基于弹性波传递效应的杯形波动陀螺设计理论及制造技术研究

采用半球谐振子的固体波动陀螺具有精度高、体积小、抗冲击振动好等优点，在精确打击武器中具有非常重要的应用价值，但高昂的价格限制了其应用前景，主要问题在于：（1）半球谐振子高精度制造困难；（2）激励点和敏感点布置在谐振子球面侧壁上，电极面形为同心球面，高精度加工与装配难度大。针对上述问题，本项目设计了一种基于弹性波传递效应的杯形波动陀螺，其激励点和敏感点布置在杯形谐振子底面，通过杯壁的弹性波传递效应，实现谐振子振动的间接激励和间接敏感，简化了谐振子制造与电极制备技术。项目拟针对杯形波动陀螺的关键设计理论和制造技术问题开展研究，重点研究：（1）弹性波传递效应的理论模型；（2）谐振子行波陀螺效应及其影响规律；（3）谐振环结构演化规律与优化方法；（4）基于杯底修形的谐振子精细平衡新理论与新方法；（5）杯形谐振子超精密加工技术。项目研究成果将为新型战术级陀螺研制提供理论与技术支持。

本项目设计了一种基于弹性波传递效应的杯形固体波动陀螺，该陀螺的敏感结构为一杯状的谐振子，采用恒弹性合金制成，采用压电电极进行驱动与检测，其激励点与检测点布置在杯形谐振子的底面，通过杯壁的弹性波传递效应，实现谐振子振动的间接激励和间接检测，简化了谐振子制造与电极制备技术。该陀螺具有结构简单、体积小、精度较高、寿命长、成本低等突出优势，可广泛应用于战术武器、无人机、长寿命卫星等领域。项目分析了杯形陀螺的基本工作原理，对弹性波传递效应进行了理论建模与分析；建立了杯形谐振子的动力学模型，分析得到了谐振子的各阶模态振型，选定二阶模态振型作为杯形陀螺的工作振型；研究了杯形谐振子的行波效应产生机理，分析了行波效应的影响规律，提出了抑制行波的方法：对谐振子进行动态平衡并将固有轴系调整至压电电极位置；对谐振环的结构演化规律与优化方法进行了研究，得到了杯形陀螺灵敏度与谐振子尺寸之间的关系，最终得到了优化后的谐振子尺寸；为了对杯形谐振子进行动态平衡，项目设计了一种基于杯底修形的谐振子精细平衡方法，首先通过在谐振环修形槽去除质量进行粗调，迅速降低谐振子的频率裂解，然后在杯底的修形孔上去除质量进行精细平衡，使谐振子的频率裂解达到精度要求，使用该方法修形完毕后谐振子的频率裂解达到了0.1Hz以内；对杯形谐振子的制造技术进行了深入研究，设计了谐振子的加工工艺，对加工完毕的谐振子进行了精度测试，内外圆度达到了1μm；设计了杯形陀螺的数字化测控电路，实现了杯形陀螺的频率控制与幅值控制，采用力平衡检测方法，提高了陀螺带宽；最后对样机性能进行了测试，测试结果表明，杯形陀螺的标度因数为48.8mv/°/s，在±100°/s的量程内的标度因数非线性度为539ppm，开机20分钟后，陀螺的零偏稳定性达到了1.2°/h。