（机械电子工程专业论文）sma直线驱动器结构原理及实验研究.pdf

摘要 摘要 在现代科技领域中，对体积小、重量轻的大功重比、高效率及具有位移控 制直线驱动器的要求越来越高。传统的驱动器功重比低，且驱动器高速运转后 需要减速装置变速，致使传动系统复杂、结构累赘。传统技术已不能满足科技 发展的需求，现在，越来越多的智能材料被用做驱动元件。形状记忆合金因大 功重比、集驱动传动和传感于一身、变形大等优点使得它在智能材料应用领域 具有独特的应用前景。 本文介绍了直线电机的分类，分析了智能材料的发展趋势，对可用于直线 驱动器的智能材料进行了梳理，分析了他们优缺点，从中挖掘出本课题合适的 驱动材料- - n i t i 形状记忆合金。并对基于位移累加原理差动式形状记忆合金直 线驱动器的工作原理做了阐述，设计出了具有较大行程的直线驱动器并做出实 验样机。 给出了s m a 本构关系，对n i - t i 合金进行静态实验研究，获得合金丝的主 要特性参数，分析了s m a 材料的应力、应变、温度之间的关系，以此为理论基 础，对s m a 直线驱动器本构模型与性能作了研究。 选择漆包线加热和半导体冷却方式驱动，以及建立通过p i c 单片机精确控 制s m a 驱动元件的加热和冷却的闭环控制系统。实验得出，该驱动器输出力和 位移比较大，且机构简单控制方便，通电电流在不破坏材料性能范围内，位移 及变形速率随着电流的增大而增加，加上合适的冷却措施，大大提高了s m a 直 线驱动器的工作频率和输出力。为验证所设计的形状记忆合金驱动器的驱动性 能，进行了温度控制实验和整个驱动器的驱动性能测试。结果表明：驱动器能 够满足大推力、大行程的设计要求，并且由于采用步进累积方式，避免了中间 态控制的难点，可实现较高精度的位移控制。 通过理论分析、试验样机的设计制作及其试验研究，证明了利用形状记忆 合金实现机构的位移累加原理正确可行，可以通过调节电流大小对加热、冷却 频率进行控制，为s m a 直线驱动器的进一步研究提供了新的思路和方法。 关键词：形状记忆合金，位移累加，直线驱动器，长行程，控制，半导体制冷 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l d so fm o d e m t e c h n o l o g y ，t h e r ea r ei n c r e a s i n gh i g hd e m a n d so nl i n e a r a c t u a t o r sw h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db yh i g ht h r u s t w e i g h tr a t i o ，h i g he f f i c i e n c ya n d d i s p l a c e m e n tc o n t r o lw h t h i ng i v e nv o l u m ea n dw e i g h t w h i l et h et r a d i t i o n a lo n eh a s l o wt h r u s t w e i g h tr a t i o ，a n dd e c e l e r a t i o nu n i t sa r en e e d e da f t e rd r i v e r s r e v o l v i n ga t h i g hs p e e d ，b o t ho fw h i c hr e s u l ti nac o m p l e xt r a n s m i s s i o nd e v i c ea n dc u m b r o u s s t r u c t u r e t h e r e f o r e ，i ti si m p o s s i b l ef o rc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g yt om e e tt h e d e m a n d sf o rd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y n o w a d a y s ，m o r ea n dm o r es m a r tm a t e r i a l s a r eb e i n ga d o p t e dt od r i v i n gp a r t s a m o n gt h e m ，s h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) ，w i t h s u c hm e r i t sa sh i g ht h r u s t w e i g h tr a t i o ，a ni n t e g r a t i o no fd r i v e ra n ds e n s o r ，a sw e l la s l a r g es t r a i n ，m a k e si t s e l fu n i q u e l ye n d o w e dw i t hal a t e n ta p p l i c a t i o no u t l o o ki nt