仿生曲線孔（kǒng）電（diàn）火花機器（qì）人的（de）研究（jiū）-機器人-數控（kòng）機床（chuáng）市（shì）場網

您現在的位（wèi）置：機（jī）器人> 技術前（qián）沿> 仿生曲線孔電火花機器人的（de）研究

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（jī）電工程學院作者（zhě）：白羽何山

摘要：仿生曲（qǔ）線孔電火花機器人模（mó）仿尺蠖運動（dòng）方（fāng）式，使用SMA(形（xíng）狀記憶合金)彈簧產生驅（qū）動力（lì）。實現丈量式的移動。利用流體反（fǎn）衝（chōng）力，使該機器人能夠（gòu）在加工過程中實（shí）現靈活轉（zhuǎn）動，從（cóng）而加工出設（shè）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（cǐ）種設計（jì）使加工液與被加工工件（jiàn）充分接觸，及時衝走（zǒu）加工（gōng）廢渣，降低短路與拉弧的概率，提升了加工速度。

關鍵（jiàn）詞：曲線孔形（xíng）狀記憶合金流體反衝力電火花加工

在塑（sù）料模具注塑（sù）行業中，隨著人們對高精度注塑零件需求（qiú）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麵質量達到一定程度後，繼續提（tí）高其精度和表麵質量（liàng），注塑零件的整（zhěng）體（tǐ）質量不會得到（dào）相（xiàng）應的提升。為了（le）能夠繼續（xù）提高注塑件的質量，精確的溫（wēn）度控製十分重要（yào）。現今普（pǔ）遍采用擁有組合曲線孔冷卻通（tōng）道的（de）模具進行生產。但這種模具的冷卻道並不圓滑（huá），對模（mó）具溫度的控製不能達（dá）到理想的精度。整體曲（qǔ）線孔冷（lěng）卻道模具與組合曲線孔冷卻道模具相比（bǐ），具有工作壽命長、溫度（dù）控製精度高及注塑零件質量好等特點[1]，但整體曲線孔（kǒng）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（shù）在超精密注塑等行業中有（yǒu）著廣泛的應（yīng）用前景（jǐng）。

國內外有很多學者對（duì）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（xiàn）轉彎的方法。設計出（chū）了一種鼠型電火花加工方（fāng）法：三菱（líng）電氣公（gōng）司的Akihiro GⅢ等借助SMA彈簧，設計了一種曲線孔電火花（huā）加工結構：日（rì）本電氣通信（xìn）大學的石田澈和竹內芳美研究出了SMA驅動進（jìn）給（gěi）式曲線（xiàn）孑L電火花加工裝置；在國內。中國石油大（dà）學劉永紅等（děng）人（rén）b圳按照仿生學原（yuán）理，發明了曲線孔仿生電火花加工機器人。

以上對於曲線孔電火花（huā）加工技術的研究。存在著若幹問題：加（jiā）工（gōng）速率低、加工孔徑大、曲線孔深度淺、排屑（xiè）困難等（děng），不能順利加工（gōng）出設計的曲線孔。筆（bǐ）者設（shè）計的曲線孑L電火（huǒ）花機器人，對（duì）原有的SMA曲線孔加工機器人進行了改進（jìn）．在（zài）加工速率和加工環（huán）境上（shàng）都（dōu）得到了一定的提升。

