Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Образцов Роман Михайлович. Инновационные технологии создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.14 / Образцов Роман Михайлович; [Место защиты: Моск. акад. рынка труда и информац. технологий].- Москва, 2009.- 174 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1911

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. Обзор научно-технической информации 11

  1. Области применения и основные типы гироскопов 11

  2. Вибрационные гироскопы. Состояние разработок и производства гироскопов. Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки 23

  1. Микромеханические гироскопы 23

  2. Диафрагменный вибрационный гироскоп 25

  3. Камертонные вибрационные гироскопы 29

  4. Балочные твердотельные вибрационные гироскопы 33

  5. Балочные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы 35

  6. Состояние разработок и производства гироскопов 37

  7. Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки 42

Глава 2. Исследование и разработка миниатюрного пьезоэлектрического
балочного биморфного вибрационного гироскопа 44

  1. Выбор пьезоэлектрического материала и разработка конструкции чувствительного элемента вибрационного гироскопа 44

  2. Разработка алгоритма настройки чувствительного элемента вибрационного гироскопа 64

  3. Исследование и разработка упругих подвесов для балочного биморфного чувствительного элемента вибрационного гироскопа 72

  4. Разработка электрической схемы возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа 78

Глава 3. Разработка технологии изготовления миниатюрного
пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа 90

  1. Технология изготовления пьезокерамических биморфных балок 90

  2. Технология изготовления и монтажа упругих подвесов на биморфную балку. Сборка чувствительного элемента 97

  1. Балансировка чувствительного элемента балочного вибрационного гироскопа 99

  2. Разработка принципов настройки параметров балочного вибрационного гироскопа 107

  3. Корпусирование и маркировка балочного вибрационного гироскопа 116

Глава 4. Исследование и измерение характеристик миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа .... 118

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 126

Список литературы 128

Приложение 1. Список основных публикаций автора по теме

диссертации 135

Приложение 2. Тексты программ для эвм по моделированию

чувствительного элемента гироскопа 137

Приложение 3. Дополнительные сведения о интегральной микросхеме .155 Приложение 4. Требования к параметрам заготовок для чувствительного

элемента гироскопа 161

Приложение 5. Сборка гироскопа 164

Приложение 6. Документы о практическом использовании результатов
диссертационной работы 168

Введение к работе:

Актуальность работы. В настоящее время существует необходимость решать ряд задач связанных со стабилизацией курса различных объектов, с определением их местоположения в пространстве, а также получения информации об их угловых скоростях, углах поворота и производных величин от этих параметров. Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплутационным характеристикам гироскопических приборов стимулировали исследователей многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания приборов для обнаружения вращения или угловой скорости объекта в пространстве, а также определения производных величин от этого параметра.

Типы, принципы построения и конструктивные исполнения гироскопов столь же разнообразны, как и области их применения.

Не являются исключением и пьезоэлектрические гироскопы, широко используемые в системах наведения, автомобильной промышленности, авиамоделировании, роботостроении, бытовой технике и игрушках. Гироскопы для таких применений должны обладать малыми массой и габаритами, низкими себестоимостью и энергопотреблением, а также достаточно высокой надёжностью.

Уникальное сочетание электрофизических параметров и упругих характеристик пьезокерамики позволяет прогнозировать создание в ближайшее время пьезогироскопов с повышенной точностью и чувствительностью. Исключительно большими возможностями для решения этих задач обладает метод конечных элементов, с использованием которого решаются практически все перспективные задачи пьезомеханики. К таким задачам, в частности, относится и проблема создания миниатюрного биморфного вибрационного пьезогироскопа. Интерес к этим устройствам обусловлен с одной стороны простотой конструктивно-технологического исполнения и малыми габаритами, с другой стороны возможностью получения наукоемкого изделия с заданными характеристиками и низкой себестоимостью.

