发表了主题帖： 驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（10）供电线路材料的影响和选择

【前言】 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。 本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。 第10节 【供电线路材料的影响和选择】 我们完成了产品的机械设计、电路设计和软件控制后，接下来我们进入物料采购、3D结构制作、电路板打板等验证环节。 其中供电线路材料的选择比较重要，财哥从以下几个方面来提醒大家注意。 1、【PCB LAYOUT的线路和电路板工艺】 电子工程师在对电路板进行LAYOUT的时候，驱动钛丝的供电线路宽度，需要满足驱动钛丝的足够电流；在无法满足足够电流宽度度线路的情况下，可以在PCB板下单的时候，增加外层铜厚，例如：常规是1盎司，也可以选择2盎司；再或者把线增加助焊层镀镍处理。 这类电流和线宽的关系表非常的常见，大家可以根据钛丝的最大驱动电流来对照设计。 2、【驱动钛丝的连接电线】 我们在选择钛丝驱动的连接电线的时候，尽量采用线芯8芯或以上的国标铜芯线，也可以用8芯以上的漆包线。 3、【供电线路的电缆电线】 有些大规模的密集型机柜应用，容易出现供电不平衡的现象，距离远的执行电流不够，距离近的电流偏大，可能烧坏。这种情况主要是供电线路中的电缆和电线电阻过大，导致远近区域的电流不平衡造成的。 处理这种情况，需要提升电缆、电线的材质和线径，尽量降低电路的电阻即可。 如果无法避免的情况下，我们也可以将驱动主板调整为恒流驱动方案来解决这个问题，但对产品的供电系统整体要求同步会提升。 为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，财哥制作整理了包括《财哥说钛丝视频》、《SMA常见电路控制方案》、《驱动钛丝（SMA）计算模型》、《驱动钛丝（SMA）常见结构模型》等系列资源供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏转发！ 钛丝科技 出品 作者 财哥说钛丝

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qwqwqw2088 发表于 2024-11-29 10:39 不同的产品实际的结构空间的密闭性或空间大小不一样，空气的比热容值会有所偏差 这个空气的比热容值影响 ... 空气的比热容变化不大，大约0.01 J/g*℃的变化区间，例如0.1mm线径的钛丝，保持电流大约2mA的区别。普通的产品设计可以忽略这个变化，在精度较高的产品应用当中，我们工程师需要依据这个值，来调整保持电流。 感谢您的关注！

