CN110928106B - 一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3d虹膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，包括虹膜机构模块和驱动模块；虹膜机构模块包括叶片、外壳和内壳；叶片为超弹性形状记忆合金叶片；多个超弹性形状记忆合金叶片底部固定在同一叶片环上，所有超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为叶片闭合时的半球面形状；驱动模块能够驱动叶片环沿轴向运动；当驱动模块驱动叶片环沿轴向收回时，超弹性形状记忆合金叶片张开，受外壳与内壳作用而变形并收回至外壳与内壳之间；当驱动模块驱动叶片环沿轴向伸出时，超弹性形状记忆合金叶片从外壳与内壳之间伸出，恢复自由形状。本发明克服了传统3D球面虹膜外壳需要设计成球面的缺点，因此虹膜装置可以设计为直圆筒，头部口径增大。

Description

一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置

技术领域

本发明涉及一种机械虹膜装置，具体是一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置。

背景技术

虹膜机构有2D(平面)和3D(球面)两种。平面虹膜机构最常见的应用就是相机光圈，这种光圈是由多个相互重叠的弧形薄金属叶片组成的，通过叶片的离合改变中心圆形孔径的大小，弧形薄金属叶片可以从5片到18片不等，叶片越多，孔径越近圆形。3D虹膜机构为了让弧形曲面叶片顺利进出，通常将外壳头部设计成与叶片相同曲率，大多数为球形。球面虹膜机构是指叶片在一个球面上，叶片伸出来后构成一个球面。3D虹膜有很多潜在应用，如可作为机载探测装置的隐藏机构，导弹尾喷口张开闭合机构等。

由于3D球面虹膜的外壳头部通常为与叶片曲率相同的球形，为了让弧形曲面叶片顺利进出，导致其头部的口径在叶片打开状态下比整体结构直径要小，无法实现头部口径与机构整体直径相同。而事实上，在机构整体直径确定的情况下，我们并不希望浪费这样一个结构尺寸，所以希望尽量增大虹膜装置头部口径，因此，设计一种形式简单的大头部口径3D虹膜机构具有重要意义。

发明内容

为了克服现有虹膜机构头部开口口径小的问题，本发明设计了一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置。本发明通过使用超弹性形状记忆合金制造虹膜叶片，叶片形状可以发生改变，当叶片闭合时，叶片与虹膜外壳贴合；在叶片被推出后，由于叶片具有超弹性，恢复为预设曲面形状。本发明使用超弹性形状记忆合金制造叶片，叶片可以发生变形，克服了传统3D球面虹膜外壳需要设计成球面的缺点，因此虹膜装置可以设计为直圆筒，头部口径增大。

本发明的技术方案为：

所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，包括虹膜机构模块和驱动模块；所述虹膜机构模块包括叶片、外壳和内壳；所述外壳固定在需要虹膜装置保护的设备上；所述外壳与所述内壳同轴布置，所述叶片处于外壳与内壳之间；

其特征在于：

所述叶片为超弹性形状记忆合金叶片；多个超弹性形状记忆合金叶片底部固定在同一叶片环上，所有超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为叶片闭合时的曲面形状；叶片闭合状态为封闭的半球面；

所述内壳轴向长度短于所述外壳的轴向长度；所述内壳与所述外壳固定连接，并处于所述外壳的前部位置，用于与所述外壳配合使超弹性形状记忆合金叶片变形；

所述驱动模块能够驱动叶片环沿轴向运动；当驱动模块驱动叶片环沿轴向收回时，超弹性形状记忆合金叶片张开，受外壳与内壳作用而变形并收回至外壳与内壳之间；当驱动模块驱动叶片环沿轴向伸出时，超弹性形状记忆合金叶片从外壳与内壳之间伸出，恢复自由形状。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：相邻超弹性形状记忆合金叶片沿封闭的半球面径向进行分割。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：叶片环上具有轴向缝隙；所述内壳外表面上具有用于与所述外壳固定连接的第五螺栓；所述第五螺栓与所述轴向缝隙处于同一轴向位置，所述第五螺栓不阻碍叶片运动。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述外环内表面具有用于配合叶片环轴向运动的运动轨道。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述驱动模块包括形状记忆合金驱动板；所述形状记忆合金驱动板中包括印制板、加热收缩的形状记忆合金丝和滑动板；

