CN104481822B - 一种摆动致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摆动致动器，包括支撑架，所述支撑架包括两个以上的弹簧座，弹簧座上下布置，相邻两个弹簧座之间设置有支撑杆及两根以上竖直的弹簧，弹簧的材料为双程记忆合金，弹簧的上下两端分别固定连接在与其相邻的上下两个弹簧座上，相邻两个弹簧座之间通过支撑杆连接在一起，每个支撑杆的上端均通过销轴铰接在该支撑杆上方的弹簧座上且下端均固定连接在该支撑杆下方的弹簧座上。本发明不仅具有驱动力大、结构简单、可反复使用、可靠性高、可长时间工作、成本低、无噪声、无磁性、便于安装等优点，而且具有类生物摆动的优异性能和简洁紧凑的结构，双程记忆合金弹簧的柔性好，能保证摆动致动器的抗冲击性。

Description

一种摆动致动器
技术领域
本发明涉及致动器技术领域，具体涉及一种摆动致动器。
背景技术
摆动是基本的运动形式之一，摆动驱动的形式在实际应用的场合有很多。目前，国内外已经有许多研究机构利用电机、压电陶瓷材料等驱动方式对摆动致动器展开了研究，传统的电机驱动的摆动致动器具有输出力大，摆动角度大的优点，但是存在着机械结构复杂、价格昂贵、体积大、质量大、能效低、噪声大、灵活性差等缺点。压电陶瓷驱动的摆动致动器具有响应快，输出力大的优点，但是该驱动产生的变形小，需要放大机构，功率质量比小。除了电机、压电陶瓷等驱动的摆动致动器外，现在有一种技术是采用介电弹性体通电变形，实现执行机构的摆动，该机构具有响应速度快、摆动角度大等优点，但该机构同时存在着驱动电压高(数千伏的驱动电压)、驱动力小(驱动力仅几牛顿到几十牛顿)以及对结构形状有特殊的要求等缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种摆动致动器，该摆动致动器驱动电压低、驱动力大、结构简单、可反复使用、可靠性高、可长时间工作、成本低、便于安装。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种摆动致动器，包括支撑架，所述支撑架包括两个以上的弹簧座，弹簧座上下布置，相邻两个弹簧座之间设置有支撑杆及两根以上竖直的弹簧，弹簧的材料为双程记忆合金，弹簧的上下两端分别固定连接在与其相邻的上下两个弹簧座上，相邻两个弹簧座之间通过支撑杆连接在一起，每个支撑杆的上端均通过销轴铰接在该支撑杆上方的弹簧座上且下端均固定连接在该支撑杆下方的弹簧座上。
优选地，每根弹簧均通过隔热套与弹簧座相连，隔热套固定连接在弹簧座上，每根弹簧的端部均固定连接在隔热套上。
优选地，每根弹簧均螺纹连接在隔热套的内壁上。
优选地，所述隔热套的内腔设置有隔断台，隔断台将隔热套的内腔分隔成上腔和下腔。
优选地，弹簧座的下端面相对设置有两个凸块，支撑杆的上端卡入两个凸块之间，所述销轴将支撑杆和两个凸块连接在一起。
优选地，所述弹簧座整体呈长方体形，其中部镂空。
优选地，弹簧由CuZnAl双程记忆合金材料制成，其表面镀锡。
优选地，相邻两个弹簧座之间设置的弹簧的数量为2～10个。
优选地，所述弹簧为加热时伸长的双程记忆合金弹簧，相邻两个弹簧座之间的每根弹簧的预拉伸量为10％～30％。
优选地，所述弹簧为加热时缩短的双程记忆合金弹簧，相邻两个弹簧座之间的每根弹簧的预压缩量为10％～30％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明摆动致动器采用双程记忆合金材料的弹簧作为摆动执行件，初始状态，摆动致动器两侧的弹簧抗力相同，故摆动致动器处于平衡状态；当给一侧的弹簧通电加热时，在热激励下弹簧发生相变，另一侧的预拉伸或预压缩的弹簧具有回复到原长的趋势，摆动致动器两侧的弹簧抗力失衡，故摆动致动器摆向一侧。当通电加热的激励撤去后，弹簧又能恢复到原来两侧的弹簧抗力相同的状态，摆动致动器重新回到原来平衡状态。本发明不仅具有驱动力大、结构简单、可反复使用、可靠性高、可长时间工作、成本低、便于安装等优点，而且具有类生物摆动的优异性能和简洁紧凑的结构，双程记忆合金弹簧的柔性好，保证摆动致动器的抗冲击性。