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  【前言】 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。 本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。 第9节 【钛丝的驱动电路控制（下）】 本节要说的是驱动钛丝电路控制的【驱动保持控制】、【环境温度的补偿设计】、【温度闭环控制设计】、【任意定位驱动控制】、【矩阵式驱动控制】。 在讲解前，我们需要引入软件设计控制中的一个常见的设计应用：PWM驱动，电子工程师和软件工程师都非常熟悉这个驱动模式。 本文中提及的电流参数，均表示PWM驱动时的电流平均值或有效值。 6.【驱动保持控制】 有些产品的功能要求我们的驱动机构在驱动后，还要保持驱动后的状态，此时，需要在我们在上一节提到的恒功驱动电路方案的基础上，进一步做软件设计。 工作原理： 驱动保持控制的两个步骤： 恒功驱动，参考《表1钛丝位移形变热功方程模拟计算表》对钛丝通电驱动，让执行机构完成执行动作。 驱动保持，根据产品实际的结构空间情况，计算或测量温度的损失，做温度补偿电流控制，使其驱动机构内的钛丝的温度始终维持在100°，波动区间在10°的范围。 例如规格：∅0.15mm，长度100mm的钛丝，从环境温度20°，通过0.5S的响应时间，达到驱动温度100°，带入Q=cm(t−t0)。我们得到需要的驱动电流是 581mA，这个时候我们的驱动机构完成了第一步的驱动执行动作。 接着，我们假定钛丝处于理想的悬空情况下的空气当中，100°空气的比热容值是0.242 Kcal/Kg℃，根据换算单位1 Kcal/Kg℃ = 2.389 J/g*℃，‌我们得到100°空气的比热容值是0.58 J/g*℃ ‌ 带入《驱动钛丝（SMA）计算模型》表5得到规格∅0.15mm，长度100mm的钛丝所需保持电流约171mA。 这个时候，我们通过改变PWM的占空比，即可得到我们所需的电流值，达到驱动保持的目的。 注意事项：不同的产品实际的结构空间的密闭性或空间大小不一样，空气的比热容值会有所偏差，我们需要结合产品本身的实际情况来调整这个值。 应用案例：手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。 7.【环境温度的补偿设计】 我们在第6节7点中提到钛丝驱动需要考虑环境温度补偿设计，可以通过电路设计和软件控制来消除环境温度对钛丝的驱动带来的影响。 工作原理： 我们在恒功驱动的基础上，增加一个普通的电阻和NTC热敏电阻，这样就可以做到简单有效的环境温度的补偿设计。 考虑到节能的问题，我们需要MCU提供一个端口，提供高电平作为环境温度检测的供电系统，当NTC热敏电阻伴随环境温度变化而发生变化时，MCU还需提供一个ADC脚来采集NTC变化的电压。我们再通过软件的计算补偿，实时的调整PWM的输出占空比，消除环境温度的偏差，达到对钛丝稳定驱动的闭环效果。 例如规格：∅0.15mm，长度100mm的钛丝，从环境温度20°，通过0.5S的响应时间，达到驱动温度100°，带入Q=cm(t−t0)，我们得到需要的驱动电流是 581mA。 当环境温度降低10°，我们就给Q=cm(t−t0+10°)，我们得到需要的驱动电流是 616mA。 当环境温度提升10°，我们就给Q=cm(t−t0-10°)，我们得到需要的驱动电流是 543mA。 通过环境温度补偿设计，就可以消除环境温度的差异对驱动机构带来的影响，进一步提升了钛丝驱动的可靠性和稳定性。 注意事项：软件工程师一般情况下，会考虑经济问题，充分利用MCU的端口，如需做环境温度的补偿设计，需要预留2个端口，一个ADC，一个任意可以提供高电平的端口。 应用案例：手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。 8.【温度闭环控制设计】 在一些可靠性要求较高的产品应用当中，需要对钛丝驱机构实现温度监测反馈和闭环控制。驱动钛丝极小的线径导致了一般的温度检测传感器难以准确测量钛丝的实际温度，我们可以结合钛丝的物理特性，通过测量钛丝的电压和电阻，同样可以达到闭环监测目的。 工作原理： 我们在恒功驱动的基础上，将钛丝置于MOS对地的位置，通过钛丝靠近MOS的一端采集电压数据给到MCU的ADC，由于钛丝本身的电阻是随温度的变化而变化，这样就可以实时监控钛丝的驱动过程中的对应温度变化情况。 例如规格：∅0.15mm，长度100mm的钛丝，我们根据《表2钛丝电阻计算表》R=ρL/S，通过带入电阻率计算得： 奥氏体状态下的电阻值是5.66Ω 马氏体状态下的电阻值是4.53Ω 我们在第6节中提到，钛丝的相变温度是个范围值，且存在逆向滞后的现象，且有大约20°的温度区间。我们需要理解： 从95°上升到115°完成完整的位移驱动（大约20°的温度区间） 5.66Ω—>4.53Ω 从105°下降到85°以后，开始位移恢复（大约20°的温度区间） 4.53Ω—>5.66Ω 通过实时监测驱动钛丝的电阻值，就可以间接反馈驱动机构的温度和位移是否达标，再结合软件算法，实时动态修正和调整驱动机构的电流和温度，同时实现驱动机构的交互式反馈，确保钛丝驱动稳定工作。 注意事项：无 应用案例：手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。 9.【任意定位驱动控制】 工作原理： 任意定位驱动控制是在温度闭环控制设计的基础上，做更加精细的软件控制思路实现位移或定位的精准控制。 注意事项： 我们做任意位置驱动或任意位移点的精准控制，就需要精确知道： 奥氏体—>马氏体（95°—>115°）5.66Ω—>4.53Ω 马氏体—>奥氏体（105°—>85°）4.53Ω—>5.66Ω 采用任意定位驱动控制电路和配套软件算法，通过监测电阻，实时调节电流和温度，就可以实现驱动钛丝位移或定位的精准、实时动态控制状态。 应用案例：手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。 10.【矩阵式驱动控制】 矩阵式驱动一般应用于数量较多或大规模的钛丝驱动机构的情况下。 矩阵式驱动有很多种类，电子工程师一般都可以根据自己的实际情况灵活调整，本案例给出其中一种表现形式，供大家参考。 矩阵式驱动的重点是结合MCU本身的资源能力，给出最有效的矩阵设计思路，软件工程师通过矩阵的数量设定合适的周期和对应的占空比。 工作原理： 本例依然采样PWM恒功驱动的设计方案，驱动4组钛丝驱动机构。 通过软件控制: P1、P2、P3、P4实现： 驱动钛丝的L1、L2或L3、L4 或L1、L4或 L2、L3的4种驱动状态，达到矩阵控制和交叉矩阵控制的目的。 本例种的软件控制可以采用4组PWM，也可以采用2组PWM ，我们的软件工程师需要结合MCU的资源去灵活调整。 注意事项： 矩阵式驱动方案需要足够的供电系统的支持，我们需要考虑同时驱动多少数量的钛丝。单片机的频率是否满足扫描周期的占空比控制。 应用案例：手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。 为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，财哥制作整理了包括《财哥说钛丝视频》、《SMA常见电路控制方案》、《驱动钛丝（SMA）计算模型》、《驱动钛丝（SMA）常见结构模型》等系列资源供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏转发！ 钛丝科技 出品 作者 财哥说钛丝

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qwqwqw2088 发表于 2024-11-26 21:35 钛丝看来用处还挺广，不过钛丝的制造成本也是比较高的 国内钛丝驱动应用还不多，不过钛丝驱动相比传统电机和电磁铁还是要便宜很多的，国内驱动钛丝大约0.5-2元不等。有兴趣可以交流交流

