Инновационные технологии создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа

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 эксплутациопным характеристикам гироскопических приборов стимулировали исследователей многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, по и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания приборов для обнаружения вращения или угловой скорости объекта в пространстве, а также определения производных величии 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 пьсзогироскопов с повышенной точностью и чувствительностью. Исключительно большими возможностями для решения этих задач обладает метод конечных элементов, с использованием которого решаются практически все перспективные задачи пьезомеханикп. К таким задачам, в частности, относится и проблема создания миниатюрного биморфпого 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», «Nec», «Tokin». В России же в настоящее время производство таких гироскопов отсутствует, тогда как ожидается, что рынок только автомобильных гироскопов достигнет порядка $ 4 млрд. в 2011 году, что отражает приблизительно 30%-пый 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 па основе анализа результатов моделирования чувствительного элемента при необходимости повышения качества изделий и снижения трудозатрат;

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

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

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 структурамэкспериментальные исследования базировались на положениях теории измерения, планирования эксперимента, а также применялись методы автоматизации конструирования и оптимизации 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 ииновационпых технологий изготовления чувствительных элементов пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа и методика организации технологической подготовки производства изделия в целом па 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;

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/°/с до 7 мВ/7с и требующий меньшей монтажной площади в два раза (3 мм") по сравнению с известными Z-образпыми 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 °C — плюс 85 °C. 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 гироскопакачество 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/7с до 7 мВ/°/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 опытпо-конструкторскпх работ: «Разработка технологии изготовления пьезокерамических биморфных гироскопов, включая методы контроля и аттестации по параметрам», «Разработка интеллектуальных малогабаритного угломерного пьезоэлектрического сенсорного модуля, а также модуля сенсорного акселерометрического (МСА) для автоматизированных систем наведения ориентации и телеметрии», «Разработка малогабаритного пьезоэлектрического гироскопа для малогабаритных иперциальпых 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 торсиопами для биморфной балки;

— способы настройки чувствительного элемента и параметров гироскопа;

— электрическая схема возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа;

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

4. Результаты исследований влияния технологических дефектов, возникающих при производстве пьезокерамичсских биморфных балок, па 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 панотехпологий». 22−26 сентября 2008 г. г. Апапа;

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 «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 A. JL, Сафроповым А. Я., Климашипым 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 инерциальпых 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».

В обсуждении и интерпретации получеппых результатов принимали участие: профессор Панич А. Е., Головнин А. В., Шахворостов Д. Ю., МитькоВ.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 наименовании и 6 приложений. Полный объем диссертации составляет 174 страницы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В настоящей диссертационной работе выполнен системный анализ различных типов гироскопов, создана классификация вариантов существующих конструктивных решений. Представлен список основных отечественных фирм-разработчиков и изготовителей гироскопической продукции. По результатам анализа сделан вывод о необходимости разработки и производства гироскопа с малой себестоимостью и высоким потребительским спросом.

В ходе выполнения диссертационной работы решена научная задача по развитию инновационных технологий создания миниатюрного биморфиого вибрационного гироскопа. При этом получены следующие основные результаты:

1. Созданы конечно-элементные модели чувствительного элемента с упругими подвесами для пьезоэлектрического балочного биморфиого вибрационного гироскопа с учётом особенностей пьезокерампческого материала. Полученные в результате моделирования зависимости дали возможность оцепить влияние различных технологических факторов па параметры чувствительного элемента, что позволило определить допуски при его изготовлении.

2. На основе анализа результатов МКЭ-моделированпя найдены аппроксимирующие зависимости геометрических параметров сечения биморфной балки и разделительного пропила. Усовершенствована технология производства за счет введения в технологический процесс дополнительных операций корректировки параметров сечения биморфной балки на стадии распиловки биморфной пластины и настройки параметров чувствительного элемента и гироскопа, что позволяет существенно поднять качество производства и повысить процент выхода годных изделий с 20% до 95%.

3. Разработан новый тип упругих подвесов обладающий простотой монтажа, обеспечивающий практически в два раза большую чувствительность гироскопа и требующий в два раза меньшей монтажной площади по сравнению с известными типами подвесов. По результатам конечно-элементного и натурного моделирования подана заявка на изобретение «Упругий подвес для пьезоэлектрического балочного биморфиого вибрационного датчика угловой скорости и способ его монтажа».

4. Получен алгоритм балансировки чувствительного элемента путем МКЭ-моделировапия чувствительного элемента гироскопа, а посредством натурного моделирования и проведения экспериментальных исследований создай алгоритм настройки параметров гироскопа. На способ настройки подана заявка на изобретение «Способ балансировки пьезоэлектрического балочного биморфиого чувствительного элемента вибрационного датчика угловой скорости».

5. Разработана электрическая схема возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов, обеспечивающая стабильность параметров гироскопа в интервале температур минус 40 «С — плюс 85 °C и устойчивость к внешним воздействиям вибраций и линейных ускорений. Результаты её работы в составе гироскопа совместно с чувствительным элементом полностью отвечают требованиям к гироскопам низкого класса точности.

6. В настоящее время ведётся разработка недорогого цифрового миниатюрного пьезогироскопа на базе уже созданного в настоящей работе с характеристиками не хуже представленного гироскопа. Этот прибор будет оснащен встроенным датчиком температуры, показания которого в цифровом виде будут доступны пользователю. Также помимо цифрового предусмотрен и аналоговый выход сигнала гироскопа. В дальнейшем планируется усовершенствовать разработанный малогабаритный пьезогироскоп для применения его в технике специального назначения.

7. Запланирована разработка трёхкоординатного балочного вибрационного пьезогироскопа, а также намечена разработка гироскопических приборов на основе представленного в настоящей работе гироскопа, измеряющих угол поворота и угловое ускорение объектов.