采用SMA 絲的空間旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

武子裕

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京 100191）

由于運(yùn)載火箭對(duì)載荷體積的限制，航天器上許多設(shè)備在發(fā)射階段需要收攏起來，進(jìn)入軌道后由展開機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)至工作狀態(tài)[1]。展開機(jī)構(gòu)的作動(dòng)方式通常為平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，因此為展開機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器在航天器上得到廣泛應(yīng)用。不同于常規(guī)驅(qū)動(dòng)器，用于空間環(huán)境的驅(qū)動(dòng)器更需要小型化、集成化，因此在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)過程中力求體積小、重量輕、功率密度高、成本可控[2-3]。形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一種形狀記憶性能較好的金屬智能材料[4-6]。采用SMA為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、能量密度大、可靠性高、噪聲低，擁有傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和液壓驅(qū)動(dòng)器所不具備的優(yōu)勢(shì)，是一種非常適合用于空間環(huán)境的驅(qū)動(dòng)器[7-10]。

根據(jù)空間旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際需求，SMA旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器通常使用非連續(xù)式的設(shè)計(jì)，其旋轉(zhuǎn)角度有限，用于在給定的驅(qū)動(dòng)行程內(nèi)單次或往復(fù)驅(qū)動(dòng)[11-12]。驅(qū)動(dòng)器所使用的SMA形狀種類很多，包括但不限于管/棒[13-16]、片/帶[17]、彈簧/線圈[18-21]、絲[22-26]等。其中SMA絲是SMA驅(qū)動(dòng)器中常用的元件形狀，直接對(duì)SMA絲通電就可以使其升溫變形，這使得使用SMA絲的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊[12]。一種經(jīng)典的SMA絲旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器如圖1所示，SMA絲纏繞在圓柱筒上，一端固定在支撐底座上，另一端連接在圓柱筒上。當(dāng)對(duì)SMA絲通電時(shí)，焦耳效應(yīng)使SMA絲溫度升高并發(fā)生相變，收縮的SMA絲拉動(dòng)圓柱筒轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱筒向外輸出扭矩。該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，形狀與輸出方式可使驅(qū)動(dòng)器直接充當(dāng)鉸鏈，受到了學(xué)者的青睞[22-23,26]。

圖1 纏繞布置SMA絲的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器

雖然在理論分析中該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可以高效地提供理想的輸出扭矩與輸出行程（旋轉(zhuǎn)角度），但驅(qū)動(dòng)器的輸出行程與纏繞在圓柱筒上SMA絲的長度有關(guān)?？紤]到SMA絲與圓柱筒表面的摩擦力，在實(shí)際試驗(yàn)中只有部分SMA絲可以實(shí)現(xiàn)自由收縮[12]。為了解決這個(gè)問題，需要更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[22]。Huang在研究纏繞布置SMA絲的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器時(shí)提出了一種不與旋轉(zhuǎn)軸接觸的軸向布置SMA絲的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。Huang認(rèn)為SMA絲與中心軸接觸限制了驅(qū)動(dòng)器的輸出行程，因此并未對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。但在纏繞式設(shè)計(jì)存在難以避免的摩擦力損耗時(shí)，應(yīng)當(dāng)重新考慮盡量避免SMA絲與結(jié)構(gòu)件纏繞接觸的設(shè)計(jì)。本文在Huang的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)模型，對(duì)其進(jìn)行深入研究。

1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)Huang的研究[22]，本文對(duì)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行修改，得到驅(qū)動(dòng)方案如圖2所示。將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化為兩個(gè)固定端與一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤，在固定端與旋轉(zhuǎn)盤上均有可供SMA絲穿過的小孔，SMA絲兩端固定在固定端上。旋轉(zhuǎn)盤在外力矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)并將SMA絲拉長，此時(shí)是驅(qū)動(dòng)器開始工作前所處狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，加熱SMA絲使驅(qū)動(dòng)器開始驅(qū)動(dòng)，SMA絲長度縮短，拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤逆外力矩轉(zhuǎn)動(dòng)。在與旋轉(zhuǎn)軸距離相同的圓柱面上，SMA絲的受力變形條件相同，所以可以在同一圓柱面內(nèi)布置多組SMA絲同時(shí)驅(qū)動(dòng)，以提升驅(qū)動(dòng)力。不同于將SMA絲纏繞在圓柱面上的布置方式，將這種布置方式稱為非纏繞式軸向布置。

