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应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计

文档作者：佟雪梅王炅王新杰唐玉娟文档来源：南京理工大学机械工程学院		点击数：	更新时间： 2020年12月31日
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· 电气与自动化· 佟雪梅，等·应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟
(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)
摘要：针对传统引信安全系统受机械机构本身固有特性限制，通用性差，难以充分利用各种
环境信息的问题．提出了利用近年来颇受关注的压电驱动器来驱动隔爆机构，以解除保险的安
全与解除保险装置 根据安全与解除保险装置的尺寸要求，借助ANSYS对压电驱动器进行详
细的设计。并以所设计的驱动器为基础．分析了运用压电驱动器的引信安全与解除保险装置
的优势及存在的问题。
关键词：引信：安全与解除保险装置；压电驱动器；模态分析
中图分类号：TJ430．3 3 文献标志码：B 文章编号：1671—5276(2015)05—0164-04
Design 0f Piezoelectric Actuator for Electromechanical Fuze Safety System
TONG Xuemei．WANG Jiong，WANG Xinjie，TANG Yujuan
(School of Mechanical Engineering，Naniing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)
Abstract：The traditional fuse s~ety system is limited by its inherent characteristics of the mechanical structure，and has lack of gen—
erality．It is dificult to make full use of all kinds of environmental information．Aiming at the above problem this paper puts forward the
fuse safety and arming device that is used with a piezoelectric actuator given attention to in recent years to drive the flame— pmof in。。
stitutions．According to the size requirements of the safety and arming device，the detailed design of the piezoelectric actuators is
done with the help of ANSYS．And on the basis of the designed drive，the advantages and existing problems of the fuse safety and
arming device used with the piezoelectric actu~om are analyzed．
Keywords：fuse；fuse safety and arming device；piezoelectric actuator；modal analysis
0 引言
引信技术向来具有良好的包容性。越来越多的新材料
新技术不断的应用其中。传统的安全与解除保险装置一
般为机械式的．承担了感受惯性力和执行保险逻辑两种功
能，其利用环境力解除保险并使隔爆部件运动到位，以此
实现引信由保险状态向解除保险状态的转变.。此种安
全与解除保险装置由于受到机械机构本身固有特性的限
制，难以充分利用各种环境信息解除保险，在一些新技术
弹药中通用性不强。因此，机电式引信安全系统成为发展
的主流，而机电式引信安全系统的发展更为新技术新材料
的引人提供了空间。
压电驱动器是运用压电材料的逆压电效应，激发弹性
体的微幅振动，并通过定、动子之间的摩擦作用将振动转
换成动子的运动，输出功率，驱动负载的机构l2。]。近几
十年来，压电驱动器在精密驱动和精密定位领域取得了广
泛的应用．国内外的相关研究也越来越多。压电驱动器具
有结构紧凑、设计灵活、响应快，位置与速度控制性好，不
受磁场干扰等优点[4-5]。鉴于压电驱动器的以上优势，基
于压电驱动器所设计的安全与解除保险装置，容易实现体
积的微小型化，并可根据需要设计不同的结构和尺寸。可
基金项目：南京理_[大学自主科研专项计划资助项目(201IYBXM02)
作者简介：佟雪梅(1988一)，女，河北唐山人，硕士。
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见，压电驱动器在引信中的应用相对灵活，具有良好的
