Bàn xoay quán tính ba trục là thiết bị quan trọng để nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm và đánh dấu các thiết bị cốt lõi như hệ thống dẫn đường quán tính (INS), con quay hồi chuyển và đơn vị đo lường quán tính (IMU), hiệu suất của nó trực tiếp quyết định độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị quán tính, được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, thiết bị công nghiệp quân sự và sản xuất chính xác các lĩnh vực cao cấp khác. Trong số nhiều thông số hiệu suất của bàn xoay quán tính ba trục, tốc độ góc, gia tốc và phạm vi góc xoay là ba chỉ số cốt lõi, phù hợp trực tiếp với các đặc tính làm việc của thiết bị được thử nghiệm và nhu cầu thử nghiệm, khi chọn loại cần từ bỏ "thông số càng cao càng tốt" nhầm lẫn, kết hợp với thông số kỹ thuật thử nghiệm, kịch bản thử nghiệm, tiêu chuẩn công nghiệp để phù hợp khoa học. Bài viết này sẽ xuất phát từ định nghĩa cốt lo@@ ̃i của ba tham số lớn, logic lựa chọn, nhân tố ảnh hưởng và kiến nghị thực tế, cung cấp hướng dẫn lựa chọn chuyên nghiệp, có thể hạ cánh cho người làm việc trong ngành, chặn đứng thủy văn dư thừa, tập trung vào điểm lựa chọn cốt lo@@ ̃i.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)，Điểm chuẩn lựa chọn neo

Logic cốt lõi của sự lựa chọn là "phù hợp với nhu cầu", chứ không phải là xây dựng tham số. Trước khi thảo luận về ba thông số cốt lõi, trước tiên cần xác định rõ hai tiền đề cơ bản để tránh độ lệch lựa chọn: Thứ nhất, xác định rõ các thông số kỹ thuật cốt lõi của con quay thử nghiệm/IMU, bao gồm phạm vi tốc độ góc, phạm vi gia tốc, phạm vi thái độ làm việc, v.v., đây là cơ sở cốt lõi của việc lựa chọn loại; Thứ hai, kịch bản thử nghiệm rõ ràng, phân biệt các kịch bản khác nhau như đánh dấu tĩnh, mô phỏng động và thử nghiệm hiệu suất giới hạn, chẳng hạn như mô phỏng bán vật lý trong lĩnh vực hàng không vũ trụ đòi hỏi hiệu suất động cao hơn, trong khi tiêu chuẩn IMU công nghiệp thông thường tập trung vào độ chính xác và ổn định. Đồng thời, cần tuân theo các tiêu chuẩn công nghiệp có liên quan, chẳng hạn như tiêu chuẩn quân sự GJB 2884-97 "Thông số kỹ thuật chung cho bàn xoay mô phỏng chuyển động ba trục", v.v., để đảm bảo rằng các tùy chọn phù hợp với yêu cầu tuân thủ kiểm tra.

Hai,Tỷ lệ góc: Phù hợp với phản hồi động của các bộ phận được thử nghiệm，Cân bằng độ chính xác và phạm vi

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Tốc độ góc đề cập đến góc quay trong đơn vị thời gian của mỗi trục của bàn xoay, đơn vị là °/s, được chia thành phạm vi tốc độ, độ chính xác tốc độ và tốc độ ổn định ba chỉ số chính, nguyên tắc lựa chọn cốt lõi là "bao gồm các yêu cầu tốc độ góc tối đa của các bộ phận thử nghiệm, tính đến độ chính xác thử nghiệm và chi phí thiết bị". Tốc độ góc khung bên trong, trung bình và bên ngoài của bàn xoay ba trục thường có sự khác biệt, phạm vi tốc độ khung bên trong nói chung là lớn nhất và khung bên ngoài là nhỏ nhất, cần phải phù hợp với vị trí lắp đặt của bộ phận được thử nghiệm và nhu cầu kiểm tra tương ứng.