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  【前言】 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。 相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。 钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。 本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。 第8节 【钛丝的驱动电路控制（上）】 前面3-7节基本上讲述了驱动钛丝（SMA）在机械结构层面的可靠性相关的设计，接下来，我们将围绕着驱动钛丝（SMA）在电路设计和软件控制方面进一步的阐述。 1 .【供电系统设计】 在设计驱动电路之前，我们首先要考虑我们的产品的供电系统是否满足我们的驱动条件。我们回顾一下第一节中提到的《表4钛丝直线位移响应时间/电流基础参数表》 钛丝的驱动响应时间需求，决定供电系统的电压和电流上限的配置。 例如：规格：∅0.15mm，长度100mm的钛丝 我们产品需求的响应是0.5S的时候，我们的供电系统需要提供U>2.63V，I>581mA 当产品需求的响应是0.1S的时候，我们的供电系统需要提供U>5.88V，I>1298mA 这里要注意需要重点关注供电系统的电压范围，为了保证我们的产品驱动的可靠性，必须保证供电系统的电压下限满足我们驱动的需求。 例如：我们需求的钛丝驱动电压最小是2.63V时，选择的锂电池标称电压3.7V，但锂电池的实际电压有的是3V-4.2V，有的是2.5V-4.2V，为了保证可靠性，就需要选择3V-4.2V这种。 2 .【行程开关驱动控制】 工作原理： 驱动系统的MCU下达驱动指令后，供电系统通过S1开关直接上电给钛丝，钛丝通电收缩带动驱动滑块执行驱动动作，驱动滑块执行到行程开关位置后完成驱动机构的执行工作。 同时，行程开关被关闭，反馈驱动机构执行结果给控制系统停止驱动指令； 同时，钛丝的供电被断开，钛丝冷却恢复过程中带动驱动滑块执行返回归位。 这时，驱动机构完成驱动指令和恢复归位。 方案特点： （1）钛丝直接由供电系统供电，不需要调试电流和时间，无需软件编程，硬件电路结构简单。 （2）一般用于电流和控制时间要求比较低、负载数量少的情形。 注意事项： （1）供电系统电压不可过高，驱动机构数量不可过多，否则负载过大容易造成死机或重启。 （2）有些应用场景下，会出现行程开关损坏或意外造成开关无法动作，有时会烧坏钛丝，这个时候可以加多一级行程开关，用于驱动监控和保护，避免上述现象。 应用案例：无人售货机、快递柜等简单的电子锁、简易开合机构。 3.【恒压驱动控制】 工作原理： 驱动系统的MCU下达驱动指令后，启动恒压芯片，直接给钛丝一个恒定的电压，驱动钛丝通电收缩，驱动机构完成执行动作。 MCU预先设定好了驱动时间，时间达到后，停止恒压芯片工作，钛丝的供电被断开，钛丝冷却恢复，驱动机构返回归位。 方案特点： （1）无软件门槛，硬件电路结构简单。 （2）驱动机构的响应时间稳定。 （3）对供电系统的负载较小。 注意事项 （1）需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小，否则可能会导致驱动机构供电电流不足。 （2）恒压驱动一般采用的DC TO DC芯片，如线性LDO、升压、降压等芯片，采用这类的驱动时需要注意，钛丝的奥氏体和马氏体转化过程中电阻值会变化，我们需要根据这2个电阻值重新核算钛丝的驱动电压范围，避免钛丝驱动电流过大或过小的问题。 我们回顾《表2钛丝电阻计算表》的电阻定律，带入马氏体或奥氏体的电阻率。 例如规格：∅0.15mm，长度100mm的钛丝，通过带入电阻率计算得： 奥氏体状态下的电阻值是5.66Ω 马氏体状态下的电阻值是4.53Ω 我们再通过《表3钛丝直线位移响应时间/电流关系计算表》的焦耳定律，将钛丝的两个状态的电阻值带入计算可以得到0.5S的响应时间如下： 奥氏体状态下的钛丝所需电流是519mA，电压2.94V。 马氏体状态下的钛丝所需电流是581mA，电压2.63V。 这里出现的电流偏差有72mA，电压偏差有0.31V,如果我们的电压设定在偏大或偏小的位置，容易造成驱动电流偏大或不足的问题。所以设定的电压建议设定在中间值。 注：文中案例是基于环境温度20度、相变温度100度的假设情形，实际应用需要结合《驱动钛丝（SMA）计算模型》灵活调整。 应用案例：无人售货机锁、快递柜锁、箱包锁、指纹锁、记事本锁等简易开合机构。 4 .【恒流驱动控制】 工作原理： 恒流驱动的工作原理和恒压相似，仅电路驱动和钛丝采用了串联的方式。 恒流驱动可以采用传统的模拟恒流，也可以采用集成度高的恒流芯片，或LED灯的驱动芯片，这些资源都非常的丰富。 方案特点： （1）无软件门槛，硬件电路结构简单，比较节能省电。 （2）驱动机构的响应时间比恒压驱动要相对稳定。 注意事项 需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小，否则可能会导致驱动机构供电电压不足。 应用案例：无人售货机锁、快递柜锁、箱包锁、指纹锁、记事本锁等简易开合机构。 5.【恒功驱动控制】 工作原理： 恒功控制是利用了焦耳定律的Q=I²Rt，热功率=电流²×电阻×时间。驱动系统的MCU下达驱动指令后，MCU发出可控的PWM波，驱动开关作用的MOS管工作。当开关管打开后，供电系统经过钛丝和开关MOS管，再经过电阻到地，完成钛丝的通电加热执行驱动。 在这个过程中，开关MOS管对地的电阻起到两个作用： （1）限流保护供电系统的稳定性 （2）将供电系统通过钛丝的电流转换成电压形式，经过电容滤波后反馈给MCU的ADC去计算其电流是否超标。当电流超标的情况下，MCU通过调整PWM的占空比来控制开关MOS管校正我们设计的功率。 方案特点： （1）驱动机构的响应时间和位移指标可通过软件精准调整。 （2）功耗更低，省电节能，可以用在功耗要求较高的场景。 （3）可拓展钛丝更多的功能应用。 注意事项 软件工程师需要了解钛丝驱动的热功方程、电阻定律、焦耳定律（参考本文第1节）。 应用案例：手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。 下一节将说下驱动钛丝电路控制的【驱动保持控制】、【环境温度的补偿设计】、【温度闭环控制设计】、【任意定位驱动控制】、【矩阵式驱动控制】等，敬请期待。 为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，财哥制作整理了包括《财哥说钛丝视频》、《SMA常见电路控制方案》、《驱动钛丝（SMA）计算模型》、《驱动钛丝（SMA）常见结构模型》等系列资源供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏转发！ 钛丝科技 出品 作者 财哥说钛丝