前景
1 压电驱动器的结构及原理
1．1 压电驱动器的结构
压电驱动器的工作模态。定子的一阶纵振提供驱动面
质点Y方向的往复运动，二阶弯振提供驱动面质点 方向
上的往复运动。从运动学可知，若一个质点以同一频率在
相互垂直的两个方向上振动时，则质点的运动轨迹是一个
椭圆 在设计定子时，使一阶纵振和二阶弯振频率基本达
到一致，就能在定子的驱动面上合成椭圆运动，椭圆运动
的水平分量提供动子的平动速度，再通过定子和动子间的
摩擦作用。输出运动和力。
文中设计的压电驱动器为直线驻波型压电驱动器，主
要由定子和动子组成。定子可近似为一个矩形薄板，南定
子基体、两块压电陶瓷和两个楔块组成．结构如图1(a)所
示。动子为一个L形滑块，如图l(b)所示，其沿固定轨道
做直线运动。定子的驱动足与动子接触，动子和定子两者
间施加一定的预压力，使定子和动子能够有效的摩擦接
触，以传递速度和力。
http：fZZHD．chinajourna1．net．cn E-mail：ZZHD@chainajourna1．net．cn《机械制造与自动化》
· 电气与自动化· 佟雪梅，等·应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
压电陶
驱动足
相对定子的接触面
(a) (b)
图1 定子、动子结构
l-2 压电驱动器的原理
文中设计的压电驱动器的基本原理是利用逆压电效
应，将压电陶瓷和金属材料复合成一个弹性体作为定
子．通过施加电压信号，使定子产生超声波频段内的微
幅振动，并在定子表面特定区域形成质点的特定轨迹运
动，将转子(动子)与定子压紧，通过两者摩擦作用将微
观振动转换成转子(动子)的宏观旋转(直线)运动，输出
功率，驱动负载。在此，选取定子的一阶面内纵向伸缩
振动模态和二阶面内弯曲振动模态作为压电驱动器的
工作模态，定子的一阶纵振提供驱动面质点Y方向的往
复运动。二阶弯振提供驱动面质点 方向上的往复运动。
从运动学可知。若一个质点以同一频率在相互垂直的两
个方向上振动时．则质点的运动轨迹是一个椭圆。在设
计定子时，使一阶纵振和二阶弯振频率基本达到一致，
就能在定子的驱动面上合成椭圆运动．椭圆运动的水平
分量提供动子的平动速度，再通过定子和动子问的摩擦
作用，输出运动和力。
1．3 椭圆轨迹的形成过程
压电驱动器能够运动的关键是如何形成定子和动子
表面质点的椭圆运动，椭圆轨迹的好坏直接影响驱动器的
输出性能|6]。而椭圆轨迹的形成与施加于压电驱动器电
压信号有直接相关。根据定子表面质点椭圆运动形成的
原理，为定子施加相位差为9O。的两相电压信号，如图2
所示，此时在定子驱动面上形成标准的椭圆轨迹，驱动器
的输出性能最好。在图2所示的电压信号下，定子表面椭
圆轨迹的形成过程如图3所示，由n到d为椭圆轨迹的一
个周期。
2 定子结构优化设计
2．1 定子材料参数
在定子的模态分析中．需要对材料的参数进行设置对
于文中涉及的压电陶瓷，其材料参数如下：
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：164～167
-
／／ csionstot ∞1
0 l ／ 2尢
4 2 2 ／4 ／
图2 两相电压信号
图3 椭圆轨迹的形成过程
a)柔度系数矩阵
l_6l —Q547 一n707
一Q54 1．61 -0．704
一Q704 一Q704 207 0
0 0 0
0 0 0
『0 0 0
b)压电应力常数矩阵
O
O
O
0
l1．884
0
O
O
0
4628
0
0
O
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O
11．884
0
0
0
0
0
0
4 6=猖
0
- 7．534
- 7．534
14．2O1
O
0
0
0
0
O
0
0
4315
f-8．006 0 0 ]
∥fl 0。 8 0 7． 0。95 1
2．2 定子模态分析
在自由一自由边界条件下，无法通过解析计算得到弹
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· 电气与自动化· 佟雪梅，等·应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
89 0oO
88 000
87 00o
86 000
85 000
世84 000
83 000
82 000
8l 000
80 000
l／mm
2200
2 000
1 800
l 600
1 400
jlllI
1 200褂
l O00
800
6o0
400
图8 两相模态频率及频率差随Z的变化规律
bl／mm
图9 两相模态频率及频率差随6 的变化规律
a／ram
图1O 两相模态频率及频率差随a的变化规律
褂
联
表1 优化前后定子的结构参数 舢
优化设计后，定子两相工作模态的频率差如表2所
示。由表可知，定子优化后两相工作模态频率差大大减
小．能够满足两相工作模态频率一致性设计要求。
表2 参数优化前后两相工作模态频率比较
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：』 ～167
3 压电驱动器应用于引信安全与解
除保险装置的分析
鉴于压电驱动器的诸多优点，分析其应用于引信安全
系统中的优势如下：
1)压电精密驱动器具有结构设计灵活．转矩密度大
的特点，决定了压电驱动器是一种易于小型化和多样化的
驱动装置，满足引信安全与解除保险装置结构紧凑，小型
化的需求。
2)压电驱动器无电磁干扰、可无输入自锁、动态响应
快、控制性能好等卓越特性。满足引信无电磁干扰及对隔
爆机构的驱动要求，有利于精确控制解除保险时间．提高
炮口保险距离的可控性。
3)以压电驱动器驱动引信安全与解除保险装置的隔
爆机构(动子)，并以环境传感器代替机械环境敏感装置，
可充分利用各种环境信息．因此在非旋或微旋弹中具有明
显的优势。
4)由于压电精密驱动器可往复运动，因此应用压电
精密驱动器的引信安全与解除保险装置可实现待发状态
和安全状态的可逆转换。
压电驱动器在引信安全系统中的应用具有很多的优势，
但是也存在一些问题。目前国内发展比较成熟的压电驱动
器主要是行波型压电驱动器，而对于驻波型压电驱动器的研
究相对并不很深入：国内对于微小型压电驱动器的研究较
少，输出性能较难满足工程应用的要求，仍有待提高。
4 结语
分析了压电驱动器的原理及运动过程，设计了应用于
引信安全与解除保险装置的压电驱动器．为之后制作样机
做好了准备工作。通过分析压电驱动器应用于引信安全
系统的优势，解释了此方案的可行性及压电驱动器在引信
中的应用前景；同时也提出了将压电驱动器应用于引信中
的一些阻碍。目前，将压电驱动器应用于引信安全系统的
研究处于起步阶段．任重而道远，需要针对不同引信安全
系统，研究满足使用要求的压电驱动器。
参考文献：
[1]席占稳，聂伟荣．电磁驱动的引信MEMS解除保险机构[J]．
探测与控制学报．2009，(05)：1—5．
[2]李玉宝，时运来，赵淳生，等．高速大推力直线型超声电机的设计
与实验研究[J]．中国电机工程学报，2OO8，28(33)：49-53．
[3]石胜君，陈维山，刘军考，等．大推力推挽纵振弯纵复合直线
超声电机[J]．中国电机工程学报，2010，30(9)：55—61．
[4]许海，赵淳生．直线超声电机的发展及应用[J]．中国机械工
程，2003，14(8)：715—717．
[5]陈维山，赵学涛，刘军考，等．压电超声波马达发展现状及研
究方向[J]．电机与控制学报，2006，10(5)：498．502．
[6]赵淳生．超声电机技术与应用[M]．北京：科学出版社，2007．
[7]曾亮，沈萌红，钱孝华，等．ANSYS在超声波电机设计中的应
用[J]．机电工程，2009，26(3)：84-86．
收稿日期：2014—03—04
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N罨瓣爨· 电气与自动化· 佟雪梅，等·应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟
(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)
摘要：针对传统引信安全系统受机械机构本身固有特性限制，通用性差，难以充分利用各种
环境信息的问题．提出了利用近年来颇受关注的压电驱动器来驱动隔爆机构，以解除保险的安
全与解除保险装置 根据安全与解除保险装置的尺寸要求，借助ANSYS对压电驱动器进行详
细的设计。并以所设计的驱动器为基础．分析了运用压电驱动器的引信安全与解除保险装置
的优势及存在的问题。
关键词：引信：安全与解除保险装置；压电驱动器；模态分析
中图分类号：TJ430．3 3 文献标志码：B 文章编号：1671—5276(2015)05—0164-04
Design 0f Piezoelectric Actuator for Electromechanical Fuze Safety System
TONG Xuemei．WANG Jiong，WANG Xinjie，TANG Yujuan
(School of Mechanical Engineering，Naniing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)
Abstract：The traditional fuse s~ety system is limited by its inherent characteristics of the mechanical structure，and has lack of gen—
erality．It is dificult to make full use of all kinds of environmental information．Aiming at the above problem this paper puts forward the
fuse safety and arming device that is used with a piezoelectric actuator given attention to in recent years to drive the flame— pmof in。。
stitutions．According to the size requirements of the safety and arming device，the detailed design of the piezoelectric actuators is
done with the help of ANSYS．And on the basis of the designed drive，the advantages and existing problems of the fuse safety and
arming device used with the piezoelectric actu~om are analyzed．
Keywords：fuse；fuse safety and arming device；piezoelectric actuator；modal analysis
0 引言
引信技术向来具有良好的包容性。越来越多的新材料
新技术不断的应用其中。传统的安全与解除保险装置一
般为机械式的．承担了感受惯性力和执行保险逻辑两种功
能，其利用环境力解除保险并使隔爆部件运动到位，以此
实现引信由保险状态向解除保险状态的转变.。此种安
全与解除保险装置由于受到机械机构本身固有特性的限
制，难以充分利用各种环境信息解除保险，在一些新技术
弹药中通用性不强。因此，机电式引信安全系统成为发展
的主流，而机电式引信安全系统的发展更为新技术新材料
的引人提供了空间。
压电驱动器是运用压电材料的逆压电效应，激发弹性
体的微幅振动，并通过定、动子之间的摩擦作用将振动转
换成动子的运动，输出功率，驱动负载的机构l2。]。近几
十年来，压电驱动器在精密驱动和精密定位领域取得了广
泛的应用．国内外的相关研究也越来越多。压电驱动器具
有结构紧凑、设计灵活、响应快，位置与速度控制性好，不
受磁场干扰等优点[4-5]。鉴于压电驱动器的以上优势，基
于压电驱动器所设计的安全与解除保险装置，容易实现体
积的微小型化，并可根据需要设计不同的结构和尺寸。可
基金项目：南京理_[大学自主科研专项计划资助项目(201IYBXM02)
作者简介：佟雪梅(1988一)，女，河北唐山人，硕士。
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见，压电驱动器在引信中的应用相对灵活，具有良好的
前景
1 压电驱动器的结构及原理
1．1 压电驱动器的结构
压电驱动器的工作模态。定子的一阶纵振提供驱动面
质点Y方向的往复运动，二阶弯振提供驱动面质点 方向
上的往复运动。从运动学可知，若一个质点以同一频率在
相互垂直的两个方向上振动时，则质点的运动轨迹是一个
椭圆 在设计定子时，使一阶纵振和二阶弯振频率基本达
到一致，就能在定子的驱动面上合成椭圆运动，椭圆运动
的水平分量提供动子的平动速度，再通过定子和动子间的
摩擦作用。输出运动和力。
文中设计的压电驱动器为直线驻波型压电驱动器，主
要由定子和动子组成。定子可近似为一个矩形薄板，南定
子基体、两块压电陶瓷和两个楔块组成．结构如图1(a)所
示。动子为一个L形滑块，如图l(b)所示，其沿固定轨道
做直线运动。定子的驱动足与动子接触，动子和定子两者
间施加一定的预压力，使定子和动子能够有效的摩擦接
触，以传递速度和力。
http：fZZHD．chinajourna1．net．cn E-mail：ZZHD@chainajourna1．net．cn《机械制造与自动化》
· 电气与自动化· 佟雪梅，等·应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
压电陶
驱动足
相对定子的接触面
(a) (b)
图1 定子、动子结构
l-2 压电驱动器的原理
文中设计的压电驱动器的基本原理是利用逆压电效
应，将压电陶瓷和金属材料复合成一个弹性体作为定
子．通过施加电压信号，使定子产生超声波频段内的微
幅振动，并在定子表面特定区域形成质点的特定轨迹运
动，将转子(动子)与定子压紧，通过两者摩擦作用将微
观振动转换成转子(动子)的宏观旋转(直线)运动，输出
功率，驱动负载。在此，选取定子的一阶面内纵向伸缩
振动模态和二阶面内弯曲振动模态作为压电驱动器的
工作模态，定子的一阶纵振提供驱动面质点Y方向的往
复运动。二阶弯振提供驱动面质点 方向上的往复运动。
从运动学可知。若一个质点以同一频率在相互垂直的两
个方向上振动时．则质点的运动轨迹是一个椭圆。在设
计定子时，使一阶纵振和二阶弯振频率基本达到一致，
就能在定子的驱动面上合成椭圆运动．椭圆运动的水平
分量提供动子的平动速度，再通过定子和动子问的摩擦
作用，输出运动和力。
1．3 椭圆轨迹的形成过程
压电驱动器能够运动的关键是如何形成定子和动子
表面质点的椭圆运动，椭圆轨迹的好坏直接影响驱动器的
输出性能|6]。而椭圆轨迹的形成与施加于压电驱动器电
压信号有直接相关。根据定子表面质点椭圆运动形成的
原理，为定子施加相位差为9O。的两相电压信号，如图2
所示，此时在定子驱动面上形成标准的椭圆轨迹，驱动器
的输出性能最好。在图2所示的电压信号下，定子表面椭
圆轨迹的形成过程如图3所示，由n到d为椭圆轨迹的一
个周期。
2 定子结构优化设计
2．1 定子材料参数
在定子的模态分析中．需要对材料的参数进行设置对
于文中涉及的压电陶瓷，其材料参数如下：
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：164～167
-
／／ csionstot ∞1
0 l ／ 2尢
