论文摘要
随着微机电系统的发展,加强动力和能源的研究迫在眉睫。对于进入人体腔道进行“微创或无创”诊查的医用内窥镜,或进入易燃易爆等危险区域的管道进行检查与维修微机器人,所用的微驱动器要求输出力大、位移大和温度变化范围不能太大。石蜡在熔点附近具有很大的体膨胀系数,以石蜡作为热膨胀材料的热驱动是解决这一问题的新途径。而给驱动器供能是上述问题面临的一个关键技术。有线方式限制了驱动器的移动和使用环境,同时导线对微驱动器也是一个不小的负担。因此,实现无缆驱动成为石蜡驱动器实际应用的一个重要突破口。论文的主要工作和创新之处。建立了水浴加热石蜡性能试验装置,利用静态和动态测定方法,获得了石蜡整体的压力、体积和温度关系,熔化曲线的线性度,冷却方式和弹簧压力对热滞后的影响等热力学特性,为石蜡驱动器的研制奠定了基础。研究表明了当压力从0升高到0.36MPa时,在熔点附近很小的温度范围内,石蜡的体膨胀系数达到10%,具有很大的体膨胀系数,输出力完全可以操作医用内窥镜。降低冷却速度和采用弹性系数小的恢复弹簧都可以减小石蜡的热滞后程度,在保证有足够快的冷却速度下,尽量减小石蜡驱动器的热滞后程度。利用石蜡温度控制驱动器位移时,热滞后现象使控制变得复杂。为了掌握石蜡热滞后现象的规律,首次对其影响因素进行了研究。建立了电磁感应加热石蜡性能试验装置,利用电磁感应加热原理,实现了石蜡驱动器的无缆驱动,获得了试验装置高功率因素的实现、线圈参数的匹配和感应加热特性。研究表明了石蜡温度从25℃升高到60℃,电磁感应加热只需要5～6s,能为驱动器提供足够的能量和加热速度。结合实验结果,并应用ANSYS软件,开发的石蜡驱动器轴对称感应加热处理算法,完成了电磁场和温度场的耦合分析、石蜡的相变分析、混合物导热系数的确定、玻璃有效导热系数的处理和材料物理性质都是温度的函数,获得了无缆驱动器的结构材料、尺寸和实际感应加热参数与石蜡温度场的关系,为驱动器的优化设计提供了理论依据。研究表明了模拟结果与实验结果具有非常好的一致性。优化设计了感应线圈的结构参数,改进了驱动器的结构,完全避免了石蜡粘连现象的发生,建立了无缆石蜡驱动器单向运动性能试验装置,获得了驱动器的运动性能。研究表明了驱动器单向移动的平均速度与冷却方式有关,虽然速度不是很快,但对于进入人体内的石蜡驱动器,由于冷却方式的改变,移动速度可以满足医用内窥镜的要求。在此基础上提出了一种组合方式的无缆双向驱动器模型,实现则可解决石蜡驱动器无缆双向移动这一难题。