h e f i e l do f a p p l i c a t i o no fs m a r tm a t e r i a l s i nt h i st h e s i st h ec a t e g o r i e so fl i n e a ra c t u a t o r sa r ec l a s s i f i e d ，t h ed e v e l o p m e n t t r e n do fs m a r tm a t e r i a l si sa n a l y z e d ，t h es m a r tm a t e r i a l sw h i c hc a nb eu s e di nl i n e a r a c t u a t o r sa r el i s t e da n da na s s a yo ft h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si sm a d e ， t h e nas u i t a b l ed r i v i n gm a t e r i a lf o rt h i sp r o j e c t n i t im e m o r y a l l o yi ss o r t e do u t i n a d d i t i o n ，i nt h i st h e s i st h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o no fd i f f e r e n t i a ls m aa c t u a t o r sb a s e d o nt h et h e o r yo fc u m u l a t i v ed i s p l a c e m e n ti sa l s oe x p o u n d e da n dal i n e a ra c u a t o r c a p a b l eo fc o v e r i n gal o n gd i s t a n c ei sd e s i g n e da n da ne x p e r i m e n t a ls a m p l ei s m a n u f a c t u r e d c o n s t i t u t i v er e l a t i o no fs m ai si n c l u d e di ni t i nt h i s t h e s i s ，t h em a i n c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fa l l o yt h r e a d sa r ea c q i u r e dt h r o u g hs t a t i c e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nn i - t ia l l o ya n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pa m o n gs m a m a t e r i a l s s t r e s s ，s t r a i n a n dt e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d ，w h i c ha r ep r e s e n t e da st h et h e o r yb a s i so fr e s e a r c ho n t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na n dp r o p e r t i e so fs m a l i n e a ra c u a t o r s e n a m e l l e dw i r e sa r ec h o s e nt oh e a tt h ed r i v e ra n ds e m i c o n d u c t o r st oc 0 0 li t d o w n a l s o ，ac l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e dt oc o n t r o lt h eh e a t i n ga n d c o o l i n go fs m ad r i v i n gp a r t sp r e c i s e l yt h r o u g hp i cs i n g l e c h i p s t h e s ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h i sk i n do fa c u a t o r sc a l lo u t p u tg r e a tf o r c ea n dl e n g t h yd i s p l a c e m e n tw i t h as i m p l es t r u c t u r ea n das i m p l ec o n t r o ls y s t e m d i s p l a c e m e n