4 2 2 ／4 ／
图2 两相电压信号
图3 椭圆轨迹的形成过程
a)柔度系数矩阵
l_6l —Q547 一n707
一Q54 1．61 -0．704
一Q704 一Q704 207 0
0 0 0
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b)压电应力常数矩阵
O
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- 7．534
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O
0
0
4315
f-8．006 0 0 ]
∥fl 0。 8 0 7． 0。95 1
2．2 定子模态分析
在自由一自由边界条件下，无法通过解析计算得到弹
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· 电气与自动化· 佟雪梅，等·应用于机电式引信安全系统的压电驱动器的设计
89 0oO
88 000
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85 000
世84 000
83 000
82 000
8l 000
80 000
l／mm
2200
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1 800
l 600
1 400
jlllI
1 200褂
l O00
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6o0
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图8 两相模态频率及频率差随Z的变化规律
bl／mm
图9 两相模态频率及频率差随6 的变化规律
a／ram
图1O 两相模态频率及频率差随a的变化规律
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联
表1 优化前后定子的结构参数 舢
优化设计后，定子两相工作模态的频率差如表2所
示。由表可知，定子优化后两相工作模态频率差大大减
小．能够满足两相工作模态频率一致性设计要求。
表2 参数优化前后两相工作模态频率比较
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：』 ～167
3 压电驱动器应用于引信安全与解
除保险装置的分析
鉴于压电驱动器的诸多优点，分析其应用于引信安全
系统中的优势如下：
1)压电精密驱动器具有结构设计灵活．转矩密度大
的特点，决定了压电驱动器是一种易于小型化和多样化的
驱动装置，满足引信安全与解除保险装置结构紧凑，小型
化的需求。
2)压电驱动器无电磁干扰、可无输入自锁、动态响应
快、控制性能好等卓越特性。满足引信无电磁干扰及对隔
爆机构的驱动要求，有利于精确控制解除保险时间．提高
炮口保险距离的可控性。
3)以压电驱动器驱动引信安全与解除保险装置的隔
爆机构(动子)，并以环境传感器代替机械环境敏感装置，
可充分利用各种环境信息．因此在非旋或微旋弹中具有明
显的优势。
4)由于压电精密驱动器可往复运动，因此应用压电
精密驱动器的引信安全与解除保险装置可实现待发状态
和安全状态的可逆转换。
压电驱动器在引信安全系统中的应用具有很多的优势，
但是也存在一些问题。目前国内发展比较成熟的压电驱动
器主要是行波型压电驱动器，而对于驻波型压电驱动器的研
究相对并不很深入：国内对于微小型压电驱动器的研究较
少，输出性能较难满足工程应用的要求，仍有待提高。
4 结语
分析了压电驱动器的原理及运动过程，设计了应用于
引信安全与解除保险装置的压电驱动器．为之后制作样机
做好了准备工作。通过分析压电驱动器应用于引信安全
系统的优势，解释了此方案的可行性及压电驱动器在引信
中的应用前景；同时也提出了将压电驱动器应用于引信中
的一些阻碍。目前，将压电驱动器应用于引信安全系统的
研究处于起步阶段．任重而道远，需要针对不同引信安全
系统，研究满足使用要求的压电驱动器。
参考文献：
[1]席占稳，聂伟荣．电磁驱动的引信MEMS解除保险机构[J]．
探测与控制学报．2009，(05)：1—5．
[2]李玉宝，时运来，赵淳生，等．高速大推力直线型超声电机的设计
与实验研究[J]．中国电机工程学报，2OO8，28(33)：49-53．
[3]石胜君，陈维山，刘军考，等．大推力推挽纵振弯纵复合直线
超声电机[J]．中国电机工程学报，2010，30(9)：55—61．
[4]许海，赵淳生．直线超声电机的发展及应用[J]．中国机械工
程，2003，14(8)：715—717．
[5]陈维山，赵学涛，刘军考，等．压电超声波马达发展现状及研
究方向[J]．电机与控制学报，2006，10(5)：498．502．
[6]赵淳生．超声电机技术与应用[M]．北京：科学出版社，2007．
[7]曾亮，沈萌红，钱孝华，等．ANSYS在超声波电机设计中的应
用[J]．机电工程，2009，26(3)：84-86．
收稿日期：2014—03—04
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