[科普中國]-滾珠、軸承陀螺儀

簡介

陀螺儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態(tài)及速率等最方便實用的參考儀表。從力學(xué)的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。1

滾珠軸承自由陀螺儀，是經(jīng)典的陀螺儀。經(jīng)典陀螺儀是具有定軸性、進(jìn)動性的高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，并且能用來測量載體相對于慣性空間角運動的儀表。經(jīng)典陀螺儀有兩大特性，即定軸性和進(jìn)動性?？梢岳眠@兩個特性建立一個相對慣性空間的人工參考坐標(biāo)系，通過陀螺儀和加速度計測出運載器（包括飛機、導(dǎo)彈、火箭、潛艇等）的旋轉(zhuǎn)運動和直線運動信號，經(jīng)計算機綜合處理，發(fā)出指令姿態(tài)控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)，實現(xiàn)運載器的完全自主導(dǎo)航。

利用滾珠軸承支承是應(yīng)用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。一個自由轉(zhuǎn)子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測量兩個姿態(tài)角。

陀螺儀的基本部件(1) 陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)：

(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu));

(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等)。1

滾珠軸承陀螺儀的特點滾珠軸承陀螺儀是一種經(jīng)典的機械轉(zhuǎn)子式陀螺儀。這種陀螺儀的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，承載能力和抗沖擊能力強，常用于航空儀表、方位儀、陀螺經(jīng)緯和穩(wěn)定裝置中。缺點是軸與軸承間的摩擦力矩較大，故在精密陀螺儀中一般不予采用。

機械式陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。目前機械加工和材料水平幾乎達(dá)到極限，仍有潛力可挖。國外報道陀螺儀的漂移速率做到了地球自轉(zhuǎn)速率的千萬分之一，即10^-6（°）/h。因此，在跨入21世紀(jì)后的一段時間內(nèi)，在那些需要特別高精度的應(yīng)用場合，這種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子陀螺儀仍然是首選對象，雖然技術(shù)難度和代價是顯然的。一般而言，要實現(xiàn)現(xiàn)代高精度陀螺儀的技術(shù)要求，其高速旋轉(zhuǎn)部分的活動間隙要做到1μm左右，儀表活動部件質(zhì)心的不穩(wěn)定量在1nm以下，材料不穩(wěn)定性為一個微應(yīng)變，機械加工精度0.1μm，溫控精度0.01℃，局部環(huán)境潔凈度優(yōu)于10級。測試設(shè)備的測角精度0.1″，長度測量精度10^-7。2

發(fā)展19世紀(jì)末以前，人們一直停留在力學(xué)范圍內(nèi)來研究陀螺的現(xiàn)象和特性，利用這種特性作成的儀表，可以用來觀察地球的自轉(zhuǎn)。可是由于在當(dāng)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高受到限制，轉(zhuǎn)子支承軸上的磨擦力矩?zé)o法降低，這個愿望直至電機和滾珠軸承發(fā)明以后才成為現(xiàn)實，從而陀螺儀被做成陀螺羅經(jīng)和地平儀，用來在運動物體上指示地理真北和地垂線。陀螺在火箭上的應(yīng)用，開始于二戰(zhàn)期間德國的V2火箭。從此，陀螺儀和加速度計成為一門慣性技術(shù)而快速發(fā)展起來，冷戰(zhàn)時期精度上快速提高，功能上有很大擴展。不僅在海、陸、空、天的軍事領(lǐng)域普遍應(yīng)用，而且在大地測量、空中攝影、隧道開鑿和石油鉆井等等許多民用部門也用它起到定向和穩(wěn)定作用。