微半球谐振陀螺结构装配夹具、装配系统及装配方法与流程

1.本发明涉及微机电系统制造技术领域，特别是涉及一种微半球谐振陀螺结构装配夹具、装配系统及装配方法。


背景技术：

2.陀螺仪是测量载体在惯性空间角运动的传感器，是惯性导航和姿态测量系统的基础核心器件，在精确制导、无人平台、航空航天等领域具有非常重要的应用价值。
3.微机电系统(mems)技术的陀螺具有体积小、功耗低、成本低、可批量生产等特点。微半球谐振陀螺是一种新型的mems陀螺，微半球谐振陀螺的制造技术包括微半球谐振结构制造、电极装配、封装以及测控电路，微半球谐振陀螺驱动方式分为面内驱动与面外驱动，面内驱动选择的电极结构为径向电极，径向电极对径向安装误差均非常敏感。面外驱动选择的电极结构为平面电极，平面电极仅对轴向误差非常敏感，是装配难度最低、最容易实现批量化的一种电极布置形式。而微半球谐振结构制造误差和电极装配误差是陀螺误差的主要来源，是决定陀螺综合性能的前提条件。
4.目前，由玻璃吹制工艺加工的微半球谐振结构已基本能够满足陀螺的应用需求，但高精度的装配技术仍是限制高性能微半球谐振陀螺的瓶颈，装配对准和电极一致性都还有待提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种微半球谐振陀螺结构、装配夹具及其装配方法，解决了微半球谐振陀螺结构在装配过程中精度低的问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种微半球谐振陀螺结构装配夹具，包括夹具本体，所述夹具本体上开设有装配槽以及加热片安装槽；
8.所述装配槽开设在夹具本体上表面上，用于安装电极基板；
9.所述加热片安装槽位于所述装配槽下方，所述加热片安装槽与所述装配槽相连通，且所述加热片安装槽的宽度小于所述装配槽的宽度，所述加热片安装槽的开口位于所述夹具本体的侧面，用于将加热片插入至所述加热片安装槽内。
10.优选地，所述夹具本体上还开设有引线槽，所述引线槽开设在所述加热片安装槽的上方，且所述引线槽与所述加热片安装槽相连通。
11.本发明还公开了一种微半球谐振陀螺结构装配系统，包括光学平台，以及所述的一种微半球谐振陀螺结构装配夹具，所述光学平台上设有第一调节机构，所述夹具本体固定连接在所述第一调节机构上；
12.所述光学平台上还固定连接有第二调节机构，所述第二调节机构位于所述第一调节机构的上方；
13.所述第二调节机构上可拆卸地连接有吸盘金具，所述吸盘金具用于吸附微半球谐
振结构，所述吸盘金具位于所述夹具本体的正上方，且所述吸盘金具上的吸盘正对于所述夹具本体上的所述装配槽。
14.优选地，所述第一调节机构包括位移平台以及压电平台，所述位移平台固定连接在所述光学平台上，所述压电平台固定连接在所述位移平台上，所述夹具本体固定连接在所述压电平台上。
15.优选地，所述压电平台为多自由度压电运动平台，配有压电控制器，通过接入电脑程序控制，压电平台具有x、y、z三个方向的移动与转动共六个自由度，可以实现微米级的电极间隙调节。
16.优选地，所述位移平台为多自由度位移平台，其至少具有x、y两个方向的移动。
17.优选地，所述第二调节机构包括固定连接在所述光学平台上的一对立柱；
18.一对所述立柱之间设有调节支架，所述调节支架可相对所述立柱上下移动；
19.所述调节支架上设有调节块；所述调节块可沿所述调节支架长度方向移动；
20.所述调节支架上固定连接有微调夹取机构，所述吸盘金具可拆卸地连接在所述微调夹取机构上，所述微调夹取机构可以微调所述吸盘金具的相对高度。
21.优选地，所述光学平台上设有至少一个显微物镜，所述显微物镜朝向所述夹具本体的所述装配槽，用于放大观察安装在装配槽上的物件；
22.所述显微物镜通过调焦支架固定连接在所述光学平台上，所述调焦支架用于调节所述显微物镜，使所述显微物镜达到最佳的焦距；
23.所述显微物镜的尾部设有相机，所述相机通过引线介入视频显示器，所述相机将经过所述显微物镜放大的图片传递到所述视频显示器上，从而进行观察。
24.优选地，所述吸盘金具外接气动机构，所述气动机构用于控制所述吸盘金具的吸附与断开。
25.本发明还公开了一种微半球谐振陀螺结构装配方法，使用所述的一种微半球谐振陀螺结构装配系统，包括以下步骤：
26.步骤1，将电极基板放置并固定在装配槽内，并且在电极基板上涂上导电胶，将加热片嵌入在所述加热片安装槽内，加热片外接加热装置；
27.步骤2，取下吸盘金具，然后使用吸盘金具吸附微半球谐振结构的锚点位置，然后将吸附有微半球谐振结构的吸盘金具固定在微调夹取机构上；
28.步骤3，操作位移平台使微半球谐振结构与电极基板对准，然后操作调节支架向下移动使微半球谐振结构靠近电极基板，最后使用微调夹取机构压紧微半球谐振结构与电极基板；
29.步骤4，调节调焦支架选择合适的焦距，调节显微物镜选择合适的放大倍率，以使得在视频显示器中能清晰看到电极间隙；
30.步骤5，根据步骤4中视频显示器中所看到的电极间隙，通过调节多自由度压电平台使微半球谐振结构与电极基板之间的电极间隙均匀；
31.步骤6，将加热片通电，调节至所需要的固化温度，通过导电胶将微半球谐振结构与电极基板固定连接；
32.步骤7，操作调节支架使吸盘金具调回初始位置，然后将得到的整体结构从装配夹具上取下得到微半球谐振陀螺结构。
33.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
