一種MEMS陀螺儀的精密安裝基準(zhǔn)體組件及其安裝方法技術(shù)

一種ＭＥＭＳ陀螺儀的精密安裝基準(zhǔn)體組件及其安裝方法，包括精密安裝基準(zhǔn)體和敏感軸水平的微型ＭＥＭＳ振動(dòng)陀螺儀本體，陀螺儀本體嵌入到基準(zhǔn)體內(nèi)部凹陷空間里，基準(zhǔn)體采用裝配性能和二次加工性能優(yōu)良的材料制成，組件通過第一基準(zhǔn)面和第二基準(zhǔn)面與載體連接。安裝時(shí)先加工出基準(zhǔn)體初型，并安裝陀螺儀，再測(cè)試出陀螺的輸入軸失準(zhǔn)角，計(jì)算出安裝偏角，然后根據(jù)偏角，修正安裝基準(zhǔn)體的基準(zhǔn)面，使偏角趨向于零。本發(fā)明專利技術(shù)利用了基準(zhǔn)體制備材料優(yōu)良的裝配性能和二次加工性能，通過加工和修正來提高陀螺安裝精度，適用于各種通過電路板安裝的敏感軸水平的微型陀螺儀，尤其適用于組成各種小型化運(yùn)載體中慣性測(cè)量單元的微型ＭＥＭＳ振動(dòng)陀螺儀。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制
，特別一種MEMS陀螺儀的精 密安裝基準(zhǔn)體組件及其安裝方法，適用于各種敏感軸水平的低成本、微小型 MEMS振動(dòng)陀螺儀。
技術(shù)介紹
慣性測(cè)量單元是導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的一種非常重要的設(shè)備。它由 三只陀螺儀和三只加速度計(jì)組成，根據(jù)慣性導(dǎo)航原理的要求，需要三只陀螺 儀的壽文感軸在空間兩兩互相垂直并且分別與對(duì)應(yīng)的三個(gè)載體坐標(biāo)軸平行。慣 性測(cè)量單元工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾， 這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其成為運(yùn)載體，尤其是航天、航空和航海領(lǐng)域中運(yùn)載體的 一種廣泛使用的主要導(dǎo)航方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從工程角度看，更小 的器件、更小的部件、更小的結(jié)構(gòu)單元甚至更小的分系統(tǒng)，在許多方面表現(xiàn) 出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能滿足很多特殊場(chǎng)合和功能的要求，以航天、航空和航海 為代表的領(lǐng)域中出現(xiàn)了一大批小型化運(yùn)載體，這些小型化運(yùn)載體對(duì)微小型慣 性測(cè)量單元的要求變得非常迫切和突出，例如小型化飛機(jī)翼展往往不足一 米，有的甚至只有手掌般大，它內(nèi)部的空間和能夠承受的載荷非常有限，這 就要求它們的慣性測(cè)量單元體積很小、重量很輕。隨著微型制造技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展，新一代微型MEMS陀螺儀迅 速發(fā)展起來，為微小型慣性測(cè)量單元的設(shè)計(jì)和研制提供了有力支持。但是微 型MEMS陀螺儀的工作原理、制造工藝和應(yīng)用方式等決定了目前MEMS陀 螺儀的核心敏感元件通常都是集成在一個(gè)貼片封裝的芯片里。為.了保證此芯片能夠工作在正常狀態(tài)， 一般都需要配以必須的外圍電路，應(yīng)用肘需要將MEMS陀螺芯片和需要配給的電子元件焊接在一塊小型的電路板上。所以 這類微型MEMS振動(dòng)陀螺儀本體的外觀就是一塊集成了各個(gè)元件的電路 板。在MEMS陀螺儀中，有一大類陀螺儀的敏感軸就平行于此電路板面， 稱為敏感軸水平的MEMS陀螺儀，這種MEMS陀螺儀的本體電路板一般都 是由螺釘通過安裝孔來安裝。例如，BEI公司生產(chǎn)的石英MEMS陀螺儀 LCG50的本體外觀如圖1所示，它由螺釘1通過安裝孔配合金屬墊片2和 金屬支撐圓筒3來安裝，金屬支撐圓筒3嵌入橡膠隔震墊4中，支撐焊接了 陀螺儀敏感元件5的陀螺儀處理電路板6,陀螺儀敏感元件5的敏感軸平行 于電路板6的板面。