CN106014897B - 集成式位移放大机构及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集成式位移放大机构及其运动方法，该机构利用滑轮组成U型绕丝方式，该位移放大机构利用SMA丝的记忆形变效应将水平方向运动转化为整个机构垂直方向运动，并实现了位移的放大；其运动方法实现了双程运动，在有限的机构空间内，增长形状记忆合金丝的有效长度，从而增大变形量，节省机构空间；其优选的实施方式通过封闭盒体可实现形状记忆合金丝良好的温度控制效果；借助向盒体顶端通气管通入大量热空气或者给SMA通入一定的电流，可实现形状记忆合金丝的快速加热，而通入低温冷空气可使SMA丝快速冷却，从而提高机构作动的速度。

Description

集成式位移放大机构及其运动方法

技术领域

本发明涉及仪器驱动原件的技术领域，具体为形状记忆合金驱动的集成式位移放大机构及其运动方法。

背景技术

传统机构驱动元件主要为机电驱动式，例如液压驱动，优点在于它的远距离，高灵敏度和安全性，适合于大负载要求，但其存在成本大、易漏油等缺点；电机驱动，其优点在于具有较大的功率质量比，但是驱动电路较为复杂。随着新材料的研究和发展，新型智能材料不断涌现，在此之中适合作驱动元件的主要有压电陶瓷材料、磁致伸缩材料和形状记忆合金（SMA）。压电陶瓷材料作为驱动元件激励功率小，响应速度快，尺寸可以做到很小和很薄，但是当位移较大时，它产生的力就比较小，要获得最大的应变量时，需要的驱动电压也很高。磁致伸缩材料的频率特性好，可靠性高，无疲劳，但也存在伸缩变形很小，需要施加外磁场、驱动需要的能量大，势必导致整个机构装置外形尺寸大，结构复杂。

形状记忆合金因其驱动应变大、功重比高和无噪声等优点被广泛应用于航空航天、工业仪器仪表、医疗器械、机器人等诸多领域。形状记忆效应和相变超弹性性能是形状记忆合金所具有的最典型的两个基本特征。形状记忆效应是指发生马氏体相变的合金形变后，被加热到终了温度以上，使低温的马氏体逆变为高温母相而回复到形变前固有形状。在相变的整个过程中，材料的变形量、变位过程所输出的回复力以及材料本身的内阻都和温度有着一一对应的关系，因此形状记忆合金作为驱动器时可以通过控制温度，控制回复力。也因此形状记忆合金存在如下缺点，回复力与温度关系密切，加热所达到的温度需得到保证，且自然冷却速度慢，导致机构响应时间慢。形状记忆效应在记忆合金产生2%-7%形变量的时候最明显，即能完全恢复形变前固有形状，因此单纯利用形状记忆合金来进行位移操作，在有限机构空间内驱动的位移量往往难以达到要求。

发明内容

为了克服以上缺点，本发明提出了基于形状记忆合金的集成式位移放大机构，该位移放大机构主要由机械运动系统和形状记忆合金驱动系统两部分组成。整体结构紧凑，可集成化封装，外观简洁，驱动方便，作动速度快，功重比高。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提供的形状记忆合金驱动的集成式位移放大机构，其特征在于，该机构包括基座、顶座以及基座顶座间的位移系统，所述位移系统包括机械运动系统和形状记忆合金丝驱动系统；

所述机械运动系统固定连接在基座与顶座之间，采用剪叉式垂直位移升降结构，并设有水平位移输入端，所述水平位移输入端连接至形状记忆合金丝驱动系统；

所述形状记忆合金丝驱动系统包括形状记忆合金SMA丝、滑轮组结构，所述SMA丝中间穿过滑轮组结构两端均固定在水平位移输入端上，对所述SMA丝加热或冷却使得SMA丝的长短变化转化为机械运动系统垂直方向的运动。

