IT8223201A1 - Sospensione per giroscopio laser ad anello - Google Patents

Description

fUMEBQ-SJUDIQ GONSULti^ bitumili s.u.u. Descrizione dell 'invenzione avente per titolo :

"SOSPENSIONE PER GIROSCOPIO LASER AD ANELLO"

a nome : THE SINGER COMPANY a Little Palls, New Jersey (U.S.A. ) Inventori : Shri Kumar, James Koper e Bo Hans Gunnar Ljung Depositata il : 1

???***??? 23201 A/82

RIASSUNTO

Una cerniera torsionale ? montata assialmente all 'interno di un foro centrale di un corpo di giroscopio laser ad anello. La cerniera comprende una pluralit? di sezioni ad ala distanziate in senso angolare , aventi in esse delle fessure che si estendono generalmente in senso angolare per permettere il moto torsionale del giroscopio intorno alla cerniera. Una pluralit? di segmenti ad arco distanziati uniscono a ponte un'intercapedine tra le sezioni ad ala e la superficie affacciata del foro e sono cementati alla superficie per il fissaggio della cerniera. Con un dimen sionamento e posizionamento appropriato delle aree di contatto sottese della cerniera all ' interno del foro, si riducono al minimo gli effetti della dilatazione termica della cerniera, inihen do cosi la distorsione del corpo del giroscopio, nonch? le variazioni con la temperatura della lunghezza del percorso.

???***???

La presente invenzione si riferisce ai giroscopi e in modo pi? particolare alle sospensioni per giroscopi laser ad anello.

/UMttiU-biUUlU UJDi?UUiUM DflcvLiJ] s.n.u.

Un giroscopio laser ad anello include generalmente degli spec chi all 'interno di cavit? formate centralmente allo scopo di riflettere raggi laser nel senso della lunghezza delle cavit?. Un raggio che vada a colpire uno specchio particolare non sar? riflesso in modo perfetto per effetto di normali irregolarit? presenti sulla superficie degli specchi. Si verifica piuttosto una certa diffusione all * indietro. Ci? determina la scomparsa della frequenza di battimento tra due raggi nel giroscopio a bassi ritmi di entrata della rot azi onejine rzial e . A questo effetto si d? la denoti inazione di blocco che per un certo tempo ? stato ammesso nella tecnica nota e che ? stato risolto pilotando il corpo del giroscopio in oscillazione rotazionale (dither). I mezzi per realizzare detta oscillazione o "dither" comprendono in modo convenzionale un azionatore piezoelettrico collegato ad una sospensione del giroscopio che fa oscillare angolarmente il corpo del giroscopio alla frequenza di risonanza meccanica e naturale della sospensione. Il "dither" ? sovrapposto alla rotazione effettiva del giroscopio nello spazio inerziale. La tecnica nota include varie soluzioni per il ricupero di dati di rotazione iner z ial e privi di "dither" e ci? non fa parte della presente invenz ione .

Un certo numero di sistemi di sospensione torsionale ? stato escogitato per montaxre un giroscopio laser ad anello in modo che lo stesso possa essere soggetto a "dither". Un metodo della FUMEfiO-SIUDJQ CONSULENZA bBtVtlll s.n.c. tecnica nota per sospendere il giroscopio utilizza due cerniere o molle di torsione a forma di ruote per carro, le quali Bono precaricate in modo che il corpo del giroscopio risulta intercalato tra le cerniere. Una volta esposto ad un <1 >ampia gamma di temperature , la prestazione di un complesso del genere ? meno che ottimale. Per effetto del disaccoppiamento tra i coefficienti di dilatazione dei materiali della cerniera e del corpo del giroscopio, nonch? per il forte attrito in corrispon denza delle interfacce della cerniera e dal corpo, si presentano problemi di appiccicaraerito e di slittamento. Ci? si traduce in variazioni errate della lunghezza del percorso insieme a forti inclinazioni che portano a variazioni del ritmo di deriva o deviazione del giroscopio. Inoltre^ le grandi variazio ni della lunghezza di percorso con un tale tipo di cerniera com plicano il tipo o modello di trasduttori di controllo della lunghezza di percorso che devono essere impiegati per compensare queste variazioni della lunghezza del percorso.

