一种基于SMA的摆动式驱动器驱动原理及实验

0　引　言

近年来,随着智能材料的发展,研究者开发了压电陶瓷、形状记忆合金和人造合成肌肉等先进的驱动元件,研究出很多新型驱动器,如,电流变体驱动器、压电效应驱动器、电致伸缩驱动器,磁致伸缩驱动器和形状记忆合金驱动器等。这些新型的驱动器,从结构和控制角度来说,它们适合于结构小型化的要求,并且,没有减速齿轮这样的摩擦机械,使驱动器可以在不产生摩擦和噪声的状态下工作。因此,这些新型驱动器具有及时动作、结构小型化、功率质量比高和无噪声等优点,具有广阔的应用前景。

形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)作为驱动元件,常用的形式有:螺旋状、丝状、管状及片状等。其中,螺旋弹簧状的SMA具有较大的动作行程,是制作SMA驱动元件和执行机构等较为理想的元件,通过加热和冷却可对其变形过程进行控制。本文利用SMA弹簧作为驱动元件,对一种摆动式的驱动器进行了实验研究,以期为驱动器的设计提供理论基础和前期条件。

1　摆动式SMA弹簧驱动器

SMA驱动器就是利用SMA在形状记忆效应中输出的位移和力来对外界做功的机构,它可分为直线驱动器和关节驱动器。SMA直线驱动器是指通过SMA元件输出直线位移的装置,而关节驱动器的实现有2种方式[1]:一是通过一些辅助机构将SMA元件输出的直线位移转换为角位移,另一种是直接通过SMA元件的弯曲输出角位移。按照驱动器能否实现往复运动,又可将驱动器分为单程驱动器和双程驱动器。单程驱动器是一次性动作,不能自动恢复到加热前的状态。双程驱动器可以实现反复动作,又可分为偏动式和差动式2种。偏动式驱动器(bias actuator)[2]如图1(a),是采用SMA元件和能够产生偏动力的非SMA元件构成,加热SMA元件,驱动器产生向左的位移,冷却SMA元件,在偏动弹簧的作用下,驱动器产生向右的位移。而将偏动弹簧替换成SMA元件则构成差动式驱动器(differential actuator)[2],分别加热和冷却2个SMA元件,可实现往复运动。本文所设计的摆动式SMA弹簧驱动器则是一种差动式的关节驱动器,如图1(b),通过依次加热SMA1和冷却SMA2,加热SMA2和冷却SMA1,可实现其往复的摆动运动。

2　摆动式SMA弹簧驱动器的电热驱动原理

SMA弹簧驱动器是利用SMA的形状记忆效应来驱动的。SMA的形状记忆效应是指处于初态的SMA弹簧,当受到外力作用变形后,若对其加热至奥氏体转变结束点温度Af以上时, SMA恢复至初态形状。因此,若要使SMA产生驱动作用,必须对其进行加热。SMA的加热分为内部加热和外部加热2种方式。水加热、辐射加热都属于外部加热,外部加热时供热装置庞大,不利于驱动器的小型化。通电加热属于内部加热,这种方式便于控制, SMA驱动器大多采用这种加热方法。