所述机械运动系统包括底部水平运动轴、底部滑槽支座、顶部滑槽支座、横轴、剪叉臂、长形孔以及SMA接线端子；所述底部滑槽支座成对相向固定在基座上，相向面上设置有长形孔，所述水平运动轴两端穿过长形孔连接在底部滑槽支座间，所述SMA接线端子为高强度绝缘材料（如玻璃纤维复合材料或电木材料等）制作且固定在水平运动轴两端；所述顶部滑槽支座与底部滑槽支座对应设置固定于顶座上，在对应的顶部、底部滑槽支座间交叉安装有剪叉臂；在对应的剪插臂的插肩上处连接有横轴。

在所述形状记忆合金丝驱动系统中，所述滑轮组结构包括滑轮、滑轮支架、滑轮底座，所述滑轮底座固定在基座上，设置在底部滑槽支座的两侧，滑轮支架垂直固定于基座；在滑轮底座与滑轮支架顶部均设有滑轮，形成上下分布的滑轮组；所述滑轮带有u型槽且该槽的材料为绝缘材料；

所述SMA丝分为对称设置的两根，其中一根SMA丝的两端分别固定在两个底部滑槽支座SMA接线端子的同侧，形成若干连续的U型SMA丝结构；

所述滑轮组结构也分为对称设置的两组，分别布置在机械运动系统的两侧，形成结构相同的两组缠绕SMA丝的滑轮组。

在所述相向设置的底部滑槽支座对应位置设有长形孔，在所述长形孔中设有水平运动轴，且该水平运动轴将最底部同向的剪叉臂起始端连接起来，固定于底部滑槽支座的相背面，SMA接线端子也固定在水平运动轴上，且两端用螺栓固定；

所述SMA丝固定两端于SMA接线端子上，外接导线连接与SMA丝两端并延伸至基座外侧，以便进行电流加热；

所述SMA接线端子在SMA丝的带动下与水平运动轴同时在长形孔内水平来回移动，形成机械运动系统的位移输入端。

在所述集成式位移放大机构整体的外部装有套筒，所述套筒包括套筒盒体、挡板，所述套筒内部通过挡板将机械运动系统与形状记忆合金丝驱动系统隔开；在所述套筒的顶面的中部敞口，两侧设有端盖，所述端盖分为两层，内层为分布有通孔的蜂窝层，外层为设有通气管的盖板。

形状记忆合金驱动的集成式位移放大机构的运动方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，安装集成式位移放大机构，安装前将一侧的SMA丝进行预拉伸，另一侧的SMA保持初始状态；

步骤二，将机械运动系统采用外力上升至极限位置，将预拉伸的SMA丝固定于能够使剪叉式位移结构下降的底部滑槽支座的一侧；然后再将未预拉伸的SMA丝固定于底部滑槽支座的另一侧；

步骤三，对预拉伸过的SMA丝进行加热，使SMA丝收缩将拉动水平运动轴，剪叉式升降位移结构向下运动；运动结束后，套筒顶部的这一侧的进气管输入冷却空气，对该侧的SMA丝进行冷却；随后对另一侧的SMA丝进行加热，剪叉式升降位移结构向上运动；运动结束后，套筒顶部该侧的进气管输入冷却空气，对SMA进行冷却；如此反复，实现机构的上下往复运动。

通过盖板上的通气孔向套筒内通入高温气体或是给SMA丝施加电流，使SMA丝加热。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、机构充分保证了形状记忆合金所需的驱动条件 ，在有限机构空间内用U型绕丝的方式增加形状记忆合金丝的有效长度，从而增加形变量，再经过剪叉式机械运动系统实现整体机构位移的放大。

2、本机构结构紧凑，可集成封装，外观简洁，小巧便携。通过封闭盒体便可实现形状记忆合金丝的高效保温，以及快速冷却功能，从而缩短SMA丝响应时间，加快整个机构作动速度。结构集成封装利用挡板分开机械运动系统与驱动系统，封闭驱动系统从而可实现多种方式加热形状记忆合金丝。

3、本发明的机械运动系统将水平方向运动转换为垂直方向运动，并且保证位移放大比例，因此整个位移放大机构功重比高。

4、通过安装位移传感器反馈电压信号可对本机构位移进行实时精确控制。

5、单程的形状记忆合金丝通过本机构可实现双程运动。在机构两侧布丝，循环加热冷却，整体机构上下往复运动，即形成形状记忆合金丝的双程运动。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明机构的机械运动系统原理图；