Una soluzione pi? recente della tecnica nota consiste nel montare una cerniera torsionale con ruote per carro all 'inter no di un foro centrale che ? formato in effetti nel cori? di un giroscopio laser ad anello. Sebbene tale disposizione abbia i suoi vantaggi, ? noto che la dilatazione del materiale della cerniera deforma il blocco del giroscopio e la lunghezza del percorso al variare della temperatura. Inoltre^ una

fUMER<Q>-SiUDIO CONSULENZA BREVETTI 3.n.c, configurazione di cerniera torsionale con ruote per carro pu? mancare di materiale sufficiente nel blocco del giroscopio per controbilanciare l 'inclinazione sagittale in risposta a variazioni termiche che determineranno errori nell 'uscita di un gir<> scopio cosi equipaggiato.

La presente invenzione utilizza una cerniera singola cementarla in un foro cilindrico ricavato assialmente attraverso la porzione centrale di un corpo di giroscopio. Le forze di contatto tra la cerniera ed il corpo raggiungono una condizione per cui la lunghezza del percorso diventa relativamente invariabile in risposta alla dilatazione o alla contrazione della cerniera nella gamma delle temperature di esercizio. La cerniera torsionale della presente invenzione comprende una pluralit? di sezioni ad ala o a flangia distanziate angolarmente aventi in esse delle fessure che si estendono . generalmente in senso radiale per permettere il moto torsionale del giroscopio intorno alla cerniera. Una pluralit? di segmenti ad arco sottesi e distanziati uniscono a ponte un' intercapedine compresa tra le sezioni ad ala o a flangia e la superfice affacciata del foro e sono cementati alla superficie per il fissaggio della cerniera. Con un posizionamento appropriato dei segmenti sottesi della cerniera all 'interno del foro, si riducono al minimo, gli effetti della dilatazione termica della cerniera, inibendo con ci? la distorsione del corpo del giroscopio, nonch? le variazioni alla temperatura della lunghezruiamu-iiiuuiu UJUSULLHLB UULVUH S.U.U za del percorso. Inoltre, con l 'utilizzazione di una cerniera singola montata centralmente, al posto delle due cerniere a san dwich con ruote da carro qui descritte in precedenza, si elimina no nella gamma delle temperature di esercizio i fenomeni di appiccicamento e di slittamento. Inoltre, il disegno compatto della cerniera dell' invenzione consente ancora la presenza di mate-riale sufficiente all ?interno del corpo del giroscopio, aumentando in tal modo la stabilit? sagittale (od inclinazione ) del giroscopio. Tutti questi vantaggi rispetto alla tecnica nota unitamente al vantaggio del minor costo sono presenti nel progetto a unit? singola della presente invenzione.

Gli scopi ed i vantaggi summenzionati della presente invenzio ne potranno essere pi? chiaramente compresi quando si considerino insieme agli annessi disegni, in cui :

fig. 1 ? una vista in sezione di un giroscopio laser ad anello della tecnica nota;

fig. 2A ? una vista schematica di una sospensione per giroscopio indicante la dilatazione della lunghezza del percorso del^ l'aumentare della temperatura;

fig. 2B ? una vista schematica di una sospensione per giroscopio indicante il ritiro o contrazione della lunghezza del percorso dell 'aumentare della temperatura;

fig. 2C ? una vista schematica di una sospensione per girosco pio indicante un^-unghezza di percorso sostanzialmente invariata ruiHCKU-SUJUIU UUNSULtHla BKtVti ll 8.?.?.

all 'aumentare o al diminuire della temperatura;

fig. 3 ? una vista in pianta della cerniera torsionale per giroscopio laser ad anello della presente invenzione ; e

fig. 4 ? una vista in alzato della cerniera torsionale della presente invenzione.

