Viele Linearaktuatorkonstruktionen aus Formgedächtnislegierung (SMA) wurden vorgeschlagen, um verschiedene Technologien für eine präzise Positionssteuerung zu verwenden, wie z. B. Wegrückmeldung, Temperaturrückmeldung, Kraftrückmeldung und Widerstandsrückmeldung. Jede Technologie hat ihre eigenen Vorteile, aber auch Einschränkungen und Einschränkungen.

Der selbsterkennende SMA-Antrieb gilt als kostengünstig, da er keine externen Sensoren im System benötigt. Seine Leistung im Vergleich zu anderen Verfahren wurde jedoch nicht ausführlich diskutiert.

Forschungshintergrund und Experiment

Die Möglichkeiten, Formgedächtnislegierungen als Aktoren einzusetzen, sind endlos. Anwendungsgebiete sind Luft- und Raumfahrt, Robotik, Medizin, Elektronik und Bau. SMA gilt aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und seiner Einfachheit als attraktiv, wodurch das System effektiver und zuverlässiger wird. Sie kann mit passiver oder aktiver Steuerung angewendet werden.

SMA hat großes Potenzial in Anwendungen, die eine genaue Positionsregelung erfordern, wie z. B. Kolben oder Ventils, Manipulatoren, Antennenausrichtung und intelligente Luftfahrtstrukturen. Um sich an diese Anwendungen anzupassen, wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um genaue Verschiebungen zu erzeugen. SMA eignet sich auch als Treiber für rekonfigurierbare parabolische Antennenstrukturen, da es große Auslenkungen erzeugen kann. In einer anderen Studie wurde durch Messung der Dehnung an der Oberfläche der Struktur und Verwendung eines verbesserten Proportional-Integral-Differential-(PID)-Reglers mit einem Antikompensator zur Steuerung eine Kraftsteuerung zur Erzeugung der Balligkeitsänderung verwendet. Formgedächtnislegierungen sind auch in der Robotikforschung weit verbreitet.

Ein in Robotikanwendungen verwendeter Mechanismus verwendet SMA-Federn und verwendet einen Fuzzy-Controller, um Position und Kraft zu steuern. Bei diesem System wird ein Fuzzy-Logic-Regler mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um die vom Aktuator ausgeübte Kraft und die Position der zusätzlichen Last zu steuern. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von SMA und Encodern zur hochpräzisen Positionskontrolle der Fingerkuppen von Mikrorobotern sowie der Einsatz von Dehnungsmessstreifen zur Steifigkeits- und Kraftregelung. SMA wird auch in einer Fünf-Finger-Prothesenhand mit einem sehnengetriebenen Antriebsmechanismus verwendet, um die erforderliche Fingerfertigkeit zu erzeugen und gleichzeitig den mechanischen und Steuerungsaufwand des Geräts gering zu halten. Der integrierte taktile Sensor an den Fingerspitzen verbessert die Gesamtkontrollfähigkeit der Hand und verwendet eine neue Art von Widerstands-Feedback-Positionssteuerungsschema.

In Automobilanwendungen wurde ein kosteneffektiver Spiegeltreiber entwickelt und hergestellt, indem Drähte aus einer Legierung mit Formgedächtnis und Steueralgorithmen kombiniert wurden, um eine stabile und genaue Positionierung der Außenrückspiegel zu gewährleisten. SMA kommt auch im Lenksäulenklemmsystem in Betracht, wo ein Formgedächtniselement die Öffnungs- und Schließfunktionen der Lenkhülse steuert.

Formgedächtnislegierungsdraht kann bei Temperaturänderungen eine treibende Kraft erzeugen. Dies kann durch konventionelles Erhitzen und Joulesches Erhitzen erreicht werden. Formgedächtnislegierungen unterliegen auch einer Phasenumwandlung unter Last- oder Temperaturänderungen. Die Formgedächtnislegierung wandelt sich bei Belastung in eine verzwillingte Martensitphase und beim Erhitzen in Austenit um. Wenn die Formgedächtnislegierung abgekühlt wird, kehrt sie in die Zwillingsmartensitphase zurück. Viele Forscher haben dynamische Modelle von Formgedächtnislegierungen entwickelt.

Obwohl es effektiver ist, die Position des Systems direkt zu steuern, ist es im Fall von SMA auch möglich, seinen spezifischen Widerstand zu verwenden, um seinen Antrieb ohne Verwendung eines externen Sensors zu steuern, wodurch das System weniger kompliziert wird.

Es gibt viele Faktoren, die die Änderung des spezifischen Widerstands beeinflussen, aber neben Stress und Temperatur sind Echtzeit-Steuerungsmethoden schwierig, andere Faktoren zu messen, und es ist schwierig, Feedback-Steuerungstechnologie anzuwenden. Außerdem können Änderungen des spezifischen Widerstands direkt oder indirekt durch Stress und/oder Temperatur beeinflusst werden. Aufgrund der Möglichkeit und Komplexität der Verwendung von Widerstandsfeedback in SMA-Antrieben haben sich viele Studien auf die Modellierung von Widerstandseigenschaften konzentriert, um dieses Verhalten besser zu verstehen.