图2是形状记忆合金驱动系统结构图；

图3是位移放大机构驱动原理图；

图4是机构集成封装示意图；

图5是冷却系统结构示意图；

图6是蜂窝层结构示意图；

图7是基座结构示意图；

图8是挡板结构示意图；

图中1.顶座，2.横轴，3.剪叉臂，4.直线光轴，5.直线滑块，6.基座，7.接线端子，8.水平运动轴，9.滑槽支座，10. SMA丝，11，滑轮支架，12.滑轮，13.滑轮底座，14.垫圈，15.通气管，16，基座通气孔，17.挡板，18.蜂窝层。

具体实施方式

本发明提供集成式位移放大机构及其运动方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本发明提供的形状记忆合金驱动的集成式位移放大机构包括基座6、顶座1以及基座6顶座1间的位移系统，所述位移系统包括机械运动系统和形状记忆合金丝驱动系统；

机械运动系统固定连接在基座与顶座之间，采用剪叉式升降位移结构，并设有位移输入端，位移输入端连接至形状记忆合金丝驱动系统；机械运动系统包括了底部滑槽支座、顶部滑槽支座、横轴2、剪叉臂3，水平运动轴8及接线端子7底部滑槽支座成对相向固定在基座上，底部滑槽支座间连接有水平运动轴8；顶部滑槽支座与底部滑槽支座对应设置固定于顶座1上，在对应的顶部、底部滑槽支座间交叉安装有剪叉臂3；在对应的剪插肩处连接有横轴2。

形状记忆合金丝驱动系统包括形状记忆合金SMA丝10、滑轮组结构；，SMA丝10一端固定于基座6上，另一端经滑轮组结构连接到机械运动系统的位移输入端；直线光轴4竖立在基座6上，在其上套装有直线滑块5；直线滑块5连接在顶座1上，将SMA丝10加热后的位移变化经机械运动系统传递到顶座1上。滑轮组结构包括滑轮12、滑轮支架11、滑轮底座13，滑轮底座13固定在基座上，设置在底部滑槽支座的两侧，滑轮支架11垂直固定于基座6；在滑轮底座13与滑轮支架11顶部均设有滑轮12，形成上下分布的滑轮组，滑轮带有u型槽，且该槽的材料为绝缘材料；SMA丝10外部套有聚四氟乙烯管，将SMA丝10的一端固定在一个底部滑槽支座的接线端子7上的一侧，另一端穿过滑轮组，固定在相向设置的另一个底部滑槽支座的接线端子7的相同侧，形成若干连续的U型SMA丝结构；底部滑槽支座的另一侧结构相同。

在相向设置的底部滑槽支座对应位置设有长形孔，水平运动轴8两端穿出长形孔中，且该水平运动轴8将最底部同向的剪叉臂3起始端连接起来，通过接线端子7固定于底部滑槽支座的相背面，接线端子7为高强度绝缘材料制作，如玻璃纤维复合材料或电木材料等；交叉剪叉臂3中的另一对同向剪叉臂的起始端直接固定于底部滑槽支座上；SMA丝10固定两端于接线端子7上，其一端通过导线延伸至基座6外侧，以便进行加热；SMA接线端子7在SMA丝的带动下与水平运动轴同时在长形孔内水平来回移动，形成机械运动系统的位移输入端。

在图1中，将水平运动轴8装入底部滑槽支座9中，用防松螺母安装底部两个剪叉臂3，将接线端子7与垫圈14图2中按顺序装配到水平运动轴8上，再将滑槽支座9固定在基座6对应孔位。将十二个剪叉臂3两两依次用螺栓和防松螺母固定组合，每两个剪叉臂接触面间放置金属垫片。以与底部相同的次序安装顶部粗轴和顶部滑槽支座并用放松螺母固定安装两个剪叉臂3。横轴2为带有轴肩的圆轴，将其按次序穿过已组合的X型剪叉臂3的插肩与其形成铰接，在剪叉臂3与横轴2之间放置金属垫片后用防松螺母固定，并与底部以及顶部组合体中的剪叉臂3用放松螺母固定形成放大机构主要组成单元。最后将两个光轴4旋转进入基座6螺纹孔内，固定于基座6上。将直线滑块5与机构顶座1之间的支撑架用螺栓固定后套入直线光轴4中。机构顶座1可根据需要设计不同的形状，本实施例设计成弧形，可以通过某结构内置位移放大机构实现面壁的变形。

