微機(jī)電陀螺工藝允差分析及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、題目：微機(jī)電陀螺工藝允差分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：作者：彭首軍王偉副教授申請(qǐng)學(xué)位學(xué)科：光學(xué)工程2011年4月25目微機(jī)電陀螺工藝允差分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)!YIll11l||18II6II19l19lIoll噦妻究鍪二莖惹零駑夸研究生簽字：7魴Z倪鈔指導(dǎo)教師簽字：多彩摘要相對(duì)于傳統(tǒng)陀螺，微機(jī)電陀螺以其體積小、功耗低、成本低等特性，在對(duì)精度要求不高的慣性導(dǎo)航、姿態(tài)測(cè)量領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。采用體硅工藝制造的微機(jī)電陀螺其測(cè)量精度受工藝誤差影響較大，且工藝

2、誤差對(duì)陀螺性能的影響與陀螺結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而工藝允差分析及陀螺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文研究的是Z軸線振動(dòng)式微機(jī)電陀螺。首先建立陀螺動(dòng)力學(xué)模型，再利用拉格朗日原理建立其在驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向的動(dòng)力學(xué)方程。Z軸陀螺可舍去一部分耦合作用項(xiàng)得到簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方程，通過解方程得到驅(qū)動(dòng)檢測(cè)方向位移、品質(zhì)因數(shù)、機(jī)械靈敏度、工作帶寬等陀螺重要特性表達(dá)式。對(duì)靜電梳齒電容驅(qū)動(dòng)檢測(cè)機(jī)理、靜電調(diào)諧以及支撐梁剛度及其矩陣表達(dá)式進(jìn)行了總體分析。Z軸陀螺因耦合項(xiàng)引起的

3、原理性誤差可以忽略。基于陀螺動(dòng)力學(xué)及靜電驅(qū)動(dòng)理論分析了加工工藝引起的質(zhì)心偏移、電容梳齒結(jié)構(gòu)誤差、梁結(jié)構(gòu)誤差以及工藝殘余應(yīng)力對(duì)陀螺性能的影響，給出相對(duì)誤差或其作用項(xiàng)表達(dá)式。利用ANSYS對(duì)陀螺重要組件及整體進(jìn)行仿真計(jì)算。兩種支撐梁模態(tài)分析及剛度計(jì)算結(jié)果表明梁結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)需要；梳齒電容仿真數(shù)據(jù)表明電容對(duì)梳齒寬度變化較敏感，梳齒剛度分析表明其在正常工作電壓范圍內(nèi)可抗吸附。陀螺3D模型及2D模型模態(tài)分析及剛度計(jì)算表明陀螺模態(tài)頻率符合匹配約束，剛

4、度滿足解耦要求，且2D模態(tài)分析與3D模態(tài)分析結(jié)果近似。陀螺3D模型及2D模型的過載分析結(jié)果表明陀螺滿足過載要求。由陀螺各結(jié)構(gòu)工藝相對(duì)誤差及作用項(xiàng)表達(dá)式、陀螺仿真數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合陀螺技術(shù)指標(biāo)計(jì)算各結(jié)構(gòu)工藝允差范圍。根據(jù)微機(jī)電陀螺動(dòng)力學(xué)及仿真分析結(jié)果，確定其主要性能指標(biāo)要求?？紤]陀螺的指標(biāo)性約束和設(shè)計(jì)性約束條件，將梁結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)寬量作為設(shè)計(jì)變量，利用ANSYS中優(yōu)化組件基于不同優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)完成陀螺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：微機(jī)電陀螺；工藝允差；