Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Bộ truyền động được sử dụng ở mọi nơi và tạo ra chuyển động có kiểm soát bằng cách áp dụng lực kích thích hoặc mô-men xoắn chính xác để thực hiện các hoạt động khác nhau trong sản xuất và tự động hóa công nghiệp.Nhu cầu về các ổ đĩa nhanh hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn đang thúc đẩy sự đổi mới trong thiết kế ổ đĩa.Ổ đĩa Hợp kim nhớ hình dạng (SMA) mang lại một số lợi thế so với ổ đĩa thông thường, bao gồm tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao.Trong luận án này, một thiết bị truyền động dựa trên SMA hai lông vũ đã được phát triển kết hợp các ưu điểm của cơ lông vũ của các hệ thống sinh học và các đặc tính độc đáo của SMA.Nghiên cứu này khám phá và mở rộng các bộ truyền động SMA trước đây bằng cách phát triển một mô hình toán học của bộ truyền động mới dựa trên sự sắp xếp dây SMA hai chiều và thử nghiệm nó bằng thực nghiệm.So với các bộ truyền động đã biết dựa trên SMA, lực tác động của bộ truyền động mới cao hơn ít nhất 5 lần (lên đến 150 N).Mức giảm cân tương ứng là khoảng 67%.Kết quả phân tích độ nhạy của các mô hình toán học rất hữu ích cho việc điều chỉnh các tham số thiết kế và hiểu các tham số chính.Nghiên cứu này tiếp tục trình bày một ổ đĩa giai đoạn N đa cấp có thể được sử dụng để tăng cường hơn nữa động lực học.Thiết bị truyền động cơ lưỡng giá dựa trên SMA có nhiều ứng dụng, từ tự động hóa tòa nhà đến hệ thống phân phối thuốc chính xác.
Các hệ thống sinh học, chẳng hạn như cấu trúc cơ bắp của động vật có vú, có thể kích hoạt nhiều bộ truyền động tinh vi1.Động vật có vú có cấu trúc cơ khác nhau, mỗi loại phục vụ một mục đích cụ thể.Tuy nhiên, phần lớn cấu trúc mô cơ của động vật có vú có thể được chia thành hai loại lớn.Song song và pennate.Ở gân kheo và các cơ gấp khác, như tên cho thấy, cơ song song có các sợi cơ song song với gân trung tâm.Chuỗi các sợi cơ được xếp thành hàng và được kết nối theo chức năng bởi các mô liên kết xung quanh chúng.Mặc dù những cơ này được cho là có độ lệch lớn (phần trăm rút ngắn), sức mạnh cơ tổng thể của chúng rất hạn chế.Ngược lại, ở cơ tam đầu bắp chân2 (cơ bụng chân ngoài (GL)3, cơ bụng chân giữa (GM)4 và cơ duy nhất (SOL)) và cơ duỗi đùi (cơ tứ đầu)5,6 mô hình cờ đuôi nheo được tìm thấy trong mỗi cơ7.Trong một cấu trúc lông chim, các sợi cơ trong cơ hai cánh có mặt ở cả hai bên của gân trung tâm ở các góc xiên (góc lông chim).Pennate bắt nguồn từ tiếng Latin “penna”, có nghĩa là “cây bút”, và, như thể hiện trong hình.1 có hình dạng giống lông vũ.Các sợi cơ cờ đuôi nheo ngắn hơn và tạo góc với trục dọc của cơ.Do cấu trúc lông chim, khả năng vận động tổng thể của các cơ này bị giảm, dẫn đến các thành phần ngang và dọc của quá trình rút ngắn.Mặt khác, kích hoạt các cơ này dẫn đến sức mạnh cơ tổng thể cao hơn do cách đo diện tích mặt cắt sinh lý.Do đó, đối với một diện tích mặt cắt nhất định, các cơ hình lá cờ sẽ khỏe hơn và sẽ tạo ra lực cao hơn các cơ có các sợi song song.Lực do các sợi riêng lẻ tạo ra sẽ tạo ra lực cơ ở cấp độ vĩ mô trong mô cơ đó.Ngoài ra, nó có các đặc tính độc đáo như co rút nhanh, bảo vệ chống lại thiệt hại do kéo, đệm.Nó biến đổi mối quan hệ giữa đầu vào sợi và đầu ra năng lượng cơ bằng cách khai thác các tính năng độc đáo và độ phức tạp hình học của sự sắp xếp sợi liên kết với các đường hoạt động của cơ.
Hiển thị là các sơ đồ của các thiết kế bộ truyền động dựa trên SMA hiện có liên quan đến kiến trúc cơ hai chiều, ví dụ (a), thể hiện sự tương tác của lực xúc giác trong đó một thiết bị hình bàn tay được kích hoạt bằng dây SMA được gắn trên rô-bốt di động tự hành hai bánh9,10., (b) Bộ phận giả quỹ đạo rô-bốt với bộ phận quỹ đạo SMA chịu lực lò xo được đặt đối kháng.Vị trí của mắt giả được điều khiển bởi tín hiệu từ cơ vận nhãn của mắt11, (c) Bộ truyền động SMA lý tưởng cho các ứng dụng dưới nước do đáp ứng tần số cao và băng thông thấp.Trong cấu hình này, bộ truyền động SMA được sử dụng để tạo ra chuyển động sóng bằng cách mô phỏng chuyển động của cá, (d) Bộ truyền động SMA được sử dụng để tạo ra rô-bốt kiểm tra đường ống siêu nhỏ có thể sử dụng nguyên lý chuyển động của giun inch, được điều khiển bởi chuyển động của dây SMA bên trong kênh 10, (e) hiển thị hướng co của các sợi cơ và tạo ra lực co trong mô bụng chân, (f) cho thấy các dây SMA được sắp xếp dưới dạng sợi cơ trong cấu trúc cơ hình cờ.
Bộ truyền động đã trở thành một phần quan trọng của các hệ thống cơ khí do có nhiều ứng dụng.Do đó, nhu cầu về các ổ đĩa nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn trở nên cấp thiết.Bất chấp những ưu điểm của chúng, các ổ đĩa truyền thống đã được chứng minh là đắt tiền và tốn thời gian để bảo trì.Các bộ truyền động thủy lực và khí nén rất phức tạp và đắt tiền, đồng thời có thể bị mài mòn, các vấn đề về bôi trơn và hỏng bộ phận.Để đáp ứng nhu cầu, trọng tâm là phát triển các bộ truyền động nâng cao, tối ưu hóa kích thước và tiết kiệm chi phí dựa trên vật liệu thông minh.Nghiên cứu đang tiến hành đang xem xét các bộ truyền động có lớp hợp kim nhớ hình dạng (SMA) để đáp ứng nhu cầu này.Các bộ truyền động phân cấp là duy nhất ở chỗ chúng kết hợp nhiều bộ truyền động rời rạc thành các hệ thống con quy mô vĩ mô phức tạp về mặt hình học để cung cấp chức năng tăng cường và mở rộng.Về vấn đề này, mô cơ của con người được mô tả ở trên cung cấp một ví dụ đa lớp tuyệt vời về hoạt động nhiều lớp như vậy.Nghiên cứu hiện tại mô tả một ổ đĩa SMA đa cấp với một số thành phần ổ đĩa riêng lẻ (dây SMA) được căn chỉnh theo hướng sợi quang có trong các cơ hai chiều, giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của ổ đĩa.
