專利名稱：基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種夾持工件加工的夾具，具體涉及一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾
持裝置，主要應(yīng)用于制造業(yè)中對(duì)待加工零件的夾持定位。
背景技術(shù)：
目前，制造業(yè)中廣泛使用的是液壓或氣動(dòng)夾緊裝置，液壓和氣壓夾緊裝置的基本 構(gòu)成為驅(qū)動(dòng)裝置，如液壓泵和氣壓泵等，以及活塞桿等力和運(yùn)動(dòng)的傳遞裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置 等。但是液壓和氣動(dòng)夾具都存在其自身的缺點(diǎn)一、液壓夾具需要提供壓力油泵，氣動(dòng)夾具 則需要提供壓縮空氣的空壓機(jī)，因而兩者的驅(qū)動(dòng)源復(fù)雜，成本高；二、能量轉(zhuǎn)換和控制環(huán)節(jié) 多，整個(gè)夾緊裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能源轉(zhuǎn)換利用率低；三、液壓夾具因油液泄露造成環(huán)境污染，氣 動(dòng)夾具容易造成噪聲污染，綠色化程度不高；四、要實(shí)現(xiàn)液壓、氣動(dòng)智能化控制，必須經(jīng)過 電_液、電_氣轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)復(fù)雜，信號(hào)傳輸滯后。由于上述各類問題的存在，我們需 要尋求一種新的驅(qū)動(dòng)能源來代替以往的液壓與氣動(dòng)能源。 形狀記憶合金(SMA)是一種具有形狀記憶效應(yīng)(SME)，集驅(qū)動(dòng)、感知和執(zhí)行于一 體，輸入熱量即可對(duì)外做功的新型智能材料，近年來得到了較快發(fā)展。所謂形狀記憶效應(yīng)， 是指預(yù)先給SMA材料一定量的塑性變形，而后加熱SMA至某一溫度，由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生 變化，SMA將克服塑性變形回復(fù)到原來形狀。在收縮過程中將產(chǎn)生巨大的回復(fù)應(yīng)力，因此可 以將其作為驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)器中。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式相比，以Ti-Ni合金為代表的形狀記 憶合金具有功率/質(zhì)量比高、回復(fù)位移大(約8%)、回復(fù)應(yīng)力大(約800MPa)、驅(qū)動(dòng)電壓低 的特點(diǎn)。由于只需提供熱量即可驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力和回復(fù)位移可直接作用在工作部件 上，減少了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此利用Ti-Ni合金可逆應(yīng)力、應(yīng)變效應(yīng)的特點(diǎn)，將Ti-Ni合金制 作成彈簧為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)源，可彌補(bǔ)現(xiàn)有液動(dòng)與氣動(dòng)能源的各類問題。 Ti-Ni SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器的輸出力、位移、響應(yīng)速度受驅(qū)動(dòng)電流、冷卻速度、預(yù)變形量 和負(fù)載的影響很大，設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合適的參數(shù)。由于SMA的溫度受環(huán)境的影響很大，以通電 方式加熱SMA時(shí)，只控制電流很難精確的控制驅(qū)動(dòng)器的輸出位移和力，所以需要提供溫度、 輸出位移和力等參量綜合對(duì)電流進(jìn)行反饋控制，控制較為復(fù)雜；最大的缺點(diǎn)為響應(yīng)頻率低 (< 1 5Hz)，其主要原因是SMA熱循環(huán)過程中降溫過程緩慢，目前常用的方法為自然冷卻 和強(qiáng)制冷卻。自然冷卻指在空氣中冷卻，冷卻速度慢，嚴(yán)重影響整個(gè)裝置的響應(yīng)頻率。強(qiáng)制 冷卻如風(fēng)冷、水冷、冷卻池或增加吸熱材料等方法實(shí)現(xiàn)，提高了冷卻速度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
