專利名稱：基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明采用單程記憶效應(yīng)的形狀記憶合金設(shè)計并制作具有雙程驅(qū)動效果及大驅(qū) 動力的驅(qū)動器，可用于智能結(jié)構(gòu)的作動元件。
背景技術(shù)：
智能結(jié)構(gòu)/材料是在上世紀(jì)50年代提出，在70年代受到關(guān)注，近年來更是受到高 度重視。目前國際上從事智能結(jié)構(gòu)研究的機構(gòu)有美國的噴氣推進實驗室(JPL)、德國航空 航天研究院、法國國家航空航天研究院、日本宇航研究院、麻省理工學(xué)院等。美國軍方和一 些政府機構(gòu)也直接參與了開發(fā)工作，如陸軍研究局的“智能材料與結(jié)構(gòu)計劃”，空軍航天實 驗室的“智能結(jié)構(gòu)蒙皮計劃”。日本航空宇宙研究所、東京工業(yè)大學(xué)以及一些大公司自1984 年即著手空間應(yīng)用的智能結(jié)構(gòu)研究，主要研究內(nèi)容包括采用智能結(jié)構(gòu)實現(xiàn)主動振動控制、 自適應(yīng)可變形桁架等。智能結(jié)構(gòu)是以智能材料為主導(dǎo)，具有自我感知和自我調(diào)節(jié)的仿生功能的結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)。它是將探測元件(傳感器)、驅(qū)動元件(致動器)和微處理控制系統(tǒng)(控制電路、信號處理 器等)與基體材料相融合，形成具有識別、分析、判斷、動作等功能的一種結(jié)構(gòu)。形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡寫SMA)作為一種新型智能材料，以它獨特 的形狀記記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，以及優(yōu)良的理化性能和生物相容性，在工程、控制、醫(yī)療、 能源與機械等領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。形狀記憶合金的形狀記憶機制是基于一種可逆的固態(tài)相 變，即低溫相馬氏體和高溫相奧氏體之間的轉(zhuǎn)變，這種相變稱作馬氏體相變。常用的鎳-鈦 形狀記憶合金存在三種基本的晶體結(jié)構(gòu)馬氏體、奧氏體、應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。當(dāng)合金為低溫 馬氏體相時，合金較軟，表現(xiàn)為具有很好的延展性和可拉伸性，當(dāng)被加熱到一定溫度后，合 金開始收縮并轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，表現(xiàn)為強度和剛度得到明顯提高。應(yīng)力誘發(fā)馬氏體是指對處 于奧氏體狀態(tài)的合金施加外力，則合金發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，所形成馬氏體為應(yīng)力 誘發(fā)馬氏體。當(dāng)應(yīng)力去除后，則又轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。這種效應(yīng)成為偽彈性。形狀記憶合金(SMA)除了通常的彈性變形、塑性變形、熱膨脹及收縮外，還具有三 種形狀記憶特點，分別為
1)單程形狀記憶效應(yīng)對處于馬氏體狀態(tài)的合金施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，卸 除外力后，則塑性變形被保留下。對合金進行加熱，則可回復(fù)到變形前的狀態(tài)。此后，再對 合金進行冷卻，則沒有形狀的改變。由于單程形狀記憶效應(yīng)能夠產(chǎn)生大的恢復(fù)力和恢復(fù)應(yīng) 變，因此在驅(qū)動器的應(yīng)用上較多。2 )雙程形狀記憶效應(yīng)除了單程形狀記憶效應(yīng)外，對加熱后的合金再進行冷卻，合 金仍可發(fā)生形狀的改變，而不需要施加外力，即通過加熱與冷卻可使形狀反復(fù)變化。但由于 雙程形狀記憶效應(yīng)在恢復(fù)力與恢復(fù)應(yīng)變方面均比單程效應(yīng)小，用來作為受力驅(qū)動元件的不
