Исследование конструктивно-технологических характеристик лазерного гироскопа с целью повышения его качества

Инсрциальные навигационные системы (ИНС) являются основой навигационных комплексов всех современных летательных аппаратов. Преимуществами ИНС перед другими навигационными системами являются их автономность и помехозащищенность при определении основных параметров движения: координат местоположения, скорости, угловой ориентации, направления движения, ускорения, угловой скорости и др. [1 — 4]. Современные тенденции развития ИНС направлены на применение бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [3 — 5, 10 — 11, 38 — 39]. БИНС по сравнению с платформенными ИНС имеют ряд преимуществ: простоту кинематической схемы, повышенную надежность, компактность, больший > динамический диапазон, универсальность вычислительных алгоритмов в различных системах координат, уменьшение энергопотребления [5, 6, 10].

Реализация потенциальных преимуществ БИНС потребовала разработки гироскопических датчиков, удовлетворяющих их требованиям. Гироскопические датчики платформенных ИНС работают в контурах стабилизации, как правило, в режиме ноль-индикатора, поэтому к ним предъявляются высокие требования по стабильности собственного дрейфа, а требования по величине измеряемых угловых скоростей и стабильности масштабного коэффициента не являются определяющими. Специфика применения БИНС, характеризующаяся большими угловыми скоростями, измеряемыми при функционировании на борту летательного аппарата, определяет одинаково жесткие требования к гироскопическому датчику, как по стабильности собственного дрейфа — не хуже 0,01 °/час, так и по стабильности масштабного коэффициентана уровне 5- 10−10−6 [4, 5, 11]. Наибольшее распространение в качестве гироскопического датчика БИНС, благодаря своим достоинствам: широкому диапазону измеряемых угловых скоростей — сотни градусов в секунду, стабильности масштабного коэффициента — 1−10 -10″ 6, стабильности собственного дрейфа-0,005. 0,05 °/час, удобству сопряжения с цифровым вычислителемполучил лазерный гироскоп (ЛГ) [4−5, 11 — 12, 14, 41, 43].

БИНС на ЛГ в настоящее время являются одними из самых распространенных средств автономной инерциальной навигации. Перспективы развития мирового рынка этих систем связаны, с одной стороны, с увеличением числа потребителей (малые самолеты, наземный транспорт, малые суда), что требует улучшения их надежности и эксплуатационных характеристик, а также уменьшения габаритно-массовых характеристик, а с другой стороны, с ужесточением требований со стороны традиционных потребителей. Опыт разработки ЛГ показывает, что основной погрешностью этих приборов, определяющей возможность их использования в качестве инерциальных датчиков БИНС, является их случайный дрейф [4, 8 -9, 52, 58]. Повышение точности и улучшение эксплуатационных характеристик БИНС прямо связано с решением проблемы создания ЛГ с улучшенными точностными и эксплуатационными характеристиками. Решение данной задачи невозможно без полного понимания причин возникновения погрешностей ЛГ и механизмов влияния конструкторско-технологических параметров на величины и стабильность случайного дрейфа, на основе которого могут быть разработаны технические решения, направленные на совершенствование конструкции и технологии изготовления ЛГ.

Другой проблемой является улучшение надежности и эксплуатационных характеристик, среди которых одной из важнейших является технический ресурс. Технический ресурс ЛГ, предназначенного для использования в современных БИНС различного назначения, предполагает, как правило, величину порядка 80 — 100 тыс. часов. Спецификой конструкции ЛГ является то, что в этих приборах практически отсутствуют контактирующие при движении друг относительно друга детали и узлы. Основным элементом ЛГ, определяющим его точностные и эксплуатационные характеристики, является кольцевой гелий-неоновый лазер (КЛ), прогнозирование технического ресурса которого необходимо осуществлять на этапе изготовления.

В соответствии с изложенным, исследование факторов, определяющих погрешность ЛГ, разработка на его основе конструкторско-технологических рекомендаций по повышению точности, а также создание эффективной методики, позволяющей оценивать ресурс KJI на этапе его изготовления, является актуальной задачей.