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Jacktang 发表于 2024-11-24 09:25 当环境温度偏差大于20°的区间，或超过了相变温度范围，往往会出现驱动温度偏低或驱动温度偏高的现象。 ... 我们只要做一个简单的电路设计和软件控制，就能处理好这个问题

回复了主题帖： 电驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（7） 接触面设计

Jacktang 发表于 2024-11-22 07:33 本身这东西与模具设计和模具制造有很大关系的 是的，我们在设计的过程中经常会忽略这个问题，导致了不少人的实际应用不理想，甚至造成了巨大的经济损失！

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【前言】 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。 相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。 钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。 本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。 第7节 【接触面设计】 1.【接触面设计】 我们在第4节和6节中提到过：驱动钛丝经过的转轴或支点结构时，转轴的轴径，我们建议大于钛丝线径的30倍来设计，这样可以降低驱动机构的阻力，也可以降低钛丝在轴向应变带来的损伤。 1）当转轴设计的直径偏小时，钛丝自身应变除了给驱动机构带来阻力的同时，也对钛丝造成了一定的应变损伤。转轴直径越小，驱动机构带来阻力越大，同时钛丝越容易断裂。   2）当驱动机构采用支点驱动时，支点应该采用R角的设计，不能是直角或锐角。 如果支点居中，钛丝和驱动支点没有发生摩擦运动，可以不用考虑R角的大小； 如果支点不居中，钛丝和驱动支点发生摩擦运动，则需要参考第一条，将驱动支点的半径设计成适当的R角。   2.【接触面的分型面】 我们在驱动机构的接触设计过程中，需要考虑接触面的分型面问题，特别是金属材质的分型面。 我们的驱动机构零件，在完成设计后进入模具的设计和模具的加工生产环节，其中分型面会导致零部件在模具的压铸过程中带来合模线、披锋、毛刺、断面等现象。       所以我们在结构设计过程中，需要提前做好拔模斜度，避开合模线和钛丝交集。 如果无法避免的情况下，我们可以增加批量零部件的抛光打磨工艺处理。 3.【模具的顶针】 我们的驱动机构零件，有可能会在模具加工生产过程中，脱模的顶针造成的凹面和凸面的现象，造成驱动机构卡顿或钛丝刮伤或断裂。这是一个很容易忽略的问题。       4.【接触面的表面工艺】 接触面的表面工艺要求光滑，避免磨砂面，以及第2点提到的需要避免的合模线、披锋、毛刺、断面等现象。 特别是偏硬材质的零件，表面工艺如果采用的是磨砂面，容易导致钛丝断裂。 例如陶瓷转轴，大约5000 -8000次驱动运行后，钛丝容易发生断裂现象。 如果无法避免，我们需要对接触面做抛光打磨工艺处理。   5.【驱动机构的运动零件】 前面说的4个方面的问题同样适用于我们的驱动机构的运动零件。 如果后期工艺没有处理好，很容易导致驱动机构的阻力增加、卡顿、卡死等现象，从而降低驱动机构的驱动能力。 所以我们在完成设计工作后，还需要进一步的关注模具设计和模具制造过程中可能出现的上述情况，提前做好预防。   为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，财哥制作整理了包括 《财哥说钛丝视频》 《SMA常见电路控制方案》 《电驱动钛丝（SMA）计算模型》 《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》 《电驱动钛丝（SMA）常见十大结构模型》 等系列资源供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏转发！   钛丝科技   出品 作者 财哥说钛丝