34.一、本发明包括温度加热控制系统，气动系统，压电运动平台调控系统，在线显示系统，以及对准系统，多个功能系统搭配合作可显著减小微半球谐振陀螺结构装配误差，提升工艺的稳定性、一致性以及精密性。
35.二、本发明基于底部平面电极布置形式的陀螺结构，装配过程中对准实现精准调节，使微半球结构的几何中心与电极基板的几何中心对准与定位；装配过程中可以实时在线检测装配电极间隙，为电极间隙调节提供有力保障；通过压电平台实现多个方向的多自由度微米级电极间隙调控，最终减小微半球谐振陀螺结构的装配误差。
36.三、本发明集电极间隙在线检测功能与温度加热功能于一体，装配调节过程中就能实现温度加热使微半球谐振结构与电极基板的固定，这样避免先装配后再放置到加热板上引入的人为误差，保证了装配的精度。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
38.图1为本发明一种微半球谐振陀螺结构装配夹具的主视图；
39.图2为本发明图1中的a
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a剖视图；
40.图3为本发明一种微半球谐振陀螺结构装配系统的结构示意图；
41.图4为本发明第一调节机构的结构示意图；
42.图5为本发明第二调节机构的结构示意图；
43.图6为本发明微调夹取机构夹取吸盘金具后的结构示意图；
44.图7为本发明滑动块的结构示意图；
45.图8为本发明电极基板的一种固定方式的结构示意图；
46.图9为本发明电极基板的另一种固定方式的第一结构示意图；
47.图10为本发明电极基板的另一种固定方式的第二结构示意图。
48.图中标记：1
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夹具本体，101
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装配槽，102
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加热片安装槽，103
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引线槽，104
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固定孔，105
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螺纹孔，106
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安装孔，2
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光学平台，3
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吸盘金具，4
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第一调节机构，401
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位移平台，402
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压电平台，6
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第二调节机构，601
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立柱，602
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调节支架，603
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调节块，604
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微调夹取机构，6041
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夹取件，6042
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紧固件，6043
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固定块，6044
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移动块，6045
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调节旋钮，605
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滑动块，6051
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滑动孔，6052
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锁紧槽，6053
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锁紧孔，7
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显微物镜，8
