CN103291572B - 一种微驱动系统及包含该系统的夹紧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微驱动系统及包含该系统的夹紧系统，微驱动系统基于形状记忆效应，采用相互垂直的两个形状记忆合金杆驱动，第一形状记忆合金杆通电收缩通过传动杆组件推动驱动活塞前移，第二形状记忆合金杆通电收缩带动驱动活塞复位，同时两形状记忆合金杆可以互为产生塑性变形的拉伸动力源。该夹紧系统包括微驱动系统以及一种内回流面积差动行程放大装置，通过在输出活塞上设置回流孔，实现差动效果，使输出活塞的有效作用面积仅是活塞杆的横截面积，因此可以实现在减小行程放大装置体积的基础上提高放大系数。与传统驱动夹紧装置相比，本发明的夹紧系统体积小，结构简单，可控性好，能量转换环节少，能源的利用率高，不存在污染问题，且绿色环保。

Description

一种微驱动系统及包含该系统的夹紧系统

技术领域

本发明属于机械夹紧技术领域，具体涉及一种微驱动系统及包含该系统的夹紧系统。

背景技术

目前制造业中广泛使用液压或气动方式进行夹紧，然而目前的夹紧方式均存在一些不足，例如：1、液压夹具需要提供压力油泵，气动夹具需要提供压缩空气的空压机，驱动源机构复杂，成本高，体积较大；2、提供所需夹紧力的能量转换环节较多，能量损耗较大，能源的利用率低；3、存在高速旋转的机械传动装置，噪声污染比较严重，此外，液压装置还存在油液泄露污染环境的问题，容易造成环境污染。

传统的面积效应行程放大装置基于帕斯卡原理，即在以流体为介质的密闭装置中，当用直径大的活塞推动直径小的活塞时，输出位移将被放大，是一个行程放大装置。行程放大系数的计算公式如下：

$i_s=\frac{L_o}{L_i}=\frac{D^2}{d^2}$

其中，L_i，L_o分别为驱动活塞与输出活塞的位移量，D，d分别为驱动活塞与输出活塞的直径。其显著的优点是能够获得较大的放大系数，达到可观的放大效果。

然而传统的面积效应行程放大装置存在一定的缺陷。在确定放大倍数时，如果限制驱动活塞的尺寸，则输出活塞尺寸也随之固定，而为了能够在有杆腔内安放复位弹簧则必须牺牲输出活塞杆的尺寸，这样就可能造成活塞杆尺寸过小，刚度不足，产生压杆失稳破坏等问题；反之，如果保证输出活塞杆的刚度，必须放大输出活塞的尺寸，则驱动活塞的尺寸也随之增大，以致整个装置体积过大，成本较高，操作不便。

形状记忆合金（SMA）是一种具有形状记忆效应的新型智能材料。形状记忆效应指合金在马氏体状态变形后加热到奥氏体转变温度时，其形状回复到初始形状的现象。即给SMA材料一定的塑性变形后，加热到某一温度时，SMA将克服塑性变形而回复到原来形状。

鉴于现有技术中驱动夹紧装置存在的问题，有必要提出一种基于形状记忆合金的驱动夹紧装置，该装置具有体积小，结构简单，可控性好，能量转换环节少，能源的利用率高，不存在污染问题，绿色环保的特点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于形状记忆合金的微驱动系统及包含该系统的夹紧系统。以实现减少能量转换环节，提高能源的利用率，同时达到体积小，结构简单，可控性好，不存在污染问题，绿色环保的目的。

根据本发明的目的提出的一种微驱动系统，用于提供微量位移，带动被驱动部件运行，该系统包括驱动装置与控制装置，所述驱动装置包括推动机构与复位机构；

所述推动机构包括带动被驱动部件前移的第一形状记忆合金杆及设置于所述第一形状记忆合金杆两端的传动杆组件，所述第一形状记忆合金杆与所述传动杆组件铰连接，所述传动杆组件一端固定，另一端与被驱动部件铰连接，所述传动杆组件至少为两组；

所述复位机构包括第二形状记忆合金杆，所述第二形状记忆合金杆一端固定设置，另一端与被驱动部件固定连接；

所述控制装置包括分别对所述第一、第二形状记忆合金杆通电加热的两组电路，以及控制所述两组电路通断电的切换开关；

产生塑性变形的第一形状记忆合金杆通电收缩，通过传动杆组件推动被驱动部件前移，同时给予第二形状记忆合金杆拉伸力，使第二形状记忆合金杆产生塑性变形；第二形状记忆合金杆通电收缩带动被驱动部件复位，同时给予第一形状记忆合金杆拉伸力。