Mục đích chính của bộ truyền động là tạo ra công suất cơ học như lực và chuyển vị bằng cách chuyển đổi năng lượng điện.Hợp kim nhớ hình dạng là một loại vật liệu “thông minh” có thể khôi phục hình dạng của chúng ở nhiệt độ cao.Dưới tải trọng cao, sự gia tăng nhiệt độ của dây SMA dẫn đến phục hồi hình dạng, dẫn đến mật độ năng lượng truyền động cao hơn so với các vật liệu thông minh được liên kết trực tiếp khác nhau.Đồng thời, dưới tải trọng cơ học, SMA trở nên giòn.Trong những điều kiện nhất định, tải tuần hoàn có thể hấp thụ và giải phóng năng lượng cơ học, biểu hiện những thay đổi hình dạng trễ có thể đảo ngược.Những đặc tính độc đáo này làm cho SMA trở nên lý tưởng cho cảm biến, giảm rung và đặc biệt là bộ truyền động12.Với suy nghĩ này, đã có rất nhiều nghiên cứu về ổ đĩa dựa trên SMA.Cần lưu ý rằng các bộ truyền động dựa trên SMA được thiết kế để cung cấp chuyển động tịnh tiến và quay cho nhiều ứng dụng13,14,15.Mặc dù một số bộ truyền động quay đã được phát triển, nhưng các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến bộ truyền động tuyến tính.Các bộ truyền động tuyến tính này có thể được chia thành ba loại bộ truyền động: bộ truyền động một chiều, chuyển vị và vi sai 16 .Ban đầu, các ổ đĩa lai được tạo ra kết hợp với SMA và các ổ đĩa thông thường khác.Một ví dụ như vậy về bộ truyền động tuyến tính kết hợp dựa trên SMA là việc sử dụng dây SMA với động cơ DC để cung cấp lực đầu ra khoảng 100 N và độ dịch chuyển đáng kể17.
Một trong những bước phát triển đầu tiên của ổ đĩa hoàn toàn dựa trên SMA là ổ đĩa song song SMA.Sử dụng nhiều dây SMA, ổ đĩa song song dựa trên SMA được thiết kế để tăng khả năng nguồn của ổ đĩa bằng cách đặt tất cả các dây SMA18 song song.Kết nối song song các bộ truyền động không chỉ đòi hỏi nhiều điện năng hơn mà còn hạn chế công suất đầu ra của một dây.Một nhược điểm khác của bộ truyền động dựa trên SMA là hành trình hạn chế mà chúng có thể đạt được.Để giải quyết vấn đề này, một chùm cáp SMA đã được tạo ra có chứa một chùm linh hoạt bị lệch để tăng chuyển vị và đạt được chuyển động tuyến tính, nhưng không tạo ra lực cao hơn19.Các cấu trúc và vải có thể biến dạng mềm dành cho rô-bốt dựa trên các hợp kim nhớ hình dạng đã được phát triển chủ yếu để khuếch đại tác động20,21,22.Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao, các máy bơm dẫn động nhỏ gọn đã được báo cáo sử dụng SMA màng mỏng cho các ứng dụng dẫn động bằng bơm siêu nhỏ23.Tần số ổ đĩa của màng mỏng SMA là yếu tố chính trong việc kiểm soát tốc độ của trình điều khiển.Do đó, động cơ tuyến tính SMA có đáp ứng động tốt hơn so với động cơ lò xo hoặc thanh SMA.Robot mềm và công nghệ kẹp là hai ứng dụng khác sử dụng bộ truyền động dựa trên SMA.Ví dụ, để thay thế bộ truyền động tiêu chuẩn được sử dụng trong kẹp khoảng cách 25 N, một bộ truyền động song song hợp kim có bộ nhớ hình dạng 24 đã được phát triển.Trong một trường hợp khác, bộ truyền động mềm SMA được chế tạo dựa trên dây có ma trận nhúng có khả năng tạo ra lực kéo tối đa là 30 N. Do tính chất cơ học của chúng, SMA cũng được sử dụng để tạo ra bộ truyền động bắt chước các hiện tượng sinh học.Một trong những bước phát triển như vậy bao gồm rô-bốt 12 ô là mô phỏng sinh học của một sinh vật giống giun đất với SMA để tạo ra chuyển động hình sin để bắn26,27.
Như đã đề cập trước đó, có giới hạn đối với lực tối đa có thể đạt được từ các bộ truyền động dựa trên SMA hiện có.Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu này trình bày một cấu trúc cơ lưỡng cực sinh học.Dẫn động bằng dây hợp kim nhớ hình dạng.Nó cung cấp một hệ thống phân loại bao gồm một số dây hợp kim nhớ hình dạng.Cho đến nay, không có bộ truyền động dựa trên SMA nào có kiến trúc tương tự được báo cáo trong tài liệu.Hệ thống độc đáo và mới lạ này dựa trên SMA được phát triển để nghiên cứu hành vi của SMA trong quá trình căn chỉnh cơ hai chân.So với các bộ truyền động dựa trên SMA hiện có, mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra một bộ truyền động lưỡng giá trị mô phỏng sinh học để tạo ra lực cao hơn đáng kể trong một thể tích nhỏ.So với các truyền động dẫn động bằng động cơ bước thông thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển và tự động hóa tòa nhà HVAC, thiết kế truyền động hai chế độ dựa trên SMA được đề xuất giúp giảm 67% trọng lượng của cơ chế truyền động.Sau đây, các thuật ngữ “cơ bắp” và “ổ đĩa” được sử dụng thay thế cho nhau.Nghiên cứu này điều tra mô phỏng đa vật lý của một ổ đĩa như vậy.Hành vi cơ học của các hệ thống như vậy đã được nghiên cứu bằng các phương pháp thực nghiệm và phân tích.Sự phân bố lực và nhiệt độ đã được nghiên cứu thêm ở điện áp đầu vào 7 V. Sau đó, một phân tích tham số đã được thực hiện để hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa các tham số chính và lực đầu ra.Cuối cùng, các bộ truyền động phân cấp đã được hình dung và các hiệu ứng cấp bậc đã được đề xuất như một lĩnh vực tiềm năng trong tương lai cho các bộ truyền động không từ tính cho các ứng dụng giả.Theo kết quả của các nghiên cứu nói trên, việc sử dụng kiến trúc một tầng tạo ra lực ít nhất cao hơn bốn đến năm lần so với các bộ truyền động dựa trên SMA được báo cáo.Ngoài ra, cùng một lực truyền động được tạo ra bởi một ổ đĩa đa cấp nhiều tầng đã được chứng minh là gấp hơn mười lần so với các ổ đĩa dựa trên SMA thông thường.Sau đó, nghiên cứu báo cáo các tham số chính bằng cách sử dụng phân tích độ nhạy giữa các thiết kế và biến đầu vào khác nhau.Độ dài ban đầu của dây SMA (\(l_0\)), góc lông chim (\(\alpha\)) và số sợi đơn (n) trong mỗi sợi riêng lẻ có tác động tiêu cực mạnh đến độ lớn của lực điều khiển.cường độ, trong khi điện áp đầu vào (năng lượng) hóa ra có mối tương quan thuận.