В данной работе рассмотрены вопросы доведения параметров лазерного гироскопа ЛГ-1 с вибрационной частотной подставкой, разработанного в ОАО «Московский Институт Электромеханики и Автоматики», до требований, предъявляемых перспективными БИНС. В связи с этим разработана математическая модель основных параметров прибора, рассмотрены технологические аспекты конструкции гироскопа, на основании анализа которых предложены пути её модернизации и новые методы управления, позволяющие уменьшать случайную погрешность, а также реализована новая методика прогнозирования ресурса КЛ на этапе его изготовления.

Целыо работы является реализация конструктивно-технологических решений, обеспечивающих повышение точности ЛГ с вибрационной частотной подставкой, а также создание новой методики, позволяющей прогнозировать ресурс КЛ гироскопа на этапе его изготовления.

Задачи исследования.

В соответствии с целью работы можно сформулировать следующие задачи исследования:

— выявление параметров точности и надежности серийно выпускаемых ЛГ, не удовлетворяющих требованиям перспективных БИНС;

— исследование конструктивно-технологических причин и анализ физической природы образования доминирующей погрешности ЛГ;

— формализация связи конструктивно-технологических параметров ЛГ с его погрешностями и ресурсными характеристиками;

— разработка алгоритма управления вибрационной системой ЛГ, позволяющего минимизировать накапливаемую составляющую случайного дрейфа;

— разработка и экспериментальная проверка эффективности рекомендаций по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ;

— разработка методики прогнозирования ресурса KJ1 гироскопа, проводимого на этапе его изготовления;

— формулировка и обоснование требований к автоматизированному рабочему месту для оценки ресурса KJI гироскопа по предлагаемой методике.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту в соответствии с целью работы выносятся следующие положения:

— уточненная математическая модель ЛГ, учитывающая связь между встречными волнами на диафрагме, дифракцию лазерного излучения на диафрагме, влияние примесей на устойчивость разрядаформализующая связи первичных конструктивно-технологических параметров элементов ЛГ с его погрешностями и техническим ресурсом;

— алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, компенсирующий влияние зоны захвата на его выходной сигнал, позволяющий уменьшить накапливаемую составляющую случайного дрейфа ЛГ примерно на порядок;

— конструкторские и технологические рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ, а также экспериментальная проверка их эффективности;

— методика определения технического ресурса КЛ, позволяющая по временному дрейфу характеристик реактивных колебаний в цепи разряда проводить индивидуальное прогнозирование на этапе изготовления, эффективность которой подтверждена экспериментально.

Методы исследования. Полученные результаты базируются на комплексном применении основных положений теории кольцевого лазера, теории колебаний, физики газового разряда, теории электрических цепей, теории точности производства, математических методах анализа, методах аппроксимации и линеаризации, а также натурном и математическом моделировании.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— создана уточненная математическая модель ЛГ, описывающая доминирующую погрешность и характеристики разряда ЛГ в его конструктивно-технологических параметрах;

— разработан компенсационный метод управления вибрационной системой, позволяющий минимизировать случайную погрешность, вызываемую связью встречных волн в резонаторе ЛГ;

— разработаны теоретически обоснованные рекомендации по минимизации величин дифракционных потерь и зоны захвата в КЛ;

— разработана методика экспрессного контроля, позволяющая оценивать ресурс КЛ гироскопа на этапе его изготовления;

— сформулированы и обоснованы требования к автоматизированному рабочему месту для оценки ресурса КЛ гироскопа по предлагаемой методике.

Практическая ценность работы заключается в:

— разработке технических решений по совершенствованию конструкции и технологического процесса изготовления ЛГ, обеспечивающих уменьшение его доминирующих погрешностей;

— применении разработанной математической модели для выбора рациональных величин параметров контура управления вибрационной системой и обоснованных допусков на отклонение этих параметров для обеспечения требуемой точности ЛГ;

— разработке новой методики оценки ресурса КЛ гироскопа, обеспечивающей прогнозный контроль на этапе изготовления;

— внедрении разработанных технических решений в конструкторскую документацию и технологический процесс изготовления серийно выпускаемого лазерного гироскопа ЛГ-1.

