CN107725290A - 形状记忆合金热机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金热机驱动装置，属于机电设备技术领域。该装置包括安装于底盘上的形状记忆合金热机，所述形状记忆合金热机通过动滑轮机构连接皮带传动机构，所述皮带传动机构通过单向轴承连接主轴，主轴另一端与立式轴承座连接，所述形状记忆合金热机连接热机控制系统。本发明的有益效果是：具有机械结构简单、输出位移大等优点，通过加入动滑轮机构将形状记忆合金弹簧的输出位移放大近两倍，加入皮带轮传动机构有利于驱动性能的提高；本发明为形状记忆合金热机驱动器提供了一种新的设计方案。

Description

形状记忆合金热机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金驱动的热机，属于机电设备技术领域。

背景技术

形状记忆合金是一种的新型的功能性金属材料，它产生于上世纪六十年代初，目前在包括机电、航空航天、医疗器械、汽车等许多领域被广泛应用。形状记忆合金具有优良的的形状记忆效应，可通过合理的加热和控制来改变形状，输出较大的位移和驱动力，因此可被制成驱动器等应用在智能机器人领域。根据形状记忆合金单程形状记忆效应制成的SMA弹簧是组成热机的重要部分，是热机驱动力的根本来源，配以具有一定劲度系数普通弹簧，就可以完成达到双程形状记忆合金的效果，并且输出位移、输出力相对来说更易控制。现有的基于形状记忆合金驱动的热机输出位移相对较小，驱动性能不高。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种放大输出位移、提高驱动性能的形状记忆合金热机驱动装置。

本发明的技术方案是：一种形状记忆合金热机驱动装置，包括安装于底盘上的形状记忆合金热机，所述形状记忆合金热机通过动滑轮机构连接皮带传动机构，所述皮带传动机构通过单向轴承连接主轴，主轴另一端与立式轴承座连接，所述形状记忆合金热机连接热机控制系统。

所述动滑轮机构包括，位于滑轮型腔内的动滑轮，所述动滑轮通过滚珠轴承b转动连接滑轮轴，所述滑轮轴两侧分别连接滚珠轴承a，所述滚珠轴承a位于滑轮型腔内侧壁的滑道中，所述滑轮轴通过施力端连接形状记忆合金热机，所述动滑轮外周缠绕拉绳，拉绳的两端分别为固定端和受力端，所述固定端连接滑轮型腔内的固定柱，所述受力端连接皮带传动机构。

所述形状记忆合金热机为对称设置的两个，分别通过热机固定座安装于底盘上。

所述形状记忆合金热机包括，分别位于热机壳体前后两端的热机输出轴和后端盖，所述后端盖上设有弹簧固定轴，所述弹簧固定轴连接固定位于热机内腔中的形状记忆合金的一端，所述形状记忆合金的另一端连接活塞，活塞连接所述热机输出轴，热机输出轴连接动滑轮机构的施力端，所述热机内腔上部的热机壳体上设有热介质入口和冷却介质入口，位于热机壳体下部的冷却介质出口和热介质出口分别与所述热介质入口和冷却介质入口相对设置。

所述皮带传动机构为齿形皮带传动机构，包括，与皮带轮外齿啮合的齿形皮带，所述齿形皮带一端连接动滑轮机构拉绳的受力端，齿形皮带另一端连接螺旋弹簧的一端，螺旋弹簧的另一端固定于底盘上。

所述螺旋弹簧的另一端通过弹簧固定座固定于底盘上。

所述齿形皮带一端通过连接块连接动滑轮机构拉绳的受力端。

所述单向轴承为单向滚珠轴承。

所述热机控制系统包括AT89C52单片机，所述单片机连接蠕动泵以及位于形状记忆合金热机内的测温系统。

所述测温系统包括数字温度芯片DS18B20，所述蠕动泵通过L298N芯片驱动。

本发明的有益效果是：具有机械结构简单、输出位移大等优点，通过加入动滑轮机构将形状记忆合金弹簧的输出位移放大近两倍，加入皮带轮传动机构有利于驱动性能的提高；本发明为形状记忆合金热机驱动器提供了一种新的设计方案。

附图说明

图1为本发明的轴测图；

图2为形状记忆合金热机内部结构图；

图3为形状记忆合金热机外观图；

图4为动滑轮机构结构图；

图5为动滑轮机构内部结构图；

图6为皮带传动机构局部放大图。

图中附图标记如下：1、皮带传动机构，1.1连接块，1.2齿形皮带，1.3、皮带轮，1.4、单向轴承，1.5、螺旋弹簧，1.6、弹簧固定座，2、动滑轮机构，2.1、施力端，2.2、动滑轮，2.3、固定端，2.4、受力端，2.5、滚珠轴承a，2.6、滚珠轴承b，2.7、固定柱，3、立式轴承座，4、主轴，5、底盘，6、热机固定座，7、形状记忆合金热机，7.1、热机输出轴，7.2热介质入口，7.3热介质出口，7.4、冷却介质入口，7.5、冷却介质出口，7.6、弹簧固定轴，7.7、后端盖。

