形状记忆合金电机研究与应用中的若干新发展.doc

形狀記憶合金電機研究與應用中的若干新發展杨 凯，辜承林(华中理工大学，湖北武汉430074) 摘要：概括了形状记忆合金的相变晶体学和热力学特性，并在此基础上介绍了形状记忆合金电机的结构、原理、驱动、控制和应用综述了当前形状记忆合金电机的应用与研究中的若干热点， 关键词：形状记忆合金(SMA)，形状记忆效应(SME)，SMA电机 中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1001-6848(2000)02-0032-04观代化工业，特别是微型机器人和计算机技术的飞速发展，对体积小、重量轻、高功率密度电机的需求与日剧增。传统伺服电机因为功率一重量比低，必须安装在远离驱动点的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用要求。为此，人们研制了利用功能材料构成的各类新型电机，如记忆合金电机、压电效应电机、电致伸缩电机和磁致伸缩电机等。其中，压电、电致伸缩和磁致伸缩电机反应速度较快，但输出位移小，使用受到了一些限制。比较而言，形状记忆合金(简称SMA)电机输出位移大，同时有较高的功率一重量比，具有广阔的应用前景。 SMA电机的结构、原理及运行控制方式均与传统电机不同。它是利用SMA材料的独特的形状记忆效应(简称为SME)，辅以一定的偏动装置（弹簧或弹性体），通过特定的控制手段，构成双程可逆致动元件，实现机电能量的转换。1 SMA与SME 有一种特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种材料被称为形状记忆合金，这种能力亦称为形状记忆效应。通常，SMA枉低温时产生塑性变形，温度升高后，克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明，很多合金材料都具SME，但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的，才有利用价值。到目前为止，应用最多的是Ni- Ti合金和铜基合金(CuZnAI和 CuAINi)。从合金相变的角度来看，SME的实质是SMA内部的热弹性马氏体相变，当母相过冷到马氏体相与母相化学自由能平衡温度丁。以下适当温度 M.时，马氏体将长大，直到热化学自由能和弹性非化学自由能两者之差最小时，马氏体的生长过程才告结束。同样，只有当马氏体过热到To以上温度A。时，在相变驱动力作用下，马氏体缩小的逆转变过程才能开始。 图1现实了相变特性及相变循环中的关关键点，其中M、Mr为马氏体相变的开始和结束时的温度，A。、Af为逆相变的起始和结束温度，人们通常用相变温度Af表征合金的特性。通常，SMA能够完全恢复的形变量可达百分之68（远非一般材料所能比拟），形变温度范围一般在-100200之间，主要受合金成分及热处理制度等因素的影响。形状恢形状记忆合金电机研究与应用中的若干新发展杨凯辜承林复时会产生很大的回复力(有的高达200MPa)且机械特性有较大的变化。 图2给出了Ni-Ti合金在拉力作用下的应力一应变曲线。马氏体在较低的应力下就能产生塑性变形，而高温奥氏体具有很高的屈服应力。虚线表明，去除应力的马氏体经加热后转化为奥氏体，回复到它所记忆的形状，而奥氏体经形变后加热却没有类似的现象。大多数情况下SME是单程的，如果要得到往返运动，必须人为地使SMA在低温时产生塑性形变，所以实际应用中多用偏置弹簧与SMA配合使用。一些合金经过特殊的热处理和机械训练，也能具有双程的SME，即加热和冷却时都产生形状的变化。但与单程的SME相比，双程SME所产生的回复应变和形状回复力都要小一些。2基本结构和工作原理 SMA电机由驱动元件和执行机构两部分组成。驱动元件即SMA材料，多为丝材、片材和管材，可根据需要做成不同形状、规格的驱动元件，常使用的有直线张力金属丝型、螺旋压缩弹簧型、螺旋拉伸弹簧型、悬臂弹簧型、盘状弹簧型、螺旋扭转弹簧型、扭转金属丝型和扭转金属管型等。传统的SMA电机，执行机构比较简单，有偏置式和推挽式两神。偏置式系统由SMA弹簧和偏动的普通拉伸弹簧组成，推挽式系统只是将偏置系统中的普通拉伸弹簧换成SMA弹簧。按电机的运动形式，其基本结构可分为直线位移型和旋转位移型。直线位移型的基本结构如图3所示，其中图3a为偏置式， 转动关节型电机的基本结构如图4所示，其中图4a为偏置式，图4b为推挽式。 电机的运行原理是，对偏置式而言，加热SMA弹簧，相变发生，形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时，SMA发生逆相变，此时，SMA弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。