ta n dd i s f o r r n a t i o nr a t e r i s ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gi ne l e c t r i c i t yc u r r e n tw i t h i nac e r t a i nr a n g e e x c e p t t h i sm e r i t ，p r o p e rc o o l i n gm e a s u r e sd og r e a tp r o m o t i o nt or a i s et h ef i e q u e n e ya n d l i a b s t r a c t m l f o r c e i no r d e rt om e a s u r et h ed r i v i n gp e r f o r m a n c eo fs m ad r i v e r s ，t e m p e r a t u r e c o n t r o le x p e r i m e n t sm a dao v e r a l lt e s to ni t sp r o p e r t i e sa r ec o n d u c t e d t h e s er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h i sa c u a t o ri sc a p a b l eo fm e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fg r e a tf o r c e a n dl o n gd i s p l a c e m e n t d u et ot h ea d o p t i o no fs t e p i n ga c c u m u l a t i o n ，t h ed i f f i c u l t i e s i ni n t e r m e d i a t es t a t ec o n t r o la r ea v o i d e d ；t h u sr e l a t i v e l yh i g hp r e c i s ed i s p l a c e m e n t c o n t r o lc a nb ea c h i v e d t h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft a k i n ga d v a n t a g e so fs m at oa c h i v et h e c u m u l a t i v ed i s p l a c e m e n ti sp r o v e do nm ef o u n d a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h ee x p e r i m e n t a ls a m p l ea sw e l la sr e l e v a n te x p e r i m e n t a l r e s e a r c h a n dt h es t i m u l a t i o no fe l e c t r i c i t yc u r r e n tc a nm a i t a i nt h ef r e q u e n c yo f h e a t i n ga n dc o o l i n gi nc o n t r 0 1 a sac o n s e q u e n c e ，t h i sr e s e a r c hp r o v i d e ss o m en e w t r a i n so ft h o u g h ta n dm e t h o d sf o rf u r t h e rr e s e a r c hi ns m a1 i n e a ra c u a t o r s k e yw o r d s ：s m a ，c u m u l a t i v ed i s p l a c e m e n t ，l i n e a ra c t u a t o r ，l o n gd i s p l a c e m e n t ， c o n t r o l ，s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 悼 签字目期：趁 ! ：墨：2 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 团 作萎蓁名： | 釜导师签名：丝 者签名：f 墨塞也导师签名：鱼堡刍 签字日期：塑! ! ：z签字日期：垒! ! ：坌：z 第1 章绪论 1 1 课题概述 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 本课题题目是“s m a 直线驱动器结构原理及实验研究”，本课题来源于国家 自然科学基金重大研究计划重点项目“可变体飞行器的气动原理与结构力学研 究”。 1 1 2 课题背景 早期的飞机机翼都是平直的、大展弦比飞机，有较好的低速性能，升阻比较 高，但随着速度增加，阻力也随之增加，阻力与速度的平方呈正比关系，因此高 速飞机采用小展弦比，大后掠角设计。