一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，包括可偏轉彈頭、多功能螺旋柱、彈體、偏轉連接機構、球形多自由度壓電驅動器和滾轉機構。球形多自由度壓電驅動器包括球轉子、底座和三個帶有預緊導向功能的定子機構。在調整螺母和碟形彈簧的作用下，三個定子彈性體和球轉子通過摩擦襯墊緊密接觸。分別給三個壓電陶瓷片提供一定的電壓信號時，能夠在定子彈性體表面激發(fā)出行波，在預緊力的作用下，通過定轉子之間的摩擦，帶動球轉子繞通過其球心的任意軸線轉動，通過偏轉連接機構，帶動可偏轉彈頭偏轉。本發(fā)明的彈頭偏轉裝置結構簡單緊湊，輸出力矩大，響應速度快，不受電磁干擾，能夠實現(xiàn)多自由度調節(jié)。
【專利說明】
一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種彈頭偏轉裝置，特別是一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]彈頭偏轉式彈道修正，是指在彈丸飛行過程中驅動器驅動彈頭偏離彈體軸線，偏轉后彈頭迎風面和背風面存在壓差，由此產生了修正彈道所需的控制力和控制力矩，進而改變彈丸的飛行姿態(tài)，以達到修正落點的目的。與目前應用較廣的鴨舵式和脈沖發(fā)動機式相比，彈頭偏轉式彈道修正具有更好的氣動特性和更高的控制效率。目前已有的彈頭偏轉機構主要分為壓電陶瓷桿式、磁致伸縮式、斜盤式、蝸輪蝸桿式。
[0003]壓電陶瓷桿式彈頭偏轉機構在彈頭內部與彈軸平行方向環(huán)繞彈體均勻布置了數(shù)根壓電陶瓷桿，利用壓電陶瓷的逆壓電效應控制陶瓷桿伸長或縮短，從而帶動彈頭偏轉。但由于壓電陶瓷形變量小，無法提供較大的彈頭偏角，若加上復雜的位移放大機構，會使整體結構不夠緊湊。
[0004]磁致伸縮式偏轉機構內置三根磁致伸縮棒兩兩相距120°對稱分布，并通過球形鉸鏈與彈體相連，在磁場的作用下磁致伸縮棒發(fā)生形變，以帶動彈頭偏轉。但與壓電陶瓷桿相同，磁致伸縮棒形變量小，彈頭偏角小，且該機構易受電磁干擾。
[0005]斜盤式偏轉機構在彈頭和彈體上有兩個可以相對轉動的斜盤，通過滾珠軸承連接，兩臺直流伺服電動機用來驅動上下兩個斜盤轉動，彈頭偏角由自動駕駛儀的指令確定。 其采用了兩個電機共同驅動，整體尺寸大且控制較復雜，部分驅動機構固連于彈頭，增加了可偏轉機構質量。
[0006]蝸輪蝸桿式偏轉機構通過一對外嚙合齒輪將電機的轉動傳遞給蝸桿，在通過蝸輪蝸桿機構將蝸桿的旋轉運動轉化為蝸輪的擺動以帶動彈頭偏轉。該機構自鎖能力好，但只能實現(xiàn)單自由度偏轉，通過在彈丸的一個轉動周期內彈頭連續(xù)換向來實現(xiàn)二維彈道修正， 控制復雜且效率低。
[0007]由上可知，現(xiàn)有的彈頭偏轉裝置存在結構復雜且整體尺寸大、控制方法不夠簡便、 無法提供較大的彈頭偏角且控制效率低、易受電磁干擾等缺陷。因此，目前急需一種結構簡單、控制方便、輸出力矩大且不受電磁干擾的彈頭偏轉裝置，但是現(xiàn)有技術中尚無相關描述。
【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置。
[0009]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，包括可偏轉彈頭、多功能螺旋柱、彈體、偏轉連接機構、球形多自由度壓電驅動器、 滾轉機構；
[0010]所述可偏轉彈頭和彈體通過多功能螺旋柱相連，多功能螺旋柱與可偏轉彈頭的接觸面為球面，多功能螺旋柱和彈體通過螺紋連接;所述球形多自由度壓電驅動器位于彈體的前端，球形多自由度壓電驅動器通過偏轉連接機構帶動可偏轉彈頭轉動，滾轉機構位于多功能螺旋柱和球形多自由度壓電驅動器之間，用于抵消球形多自由度壓電驅動器的預緊力在彈體軸線上的分力。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為:1)本發(fā)明的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置結構簡單緊湊，適用于中小口徑彈藥;2)本發(fā)明的球型多自由度壓電驅動器能實現(xiàn)多自由度運動，無需控制彈頭在一個轉動周期內來回擺動，控制方法簡單;3)本發(fā)明的球型多自由度壓電驅動器輸出力矩大，能實現(xiàn)較大的彈頭偏角;4)本發(fā)明的球型多自由度壓電驅動器不產生磁場，也不受電磁干擾，適用于需要不受電磁干擾的場合。
