提高IMU棱镜安装误差角稳定性的工艺方法研究

闫 航 张 路 王旗胜 闫劲儒

提高IMU棱镜安装误差角稳定性的工艺方法研究

闫 航1张 路1王旗胜2闫劲儒1

（1. 西安航天精密机电研究所，西安 710100；2. 中国航天电子技术研究院，北京 100094）

棱镜安装误差角稳定性是惯性测量单元（IMU）的重要指标，关系着导弹初始发射方位精度，确保该指标满足要求具有重要意义。本文通过对影响IMU棱镜安装误差角稳定性的装配及测量过程分析，确定了装配过程中影响直角棱镜棱脊形变的相关因素；分别对螺钉紧固力矩、紧固顺序、固胶面积等关键因素进行了量化研究，总结出一种可提高棱镜安装误差角稳定性的工艺方法。经筛选试验及应用验证，棱镜稳定性合格率由36.8%提高至90.4%，此方法具有一定的推广应用价值。

惯性测量单元；直角棱镜；稳定性；紧固力矩

1 引言

在导弹控制系统中，通常直角棱镜安装在惯性测量单元（IMU）上，与惯导设备固连在一起，导弹发射前，先使用自准直经纬仪确定直角棱镜的方位，再去除棱镜安装误差角的影响并将地面光学系统确定的方位传递给惯导系统[1]。在传递过程中，直角棱镜在惯导上的安装误差角稳定性是关键指标，直接关系着发射体的初始方位精度，因此提高棱镜安装误差角稳定性的工艺方法研究具有重要意义。

2 棱镜安装误差角稳定性影响因素分析

分析惯组对准过程，影响棱镜安装误差角α、β、γ（见图1）稳定性指标结果的因素主要由两部分构成：加表系下测量过程引入的测量误差、棱镜装配过程引起的安装误差。

图1 棱镜安装误差角

测量误差包括自准直仪的测量误差、加速度计漂移引起的系统误差、读数误差以及环境、设备因素造成的误差等。测量误差基本可通过设备计量、计算方法优化、系统补偿等减小，这些误差补偿后均很小（小于2"），实际在考核棱镜安装稳定性时可忽略。

安装误差主要指棱镜安装在棱镜架上，装配及粘胶过程导致棱镜棱脊产生较大应力，引起棱脊形变，当自准直仪测量棱镜不同位置时，出现较大差异（棱镜不同位置读数差大于10"）。惯组在不同次测量时，误差角α结果变化较大，导致棱镜安装误差角稳定性指标超差。

依据直角棱镜光学特性及自准直原理，工程应用中方位角偏差与棱镜俯仰角、棱脊水平度有如下关系[2～4]：

tan（1）

式（1）表明自准直仪测量的结果与棱镜的俯仰角、棱脊水平度直接相关，在俯仰角一定的情况下，若在装配环节引起棱脊水平度出现不规则变形，将会直接导致测量不同棱镜位置时，测量结果呈趋势性变化，造成不同次测量时，棱镜测试结果相差较大。

综上分析，欲提高惯组棱镜安装误差角的稳定性，在棱镜及组件装配过程中，棱镜应力均衡、减少棱脊形变是关键因素。因此对装配过程中导致的棱脊形变的相关因素（螺钉紧固力矩、紧固顺序、胶粘应力）进行研究，总结出一种能有效减小棱脊形变、可量化操作的工艺方法尤为必要。

3 棱镜装配工艺方法确定

为便于对不同装配方法的效果进行量化比较，同时统一棱镜的相对测量位置，利用胶木板设计了三种遮光板，每次测量时，通过使用不同遮光板可仅观测到棱镜的A、B、C某一区域，读取对应测量值，如图2所示。

图2 棱镜不同区域

3.1 棱镜在棱镜架上紧固力矩的确定

直角棱镜安装在棱镜架上时，棱镜两端各使用3个平端紧定螺钉M2.5×4固定（图3）。螺钉紧固力矩过大时，会导致棱镜棱脊产生微弱形变，仅测量棱镜A、B、C三个不同区域时，α就相差20"以上；紧固力矩较小时，棱镜又无法被可靠预固定在棱镜架上，导致下一步的固胶操作无法进行。因此需对棱镜紧固力矩进行试验，确定最佳的力矩大小，选用8块经复验合格的棱镜进行对比试验，确定了合理的力矩控制范围，试验结果见表1。试验操作前应对安装螺钉孔及螺钉进行严格的试配、清理、清洗，保力矩控制有效性。

图3 直角棱镜截面顶点定义

表1试验结果表明：当紧固力矩为0.015N·m与0.02N·m时，自准直仪中成像均清晰、明亮，A与C区域读数变化量平均值不大于4.0"；当紧固力矩为0.025N·m时，成像变粗，光标亮度逐渐变暗；当紧固力矩为0.03N·m时，成像已模糊、光标亮度进一步变暗，难以准确读取真值。因此棱镜安装在棱镜架上时，应控制紧固力矩在0.15～0.02N·m。

表1 棱角安装不同紧固力矩试验结果

3.2 螺钉紧固顺序的确定

直角棱镜横截面为等腰三角形，每端有三个平端紧固螺钉，为验证三个螺钉紧固顺序不同对棱脊形变及测量结果的影响，并确定最佳的紧固顺序，开展了对应试验。选取LJ-9#、LJ-10#两块棱镜分别按照顺序“1-2-3”、“2-1-3”、“3-2-1”进行紧固，紧固力矩为0.02N·m。每次紧固前，棱镜均静置2h以上并充分释放应力，试验结果见表2。

