陀螺仪
背景
陀螺仪是一种熟悉的玩具，外观看似简单，但向孩子们介绍了几种机械原理，尽管他们可能没有意识到。陀螺仪类似于由精密加工的金属制成的复杂顶部，它是一个旋转轮，可以设置在两个或多个圆形框架内，每个框架沿不同的线或轴定向。框架可以以任何角度倾斜，轮子——只要它在旋转——就会保持它的位置或姿态。
但陀螺仪不仅仅是一个玩具。它是许多科学和交通相关仪器的一部分。其中包括指南针、将鱼雷引向目标的机制、防止航空母舰等大型船舶在波浪中滚动的设备、飞机和船舶上的自动驾驶仪以及相对于地球引导导弹和航天器的系统（即，惯性制导系统）。
陀螺仪由安装在环框架中的中心轮或转子组成。这些环正确地称为万向节或万向节环。万向节是支撑轮子或其他结构但允许其自由移动的设备。环本身在一端支撑在主轴或轴上，而主轴或轴又可以安装在底座上或仪器内部。转子轴在空间中指向其原始方向的特性称为陀螺惯性；惯性只是运动物体在停止之前一直运动的特性。与空气的摩擦最终会减慢陀螺仪的轮子的速度，因此它的动量会逐渐消失。然后车轴开始摆动。为了保持惯性，陀螺仪必须高速旋转，并且它的质量必须集中在轮子的边缘。
历史
陀螺仪是一种流行的儿童玩具，所以它的祖先是陀螺，世界上最古老的玩具之一也就不足为奇了。单帧陀螺仪有时也称为陀螺仪；相反，顶部是无框陀螺仪。在 16 到 18 世纪，包括伽利略 (1564-1642)、克里斯蒂安·惠更斯 (1629-1695) 和艾萨克·牛顿爵士 (1642-1727) 在内的科学家使用玩具陀螺来了解旋转和解释旋转的物理定律。在 1800 年代的法国，科学家让-伯纳德-莱昂·福柯 (Jean-Bernard-Léon Foucault，1819-1868 年) 研究了实验物理学并证明了地球的自转，并解释了它对在地球表面移动的物体行为的影响。在 1850 年代，福柯研究了安装在万向架上的转子的运动，并证明了尽管地球自转，旋转轮仍能在太空中保持其原始位置或方向。福柯将转子和万向节命名为来自希腊词 gyros 的陀螺仪 和 skopien 意思是“旋转”和“查看”。
直到 1900 年代初，发明家才发现陀螺仪的用途。德国工程师和发明家 Hermann Anschutz-Kaempfe 认识到陀螺仪的稳定方向可以用于陀螺罗盘。他开发了陀螺罗经，用于在正常导航和定向系统不切实际的情况下进行海底勘探的潜水器。 1906 年，Otto Schlick 在德国鱼雷艇 See-bar 上测试了配备快速旋转转子的陀螺仪。 大海使鱼雷艇向每侧滚动 15°，或总共 30°；当他的陀螺仪全速运转时，船总共滚转不到 1°。
在美国，埃尔默·安布罗斯·斯佩里 (Elmer Ambrose Sperry)（1860-1930 年）——一位以其在开发电力机车和机械传动方面的成就而闻名的发明家——推出了一种安装在美国特拉华号战舰上的陀螺罗盘 1911年。1909年，他研制出第一台自动驾驶仪，它利用陀螺仪的方向感来保持飞机的航向。 1916 年，Anschiütz 公司在丹麦的一艘客船上安装了第一个基于三框架陀螺仪的自动驾驶仪。同年，还设计了飞机的人工地平线。当可见地平线在云层或其他条件下消失时，人造地平线告诉飞行员飞机如何滚动（左右移动）或俯仰（前后移动）。
船舶也需要减摇。斯佩里公司于 1915 年推出了一种使用双框架陀螺仪的陀螺稳定器。船舶在海上的摇晃会使乘客晕船，导致货物移动和损坏，并在船体中产生应力。斯佩里的陀螺稳定器很重、很贵，而且在船上占据了很大的空间。 1925 年，当日本人设计了一种用于稳定船只的水下鳍时，它就被淘汰了。
在二战前和二战期间导弹系统和飞弹的密集发展期间，两架陀螺仪与三架仪器配对，分别用于纠正滚转和俯仰运动并提供自动转向。德国人在 V-1 飞行炸弹、V-2 火箭和无人驾驶飞机上使用了这种组合。 V-2被认为是一种早期的弹道导弹。轨道航天器的导航系统使用一个小型的陀螺稳定平台。陀螺仪的这种保持稳定并以非常高的精度确定方向的特性已应用于枪支瞄准器、炸弹瞄准器以及支持枪支和雷达的舰载平台。许多这些机制在第二次世界大战期间得到了极大的改进，并且在 1950 年代，随着太空探索变得越来越重要，使用陀螺仪作为航天器的惯性导航系统被发明和完善。
