9e3CSR并联机构形状记忆合金驱动器的设计

微小型3一CSR并联机构形状记忆合金驱动器的设计

李曼

(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510641)

Designof

SMAActuatorforMicro3—?CSRParallelMechanism

LIMin

(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering.SouthChinaUniversityofTechnology?Guangzhou510641.China)

摘要:为扩大蒸汽发生器管问视频检查的范围,对SMA双程驱动器进行了分析比较,计算确定了SMA弹簧和偏压弹簧的参数,研制了用偏动式SMA双程驱动器驱动的微小型3一CSR并联机构,实现了微型摄像头的位姿调整。

关键词:并联机构;形状记忆合金;驱动器

中图分类号:TP24

文献标识码:A

文章编号:1001—2257(2009)12—0058一04

Abstract:Toexpandtheinspectionscopeout—sidethepipelinesofsteam—generators.Thechar—acteristicsoftwo-‘waySMAactuatorsareana‘。lyzed.TheparametersofSMAspringandbiasspringaredecided.Amicro3一CSRparallelmecha—nismactuatedbybiastwo—waySMAactuatorsisdevelopedtoadjusttheposeofthemicrocameraeffectively.

Keywords:parallelmechanism;shapememoryalloy;actuator

收稿日期:2009一05—17O引言

传热管是核电站蒸汽发生器的关键部件,工作在高温高压和交变载荷等恶劣环境下,在与管板相连区域易出现泥渣堆积、腐蚀和裂纹等缺陷。管间机器人是一种特殊的工业内窥检查装备,能在蒸汽发生器传热管和管板相连区域进行自动检查作业,到达普通工业内窥检查设备很难、甚至无法观察到的区域进行检查。管间机器人的检测部件(搭载微型摄像头的管间小车)能在柔性钢带的作用下横向伸入到传热管束间,在管板上15mm宽的管束间隙内做来回移动,对相关区域进行检测,摄取图像供专业人员分析[I]。由于微型摄像头的视场角有限,为确保观察到所有相关区域,研制了一个3一CSR的微小型并联机构来调整其位姿。

1管间小车的结构

管间移动小车的结构示意如图1所示。固定于底座的前支座和后支座上各有3个位置和尺寸一样的导向孔,导向孔的中心分布在等边三角形的3个顶点上。导杆上装有螺旋弹簧和形状记忆合金

参考文献:

[13陈育民.设计科技馆展品的指导思想[A].2005年中国科协学术年会论文集[c].北京:科技导报社。2005.220

—223.

[z3雷拥军,吴宏鑫.空间机械臂控制及其在空间探测中应用综述[A].中国空间科学学会空间探测专业委员

会第十六次学术会议论文集[c].北京:中国空间科学

学会,2003.502—507.

[3]EhrenwaldL.GuelmanM.Integratedadaptivecontrolofspacemanipulators[J].JournalofGuidance,Con?

tr01.andDynamics,1998。21(1):156—163.

?58?[4]NechybaMC.eta1.Human—robotcooperationinspace:SM2fornewspacestationstructure[J].IEEE

RoboticsandAutomationMagazine,1995,2(4):4—

11.

[5]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社.2000.[6]艾伯特电通股份有限公司.Quest3D游戏制作[M].台湾:学贯行销股份有限公司.2008.

作者简介:乐爱兵(1984一),男,江西抚州人.硕士研究生,研究方向为机器人控制技术;李大寨(1967一).男,湖南岳阳人.高级工程师。研究方向为机器人控制技术。机电系统自动化.

