CN101693357A

CN101693357A - 基于形状记忆合金驱动的夹持装置

Info

Publication number: CN101693357A
Application number: CN200910035590A
Authority: CN
Inventors: 陈正; 李欣; 王明娣; 钟康民
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2009-09-27
Filing date: 2009-09-27
Publication date: 2010-04-14

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金驱动的夹持装置，包括驱动部与夹持部，其特征在于：所述驱动部包括至少两根SMA弹簧、一根复位弹簧，所述SMA弹簧以所述复位弹簧为中心对称分布，每一所述SMA弹簧外包裹有半导体热泵；所述夹持部包括一滑块、一对曲杆及一对压头，两所述曲杆对称分布，其相对端滑插于所述滑块内开设的滑道中，另一端分别与对应的所述压头连接，所述曲杆支点处分别经支撑架与机体连接；所述驱动部的一端与机体固定连接，另一端与所述滑块连接，所述一对压头之间设有工件夹持空间。本发明通过半导体热泵与SMA弹簧的组合，作为夹持部的驱动源，实现形状记忆合金SMA在驱动源中的使用，且易于控制，能源利用率高、无污染。

Description

基于形状记忆合金驱动的夹持装置

技术领域

本发明涉及一种夹持工件加工的夹具，具体涉及一种基于形状记忆合金驱动的夹持装置，主要应用于制造业中对待加工零件的夹持定位。

背景技术

目前，制造业中广泛使用的是液压或气动夹紧装置，液压和气压夹紧装置的基本构成为驱动装置，如液压泵和气压泵等，以及活塞杆等力和运动的传递装置，能量转换装置等。但是液压和气动夹具都存在其自身的缺点：一、液压夹具需要提供压力油泵，气动夹具则需要提供压缩空气的空压机，因而两者的驱动源复杂，成本高；二、能量转换和控制环节多，整个夹紧装置结构复杂，能源转换利用率低；三、液压夹具因油液泄露造成环境污染，气动夹具容易造成噪声污染，绿色化程度不高；四、要实现液压、气动智能化控制，必须经过电-液、电-气转换元件，转换环节复杂，信号传输滞后。由于上述各类问题的存在，我们需要寻求一种新的驱动能源来代替以往的液压与气动能源。

形状记忆合金(SMA)是一种具有形状记忆效应(SME)，集驱动、感知和执行于一体，输入热量即可对外做功的新型智能材料，近年来得到了较快发展。所谓形状记忆效应，是指预先给SMA材料一定量的塑性变形，而后加热SMA至某一温度，由于内部晶体结构发生变化，SMA将克服塑性变形回复到原来形状。在收缩过程中将产生巨大的回复应力，因此可以将其作为驱动力应用到驱动器中。与传统驱动方式相比，以Ti-Ni合金为代表的形状记忆合金具有功率/质量比高、回复位移大(约8％)、回复应力大(约800MPa)、驱动电压低的特点。由于只需提供热量即可驱动，产生的回复应力和回复位移可直接作用在工作部件上，减少了中间传动机构，因此利用Ti-Ni合金可逆应力、应变效应的特点，将Ti-Ni合金制作成弹簧为实现驱动源，可弥补现有液动与气动能源的各类问题。

Ti-Ni SMA弹簧驱动器的输出力、位移、响应速度受驱动电流、冷却速度、预变形量和负载的影响很大，设计时要选择合适的参数。由于SMA的温度受环境的影响很大，以通电方式加热SMA时，只控制电流很难精确的控制驱动器的输出位移和力，所以需要提供温度、输出位移和力等参量综合对电流进行反馈控制，控制较为复杂；最大的缺点为响应频率低(＜1～5Hz)，其主要原因是SMA热循环过程中降温过程缓慢，目前常用的方法为自然冷却和强制冷却。自然冷却指在空气中冷却，冷却速度慢，严重影响整个装置的响应频率。强制冷却如风冷、水冷、冷却池或增加吸热材料等方法实现，提高了冷却速度，但结构复杂。

