CN114109755B - 一种基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器，包括底座、导轨、动子、形状记忆合金丝、驱动足、驱动杆及辅助部件。在工作过程中，利用电或热激励形状记忆合金丝收缩，分别拉动两驱动足产生定向协调运动，共同在三角波形驱动槽内往复运动，从而通过沟槽侧斜面驱动动子实现大行程步进直线位移输出。由于驱动槽为三角波形斜面结构，能够对形状记忆合金丝的驱动力产生放大作用。该装置不仅能够输出大行程的线位移，而且具有较大的输出能力，可被广泛应用于机器人、汽车工业、航空航天等高尖端科技领域，具有良好的商业化前景。

Description

一种基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，特别是涉及一种基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器。

背景技术

执行器作为驱动部件，能够实现特定运动和力的输出，是航空航天、生物医疗、汽车工业及机器人等高端装备领域的共性支撑单元。随着科技飞速发展以及国际竞争日益加剧，现代执行器必须克服响应速率、操作空间、承载能力和容许成本等限制。如机器人领域，由于目标任务日趋复杂，对于执行装置的性能要求随之升高，迫切需要响应速率快、输出能力强和能量密度大的高性能执行器。而在汽车领域，每台车约有200项驱动任务需要电磁电机参与完成，传统执行器因在响应速率和质量体积等方面的性能不足，导致能源消耗上升，甚至影响驾驶安全。因此，研发集成化、轻量化和智能化的新一代执行器，对于推动高端装备领域更快发展、提升现代工业技术水平意义重大。

近年来，多种新型功能材料诞生为新一代执行装置提供了更加优异的驱动部件，利用这些功能材料开发新型执行器前景广阔。形状记忆合金是一类兼具驱动和传感效应的新型智能材料，它具有独特的形状记忆效应，可以通过温度变化引起内部相变，并在高温相和低温相相互转变过程中产生外部形变。形状记忆合金执行器正是利用形状记忆效应，将热能转换为机械能的驱动装置。形状记忆合金能够产生高达100倍自重的驱动力，其能量密度是电动机的25倍，并且具有良好的抗疲劳特性、生物相容性以及抗腐蚀能力。此外，形状记忆合金可被加工成线材、板材以及各种复杂形状，从而产生拉伸、弯曲、扭转甚至三维空间变形，具有在有限空间内实现多维驱动的潜力。

由于独特的属性和优势，形状记忆合金执行器在航空航天、生物医疗、汽车工业以及机器人等领域得到广泛地关注和研究。但是，现有的形状记忆合金执行器存在工作行程有限，输出能力不足的缺陷，严重影响执行器的推广和应用。

综上所述，发明一种工作行程长、输出能力强的形状记忆合金直线执行器，具有十分重要的科学意义和工程价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于形状记忆合金驱动的大行程、高负载步进直线执行器，可弥补当前执行器所存在的缺陷，该执行器结构简单、可操作性强，在复杂且极端条件下能够实现无机械动力驱动，且具有较强驱动力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器，包括底座(1)、导轨A(2)、驱动足A(3)、动子(4)、动子导轨(5)、形状记忆合金丝B(6)、驱动杆A(7)、导轨B(8)、形状记忆合金丝A(9)、槽轮A(10)、复位弹簧B(11)、调节螺栓B(12)、槽轮D(13)、复位弹簧C(14)、调节螺栓C(15)、调节座B(16)、导轨C(17)、形状记忆合金丝C(18)、驱动杆B(19)、驱动足B(20)、形状记忆合金丝D(21)、导轨D(22)、调节座A(23)、复位弹簧D(24)、槽轮C(25)、调节螺栓D(26)、复位弹簧A(27)、槽轮B(28)、调节螺栓A(29)；

所述调节座A(23)、调节座B(16)分别固定连接在底座(1)的两端；导轨A(2)、导轨B(8)、导轨C(17)、导轨D(22)的固定部分分别通过螺栓固定连接在底座(1)上；驱动杆A(7)的两端分别与导轨A(2)和导轨B(8)的运动部分相连接，并且可沿导轨A(2)和导轨B(8)上下运动；驱动杆B(19)的两端分别与导轨C(17)和导轨D(22)的运动部分相连接，并且可沿导轨C(17)和导轨D(22)上下运动；

