一种形状记忆合金丝的训练装置以及训练方法
阅读说明：本技术 一种形状记忆合金丝的训练装置以及训练方法 (Training device and training method for shape memory alloy wire ) 是由 张伟 陆明亮 陆璐 史迎 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种形状记忆合金丝的训练系统及训练方法。该系统包括控制装置、驱动装置、加热装置、第一滚轮、第二滚轮和支架；控制装置设有速度控制模块和温度控制模块；驱动装置与速度控制模块电连接；温度控制模块与加热装置电连接；第一滚轮和第二滚轮沿着轴向轴线方向平行设置、且第一滚轮在第二滚轮的轴向方向的垂直投影与第二滚轮有重叠；驱动装置固定于支架上；驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置,且第一驱动装置与第一滚轮转动连接、第二驱动装置与第二滚轮转动连接；第一滚轮和第二滚轮用于绕设待训练的形状记忆合金丝；加热装置设于第一滚轮与第二滚轮之间。该系统能够连续训练记忆合金丝,降低丝材的热滞后。(The invention discloses a training system and a training method of a shape memory alloy wire. The system comprises a control device, a driving device, a heating device, a first roller, a second roller and a bracket; the control device is provided with a speed control module and a temperature control module; the driving device is electrically connected with the speed control module; the temperature control module is electrically connected with the heating device; the first roller and the second roller are arranged in parallel along the axial axis direction, and the vertical projection of the first roller in the axial direction of the second roller is overlapped with the second roller; the driving device is fixed on the bracket; the driving device comprises a first driving device and a second driving device, the first driving device is rotationally connected with the first roller, and the second driving device is rotationally connected with the second roller; the first roller and the second roller are used for winding a shape memory alloy wire to be trained; the heating device is arranged between the first roller and the second roller. The system can continuously train the memory alloy wires and reduce the thermal lag of the wires.)
技术领域
本发明涉及一种形状记忆合金丝的训练装置以及训练方法。
背景技术
形状记忆合金(SMA)是一种新型的智能材料，由于具有形状记忆效应的特点，而广泛应用于航空航天及机器人领域，尤其是驱动器领域。
形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料，在某一温度下进行一定限度的塑性变形后，加热到某一温度上时，材料回复到变形前的初始状态。在利用形状记忆合金(SMA)的形状记忆效应做驱动器时，首先需要对SMA 施加外载荷发生形变，然后通过加热使其发生相变，相变产生的回复力作为驱动力实现驱动，如此循环，称之为热机械循环。
一般SMA在热处理完成后，因内部未形成稳态马氏体，记忆稳定性较差。因此，在将SMA做驱动器之前，需要对SMA材料进行一定次数的热机械循环，使其内部形成稳态马氏体，提高SMA材料的记忆稳定性。
针对SMA丝材的训练，国内已开展了一定的研究：
例如，现有技术CN100503845C公开的形状记忆合金双程记忆效应训练机，针对的是SMA型材；现有技术CN103410898A公开的一种形状记忆合金弹簧热训练装置，针对的是SMA弹簧。对于SMA丝材，现有技术 CN103364286A公开了一种集成式形状记忆合金丝材训练测试装置；现有技术CN103543073A公开了一种形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置；但是两者的局限性在于，只能针对某一特定长度的丝材开展训练，例如200mm-1000mm之间；对于工业大批量使用来说，单根的丝材无法满足其使用需求。
因此，整卷连续SMA丝材的训练是当下亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的形状记忆合金丝的训练装置不能对SMA进行连续训练的缺陷，而提供一种形状记忆合金丝的训练装置以及训练方法，能够对较大批量的SMA丝材进行连续训练。
本发明是通过以下技术方案来解决上述技术问题的：
一种形状记忆合金丝的训练系统，其包括控制装置、驱动装置、加热装置、第一滚轮、第二滚轮和支架；
所述控制装置设有速度控制模块和温度控制模块；所述驱动装置与所述速度控制模块电连接；所述温度控制模块与所述加热装置电连接；
所述第一滚轮和所述第二滚轮沿着轴向轴线方向平行设置、且所述第一滚轮在所述第二滚轮的轴向方向的垂直投影与所述第二滚轮有重叠；
所述驱动装置固定于所述支架上；所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，且所述第一驱动装置与所述第一滚轮转动连接、所述第二驱动装置与所述第二滚轮转动连接；
所述第一滚轮和所述第二滚轮用于绕设待训练的形状记忆合金丝；
所述加热装置设于所述第一滚轮与所述第二滚轮之间，用于加热所述第一滚轮和所述第二滚轮之间的待训练的形状记忆合金丝。
本发明中，所述控制装置可为本领域常规的控制装置，例如控制柜。
本发明中，所述第一驱动装置和/或所述第二驱动装置可为本领域常规的驱动装置，较佳地为步进电机。
本发明中，所述加热装置可为本领域常规的加热装置，较佳地为箱型加热装置。其中，较佳地，所述箱型加热装置自下而上依次包括第一加热体、加热腔体和第二加热体。
本发明中，较佳地，所述第一滚轮与所述第二滚轮相对设置。
本发明中，所述第一滚轮和/或所述第二滚轮的长径比可为本领域常规，较佳地为5:1～20:1，例如10:1。
本发明中，所述第一滚轮和/或所述第二滚轮的直径可为本领域常规，较佳地为15～40cm，例如32cm或者20cm。
本发明中，所述第一滚轮的轴向轴线与所述第二滚轮的轴向轴线之间的垂直距离可为本领域常规，较佳地为40cm～100cm，例如60cm。为了提高训练效率，发明人开始将两个滚轮之间的距离设定的很远，为1.5米，但是实际使用下来发现，距离太远，初始绕线很不好操作，在丝绕好以后，由于距离太远，丝会下垂，甚至会挂到加热体上面，导致断丝；发明人发现，将两滚轮之间的距离设定在40cm～100cm时，既能够保证便于绕丝，也不会妨碍训练过程。
本发明中，较佳地，所述第一滚轮、所述第二滚轮分别通过固定组件与所述支架连接，所述固定组件与所述支架机械固接，所述第一滚轮的转动轴、所述第二滚轮的转动轴分别贯穿于所述固定组件。所述固定组件可为本领域常规，例如若干轴承座。
本发明中，较佳地，所述第一滚轮的转动轴、所述第二滚轮的转动轴上均设有一转动组件，所述第一滚轮、所述第二滚轮分别通过所述转动组件与所述驱动装置转动连接。所述驱动装置通过所述转动组件为滚轮的转动提供驱动力。所述转动组件可为本领域常规，例如驱动轮。
本发明中，较佳地，所述控制装置与所述支架机械固接。
本发明中，较佳地，所述驱动装置与所述支架机械固接。
本发明中，较佳地，所述加热装置与所述支架机械固接。
本发明中，较佳地，所述支架上设有至少2根滑动杆，所述滑动杆与所述第一滚轮和/或所述第二滚轮的轴向轴线平行，所述加热装置滑动设置于所述滑动杆上。更佳地，所述支架上设有2根滑动杆。所述加热装置可在所述滑动杆上沿所述滑动杆的长度方向滑动。
其中，较佳地，所述滑动杆与所述支架通过若干滑动轴承固接，所述滑动杆贯穿于所述滑动轴承。
本发明中，较佳地，所述第一滚轮和/或所述第二滚轮上设有涂层，其能够防止所述待训练的形状记忆合金丝在滚轮上打滑。在训练过程中，若待训练的形状记忆合金丝出现打滑现象，则无法进行拉伸；在滚轮上设置具有一定粘性的涂层，可在一定程度上固定待训练的形状记忆合金丝，便于拉伸和训练过程的进行。较佳地，所述涂层的材料为硅橡胶。所述硅橡胶可为本领域常规的硅橡胶。
本发明中，一般地，所述形状记忆合金丝的训练系统还包括一收丝装置。所述收丝装置用于将训练之后的丝材收卷，同时用于牵引丝材的滚动。
本发明还提供了一种形状记忆合金丝的训练方法，其采用上述系统进行训练即可。
本发明中，较佳地，所述训练方法包括以下步骤：将所述第一滚轮和所述第二滚轮作为一个整体部件，将所述待训练的形状记忆合金丝绕于所述整体部件上，所述第一滚轮和所述第二滚轮之间形成两组合金丝，所述加热装置加热其中一组合金丝；控制所述第一滚轮和所述第二滚轮的转速；进行训练即可。
其中，较佳地，待所述加热装置到达设定温度后，再启动所述驱动装置。
其中，“两组合金丝”是指：当只绕设一圈时，两组合金丝即为两根平行的合金丝；当绕设大于一圈时，两组合金丝即为两个平行的合金丝面。
其中，处于加热过程的所述待训练的形状记忆合金丝对应收缩过程，处于非加热过程的所述待训练的形状记忆合金丝对应拉伸过程。其中，一般地，所述待训练的形状记忆合金丝经过一次收缩过程和一次拉伸过程即为完成一次训练。其中，一般地，在所述训练过程中，所述待训练的形状记忆合金丝在所述第一滚轮和所述第二滚轮上的滚动通过一收丝装置实现。所述收丝装置施加的牵引力能够带动丝材在滚轮上的滚动。
本发明中，较佳地，所述待训练的形状记忆合金丝的训练次数等于所述待训练的形状记忆合金丝绕设于所述第一滚轮和所述第二滚轮的圈数。
本发明中，所述待训练的形状记忆合金丝可为本领域常规的直径丝材，例如0.02～0.3mm。较佳地，所述待训练的形状记忆合金丝的直径为 0.02～0.1mm，例如0.03mm，购自丹阳市东创金属材料有限公司。
本发明中，一般地，所述第一滚轮或者所述第二滚轮作为入丝的滚轮，另一个作为出丝的滚轮。
其中，较佳地，所述出丝的滚轮的线速度与所述入丝的滚轮的线速度的比值为1.01:1～1.08:1。所述线速度是指物体上任一点对定轴作圆周运动时的速度称为“线速度”，其和角速度的关系是v＝ω*r(ω为角速度，可通过驱动装置进行调整；r为滚轮的半径)。
其中，所述入丝的滚轮的线速度可为本领域常规，较佳地为5～50米/分钟。
本发明中，一般地，在绕设所述待训练的形状记忆合金丝之前，将所述加热装置沿所述滑动杆的长度方向滑向一边。待绕好后，再将所述加热装置拉回至所述滑动杆上。
其中，较佳地，所述第一滚轮和所述第二滚轮之间的所述待训练的形状记忆合金丝悬于所述加热腔体上。
本发明中，较佳地，所述温度控制模块控制所述加热装置的温度高于所述待训练的形状记忆合金丝的奥氏体转变开始温度。更佳地，所述温度控制模块控制所述加热装置的温度低于200℃。
本发明中，“第一”，“第二”仅为了便于描述，并不做限定作用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：(1)采用本申请的形状记忆合金丝的训练装置能够实现对合金丝的连续训练，训练次数是可控的，对合金丝的长度以及直径不受限制。(2)采用本申请的形状记忆合金丝的训练系统可以显著提高丝材的马氏体相变点，使丝材的热滞后大幅降低，从而得到相变温度稳定的形状记忆合金丝。
附图说明
图1为训练系统的整体结构图。
图2为滚轮局部结构图。
图3为加热装置体结构图。
图4为绕丝原理图。
图5为训练前丝材相变测试曲线。
图6为训练后丝材相变测试曲线。
其中，101为第一滚轮，102为第二滚轮，103为加热装置，104为控制装置，105为支架，106为第一驱动装置，107为第二驱动装置，108为收丝装置；201为驱动轮，202为轴承座；301为第二加热体，302为第一加热体， 303为加热腔体，304为滑动轴承，306为滑动杆。
具体实施方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
实施例1形状记忆合金的训练系统
如图1所示，形状记忆合金的训练系统包括控制装置104、第一驱动装置106和第二驱动装置107，加热装置103，第一滚轮101，第二滚轮102和支架105。