所述加热收缩的形状记忆合金丝布置在所述印制板上，并能够受印制板控制通电或断电；形状记忆合金丝一端固定在印制板上，另一端连接所述滑动板；滑动板与印制板之间采用能够轴向相对滑动的方式配合，并通过第一弹簧连接；当形状记忆合金丝通电加热收缩时，能够拉动滑动板与印制板相对滑动，当形状记忆合金丝断电后，第一弹簧能够拉动滑动板与印制板相反方向相对滑动；

所述印制板固定在所述外壳内表面，所述滑动板与叶片环固定连接，当滑动板与印制板相对滑动时，能够驱动叶片环相对外壳沿轴向运动。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述驱动模块还包括第二弹簧，第二弹簧安装在外壳内表面，第二弹簧两端分别与外壳及叶片环连接；所述第二弹簧与所述第一弹簧的运动趋势相同。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述印制板上布置有多个螺栓型轴承，所述螺栓型轴承作为拐角支撑供所述形状记忆合金丝在印制板表面缠绕，使形状记忆合金丝的长度满足其加热收缩后的长度变化能够提供所述外壳与叶片环相对运动所需的位移。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：滑动板与印制板之间采用槽孔与定位螺栓配合的滑动连接方式。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述印制板上具有电源管理模块；所述电源管理模块将输入的电压转换为形状记忆合金丝的电源输入，用于加热形状记忆合金丝，驱动叶片运动；所述电源管理模块根据给定的信号，控制形状记忆合金丝的通断电。

进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述电源管理模块能够通过改变形状记忆合金丝的输入电流，改变叶片环的收回速度。

有益效果

本发明通过使用超弹性形状记忆合金的叶片，叶片可变形，通过驱动力直接推叶片固定环，可以实现叶片张开闭合。由于叶片可以变形，可以将虹膜外壳设计成直圆筒形，与传统球面虹膜相比，虹膜口径增大。本发明提出的直推式3D虹膜机构适用于对虹膜口径有要求的各类应用。

此外，优选方案中，采用形状记忆合金丝驱动实现机械虹膜机构叶片张开闭合功能，避免了使用电机驱动方式存在的结构复杂、重量相对较大、控制可靠性低的问题，适用于对重量、可靠性要求高的各类航空航天应用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置的驱动模块示意图。

图2是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置的结构示意图。

图3是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置的闭合示意图。

图4是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置的半张开示意图。

图5是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置的半张开示意图。

图6是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置的完全张开示意图。

图7是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置的超弹性形状记忆合金叶片的应力应变曲线示意图。

图中标号：1为弧形PCB板；2为形状记忆合金丝；3为螺栓型轴承；4为电源接口；5为第一螺栓；6为第二螺栓；7为第一弹簧；8为固定件；9为第三螺栓；10为滑动板；11为第四螺栓；12为电源管理模块；13为超弹性形状记忆合金叶；14为虹膜内壳；15为叶片固定环；16为驱动模块；17为第五螺栓；18为第二弹簧；19为虹膜外壳；20为第五螺栓。

具体实施方式

本发明目的提供一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，使用超弹性形状记忆合金制造虹膜叶片，叶片形状可以发生改变，当叶片闭合时，叶片与虹膜外壳贴合，在叶片被推出后，由于叶片具有超弹性，恢复为预设曲面形状，克服了传统3D球面虹膜外壳头部需要设计成球面的缺点，使虹膜装置可以设计为直圆筒，头部口径增大。

该机械虹膜装置包括以下特征：

特征1：直推式机械3D虹膜装置包含超弹性形状记忆合金叶片，虹膜外壳，虹膜内壳。

特征2：超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为预定曲面，可以根据需要选取多片(5-18片)，这样一组叶片可以组成一个圆周曲面；叶片的另一端被叶片环固定。

特征3：虹膜外壳为圆筒，内侧预留叶片固定环的运动轨道，可以通过推动叶片固定环使叶片与外壳产生相对运动，达到叶片张开闭合的目的。

特征4：虹膜内壳套在外壳内部，内壳较短，固定在外壳前部。内壳的作用是与外壳配合，使超弹性形状记忆合金叶片由自由曲面变形为圆周曲面，与内外壳贴合。内壳通过螺栓与外壳固定，为了使螺栓不阻碍叶片运动，选取较小直径的螺栓，同时螺栓的数量设计为3个。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中：

