微小飛行器分段式壓電舵翼的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微小飛行器分段式壓電舵翼，包括固定支架、襟翼、壓電雙晶片驅(qū)動器和驅(qū)動軸，固定支架內(nèi)有空腔，壓電雙晶片驅(qū)動器設(shè)置在空腔內(nèi)，其固定端固定在空腔內(nèi)，自由端固連有驅(qū)動軸，空腔的厚度大于壓電雙晶片驅(qū)動器的厚度，襟翼與固定支架轉(zhuǎn)動連接，襟翼靠近固定支架的一端設(shè)置有滑槽，驅(qū)動軸置于滑槽內(nèi)，滑槽的開口寬度與驅(qū)動軸的直徑相同，其中，固定支架、襟翼和驅(qū)動軸均采用絕緣材料；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，且在減小尺寸的情況下能夠保證足夠的偏轉(zhuǎn)角度。
【專利說明】微小飛行器分段式壓電舵翼

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于飛行器舵翼控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種微小飛行器分段式壓電舵翼。

【背景技術(shù)】
[0002]固定翼式微小飛行器的飛行控制必須依靠舵翼結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，傳統(tǒng)的飛行器舵翼結(jié)構(gòu)都是以電動、液壓或者氣動作為動力源。這些動力源可以非常好地應(yīng)用在尺寸比較大的各類飛行器上。而對于微小飛行器，由于液壓、氣動舵機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件眾多，微小化至需要尺寸的難度非常大，在微小飛行器領(lǐng)域無法應(yīng)用。目前在固定翼微小飛行器上主要使用微型電動機對舵翼結(jié)構(gòu)進行驅(qū)動。但微型電動機存在價格昂貴、質(zhì)量大、單一圓柱外形等方面的缺點。因此國外學(xué)者考慮將壓電驅(qū)動器應(yīng)用于固定翼微小飛行器的舵翼驅(qū)動，并作了大量的嘗試與研究，提出了整體式壓電舵翼結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)是將舵翼面固定于一根轉(zhuǎn)軸之上，利用壓電驅(qū)動器撥動舵翼面偏轉(zhuǎn)。相對于液壓、氣動、電動舵機，這些整體式壓電舵翼具有結(jié)構(gòu)簡單、易于微小化、全固態(tài)、響應(yīng)快、頻帶寬等多方面的優(yōu)點。但整體式壓電舵翼的最大偏轉(zhuǎn)角度受到壓電驅(qū)動器的尺寸限制，當結(jié)構(gòu)尺寸減小時，舵翼的偏轉(zhuǎn)角度也會減小，可能不能達到偏轉(zhuǎn)角度要求。而國內(nèi)尚未見到類似技術(shù)研究的報告。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，響應(yīng)快，且能夠保證偏轉(zhuǎn)角度的微小飛行器分段式壓電舵翼。
[0004]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
[0005]一種微小飛行器分段式壓電舵翼，包括固定支架、襟翼、壓電雙晶片驅(qū)動器和驅(qū)動軸，固定支架內(nèi)有空腔，壓電雙晶片驅(qū)動器設(shè)置在空腔內(nèi)，其固定端固定在空腔內(nèi)，自由端固連有驅(qū)動軸，空腔的厚度大于壓電雙晶片驅(qū)動器的厚度，襟翼與固定支架轉(zhuǎn)動連接，襟翼靠近固定支架的一端設(shè)置有滑槽，驅(qū)動軸置于滑槽內(nèi)，滑槽的開口寬度與驅(qū)動軸的直徑相同，其中，固定支架、襟翼和驅(qū)動軸均采用絕緣材料。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:
[0007](I)本發(fā)明分段式壓電舵翼由前面的固定支架構(gòu)件連接在微小飛行器機身上，固定支架是舵翼氣動面的一部分，因此相對于整體式壓電舵翼借助轉(zhuǎn)軸的連接，使用固定支架的連接更加簡易，不需要在飛行器和舵翼結(jié)構(gòu)上額外增加連接的接頭；此外固定支架與飛行器機身之間的接觸面積比轉(zhuǎn)軸更大，連接也必然更加牢靠。
