鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設(shè)計(jì)

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經(jīng)過(guò)多道工序制成的絲，財(cái)哥簡(jiǎn)稱(chēng)鈦絲，可以通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)鈦絲發(fā)生運(yùn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的電機(jī)、電磁鐵動(dòng)力，鈦絲是一種新型的動(dòng)力元件。鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（nitidrivetech）目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、無(wú)人機(jī)、手機(jī)、汽車(chē)、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本文通過(guò)公開(kāi)分享、科普鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速有效地轉(zhuǎn)化為科技成果。

一、鈦絲的選型和適配

目前市面上常見(jiàn)的鈦絲線(xiàn)徑有0.3mm、0.2mm、0.18mm、0.15mm、0.1mm、0.05mm、0.03mm、0.025mm。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品前，需要根據(jù)我們產(chǎn)品的功能、硬件配置和設(shè)計(jì)思路，對(duì)鈦絲的規(guī)格做好選型適配。如果選型不當(dāng)，容易出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不到位、功耗偏大、力量不夠、位移不夠、響應(yīng)時(shí)間不夠、穩(wěn)定性差、壽命短、過(guò)燒、溫度不夠等現(xiàn)象。所以，第一步的選型和適配至關(guān)重要。

選型的主要依據(jù)包括：供電系統(tǒng)輸出能力、驅(qū)動(dòng)力和壽命、驅(qū)動(dòng)后的冷卻響應(yīng)時(shí)間。

1、供電系統(tǒng)輸出能力

我們通過(guò)給鈦絲供電加熱達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的。首先我們需要知道供電系統(tǒng)的能力有多少，然后根據(jù)供電系統(tǒng)的能力，反推導(dǎo)哪些鈦絲規(guī)格滿(mǎn)足我們的產(chǎn)品供電需求。

這里就需要用到高中物理課文上的知識(shí)點(diǎn)，財(cái)哥整理了一下相關(guān)的公式對(duì)照表：

2.1《表1鈦絲驅(qū)動(dòng)熱功方程計(jì)算表》

這里需要說(shuō)明一下鈦絲在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的潛熱功。他是一個(gè)較復(fù)雜的變數(shù)，財(cái)哥在專(zhuān)家的指導(dǎo)意見(jiàn)下，按照每克22焦耳計(jì)算。和以前發(fā)的公式相比較，略微有所波動(dòng)。

2.2《表2鈦絲電阻計(jì)算表》

鈦絲在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，其橫截面會(huì)發(fā)生變化，影響電阻值的變化，大家在計(jì)算的時(shí)候，可以參考100uΩ*cm到80uΩ*cm區(qū)間值來(lái)評(píng)估。

2.3《表3鈦絲驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間/電壓/電流關(guān)系計(jì)算表》

通過(guò)上述計(jì)算模型的推導(dǎo)過(guò)程和結(jié)果，我們就可以清晰地知道不同規(guī)格的鈦絲對(duì)應(yīng)的供電參數(shù)特征，方便大家參考和選擇合適的鈦絲的規(guī)格。

2、鈦絲的驅(qū)動(dòng)力和壽命

鈦絲的驅(qū)動(dòng)力量和壽命是相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，它是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題；其中涉及到鈦絲本身的驅(qū)動(dòng)力量、驅(qū)動(dòng)位移量、驅(qū)動(dòng)壽命的設(shè)計(jì)需求量，同時(shí)涉及到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案、產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景等等。大家可以這樣理解：

設(shè)計(jì)所需的力量要求較大，那么相對(duì)壽命偏短；

設(shè)計(jì)所需的位移量要求較大，那么相對(duì)壽命偏短；

設(shè)計(jì)所需的壽命要求較大，那么力量或位移量需要降低；

這里需要強(qiáng)調(diào)的壽命偏短，主要是體現(xiàn)在鈦絲變長(zhǎng)變細(xì)了，其基本功能特性依然存在。

絲驅(qū)動(dòng)力是其收縮能力的參考指標(biāo)，也是鈦絲的臨界指標(biāo)。并非指這個(gè)驅(qū)動(dòng)力的情況下達(dá)到多少壽命。這個(gè)驅(qū)動(dòng)力對(duì)于大家選型來(lái)講是起到參考選型的作用，越大越好。

每個(gè)不同廠(chǎng)家的鈦絲驅(qū)動(dòng)力是不一樣的，通常鈦絲的驅(qū)動(dòng)力在150-200MPA；有些鈦絲能做到300-500MPA，有些細(xì)的鈦絲可以做到500-600MPA。大家可以聯(lián)系自己的供應(yīng)商索取這項(xiàng)指標(biāo)，就可以得到不同鈦絲的相對(duì)驅(qū)動(dòng)力量了。

財(cái)哥給大家一個(gè)近視的計(jì)算對(duì)照表，大家?guī)胱约毫私獾降闹笜?biāo)，就可以得到一個(gè)大概的力量范圍概念了。

例如：驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)是350MPA，帶入這個(gè)簡(jiǎn)單的公式，就可以得到不同線(xiàn)徑的驅(qū)動(dòng)力量范圍。在留有足夠余量的前提下，選擇合適自己的鈦絲。

（鈦絲的力學(xué)行為比普通彈性材料復(fù)雜（存在馬氏體 - 奧氏體相變），但在未發(fā)生相變的彈性階段（如低溫馬氏體態(tài)、高溫奧氏體態(tài)的小形變范圍），其應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)越谱裱硕桑é?= E?ε），可通過(guò)此關(guān)系初步計(jì)算驅(qū)動(dòng)力（外力 F = σ?S = E?ε?S）；若發(fā)生相變，應(yīng)力 - 應(yīng)變會(huì)出現(xiàn) “平臺(tái)段”（非線(xiàn)性），此時(shí)需結(jié)合相變熱力學(xué)模型修正，不能直接套用胡克定律。）

同時(shí)，財(cái)哥前面講了驅(qū)動(dòng)力量和壽命的關(guān)系，我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候，可以按照300MPA來(lái)設(shè)計(jì)，或更低的MPA值來(lái)設(shè)計(jì)。

財(cái)哥對(duì)使用壽命的理解，核心精髓就是：“打拳只出3分力”。

我們可以在設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力量、驅(qū)動(dòng)位移量方面預(yù)留足夠的余量；同時(shí)做好精確的驅(qū)動(dòng)供電和驅(qū)動(dòng)時(shí)間，再結(jié)合大家對(duì)鈦絲的恰當(dāng)選型即可。

4、驅(qū)動(dòng)后的冷卻響應(yīng)時(shí)間

我們的產(chǎn)品在第一次驅(qū)動(dòng)后，需要冷卻復(fù)位，然后執(zhí)行第二次驅(qū)動(dòng)；中間間隔的時(shí)間即為冷卻響應(yīng)時(shí)間。

有些產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)冷卻響應(yīng)時(shí)間要求較高的，我們可以選用較細(xì)的鈦絲或和采用時(shí)間杠桿的設(shè)計(jì)方案來(lái)滿(mǎn)足我們產(chǎn)品的使用需求，財(cái)哥會(huì)在后續(xù)的章節(jié)中詳細(xì)介紹。

鈦絲的選型和適配除了其粗細(xì)、長(zhǎng)短、力量壽命等選擇，還有不同廠(chǎng)家的區(qū)別也很重要。相對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求的廠(chǎng)家至關(guān)重要，財(cái)哥會(huì)在下章節(jié)《不同廠(chǎng)家的鈦絲區(qū)別》中分享。

作者：財(cái)哥說(shuō)鈦絲