摘? 要: 在對仿蚯蚓機(jī)器人蠕動裝置的工作原理及曲線孔電火花加工特點(diǎn)等進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上,，采用脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)計出了蠕動裝置的驅(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路,，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單,、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),。

　　關(guān)鍵詞: 曲線孔? 機(jī)器人? 形狀記憶合金" title="形狀記憶合金">形狀記憶合金?? 脈寬調(diào)制

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　　曲線孔在超精密注塑,、流體機(jī)械與流體傳動等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景^[1],。然而,，現(xiàn)有的加工技術(shù)僅能加工簡單的彎孔,，而對于復(fù)雜的曲線孔則無能為力,，目前曲線孔加工技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已受到世界許多國家的高度重視^[2]。作者在理論分析和工藝試驗的基礎(chǔ)上,，采用形狀記憶合金(SMA)功能材料,，仿照蚯蚓蠕動與撓曲的原理研制出了仿蚯蚓曲線孔電火花加工機(jī)器人，該機(jī)器人可加工形狀復(fù)雜的空間曲線孔^[3～4],。該曲線孔電火花加工技術(shù)是采用工具電極與工件間脈沖性火花放電時產(chǎn)生的局部,、瞬時高溫來蝕除金屬形成曲線孔的。SMA蠕動裝置是該曲線孔電火花加工機(jī)器人的進(jìn)給驅(qū)動部件，其進(jìn)給運(yùn)動性能的好壞直接影響曲線孔電火花加工的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量,。SMA蠕動裝置的運(yùn)動工作性能主要取決于其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路的性能,，控制電路的核心是驅(qū)動和檢測兩部分。本文主要研究驅(qū)動電路部分,，該驅(qū)動電路是采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)設(shè)計的,，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),。

1 SMA蠕動裝置及其驅(qū)動電路的設(shè)計與工作原理

1.1 SMA蠕動裝置的工作原理

　　SMA蠕動裝置的機(jī)構(gòu)圖如圖1所示,。通過改變前、后SMA支撐腳和SMA驅(qū)動彈簧的脈沖電壓的相位關(guān)系,，可以使SMA蠕動裝置前進(jìn)或后退,。機(jī)構(gòu)在一個運(yùn)動周期內(nèi)分為如下4個節(jié)拍:

　　(1)后SMA支撐腳收縮與孔壁脫開，前SMA支撐腳在孔內(nèi)脹緊不動;

　　(2)SMA驅(qū)動彈簧收縮,，拉動后SMA支撐腳前移,，同時壓縮偏壓彈簧;

　　(3)后SMA支撐腳在孔內(nèi)脹緊不動，前SMA支撐腳收縮與孔壁脫開;

　　(4)SMA驅(qū)動彈簧卸載,，使其拉力小于偏壓彈簧,，由偏壓彈簧推動前SMA支撐腳向前移動。

　　經(jīng)過上述四個節(jié)拍之后,，蠕動裝置就會向前蠕動一個步距,。如此重復(fù)這一過程，就會實現(xiàn)機(jī)器人的連續(xù)進(jìn)給,。要想實現(xiàn)蠕動裝置的連續(xù)回退,，只需反向執(zhí)行上述動作即可。

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1.2 驅(qū)動電路的設(shè)計原理

　　在曲線孔電火花加工過程中要求工具與被加工表面間經(jīng)常保持一定的放電間隙,，這一間隙隨加工條件而定,，通常為0.01～0.1mm。如果間隙過大,，極間電壓不能擊穿極間介質(zhì),，因而不能產(chǎn)生火花放電;如果間隙過小，很容易引起短路接觸,，同樣也不能產(chǎn)生火花放電,。這就要求工具電極驅(qū)動裝置及其控制系統(tǒng)具有良好的自動進(jìn)給調(diào)節(jié)功能，在間隙較大時能驅(qū)動工具電極快速進(jìn)給,，當(dāng)達(dá)到正常加工間隙時,，減慢進(jìn)給速度，使其等于或接近加工速度;當(dāng)加工過程中出現(xiàn)短路時,，工具電極快速回退,，消除短路后,，再重新進(jìn)給，調(diào)節(jié)到所需的放電間隙,。根據(jù)上述要求設(shè)計了如圖2所示的SMA蠕動裝置的驅(qū)動電路框圖,。計算機(jī)根據(jù)放電狀態(tài)檢測信號實時地調(diào)整其輸出的數(shù)字控制信號，該數(shù)控信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端,，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波,，經(jīng)過環(huán)形分配電路加在相應(yīng)的SMA驅(qū)動元件(主要包括SMA驅(qū)動彈簧、前SMA支撐腳和后SMA支撐腳)上,，使相應(yīng)的SMA驅(qū)動元件產(chǎn)生形狀記憶恢復(fù)變形,，從而使SMA蠕動裝置實現(xiàn)蠕動進(jìn)給。

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　　脈寬調(diào)制電路是該驅(qū)動電路中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),，圖3為脈寬調(diào)制電路的工作原理圖,。三角波" title="三角波">三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號U△加在比較器" title="比較器">比較器的反向輸入端，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的控制電壓Uk加在比較器的正向輸入端,。當(dāng)U_ko為低電平，而當(dāng)U_k>U△時,，則比較器輸出信號U_o為高電平,。輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓U_o的脈沖寬度取決于控制電壓Uk的大小,，U_k越大,，則輸出電壓U_o的脈沖寬度也就越寬，只要三角波的線性好,，則輸出電壓的脈沖寬度與控制電壓U_k成很好的線性關(guān)系,。因為輸出電壓的脈沖頻率等于三角波的頻率，因而輸出電壓的平均值也與控制電壓Uk成很好的線性關(guān)系,。對SMA驅(qū)動元件的電熱驅(qū)動性能的研究結(jié)果表明,，其變形速度和變形位移與驅(qū)動電流存在一一對應(yīng)的關(guān)系^[5]，因此,，在曲線孔電火花加工過程中,，計算機(jī)根據(jù)檢測信號實時調(diào)整控制電壓Uk，就可實現(xiàn)對SMA蠕動裝置的蠕動速度和蠕動步距等的實時控制,，使加工過程穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)行下去,。

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2 脈寬調(diào)制電路的設(shè)計

　　圖4為SMA蠕動裝置的脈寬調(diào)制電路原理圖。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832將計算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,，并送入比較器與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號相比較,。三角波發(fā)生器主要由三個運(yùn)算放大器組成，其中運(yùn)算放大器U_A,、U_B組成正,、負(fù)峰值檢波器,，U_C組成積分電路。三角波形成過程如下:

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　　當(dāng)反饋電壓U_F大于給定電壓U_g時,，UA輸出高電平,，使二極管D₁導(dǎo)通，電容C₁上保持運(yùn)算放大器UA的正飽和電壓,。經(jīng)積分器U_C積分后,，輸出電壓UF按一定的速率下降。當(dāng)U_F小于U_g并大于零時,，UA輸出為負(fù)飽和電壓,，UB輸出為正飽和電壓，二極管D₁,、D₂均處于截止?fàn)顟B(tài),。而當(dāng)UF繼續(xù)下降到等于或小于零時，UB由正飽和電壓變?yōu)樨?fù)飽和電壓,，使D₂導(dǎo)通,，并通過D₂對C₁反向充電到U_B的負(fù)飽和電壓值。積分器U_C反向積分,，使UF再按一定速率逐漸上升,。當(dāng)U_F上升到大于零時，D₁,、D₂又處于截止?fàn)顟B(tài),，C₁保持U_B的負(fù)飽和電壓值使UF繼續(xù)上升。當(dāng)U_F上升到等于或大于U_g時,，UA的輸出由負(fù)飽和電壓變?yōu)檎柡碗妷?，并通過D₁對C₁充電到U_A的正飽和電壓值，使得輸出電壓U_F又開始下降,。如此重復(fù)上述過程,，就可在UC輸出端得到正、負(fù)斜率相同的正值三角波,。該三角波發(fā)生器電路具有很好的線性和振幅穩(wěn)定性,。C₁為保持電容，三角波的振幅取決于給定電壓U_g,，而三角波斜率和振蕩頻率則由時間常數(shù)R₁C₂決定,。

　　比較器UD的正輸入端接控制模擬信號，而負(fù)輸入端接三角波信號,。比較器輸出端電平由正,、負(fù)輸入的比較結(jié)果決定，并控制VMOS功率管BUZ384的開關(guān)狀態(tài),，即控制SMA蠕動裝置的驅(qū)動電壓的開關(guān),。當(dāng)比較器輸出高電平時,，VMOS管導(dǎo)通，形狀記憶合金驅(qū)動元件通電加熱,，其內(nèi)部進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變,，產(chǎn)生記憶恢復(fù)變形。當(dāng)比較器輸出低電平時,，VMOS管截止,，形狀記憶合金驅(qū)動元件斷電，并在周圍介質(zhì)下冷卻,，其承載能力下降,，當(dāng)其承載力小于外作用力時，形狀記憶合金驅(qū)動元件開始隨外作用力變形,。電路中,，R₂、R₃,、C₃,、DW1組成的電路對開關(guān)管的控制輸入進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓，而大功率二極管D3和電容C4用于釋放開關(guān)管和形狀記憶合金兩端的反向沖擊電流,，對開關(guān)管起保護(hù)作用,。圖5為采用該驅(qū)動電路在45#鋼上加工出的一種平面曲線孔剖面的照片。

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　　曲線孔電火花加工技術(shù)的研究與開發(fā)是當(dāng)今電加工界的一個前沿性課題,，已引起世界許多國家的高度重視,。盡管目前科研人員從結(jié)構(gòu)到控制原理上對曲線孔加工技術(shù)進(jìn)行了不少的研究工作，但仍沒有取得突破性進(jìn)展,，目前人們尚未開發(fā)出一種高效實用的曲線孔加工技術(shù),。為滿足現(xiàn)代工業(yè)對曲線孔加工日益增多的需求和促進(jìn)超精密注塑工業(yè)的快速發(fā)展,，人們應(yīng)加快曲線孔電火花加工技術(shù)的研究與開發(fā)步伐,。本文采用脈寬調(diào)制技術(shù)研制出的仿蚯蚓曲線孔電火花加工機(jī)器人蠕動裝置驅(qū)動電路具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),，采用該驅(qū)動電路加工出了形狀復(fù)雜的空間曲線孔,。

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參考文獻(xiàn)

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