Dây SMA thể hiện hiệu ứng nhớ hình dạng (SME) được thấy trong họ hợp kim niken-titan (Ni-Ti).Thông thường, SMA thể hiện hai giai đoạn phụ thuộc vào nhiệt độ: giai đoạn nhiệt độ thấp và giai đoạn nhiệt độ cao.Cả hai pha đều có các tính chất độc đáo do sự hiện diện của các cấu trúc tinh thể khác nhau.Trong pha austenit (pha nhiệt độ cao) tồn tại trên nhiệt độ biến đổi, vật liệu thể hiện độ bền cao và biến dạng kém dưới tải trọng.Hợp kim hoạt động giống như thép không gỉ, vì vậy nó có thể chịu được áp suất truyền động cao hơn.Tận dụng tính chất này của hợp kim Ni-Ti, các dây SMA được đặt nghiêng để tạo thành bộ truyền động.Các mô hình phân tích phù hợp được phát triển để hiểu cơ học cơ bản về hành vi nhiệt của SMA dưới ảnh hưởng của các thông số khác nhau và hình học khác nhau.Thỏa thuận tốt đã đạt được giữa các kết quả thử nghiệm và phân tích.
Một nghiên cứu thử nghiệm đã được thực hiện trên nguyên mẫu như trong Hình 9a để đánh giá hiệu suất của bộ truyền động hai chế độ dựa trên SMA.Hai trong số các đặc tính này, lực do ổ đĩa tạo ra (lực cơ) và nhiệt độ của dây SMA (nhiệt độ SMA), được đo bằng thực nghiệm.Khi chênh lệch điện áp tăng dọc theo toàn bộ chiều dài của dây trong biến tần, nhiệt độ của dây tăng do hiệu ứng nhiệt Joule.Điện áp đầu vào được đặt trong hai chu kỳ 10 giây (hiển thị dưới dạng các chấm màu đỏ trong Hình 2a, b) với thời gian làm mát 15 giây giữa mỗi chu kỳ.Lực chặn được đo bằng máy đo biến dạng áp điện và sự phân bố nhiệt độ của dây SMA được theo dõi trong thời gian thực bằng camera LWIR độ phân giải cao cấp độ khoa học (xem các đặc điểm của thiết bị được sử dụng trong Bảng 2).chứng tỏ trong pha điện áp cao nhiệt độ của dây tăng đều, nhưng khi không có dòng điện chạy qua thì nhiệt độ của dây tiếp tục giảm.Trong thiết lập thử nghiệm hiện tại, nhiệt độ của dây SMA giảm trong giai đoạn làm mát, nhưng nó vẫn cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh.Trên hình.Hình 2e hiển thị ảnh chụp nhanh nhiệt độ trên dây SMA được chụp từ camera LWIR.Mặt khác, trong hình.Hình 2a cho thấy lực chặn do hệ thống truyền động tạo ra.Khi lực cơ vượt quá lực phục hồi của lò xo, cánh tay di chuyển, như trong Hình 9a, bắt đầu di chuyển.Ngay khi bắt đầu truyền động, cánh tay di động tiếp xúc với cảm biến, tạo ra một lực cơ thể, như thể hiện trong hình.2c, d.Khi nhiệt độ tối đa gần với \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), lực quan sát được tối đa là 105 N.
Biểu đồ hiển thị kết quả thí nghiệm về nhiệt độ của dây SMA và lực do bộ truyền động hai chiều dựa trên SMA tạo ra trong hai chu kỳ.Điện áp đầu vào được đặt trong hai chu kỳ 10 giây (hiển thị dưới dạng các chấm màu đỏ) với khoảng thời gian làm mát 15 giây giữa mỗi chu kỳ.Dây SMA được sử dụng cho các thí nghiệm là dây Flexinol có đường kính 0,51 mm của Dynalloy, Inc. (a) Biểu đồ hiển thị lực thử nghiệm thu được trong hai chu kỳ, (c, d) hiển thị hai ví dụ độc lập về hoạt động của bộ truyền động cánh tay di chuyển trên bộ chuyển đổi lực áp điện PACEline CFT/5kN, (b) biểu đồ hiển thị nhiệt độ tối đa của toàn bộ dây SMA trong thời gian hai chu kỳ, (e) hiển thị ảnh chụp nhanh nhiệt độ được lấy từ dây SMA bằng phần mềm FLIR ResearchIR LW máy ảnh hồng ngoại.Các tham số hình học được tính đến trong các thí nghiệm được đưa ra trong Bảng.một.