圖2 驅(qū)動(dòng)方案原理示意圖

2 模型分析

根據(jù)圖2所示驅(qū)動(dòng)方案，可得驅(qū)動(dòng)器受外力發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后所處的狀態(tài)，如圖3所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤上SMA絲孔處于a點(diǎn)時(shí)，SMA絲未發(fā)生變形，SMA絲原長剛好是兩個(gè)固定端的距離2H，此時(shí)該模型理論輸出行程最大[22]。當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤受到外力矩M的作用開始旋轉(zhuǎn)角度θ時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤上的SMA絲孔從a點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到b點(diǎn)，SMA絲被拉長變形，產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)?，長度從2H變?yōu)?L。給SMA絲通電加熱，SMA絲發(fā)生相變變形，SMA絲在縮短的過程中拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，最終于弧ab上a、b點(diǎn)之間的一點(diǎn)上達(dá)到受力平衡，并停止驅(qū)動(dòng)。

圖3 驅(qū)動(dòng)器幾何、受力關(guān)系示意圖

由于在旋轉(zhuǎn)盤兩側(cè)SMA絲的受力與變形存在對(duì)稱關(guān)系，所以下文的幾何受力分析主要關(guān)注旋轉(zhuǎn)盤一側(cè)的情況。從圖3中可見，△abc（ca為SMA絲原位置、cb為SMA絲變形后位置、ab為SMA絲變形后在旋轉(zhuǎn)盤上的投影）和△oab（oa為原位置時(shí)安裝孔與旋轉(zhuǎn)軸連線、ob為變形后安裝孔與旋轉(zhuǎn)軸連線）可以將SMA絲的應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)聯(lián)起來，其關(guān)系式為

式（2）中，HS是考慮到實(shí)際裝配時(shí)盤厚度與安裝所需導(dǎo)致增加的SMA絲長度，在試驗(yàn)時(shí)其為一個(gè)固定值。

因此，驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度θ與SMA絲應(yīng)變?chǔ)诺膶?duì)應(yīng)關(guān)系受到安裝半徑R與長徑比H/R的影響。如圖4所示，SMA絲應(yīng)變與驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度并非線性關(guān)系。SMA絲在負(fù)載情況下相變應(yīng)變通常只有4.5%左右，根據(jù)負(fù)載的變動(dòng)該范圍的大小與在應(yīng)變軸上的位置會(huì)有所變化。對(duì)不同的尺寸參數(shù)，SMA絲應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度不同：當(dāng)SMA絲安裝半徑增大時(shí)，SMA絲應(yīng)變與驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線右移，意味著驅(qū)動(dòng)器要旋轉(zhuǎn)到一定角度需要SMA絲有更大的應(yīng)變；當(dāng)驅(qū)動(dòng)器長徑比增大時(shí)，SMA絲應(yīng)變與驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線左移。此外，通過在固定盤間的變形區(qū)域外布置更大比例的SMA絲可以提升SMA絲應(yīng)變對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度。

圖4 SMA絲應(yīng)變和驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系

式（1）中，Lab為變形后SMA絲在旋轉(zhuǎn)盤上投影ab的長度。考慮到試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際情況，可以得到SMA絲應(yīng)變與驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系：

根據(jù)圖3，由SMA絲（橫截面積為）應(yīng)力提供的拉力2FS投影到旋轉(zhuǎn)盤上成為力F1，F(xiàn)1的方向沿直線ab，仍需要將F1向圓盤切向分解才能得到提供扭力矩的力F。所以對(duì)驅(qū)動(dòng)原理的受力分析有

聯(lián)立后可得應(yīng)力σ與輸出扭矩MF的關(guān)系式：

對(duì)于考慮實(shí)際情況的參數(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，其受力關(guān)系未發(fā)生改變，故SMA絲應(yīng)力與輸出扭矩關(guān)系式仍為式（4）。由式（4）可見，當(dāng)采用直徑更大的SMA絲時(shí)，SMA絲的截面積增大，相同應(yīng)力下的輸出扭矩增大，所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩不足時(shí)可以換用更粗的SMA絲來提升輸出扭矩。要想更有效地提升驅(qū)動(dòng)器的輸出扭矩，可以選用更粗的SMA絲或者增加工作的SMA絲的組數(shù)，所以討論不同參數(shù)對(duì)輸出扭矩的影響時(shí)，我們更關(guān)心在同一載荷下驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程如何變化，以及載荷變動(dòng)后相較于變動(dòng)前驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程如何變化。驅(qū)動(dòng)器長徑比H/R和SMA絲安裝半徑R同樣是影響輸出扭矩的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)式（2）和（4）得到由SMA絲應(yīng)變和應(yīng)力表示的驅(qū)動(dòng)器平衡曲線，圖5為載荷扭矩為54.88 N·mm、單組SMA絲的不同尺寸驅(qū)動(dòng)器的平衡曲線圖。