因此，如何將形狀記憶合金(SMA)的驅(qū)動(dòng)力良好的運(yùn)用到夾緊裝置中去，還有待 于進(jìn)一步的研究與開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)， 使裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無污染和噪音，能量損耗小，響應(yīng)頻率提高且易于控制。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，包括驅(qū)動(dòng)部與夾持部，所述驅(qū)動(dòng)部包括至少兩根SMA彈簧、一根復(fù)位彈簧，所述SMA彈 簧以所述復(fù)位彈簧為中心對(duì)稱分布，每一所述SMA彈簧外包裹有半導(dǎo)體熱泵；所述夾持部 包括一滑塊、一對(duì)曲桿及一對(duì)壓頭，兩所述曲桿對(duì)稱分布，其相對(duì)端滑插于所述滑塊內(nèi)開設(shè) 的滑道中，另一端分別與對(duì)應(yīng)的所述壓頭連接，所述曲桿支點(diǎn)處分別經(jīng)支撐架與機(jī)體連接； 所述驅(qū)動(dòng)部的一端與機(jī)體固定連接，另一端與所述滑塊連接，所述一對(duì)壓頭之間設(shè)有工件 夾持空間。 上述技術(shù)方案中，所述半導(dǎo)體熱泵是一種制熱/制冷元件，主要由多對(duì)P型和N型 半導(dǎo)體電極組成的熱電偶，通電后可實(shí)現(xiàn)熱能相互轉(zhuǎn)換，當(dāng)接上直流電源后，在半導(dǎo)體兩端 產(chǎn)生溫差，其中一個(gè)接頭吸熱，溫度降低，形成冷端；另一個(gè)接頭放熱，溫度升高，形成熱端。 在運(yùn)用到本發(fā)明中時(shí)，熱端對(duì)SMA加熱，冷端對(duì)SMA制冷，只要改變電流方向即可以實(shí)現(xiàn)熱 交換過程反向，熱交換率直接與所通電流相關(guān)，因此可以通過控制電流控制SMA的動(dòng)作，實(shí) 現(xiàn)智能化控制。SMA彈簧被半導(dǎo)體熱泵包圍，在SMA彈簧與半導(dǎo)體熱泵之間設(shè)置一層很薄 的油脂，當(dāng)SMA彈簧有大的變化時(shí)可以增強(qiáng)它們之間的潤(rùn)滑，從而防止破壞半導(dǎo)熱泵，且可 增強(qiáng)它們之間的熱交換。其工作原理為當(dāng)半導(dǎo)體熱泵熱端對(duì)SMA彈簧加熱時(shí)，SMA彈簧由 于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生收縮，產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力克服復(fù)位彈簧力后拉動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，滑插于 滑塊滑道內(nèi)的曲桿端部由于受到滑道側(cè)壁的擠壓力而繞支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲桿擺動(dòng)，從而使 壓頭輸出力作用在位于工件夾持空間內(nèi)的工件上，實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作。當(dāng)加工完成后，改變電流 方向，半導(dǎo)體熱泵冷、熱端交換，由冷端對(duì)SMA彈簧冷卻，SMA伸長(zhǎng)，同時(shí)在復(fù)位彈簧的推動(dòng) 力下，使滑塊回位移動(dòng)，在帶動(dòng)曲桿的擺動(dòng)下，松開工件。如此利用半導(dǎo)體熱泵加熱/冷卻 SMA彈簧，一方面易于控制SMA彈簧的移動(dòng)距離(通過控制半導(dǎo)體熱泵通入電流實(shí)現(xiàn))，另 一方面加速SMA彈簧的冷卻時(shí)間，加速冷/熱交換頻率，滿足夾持操作的需要。
上述技術(shù)方案中，所述半導(dǎo)體熱泵與所述滑塊之間設(shè)有位移空隙，該位移空隙與 所述SMA彈簧收縮位移距離相配合，所述SMA彈簧與所述滑塊固定連接；另一種技術(shù)方案 是，所述滑塊對(duì)應(yīng)所述半導(dǎo)體熱泵處設(shè)有凹槽，該凹槽的深度與所述SMA彈簧收縮位移距 離相配合。 上述技術(shù)方案中，所述曲桿近滑塊端設(shè)有滾輪，與所述滑道一側(cè)壁滾動(dòng)連接，另一 側(cè)壁間隙配合。采用滾輪傳遞運(yùn)動(dòng)，使機(jī)構(gòu)對(duì)稱度高，摩擦損失?。粷L輪滾動(dòng)，工件可實(shí)現(xiàn)對(duì) 心夾緊，能非常方便地保證加工工件的中心度。 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是