后掠翼虽然空阻小，但存在机翼前缘升力 不足的缺点，而且后掠角越夭，开力系数越低，使得飞机在起飞、着陆、空速限 制等指标上都不理想。可变后掠翼飞机则综合了上述特点，低速时展开机翼，拥 有较好的低速性能，同时高速飞行时向后折掠机翼，降低飞行阻力，提高高速性 能。 可变后掠翼技术主要是为丁平衡飞机高、低速飞行时对于主翼要求的矛盾， 传统的机械结构会带来结构重量的增加和一部分性能的降低，而且提高了研制成 本和技术难度。 智能变形机翼：采用智能材料结构，在几乎不增加或很少增加翼重量的前提 下，实现翼在飞行中可控制改变后掠角、翼展、翼面积和翼型，以适应起飞、巡 航、盘旋、攻击等不同作战任务。 图l1 美国专利后掠翼机构【 第1 苹绪论 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。可变后掠翼 飞机设计的核心是研制出合适的驱动结构驱动机翼运动，图1 1 是美国研制的变 后掠翼的一种结构，采用铰链机构，通过直线驱动器的伸缩对机翼进行控制。我 国在可变后掠翼飞机的设计上面几乎还是空白，其中，轻质紧凑、大推力、长行 程、高精度直线驱动器成为可变体飞行器设计的关键。 1 1 3 课题研究目的及意义 本课题的研究目的在于为可变体飞行器能投入实际应用开辟新的道路，在前 人研究基础上，开发出一种新型的基于位移累加原理的直线驱动器，为可变体飞 行器提供驱动装置，为后续研制变后掠翼无人机打下基础，探索出一条在飞行器 高速飞行条件下，能够提供较大推力和较长行程、并达到较好的控制效果的直线 驱动器。 意义就在于有利于增大可控制的直线驱动器的行程范围；能够提高直线型驱 动器的推力，有利于提高直线驱动器的功重比；有利于提高直线驱动器的应用范 围。能够始终把目光瞄准变后掠翼飞行器等需要大推力、长行程、高功重比驱动 器的应用领域，提供快速高效的操控性能。 1 2 课题现状及发展前景 1 2 1 直线驱动器的分类 直线电机是一种将电能转换成具有直线运动的机械能，而不需任何中间转换 机构的传动装置，它具有结构简单，无需接触运行，噪声低，速度与精确度高， 控制容易，维护方便，可靠性高等优点。它是2 0 世纪下半叶以来电工领域中具 有新原理、新理论的新技术。直线电机按其功能用途主要可分为力电机、功电机 和能电机三大类。力电机是指单位输入功率所能产生的推力，主要用于在静止物 体上或低速的设备上施加一定的推力，它以短时运行、低速运行为主要工况，例 如阀门的开闭、门窗的移动、机械手的操作等；功电机主要作为长期连续运行的 直线电机，衡量它的性能指标与旋转电机基本一样，即可用效率、功率等指标来 衡量其直线电机性能的优劣，例如高速磁悬浮列车用直线电机、各种高速运行的 输送线等；能电机是指使运动构件在短时间内能产生极高动量的驱动电机，它主 要是在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机 的起飞以及冲击、碰撞等试验机的驱动等等【2 1 。根据文献资料，目前直线电机主 要有以下几类p j ： 电磁式直线电机 第1 章绪论 直线电机主要是电磁式直线电动机，这种直线电机应用最广泛，它是一种将 电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 直线电机的结构可以根据需要制成扁平型、圆筒型活盘型等各种形式，它可 以采用交流电源、直流电源或者脉冲电源等各种电源进行工作。除了具有高速， 大推力的特点外，还具有低速、精细的另一特点。应用非常广泛，如军事上人们 利用它制成各种电磁炮；交通运输业中，已经利用电磁直线电机研制成功了时速 5 0 0 k m 以上的磁悬浮列车；由于步进直线电机的存在，被广泛应用于各种精密机 械仪器当中。 直线电机工作原理如图1 - 2 所示，与旋转电机类似，将旋转电机从顶部沿径 向破开，将圆周拉直，变形成如图1 2 所示的直线电机，在直线电机的三相绕组 中通入三相对称正向电流后，产生气隙磁场，称为行波磁场，图1 2 中简化为一 根导条，次级导条在行波磁场的切割下，产生感应电动势，并形成电流，所有导 条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个推力的作用下，假设固定 初级，那次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动【3 j 。 i 韧级( 定子) 2 - 次级( 动子)，一行波磁场 图1 2 直线电机工作原理图 机床上传统的“旋转电机+ 滚珠丝杠进给传动方式，也是一种电磁驱动方 式，也能实现直线进给，由于受自身结构的限制，在进给速度、加速度、快速定 位精度等方面很难有突破性的提高，已无法满足超高速切削、超精密加工对机床 进给系统伺服性能提出的更高要求。 液压传动 液压传动也即流体传动，是根据1 7 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理 而发展起来的- - f 3 新兴技术，是工农业生产中广为应用的- f 7 技术。如今，流体 传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。 