圖5 尺寸參數(shù)變化對(duì)驅(qū)動(dòng)器平衡曲線的影響

平衡曲線表示在SMA絲某一應(yīng)變時(shí)，驅(qū)動(dòng)器平衡所需的SMA絲應(yīng)力，當(dāng)SMA絲的實(shí)際應(yīng)力大于平衡所需應(yīng)力，即在平衡曲線上方時(shí)（如圖5中陰影區(qū)的曲線3），SMA絲可以克服外載荷的作用驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)，直至SMA絲應(yīng)力再次落到平衡曲線上，驅(qū)動(dòng)器受力平衡，驅(qū)動(dòng)結(jié)束；當(dāng)SMA絲的實(shí)際應(yīng)力小于平衡所需應(yīng)力，即在平衡曲線下方時(shí)，SMA絲所提供的力無法平衡驅(qū)動(dòng)器所受外載荷，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器會(huì)在外載荷的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，直至SMA絲應(yīng)力再次落到平衡曲線上或受到限位機(jī)構(gòu)影響，驅(qū)動(dòng)器受力平衡，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)過程來說，危險(xiǎn)點(diǎn)只有驅(qū)動(dòng)初始點(diǎn)，此時(shí)所需的SMA絲應(yīng)力最大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器開始回轉(zhuǎn)后，驅(qū)動(dòng)器平衡所需的SMA絲應(yīng)力減小。所以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)過程只需關(guān)注兩點(diǎn)：（1）開始驅(qū)動(dòng)時(shí)能否順利啟動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器順利啟動(dòng)后必然可以驅(qū)動(dòng)到平衡曲線與高溫拉伸曲線的交點(diǎn)處；（2）平衡曲線與高溫拉伸曲線的交點(diǎn)處的應(yīng)變值，為了獲得更大的驅(qū)動(dòng)行程，希望驅(qū)動(dòng)到位時(shí)的SMA絲應(yīng)變盡量地小。

對(duì)單組SMA絲的不同尺寸驅(qū)動(dòng)器將載荷扭矩增加109.76 N·mm時(shí)的平衡曲線如圖6所示。由圖6可見，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的外載荷增大后，平衡曲線整體上移，平衡曲線隨參數(shù)變化的變化趨勢(shì)未發(fā)生明顯變化。在這種情況下，當(dāng)U形曲線的跨度不夠大時(shí)，SMA絲低溫拉伸曲線與平衡曲線無交點(diǎn)，即SMA絲無法平衡外載荷，驅(qū)動(dòng)器在外載荷作用下發(fā)生作動(dòng)直到限位機(jī)構(gòu)限制其轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 載荷增大后尺寸參數(shù)變化對(duì)驅(qū)動(dòng)器平衡曲線的影響

上述分析只是旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ小于一定值時(shí)的情況，當(dāng)對(duì)SMA絲與中心軸做好絕緣防護(hù)時(shí)，可以進(jìn)一步考慮SMA絲與中心軸纏繞的情況。圖7為驅(qū)動(dòng)原理模型的軸向視角，當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ足夠大時(shí)，SMA絲會(huì)與中心軸發(fā)生干涉，此時(shí)需要進(jìn)行新的分析。a、b所在圓半徑為R，中心軸半徑為r，當(dāng)SMA絲與中心軸相切時(shí)存在

圖7 SMA絲與中心軸接觸（左）和SMA絲纏繞在中心軸上（右）

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器角度θ繼續(xù)增大，會(huì)有一段SMA絲纏繞在中心軸上，此時(shí)如圖7右圖所示。SMA絲被分為三段，因?yàn)镾MA絲不受除固定端、旋轉(zhuǎn)盤和中心軸之外的影響，所以未與中心軸發(fā)生干涉的兩側(cè)SMA絲對(duì)稱，長度均為l1，軸向尺寸均為h1，中心盤上投影長度均為d1，所以此時(shí)有

而與中心軸纏繞段SMA絲則為一段螺旋線，假設(shè)其長度為l2，軸向尺寸為h2，在中心盤上投影為一段圓弧，其弧長為d2，如圖8所示。螺旋線沿圓柱面展開為一條直線，并且該直線與軸線投影和展開的圓截面投影共同構(gòu)成一個(gè)直角三角形，三角形頂角由H和L決定，如圖8所示。對(duì)于中心軸纏繞段SMA絲有