发表了主题帖： 电驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（6） 温度控制

【前言】 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。 相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。 钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。 本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。 第6节 【温度控制】 我们们回顾《财哥说钛丝》的视频和本文第2节中提到的，钛丝通过通电加热，当温度达到某个值时，发生明显的收缩和位移，对应的温度即为钛丝的相变温度。 钛丝的相变温度是个范围值，且存在逆向滞后的现象。 例如相变温度是100°的钛丝，他的实际驱动过程是： 从95°上升到115°完成完整的位移驱动（大约20°的温度区间） 从105°下降到85°完成完整的位移恢复（大约20°的温度区间） 这里钛丝的加热驱动和冷却恢复的过程，均是在严格的温度区间触发的，这个温度区间，有时候会被附近的结构、元件及电流大小等因素干扰，导致出现受热不均、温度不够或温度超标等现象。 为了避免上述现象，保障钛丝驱动的稳定运行，钛丝的温度控制也是相当重要的一环，我们结合实际应用过程中出现的一些问题，给出以下几种情况和建议： 【安全间隙】 我们产品的驱动机构结构设计过程中，一定要考虑到钛丝的发热和散热的情况。 我们建议除了钛丝两端的金属片和执行机构接触，其他区域尽量悬空，悬空距离在0.3-1.0mm。 【转轴损失】 采用带转轴的驱动机构，需要考虑转轴给钛丝带来的驱动位移和温度损失。 因在结构设计过程中，驱动机构采用了金属转轴和钛丝中间接触，在我们给钛丝加热的过程中就可能会出现钛丝两端温度达到了100°的驱动温度，而中间只有70°，导致钛丝没有收缩驱动，造成了驱动位移量不足的现象。 例如规格：∅0.15mm，长度100mm，绕过∅5mm的轴，损失了约4mm的有效驱动长度，这根钛丝长度100mm，实际发生有效驱动的长度是96mm。   在未能找到这个问题的真实原因时，有的工程师可能会加大控制的电流或加热的时间，用来增加这个驱动位移。随着温度的上升，当钛丝的低温区域达到了驱动的温度，而两端的温度可能就超过了钛丝的驱动上限，从而导致其局部过烧损坏。   当转轴采用塑料或者陶瓷时，转轴处也会产生不同程度的驱动位移量的损失，只是相对比较少一点。 所以，驱动钛丝经过的转轴或支点结构时，需要考虑这个驱动位移量（以及力量）的损失，当采用金属转轴或支点时，还需要考虑温度损失。 【钛丝过烧】 当钛丝局部或整体温度超过约125度以上时，存在钛丝过烧情况，包括轻度、中度、重度过烧三种情况。 轻度过烧：钛丝整体长度比初始长度偏短约0.5-1mm，导致冷却恢复不到位，钛丝轻度受损。 中度过烧：钛丝驱动无响应、钛丝整体长度偏长、松软，钛丝损坏。 重度过烧：钛丝烧红、烧断，钛丝损坏。 导致过烧的原因有电流过大、通电时间偏长、或者转轴和接触材质导致的受热不均等。我们需要结合实际情况调整结构设计，结合热工方程重新调整电流和通电时间。 【结构接触】 驱动机构的塑胶结构部件应避免和钛丝接触。 我们在做驱动机构的结构设计过程中，有时存在加强筋或隔离墙的设计，这样的设计可能让结构部件和钛丝有局部接触，因长期或偶尔的接触，导致结构件出现了高温粘连、烧焦的问题。   其中，结构件和钛丝发生粘连，会造成钛丝驱动的时候直接拉长或拉断。 结构件烧焦会造成驱动机构本身局部损坏或带来燃烧的风险。 因此驱动结构材料尽量采用耐高温材料，或尽量避免和驱动钛丝的接触。 【均热隔离】 有时候驱动机构无法避免和钛丝局部接触的情况下，需要做均匀的隔热处理。 例如采用高温胶布，高温胶纸，耐高温塑胶件，让其均匀和钛丝做全面接触，或和钛丝的隔离距离保持均匀一致。   然后，我们可以根据隔热材质的特征，适当加大驱动控制的电流或加热的时间。 【材质一致】 驱动机构部件选择同一材质，避免不同材质给钛丝带来不同的发热和冷却时间。 驱动机构和钛丝存在较大面积接触或距离较近的情况下，我们采用均匀的隔热处理可能会失效，这个时候我们一定要注意接触部分的材质。 例如：驱动机构的钛丝，一部分和塑胶件接触，一部分和金属件接触，我们即使采用了隔热处理，但是金属件的导热系数比较高，导致整体温度难以达到驱动的问题，非常容易造成驱动机构执行不到位或烧坏的情况。   【环境温度的影响】 当我们完成驱动执行机构的设计，还需要考虑环境温度的影响。 当环境温度偏差大于20°的区间，或超过了相变温度范围，往往会出现驱动温度偏低或驱动温度偏高的现象。 这时候，我们需要介入电路设计和软件控制，对环境温度施加闭环控制来消除环境温度的偏差带来的驱动温度的影响。（这个问题我们后面会在电路设计和软件控制中讲解）   为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，财哥制作整理了包括 《财哥说钛丝视频》 《SMA常见电路控制方案》 《电驱动钛丝（SMA）计算模型》 《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》 《电驱动钛丝（SMA）常见十大结构模型》 等系列资源供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏转发！   钛丝科技   出品 作者 财哥说钛丝