《机械与电子12009(12)

万方数据

(SMA)弹簧,这就构成了均匀分布的3个偏动式SMA双程驱动器,在螺旋弹簧和SMA弹簧的作用下,导杆能在导向孔的导向作用下做来回直线移动。微型摄像头固定在活动平台上,连杆的一端与导杆通过球面副相连,连杆的另一端通过转动副和活动平台相连。这样就构成了一个3自由度的3一CSR并联机构,通过控制3根独立驱动的SMA弹簧,可以改变导杆伸出的长度,从而实现活动平台(摄像头)位姿的调整。

图l管间小车的结构

23一CSR并联机构的模型

图2所示为3一CSR并联机构模型‘2一副。固定

图23一CSR并联机构模型

平台A1A:A。和活动平台BlB。B。是2个等边三角形,它们之间通过3条由导杆s,和连杆l,(i=1,2,3)组成的分支相连,导杆与固定平台间用圆柱副C连接,导杆与连杆间用球铰S连接,连杆与活动平台之间通过转动副尺相连。3个转动副的轴线沿BtB:B。的外接圆在各顶点的切线方向分布。可求出该机构的自由度等于3。该机构的驱动副是组成圆柱副的移动副,当杆长s-,sz,s。发生变化时,就可以改变活动平台的位置和姿态。

3SMA双程驱动器

3.1形状记忆效应与形状记忆合金

有些金属材料,在发生了塑性变形后,加热到某《机械与电子)2009(12)一温度之上,能够回复到变形前的形状,这种现象叫做形状记忆效应,如图3所示。具有形状记忆效应的金属通常是由2种以上金属元素组成的合金,这种合金叫做形状记忆合金。

应力

氏体

厦变

图3形状记忆效应

SMA在低温马氏体相时非常柔弱,屈服应力非常小,随着温度升高,屈服应力变大,完全变为母相后,屈服应力达到最大。SMA在室温时很容易变形,在高温时可以产生较大的回复力。和电机等驱动元件相比,SMA具有功重比大,机构简单,无污染和噪音,传感功能,低压驱动等优点。这些特性使SMA非常适合于微电子、生物、医疗、服务及娱乐等绿色产品使用的机器人的开发[“。

3.2SMA双程驱动器

SMA驱动器就是利用SMA在形状记忆效应中输出的位移和力来对外界做功的机构[5]。机器人要实现连续的行进,必须采用SMA双程驱动器。实现双程动作可以有不同的实现方法,一种是利用SMA自身的双程记忆效应,另一种是SMA本身只有单程记忆效应,和其它适当的元件组合起来实现双程动作。后一种又分为偏动式和差动式2种。由于具有双程记忆效应的SMA输出位移和输出力太小,目前还未广泛使用。

用单程形状记忆效应的元件和其它部件组合在一起,实现双程动作特性的驱动器称为偏动式驱动器。由2个以上SMA元件组合而成、实现双程动作特性的驱动器称为差动式驱动器。这2种方式的共同点是,都利用SMA在高温母相时的屈服应力高,低温马氏体相时的屈服应力低这个性质。

如图4所示,偏动式SMA双程驱动器常常将SMA元件做成螺旋弹簧形式,同时和一个普通压缩弹簧组合起来使用,2个弹簧处于对压状态。低温时,由于偏压弹簧的弹性作用,SMA弹簧被压缩。温度上升到高温时,SMA弹簧伸长产生的形状回复力比较大,使偏压弹簧并紧。温度再降低时,偏压弹簧的弹力使驱动器复位。反复升温降温,实现双程动作特性。图5所示是偏动式双程驱动器工作原

?59?

万方数据

理i曲线b和曲线c分别表示SMA在高温和低温时的应力一变形曲线,直线a表示偏压弹簧的应力一变形曲线。在室温时,2个弹簧的力在B点达到平衡;在高温时,2个弹簧的力在A点达到平衡,故驱动器的动作行程为AB。如果再考虑组合元件对外做功损耗,2个平衡点分别为C和D,动作行程将减小到CD。

偏压弹簧SMA弹簧

图4偏动式SMA双程驱动器

图5偏动式SMA双程驱动器工作原理

差动式双程驱动器是利用在高低温时,2个SMA元件的形状回复力和变形力之差来实现往复运动的。实现双程动作的方法是,先给一侧的SMA弹簧加热而另一侧的SMA弹簧不加热,被加热的SMA弹簧产生形状回复力,克服另一侧的SMA弹簧的变形力而伸长,然后,改变加热对象,让另一侧的SMA弹簧升温产生形状回复力而伸长。交替加热,实现往复可逆动作。