b) Lựa chọn chính

1.   Lựa chọn phạm vi: cần đáp ứng "tốc độ góc tối đa của vật được thử nghiệm × hệ số an toàn (1,2~1,5)", vừa tránh phạm vi không đủ dẫn đến không thể hoàn thành thử nghiệm giới hạn, cũng ngăn chặn phạm vi quá lớn dẫn đến lãng phí chỉ số và tăng chi phí. Ví dụ, tốc độ góc tối đa của con quay hồi chuyển MEMS được thử nghiệm là ± 200 °/s, phạm vi tốc độ góc của trục tương ứng của bàn xoay nên được chọn ± 240 °/s~± 300 °/s; nếu được sử dụng trong thử nghiệm thông thường của máy bay không người lái, tốc độ góc tối đa của vật được thử nghiệm có thể đạt 800 °/s, thì cần phải chọn bàn xoay có phạm vi không thấp hơn ± 1000 °/s (hệ thống an toàn 1,25). Trong ứng dụng thực tế, phạm vi tốc độ của bàn xoay mô phỏng ba trục có độ chính xác cao thường là 0,001 °/s~400 °/s cho khung bên trong, 0,001 °/s~300 °/s cho khung giữa, 0,001 °/s~200 °/s cho khung bên ngoài, có thể bao gồm hầu hết các nhu cầu thử nghiệm trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và công nghiệp.

2.   Độ chính xác và ổn định: Độ chính xác tốc độ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác định mức của vật được đo, thường được biểu thị bằng lỗi tương đối, các yêu cầu về độ chính xác khác nhau giữa các khoảng tốc độ, chẳng hạn như độ chính xác của ω≤1 °/s cần đạt 2 × 10-3 (phương pháp trung bình 1 °), độ chính xác của ω≥10 °/s cần đạt 2 × 10 ⁻ (phương pháp trung bình 360 °). Tốc độ ổn định quyết định độ ổn định tín hiệu khi thử nghiệm động, cần điều chỉnh theo độ nhạy của vật được thử nghiệm, chẳng hạn như thử nghiệm con quay hồi chuyển sợi chính xác cao cần chọn bàn xoay tốc độ ổn định ≤2 × 10 ⁻⁵ để tránh biến động tốc độ gây ra lỗi thử nghiệm.

3.   Xem xét kịch bản đặc biệt: kiểm tra tốc độ thấp (chẳng hạn như 0,001 °/s~0,1 °/s) cần chú ý đến sự ổn định tốc độ thấp của bàn xoay và tránh "hiện tượng bò"; Kiểm tra tốc độ cao (chẳng hạn như ≥300 °/s) cần chú ý đến sự ổn định của hệ thống lái xe của bàn xoay và hiệu suất tản nhiệt, để ngăn chặn rung, nóng và các vấn đề khác trong quá trình vận hành tốc độ cao, ảnh hưởng đến độ chính xác của thử nghiệm. Ngoài ra, độ phân giải tốc độ góc cũng cần phù hợp với nhu cầu của vật được thử nghiệm, thường yêu cầu độ phân giải tốc độ quay không thấp hơn 1/10 độ phân giải tốc độ góc của vật được thử nghiệm, ví dụ độ phân giải tốc độ góc của vật được thử nghiệm là 0,001 °/s, độ phân giải tốc độ quay cần đạt trên 0,0001 °/s.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)，Cân bằng tốc độ đáp ứng và khả năng tải

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Gia tốc góc đề cập đến tốc độ thay đổi của tốc độ góc của mỗi trục của bàn xoay, đơn vị là °/s², phản ánh khả năng đáp ứng động của bàn xoay, nguyên tắc lựa chọn cốt lõi là "phù hợp với phạm vi gia tốc góc của bộ phận được thử nghiệm, xem xét khả năng tải và tốc độ đáp ứng của bàn xoay". Gia tốc góc trực tiếp xác định liệu bàn xoay có thể mô phỏng tình huống đột biến thái độ của bộ phận được thử nghiệm trong công việc thực tế hay không, chẳng hạn như cất cánh, rẽ, phanh khẩn cấp, v.v., hiệu suất của nó liên quan chặt chẽ đến động cơ truyền động, cơ chế truyền động, hệ thống điều khiển của bàn xoay.