[0012]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述?！靖綀D說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的偏轉驅動裝置局部剖視圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的球形多自由度壓電驅動器俯視圖。
[0015]圖3為本發(fā)明的壓電驅動器帶有預緊導向功能的定子機構剖視圖。
[0016]圖4為本發(fā)明中滾轉機構結構圖。
[0017]圖5為本發(fā)明中定子的面外彎曲模態(tài)圖。
[0018]圖6為本發(fā)明中定子驅動球轉子示意圖。圖中Fn為定轉子預緊力，Vd為定子行波運動方向，Vr為轉子運動方向。
[0019]圖中標號所代表的含義為:1.可偏轉彈頭，2.十字連接件，3.連接桿，4.多功能螺旋柱，4-a.球形槽，5.彈體，6.偏轉連接機構，7.底座，8.球形多自由度壓電驅動器，9.滾轉機構，10.夾持環(huán)，11.滾珠，12.球轉子，13.摩擦襯墊，14.定子彈性體，15.壓電陶瓷片，16.螺紋圓板，17.支撐板，18.帶預緊導向功能的定子機構，19.定子導向軸，20.碟形彈簧，21.調整螺母?！揪唧w實施方式】
[0020]結合附圖，本發(fā)明的一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，包括可偏轉彈頭1、多功能螺旋柱4、彈體5、偏轉連接機構6、球形多自由度壓電驅動器8、滾轉機構 9；[0021 ]所述可偏轉彈頭1和彈體5通過多功能螺旋柱4相連，多功能螺旋柱4與可偏轉彈頭 1的接觸面為球面，多功能螺旋柱4和彈體5通過螺紋連接;所述球形多自由度壓電驅動器8 位于彈體5的前端，球形多自由度壓電驅動器8通過偏轉連接機構6帶動可偏轉彈頭1轉動， 滾轉機構9位于多功能螺旋柱4和球形多自由度壓電驅動器8之間，用于抵消球形多自由度壓電驅動器8的預緊力在彈體5軸線上的分力。
[0022]所述偏轉連接機構6包括相互固連的十字連接件2和連接桿3,所述十字連接件2和可偏轉彈頭1相固連，連接桿3與球形多自由度壓電驅動器8相固連，且在球形多自由度壓電驅動器8的驅動下轉動。
[0023]所述球形多自由度壓電驅動器8包括球轉子12、底座7和三個結構相同的帶預緊導向功能的定子機構18，所述三個結構相同的帶預緊導向功能的定子機構18固連在底座7上，上述三個定子機構18在底座7上兩兩相差120°環(huán)形分布，球轉子12設置在三個定子機構18 上且可相對定子機構18旋轉，定子機構18軸線和彈體5軸線之間存在夾角；[〇〇24]每個帶預緊導向功能的定子機構18均包括支撐板17、定子導向軸19、碟形彈簧20、 調整螺母21、定子彈性體14、壓電陶瓷片15和摩擦襯墊13,所述支撐板17固連在底座7上，調整螺母21設置在支撐板17上且與支撐板17螺紋連接，定子導向軸19也設置在支撐板17上且位于調整螺母21的前方，定子導向軸19與支撐板17之間為間隙配合，定子導向軸19與調整螺母21之間設置一對碟形彈簧20,定子導向軸19的前端與定子彈性體14內圈相固連，定子彈性體14外圈的背面設置壓電陶瓷片15,定子彈性體14的前端為齒端，該齒端上設置摩擦襯墊13，所述摩擦襯墊13與球轉子12相接觸。
[0025]所述多功能螺旋柱4的內部開有球面環(huán)形槽，所述滾轉機構9包括滾珠11和夾持環(huán) 10,所述夾持環(huán)10固連在多功能螺旋柱4上，夾持環(huán)10上開有若干球型槽，球型槽上放置滾珠11，滾珠11位于夾持環(huán)10和多功能螺旋柱4之間，且可沿多功能螺旋柱4的球面環(huán)形槽滾動;該滾珠11同時與球轉子12相接觸。[〇〇26]定子機構18軸線和彈體5軸線之間的夾角為75°。
[0027]夾持環(huán)10上球型槽的數(shù)量為8,滾珠11的數(shù)量為8。
[0028]彈體5的前端固連螺紋圓板16,螺紋圓板16上設置球形多自由度壓電驅動器8。
[0029]多功能螺旋柱4與可偏轉彈頭1接觸面為球面，該球面和球轉子12同心。
[0030]下面結合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述。