^^ ο3)偽彈性在高于的奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度條件下，對形狀記憶合金施加外力，使其 發(fā)生變形，如卸除外力，則合金完全回復(fù)到初始形狀，而不需要加熱或冷卻，這種特點被稱作偽彈性。目前常用的SMA線性驅(qū)動器的主要原理是將需要移動的部件一端與SMA絲連接， 另一端與偏置彈簧連接。利用單程形狀記憶效應(yīng)，通過對SMA絲通電利用電阻熱使其溫度 升高，發(fā)生相變，SMA絲則產(chǎn)生收縮，從而帶動需驅(qū)動部件的向收縮方向移動；為了使移動 部件向相反方向運動，利用偏置彈簧來提供恢復(fù)力，當(dāng)SMA冷卻后，依靠彈簧的外力使部件 向相反方向移動。如意大利馬爾凱理工大學(xué)的Guglielmo Magri等人利用該原理設(shè)計了可 以實現(xiàn)鍋爐水閥轉(zhuǎn)換的驅(qū)動器(見期刊Sensors and Actuators A，2006年，1 期，頁碼 355 - 366)，通過對SMA絲通電加熱，發(fā)生馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生收縮，當(dāng)SMA產(chǎn)生的 收縮力大于恢復(fù)彈簧的力時，則帶動開關(guān)閥向收縮方向移動；當(dāng)停止通電，則SMA絲逐漸冷 卻，發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，由于馬氏體的彈性模量低，在恢復(fù)彈簧拉力的作用下，SMA 絲容易被拉伸，帶動閥門向相反的方向移動。從而可實現(xiàn)閥門的開關(guān)作用。由于該類型線 性驅(qū)動器在驅(qū)動時只對一個方向上的SMA絲進行加熱，而冷卻依靠自然冷卻，此存在明顯 滯后現(xiàn)象，不利于實時控制。如要提高響應(yīng)時間則需要添加冷卻裝置，致使整個驅(qū)動器結(jié)構(gòu) 復(fù)雜。同時利用偏置彈簧作為恢復(fù)裝置，彈簧的參數(shù)進行設(shè)計，過程復(fù)雜，即需要對彈簧產(chǎn) 生的力和尺寸進行計算，確保在SMA轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體發(fā)生收縮時彈簧可以被拉伸，而在SMA為 馬氏體狀態(tài)時，彈簧可以拉SMA絲伸長。對于直接利用SMA絲的單程形狀記憶效應(yīng)實現(xiàn)雙 程平行移動的線性驅(qū)動器目前未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程 線性驅(qū)動器及方法，本發(fā)明利用該線性驅(qū)動器可以實現(xiàn)雙程平行移動，不需要偏置彈簧，容 易設(shè)計；設(shè)計時利用單程形狀記憶效應(yīng)，使得該驅(qū)動器具有大的恢復(fù)力；在驅(qū)動過程中僅 對SMA絲通電加熱即可實現(xiàn)雙向移動，由于雙向移動都利用通電加熱實現(xiàn)，不需要冷卻過 程，解決了響應(yīng)時間慢的缺點；同時由于不需偏置彈簧和冷卻裝置，整個驅(qū)動機構(gòu)簡單、緊 湊。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器，包括底座，導(dǎo)軌，第一、第二 SMA絲， 可移動部件和滑輪，其中導(dǎo)軌固定在底座上，可移動部件安裝在導(dǎo)軌上且可沿導(dǎo)軌雙向滑 動，滑輪固定在底座的右端，第一 SMA絲的一端與可移動部件左端連接，第一 SMA絲的另一 端與底座左端連接，第二 SMA絲的一端與移動部件右端連接，第二 SMA絲的另一端繞過滑輪 后與底座左端連接。所述第一、第二 SMA絲的連接固定均以螺釘與陶瓷絕緣墊塊進行固定，即將第一、 第二 SMA絲放置兩個陶瓷墊塊之間，再用螺釘壓緊固定。所述滑輪材料為有機玻璃?；趩纬绦螤钣洃浶?yīng)的雙程線性驅(qū)動器的驅(qū)動方法如下
