[科普中国]-滚珠、轴承陀螺仪

简介

陀螺仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。1

滚珠轴承自由陀螺仪，是经典的陀螺仪。经典陀螺仪是具有定轴性、进动性的高速旋转的飞轮，并且能用来测量载体相对于惯性空间角运动的仪表。经典陀螺仪有两大特性，即定轴性和进动性。可以利用这两个特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐标系，通过陀螺仪和加速度计测出运载器（包括飞机、导弹、火箭、潜艇等）的旋转运动和直线运动信号，经计算机综合处理，发出指令姿态控制系统和推进系统，实现运载器的完全自主导航。

利用滚珠轴承支承是应用最早、最广泛的支承方式。滚珠轴承靠直接接触，摩擦力矩大，陀螺仪的精度不高，漂移率为每小时几度，但工作可靠，迄今还用在精度要求不高的场合。一个自由转子陀螺仪(双自由度陀螺仪)靠内环轴和外环轴角度传感元件可以测量两个姿态角。

陀螺仪的基本部件(1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)：

(2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构);

(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。1

滚珠轴承陀螺仪的特点滚珠轴承陀螺仪是一种经典的机械转子式陀螺仪。这种陀螺仪的优点是：结构简单，承载能力和抗冲击能力强，常用于航空仪表、方位仪、陀螺经纬和稳定装置中。缺点是轴与轴承间的摩擦力矩较大，故在精密陀螺仪中一般不予采用。

机械式陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。目前机械加工和材料水平几乎达到极限，仍有潜力可挖。国外报道陀螺仪的漂移速率做到了地球自转速率的千万分之一，即10^-6（°）/h。因此，在跨入21世纪后的一段时间内，在那些需要特别高精度的应用场合，这种传统的转子陀螺仪仍然是首选对象，虽然技术难度和代价是显然的。一般而言，要实现现代高精度陀螺仪的技术要求，其高速旋转部分的活动间隙要做到1μm左右，仪表活动部件质心的不稳定量在1nm以下，材料不稳定性为一个微应变，机械加工精度0.1μm，温控精度0.01℃，局部环境洁净度优于10级。测试设备的测角精度0.1″，长度测量精度10^-7。2

发展19世纪末以前，人们一直停留在力学范围内来研究陀螺的现象和特性，利用这种特性作成的仪表，可以用来观察地球的自转。可是由于在当时转子转速的提高受到限制，转子支承轴上的磨擦力矩无法降低，这个愿望直至电机和滚珠轴承发明以后才成为现实，从而陀螺仪被做成陀螺罗经和地平仪，用来在运动物体上指示地理真北和地垂线。陀螺在火箭上的应用，开始于二战期间德国的V2火箭。从此，陀螺仪和加速度计成为一门惯性技术而快速发展起来，冷战时期精度上快速提高，功能上有很大扩展。不仅在海、陆、空、天的军事领域普遍应用，而且在大地测量、空中摄影、隧道开凿和石油钻井等等许多民用部门也用它起到定向和稳定作用。