因此，如何将形状记忆合金(SMA)的驱动力良好的运用到夹紧装置中去，还有待于进一步的研究与开发。

发明内容

本发明目的是提供一种基于形状记忆合金驱动的夹持装置，通过对结构的改进，使装置结构简单，无污染和噪音，能量损耗小，响应频率提高且易于控制。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于形状记忆合金驱动的夹持装置，包括驱动部与夹持部，所述驱动部包括至少两根SMA弹簧、一根复位弹簧，所述SMA弹簧以所述复位弹簧为中心对称分布，每一所述SMA弹簧外包裹有半导体热泵；所述夹持部包括一滑块、一对曲杆及一对压头，两所述曲杆对称分布，其相对端滑插于所述滑块内开设的滑道中，另一端分别与对应的所述压头连接，所述曲杆支点处分别经支撑架与机体连接；所述驱动部的一端与机体固定连接，另一端与所述滑块连接，所述一对压头之间设有工件夹持空间。

上述技术方案中，所述半导体热泵是一种制热/制冷元件，主要由多对P型和N型半导体电极组成的热电偶，通电后可实现热能相互转换，当接上直流电源后，在半导体两端产生温差，其中一个接头吸热，温度降低，形成冷端；另一个接头放热，温度升高，形成热端。在运用到本发明中时，热端对SMA加热，冷端对SMA制冷，只要改变电流方向即可以实现热交换过程反向，热交换率直接与所通电流相关，因此可以通过控制电流控制SMA的动作，实现智能化控制。SMA弹簧被半导体热泵包围，在SMA弹簧与半导体热泵之间设置一层很薄的油脂，当SMA弹簧有大的变化时可以增强它们之间的润滑，从而防止破坏半导热泵，且可增强它们之间的热交换。其工作原理为：当半导体热泵热端对SMA弹簧加热时，SMA弹簧由于内部晶体结构变化产生收缩，产生的回复应力克服复位弹簧力后拉动滑块运动，滑插于滑块滑道内的曲杆端部由于受到滑道侧壁的挤压力而绕支点运动，带动曲杆摆动，从而使压头输出力作用在位于工件夹持空间内的工件上，实现夹紧动作。当加工完成后，改变电流方向，半导体热泵冷、热端交换，由冷端对SMA弹簧冷却，SMA伸长，同时在复位弹簧的推动力下，使滑块回位移动，在带动曲杆的摆动下，松开工件。如此利用半导体热泵加热/冷却SMA弹簧，一方面易于控制SMA弹簧的移动距离(通过控制半导体热泵通入电流实现)，另一方面加速SMA弹簧的冷却时间，加速冷/热交换频率，满足夹持操作的需要。

上述技术方案中，所述半导体热泵与所述滑块之间设有位移空隙，该位移空隙与所述SMA弹簧收缩位移距离相配合，所述SMA弹簧与所述滑块固定连接；另一种技术方案是，所述滑块对应所述半导体热泵处设有凹槽，该凹槽的深度与所述SMA弹簧收缩位移距离相配合。

上述技术方案中，所述曲杆近滑块端设有滚轮，与所述滑道一侧壁滚动连接，另一侧壁间隙配合。采用滚轮传递运动，使机构对称度高，摩擦损失小；滚轮滚动，工件可实现对心夹紧，能非常方便地保证加工工件的中心度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点是：

1、由于本发明采用半导体热泵加热/冷却SMA弹簧，通过SMA弹簧加热后的收缩力驱动夹持部，由曲杆位移绕支点摆动后带动压头，从而夹紧工件，相反的，通过改变半导体热泵的电流相位，SMA弹簧伸长并由复位弹簧推动夹持部，压头回位松开，与以往气动或液动的驱动源，半导体热泵与SMA弹簧组合的驱动源，结构更为简单，制热/制冷易于控制，能源利用率高且无污染；

2、采用半导体热泵加热/冷却SMA弹簧，一方面对SMA弹簧加热位移量更易于控制(控制半导体热泵的通电电流量)，另一方面可以加快SMA弹簧的冷却速度，从而提高响应频率，以适应制造业的使用需要。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例一中半导体热泵模型示意图。