如此反复，可使电机输出位移。对推挽式而言，加热一侧SMA的同时，冷却另一侧的SMA，电机具有双向做功的能力。一般，推挽式比偏置式的输出功率大，能量转换效率高。 实际应用中的SMA电机，根据需要，其结构可以多种多样，但运行原理与以上介绍的两种单元电机基本一致。3驱动与控制 从控制角度看，直接通电加热SMA丝是驱动该电机的最好方法加热电流的控制方式可采用模拟控制或数字控制，实际中多为脉冲宽度调制控制方式(PWM)PWM控制有丙个特点：一是对电流的积分特性，脉冲电流不会使驱动器产生跳跃式动作，二是不靠A/D和D/A转换就可以直接控制数字信号。控制实际上是控制加热电流脉冲的占空比，占空比除了直接影响所给SMA热量外，还影响达到目标所需时间及电机的动作范围（图5）。 为准确控制电机的动作特性，通常采用加适当反馈信号的伺服控制。反馈信号有内部信号（电阻、温度）和外部信号（位置、回复力）之分。实际应用中采用了利用合金特性变化的有效控制方式；首先测出脉冲电流的间歇时间（停电时间）内SMA的特性值，如电阻，然后作为反馈信号确定下一个脉冲的宽度，通过这种形式把系统调节到规定的值。 要实现目标控制，必须建立数学模型，考虑到SMA模型的滞后与非线性，从实际出发，可先作出SMA的电阻一位移曲线。为减少工作量，可先测出其电阻一加热时间曲线。如图6所示，f虽已能电，但SMA还未开始变形，随温度升高电阻率增加，tl后SMA开始发生相变，电阻率仍增加，但这时SMA不断缩短，长度变小，截面变大，电阻减小，因为电阻减小的趋势大于增加的趋势，所以实际电阻减小。加热到t2时，SMA停止变形，电阻又随加热而增加。t3以后，电流通过SMA产生的热量与外界趋向平衡，曲线趋于平坦。所以，真正的srvfA驱动器的动作范围在tl- t2之间，因为SMA变形时的电阻与位移存在着单调性，给控制带来很多方便。4 SMA电机的应用与研究 与其他的电机相比，SMA电机具有以下优点： 高功率重量比，适于微型化。 集传感，控制，换能，致动于一身。 结构简单，易于控制。 动作连续柔和，可制成拟人机械手。 对环境适应能力强，不受温度以外的环境影响。 无振动噪声，无污染。 SMA电机的以上优点，使他非常适合于小负载、高速、高精度的机器人装配作业中使用，在电子显微镜内样品移动装置，化学设备的反应装置及原子反应雄中的驱动装置上的应用大有前途。世界上许多工业发达的国家（特别是日本），都在加紧这方面的研究，并取得了一定的成果。下面综述几种该电机的典型应用12。 (1)形状记忆合金机器人。形状记忆合金机械手特别是微型机器人的研制开发，一直是SMA电机应用中的一个热点。形状记忆合金电机用作智能机器人的执行器，集传感、控制、换能、制动于一身，具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型化等优点。图7是具有肩、肘、腕、手指5个自由度的微型机械手，手指和手腕靠螺旋弹簧状SMA电机的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩靠直线状SMA电机的伸缩作弯曲动作。日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯StPetersburg机器人及控制技术学院在Cu - Al-In基合金电机的研究基础上，研制出了拟人机械手(1. 5m长)，其手爪能移动200N的物体，该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。 (2)医用内窥镜。现在内窥镜的最大弱点是，只有头部的弯曲部分可以自由操作，其他部分都不行，而用SMA电机可制成具有多自由度，能弯曲转入肠道内诊断疾病的内窥镜，这种内窥镜的直径为13mm。与现有的大肠镜的直径(1020mm)相近，因此它特别适于作大肠镜。诊断过程中，医生一边看纤维镜中的图象，一边移动操作杆给出前端的第1，2节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令，通过计算机进行柔性控制，使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退，大大减小了患者的痛苦，也增加了诊断的准确性。随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展，SMA电机可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。 (3)火星探测器。1997年美国航空航天局(NASA)的科学家利用长3cm，直径0.15mm和Ni- Ti丝做成SMA电机，并将它用在火星探测器的太阳能电池帆板上。通电加热SMA丝，使其收缩，电机动作打开太阳能电池上的玻璃挡板，电池充电。充电结束后，电机中的偏置弹簧重新使帆板复位。 (4)形状记忆合金人工心脏。利用SMA电机制作的人工心脏在一个由高分子材料做成的口袋状的人工心室表面装上很多直线型SMA电机。随着加热、冷却，电机输出直线位移，形成人工心室的有规律的搏动。有记载表明，丝径为1OmmNi - Ti电机，通电电流为12A，冷却方式为空冷，可以得到40次min的搏动。 (5)对流式微波炉调节风闩。微波炉因加热和冷却通风经常需要切换，所以装有调节风门机构。现用形状记忆合金电机研究与应用中的若干新发展杨凯辜承林SMA电机作为调节风门的驱动元件，将SMA电机接在电路中，通电后，电机发生形状恢复，产生很大的形状回复力，将调节风门紧紧关闭。一旦电源中断，装在风门上部的偏置弹簧把电机拉长，将调节风门打开。这一调节风门利用SMA电机替代了驱动用马达，减轻了重量，降低了成本，节约了使用空间。 (6)过电流保护器。利用双程SMA电机制作的过电流保护器动作原理是，高温时，螺旋式SMA电机收缩，低温时则伸长。额定电流状态下，通过电机的电流虽然使电机发热，但不到相变温度，所以弹簧不动作。当处于过电流状态下时，记忆合金的温度超过了相变温度，电机收缩，将衔铁拉下，电路断开。电流恢复正常后，电机又逐渐伸长，衔铁在偏压弹簧的作用下也回到了正常的工作状态，当出现短路时，由SMA电机线圈产生的磁场使铁心磁化，被磁化了的铁心将衔铁吸下来，电路断开。所以SMA电机构成的电路保护器不仅起到过电流保护，而且可以起到短路保护。该保护器结构简单，成本低廉，运行稳定。 迄今为止，形状记忆合金电机在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用。5 SMA电机的研究热点 SMA电机是一种新型特种微电机。但对于SMA材料本身，其加工和制备较难控制，没有形成自动生产线，成本昂贵。对于电机的应用，进一步微型化，提高反应速度和控制精度，仍有很多的工作要做。近年，有关SMA电机的研究成果以美国居多，其中美国航天航空局(NASA)、得克萨斯A&M大学、加利福尼亚大学伯克利分校、斯坦福大学等居于领先位置。国内的大连理工大学、华南理工大学、沈阳自动化研究所、四川联合大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等一些高校和科研结构也做了大量的工作。当前SMA电机的研究热点和发展趋势可归纳为以下几方面： (l)Cu基SMA电机的开发与研究。Ni-Ti合金的稳定性、耐蚀性、抗疲劳性及记忆性能都比Cu基合金强，但成本较高，不利于批量生产，限制了SMA电机的普及。因此提高Cu基SMA的疲劳强度，延性指标及热与应力循环引起的记忆性能不稳定问题是影响Cu系SMA电机实用化的重要因素。如果能通过材料学和晶体学的角度解决上述问题，对降低SMA电机成本，拓宽SMA电机的应用范围将产生深远影响。 (2)多种形式的SMA电机开发。迄今为止，实际得到应用的合金有丝(直径可小于0，001)、缎带(厚度可小于o001)、微型管道(外径范围0.0080. 125)、薄膜(厚度可小于0.0007，宽度可达3.54)等多种形式。其中薄膜有较大的比表面和较高的电阻率，因此加热和冷却速度提高，具有较快的响应。若把NiTi薄膜加工成弹簧用于电机，可以大大降低整个结构的尺寸。SMA薄膜电机是加热薄膜使其收缩，回复力克服弹簧弹力使支撑盘靠拢，冷却薄膜，在预压缩弹簧的作用下，支撑盘张开。该电机重0.006kg，长25mm，直径17mm，最大拉力为4N，输出的最大位移为2.5mm，响应频率可达20Hz。当前，国内外的学者们正积极发展新的测试技术和热力学分析方法，以揭示SMA薄膜相变一温度一应力一应变的内在联系，为驱动和传感元件的设计提供依据。同时开展SMA薄膜电机一传感器一体化研究。 (3)内嵌式SMA电机的研究。内嵌式形状记忆合金电机的主要思路是，用硅橡胶取代偏置弹簧，在硅橡胶制成的弹性棒内嵌入Ni- TiSMA线材，使棒体在通电时产生的弹性变形在断电后自行恢复，由此可构成最简洁的双程单元电机。最近，得克萨斯A&M大学的Lagoudas，DC教授领导的研究小组时内嵌SMA合金丝的硅像胶弹性棒进行了大量的研究。他们采用室温硫化的硅橡胶和Ni- Ti合金丝，试验中，合金丝采用不同的嵌入方式，通入5A的电流，相变过程中可产百分之6或百分之4.5（单程或双程）的回复应变，从而使棒体产生不同的弯曲。SMA平行棒体的轴