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调焦支架，9
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相机，10
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垫片，11
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螺栓，12
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第二磁铁，13
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微半球谐振结构，14
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电极基板，第一磁铁15。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
51.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
52.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
54.实施例一
55.如图1
‑
2,8
‑
10所示为本实施例公开的一种微半球谐振陀螺结构装配夹具，包括夹具本体1，所述夹具本体1上开设有装配槽101以及加热片安装槽102；所述装配槽101开设在夹具本体1上表面上，用于安装电极基板14；所述加热片安装槽102位于所述装配槽101下方，所述加热片安装槽102与所述装配槽101相连通，且所述加热片安装槽102的宽度小于所述装配槽101的宽度，所述加热片安装槽102的开口位于所述夹具本体1的侧面，所述开口用于加热片插入至所述加热片安装槽102内。
56.优选地，所述夹具本体1上还开设有引线槽103，所述引线槽103开设在所述加热片安装槽102的上方，且所述引线槽103与所述加热片安装槽102相连通，所述引线槽103用于加热线接线的通道。
57.在本实施例中，装配槽101用于放置安装电极基板14，因此装配槽101的大小与电极基板14的大小相适配，使电极基板14能够恰好卡入装配槽101内，并且装配槽101的深度与电极基板14的高度一致。加热片安装槽102用于放置加热片，加热片从加热片安装槽102侧边的开口处插入至其内部，使加热片恰好位于电极基板14的正下方，加热片用于对安装在装配槽101内的电极基板14起到加热的作用，加热片安装槽102与装配槽101相连通，加热片能够更好的对电极基板14进行加热，减少热能的损耗，并且，由于加热片安装槽102的宽度小于装配槽101的宽度，因此电极基板14不会从装配槽101内掉落至加热片安装槽102内。当加热片需要加热的时候，加热片通过电线外接加热装置，电线穿过引线槽103接入到放置在加热片安装槽102上的加热片上。
58.在本实施例中，夹具本体1的横截面呈正方形，当然，如果呈圆形、椭圆形、多边形或其他形状都应在本实施例的保护范围内。夹具本体1的四个角落处均开设有固定孔104，通过螺栓穿过固定孔104与其他装置上的螺纹孔105相配合，可以将夹具本体1固定在其他的装置上。
59.在本实施例中，夹具本体1上共开设有四个螺纹孔105，四个螺纹孔105分别设置在
装配槽101四个拐角的旁边。四个螺纹孔105用于固定放置在装配槽101内的电极基板14。当电极基板14放置在装配槽101内时，然后使用螺栓11穿过垫片10与螺纹孔105相配合，此时垫片10的一部分位于电极基板14的正上方，起到固定电极基板14的作用，防止电极基板14往z轴方向移动。
60.在本实施例中，安装槽的底部开设有至少四个安装孔106，该四个安装孔106的作用与上文中提到的四个螺纹孔105的作用一样，都是起到固定电极基板14的作用，只是使用的方式不同。使用时，在安装孔106内放入第一磁铁15，然后在夹具本体1上放入第二磁铁12，其中，在第一磁铁15的吸附作用下，第二磁铁12的一部分位于夹具本体1上，另一部分覆盖在电极基板14的正上方，通过磁铁异性相吸的原理，起到固定电极基板14的作用，防止电极基板14往z轴方向移动。
61.实施例二
62.如图1
‑
10所示为本实施例公开的一种微半球谐振陀螺结构装配系统，包括光学平台2，上述微半球谐振陀螺结构装配夹具，所述光学平台2上设有第一调节机构4，所述夹具本体1固定连接在所述第一调节机构4上；所述光学平台2上还固定连接有第二调节机构6，所述第二调节机构6位于所述第一调节机构4的上方；所述第二调节机构6上可拆卸地连接有吸盘金具3，所述吸盘金具3用于吸附微半球谐振结构13，所述吸盘金具3位于所述夹具本体1的正上方，且所述吸盘金具3上的吸盘正对于所述夹具本体1上的所述装配槽101。
63.在本实施例中，光学平台2采用隔振材料用机床加工而成，上面开设有多个孔位用于安装其他的装置。第一调节机构通过调节夹具本体1的相对位置，从而达到调节安装在夹具本体1内电极基板14的相对位置。第二调节机构6通过调节吸盘金具3的相对位置，从而达到调节吸附在吸盘金具3上的微半球谐振结构13相对位置。在第一调节机构与第二调节机构6的共同作用下，对电极基板14与微半球谐振结构13进行装配。