[0031]實施例
[0032]結合圖1，本實施例的一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，包括可偏轉彈頭1、多功能螺旋柱4、彈體5、偏轉連接機構6、球形多自由度壓電驅動器8、滾轉機構9 和螺紋圓板16。可偏轉彈頭1和多功能螺旋柱4之間通過球面接觸，多功能螺旋柱4和彈體5 之間通過螺紋連接。球形多自由度壓電驅動器8位于彈體5的前端，球形多自由度壓電驅動器8通過偏轉連接機構6帶動可偏轉彈頭1轉動，滾轉機構9位于多功能螺旋柱4和球形多自由度壓電驅動器8之間，用于抵消球形多自由度壓電驅動器8的預緊力在彈體5軸線上的分力。螺紋圓板16與彈體5通過螺紋連接，并和球形多自由度壓電驅動器8通過螺釘固連。
[0033]偏轉連接機構6包括十字連接件2、連接桿3,十字連接件2和可偏轉彈頭1之間通過四個半沉頭螺釘固連，十字連接件2和連接桿3、連接桿3和多自由度壓電驅動器8之間都采用螺紋連接，整個偏轉連接機構6和可偏轉彈頭1都可在球形多自由度壓電驅動器8的驅動下轉動。
[0034]下面結合圖2-圖6對球形多自由度壓電驅動器8的結構和工作原理進行詳細描述。 如圖2所示，球形多自由度壓電驅動器包括球轉子12、三個帶有預緊導向功能的定子機構18 和底座7。三個帶有預緊導向功能的定子機構18通過螺釘固定在底座7上，三個定子機構18 之間兩兩相差120°環(huán)形分布，球轉子12布置在三個定子機構18上，球轉子12和定子機構18 緊密接觸且能相對于定子機構18旋轉，定子機構18軸線和彈體5軸線之間的夾角為75°。 [〇〇35]每個帶預緊導向功能的定子機構18均包括支撐板17、定子導向軸19、碟形彈簧20、 調整螺母21、定子彈性體14、壓電陶瓷片15和摩擦襯墊13,所述支撐板17通過螺釘固連在底座7上，調整螺母21設置在支撐板17上且與支撐板17螺紋連接，定子導向軸19也設置在支撐板17上且位于調整螺母21的前方，定子導向軸19與支撐板17之間為間隙配合，定子導向軸19與調整螺母21之間設置一對碟形彈簧20,定子導向軸19的前端與定子彈性體14內圈通過四個十字沉頭螺釘固連，定子彈性體14外圈的背面粘貼有壓電陶瓷片15,定子彈性體14的前端為齒端，該齒端上粘貼有摩擦襯墊13。通過調節(jié)調整螺母21向圖3的x方向移動時，碟形彈簧20被壓縮，對定子導向軸19產生了一定的預緊力，并通過定子彈性體14和摩擦襯墊13 傳遞給了球轉子12,由于摩擦襯墊13彈性模量小，在預緊力的作用下發(fā)生微小變形，摩擦襯墊13與球轉子12緊密接觸。[〇〇36]在本實施例中，三個帶預緊導向功能的定子機構18作用在球轉子12上的預緊力大小相同，三個預緊力在水平方向上可以相互抵消，在彈軸方向不能抵消，故在球轉子12上設置了滾轉機構9,用于抵消三個預緊力在彈軸方向的合力。滾轉機構9如圖4所示，包括夾持環(huán)10和滾珠11。多功能螺旋柱4的內部開有球面環(huán)形槽4-a，夾持環(huán)10通過八個螺釘固連在多功能螺旋柱4上，夾持環(huán)10上開有八個球型槽，每個球型槽上放置一個滾珠11，滾珠11位于夾持環(huán)10和多功能螺旋柱4之間，且可沿多功能螺旋柱4的球面環(huán)形槽滾動，該滾珠11同時與球轉子12相接觸。
[0037]當給壓電陶瓷片15施加一定頻率的交流信號時，就能激發(fā)定子彈性體14的面外彎曲模態(tài)如圖5所示。當給壓電陶瓷片15同時施加兩列同頻等幅相位差為90°的交流信號時， 可以在定子彈性體14的模態(tài)頻率上激發(fā)出兩個幅值相等，在時間和空間上均相差90°的模態(tài)響應，這兩個模態(tài)響應在定子彈性體14表面疊加形成行波。圖6為定子驅動轉子示意圖， 其中Vd為定子彈性體14行波運動方向，Vr為球轉子12運動方向，F(xiàn)n為定轉子之間的預緊力。 在預緊力的作用下，定轉子通過摩擦襯墊13緊密接觸，在行波定子齒端各點的作用下，球轉子12獲得了與定子彈性體14行波前進方向相反的運動。綜上所述，當給壓電陶瓷片15—定的電壓信號時，就能驅動球轉子12圍繞定子機構18的軸線旋轉；當三個定子機構18同時進行驅動時，球轉子12就實現(xiàn)了多自由度運動，通過偏轉連接機構6,帶動可偏轉彈頭1進行多自由度偏轉。
【主權項】