在一定体积的液体上的任意一点施加的压力，能够大小相等地向各个方向传 递。这意味着当使用多个液压缸时，每个液压缸将按各自的速度拉或推，而这些速 度取决于移动负载所需的压力。在液压缸承载能力范围相同的情况下，承载最小 第l 章绪论 载荷的液压缸会首先移动，承载最大载荷的液压缸最后移动。 液压传动的原理如图i3 所示。 翻13 简单液压系统工作原理图 气动传动 气动传动，如气动人工肌肉，是一种体积小巧、柔软、重量轻、工作简单、 容易控制的仿生学产品，它由压缩空气驱动作推拉动作，其过程就像人体的肌肉 运动。 最简单的人工肌肉运动比如移动一个杠杆，用一个人工肌肉在一个方向上拉 动杠杆，配合返回弹簧。如果配以两个人工肌肉，则可以在两个方向上运动。另 一个特点是使用人工肌肉时，不需要像其它电机驱动的机器手那样考虑到是否会 过行程，它只能收缩到一定长度，因此比较安全。 在功率重量比方面，人工肌肉高达4 0 0 ：1 的，而一般的气缸和电动缸只有 1 6 ：l ，因此它也特别适合用于机器人等应用。国1 4 是气动关节结构图示例。 童矗 a 摆动关节b 旋转关节 图14 气动关节工作原理圈 智能材料 随着材料科学的进展，相继出现了一些具有特殊物理现象和化学现象的材 料，如较大的磁致伸缩效应、电致伸缩效应、压电效应、热变形等直线驱动技术 第1 章绪论 也不断出现，且亦称之为直线驱动器，这些直线驱动器尤以压电材料和磁致伸缩 材料制成的直线驱动装置最为红火，发展较快。此外，其它如形状记忆合金直线 驱动、静电直线驱动、光直线驱动、超导直线驱动、金属氢化物直线驱动等，也 在不断发展。这些材料的出现为毫米级甚至微米级的直线驱动器研制提供了可 能。如压电材料的最大应变量可达0 1 ，形状记忆合金的应变量达到8 ，磁致 伸缩材料的应变量达0 1 5 0 2 。这些材料制作的直线驱动器具有重量轻、结 构简单、响应快、控制特性好、不受磁场影响、本身亦不产生磁场等特点，这类 直线驱动器将会应用到电气、机械、化学、医疗、能源、生活等需要高精度控制 的领域【5 ，6 l 。 通过以上目前应用较多的直线电机分析，主要有电磁式直线电动机、液压直 线驱动器、气动直线驱动器和智能材料直线驱动器1 7 】。电磁式直线驱动器应用最 广，但它的减速装置往往要占去较大的空间，同时驱动器的功率负荷也有所增加， 使得驱动器的体积不太容易做得较小，使得输出功率受到了限制：液压驱动系统 对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高，传动效率低，整个液压系统 结构复杂、庞大，而且容易造成液体泄漏；而气动直线驱动器的能源、结构都比 较简单，质量很轻，小到只有l o g ，但与液压驱动方式相比，同体积条件下功率 较低( 因压力低) ，加速度高，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控 制系统；智能材料具有传统直线驱动器不可比拟的优点，重量轻、能够承受较大 的拉伸强度，综合各种因素，本文选用智能材料作为直线驱动机构。 1 2 2 智能材料直线驱动器国内外研究现状 近几年，智能材料发展十分迅速，在国内外相继研制出了多种能投入实际应 用的产品。以智能材料作驱动元件的直线驱动器因其具有独特的性能越来越受到 学术界和工业界的重视。其中，形状记忆合金( s m a ) 因功重比大、集驱动传 动和传感于一身、变形量大等优点使得它在智能材料应用领域具有独特的应用前 景。压电材料驱动器具有纳米级的位移稳定输出精度。并且压电驱动具有线性好、 控制方便、分辨率高、频率响应好、不发热、无磁干扰、无噪声等优点。同时， 压电驱动器能实现体积小、质量轻、大功率密度的特点，因此压电型精密微驱动 技术也成为国内外的重点研究方向。 智能材料直线驱动器的驱动原理分为惯性仿生蠕动、冲击移动、s l i p s t i c k 移 动、p u s h s l i p 移动等，基于智能材料的直线驱动器，大多以形状记忆合金材料、 压电陶瓷材料和磁控形状记忆合金作为驱动元件。以智能材料的单次作动为基本 驱动，再利用位移累加或位移放大手段，增加或累加位移量，满足一定的设计要 求。 第l 章绪论 形状。e 忆合金驱动器有代表性的设计主要有： n 一。 图15s j l 丝直线驱动结构 这种设计采用滑轮组来增加合金丝长度，从而产生更大的位移，滑轮6 没有 固定，合金丝加热收缩，通过三角放大机构放大输出位移。 图16s l i 圆筒直线放大机构 8 ： 8 恐 这是美国政府及空军支持的2 0 0 7 年申请的专利形状记忆合金直线驱动器 采用形状记忆合金管做驱动器，一层一层的采用嵌套结构，形成位移累加从而产 生较大的位移。 压电精密直线驱动器的机械结构如图l7 所示。压电直线驱动器的动作原理 是利用压电元件为驱动源，其变位通过放大机构放大来完成直线驱动器的的直线 驱动输出的。压电元件p z t 的变位( 膨胀及收缩) 引起带圆弧缺口杠杆的运动( 一 级放大) ，带圆弧缺口杠杆的运动引起双平行四边形弹簧的运动( 二级放大) ，从而 产生进给位移。可见，压电直线驱器采用的是“带压电元件，圆弧缺口二级放大机 构的一体化结构”。 第1 苹绪论 图17 压电直线驱动器原理图 磁控形状记忆舍金( m s m ) 设计的直线驱动器如图18 所示，采用m s m 直 接带动位移输出轴结构，m s m 元件移动范围较大，因而所需要的诎路体积较 大和励磁功率较大。