Результат интеллектуальной деятельности: Термомеханический силовой привод

Изобретение относится к силовым зажимным элементам и может быть использовано в качестве элемента закрепления заготовок в станочной оснастке. Позволяет управлении закреплением и раскреплением заготовок производить дистанционно в условиях автоматизированного производства, а также может быть использовано в различных малогабаритных устройствах, способных развивать большие усилия.

Известны различные силовые приводы содержащие элементы из сплавов с памятью формы, установленные последовательно в разных камерах, которые при различной температуре в камерах деформируются, приводя рабочий орган в возвратно поступательное движение. Например, в устройствах по патентам [RU 2392494 "Термомеханический силопривод"], [RU 2424106 "Манипулятор"]. Такие устройства могут использоваться в качестве зажимного элемента, но для обеспечения работоспособности устройства требует подачи теплоносителя, что увеличивает его габариты и усложняет дистанционное управление.

Известны устройства с применение материалов с памятью формы, в которых рабочее тело, предварительно деформированное, нагревается электрическим током и при мартенситном превращении в материале развивает значительные усилия, достаточные для осуществления различных технологических воздействий. Так в патентах [RU 2158343 "Электротермический привод силового элемента"] и [RU 2367573 "Актюатор"] рабочее усилие развивается при нагревании элемента из материала с памятью формы и может поддерживаться при сохранении его температуры перехода в мартенситное состояние. К недостаткам этих устройств можно отнести сложность конструкции в изготовлении.

Известны устройства, в которых стержневые или проволочные элементы из материала с памятью формы расположены параллельно с упругими пружинными элементами и деформация сжатия пружинных элементов осуществляется нагревом стержневых или проволочных элементов, выполненных из материала с памятью формы, например, патент [WO 2019/043599 A1 "Shape memory based actuator"]. В качестве прототипа выбран патент WO 2019/043599 А1. Недостатком прототипа являются увеличенные габариты и инерционность срабатывания, благодаря большой массе нагреваемых элементов.

Техническая проблема, решаемая изобретением - создание компактного силового привода закрепления, рабочее усилие в котором поддерживается не зависимо от теплового воздействия на элементы из сплавов с памятью формы.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что термомеханический силовой привод содержащий пружину сжатия и элемент из материала с памятью формы, отличающийся тем, что термомеханический силовой привод снабжен фланцами из изоляционного материала, расположенными по торцам пружины, а элемент выполнен в виде тороидальной катушки из проволоки, намотанной вокруг фланцев и пружины».

Технический результат изобретения заключается в высокой скорости срабатывания привода при раскреплении заготовок, а для высокой скорости срабатывания при установке заготовок и их закреплении скорость срабатывания может быть увеличена с помощью внешнего охлаждения и увеличивая поверхности проволок из материала с памятью формы.

На прилагаемых к описанию чертежах дано:

На фиг. 1 представлена схема зажимного устройства, в котором пружина сжатия 1 находится между фланцами 2 из изоляционного материала вокруг которых намотана тороидальная катушка из проволоки 3 из материала с памятью формы, причем намотка осуществлена при сжатой пружине.

На фиг. 2 изображены этапы создания и работы зажимного элемента, пружину в свободном состоянии длиной L₀ (фиг. 2, а) сжимают до предела упругости до длины L и в сжатом состоянии между изоляционными фланцами на торцах пружины наматывают без предварительного натяжения тороидальную катушку, охватывающую фланцы и саму пружину (фиг. 2, б). Снимают усилие сжатия пружины и она распрямляется до длины L₁, растягивая проволоку из материала с памятью формы на заданную величину, не превышающую порога пластической деформации восстанавливаемой при фазовом переходе (фиг. 2, в).

При нагреве проволоки до температуры фазового перехода, например, при пропускании через нее электрического тока, она укорачивается и сжимает пружину до размера L, что можно использовать для освобождения зажатого объекта (фиг. 2, г). А при остывании проволоки пружина стремится удлиниться до размера L₁ и это используется для зажима объекта закрепления (фиг. 2, д). При этом характеристика такого зажимного элемента будет определяться ходом L₁ - L с максимальным усилием Р₁.

Как показывают расчеты габариты устройства, при сравнимых усилиях закрепления, у данного устройства меньше, чем у пневматического привода, используемого в станочных приспособлениях, а сфера возможного применения значительно шире. Отсутствие шлангов для подачи сжатого воздуха значительно упрощает его размещение в различных приспособлениях, применяемых на станках с ЧПУ в условиях автоматизированного производства (фиг. 1).

Раскрепление заготовок производится при быстром нагреве (менее 0,2 с) пропусканием импульса электрического тока через элемент из сплава с памятью формы (фиг. 2, г), а закрепление происходит только при остывании элемента ниже критической температуры (для нитинола ниже температуры 70°С (фиг. 2, д).

Процесс остывания является достаточно длительным, так при свободной конвекции для проволоки диаметром 1 мм время остывания до температуры ниже критической может доходить до 5 с.

Для ускорения процесса закрепления заготовок данным зажимным элементом он может помещаться в замкнутую полость заполненную жидкостью. Тогда время закрепления при диаметрах проволоки менее 1 мм может составлять менее 0,5 с.

Примеры работы устройства.

Определяется время срабатывания зажимного элемента. Время раскрепления будет определяться временем нагрева проволоки до температуры фазового перехода. Требуемое количество энергии для нагрева:

где C_t - теплоемкость материала с памятью формы, М - суммарная масса проволоки, Т_р - температура фазового перехода, T_o - исходная температура проволоки. При прохождении тока выделяется энергия:

Откуда зная сопротивление проволоки г и задавшись временем срабатывания Т можно определить требуемую величину электрического тока I. Так как величина тока зависит в данном случае только от напряжения питающего источника, то время раскрепления объекта может быть очень мало.

Время же последующего закрепления объекта будет определяться остыванием проволоки из материала с памятью формы ниже температуры фазового превращения. И этот процесс при отключении тока будет происходить за счет естественной конвекции воздуха вокруг проволоки или при ее обдуве струей воздуха:

где Т_к - температура перегрева проволоки выше температуры фазового перехода, Т_н - требуемая температура остывания ниже температуры фазового перехода, обеспечивающая надежность срабатывания привода, α - коэффициент теплоотдачи, F - площадь поверхности проволоки из сплава с памятью формы, Т_ср - средняя температура нагретой проволоки, Т_ос -температура окружающей среды.