形

May 12, 2023

リサ・エイテル著 | 2018 年 7 月 10 日

現在、1 つの新しいアクチュエータは、信頼性の高い直線運動を実現するために、特殊ニッケルチタン合金で作られた SMA ワイヤの束を使用しています。

ディーン・ピック、工学博士。 • 社長 | キネティクスの自動化

形状記憶合金 (SMA) は、フォームファクターを変化させることで温度変化に応答する材料です。 SMA テクノロジーはもともと米国海軍の資金提供を受けて、1950 年代に Raychem Corp. (現在は TE Con​​nectivity) によって初めて商業化されました。 しかし、初期の素材バージョンの予測不可能な性質が課題であることが判明しました。 そのため、メーカーは何十年にもわたって、SMA ベースの設計の耐久性、一貫性、適用性を高める方法を (成功もあれば) 調査してきました。

力とストロークの定格を使用して適切な Kinetics Automation アクチュエータ モデルを選択でき、設計エンジニアは無数の電源で動作するようにアクチュエータを構成して、アプリケーションに対する応答時間を調整できます (また、既存のインフラストラクチャとの互換性も考慮)。

現在、新しい SMA ベースの直線運動製品の 1 つは、高度な SMA 素材を使用して、再現性と予測可能な運動を実現しています。 メーカーは SMA 製のワイヤを束ねてアクチュエータのハウジングに固定します。 (電気抵抗のある) SMA を流れる電流によってこの熱が発生します。 転移温度を超えて温められると、ワイヤーの原子は別の結晶構造に再整列します。 これにより、加熱するとワイヤが収縮し、冷却すると再伸長が発生し、直線運動出力が得られます。

Kinetics Automation アクチュエーターは、束線配置でニッケルチタン形状記憶合金 (Kinetics では NiTi) を使用します。 アクチュエータは、他の直線運動技術よりも優れた特定の用途を満たします。 右側では、Kinetics Automation のアクチュエータのセットアップが、同等の油圧システムに比べてどれほどシンプルであるかに注目してください。

実際、この可逆的な動作により、SMA ワイヤベースのアクチュエータは、高サイクルの機械軸を含む一連の動作アプリケーションに適しています。 ロッドが唯一の可動部品であるため、アクチュエータが何回サイクルされたとしても、バックラッシュや機械的スロップはゼロです。 研究とテストにより、リニアアクチュエータに関する業界標準の定量的な情報が得られ、現実世界のモーション設計への適用が可能になりました。

Kinetics Automation のバンドル ワイヤは、複数の SMA ワイヤをアクチュエータ内のピストンに接続します。 シリンダーボディとロッドをワイヤーで直接接続することにより、強度と耐久性を確保しています。 電気（熱）を加えるとワイヤーが短縮し、アクチュエーターロッドを動かします。 Kinetics Automation は、品質管理と MTBF テストのために、単一の SMA ワイヤーで 200 万サイクルを超えるサイクルを記録した複数のワイヤー ダイナモメーターを備えたラボを運営しています。

Kinetics Automation Bundled Wire は、形状記憶合金 (SMA) ワイヤを高密度アレイで組み立てて接続する独自の技術です。 Bundled Wire テクノロジーにより、Kinetics Automation SMA リニア アクチュエータに高い強度対サイズ比が与えられます。 さらに、高いワイヤ表面積を保持しているため、わずか 200 ミリ秒 (またはそれ以下) での前方ストローク時間と 5 秒未満でのフルサイクルが可能になります。 ここに示すようにピストン ポンプに接続すると、この技術を流体動力アプリケーションに適用できます。

SMA リニア アクチュエータが線形ストローク サイクルでどのように動作するかは次のとおりです。

1.ストロークの初期段階では、束線 SMA リニア アクチュエータは電力を使用してピストンを固定端に向かって移動します。 加えられる力の量によってピストン速度が決まります。

2.次に、オプションの保持フェーズ中に、ピストンは設定された時間の間、位置を保持できます。

3.次に、戻りフェーズ中に、束線 SMA リニア アクチュエータが熱伝達と力バイアスを使用してピストンをホーム ポジションに戻します。 冷却速度と付勢力の大きさによってピストン速度が決まります。

位置決めや力制御が必要な機械軸を開発する設計エンジニアにとって、Kinetics Automation リニア アクチュエータは新しいオプションの 1 つです。 Kinetics コントローラー (KCA020 など) と組み合わせると、アナログコントローラー入力信号によってアクチュエーターのゲインを変調できます。 あるいは、Kinetics コントローラーはパルス幅変調 (PWM) 信号を受け入れてアクチュエーターを動的に駆動することもできます。 Kinetics アクチュエータおよびコントローラとフィードバック センサおよびプラント コントローラを組み合わせると、閉ループ モーション システムが得られます。 プログラマは、制御戦略を開発する際に、アクチュエータの線形応答性を活用できます。 通常、PI 関数ブロックを使用することが可能であり、複雑な高次プログラムを開発する必要がなくなります。

フィードバック センサーとコントローラーを設計に追加することで、設計エンジニアは、複雑な動作プロファイルを出力するバンドル ワイヤ SMA リニア アクチュエータを入手することもでき、細かい位置決めと力の制御を行うこともできます。 後者の場合、専用のドライブ コントローラーが電流入力を調整し、出力の正確な直線運動を制御します。