另外，如果弹簧座的数量为三个以上，则摆动致动器的摆动角度可以由多个弹簧座的摆动角度累加而成，弹簧座越多，摆动致动器摆动角度就越大，摆动致动器的柔性就越大，其摆动灵活性就越高，实现了仿生驱动和柔性驱动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明平衡状态下的示意图；
图3为本发明摆动后的示意图；
图4为本发明中弹簧座的结构示意图；
图5为本发明中隔热套的剖视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～图4所示，一种摆动致动器，包括支撑架1，所述支撑架1包括两个以上的弹簧座11，弹簧座11上下布置，相邻两个弹簧座11之间设置有支撑杆12及两根以上竖直的弹簧2，弹簧2的材料为双程记忆合金，优选地，弹簧2由CuZnAl双程记忆合金材料制成，其表面镀锡。弹簧2的上下两端分别固定连接在与其相邻的上下两个弹簧座11上，相邻两个弹簧座11之间通过支撑杆12连接在一起，每个支撑杆12的上端均通过销轴3铰接在该支撑杆12上方的弹簧座11上，因此，支撑杆12上端连接的弹簧座11可以绕销轴3转动，即其能够摆动。支撑杆12的数量可以设置多根，此多根支撑杆12排列在一条直线上，这样可以进一步提高支撑架1的稳定性，也有助于弹簧座11的准确摆动。优选地，弹簧座11的下端面相对设置有两个凸块13，支撑杆12的上端卡入两个凸块13之间，所述销轴3将支撑杆12和两个凸块13连接在一起，两个凸块13夹住支撑杆12，可以提高支撑杆12的稳定性，支撑杆12不易晃动，这样可以进一步提高致动器的精度。每个支撑杆12下端均固定连接在该支撑杆12下方的弹簧座11上。支撑杆12为T形杆，其小端插入两个凸台13之间，其大端通过螺栓固定连接在该支撑杆12下方的弹簧座11上。
优选地，所述弹簧座11整体呈长方体形，其中部镂空，这样一是可以降低弹簧座11的重量，有助于其快速摆动和回位，进而提高致动器的灵敏度；另外，如果弹簧座11呈长方体，则其受到销轴3的限制，只能跟着销轴3旋转，其可以在特定的方向上转动，转动方位比较好控制。
图1～图3示出了三个弹簧座11时的情况。使用时，还可以进行扩展，在最上方和最下方的弹簧座11上安装弹簧2、支撑杆12及其它弹簧座11等零件。如果把一个弹簧座11、连接在一个弹簧座11某一端上的支撑杆12、多根弹簧2及多个隔热套4看作一个作动单元，则这些作动单元可以进行叠加安装，这样致动器就可以有N个作动单元工作(其中N为正整数)。
进一步，每根弹簧2均通过隔热套4与弹簧座11相连，隔热套4固定连接在弹簧座11上，每根弹簧2的端部均固定连接在隔热套4上，隔热套4的材料为可加工的微晶玻璃陶瓷。作为优选，每根弹簧2均螺纹连接在隔热套4的内壁上。参照图5，所述隔热套4的内腔设置有隔断台41，隔断台41将隔热套4的内腔分隔成上腔和下腔。隔热套4的外侧设置有外螺纹，内侧设置有内螺纹，隔热套4的外侧螺纹连接在弹簧座11上，其内侧螺纹连接弹簧2。如果上下相对的两根弹簧2安装在同一个隔热套4内，则隔热套4内的隔断台41可以防止其内连接的两根弹簧2相互挤压而影响预伸长量或预压缩量。由于弹簧2会进行加热升温，因此隔热套4能有效防止弹簧2上的热量扩散到其它的零件上，以防影响其它零件的正常使用。
进一步，相邻两个弹簧座11之间设置的弹簧2的数量为2～10个；当弹簧的数量为四个以上时，这些弹簧2分成两列设置在弹簧座11上，这样比较容易控制弹簧座11的转动方向，弹簧座11的转动比较准确，不易发生晃动及偏离预定位置，而且也有助于提高致动器的驱动力。如果相邻两个弹簧座11之间设置的弹簧2的数量为偶数个，则这两列弹簧2左右对称设置在弹簧座11上。
