基于热敏材料体积效应的夹紧装置

　　1 引言

　　随着人们对半导体制热、制冷技术和热敏材料性能的深入研究，并取得了一系列的成果，在此基础上我们开始开发新的夹具装置，改善传统夹具所具有的非环保缺陷。

　　传统的夹具一般采用流体传动，即液压或者气压传动夹紧，但是这些夹紧装置都有很大的自身缺陷，例如液压夹紧装置很容易产生漏油污染，气动夹紧的噪音污染对操作人员乃至整个车间人员的危害都很大。基于热敏材料体积效应的夹紧装置可以解决流体传动所带来的缺点，通过热敏材料快速升温、冷却来实现对工件的夹紧、放松，从而可以避免漏油所带来的环境污染，同时也能消除气动装置的巨大噪音。

　　2 热敏材料的选择和分析

　　目前，热敏感材料有很多，也很昂贵，最常用的是烯烃和石蜡，价格较低，性能也很理想，石蜡在一定的压强下，体积膨胀可以达到(10～30)%，是非常理想的体积膨胀材料。

　　如图1 所示，石蜡的体积与温度关系在(35~45)℃区间(称为相变区)内膨胀率变化明显，并呈近似的线性关系。为了使夹紧装置有较好的工作性能，应选择材料膨胀率变化明显的区域范围，因此选择夹紧装置工作在相变区。

　　3 半导体制热、制冷系统

　　传统的制热、制冷系统(如电能制热)转换比较慢而且效率比较低，拟采用制热、制冷效率较高的P-Bi2Te3 材质的半导体进行。半导体制热、制冷技术具有以下特点：(1)无机械部分、无噪声、无污染、体积小、控制灵活;(2)制热、制冷温差可以达到(20～150)℃;(3)制热效率相当高，但制冷效率稍微低点，综合评估其总效率还是很高的。

　　半导体热电制冷(热)器的工作原理：当如图2 所示，热电堆(图中仅画两对)接上直流电源后，在两个接点或金属电桥处就会产生温差，其中一个接头处吸热，温度降低，即为冷端;另一个接头处放热，温度升高，即为热端。改变电流方向，冷热端方向随即改变。

　　4 位移放大器的选择

　　常见的位移放大器有基于面积效应型和杠杆原理型等等，本次设计拟采用基于面积效应型的位移放大器，工作原理：当箱体内的材料发生膨胀时，箱体的截面直径由D 变小为d，从而实现位移的放大。此种放大器具有结构简单，放大性能明显。结构如图3 所示。

　　5 设计方案及工作原理

　　设计方案，如图4 所示。采用单一箱体提供驱动力，中心对称机构，同步性能较好。利用温度、压力、位移传感器和计算机控制系统，从而实现对整个系统精确的实时控制。铰杆机构是实现力和位移由X 方向转向Y 方向，运用杠杆原理控制输出力的大小，使结构更加紧凑的重要装置。