所述槽轮A(10)、槽轮D(13)通过螺栓连接在调节座B(16)上；槽轮C(25)、槽轮B(28)通过螺栓连接在调节座A(23)上；形状记忆合金丝B(6)的一端与驱动杆A(7)的一端固定连接，并通过槽轮B(28)改变方向，形状记忆合金丝B(6)的另一端与调节螺栓B(12)固定连接，调节螺栓B(12)通过螺母固定在调节座B(16)上；形状记忆合金丝A(9)的一端与驱动杆A(7)的另一端固定连接，并通过槽轮A(10)改变方向，形状记忆合金丝A(9)另一端与调节螺栓A(29)固定连接，调节螺栓A(29)通过螺母固定在调节座A(23)上；形状记忆合金丝C(18)的一端与驱动杆B(19)的一端固定连接，并通过槽轮C(25)改变方向，形状记忆合金丝C(18)的另一端与调节螺栓C(15)固定连接，调节螺栓C(15)通过螺母固定在调节座B(16)上；形状记忆合金丝D(21)的一端与驱动杆B(19)的另一端固定连接，并通过槽轮D(13)改变方向，形状记忆合金丝D(21)的另一端与调节螺栓D(26)固定连接，调节螺栓D(26)通过螺母固定在调节座A(23)上；

动子导轨(5)的固定部分通过螺栓固定连接在底座(1)上；动子(4)与动子导轨(5)的运动部分相连接，并可沿动子导轨(5)左右运动；驱动足A(3)一端通过螺栓固定连接在驱动杆A(7)上，另一端插入动子(4)的驱动槽内，并可在槽内滑动；驱动足B(20)一端通过螺栓固定连接在驱动杆B(19)上，另一端插入动子(4)的驱动槽内，并可在槽内滑动；

复位弹簧B(11)一端插入导轨B(8)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座B(16)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧C(14)一端插入导轨C(17)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座B(16)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧D(24)一端插入导轨D(22)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座A(23)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧A(27)一端插入导轨A(2)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座A(23)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度。

优选地，所述动子(4)上加工有周期性的驱动沟槽，驱动沟槽为三角波形，且动子(4)上的驱动沟槽与驱动足A(3)、驱动足B(20)实现间隙配合。

优选地，所述复位弹簧A(27)、复位弹簧B(11)、复位弹簧C(14)和复位弹簧D(24)均采用偏置弹簧。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器，可弥补当前执行器所存在的缺陷，该执行器结构简单、可操作性强，在复杂且极端条件下能够实现无机械动力驱动，且具有较强驱动力；不仅能够输出大行程的线位移，而且具有较大的输出能力，可被广泛应用于机器人、汽车工业、航空航天等高尖端科技领域，具有良好的商业化前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器的整体结构示意图；

图2为本发明的结构俯视图；

图3为本发明的工作原理状态图，且图3中从图3a、3b、3c、3d至3e完成一个周期λ的运动行程；

其中，1、底座；2、导轨A；3、驱动足A；4、动子；5、动子导轨；6、形状记忆合金丝B；7、驱动杆A；8、导轨B；9、形状记忆合金丝A；10、槽轮A；11、复位弹簧B；12、调节螺栓B；13、槽轮D；14、复位弹簧C；15、调节螺栓C；16、调节座B；17、导轨C；18、形状记忆合金丝C；19、驱动杆B；20、驱动足B；21、形状记忆合金丝D；22、导轨D；23、调节座A；24、复位弹簧D；25、槽轮C；26、调节螺栓D；27、复位弹簧A；28、槽轮B；29、调节螺栓A。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于形状记忆合金驱动的大行程、高负载步进直线执行器，可弥补当前执行器所存在的缺陷，该执行器结构简单、可操作性强，在复杂且极端条件下能够实现无机械动力驱动，且具有较强驱动力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图3所示，本实施例提供一种基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器，包括底座1、导轨A 2、驱动足A 3、动子4、动子导轨5、形状记忆合金丝B6、驱动杆A7、导轨B8、形状记忆合金丝A9、槽轮A10、复位弹簧B11、调节螺栓B12、槽轮D13、复位弹簧C14、调节螺栓C15、调节座B16、导轨C17、形状记忆合金丝C18、驱动杆B19、驱动足B20、形状记忆合金丝D21、导轨D22、调节座A23、复位弹簧D24、槽轮C25、调节螺栓D26、复位弹簧A27、槽轮B28、调节螺栓A29。

