【摘要】：機(jī)械系統(tǒng)中常用的致動(dòng)器如伺服電機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)繁贅,傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜,各部件之間存在磨損和沖擊力,這些致動(dòng)器在微納、機(jī)器人等領(lǐng)域已經(jīng)無(wú)法滿足尺寸和精度等方面的要求,因此磁性、靜電以及熱能等新型致動(dòng)器逐漸發(fā)展起來(lái)。SMA(形狀記憶合金)致動(dòng)器便是其中典型的一種。SMA致動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)源于其利用的智能材料——SMA元件。SMA元件具有形狀記憶效應(yīng)、高能量密度、低驅(qū)動(dòng)電壓和大回復(fù)力等優(yōu)點(diǎn)。然而,SMA致動(dòng)器也存在行程短、極限位置不穩(wěn)定、行程中有用力不均勻等缺陷。為了解決上述問(wèn)題,本文基于彈性補(bǔ)償?shù)姆椒?引入全柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種基于SMA彈簧的柔性直線致動(dòng)器,初步實(shí)現(xiàn)了SMA致動(dòng)器行程放大、快速響應(yīng)和極限位置穩(wěn)定的特性。其中,完成的主要工作有:(1)針對(duì)SMA致動(dòng)器行程短、極限位置不穩(wěn)定、行程中有用力不均勻等缺點(diǎn),研究了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的改善其性能的方法。例如,采用位移放大機(jī)構(gòu)放大SMA致動(dòng)器的行程,改善其行程短的缺點(diǎn);設(shè)計(jì)特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)阻止致動(dòng)器的超量程運(yùn)動(dòng)來(lái)增加SMA致動(dòng)器極限位置的穩(wěn)定性;利用彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)均勻SMA致動(dòng)器行程中的有用力,以解決SMA致動(dòng)器行程中有用力與有效位移之間的矛盾。但不足的是,以上方法均不能同時(shí)改善SMA致動(dòng)器行程短、極限位置不穩(wěn)定、行程中有用力不均勻等缺點(diǎn)。(2)基于對(duì)補(bǔ)償方法的研究,選擇全柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)作為偏動(dòng)式SMA致動(dòng)器的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。全柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)具備的負(fù)剛度特性可以在不犧牲輸出力的前提下放大偏動(dòng)式SMA致動(dòng)器的有效行程。對(duì)全柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到負(fù)剛度區(qū)間大、第一轉(zhuǎn)折力大的力-位移特性曲線,據(jù)此設(shè)計(jì)了有效行程放大2倍的SMA柔性致動(dòng)器。(3)對(duì)全柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的加工材料和加工方式進(jìn)行了對(duì)比總結(jié),選擇聚乳酸材料和3D打印的加工方式制作樣機(jī),并對(duì)樣機(jī)的力-位移特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果與理論基本一致。安裝SMA柔性致動(dòng)器,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的SMA柔性致動(dòng)器行程為16mm,是偏動(dòng)式SMA致動(dòng)器行程的2倍;最大輸出力為2.5N,在該輸出力下,輸出位移仍能保持16mm,解決了偏動(dòng)式SMA致動(dòng)器輸出力與輸出位移之間的矛盾;從通電到動(dòng)作結(jié)束的響應(yīng)速度是偏動(dòng)式SMA致動(dòng)器的3倍,并且在沒(méi)有能量輸入時(shí)致動(dòng)器仍能穩(wěn)定在極限位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)——行程放大,響應(yīng)快速,極限位置穩(wěn)定。
【圖文】：

致動(dòng)器張開(kāi)，同時(shí)將兩側(cè)的夾板推開(kāi)一定的角度，，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。(a) 致動(dòng)器閉合狀態(tài) (b)致動(dòng)器張開(kāi)狀態(tài)圖1.1 柔性流體致動(dòng)器[6]20 世紀(jì)七八十年代，隨著形狀記憶合金逐漸被應(yīng)用到機(jī)械制造、日常生活、醫(yī)學(xué)和生物工程等領(lǐng)域，SMA 致動(dòng)器的研究也成為一個(gè)熱門(mén)課題。SMA 致動(dòng)器按照SMA 的材料形狀可以分為絲致動(dòng)器和彈簧致動(dòng)器。按照運(yùn)動(dòng)形式可以分為直線位移型致動(dòng)器和角位移型致動(dòng)器，按照致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)形式可以分為單程致動(dòng)器和雙程致動(dòng)器�；谶@些基礎(chǔ)類型的致動(dòng)器，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)不同功能的 SMA 致動(dòng)器。Pulnev 等[7]提出基于 CuAlNi 合金單晶制成的 SMA 彎曲元件的兩種線性致動(dòng)器（用于一個(gè)和兩個(gè)移動(dòng)方向），該致動(dòng)器的最大位移為 9.7mm，輸出力為 69N，可以實(shí)現(xiàn)輸出元件從一點(diǎn)至另一點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)。Pohlau 和 Meier 提出由六對(duì) SMA 絲驅(qū)動(dòng)的具有很高扭矩的致動(dòng)器[8]。該扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá) 2.5N·m

第一章 緒論被軸向可移動(dòng)地嵌入在室溫固化的硅橡膠棒中加熱 SMA 彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)空間彎曲，如圖 1.310]人設(shè)計(jì)了一個(gè)可以應(yīng)用于微觀應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)機(jī)圖1.2 SMA 扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖[11]
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG139.6;TH703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2592771