[0008](2)壓電雙晶片驅(qū)動器是一種大應(yīng)力小應(yīng)變型的驅(qū)動器，整體式壓電舵翼以壓電雙晶片驅(qū)動器的變形直接驅(qū)動舵翼面偏轉(zhuǎn)。由于微小飛行器的尺寸、質(zhì)量非常小，其慣性也非常小，因此在對其飛行進行控制的過程中，作用在舵翼上的氣動也是比較小的。整體式壓電舵翼用壓電驅(qū)動器位移驅(qū)動舵翼就存在驅(qū)動力過剩的情況，而在結(jié)構(gòu)固定的情況下，壓電驅(qū)動器的驅(qū)動位移是與其尺寸有關(guān)的，驅(qū)動器尺寸越大，驅(qū)動位移也越大。所以整體式壓電舵翼的最大偏轉(zhuǎn)角度需要依靠壓電驅(qū)動器的尺寸來保證。一旦尺寸縮小，就會出現(xiàn)驅(qū)動位移不足的情況。而本發(fā)明的分段式壓電舵翼正好解決了整體式壓電舵翼驅(qū)動力過剩而驅(qū)動位移不足的缺點。利用杠桿結(jié)構(gòu)，提升了壓電驅(qū)動器的驅(qū)動位移，降低了輸出驅(qū)動力，能夠更好地發(fā)揮壓電驅(qū)動器驅(qū)動力大而驅(qū)動位移小的特點。杠桿機構(gòu)的放大倍數(shù)可以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。由于分段式壓電舵翼結(jié)構(gòu)將壓電驅(qū)動器的變形位移進行了放大，當舵翼系統(tǒng)尺寸減小時，壓電驅(qū)動器驅(qū)動位移減小的弊端也就得到了很好地解決，從而舵翼系統(tǒng)可以保證在尺寸做得更小的情況下，舵翼最大偏轉(zhuǎn)角度不減小。
[0009]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明微小飛行器分段式壓電舵翼的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明一種微小飛行器分段式壓電舵翼，包括固定支架1、襟翼2、壓電雙晶片驅(qū)動器和驅(qū)動軸5，固定支架I內(nèi)有空腔，壓電雙晶片驅(qū)動器設(shè)置在空腔內(nèi)，其固定端固定在空腔內(nèi)，自由端固連有驅(qū)動軸5，空腔的厚度大于壓電雙晶片驅(qū)動器的厚度，襟翼2與固定支架I轉(zhuǎn)動連接，襟翼2靠近固定支架I的一端設(shè)置有滑槽，驅(qū)動軸5置于滑槽內(nèi)，滑槽的開口寬度與驅(qū)動軸5的直徑相同，其中，固定支架1、襟翼2和驅(qū)動軸5均采用絕緣材料。
[0012]壓電雙晶片驅(qū)動器包括壓電陶瓷片3和銅基底4，其中，銅基底4夾在兩片壓電陶瓷片3之間。
[0013]固定支架I與襟翼2通過轉(zhuǎn)軸6鉸接。
[0014]本發(fā)明的工作原理如下:
[0015]壓電雙晶片驅(qū)動器在外電壓作用下會發(fā)生彎曲產(chǎn)生變形位移。其固定端固定在固定支架I的腔體內(nèi)，自由端上固定的驅(qū)動軸5設(shè)置在襟翼上的滑槽內(nèi)，形成一端固定一端自由的懸臂梁式結(jié)構(gòu)。固定支架I與襟翼2共同構(gòu)成滿足氣動外形需要的舵翼氣動面，當對壓電陶瓷片3施加電壓，其自由端發(fā)生位移，通過撥動滑槽來驅(qū)動襟翼2繞轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動，改變飛行器氣動特性。
[0016]其設(shè)計原理如下:
[0017]壓電雙晶片驅(qū)動器在電壓的作用下會產(chǎn)生與電壓值高低相關(guān)的橫向變形位移。驅(qū)動器一端固定于固定支架I上，另一端自由，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。其在電壓作用下產(chǎn)生的橫向變形完全由自由端輸出。襟翼2以轉(zhuǎn)軸6為支點，驅(qū)動軸5到轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)軸到氣動面構(gòu)成杠桿結(jié)構(gòu)，兩段的長度比就是這個機構(gòu)對壓電驅(qū)動器位移的放大倍數(shù)。通過改變壓電驅(qū)動器自由端在滑槽中的位置，就可以改變杠桿一側(cè)的長度，從而改變整個杠桿機構(gòu)對壓電驅(qū)動器自由端位移的放大倍數(shù)。當該結(jié)構(gòu)的壓電舵翼尺寸發(fā)生變化時，只需要改變襟翼滑槽內(nèi)壓電雙晶片驅(qū)動器自由端與襟翼轉(zhuǎn)軸之間的距離，就可以改變杠桿機構(gòu)的放大倍數(shù)，從而保持襟翼的偏轉(zhuǎn)量不發(fā)生變化，克服整體式壓電舵翼在這方面的缺點。
