形状记忆合金驱动的铰杆增力夹紧装置

1、附件1:形状记忆合金(SMA驱动的铰杆增力夹紧装置李欣王明娣钟康民苏州大学机电工程学院, 苏州, 215021摘要:本文介绍了一种以形状记忆合金(SMA为驱动器,结合半导体热泵技术设计的一种铰杆增力夹紧装置。该夹紧装置结构简单,易于智能化控制,能源利用率高,无污染,是一种完全绿色化的夹具。关键词:形状记忆合金(SMA 半导体热泵智能化绿色化夹紧装置中图分类号:TG759 文献标识码:AA Kind of T oggle Force Increasing Clamping Device Driven by Shape Memory AlloysLi Xin, Wang Mingdi, Zhong

2、 Kangmin(School of Mechanical and Electronic Engineering, Suzhou University, Suzhou 21021Abstract: A kind of toggle force increasing clamping device driven by shape memory alloys (SMA with semiconductor heat pump cooling the SMA was designed. Besides simple structure and easiness of control, this cl

3、amping device was totally green with high energy utilization ratio and no pollution.Key words: shape memory alloys (SMA; semiconductor heat pump; intelligentize; green; clamping device目前,制造业中广泛使用的基本都是液压或气动夹紧装置。但是液压和气动夹具都存在其自身的缺点:一、液压夹具需要提供压力油的泵,气动夹具需要提供压缩空气的空压机,驱动源复杂,成本高;二、能量转换和控制环节多,整个夹紧装置结构复杂,能源利用

4、率低;三、液压夹具因油液泄露造成环境污染,气动夹具容易造成噪声污染,绿色化程度不高;四、要实现液压、气动智能化控制,必须经过电-液、电-气转换元件,转换环节复杂,信号传输滞后。基于上述原因,我们对智能材料在夹紧系统中的应用进行了可行性分析。目前作为驱动器的智能材料主要有压电陶瓷、磁致伸缩材料和形状记忆合金。压电陶瓷和磁致伸缩材料动作频率高,但输出位移小,难以满足夹具提出的位移要求。而形状记忆合金的输出位移和输出力大,输出功率高,适于作为夹紧装置的驱动。本文设计了一种以形状记忆合金(SMA为驱动的铰杆增力夹紧装置,可获得较大的夹紧力,实现工件夹紧。通过采用基于帕尔贴效应的半导体热泵技术,可以显著

5、缩短形状记忆合金的制热/制冷过程,提高驱动器的动作频率。整个夹紧装置结构简单,无污染,能源利用率高,是一种完全绿色化的夹具。形状记忆合金(SMA是一种具有形状记忆效应(SME,集驱动、感知和执行于一体,输入热量即可对外做功的新型智能材料,近年来得到了较快发展。所谓形状记忆效应,是指预先给SMA材料一定量的塑性变形,而后加热SMA至某一温度,由于内部晶体结构发生变化,SMA将克服塑性变形回复到原来形状。在收缩过程中将产生巨大的回复应力,因此可以将其作为驱动力应用到驱动器中。基金项目:苏州大学学术科研基金资助项目(编号:KY2008029A与传统驱动方式相比,以Ti-Ni 合金为代表的形状记忆合金

6、具有功率/质量比高 、回复位移大(8%、回复应力大(500MPa、驱动电压低的特点1。由于只需提供热量即可驱动,产生的回复应力和回复位移可直接作用在工作部件上,减少了中间传动机构,因此整个装置结构简单,无污染和噪音,能量损耗小。SMA 具有传感功能,通过监测其自身物理量(如位移、电阻率变化,可获知材料温度变化和相变状况,处理后得出输出力和输出位移大小,实现反馈控制。目前,形状记忆合金的最大的缺点为响应频率低,其主要原因是SMA 热循环过程中降温过程缓慢2。SMA 是通过制热/制冷循环来实现驱动的,其中主要的技术难点为SMA 的冷却,目前常用的方法为自然冷却和强制冷却。自然冷却指在空气中冷却,冷