其中：1、半导体热泵；2、SMA弹簧；3、复位弹簧；4、滑块；5、滑道；6、滚轮；7、曲杆；8、支撑架；9、压头；10、工件；11、机体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1、2所示，一种基于形状记忆合金驱动的夹持装置，包括驱动部与夹持部，所述驱动部包括8根Ni-Ti基形状记忆合金的SMA弹簧2、一根复位弹簧3，所述SMA弹簧2以所述复位弹簧3为中心对称分布，每一所述SMA弹簧2外包裹有半导体热泵1，半导体热泵1是由多对P型和N型半导体电极组成的热电偶，如图2所示，当施加电流后，冷端将吸热，而热端将散热，热交换率大小直接与所通的电流大小相关，当施加反向电流后，热交换过程实现反向。半导体热泵与SMA弹簧2之间设有一层油脂，当SMA弹簧2有大的变化时可以增强它们之间的润滑，从而防止破坏半导热泵，且可增强它们之间的热交换；

所述夹持部包括一滑块4、一对曲杆7及一对压头9，两所述曲杆7上下对称分布，其相对端上分别设有滚轮6，滑插于所述滑块内开设的矩形滑道5中，滚轮6右侧与所述滑道5侧壁滚动连接，左侧与滑道5侧壁间隙配合，两曲杆7的反相端分别与对应的所述压头9连接，支点处分别经支撑架8与机体11连接，所述上、下压头9之间设有工件10夹持空间；

所述驱动部的左端与机体11固定连接，右端处所述半导体热泵1与所述滑块4之间设有位移空隙，该位移空隙与所述SMA弹簧2收缩位移距离相配合，所述SMA弹簧2与所述滑块4固定连接。

SMA弹簧2输出的位移量主要由SMA丝的相变位移和弹簧的形变位移两部分组成。为保证SMA的使用次数，一般将SMA丝的相变位移限定在2％-4％之间，而弹簧的形变位移由最终夹紧工件时的输出位移设计求得，主要受材料的切变模量G、旋绕比C、弹簧的有效圈数n及弹簧材料直径d影响，所需SMA弹簧2的数量和丝的直径以及SMA弹簧2中径可通过夹紧过程需要的夹紧力进行设计计算，获得相关数据。在本实施例中，取用8根SMA弹簧2均匀连接在左侧机体11和右侧滑块4之间，SMA弹簧2直径d＝2mm，SMA弹簧2中径D＝20mm，旋绕比C＝10，相变位移取3％，SMA弹簧2初始长度为L₀＝100mm，曲杆7较长部分的长度为L₁＝300mm，被动力臂为L₂＝100mm，当SMA弹簧2受热收缩时，它收缩量为L₀×3％，设曲杆7转过的角度为θ，根据几何关系可得曲杆7输出端的位移

当X＝1mm时，本装置上下压头9共产生的位移为2mm。

实施例2：在本实施例中，其结构与实施例1基本相类似，不同点在于：所述滑块对应所述半导体热泵处设有，该凹槽的深度与所述SMA弹簧收缩位移距离相配合，当SMA弹簧受热收缩后，滑块向驱动部移动，半导体热泵端部向滑块上的凹槽内伸入，当SMA弹簧冷却后，SMA弹簧伸长，复位弹簧将滑块向工件侧推移，半导体热泵端部回位。

Claims

1.一种基于形状记忆合金驱动的夹持装置，包括驱动部与夹持部，其特征在于：所述驱动部包括至少两根SMA弹簧、一根复位弹簧，所述SMA弹簧以所述复位弹簧为中心对称分布，每一所述SMA弹簧外包裹有半导体热泵；所述夹持部包括一滑块、一对曲杆及一对压头，两所述曲杆对称分布，其相对端滑插于所述滑块内开设的滑道中，另一端分别与对应的所述压头连接，所述曲杆支点处分别经支撑架与机体连接；所述驱动部的一端与机体固定连接，另一端与所述滑块连接，所述一对压头之间设有工件夹持空间。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的夹持装置，其特征在于：所述半导体热泵与所述滑块之间设有位移空隙，该位移空隙与所述SMA弹簧收缩位移距离相配合，所述SMA弹簧与所述滑块固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的夹持装置，其特征在于：所述滑块对应所述半导体热泵处设有凹槽，该凹槽的深度与所述SMA弹簧收缩位移距离相配合。

4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的夹持装置，其特征在于：所述曲杆近滑块端设有滚轮，与所述滑道一侧壁滚动连接，另一侧壁间隙配合。