导轨A2、导轨B8、导轨C17、导轨D22的固定部分分别通过螺栓固定连接在底座10上；调节座B16、调节座A23分别通过螺栓固定连接在底座1上；驱动杆A7通过螺栓固定连接在导轨A2、导轨B8的运动部分，并且可沿导轨上下运动；驱动杆B19通过螺栓固定连接在导轨C17、导轨D22的运动部分，并且可沿导轨上下运动；槽轮A10、槽轮D13通过螺栓连接在调节座B16上，并且可绕轴转动；槽轮C25、槽轮B28通过螺栓连接在调节座A23上，并且可绕轴转动；形状记忆合金丝B6一端通过螺栓与驱动杆A7固定连接，并通过槽轮B28改变方向，另一端与调节螺栓B12固定连接，调节螺栓B12通过螺母固定在调节座B16上；形状记忆合金丝A9一端通过螺栓与驱动杆A7固定连接，并通过槽轮A10改变方向，另一端与调节螺栓A29固定连接，调节螺栓A29通过螺母固定在调节座A23上；形状记忆合金丝C18一端通过螺栓与驱动杆B19固定连接，并通过槽轮C25改变方向，另一端与调节螺栓C15固定连接，调节螺栓C15通过螺母固定在调节座B16上；形状记忆合金丝D21一端通过螺栓与驱动杆B19固定连接，并通过槽轮D13改变方向，另一端与调节螺栓D26固定连接，调节螺栓D26通过螺母固定在调节座A23上；动子导轨5的固定部分通过螺栓固定连接在底座1上；动子4通过螺栓固定连接在动子导轨5的运动部分，并可沿导轨左右运动；驱动足A3一端通过螺栓固定连接在驱动杆A7上，另一端插入动子4的驱动槽内，并可在槽内滑动；驱动足B20一端通过螺栓固定连接在驱动杆B19上，另一端插入动子4的驱动槽内，并可在槽内滑动；复位弹簧B11一端插入导轨B8运动部分的盲孔内，另一端插入调节座B16的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧C14一端插入导轨C17运动部分的盲孔内，另一端插入调节座B16的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧D24一端插入导轨D22运动部分的盲孔内，另一端插入调节座A23的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧A27一端插入导轨A2运动部分的盲孔内，另一端插入调节座A23的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度。

驱动杆A7、驱动杆B19分别与两侧导轨AB、导轨CD连接，其中，与导轨A2、导轨B8、导轨C17、导轨D22连接的偏置弹簧(各复位弹簧)用于平衡整个运动过程。

在工作过程中，在电或热的激励下，形状记忆合金丝收缩，分别拉动两驱动足产生定向协调运动，共同在三角波形驱动槽内往复运动，从而通过沟槽侧斜面驱动动子实现大行程步进直线位移输出，由于驱动槽为三角波形斜面结构，能够对形状记忆合金丝的驱动力产生放大作用。

其驱动过程具体步骤如图3a-3e所示，取动子单向运动过程进行说明，从图3a至图3e完成一个周期λ的运动行程。

状态(a)时，驱动足B20位于驱动槽中部，驱动足A3位于驱动槽上部。

利用电或热激励形状记忆合金丝C18收缩，拉动驱动足B20向下运动至驱动槽下部；激励形状记忆合金丝B6收缩，拉动驱动足A3向下运动至驱动槽中部。与此同时，驱动足B20、驱动足A3通过驱动槽侧斜面推动动子4向右运动距离λ/4。如状态(b)。

停止激励形状记忆合金丝C18，激励形状记忆合金丝D21收缩，拉动驱动足B20向上运动至驱动槽中部；继续激励形状记忆合金丝B6收缩，拉动驱动足A3向下运动至驱动槽下部。与此同时，驱动足B20、驱动足A3通过驱动槽侧斜面推动动子4继续向右运动距离λ/4。如状态(c)。

继续激励形状记忆合金丝D21收缩，拉动驱动足B20向上运动至驱动槽上部；停止激励形状记忆合金丝B6，激励形状记忆合金丝A9收缩，拉动驱动足A3向上运动至驱动槽中部。与此同时，驱动足B20、驱动足A3通过驱动槽侧斜面推动动子4继续向右运动距离λ/4。如状态(d)。

停止激励形状记忆合金丝D21，激励形状记忆合金丝C18收缩，拉动驱动足B20向下运动至驱动槽中部；继续激励形状记忆合金丝A9收缩，拉动驱动足A3向上运动至驱动槽上部。与此同时，驱动足B20、驱动足A3通过驱动槽侧斜面推动动子4继续向右运动距离λ/4。如状态(e)，即状态(a)。