Allo scopo di costituire una base per la discussione della presente invenzione, si faccia riferimento a fig. 1 , la quale illustra un giroscopio laser ad

anello della tecnica nota, indicato genericamente con il riferi^ mento numerico 1 . Il giroscopio ha un corpo di vetro-ceramica 10 di forma triangolare . Sezioni tubolari di cavit? 6,7 e 8 for mano delle sezioni tri?>ngolari che contengono una miscela di gas , come elio e neon. Cavit? pi? grandi 2, 3 e 4 collegano tra loro le sezioni triangolari per formare una cavit? continua. Uno specchio 12 di grande potere riflettivo racchiude l 'angolo supe riore del giroscopio, mentre uno specchio simile 13 racchiude l 'angolo inferiore di sinistra. Uno specchio d'uscita 14 racchiu de l 'angolo inferiore di destra del giroscopio. Uno specchio semiargentato 21 caratterizza una porzione dello specchio di uscita 14? La combinazione di specchio 14, 21 riflette la luce che la va a colpire, nonch? permette il passaggio all 'esterno della luce dell 'estremit? inferiore di destra del giroscopio.

Nel corpo 10 del giroscopio ? montato un primo anodo 15, che ha accesso alla sezione di cavit? 6. Un secondo anodo 46 ? si? FUMERQ-SiUDIQ CQNSULtNM t?KtVdTH s.n.c.

milmente montato sul corpo 10 del giroscopio. Sul bordo inferio re del corpo triangolare 10 di vetro-ceramica del giroscopio ? mcthj&o un catodo 17f con accesso tra il catodo stesso e la cavit? o sezione di cavit? 8 corrispondente. Con 1 'energizz azione elettrica degli elettrodi anodici e catodico si ha l 'amplifica zione laser della Iniscela di gas di elio e di neon^ in cui all 'interno delle sezioni di cavit? tra loro collegate 6, 7 <e >8 si manifestano raggi in senso orario (CW) e raggi in senso anti orario (CCW) . Una cerniera di torsione radiale 18 ? montata tra una colonnina di sostegno 19 ed il corpo 10 del giroscopio.

Per effetto delle normali irregolarit? sulla superficie degli specchi 12, 13 e 14, un raggio che vada a colpire uno specchio particolare non verr? riflesso in modo perfetto su una sezione di cavit? adiacente. Si verifica invece una certa diffusione all* indietro che determina la scomparsa della frequenza di batti^ mento tra i due raggi in corrispondenza di ritmi bassi di entra ta della rotazione inerziale, A ci? si d? la denominazione di effetto di blocco, che per un certo tempo ? stato ammesso nella tecnica nota.il problema ? stato risolto pilotando il corpo 10 del giroscopio in oscillazione rotazionale (dither) . I mezzi per realizzare il dither comprendono in modo convenzionale un azionat ore piezoelettrico (non rappresentato), collegato ala cerniera 18 e che fa oscillare angolarmente il corpo 10 alla sua frequenza di risonanza meccanica naturale.

HIMtKD-SlUDlO GQNSULCIMJA DKtVtl ll S.n.G.

Il dither si sovrappone alla rotazione effettiva del girosco pio nello spazio inerziale. Si conseguenza, si rende necessario ricuperare i dati della rotazione inerziale privi di dithey . Un certo numero di tecniche della tecnica nota sono dirette al ricupero dei dati della rotazione inerziale e ci? non fa parte della presente invenzione .

Quando si considerino le variazioni della lunghezza del per^ corso per effetto di variazioni di temperatura, i punti di contatto tra una cerniera e la superficie affacciata di un corpo di giroscopio sono dei punti critici. Con riferimento a fig. 2A, si notano tre punti di contatto 3, e c, che trasmettono forze di deformazione al corpo 10 del giroscopio tali da spostare all ?esterno gli specchi 12, 13 e 14? Qie sto: effetto indesiderato aumenta man mano che la cerniera si dilata per effetto delle eleva te temperature di esercizio. Una Condizione opposta si verifica nel caso di contrazione della cerniera per effetto di pi? basse temperature di esercizio. Pig. 2B illustra la trasmissione delle forze di deformazione attraverso il blocco del giroscopio nel caso che i tre punti di contatto tra la cerniera ed il corpo del giroscopio siano quelli indicati oon a, b e c. Come si potr? no ? tare guardando fig. 2B, ciascuna forza &, b e c risulta deviata di circa 60 gradi dalla propria controparte di fig. 2A. Il risul^ tato della distribuzione delle forze rappresentata in fig. 2B ? che gli specchi 12, 13 e 14 sono spinti a forza radialmente al- 9 - rUiULftU-?lUUiU IjUi'i?ULLl'tZ.H URLULl lI S.?1.U.