Апробация работы. Материалы представленные в данной диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях: 8-й, 9-й, 10-й, 11-й Санкт-Петербургских Международных конференциях по интегрированным навигационным системам в 2001, 2002, 2003, 2004 годаТематической сессии научного совета по проблемам управления движением и навигацией РАН, Москва 2002 год- 4-й Международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии», г. Минск, 2003 годМеждународном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», г. Санкт-Петербург 2004 год- ^ Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», г. Москва — 2004; 15-й Международной конференции «Газовые разряды и их применение», г. Тулуза, Франция 2004 год.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, из них один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 137 наименований. Материал % изложен на 172 страницах иллюстрированных 75 рисунками, графиками и 26.

ОСНОВНЫБ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В результате проведенных в рамках данной диссертационной работы исследований получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ параметров серийно выпускаемых лазерных гироскопов, позволивший выявить доминирующие характеристики качества ЛГслучайный дрейф и ресурс, а также определить возможные физические причины, формирующие эти характеристики.

2. Разработана уточненная математическая модель ЛГ, обобщающая модели: выходного сигнала ЛГ, распределения поля в резонаторе и положительного столба разряда. Модель позволила установить, что:

— случайный дрейф ЛГ определяется величиной зоны захвата, которая ^ является обобщенной характеристикой рассеяния лазерного излучения на элементах резонатора. учет дифракции лазерного излучения на диафрагме позволяет уточнять величины дифракционных потерь мод кольцевого резонаторана связь встречных волн в кольцевом резонаторе влияют параметры пе только зеркал, но и диафрагмы;

— временной дрейф порогового тока реактивных колебаний позволяет ^ определять изменения состава газовой смеси, вызванные распылением катода;

— наличие легко ионизируемых примесей в газовом разряде оказывает влияние на величину порога неустойчивости стационарного состояния разряда.

3. В результате исследований, проведенных с помощью разработанной модели, сформированы требований к выбору номинальных параметров функциональных элементов резонатора и осуществлен рациональный выбор допусков на них, которые позволяют обеспечить:

— уменьшение величины дифракционных потерь для основной резонаторной моды в 2 раза и воспроизводимость этой величины на уровне 25%;

— 172- снижение величины зоны захвата в резонаторе на 28%;

4. Найдены условия компенсации влияния зоны захвата на выходной сигнал, позволяющие построить алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, уменьшающий накапливаемую составляющую случайного дрейфа ЛГ с 0,031 до 0,0024 Тчас, что обеспечивает повышение точности выставки БИНС с 3−5 у гл. минут до 0,5 угл. минут.

5. Разработана методика определения технического ресурса КЛ, позволяющая проводить индивидуальное прогнозирование на этапе его изготовления. Эффективность разработанной методики подтверждена экспериментально.

6. Разработанные в работе рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ внедрены в конструкторскую документацию и технологические процессы серийного производства изделий: лазерного гироскопа ЛГ-1, блока лазерных гироскопов БЛГ.

Золочение.

Проверка по ТУ.

Корпус метал.сб. 2.

Травление экранов.

Приклеивание экранов.

Нанесение покрытия (черная эмаль).

Контроль герметичности.

Заливка вводов.

Приклейка элементов.

Монтаж.

Электрические испытания.

Термостабилизация.

Испытания Контроль параметров.

УИС.

Покупной.

УП.

Покупной.

Колодка.

Опрессовка.

Заливка лепестков.

Гравировка.

КЛ лг.

Установка виброподвеса.

Монтаж (подпайка токосъемников).

Установка ротора ДУСа.

Монтаж.

Подбор резисторов Заливочная регулировка.

Установка крышки.

Обезгажи ванне.

Проверка герметичности.

Заполнение.

Регулировка.

Маркировка.

Контрольная.

ПСИ.

ДУС (ротор).

Сборочная.

Монтаж.

Термостабилизация.

Контроль.

Виброподвес.

Электрой сп ытания.

Установка пьезоэлементов.

Монтажная.

Термотренировка.

Контроль.

Испытания.

Крышка сб.

Травление экранов.

Приклеивание экранов.

Окраска.

Контроль.

7″ .

Экран.

Загото в ител ьн ая.

Термообработка I.

Крышка.

Формовка.

Контрольная.

С.

Рис. 1.6. Схема технологического процесса изготовления ЛГ-1.

Схемы технологических процессов изготовления кольцевого лазера KJI-1 и лазерного гироскопа ЛГ-1 представлены на рис. 1.5 и 1.6 соответственно. Основные технические характеристики лазерного гироскопа ЛГ-1 представлены в таблице 1.5.

