一种结合形状记忆聚合物特性的往复运动机构

技术领域

本发明属于4D打印技术领域的一种能够利用4D打印技术实现循环往复移动的机构，具体是涉及一种结合形状记忆聚合物特性的往复运动机构。

背景技术

往复运动机构在机械生产加工领域的应用极为广泛，包括机械加工中常用的各种类型的机床、各种农用机械以及航空航天等领域。目前，常用的往复运动机构有凸轮机构、平面四杆机构、不完全齿轮机构、槽轮机构以及棘轮机构和液压当中的活塞气缸等机构。传统往复机构的工作原理主要是以电能、液压能为能源来驱动机构实现往复偏摆运动或者往复直线运动。目前常见的实现往复运动的机械机构在运动过程当中，压力较大磨损较为严重；复杂运动机构的加工难度较大，加工成本较高；其次是机构的控制组件较大、成本较高，而且控制组件占用的空间面积大。

发明内容

针对传统往复运动机构存在的不足之处，本发明凸出了一种结合形状记忆聚合物特性的往复运动机构。本发明是以4D打印热驱动而设计的一种结合形状记忆聚合物特性的往复运动机构。热驱动方式主要应用于形状记忆合金和热敏型形状记忆聚合物，其形状记忆效应分别来源于分子链组成单元的玻璃化转变或熔融转变和马氏体正逆相变。本发明装置不仅结构和控制方式简单，而且成本低效率高，机构所用空间小。

本发明装置主要是解决传统往复机构在运动过程当中，压力较大磨损较为严重；复杂运动机构的加工难度较大，加工成本较高，占地空间大，其次是传统的控制组件结构复杂，占地空间大的问题。

本发明装置解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种结合形状记忆聚合物特性的往复运动机构：

包括机架、移动滑台、形状记忆件、导轨和连接板；机架内设有导轨，导轨上滑动安装有移动滑台，移动滑台上固定安装连接板，连接板的两侧分别经一个形状记忆件和机架内部的两侧连接；每个形状记忆件均主要由形状记忆聚合物和加热模块构成，形状记忆聚合物呈S形布置，形状记忆聚合物S形的半圆弧弯曲拐点处内部设有加热模块，形状记忆聚合物的两端分别连接到连接板侧部和机架的内侧部。

所述加热模块采用电阻银丝，电阻银丝是通过嵌设方式装形状记忆聚合物内部或者内侧。

所述的移动滑台通过燕尾槽与机架上的导轨嵌装配合。

所述的移动滑台与连接板通过螺纹连接在一起，共同在机架上的自由移动。

所述的机架两侧之间的长度为单个形状记忆件在收缩状态下的长度、在延展状态下的长度以及移动滑台的长度之和。

二、一种结合形状记忆聚合物特性的往复运动控制方法

1)在初始条件下，第一形状记忆聚合物、第二形状记忆聚合物均在常温下，分别处于初始延展形状；

2)先对第一形状记忆聚合物进行加热，加热温度到第一温度，第二形状记忆聚合物保持常温不变，外力施加到第一形状记忆聚合物进行压缩，然后将第一形状记忆聚合物和第二形状记忆聚合物共同装入机架内并连接到机架和移动滑台，装入后第一形状记忆聚合物不再加热随着常温温度自然下降，第一形状记忆聚合物的形状保持在压缩状态；

3)首先将第二形状记忆聚合物加热温度到第二温度并保持，然后再将第一形状记忆聚合物加热温度到第一温度并保持，此时第一形状记忆聚合物的刚度和恢复力均大于第二形状记忆聚合物的刚度和恢复力，滑动平台在第一形状记忆聚合物的推动下向靠近第二形状记忆聚合物方向移动，移动稳定后第一形状记忆聚合物1和第二形状记忆聚合物不再加热随着常温温度自然下降；

4)首先将第一形状记忆聚合物加热到第二温度并保持，然后再将第二形状记忆聚合物加热到第一温度并保持，此时第二形状记忆聚合物的刚度和恢复力均大于第一形状记忆聚合物的刚度和恢复力，滑动平台向靠近第一形状记忆聚合物方向移动，移动稳定后第一形状记忆聚合物和第二形状记忆聚合物不再加热随着常温温度自然下降；

5)不断往复重复3)和4)的步骤过程，进行实现聚合物形状的恢复和延伸，实现滑动平台的往复运动。

第二温度高于第一温度。

本发明的加热模块为银电阻丝，它主要为第一形状记忆聚合物、第二形状记忆聚合物提供热量，使聚合物温度升高；第一形状记忆聚合物、第二形状记忆聚合物主要是利用其形状记忆的特性来实现伸张与收缩，从而驱动移动滑台的往复移动。

本发明当中，滑块能够移动主要是因为形状记忆聚合物的刚度随着温度的上升而下降，通过电阻银丝通电电流的大小来控制温度的高低，利用温度变化来实现形状记忆聚合物实现伸展与收缩，从而实现滑台的往复移动。

本发明装置充分利用形状记忆聚合物受热伸缩的特点，在较小空间内实现大行程的空间变化。同是发明机构总体占用空间小，有效节约了空间范围。

本发明的有益效果：

本发明能够利用4D打印技术解决传统往复机构在运动过程当中控制组件较多、控制组件复杂的问题，能够利用材料本身的特性即可发生变形实现驱动的作用。另一方面本发明装置也能够更好地利用空间，节约资源减低成本。

