微小型加速度计的精密装配及影响性能的因素研究

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加速度计是惯性导航和制导系统中的核心元件之一,其性能是决定导航、制导精度最重要的因素。由于高性能微小型加速度计的装配一直采用人工装配的方式,导致产品特级率低、生产效率低、工人劳动强度大,无法满足高性能微小型加速度计的批量化生产要求。本文以微小型挠性加速度计为研究对象,对微小型加速度计的精密装配技术及装配过程中的不确定因素对性能的影响规律进行了研究。根据挠性加速度计的结构特点和工作原理,建立了加速度计的输入输出理论模型,结合对加速度计装配过程的分析,确定了加速度计的偏值误差主要由三种干扰输入引起,即干扰力矩△M,弹性恢复角β和电容差△C。分析了三种干扰输入对偏值误差的影响机理,确定引起偏值误差的主要装配不确定因素是导电游丝引起的干扰力矩△M,以及热膨胀系数不匹配导致摆片产生变形形成的电容差△C。分析了加速度计非线性误差和交叉耦合误差产生的机理,确定了摆组件的装配误差以及摆组件的重心偏移分别是引起加速度计交叉耦合误差和非线性误差的主要原因。对加速度计的偏值稳定性进行了理论分析,确定了导电游丝引起的干扰力矩△M、摆片不均匀变形引起的电容差△C的稳定性,及预紧力不稳定所引起的电容极板间隙变化是加速度计偏值稳定性的主要影响因素。采用有限元方法量化分析了导电游丝在焊接装配过程中的变形所引起的偏值误差及其稳定性,针对游丝的焊接工艺提出改进方法。对热膨胀系数不匹配导致的摆片变形及其引起的偏值误差进行了有限元分析,研究了摆片变形所引起偏值的温度稳定性,针对摆组件的胶粘接工艺提出了改进方法。通过建立几何误差与交叉轴灵敏度间的数学关系,以及对加速度计零组件的加工、装配过程的分析,对加速度计的加工与装配提出了合理的公差要求。以Majumdar-Bhushan模型中的假设条件为基础,建立了电容传感器的极板接触刚度模型。分析了预紧力对平行极板电容的影响,并进行了实验研究。针对加速度计的微小型螺纹副联接,提出采用零刚度碟簧提高螺纹副预紧力稳定性的方法,对不同尺寸的单片碟簧和组合碟簧的刚度特性进行了有限元分析,建立了实验装置进行对比实验研究。针对具有零刚度特性螺纹副的装配提出了一种改进的扭矩控制方法,实现了加速度计微小型螺纹副装配中对预紧力的有效控制,建立了微小型螺纹副装配实验装置,并进行了实验研究。根据微小型挠性加速度计的结构特点和装配工艺要求,遵循实用、可靠、可重构的原则研制了基于显微机器视觉的精密自动装配系统。提出了局部特征拼接定位方法,实现了跨尺度微小型零件的显微视觉测量;提出了一种基于图像质量分析的光强自动控制方法,实现了光强自动调节;采用位置和阻抗混合控制策略,实现了摆组件装配过程中微小装配力的精确控制。随机抽取多套加速度计零件进行装配实验,验证了装配系统的可靠性和装配精度。本文关于微小型加速度计的精密装配及性能影响因素的研究,包括:影响加速度计性能的装配不确定因素及其影响机理,微小型挠性加速度计自动化精密装配系统等研究成果,已在微小型挠性加速度计的装配生产中得到了应用。
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