Сейчас выпускают вибрационные гироскопы в основном фирмы в США и Японии, такие как «Analog Devices», «Silicon Sensing Systems», «Fujitsu», «Murata», «Nee», «Tokin». В России же в настоящее время производство таких гироскопов отсутствует, тогда как ожидается, что

4 рынок только автомобильных гироскопов достигнет порядка $4 млрд. в 2011 году, что отражает приблизительно 30%-ный совокупный средний темп роста между 2001 и 2011 годами.

Всё это определяет целесообразность и актуальность работы. Таким образом, возникает необходимость решения следующих задач:

  1. Разработка математической конечно-элементной модели и выполнение математического моделирования методом конечных элементов конструкции чувствительного элемента пьезоэлектрического вибрационного гироскопа с учётом сокращения времени настройки и приложения внешней угловой скорости;

  2. Развитие инновационных технологий производства пьезоэлектрических вибрационных гироскопов на основе анализа результатов моделирования чувствительного элемента при необходимости повышения качества изделий и снижения трудозатрат;

  3. Разработка методики настройки пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа применительно к его мелкосерийному производству;

  4. Разработка физических и технологических принципов построения схемы возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа с целью обеспечения стабильной работы гироскопа в условиях перепада температур минус 40 С - плюс 85 С;

  5. Разработка конструкторской и технологической документации для мелкосерийного производства пьезоэлектрических балочных вибрационных гироскопов.

Объектом исследования диссертационной работы является миниатюрный пьезоэлектрический балочный вибрационный гироскоп.

Предмет исследования: решение научно-методической задачи по развитию инновационных технологий создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа.

Методы исследования. Для решения основных задач по теме диссертационной работы использовался аппарат программного конечно-элементного моделирования в применении к пьезоэлектрическим структурам; экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерения, планирования эксперимента, а также применялись методы автоматизации конструирования и оптимизации

5 изделий пьезотехники. Полученные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики.

Достоверность результатов подтверждается высокой степенью корреляции данных, полученных расчетным путем методом конечных элементов, с данными, полученными экспериментально при внедрении результатов работы в производство.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Разработаны основы инновационных технологий изготовления чувствительных элементов пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа и методика организации технологической подготовки производства изделия в целом на базе математического конечно-элементного и натурного моделирования;

  2. Разработан технологический процесс настройки чувствительного элемента гироскопа, обеспечивающий повышение качества изделий в приборостроительном производстве с 20 % до 95 % годных; ч

  3. Разработана инновационная технология по корректировке параметров сечения биморфной балки на стадии распиловки поляризованной биморфной пластины для снижения трудоемкости изготовления изделия в целом в условиях мелкосерийного и серийного производства;

  4. На основе натурного и конечно-элементного моделирования предложен конструктивный вариант подвесов, обеспечивающий повышение чувствительности гироскопа практически в полтора раза с 5 мВ/7с до 7 мВ/% и требующий меньшей монтажной площади в два раза (3 мм2) по сравнению с известными Z-образными подвесами;

  5. Разработаны конкретные конечно-элементные модели нескольких вариантов чувствительных элементов пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа с возможностью конструктивно-технологического исполнения для поверхностного монтажа, на основе чего выработаны предложения по созданию новых конструктивных исполнений и технологических решений для производства разработанного гироскопа;

  6. На основе анализа и результатов натурного моделирования предложена электрическая схема возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа в условиях перепада температур минус 40 С - плюс 85 С. Создана конструкция интегрального исполнения электрической схемы возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа, обеспечивающая

снижение трудоемкости сборки электрической схемы в целом, повышения качества и надежности гироскопа.