Kết quả mô phỏng của mô hình toán học và kết quả thực nghiệm được so sánh trong điều kiện điện áp đầu vào là 7V, như trong Hình 5.Theo kết quả phân tích tham số và để tránh khả năng quá nhiệt của dây SMA, công suất 11,2 W đã được cung cấp cho bộ truyền động.Một nguồn điện DC có thể lập trình đã được sử dụng để cung cấp 7V làm điện áp đầu vào và dòng điện 1,6A được đo trên dây.Lực do biến tần tạo ra và nhiệt độ của SDR tăng lên khi có dòng điện.Với điện áp đầu vào là 7V, lực ra cực đại thu được từ kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm của chu kỳ đầu tiên lần lượt là 78 N và 96 N.Trong chu kỳ thứ hai, lực đầu ra tối đa của kết quả mô phỏng và thử nghiệm lần lượt là 150 N và 105 N.Sự khác biệt giữa các phép đo lực tắc và dữ liệu thực nghiệm có thể là do phương pháp được sử dụng để đo lực tắc.Các kết quả thí nghiệm thể hiện trong hình.5a tương ứng với phép đo lực khóa, lực này lần lượt được đo khi trục truyền động tiếp xúc với bộ chuyển đổi lực áp điện PACEline CFT/5kN, như thể hiện trong hình.2s.Do đó, khi trục truyền động không tiếp xúc với cảm biến lực ở đầu vùng làm mát, lực ngay lập tức trở về 0, như thể hiện trong Hình 2d.Ngoài ra, các thông số khác ảnh hưởng đến sự hình thành lực ở các chu kỳ tiếp theo là giá trị thời gian làm mát và hệ số truyền nhiệt đối lưu ở chu kỳ trước.Từ hình.Trong hình 2b, có thể thấy rằng sau khoảng thời gian làm mát 15 giây, dây SMA không đạt đến nhiệt độ phòng và do đó có nhiệt độ ban đầu cao hơn (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) trong chu kỳ điều khiển thứ hai so với chu kỳ đầu tiên (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Do đó, so với chu kỳ đầu tiên, nhiệt độ của dây SMA trong chu kỳ gia nhiệt thứ hai đạt đến nhiệt độ austenite ban đầu (\(A_s\)) sớm hơn và duy trì trong giai đoạn chuyển tiếp lâu hơn, dẫn đến ứng suất và lực.Mặt khác, sự phân bố nhiệt độ trong các chu kỳ làm nóng và làm mát thu được từ các thí nghiệm và mô phỏng có sự tương đồng về chất lượng cao với các ví dụ từ phân tích nhiệt.Phân tích so sánh dữ liệu nhiệt của dây SMA từ các thí nghiệm và mô phỏng cho thấy tính nhất quán trong các chu kỳ làm nóng và làm mát và nằm trong dung sai chấp nhận được đối với dữ liệu thử nghiệm.Nhiệt độ tối đa của dây SMA, thu được từ kết quả mô phỏng và thí nghiệm của chu kỳ đầu tiên, lần lượt là \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) và \(75\,^{\circ }\hbox {C }\), và trong chu kỳ thứ hai, nhiệt độ tối đa của dây SMA là \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) và \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\ ).Mô hình được phát triển cơ bản xác nhận hiệu ứng của hiệu ứng bộ nhớ hình dạng.Vai trò của mệt mỏi và quá nóng không được xem xét trong đánh giá này.Trong tương lai, mô hình này sẽ được cải thiện để bao gồm cả lịch sử ứng suất của dây SMA, giúp nó phù hợp hơn cho các ứng dụng kỹ thuật.Biểu đồ lực đầu ra của ổ đĩa và nhiệt độ SMA thu được từ khối Simulink nằm trong dung sai cho phép của dữ liệu thực nghiệm với điều kiện xung điện áp đầu vào là 7 V. Điều này khẳng định tính chính xác và độ tin cậy của mô hình toán học đã phát triển.
Mô hình toán học được phát triển trong môi trường MathWorks Simulink R2020b bằng các phương trình cơ bản được mô tả trong phần Phương pháp.Trên hình.Hình 3b cho thấy một sơ đồ khối của mô hình toán học Simulink.Mô hình được mô phỏng cho xung điện áp đầu vào 7V như trong Hình 2a, b.Các giá trị của các tham số được sử dụng trong mô phỏng được liệt kê trong Bảng 1. Kết quả mô phỏng các quá trình nhất thời được trình bày trong Hình 1 và 1. Hình 3a và 4. Trong hình.Hình 4a, b cho thấy điện áp cảm ứng trong dây SMA và lực do bộ truyền động tạo ra dưới dạng hàm của thời gian. Trong quá trình biến đổi ngược lại (gia nhiệt), khi nhiệt độ dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu pha austenit biến đổi ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích mactenxit (\(\dot{\xi }\)) sẽ bằng không. Trong quá trình biến đổi ngược (gia nhiệt), khi nhiệt độ dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu pha austenit biến đổi ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích mactenxit (\(\dot{\ xi }\)) sẽ bằng không. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температур а начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли март енсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Trong quá trình biến đổi ngược lại (làm nóng), khi nhiệt độ của dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu austenit biến đổi ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích mactenxit (\(\dot{\ xi }\ )) sẽ bằng không.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在反向转变（加热）中，当当当线温度\(t
( a ) Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ và nhiệt độ đường giao nhau do ứng suất gây ra trong bộ truyền động đối xứng dựa trên SMA.Khi nhiệt độ dây vượt qua nhiệt độ chuyển tiếp austenite trong giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ chuyển tiếp austenite đã sửa đổi bắt đầu tăng lên, và tương tự, khi nhiệt độ thanh dây vượt qua nhiệt độ chuyển tiếp martensitic trong giai đoạn làm mát, nhiệt độ chuyển tiếp martensitic giảm.SMA cho mô hình phân tích của quá trình truyền động.(Để có cái nhìn chi tiết về từng hệ thống con của mô hình Simulink, xem phần phụ lục của tệp bổ sung.)
Kết quả phân tích đối với các phân phối tham số khác nhau được hiển thị cho hai chu kỳ của điện áp đầu vào 7V (chu kỳ khởi động 10 giây và chu kỳ làm mát 15 giây).Trong khi (ac) và (e) mô tả sự phân bố theo thời gian, mặt khác, (d) và (f) minh họa sự phân bố theo nhiệt độ.Đối với các điều kiện đầu vào tương ứng, ứng suất tối đa quan sát được là 106 MPa (dưới 345 MPa, cường độ chảy của dây), lực là 150 N, độ dịch chuyển tối đa là 270 µm và phần thể tích martensitic tối thiểu là 0,91.Mặt khác, sự thay đổi ứng suất và sự thay đổi phần thể tích của mactenxit theo nhiệt độ tương tự như các đặc tính trễ.
Giải thích tương tự áp dụng cho sự chuyển đổi trực tiếp (làm mát) từ pha austenit sang pha mactenxit, trong đó nhiệt độ dây SMA (T) và nhiệt độ cuối của pha mactenxit biến đổi ứng suất (\(M_f^{\prime}\ )) là tuyệt vời.Trên hình.Hình 4d, f cho thấy sự thay đổi của ứng suất cảm ứng (\(\sigma\)) và phần thể tích của martensite (\(\xi\)) trong dây SMA như là một hàm của sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA (T), cho cả hai chu kỳ lái xe.Trên hình.Hình 3a cho thấy sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA theo thời gian tùy thuộc vào xung điện áp đầu vào.Như có thể thấy từ hình, nhiệt độ của dây tiếp tục tăng bằng cách cung cấp nguồn nhiệt ở điện áp bằng 0 và làm mát đối lưu sau đó.Trong quá trình gia nhiệt, quá trình biến đổi lại martensite thành pha austenite bắt đầu khi nhiệt độ dây SMA (T) vượt qua nhiệt độ tạo mầm austenite đã điều chỉnh ứng suất (\(A_s^{\prime}\)).Trong giai đoạn này, dây SMA được nén và bộ truyền động tạo ra lực.Ngoài ra trong quá trình làm mát, khi nhiệt độ của dây SMA (T) vượt qua nhiệt độ tạo mầm của pha mactenxit biến đổi ứng suất (\(M_s^{\prime}\)) sẽ có sự chuyển đổi tích cực từ pha austenit sang pha mactenxit.động lực giảm.