如果采用图18 所示的结构，m s m 仅需要单步位移而不需 要在整个直线驱动器全行程上移动，故可使磁路和励磁绕组体积大为减小。 图18 磁控形状记忆合金直线驱动嚣结构原理图叫 国内对智能材料直线驱动器的研究也很多，论文中可以看到的有中国科技大 学、中科院沈阳自动化研究所、上海交通大学、浙江大学、沈阳工业大学、华南 理工大学等。 s m a 已经获得广泛的应用：( 1 ) 作新型驱动源，提供动力。( 2 ) 复台智能结构 利用s m a 控制结构变形，使结构具有智自目和自适应性。( 3 ) 医疗上可制作各种人 造器官或检查器件，如医疗器械的内窥镜，人工排尿管肛门扩约机等。( 4 ) 在航 空、航天飞行器结构的自适应机翼，在飞行中，根据飞行状况，激励驱动元件使 得机翼发生弯曲或扭转变形以改变翼形，从而得到最佳的气动性能等。( 5 ) 用作振 动滤波，可通过调整弹簧位置来保留所需要的拒型而滤掉不需要的振型。 1 2 3 智能材料直线驱动器发展趋势 智能材料的研究时间还不长，它的智能现象是十分令人感兴趣的。智能材料 的重要性体现在两个方面一方面，由于智能材料科学是多学科交叉的一r 科学， 第1 章绪论 一旦有所突破将推动或带动诸多前沿科学及高技术领域的巨大技术进步：另一方 面，智能材料有着巨大的潜在应用背景，例如材料的智能化和器件集成一体化更 容易实现结构微型化，在结构材料中，若能自诊断其内部的劣化和表面微小裂纹 的发生，发出预警信号或利用应力变化产生相变，从本身材料中组分的析出来填 充裂纹间隙，进行自修复，从而极大地提高关键工程结构件的安全性和可靠性， 以避免重大事故的发生。智能材料的应用领域很广，各国正在研究开发，也值得 我们注意。正是由于智能材料的重要性，因而引起了各工业发达国家的重视，预计 在2 1 世纪，智能材料将引导材料科学的发展方向，其应用和发展将使人类的物质 文明进入更高的阶段 因此，智能材料研究的不断进展，带动智能材料直线驱动器也将向集成化、 微型化、智能化方向发展1 1 2 1 。 1 3 课题研究的主要内容 1 3 1 直线驱动器系统结构设计 通过对智能材料驱动器特性分析选择一种最优的适合本课题的智能材料作 为驱动元件，再从具有放大作用的杠杆放大、三角放大等放大方式中选择一种能 够形成较大位移的放大机理，在原理分析透彻的基础上设计出较高的控制精度的 直线驱动器的结构并制作完成本文的智能材料直线驱动器。 1 3 2 控制硬件电路的设计制作 不管是形状记忆合金还是压电陶瓷等智能材料，都需要通过对电流的控制从 而达到控制智能材料位移行程的目的，本文通过p i c 单片机来实现对智能材料驱 动器的控制从而达到理想的效果。 1 3 3 直线驱动器系统性能测试 智能材料的行为特性受热力学条件、加载历程等影响具有较高的非线性和滞 后特性：同时，目前工程应用缺乏相关手册来提供智能材料的特性参数，这给其 特性准确建模和控制带来挑战。为了获得s m a 材料准确的特性参数，通过对 n i t i 记忆合金丝的准静态实验获得特性参数值。选择l i a n g - r o g e r s 本构模型作为 驱动器动力学仿真的理论基础，对直线驱动器进行一系列的建模、仿真和实验， 测试了所设计的s m a 直线驱动器的驱动性能。 第2 章智能材料性能分析与比较 第2 章智能材料性能分析与比较 近年来，在航空航天技术、精密机械制造、光学工程、微电子制造、自动控 制、微机器人操作、生物学、地震测量、医学及遗传工程等学科的技术领域的研 究都迫切需要体积小、重量轻、大推力、长行程的超精密驱动装置。传统驱动技 术难以满足上述领域，特别是航空航天领域对轻质紧凑、大推力、长行程、高精 度驱动器的需求。所以科研工作者一直在尝试使用智能材料制作直线驱动器。 随着新材料新技术的研究和发展，新型智能材料不断出现。在目前应用的驱 动材料中，适合作驱动器驱动元件的主要有压电陶瓷材料、磁致伸缩材料、磁控 形状记忆合金和形状记忆合金。其它功能材料如电磁流变材料、高分子聚合物等 并不适合作直线驱动器的驱动材料。本章主要对压电陶瓷材料、磁致伸缩材料、 磁控形状记忆合金和形状记忆合金材料的驱动性能作简要的分析和比较，以便选 择直线驱动器的驱动材料。 2 1 压电陶瓷 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的功能材料，它具有压电效应 特性。压电元件既能作驱动元件，也能作传感元件。对压电元件施加机械变形时， 就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电的极化，从而导致元件的两个 表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密度与外力成比例，这种现象成为正 压电效应。反之，施加电场，会使材料产生机械变形，而且其应变与电场强度成 正比，则称为逆压电效应( 又称为电致伸缩效应) 。正压电效应和逆压电效应统称 为压电效应i l 川。 2 1 1 温度特性 温度特性，即压电陶瓷线膨胀系数比一般的金属材料要小，常用的高压陶瓷 和低压陶瓷在其工作温度范围内线膨胀系数分别为1 1 1 0 。6 和一3 5x1 0 哺 。在高精度定位等场合，压电陶瓷的温度特性是不容忽视的。