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为了将形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器用于智能机械结构,需要了解各类 SMA弹簧驱动器的驱动特性。该文在对 SMA弹簧驱动器的电热驱动机理理论分析的基础上,进行了实验研究。实验结果表明:驱动器响应速度与驱动电流、预变形量、冷却速度、负载有关。偏动式驱动器回复速度和驱动电流成正比;差动式驱动器的响应速度受 SMA弹簧冷却速度的制约,要控制驱动电流;差动驱动器比偏动驱动器性能优良,在智能机械结构中应用将有广阔的前景。
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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/
N
清华大学学报 (自然科学版)
J T singhua U niv (Sci & T ech),
2003 年第43 卷第2 期
2003,Vol. 43,No. 2
12/ 37
188-191
SM A
弹簧驱动器驱动机理及实验
王金辉, 徐 峰, 阎绍泽, 温诗铸
(清华大学 精密仪器与机械学系,北京 100084)
收稿日期:2002-04-25
基金项目:国家自然科学基金项目资助 (59905016)
作者简介:王金辉(1978-),男 (汉 ),河南,硕士研 究生。
通讯联系人 :徐峰 ,副教授,E-mail:xuf@ pim. tsinghua. edu. cn
摘 要:为了将形状记忆合金(
SMA
)弹簧驱动器用于智能
机械结构,需要了解各类
SM A
弹簧驱动器的驱动特性。该
文在对 SM A 弹簧驱动器的电热驱动机理理论分析的基础
上,进行了实验研究。实验结果表明:驱动器响应速度与驱
动电流、预变形量、冷却速度、负载有关。偏动式驱动器回复
速度和驱动电流成正比;差动式驱动器的响应速度受
SM A
弹簧冷却速度的制约,要控制驱动电流;差动驱动器比偏动
驱动器性能优良,在智能机械结构中应用将有广阔的前景。
关键词:形状记忆合金;电加热驱动;驱动特性
中图分类号:T H 142. 2 文献标识码:A
文章编号:1000-0054(2003)02-0188-04
Experimental investagation of
electrothermal driving mechanism
of SM A spring actuators
WANG J inh ui,XU Feng ,YAN S ha oze ,WEN Shizhu
(Department of Precision Instruments and M echanology,
T sing hua U n iver sity,Beijing 100084,China)
Abstract:T he electrothermal drive characteristics of actuator s using
S M A spr ings in intelligent m echanical st ructur es w ere studied
explain analysis more experimentally theor efually. T he analysis
showed that the actuator bandwidths depend on the driving current,
th e pre-tensile length,the cooling speed and the load. T he restoring
v elo cit y o f a biased actuator is in pr opo rtio n to th e dr iving curr ent.
T he bandwidth of a tw o-w ay actuator w hich includes tw o one-w ay
SMA elements is constrained by the cooling speed of the SM A
spr ings, so the driving curr ent m ust be controlled. T w o -w ay
actuators with tw o one-way S M A elements have better drive
characteristics than biased actuators,so th ey ca n be m ore w idely
used in intelligent mechanical structures.
Key words:shape m em or y alloy actuato r;electrotherm al driving;
dr iving character ist ics
形状记忆合金(
shape memory alloy
,
SMA
)作
为一种功能材料以其形状记忆效应、超弹性效应和
传感特性在工业界和医学领域得到了广泛应
用
[1~ 4]
。
SM A
材料构造的驱动器具有其他驱动器不
可比拟的优点,功重比(输出功和重量之比)很高,引
起了研究者的广泛关注,在航空航天、生物医学、机
器人等领域应用前景非常广阔
[5~ 8]
。
SMA 弹簧驱动器输出位移大,电热驱动结构简
单,将在智能机械结构中有广阔的应用前景。存在的
问题是需要进一步探索各种类型 SM A 弹簧驱动器
的输出力、位移和响应速度之间的关系
[9~ 11]
,以及
何种类型的驱动器具有较好的驱动性能。为此,本文
研究了
SM A
弹簧的驱动机理,对驱动器电热驱动
中的机械性能和温度、电参数的关系进行了实验研
究,以期为驱动器的设计提供理论基础和前期条件。
1
SM A
弹簧驱动器
SMA 驱动器分为单程驱动器和双程驱动器。
SMA
单程驱动器一次性动作,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。双程驱
动器可以采用双程
SM A
材料制作,也可以采用单
程 SMA 材料按偏动和差动方式构成。双程 SM A 材
料处理工艺复杂,材料可靠性差,输出位移、滞后温
度和输出力很难控制,应用具有相当难度。
偏动驱动器采用
SMA
元件和能够产生偏动力
的元件构成(图 1b ):加热SM A 元件,
驱动器产生
图 1
SM A
弹簧驱动器的 3 种基本类型
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