b) Lựa chọn chính

1.   Lựa chọn phạm vi: phù hợp với logic lựa chọn phạm vi tốc độ góc, cần đáp ứng "gia tốc góc lớn nhất của vật được thử nghiệm × hệ số an toàn (1,2~1,5)". Sự khác biệt lớn về nhu cầu gia tốc góc của các bộ phận được thử nghiệm khác nhau, chẳng hạn như gia tốc góc lớn nhất của IMU công nghiệp thông thường là ± 500 °/s², trong khi gia tốc góc lớn nhất của con quay hồi chuyển trong lĩnh vực hàng không vũ trụ có thể đạt trên ± 2000 °/s², bàn xoay tương ứng cần chọn phạm vi gia tốc góc ± 600 °/s²~± 3000 °/s². Trong các sản phẩm thực tế, gia tốc góc lớn nhất của bàn xoay mô phỏng ba trục chính xác cao thường là khung bên trong ± 2500 °/s², khung giữa ± 2000 °/s², khung bên ngoài ± 1500 °/s², có thể phù hợp với nhu cầu kiểm tra động của thiết bị hướng dẫn thông thường cao cấp.

2.   Tốc độ phản ứng và tuyến tính: Tốc độ phản ứng của gia tốc góc xác định liệu bàn xoay có thể nhanh chóng mô phỏng đột biến thái độ hay không, cần phù hợp với thời gian phản ứng động của bộ phận được thử nghiệm, thời gian phản ứng càng ngắn, càng thích hợp cho thử nghiệm mô phỏng động tốc độ cao. Đồng thời, độ tuyến tính của gia tốc góc cần đáp ứng yêu cầu kiểm tra, thường yêu cầu độ tuyến tính ≤ ± 0,1% FS, tránh lỗi phi tuyến ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu kiểm tra. Ngoài ra, cần chú ý đến sự ổn định tăng tốc và giảm tốc của bàn xoay để ngăn chặn tác động trong quá trình tăng tốc và giảm tốc, làm hỏng các bộ phận thử nghiệm hoặc giới thiệu lỗi thử nghiệm.

3.   Ảnh hưởng của tải và cấu trúc: hiệu suất gia tốc góc của bàn xoay sẽ bị ảnh hưởng bởi trọng lượng tải, kích thước tải, tải càng lớn, giới hạn gia tốc góc càng thấp. Do đó, việc lựa chọn cần kết hợp trọng lượng của bộ phận được thử nghiệm và kích thước lắp đặt để đảm bảo rằng bàn xoay vẫn có thể đạt được phạm vi gia tốc góc cần thiết dưới tải trọng định mức. Ví dụ, trọng lượng của bộ phận được thử nghiệm (bao gồm cả dụng cụ) là 45Kg, cần chọn bàn xoay có tải trọng định mức không nhỏ hơn 45Kg và vẫn có thể đạt được gia tốc góc mục tiêu dưới tải này, đồng thời cần xem xét giao điểm ba trục của bàn xoay (thường yêu cầu trong quả bóng R0.5mm) và độ thẳng đứng của trục, tránh độ lệch lắp đặt tải ảnh hưởng đến hiệu suất gia tốc góc.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)，Phù hợp với kịch bản cài đặt và thử nghiệm

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Phạm vi góc xoay (phạm vi góc) đề cập đến phạm vi góc lớn nhất mà các trục của bàn xoay có thể xoay, được chia thành hai hình thức xoay liên tục và góc hữu hạn, nguyên tắc lựa chọn cốt lõi là "bao gồm toàn bộ tư thế làm việc của linh kiện được kiểm tra, phù hợp với không gian lắp đặt và kiểm tra tiện lợi". Ba trục của bàn xoay ba trục (thường là trục lăn, trục cao độ, trục hướng) có phạm vi góc xoay khác nhau, cần căn cứ vào nhu cầu tư thế của linh kiện được đo lần lượt chọn loại, đồng thời cần xem xét vấn đề can thiệp trục, tránh xuất hiện xung đột giới hạn tư thế khi liên kết nhiều trục.

b) Lựa chọn chính

1.   Chọn loại quy mô: cần đóng nắp toàn diện phạm vi tư thế làm việc thực tế của linh kiện được kiểm tra, tránh xuất hiện vùng mù tư thế. Ví dụ, phạm vi góc cao độ của hệ thống hướng dẫn thông thường của máy bay không người lái là ± 90 °, phạm vi góc tiêu đề là ± 180 °, phạm vi góc lăn là ± 360 °, bàn xoay tương ứng cần chọn phạm vi góc xoay của trục cao độ ± 90 °, trục tiêu đề ± 180 °, trục lăn 360 ° xoay liên tục; Nếu được sử dụng để đánh dấu tĩnh, phạm vi con lắc có thể được thu hẹp một cách thích hợp theo nhu cầu đánh dấu và giảm chi phí thiết bị. Trong các ứng dụng thực tế, một số tháp pháo ba trục hỗ trợ xoay vô hạn liên tục ba trục và có thể phù hợp với các tình huống đòi hỏi mô phỏng thái độ đầy đủ, chẳng hạn như thử nghiệm mô phỏng bán vật lý của phương tiện bay.

