基于形状记忆合金的旋转驱动器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，包括转轴，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第一扭矩输出装置，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第二扭矩输出装置，壳体，轴承和端盖。旋转驱动器应用了由圆盘转子、关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧和定子组成的扭矩输出装置，采用两个完全相同的扭矩输出装置以背靠背的方式安装，利用差动驱动旋转复位的方法，实现旋转驱动器的驱动输出。相比于传统的形状记忆合金旋转驱动器，本发明具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、运行平稳、低噪音、响应速率快的优点，推动了形状记忆合金旋转驱动器在精密机械驱动领域更加广泛的应用。
【专利说明】基于形状记忆合金的旋转驱动器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种精密机械驱动领域的旋转驱动器，具体的说是一种基于形状记忆合金的旋转驱动器。
【背景技术】
[0002]形状记忆合金是一种在低于其相变温度时形状被改变后，一旦温度升高超过其相变温度，可以恢复到形状改变之前原始状态的一种合金材料。利用形状记忆合金的形状记忆效应制作的驱动器在机器人关节驱动装置、水下仿生机器人的动力装置、以及微型医疗机器人转向装置中得到了广泛的应用。现有的利用形状记忆合金驱动的驱动器多采用金属丝和弹簧相结合或直接由形状记忆合金的材料制作的弹簧的方式实现线性或弯曲的驱动。而绕固定轴转动的旋转型驱动器多数利用类似中国专利“一种回转关节的形状记忆合金驱动装置”(专利申请号:201120120071.7)中公开的方法，利用形状记忆合金材料制作的弹簧作为驱动源驱动滑块，利用曲柄连杆机构将滑块的直线运动转化为曲柄的旋转运动，或采用于东等2010年在《机械工程学报》上发表的文献“形状记忆合金旋转驱动器结构设计方法”中描述的采用的类似皮带传动的方法利用两根丝状形状记忆合金差动拉动中心固定的转轮完成往返有限角度的转动；
现有技术存在如下不足:利用曲柄连杆机构将形状记忆合金线性运动转化为旋转运动的驱动器其体积较大、结构不紧凑，且由两根差动形状记忆合金弹簧作为驱动器件其输出转动力矩小；采用类似皮带传动的方法利用两根拉动中心固定的转轮转动的驱动器同样体积很大、单根丝状驱动器的驱动力很小，且其在产生旋转扭矩的同时转轮的转轴会受到径向力的作用，这就导致了转轮和转轴之间摩擦力的增大，影响了驱动器的机械效率和运动平稳性。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有技术的不足提供了一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，该驱动器具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、运行平稳、低噪音、响应速率快的优点；
为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案:一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，包括转轴，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第一扭矩输出装置，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第二扭矩输出装置，壳体，轴承和端盖。第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置结构完全相同，扭矩输出装置中圆盘转子和转轴之间、定子和壳体之间为同轴心固定连接，形状记忆合金弹簧一端连接圆盘转子，另一端连接定子，形状记忆合金弹簧的轴线与形状记忆合金弹簧和圆盘转子连接点所对应的圆盘转子半径之间的角度为钝角，形状记忆合金弹簧的轴线与形状记忆合金弹簧和定子连接点所对应的圆盘转子半径之间的角度为锐角，多个形状记忆合金弹簧关于圆盘转子中心对称均匀分布，以增大其输出转矩和保证转轴所受径向力合力为零；第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置采用背对背安装的方式，以保证两个扭矩输出装置输出扭矩的方向相反；壳体和转轴之间通过两个轴承形成转动副连接，壳体和端盖之间为可拆卸固定连接，以将扭矩输出装置封装在壳体内；
所述圆盘转子为减小旋转驱动器输出力矩时转子本身的转动惯量，增大其负载能力，其厚度应远远小于其半径，且应进行结构减重处理，可将其设计为蜂窝状或轮辐状；
所述形状记忆合金弹簧由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动圆盘转子旋转；
所述施加在第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置中形状记忆合金弹簧上的驱动电流为低电平为零的方波信号且具有相反的相位；
所述转轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度；
所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将旋转驱动器内部的扭矩输出装置封装起来，增强其可靠性；
所述背对背安装的第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置可以在转轴上进行相同安装方式的多组配置，以输出更大的扭矩；
本发明基于形状记忆合金的旋转驱动器的工作原理为:首先在第一扭矩输出装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧中施加电流时，由于电流的热效应形状记忆合金的温度上升超过其马氏体相变温度产生收缩恢复力，从而拉动圆盘转子绕转轴进行旋转，同时带动第二扭矩输出装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧产生拉伸形变，当第一扭矩输出装置中形状记忆合金弹簧的收缩形变达到最大时，断开第一扭矩输出装置加热电流的同时在背靠背安装的第二扭矩输出装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧中施加电流，使第二扭矩输出装置中的形状记忆合金弹簧收缩产生与第一扭矩输出装置方向相反的转矩，驱动转轴恢复到初始位置的同时拉动第一扭矩输出装置中收缩的弹性记忆合金弹簧回复到初始位置，以此完成一个有限转角的旋转驱动周期。当在第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置上施加低电平为零且相位相反的周期性变化方波驱动电流时，驱动器就会产生周期性变化的旋转驱动；
本发明基于形状记忆合金的旋转驱动器相比传统的形状记忆合金驱动器来讲其优势在于:采用由圆盘转子、关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧和定子组成的扭矩输出装置，多个形状记忆合金弹簧同时作用使得驱动器的结构紧凑，功重比大，大大提高了驱动器的输出转矩；形状记忆合金弹簧的对称分布结构抵消了转轴受到的径向力，使得驱动器的运行更平稳，减小了磨损和运行噪音；背对背安装的扭矩输出装置利用反向的转矩将变形的形状记忆合金弹簧拉回到初始位置，使得旋转驱动器的响应速度更快。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]图1为本发明基于形状记忆合金的旋转驱动器的剖面结构示意图；
