基于热膨胀原理的差动式促动器

技术领域

本发明涉及精密机械技术领域，尤其涉及一种基于热膨胀原理的差动式促动器。

背景技术

在精密机械领域中，促动器是一个主要的组成部分，能够将其他能量(一般是电能)转为机械能输出位移，实现这一转换通常由四种途径：静电驱动、电磁驱动、压电驱动以及热敏感驱动。其中静电驱动和电磁驱动对距离有很大依赖，压电驱动输出位移和力矩小，但是热敏感驱动克服了上述的缺点，热应力是结构内力，只要保证驱动结构获得一定热能就能产生相应的形变，可以通过电致加热或者接受传导、对流、辐射的热能实现，从而完成驱动。

热膨胀是材料的普遍属性，自身温度发生变化后，由半导体、金属或者绝缘材料构成的结构的尺寸和体积发生相应的变化，传统的促动器的两段材料一般都采用正膨胀系数的材料，即加热之后具有不同程度的膨胀，来最终实现纳米级的运动，但是对于微量纳米级的运动是亟需解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种将正膨胀系数与负膨胀系数材料结合起来，通过热辐射加热方式，控制两个分段杆件的温度差，实现微量纳米级分辨率的伸缩驱动，利用热膨胀产生的微小形变来设计促动器。

一种基于热膨胀原理的差动式促动器，包括至少一个正膨胀组件、中间隔热垫以及负膨胀组件，所述正膨胀组件与所述负膨胀组件分别固定在所述中间隔热垫的两端，通过钛合金螺钉连接；所述正膨胀组件包括正膨胀杆，所述负膨胀组件包括负膨胀杆；

粗调驱动位移时，对所述正膨胀杆加热，所述正膨胀杆受热膨胀输出轴向正位移；

精调驱动位移时，对所述正膨胀杆加热，所述正膨胀杆受热膨胀输出轴向正位移，同时对所述负膨胀杆加热，所述负膨胀杆受热升温体积收缩输出轴向负位移，正位移和负位移之间的差值即为输出的精调驱动位移。

优选的，由热膨胀引起的位移量N可以用下式表示：

N＝(T

N为热膨胀引起的位移量、T

优选的，正膨胀杆采用正膨胀系数材料7A09铝合金、铍青铜或TC4钛合金，负膨胀杆采用负膨胀系数材料Laves相合金、FeNiCo基合金或NiTi基合金。

优选的，所述正膨胀组件还包含正膨胀杆套筒和第一加热片，所述正膨胀杆套筒包裹在所述正膨胀杆的外部，所述第一加热片包裹在所述正膨胀杆套筒的表面，通过所述第一加热片对所述正膨胀杆套筒加热，从而实现不同温度下所述正膨胀杆的轴向正位移量。

优选的，所述负膨胀组件还包含负膨胀杆套筒和第二加热片，所述负膨胀杆套筒包裹在所述负膨胀杆的外部，所述第二加热片包裹在所述负膨胀杆套筒的表面，通过对所述第二加热片加热，从而实现不同温度下所述负膨胀杆的轴向负位移量。

优选的，所述正膨胀组件还包括正膨胀杆末端隔热垫、正膨胀套筒末端隔热垫、正膨胀杆末端连接件，所述负膨胀组件还包括负膨胀杆末端隔热垫、负膨胀套筒末端隔热垫、负膨胀杆末端连接件；

所述正膨胀杆末端隔热垫和所述负膨胀杆末端隔热垫分别固定连接在所述正膨胀杆和所述负膨胀杆的末端；所述正膨胀套筒末端隔热垫和所述负膨胀套筒末端隔热垫分别固定连接在所述正膨胀杆套筒和所述负膨胀杆套筒的末端，所述正膨胀杆末端隔热垫、负膨胀杆末端隔热垫、正膨胀套筒末端隔热垫、负膨胀套筒末端隔热垫用于隔绝差动式促动器与外界的热量传导；

所述正膨胀杆末端连接件和负膨胀杆末端连接件分别固定连接在所述正膨胀杆末端隔热垫和负膨胀杆末端隔热垫的末端，所述正膨胀杆末端连接件和负膨胀杆末端连接件用于连接外部结构或相邻的差动式促动器。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

1、不同于传统的正膨胀系数促动器，负膨胀系数材料的应用使正负膨胀系数之间产生差值，形成一种微量纳米级的差动式促动器。

2、加热片的加热方式相比于目前主流的压电材料，该驱动方式避免了高电压驱动，具有大承载，低成本的优点，并且位移只受杆件材料、尺寸以及自身温度的影响，受外界环境影响小，具有较高的运动稳定性。

3、促动器两段中间隔热垫起到了隔绝热量，避免由于温度的高低产生影响，正膨胀系数材料和负膨胀系数材料可以实现在不同温度下的控制，从而实现更多位移方向和位移大小的可能。

4、膨胀杆外的套筒设计使内部的膨胀杆受热降温缓慢均匀，在快速升温的同时能够全面的覆盖到杆的表面，且不会由于加热温度过快导致膨胀杆发生不良形变。

5、末端隔热垫使末端的温度隔绝外界，避免了温度的干扰导致的微量纳米级位移不精确。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于热膨胀原理的差动式促动器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的基于热膨胀原理的差动式促动器的剖面结构示意图。