实施例2：

作为本发明的一种优选实施方式，在集成式位移放大机构整体的外部套装有套筒，套筒包括套筒盒体、挡板17，套筒内部通过挡板17将机械运动系统与形状记忆合金丝驱动系统隔开；在套筒的顶面，中部敞口，两侧设有端盖，端盖分为两层，内层为分布有通孔的蜂窝层18，外层为设有通气管15的盖板；在基座上分布有若干基座通气孔16。

图4和图5中整体机构安装好套入套筒内，套筒中间开了凹槽以便放大机构运作。其次挡板17侧部开了两个U型槽以便通过SMA丝，把机械运动系统与驱动系统分隔开，并且封闭驱动系统，从而实现SMA丝的温度控制效果。

图5中套筒盒体顶端为两层设计，内层是蜂窝层18，嵌入数个小通气孔。冷却过程中，通过空气压缩机往通气管15内通气，气流顺势进入内部蜂窝层，从上而下经过基座6通气孔16以及基座凹槽快速通过，带走热量，实现快速冷却效果。蜂窝层的小通气孔便于气体均匀进入整个驱动系统，达到同时改变效果。

结合上述两种实施例中的形状记忆合金驱动的集成式位移放大机构，本发明还提供对应位移放大机构的运动方法，具体为：

步骤一，安装集成式位移放大机构，安装前将一侧的SMA丝进行预拉伸，另一侧的SMA保持初始状态，不进行预拉伸；

步骤二，将机械运动系统采用外力上升至极限位置，将预拉伸的SMA丝固定于能够使剪叉式位移结构下降的底部滑槽支座的一侧；然后再将未预拉伸的SMA丝固定于底部滑槽支座的另一侧；

步骤三，对预拉伸过的SMA丝进行加热，使SMA丝收缩将拉动水平运动轴，剪叉式升降位移结构向下运动；运动结束后，套筒顶部的这一侧的进气管输入冷却空气，对该侧的SMA丝进行冷却；随后对另一侧的SMA丝进行加热，剪叉式升降位移结构向上运动；运动结束后，套筒顶部该侧的进气管输入冷却空气，对SMA进行冷却；如此反复，实现机构的上下往复运动。

如果需要对该机构进行保温或者冷却，通过盖板上的通气孔向套筒内通冷气，使机构快速冷却；如果需要对该SMA丝进行加热，可以通过电流进行电加热，也可以通过盖板上的通气孔向套筒内通高温气体，使机构加热。

在图2中将滑轮12固定于滑轮底座13与滑轮支架11内，再将滑轮底座13与滑轮支架11固定于基座6。将两根SMA丝10预拉伸6%，套上聚四氟乙烯管10。其次将SMA丝10穿过右侧内部接线端子7，通过滑轮12U型方式绕到另一侧内部接线端子7孔中。将机构用外力达到上升极限位置，把先前绕好的SMA丝10两端穿过打好孔的螺栓内，在极限位置装紧SMA丝10并用螺母固定螺栓。另侧丝穿过外部接线端子7在下降极限位置同样方法装紧。

图3中SMA丝10通过绕滑轮形成U型形式，增加其有效长度。机构SMA丝可从基座底端圆孔以及基座侧槽内伸出，以便通电加热。图3中水平运动轴8处于最右端，机构处于下降极限位置，结合图2中SMA丝安装的方法可知，当对左侧SMA丝通电加热，SMA丝收缩将会拉动水平运动轴8向左侧运动，带动剪叉臂3与横轴2形成的铰接机构运动。反之，右侧SMA丝则提供下降驱动力，并且通过两侧SMA丝的共同作用实现机构的上下往复运动。