1、由于本發(fā)明采用半導(dǎo)體熱泵加熱/冷卻SMA彈簧，通過SMA彈簧加熱后的收縮 力驅(qū)動(dòng)夾持部，由曲桿位移繞支點(diǎn)擺動(dòng)后帶動(dòng)壓頭，從而夾緊工件，相反的，通過改變半導(dǎo) 體熱泵的電流相位，SMA彈簧伸長(zhǎng)并由復(fù)位彈簧推動(dòng)夾持部，壓頭回位松開，與以往氣動(dòng)或 液動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源，半導(dǎo)體熱泵與SMA彈簧組合的驅(qū)動(dòng)源，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，制熱/制冷易于控制， 能源利用率高且無污染； 2、采用半導(dǎo)體熱泵加熱/冷卻SMA彈簧， 一方面對(duì)SMA彈簧加熱位移量更易于控 制(控制半導(dǎo)體熱泵的通電電流量)，另一方面可以加快SMA彈簧的冷卻速度，從而提高響 應(yīng)頻率，以適應(yīng)制造業(yè)的使用需要。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中半導(dǎo)體熱泵模型示意圖。 其中1、半導(dǎo)體熱泵；2、SMA彈簧；3、復(fù)位彈簧；4、滑塊；5、滑道；6、滾輪；7、曲桿； 8、支撐架；9、壓頭；10、工件；11、機(jī)體。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例一 參見圖1、2所示，一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，包括驅(qū)動(dòng)部 與夾持部，所述驅(qū)動(dòng)部包括8根Ni-Ti基形狀記憶合金的SMA彈簧2、一根復(fù)位彈簧3，所述 SMA彈簧2以所述復(fù)位彈簧3為中心對(duì)稱分布，每一所述SMA彈簧2外包裹有半導(dǎo)體熱泵1 ， 半導(dǎo)體熱泵1是由多對(duì)P型和N型半導(dǎo)體電極組成的熱電偶，如圖2所示，當(dāng)施加電流后，冷 端將吸熱，而熱端將散熱，熱交換率大小直接與所通的電流大小相關(guān)，當(dāng)施加反向電流后， 熱交換過程實(shí)現(xiàn)反向。半導(dǎo)體熱泵與SMA彈簧2之間設(shè)有一層油脂，當(dāng)SMA彈簧2有大的 變化時(shí)可以增強(qiáng)它們之間的潤(rùn)滑，從而防止破壞半導(dǎo)熱泵，且可增強(qiáng)它們之間的熱交換；
所述夾持部包括一滑塊4、一對(duì)曲桿7及一對(duì)壓頭9，兩所述曲桿7上下對(duì)稱分布， 其相對(duì)端上分別設(shè)有滾輪6，滑插于所述滑塊內(nèi)開設(shè)的矩形滑道5中，滾輪6右側(cè)與所述滑 道5側(cè)壁滾動(dòng)連接，左側(cè)與滑道5側(cè)壁間隙配合，兩曲桿7的反相端分別與對(duì)應(yīng)的所述壓頭 9連接，支點(diǎn)處分別經(jīng)支撐架8與機(jī)體11連接，所述上、下壓頭9之間設(shè)有工件10夾持空 間； 所述驅(qū)動(dòng)部的左端與機(jī)體11固定連接，右端處所述半導(dǎo)體熱泵1與所述滑塊4之 間設(shè)有位移空隙，該位移空隙與所述SMA彈簧2收縮位移距離相配合，所述SMA彈簧2與所 述滑塊4固定連接。 SMA彈簧2輸出的位移量主要由SMA絲的相變位移和彈簧的形變位移兩部分組 成。為保證SMA的使用次數(shù)， 一般將SMA絲的相變位移限定在2 % -4 %之間，而彈簧的形變 位移由最終夾緊工件時(shí)的輸出位移設(shè)計(jì)求得，主要受材料的切變模量G、旋繞比C、彈簧的 有效圈數(shù)n及彈簧材料直徑d影響，所需SMA彈簧2的數(shù)量和絲的直徑以及SMA彈簧2中 徑可通過夾緊過程需要的夾緊力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。在本實(shí)施例中，取用8根 SMA彈簧2均勻連接在左側(cè)機(jī)體11和右側(cè)滑塊4之間，SMA彈簧2直徑d = 2mm， SMA彈 簧2中徑D = 20mm，旋繞比C = 10，相變位移取3%， SMA彈簧2初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)。 = 100mm， 曲桿7較長(zhǎng)部分的長(zhǎng)度為= 300mm，被動(dòng)力臂為L(zhǎng)2 = 100mm，當(dāng)SMA彈簧2受熱收縮時(shí)， 它收縮量為L(zhǎng)。X3%，設(shè)曲桿7轉(zhuǎn)過的角度為e ，根據(jù)幾何關(guān)系可得曲桿7輸出端的位移
