CN105932903B - 一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，包括可偏转弹头、多功能螺旋柱、弹体、偏转连接机构、球形多自由度压电驱动器和滚转机构。球形多自由度压电驱动器包括球转子、底座和三个带有预紧导向功能的定子机构。在调整螺母和碟形弹簧的作用下，三个定子弹性体和球转子通过摩擦衬垫紧密接触。分别给三个压电陶瓷片提供一定的电压信号时，能够在定子弹性体表面激发出行波，在预紧力的作用下，通过定转子之间的摩擦，带动球转子绕通过其球心的任意轴线转动，通过偏转连接机构，带动可偏转弹头偏转。本发明的弹头偏转装置结构简单紧凑，输出力矩大，响应速度快，不受电磁干扰，能够实现多自由度调节。

Description

一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置

技术领域

本发明涉及一种弹头偏转装置，特别是一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置。

背景技术

弹头偏转式弹道修正，是指在弹丸飞行过程中驱动器驱动弹头偏离弹体轴线，偏转后弹头迎风面和背风面存在压差，由此产生了修正弹道所需的控制力和控制力矩，进而改变弹丸的飞行姿态，以达到修正落点的目的。与目前应用较广的鸭舵式和脉冲发动机式相比，弹头偏转式弹道修正具有更好的气动特性和更高的控制效率。目前已有的弹头偏转机构主要分为压电陶瓷杆式、磁致伸缩式、斜盘式、蜗轮蜗杆式。

压电陶瓷杆式弹头偏转机构在弹头内部与弹轴平行方向环绕弹体均匀布置了数根压电陶瓷杆，利用压电陶瓷的逆压电效应控制陶瓷杆伸长或缩短，从而带动弹头偏转。但由于压电陶瓷形变量小，无法提供较大的弹头偏角，若加上复杂的位移放大机构，会使整体结构不够紧凑。

磁致伸缩式偏转机构内置三根磁致伸缩棒两两相距120°对称分布，并通过球形铰链与弹体相连，在磁场的作用下磁致伸缩棒发生形变，以带动弹头偏转。但与压电陶瓷杆相同，磁致伸缩棒形变量小，弹头偏角小，且该机构易受电磁干扰。

斜盘式偏转机构在弹头和弹体上有两个可以相对转动的斜盘，通过滚珠轴承连接，两台直流伺服电动机用来驱动上下两个斜盘转动，弹头偏角由自动驾驶仪的指令确定。其采用了两个电机共同驱动，整体尺寸大且控制较复杂，部分驱动机构固连于弹头，增加了可偏转机构质量。

蜗轮蜗杆式偏转机构通过一对外啮合齿轮将电机的转动传递给蜗杆，在通过蜗轮蜗杆机构将蜗杆的旋转运动转化为蜗轮的摆动以带动弹头偏转。该机构自锁能力好，但只能实现单自由度偏转，通过在弹丸的一个转动周期内弹头连续换向来实现二维弹道修正，控制复杂且效率低。

由上可知，现有的弹头偏转装置存在结构复杂且整体尺寸大、控制方法不够简便、无法提供较大的弹头偏角且控制效率低、易受电磁干扰等缺陷。因此，目前急需一种结构简单、控制方便、输出力矩大且不受电磁干扰的弹头偏转装置，但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，包括可偏转弹头、多功能螺旋柱、弹体、偏转连接机构、球形多自由度压电驱动器、滚转机构；

所述可偏转弹头和弹体通过多功能螺旋柱相连，多功能螺旋柱与可偏转弹头的接触面为球面，多功能螺旋柱和弹体通过螺纹连接；所述球形多自由度压电驱动器位于弹体的前端，球形多自由度压电驱动器通过偏转连接机构带动可偏转弹头转动，滚转机构位于多功能螺旋柱和球形多自由度压电驱动器之间，用于抵消球形多自由度压电驱动器的预紧力在弹体轴线上的分力。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置结构简单紧凑，适用于中小口径弹药；2)本发明的球型多自由度压电驱动器能实现多自由度运动，无需控制弹头在一个转动周期内来回摆动，控制方法简单；3)本发明的球型多自由度压电驱动器输出力矩大，能实现较大的弹头偏角；4)本发明的球型多自由度压电驱动器不产生磁场，也不受电磁干扰，适用于需要不受电磁干扰的场合。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的偏转驱动装置局部剖视图。

图2为本发明的球形多自由度压电驱动器俯视图。

图3为本发明的压电驱动器带有预紧导向功能的定子机构剖视图。

图4为本发明中滚转机构结构图。

图5为本发明中定子的面外弯曲模态图。

图6为本发明中定子驱动球转子示意图。图中Fn为定转子预紧力，V_d为定子行波运动方向，V_r为转子运动方向。

图中标号所代表的含义为：1.可偏转弹头，2.十字连接件，3.连接杆，4.多功能螺旋柱，4-a.球面环形槽，5.弹体，6.偏转连接机构，7.底座，8.球形多自由度压电驱动器，9.滚转机构，10.夹持环，11.滚珠，12.球转子，13.摩擦衬垫，14.定子弹性体，15.压电陶瓷片，16.螺纹圆板，17.支撑板，18.带预紧导向功能的定子机构，19.定子导向轴，20.碟形弹簧，21.调整螺母。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，包括可偏转弹头1、多功能螺旋柱4、弹体5、偏转连接机构6、球形多自由度压电驱动器8、滚转机构9；

所述可偏转弹头1和弹体5通过多功能螺旋柱4相连，多功能螺旋柱4与可偏转弹头1的接触面为球面，多功能螺旋柱4和弹体5通过螺纹连接；所述球形多自由度压电驱动器8位于弹体5的前端，球形多自由度压电驱动器8通过偏转连接机构6带动可偏转弹头1转动，滚转机构9位于多功能螺旋柱4和球形多自由度压电驱动器8之间，用于抵消球形多自由度压电驱动器8的预紧力在弹体5轴线上的分力。

所述偏转连接机构6包括相互固连的十字连接件2和连接杆3，所述十字连接件2和可偏转弹头1相固连，连接杆3与球形多自由度压电驱动器8相固连，且在球形多自由度压电驱动器8的驱动下转动。

所述球形多自由度压电驱动器8包括球转子12、底座7和三个结构相同的带预紧导向功能的定子机构18，所述三个结构相同的带预紧导向功能的定子机构18固连在底座7上，上述三个定子机构18在底座7上两两相差120°环形分布，球转子12设置在三个定子机构18上且可相对定子机构18旋转，定子机构18轴线和弹体5轴线之间存在夹角；

每个带预紧导向功能的定子机构18均包括支撑板17、定子导向轴19、碟形弹簧20、调整螺母21、定子弹性体14、压电陶瓷片15和摩擦衬垫13，所述支撑板17固连在底座7上，调整螺母21设置在支撑板17上且与支撑板17螺纹连接，定子导向轴19也设置在支撑板17上且位于调整螺母21的前方，定子导向轴19与支撑板17之间为间隙配合，定子导向轴19与调整螺母21之间设置一对碟形弹簧20，定子导向轴19的前端与定子弹性体14内圈相固连，定子弹性体14外圈的背面设置压电陶瓷片15，定子弹性体14的前端为齿端，该齿端上设置摩擦衬垫13，所述摩擦衬垫13与球转子12相接触。

所述多功能螺旋柱4的内部开有球面环形槽4-a，所述滚转机构9包括滚珠11和夹持环10，所述夹持环10固连在多功能螺旋柱4上，夹持环10上开有若干球型槽，球型槽上放置滚珠11，滚珠11位于夹持环10和多功能螺旋柱4之间，且可沿多功能螺旋柱4的球面环形4-a滚动；该滚珠11同时与球转子12相接触。

定子机构18轴线和弹体5轴线之间的夹角为75°。

夹持环10上球型槽的数量为8，滚珠11的数量为8。

弹体5的前端固连螺纹圆板16，螺纹圆板16上设置球形多自由度压电驱动器8。

多功能螺旋柱4与可偏转弹头1接触面为球面，该球面和球转子12同心。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

结合图1，本实施例的一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，包括可偏转弹头1、多功能螺旋柱4、弹体5、偏转连接机构6、球形多自由度压电驱动器8、滚转机构9和螺纹圆板16。可偏转弹头1和多功能螺旋柱4之间通过球面接触，多功能螺旋柱4和弹体5之间通过螺纹连接。球形多自由度压电驱动器8位于弹体5的前端，球形多自由度压电驱动器8通过偏转连接机构6带动可偏转弹头1转动，滚转机构9位于多功能螺旋柱4和球形多自由度压电驱动器8之间，用于抵消球形多自由度压电驱动器8的预紧力在弹体5轴线上的分力。螺纹圆板16与弹体5通过螺纹连接，并和球形多自由度压电驱动器8通过螺钉固连。

偏转连接机构6包括十字连接件2、连接杆3，十字连接件2和可偏转弹头1之间通过四个半沉头螺钉固连，十字连接件2和连接杆3、连接杆3和多自由度压电驱动器8之间都采用螺纹连接，整个偏转连接机构6和可偏转弹头1都可在球形多自由度压电驱动器8的驱动下转动。

下面结合图2-图6对球形多自由度压电驱动器8的结构和工作原理进行详细描述。如图2所示，球形多自由度压电驱动器包括球转子12、三个带有预紧导向功能的定子机构18和底座7。三个带有预紧导向功能的定子机构18通过螺钉固定在底座7上，三个定子机构18之间两两相差120°环形分布，球转子12布置在三个定子机构18上，球转子12和定子机构18紧密接触且能相对于定子机构18旋转，定子机构18轴线和弹体5轴线之间的夹角为75°。

每个带预紧导向功能的定子机构18均包括支撑板17、定子导向轴19、碟形弹簧20、调整螺母21、定子弹性体14、压电陶瓷片15和摩擦衬垫13，所述支撑板17通过螺钉固连在底座7上，调整螺母21设置在支撑板17上且与支撑板17螺纹连接，定子导向轴19也设置在支撑板17上且位于调整螺母21的前方，定子导向轴19与支撑板17之间为间隙配合，定子导向轴19与调整螺母21之间设置一对碟形弹簧20，定子导向轴19的前端与定子弹性体14内圈通过四个十字沉头螺钉固连，定子弹性体14外圈的背面粘贴有压电陶瓷片15，定子弹性体14的前端为齿端，该齿端上粘贴有摩擦衬垫13。通过调节调整螺母21向图3的x方向移动时，碟形弹簧20被压缩，对定子导向轴19产生了一定的预紧力，并通过定子弹性体14和摩擦衬垫13传递给了球转子12，由于摩擦衬垫13弹性模量小，在预紧力的作用下发生微小变形，摩擦衬垫13与球转子12紧密接触。

在本实施例中，三个带预紧导向功能的定子机构18作用在球转子12上的预紧力大小相同，三个预紧力在水平方向上可以相互抵消，在弹轴方向不能抵消，故在球转子12上设置了滚转机构9，用于抵消三个预紧力在弹轴方向的合力。滚转机构9如图4所示，包括夹持环10和滚珠11。多功能螺旋柱4的内部开有球面环形槽4-a，夹持环10通过八个螺钉固连在多功能螺旋柱4上，夹持环10上开有八个球型槽，每个球型槽上放置一个滚珠11，滚珠11位于夹持环10和多功能螺旋柱4之间，且可沿多功能螺旋柱4的球面环形槽4-a滚动，该滚珠11同时与球转子12相接触。

当给压电陶瓷片15施加一定频率的交流信号时，就能激发定子弹性体14的面外弯曲模态如图5所示。当给压电陶瓷片15同时施加两列同频等幅相位差为90°的交流信号时，可以在定子弹性体14的模态频率上激发出两个幅值相等，在时间和空间上均相差90°的模态响应，这两个模态响应在定子弹性体14表面叠加形成行波。图6为定子驱动转子示意图，其中V_d为定子弹性体14行波运动方向，V_r为球转子12运动方向，Fn为定转子之间的预紧力。在预紧力的作用下，定转子通过摩擦衬垫13紧密接触，在行波定子齿端各点的作用下，球转子12获得了与定子弹性体14行波前进方向相反的运动。综上所述，当给压电陶瓷片15一定的电压信号时，就能驱动球转子12围绕定子机构18的轴线旋转；当三个定子机构18同时进行驱动时，球转子12就实现了多自由度运动，通过偏转连接机构6，带动可偏转弹头1进行多自由度偏转。