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前言 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝。本文研究的是钛丝驱动技术，通过电来驱动钛丝的可靠性设计，方便大家在机械电子工业应用等领域快速有效的转化为科技成果。   第5节  位移设计 关于驱动钛丝的可靠性设计，位移设计同样非常的重要，它反映了工业化产品的控制稳定性和寿命。接下来，我们将位移设计从以下几个方面来阐述： 钛丝的0点位置设计 在上一节力量设计中，我们提到了初始载荷的恢复不到位的情况。这就是我们在实际应用过程中经常出现的问题，0%的位置和初始载荷的大小存在的0点漂移现象，初始载荷越大，0点漂移值越大（如下表： X坐标是初始载荷g ，Y坐标是钛丝收缩率5%对应的位移量5mm）。   我们以规格：∅0.15mm，长度100mm为例，结合表5《表5钛丝通电加热收缩力计算表》，我们提供的初始载荷是128g，那么钛丝的0点位置就会漂移到-0.4mm位置。钛丝被拉长了0.4mm，那么它的驱动位移量，还是5mm，只是整体往后移动了0.4mm。   所以我们在结构设计当中，需要考虑钛丝的0点位移的漂移补偿设计。 不然的话，我们设计出来的驱动机构，就会出现只有4.5%的驱动位移量，损失了0.4mm的驱动位移量。 当然，我们也可以把预设的长度100mm的钛丝，换成长度99.6mm的钛丝，这样我们可以得到4.95mm的最大位移量。 钛丝的终点位置设计 我们通过试验验证，钛丝驱动收缩位移量和寿命是反比关系。在额定载荷的前提下，在老化测试中驱动次数越多，钛丝驱动位移逐渐衰减。以0.15mm的钛丝的测试数据为例（见下图）： X坐标是老化次数（万次），Y坐标是钛丝收缩率5%对应的位移量5mm   由于这根钛丝经历了漫长的反复伸缩，发生了疲劳性的拉长现象。 可以理解为： 规格：∅0.15mm，长度100mm 已经改变成了 规格：∅0.145mm，长度100.5mm 这根钛丝的基本特性还是存在的，且物理参数指标保持不变。 所以，我们在位移设计的过程中，需要结合我们产品的实际寿命需要，选择合适的收缩率。 例如： 产品驱动寿命需求1000万次，设计驱动位移量控制在1-2%的收缩率指标位置； 产品驱动寿命需求50万-100万次，设计驱动位移量控制在3-4%的收缩率指标位置； 产品驱动寿命需求小于100次，设计驱动位移量控制到最大至5%的收缩率指标位置。 钛丝驱动位移设计常见结构模型 很多的情况下，我们都可能会发现我们的驱动位移量不够，在钛丝的合适收缩率情况下增加位移的结构模型有很多。 例1：杠杆结构 我们采用直线形态的钛丝驱动杠杆，直线钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量，通过1:1.25的杠杆比例，让驱动位移达到5mm的效果。     例2：琴弦结构 我们采用多个直线形态的钛丝错位叠加，钛丝和钛丝之间采用传动的滑块相互连接，钛丝越多，驱动位移越大。 例如3根直线钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量，每根钛丝产生4mm的驱动位移，3根钛丝让驱动位移达到12mm的效果。   例3：三角函数结构 我们将一根钛丝，两端固定，中间作为驱动点，钛丝的驱动点和固定点形成三角函数关系，我们可以利用勾股定理得到类似杠杆的放大效果，得到更大的驱动位移量。 当sinA=0.4时，钛丝的直线驱动方向的位移量是驱动点的方向的1:3倍关系，钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量4mm，在驱动点的方向，我们会获得12mm的驱动位移量。   例4：U型+三角复合结构 为了满足空间布局，同时又要满足位移量和力量的需求，我们可以采用U型驱动和三角函数驱动的组合驱动形态，获得最大位移量的同时，又获得了最大化的力量。 当sinA=0.4且复合结构的每段长度相同时，钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量4mm，在驱动点的方向，我们获得了7mm的驱动位移量和2倍的驱动力量。     位移设计常见问题 （1）驱动位移不足：比如设计要驱动4mm位移，但实际应用中只有3.5mm，一般是执行力量超标导致，调整执行力量即可（参考第4节力量设计）。 （2）冷却恢复不到位：一般是没有初始载荷，或初始载荷偏低，或者未考虑0点漂移现象（参考本节第1条）。 （3）寿命偏短：前几千次能正常驱动，几千次后驱动不到位，这种情况一般是执行力量超标、驱动余量不足（参考第4节力量设计）、设计驱动位移量偏大（参考本节第2条）。 （4）位移需求量不足：位移需求缺口较大的情况下，可以通过需结构设计处理（参考本节第3条）。   为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，我们制作了包括《财哥说钛丝》、《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》、《SMA基础参数计算模型》、《SMA常见10大结构模型》等系列视频和文章供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏！ 钛丝科技   出品 作者 财哥说钛丝