经过状态(a)→状态(b)→状态(c)→状态(d)→状态(e、a)，动子4累积向右运动距离λ，又回到初始状态(a)，不断重复该过程，执行器便可实现大行程的步进直线位移输出。

通过调节形状记忆合金丝C18、形状记忆合金丝D21的激励顺序，执行器便可实现反向的大行程步进直线位移输出。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器，其特征在于：包括底座(1)、导轨A(2)、驱动足A(3)、动子(4)、动子导轨(5)、形状记忆合金丝B(6)、驱动杆A(7)、导轨B(8)、形状记忆合金丝A(9)、槽轮A(10)、复位弹簧B(11)、调节螺栓B(12)、槽轮D(13)、复位弹簧C(14)、调节螺栓C(15)、调节座B(16)、导轨C(17)、形状记忆合金丝C(18)、驱动杆B(19)、驱动足B(20)、形状记忆合金丝D(21)、导轨D(22)、调节座A(23)、复位弹簧D(24)、槽轮C(25)、调节螺栓D(26)、复位弹簧A(27)、槽轮B(28)、调节螺栓A(29)；

所述调节座A(23)、调节座B(16)分别固定连接在底座(1)的两端；导轨A(2)、导轨B(8)、导轨C(17)、导轨D(22)的固定部分分别通过螺栓固定连接在底座(1)上；驱动杆A(7)的两端分别与导轨A(2)和导轨B(8)的运动部分相连接，并且可沿导轨A(2)和导轨B(8)上下运动；驱动杆B(19)的两端分别与导轨C(17)和导轨D(22)的运动部分相连接，并且可沿导轨C(17)和导轨D(22)上下运动；

所述槽轮A(10)、槽轮D(13)通过螺栓连接在调节座B(16)上；槽轮C(25)、槽轮B(28)通过螺栓连接在调节座A(23)上；形状记忆合金丝B(6)的一端与驱动杆A(7)的一端固定连接，并通过槽轮B(28)改变方向，形状记忆合金丝B(6)的另一端与调节螺栓B(12)固定连接，调节螺栓B(12)通过螺母固定在调节座B(16)上；形状记忆合金丝A(9)的一端与驱动杆A(7)的另一端固定连接，并通过槽轮A(10)改变方向，形状记忆合金丝A(9)另一端与调节螺栓A(29)固定连接，调节螺栓A(29)通过螺母固定在调节座A(23)上；形状记忆合金丝C(18)的一端与驱动杆B(19)的一端固定连接，并通过槽轮C(25)改变方向，形状记忆合金丝C(18)的另一端与调节螺栓C(15)固定连接，调节螺栓C(15)通过螺母固定在调节座B(16)上；形状记忆合金丝D(21)的一端与驱动杆B(19)的另一端固定连接，并通过槽轮D(13)改变方向，形状记忆合金丝D(21)的另一端与调节螺栓D(26)固定连接，调节螺栓D(26)通过螺母固定在调节座A(23)上；

动子导轨(5)的固定部分通过螺栓固定连接在底座(1)上；动子(4)与动子导轨(5)的运动部分相连接，并可沿动子导轨(5)左右运动；驱动足A(3)一端通过螺栓固定连接在驱动杆A(7)上，另一端插入动子(4)的驱动槽内，并可在槽内滑动；驱动足B(20)一端通过螺栓固定连接在驱动杆B(19)上，另一端插入动子(4)的驱动槽内，并可在槽内滑动；

复位弹簧B(11)一端插入导轨B(8)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座B(16)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧C(14)一端插入导轨C(17)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座B(16)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧D(24)一端插入导轨D(22)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座A(23)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度；复位弹簧A(27)一端插入导轨A(2)运动部分的盲孔内，另一端插入调节座A(23)的螺纹孔内，并可通过螺栓调节初始长度。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器，其特征在于：所述动子(4)上加工有周期性的驱动沟槽，驱动沟槽为三角波形，且动子(4)上的驱动沟槽与驱动足A(3)、驱动足B(20)实现间隙配合。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的步进直线执行器，其特征在于：所述复位弹簧A(27)、复位弹簧B(11)、复位弹簧C(14)和复位弹簧D(24)均采用偏置弹簧。