【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于谐振陀螺精密制造，尤其是涉及一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子及制造方法。
技术介绍
1、半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感部件，通常由非导电性的熔融石英玻璃sio2超精密加工而成。谐振陀螺工作模态的四波幅振动需要具有完美对称球壳的半球谐振子来完成，然而受加工精度限制，成型的谐振子球壳难以达到100%的完美对称，这种不完美的对称实际上是不平衡质量。
2、在半球谐振子振动过程中，不平衡质量的存在导致半球壳的振动能量通过内柱向基座传递，从而引起支撑损耗。半球谐振子发生弯曲振动时，在锚点支撑中将产生内应力和内力矩，由于内应力和内力矩做功将导致半球谐振子的能量传递到锚点支撑，然后造成部分能量进一步通过锚点支撑传递给基座造成损耗。支撑损耗主要受质量不平衡中的1～3次谐波质量误差的影响，且随着相对质量误差的增大，支撑损耗增大，品质因数降低，具体表现为支撑杆（包括内柱和外柱）的耦合振动。
3、为降低陀螺支撑损耗，通常采用离子束或激光修调技术去除1～3次不平衡质量，以实现半球壳等效完美对称，进而获得高精度谐振陀螺。然而当前1～3次谐波修调尚不十分成熟，缺乏相关理论指导，检测精度偏低，修调周期长，相关理论和技术实现仍需探索和研究，导致谐振陀螺支撑损耗较大，谐振陀螺精度提升困难。同时基于激光/离子束的1～3次谐振质量不平衡去除过程效率低下，已经成为谐振陀螺研发、制造和批量化生产的技术瓶颈，现有的激光/离子束调平技术难以支撑谐振陀螺的高精度和未来的批量化生产应用。
4、我们发现，由于半球谐振子为复杂
5、针对上述问题，本专利技术提出从振动传递路径出发，在半球谐振子结构设计与制造阶段，通过切断能量耗散的传递路径，达到修调目的。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的问题是提供一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子及制造方法，以切断振动能量传递路径为切入点，在半球谐振子唇沿与内柱的连接区域设计开窗结构，并进行开窗结构设计与制造，以减少能量向整个支撑杆的传递，达到降低支撑损耗的目的，进而获得低损耗振动谐振子。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，包括半球壳，所述半球壳中心位置设置有内柱，所述半球壳端部边缘为唇沿，该半球壳内壁为内球面，所述内球面与内柱相交处设置有内圆角；所述唇沿与内柱的连接区域上设置有开窗结构；所述开窗结构的形状为两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域，相邻所述开窗结构之间设置有振动连接条，所述唇沿相邻的环形球壳为质量敏感环，所述质量敏感环沿纬线方向的圆弧长度为质量敏感环的宽度，该质量敏感环的宽度以唇沿与内球面交接处为起始线，沿球面径线往内圆角方向延伸。
3、进一步地，所述半球壳外壁为外球面，所述外球面与内柱相交处设置有外圆角，所述连接区域包括所述内圆角、外圆角和半球壳。
4、进一步地，所述开窗结构绕半球壳轴线对称等距分布，该开窗结构数量设置为奇数个。
5、进一步地，所述开窗结构分为全开窗结构和半开窗结构，所述全开窗结构是将半球壳上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料全部去除；所述半开窗结构是将半球壳上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料减薄。
6、进一步地，对于所述半开窗结构，所述振动连接条的厚度与半开窗结构厚度一致时形成连续的环切带。
7、进一步地，所述连接区域的壁厚形式分为等壁厚结构和变壁厚结构；所述连接区域为变壁厚结构时，所述内球面与内圆角交界处位置壁厚最薄；所述连接区域为等壁厚结构时，所述半球壳壁厚一致，所述内圆角和外圆角处的壁厚大于半球壳壁厚。
8、进一步地，所述开窗结构的起始经线为半球壳与内圆角的交界线，该开窗结构的终止经线为质量敏感环的终止经线。
9、进一步地，所述内球面半径为7～15mm；所述质量敏感环宽度的数值分布在1/4内球面径向圆弧长度与3/4内球面径向圆弧长度之间；所述连接区域壁厚分布在0.5～1mm之间；所述振动连接条两条边界纬线在唇沿平面内的夹角角度为5～30°；所述半球壳的壁厚分布在0.3～1mm之间。
10、本专利技术还提供了一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子的制造方法，包括以下步骤：
11、s1、将半球谐振子放在开窗模具中；
12、s2、选择可以被去除和固化的材料对半球谐振子的半球壳进行填充；
13、s3、采用超快激光对开窗结构进行改性处理，在超快激光对开窗区域进行局部改性处理时，激光改性从外球面开始；
14、s4、对改性区域腐蚀，在超声波作用下，在酸性溶液中进行腐蚀处理；
15、s5、从酸性溶液中取出开窗模具，快速清洗半球谐振子开窗部位及开窗模具，去除残留腐蚀液；
16、s6、溶解开窗模具中的填充物；
17、s7、取出半球谐振子，将半球谐振子进行超声清洗。
18、进一步地，在步骤s1中，所述开窗模具的材料为耐腐蚀有机材料，该开窗模具包括第一模腔和第二模腔，所述第一模腔位于第二模腔上方，该第一模腔与第二模腔同轴设置，所述开窗模具的高度至少大于谐振子高度5mm，第一模腔的直径至少大于半球谐振子外径10mm，第二模腔的直径小于第一模腔的直径，第一模腔与第二模腔形成截面为t形的腔体，第二模腔的直径和高度的数值取决于开窗结构的大小和位置，将半球谐振子架设在第一模腔和第二模腔相交位置的凸台处。
19、由于采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：
20、本专利技术以切断振动能量传递路径的方式，在半球谐振子唇沿与内柱的连接区域设计开窗结构，减少能量向整个支撑杆的传递，降低支撑损耗，达到提高半球谐振子q值（品质因数），提升陀螺精度的目的。