第一滚轮101和第二滚轮102沿着轴向轴线方向相对设置；第一滚轮 101、第二滚轮102分别与第一驱动装置106、第二驱动装置107转动连接、且均固定于支架105上；控制装置104设有速度控制模块和温度控制模块，两个驱动装置与速度控制模块电连接；温度控制模块与加热装置103电连接；第一滚轮101和第二滚轮102用于绕设待训练的形状记忆合金丝；加热装置 103设于第一滚轮101和第二滚轮102之间，加热装置103用于加热第一滚轮101和第二滚轮102之间的待训练的形状记忆合金丝。
本实施例中，控制装置104为控制柜，第一驱动装置106和第二驱动装置107为步进电机；加热装置103为箱型加热装置，自下而上依次包括第一加热体302、加热腔体303和第二加热体301；第一滚轮101和第二滚轮102 的长径比为10：1；第一滚轮101和第二滚轮102的直径为20cm；第一滚轮101和第二滚轮102的轴向轴线之间的垂直距离为60cm。
本实施例中，如图2所示，第一滚轮101通过轴承座202与支架105连接，轴承座202与支架105固定连接，第一滚轮101的转动轴贯穿轴承座 202，第二滚轮102的连接方式与第一滚轮101的连接方式相同，图中未标出附图标记；第一滚轮101均设有驱动轮201，驱动轮201可以通过转动带与第一驱动装置106转动连接，第二滚轮102与第一滚轮101的连接方式相同，图中未标出附图标记。控制装置104、第一驱动装置106和第二驱动装置107，加热装置103均与支架105固定连接，可以为焊接。
本实施例中，支架105上设有2根滑动杆306，滑动杆306与第一滚轮 101的轴向轴线平行，加热装置103滑动设置于滑动杆306上，加热装置103 可在滑动杆306上沿滑动杆306的长度方向滑动。如图3所示，其中一根滑动杆306与支架105通过滑动轴承304连接，滑动杆306贯穿于滑动轴承 304，并与其固接。
实施例2形状记忆合金的训练方法
采用实施例1中的形状记忆合金训练系统，如图4所示，待训练的形状记忆合金丝的直径为0.03mm，购自丹阳市东创金属材料有限公司。
在绕丝过程中，将加热装置103沿着滑动杆306方向推开，便于缠绕，绕丝的方式为将第一滚轮101和第二滚轮102看作一个整体轮，将丝材绕于两个滚轮上，绕好后的丝材形成了上下两个平面；待训练的形状记忆合金丝的训练次数为100次，等于待训练的形状记忆合金丝绕设于第一滚轮101和第二滚轮102的圈数100圈(或者也可以每次绕20圈，分5次进行训练)。
待丝材绕好以后，将加热装置103拉回，这样丝材悬空于加热装置 103中的加热腔体303内，均匀受热；加热装置103仅对靠近加热装置103 的一面进行加热。控制装置104中的温度控制模块控制加热装置103的温度高于待训练的形状记忆合金丝的奥氏体转变温度，即为120℃。处于加热过程的待训练的形状记忆合金丝对应收缩过程，处于非加热过程的待训练的形状记忆合金丝对应拉伸过程，待训练的形状记忆合金丝经过一次收缩过程和一次拉伸过程即为完成一次训练。
待加热装置103的温度达到设定温度后，控制装置104中的速度控制模块可以控制第一驱动装置106和第二驱动装置107的转速。第一滚轮101作为入丝滚轮、第二滚轮102作为出丝滚轮，出丝的滚轮的线速度与入丝的滚轮的线速度的比值为1.05：1(入丝滚轮转速为20圈/分钟，入丝滚轮直径为 32厘米，线速度为20米/分钟；出丝滚轮转速为21圈/分钟，出丝滚轮直径为32厘米，线速度为21米/分钟)。丝材在训练的过程中，一边训练一边出丝，出丝之后通过收丝装置108进行收丝，收丝装置108对丝材施加的牵引力能够带动丝材在两个滚轮上进行滚动。
采用DMA(美国TA仪器公司，型号DMA850)对训练前后的丝材相变点进行测量，相变点的曲线如图5和图6所示，热滞后温度的计算方式为Δ＝Af-Ms；测试结果如下表1所示。
表1丝材训练前后相变点数据
Af
As
Ms
Mf
热滞后Δ
训练前
80.7
73.7
20.1
-2.9
60.6
训练后
80.9
69.2
63.4
34.6
17.5
上表中，“Af”“As”“Ms”“Mf”分别表示奥氏体转变开始温度、奥氏体转变结束温度、马氏体转变开始温度、马氏体转变结束温度。
结果表明，通过该装置训练可以使丝材内部产生稳态马氏体，消除位错，显著提高丝材的马氏体相变点(此处是指马氏体转变开始温度和马氏体转变结束温度)，使丝材的热滞后大幅降低，从而得到相变温度稳定的形状记忆合金丝。
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