本发明装置能够在不需要复杂控制组件的条件下，利用形状记忆聚合物形状的动态循环往复变化来实现机构的往复移动。本发明装置能够克服传统往复运动机构控制较难、控制组件较多等缺点。

本发明采用了双对称结构进行变形往复运动，且往复运动的控制方式较简单，能够减少往复运动的冲击，运动平缓抗冲击。

附图说明

图1为本发明的4D打印特性循环往复运动机构的结构示意图；

图2是本发明装置工作原理示意图。

图中，1平台机架、2第二形状记忆聚合物、3第一形状记忆聚合物、4加热模块、5导轨、6滑动平台、7连接板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

如图1所示，机构包括机架1、移动滑台6、形状记忆件、导轨5和连接板7；机架1内设有导轨5，导轨5上滑动安装有移动滑台6，移动滑台6上固定安装连接板7，连接板7的两侧分别经一个形状记忆件和机架1内部的两侧连接；每个形状记忆件均主要由形状记忆聚合物2/3和加热模块4构成，形状记忆聚合物2/3呈S形布置，即波浪形，形状记忆聚合物2/3S形的半圆弧弯曲拐点处内部设有加热模块4，加热模块4为半圆弧形，加热模块4用于加热控制形状记忆聚合物2/3的形态，形状记忆聚合物2/3的两端分别连接到连接板7侧部和机架1的内侧部；形状记忆聚合物2/3在连接板7侧部和机架1的侧部之间以S形布置。

具体实施中，加热模块4采用电阻银丝，电阻银丝是通过嵌设方式装形状记忆聚合物内部或者内侧。在聚合物的内部嵌设有可伸展变形的银电阻丝，电阻丝是作为热源使用。通过加热模块4能实现在形状记忆聚合物受热而发生收缩与伸张时与形状记忆聚合物同步发生弯曲和变形。

移动滑台6通过燕尾槽与机架1上的导轨6嵌装配合，而安装在机架1上。移动滑台6与连接板7通过螺纹连接在一起，共同在机架1上的自由移动。

机架1两侧之间的长度为单个形状记忆件在收缩状态下的长度、在延展状态下的长度以及移动滑台6的长度之和。

连接板7左右两端分别连接第一形状记忆聚合物3、第二形状记忆聚合物2，第一形状记忆聚合物3、第二形状记忆聚合物2的另外一端与机架1连接。其中形状记忆聚合物与移动滑台6和机架1的连接均是通过螺纹连接将形状记忆聚合物固定在机架1与连接板7上的。

第一形状记忆聚合物3、第二形状记忆聚合物2上下两表面程S形波浪条纹状，S形波浪条纹状的形状记忆聚合物能够有效缓解在形状记忆聚合物因受热而发生伸展与收缩时，产生的弯曲疲劳损伤和应力破坏，最大限度保证了形状记忆聚合物的完整性及恢复性。

第一形状记忆聚合物3、第二形状记忆聚合物2受加热模块4控制加热发生形状改变，实现形状的伸展与收缩。

其中本发明中所使用的第一形状记忆聚合物、第二形状记忆聚合物的主要成分是聚乳酸；机架主体部分材料为铝合金；移动滑台与导轨材料为优质碳钢；加热模块材料为锰合金，内部为金属银丝。

本发明装置充分利用形状记忆聚合物受热伸缩的特点，在较小空间内实现大行程的空间变化。同是发明机构总体占用空间小，有效节约了空间范围。

如图2所示，本发明的工作流程和工作原理分为以下几个步骤：

①在初始条件下，第一形状记忆聚合物1、第二形状记忆聚合物2均在常温下，分别处于初始延展形状；

②先对第一形状记忆聚合物1进行加热，加热温度到60℃，第二形状记忆聚合物2保持常温不变，外力施加到第一形状记忆聚合物1进行压缩，然后将第一形状记忆聚合物1和第二形状记忆聚合物2共同装入机架1内并连接到机架1和移动滑台6，装入后第一形状记忆聚合物1不再加热随着常温温度自然下降，第二形状记忆聚合物2的刚度大于第一形状记忆聚合物1，使得第一形状记忆聚合物1的形状保持在压缩状态；

③首先将第二形状记忆聚合物2加热温度到90℃并保持，然后再将第一形状记忆聚合物1加热温度到60℃并保持，此时第一形状记忆聚合物1的刚度和恢复力均大于第二形状记忆聚合物2的刚度和恢复力，滑动平台6在第一形状记忆聚合物1的推动下向靠近第二形状记忆聚合物2方向移动，移动稳定后第一形状记忆聚合物1和第二形状记忆聚合物2不再加热随着常温温度自然下降；

④首先将第一形状记忆聚合物1加热到90℃并保持，然后再将第二形状记忆聚合物2加热到60℃并保持，此时第二形状记忆聚合物2的刚度和恢复力均大于第一形状记忆聚合物1的刚度和恢复力，滑动平台6向靠近第一形状记忆聚合物1方向移动，移动稳定后第一形状记忆聚合物1和第二形状记忆聚合物2不再加热随着常温温度自然下降；

⑤不断往复重复③和④的步骤过程，进行实现聚合物形状的恢复和延伸，实现滑动平台6的往复运动。

由此发明装置上述运动原理过程示意图如图2所示。