7、却速度慢,严重影响整个装置的响应频率。强制冷却如风冷、水冷、冷却池或增加吸热材料等方法实现,提高了冷却速度,但结构复杂。因此,本装置选择半导体热泵技术作为SMA 加热-冷却方式。半导体热泵的基本制热/制冷元件为由多对P 型和N 型半导体电极组成的热电偶,通电后可实现热能相互转换,图1为一典型结构。当接上直流电源后,在半导体两端产生温差,其中一个接头吸热,温度降低,形成冷端;另一个接头放热,温度升高,形成热端。热端对SMA 加热,冷端对SMA 制冷,只要改变电流方向即可以实现热交换过程反向。热交换率直接与所通电流相关,因此可以通过控制电流控制SMA 的动作,实现智能化控制。半导体热泵具有以下特点

8、:1.体积小,重量轻,寿命长,无机械相对运动,无噪音;2.制热/制冷迅速,制热/制冷温差范围广;3.无中间介质,不污染环境,完全绿色化;4.制冷时效率较低,制热时效率高3。文献4显示半导体热泵可大大缩短加热和冷却所用时间,提高SMA 的响应频率,并给出了半导体热泵与形状记忆合金的结构形式,具有实用意义。 图2为铰杆增力夹紧装置的结构示意图,主要由一组经过预处理并具有一定图1 半导体热泵结构示意图半导体热泵 复位弹簧SMA 弹簧 工件 滚轮 滑块 图2 形状记忆合金驱动的 铰杆增力夹紧装置压头 曲杆 L 2L 1塑性变形量的SMA 弹簧、半导体热泵、复位弹簧及铰杆增力夹紧元件组成。驱动器采用的是

9、丝状Ti-Ni 形状记忆合金材料,因为丝材可直接作为驱动元件,材料利用率高且截面积小。由于大弹簧刚度的SMA 丝热循环时间长,响应频率低,因此选用小直径SMA 丝;而由小直径SMA 丝带来的输出力减小、系统稳定性差的问题可通过增加SMA 丝数量的方法解决。为获得大输出位移,将SMA 丝绕制成螺旋弹簧,从而大大节省了空间。文献1提供了SMA 弹簧与复位弹簧的一种结合方式,为减小长度方向尺寸,本文中采用了图2的结合方式。复位弹簧由压簧组成,其作用主要是当SMA 加热后冷却时,推动滑块向右运动,松开工件;同时使SMA 丝回复到原来状态,提高响应频率。夹紧装置的工作原理为:当半导体热泵热端对SMA 弹

10、簧加热时,SMA 弹簧由于内部晶体结构变化产生收缩,产生的回复应力克服弹簧力后拉动滑块向左运动;滑块上加工有一径向矩形孔,装配于其内的滚轮由于受到矩形孔侧壁的挤压力而绕铰接点运动,带动曲杆摆动,经过一次增力后由压头输出力作用在工件上,实现夹紧动作。当加工完成后,改变电流方向,由冷端对SMA 冷却,SMA 伸长;复位弹簧推动滑块向右运动,通过滚轮带动曲杆运动,从而松开工件。该夹紧装置采用滚轮传递运动且机构对称度高,摩擦损失小;滚轮浮动,工件可实现对心夹紧,能非常方便地保证加工工件的中心度。由于杠杆的长度效应,该装置进行了一次力放大,理论增力系数为21L L i ;若改变1L 和2L ,可获得不同

11、的增力系数,满足不同的夹紧要求。(1采用SMA 驱动铰杆增力夹紧装置,具有结构简单,易于控制,能源利用率高,无污染等特点。(2采用半导体热泵技术,可以加快SMA 的冷却速度,提高响应频率。 虽然目前形状记忆合金的成本较高,但随着产业化的深入,其成本下降时必然的。本文提供了一个新型智能材料在传统夹具中的应用实例,希望能给相关领域的工程技术人员一定的启发和借鉴,加快新技术新材料在夹具技术中的推广速度。参考文献1 W. Huang. On the selection of shape memory alloys for actuators J. Materials & Design, 2002, 23: 11-19.2 Yves Bellouard. Shape memory alloys for Microsystems: A review from a material research perspective J. Materials Science and Engineering, 2008, 481-482:582-589.3 Mingdi Wang, Kangmin Zhong, Dunwen Zuo, Min Wang. Green, Flexible, Inte