进一步，作为一种选择，所述弹簧2可以为加热时高温伸长的双程记忆合金弹簧，其处于伸长状态的相变温度为80℃～95℃，相邻两个弹簧座11之间的每根弹簧2的预拉伸量为10％～30％；或者，作为另一种选择，所述弹簧2可以为加热时高温缩短的双程记忆合金弹簧，其处于缩短状态的相变温度为65℃～85℃，相邻两个弹簧座11之间的每根弹簧2的预压缩量为10％～30％。每根弹簧2在安装时先进行预拉伸或预压缩，这样便于通电加热后其快速带动弹簧座11摆动，这种结构会显著提高摆动致动器的响应速度、驱动力和摆动角度，有助于提高工作效率。
本摆动致动器采用双程记忆合金材料的弹簧2作为摆动执行件，初始状态，摆动致动器两侧的弹簧2抗力相同，故摆动致动器处于平衡状态，弹簧座11不摆动。当给一侧的弹簧2通电加热时，在热激励下弹簧2发生相变，另一侧的预拉伸或预压缩的弹簧2具有回复到原长的趋势，摆动致动器两侧的弹簧2抗力失衡，故摆动致动器摆向一侧。当通电加热的激励撤去后，弹簧2又能恢复到原来两侧的弹簧2抗力相同的状态，摆动致动器重新回到原来平衡状态。本发明不仅具有驱动力大、结构简单、可反复使用、可靠性高、可长时间工作、成本低、噪声低、便于安装等优点，而且具有类生物摆动的优异性能和简洁紧凑的结构，弹簧2的柔性好，保证摆动致动器的抗冲击性。
如果弹簧座11的数量为两个，则在上的弹簧座11能够摆动，在下的弹簧座11不能摆动。
如果弹簧座11的数量为三个以上，则最下方的弹簧座11不能摆动，在上的所有弹簧座11均能摆动，摆动致动器的摆动角度可以由多个弹簧座11的摆动角度累加而成，弹簧座11越多，摆动致动器摆动角度就越大，摆动致动器的柔性就越大，其摆动灵活性就越高，实现了仿生驱动和柔性驱动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摆动致动器，包括支撑架(1)，其特征在于：所述支撑架(1)包括两个以上的弹簧座(11)，弹簧座(11)上下布置，相邻两个弹簧座(11)之间设置有支撑杆(12)及两根以上竖直的弹簧(2)，弹簧(2)的材料为双程记忆合金，弹簧(2)的上下两端分别固定连接在与其相邻的上下两个弹簧座(11)上，相邻两个弹簧座(11)之间通过支撑杆(12)连接在一起，每个支撑杆(12)的上端均通过销轴(3)铰接在该支撑杆(12)上方的弹簧座(11)上且下端均固定连接在该支撑杆(12)下方的弹簧座(11)上。
2.根据权利要求1所述的一种摆动致动器，其特征在于：每根弹簧(2)均通过隔热套(4)与弹簧座(11)相连，隔热套(4)固定连接在弹簧座(11)上，每根弹簧(2)的端部均固定连接在隔热套(4)上。
3.根据权利要求2所述的一种摆动致动器，其特征在于：每根弹簧(2)均螺纹连接在隔热套(4)的内壁上。
4.根据权利要求2所述的一种摆动致动器，其特征在于：所述隔热套(4)的内腔设置有隔断台(41)，隔断台(41)将隔热套(4)的内腔分隔成上腔和下腔。
5.根据权利要求1所述的一种摆动致动器，其特征在于：弹簧座(11)的下端面相对设置有两个凸块(13)，支撑杆(12)的上端卡入两个凸块(13)之间，所述销轴(3)将支撑杆(12)和两个凸块(13)连接在一起。
6.根据权利要求1所述的一种摆动致动器，其特征在于：所述弹簧座(11)整体呈长方体形，其中部镂空。
7.根据权利要求1所述的一种摆动致动器，其特征在于：弹簧(2)由CuZnAl双程记忆合金材料制成，其表面镀锡。
8.根据权利要求1所述的一种摆动致动器，其特征在于：相邻两个弹簧座(11)之间设置的弹簧(2)的数量为2～10个。
9.根据权利要求1所述的一种摆动致动器，其特征在于：所述弹簧(2)为加热时伸长的双程记忆合金弹簧，相邻两个弹簧座(11)之间的每根弹簧(2)的预拉伸量为10％～30％。
10.根据权利要求1所述的一种摆动致动器，其特征在于：所述弹簧(2)为加热时缩短的双程记忆合金弹簧，相邻两个弹簧座(11)之间的每根弹簧(2)的预压缩量为10％～30％。
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