石英MEMS陀螺儀LCG50外觀的正視圖如圖2所示， 其安裝孔位于本體電路板的四個(gè)角上，陀螺儀敏感元件位于電路板中央，其 它外圍電路元件散布在陀螺儀敏感元件周圍。輸入軸失準(zhǔn)角是陀螺儀真實(shí)敏感軸與理想敏感軸之間的夾角，MEMS 陀螺儀的輸入軸失準(zhǔn)角一般都很大，對(duì)陀螺精度的影響也很大，是最需要關(guān) 心的參數(shù)之一。為了描述問題的方便，定義微型MEMS陀螺儀的坐標(biāo)系oxyz 如圖3所示，理想狀態(tài)下，ox坐標(biāo)軸與陀螺儀敏感軸重合，平面oxy與MEMS 陀螺儀安裝第一基準(zhǔn)面平行，oz坐標(biāo)軸與MEMS陀螺儀安裝基準(zhǔn)面垂直。 但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，陀螺儀的真實(shí)敏感軸oA軸與ox坐標(biāo)軸不可能完 全重合，也不可能完全平行。定義陀螺儀實(shí)際敏感軸oA在平面oxz中的投 影與ox坐標(biāo)軸之間的夾角為縱偏角，記為a,即陀螺儀實(shí)際敏感軸oA與安 裝第一基準(zhǔn)面之間的夾角；定義陀螺儀實(shí)際敏感軸oA在平面oxy中的投影 與ox坐標(biāo)軸之間的夾角為橫偏角，記為/5,即陀螺儀實(shí)際敏感軸oA與第二 安裝基準(zhǔn)面之間的夾角。目前的MEMS陀螺儀的應(yīng)用，都是將如圖1、圖2所示的敏感軸水平 的MEMS陀螺儀直接安裝在慣性測(cè)量單元支架上，而且在導(dǎo)航解算中，其 數(shù)據(jù)處理方法仍然仿照輸入軸失準(zhǔn)角很小的傳統(tǒng)高精度陀螺儀，在其測(cè)試、標(biāo)定、建模、以及導(dǎo)航解算等過程中，對(duì)陀螺儀輸入軸失準(zhǔn)角進(jìn)行小角度線 性化處理，達(dá)到降低問題的難度，筒化算法，減小處理時(shí)間的目的。根據(jù)各個(gè)陀螺儀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合圖3分析可知，縱偏角《和橫偏角-分別是微型 MEMS陀螺儀輸入軸失準(zhǔn)角在平面oxz和平面oxy中的投影。則目前MEMS 陀螺儀的安裝方法，會(huì)引起很大的縱偏角"和橫偏角-，很大的縱偏角《和 橫偏角-決定了此時(shí)微型MEMS陀螺儀輸入軸失準(zhǔn)角很大，因此，導(dǎo)航解 算中，對(duì)MEMS陀螺儀的輸入軸失準(zhǔn)角采用線性化處理時(shí)，就會(huì)引入很大 的近似誤差，犧牲大量的系統(tǒng)精度。而如果不進(jìn)行小角度線性化處理，陀螺 儀的參數(shù)之間就會(huì)相互影響，相互耦合，參數(shù)模型嚴(yán)重非線性，使得傳統(tǒng)的 器件測(cè)試、標(biāo)定、補(bǔ)償以及導(dǎo)航解算的模型復(fù)雜難解。目前直接將敏感軸水平的MEMS陀螺儀本體安裝在慣性測(cè)量單元支架 上的傳統(tǒng)安裝方式，存在著如下缺陷(1 )微型MEMS陀螺儀依靠電路板保證水平敏感軸的指向，而電路板 一般是塑料基底，其剛度、強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)很低，容易變形，穩(wěn)定性差， 振動(dòng)模態(tài)低，很容易受到外界環(huán)境的影響，抗干擾能力差，這些都大大降低 了微型MEMS陀螺儀本體與其他部件的裝配精度。(2) 電路板表面的平面度、光潔度等指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般的金屬安裝面， 如果將帶有核心敏感元件的電路板直接安裝在慣性測(cè)量單元的支架上，這些 因素將直接影響微型MEMS陀螺儀水平敏感軸縱偏角的大小，使微型 MEMS陀螺儀水平敏感軸的縱偏角a安裝誤差大、精度難以控制。