首先對第一 SMA絲進行通電加熱，當(dāng)達到奧氏體相變溫度后則第一 SMA絲產(chǎn)生收縮，帶 動可移動部件沿導(dǎo)軌向收縮方向移動，同時第二 SMA絲被拉伸，當(dāng)兩根絲的力達到平衡時， 移動停止；再對第二 SMA絲通電加熱，則第二 SMA絲收縮，帶動可移動部件向相反的方向移 動，同時第一 SMA絲再次被拉伸，為下次驅(qū)動做好準(zhǔn)備；交替對第一 SMA絲與第二 SMA絲通電加熱則可實現(xiàn)可移動部件沿導(dǎo)軌的往復(fù)運動。所述SMA絲的預(yù)處理的工藝包括如下步驟
1)SMA絲性能穩(wěn)定化處理在0°C冰水和100°C的沸水中反復(fù)浸泡10次以上，每次浸泡 時間不少于5分鐘；
2)去應(yīng)力退火處理退火加熱溫度450°C，保溫時間30分鐘，隨爐冷卻；
3)對SMA絲的預(yù)拉伸應(yīng)變量為5%。所述SMA絲的通電電壓調(diào)節(jié)范圍為0 5V，電流的調(diào)節(jié)范圍0 3A。本發(fā)明具有以下優(yōu)點與以電機作為驅(qū)動器相比，該驅(qū)動器的驅(qū)動過程僅需通電 加熱，不產(chǎn)生噪音、也無廢氣的排出，有利于環(huán)保；與現(xiàn)有的各種帶偏置彈簧的驅(qū)動器相比， 該驅(qū)動器容易設(shè)計，不需要復(fù)雜的計算過程，只需選擇合適直徑的SMA絲即可；由于雙向運 動均采用對SMA絲加熱驅(qū)動，移動過程的響應(yīng)時間快；采用單程形狀記憶效應(yīng)SMA，具有恢 復(fù)力大特點；該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊易于實現(xiàn)微型化；易于在工程中應(yīng)用，應(yīng)用時只需將 需移動的部件的代替移動部件，用導(dǎo)向鍵代替導(dǎo)軌，即可實現(xiàn)工程的應(yīng)用。


圖1為主視圖，
圖2為俯視圖，
圖3為圖1中A-A剖視圖，
圖4為的圖1中I局部視圖的1.5倍放大圖。其中1為壓緊SMA絲的螺釘，2為底座，3為導(dǎo)軌，4為SMA絲1，5為SMA絲2，6為 可移動部件，7為滑輪，8為固定滑輪用螺栓，9為絕緣陶瓷塊。
具體實施例方式如圖1至4所示，本發(fā)明線性驅(qū)動驅(qū)動器的制作主要由對SMA絲的預(yù)處理和零部 件的加工(包括支座、導(dǎo)軌、滑輪組件等)及裝配過程構(gòu)成。其中對SMA絲的預(yù)處理是實現(xiàn)過 程的核心內(nèi)容。實施過程如下
SMA絲的預(yù)處理選用的SMA絲的直徑為0. 5毫米、合金為Ni含量為50. lat%的Ni-Ti 合金。首先對SMA絲進行性能穩(wěn)定化處理，即將SMA絲在0°C冰水和100°C的沸水中反復(fù)浸 泡50次以上，每次浸泡時間不少于2分鐘，以穩(wěn)定其性能。然后對SMA絲進行退火處理，消 除內(nèi)部應(yīng)力，提高塑性以利于彎曲。退火加熱溫度450°C，保溫30分鐘，隨爐冷卻。最后對 SMA絲進行拉伸應(yīng)變處理，預(yù)拉伸應(yīng)變量為5%。其中SMA絲1的原長度為300mm，預(yù)應(yīng)變后 長度為315mm，SMA絲2的長度400mm，預(yù)應(yīng)變后長度420mm。SMA絲具體長度可根據(jù)實際應(yīng) 用中需要產(chǎn)生的位移量進行調(diào)整，但預(yù)應(yīng)變量須保持5%。其他各零部件的加工底座、可移動部件、導(dǎo)軌均用鋼材料加工成，鋼材的牌號不 做要求。滑輪采用有機玻璃棒料加工，SMA絲的壓塊采用陶瓷材料加工而成，目的是為了保 證SMA絲與所連接零件的絕緣。所有連接用螺釘均采用標(biāo)準(zhǔn)件。線性驅(qū)動器的裝配①將可移動部件在導(dǎo)軌上安裝，確保其可在導(dǎo)軌上可自由滑 動；②將導(dǎo)軌與底座用螺釘固定；③將滑輪用螺栓安裝在底座右端的滑輪孔內(nèi)；④固定 SMA絲先將SMA絲1在底座與可移動部件間固定，再將SMA絲2與可移動部件固定后繞過滑輪后與底座固定。固定前先在螺紋孔底部放置一個陶瓷墊塊，然后將SMA絲放置在陶瓷 墊塊上，再在SMA絲上放一個陶瓷墊塊后用螺釘壓緊。固定時SMA絲應(yīng)長出底座左右邊界 約10mm，目的是為了與電源線連接。另外要盡量將絲拉緊，以獲得最大的位移。