Các khía cạnh định tính chính của truyền động hai chế độ dựa trên SMA có thể thu được từ kết quả mô phỏng.Trong trường hợp đầu vào xung điện áp, nhiệt độ của dây SMA tăng do hiệu ứng nhiệt Joule.Giá trị ban đầu của phần thể tích mactenxit (\(\xi\)) được đặt thành 1, vì ban đầu vật liệu ở trong pha mactenxit hoàn toàn.Khi dây tiếp tục nóng lên, nhiệt độ của dây SMA vượt quá nhiệt độ tạo mầm austenite đã hiệu chỉnh ứng suất \(A_s^{\prime}\), dẫn đến phần thể tích mactenxit giảm, như trong Hình 4c.Ngoài ra, trong hình.Hình 4e cho thấy sự phân bố hành trình của bộ truyền động theo thời gian và trong hình.5 – động lực là một hàm của thời gian.Một hệ phương trình liên quan bao gồm nhiệt độ, phần thể tích mactenxit và ứng suất phát triển trong dây, dẫn đến sự co rút của dây SMA và lực do bộ truyền động tạo ra.Như thể hiện trong hình.4d, f, sự thay đổi điện áp theo nhiệt độ và sự thay đổi phần thể tích martensite theo nhiệt độ tương ứng với các đặc tính trễ của SMA trong trường hợp mô phỏng ở 7 V.
So sánh các thông số lái xe đã thu được thông qua các thí nghiệm và tính toán phân tích.Các dây phải chịu điện áp đầu vào dạng xung 7 V trong 10 giây, sau đó được làm mát trong 15 giây (giai đoạn làm mát) trong hai chu kỳ.Góc lông chim được đặt thành \(40^{\circ}\) và chiều dài ban đầu của dây SMA trong mỗi chân chốt đơn được đặt thành 83mm.(a) Đo lực truyền động bằng cảm biến tải trọng (b) Giám sát nhiệt độ dây bằng camera nhiệt hồng ngoại.
Để hiểu được ảnh hưởng của các tham số vật lý đến lực do truyền động tạo ra, một phân tích về độ nhạy của mô hình toán học đối với các tham số vật lý đã chọn đã được thực hiện và các tham số được xếp hạng theo ảnh hưởng của chúng.Đầu tiên, việc lấy mẫu các tham số mô hình được thực hiện bằng các nguyên tắc thiết kế thử nghiệm tuân theo phân phối đồng đều (xem Phần bổ sung về Phân tích độ nhạy).Trong trường hợp này, các tham số của mô hình bao gồm điện áp đầu vào (\(V_{in}\)), chiều dài dây SMA ban đầu (\(l_0\)), góc tam giác (\(\alpha\)), hằng số lò xo phân cực (\(K_x\ )), hệ số truyền nhiệt đối lưu (\(h_T\)) và số nhánh đơn thức (n).Trong bước tiếp theo, sức mạnh cơ bắp cao nhất được chọn làm yêu cầu thiết kế nghiên cứu và các tác động tham số của từng bộ biến đối với sức mạnh đã thu được.Các biểu đồ lốc xoáy để phân tích độ nhạy được lấy từ các hệ số tương quan cho từng tham số, như trong Hình 6a.
(a) Các giá trị hệ số tương quan của các tham số mô hình và ảnh hưởng của chúng đối với lực đầu ra tối đa của 2500 nhóm duy nhất của các tham số mô hình trên được hiển thị trong biểu đồ cơn lốc xoáy.Biểu đồ cho thấy mối tương quan thứ hạng của một số chỉ số.Rõ ràng rằng \(V_{in}\) là tham số duy nhất có mối tương quan thuận và \(l_0\) là tham số có mối tương quan nghịch cao nhất.Ảnh hưởng của các tham số khác nhau trong các kết hợp khác nhau đến sức mạnh cơ bắp cao nhất được thể hiện trong (b, c).\(K_x\) dao động từ 400 đến 800 N/m và n dao động từ 4 đến 24. Điện áp (\(V_{in}\)) thay đổi từ 4V thành 10V, chiều dài dây (\(l_{0 } \)) thay đổi từ 40 thành 100 mm và góc đuôi (\ (\alpha \)) thay đổi từ \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Trên hình.Hình 6a thể hiện biểu đồ lốc xoáy có các hệ số tương quan khác nhau cho từng tham số với các yêu cầu thiết kế lực truyền động cực đại.Từ hình.Trong hình 6a, có thể thấy rằng tham số điện áp (\(V_{in}\)) có liên quan trực tiếp đến lực đầu ra tối đa và hệ số truyền nhiệt đối lưu (\(h_T\)), góc ngọn lửa (\ ( \alpha\)) , hằng số lò xo dịch chuyển ( \(K_x\)) có tương quan nghịch với lực đầu ra và chiều dài ban đầu (\(l_0\)) của dây SMA và số nhánh đơn phương (n) cho thấy mối tương quan nghịch đảo mạnh mẽ Trong trường hợp trực tiếp tương quan Trong trường hợp giá trị cao hơn của hệ số tương quan điện áp (\(V_ {in}\)) cho biết tham số này có ảnh hưởng lớn nhất đến sản lượng điện.Một phân tích tương tự khác đo lực cực đại bằng cách đánh giá tác động của các tham số khác nhau trong các kết hợp khác nhau của hai không gian tính toán, như trong Hình 6b, c.\(V_{in}\) và \(l_0\), \(\alpha\) và \(l_0\) có các mẫu tương tự nhau và biểu đồ cho thấy rằng \(V_{in}\) và \(\alpha\ ) và \(\alpha\) có các mẫu tương tự.Các giá trị \(l_0\) nhỏ hơn dẫn đến các lực cực đại cao hơn.Hai biểu đồ khác phù hợp với Hình 6a, trong đó n và \(K_x\) có tương quan nghịch và \(V_{in}\) có tương quan thuận.Phân tích này giúp xác định và điều chỉnh các tham số ảnh hưởng theo đó lực đầu ra, hành trình và hiệu suất của hệ thống truyền động có thể được điều chỉnh theo yêu cầu và ứng dụng.