由于SMA元件在主动变形(高温母相)时回复力强,在被动变形(低温马氏体相)时柔软的特性,与相同尺寸参数的偏压式驱动器相比,差动式驱动器可获得较大输出力和动作行程。

驱动器的动作速度主要受SMA降温时间的影响。偏动式驱动器的偏压弹簧为瞬时动作元件,只需很短时间就能复位;而差动式驱动器两侧SMA,由强壮的高温状态冷却到柔弱的低温状态都要占用较长时间,这几乎使驱动器的运动周期提高了l倍。

在差动式驱动器工作时,需同时对2根SMA的相变过程进行监测与控制,增加了控制的难度,也不利于结构和控制电路的微小型化。

?60?4偏动式SMA双程驱动器的设计考虑管间机器人的工作环境和管间小车的特点,3一CSR并联机构的驱动器采用偏动式SMA双程驱动器,SMA材料为Ti—Ni合金,加热方式为电流加热,冷却方式为自然冷却。管间小车的结构尺寸限制了SMA弹簧和偏压弹簧的总工作长度为lOmm

4.1SMA弹簧的设计

SMA弹簧的记忆特性和温度紧密相关,在性能上与普通弹簧有很大不同,主要表现在:普通弹簧的负载与变形的关系,也就是应力一应变曲线呈线性关系,而SMA呈非线性关系;普通弹簧的性能特性可以看作与温度无关,而SMA的性能特性与温度紧密相关;普通弹簧在加载与卸载过程中的特性曲线是重合的,而SMA的特性曲线几乎都不重合,存在有温度滞后或应变滞后现象。由于这些性能特性,SMA弹簧在应用设计中不能直接应用经典的虎克定律,必须对所用的不同材料、不同形式的SMA元件进行形状记忆特性测试,以测试结果为依据进行具体的设计。设计过程如下t-6]。

设PH,粕,PL,彘分别是弹簧在高温和低温时所受的压力和变形;咒为有效圈数;D和d分别为中径和丝径;GH和G。分别为高、低温时的剪变模量;’,H和yL分别为高、低温时最大剪切应变;rH和rL分别为高、低温时最大剪应力;弹簧指数c=D/d;k为曲度系数。

根据结构和载荷情况,SMA弹簧设计要求如下:弹簧自然长度5mm,初始工作时和通电加热后,负载均为来自偏压弹簧变化的压力。高温时,“一2Illtn,PH=2N。低温时,观=3mm。要求相变温度50℃左右。

D由于pH,确,P。,既不是相互独立的,有莘

OHLrHD

4匾L5丽a-,取GH一25GPa,GL一7?5GPa,有9p

赢5薮缸,求得Pc0?9N。

a.先确定最大剪切应变的‰。值。SMA的‰。值与反复使用次数的多少有关。‰。值设定得越小,反复寿命越长。当SMA元件反复寿命在几万次左右的中等程度时,可设定‰。为1.5%,本样机

《机械与电子}2009(12)

万方数据

中暂取‰。=1.5%。设计时,‰。=扎,即取托=

1.5%。

因为y=篇,所以),与艿成正比,故yH

=九?a./赴一L5%×2/3—1%。

b.Z'L一九?GL=0.015×7.5=0.1125GPa

c.设c=D/d一7,查得k=1.21,已求得PL一

0.9N,rL=0.1125

GPa,根据公式

rL一—8kP—LD:—8k—PFLc(1)

f.=~=一

Ill“

7cd37【d2

、17

得0.1125×10k塑岂笋塑=学,

求出d≈0.415mm,取d=0.4mm。

d.将d=0.4mm代入式(1),求得D=2.6

mm,取D=3

mm。

e.因为yL=等,yH=蔫,所以托

一‰一掣

代入数值得o.015一o.01一号等蓦簧手,求得

n=2.8,取n:3。

所以SMA弹簧自然长度5mm,中径3mm,丝

径0.4mm,有效圈数3圈,总圈数5圈。4.2偏压弹簧的设计

偏压弹簧工作时受压力作用而变形,设偏压弹簧的自然长度为l,刚度为五。

由于偏压弹簧和SMA弹簧工作时总长度为10ITlm,故低温时,偏压弹簧压缩变形量△Z。一(Z一8)mitt时,压力P,=0.9N;高温时,偏压弹簧压缩变形量△Z2=(£一3)mm时,压力Pz一2

