基于位移累加原理的SMA直线电机.pdf

机械研究与应用 研究与分析 基于位移累加原理的SMA直线电机 张义辽 董二宝 许曼 李永新 杨杰 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 安徽合肥230027 摘要 针对航空航天等领域 如变后掠翼无人机 需要大推力 长行程 高功重比的驱动器 提出一种用形状记忆合 金片 SMA 驱动的直线电机 利用位移累加的原理 能够获得较大推力 并具有较长的行程 与同样功率的 传统驱动器相比 形状记忆合金智能驱动器有着推重比高 传动系统易于操作 结构简单 重量低等优势 关键词 形状记忆合金 位移累加 直线电机 推重比 中图分类号 TP211 文献标识码 A 文章编号 1006 4414 2010 01 0037 03 A SMA finear motion actuator based on theory of cumulative displacement Zhang Yi liao Dong Er bao Xu Min Li Yong xin Yang Jie Department ofprecision mo hinery and precision instrumentation unwersi of ciell ce andtechnologyofChina HefeiAnhui 230027 China Abstract This research pro des a new kind of en ne which uses the Shape Memory Alloy SMA material and can meet the need of large thrust 1ong stroke as well as high power weight ratio in many fields of aerospace such as the unmanned aerial vehicles with sweptback wings BaSed on the theory of cumulative displacement the movement Can get more push power and practice for long The new en ne is proved that has some advantages of the higher thrust weight ratio easy to operate simple structure and low weight comparing with the transmission actuators with the same power Key words shape memory alloy cumulative displacement linear motor thrust weight ratio 1 引 言 目前 包括美国在内的很多国家都在研制试验可 变后掠翼飞机 图1是美国研制的变后掠翼的一种 结构 1 采用铰链机构 通过直线驱动器的伸缩对机 翼进行控制 大推力长行程直线驱动器成为设计的 关键 图1美国研制的可变后掠翼机构 传统的直线驱动方式有旋转电机带动齿轮齿条 驱动方式 旋转电机带动丝杆螺母驱动方式 直线电 机直接驱动方式 液压和气动驱动方式等 J 这些方 式大多存在体积庞大 结构笨重的问题 不太适用于 小型无人机的机翼变形驱动 也有采用压电陶瓷做的 直线驱动器 但通常需要高电压驱动且变形量非常 小 难以满足长行程需求 J 形状记忆合金 简称 SMA 在相变过程中产生的回复力很大 可达 500MPa以上 其功重比 功率重量比 远大于电机 液压等传统驱动器 相比其他智能材料 又具有较大 的应变量 3 10 笔者通过丝杠螺母实现 SMA的位移累加放大 采用SMA设计了一种兼具大 推力与长行程特性的直线电机 2 SMA直线电机结构设计 2 1 SMA直线电机的原理 如图2所示 通过周期加热冷却 SMA缩短伸 长 形成单步位移 曲线1所示 位移一步一步累 加 形成总输出位移 曲线2所示 笔者采用丝杠 螺母副 如图3所示 利用其自锁效应 将SMA的单 步小变形逐步累积 从而实现较大的位移输出 同时 保持了SMA的大输出力特性 图2位移累加原理图 时间 t 2 2 SMA直线电机的组成 直线电机结构如图4所示 由驱动结构 支承结 构和传力结构组成 驱动结构 此直线电机驱动元件 收稿日期 2009 11 17 作者简介 张义辽 1978 7 男 四川成都人 硕士 研究方向 智能机械与机器人 37 研究与分析 机械研究与应用 由2O根形状记忆合金片组成 分2组对称布置 每组 l0片 一端固定在机架上 另一端连接中间挡板 并 沿360 圆周均布 通过不断对两组合金片交替加热 冷却使之轮流收缩 从而带动中间挡板推动螺母和丝 杠实现力和位移输出 左右锁紧螺母的外周为直齿 轮 由电机带动的小齿轮来驱动 支承结构 