Công việc nghiên cứu hiện tại giới thiệu và điều tra các ổ đĩa phân cấp với N cấp độ.Trong hệ thống phân cấp hai cấp, như trong Hình 7a, trong đó thay vì mỗi dây SMA của bộ truyền động cấp đầu tiên, một sự sắp xếp hai chiều được thực hiện, như trong hình.9e.Trên hình.Hình 7c cho thấy cách dây SMA được quấn quanh một cánh tay di động (cánh tay phụ) chỉ di chuyển theo hướng dọc.Tuy nhiên, cánh tay di động chính tiếp tục di chuyển theo cách tương tự như cánh tay di động của bộ truyền động nhiều tầng giai đoạn 1.Thông thường, một ổ đĩa cấp N được tạo bằng cách thay thế dây SMA cấp \(N-1\) bằng một ổ đĩa cấp một.Kết quả là, mỗi nhánh bắt chước ổ đĩa giai đoạn đầu tiên, ngoại trừ nhánh giữ dây.Bằng cách này, các cấu trúc lồng nhau có thể được hình thành để tạo ra lực lớn hơn nhiều lần so với lực của các ổ chính.Trong nghiên cứu này, đối với mỗi cấp độ, tổng chiều dài dây SMA hiệu quả là 1 m đã được tính đến, như thể hiện ở định dạng bảng trong Hình 7d.Dòng điện qua mỗi dây trong mỗi thiết kế đơn phương và kết quả là ứng suất trước và điện áp trong mỗi đoạn dây SMA là như nhau ở mỗi cấp độ.Theo mô hình phân tích của chúng tôi, lực đầu ra có tương quan thuận với mức độ, trong khi chuyển vị có tương quan nghịch.Đồng thời, có sự đánh đổi giữa chuyển vị và sức mạnh cơ bắp.Như đã thấy trong hình.Trong hình 7b, trong khi lực tối đa đạt được ở số lượng lớp lớn nhất, thì sự dịch chuyển lớn nhất được quan sát thấy ở lớp thấp nhất.Khi mức phân cấp được đặt thành \(N=5\), lực cơ cực đại là 2,58 kN được tìm thấy với 2 hành trình quan sát được \(\upmu\)m.Mặt khác, truyền động giai đoạn đầu tạo ra lực 150 N ở hành trình 277 \(\upmu\)m.Các bộ truyền động đa cấp có thể bắt chước các cơ sinh học thực, trong đó các cơ nhân tạo dựa trên hợp kim nhớ hình dạng có thể tạo ra lực cao hơn đáng kể với các chuyển động chính xác và tinh tế hơn.Hạn chế của thiết kế thu nhỏ này là khi hệ thống phân cấp tăng lên, chuyển động bị giảm đi đáng kể và độ phức tạp của quy trình sản xuất ổ đĩa tăng lên.
(a) Hệ thống bộ truyền động tuyến tính hợp kim bộ nhớ hình dạng phân lớp hai giai đoạn (\(N=2\)) được hiển thị trong cấu hình lưỡng kim.Mô hình được đề xuất đạt được bằng cách thay thế dây SMA trong bộ truyền động phân lớp giai đoạn đầu tiên bằng bộ truyền động phân lớp một giai đoạn khác.( c ) Cấu hình bị biến dạng của bộ truyền động nhiều lớp giai đoạn thứ hai.(b) Mô tả sự phân bố lực và chuyển vị tùy thuộc vào số cấp độ.Người ta đã phát hiện ra rằng lực cực đại của bộ truyền động có tương quan thuận với mức tỷ lệ trên biểu đồ, trong khi hành trình có tương quan nghịch với mức tỷ lệ.Dòng điện và tiền điện áp trong mỗi dây không đổi ở mọi mức.(d) Bảng hiển thị số lượng vòi và chiều dài của dây SMA (sợi) ở mỗi cấp độ.Các đặc điểm của dây được biểu thị bằng chỉ số 1 và số nhánh thứ cấp (một nhánh được kết nối với chân chính) được biểu thị bằng số lớn nhất trong chỉ số.Ví dụ: ở cấp độ 5, \(n_1\) đề cập đến số lượng dây SMA có trong mỗi cấu trúc lưỡng kim và \(n_5\) đề cập đến số lượng chân phụ (một kết nối với chân chính).
Các phương pháp khác nhau đã được nhiều nhà nghiên cứu đề xuất để mô hình hóa hành vi của SMA với bộ nhớ hình dạng, phụ thuộc vào các đặc tính cơ nhiệt đi kèm với những thay đổi vĩ mô trong cấu trúc tinh thể liên quan đến quá trình chuyển pha.Việc xây dựng các phương pháp cấu thành vốn đã phức tạp.Mô hình hiện tượng được sử dụng phổ biến nhất được đề xuất bởi Tanaka28 và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật.Mô hình hiện tượng do Tanaka đề xuất [28] giả định rằng phần thể tích của mactenxit là một hàm số mũ của nhiệt độ và ứng suất.Sau đó, Liang và Rogers29 và Brinson30 đã đề xuất một mô hình trong đó động lực chuyển pha được giả định là một hàm cosin của điện áp và nhiệt độ, với những sửa đổi nhỏ đối với mô hình.Becker và Brinson đã đề xuất một mô hình động học dựa trên sơ đồ pha để mô hình hóa hành vi của vật liệu SMA trong các điều kiện tải trọng tùy ý cũng như chuyển tiếp từng phần.Banerjee32 sử dụng phương pháp động lực biểu đồ pha Bekker và Brinson31 để mô phỏng một bộ điều khiển bậc tự do duy nhất được phát triển bởi Elahinia và Ahmadian33.Các phương pháp động học dựa trên giản đồ pha, có tính đến sự thay đổi không đơn điệu của điện áp theo nhiệt độ, rất khó thực hiện trong các ứng dụng kỹ thuật.Elakhinia và Ahmadian thu hút sự chú ý đến những thiếu sót này của các mô hình hiện tượng học hiện có và đề xuất một mô hình hiện tượng học mở rộng để phân tích và xác định hành vi bộ nhớ hình dạng trong bất kỳ điều kiện tải phức tạp nào.
Mô hình cấu trúc của dây SMA đưa ra ứng suất (\(\sigma\)), biến dạng (\(\epsilon\)), nhiệt độ (T) và phần thể tích mactenxit (\(\xi\)) của dây SMA.Mô hình cấu thành hiện tượng học lần đầu tiên được đề xuất bởi Tanaka28 và sau đó được Liang29 và Brinson30 áp dụng.Đạo hàm của phương trình có dạng:
Trong đó E là mô đun của SMA Young phụ thuộc vào pha thu được bằng cách sử dụng \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) và \(E_A\) và \(E_M\) đại diện cho mô đun của Young lần lượt là các pha austenit và martensitic, và hệ số giãn nở nhiệt được biểu thị bằng \(\theta _T\).Hệ số đóng góp chuyển pha là \(\Omega = -E \epsilon _L\) và \(\epsilon _L\) là biến dạng có thể phục hồi tối đa trong dây SMA.
Phương trình động lực học pha trùng với hàm cosin do Liang29 phát triển và sau đó được Brinson30 áp dụng thay vì hàm mũ do Tanaka28 đề xuất.Mô hình chuyển pha là phần mở rộng của mô hình do Elakhinia và Ahmadian34 đề xuất và được sửa đổi dựa trên các điều kiện chuyển pha do Liang29 và Brinson30 đưa ra.Các điều kiện được sử dụng cho mô hình chuyển pha này có hiệu lực trong các tải cơ nhiệt phức tạp.Tại mỗi thời điểm, giá trị của phần thể tích của martensite được tính khi lập mô hình phương trình cấu thành.
Phương trình chuyển hóa lại chi phối, được biểu thị bằng sự biến đổi mactenxit thành austenit trong điều kiện gia nhiệt, như sau:
trong đó \(\xi\) là phần thể tích của mactenxit, \(\xi _M\) là phần thể tích của mactenxit thu được trước khi gia nhiệt, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) và \(C_A\) – tham số xấp xỉ đường cong, T – nhiệt độ dây SMA, \(A_s\) và \(A_f\) – đầu và cuối của pha austenite, tương ứng, nhiệt độ.