[0018]實施例:
[0019]一種微小飛行器分段式壓電舵翼，包括固定支架1、襟翼2、壓電雙晶片驅(qū)動器和驅(qū)動軸5，銅基底4夾在兩片壓電陶瓷片3之間構(gòu)成壓電雙晶片驅(qū)動器，固定支架I將舵翼系統(tǒng)與飛行器連接，為壓電雙晶片驅(qū)動器和襟翼2提供固定與運作的平臺，固定支架I內(nèi)有空腔，壓電雙晶片驅(qū)動器設(shè)置在空腔內(nèi)，固定支架I后端有固定支點，通過轉(zhuǎn)軸6連接襟翼，形成鉸鏈結(jié)構(gòu)。壓電雙晶片驅(qū)動器固定端固定在空腔內(nèi)，自由端固連有驅(qū)動軸5，通過驅(qū)動器軸5與襟翼上的滑槽活動配合，空腔的厚度大于壓電雙晶片驅(qū)動器的厚度，使得壓電雙晶片驅(qū)動器能在空腔內(nèi)發(fā)生彎曲變形。在外電壓作用下，壓電雙晶片驅(qū)動器發(fā)生彎曲變形的同時，會在其自由端附帶產(chǎn)生沿長度方向的伸縮以及驅(qū)動器橫截面的轉(zhuǎn)動效果，襟翼2上的滑槽可以使壓電雙晶片驅(qū)動器自由端沿長度方向自由伸縮，而驅(qū)動軸5可以在滑槽內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，這可以消除壓電雙晶片驅(qū)動器自由端發(fā)生變形位移時所附帶的轉(zhuǎn)動。
[0020]壓電舵翼使用前需要對其輸入電壓和輸出轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系進行標定，得到電壓與轉(zhuǎn)角對應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系中的待定參數(shù)。標定時，對壓電舵翼中的壓電陶瓷片3施加電壓V，同時測量襟翼2的輸出轉(zhuǎn)角，壓電雙晶片驅(qū)動器工作電壓的范圍由材料制造商提供的壓電材料能承受的最大反向電壓和壓電雙晶片驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)尺寸共同決定。
[0021]由于壓電雙晶片驅(qū)動器需要在電壓的作用下實現(xiàn)驅(qū)動功能，而固定支架1、襟翼2和驅(qū)動軸5與壓電雙晶片驅(qū)動器相連，因此固定支架1、襟翼2和驅(qū)動軸5必須使用絕緣材料制作。
【權(quán)利要求】
1.一種微小飛行器分段式壓電舵翼，其特征在于:包括固定支架(I)、襟翼(2)、壓電雙晶片驅(qū)動器和驅(qū)動軸(5)，固定支架(I)內(nèi)有空腔，壓電雙晶片驅(qū)動器設(shè)置在空腔內(nèi)，其固定端固定在空腔內(nèi)，自由端固連有驅(qū)動軸(5)，空腔的厚度大于壓電雙晶片驅(qū)動器的厚度，襟翼(2)與固定支架(I)轉(zhuǎn)動連接，襟翼(2)靠近固定支架(I)的一端設(shè)置有滑槽，驅(qū)動軸(5)置于滑槽內(nèi)，滑槽的開口寬度與驅(qū)動軸(5)的直徑相同，其中，固定支架(I)、襟翼(2)和驅(qū)動軸(5)均采用絕緣材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小飛行器分段式壓電舵翼，其特征在于:所述的壓電雙晶片驅(qū)動器包括壓電陶瓷片(3)和銅基底(4)，其中，銅基底(4)夾在兩片壓電陶瓷片(3)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小飛行器分段式壓電舵翼，其特征在于:所述的固定支架(I)與襟翼⑵通過轉(zhuǎn)軸(6)鉸接。
【文檔編號】B64C13/00GK104044730SQ201410271722
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】周玉華, 周長省, 陳雄, 周俊, 楊慶輝, 姜麗輝, 閆愛天 申請人:南京理工大學(xué)