2.   Giao thoa trục và không gian lắp đặt: khi chọn loại cần chú ý đến hình thức cấu trúc của bàn xoay (chẳng hạn như cấu trúc UOO thẳng đứng), tránh giao thoa góc khi liên kết nhiều trục, dẫn đến không thể đạt được thái độ mục tiêu. Đồng thời, cần kết hợp kích thước lắp đặt của bộ phận thử nghiệm để đảm bảo đủ không gian lắp đặt của bàn xoay, chẳng hạn như kích thước của bộ phận thử nghiệm là 400mm × 400mm × 400mm, cần chọn không gian lắp đặt tải không nhỏ hơn kích thước này của bàn xoay, tránh giới hạn phạm vi con lắc sau khi lắp đặt. Ngoài ra, độ chính xác của con lắc cũng cần phải phù hợp với nhu cầu kiểm tra, thường yêu cầu độ chính xác của con lắc ≤ ± 0,001 °, độ chính xác lặp lại ≤ ± 0,0005 °, đảm bảo vị trí thái độ chính xác.

3.   Điều chỉnh cảnh đặc biệt: Đối với các cảnh thử nghiệm cần quay liên tục trong thời gian dài (chẳng hạn như kiểm tra độ ổn định lâu dài của con quay hồi chuyển), cần chọn bàn xoay hỗ trợ xoay liên tục 360 ° và có chức năng tự khóa để tránh sự dịch chuyển thái độ trong quá trình quay; Đối với các kịch bản có độ chính xác cao, cần chú ý đến độ chính xác quay của bàn xoay (thường yêu cầu ± 0,001 °~± 0,002 °), đảm bảo độ chính xác của vị trí con lắc, đồng thời có thể chọn bàn xoay được trang bị bộ mã hóa loại tuyệt đối, không cần hiệu chuẩn lại bằng không sau khi tắt nguồn và nâng cao hiệu quả kiểm tra.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)，Kết hợp tối ưu

Tốc độ góc, gia tốc, phạm vi góc không phải là lựa chọn độc lập, ba thứ cần phối hợp phù hợp, đồng thời kết hợp đặc tính linh kiện được kiểm tra, cảnh kiểm tra, ngân sách chi phí, tránh những sai lầm phổ biến sau đây:

1.   Lầm tưởng 1: Tham số càng cao càng tốt. Các thông số quá cao có thể dẫn đến chi phí thiết bị tăng đáng kể và có thể gây lãng phí hiệu suất. Ví dụ, thử nghiệm IMU công nghiệp thông thường không cần phải chọn bàn xoay với gia tốc góc ≥2000 °/s² và tốc độ góc ≥400 °/s, chọn thiết bị phù hợp với các thông số của phần được thử nghiệm có thể đáp ứng nhu cầu, đồng thời giảm chi phí mua sắm và vận hành.

2.   Sai lầm thứ hai: Bỏ qua hiệu suất hiệp đồng trục. Một số lựa chọn chỉ tập trung vào các thông số trục đơn, bỏ qua sự hiệp đồng hiệu suất khi liên kết nhiều trục, dẫn đến sự can thiệp thái độ, giảm độ chính xác và các vấn đề khác trong quá trình thử nghiệm. Ví dụ, tốc độ góc đơn trục của bàn xoay, gia tốc đều đáp ứng nhu cầu, nhưng khi kết nối nhiều trục, tốc độ góc khung ngoài hạn chế gia tốc khung trong phát huy, không thể hoàn thành mô phỏng thái độ phức tạp.