Phương trình kiểm soát biến đổi trực tiếp, được biểu diễn bằng sự biến đổi pha của austenite thành mactenxit trong điều kiện làm mát, là:
trong đó \(\xi _A\) là phần thể tích của martensite thu được trước khi làm mát, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) và \ ( C_M \) – các tham số khớp đường cong, T – nhiệt độ dây SMA, \(M_s\) và \(M_f\) – nhiệt độ martensite ban đầu và cuối cùng, tương ứng.
Sau khi các phương trình (3) và (4) được vi phân, các phương trình biến đổi trực tiếp và nghịch đảo được đơn giản hóa thành dạng sau:
Trong quá trình chuyển đổi tiến và lùi \(\eta _{\sigma}\) và \(\eta _{T}\) nhận các giá trị khác nhau.Các phương trình cơ bản liên quan đến \(\eta _{\sigma}\) và \(\eta _{T}\) đã được rút ra và thảo luận chi tiết trong một phần bổ sung.
Năng lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của dây SMA đến từ hiệu ứng nhiệt Joule.Năng lượng nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng bởi dây SMA được biểu thị bằng nhiệt biến đổi tiềm ẩn.Sự mất nhiệt trong dây SMA là do đối lưu cưỡng bức và do ảnh hưởng của bức xạ không đáng kể, phương trình cân bằng năng lượng nhiệt như sau:
Trong đó \(m_{wire}\) là tổng khối lượng của dây SMA, \(c_{p}\) là nhiệt dung riêng của SMA, \(V_{in}\) là điện áp đặt vào dây, \(R_{ohm} \ ) – điện trở phụ thuộc pha SMA, được định nghĩa là;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) trong đó \(r_M\ ) và \(r_A\) lần lượt là điện trở suất pha SMA trong martensite và austenite, \(A_{c}\) là diện tích bề mặt của dây SMA, \(\Delta H \) là hợp kim nhớ hình dạng.Ẩn nhiệt chuyển tiếp của dây, T và \(T_{\infty}\) lần lượt là nhiệt độ của dây SMA và môi trường.
Khi một dây hợp kim có bộ nhớ hình dạng được kích hoạt, dây sẽ nén lại, tạo ra một lực trong mỗi nhánh của thiết kế lưỡng kim được gọi là lực sợi.Lực của các sợi trong mỗi sợi của dây SMA cùng nhau tạo ra lực cơ để tác động, như thể hiện trong Hình 9e.Do có lò xo lệch nên tổng lực cơ của cơ cấu chấp hành nhiều lớp thứ N là:
Thay thế \(N = 1\) vào phương trình (7), sức mạnh cơ bắp của nguyên mẫu truyền động hai chế độ giai đoạn đầu tiên có thể thu được như sau:
Trong đó n là số chân đơn, \(F_m\) là lực cơ do truyền động tạo ra, \(F_f\) là cường độ sợi trong dây SMA, \(K_x\) là độ cứng lệch.lò xo, \(\alpha\) là góc của tam giác, \(x_0\) là độ lệch ban đầu của lò xo thiên vị để giữ cáp SMA ở vị trí căng trước và \(\Delta x\) là hành trình của bộ truyền động.
Tổng độ dịch chuyển hoặc chuyển động của biến tần (\(\Delta x\)) tùy thuộc vào điện áp (\(\sigma\)) và biến dạng (\(\epsilon\)) trên dây SMA của giai đoạn thứ N, biến tần được đặt thành (xem Hình. phần bổ sung của đầu ra):
Các phương trình động học đưa ra mối quan hệ giữa biến dạng ổ đĩa (\(\epsilon\)) và chuyển vị hoặc chuyển vị (\(\Delta x\)).Biến dạng của dây Arb là một hàm của chiều dài dây Arb ban đầu (\(l_0\)) và chiều dài dây (l) tại bất kỳ thời điểm t nào trong một nhánh đơn thức như sau:
trong đó \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) có được bằng cách áp dụng công thức cosine trong \(\Delta\)ABB ', như trong Hình 8. Đối với ổ đĩa giai đoạn đầu (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) là \(\Delta x\), và \(\al pha _1\) là \(\alpha \) như thể hiện trong Như thể hiện trong Hình 8, bằng cách lấy vi phân thời gian từ Phương trình (11) và thay giá trị của l, tốc độ biến dạng có thể được viết là:
trong đó \(l_0\) là chiều dài ban đầu của dây SMA, l là chiều dài của dây tại bất kỳ thời điểm t nào trong một nhánh đơn thức, \(\epsilon\) là độ biến dạng phát triển trong dây SMA và \(\alpha \) là góc của tam giác , \(\Delta x\) là độ lệch truyền động (như trong Hình 8).
Tất cả n cấu trúc đỉnh đơn (\(n=6\) trong hình này) được mắc nối tiếp với \(V_{in}\) làm điện áp đầu vào.Giai đoạn I: Sơ đồ của dây SMA trong cấu hình lưỡng cực trong điều kiện điện áp bằng 0. Giai đoạn II: Một cấu trúc được kiểm soát được hiển thị trong đó dây SMA bị nén do chuyển đổi nghịch đảo, như được hiển thị bằng đường màu đỏ.
Như một bằng chứng về khái niệm, một ổ đĩa hai chế độ dựa trên SMA đã được phát triển để kiểm tra đạo hàm mô phỏng của các phương trình cơ bản với kết quả thực nghiệm.Mô hình CAD của bộ truyền động tuyến tính hai chiều được thể hiện trong hình.9a.Mặt khác, trong hình.9c cho thấy một thiết kế mới được đề xuất cho kết nối lăng trụ quay bằng cách sử dụng bộ truyền động dựa trên SMA hai mặt phẳng với cấu trúc lưỡng kim.Các thành phần ổ đĩa được chế tạo bằng cách sử dụng sản xuất phụ gia trên máy in 3D Ultimaker 3 Extended.Vật liệu được sử dụng để in 3D các thành phần là polycarbonate, phù hợp làm vật liệu chịu nhiệt vì nó cứng, bền và có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh cao (110-113 \(^{\circ }\) C).Ngoài ra, dây hợp kim nhớ hình dạng Flexinol của Dynalloy, Inc. đã được sử dụng trong các thí nghiệm và các đặc tính vật liệu tương ứng với dây Flexinol đã được sử dụng trong các mô phỏng.Nhiều dây SMA được sắp xếp dưới dạng các sợi có trong sự sắp xếp hai chiều của các cơ để thu được lực cao do các bộ truyền động nhiều lớp tạo ra, như thể hiện trong Hình 9b, d.