表2 棱角安装螺钉不同紧固顺序试验结果

表2试验结果表明：同一棱镜在按照不同紧固顺序安装时，在紧固力矩相同的情况下，三种顺序测量结果最大相差3"，按照“1-2-3”紧固顺序安装时A与C变化量相对较小。

3.3 棱镜固胶量的确定

棱镜通过紧定螺钉预固定在棱镜架上后，为进一步固定棱镜，需在棱镜两端面与棱镜架的间隙中灌封玻璃胶。选取LJ-1#、LJ-2#、LJ-3#棱镜架作为试验对象，按照紧固力矩0.02 N·m及“1-2-3”紧固顺序安装后，再分别按照棱镜横截面积的“1/3面积”、“2/3面积”、“3/3面积”灌胶粘固。待胶液固化后，在-10℃与60℃温度点进行温度循环试验，充分释放对棱镜产生的应力。测量结果见表3。

表3 棱角安装不同固胶量试验结果

表3试验结果表明：棱镜两端固胶量不同，对棱镜棱脊产生的应力不同，固胶量不大于1/3区域时，温循试验后引起的A与C变化量较大；固胶量大于2/3区域时，A与C变化量均小于5"；另外，固胶量若大于3/3区域时，易将胶液溢至棱镜面，影响棱镜透射率。因此在实际操作中，应控制固胶量在2/3～3/4区域为宜，引起棱脊形变相对较小，A与C变化量较小。

3.4 棱镜装配工艺方法

通过对装配过程中棱镜安装误差角的影响因素分析与试验对比，确定了棱镜组件的装配工艺方法，对过程关键工艺参数（紧固力矩、紧固顺序、固胶量等）进行了量化控制。工艺方法如下：

a.准备工作：检查并清理棱镜架、平端紧定螺钉头，确保镜架、螺钉未存在毛刺、高点等影响安装精度的因素。

b. 紧固螺钉：按照“1-2-3”顺序先紧固靠近棱脊处两端的螺钉，再紧固另外两处螺钉，控制力矩在0.015～0.02N·m范围内。测量A与C变化量，结果需满足要求，否则返工处理。

c. 灌封胶液：按照专用比例配制玻璃胶液，在直角棱镜两端面与棱镜架间隙内灌封胶液，固胶量控制在“2/3～3/4”区域。

d. 温循试验：待棱镜组件胶液固化后，在-10℃与60℃温度点各保温3h，共进行4个循环，测量A与C变化量，结果需满足要求，否则返工处理。

4 试验及应用验证

4.1 筛选试验验证

按照3.4节的工艺方法装配棱镜组件，按照惯组筛选条件对其进行随机振动、高低温试验，并记录各试验阶段的测量结果（表4）。试验结果表明棱镜组件进行筛选试验前后A与C变化量基本一致，最大相差1.5"，棱镜组件按照确定的工艺方法装配可以充分释放棱镜与镜架间的装配应力，螺钉紧固、固胶过程对棱脊产生的影响微弱且稳定。

表4 筛选试验验证结果

4.2 产品应用验证

将该方法在某型号52套产品上应用，并对每套产品棱镜安装误差角α、β稳定性结果进行统计，得到棱镜安装误差角稳定性的包络图（图4）。棱镜α稳定性（3）包络范围为0.05"～10.79"，其中94.2%的产品小于8"。棱镜β稳定性（3）包络范围为0.42"～40.77"，其中90.4%的产品小于25"。棱镜稳定性合格率由原36.8%提高至90.4%。

图4 棱镜安装误差角αLJ、βLJ稳定性包络图

5 结束语

本文对影响棱镜安装误差角稳定性的装配、测量计算全过程分析，确定了装配过程中影响直角棱镜棱脊形变的相关因素，分别对螺钉紧固力矩、紧固顺序、固胶面积等因素进行了量化研究，总结出一种可提高棱镜安装误差角稳定性的工艺方法。通过试验验证、产品验证，惯组棱镜安装稳定性合格率可提高至90.4%，此方法具有一定推广价值。

1 赵军丽，吴易明，高立民. 直角棱镜棱脊不平度的检测方法[J]. 红外与激光工程，2013，42(1)：228～230

2 张俊杰，李政阳. 直角棱镜用作自准直反光镜的光学特性[J]. 宇航计测技术，2009，29(4)：18～21

3 李士贤，郑乐年. 光学设计手册[M]. 北京：北京理工大学出版社，1990

4 李玉忠. 物性分析仪器[M]. 北京：化学工业出版社，2005

Research on the Process Method of Improving the Prism Misalignment Stability of IMU

Yan Hang1Zhang Lu1Wang Qisheng2Yan Jinru1

(1. Xi’an Aerospace Precision Mechatronics Institute, Xi’an 710100; 2. China Academy of Aerospace Electronics Technology, Beijing 100094)

The prism misalignment stability is important indexes of IMU, which determines the azimuth accuracy of the initial launch of the missile, and it is of great significance to ensure that the indicators meet the requirements. The paper analyses the whole process of assembling and measuring the prism misalignment stability of IMU, and the relevant factors affecting the deformation of the prism ridge are analysed and quantized. The relevant factors include screw tightening torque, tightening sequence and solid adhesive area. The optimized method of prism components is summarized, and it has been proved that the method can improve the prism misalignment stability of IMU. The test results show that the pass rate ofthe prism misalignment stability of strapdown IMU increases from 36.8% to 90.4%, while this process has the value and popularization of application.

IMU；rectangular prism；stability；tightening torque

TJ05

B

闫航（1987），高级工程师，自动控制专业；研究方向：捷联惯组总装、调测，非标自动化设备研制。

2022-09-21