Практическая значимость диссертационной работы. На основе полученных в процессе работы результатов реализованы следующие технические решения:

снижены весовые показатели пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа более чем в шесть раз, габаритные - в семь раз по сравнению с ранее разработанным в ОАО «НИИ «Элпа» ударопрочным балочным вибрационным гироскопом с использованием пьезокерамики БВГ-3 для специального применения при сохранении его основных функциональных возможностей. Решение этой задачи позволило создать миниатюрный гироскоп, отвечающий всем требованиям технологии монтажа электронных компонентов;

использование автором инновационного подхода к изготовлению чувствительного элемента гироскопа повысило эффективность работы гироскопа - качество преобразования угловой скорости в электрическое напряжение за счет повышения механической добротности чувствительного элемента;

повышена чувствительность гироскопа практически в полтора раза по сравнению с известными Z-образными подвесами с 5 мВ//с до 7 мВЛ/с за счёт применения разработанных упругих подвесов для чувствительного элемента;

увеличен процент выхода годных изделий с 20 % до 95 % за счет применения разработанного алгоритма настройки чувствительного элемента.

Проведенные в работе натурное моделирование настройки гироскопа и комплекс расчетов позволили получить результаты, на основе которых разработана методика настройки пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа применительно к его мелкосерийному производству.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены:

- в производство ОАО «НИИ «Элпа» при выполнении ряда опытно-
конструкторских работ: «Разработка технологии изготовления
пьезокерамических биморфных гироскопов, включая методы контроля и
аттестации по параметрам», «Разработка интеллектуальных
малогабаритного угломерного пьезоэлектрического сенсорного модуля, а

7 также модуля сенсорного акселерометрического (МСА) для автоматизированных систем наведения ориентации и телеметрии», «Разработка малогабаритного пьезоэлектрического гироскопа для малогабаритных инерциальных навигационных систем»;

- при разработках НКТБ «Пьезоприбор» в рамках опытно-
конструкторской работы по созданию вибрационного трубчатого
пьезогироскопа.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Математические конечно-элементные модели и результаты моделирования методом конечных элементов пьезоэлектрических балочных биморфных чувствительных элементов гироскопа;

  2. Инновационные технологии создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа, включающие следующие новые конструктивно-технологические решения:

подвесы в виде прямоугольных плоских рамок с торсионами для биморфной балки;

способы настройки чувствительного элемента и параметров гироскопа;

электрическая схема возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа;

  1. Алгоритм настройки чувствительных элементов и методика настройки параметров пьезоэлектрических балочных биморфных вибрационных гироскопов;

  2. Результаты исследований влияния технологических дефектов, возникающих при производстве пьезокерамических биморфных балок, на свойства чувствительного элемента и гироскопа в целом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

  1. VI международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий». 22-26 сентября 2008г. г.Анапа;

  2. Научно-технических советах и защитах ОКР, проводимых ОАО «НИИ «Элпа».

Публикации. Материалы, отражающие результаты исследований по теме работы, опубликованы в пяти статьях (три из них в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК), в 3-х научно-технических отчетах по опытно-конструкторским работам в ОАО

8 «НИИ«Элпа», двух научных докладах в трудах Международных конференций и в двух патентных заявках на изобретение. Публикации выполнены в соавторстве с Паничем А.Е., Шахворостовым Д.Ю., Гриценко А.Л., Сафроновым А.Я., Климашиным В.М. Без соавторов опубликованы две работы.

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены лично автором. Автор непосредственно участвовал в планировании, выборе объектов и проведении диссертационного исследования, а также в ряде ОКР: «Разработка технологии изготовления пьезокерамических биморфных гироскопов, включая методы контроля и аттестации по параметрам», «Разработка малогабаритного пьезоэлектрического гироскопа для малогабаритных инерциальных навигационных систем», по программе союзного государства «Россия-Белоруссия» - Функциональная СВЧ электроника «Разработка интеллектуальных малогабаритного угломерного пьезоэлектрического сенсорного модуля, а также модуля сенсорного акселерометрического (МСА) для автоматизированных систем наведения ориентации и телеметрии».

Тема диссертационной работы определена из обзора научно-технической литературы по гироскопическим приборам и областям их применения. В обсуждении и интерпретации полученных результатов принимали участие: профессор Панич А.Е., Головний А.В., Шахворостов Д.Ю., Митько В.Н. и Крамаров Ю.А.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа содержит 102 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 98 наименований и 6 приложений. Полный объем диссертации составляет 174 страницы.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net