-^^^■當(dāng)X二 lmm時(shí)，本裝置上下壓頭9共產(chǎn)生的位移為2mm。 實(shí)施例2 :在本實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l基本相類似，不同點(diǎn)在于所述滑塊對(duì) 應(yīng)所述半導(dǎo)體熱泵處設(shè)有，該凹槽的深度與所述SMA彈簧收縮位移距離相配合，當(dāng)SMA彈簧 受熱收縮后，滑塊向驅(qū)動(dòng)部移動(dòng)，半導(dǎo)體熱泵端部向滑塊上的凹槽內(nèi)伸入，當(dāng)SMA彈簧冷卻 后，SMA彈簧伸長(zhǎng)，復(fù)位彈簧將滑塊向工件側(cè)推移，半導(dǎo)體熱泵端部回位。
權(quán)利要求
一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，包括驅(qū)動(dòng)部與夾持部，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)部包括至少兩根SMA彈簧、一根復(fù)位彈簧，所述SMA彈簧以所述復(fù)位彈簧為中心對(duì)稱分布，每一所述SMA彈簧外包裹有半導(dǎo)體熱泵；所述夾持部包括一滑塊、一對(duì)曲桿及一對(duì)壓頭，兩所述曲桿對(duì)稱分布，其相對(duì)端滑插于所述滑塊內(nèi)開設(shè)的滑道中，另一端分別與對(duì)應(yīng)的所述壓頭連接，所述曲桿支點(diǎn)處分別經(jīng)支撐架與機(jī)體連接；所述驅(qū)動(dòng)部的一端與機(jī)體固定連接，另一端與所述滑塊連接，所述一對(duì)壓頭之間設(shè)有工件夾持空間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，其特征在于所述半導(dǎo) 體熱泵與所述滑塊之間設(shè)有位移空隙，該位移空隙與所述SMA彈簧收縮位移距離相配合， 所述SMA彈簧與所述滑塊固定連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，其特征在于所述滑塊 對(duì)應(yīng)所述半導(dǎo)體熱泵處設(shè)有凹槽，該凹槽的深度與所述SMA彈簧收縮位移距離相配合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，其特征在于所述曲桿 近滑塊端設(shè)有滾輪，與所述滑道一側(cè)壁滾動(dòng)連接，另一側(cè)壁間隙配合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的夾持裝置，包括驅(qū)動(dòng)部與夾持部，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)部包括至少兩根SMA彈簧、一根復(fù)位彈簧，所述SMA彈簧以所述復(fù)位彈簧為中心對(duì)稱分布，每一所述SMA彈簧外包裹有半導(dǎo)體熱泵；所述夾持部包括一滑塊、一對(duì)曲桿及一對(duì)壓頭，兩所述曲桿對(duì)稱分布，其相對(duì)端滑插于所述滑塊內(nèi)開設(shè)的滑道中，另一端分別與對(duì)應(yīng)的所述壓頭連接，所述曲桿支點(diǎn)處分別經(jīng)支撐架與機(jī)體連接；所述驅(qū)動(dòng)部的一端與機(jī)體固定連接，另一端與所述滑塊連接，所述一對(duì)壓頭之間設(shè)有工件夾持空間。本發(fā)明通過半導(dǎo)體熱泵與SMA彈簧的組合，作為夾持部的驅(qū)動(dòng)源，實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金SMA在驅(qū)動(dòng)源中的使用，且易于控制，能源利用率高、無污染。
文檔編號(hào)B25B11/00GK101693357SQ200910035590
公開日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日
發(fā)明者李欣, 王明娣, 鐘康民, 陳正 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué);