一种贴片式压电驱动旋翼飞行装置的制作方法

本发明涉及一种贴片式压电驱动旋翼飞行装置，属于压电作动技术领域。

背景技术：

无人驾驶飞机简称无人机，是一种由无线电遥控设备控制，或由预编程序操纵的非载人飞行器。由于具有零伤亡、使用限制少、隐蔽性好、效费比高特点，具有广阔的应用前景。为了能更隐蔽地渗透到房间、管道及洞穴等狭窄空间中执行侦查任务，要求飞行器尺寸更小，重量更轻，微小型飞行器这一概念便应运而生，并向着微型化的趋势更进一步发展。压电驱动本身具有体积小、质量轻、响应迅速、结构紧凑、无电磁干扰等良好的特点，很好的符合了微小型飞行器对于微机电系统(mems)中作动器的要求。将两者结合后旋翼飞行器的结构会更为紧凑且进一步被简化，可以获得更大的升力重量比，为完成更多样的飞行任务提供可能。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种贴片式压电驱动旋翼飞行装置，将压电驱动与旋翼飞行器结合。

技术方案：一种贴片式压电驱动旋翼飞行装置，包括螺旋桨、转子机构和贴片式压电作动器；所述贴片式压电作动器由变截面杆和设置在变截面杆表面上的四片压电陶瓷片构成；所述变截面杆包括位于下部的等截面矩形梁和位于上部的变截面圆柱杆两部分，所述四片压电陶瓷片分别粘贴在所述等截面矩形梁的四个表面；所述转子机构包括设置有偶数个沿圆周均匀分布偏心槽的圆柱环、与所述偏心槽对应的偶数个长方形簧片以及弹性圈；所述长方形簧片的一端设置有卡槽，另一端穿过所述圆柱环上的偏心槽与所述变截面圆柱杆的驱动面接触；所述弹性圈套接在各所述长方形簧片外侧，固定在所述长方形簧片的卡槽处，施加所述转子机构与贴片式压电作动器之间的预压力；所述螺旋桨固定在所述圆柱环上端。

进一步的，所述四片压电陶瓷片的极化类型相同，均在厚度方向极化；其中，所有压电陶瓷片根据在所述等截面矩形梁的四个表面的粘贴方向分为两组，位于同一方向的两片压电陶瓷片的极化方向相同。

进一步的，所述变截面圆柱杆部分具有两个连续变截面的凹形圆柱结构，直径最小的凹型圆柱结构的外圆周为所述驱动面。

进一步的，所述圆柱环上的偏心槽的开槽方向统一偏向一侧。

进一步的，当对所述贴片式压电作动器上的两组陶瓷片分别施加两相具有π/2相位差的电信号，使得贴片式压电作动器同时激发出两相相互垂直的二阶弯曲振动模态时，变截面杆的中间节点位于两个正交的二阶弯振的中间节点处，两组压电陶瓷片的粘贴位置分别位于各自激发出的二阶弯振的第一个最大振幅位置，所述驱动面位于所述二阶弯振的第二个最大振幅位置。

有益效果：本发明设计的贴片式压电驱动旋翼飞行装置结构紧凑、易于装夹、噪音小，能抗电磁干扰，其中贴片式的压电作动器结构形式简单灵活、容易实现微型化。作为一种旋翼装置本身可以获得很高的升力重量比。

附图说明

图1是本发明贴片式压电驱动旋翼飞行装置的三维示意图；

图2是本发明贴片式压电驱动旋翼飞行装置的结构示意图；

图3是转子机构结构示意图；

图4是贴片式压电作动器结构侧视图；

图5是压电陶瓷片极化的结构示意图；

图6是贴片式的压电作动器工作状态示意图；

图7是转子机构外表面质点的运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至图3所示，一种贴片式压电驱动旋翼飞行装置，包括螺旋桨1、转子机构2和贴片式压电作动器3。

贴片式压电作动器3由变截面杆3-1和设置在变截面杆3-1表面上的四片压电陶瓷片3-2构成。变截面杆3-1包括位于下部的等截面矩形梁和位于上部的变截面圆柱杆两部分，四片压电陶瓷片3-2分别通过环氧树脂胶对称地粘贴在等截面矩形梁的四个表面。四片压电陶瓷片3-2的极化类型相同，均在厚度方向极化；其中，所有压电陶瓷片3-2根据在等截面矩形梁的四个表面的粘贴方向分为两组，位于同一方向的两片压电陶瓷片3-2的极化方向相同，如图5所示。变截面圆柱杆部分具有两个连续变截面的凹形圆柱结构，直径最小的凹型圆柱结构的外圆周为驱动面。

转子机构2包括设置有偶数个沿圆周均匀分布偏心槽的圆柱环2-1、与偏心槽对应的偶数个长方形簧片2-2以及弹性圈2-3，圆柱环2-1上的偏心槽的开槽方向统一偏向一侧。长方形簧片2-2的一端设置有卡槽，另一端穿过圆柱环2-1上的偏心槽与变截面圆柱杆的驱动面接触。弹性圈2-3套接在各长方形簧片2-2外侧，固定在长方形簧片2-2的卡槽处，施加转子机构2与贴片式压电作动器3之间的预压力。

螺旋桨1开有一个通孔，孔径与圆柱环2-2内孔相同，固定在圆柱环2-1的上端。

对贴片式压电作动器3上的两组陶瓷片3-2分别施加两相具有π/2相位差的电信号，使得贴片式压电作动器3同时激发出两相相互垂直的二阶弯曲振动模态。以施加的第一电信号为正弦信号，第二电信号为余弦信号为例，为了获取与所设计结构相符的振型，所激励的振动都是二阶弯振。以单独的贴片式压电作动器3为研究对象，两个正交的二阶弯振的中间节点位于变截面杆3-1的中间设置，可用于夹持整个压电作动器；两组压电陶瓷片的粘贴位置分别位于各自激发出的贴片式压电作动器的二阶弯振的第一个最大振幅位置；凹型变截面圆柱杆的最小圆柱驱动面位于贴片式压电作动器的二阶弯振的第二个最大振幅位置，如图6所示。当在贴片式压电作动器上激发出的两个二阶弯振模态相互耦合，凹型变截面圆杆将沿着周向做类圆周回转运动，因此，在一个周期t中，驱动面的所有质点将做椭圆运动，当t∈(0，t/4)时，驱动面同时向水平和垂直方向伸长，质点的水平位移分量和垂直位移分量同时正向增大；当t∈(t/4，t/2)时，激励正弦信号使驱动面产生的垂直位移分量正向增大，余弦信号使驱动面产生的水平位移分量负向增大；当t∈(t/2，3t/4)时，驱动面向水平和垂直两个方向同时缩短，质点的水平位移分量和垂直位移分量同时负向增大；当t∈(3t/4，t)时，激励余弦信号使驱动面产生的垂直位移分量负向增大，正弦信号使驱动面产生的水平位移分量正向增大，贴片式压电作动器3驱动面的内表面上的质点在一个周期内的位移分量叠加成椭圆轨迹。

安装状态下，各片簧片2-2和贴片式压电作动器3驱动面之间无间隙。贴片式压电作动器3的驱动面振动时，其作用在一侧簧片2-2的力将其向外推出，另一侧的簧片2-2和贴片式压电作动器3驱动面在水平方向之间出现间隙，依靠弹性圈2-3对簧片2-2的预压力，将另一侧的簧片2-2推向贴片式压电作动器3的驱动面，依旧保持接触。驱动面的外表面与八个簧片2-2的实际接触仍是一个圆，即接触圆，接触圆的半径由贴片式压电作动器3驱动面的椭圆运动振幅和簧片2-2的刚度决定，如图7所示。理想的振型是在一定预压力的情况下，贴片式压电作动器3驱动面产生整体的类圆回转运动，而簧片2-2基本不变形，尽可能地在摩擦作用下利用整体的平移驱动簧片运动，使得整个转子机构旋转，从而实现螺旋桨旋转。然而，簧片2-2是弹性体，在压电作动器3作用下，除了产生沿槽孔的整体平移外，还会有局部变形；且簧片与变截面杆在摩擦作用下相对旋转时，也会因为弹性变形而产生相对滑动。设计的目标是在外形体积和质量尽量小的前提下，压电作动器驱动面的振幅尽量大，且使簧片自身的弹性变形尽可能小。在设计具体外形尺寸时，通过有限元仿真软件进行模态分析，并对尺寸进行参数化调整。偏心槽的开槽方向统一偏向一侧，当改变两相激励信号的相位差，螺旋桨可实现反向旋转。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。