l 'interno per effetto della tendenza dei lati del corpo triango lare del giroscopio ad incurvarsi all 'esterno. Il risultato netto sar? un ritiro o contrazione della lunghe a-a^?el percorso quan do la cerniera si dilata. L'opposto si verificher? nel caso di contrazione della cerniera in risposta ad una diminuzione delle temperature di esercizio. Fig. 2C illustra una situazione nella quale la cerniera disposta al centro presenta forze distribuite in modo pi? uniforme dirette da una cerniera in dilatazione al corpo del giroscopio. La distribuzione delle forze rappresentate in fi g. 2C si traduce virtualmente in nessuna variazione della lunghezza del percorso quale risultato de ll? dilatazione o della contrazione della cxerniera. E' appunto questo tipo di distribuzione di forze che ? soddisfatto dalla presente invenzi^ ne, che verr? ora descritta in maggiori particolari.

Con riferimento a figg. 3 e 4? la cerniera torsionale 20 delcentral mente

la presente invenzione ? posizionata/all 'interno di un foro cilindrico 22 ricavato assialmente, disposto al centro del corpo 1 di un giroscopio laser ad anello. Come si potr? notare , la cerniera 20 include generalmente tre sezioni ad ala o a flangia a forma di torta 24, 26 e 28 formate in un cilindro. Queste sezioni ad ala o a fangia sono simmetriche e disposte a 120 gra di l 'una dall 'altra. Dei segmenti ad arco 30, 32 e 34 ricavati nel cilindro congiungono a ponte le superfici affacciate di due sezioni ad ala o a flangia adiacenti e che uniscono a ponte la <? 1 " >rUMtKU-S<i>UDlO CONSULtrtZii BKtVdlll ?.?.0.

intercapedine compresa tra il foro 22 e le sezioni ad ala o a flangia della cerniera. Delle aperture triangolari incavate 36, 38 e 40 separano le superfici affacciate delle sezioni ad ala o a flangia.

Prendendo in esame la sezione ad ala o a flangia, 28, si nota che una gola o scanalatura anulare 41 ? ricavata nella parete cilindrica di ogni sezione ad ala o a flangia, per cui in corrispondenza delle porzioni superiore ed inferiore della cernie^ ra si vengono a creare delle superfici per un contatto con il foro 22. All? interno del materiale della sezione ad ala o a flan gi? si nota la formazione di fessure 44 <e >48 che si estendono generalmente in senso radiale. Queste fessure sono si/tuate immediatamente all ?interno dell ?interfaccia tra la sezione ad ala o a flangia e l ?apertura corrispondente (40, .36) ? La formazione di queste fessure all ? interno delle sezioni ad ala o a flangia, aumenta le caratteristiche di molla di torsione della cerniera durante il dither o oscillazione del corpo 1 del giroscopio rispetto alla cerniera 20.

In una fabbricazione preferita della cerniera, le fessure 44 e 48 sono formate mediante elettrodi EDM (non rappresentati) che passano attraverso il materiale delle sezioni ad ala o a flangia secondo una tecnica convenzionale. Un foro di guida 42 ? formato nella sezione ad ala o a flangia in prossimit? di un segmento ad arco adiacente 32, che permette il posizionamento adegua-to di un utensile di guida degli EDM. Allo scopo di conservare 1-UMtHU-SiUDlQ CUN&ULCWLH DKUICI II S.II.I<?>. una simmetria bilanciata, all 'interno . di ogni sezione ad ala o a flangia ? ricavato un secondo foro 46? Qiesto foro non ha nessuna altra funzione. Delle aperture allargate, per esempio 50, sono ricavate nella parte centrale di ogni sezione ad ala o a flangia, in modo che la cerniera possa essere fissata mediante mezzi di fissaggio in modo simmetricamente bilanciato in un alloggiamento di giroscopio (non rappresentato).