附图标记：

正膨胀组件1、中间隔热垫2、负膨胀组件3、正膨胀杆4、正膨胀杆套筒5、正膨胀杆末端隔热垫6、正膨胀杆套筒末端隔热垫7、正膨胀杆杆末端连接件8、负膨胀杆9、负膨胀杆套筒10、负膨胀杆末端隔热垫11、负膨胀套筒末端隔热垫12、负膨胀杆末端连接件13、第一加热片14、第二加热片15。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了本发明实施例中提供的基于热膨胀原理的差动式促动器的结构。图1显示的基于热膨胀原理的差动式促动器仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图1所示，本发明实施例中提供的基于热膨胀原理的差动式促动器包括正膨胀组件1、中间隔热垫2以及负膨胀组件3；正膨胀组件1与负膨胀组件3分别固定在中间隔热垫2的两端，通过钛合金螺钉连接。

图2示出了本发明实施例提供的基于热膨胀原理的差动式促动器的剖面结构。

如图2所示，本发明实施例中提供的基于热膨胀原理的差动式促动器中正膨胀组件1包含正膨胀杆4、正膨胀杆套筒5、正膨胀杆末端隔热垫6、正膨胀套筒末端隔热垫7、正膨胀杆末端连接件8和第一加热片14。

正膨胀杆套筒5包裹在正膨胀杆4的外部，第一加热片14包裹在正膨胀杆套筒5的表面，通过第一加热片14对正膨胀杆套筒5加热，从而实现不同温度下正膨胀杆4的轴向正位移量。

正膨胀杆套筒5用于避免第一加热片14的温度快速升高对正膨胀杆4产生不利影响，正膨胀杆套筒5的增加使正膨胀杆4受热均匀。

正膨胀杆末端隔热垫6固定连接在正膨胀杆4的末端，正膨胀套筒末端隔热垫7固定连接在正膨胀杆套筒5的末端，正膨胀杆末端隔热垫6和正膨胀套筒末端隔热垫7用于隔绝外界和相邻器件间的温度。

正膨胀杆末端连接件8固定连接在正膨胀杆末端隔热垫6的末端，正膨胀杆末端连接件8用于连接外部结构或相邻的差动式促动器。

负膨胀组件3包括负膨胀杆9、负膨胀杆套筒10、负膨胀杆末端隔热垫11、负膨胀套筒末端隔热垫12、负膨胀杆末端连接件13和第二加热片15。

负膨胀杆套筒10包裹在负膨胀杆9的外部，第二加热片15包裹在负膨胀杆套筒10的表面，通过第二加热片15对负膨胀杆套筒10加热，从而实现不同温度下负膨胀杆9的轴向负位移量。

负膨胀杆套筒10用于避免第二加热片15的温度快速升高对负膨胀杆9产生不利影响，负膨胀杆套筒10的增加使负膨胀杆9受热均匀。

负膨胀杆末端隔热垫11位于负膨胀杆9的末端，负膨胀套筒末端隔热垫12位于负膨胀杆套筒10的末端，负膨胀杆末端隔热垫11和负膨胀套筒末端隔热垫12用于隔绝外界和相邻器件间的温度。

负膨胀杆末端连接件13固定连接在负膨胀杆末端隔热垫11的末端，负膨胀杆末端连接件13用于连接外部结构或相邻的的差动式促动器。

需要粗调驱动位移时，通过第一加热片14给正膨胀杆套筒5加热，正膨胀杆套筒5升温后通过热辐射形式对正膨胀杆4加热，正膨胀杆4受热膨胀输出轴向正位移。

需要精调驱动位移时，通过第二加热片15分别给正膨胀杆套筒5和负膨胀杆套筒10加热，正膨胀杆4受热升温体积膨胀输出轴向正位移，负膨胀杆9受热升温体积收缩输出轴向负位移，轴向正位移和轴向负位移二者之间的差值即为输出的精确驱动位移。

在图1的基于热膨胀原理的差动式促动器中，由热膨胀引起的位移量N可以用下式表示：

N＝(T

N为热膨胀引起的位移量、T

中间隔热垫2、正膨胀末端隔热垫6、正膨胀套筒末端隔热垫7、负膨胀杆末端隔热垫11以及负膨胀套筒末端隔热垫12采用联苯型聚酰亚胺，其导热系数为0.29W/(mK)，屈服强度为360MPa，能够在隔绝热传导的同时提高促动器整体刚度。

正膨胀杆套筒5与负膨胀杆套筒10采用7A09铝合金，其导热系数为156W/(mk)，能够更快升温的同时将热量辐射到正膨胀杆与负膨胀杆上。

正膨胀杆4采用7A09铝合金，热膨胀系数为23.6ppm/k，能实现大行程位移。

负膨胀杆9采用Laves相合金，热膨胀系数为-22ppm/k，能实现杆温度提升的同时收缩体积。

正膨胀杆末端连接件8和负膨胀末端连接件13采用TC4钛合金，屈服强度为895MPa，热膨胀系数为7.8923.6ppm/k，能够实现高温度稳定性的同时提高促动器整体刚度。

正膨胀杆4所采用的材料不限于7A09铝合金、铍青铜和TC4钛合金，也可以是其他具有正膨胀系数的无机物材料、有机物材料或复合材料；负膨胀杆9所采用的材料不限于Laves相合金、FeNiCo基合金和NiTi基合金，也可以是其他具有负膨胀系数的无机物材料、有机物材料或复合材料。

基于热膨胀原理的差动式促动器利用热膨胀产生的微小形变来设计促动器，将正膨胀系数与负膨胀系数材料结合起来，通过热辐射加热方式，控制两个分段杆件的温度差，实现微量纳米级分辨率的伸缩驱动。能够运用在精密机械领域，相比于目前主流的压电材料实现的纳米级运动，该驱动方式避免了高电压驱动，具有大承载，低成本的优点，并且位移只受杆件材料、尺寸以及自身温度的影响，受外界环境影响小，具有较高的运动稳定性。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。