驅(qū)動方法如下驅(qū)動時利用穩(wěn)壓電源通電，電壓的調(diào)節(jié)范圍為0 5V，電流的調(diào)節(jié) 范圍0 3A。將穩(wěn)壓電源的正負(fù)極分別與SMA絲1的兩端連接，接通電源，逐漸增大電流， 當(dāng)電流超過IA后，則可移動部件開始沿軌道移動，繼續(xù)增大電流，直至可移動部件停止運 動；停止對SMA絲1通電，轉(zhuǎn)而對SMA絲2通電，逐漸增大電流，則可移動部件開始向相反方 向運動，直至運動停止。重復(fù)以上過程，則可移動部件可以沿軌道往復(fù)運動。
權(quán)利要求
1.一種基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器，其特征在于包括底座(2)，導(dǎo)軌 (3)，第一、第二 SMA絲(4、5)，可移動部件(6)和滑輪(7)，其中導(dǎo)軌(3)固定在底座(2)上， 可移動部件(6)安裝在導(dǎo)軌上且可沿導(dǎo)軌雙向滑動，滑輪(7)固定在底座的右端，第一 SMA 絲(4)的一端與可移動部件左端連接，第一 SMA絲(4)的另一端與底座左端連接，第二 SMA 絲(5)的一端與移動部件右端連接，第二 SMA絲(5)的另一端繞過滑輪后與底座左端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器，其特征在于所述 第一、第二 SMA絲(4、5)的連接固定均以螺釘與陶瓷絕緣墊塊進行固定，即將第一、第二 SMA 絲(4、5 )放置兩個陶瓷墊塊之間，再用螺釘壓緊固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器，其特征在于所述 滑輪材料為有機玻璃。
4.一種如權(quán)利要求1所述的基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器的驅(qū)動方法，其 特征在于所述方法如下首先對第一 SMA絲(4)進行通電加熱，當(dāng)達到奧氏體相變溫度后則第一 SMA絲(4)產(chǎn)生 收縮，帶動可移動部件沿導(dǎo)軌向收縮方向移動，同時第二 SMA絲(5)被拉伸，當(dāng)兩根絲的力 達到平衡時，移動停止；再對第二 SMA絲(5)通電加熱，則第二 SMA絲(5)收縮，帶動可移動 部件向相反的方向移動，同時第一 SMA絲(4)再次被拉伸，為下次驅(qū)動做好準(zhǔn)備；交替對第 一 SMA絲(4)與第二 SMA絲(5)通電加熱則可實現(xiàn)可移動部件沿導(dǎo)軌的往復(fù)運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器的驅(qū)動方法，其特 征在于所述SMA絲的預(yù)處理的工藝包括如下步驟1 )SMA絲性能穩(wěn)定化處理在0°C冰水和100°C的沸水中反復(fù)浸泡10次以上，每次浸泡 時間不少于5分鐘；2)去應(yīng)力退火處理退火加熱溫度450°C，保溫時間30分鐘，隨爐冷卻；3)對SMA絲的預(yù)拉伸應(yīng)變量為5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器的驅(qū)動方法，其特 征在于所述SMA絲的通電電壓調(diào)節(jié)范圍為0 5V，電流的調(diào)節(jié)范圍0 3A。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于單程形狀記憶效應(yīng)的雙程線性驅(qū)動器及方法，所述驅(qū)動器包括底座，導(dǎo)軌，第一、第二SMA絲，可移動部件和滑輪。所述方法首先對第一SMA絲進行通電加熱，當(dāng)達到奧氏體相變溫度后則第一SMA絲產(chǎn)生收縮，帶動可移動部件沿導(dǎo)軌向收縮方向移動，同時第二SMA絲被拉伸，當(dāng)兩根絲的力達到平衡時，移動停止；再對第二SMA絲通電加熱，則第二SMA絲收縮，帶動可移動部件向相反的方向移動，同時第一SMA絲再次被拉伸，為下次驅(qū)動做好準(zhǔn)備；交替對第一SMA絲與第二SMA絲通電加熱則可實現(xiàn)可移動部件沿導(dǎo)軌的往復(fù)運動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊易于實現(xiàn)微型化。
文檔編號F03G7/06GK102072125SQ20111002145
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者李杰鋒, 沈星, 邱子輝 申請人:南京航空航天大學(xué)