梳狀微陀螺的動(dòng)力學(xué)性能研究.pdf

1、微機(jī)械陀螺與傳統(tǒng)陀螺而言，具有體積小、重量輕、成本低、動(dòng)態(tài)性能好、耗能低、易于智能化和數(shù)字化、可靠性高、可集成化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、汽車工藝、武器裝備等領(lǐng)域。在研究諸多微陀螺中，致力于提高其靈敏度和精度始終是人們追求的目標(biāo)。目前，關(guān)于微陀螺動(dòng)力學(xué)性能的研究多數(shù)都是基于微陀螺理想加工下進(jìn)行的，而把各種加工誤差考慮在微陀螺動(dòng)力學(xué)性能的研究，并得出加工誤差對(duì)其性能影響規(guī)律的定量分析頗為少見。所以本文在進(jìn)行微陀螺動(dòng)力學(xué)性能研

2、究時(shí)，考慮了多種加工誤差，將其定量分析，采用理論解析、有限元模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析方法研究加工誤差對(duì)微陀螺固有頻率、模態(tài)、模態(tài)耦合及模態(tài)耦合對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響等，研究結(jié)果對(duì)后期改進(jìn)微陀螺加工工藝和提高微陀螺性能提供了理論指導(dǎo)。
　　建立梳狀微機(jī)械陀螺動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行分析得知，只有激振頻率與微陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率一致，且驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率和檢測(cè)模態(tài)頻率相接近或相等時(shí)，微陀螺靈敏度才能達(dá)到最高，這也是微陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)之一。
　　采

3、用有限元分析方法，研究了刻蝕誤差對(duì)微陀螺性能參數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，刻蝕誤差可引起微陀螺固有頻率偏離理論設(shè)計(jì)值。微梁剛度和微陀螺固有頻率隨著刻蝕角度的增大而增大；最大過度刻蝕角度為±2度時(shí)，其驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的固有頻率的變化率均超過了14％。其次，刻蝕誤差會(huì)影響驅(qū)動(dòng)模態(tài)、檢測(cè)模態(tài)和干擾模態(tài)的階次，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)降階，以及干擾模態(tài)介于驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)之間且干擾模態(tài)頻率與驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率相近的情況，這種情況會(huì)影響微陀螺系統(tǒng)的輸出精度。最后,在

4、整體上，帶寬隨過度刻蝕夾角增大而減小，由于靈敏度受諸多因素影響，故其無(wú)明顯變化規(guī)律。當(dāng)刻蝕角度介于0°～1.5°時(shí)，微陀螺的靈敏度高于無(wú)刻蝕誤差時(shí)微陀螺的靈敏度。研究結(jié)論為微陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。
　　研究了三種不同類型的梁寬誤差對(duì)微陀螺固有頻率和模態(tài)的影響。當(dāng)梁寬誤差為同一對(duì)角線上兩驅(qū)動(dòng)微梁梁寬的尺寸相同但與另一對(duì)角線上微梁梁寬不同時(shí)，梁寬誤差會(huì)引起微陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)及檢測(cè)模態(tài)的耦合，耦合程度隨梁寬誤差的加大而增加。驅(qū)動(dòng)

5、模態(tài)下檢測(cè)質(zhì)量塊在檢測(cè)方向位移y與驅(qū)動(dòng)方向位移x的比值可用來反應(yīng)模態(tài)耦合的程度，當(dāng)梁寬誤差為0.1微米時(shí)模態(tài)耦合比值y/x達(dá)到0.88。當(dāng)梁寬誤差為同一側(cè)微梁梁寬相等而另一側(cè)微梁梁寬不等和只有一根微梁梁寬存在誤差時(shí)，梁寬誤差引起的模態(tài)耦合現(xiàn)象基本可以忽略。
　　通過有限元的方法對(duì)U型微梁形狀進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)U型微梁一邊梁長(zhǎng)為另一邊梁長(zhǎng)的1/2時(shí)模態(tài)耦合情況最嚴(yán)重；當(dāng)U型梁退化為蟹腳型梁或兩邊梁長(zhǎng)相等的U型梁時(shí)，可基本避免由于梁寬誤