压电陶瓷的温度 特性主要表现在两个方面： 一是线膨胀：这是指压电陶瓷随着温度的变化而伸长的特性，由于叠堆型压 电陶瓷是由多片压电陶瓷片粘接而成，因而其线膨胀系数既受压电陶瓷片的影 响，也受陶瓷片之间连接材料的影响。二是温度对压电效应的影响。压电陶瓷的 输出位移随着温度的增加而减小，在0 一5 0 范围内减少5 一8 ，如图2 1 所示。 压电陶瓷的迟滞也随温度而变化。 9 第2 章智能材料眭能分析与比较 一- - j - - r 一一- - - - - - - - 一 o 温度( 。c ) 2 1 2 迟滞特性 图21 压电陶瓷微忸移器温度特性 迟滞特性，即压电陶瓷的升压和降压曲线之间存在位移差。图2 2 为压电陶 瓷微位移器的电压一位移特性曲线。当外加电压变化时，陶瓷内部的极化状态也 要随之发生变化。当陶瓷内极化状态的变化跟随不上外加电压的变化时，就产生 迟滞现象。 ： 霎 篁 图22 压电陶瓷迟滞特性示意图 此外，压电陶瓷还具有蠕变特性和非线性特性。蠕变是指压电陶瓷微位移器 对时间的滞后效应，这是由于电介质内部的晶格间存在内摩擦力，在施加电场后 极化作用不能a a p 完成而存在一定的形变滞后。实际上，压电陶瓷应变与井加 电压之间并非线性关系，压电晶体微位移器应变与外加电压之间呈线性关系只是 在理想条件下产生。 2 2 磁致伸缩材料 1 8 4 0 年焦尔就发现当磁性体被磁化时，其外型尺寸会随着发生变化，这就是 人们通常所说的磁致伸缩效应，又称焦尔效应。2 0 世纪4 0 年代n 1 和c o 的多晶 第2 章智能材料性能分析与比较 _i ii i iiii i 磁致伸缩材料进入应用。这些材料的相继问世，虽然在当时取得了一定的成果， 但由于它们位移量很小以及较低的居里温度，应用仍受到一定的限制。到了7 0 年代，a e c l a r k 发现稀土一铁系化合物具有巨大的室温磁致伸缩效应，并且以其 高的机电转换效率，大的发生应力，高的能量密度和快速的机械响应等优点，立即 受到世界高技术领域专家们的极度关注，而最具实际用途的是尺寸发生改变的线 磁致伸缩材料，其特征参数是饱和磁致伸缩系数as 、饱和磁化强度m s 、机电耦 合系数k 。 磁致伸缩材料( m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ) 具有如下特性： ( 1 ) j o u l e 效应：磁性体被外加磁场磁化时，其长度发生变化，可用来制作磁 致伸缩制动器。 ( 2 ) l l a r i 效应：在一定磁场中，给磁性体施加外力作用，其磁化强度发生变 化，即逆磁致伸缩现象，可用于制作磁致伸缩传感器。 ( 3 ) d e 效应：随磁场变化，杨氏模量也发生变化，可用于声延迟线。 ( 4 ) v i e d e m a n n 效应：在磁性体上形成适当的磁路，当有电流通过时，磁性体 发生扭曲变形，可用于扭转马达。 ( 5 ) a n t i v i e d e m a n n 效应i 使磁性体发生机械扭曲，且在二次线圈中产生电 流可用于扭转传感器。 ( 6 ) j u m p 效应：系超磁致伸缩材料，外加预应力时，磁致伸缩随外场而有跃 变式增加，磁化率也改变，利用以上现象即可做成各种器件。 磁致伸缩材料可作为智能驱动器、应力( 应变) 传感器得以应用。而具有高灵 敏度特性则是驱动器、传感器的必备条件。具有显著磁致伸缩效应的磁性材料， 已实用的磁致伸缩材料分为3 类：金属磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较高， 力学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用于高频段。常用的有铁基 合金、镍基合金。铁氧体磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较低，材料的气隙率 影响其力学性能，故不能承受较高功率，但电阻率高，可用于高频段。巨磁致 伸缩材料。其磁致伸缩系数( 材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之 比) 远高于常规材料，耦合系数也高：缺点是所需磁化场强高。磁致伸缩材料可 用于制造超声和水声换能器件，如超声探伤器、超声钻头、回声探测器等；用于 制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发生器等；也可用于制造自动控制器件 及测量和传感器件【l 训。 磁致伸缩材料的频率特性好，可在低频率( 几十至1 0 0 0 赫兹) 下工作，工作 频带宽：稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过 热失效问题。但也存在伸缩变形很小( 应变量：1 0 1 0 q ) 、需要施加外磁场、驱 动需要的能量比压电材料要大、存在磁滞等不足。对于直线驱动器的驱动，致命 第2 章智能材料性能分析与比较 的畦路在于应变太低驱动能量大。需要外磁场，势必导致装置外形尺寸大，结 构复杂。 