圖8 纏繞在軸上的SMA絲分段示意圖

因?yàn)槲词芷渌饬τ绊?，所以沿圓柱面展開后的SMA絲和未與中心軸接觸的SMA絲的斜率相同，三段SMA絲仍然可以組成一條線段，如圖8所示。對(duì)此時(shí)的SMA絲有

因?yàn)榕c中心軸纏繞段SMA絲的存在，相當(dāng)于改變了SMA絲的固定端，此時(shí)只需分析靠近旋轉(zhuǎn)盤的未與中心軸接觸段SMA絲與旋轉(zhuǎn)盤的相互作用力即可。該狀態(tài)下式（3）中的θ1、θ2變?yōu)棣?'、θ2'，則有

由式（9）可知，當(dāng)SMA絲纏繞在中心軸上后，驅(qū)動(dòng)器的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，輸出力矩的大小與角θ1'和有關(guān)。在SMA絲纏繞在中心軸上后，中心盤的旋轉(zhuǎn)角度增大只能使角和'改變，因此通過SMA絲與中心軸的接觸反而能夠解決驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度過大時(shí)輸出力矩衰減的問題。

圖9為5 mm直徑的中心軸對(duì)SMA絲應(yīng)變與驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系造成的影響?？梢钥吹?，與中心軸發(fā)生干涉不會(huì)對(duì)應(yīng)變較小處（即驅(qū)動(dòng)到位處）的曲線造成影響，而應(yīng)變較大處（即未驅(qū)動(dòng)處）的曲線斜率會(huì)變大，使驅(qū)動(dòng)器在SMA絲有限的應(yīng)變變化范圍內(nèi)轉(zhuǎn)過更大的角度。由圖10可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的中心軸與SMA絲發(fā)生干涉后，原本應(yīng)該上升的平衡曲線右支轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆登€，使得驅(qū)動(dòng)器在SMA絲充分變形時(shí)達(dá)到自平衡能夠?qū)崿F(xiàn)。由式（5）可知，增大中心錐半徑r可以減小臨界角度，使圖10中的分叉點(diǎn)沿曲線左移。

圖9 考慮直徑5 mm中心軸的應(yīng)變-角度關(guān)系曲線

圖10 考慮直徑5 mm中心軸的干涉對(duì)平衡曲線的影響

對(duì)纏繞式布置和非纏繞式軸向布置SMA絲設(shè)計(jì)的輸出能力進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比，假設(shè)SMA絲均布置在半徑相同的圓柱面內(nèi)，布置SMA絲的圓柱高度相同，如圖11所示。假設(shè)纏繞式軸向布置SMA絲的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的SMA絲呈螺紋狀布置，螺距為10 mm；非纏繞式軸向布置SMA絲的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器采用8組SMA絲同時(shí)驅(qū)動(dòng)，則相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。其中，SMA絲原長是指在該布置方式下所需安裝的未變形SMA絲的長度；SMA絲應(yīng)變變化是指驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)90°時(shí)SMA絲改變的應(yīng)變（驅(qū)動(dòng)器從135°旋轉(zhuǎn)至45°）。

表1 兩種SMA絲布置方式數(shù)據(jù)對(duì)比

可見，對(duì)于相同尺寸的兩種SMA絲布置方式的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器來說，所需SMA絲長度相差不大，驅(qū)動(dòng)器同樣旋轉(zhuǎn)90°，非纏繞式驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的SMA絲應(yīng)變變化量差不多是纏繞式驅(qū)動(dòng)器內(nèi)SMA絲應(yīng)變變化量的兩倍，意味著纏繞式驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)更大的驅(qū)動(dòng)行程。但是纏繞式布置使得SMA絲占用過大的空間，而非纏繞式布置方式允許在同一圓柱面內(nèi)布置多組SMA絲，同時(shí)布置8組SMA絲時(shí)兩種布置方式所需SMA絲長度相差不大，非纏繞式驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩極大增加?？紤]到非纏繞式布置盡量避免產(chǎn)生較大的摩擦力，這會(huì)使得兩種類型的驅(qū)動(dòng)器的輸出扭矩的差距進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)臺(tái)如圖12所示。通過在中心軸上粘貼絕緣膠布和在SMA絲外加裝塑膠絕緣管，SMA絲在接觸轉(zhuǎn)軸后不會(huì)發(fā)生短路，仍然可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過調(diào)整驗(yàn)證模型的幾何尺寸可以測(cè)試各參數(shù)變化對(duì)驅(qū)動(dòng)器的影響。圖13為參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)得的驅(qū)動(dòng)器角度隨時(shí)間增加的變化曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每次循環(huán)的時(shí)間為40 s。驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度初始處于170°左右，通電驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)器迅速轉(zhuǎn)動(dòng)至40°～50°，結(jié)束通電后驅(qū)動(dòng)器角度增大，在70°左右時(shí)驅(qū)動(dòng)器到達(dá)圖5所示左側(cè)平衡點(diǎn)，此時(shí)SMA絲尚未充分變形。當(dāng)施加一定的預(yù)載荷后，驅(qū)動(dòng)器角度繼續(xù)增大，撤去預(yù)載荷后重新平衡在170°左右。

