溫度控制設計
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-01
溫度控制設計的視頻教程
航空制造中的切削溫度與殘余應力控制：高溫合金與鈦合金加工
高溫合金如 GH4169 及鈦合金作為航空航天領域關鍵結構材料，其加工過程面臨切削溫度高、刀具磨損快、表面質量控制難等共性問題。GH4169 鎳基高溫合金和鈦合金均屬于典型難加工材料。工程實踐表明，零部件疲勞破壞多起源于表面或近表面區域，加工表面完整性已成為評價制造質量的核心指標。
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溫度控制設計的實例教程
我們在做驅動機構的結構設計過程中，有時存在加強筋或隔離墻的設計，這樣的設計可能讓結構部件和鈦絲有局部接觸，因長期或偶爾的接觸，導致結構件出現了高溫粘連、燒焦的問題。
其中，結構件和鈦絲發生粘連，會造成鈦絲驅動的時候直接拉長或拉斷。
結構件燒焦會造成驅動機構本身局部損壞或帶來燃燒的風險。
因此驅動結構材料盡量采用耐高溫材料，或盡量避免和驅動鈦絲的接觸。
5、 【均熱隔離】
有時候驅動機構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，我們可以根據隔熱材質的特征，適當加大驅動控制的電流或加熱的時間。
6、 【材質一致】
驅動機構部件選擇同一材質，避免不同材質給鈦絲帶來不同的發熱和冷卻時間。
驅動機構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。
例如：驅動機構的鈦絲，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，但是金屬件的導熱系數比較高，導致整體溫度難以達到驅動的問題，非常容易造成驅動機構執行不到位或燒壞的情況。
7、 【環境溫度的影響】
當我們完成驅動執行機構的設計，還需要考慮環境溫度的影響。
當環境溫度偏差大于20°的區間，或超過了相變溫度范圍，往往會出現驅動溫度偏低或驅動溫度偏高的現象。
這時候，我們需要介入電路設計和軟件控制，對環境溫度施加閉環控制來消除環境溫度的偏差帶來的驅動溫度的影響。（這個問題我們后面會在電路設計和軟件控制中講解）
作者 財哥說鈦絲
展開 注塑模具溫度控制——水路設計與優化
驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（6）
溫度控制
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經過多道工序制成的絲，我們簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。
相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動技術目前已經在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。
本文通過分享、普及鈦絲驅動技術的可靠性設計，方便大家在機械電子工業設計等領域快速有效的轉化為科技成果。
第6節 【溫度控制】
我們回顧《財哥說鈦絲》的視頻和本文第2節中提到的，鈦絲通過通電加熱，當溫度達到某個值時，發生明顯的收縮和位移，對應的溫度即為鈦絲的相變溫度。
鈦絲的相變溫度是個范圍值，且存在逆向滯后的現象。
例如相變溫度是100°的鈦絲，它的實際驅動過程是：
從95°上升到115°完成完整的位移驅動（大約20°的溫度區間）
從105°下降到85°完成完整的位移恢復（大約20°的溫度區間）
這里鈦絲的加熱驅動和冷卻恢復的過程，均是在嚴格的溫度區間觸發的，這個溫度區間，有時候會被附近的結構、元件及電流大小等因素干擾，導致出現受熱不均、溫度不夠或溫度超標等現象。
為了避免上述現象，保障鈦絲驅動的穩定運行，鈦絲的溫度控制也是相當重要的一環，我們結合實際應用過程中出現的一些問題，給出以下幾種情況和建議：
1、 【安全間隙】