(3) 電路板由螺釘通過安裝孔來固定，而安裝孔與螺釘之間一般是過 盈配合，在螺釘緊固之前，陀螺儀在安裝基準(zhǔn)面中不受約束，無法控制微型 MEMS陀螺儀水平敏感軸橫偏角的安裝精度，螺釘緊固后，會(huì)使微型MEMS 陀螺儀水平敏感軸的橫偏角-的安裝誤差大、精度難以控制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本發(fā)詠的牧術(shù)解決問題克服現(xiàn)有敏感軸水平的微型MEMS、振動(dòng)陀螺 儀安裝誤差大、精度難以控制的不足，提供一種高精度、可修正的MEMS 陀螺儀的精密安裝基準(zhǔn)體組件及其安裝方法。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是 一種MEMS陀螺儀的精密安裝基準(zhǔn)體組件， 其特點(diǎn)在于包括精密安裝基準(zhǔn)體和敏感軸水平的微型MEMS振動(dòng)陀螺儀 本體，安裝基準(zhǔn)體的主體為內(nèi)部凹陷的長(zhǎng)方體，包括第一基準(zhǔn)面、第二基準(zhǔn) 面和內(nèi)部凹陷空間，內(nèi)部凹陷空間的形狀根據(jù)陀螺儀本體的外形尺寸設(shè)計(jì)而 成，以使陀螺儀本體嵌入到精密安裝基準(zhǔn)體的內(nèi)部凹陷空間里，與MEMS 陀螺儀本體安裝面平行的底面作為第一基準(zhǔn)面，與MEMS陀螺儀水平敏感 軸垂直的基準(zhǔn)體側(cè)面作為第二基準(zhǔn)面；凹陷空間內(nèi)部有兩種安裝孔， 一種為 螺紋孔，其位置由將陀螺儀本體固定在安裝基準(zhǔn)體內(nèi)的安裝形式?jīng)Q定，另一 種為通孔，其位置由將安裝基準(zhǔn)體安裝到載體上的安裝形式?jīng)Q定。在不作為 基準(zhǔn)面的側(cè)面開孔，作為陀螺儀本體的走線孔。所述的精密安裝基準(zhǔn)體的材料采用硬鋁合金，或銅及銅合金、或鋼及鋼 合金、或鈦合金、或鎂合金、或鎂鋁合金、或鎂鋰合金、或結(jié)構(gòu)陶瓷、或微 米陶瓷、或金屬基復(fù)合材料、或陶瓷基復(fù)合材料。所述的第一基準(zhǔn)面和第二基準(zhǔn)面的表面粗糙度及。優(yōu)于1.6。利用權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀的精密安裝基準(zhǔn)體組件的安裝方 法，其特征在于包括以下步驟(1) 通過機(jī)械加工初步加工制作出安裝基準(zhǔn)體后，將敏感軸水平的微 型MEMS振動(dòng)陀螺儀本體安裝在其內(nèi)部；(2) 按照陀螺儀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試出微型MEMS振動(dòng)陀螺儀的輸入軸失 準(zhǔn)角的大小和方向，并計(jì)算出縱偏角a和橫偏角/ 的大小和方向；(3) 根據(jù)縱偏角a的大小和方向，對(duì)安裝基準(zhǔn)體的第一基準(zhǔn)面加工修 正，使修正后的第一基準(zhǔn)面相對(duì)陀螺儀坐標(biāo)系oxyz偏轉(zhuǎn)-a角，從而使縱偏 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種ＭＥＭＳ陀螺儀的精密安裝基準(zhǔn)體組件，其特征在于：包括精密安裝基準(zhǔn)體和敏感軸水平的微型ＭＥＭＳ振動(dòng)陀螺儀本體，安裝基準(zhǔn)體的主體為內(nèi)部凹陷的長(zhǎng)方體，包括第一基準(zhǔn)面、第二基準(zhǔn)面和內(nèi)部凹陷空間，內(nèi)部凹陷空間的形狀根據(jù)陀螺儀本體的外形尺寸設(shè)計(jì)而成，以使陀螺儀本體嵌入到該凹陷空間里，與ＭＥＭＳ陀螺儀本體安裝面平行的底面作為第一基準(zhǔn)面，與ＭＥＭＳ陀螺儀水平敏感軸垂直的基準(zhǔn)體側(cè)面作為第二基準(zhǔn)面；凹陷空間內(nèi)部有兩種安裝孔，一種為螺紋孔，其位置由將陀螺儀本體固定在安裝基準(zhǔn)體內(nèi)的安裝形式?jīng)Q定，另一種為通孔，其位置由將安裝基準(zhǔn)體安裝到載體上的安裝形式?jīng)Q定，在不作為基準(zhǔn)面的側(cè)面開孔，作為陀螺儀本體的走線孔。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：房建成，張海鵬，陶冶，馮浩楠，秦杰，蔣顏偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：11[中國(guó)|北京]