21、本专利技术抛开了传统依靠唇沿附近离子束或激光修调的方式，从结构设计角度降低支撑损耗。针对精密磨抛制造过程产生的质量不平衡，首次采用超快激光改性刻蚀技术在半球谐振球壳上制造开窗结构，降低半球谐振陀螺振动损耗，提高陀螺制造效率。本专利技术不仅减小了不平衡质量对支撑损耗的影响，降低了后续修调的难度，而且易于实现批量化生产。
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1.一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：包括半球壳，所述半球壳中心位置设置有内柱，所述半球壳端部边缘为唇沿，该半球壳内壁为内球面，所述内球面与内柱相交处设置有内圆角；所述唇沿与内柱的连接区域上设置有开窗结构；所述开窗结构的形状为两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域，相邻所述开窗结构之间设置有振动连接条，所述唇沿相邻的环形球壳为质量敏感环，所述质量敏感环沿纬线方向的圆弧长度为质量敏感环的宽度，该质量敏感环的宽度以唇沿与内球面交接处为起始线，沿球面径线往内圆角方向延伸。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述半球壳外壁为外球面，所述外球面与内柱相交处设置有外圆角，所述连接区域包括所述内圆角、外圆角和半球壳。
3.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述开窗结构绕半球壳轴线对称等距分布，该开窗结构数量设置为奇数个。
4.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述开窗结构分为全开窗结构和半开窗结构，所述全开窗结构是将半球壳上两
5.根据权利要求4所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述振动连接条的厚度与半开窗结构厚度一致时形成连续的环切带。
6.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述连接区域的壁厚形式分为等壁厚结构和变壁厚结构；所述连接区域为变壁厚结构时，所述内球面与内圆角交界处位置壁厚最薄；所述连接区域为等壁厚结构时，所述半球壳壁厚一致，所述内圆角和外圆角处的壁厚大于半球壳壁厚。
7.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述开窗结构的起始经线为半球壳与内圆角的交界线，该开窗结构的终止经线为质量敏感环的终止经线。
8.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述内球面半径为7～15mm；所述质量敏感环宽度的数值分布在1/4内球面径向圆弧长度与3/4内球面径向圆弧长度之间；所述连接区域壁厚为0.5～1mm；所述振动连接条两条边界纬线在唇沿平面内的夹角角度为5～30°；所述半球壳的壁厚为0.3～1mm。
9.一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子的制造方法，用于实现权利要求1至8任一所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子的制造方法，其特征在于：在步骤S1中，所述开窗模具的材料为耐腐蚀有机材料，该开窗模具包括第一模腔和第二模腔，所述第一模腔位于第二模腔上方，该第一模腔与第二模腔同轴设置，所述开窗模具的高度至少大于谐振子高度5mm，第一模腔的直径至少大于半球谐振子外径10mm，第二模腔的直径小于第一模腔的直径，第一模腔与第二模腔形成截面为T形的腔体，第二模腔的直径和高度的数值取决于开窗结构的大小和位置，将半球谐振子架设在第一模腔和第二模腔相交位置的凸台处。
...【技术特征摘要】
1.一种陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：包括半球壳，所述半球壳中心位置设置有内柱，所述半球壳端部边缘为唇沿，该半球壳内壁为内球面，所述内球面与内柱相交处设置有内圆角；所述唇沿与内柱的连接区域上设置有开窗结构；所述开窗结构的形状为两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域，相邻所述开窗结构之间设置有振动连接条，所述唇沿相邻的环形球壳为质量敏感环，所述质量敏感环沿纬线方向的圆弧长度为质量敏感环的宽度，该质量敏感环的宽度以唇沿与内球面交接处为起始线，沿球面径线往内圆角方向延伸。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述半球壳外壁为外球面，所述外球面与内柱相交处设置有外圆角，所述连接区域包括所述内圆角、外圆角和半球壳。
3.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述开窗结构绕半球壳轴线对称等距分布，该开窗结构数量设置为奇数个。
4.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述开窗结构分为全开窗结构和半开窗结构，所述全开窗结构是将半球壳上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料全部去除；所述半开窗结构是将半球壳上两条相隔一定角度的纬线与两条不同高度经线围成的四边形区域内壁厚材料减薄。
5.根据权利要求4所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征在于：所述振动连接条的厚度与半开窗结构厚度一致时形成连续的环切带。
6.根据权利要求1所述的陀螺仪用具有开窗结构的半球谐振子，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵小明，韦路锋，韩鹏宇，王妍妍，冯小波，崔云涛，田纪遨，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：
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