[科普中國(guó)]-滾珠、軸承陀螺儀

簡(jiǎn)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(shí)用的參考儀表。從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切地說，一個(gè)繞對(duì)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(dòng)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(dòng)性的高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，并且能用來測(cè)量載體相對(duì)于慣性空間角運(yùn)動(dòng)的儀表。經(jīng)典陀螺儀有兩大特性，即定軸性和進(jìn)動(dòng)性?？梢岳眠@兩個(gè)特性建立一個(gè)相對(duì)慣性空間的人工參考坐標(biāo)系，通過陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)出運(yùn)載器（包括飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、潛艇等）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)運(yùn)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(shí)幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場(chǎng)合。一個(gè)自由轉(zhuǎn)子陀螺儀(雙自由度陀螺儀)靠?jī)?nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)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(dòng)自由度的結(jié)構(gòu));

(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等)。1

滾珠軸承陀螺儀的特點(diǎn)滾珠軸承陀螺儀是一種經(jīng)典的機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺儀。這種陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力和抗沖擊能力強(qiáng)，常用于航空儀表、方位儀、陀螺經(jīng)緯和穩(wěn)定裝置中。缺點(diǎn)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(jī)械式陀螺儀對(duì)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(jī)械加工和材料水平幾乎達(dá)到極限，仍有潛力可挖。國(guó)外報(bào)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(shí)間內(nèi)，在那些需要特別高精度的應(yīng)用場(chǎng)合，這種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子陀螺儀仍然是首選對(duì)象，雖然技術(shù)難度和代價(jià)是顯然的。一般而言，要實(shí)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(dòng)間隙要做到1μm左右，儀表活動(dòng)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(gè)微應(yīng)變，機(jī)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(jí)。測(cè)試設(shè)備的測(cè)角精度0.1″，長(zhǎng)度測(cè)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)?？墒怯捎谠诋?dāng)時(shí)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(gè)愿望直至電機(jī)和滾珠軸承發(fā)明以后才成為現(xiàn)實(shí)，從而陀螺儀被做成陀螺羅經(jīng)和地平儀，用來在運(yùn)動(dòng)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(guó)的V2火箭。從此，陀螺儀和加速度計(jì)成為一門慣性技術(shù)而快速發(fā)展起來，冷戰(zhàn)時(shí)期精度上快速提高，功能上有很大擴(kuò)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(cè)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。