CN102072125A - 基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器及方法，所述驱动器包括底座，导轨，第一、第二SMA丝，可移动部件和滑轮。所述方法首先对第一SMA丝进行通电加热，当达到奥氏体相变温度后则第一SMA丝产生收缩，带动可移动部件沿导轨向收缩方向移动，同时第二SMA丝被拉伸，当两根丝的力达到平衡时，移动停止；再对第二SMA丝通电加热，则第二SMA丝收缩，带动可移动部件向相反的方向移动，同时第一SMA丝再次被拉伸，为下次驱动做好准备；交替对第一SMA丝与第二SMA丝通电加热则可实现可移动部件沿导轨的往复运动。本发明结构简单、紧凑易于实现微型化。
Description
技术领域
本发明采用单程记忆效应的形状记忆合金设计并制作具有双程驱动效果及大驱动力的驱动器，可用于智能结构的作动元件。
背景技术
智能结构/材料是在上世纪50年代提出，在70年代受到关注，近年来更是受到高度重视。目前国际上从事智能结构研究的机构有：美国的喷气推进实验室（JPL）、德国航空航天研究院、法国国家航空航天研究院、日本宇航研究院、麻省理工学院等。美国军方和一些政府机构也直接参与了开发工作，如陆军研究局的“智能材料与结构计划”，空军航天实验室的“智能结构蒙皮计划”。日本航空宇宙研究所、东京工业大学以及一些大公司自1984年即着手空间应用的智能结构研究，主要研究内容包括采用智能结构实现主动振动控制、自适应可变形桁架等。
智能结构是以智能材料为主导，具有自我感知和自我调节的仿生功能的结构***。它是将探测元件（传感器）、驱动元件（致动器）和微处理控制***（控制电路、信号处理器等）与基体材料相融合，形成具有识别、分析、判断、动作等功能的一种结构。
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简写SMA）作为一种新型智能材料，以它独特的形状记记忆效应和超弹性效应，以及优良的理化性能和生物相容性，在工程、控制、医疗、能源与机械等领域应用日趋广泛。形状记忆合金的形状记忆机制是基于一种可逆的固态相变，即低温相马氏体和高温相奥氏体之间的转变，这种相变称作马氏体相变。常用的镍-钛形状记忆合金存在三种基本的晶体结构：马氏体、奥氏体、应力诱发马氏体。当合金为低温马氏体相时，合金较软，表现为具有很好的延展性和可拉伸性，当被加热到一定温度后，合金开始收缩并转变为奥氏体，表现为强度和刚度得到明显提高。应力诱发马氏体是指对处于奥氏体状态的合金施加外力，则合金发生奥氏体向马氏体的转变，所形成马氏体为应力诱发马氏体。当应力去除后，则又转变为奥氏体。这种效应成为伪弹性。
形状记忆合金（SMA）除了通常的弹性变形、塑性变形、热膨胀及收缩外，还具有三种形状记忆特点，分别为：
1）单程形状记忆效应：对处于马氏体状态的合金施加外力，使其产生塑性变形，卸除外力后，则塑性变形被保留下。对合金进行加热，则可回复到变形前的状态。此后，再对合金进行冷却，则没有形状的改变。由于单程形状记忆效应能够产生大的恢复力和恢复应变，因此在驱动器的应用上较多。
2）双程形状记忆效应：除了单程形状记忆效应外，对加热后的合金再进行冷却，合金仍可发生形状的改变，而不需要施加外力，即通过加热与冷却可使形状反复变化。但由于双程形状记忆效应在恢复力与恢复应变方面均比单程效应小，用来作为受力驱动元件的不多。
3）伪弹性：在高于的奥氏体转变结束温度条件下，对形状记忆合金施加外力，使其发生变形，如卸除外力，则合金完全回复到初始形状，而不需要加热或冷却，这种特点被称作伪弹性。
目前常用的SMA线性驱动器的主要原理是将需要移动的部件一端与SMA丝连接，另一端与偏置弹簧连接。利用单程形状记忆效应，通过对SMA丝通电利用电阻热使其温度升高，发生相变，SMA丝则产生收缩，从而带动需驱动部件的向收缩方向移动；为了使移动部件向相反方向运动，利用偏置弹簧来提供恢复力，当SMA冷却后，依靠弹簧的外力使部件向相反方向移动。如意大利马尔凯理工大学的Guglielmo Magri等人利用该原理设计了可以实现锅炉水阀转换的驱动器（见期刊：Sensors and Actuators A，2006年，128期，页码：355–366），通过对SMA丝通电加热，发生马氏体向奥氏体的转变，产生收缩，当SMA产生的收缩力大于恢复弹簧的力时，则带动开关阀向收缩方向移动；当停止通电，则SMA丝逐渐冷却，发生奥氏体向马氏体的转变，由于马氏体的弹性模量低，在恢复弹簧拉力的作用下，SMA丝容易被拉伸，带动阀门向相反的方向移动。