1. 仿生機（jī）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（jí）。利用電極間脈衝放電產生局部瞬間高溫熱量，使加（jiā）工零件（jiàn）金屬材料實（shí）現熔化、氣化，蝕除多餘（yú）金屬材料，使工件達（dá）到設計要求和電蝕加工工件的效果。電火花曲線（xiàn）孑L機器人加工（gōng）原理如圖1所示。機器人設計主（zhǔ）要有5部分：脈衝電源、加工部分、轉彎部分（fèn）、驅動部分和控製部分。脈衝電源正極接加工機（jī）器人頭（tóu）部，負極接到加工零件上。3個噴孔均布在機器（qì）人驅動部分前側，都與機身（shēn）軸線（xiàn）呈相同夾（jiá）角。驅動部分動力來源為驅動尾部的兩個彈簧，一（yī）個為普通彈簧，另一個為SMA彈（dàn）簧。轉彎部分（fèn）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。控製部分要求主要有4條：03收集加工狀態與信息，反饋給控製中心；②調整加（jiā）工液噴口處流量大小，使機器人按照規定軌跡轉彎；③控製（zhì）機器人SMA彈簧（huáng），卡住或（huò）鬆開加工孔壁。實現機器人前部或後部機身（shēn）的固定和前移；④控製尾（wěi）部SMA彈簧，使之收縮或拉（lā）伸而推（tuī）進機身前部分進給或（huò）帶動機身後部分向前蠕動。控製部分和機身由導管連接。導管內主要是（shì）導線和細導管，細（xì）導管負責運送加工液，由3個噴口噴出。

2. 驅動部分（fèn）的（de）構成及驅動原（yuán）理

驅（qū）動部分的設計靈感來源於尺蠖的運動方（fāng）式。尺蠖屬於（yú）無脊椎動物（wù），昆蟲綱，鱗翅目，是尺（chǐ）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（shēn）體前半部分（fèn）伸長（zhǎng），再移動身體後（hòu）半部分使前後部分整（zhěng）體連接移動[7]。筆者設計的（de）機器人前後支撐相當於尺蠖的前後足；用來轉（zhuǎn）彎的萬向節，模仿的是尺蠖所缺少（shǎo）的那一對足[引。該仿生機器人與尺蠖運動方式又不完全（quán）相同，相同的地方在於向前運動方式基本（běn）一致，同為伸長或（huò）縮短身體（tǐ），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（yī）靠流（liú）體反衝力產生的力矩來實現身體的扭轉。仿（fǎng）生電火花曲線孔機器人結構簡圖如圖2所示。

圖（tú）2中，機器人（rén）加工方向向（xiàng）左，機器人（rén）頭部為加l電極；加工液噴射（shè）孔的噴射方向為（wéi）斜向前；前支撐、後支（zhī）撐內部（bù）有SMA彈簧，不通電時（shí）處於撐緊狀態；萬向節的主要結構是球副；普通彈簧和尾部SMA彈簧都處於壓縮狀態，留有一定的預緊力。

整個驅動過程分為5步：①後支撐SMA斷電時，3個撐腳處於撐緊狀態，與（yǔ）孔壁（bì）產生摩擦力，使後支撐固定在當前位置。②前支撐SMA通電，緊抱孑L壁的撐腳鬆開，固定作用消失。③尾部SMA彈簧通（tōng）電，由於金屬記憶，該SMA彈簧收（shōu）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（dàn）簧彈力和流體反衝力（lì）的綜合（hé）作用下，機器（qì）人前部向前蠕動，並實現一定角度的轉向。配合電（diàn）火花頭進行加工（gōng）。④機器人頭部加工到極限位置（zhì）．電火花頭部停止放電加工（gōng），前支撐（chēng）SMA斷電，撐緊孔壁，機器（qì）人前半部分固（gù）定。⑤後支撐SMA通電，撐腳鬆開，後支撐不再起固定作用，此時尾部SMA彈簧斷電，普通（tōng）彈簧逐漸收（shōu）縮，尾部SMA逐漸伸長，直到（dào）兩個彈簧（huáng）彈力大小相等，這一過程中，機器人後半（bàn）部分機身向前移（yí）動。第5步完成後，仿生電火花曲線孔機器人就完成了一個運動周期，之後重新開始執行第一步．如此反複，機器人即可沿著預（yù）設路徑向（xiàng）前加工。

3.轉（zhuǎn）彎過程中流體反衝力的分析

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，配合流體反衝力（lì）產生的力（lì）矩，才能實現轉向。圖3為噴射孔的（de）空間示意圖。