CN104047820B - 一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置，该驱动装置具有累积位移输出装置，还包括机架，活塞与输出轮换装置；本发明利用形状记忆合金重量轻、输出应力大的优点，使致动器具有较高的功重比，利用累积位移输出装置实现长行程的精确步进输出，利用活塞与轮换装置解决智能材料存在恢复不应期的问题，使多组SMA丝轮换工作，大大提高了SMA致动器的动作频率。本发明由于采用了新型铜锌复合焊接方案进行接头，不再采用机械式连结方法，缩小了机构尺寸，并减轻了重量。该装置通过转换卡盘直接向SMA丝供电，结构简单，直接通以足够大的电流，SMA丝迅速响应，因此具有响应速度快的特点；整个机架采用轻质材料，且进行了结构优化，具有功重比高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及新型功能材料致动技术领域，特别是涉及一种混合驱动式形状记忆合金直线致动器(HybridLinearActuatorBasedonShapeMemoryAlloy)。
背景技术
具有形状记忆效应的合金材料是20世纪中叶发展起来的新兴功能材料，主要有Ti-Ni基、铜基和铁基三大类，这类合金在塑性变形后，加热到相变温度可恢复变形前的形状。其中，Ti-Ni合金是性能最为稳定、应用最广的形状记忆合金，也是最早进入工业应用阶段的形状记忆合金。该形状记忆合金在温度驱动下具有高达4-6％的恢复应变和高达200MPa以上的恢复应力。利用Ti-Ni合金的形状记忆效应，可制成多种致动器，其功重比(输出功与致动器重量之比)高于电动机、气动和液压系统。同时，还具有运行噪声小，抗冲击性能良好，低电压驱动控制等优点，因而Ti-Ni形状记忆合金致动器有着巨大的应用前景和潜力。其主要缺点是响应受温度控制系统的制约，响应频率较低。
本发明采用位移累积输出和棘轮转换控制的原理设计出一种形状记忆合金直线位移致动器，使得形状记忆合金直线致动器的输出位移和响应频率均获得了大幅有效提高。
发明内容
本发明利用形状记忆合金重量轻、输出应力大的优点，使致动器具有较高的功重比，实现精确步进输出，活塞与轮换装置解决了智能材料存在不应期的问题，使多组SMA丝轮换工作，大大提高了致动器的动作频率。同时，本发明也提供了一种克服智能材料本身存在工作不应期这一缺陷的可行方案。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置，该驱动装置具有累积位移输出组件，其特征在于：还包括：机架和丝杠以及轮换输出装置；其中，
所述的机架包括两个端盖与端块组件，连接杆，套筒，以及两个小端盖；在该机架的中心穿过有丝杠、该机架的两端为两个端盖与端块组件，两个端盖与端块组件中间为两个小端盖，由套筒将端盖与端块组件和小端盖连接固定起来，两个小端盖由连接杆对称连接；
累积位移输出组件设置于所述机架的两个小端盖之间；在所述的累积位移输出组件有对称的一套能够将工作板和输出丝杠相对锁定或将输出丝杠与机架相对锁定的齿轮副；所述的齿轮副由丝杠上的齿轮螺母和一个小齿轮组成，且小齿轮由固定在小端盖上的小直流电机驱动，所述的齿轮螺母和工作板安装在输出丝杠上、机架上的两个小端盖之间，按小端盖、齿轮螺母、工作板、齿轮螺母、小端盖的顺序呈对称排列；在该机架两端的端盖与端块组件上设置有实现SMA丝工作轮换的活塞与转换卡盘装置，并在累计位移输出组件与活塞与转换卡盘装置之间的对应位置分布安装有SMA丝；
活塞与输出轮换装置设置于所述机架的每个端盖和端块组件上；所述的活塞与输出轮换装置由容纳于端块和端盖相应位置的弹簧与活塞以及安装于端盖上的轮换卡盘组成。
其中，所述的端盖与端块组件为轻质非金属材料，轻质非金属材料为酚醛树脂、有机玻璃或合成塑料。
