机械专业本科生毕业设计.ppt

烟台大学毕业设计
题目:《基于形状记忆合金的仿生鱼结构设
计》
姓名:高会仙
专业:机械设计制造及其自动化
班级:机071-3
学号:200723501312
导师:石运序
形状记忆合金(SMA)简介
令形状记忆合金(简称SMA)是一种新型功能材料,具有独特的物理、力
学性能。
材料具有形状记忆效应的条件是:形成单变体或接近单变体马氏体
SMA具有形状记忆效应和伪弹性两大特异功能。
令由于我忆合金这种新型智能材料的开发和应用研究比较晚
因此,SMA驱动器在微小型水下机器人的应用研究较少,至今还没见到
相关的应用产品。因此研究形状记忆合金驱动器在水下机器人中的应用
对于我国新材料新技术的应用和机器人技术的发展具有推动作用
形状记忆合金工作原理
形状记忆合金工作原理为给一侧形状记忆合金合金通电加热,合金材
料发生马氏体到奧氏体的相变,其晶粒的体积逐渐缩小,体现在宏观
上形状记忆合金的收缩,对外有力地输出,使关节向一侧转动,另
侧则处于常温马氏体相,且承受被动拉力:反之,断开收缩侧电流,
使其在流水作用下冷却(有利于提高摆动频率),给另一侧加热,即
可实现反向运动。通过控制施加电流的大小,施加的时间,控制SMA
弹簧的变形速率和变形大小,从而实现鱼类的基本运动形态-巡游
启(制)动和急转等功能
SMA的特点是具有形状记忆效应,它在高温下定形后,冷却到低温或
者室温,并使它产生残余变形,如果再加热到相变温度后,就会使残
余变形消失,并回复到高温下的固有形状,随后,再进行冷却或加热
将继续保持高温下的形状不变,上述过程可以周而复始地进行,仿佛
合金记住了高温状态所赋予的形状一样,这种现象称之为单程记忆
如果对材料进行特殊处理,在随后的加热或冷却循环中,能够重
复地记住高温和低温的两种形状,称为双程记忆:某些形状记忆合金在实现双程
记忆的同时,继续冷却到更低温度,可以出现与高温时相反的形状,称为全方位
记忆(也叫全程记忆)。三种形状记忆效应示意图
初始形状低温变形加熬冷却
单程
双程
全程
螺旋弹簧大都使用单程或双程记忆效应,特別是双程记忆效应,它随着
温度的上升或下降,能实现两个方向的动作,使用起来十分方便。
形状记忆效应是由于SMA的热弹性马氏体相变造成的。形状记忆合金存
在两种不同的晶体结构状态,高温时为奥氏体相(A),低温时为马氏体相
(M)。下图描述了形状记忆合金驱动器的工作机理
SMA丝
加热
冷却3338
SMA材料的选择
SMA形状记忆特性与合金组成成分、热处理方法、时效、加工工艺等有
关,NTi合金延展性、最大的回复应力和应变、循环寿命、应变量和高
温稳定性比铜基合金的要高得多,而且还具有变形容易,电阻和耐蚀性
能好等优点,比较适合制作驱动元件,而且目前在机器人中应用比较成
熟。又由于在相同长度及直径下,SMA丝变形输出的力要比SMA弹簧
大得多,但输出的位移量却比SMA弹簧小很多,虽然SMA弹簧输出力
般,但能输出较大的工作行程且可以使结构简单化。所以,本文选择
%NiTi形状记忆合金弹簧作为驱动材料
仿生鱼整体外形图
仿生鱼主体结构设计
令在鱼的头部采用刚性结构的塑料材料,其形状采用流线型,在鱼头的内
部空间里安装电源和控制电路,在鱼眼睛和头前方偏下处安装3个红外
线传感器,构成一个具有左右前三个方向的传感器网络,使鱼具有自己
避障的功能。在鱼身内安装沉浮机构,电机驱动气缸,在其做功的过程
中,配与电磁阀的开合将储水容器抽成低压,储气容器抽成高压,打开
电磁阀使鱼吸水,从而实现鱼的下沉,然后再利用高压把水排出体外实
现鱼的上浮;重心调节机构用于调节推进器的俯仰,匹配重心和浮心,
使之在垂直方向上共线;沉浮机构和胸鳍共同用于实现仿生鱼的沉浮运
动,调节沉浮速度;形状记忆合金采用偏置安装方式对称分布于两侧各
个关节表面,每侧5根并行,目的是提高驱动力矩