N。

列出方程:k&11=P1;kAl2一P2。代人已知条件得:

k×(Z一8)×10—3=O.9;k×(Z一3)×10—3=2。

求得Z=12mm,k=220N/m。再由k一

盖鸶,得弹簧有效圈数,z一篇一£毳,其中剪变

模量G_--80GPa,取弹簧指数c=D/d=12,弹簧丝

d=0.3

1T1.m,故n=燮器畿焉坚----7.9,

取7l一8。

所以偏压弹簧的参数为自然长度12miD.,中径

3.6

mm,丝径0.3mm,有效圈数8圈,总圈数10

圈。

《机械与电子}2009(12)

样机实验

图6所示为管问移动小车样机。样机的长、宽、

高分别为44mill,13.5mm,24mm。根据设计结果制作了偏动式SMA双程驱动器,通过单片机和外围电路实现PWM控制功能,用脉冲电流加热SMA弹簧,采用自然冷却,改变PWM信号的占空比或通电时间可获得不同的变形量,能够灵活地调整摄像头的位姿,实现俯仰、偏转等动作。

(a)初始姿态

(b)上仰

(c)左偏转

图6管问小车样机

结束语

介绍了管间机器人管问小车的结构和3一CSR

并联机构模型,对形状记忆合金双程驱动器进行了分析比较,设计了形状记忆合金弹簧和偏压弹簧,研制了用偏动式SMA双程驱动器驱动的微小型3一CSR并联机构,实现了微型摄像头的位姿调整,扩大了蒸汽发生器管间视频检查的范围。参考文献:

[1]李曼。章亚男.龚振邦.蒸汽发生器管柬问狭窄区域

检测机器人系统的研究口].机械与电子。2004,(8):41

—44.

[23李曼.章亚男.龚振邦.狭窄空间内微小摄像头位姿

调整并联机构的研究[J].机械科学与技术.2004,23

(3):312—315.

[3]谢存禧。郑时雄.林怡青,等.空间机构设计[M].上海:

上海科学技术出版社,1996.[4]MinoruH。MasanoriT。Hirofumi

S,eta1.Application

ofshapememoryalloyto

robotic

actuators[J].Journal

ofRobotic

Systems。1985。2(1):3—25.

[5]李明东.马培荪.马建旭.等.形状记忆合金驱动器驱动

方式研究口].机械设计与研究,1999。28(1):2I一26.[6]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.

作者简介;李曼(1974一),男,江西南昌人.讲师,博士,研究方向为机器人与微机械技术.

?

61

?

万方数据

微小型3-CSR并联机构形状记忆合金驱动器的设计

作者:李旻, LI Min

作者单位:华南理工大学机械与汽车工程学院,广东,广州,510641

刊名:

机械与电子

英文刊名:MACHINERY & ELECTRONICS

年,卷(期):2009,""(12)

被引用次数:0次

参考文献(6条)

1.李旻.章亚男.龚振邦蒸汽发生器管束间狭窄区域检测机器人系统的研究[期刊论文]-机械与电子 2004(08)

2.李旻.章亚男.龚振邦狭窄空间内微小摄像头位姿调整并联机构的研究[期刊论文]-机械科学与技术 2004(03)

3.谢存禧.郑时雄.林怡青空间机构设计 1996

4.Minoru H.Masanori T.Hirofumi S Application of shape memory alloy to robotic actuators 1985(01)

5.李明东.马培荪.马建旭形状记忆合金驱动器驱动方式研究 1999(01)

6.杨杰.吴月华形状记忆合金及其应用 1993

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