其中，累积位移输出组件包括工作板，工作板上固定有3个内侧涂有石墨的铜套，并且连接杆穿过铜套，使得工作板可以沿着连接杆滑动，SMA丝则用新型铜锡复合焊接的方式与固定于工作板两侧的PCB电路板焊接，形成焊点，在中心的丝杠穿过安置于小端盖内侧的齿轮螺母，而齿轮螺母则由小齿轮带动，且小齿轮由小型直流电机驱动。
本发明的特点在于：
一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置，特点在于：包括有两端为端盖与端块组件由套筒、小端盖和连接杆对称组成的机架，设置于所述机架的小端盖之间的累积位移输出装置和设置于所述机架的大端盖和端块组件上的活塞与输出轮换装置；
其中：
在所述的累积位移输出装置有对称的一套可以将工作板和输出丝杠相对锁定或将输出丝杠与机架相对锁定的齿轮副；
所述的端块为轻质非金属材料(酚醛树脂、有机玻璃、合成塑料等)；
所述的活塞与输出轮换装置由容纳于端块和端盖相应位置的弹簧与活塞以及安装于端盖上的轮换卡盘组成。
另外，构成上述一种混合驱动形状记忆合金直线驱动装置的附加技术特征还包括：
——所述的机架由连接杆、小端盖、端盖和端块组件和套筒构成，且机架空心，输出丝杠从其中穿过。
——所述的齿轮副由丝杠上的螺母齿轮和一个小齿轮组成，且小齿轮由固定在小端盖上的小直流电机驱动。
——所述的齿轮螺母和工作板安装在输出丝杠上、机架上的两个小端盖之间，按小端盖、齿轮螺母、工作板、齿轮螺母、小端盖的顺序呈对称排列。
——所述的活塞与输出轮换装置包括容纳在端块中的回复弹簧和活塞以及安装在大端盖上的转换卡盘和驱动这个转换卡盘的环形力矩电机。
——SMA丝采用铜锡复合焊接方案与活动塞和工作板连结。
——转换卡盘和活动塞均为导电材料，通过向转换卡盘通电向工作的SMA丝的一端通电。
——工作板两侧固定有PCB电路板。
——以铜锡复合焊接的方案将SMA丝与工作板上的PCB电路板焊接在一起。
铜锡复合焊接方案、轮换输出装置和轻型材质(碳钢、铝合金)机架为本发明特有的区别特征，累积位移输出装置为背景技术里申请人已发表科研成果中的共用特征。
本发明所提供的混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置与现有技术相比具有以下优点：
其一，由于该装置采用了新型铜锌复合焊接方案进行接头，不再采用机械式连结方法，缩小了机构尺寸，提高了紧凑型，并减轻了重量。
其二，由于该装置设置了四组SMA丝，每组有4根对称分布，即每次有四根SMA丝工作，相较之前的三根工作，输出能力提升1/3。
其三，智能材料均有其不应期，即工作之后需要有间歇时间。对应于SMA材料即为其加热后的冷却时间,只有冷却后的SMA丝才能再次工作，这制约着以SMA丝为驱动源的装置的工作频率。由于本装置设置了轮换组件，可以使5组SMA丝轮换工作，将工作频率至少提高了5倍。
其四，每一次步进的步长由两个小端盖之间的距离与两个齿轮螺母和工作板的厚度之和的差决定，该装置中决定两小端盖之间距离的连接杆以及齿轮螺母和工作板的误差敏感方向精度很高，因此具有步进精度很高的特点。
其五，该装置通过转换卡盘直接向SMA丝供电，结构简单，直接通以足够大的电流，SMA丝迅速响应，因此具有相应速度极快的特点；其六，整个机架采用轻质(碳钢、铝合金、高强度非金属材料等)材料，且进行了结构优化，使得机构重量轻，体积小，具有功重比很高的特点。
附图说明
图1为混合驱动形状记忆合金直线驱动装置的结构示意图；
图2为构成上述直线驱动装置中活塞与转换卡盘装置结构示意图；
图3为活塞以及端盖与端块组件的结构示意图；
图4为新型铜锡复合焊接方式在活塞与SMA丝的连结中的应用方式示意图；
图5为构成上述直线驱动装置中累积位移输出组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示为构成本发明所提供的一种混合驱动形状记忆合金直线驱动装置的结构示意图。构成该直线驱动装置的结构包括由两个端盖与端块组件2、两个套筒3、两个小端盖7以及图4中所示的连接杆16、弹簧垫圈17和螺母18构成的机架，在该机架的中心穿过有丝杠1、两个小端盖7之间设有累计位移输出组件6，在该机架两端的端盖与端块组件2上设置有实现SMA丝4工作轮换的活塞与转换卡盘装置5，并在累计位移输出组件6与活塞与转换卡盘装置5之间的对应位置分布安装有SMA丝4，图1中只画出一侧的SMA丝示意，另一侧布置方式相同，省略未画出；