虹膜外壳、内壳具有较好的刚度，可以保证除叶片外的整体结构不会发生变形。

超弹性形状记忆合金叶片可在有限变形范围内是可恢复的，从而可以实现叶片的张开和闭合。

超弹性形状记忆合金叶片可以在边缘相互重叠，可以使虹膜结构有良好的封闭性。

虹膜外壳和虹膜内壳的头部口径可以是直圆筒，也可以缩小。

虹膜机构可以根据实际需求处于常闭状态或常开状态，在这个状态下不需要供电。

电信号撤销，断电，弹簧将叶片拉回张开状态或闭合状态。

参照图1～6，本实施例中的一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置包括虹膜外壳19，所述虹膜外壳19内部设置有叶片固定环15、电源管理模块12、驱动模块16。

所述叶片固定环15上装有多片超弹性形状记忆合金叶片13；所述叶片固定环15内部设置有虹膜内壳14、第五螺栓20。且叶片固定环15上具有多个轴向缝隙。

所述驱动模块16包括有弧形PCB板1；所述弧形PCB板1通过第一螺栓5分别与虹膜外壳19、虹膜内壳14固定连接；所述弧形PCB板上装有螺栓型轴承3，形状记忆合金丝2，电源接口4，第一螺栓5，第二螺栓6，第一弹簧7，固定件8，第三螺栓9，滑动板10，第四螺栓11。所述形状记忆合金丝2一端通过固定件8连接弧形PCB板1，另一端连接滑动板10；所述形状记忆合金丝2绕螺栓型轴承3作为拐角支撑；所述弧形PCB板1的供电由电源接口4提供，电源管理模块12负责控制电流和信号。所述滑动板10设置由两个共线的槽孔，与第三螺栓9进行配合，使滑动板10可以相对弧形PCB板1相对运动。所述滑动板10上装有第一弹簧7和第四螺栓11；所述第一弹簧7一端连接滑动板10，另一端连接第二螺栓6；所述第四螺栓11与叶片固定环15连接。

所述叶片固定环15与第二弹簧18固定连接，所述第二弹簧18通过第五螺栓17与虹膜外壳19固定连接；所述虹膜内壳14通过第五螺栓20与虹膜外壳19固定，且第五螺栓20通过超弹性形状记忆合金叶片及叶片环的缝隙；所述叶片固定环15周向设有圆柱短棒，与虹膜外壳19内侧的轴向凹槽配合，使叶片固定环15沿轴向运动；所述叶片固定环15带动超弹性形状记忆合金叶片13沿轴向运动，超弹性形状记忆合金叶片13被虹膜内壳14和虹膜外壳19限制，使超弹性形状记忆合金叶片13发生变形。

参照图7，本实施例一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置中的超弹性形状记忆合金叶片13具有变形的能力。当然，形状记忆合金丝2也具有加热变形收缩的能力。

本装置工作时，超弹性形状记忆合金叶片13处于张开状态，电源管理模块12提供能量和控制信号，形状记忆合金丝2通电加热，由于其形状记忆效应，形状记忆合金丝2收缩，中间与弧形PCB板1固定连接，使右端产生位移，由于形状记忆合金丝2右端与滑动板10固定连接，使滑动板10相对弧形PCB板1向上运动，第一弹簧7两端分别固定于第二螺栓6、滑动板10，使第一弹簧7发生拉伸运动，存储能量，由于第四螺栓11与叶片固定环15固定连接，即叶片固定环15带动超弹性形状记忆合金叶片13沿轴向向上运动，且片固定环15周向的圆柱短棒与虹膜外壳19内侧轴向凹槽配合，所以叶片固定环15不能沿周向运动，仅能沿轴向运动；超弹性形状记忆合金叶片13被虹膜内壳14和虹膜外壳19限制，使超弹性形状记忆合金叶片13发生变形，第二弹簧18两端分别固定于叶片固定环15、虹膜外壳19，使第二弹簧18发生拉伸运动，储存能量，当超弹性形状记忆合金叶片13完全伸出虹膜外壳19后，超弹性形状记忆合金叶片13由于具有超弹性，恢复为半球形形状，此时虹膜装置处于完全闭合状态。