この記事の範囲を超えますが、ピストン ポンプ動作用のバンドル ワイヤ SMA 配置のバリエーションにより、微細な圧力制御、吐出温度制御、容積変位制御を実現できます。

Kinetics 束線 SMA リニア アクチュエータは、位置決めに使用すると、5 µm (0.0002 インチ) 以内の再現可能な精度と精度を出力します。 ここに示されているのは、120 Vac 入力で動作し、3 つの位置にわたって 725 N (163 lbf) を移動する KLA05 SMA リニア アクチュエータの性能特性です。 KCA020 コントローラーのゲインを制限することによって (ここに示すステップ 1 と 2 の間のように)、加速度を制御することも可能です。

SMA リニア アクチュエータと従来の設計との比較

バンドルワイヤ SMA リニア アクチュエータは、リニアモーション業界に特有のものであり、力の生成にモーターや磁場を使用しません。 代わりに、この技術では形状記憶合金を使用して動きを生成します。 多くの場合、同等のサイズの電気モーターよりも安価です。 さらに、SMA リニア アクチュエータは、電磁機構による電気ノイズの問題や、ギアボックスなどの機械装置の音響ノイズの一部を回避します。 実際、バンドルワイヤ SMA リニア アクチュエータは、ギアボックスやボールねじなどの動力伝達コンポーネントなしで動作し、回転運動を直線運動に変換します。

SMA リニア アクチュエータは新しいテクノロジーであるため、従来のモーション設計の従来の分類を覆します。

束線 SMA リニア アクチュエータを要約する最良の方法は、これを高力ショート ストローク オプションとして説明することです。これは、約 2,000 N または約 500 ポンドの力まで拡張可能です。 ストロークは 10 mm または約 0.375 インチです。適切な用途は、非常に正確な位置決めを伴う短いストロークを必要とする用途です。 カリフォルニア州アナハイムで開催された MD&M West 2018 では、小型の束線 SMA リニア アクチュエータが 160 ポンド相当の金属製ウェイト トレーニング プレートを正確に昇降させ、ウェイトを 5 mm 以内に位置決めするデモンストレーションが行われました。

このような直線運動は、他のほとんどのテクノロジーでは不可能です。

ソレノイドたとえば流体プロセス用途のポペットバルブのように、優れたオンオフの「バンバン」ストロークを実現します。 これらのバルブは、静止状態で圧力を維持するためにスプリングに作用するために大きな力を必要とします。 対照的に、形状記憶合金の線形作動は、ソレノイドとは異なり、制御装置がアクチュエーターを任意の位置に駆動して流れを制御できるため、そのような設備を比例弁として機能させるのに役立ちます。

バンドルワイヤ SMA リニア アクチュエータは、場合によっては (ピエゾ技術と競合するための) ポジショナとしても機能します。 ストローク長さはそれを超えますピエゾしたがって、0.1 mm を超える (たとえば 10 mm まで) 必要な設計エンジニアは、バンドル ワイヤ SMA 作動をオプションとして検討できます。

ここでのアプリケーションには、加工テーブル、ミラー計器の精密な位置決め、およびピエゾ アクチュエータの精度と精度が必要だが長距離が必要なその他のアプリケーションが含まれます。

ストローク長が短い場合、SMA アクチュエータは、従来の直線運動アクチュエータのセットアップ回転電気モーターと回転-リニア機械装置を組み合わせたものです。 カップリング、ギアボックス、その他の機械部品のロストモーション、バックラッシ、磨耗面をなくすことで、高精度化と長寿命化を実現します。 ここでの潜在的な用途には、民生用ロボットやエレクトロニクス、HVAC 設備、医療機器などがあります。

Kinetics オートメーション | www.kineticsautomation.com

Kinetics Automation のバンドルワイヤ SMA テクノロジーのダイレクト ドライブ コンセプトは、姉妹会社 Biperformance Development Corp. (ShiftFX) 内の自動車アプリケーションから生まれました。 つまり、ShiftFX は、マスター シリンダー (本質的にはピストン ポンプ) として機能する、モーターサイクル用に最適化されたクラッチ コントロールを構築したいと考えていました。

「従来の技術、特にボールねじ駆動のアクチュエーターは、モーターサイクルの設置面積内で割り当てられたスペース内で機能するのに十分な出力密度がありませんでした」と Kinetics Automation の社長ディーン・ピックは述べています。 「そこで私たちは形状記憶合金技術に出会い、適応に向けて 5 年間の研究開発作業を開始しました。当時、それを直線運動用途にうまく適用できた人は誰もいませんでした。」

研究室の Dean Pick: 品質管理と MTBF テストのために、Kinetics Automation は、単一の SMA ワイヤで 200 万サイクルを超えるサイクルを記録した複数のワイヤ ダイナモメータを備えた研究室を運営しています。

実際、ピックはオートバイに乗り、Kinetics Automation による形状記憶合金製品の初期の使用の多くにおいてテストモルモットとしての役割を果たしました。 Kinetics のチームは、このテクノロジーが完成すると、他の業界の他の線形アプリケーションにも役立つ可能性があることに気づきました。 現在、同社は SMA リニア アクチュエータとピストン ポンプのファミリー全体を確立しています。