中文摘要：

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。

结论摘要：

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。