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仿生曲線孔電火花機器人的研究

2016-11-15 來源：長春工業大學機電工程學院作者：白羽何山

摘要：仿生曲線孔電火花機器人模仿尺蠖運動方式，使用SMA(形狀記憶合金)彈簧產生驅動力。實現丈量式的移動。利用流體反沖力，使該機器人能夠在加工過程中實現靈活轉動，從而加工出設計好的曲線孔。分析了機器人轉彎原理，介紹了其驅動方式，結果表明，此種設計使加工液與被加工工件充分接觸，及時沖走加工廢渣，降低短路與拉弧的概率，提升了加工速度。

關鍵詞：曲線孔形狀記憶合金流體反沖力電火花加工

在塑料模具注塑行業中，隨著人們對高精度注塑零件需求的增多，對模具精度的要求也更加嚴格。超精密注塑模具的精度和表面質量達到一定程度后，繼續提高其精度和表面質量，注塑零件的整體質量不會得到相應的提升。為了能夠繼續提高注塑件的質量，精確的溫度控制十分重要。現今普遍采用擁有組合曲線孔冷卻通道的模具進行生產。但這種模具的冷卻道并不圓滑，對模具溫度的控制不能達到理想的精度。整體曲線孔冷卻道模具與組合曲線孔冷卻道模具相比，具有工作壽命長、溫度控制精度高及注塑零件質量好等特點[1]，但整體曲線孔冷卻道的加工卻是一個難點。冷卻道的JJn-r往往借助曲線孔電火花加工技術，該技術在超精密注塑等行業中有著廣泛的應用前景。

國內外有很多學者對曲線孔加工進行了研究：東京大學的福井雅彥和木下夏夫通過外拉線轉彎的方法。設計出了一種鼠型電火花加工方法：三菱電氣公司的Akihiro GⅢ等借助SMA彈簧，設計了一種曲線孔電火花加工結構：日本電氣通信大學的石田澈和竹內芳美研究出了SMA驅動進給式曲線孑L電火花加工裝置；在國內。中國石油大學劉永紅等人b圳按照仿生學原理，發明了曲線孔仿生電火花加工機器人。

以上對于曲線孔電火花加工技術的研究。存在著若干問題：加工速率低、加工孔徑大、曲線孔深度淺、排屑困難等，不能順利加工出設計的曲線孔。筆者設計的曲線孑L電火花機器人，對原有的SMA曲線孔加工機器人進行了改進．在加工速率和加工環境上都得到了一定的提升。

1. 仿生機器人加工曲線孔的原理

電火花加工r5-6](EDM)是把加工零件和工具分別作為兩個電極。利用電極間脈沖放電產生局部瞬間高溫熱量，使加工零件金屬材料實現熔化、氣化，蝕除多余金屬材料，使工件達到設計要求和電蝕加工工件的效果。電火花曲線孑L機器人加工原理如圖1所示。機器人設計主要有5部分：脈沖電源、加工部分、轉彎部分、驅動部分和控制部分。脈沖電源正極接加工機器人頭部，負極接到加工零件上。3個噴孔均布在機器人驅動部分前側，都與機身軸線呈相同夾角。驅動部分動力來源為驅動尾部的兩個彈簧，一個為普通彈簧，另一個為SMA彈簧。轉彎部分的目的是使機器人實現預定的轉彎。使加工軌跡與設定軌跡相符。控制部分要求主要有4條：03收集加工狀態與信息，反饋給控制中心；②調整加工液噴口處流量大小，使機器人按照規定軌跡轉彎；③控制機器人SMA彈簧，卡住或松開加工孔壁。實現機器人前部或后部機身的固定和前移；④控制尾部SMA彈簧，使之收縮或拉伸而推進機身前部分進給或帶動機身后部分向前蠕動。控制部分和機身由導管連接。導管內主要是導線和細導管，細導管負責運送加工液，由3個噴口噴出。

2. 驅動部分的構成及驅動原理

驅動部分的設計靈感來源于尺蠖的運動方式。尺蠖屬于無脊椎動物，昆蟲綱，鱗翅目，是尺蛾科昆蟲幼蟲的統稱。尺蠖幼蟲中間缺少一對足，以“丈量”或“屈伸”樣的步態移動，即身體前半部分伸長，再移動身體后半部分使前后部分整體連接移動[7]。筆者設計的機器人前后支撐相當于尺蠖的前后足；用來轉彎的萬向節，模仿的是尺蠖所缺少的那一對足[引。該仿生機器人與尺蠖運動方式又不完全相同，相同的地方在于向前運動方式基本一致，同為伸長或縮短身體，實現整體的移動．不同處在轉彎的方式上，仿生機器人主要依靠流體反沖力產生的力矩來實現身體的扭轉。仿生電火花曲線孔機器人結構簡圖如圖2所示。

圖2中，機器人加工方向向左，機器人頭部為加l電極；加工液噴射孔的噴射方向為斜向前；前支撐、后支撐內部有SMA彈簧，不通電時處于撐緊狀態；萬向節的主要結構是球副；普通彈簧和尾部SMA彈簧都處于壓縮狀態，留有一定的預緊力。

整個驅動過程分為5步：①后支撐SMA斷電時，3個撐腳處于撐緊狀態，與孔壁產生摩擦力，使后支撐固定在當前位置。②前支撐SMA通電，緊抱孑L壁的撐腳松開，固定作用消失。③尾部SMA彈簧通電，由于金屬記憶，該SMA彈簧收縮，推動機器人前半部分向前進給，同時前支撐內加工液從3個小孑L中以一定流速噴出，在彈簧彈力和流體反沖力的綜合作用下，機器人前部向前蠕動，并實現一定角度的轉向。配合電火花頭進行加工。④機器人頭部加工到極限位置．電火花頭部停止放電加工，前支撐SMA斷電，撐緊孔壁，機器人前半部分固定。⑤后支撐SMA通電，撐腳松開，后支撐不再起固定作用，此時尾部SMA彈簧斷電，普通彈簧逐漸收縮，尾部SMA逐漸伸長，直到兩個彈簧彈力大小相等，這一過程中，機器人后半部分機身向前移動。第5步完成后，仿生電火花曲線孔機器人就完成了一個運動周期，之后重新開始執行第一步．如此反復，機器人即可沿著預設路徑向前加工。

3.轉彎過程中流體反沖力的分析

圖2中，結構4是一個萬向節，它是實現機器人轉彎的必要條件，配合流體反沖力產生的力矩，才能實現轉向。圖3為噴射孔的空間示意圖。