圖12 驅(qū)動(dòng)方案驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)

圖13 施加預(yù)變形后驅(qū)動(dòng)器角度變化曲線

圖12 驅(qū)動(dòng)方案驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果與上述理論分析一致：中心軸的干涉改變SMA絲受力情況，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程；在同樣的負(fù)載下，安裝半徑R越小，驅(qū)動(dòng)行程越小，這主要是因?yàn)榘惭b半徑減小導(dǎo)致力臂變短，驅(qū)動(dòng)器SMA絲應(yīng)力與輸出扭矩轉(zhuǎn)化效率降低；SMA絲的相變應(yīng)變隨驅(qū)動(dòng)器長徑比H/R減小而增大，但驅(qū)動(dòng)行程卻減小，這主要是相同的應(yīng)變變化在驅(qū)動(dòng)器長徑比減小后對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)行程減小所致。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)圓柱形旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及試驗(yàn)平臺(tái)如圖14所示，將中心軸、旋轉(zhuǎn)盤與兩個(gè)固定盤及相關(guān)連接件安裝在直徑20 mm的圓柱形外殼內(nèi)，4組SMA絲驅(qū)動(dòng)中心軸與圓柱外殼相對(duì)旋轉(zhuǎn)。如此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器可以在充當(dāng)鉸鏈連接底座與載荷的同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)定SMA絲未受力變形時(shí)驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)角度為0°，調(diào)整安裝角度可以使驅(qū)動(dòng)器在不同的角度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過限位螺絲限制驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。在與驅(qū)動(dòng)器連接的平板上安裝傾角傳感器與300 g載荷，驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)平板及其上的載荷由豎直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°至水平狀態(tài)。

圖14 驅(qū)動(dòng)器測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)

去除驅(qū)動(dòng)器上的限位與外載平臺(tái)，在驅(qū)動(dòng)器外殼上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩一端連接輸出端的螺紋孔，另一端繞過定滑輪連接砝碼，通過纏繞在驅(qū)動(dòng)器外殼上的鋼絲繩提供恒定扭矩，測(cè)量砝碼的位移可得驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)角度，如圖15所示，去除限位后該試驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行循環(huán)疲勞測(cè)試。選取1 800 g 載荷（176.4 N·mm）對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行循環(huán)疲勞試驗(yàn)，得到驅(qū)動(dòng)器的疲勞試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)器角度變化曲線如圖16所示。在185次驅(qū)動(dòng)循環(huán)中，驅(qū)動(dòng)器角度變化范圍較為穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程保持在110°左右，且根據(jù)圖16所示50次循環(huán)后驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程變化極小，說明在裝配好驅(qū)動(dòng)器后再次進(jìn)行訓(xùn)練可進(jìn)一步去除SMA的塑性變形。

圖15 調(diào)整后驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)

圖16 驅(qū)動(dòng)器疲勞試驗(yàn)

4 總結(jié)

非纏繞式軸向布置SMA絲的方案能夠在有限的空間內(nèi)布置更多的SMA絲，并減小SMA絲變形時(shí)的摩擦力，其缺點(diǎn)是SMA絲應(yīng)變對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)角度與纏繞式布置SMA絲的方案相比較小，輸出行程有限。通過理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，非纏繞式驅(qū)動(dòng)器能夠穩(wěn)定提供110°左右的驅(qū)動(dòng)行程，4組SMA絲能夠提供196 N·mm的輸出扭矩。根據(jù)本文的分析與試驗(yàn)，非纏繞式軸向布置SMA絲旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的輸出扭矩仍有較大的發(fā)掘潛力，使用更粗的SMA絲和使用更多組SMA絲均可顯著提升驅(qū)動(dòng)器的輸出扭矩。驅(qū)動(dòng)器的輸出行程有限，增大變形區(qū)域外布置的SMA絲在SMA絲總長中的占比，可以一定程度地?cái)U(kuò)展驅(qū)動(dòng)器的輸出行程。為使驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案更加具有實(shí)用性，下一步應(yīng)該重點(diǎn)研究驅(qū)動(dòng)器中SMA絲變形的控制問題與限位角度的設(shè)置對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能的影響。