从而可实现阀门的开关作用。由于该类型线性驱动器在驱动时只对一个方向上的SMA丝进行加热，而冷却依靠自然冷却，此存在明显滞后现象，不利于实时控制。如要提高响应时间则需要添加冷却装置，致使整个驱动器结构复杂。同时利用偏置弹簧作为恢复装置，弹簧的参数进行设计，过程复杂，即需要对弹簧产生的力和尺寸进行计算，确保在SMA转变为奥氏体发生收缩时弹簧可以被拉伸，而在SMA为马氏体状态时，弹簧可以拉SMA丝伸长。对于直接利用SMA丝的单程形状记忆效应实现双程平行移动的线性驱动器目前未见报道。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器及方法，本发明利用该线性驱动器可以实现双程平行移动，不需要偏置弹簧，容易设计；设计时利用单程形状记忆效应，使得该驱动器具有大的恢复力；在驱动过程中仅对SMA丝通电加热即可实现双向移动，由于双向移动都利用通电加热实现，不需要冷却过程，解决了响应时间慢的缺点；同时由于不需偏置弹簧和冷却装置，整个驱动机构简单、紧凑。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器，包括底座，导轨，第一、第二SMA丝，可移动部件和滑轮，其中导轨固定在底座上，可移动部件安装在导轨上且可沿导轨双向滑动，滑轮固定在底座的右端，第一SMA丝的一端与可移动部件左端连接，第一SMA丝的另一端与底座左端连接，第二SMA丝的一端与移动部件右端连接，第二SMA丝的另一端绕过滑轮后与底座左端连接。
所述第一、第二SMA丝的连接固定均以螺钉与陶瓷绝缘垫块进行固定，即将第一、第二SMA丝放置两个陶瓷垫块之间，再用螺钉压紧固定。
所述滑轮材料为有机玻璃。
基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器的驱动方法如下：
首先对第一SMA丝进行通电加热，当达到奥氏体相变温度后则第一SMA丝产生收缩，带动可移动部件沿导轨向收缩方向移动，同时第二SMA丝被拉伸，当两根丝的力达到平衡时，移动停止；再对第二SMA丝通电加热，则第二SMA丝收缩，带动可移动部件向相反的方向移动，同时第一SMA丝再次被拉伸，为下次驱动做好准备；交替对第一SMA丝与第二SMA丝通电加热则可实现可移动部件沿导轨的往复运动。
所述SMA丝的预处理的工艺包括如下步骤：
1）SMA丝性能稳定化处理：在0℃冰水和100℃的沸水中反复浸泡10次以上，每次浸泡时间不少于5分钟；
2）去应力退火处理：退火加热温度450℃，保温时间30分钟，随炉冷却；
3）对SMA丝的预拉伸应变量为5%。
所述SMA丝的通电电压调节范围为0～5V，电流的调节范围0～3A。
本发明具有以下优点：与以电机作为驱动器相比，该驱动器的驱动过程仅需通电加热，不产生噪音、也无废气的排出，有利于环保；与现有的各种带偏置弹簧的驱动器相比，该驱动器容易设计，不需要复杂的计算过程，只需选择合适直径的SMA丝即可；由于双向运动均采用对SMA丝加热驱动，移动过程的响应时间快；采用单程形状记忆效应SMA，具有恢复力大特点；该驱动器结构简单、紧凑易于实现微型化；易于在工程中应用，应用时只需将需移动的部件的代替移动部件，用导向键代替导轨，即可实现工程的应用。
附图说明
图1为主视图，
图2为俯视图，
图3为图1中A-A剖视图，
图4为的图1中Ⅰ局部视图的1.5倍放大图。
其中1为压紧SMA丝的螺钉，2为底座，3为导轨，4为SMA丝1，5为SMA丝2，6为可移动部件，7为滑轮，8为固定滑轮用螺栓，9为绝缘陶瓷块。
具体实施方式
如图1至4所示，本发明线性驱动驱动器的制作主要由对SMA丝的预处理和零部件的加工（包括支座、导轨、滑轮组件等）及装配过程构成。其中对SMA丝的预处理是实现过程的核心内容。实施过程如下：
SMA丝的预处理：选用的SMA丝的直径为0.5毫米、合金为Ni含量为50.1at%的Ni-Ti合金。首先对SMA丝进行性能稳定化处理，即将SMA丝在0℃冰水和100℃的沸水中反复浸泡50次以上，每次浸泡时间不少于2分钟，以稳定其性能。然后对SMA丝进行退火处理，消除内部应力，提高塑性以利于弯曲。退火加热温度450℃，保温30分钟，随炉冷却。最后对SMA丝进行拉伸应变处理，预拉伸应变量为5%。其中SMA丝1的原长度为300mm，预应变后长度为315mm，SMA丝2的长度400mm，预应变后长度420mm。SMA丝具体长度可根据实际应用中需要产生的位移量进行调整，但预应变量须保持5%。