图2为本发明转矩输出装置的结构示意图；
图3为本发明一组转矩输出装置背靠背安装的结构示意图；
图4为本发明多组背靠背安装的转矩输出装置在转轴上安装的结构示意图。
【具体实施方式】
[0005]以下将结合附图1、附图2、附图3、附图4和一个具体实施例对本发明基于形状记忆合金的旋转驱动器进行进一步的说明；
如图1和图2所示为本发明基于形状记忆合金的旋转驱动器的一个实施例，旋转驱动器包括转轴1，由圆盘转子201、形状记忆合金弹簧202和定子203组成的第一扭矩输出装置2a，由圆盘转子201、形状记忆合金弹簧202和定子203的第二扭矩输出装置2b，壳体4，轴承3a和3b以及端盖5。第一扭矩输出装置2a和第二扭矩输出装置2b中圆盘转子201和转轴I之间、定子203和壳体4之间为同轴心固定连接，形状记忆合金弹簧202 —端连接圆盘转子201，另一端连接定子203，形状记忆合金弹簧202的轴线与形状记忆合金弹簧202和圆盘转子201连接点所对应的圆盘转子201半径之间的角度为钝角，形状记忆合金弹簧202的轴线与形状记忆合金弹簧202和定子203连接点所对应的圆盘转子201半径之间的角度为锐角，多个形状记忆合金弹簧202关于圆盘转子201中心对称均匀分布，以增大其输出转矩和保证转轴I所受径向力合力为零。如图3所示，第一扭矩输出装置2a和第二扭矩输出装置2b采用背对背安装的方式，以保证两个扭矩输出装置输出扭矩的方向相反；本实施例中圆盘转子201为减小旋转驱动器输出力矩时转子本身的转动惯量，增大其负载能力，其厚度远小于其半径，且进行了结构减重处理，形状为轮辐状。形状记忆合金弹簧202由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动圆盘转子201旋转。施加在第一扭矩输出装置2a和第二扭矩输出装置2b中形状记忆合金弹簧上的驱动电流为低电平为零且具有相反相位的方波信号。转轴I同壳体4之间通过两个轴承3a和3b形成转动副连接，转轴I在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。壳体4为上端开口的空心圆柱体形状，端盖5和壳体4上端开口通过螺纹连接固定，以将旋转驱动器内部的扭矩输出装置封装起来，增强其可靠性；
当在第一扭矩输出装置2a中关于圆盘转子2001中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧202中施加电流时，由于电流的热效应形状记忆合金的温度上升超过其马氏体相变温度产生收缩恢复力，从而拉动圆盘转子201绕转轴I进行旋转，同时带动第二扭矩输出装置2b中关于圆盘转子201中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧202进行拉伸，当第一扭矩输出装置2a中形状记忆合金弹簧202的收缩形变达到最大时，断开第一扭矩输出装置2a加热电流的同时在背靠背安装的第二扭矩输出装置2b中关于圆盘转子201中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧202中施加电流，使第二扭矩输出装置2b产生与第一扭矩输出装置2a方向相反的转矩，驱动转轴I恢复到初始位置的同时拉动第一扭矩输出装置2a中收缩的弹性记忆合金弹簧202回复到初始位置，以此完成一个有限转角的旋转驱动周期。当在第一扭矩输出装置2a和第二扭矩输出装置2b上施加低电平为零且相位相反的周期性变化方波电流时，驱动器就会产生周期变化的旋转驱动；
为了获得更大的输出扭矩，背对背安装的第一扭矩输出装置2a和第二扭矩输出装置2b可以在转轴上进行如图4所示的相同安装方式的多组配置；
应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本发明中未明确的部分属于本领域的公知技术。
【权利要求】
1.一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，其特征在于:包括转轴，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第一扭矩输出装置，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第二扭矩输出装置，壳体，轴承和端盖。
2.第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置结构完全相同，扭矩输出装置中圆盘转子和转轴之间、定子和壳体之间为同轴心固定连接，形状记忆合金弹簧一端连接圆盘转子，另一端连接定子，形状记忆合金弹簧的轴线与形状记忆合金弹簧和圆盘转子连接点所对应的圆盘转子半径之间的角度为钝角，形状记忆合金弹簧的轴线与形状记忆合金弹簧和定子连接点所对应的圆盘转子半径之间的角度为锐角，多个形状记忆合金弹簧关于圆盘转子中心对称均匀分布，以增大其输出转矩和保证转轴所受径向力合力为零；第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置采用背对背安装的方式，以保证两个扭矩输出装置输出扭矩的方向相反；壳体和转轴之间通过两个轴承形成转动副连接，壳体和端盖之间为可拆卸固定连接，以将扭矩输出装置封装在壳体内。
3.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，其特征在于:所述圆盘转子厚度远远小于其半径，且进行结构减重处理，其结构可以为蜂窝状或轮辐状。
4.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，其特征在于:所述形状记忆合金弹簧由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动圆盘转子旋转。
5.基于权利要求1和3所述的一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，其特征在于:所述施加在第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置中形状记忆合金弹簧上的驱动电流为低电平为零的方波信号且具有相反的相位。
6.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，其特征在于:所述转轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。
7.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，其特征在于:所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将旋转驱动器内部的扭矩输出装置封装起来，增强其可靠性。
8.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，其特征在于:所述背对背安装的第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置可以在转轴上进行相同安装方式的多组配置，以输出更大的扭矩。
【文档编号】F03G7/06GK104214063SQ201410465404
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】司红康, 刘淮祥, 周岳 申请人:六安源创电机制造科技有限公司