆16，螺杆16和压板17配合 固定微机械陀螺组合；其大小、位置由组合外形及安装位置决定。采用此种连 接方式，方便、快捷、可靠。

具体设计时，根据微机械陀螺组合的外形尺寸，设计高精度测试工装上长 方形凹槽的尺寸、形状、安装孔、工艺等加工参数，再设计测试工装外部特征， 主要包括基准面的位置、尺寸、形状、加工工艺等指标和参数；要求五个基准 面有较高的平面度、表面粗糙度和形位公差，具体为：

高精度测试工装的材料采用变形铝合金或不锈钢等材料，加工过程中进行 高低温处理(高温180℃，保温4小时，低温-196℃，保温2小时，3个循环， 高温空冷出炉)，以消除应力，稳定组织，防止基准变形；工装加工完成后进行 表面处理；高精度测试工装的五个基准面的表面粗糙度Ra优于0.8，各基准面 两两平行度和垂直度优于0.005mm。

将微机械陀螺组合与高精度测试工装装配完成后，开始进行测试调整，过 程如下：

(1)将装配体的第三基准面11向下，放置在转台上，刚性连接；组 合输出与数字电压表进行连接；

(2)测量此时两个非敏感轴的陀螺仪输出：根据此数值正负确定下步 敏感轴需要调整方向；再根据非敏感轴的输出与敏感轴输入的比值大小计算出 耦合量；

(3)根据步骤2的判断与计算，择不同厚度的调整垫片垫在此时敏感 轴对应的微机械陀螺仪电路板的四角安装螺钉处，整垫片材料为紫铜，或环氧 层压玻璃布板，或聚四氟乙烯薄膜，厚度分为一系列不同规格(例如0.05mm、 0.1mm、0.2mm等)；

(4)安装调整垫片后，测量此时非敏感轴陀螺仪的输出，计算非敏感 轴与输入轴之间的耦合量。如果不在要求范围内，则重复步骤(3)和(4)； 如果满足要求，则完成该输入轴交叉耦合系数的调整；

(5)翻转高精度测试工装，将第四基准面12向下，刚性连接在转台 上，组合输出与测试设备进行连接，重复步骤(2)至(4)，完成该输入轴的 交叉耦合系数的调整；

(6)翻转高精度测试工装，将第五基准面13向下，刚性连接在转台 上，组合输出与测试设备进行连接，重复步骤(2)至(4)，完成第三个输入 轴的交叉耦合系数的调整；

通过以上步骤的可以完成微机械陀螺组合的三轴交叉耦合的调整。

本发明可以作为一种通用的微机械陀螺组合的交叉耦合调整方法，应用者 可以根据各自特殊的微机械陀螺组合的特点，通过修改高精度测试工装的尺寸 或局部结构，再通过选择不同尺寸和厚度的调整垫片来灵活方便地实现其功能。