3.   Sai lầm 3: Bỏ qua yêu cầu về môi trường và tiêu chuẩn. Trong môi trường thử nghiệm đặc biệt như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và chân không, ba thông số chính của bàn xoay sẽ bị ảnh hưởng, khi chọn loại cần chọn bàn xoay đặc biệt phù hợp với môi trường này; Đồng thời, cần tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn công nghiệp, chẳng hạn như thử nghiệm quân sự cần tuân thủ các tiêu chuẩn như GJB 2884-97, GJB 1801-93, đảm bảo tuân thủ dữ liệu thử nghiệm có hiệu quả.

4.   Lầm tưởng 4: Bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu chéo. Mức độ trực giao ba trục của bàn xoay (độ nhạy trục chéo) sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác kiểm tra của ba thông số chính, lý tưởng nhất là ba trục phải hoàn toàn trực giao, khi lựa chọn thực tế cần chú ý đến chỉ số độ nhạy trục chéo (thường yêu cầu ≤1%), để tránh chuyển động của một trục nhất định gây nhiễu cho các phép đo thông số của trục khác.

Tranh Luận/Thảo Luận (Debate)

Cốt lõi lựa chọn của bàn xoay quán tính ba trục là "định hướng nhu cầu, phù hợp với tham số, phối hợp với nhau", tốc độ góc, phạm vi bố trí ba tham số lớn cần triển khai xung quanh chỉ tiêu cốt lõi và cảnh thử nghiệm của linh kiện được đo lường, đề nghị thực hành cụ thể như sau:

1.   Nghiên cứu trước: Xác định tốc độ góc, gia tốc, phạm vi tư thế làm việc của các bộ phận được thử nghiệm, chải ra các kịch bản thử nghiệm (tĩnh/động, thông thường/giới hạn, liên kết trục đơn/đa trục), xác định hệ số an toàn và yêu cầu độ chính xác, đồng thời tham khảo các tiêu chuẩn công nghiệp có liên quan, xác định rõ các yêu cầu tuân thủ.

2.   Phù hợp với các thông số: Theo nguyên tắc "các thông số tối đa của phần được thử nghiệm × 1,2~1,5", bước đầu xác định phạm vi của ba thông số chính, sau đó kết hợp độ chính xác, tốc độ phản hồi, khả năng tải và các chi tiết khác, sàng lọc các mô hình tháp pháo phù hợp với yêu cầu, tập trung vào sự khác biệt về các thông số của khung bên trong, trung bình và bên ngoài, để đảm bảo phù hợp với vị trí lắp đặt của phần được thử nghiệm.

3.   Xác minh hiệu suất: trước khi chọn loại cần yêu cầu nhà sản xuất cung cấp báo cáo kiểm tra thông số, xác minh độ chính xác tốc độ của bàn xoay, độ tuyến tính của gia tốc góc, độ chính xác của con lắc và các chỉ số khác, kiểm tra tại chỗ khi cần thiết để đảm bảo các thông số đạt tiêu chuẩn; Đồng thời, kiểm tra hiệu suất của hệ thống lái xe của bàn xoay, hệ thống điều khiển, vòng trượt dẫn điện và các bộ phận khác để đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài.

4.   Kiểm soát chi phí: trên tiền đề đáp ứng nhu cầu kiểm tra, ưu tiên lựa chọn các thông số phù hợp, hiệu suất ổn định của thiết bị, tránh mù quáng theo đuổi các thông số cao dẫn đến lãng phí chi phí; Đồng thời, xem xét chi phí vận hành và bảo trì thiết bị, chi phí hiệu chuẩn, chọn nhà sản xuất hoàn hảo sau bán hàng và phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp để đảm bảo hoạt động lâu dài và đáng tin cậy của thiết bị.

Tóm lại, việc lựa chọn bàn xoay quán tính ba trục là một kỹ thuật mang tính hệ thống, tốc độ góc, gia tốc và phạm vi lắc phù hợp trực tiếp quyết định hiệu quả và độ chính xác của công việc thử nghiệm. Chỉ có dựa trên nhu cầu của các linh kiện được thử nghiệm, tuân theo các tiêu chuẩn công nghiệp, tính đến hiệu suất và chi phí, bạn mới có thể chọn thiết bị phù hợp nhất để cung cấp hỗ trợ đáng tin cậy cho việc nghiên cứu, thử nghiệm và đánh dấu các linh kiện quán tính.