微機電陀螺工藝允差分析及優(yōu)化設計.pdf

1、題目：微機電陀螺工藝允差分析及優(yōu)化設計指導教師：作者：彭首軍王偉副教授申請學位學科：光學工程2011年4月25目微機電陀螺工藝允差分析及優(yōu)化設計!YIll11l||18II6II19l19lIoll噦妻究鍪二莖惹零駑夸研究生簽字：7魴Z倪鈔指導教師簽字：多彩摘要相對于傳統(tǒng)陀螺，微機電陀螺以其體積小、功耗低、成本低等特性，在對精度要求不高的慣性導航、姿態(tài)測量領域有廣泛的應用。采用體硅工藝制造的微機電陀螺其測量精度受工藝誤差影響較大，且工藝

2、誤差對陀螺性能的影響與陀螺結構有關，因而工藝允差分析及陀螺結構的優(yōu)化設計顯得尤為重要。本文研究的是Z軸線振動式微機電陀螺。首先建立陀螺動力學模型，再利用拉格朗日原理建立其在驅(qū)動方向和檢測方向的動力學方程。Z軸陀螺可舍去一部分耦合作用項得到簡化動力學方程，通過解方程得到驅(qū)動檢測方向位移、品質(zhì)因數(shù)、機械靈敏度、工作帶寬等陀螺重要特性表達式。對靜電梳齒電容驅(qū)動檢測機理、靜電調(diào)諧以及支撐梁剛度及其矩陣表達式進行了總體分析。Z軸陀螺因耦合項引起的

3、原理性誤差可以忽略?；谕勇輨恿W及靜電驅(qū)動理論分析了加工工藝引起的質(zhì)心偏移、電容梳齒結構誤差、梁結構誤差以及工藝殘余應力對陀螺性能的影響，給出相對誤差或其作用項表達式。利用ANSYS對陀螺重要組件及整體進行仿真計算。兩種支撐梁模態(tài)分析及剛度計算結果表明梁結構滿足設計需要；梳齒電容仿真數(shù)據(jù)表明電容對梳齒寬度變化較敏感，梳齒剛度分析表明其在正常工作電壓范圍內(nèi)可抗吸附。陀螺3D模型及2D模型模態(tài)分析及剛度計算表明陀螺模態(tài)頻率符合匹配約束，剛

4、度滿足解耦要求，且2D模態(tài)分析與3D模態(tài)分析結果近似。陀螺3D模型及2D模型的過載分析結果表明陀螺滿足過載要求。由陀螺各結構工藝相對誤差及作用項表達式、陀螺仿真數(shù)據(jù)、結構參數(shù)結合陀螺技術指標計算各結構工藝允差范圍。根據(jù)微機電陀螺動力學及仿真分析結果，確定其主要性能指標要求?？紤]陀螺的指標性約束和設計性約束條件，將梁結構中長寬量作為設計變量，利用ANSYS中優(yōu)化組件基于不同優(yōu)化目標函數(shù)完成陀螺結構的優(yōu)化設計。關鍵詞：微機電陀螺；工藝允差；