构成上述直线驱动装置中活塞与转换卡盘装置的结构如图2所示，包括容纳于端盖与端块组件2上相应位置中的活塞8设置于中心轴线上与端盖与端块组件2同轴并相接触的环形力矩电机9以及安装于环形力矩电机9外圈上的转换卡盘10；
构成上述直线驱动装置中活塞以及端盖与端块组件的结构如图3所示，包括端盖14以及依次配合安装在端块14上的端盖隔离板13和端块11，并由螺栓15相固定，端盖14则通过销钉连接的方式与图1中所示的套筒3连结，弹簧12图2中所示的活塞8则以所示方式容纳于端块14中，该活塞12与SMA丝4以新型铜锡复合焊接方式连结，如图5所示；
构成上述直线驱动装置中累积位移输出组件的结构如图4所示，工作板25上固定有3个内侧涂有石墨的铜套21，并且连接杆16穿过铜套21，使得工作板25可以沿着连接杆滑动，SMA丝4则用新型铜锡复合焊接的方式与固定于工作板25两侧的PCB电路板20焊接，形成焊点18，图中只画出一根SMA丝的焊接示意，在中心的丝杠1穿过安置于小端盖7内侧的齿轮螺母24，而齿轮螺母24则由小齿轮23带动，且小齿轮由小型直流电机22驱动。图中所示为两齿轮螺母24分别贴近两小端盖7内侧使得丝杠1与机架相对固定而工作板则可以相对活动的状态；
构成上述直线驱动装置中活塞8与SMA丝4之间的新型铜锡复合焊接的结构示意如图5所示，细铜丝包裹SMA丝后整体被焊锡包裹并容纳进活塞的相应位置实现固结；
构成上述混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置的工作原理为：
首先进行致动器启动：
初始状态为转换卡盘未卡住任何活塞，所有SMA丝处于伸长状态，两侧齿轮螺母的外侧分别与各自一侧的小端盖接触，使丝杠与机架处于相对锁定的状态，工作板则处于行程中间，可与丝杠相对活动。
以下假设致动器将向A方向输出，并把反方向设为B方向。
(S1)用转换卡盘抵住B侧某组丝，开始对B侧卡盘通电，使B侧丝收缩至最短，收缩4mm。由于A、B两侧的丝都是直接接到工作板上，除两侧端块内弹簧对称的弹力再无外力，实际上B侧相对于端盖收缩2mm，A侧也相对于其端盖收缩2mm。此时，A侧的活塞刚好到达可以被转换卡盘卡住的位置，且工作板到达工作行程中最靠近B侧的位置；
(S2)由A侧齿轮副驱动马达驱动A侧的齿轮螺母向B侧旋转，直至其与工作板接触。此时，工作板被两侧的齿轮螺母加紧，与丝杠相对固定；
(S3)A侧转换卡盘旋转，卡住A侧任一组活塞；
(S4)停止对B侧转换卡盘通电，B侧SMA丝断电；
(S5)将B侧转换卡盘转过一个微小角度使之与活塞脱离接触；
然后迅速进入步进输出阶段：
(M1)对A侧转化卡盘通电，A侧被卡住的一组SMA丝开始迅速升温并收缩，拉动工作板，使工作板到达行程中最靠近A侧的位置，同时拖动丝杠输出一步位移。与此同时，A侧未被卡住的活塞受到回复弹簧的弹力而伴随着工作板的移动向外伸出，时刻保持各个SMA丝的张紧；B侧则所有的活塞都被向内拉入，之前启动过程中通电收缩过的那一组的活塞由于SMA丝相对其余未收缩过的SMA丝短一个步长，其活塞全部收入端块中；其余未收缩过的几组其活塞则到达刚好可以被转换卡盘卡住的位置；
(M2)B侧转换卡盘迅速向前旋转，越过已经收入端块内的活塞，卡住下一组；
(M3)由B侧齿轮副驱动马达驱动B侧的齿轮螺母向B侧旋转，直至其与工B侧小端盖接触。此时，A侧齿轮螺母外侧紧靠A侧小端盖，B侧齿轮螺母外侧紧靠B侧小端盖，丝杠与机架相对锁定，工作板与丝杠的锁定解除；
(M4)停止对A侧转换卡盘通电，A侧SMA丝断电；
(M5)将A侧转换卡盘转过一个微小角度使之与活塞脱离接触；