原材料
根据陀螺仪的设计和用途，用于制造陀螺仪的材料可以从相对简单到高度复杂。有些比最好的手表更精确。它们可能会在微小的滚珠轴承、抛光的宝石斑点或空气或气体薄膜上旋转。有些完全在电流悬浮的真空中运行，因此它们什么都不接触，也不会产生摩擦。
带有电动马达和金属万向节的陀螺仪有四组基本组件。它们是电机、电气元件、用于编程操作的电子电路卡以及轴和万向节环。大多数制造商从分包商处购买电机以及电气和电子元件。这些可能是库存物品，也可能是按照陀螺仪制造商提供给供应商的一组规格制造的。通常，陀螺仪制造商会加工自己的万向节和轴。铝因其膨胀和强度特性而成为首选金属，但更复杂的陀螺仪由钛制成。金属以棒料的形式批量购买并进行加工。
设计
工程师以陀螺理论的电气和机械方面为指导，为万向节选择轮子设计，并选择适合该设计的金属材料。陀螺仪的许多用途的设计是相当标准的。也就是说，新产品线的重新设计或设计是使现有设计适应新用途的问题，而不是从最基本的开始创造新产品。然而，设计确实涉及观察最基本的工程实践。公差、间隙和电子应用非常精确。例如，万向轮的设计和加工设计对误差的容忍度非常小；云台的横截面必须始终一致，否则陀螺仪会失去平衡。
制造过程
- 万向节和万向节框架采用铝棒材加工而成
陀螺仪的例子。作为设计过程的一部分开发的工具。它们经过抛光和清洁，并存放在垃圾箱中直至组装。对于组装，箱体沿着组装线移动到适当的位置。 - 陀螺仪是在直接的装配线过程中制造的，强调了“接触人工”比自动化的重要性。陀螺仪是由内而外组装的。电机是陀螺仪的心脏，首先安装。 “典型的”陀螺仪电机以 24,000 转/分钟 (rpm) 的速度同步旋转。它必须完全同步，并且电机通常在组装前进行台架测试。电机上增加了电气连接。
- 接下来组装云台和框架，从内云台开始，到外云台框架结束。轴承安装到位。轴承的“端隙”（配合松动）通常具有非常小的公差，为 0.0002-0.0008 英寸（0.006-0.024 毫米）。
- 最外面的电气连接在装配线上，并添加了电路卡。最后，在组装过程结束时校准陀螺仪。手动检查轴承的悬挂和校准；制造商发现，即使是校准，人工观察、测试和校正也比自动化方法更值得信赖。
陀螺仪是简单物理原理应用的一个优雅例子。因为它很简单，制造商严密保护任何专有技术。由于陀螺仪是一种用途广泛的简单设备，因此有些需要更多的制造工艺。上述制造步骤大约需要 10 个小时，并产生用于导弹制导等应用的免费陀螺仪。更奇特的陀螺仪可能需要 40 小时的组装时间。
质量控制
质量控制在陀螺仪制造的整个设计和组装过程中至关重要，因为这些仪器是有人驾驶飞机、无人驾驶导弹以及其他运输和武器设备的一部分，如果它们出现故障，可能会造成灾难。工程师、科学家和设计师在受雇之前和在职期间都接受过高等教育和培训。装配线工人必须通过初步培训才能被雇用，并且他们有定期安排的持续培训课程。陀螺仪制造中必须满足的许多质量标准都是可以测量的，因此在整个制造过程中都要进行过程中检查。最高级别的质量控制由公司外部的检查员执行，包括政府检查员。客户也执行自己的检查和验收测试；如果制造商的产品未通过客户的测试，则退回不合格的陀螺仪。
副产品/废物
陀螺仪制造商不生产副产品，但他们倾向于为各种应用生产全系列的陀螺仪。它们也不会产生太多废物。加工万向节和环会产生一些铝屑，但这些铝屑会被收集起来并返回给铝供应商进行回收。
安全问题
制造商遵守职业安全与健康管理局 (OSHA) 关于光线、通风和人体工程学（舒适的座椅和工作台，可减少重复性压力伤害的可能性）的规定。工厂内必须保持湿度以防止静电放电。需要少量清洁溶剂，但使用温和（无害）的柑橘类清洁剂。
未来
随着需要引导和控制的设备数量的增加，陀螺仪的使用也在增加。尽管陀螺仪的基本原理基于物理定律并且永远不会改变，但该技术正在不断发展。提供使陀螺仪工作的旋转质量的机械和电气方法正逐渐被环形激光器和微技术所取代。细光纤线圈是紧凑、轻便的陀螺仪的关键，这些陀螺仪可能在汽车导航系统中得到应用。陀螺仪是一种如此简单但复杂的仪器，它可以使运输、勘探和工业中的众多工具保持平衡，无论可见或不可见，它肯定在未来占有一席之地。
制造工艺