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发表了主题帖： 驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（4） 力量设计

前言 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、镍钛记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，这里我们方便描述，简称钛丝或者驱动钛丝。 第4节  力量设计 关于驱动钛丝的可靠性设计，前文我们已经讲过了钛丝的选型和适配、不同厂家的钛丝区别、响应时间的设计，本节我们来讨论驱动钛丝的机械结构设计第二个要点，力量设计。 为了方便描述，我们先做如下定义： 钛丝驱动力，钛丝通电后产生的收缩力：Fq 钛丝应变力，钛丝未通电前自身的应力：F0 初始载荷力，提前给钛丝配置的初始拉力：F1 钛丝执行后的载荷力量：F2 驱动机构的阻力：Fn 外在因素带来的阻力：Fnn 驱动余量：∆Fq 钛丝的初始荷载力     案例：某产品应用了最简单的直线结构的钛丝驱动，按照《SMA基础模型》的表5《表5钛丝通电加热收缩力计算表》，将钛丝驱动力量F控制大约315g，产品投入市场后，故障频发，经常发生执行机构冷却不能恢复到位的情况。经过对产品拆解后发现，该直线结构下的驱动的初始载荷力F1设置为0。     后调整了产品设计，将钛丝的初始载荷力F1从0调整至128g，上述故障消失。     在上述直线驱动模型中，一端固定，另一端挂上弹簧作为初始载荷力F1，这个弹簧需要满足钛丝的初始载荷力F1大于或等于钛丝应变力F0 即：F1≥F0 这样就能确保钛丝获得100%的双向恢复特性和适当的恢复速度，在断电冷却后能快速恢复到原位。 如果未能设置这个初始荷载力，或设置的初始荷载力不足，就会发生钛丝冷却后恢复偏慢和不能恢复到原位的情况。 钛丝自身的应变力（屈服强度）大约是71MPa，按照不同的线径计算后得知钛丝应变力F0如下：     各种线径的钛丝初始载荷力必须大于或等于上表红框内的钛丝应变力。 当然，这个初始载荷越大，恢复响应速度越快，同时我们的驱动余量范围会越窄。 驱动机构阻力Fn 根据不同的结构模型，还需要考虑各个转折支点的机构阻力Fn，比如在L型、V型、G型或其他多转轴结构模型中，每增加一个转轴或力量角度小于90°的情况下，都会给驱动机构增加由钛丝的自身应变强度带来的阻力，这个需要我们根据我们的结构模型去计算或测量，再根据结果去适配合适的初始载荷力F1。 以《驱动钛丝（SMA）常见10大结构模型》的G型机构为例：   采用这类驱动机构的情况下，转轴的轴径，我们建议大于钛丝线径的30倍来设计，这样可以降低驱动机构的阻力，也可以降低钛丝在轴向应变带来的损伤。 G型机构模型一般用于空间较小的产品，驱动钛丝经过了3个90度转向，每个转折角产生的结构阻力大约是50g，合计是Fn =150g。 综上，初始荷载力量按此规则设计：F1≥F0+Fn，即F1需略大于F0+Fn。 3、钛丝执行后的载荷力量 在工业设计应用中，一般采用弹簧、扭簧和弹片等作为驱动机构的初始载荷。当驱动机构执行时，初始载荷F1会被压缩、拉伸或形变带来更大的载荷力量变大了，即为执行后的荷载F2。用下列公式表示： F2=F1+∆F1 （也存在通过结构设计呈现完全相反的特殊情形，在此不赘述） 我们在设计这个载荷力量的时候，需要充分考虑其弹性势能随着驱动位移增加带来的增加，并确保F2不能超过钛丝驱动力Fq。最理想的设计方案是，初始载荷随着驱动位移的增加而不变或减小，甚至消失。 但是实际上，我们往往忽视这个问题，导致执行荷载F2超过钛丝驱动的收缩力Fq。即当F2>Fq，执行机构会出现执行不到位的情况。 所以我们必须要保证：F2< Fq。另外，还需考虑驱动机构的阻力Fn和外在因素带来的阻力Fnn。这样，可以得到钛丝驱动可靠运行的前提条件： Fq>F2+Fn + Fnn 4、驱动余量的设计 我们的产品在实际应用过程中，往往会出现外在不可控的因素，阻碍了执行机构的执行，从而造成执行机构损坏。所以我们需要充分考虑外在因素带来的阻力Fnn。 所以，我们需要设计更大的驱动余量 ∆Fq，来满足我们产品的可靠性需求 ∆Fq=Fq-(F2+ Fn + Fnn)>0 力量设计常见问题及总结 钛丝驱动的力量设计不当，容易出现这些问题： （1）初始载荷F1偏低，容易导致驱动机构恢复不到位 （2）初始载荷F1过高，容易导致驱动机构驱动余量∆Fq不足，造成产品批量稳定性不够。 （3）执行后的载荷力量F2高于钛丝的驱动力Fq，容易导致驱动机构执行不到位或寿命偏短。 （4）驱动机构阻力Fn较大，容易导致驱动机构执行响应慢或寿命偏短。 （5）外在因素带来的阻力Fnn过大，导致的∆Fq余量不足，容易出现驱动机构不稳定，时好时坏。 因此，设计合理的初始荷载F1及执行荷载F2，并留足驱动余量∆Fq是钛丝驱动力量设计的核心要点，用公式表示为： (1)F1≥F0+ Fn (2)F2=F1+∆F1 (3)∆Fq=Fq-(F2+ Fn + Fnn)>0 6、如何获取双倍的钛丝驱动力 案例：某产品供电系统为了节能的需要，其设计电流只能驱0.15mm的钛丝，然而这个产品内部的驱动应力需要630g，超过了0.15mm钛丝的最大应力（315g）1倍。这个时候，我们就需要采用《驱动钛丝（SMA）常见10大结构模型》中的U型驱动结构，这个结构可以获得2倍于原钛丝的驱动力。   7、驱动机构失效的可恢复设计 某钛丝驱动的产品在投入使用过程中，存在一个过大的偶发性外在因素带来的阻力Fnn，该阻力远超出钛丝驱动力，且可能导致钛丝驱动结构损坏，这时我们需要设置一个隔离机构，用来保证驱动机构不会被损坏，当这个外在因素带来的阻力Fnn撤销后，驱动机构能够正常完成驱动。 例如：当你要打开门，结果门被强制外力挤压打不开，当强制外力撤销后，门还能够继续打开。 这种情况下，我们可以采用《驱动钛丝（SMA）常见10大结构模型》中的U型隔离驱动：   这个驱动机构的钛丝驱动部件和执行部件采用了驱动分离，这样就可以保护钛丝驱动机构不会因突发外力过大导致损坏。   力量设计还有更多灵活的运用，本文限于篇幅，先说到这里。回顾前文1-3节所述，在做好钛丝的产品选择、选型和适配及时间设计的基础上，做好力量设计，是驱动钛丝的可靠性设计的前提和保障。 后续我们将会进一步讲到驱动钛丝结构设计的位移、空间、接触、模具以及电路设计、生产工艺控制等要点，欢迎各位持续关注。 为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，我们制作了包括《财哥说钛丝》、《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》、《SMA基础参数计算模型》、《SMA常见10大结构模型》等系列视频和文章供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏！ 钛丝科技   出 品 作者  财哥说钛丝