(M6)对B侧转化卡盘通电，B侧被卡住的一组SMA丝开始迅速升温并收缩，拉动工作板，使工作板到达行程中最靠近B侧的位置，即与B侧齿轮螺母的内侧接触。与此同时，B侧未被卡住的活塞受到回复弹簧的弹力而伴随着工作板的移动向外伸出，时刻保持各个SMA丝的张紧；A侧则所有的活塞都被向内拉入，之前输出过程中通电收缩过的那一组的活塞由于SMA丝相对其余未收缩过的SMA丝短一个步长，其活塞全部收入端块中；其余未收缩过的几组其活塞则到达刚好可以被转换卡盘卡住的位置；
(M7)A侧转换卡盘迅速向前旋转，越过已经收入端块内的活塞，卡住下一组；
(M8)停止对B侧转换卡盘通电，B侧SMA丝断电；
(M9)将B侧转换卡盘转过一个微小角度使之与活塞脱离接触；
至此，完成一个步进输出循环。
迅速重复上述步进输出步骤即可实现丝杠长度允许范围内的步进累积输出。通电收缩工作过的SMA丝在若机构设置了n组SMA丝进行工作，则n次步进为一个大循环，第一步中通电收缩工作的SMA丝已完成冷却，即度过其不应期，准备好开始下一个工作循环。
工作结束后的停机步骤如下：
当完成最后一步步进输出的第(M1)步后，越过第(M2)步执行第(M3)(M4)(M5)步，停机工作结束。当所有SMA丝完成冷却后，即回到初始状态。
Claims (3)
1.一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置，该驱动装置具有累积位移输出组件(6)，其特征在于：还包括：机架和丝杠(1)以及轮换输出装置(5)；其中，
所述的机架包括两个端盖与端块组件(2)，连接杆，套筒(3)，以及两个小端盖(7)；在该机架的中心穿过有丝杠(1)、该机架的两端为两个端盖与端块组件，两个端盖与端块组件中间为两个小端盖，由套筒将端盖与端块组件和小端盖连接固定起来，两个小端盖由连接杆对称连接；
累积位移输出组件(6)设置于所述机架的两个小端盖(7)之间；在所述的累积位移输出组件(6)有对称的一套能够将工作板和输出丝杠相对锁定或将输出丝杠与机架相对锁定的齿轮副；所述的齿轮副由丝杠上的齿轮螺母和一个小齿轮组成，且小齿轮由固定在小端盖上的小直流电机驱动，所述的齿轮螺母和工作板安装在输出丝杠上、机架上的两个小端盖之间，按小端盖、齿轮螺母、工作板、齿轮螺母、小端盖的顺序呈对称排列；在该机架两端的端盖与端块组件(2)上设置有实现SMA丝(4)工作轮换的活塞与转换卡盘装置(5)，并在累计位移输出组件(6)与活塞与转换卡盘装置(5)之间的对应位置分布安装有SMA丝(4)；
活塞与输出轮换装置(5)设置于所述机架的每个端盖和端块组件上；所述的活塞与输出轮换装置(5)由容纳于端块和端盖相应位置的弹簧与活塞以及安装于端盖上的轮换卡盘组成。
2.根据权利要求1所述的一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置，其特征在于，所述的端盖与端块组件(2)为轻质非金属材料，轻质非金属材料为酚醛树脂、有机玻璃或合成塑料。
3.根据权利要求1所述的一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置，其特征在于，累积位移输出组件包括工作板(25)，工作板(25)上固定有3个内侧涂有石墨的铜套(21)，并且连接杆(16)穿过铜套(21)，使得工作板(25)可以沿着连接杆滑动，SMA丝(4)则用新型铜锡复合焊接的方式与固定于工作板(25)两侧的PCB电路板(20)焊接，形成焊点(18)，在中心的丝杠(1)穿过安置于小端盖(7)内侧的齿轮螺母(24)，而齿轮螺母(24)则由小齿轮(23)带动，且小齿轮由小型直流电机(22)驱动。
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2014
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