由三个 连接杆连接左右机架 组成刚性构件 固定记忆合金 片及各种零部件 传力结构 记忆合金片带动中挡 板 中挡板与丝杠螺纹配合 最终输出力和位移 通 过改变SMA片的宽度可以获得很高的输出力 直线 电机的输出精度由电机精确定位螺母保证 sMA卸载 右锁紧螺母运动到右端 图3 SMA直线电机位移累加工作原理图 3 SMA直线电机机构模型的建立 要对直线电机进行控制 就需要知道电机模型 由于本机构主要通过SMA片收缩输出力和位移 小 电机驱动锁紧螺母的时间也在合金丝冷却的时间范 围内就能完成 所以只需要对SMA本构模型进行分 析 Tanaka根据SMA在相变过程中自由能最小原理 建立了SMA本构模型 其后Liang Rogers和Brinson 等人又对Tanaka模型进行了修正 5 笔者将采用该 系列模型建立直线电机模型 结构见图4 Tanaka最初用连续介质热力学建立的SMA本构 模型为 d D 力 式中 为应力 占为应变 为马氏体分数 T为温 度 D 0和力分别为弹性模量 热弹性张量和相变 张量 Liang Rogers对上式积分得 一O 0 D 一80 一 一 根据SMA自由回复过程中的变形特征 Liang和 Rogers采用余弦函数形式 来表示马氏体体积分数和 温度 应力的关系 关系式包括了马氏体正逆相变全 38 过程 它们表示为 当A一 M相变时 马氏体相体积 分数可表示为 当M一 A相变 马氏体体积分数表示为 c s a 一A bAO i t 图4 SMA直线电机结构 4 SMA直线电机系统仿真与实验 首先 采用三根对称分布的SMA丝制作了SMA 直线电机的原理样机 模型如图5 样机采用的是直径 的NiTi合金丝 首先要知 道该丝的一些基本参数 通过加载试验 该丝的应变 量大约3 左右 相变温度 A A 可由示差扫 描量热仪 Differential Scanning Calorimetry DSC 测 量如图6 a b 所示 DSC测量结果如图6 b 所 示 在热流量一温度的关系图上 相变潜热很小 经测 算 SMA丝的相变温度点分别为M 24 Ms 39 As 48 AF 62 图5 SMA直线电机样机 露 a DSC设备 b DSC测试曲线 图6 DSC测量设备及结果 基于SMA材料的直线电机是一个力一热耦合系 统 为了验证基于形状记忆合金的直线电机的结构 设计 根据上面的liang Roger模型 利用Matlab软 件的Simulink模块进行智能材料力一热耦合建模仿 真 建立如图7所示的模型 将实际驱动器的系统简 化为给定应力和温度变化 求应变 如图8所示仿真 癣一一一一 一一一 F 一 F F s F啼 的时间一位移曲线 机械研究与应用 图7直线电机力一热耦合模型 图8仿真位移一时问曲线 图9驱动性能实验 为了验证仿真结果 将样机进行了时间一温度一 位移实验 驱动器上每根NiTi合金丝原长115mm 将 一组丝预加5kg负载 伸长约为3 2mm 约2 8 预 应变 安装在直线电机上 将直线电机固定在铁架 上 在丝杠的末端装夹一托盘 盘上放置砝码加载 架设百分表测量位移量 如图9所示 直接对丝通电6A 负载lOkg的时间一位移曲线 如图1O所示 可以看到单步曲线基本吻合 实验位移 比仿真位移稍小 是由于试验中预加载应变较小 图10单步模拟时间一位移曲线与实验对照 酮究与分析 SMA直线电机的系统工作由合金丝的加热冷却 和螺母运动组成 由于电机驱动螺母 运动时间被大 大减小 SMA丝加热很快 而无人机在高空低温度 高风速的情况下 SMA冷却速度很快 一般3 5 即 可冷却 J 整个系统输出位移工作过程如图11所 示 根据图1 1可以看出直线电机通过不断的位移累 加 能够获得较大的输出 又经过单根SMA拉力测 试 的NiTi合金丝能带动30kg的砝码正常做功 提供374MPa应力 时间 s 图11系统实验输出位移过程 5 结语 笔者基于丝杆螺母副自锁位移累加原理 提出了 一种兼具大输出力与长位移行程的新型SMA直线电 机 通过建模仿真和原理样机实验研究 验证了该 SMA直线电机的可行性 今后将进一步优化其结 构 并采用快捷高效的加热冷却方式 以期获得更高 的频率 参考文献 1 Herman A Dethman Bearing arrangement for variable sweep wing aircraft P United states patent 1966 3279721 2 大舟 论直线驱动机构和致动器 J 光机电信息 1994 11 6 22 29 3 赵宏伟 吴博达 程光明 等 高精度压电步进直线驱动器 J 吉林大学学报 2006 36 3 350 354 4 杨杰 吴月华 形状记忆合金及其应用 M 合肥 中国科学 技术大学出版社 1993 5 刘芹 任建亭 姜节胜 等 SMA本构模型及其应用的研究进 展 J 力学进展 2007 37 2 189 204 6 王丽红 形状记忆合金驱动元件动作响应速度的分析 J 机器 人技术与应用 2002 5 34 35 39