1.一種基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于，包括可偏轉彈頭 [1]、多功能螺旋柱[4]、彈體[5]、偏轉連接機構[6]、球形多自由度壓電驅動器[8]、滾轉機 構[9];所述可偏轉彈頭[1]和彈體[5]通過多功能螺旋柱[4]相連，多功能螺旋柱[4]與可偏轉 彈頭[1]的接觸面為球面，多功能螺旋柱[4]和彈體[5]通過螺紋連接;所述球形多自由度壓 電驅動器[8]位于彈體[5]的前端，球形多自由度壓電驅動器[8]通過偏轉連接機構[6]帶動 可偏轉彈頭[1]轉動，滾轉機構[9]位于多功能螺旋柱[4]和球形多自由度壓電驅動器[8]之 間，用于抵消球形多自由度壓電驅動器[8]的預緊力在彈體[5]軸線上的分力。2.根據(jù)權利要求1所述的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于， 所述偏轉連接機構[6]包括相互固連的十字連接件[2]和連接桿[3]，所述十字連接件[2]和 可偏轉彈頭[1]相固連，連接桿[3]與球形多自由度壓電驅動器[8]相固連，且在球形多自由 度壓電驅動器[8]的驅動下轉動。3.根據(jù)權利要求1所述的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于， 所述球形多自由度壓電驅動器[8]包括球轉子[12]、底座[7]和三個結構相同的帶預緊導向 功能的定子機構[18]，所述三個結構相同的帶預緊導向功能的定子機構[18]固連在底座 [7 ]上，上述三個定子機構[18 ]在底座[7 ]上兩兩相差120°環(huán)形分布，球轉子[12 ]設置在三 個定子機構[18]上且可相對定子機構[18]旋轉，定子機構[18]軸線和彈體[5]軸線之間存 在夾角；每個帶預緊導向功能的定子機構[18]均包括支撐板[17]、定子導向軸[19]、碟形彈簧 [20]、調整螺母[21]、定子彈性體[14]、壓電陶瓷片[15]和摩擦襯墊[13]，所述支撐板[17] 固連在底座[7]上，調整螺母[21]設置在支撐板[17]上且與支撐板[17]螺紋連接，定子導向 軸[19]也設置在支撐板[17]上且位于調整螺母[21]的前方，定子導向軸[19]與支撐板[17] 之間為間隙配合，定子導向軸[19]與調整螺母[21]之間設置一對碟形彈簧[20]，定子導向 軸[19]的前端與定子彈性體[14]內圈相固連，定子彈性體[14]外圈的背面設置壓電陶瓷片 [15]，定子彈性體[14]的前端為齒端，該齒端上設置摩擦襯墊[13]，所述摩擦襯墊[13]與球 轉子[12]相接觸。4.根據(jù)權利要求1所述的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于， 所述多功能螺旋柱[4]的內部開有球面環(huán)形槽，所述滾轉機構[9]包括滾珠[11]和夾持環(huán) [10]，所述夾持環(huán)[10]固連在多功能螺旋柱[4]上，夾持環(huán)[10]上開有若干球型槽，球型槽 上放置滾珠[11]，滾珠[11]位于夾持環(huán)[10]和多功能螺旋柱[4]之間，且可沿多功能螺旋柱 [4]的球面環(huán)形槽滾動;該滾珠[11 ]同時與球轉子[12]相接觸。5.根據(jù)權利要求3所述的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于， 定子機構[18]軸線和彈體[5]軸線之間的夾角為75°。6.根據(jù)權利要求4所述的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于， 夾持環(huán)[10]上球型槽的數(shù)量為8,滾珠[11]的數(shù)量為8。7.根據(jù)權利要求1所述的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于， 彈體[5]的前端固連螺紋圓板[16]，螺紋圓板[16]上設置球形多自由度壓電驅動器[8]。8.根據(jù)權利要求1所述的基于球形多自由度壓電驅動器的彈頭偏轉裝置，其特征在于， 多功能螺旋柱[4]與可偏轉彈頭[1]接觸面為球面，該球面和球轉子[12]同心。
【文檔編號】H02N2/10GK105932903SQ201610425316
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】王炅, 楊建春, 陸飛
【申請人】南京理工大學