Như thể hiện trong Hình 9a, góc nhọn được tạo bởi dây SMA của cánh tay di động được gọi là góc (\(\alpha\)).Với các kẹp đầu cuối được gắn vào kẹp trái và phải, dây SMA được giữ ở góc hai phương mong muốn.Thiết bị lò xo thiên vị được giữ trên đầu nối lò xo được thiết kế để điều chỉnh các nhóm mở rộng lò xo thiên vị khác nhau tùy theo số lượng (n) sợi SMA.Ngoài ra, vị trí của các bộ phận chuyển động được thiết kế sao cho dây SMA tiếp xúc với môi trường bên ngoài để làm mát đối lưu cưỡng bức.Các tấm trên và dưới của cụm lắp ráp có thể tháo rời giúp giữ cho dây SMA mát mẻ với các đường cắt ép đùn được thiết kế để giảm trọng lượng.Ngoài ra, cả hai đầu của dây CMA lần lượt được cố định vào các cực bên trái và bên phải bằng một nút bấm.Một pít tông được gắn vào một đầu của cụm di động để duy trì khoảng trống giữa các tấm trên và dưới.Pít tông cũng được sử dụng để tạo lực chặn cho cảm biến thông qua một tiếp điểm để đo lực chặn khi dây SMA được kích hoạt.
Cấu trúc cơ hai chiều SMA được mắc nối tiếp bằng điện và được cung cấp năng lượng bởi điện áp xung đầu vào.Trong chu kỳ xung điện áp, khi điện áp được đặt vào và dây SMA được nung nóng trên nhiệt độ ban đầu của austenite, chiều dài của dây trong mỗi sợi được rút ngắn.Việc rút lại này kích hoạt cụm phụ cánh tay có thể di chuyển được.Khi điện áp bằng 0 trong cùng một chu kỳ, dây SMA nóng được làm mát dưới nhiệt độ của bề mặt martensite, do đó trở về vị trí ban đầu.Trong điều kiện ứng suất bằng không, dây SMA trước tiên được kéo căng một cách thụ động bằng một lò xo thiên vị để đạt đến trạng thái martensitic đã tách rời.Vít, mà dây SMA đi qua, di chuyển do lực nén được tạo ra bằng cách đặt một xung điện áp vào dây SMA (SPA đạt đến pha austenite), dẫn đến hoạt động của đòn bẩy di động.Khi dây SMA được rút lại, lò xo thiên vị sẽ tạo ra một lực đối nghịch bằng cách kéo dài thêm lò xo.Khi ứng suất trong điện áp xung bằng 0, dây SMA sẽ dài ra và thay đổi hình dạng do làm mát đối lưu cưỡng bức, đạt đến pha martensitic kép.
Hệ thống truyền động tuyến tính dựa trên SMA được đề xuất có cấu hình lưỡng kim trong đó các dây SMA được tạo góc.(a) mô tả một mô hình CAD của nguyên mẫu, trong đó đề cập đến một số thành phần và ý nghĩa của chúng đối với nguyên mẫu, (b, d) đại diện cho nguyên mẫu thử nghiệm đã phát triển35.Trong khi (b) hiển thị chế độ xem từ trên xuống của nguyên mẫu với các kết nối điện, lò xo thiên vị và máy đo biến dạng được sử dụng, (d) hiển thị chế độ xem phối cảnh của thiết lập.(e) Sơ đồ hệ thống truyền động tuyến tính với các dây SMA được đặt theo hai chiều tại bất kỳ thời điểm t nào, cho thấy hướng và đường đi của sợi và sức mạnh của cơ.(c) Một kết nối lăng trụ quay 2 DOF đã được đề xuất để triển khai bộ truyền động dựa trên SMA hai mặt phẳng.Như được hiển thị, liên kết truyền chuyển động tuyến tính từ ổ đĩa phía dưới lên cánh tay trên cùng, tạo ra một kết nối quay.Mặt khác, chuyển động của cặp lăng kính giống như chuyển động của ổ giai đoạn đầu nhiều lớp.
Một nghiên cứu thử nghiệm đã được thực hiện trên nguyên mẫu được minh họa trong Hình 9b để đánh giá hiệu suất của bộ truyền động hai chế độ dựa trên SMA.Như được hiển thị trong Hình 10a, thiết lập thử nghiệm bao gồm một nguồn điện DC có thể lập trình để cung cấp điện áp đầu vào cho các dây SMA.Như thể hiện trong hình.Trong hình 10b, máy đo biến dạng áp điện (PACEline CFT/5kN) đã được sử dụng để đo lực chặn bằng bộ ghi dữ liệu Graphtec GL-2000.Dữ liệu được ghi lại bởi máy chủ để nghiên cứu thêm.Máy đo biến dạng và bộ khuếch đại điện tích yêu cầu nguồn điện liên tục để tạo ra tín hiệu điện áp.Các tín hiệu tương ứng được chuyển đổi thành công suất đầu ra tùy theo độ nhạy của cảm biến lực áp điện và các thông số khác như được mô tả trong Bảng 2. Khi một xung điện áp được áp vào, nhiệt độ của dây SMA tăng lên, khiến dây SMA bị nén lại, khiến bộ truyền động tạo ra lực.Các kết quả thử nghiệm về đầu ra của sức mạnh cơ bắp bằng xung điện áp đầu vào 7 V được hiển thị trong hình.2a.
(a) Một hệ thống bộ truyền động tuyến tính dựa trên SMA đã được thiết lập trong thí nghiệm để đo lực do bộ truyền động tạo ra.Cảm biến tải trọng đo lực chặn và được cung cấp bởi nguồn điện 24 V DC.Điện áp rơi 7 V được áp dụng dọc theo toàn bộ chiều dài của cáp bằng nguồn điện một chiều có thể lập trình của GW Instek.Dây SMA co lại do nhiệt và cánh tay di động tiếp xúc với cảm biến tải trọng và tác dụng lực chặn.Cảm biến tải trọng được kết nối với bộ ghi dữ liệu GL-2000 và dữ liệu được lưu trữ trên máy chủ để xử lý thêm.( b ) Sơ đồ hiển thị chuỗi các thành phần của thiết lập thử nghiệm để đo sức mạnh cơ bắp.
Các hợp kim bộ nhớ hình dạng được kích thích bởi năng lượng nhiệt, do đó nhiệt độ trở thành một thông số quan trọng để nghiên cứu hiện tượng bộ nhớ hình dạng.Về mặt thực nghiệm, như thể hiện trong Hình 11a, các phép đo nhiệt độ và hình ảnh nhiệt đã được thực hiện trên một bộ truyền động đối xứng dựa trên SMA nguyên mẫu.Một nguồn DC có thể lập trình được đặt điện áp đầu vào vào các dây SMA trong thiết lập thử nghiệm, như trong Hình 11b.Sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA được đo theo thời gian thực bằng camera LWIR có độ phân giải cao (FLIR A655sc).Máy chủ sử dụng phần mềm ResearchIR để ghi lại dữ liệu để xử lý hậu kỳ thêm.Khi một xung điện áp được áp dụng, nhiệt độ của dây SMA tăng lên, khiến dây SMA bị co lại.Trên hình.Hình 2b cho thấy kết quả thử nghiệm của nhiệt độ dây SMA theo thời gian đối với xung điện áp đầu vào 7V.
Thời gian đăng: 28-09-2022