优选的，所述第一、第二形状记忆合金杆相互垂直设置。

优选的，所述传动杆组件包括第一传动杆与第二传动杆，所述第一传动杆的一端与所述第二传动杆的一端相互铰接，所述第二传动杆的另一端铰接固定设置，所述第一传动杆的另一端与被驱动部件铰接固定，所述第一形状记忆合金杆的端部铰连接于所述第一、第二传动杆的铰接处，形成复合铰链。

优选的，所述传动杆组件包括第一传动杆，所述第一传动杆的一端与所述第一形状记忆合金杆铰连接，另一端与被驱动部件铰接固定，所述第一形状记忆合金杆上连接有定位杆，所述定位杆的一端固定。

优选的，所述第二形状记忆合金杆连接于被驱动部件的中心位置。

优选的，所述第二形状记忆合金杆为对称被驱动部件中心设置的两个，以避免与第一形状记忆合金杆产生干涉。

优选的，所述第二形状记忆合金杆一端铰接固定，另一端与被驱动部件铰连接。

一种基于形状记忆合金驱动的夹紧系统，包括所述的微驱动系统以及行程放大装置，所述行程放大装置包括驱动活塞、输出活塞与活塞杆，所述活塞杆上套设有复位弹簧；所述驱动活塞与所述微驱动系统传动连接，所述输出活塞所在液压缸与所述驱动活塞所在的液压缸相串接。

优选的，所述输出活塞上设置有至少一个或多个回流孔。

与现有技术相比，本发明公开的微驱动系统及包含该系统的夹紧系统的优点是：

基于形状记忆合金的形状记忆效应，采用相互垂直的两个形状记忆合金杆驱动，第一形状记忆合金杆通电收缩通过传动杆组件推动驱动活塞前移，第二形状记忆合金杆通电收缩带动驱动活塞复位，实现驱动活塞的往复运动，同时两形状记忆合金杆可以互为产生塑性变形的拉伸动力源，无需外部动力作用。较传统驱动夹紧装置体积较小，结构简单，便于操作，减少了能量转换环节，提高了能源的利用率，可控性好，不存在污染问题，绿色环保。

该夹紧系统还包括一种内回流面积差动行程放大装置，通过在输出活塞上设置回流孔，使液体介质可以在有杆腔与无杆腔间流动，实现差动效果，使输出活塞的有效作用面积仅是活塞杆的横截面积，因此可以实现在减小行程放大装置的体积的基础上提高放大系数，实现位移的显著放大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种微驱动系统实施例1的结构示意图。

图2为本发明公开的一种微驱动系统实施例2的结构示意图。

图3为本发明公开的基于形状记忆合金驱动的夹紧系统的结构示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、第一形状记忆合金杆 2、第二形状记忆合金杆 3、第一传动杆 4、第二传动杆 5、驱动活塞 6、输出活塞 7、活塞杆 8、回流孔 9、复位弹簧 10、定位杆

具体实施方式

目前制造业中广泛使用液压或气动方式进行夹紧，驱动源机构复杂，成本高，能量损耗严重，利用率低；对环境造成相应的污染，且传统的面积效应行程放大装置存在一定的缺陷。若保证输出活塞杆的刚度，则驱动活塞的尺寸也随之增大，以致整个装置体积过大，成本较高，操作不便。

本发明针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于形状记忆合金的微驱动系统及包含该系统的夹紧系统。以实现减少能量转换环节，提高能源的利用率，同时达到体积小，结构简单，可控性好，不存在污染问题，绿色环保的目的。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参见图1，图1为本发明公开的一种微驱动系统的结构示意图。如图所示，一种微驱动系统，用于提供微量位移，带动被驱动部件运行，其中，被驱动部件为行程放大装置中的驱动活塞。

该系统包括驱动装置与控制装置，驱动装置包括与驱动活塞5连接的推动机构与复位机构。

推动机构包括带动驱动活塞前移的第一形状记忆合金杆1及对称设置于第一形状记忆合金杆1两端的传动杆组件，传动杆组件一端固定，另一端与驱动活塞铰连接，传动杆组件至少为两组。其中传动杆组件的数量可为对称设置的多组，实现驱动活塞直线移动即可，具体数量不做限制。

传动杆组件包括相互铰接固定的第一传动杆3与第二传动杆4，第二传动杆4的另一端铰接固定，第一传动杆3的另一端与驱动活塞铰接固定，第一形状记忆合金杆1的端部铰连接于第一、第二传动杆的铰接处，形成复合铰链。