其他各零部件的加工：底座、可移动部件、导轨均用钢材料加工成，钢材的牌号不做要求。滑轮采用有机玻璃棒料加工，SMA丝的压块采用陶瓷材料加工而成，目的是为了保证SMA丝与所连接零件的绝缘。所有连接用螺钉均采用标准件。
线性驱动器的装配：①将可移动部件在导轨上安装，确保其可在导轨上可自由滑动；②将导轨与底座用螺钉固定；③将滑轮用螺栓安装在底座右端的滑轮孔内；④ 固定SMA丝：先将SMA丝1在底座与可移动部件间固定，再将SMA丝2与可移动部件固定后绕过滑轮后与底座固定。固定前先在螺纹孔底部放置一个陶瓷垫块，然后将SMA丝放置在陶瓷垫块上，再在SMA丝上放一个陶瓷垫块后用螺钉压紧。固定时SMA丝应长出底座左右边界约10mm，目的是为了与电源线连接。另外要尽量将丝拉紧，以获得最大的位移。
驱动方法如下：驱动时利用稳压电源通电，电压的调节范围为0～5V，电流的调节范围0～3A。将稳压电源的正负极分别与SMA丝1的两端连接，接通电源，逐渐增大电流，当电流超过1A后，则可移动部件开始沿轨道移动，继续增大电流，直至可移动部件停止运动；停止对SMA丝1通电，转而对SMA丝2通电，逐渐增大电流，则可移动部件开始向相反方向运动，直至运动停止。重复以上过程，则可移动部件可以沿轨道往复运动。
Claims (6)
1.一种基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器，其特征在于：包括底座（2），导轨（3），第一、第二SMA丝（4、5），可移动部件（6）和滑轮（7），其中导轨（3）固定在底座（2）上，可移动部件（6）安装在导轨上且可沿导轨双向滑动，滑轮（7）固定在底座的右端，第一SMA丝（4）的一端与可移动部件左端连接，第一SMA丝（4）的另一端与底座左端连接，第二SMA丝（5）的一端与移动部件右端连接，第二SMA丝（5）的另一端绕过滑轮后与底座左端连接。
2.根据权利要求1所述的基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器，其特征在于所述第一、第二SMA丝（4、5）的连接固定均以螺钉与陶瓷绝缘垫块进行固定，即将第一、第二SMA丝（4、5）放置两个陶瓷垫块之间，再用螺钉压紧固定。
3.根据权利要求1所述的基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器，其特征在于所述滑轮材料为有机玻璃。
4.一种如权利要求1所述的基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器的驱动方法，其特征在于所述方法如下：
首先对第一SMA丝（4）进行通电加热，当达到奥氏体相变温度后则第一SMA丝（4）产生收缩，带动可移动部件沿导轨向收缩方向移动，同时第二SMA丝（5）被拉伸，当两根丝的力达到平衡时，移动停止；再对第二SMA丝（5）通电加热，则第二SMA丝（5）收缩，带动可移动部件向相反的方向移动，同时第一SMA丝（4）再次被拉伸，为下次驱动做好准备；交替对第一SMA丝（4）与第二SMA丝（5）通电加热则可实现可移动部件沿导轨的往复运动。
5.根据权利要求4所述的基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器的驱动方法，其特征在于所述SMA丝的预处理的工艺包括如下步骤：
1）SMA丝性能稳定化处理：在0℃冰水和100℃的沸水中反复浸泡10次以上，每次浸泡时间不少于5分钟；
2）去应力退火处理：退火加热温度450℃，保温时间30分钟，随炉冷却；
3）对SMA丝的预拉伸应变量为5%。
6.根据权利要求4所述的基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器的驱动方法，其特征在于所述SMA丝的通电电压调节范围为0～5V，电流的调节范围0～3A。
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