具体实施方式

下面结合附图1-6对本发明做进一步说明：

一种形状记忆合金热机驱动装置，包括安装于底盘5上的形状记忆合金热机7，所述形状记忆合金热机7通过动滑轮机构2连接皮带传动机构1，所述皮带传动机构1通过单向轴承1.4连接主轴4，主轴4另一端与立式轴承座3连接，所述形状记忆合金热机7连接热机控制系统。

所述动滑轮机构2包括，位于滑轮型腔内的动滑轮2.2，所述动滑轮2.2通过滚珠轴承b2.6转动连接滑轮轴，所述滑轮轴两侧分别连接滚珠轴承a2.5，所述滚珠轴承a2.5位于滑轮型腔内侧壁的滑道中，所述滑轮轴通过施力端2.1连接形状记忆合金热机7，所述动滑轮2.2外周缠绕拉绳，拉绳的两端分别为固定端2.3和受力端2.4，所述固定端2.3连接滑轮型腔内的固定柱2.7，所述受力端2.4连接皮带传动机构1。

所述形状记忆合金热机7为对称设置的两个，分别通过热机固定座6安装于底盘5上。

所述形状记忆合金热机7包括，分别位于热机壳体前后两端的热机输出轴7.1和后端盖7.7，所述后端盖7.7上设有弹簧固定轴7.6，所述弹簧固定轴7.6连接固定位于热机内腔中的形状记忆合金的一端，所述形状记忆合金的另一端连接活塞，活塞连接所述热机输出轴7.1，热机输出轴7.1连接动滑轮机构2的施力端2.1，所述热机内腔上部的热机壳体上设有热介质入口7.2和冷却介质入口7.4，位于热机壳体下部的冷却介质出口7.5和热介质出口7.3分别与所述热介质入口7.2和冷却介质入口7.4相对设置。热介质和冷却介质为液体或气态。

所述皮带传动机构1为齿形皮带传动机构，包括，与皮带轮1.3外齿啮合的齿形皮带1.2，所述齿形皮带1.2一端连接动滑轮机构2拉绳的受力端2.4，齿形皮带1.2另一端连接螺旋弹簧1.5的一端，螺旋弹簧1.5的另一端固定于底盘5上。

所述螺旋弹簧1.5的另一端通过弹簧固定座1.6固定于底盘5上。

所述齿形皮带1.2一端通过连接块1.1连接动滑轮机构2拉绳的受力端2.4。

所述单向轴承1.4为单向滚珠轴承。

所述热机控制系统包括AT89C52单片机，所述单片机连接蠕动泵以及位于形状记忆合金热机7内的测温系统。

所述测温系统包括数字温度芯片DS18B20，所述蠕动泵通过L298N芯片驱动。

热机驱动器能否高效率完成驱动工作关键在于热循环系统对形状记忆合金弹簧加热和冷却的灵敏度。本热机驱动器热循环中通入的热介质(如水、气等)与冷却介质相互独立，分别在两个微型泵的驱动下依次通过热机内部，微型泵通过单片机进行控制。为了热循环系统更高效的工作，在热机中设有温度传感器来监测热机内的实时温度，并将信息传送到主控板，以实现对微型泵的开闭，控制热介质与冷却介质循环的节奏，尽可能减小形状记忆合金滞后温度对热机工作的影响。

起始状态下，形状记忆合金热机7、动滑轮机构2、齿形皮带传动机构在螺旋弹簧1.5和形状记忆合金弹簧的作用下处于绷紧状态，形状记忆合金弹簧起始状态为伸长，热介质入口7.2处于开口状态，在微型泵的作用下向热机中注入一定温度的热水，并且注水速度大于从热介质出口7.3流出速度。随着温度的升高，形状记忆合金弹簧开始发生相变，由原来的马氏体渐渐向奥氏体转变。随着相变的进行，形状记忆合金弹簧逐渐收缩，直至冷却介质入口7.4被打开，在此段时间内，热机输出轴输出的距离为一个进水口的距离。热机输出轴一端与动滑轮机构2刚性相连，根据动滑轮机构2工作特点可得，经过动滑轮机构2后，输出的距离是热机输出距离的二倍。动滑轮机构2另一端与齿形皮带1.2相连，齿形皮带1.2与皮带轮1.3啮合完成向主轴4的传动，并且在皮带轮中嵌套有单向滚珠轴承，因此在齿形皮带1.2的作用下皮带轮1.3只能向固定的一个方向运动，即主轴4也只能沿着一个方向运动。随着相变的进行，冷却介质入口7.4被逐渐打开，冷却液/气在微型泵的驱动下流入内腔对形状记忆合金弹簧进行冷却，这时形状记忆合金弹簧刚度系数变小，在与皮带轮1.3相连的偏置弹簧的作用下，动滑轮机构2恢复为原来的状态。由于是单向滚珠轴承，因此在返回的时候单向滚珠轴承空转，主轴4并不会发生运动，这也就保障了热机驱动的方向性。