复位机构包括第二形状记忆合金杆2，第二形状记忆合金杆2一端固定设置，另一端与驱动活塞固定连接；第一、第二形状记忆合金杆相互垂直设置。

控制装置包括分别对第一、第二形状记忆合金杆通电加热的两组电路，以及控制两组电路通断电的切换开关。

根据形状记忆合金的形状记忆性能，通过控制装置控制第一形状记忆合金杆通电，第一形状记忆合金杆受热达到转变温度时，第一形状记忆合金杆收缩，由于传动杆组件与第一形状记忆合金杆的两端铰连接，在第一形状记忆合金杆收缩的过程中第一传动杆与第二传动杆的连接端分别向中间移动，从而使得传动杆组件与第一形状记忆合金杆间的夹角逐渐变大，产生向前移动的位移，推动驱动活塞前移；与此同时，第二形状记忆合金杆在非通电状态下被拉伸，产生塑性变形，随着驱动活塞移动的位移而逐渐被拉长。驱动活塞复位时，通过对第二形状记忆合金杆通电，第二形状记忆合金杆2受热达到转变温度时，第二形状记忆合金杆2向其中心收缩，收缩的作用力带动驱动活塞复位，同时在驱动活塞位移的作用下，传动杆组件与第一形状记忆合金杆的夹角逐渐变小，从而对第一形状记忆合金杆进行拉伸，实现驱动活塞的复位。

本发明公开的基于形状记忆合金的微驱动系统，由于形状记忆合金具有大回复应变、大输出应力、高响应频率和可控的综合特性，适合应用在驱动器设计领域。装置较传统驱动夹紧装置具有体积小，结构简单，能源利用率高，不存在污染问题，绿色环保的特点。

该微驱动系统采用两个传动杆铰连接形成双铰杆机构，双铰杆机构可以改变力的方向，将形状记忆合金的拉力转变为驱动活塞的推动力。同时，利用两根形状记忆合金杆互为拉伸动力源的特性，实现双向可控驱动效果，且无需额外动力。

其中，第二形状记忆合金杆2为一根，连接于工件的中心位置。第二形状记忆合金杆一端铰接固定，另一端与工件铰连接。通过采用铰接固定以避免在工件移动的过程中出现角度偏移导致第二形状记忆合金杆的损坏。

此外，第二形状记忆合金杆可为对称工件中心设置的两个或多个，以避免与第一形状记忆合金杆产生干涉。

如图3所示，一种基于形状记忆合金驱动的夹紧系统，包括微驱动系统以及行程放大装置，行程放大装置包括驱动活塞、输出活塞与活塞杆，活塞杆7上套设有复位弹簧9；输出活塞所在液压缸与驱动活塞所在的液压缸相串接。输出活塞6上设置有至少一个或多个回流孔8，多个回流孔可均匀设置。

当给驱动活塞一定的驱动位移后，液体介质将此位移传递给输出活塞，产生行程放大效果。由于输出活塞上开一个或多个回流孔，液体即可以在有杆腔和无杆腔内互通，驱动活塞推动输出活塞的过程中，输出活塞对应的液压缸有杆腔内的液体可以回流到无杆腔内实现面积差动。内回流面积差动行程放大装置的行程放大系数的计算公式如下：

$i=\frac{{\mathrm{\Δl}}_o}{{\mathrm{\Δl}}_i}=\frac{S_i}{S_o}=\frac{S_i}{S_r}=\frac{D^2}{d^2}$

式中Δl_i，Δl₀分别为驱动活塞与输出活塞的位移量，S_i为驱动活塞的横截面积，S_o为输出活塞的有效作用面积S_o=S_r，S_r为活塞杆的横截面积，D为驱动活塞的直径，d为输出活塞杆的直径。由于增加了回流孔，行程放大时输出活塞的有效作用面积仅是活塞杆的横截面积，因此输出活塞的尺寸可以不受放大倍数的约束。

假设微驱动系统给予驱动活塞输出的位移为3mm，驱动活塞与输出活塞杆的横截面积之比根据上述公式计算通过行程放大装置最终的输出位移可以看出该装置能够将微驱动系统产生的微量位移3mm，进行行程放大后输出为显著位移300mm。

使用内回流面积差动行程放大装置与微驱动系统串联。将微量位移放大为显著位移。同时与传统行程放大装置相比，放大系数不受输出活塞尺寸的影响，解决了传统面积效应行程放大装置存在的问题。

本发明的工作原理如下：

（一）、对工件夹紧时，对第一形状记忆合金杆所在的一组电路进行通电，第一形状记忆合金杆受热向中间收缩，传动杆组件在收缩运动的作用下，一端向中间位置移动，传动杆组件与第一形状记忆合金杆间的夹角逐渐变大，推动驱动活塞前移，同时给予第二形状记忆合金杆拉伸力，使其产生塑性变形；

（二）、驱动活塞的运动将液压缸内的液体挤压入输出活塞所在液压缸的无杆腔内，通过液体的作用驱动输出活塞与活塞杆前移夹紧工件；

（三）、松开工件时，对第二形状记忆合金杆所在的一组电路进行通电，第二形状记忆合金杆受热向中间收缩，由于第二形状记忆合金杆一端固定，因此通过收缩的作用带动驱动活塞复位，同时给予第一形状记忆合金杆拉伸力；驱动活塞复位的过程中无杆腔内的液体逐渐的被吸回驱动活塞的液压缸内，输出活塞与活塞杆在复位弹簧的作用下复位，松开工件。