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发表了主题帖： 驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（补1） 补充说明钛丝的作用和控制

本帖最后由 272151979 于 2024-11-19 09:42 编辑 前言 形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、镍钛记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，这里我们方便描述，简称钛丝或者驱动钛丝。 有粉丝反馈，钛丝用在哪里？到底该怎么控制？ 财哥在这里给大家做个补充说明。 控制钛丝让它驱动，实现某个我们想要达到的功能，例如：用手机打开房间的灯、手机的镜头防抖功能、躺在汽车里面享受按摩、让机器人眨眼、煤气公司远程关闭你的气阀、欠费的你被远程断水断电等等。 我们控制钛丝最多的方案就是用电来驱动它，大家可以回过头来看第一节，钛丝的选型和适配中提到的5个公式，财哥用逆向的方式给大家溯源。 1、其中《表5钛丝通电加热收缩力计算表》描述了钛丝的驱动力量参考，它的计算公式是依据金属材料的力学公式，我们带入钛丝的屈服强度值，就可以得到下面的计算结果。   这样，我们的机械结构工程师在做工业产品开发的时候，就可以快速的预估知道，我们该选择的钛丝规格。 2、其中： 《表2钛丝电阻计算表》 《表3钛丝直线位移响应时间/电流关系计算表》 《表4钛丝直线位移响应时间/电流基础参数表》 描述了钛丝的驱动电压、电流、时间的关系式，这个关系式的重点来源于电阻定律和焦耳定律，电子工程师和软件工程师需要的电路设计的时候，就可以有效的根据产品需要来设计产品的供电系统、驱动的电路（后续会详细的讲）、软件的驱动算法等等。       3、其中的《表1钛丝位移形变热功方程模拟计算表》描述了钛丝的本质是通过通电加热，让钛丝从奥氏体状态和马氏体形态的转变，实现驱动的动作。但是因为每个不同的厂家提供的钛丝的相变温度不一样，大家需要根据厂家提供的相变温度域值结合热功方程自己去计算它。   这样，我们的软件工程师才能做到有效精准的驱动控制，例如：驱动手机防抖、云台防抖、位移悬停等等较为复杂的控制。   钛丝科技   出 品 作者  财哥说钛丝