2 3 磁控形状记忆舍金 磁控形状记忆合金( m a g n e t i c a l l y c o n t r o l l e ds h a p e m e m o r y a l l o y ，简称m s m ) 是一种1 9 9 3 年才被发现的一种新型具有形状记忆功能的合金材料，不仅变形率 大而且易于控制，变形率与所施加的磁场强度有较好的线性关系：动态响应速 度高，可以满足一般自动控制系统对执行器动态响应速度的要求具有较高的能 量转换效率和功率密度，特别适合于制造高精度的运动与位置控制执行器。目前 所用的m s m 成分主要是n i m - n g a ，其在室温下直线变形率可达1 0 ，弯曲变形 率可达1 8 。与磁控型的磁致伸缩材料相比，m s m 具有大得多的变形率，其变 形率超过超磁致伸缩材料t e 豫f n 0 1 d 的变形率5 0 倍以上。 m s m 磁控形状记忆功能可用磁的各向异性解释。图23 为磁场作用下m s m 晶体结构调整取向的原理示意图。孪晶的短轴( 图中的c 轴) 是易磁化方向，在没 有外磁场的情况下沿元件的长轴取向，如图23 ( a ) 所示。在外磁场作用下另外 的孪晶变异体出现井逐渐增长，如图2 3 ( b ) 所示孪晶变异体的边界被外磁场所 移动。当磁场能量足够大对晶胞的易磁化轴( c 轴) 转向外部磁场方向，如图 23 ( c ) 所示。在外磁场作用下，m s m 元件的长度变化为a c ，即晶胞的长短轴之 比。 吧 ，n a t( b 1c c 图23 磁场作用下m s m 晶体变形原理示意圈 在磁场作用下m s m 变形后具有形状 己忆功能，即外磁场去掉后m s m 保持 变形后的形状不变。恢复其原始形状一般有两种方法：一是将磁场方向旋转9 0 。 即沿变形后m s m 的晶胞长轴方向施加磁场使其在磁场作用下旋转回到原始位置 二是通过对变形后的m s m 晶胞长轴方向施加一定压力使其恢复原形【1 “。 第2 章智能材料性能分析与比较 m s m 执行器的基本结构如图24 所示。电磁铁用咀产生m s m 元件变形所 需要的可控磁场r 水平方向的磁场穿过m s m 使其产生垂直方向的变形。弹簧产 生预压力，在去除磁场作用后，使m s m 陕复原有形状。线性位移控制是最基本 和应用最普遍的执行器其结构和控制也最为简单。采用m s m 也可产生弯曲和 扭转等非直线位移的执行机构，但其结构和控制方法要复杂一些 ”i 。 2 4 形状记忆合金 图24m s m 执行器的基本结构 形状记忆合金( s h a p em e m o r y a l l o y ，s m a ) 驱动器，因其驱动应变大、输出 力大、功重比高和无噪声等优点被广泛采用，目前已应用于医疗器械、工业仪器 仪表、航空航天、机器人、自动化与土木工程等诸多领域【1 6 , 17 。 【* 自 】【遁自日】 圈25s m a 舍金丝做功过程 形状记忆效应( s m e ) 和超弹性效应( s u p e r e l a s t i ce f f e c t ) 是形状l a 忆台金所 具有的最典型的两个基本特征。s m a 作为驱动器使用主要与形状记忆效应有关， 因此深入了解形状记忆效应和s m a 特殊机械性能是进行s m a 驱动器设计的基 础。 第2 章智能材料性能分析与比较 2 4 1 形状记忆效应 应变啼 ( b ) 彤状记忆台金 图2 6 材料形状记忆效应 一般金属材料在外力作用下，首先发生弹性变形，达到屈服点后，就产生塑 性变形，应力撤销后则留下永久变形。而某些金属材料在发生了塑性变形之后。 经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的形状。这种现象叫做形状记忆效 应，具有形状记忆效应的合金称作形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y , s m a ) 。 形状记忆合金主要分n i 基、铜基和铁基三大类。目前使用最广泛的是n i t i 基合 金，其记忆特性稳定，记忆寿命长。图2 6 表示了普通金属材料和s m a 在加载、 卸载、再加热过程中的应力一应变曲线关系比较i l 酗。 形状记忆效应是在马氏体逆相变的过程中发生的。温度一旦达到相变开始温 度，形状记忆效应就开始发生，温度到了相变结束温度，形状记忆效应也就结束。 在相变的整个过程中，材料的变位量、变位过程所输出的回复力以及材料本身的 内阻都和温度有着一一对应的关系。形状记忆合金不仅可以充当驱动器对外做 功，而且可以对某一参数进行在线检测，充当传感器。s m a 具有集驱动器与传 感器于一身的特色。作驱动器它在相变过程中产生的回复力很大，它的功重比( 功 率重量比) 要远远大于电机。 形状记忆效应的动作特性有三种类型： a 单程( o n e w a y ) 形状记忆效应 目前国内商品化的n i t i 形状记忆合金丝在低温马氏体组织时，加外力使应 变 8 ，加热超过马氏体相变点时，形状恢复率可达1 0 0 。随着循环次数的增加， 形状记忆特性会衰减，即存在疲劳寿命。一般情况下，回复变形在2 以下时， 疲劳寿命为l 1 0 5 次，回复变形在o 5 时，疲劳寿命为1 1 0 6 次。 1 4 man篓statec 一萋一萋 茎 a r a r r o 一o 一( ) ( a )( b )( c )( d ) 图2 9 全方位记忆效应示意图 ( c ) 形状记忆效应是由于马氏体相变造成的。除钢铁外，大多数合金中的马氏体 相变是可逆的，即冷却时由母相p 转变为