Claims (8)

1.一种基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，包括可偏转弹头[1]、多功能螺旋柱[4]、弹体[5]、偏转连接机构[6]、球形多自由度压电驱动器[8]、滚转机构[9]；

所述可偏转弹头[1]和弹体[5]通过多功能螺旋柱[4]相连，多功能螺旋柱[4]与可偏转弹头[1]的接触面为球面，多功能螺旋柱[4]和弹体[5]通过螺纹连接；所述球形多自由度压电驱动器[8]位于弹体[5]的前端，球形多自由度压电驱动器[8]通过偏转连接机构[6]带动可偏转弹头[1]转动，滚转机构[9]位于多功能螺旋柱[4]和球形多自由度压电驱动器[8]之间，用于抵消球形多自由度压电驱动器[8]的预紧力在弹体[5]轴线上的分力。

2.根据权利要求1所述的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，所述偏转连接机构[6]包括相互固连的十字连接件[2]和连接杆[3]，所述十字连接件[2]和可偏转弹头[1]相固连，连接杆[3]与球形多自由度压电驱动器[8]相固连，且在球形多自由度压电驱动器[8]的驱动下转动。

3.根据权利要求1所述的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，所述球形多自由度压电驱动器[8]包括球转子[12]、底座[7]和三个结构相同的带预紧导向功能的定子机构[18]，所述三个结构相同的带预紧导向功能的定子机构[18]固连在底座[7]上，上述三个定子机构[18]在底座[7]上两两相差120°环形分布，球转子[12]设置在三个定子机构[18]上且可相对定子机构[18]旋转，定子机构[18]轴线和弹体[5]轴线之间存在夹角；

每个带预紧导向功能的定子机构[18]均包括支撑板[17]、定子导向轴[19]、碟形弹簧[20]、调整螺母[21]、定子弹性体[14]、压电陶瓷片[15]和摩擦衬垫[13]，所述支撑板[17]固连在底座[7]上，调整螺母[21]设置在支撑板[17]上且与支撑板[17]螺纹连接，定子导向轴[19]也设置在支撑板[17]上且位于调整螺母[21]的前方，定子导向轴[19]与支撑板[17]之间为间隙配合，定子导向轴[19]与调整螺母[21]之间设置一对碟形弹簧[20]，定子导向轴[19]的前端与定子弹性体[14]内圈相固连，定子弹性体[14]外圈的背面设置压电陶瓷片[15]，定子弹性体[14]的前端为齿端，该齿端上设置摩擦衬垫[13]，所述摩擦衬垫[13]与球转子[12]相接触。

4.根据权利要求1所述的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，所述多功能螺旋柱[4]的内部开有球面环形槽[4-a]，所述滚转机构[9]包括滚珠[11]和夹持环[10]，所述夹持环[10]固连在多功能螺旋柱[4]上，夹持环[10]上开有若干球型槽，球型槽上放置滚珠[11]，滚珠[11]位于夹持环[10]和多功能螺旋柱[4]之间，且可沿多功能螺旋柱[4]的球面环形槽[4-a]滚动；该滚珠[11]同时与球转子[12]相接触。

5.根据权利要求3所述的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，定子机构[18]轴线和弹体[5]轴线之间的夹角为75°。

6.根据权利要求4所述的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，夹持环[10]上球型槽的数量为8，滚珠[11]的数量为8。

7.根据权利要求1所述的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，弹体[5]的前端固连螺纹圆板[16]，螺纹圆板[16]上设置球形多自由度压电驱动器[8]。

8.根据权利要求1所述的基于球形多自由度压电驱动器的弹头偏转装置，其特征在于，多功能螺旋柱[4]与可偏转弹头[1]接触面为球面，该球面和球转子[12]同心。