64.优选地，所述第一调节机构4包括位移平台401以及压电平台402，所述位移平台401固定连接在所述光学平台2上，所述压电平台402固定连接在所述位移平台401上，所述夹具本体1固定连接在所述压电平台402上。
65.优选地，所述压电平台402为多自由度压电运动平台，配有压电控制器，通过接入电脑程序控制，压电平台402具有x、y、z三个方向的移动与转动共六个自由度，可以实现微米级的电极间隙调节。
66.优选地，所述位移平台401为多自由度位移平台401，其至少具有x、y两个方向的移动。
67.优选地，所述第二调节机构6包括固定连接在所述光学平台2上的一对立柱601；一对所述立柱601之间设有调节支架602，所述调节支架602可相对所述立柱601上下移动；所述调节支架602上设有调节块603；所述调节块603可沿所述调节支架602长度方向移动；所述调节支架602上固定连接有微调夹取机构604，所述吸盘金具3可拆卸地连接在所述微调夹取机构604上，所述微调夹取机构604可以微调所述吸盘金具3的相对高度。
68.在本实施例中，立柱601上滑动连接有滑动块605，滑动块605开设有滑动孔6051、锁紧槽6052以及锁紧孔6053，滑动块605通过滑动孔6051套设在立柱601上，锁紧槽6052与滑动孔6051相连通，锁紧孔6053垂直于锁紧槽6052设置，且锁紧孔6053穿过锁紧槽6052，通过螺杆螺帽组件与锁紧孔6053之间的配合，当拧紧螺帽的时候，压缩锁紧槽6052，从而使滑
动孔6051的半径变小，从而使滑动块605固定在立柱601上。调节支架602固定连接在滑动块605上，通过拧紧螺帽固定滑动块605从而固定调节支架602，当需要移动调节支架602时，通过松开螺帽，然后驱动滑动块605上下移动，从而带动调节支架602上下移动。该结构简单实用，造价便宜，当然还可以采用丝杆滑块、或者齿轮齿条等结构实现调节支架602相对立柱601的上下移动功能。
69.在本实施例中，调节块603的结构可以参考上文提到的滑动块605的结构，在这里就不详细描述了，微调夹取机构604包括夹取组件与调节组件，其中，夹取组件包括夹取件6041与紧固件6042，紧固件6042相对夹取件6041调节，夹取时将吸盘金具3紧贴夹取件6041，通过驱动紧固件6042压紧吸盘金具3，从而使吸盘金具3固定在紧固件6042于夹取件6041之间；调节组件为现有装置，具体可以参考米思米型zpg40高精度升降调节旋钮6045交叉导轨微调平台，其包括固定块6043、移动块6044以及调节旋钮6045，其中固定块6043与调节块603固定连接，移动块6044可相对固定块6043上下移动，移动块6044与夹取件6041固定连接，调节旋钮6045用于驱动移动块6044上下移动。
70.优选地，所述光学平台2上设有至少一个显微物镜7，所述显微物镜7朝向所述夹具本体1的所述装配槽101，用于放大观察安装在装配槽101上的物件；所述显微物镜7通过调焦支架8固定连接在所述光学平台2上，所述调焦支架8用于调节所述显微物镜7，使所述显微物镜7达到最佳的焦距；所述显微物镜7的尾部设有相机9，所述相机9通过引线介入视频显示器，所述相机9将经过所述显微物镜7放大的图片传递到所述视频显示器上，从而进行观察。
71.在本实施例中，共设有四个显微物镜7，相应的调焦支架8以及相机9也是四个，四个显微物镜7均匀的分布在夹具本体1四周，但是不限于四个显微物镜7，理论上来说一个显微物镜7就可以了，但是设置多个显微物镜7能够实现多个方向电极间隙的观测，有利于后续的调节。所述调焦支架8具备上下、前后调节功能。
72.优选地，所述吸盘金具3外接气动机构，所述气动机构用于控制所述吸盘金具3的吸附与断开。
73.在本实施例中，气动机构包括气泵、控制板、气管、电磁阀、电源等零件连接而成，其中气泵、电磁阀以及吸盘金具3之间通过气管相连接，电源与控制板电连接用于提供电力，气泵以及电磁阀与控制板信号连接，控制板控制气泵的开关以及控制电磁阀的阀位，控制板通过usb接口接入电脑程序控制，通过电脑程序控制吸盘金具3的吸附与断开。
74.实施例三
75.本发明还公开了一种微半球谐振陀螺结构装配方法，使用所述的一种微半球谐振陀螺结构装配系统，包括以下步骤：
76.步骤1，将电极基板14放置并固定在装配槽101内，并且在电极基板14上涂上导电胶，将加热片嵌入在所述加热片安装槽102内，加热片外接加热装置；
77.步骤2，取下吸盘金具3，然后使用吸盘金具3吸附微半球谐振结构13的锚点位置，然后将吸附有微半球谐振结构13的吸盘金具3固定在微调夹取机构604上；
78.步骤3，操作位移平台401使微半球谐振结构13与电极基板14的中心对准，然后操作调节支架602向下移动使微半球谐振结构13靠近电极基板14，最后使用微调夹取机构604压紧微半球谐振结构13与电极基板14；
79.步骤4，调节调焦支架8选择合适的焦距，调节显微物镜7选择合适的放大倍率，以使得在视频显示器中能清晰看到电极间隙；
80.步骤5，根据步骤4中视频显示器中所看到的电极间隙，通过调节多自由度压电平台402使微半球谐振结构13与电极基板14之间的电极间隙均匀；
81.步骤6，将加热片通电，调节至所需要的固化温度，通过导电胶将微半球谐振结构13与电极基板14固定连接；
82.步骤7，操作调节支架602使吸盘金具3调回初始位置，然后将得到的整体结构从装配夹具上取下得到微半球谐振陀螺结构。
83.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。