摘要
半球谐振陀螺（HemisphericalResonatorGyro，HRG）是目前精度最高的固态振动陀螺，被视为高精度导航领域的一项颠覆性技术。半球谐振子是HRG的核心部件，直接影响HRG的性能。半球谐振子是薄壁半球壳体零件，在施力电极的作用下因挠曲变形而形成驻波，驻波在随载体旋转时的哥氏效应会引起振型的进动，通过拾取电极检测振型即可测得角速度。理想的谐振子的环向质量分布是均匀的，然而受限于机床精度，传统成形加工的谐振子形位精度不高，导致半球壳体上的质量分布不均匀，引起频率裂解并降低品质因数。本文提出半球壳体类零件形位误差的干涉检测方法，为确定性修形提供准确的形位误差反馈，从而有效提升加工精度。研究内容主要包括以下几个方面： （1）针对等厚度半球谐振子形位误差测量，提出波长调谐干涉测量与子孔径拼接结合的方法。波长调谐干涉测量能够同时获得同心的内外球面的面形误差及厚度差。研究了波长调谐干涉测量原理与厚度测量极限，仿真分析表明在适当条件下能够突破厚度测量极限，通过0.7mm厚平板的透射波前测量验证了该方法的可行性。分别针对面形误差和厚度差的子孔径测量数据，采用不同的子孔径拼接优化算法，获得全周向误差分布，并以半球形头罩的内外表面厚度差测量为例，实验验证了拼接测量的精度。 （2）针对非等厚半球谐振子的形位误差测量，提出透射共焦干涉测量内表面与子孔径拼接结合的方法。分析了内外表面分别处于共焦位置测得光程差的物理意义，修正了内表面测量时因折射产生的投影畸变，将内外表面的测量数据对齐后提取出厚度差信息。设计了谐振子拼接测量平台实现子孔径扫描测量，应用子孔径拼接算法获得全周向误差分布，引入环形Zernike多项式对误差分布进行谐波分解，获得不同阶次谐波分量以便于分析其对谐振子频率差的影响。以20mm直径的半球谐振子为例，通过与全口径直接测量和圆度仪测量结果对比，实验验证了拼接测量的精度。 （3）针对半球谐振子的超精密修调，研究离子束定点修除非平衡质量和基于形位误差反馈的离子束修形方法。根据实测的去除函数模型，控制离子束在谐振子边缘4个位置驻留一定的时间，实现非平衡质量去除，改善了频率裂解。将全周向分布的形位误差投影精度-Z坐标平面上，求解谐振子环带上分布的离子束驻留时间，转化为机床加工数控代码，实现谐振子的确定性修形，可为后续质量调平提供质量分布均匀的高起点的谐振子零件，从而提高调平精度和效率。
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