ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-4-803-811ntv-213Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONМоделирование процесса корректировки формы роторов шаровых гироскоповModeling of the process of spherical form correction for rotors of electrostatically suspended gyroshttps://orcid.org/0009-0003-0069-2940ТитМ. А.TitM. A.

Тит Маргарита Алексеевна — научный сотрудник

sc 57216270946

Санкт-Петербург, 197046

Margarita A. Tit — Scientifc Researcher

sc 57216270946

Saint Petersburg, 197046

rita93.07.93.07@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3765-9469БеляевС. Н.BelyaevS. N.

Беляев Сергей Николаевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник

sc 57216270946

Санкт-Петербург, 197046

Sergey N. Belyaev — PhD, Senior Researcher

sc 57216270946

Saint Petersburg, 197046

serenible@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8507-7653ЩербакА. Г.ShcherbakA. G.

Щербак Александр Григорьевич — доктор технических наук, начальник сектора

sc 57197817003

Санкт-Петербург, 197046

Alexandr G. Shcherbak — D.Sc., Head of Sector

sc 57197817003

Saint Petersburg, 197046

asherbak1946@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9899-5939ЮльметоваО. С.YulmetovaO. S.

Юльметова Ольга Сергеевна — доктор технических наук, начальник сектора; доцент практики

sc 37068364500

Санкт-Петербург, 197046

Санкт-Петербург, 197101

Olga S. Yulmetova — D.Sc., Head of Sector; Associate Professor of Practice

sc 37068364500

Saint Petersburg, 197046

Saint Petersburg, 197101

olga@yulmetova.ruАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSCRussian FederationАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»; Университет ИТМОРоссияConcern CSRI Elektropribor, JSC; ITMO UniversityRussian Federation202315122024234803811Copyright © Тит М.А., Беляев С.Н., Щербак А.Г., Юльметова О.С., 20242024Тит М.А., Беляев С.Н., Щербак А.Г., Юльметова О.С.Tit M.A., Belyaev S.N., Shcherbak A.G., Yulmetova O.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/213

Введение. Совершенствование технологии изготовления гироскопических приборов, являющихся автономными датчиками выработки параметров движения объектов, имеет стратегическое значение и является приоритетным направлением развития различных отраслей промышленности. Объектом исследования выступают роторы шаровых гироскопов, геометрические параметры которых предопределяют точностные характеристики прибора. В работе представлены результаты моделирования процесса корректировки формы ротора на стадии его изготовления в процессе напыления функционального покрытия. Метод. Предложенная математическая модель процесса напыления основана на размещении между ротором и источником подвижного экрана с отверстием. Ось экрана лежит на динамической оси ротора и обеспечивает нанесение покрытия на поверхность сферического сегмента. Целью для разработки математической модели послужила необходимость управления геометрией напыляемой поверхности. Управление можно выполнить с помощью экрана с отверстием при использовании точечного источника напыляемого материала. Перемещение экрана или ротора вдоль динамической оси ротора в процессе нанесения дополнительного слоя, а также вращение ротора вокруг динамической оси позволяет в широких пределах и с высокой точностью до сотых долей микрометра регулировать кривизну формируемого покрытия. Основные результаты. Разработана аналитическая модель технологического процесса корректировки формы сферических роторов шаровых гироскопов. Приведено математическое описание, управляющие факторы и значимые параметры процесса. Представлены результаты практической апробации разработанных моделей. Обсуждение. Представленная математическая модель позволяет осуществлять корректировку формы роторов при напылении функционального покрытия, расширяя технологические возможности процесса изготовления и обеспечивая повышение точности роторов.

