鈦絲驅(qū)動技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設(shè)計

【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)過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅(qū)動鈦絲發(fā)生運動。相比于傳統(tǒng)的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅(qū)動技術(shù)（nitidrivetech）目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅(qū)動技術(shù)的可靠性設(shè)計經(jīng)驗，方便大家在機械電子工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域快速有效地轉(zhuǎn)化為科技成果。

六、溫度控制和設(shè)計

鈦絲通過通電加熱，當(dāng)溫度達到某個區(qū)域時，發(fā)生明顯的收縮，對應(yīng)的溫度區(qū)域即為鈦絲的相變溫度。嚴(yán)格來說鈦絲的相變溫度是個區(qū)間值，也是個范圍值，同時在不同載荷的前提下，還存在正向偏移的現(xiàn)象。如下曲線圖所示：

載荷在100MPA的前提下，其驅(qū)動相變溫度是85°。

載荷在200MPA的前提下，其驅(qū)動相變溫度是95°。

載荷在300MPA的前提下，其驅(qū)動相變溫度是110°。

鈦絲的加熱驅(qū)動和冷卻恢復(fù)的過程，均是在穩(wěn)定的溫度區(qū)間完成的。

這個溫度區(qū)間環(huán)境，有時候會被附近的結(jié)構(gòu)、元件及電流大小等因素干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)受熱不均、溫度不夠或溫度超標(biāo)等現(xiàn)象。

為了避免上述現(xiàn)象，保障鈦絲驅(qū)動的穩(wěn)定運行，鈦絲的溫度控制也是相當(dāng)重要的一環(huán)，我們結(jié)合實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的一些問題，給出以下幾種情況和建議：

1、 【安全間隙】

我們產(chǎn)品的驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，一定要考慮到鈦絲的發(fā)熱和散熱的情況。

財哥建議除了鈦絲兩端的金屬片和執(zhí)行機構(gòu)接觸，其他區(qū)域盡量懸空，懸空距離在0.3-1.0mm。

2、 【轉(zhuǎn)軸損失】

采用帶轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動機構(gòu)，需要考慮轉(zhuǎn)軸給鈦絲帶來的驅(qū)動位移和溫度損失。

因在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，驅(qū)動機構(gòu)采用了金屬轉(zhuǎn)軸和鈦絲中間接觸，在我們給鈦絲加熱的過程中就可能會出現(xiàn)鈦絲兩端溫度達到了100°的驅(qū)動溫度，而中間只有70°，導(dǎo)致鈦絲沒有收縮驅(qū)動，造成了驅(qū)動位移量不足的現(xiàn)象。

例如規(guī)格：?0.15mm，長度100mm，繞過?5mm的軸，損失了約4mm的有效驅(qū)動長度，這根鈦絲長度100mm，實際發(fā)生有效驅(qū)動的長度是96mm。

在未能找到這個問題的真實原因時，有的工程師可能會加大控制的電流或加熱的時間，用來增加這個驅(qū)動位移。隨著溫度的上升，當(dāng)鈦絲的低溫區(qū)域達到了驅(qū)動的溫度，而兩端的溫度可能就超過了鈦絲的驅(qū)動上限，從而導(dǎo)致其局部過燒損壞。

當(dāng)轉(zhuǎn)軸采用塑料或者陶瓷時，轉(zhuǎn)軸處也會產(chǎn)生不同程度的驅(qū)動位移量的損失，只是相對比較少一點。

所以，驅(qū)動鈦絲經(jīng)過的轉(zhuǎn)軸或支點結(jié)構(gòu)時，需要考慮這個驅(qū)動位移量（以及力量）的損失，當(dāng)采用金屬轉(zhuǎn)軸或支點時，還需要考慮溫度損失。

3、 【鈦絲過燒】

當(dāng)鈦絲局部或整體溫度超過約135度以上時，存在鈦絲過燒情況，包括輕度、中度、重度過燒三種情況。

（1） 輕度過燒：鈦絲整體長度比初始長度偏短約0.5-1mm，導(dǎo)致冷卻恢復(fù)不到位，鈦絲輕度受損。

（2） 中度過燒：鈦絲驅(qū)動無響應(yīng)、鈦絲整體長度偏長、松軟，鈦絲損壞。

（3） 重度過燒：鈦絲燒紅、燒斷，鈦絲損壞。

導(dǎo)致過燒的原因有電流過大、通電時間偏長、或者轉(zhuǎn)軸和接觸材質(zhì)導(dǎo)致的受熱不均等。我們需要結(jié)合實際情況調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合熱工方程重新調(diào)整電流和通電時間。

4、 【結(jié)構(gòu)接觸】

驅(qū)動機構(gòu)的塑膠結(jié)構(gòu)部件應(yīng)避免和鈦絲接觸。

我們在做驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有時存在加強筋或隔離墻的設(shè)計，這樣的設(shè)計可能讓結(jié)構(gòu)部件和鈦絲有局部接觸，因長期或偶爾的接觸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)了高溫粘連、燒焦的問題。

其中，結(jié)構(gòu)件和鈦絲發(fā)生粘連，會造成鈦絲驅(qū)動的時候直接拉長或拉斷。

結(jié)構(gòu)件燒焦會造成驅(qū)動機構(gòu)本身局部損壞或帶來燃燒的風(fēng)險。

因此驅(qū)動結(jié)構(gòu)材料盡量采用耐高溫材料，或盡量避免和驅(qū)動鈦絲的接觸。

5、 【均熱隔離】

有時候驅(qū)動機構(gòu)無法避免和鈦絲局部接觸的情況下，需要做均勻的隔熱處理。

例如采用高溫膠布，高溫膠紙，耐高溫塑膠件，讓其均勻和鈦絲做全面接觸，或和鈦絲的隔離距離保持均勻一致。

然后，我們可以根據(jù)隔熱材質(zhì)的特征，適當(dāng)加大驅(qū)動控制的電流或加熱的時間。

6、 【材質(zhì)一致】

驅(qū)動機構(gòu)部件選擇同一材質(zhì)，避免不同材質(zhì)給鈦絲帶來不同的發(fā)熱和冷卻時間。

驅(qū)動機構(gòu)和鈦絲存在較大面積接觸或距離較近的情況下，我們采用均勻的隔熱處理可能會失效，這個時候我們一定要注意接觸部分的材質(zhì)。

例如：驅(qū)動機構(gòu)的鈦絲，一部分和塑膠件接觸，一部分和金屬件接觸，我們即使采用了隔熱處理，但是金屬件的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，導(dǎo)致整體溫度難以達到驅(qū)動的問題，非常容易造成驅(qū)動機構(gòu)執(zhí)行不到位或燒壞的情況。

7、 【環(huán)境溫度的影響】

當(dāng)我們完成驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計，還需要考慮環(huán)境溫度的影響。

當(dāng)環(huán)境溫度偏差大于20°的區(qū)間，或超過了相變溫度范圍，往往會出現(xiàn)驅(qū)動溫度偏低或驅(qū)動溫度偏高的現(xiàn)象。

這時候，我們需要介入電路設(shè)計和軟件控制，對環(huán)境溫度施加閉環(huán)控制來消除環(huán)境溫度的偏差帶來的驅(qū)動溫度的影響。（這個問題我們后面會在電路設(shè)計和軟件控制中講解）

作者 財哥說鈦絲