如附图4和5，动滑轮机构2主要是运用了动滑轮省力不省功的设计思想，将热机作为施力物体，而皮带轮系统则可看作受力物体，虽然通过动滑轮机构会将驱动力降低一半，但热机的输出距离将会被放大将近两倍，使得驱动器的驱动效果更加的优越。

施力端2.1与热机输出轴刚性连接，与滑轮轴通过其上的顶丝固定，并保证其与滑轮轴不发生相对移动，且施力端2.1与动滑轮2.2为间隙配合；为保证动滑轮滚动的灵敏性，在动滑轮内嵌套一个滚动轴承2.6；经过处理，滚动轴承2.5内圈与滑轮轴固定，不发生相对转动，当动滑轮运动时，滚动轴承5在槽内沿着固定的方向滚动；动滑轮机构的固定端为2.3，受力端2.4与齿形皮带连接，当热机工作时，形状记忆合金弹簧缩短，带动施力端2.1运动，进而动滑轮运动，受力端2.4动齿形带运动，完成对主轴的驱动。

如附图6，齿形皮带传动机构主要起连接传动的作用。因为螺旋弹簧1.5的存在，热机工作前，热机、动滑轮机构2、皮带传动机构1处于绷紧状态，并且，由于弹簧具有回复力，使得整个驱动系统时刻处于绷紧状态，这就为齿形传动带和皮带轮1.3的相互啮合提供了条件。皮带传动机构1通过单向滚珠轴承与轴进行连接，使轴只能向一个方向发生转动，也就是保证了驱动器持续向一个方向驱动。

热机控制系统以AT89C52系列单片机为核心，采用AT89C52单片机控制。通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。对于测温的功能，采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号传递给单片机，最终通过数码管显示实时温度，然后通过检测出的温度来判断热机是否需要供水，该产品中共有两个蠕动泵，通过L298N芯片驱动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，包括安装于底盘(5)上的形状记忆合金热机(7)，所述形状记忆合金热机(7)通过动滑轮机构(2)连接皮带传动机构(1)，所述皮带传动机构(1)通过单向轴承(1.4)连接主轴(4)，主轴(4)另一端与立式轴承座(3)连接，所述形状记忆合金热机(7)连接热机控制系统。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述动滑轮机构(2)包括，位于滑轮型腔内的动滑轮(2.2)，所述动滑轮(2.2)通过滚珠轴承b(2.6)转动连接滑轮轴，所述滑轮轴两侧分别连接滚珠轴承a(2.5)，所述滚珠轴承a(2.5)位于滑轮型腔内侧壁的滑道中，所述滑轮轴通过施力端(2.1)连接形状记忆合金热机(7)，所述动滑轮(2.2)外周缠绕拉绳，拉绳的两端分别为固定端(2.3)和受力端(2.4)，所述固定端(2.3)连接滑轮型腔内的固定柱(2.7)，所述受力端(2.4)连接皮带传动机构(1)。

3.根据权利要求1所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述形状记忆合金热机(7)为对称设置的两个，分别通过热机固定座(6)安装于底盘(5)上。

4.根据权利要求2所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述形状记忆合金热机(7)包括，分别位于热机壳体前后两端的热机输出轴(7.1)和后端盖(7.7)，所述后端盖(7.7)上设有弹簧固定轴(7.6)，所述弹簧固定轴(7.6)连接固定位于热机内腔中的形状记忆合金的一端，所述形状记忆合金的另一端连接活塞，活塞连接所述热机输出轴(7.1)，热机输出轴(7.1)连接动滑轮机构(2)的施力端(2.1)，所述热机内腔上部的热机壳体上设有热介质入口(7.2)和冷却介质入口(7.4)，位于热机壳体下部的冷却介质出口(7.5)和热介质出口(7.3)分别与所述热介质入口(7.2)和冷却介质入口(7.4)相对设置。

5.根据权利要求2所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述皮带传动机构(1)为齿形皮带传动机构，包括，与皮带轮(1.3)外齿啮合的齿形皮带(1.2)，所述齿形皮带(1.2)一端连接动滑轮机构(2)拉绳的受力端(2.4)，齿形皮带(1.2)另一端连接螺旋弹簧(1.5)的一端，螺旋弹簧(1.5)的另一端固定于底盘(5)上。

6.根据权利要求5所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(1.5)的另一端通过弹簧固定座(1.6)固定于底盘(5)上。

7.根据权利要求5所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述齿形皮带(1.2)一端通过连接块(1.1)连接动滑轮机构(2)拉绳的受力端(2.4)。

8.根据权利要求1所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述单向轴承(1.4)为单向滚珠轴承。

9.根据权利要求1所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述热机控制系统包括AT89C52单片机，所述单片机连接蠕动泵以及位于形状记忆合金热机(7)内的测温系统。

10.根据权利要求9所述的形状记忆合金热机驱动装置，其特征在于，所述测温系统包括数字温度芯片DS18B20，所述蠕动泵通过L298N芯片驱动。