Improvement of the manufacturing technology for gyroscopic devices, which autonomously generate motion parameters of moving objects, has strategic importance and priority for various industries. The object of current research is a spherical rotor of an electrostatically suspended gyroscope which geometric parameters determine the accuracy characteristics of the device. The paper presents results of the process modeling of spherical form correction for rotors of electrostatically suspended gyroscopes at the stage of its manufacture during the coating deposition process. The proposed mathematical model of the deposition process is based on the placement of a movable screen with a hole between a rotor and a spray source. The axis of the hole lies on the dynamic axis of the rotor and it provides a formation of a spherical segment on the coating rotor surface. During deposition of an additional layer, the screen or rotor moves along the dynamic axis of the rotor changing the distance between the rotor and the screen, and there is additional rotation of the rotor around its dynamic axis. It allows adjusting the curvature of the formed coating on the rotor surface. An analytical model of the technological process for correcting the shape of spherical rotors of electrostatically suspended gyroscopes has been developed. A mathematical description, control factors and signifcant parameters of the process are given. The results of practical testing of the developed model are presented. The presented mathematical model makes it possible to correct the shape of the rotors during the deposition of a functional coating expanding the technological possibilities and increasing the accuracy of rotors.

покрытиекорректировка формынапылениемоделированиесферический роторcoatingshape correctiondepositionmodelingspherical rotorReferencesPeshekhonov V.G. The outlook for gyroscopy // Gyroscopy and Navigation. 2020. V. 11. N 3. P. 193–197.https://doi.org/10.1134/S2075108720030062Peshekhonov V.G. The outlook for gyroscopy. Gyroscopy and Navigation, 2020, vol. 11, no. 3, pp. 193–197.https://doi.org/10.1134/S2075108720030062Gusinsky V.Z., Litmanovich Y.A., Lesyuchevsky V.M. Spacecraft attitude determination using electrostatically suspended gyros // IFAC Proceedings Volumes. 2001. V. 34. N 15. P. 26–31. https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)40700-2Gusinsky V.Z., Litmanovich Y.A., Lesyuchevsky V.M. Spacecraft attitude determination using electrostatically suspended gyros. IFAC Proceedings Volumes, 2001, vol. 34, no. 15, pp. 26–31. https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)40700-2Ландау Б.Е., Белаш А.А., Гуревич С.С., Левин С.Л., Романенко С.Г., Цветков В.Н. Электростатический гироскоп в системах ориентации космических аппаратов // Гироскопия и навигация. 2021. № 3. С. 69–79. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0071Landau B.E., Belash A.A., Gurevich S.S., Levin S.L., Romanenko S.G., Tsvetkov V.N. Electrostatic gyroscope in spacecraft attitude reference systems. Gyroscopy and Navigation, 2021, vol. 12, no. 3, pp. 247–253. https://doi.org/10.1134/s2075108721030056Юльметова О.С. Ионно-плазменные и лазерные технологии в гироскопическом приборостроении: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2018. 244 с.Iulmetova O.S. Ion-plasma and laser technologies in gyroscopic instrumentation. Thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences. St. Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, 2018, 244 p. (in Russian)Grigoriev S., Vereschaka A., Zelenkov V., Sitnikov N., Bublikov J., Milovich F., Andreev N., Sotova C. Investigation of the infuence of the features of the deposition process on the structural features of microparticles in PVD coatings // Vacuum. 2022. V. 202. P. 111144. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111144Grigoriev S., Vereschaka A., Zelenkov V., Sitnikov N., Bublikov J., Milovich F., Andreev N., Sotova C. Investigation of the infuence of the features of the deposition process on the structural features of microparticles in PVD coatings. Vacuum, 2022, vol. 202, pp. 111144. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111144Maksakova O., Simoẽs S., Pogrebnjak A., Bondar O., Kravchenko Y., Beresnev V., Erdybaeva N. The infuence of deposition conditions and bilayer thickness on physical-mechanical properties of CA-PVD multilayer ZrN/CrN coatings // Materials Characterization. 2018. V. 140. P. 189–196. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.03.048Maksakova O., Simoẽs S., Pogrebnjak A., Bondar O., Kravchenko Y., Beresnev V., Erdybaeva N. The infuence of deposition conditions and bilayer thickness on physical-mechanical properties of CA-PVD multilayer ZrN/CrN coatings. Materials Characterization, 2018, vol. 140, pp. 189–196. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.03.048Фомичев А.М., Щербак А.Г., Юльметова О.С., Беляев С.Н. Устройство для напыления тонкопленочных покрытий на сферические роторы электростатического гироскопа. Патент RU2555699C1. Бюл. 2015. № 19.Fomichev A.M., Shcherbak A.G., Jul’metova O.S., Beljaev S.N. Device for spattering of thin flm coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope. Patent RU2555699C1, 2015. (in Russian)Ou Y.X., Wang H.Q., Ouyang X., Zhao Y.Y., Zhou Q., Luo C.W., Hua Q.S., Ouyang X.P., Zhang S. Recent advances and strategies for high-performance coatings // Progress in Materials Science. 2023. V. 136. P. 101125. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101125Ou Y.X., Wang H.Q., Ouyang X., Zhao Y.Y., Zhou Q., Luo C.W., Hua Q.S., Ouyang X.P., Zhang S. Recent advances and strategies for high-performance coatings. Progress in Materials Science, 2023, vol. 136, pp. 101125. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101125Махаев Е.А., Рябова Л.П., Чесноков П.А., Щербак А.Г., Кузнецов С.А., Мартюшов Г.Г. Разработка конструкции и технологии изготовления ротора криогироскопа // Материалы XXX конференции памяти Н.Н. Острякова. Санкт-Петербург, 2016. С. 116–123.Makhaev E.A., Ryabova L.P., Chesnokov P.A., Shcherbak A.G., Kuznetcov S.A., Martiushov G.G. Development of a construction and manufacturing technology for the cryogyroscope rotor. Proc. of the 30th Conference of Memory N.N. Ostryakov. St. Petersburg, 2016, pp. 116–123. (in Russian)Dubrovskiy A.R., Okunev M., Makarova O., Kuznetsov S. Corrosion resistance of the substrates for the cryogenic gyroscope and electrodeposition of the superconductive niobium coatings // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 857. N 1. P. 012008. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012008Dubrovskiy A.R., Okunev M., Makarova O., Kuznetsov S. Corrosion resistance of the substrates for the cryogenic gyroscope and electrodeposition of the superconductive niobium coatings. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 857, no. 1, pp. 012008. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012008Tit M.A., Yulmetova O.S., Sisyukov A.N. Analysis of niobium thin flm modifcation based on thermodynamic approach // Proc. of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2020. P. 1049–1052. https://doi.org/10.1109/eiconrus49466.2020.9038932Tit M.A., Yulmetova O.S., Sisyukov A.N. Analysis of niobium thin flm modifcation based on thermodynamic approach. Proc. of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2020, pp. 1049–1052. https://doi.org/10.1109/eiconrus49466.2020.9038932Тит М.А., Беляев С.Н. Влияние стехиометрического состава на функциональные характеристики тонкопленочных поверхностных структур на узлах гироскопических приборов // Вопросы материаловедения. 2019. № 4(100). С. 78–90. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-100-4-78-90Tit M.A., Belyaev S.N. Effect of Stoichiometric Composition on the Functional Characteristics of Thin-Film Surface Structures on Gyroscope Components. Inorganic Materials: Applied Research, 2020, vol. 11, no. 6, pp. 1370–1377. https://doi.org/10.1134/s2075113320060283Tit M.A., Yulmetova O.S., Andreeva V.D., Sisyukov A.N., Yulmetova R.F. Application of niobium nitride thin flms for improvement of performance characteristics of cryogenic gyroscope // Proc.of the 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). 2021. P. 1232– 1235. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938.2021.9396714Tit M.A., Yulmetova O.S., Andreeva V.D., Sisyukov A.N., Yulmetova R.F. Application of niobium nitride thin flms for improvement of performance characteristics of cryogenic gyroscope // Proc.of the 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). 2021. P. 1232– 1235. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938.2021.9396714Scherbak A.G., Yulmetova O.S., Contrast image formation based on thermodynamic approach and surface laser oxidation process for optoelectronic read-out system // Optics & Laser Technology. 2018. V. 101. P. 242–247. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.11.030Scherbak A.G., Yulmetova O.S., Contrast image formation based on thermodynamic approach and surface laser oxidation process for optoelectronic read-out system // Optics & Laser Technology. 