Con un dimensionamen^to e un posizionamento adeguati delle aree di contatto dei segmenti ad arco 30, 32 e 34 rispetto al foro centrale 22, si otterr? la distribuzione uniforme di forze come discusso in fig. 2C. Quarv-do questa condizione ? soddisfatta, sia avr? un minimo di variazione della lunghezza di percorso in risposta alla dilatazione o ritiro della cerniera per effetto di variazioni della temperatura ambiente.

La posizione ottimale della cerniera pu? essere trovata variando di poco la posizione angolare in ogni direzione da quella rappresentata in fig. 3? Una volta fissata la posizione nulla o posizione ottimale, lo spostamento in una direzione angola re si tradurr? in un allungamento della lunghezza di percorso in risposta alla dilatazione termica della cerniera, mentre lo spostamento della cerniera in una direzione angolare opposta dalla posizione nulla si tradurr? in un ritiro o contrazione della lunghezza di percorso in risposta alla dilatazione termi ca della c/emiera.

1^ materiale della cerniera deve includere le propriet? di <" ? >' <uin>unu-<?i>uL<U>U UUftlSULENZA Bfi?V?Til s.n.c.

isolamento elettrico, bassissima dilatazione termica e im permea bilit? all'elio. In una forma di realizzazione preferita il mate_ riale ? Invar.

Si deve intendere che l 'invenzione non ? limitata ai dettagli precisi di costruzione qui illustrato e descritti in quanto del? le ovvie modifiche si presenteranno a<gli esperti di questo settore della tecnica.

RIVENDICAZIONI

1 ) Sospensione di giroscopio di forma generalmente cilindrica posizionata all 'interno di un foro ricavato nel corpo del giroscopio stesso, la sospensione comprendendo una pluralit? di seg menti distanziatala modo simmetrico che sottendono un<1>, area predeterminata di contatto fisso con il foro.

2) Sospensione come in 1 , insieme ad una pluralit? di sezioni distanziala in modo simmetrico fissate ai segmenti e che si estendono radialmente all 'interno degli stessi, nelle sezioni essendo formate delle fessure ad estensione longitudinale per consentire lo spostamento per oscillazione del giroscopio intorno alla cerniera.

3) Sospensione come in 1 , in cui la cerniera include aperture distanziate in modo simmetrico situate tra sezioni adiacenti della cerniera e che si estendono radialmente dal centro della cerniera stessa.

4) Sospensione come in 1 , insieme ad aperture ricavate nelle sezioni per fissare la cerniera ad un alloggiamento del gir oscoFUMERO-SlUDIO CQNSUUNZH BfitVfTJI s.n.c. pio.

delle 5) Sospensione come in 2, in cui la cerniera include /aperture distanziate in modo simmetrico situate tra sezioni adiacenti della stessa cerniera e che si estendono radialmente dal centro della cerniera.

6) Sospensione come in 5? insieme ad aperture ricavate nelle sezioni per il fissaggio della cerniera ad un alloggiamento del giroscopio.

7) Giroscopio laser ad anello comprendente : un corpo generalmente triangolare ; un foro ricavato assialmente nel centro del corpo; una cerniera di forma generalmente cilindrica situata all 'interno del corpo, la cerniera comprendendo una pluralit? di sezioni ad ala o a flangia distanziate che si estendono in senso radiale per il fissaggio al corpo del giroscopio; fessure ricava te longitudinalmente nelle sezioni ad ala o a flangia per permet tere lo spostamento per oscillazione del corpo rispetto alla cerniera; Tina pluralit? di segmenti ct/? arco, ciascun segmento unendo a ponte due sezioni ad ala o a flangia adiacenti ed esten dendosi radialmente all 'esterno ddlle stesse per un contatto con il foro, con i segmenti che sottendono aree predetefminate di contatto con il foro e che sono posizionati in un orientamento prestabilito rispettagli apici o vertici del corpo triangolare.

8) Giroscopio come in 7, in cui le fessure si estendono in senso generalmente radiale e in prossimit? ai bordi radiali delle sezioni ad ala o a flangia

Claims (1)

1. 9) Giroscopio come in 8, in cui una scanalatura ad arco ? ricavata in una parete cilindrica di ogni sezione ad ala, producendo con cipree di contatto con il foro alle estremit? opposte della cerniera,

   ac/

   CUNbULLbCH URLVLI li