虹膜装置处于完全闭合状态后，电源管理模块12发出断电控制信号，形状记忆合金丝2断电冷却，由于形状记忆合金丝2降温，不产生收缩力，第一弹簧7消耗能量，带动滑动板10相对PCB板1向下运动，第二弹簧18消耗能量，带动叶片固定环15向下运动，且叶片固定环15周向的圆柱短棒与虹膜外壳19内侧轴向凹槽配合，所以叶片固定环15不能沿周向运动，仅能沿轴向运动，即带动超弹性形状记忆合金叶片13沿轴向向下运动，超弹性形状记忆合金叶片13收入虹膜外壳19内部，运动至虹膜外壳19内部后，无法观测到超弹性形状记忆合金叶片13，此时虹膜装置处于完全张开状态。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，包括虹膜机构模块和驱动模块；所述虹膜机构模块包括叶片、外壳和内壳；所述外壳固定在需要虹膜装置保护的设备上；所述外壳与所述内壳同轴布置，所述叶片处于外壳与内壳之间；

其特征在于：

所述叶片为超弹性形状记忆合金叶片；多个超弹性形状记忆合金叶片底部固定在同一叶片环上，所有超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为叶片闭合时的曲面形状；叶片闭合状态为封闭的半球面；

所述内壳轴向长度短于所述外壳的轴向长度；所述内壳与所述外壳固定连接，并处于所述外壳的前部位置，用于与所述外壳配合使超弹性形状记忆合金叶片变形；

所述驱动模块能够驱动叶片环沿轴向运动；当驱动模块驱动叶片环沿轴向收回时，超弹性形状记忆合金叶片张开，受外壳与内壳作用而变形并收回至外壳与内壳之间；当驱动模块驱动叶片环沿轴向伸出时，超弹性形状记忆合金叶片从外壳与内壳之间伸出，恢复自由形状；

所述驱动模块包括形状记忆合金驱动板；所述形状记忆合金驱动板中包括印制板、加热收缩的形状记忆合金丝和滑动板；

所述加热收缩的形状记忆合金丝布置在所述印制板上，并能够受印制板控制通电或断电；形状记忆合金丝一端固定在印制板上，另一端连接所述滑动板；滑动板与印制板之间采用能够轴向相对滑动的方式配合，并通过第一弹簧连接；当形状记忆合金丝通电加热收缩时，能够拉动滑动板与印制板相对滑动，当形状记忆合金丝断电后，第一弹簧能够拉动滑动板与印制板相反方向相对滑动；

所述印制板固定在所述外壳内表面，所述滑动板与叶片环固定连接，当滑动板与印制板相对滑动时，能够驱动叶片环相对外壳沿轴向运动；

所述驱动模块还包括第二弹簧，第二弹簧安装在外壳内表面，第二弹簧两端分别与外壳及叶片环连接；所述第二弹簧与所述第一弹簧的运动趋势相同。

2.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：相邻超弹性形状记忆合金叶片沿封闭的半球面径向进行分割。

3.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：叶片环上具有轴向缝隙；所述内壳外表面上具有用于与所述外壳固定连接的第五螺栓；所述第五螺栓与所述轴向缝隙处于同一轴向位置，所述第五螺栓不阻碍叶片运动。

4.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述外壳内表面具有用于配合叶片环轴向运动的运动轨道。

5.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述印制板上布置有多个螺栓型轴承，所述螺栓型轴承作为拐角支撑供所述形状记忆合金丝在印制板表面缠绕，使形状记忆合金丝的长度满足其加热收缩后的长度变化能够提供所述外壳与叶片环相对运动所需的位移。

6.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：滑动板与印制板之间采用槽孔与定位螺栓配合的滑动连接方式。

7.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述印制板上具有电源管理模块；所述电源管理模块将输入的电压转换为形状记忆合金丝的电源输入，用于加热形状记忆合金丝，驱动叶片运动；所述电源管理模块根据给定的信号，控制形状记忆合金丝的通断电。

8.根据权利要求7所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的直推式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述电源管理模块能够通过改变形状记忆合金丝的输入电流，改变叶片环的收回速度。

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