2018. V. 101. P. 242–247. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.11.030Yulmetova O.S., Scherbak A.G. Composition analysis of thin flms formed on beryllium surfaces under pulsed laser action by the method of chemical thermodynamics // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. V. 97. N 9-12. P. 3231–3236. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2216-2Yulmetova O.S., Scherbak A.G. Composition analysis of thin flms formed on beryllium surfaces under pulsed laser action by the method of chemical thermodynamics // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. V. 97. N 9-12. P. 3231–3236. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2216-2Yulmetova O.S., Tumanova M.A. Laser marking of contrast images for optical read-out systems // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 917. N 5. P. 052007. https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/5/052007Yulmetova O.S., Tumanova M.A. Laser marking of contrast images for optical read-out systems // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 917. N 5. P. 052007. https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/5/052007Yulmetova O.S., Tit M.A., Sisyukov A.N., Yulmetova R.F. Comparative analysis of electrochemical and laser marking for gyroscopic application // Proc. of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2020. P. 1053–1055. https://doi.org/10.1109/EIConRus49466.2020.9039076Yulmetova O.S., Tit M.A., Sisyukov A.N., Yulmetova R.F. Comparative analysis of electrochemical and laser marking for gyroscopic application // Proc. of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2020. P. 1053–1055. https://doi.org/10.1109/EIConRus49466.2020.9039076Chen L., Zhao Y., Song B., Yu T., Liu Z. Modeling and simulation of 3D geometry prediction and dynamic solidifcation behavior of Febased coatings by laser cladding // Optics & Laser Technology. 2021. V. 139. P. 107009. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107009Chen L., Zhao Y., Song B., Yu T., Liu Z. Modeling and simulation of 3D geometry prediction and dynamic solidifcation behavior of Febased coatings by laser cladding // Optics & Laser Technology. 2021. V. 139. P. 107009. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107009Katranidis V., Gu S., Allcock B., Kamnis S. Experimental study of high velocity oxy-fuel sprayed WC-17Co coatings applied on complex geometries. Part A: Infuence of kinematic spray parameters on thickness, porosity, residual stresses and microhardness // Surface and Coatings Technology. 2017. V. 311. P. 206–215. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.01.015Katranidis V., Gu S., Allcock B., Kamnis S. Experimental study of high velocity oxy-fuel sprayed WC-17Co coatings applied on complex geometries. Part A: Infuence of kinematic spray parameters on thickness, porosity, residual stresses and microhardness // Surface and Coatings Technology. 2017. V. 311. P. 206–215. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.01.015Sahoo D.K., Neupane N., Chaudhary S. Predicting the coating geometries of friction surfaced aluminium cladding over carbon steel by artifcial neural network modeling // Materials Today: Proceedings. 2023. in press. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.01.056Sahoo D.K., Neupane N., Chaudhary S. Predicting the coating geometries of friction surfaced aluminium cladding over carbon steel by artifcial neural network modeling // Materials Today: Proceedings. 2023. in press. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.01.056Paturi U.M.R., Cheruku S., Geereddy S.R. Process modeling and parameter optimization of surface coatings using artifcial neural networks (ANNs): State-of-the-art review // Materials Today: Proceedings. 2021. V. 38. Part 5. P. 2764–2774. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.695Paturi U.M.R., Cheruku S., Geereddy S.R. Process modeling and parameter optimization of surface coatings using artifcial neural networks (ANNs): State-of-the-art review // Materials Today: Proceedings. 2021. V. 38. Part 5. P. 2764–2774. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.695Тит М.А., Ландау Б.Е., Филиппов А.Ю., Щербак А.Г. Способ изготовления ротора шарового гироскопа. Патент RU2743492C1. Бюл. 2020. № 5.Tit M.A., Landau B.E., Filippov A.Y., Shcherbak A.G. Ball gyroscope rotor manufacturing method. Patent RU2743492C1, 2020. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.