图4中位移放大机构盒体封闭完后，通过向盒体顶部通气管通入气体的方式改变SMA丝的温度。向图4左侧通气管15通入热空气，左侧SMA丝温度升高而收缩，驱动粗轴左移，整体机构上升；向左侧通气管15通入冷空气，左侧SMA丝温度迅速下降，驱动力减小，向右侧通气管通入热空气，右侧SMA丝温度升高而收缩产生回复力即驱动力，整体机构下降。

在本发明中机械运动系统结构主要由基座、滑槽、剪叉臂、横轴、接线端子和水平运动轴组成，其主要机械起传递动力和支撑作用。放大机构是一种组合式的多杆机构，基本组成单元为X型剪叉式机构。X形剪叉式机构具有等距对称性和运动相似性，当在最下端X形单元的首铰链处施加水平向内（向外）的推力（拉力）时，其上部X形单元的各铰链点均向内向上（向外向下）运动。由于最上端的末铰链处与上部输出结构相连，并可沿上部结构水平移动，即在槽内水平滑动，所以剪叉式机构可以将水平方向的推力（拉力）转化为竖直向上（向下）的运动，且由于X型剪叉式机构的推力与机构运动距离存在正比，n层即可形成水平位移和竖直位移的1：n的比例关系。本方案为五层剪叉式机构，水平运动轴水平运动10mm，竖直方向运动50mm。剪叉臂与横轴以及各个剪叉臂间添加等量的垫片减少摩擦。为了增强稳定性，固定光轴，在连接件上固定接线端子。当机构上下运动时，滑块沿着光轴上下运动，从而保证了整个结构的上下直线运动。该滑轮轴承的型号为SCS8UU，内置尼龙保持架，使用轴承钢材质，具备高强度的特性。采用哥德型四点接触设计，可承受各方向负荷，具有刚性强，精度高等特性。

驱动系统主要由形状记忆合金丝、滑轮、滑轮支架、接线端子和冷却系统组成。本机构选择镍钛合金制成的单程形状记忆合金，直径为1mm，其记忆特性稳定，记忆寿命长。为了方便安装把合金制成丝状，可采用直流电压通电加热或者通入热空气方式提高它的温度实现记忆效应，机构功耗低，驱动方便。滑轮支架与滑轮组成U型空间，可以在有限机构内增加SMA丝的有效长度从而增加其变形量。安装前对SMA丝预拉伸，因此安装后加热一侧丝，该侧SMA丝收缩产生回复力即驱动力，而SMA在室温马氏体相时通常非常柔软，因此另一侧丝呈现被拉伸状态，等该侧丝冷却之后，加热另一侧丝即可实现机构的上下往复双程运动。考虑到SMA丝对温度的敏感，可对机构进行封装，即集成化为一个厚度2mm的盒体，盒体顶端为双层设计，内层为蜂窝层嵌入数个小通气孔，外层封闭并左右对称一个通气管。蜂窝层通气孔设计为了使得气体通过通气管后能均匀进入整个驱动系统，达到平均改变内部温度的目的。本方案通过置放挡板把驱动系统和机械运动系统分开，封闭驱动系统（滑轮支架部分），以此达到实验中SMA丝保温效果；其次在机构基座开两边各开两个椭圆形通气孔孔，当处于冷却过程中，使用空气压缩机对盒体顶端通气管内通气，短时间有限机构空间内，气流从上而下通过基座孔、底座侧槽快速经过，带走内部热量，达到快速冷却效果，从而加快机构的响应时间。

为了实时获取该机构的位移信息，还可安装位移传感器，本方案选用米朗KTC-75mm拉杆式直线位移传感器。该位移传感器为绝对位置测量型，输出直流电压信号，有效行程为75mm。将其拉杆连着滑块，随着机构上下运动，滑块上下运动，即可获取实时位移信息。

以上所述，仅为了解释本发明所设计的简易实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.集成式位移放大机构，其特征在于，该机构包括基座、顶座以及基座顶座间的位移系统，所述位移系统包括机械运动系统和形状记忆合金丝驱动系统；

