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仿生曲线孔电火花机器人的研究

2016-11-15 来源：长春工业大学机电工程学院作者：白羽何山

摘要：仿生曲线孔电火花机器人模仿尺蠖运动方式，使用SMA(形状记忆合金)弹簧产生驱动力。实现丈量式的移动。利用流体反冲力，使该机器人能够在加工过程中实现灵活转动，从而加工出设计好的曲线孔。分析了机器人转弯原理，介绍了其驱动方式，结果表明，此种设计使加工液与被加工工件充分接触，及时冲走加工废渣，降低短路与拉弧的概率，提升了加工速度。

关键词：曲线孔形状记忆合金流体反冲力电火花加工

在塑料模具注塑行业中，随着人们对高精度注塑零件需求的增多，对模具精度的要求也更加严格。超精密注塑模具的精度和表面质量达到一定程度后，继续提高其精度和表面质量，注塑零件的整体质量不会得到相应的提升。为了能够继续提高注塑件的质量，精确的温度控制十分重要。现今普遍采用拥有组合曲线孔冷却通道的模具进行生产。但这种模具的冷却道并不圆滑，对模具温度的控制不能达到理想的精度。整体曲线孔冷却道模具与组合曲线孔冷却道模具相比，具有工作寿命长、温度控制精度高及注塑零件质量好等特点[1]，但整体曲线孔冷却道的加工却是一个难点。冷却道的JJn-r往往借助曲线孔电火花加工技术，该技术在超精密注塑等行业中有着广泛的应用前景。

国内外有很多学者对曲线孔加工进行了研究：东京大学的福井雅彦和木下夏夫通过外拉线转弯的方法。设计出了一种鼠型电火花加工方法：三菱电气公司的Akihiro GⅢ等借助SMA弹簧，设计了一种曲线孔电火花加工结构：日本电气通信大学的石田澈和竹内芳美研究出了SMA驱动进给式曲线孑L电火花加工装置；在国内。中国石油大学刘永红等人b圳按照仿生学原理，发明了曲线孔仿生电火花加工机器人。

以上对于曲线孔电火花加工技术的研究。存在着若干问题：加工速率低、加工孔径大、曲线孔深度浅、排屑困难等，不能顺利加工出设计的曲线孔。笔者设计的曲线孑L电火花机器人，对原有的SMA曲线孔加工机器人进行了改进．在加工速率和加工环境上都得到了一定的提升。

1. 仿生机器人加工曲线孔的原理

电火花加工r5-6](EDM)是把加工零件和工具分别作为两个电极。利用电极间脉冲放电产生局部瞬间高温热量，使加工零件金属材料实现熔化、气化，蚀除多余金属材料，使工件达到设计要求和电蚀加工工件的效果。电火花曲线孑L机器人加工原理如图1所示。机器人设计主要有5部分：脉冲电源、加工部分、转弯部分、驱动部分和控制部分。脉冲电源正极接加工机器人头部，负极接到加工零件上。3个喷孔均布在机器人驱动部分前侧，都与机身轴线呈相同夹角。驱动部分动力来源为驱动尾部的两个弹簧，一个为普通弹簧，另一个为SMA弹簧。转弯部分的目的是使机器人实现预定的转弯。使加工轨迹与设定轨迹相符。控制部分要求主要有4条：03收集加工状态与信息，反馈给控制中心；②调整加工液喷口处流量大小，使机器人按照规定轨迹转弯；③控制机器人SMA弹簧，卡住或松开加工孔壁。实现机器人前部或后部机身的固定和前移；④控制尾部SMA弹簧，使之收缩或拉伸而推进机身前部分进给或带动机身后部分向前蠕动。控制部分和机身由导管连接。导管内主要是导线和细导管，细导管负责运送加工液，由3个喷口喷出。

2. 驱动部分的构成及驱动原理

驱动部分的设计灵感来源于尺蠖的运动方式。尺蠖属于无脊椎动物，昆虫纲，鳞翅目，是尺蛾科昆虫幼虫的统称。尺蠖幼虫中间缺少一对足，以“丈量”或“屈伸”样的步态移动，即身体前半部分伸长，再移动身体后半部分使前后部分整体连接移动[7]。笔者设计的机器人前后支撑相当于尺蠖的前后足；用来转弯的万向节，模仿的是尺蠖所缺少的那一对足[引。该仿生机器人与尺蠖运动方式又不完全相同，相同的地方在于向前运动方式基本一致，同为伸长或缩短身体，实现整体的移动．不同处在转弯的方式上，仿生机器人主要依靠流体反冲力产生的力矩来实现身体的扭转。仿生电火花曲线孔机器人结构简图如图2所示。

图2中，机器人加工方向向左，机器人头部为加l电极；加工液喷射孔的喷射方向为斜向前；前支撑、后支撑内部有SMA弹簧，不通电时处于撑紧状态；万向节的主要结构是球副；普通弹簧和尾部SMA弹簧都处于压缩状态，留有一定的预紧力。

整个驱动过程分为5步：①后支撑SMA断电时，3个撑脚处于撑紧状态，与孔壁产生摩擦力，使后支撑固定在当前位置。②前支撑SMA通电，紧抱孑L壁的撑脚松开，固定作用消失。③尾部SMA弹簧通电，由于金属记忆，该SMA弹簧收缩，推动机器人前半部分向前进给，同时前支撑内加工液从3个小孑L中以一定流速喷出，在弹簧弹力和流体反冲力的综合作用下，机器人前部向前蠕动，并实现一定角度的转向。配合电火花头进行加工。④机器人头部加工到极限位置．电火花头部停止放电加工，前支撑SMA断电，撑紧孔壁，机器人前半部分固定。⑤后支撑SMA通电，撑脚松开，后支撑不再起固定作用，此时尾部SMA弹簧断电，普通弹簧逐渐收缩，尾部SMA逐渐伸长，直到两个弹簧弹力大小相等，这一过程中，机器人后半部分机身向前移动。第5步完成后，仿生电火花曲线孔机器人就完成了一个运动周期，之后重新开始执行第一步．如此反复，机器人即可沿着预设路径向前加工。

3.转弯过程中流体反冲力的分析

图2中，结构4是一个万向节，它是实现机器人转弯的必要条件，配合流体反冲力产生的力矩，才能实现转向。图3为喷射孔的空间示意图。