Моделирование процесса корректировки формы роторов шаровых гироскопов

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.

1. Peshekhonov V.G. The outlook for gyroscopy // Gyroscopy and Navigation. 2020. V. 11. N 3. P. 193–197.https://doi.org/10.1134/S2075108720030062

2. Gusinsky 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)40700-2

3. Ландау 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/10.17285/0869-7035.0071

4. Юльметова 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.

5. 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.2022.111144

6. Maksakova 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.2018.03.048

7. Фомичев 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.

8. 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.2023.101125

9. Махаев 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.

10. 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/10.1088/1742-6596/857/1/012008

11. Tit 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/eiconrus49466.2020.9038932

12. Тит 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/10.22349/1994-6716-2019-100-4-78-90

13. Tit 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/ElConRus51938.2021.9396714

14. Scherbak 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.2017.11.030

15. Yulmetova 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/s00170-018-2216-2

16. Yulmetova 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/10.1088/1742-6596/917/5/052007

17. Yulmetova 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/EIConRus49466.2020.9039076

18. Chen 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.2021.107009

19. Katranidis 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.2017.01.015

20. Sahoo 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.2023.01.056

21. Paturi 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.2020.08.695

22. Тит М.А., Ландау Б.Е., Филиппов А.Ю., Щербак А.Г. Способ изготовления ротора шарового гироскопа. Патент RU2743492C1. Бюл. 2020. № 5.