实施例2

如图2所示，其余与实施例1相同，不同之处在于，传动杆组件包括第一传动杆3，第一传动杆的一端与第一形状记忆合金杆铰连接，第一传动杆3的另一端与工件铰接固定，第一形状记忆合金杆1上连接有定位杆10，定位杆10的一端固定。通过设置定位杆以限定第一形状记忆合金杆1的位置，在第一形状记忆合金杆伸缩的过程中仅通过改变第一形状记忆合金杆与第一传动杆间的夹角大小，实现工件的前移。

本发明公开了一种微驱动系统及包含该系统的夹紧系统的优点是：

基于形状记忆效应，采用相互垂直的两个形状记忆合金杆驱动，第一形状记忆合金杆通电收缩通过传动杆组件推动驱动活塞前移，第二形状记忆合金杆通电收缩带动驱动活塞复位，实现驱动活塞的往复运动，同时两形状记忆合金杆可以互为产生塑性变形的拉伸动力源，无需外部动力作用。较传统驱动夹紧装置体积较小，结构简单，便于操作，减少了能量转换环节，提高了能源的利用率，可控性好，不存在污染问题，绿色环保。

该夹紧系统还包括一种内回流面积差动行程放大装置，通过在输出活塞上设置回流孔，使液体介质可以在有杆腔与无杆腔间流动，实现差动效果，使输出活塞的有效作用面积仅是活塞杆的横截面积，因此可以实现在减小行程放大装置的体积的基础上提高放大系数，实现位移的显著放大。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种微驱动系统，用于提供微量位移，带动被驱动部件运行，其特征在于，该系统包括驱动装置与控制装置，所述驱动装置包括推动机构与复位机构；

所述推动机构包括带动被驱动部件前移的第一形状记忆合金杆及设置于所述第一形状记忆合金杆两端的传动杆组件，所述第一形状记忆合金杆与所述传动杆组件铰连接，所述传动杆组件一端固定，另一端与被驱动部件铰连接，所述传动杆组件至少为两组；

所述复位机构包括第二形状记忆合金杆，所述第二形状记忆合金杆一端固定设置，另一端与被驱动部件固定连接；

所述控制装置包括分别对所述第一、第二形状记忆合金杆通电加热的两组电路，以及控制所述两组电路通断电的切换开关；

产生塑性变形的第一形状记忆合金杆通电收缩，通过传动杆组件推动被驱动部件前移，同时给予第二形状记忆合金杆拉伸力，使第二形状记忆合金杆产生塑性变形；第二形状记忆合金杆通电收缩带动被驱动部件复位，同时给予第一形状记忆合金杆拉伸力。

2.如权利要求1所述的微驱动系统，其特征在于，所述第一、第二形状记忆合金杆相互垂直设置。

3.如权利要求1所述的微驱动系统，其特征在于，所述传动杆组件包括第一传动杆与第二传动杆，所述第一传动杆的一端与所述第二传动杆的一端相互铰接，所述第二传动杆的另一端铰接固定设置，所述第一传动杆的另一端与被驱动部件铰接固定，所述第一形状记忆合金杆的端部铰连接于所述第一、第二传动杆的铰接处，形成复合铰链。

4.如权利要求1所述的微驱动系统，其特征在于，所述传动杆组件包括第一传动杆，所述第一传动杆的一端与所述第一形状记忆合金杆铰连接，另一端与被驱动部件铰接固定，所述第一形状记忆合金杆上连接有定位杆，所述定位杆的一端固定。

5.如权利要求1所述的微驱动系统，其特征在于，所述第二形状记忆合金杆连接于被驱动部件的中心位置。

6.如权利要求1所述的微驱动系统，其特征在于，所述第二形状记忆合金杆为对称被驱动部件中心设置的两个，以避免与第一形状记忆合金杆产生干涉。

7.如权利要求1所述的微驱动系统，其特征在于，所述第二形状记忆合金杆一端铰接固定，另一端与被驱动部件铰连接。

8.一种基于形状记忆合金驱动的夹紧系统，其特征在于，包括行程放大装置以及权利要求1-7任一项所述的微驱动系统，所述行程放大装置包括驱动活塞、输出活塞与活塞杆，所述活塞杆上套设有复位弹簧；所述驱动活塞与所述微驱动系统传动连接，所述输出活塞所在液压缸与所述驱动活塞所在的液压缸相串接。

9.如权利要求8所述的基于形状记忆合金驱动的夹紧系统，其特征在于，所述输出活塞上设置有一个或多个回流孔。