1.SMA直线驱动器驱动原理
近几年，智能材料发展十分迅速，国内外相继研制出了多种能投入实际应用的产品。以智能材料作驱动元件的直线驱动器因具有独特的性能越来越受到学术界和工业界的重视。其中，SMA所具有的功重比大，集驱动、传动和传感于一身，变形量大等优点，使得它在智能材料应用领域具有独特的应用前景。
SMA的驱动机理不仅利用了它的形状记忆效应，更依靠其特殊的力学性能。在常温马氏体相时，它的屈服应力很小；当温度逐渐升高，其屈服应力随之变大；而当其完全处于奥氏体相时，屈服应力达到最大状态。SMA这种常温马氏体相时柔弱、高温奥氏体相时强硬的特性，即SMA的奥氏体刚度大于马氏体刚度，使其在高温相变过程中能输出较大的驱动力，高温时能产生较大的回复力。SMA驱动器正是利用这种特殊的力学特性对外做功的智能机构装置。根据驱动元件的不同，SMA驱动器可分为：SMA丝驱动器、SMA弹簧驱动器、SMA薄膜驱动器等。其中，SMA丝驱动器和SMA弹簧驱动器应用得比较多。
智能材料直线驱动器的驱动原理分为惯性仿生蠕动、冲击移动、slip-stick移动、push-slip移动等。基于智能材料的直线驱动器，大多以温控形状记忆合金材料、压电陶瓷材料和磁控形状记忆合金作为驱动元件，以智能材料的单次动作为基本驱动，再利用位移累加或位移放大手段，来增加或累加位移量，从而满足一定的设计要求。
图2-3所示为SMA丝直线驱动机构。这种设计采用滑轮组来增加合金丝长度，从而产生更大的位移。滑轮4没有固定，合金丝加热收缩，通过三角放大机构放大输出位移。
图2-3 SMA丝直线驱动机构
1—推杆；2—弹簧；3—SMA丝固定座；4—动滑轮；5，6—三角放大机构；7—SMA丝；8—定滑轮
除了采用三角放大机构的SMA丝直线驱动器，中国科学技术大学的杨杰教授课题组采用了螺母锁紧位移累加方式，原理如图2-4所示。其SMA驱动器采用形状记忆合金驱动或压电陶瓷位移步进，再用螺母锁紧，循环累加位移量。
图2-4 螺母锁紧位移累加原理
SMA可在特定的温度范围内产生与温度成函数关系的应变，可将热能转换为机械能，再通过控制加热或冷却，即可获得重复性很好的设定的循环动作。SMA直线驱动器工作原理如图2-5所示，这里划分了5个步骤。
步骤1：以力F作用在右端的驱动板和锁紧螺母上，使右锁紧螺母运动至右端。
步骤2：左边SMA加热后收缩做功，使驱动板和锁紧螺母运动到左边。(www.xing528.com)
步骤3：保持左边SMA做功，将右边锁紧螺母旋转到最右端。
步骤4：左边SMA冷却，右边SMA加热做功使驱动板运动到右端。
步骤5：将左边锁紧螺母旋转到右端，回到初始状态。
上述过程中，通过对SMA驱动元件进行周期性的加热、冷却，SMA片呈周期性地缩短伸长，形成单步位移；再采用丝杠螺母副，利用自锁效应，将SMA的单步小变形逐步累积，从而实现较大的位移输出，同时保持了SMA的大输出力特性。
2.MSMA微位移驱动器驱动原理
类似Ni2MnGa的磁控记忆合金材料既具有类似于热弹性马氏体相变的形状记忆效应，又可在马氏体状态下，由磁场诱发应变，产生形状记忆效应，且这种磁控形状记忆效应具有响应速度快的特点，可有效弥补传统温控形状记忆合金响应频率低、磁致伸缩材料输出变形小的不足，是一种理想的智能驱动材料。虽然MSMA材料的形变率较大，但仍然难以直接制造大行程的驱动器。根据仿生学蠕动原理，可利用MSMA小步距的位移连续累加来制造大行程的驱动器。
图2-5 SMA直线驱动器工作原理
MSMA除了具有温控特性和磁控特性外，还具有Villary特性。Villary特性是指在外加磁场中，给MSMA施加外力，其磁化强度发生变化。根据这个原理，当给MSMA施加磁场时它会伸长，去掉磁场后施加外力，MSMA就会缩短，其缩短的过程是MSMA在磁场下伸长的逆过程。MSMA驱动器就是根据磁控特性和Villary特性制作的。图2-6所示为一种典型的MSMA驱动器的工作原理。图2-6中，磁场由励磁装置产生，励磁装置主要由铁芯和线圈组成，线圈缠绕在铁芯上，磁场大小与方向可通过调节线圈中的电流进行控制。当线圈里有电流通过时，电磁铁产生垂直于MSMA元件的磁场，则MSMA元件在磁场的作用下发生伸长变形。磁场去掉以后，MSMA元件保持变形后的形状不变，此时通过加在MSMA元件上的弹簧压力使其恢复变形，从而实现驱动功能。图2-7显示了MSMA驱动器工作时MSMA的变形过程。
图2-6 MSMA驱动器工作原理图
图2-7 MSMA变形示意图
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