1.5. Проблематика повышения качества в технологии ЛГ.

Уровень качества изделия оценивается по следующим групповым показателям: назначение, надежность, технологичность конструкции, стандартизация и унификация, патентно-правовым, экологическим, эстетическим, транспортабельности, безопасности, эргономическим и экономного использования сырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов [66−68].

Техническая документация на лазерный гироскоп ЛГ-1 определяет его технические характеристики (показатели назначения), их величины приведены в таблице 1.5. Приборы, выпускаемые по данной документации, могут обладать совокупностью характеристик, которые либо полностью соответствуют требованиям документации, либо по отдельным характеристикам, в определенных условиях, например, при определенных значениях температур, этим требованиям не соответствуют. Одними из важнейших характеристик ЛГ, с точки зрения потребителя (БИНС), являются его характеристики точности и показатели технического ресурса при заданной надежности. Проанализируем приборы ЛГ-1, выпущенные в серийном производстве, на соответствие их характеристик точности требованиям документации.

Объектом анализа является партия из 60 приборов, выпущенных за период 2000;2002 года. Анализу подвергались следующие характеристики [69]:

— величина вариации (нестабильности) дрейфа гироскопа в запуске и от запуска к запуску при осреднении за один час, Лсоч °/часвеличина готовности по дрейфу на интервале со 2-ой по 10-ю минуту запуска, Асог °/час — величина средне квадратичной ошибки дрейфа на 100 секундных интервалах, (Jm°lчас.

Набор этих параметров описывает величины систематического дрейфа, при этом первые две составляющие характеризуют нестабильность систематического дрейфа (погрешности а), б), в) таблица 1.З.), а третья составляющая -^ случайную погрешность (погрешность г)). Информативная база, использованная для анализа состоит из вышеперечисленных характеристик, определенных в различных запусках (от одной до трех реализаций на каждый прибор) на температурах контроля: -20°С, +20°С, +55°С. Влияние температурной погрешности скомпенсировано алгоритмически. Результаты анализа точностных характеристик представлены в таблице 1.9. и на рис. 1.7. Случайная погрешность в 50% реализаций не соответствует требованиям доку* ментации, в то время как характеристики нестабильности дрейфа этим требованиям удовлетворяют. Причиной повышенной величины случайной погрешности является влияние зоны синхронизации на выходной сигнал ЛГ (раздел 1.3.2.).

На различных этапах эксплуатации ЛГ-1 (сборки, калибровки и юстировки БИНС, специальные испытания, работа на борту объекта), а также в процессе изготовления приборов (схема технологического процесса рис. 1.5, * 1.6, таблица 1.8) имеют место отказы гироскопов. За период с 2000 по 2003 год были проанализированы отказы гироскопов при изготовлении и эксплуатации. Информационная база содержит данные об отказах 34 приборов. Результаты анализа обобщены и представлены на гистограмме рис. 1.8 — по оси ординат отложено количество штук отказавших приборов, по оси абсцисс — виды отказов. Полученные результаты показывают, что наиболее весомыми (35%) среди различных видов отказов оказываются отказы, вызванные изме-ф. нением состава газовой среды КЛ. Данный вид отказа, на настоящем этапе развития технологии, является наиболее типичным и существенно ограничивает технический ресурс ЛГ.

025 °/чаС 4 —^ 0.017 °/час.

45% 50% а) средне квадратичная ошибка дрейфа, сГщо 0,005 7час 11% 5%.

0,015 °/час ^хг-^^^^^И %.

21% ^Нн^нВ^н^^В.

29% 0,010 °/час б) вариация дрейфа в запуске и от запуска к запуску, Л (оч.

0.015 °/час.

Рис. по дрейфу Ло) г при температурах: -20, +20,.

1 разгерметизация КЛ.

2 изменение состава газовой смеси.

3 изменение электромеханических характеристик виброподвеса.

4 нарушение электромонтажа.

5 нарушение условий эксплуатации.

6 выход из строя усилителей.

7 увеличение потерь в резонаторе КЛ.

8 повышенное значение случайной погрешности в) точностная готовность.

1.7 Точностные характеристики ЛГ-1.

55 ° С).

0.005 °/час.

0.010 °/час.

Рис. 1.8. Отказы ЛГ-1.