Um die Anforderungen einer präzisen Positionskontrolle innerhalb von 2 mm zu erfüllen, wurde ein Magnetflussdraht vom Typ 0.012" mit einer Länge von 10 cm ausgewählt. Im Experiment wurde eine Biegung von 70°C von 0.012 und eine B-Länge von 100 mm ± 1 mm . gewählt ausgewählt. Das Schleifenende 13897 ist gecrimpt. Die Länge dieses SMA-Drahts ergibt etwa 3% des Hubs, was eine Verschiebung von 2-4 mm bedeutet. Die experimentellen Ergebnisse zur präzisen Positionssteuerung des SMA wurden entwickelt , einschließlich der Kraft-/Positions- und/oder Temperatur- oder Innenwiderstands-/Positions-Kalibrierung und ein Regel-Feedback-System für eine präzise Positionsregelung.

Mit einem für diese Forschung entwickelten kundenspezifischen Prüfstand wurde die Leistung eines genauen Positionsfeedbacksystems getestet, das eine Verschiebung von 2 mm erreicht. Um die Position des Formgedächtnislegierungsaktuators genau zu steuern, kann ein Wegsensor verwendet werden, um die Position direkt zu messen und sie als Eingabe für das Rückkopplungssystem zu verwenden.

Das Wegrückkopplungssystem hat ein gutes Zeitverhalten und eine gute Genauigkeit, und der stationäre Fehler beträgt unter allen Bedingungen 1%. Die Genauigkeit des selbsterfassenden Systems ist gering und der stationäre Fehler der Sprungantwort beträgt 15%. Experimente haben ergeben, dass das Wegrückkopplungssystem im Vergleich zum selbsterfassenden System eine höhere Anfangsleistung und eine längere Anstiegszeit hat. Die durchschnittliche Temperatur des Wegrückkopplungssystems ist niedriger als die Temperatur des selbsterfassenden Systems, was zu der Hubdifferenz des SMA-Systems mit einem geringeren Hub des Wegrückkopplungssystems führt.

Analyse Schlussfolgerung

Unter Verwendung einer Formgedächtnislegierung als Treiber wurde eine experimentelle Plattform zur präzisen Positionierung von extrem kleinen Verschiebungen im Bereich von 2 mm entwickelt. Es können verschiedene Rückkopplungssysteme entwickelt werden, um Aktoren aus Formgedächtnislegierung zur Positionssteuerung zu verwenden, wie Aktoren aus Formgedächtnislegierung für Verschiebung, Widerstand, Kraft oder Temperatur. In der Forschungsarbeit dieser Forschung wurden das Weg-Feedback-Steuerungssystem und das selbsterfassende Feedback-Steuerungssystem entworfen und ihre Leistungen wurden verglichen. Es wird erwartet, dass das Wegrückkopplungssystem eine bessere Genauigkeit erzeugt, aber eine selbsterfassende Rückkopplungssteuerung kann die Kosten des Systems reduzieren, da es keine Sensoren verwendet.

Daher zielt diese Forschung darauf ab, die Genauigkeit des selbsterfassenden Systems im Vergleich zum Wegrückkopplungssystem zu untersuchen. Verwenden Sie den Laser-Wegsensor, um die Position zu messen und Eingaben an das Weg-Feedback-System bereitzustellen. Bei selbsterfassenden Systemen wird der Spannungsabfall am SMA als Eingangsmessung des Systems verwendet. Das Wegrückkopplungssystem hat ein gutes Einschwingverhalten und eine gute Genauigkeit, und der stationäre Fehler beträgt unter allen Arbeitsbedingungen 1%. Die Genauigkeit des selbsterfassenden Feedbacks ist schlecht und die Reaktionszeit ist langsam. Durch Vorladen des SMA-Treibers wird jedoch die Genauigkeit des selbsterfassenden Systems verbessert. Bei einer Erhöhung der Vorlast von 500 g auf 700 g reduziert sich der stationäre Fehler von 15 g auf 11 %. Auf dem Prüfstand ist die Leistung des Weg-Feedback-Systems zur Positionsregelung der 2 mm Formgedächtnislegierung besser als die des selbsterfassenden Systems. Das Rückkopplungssystem des selbsterfassenden Systems kann jedoch verbessert werden, und die Drähte, die Spannung liefern, werden in experimentellen Studien nachgewiesen.

Die Forschungsergebnisse belegen die Machbarkeit des Ersatzes des Wegrückmeldesystems durch ein kostengünstigeres selbsterfassendes Betätigungssystem. Bei dem in dieser Arbeit vorgeschlagenen experimentellen Aufbau einer präzisen Positionsregelung kann auf den Einsatz von Laser-Wegsensoren verzichtet werden. Diese Technologie erfordert weniger Komponenten, wodurch die Anschaffungskosten des Systems und langfristig die Kosten des gesamten Systems gesenkt werden. Sensorsysteme können im Vergleich zu anderen Antriebssystemen als kostengünstiger angesehen werden und erfordern externe Positionsmessgeräte wie lineare variable Differenztransformatoren (linear), Infrarotsensoren, Lasersensoren und Dehnungsmessstreifen und die damit verbundenen Kosten für Beschaffung und Wartung, Energieverbrauch und Messsysteme für elektronische Produkte und Softwareentwicklung.

Link zu diesem Artikel: Verwenden Sie Memory-Legierung als Treiber, um eine präzise Positionierung extrem kleiner Verschiebungen zu erreichen

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