所述机械运动系统固定连接在基座与顶座之间，采用剪叉式垂直位移升降结构，并设有水平位移输入端，所述水平位移输入端连接至形状记忆合金丝驱动系统；

所述形状记忆合金丝驱动系统包括形状记忆合金SMA丝、滑轮组结构，所述SMA丝中间穿过滑轮组结构两端均固定在水平位移输入端上，对所述SMA丝加热或冷却使得SMA丝的长短变化转化为机械运动系统垂直方向的运动；

在所述形状记忆合金丝驱动系统中，所述滑轮组结构包括滑轮、滑轮支架、滑轮底座，所述滑轮底座固定在基座上，设置在底部滑槽支座的两侧，滑轮支架垂直固定于基座；在滑轮底座与滑轮支架顶部均设有滑轮，形成上下分布的滑轮组；所述滑轮带有u型槽且该u型槽的材料为绝缘材料；

所述SMA丝分为对称设置的两根，其中一根SMA丝的两端分别固定在两个底部滑槽支座SMA接线端子的同侧，形成若干连续的U型SMA丝结构；形成结构相同的两组缠绕SMA丝的滑轮组。

2.根据权利要求1所述的集成式位移放大机构，其特征在于，所述机械运动系统包括底部水平运动轴、底部滑槽支座、顶部滑槽支座、横轴、剪叉臂、长形孔以及SMA接线端子；所述底部滑槽支座成对相向固定在基座上，相向面上设置有长形孔，所述水平运动轴两端穿过长形孔连接在底部滑槽支座间，所述SMA接线端子为高强度绝缘材料制作且固定在水平运动轴两端；所述顶部滑槽支座与底部滑槽支座对应设置固定于顶座上，在对应的顶部、底部滑槽支座间交叉安装有剪叉臂；在对应的剪叉 臂的插肩上处连接有横轴。

3.根据权利要求1所述的集成式位移放大机构，其特征在于，在所述相向设置的底部滑槽支座对应位置设有长形孔，在所述长形孔中设有水平运动轴，且该水平运动轴将最底部同向的剪叉臂起始端连接起来，固定于底部滑槽支座的相背面，SMA接线端子也固定在水平运动轴上，且两端用螺栓固定；

所述SMA丝固定两端于SMA接线端子上，外接导线连接与SMA丝两端并延伸至基座外侧，以便进行电流加热；

所述SMA接线端子在SMA丝的带动下与水平运动轴同时在长形孔内水平来回移动，形成机械运动系统的位移输入端。

4.根据权利要求1所述的集成式位移放大机构，其特征在于，在所述集成式位移放大机构整体的外部装有套筒，所述套筒包括套筒盒体、挡板，所述套筒内部通过挡板将机械运动系统与形状记忆合金丝驱动系统隔开；在所述套筒的顶面的中部敞口，两侧设有端盖，所述端盖分为两层，内层为分布有通孔的蜂窝层，外层为设有通气管的盖板。

5.集成式位移放大机构的运动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，安装集成式位移放大机构，安装前将一侧的SMA丝进行预拉伸，另一侧的SMA保持初始状态；

步骤二，将机械运动系统采用外力上升至极限位置，将预拉伸的SMA丝固定于能够使剪叉式位移结构下降的底部滑槽支座的一侧；然后再将未预拉伸的SMA丝固定于底部滑槽支座的另一侧；

步骤三，对预拉伸过的SMA丝进行加热，使SMA丝收缩将拉动水平运动轴，剪叉式升降位移结构向下运动；运动结束后，套筒顶部的这一侧的进气管输入冷却空气，对该侧的SMA丝进行冷却；随后对另一侧的SMA丝进行加热，剪叉式升降位移结构向上运动；运动结束后，套筒顶部该侧的进气管输入冷却空气，对SMA进行冷却；如此反复，实现机构的上下往复运动。

6.根据权利要求5所述的集成式位移放大机构的运动方法，其特征在于，

通过盖板上的通气孔向套筒内通入高温气体或是给SMA丝施加电流，使SMA丝加热。