我們產品的驅動機構結構設計過程中，一定要考慮到鈦絲的發熱和散熱的情況。
我們建議除了鈦絲兩端的金屬片和執行機構接觸，其他區域盡量懸空，懸空距離在0.3-1.0mm。
展開 這樣，只有嚴格控制混凝土裂縫，對于大體積混凝土來說關鍵是控制混凝土溫度裂縫，才能使得鋼筋混凝土構筑物具有較強的穩定性、承重和抗滲性能。
2、混凝土裂縫是如何形成的
大體積混凝土在施工中容易產生裂縫，這已被眾多的工程實踐所證實。
（圖為橋梁立柱混凝土溫度裂縫）
據統計，多個城市的多座高層建筑在施工中遇到地下室混凝土底板有害裂縫問題，有的工程因此被迫停工處理，有的工程還不得不修改設計、降低層數，造成極大的損失。因而近年來，大體積混凝土的裂縫問題越來越引起各方面重視。長期的工程實踐表明，造成大體積混凝土出現裂縫的因素極其復雜而且是多方面的。其中：
2.1混凝土配合比設計上的問題：水泥用量大，水泥發熱量大，造成混凝土水化熱溫升過高，溫度變化急劇；水灰比大，灰漿量大造成混凝土收縮量過大；原材料性能不良，造成混凝土本身抗裂能力低。
2.2混凝土施工質量上的問題：下料不均勻，振搗不密實；澆筑安排不善，混凝土內部形成冷縫。
2.3混凝土養護的問題：混凝土表面裸露干燥，風吹日曬，內部與表面溫差過大；外界氣溫驟降時混凝土表面無保溫措施。
2.4機構形式及構造上的問題：幾何尺寸大，超長超厚；形狀突變處未妥善處理；配筋不合理。大體積混凝土由于溫度變化而產生的裂縫稱為溫度裂縫。眾所周知，混凝土在凝結硬化過程中，其水泥會釋放出大量的水化熱，使混凝土的溫度顯著上升。對于大體積混凝土來說，一般情況下溫度和濕度的變化是導致其產生裂縫的根本原因。
下載地址：大體積混凝土溫度應力與溫度控制
展開 應用案例：手機鏡頭防抖、云臺防抖、機器人、無人機拓展功能、汽車風路控制、汽車流體控制。
7.【環境溫度的補償設計】
我們在第6節7點中提到鈦絲驅動需要考慮環境溫度補償設計，可以通過電路設計和軟件控制來消除環境溫度對鈦絲的驅動帶來的影響。
工作原理：
我們在恒功驅動的基礎上，增加一個普通的電阻和NTC熱敏電阻，這樣就可以做到簡單有效的環境溫度的補償設計。
考慮到節能的問題，我們需要MCU提供一個端口，提供高電平作為環境溫度檢測的供電系統，當NTC熱敏電阻伴隨環境溫度變化而發生變化時，MCU還需提供一個ADC腳來采集NTC變化的電壓。我們再通過軟件的計算補償，實時的調整PWM的輸出占空比，消除環境溫度的偏差，達到對鈦絲穩定驅動的閉環效果。
例如規格：?0.15mm，長度100mm的鈦絲，從環境溫度20°，通過0.5S的響應時間，達到驅動溫度100°，帶入Q=cm(t?t0)，我們得到需要的驅動電流是 581mA。
當環境溫度降低10°，我們就給Q=cm(t?t0+10°)，我們得到需要的驅動電流是 616mA。
當環境溫度提升10°，我們就給Q=cm(t?t0-10°)，我們得到需要的驅動電流是 543mA。
通過環境溫度補償設計，就可以消除環境溫度的差異對驅動機構帶來的影響，進一步提升了鈦絲驅動的可靠性和穩定性。
注意事項：軟件工程師一般情況下，會考慮經濟問題，充分利用MCU的端口，如需做環境溫度的補償設計，需要預留2個端口，一個ADC，一個任意可以提供高電平的端口。
應用案例：手機鏡頭防抖、云臺防抖、機器人、無人機拓展功能、汽車風路控制、汽車流體控制。
8.【溫度閉環控制設計】
在一些可靠性要求較高的產品應用當中，需要對鈦絲驅機構實現溫度監測反饋和閉環控制。
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六、溫度控制和設計
鈦絲通過通電加熱，當溫度達到某個區域時，發生明顯的收縮，對應的溫度區域即為鈦絲的相變溫度。嚴格來說鈦絲的相變溫度是個區間值，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象。如下曲線圖所示：
載荷在100MPA的前提下，其驅動相變溫度是85°。
載荷在200MPA的前提下，其驅動相變溫度是95°。
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