摘? 要: 在對(duì)仿蚯蚓機(jī)器人蠕動(dòng)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(jì)出了蠕動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電路" title="驅(qū)動(dòng)電路">驅(qū)動(dòng)電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(jiǎn)單的彎孔，而對(duì)于復(fù)雜的曲線孔則無(wú)能為力，目前曲線孔加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已受到世界許多國(guó)家的高度重視^[2]。作者在理論分析和工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用形狀記憶合金(SMA)功能材料，仿照蚯蚓蠕動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的局部、瞬時(shí)高溫來(lái)蝕除金屬形成曲線孔的。SMA蠕動(dòng)裝置是該曲線孔電火花加工機(jī)器人的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部件，其進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)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(dòng)和檢測(cè)兩部分。本文主要研究驅(qū)動(dòng)電路部分，該驅(qū)動(dòng)電路是采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)設(shè)計(jì)的，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 SMA蠕動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 SMA蠕動(dòng)裝置的工作原理

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

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

　　(2)SMA驅(qū)動(dòng)彈簧收縮，拉動(dòng)后SMA支撐腳前移，同時(shí)壓縮偏壓彈簧;

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

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

　　經(jīng)過(guò)上述四個(gè)節(jié)拍之后，蠕動(dòng)裝置就會(huì)向前蠕動(dòng)一個(gè)步距。如此重復(fù)這一過(guò)程，就會(huì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的連續(xù)進(jìn)給。要想實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)裝置的連續(xù)回退，只需反向執(zhí)行上述動(dòng)作即可。

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1.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原理

　　在曲線孔電火花加工過(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)裝置及其控制系統(tǒng)具有良好的自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)功能，在間隙較大時(shí)能驅(qū)動(dòng)工具電極快速進(jìn)給，當(dāng)達(dá)到正常加工間隙時(shí)，減慢進(jìn)給速度，使其等于或接近加工速度;當(dāng)加工過(guò)程中出現(xiàn)短路時(shí)，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(jì)了如圖2所示的SMA蠕動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電路框圖。計(jì)算機(jī)根據(jù)放電狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)地調(diào)整其輸出的數(shù)字控制信號(hào)，該數(shù)控信號(hào)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(guò)環(huán)形分配電路加在相應(yīng)的SMA驅(qū)動(dòng)元件(主要包括SMA驅(qū)動(dòng)彈簧、前SMA支撐腳和后SMA支撐腳)上，使相應(yīng)的SMA驅(qū)動(dòng)元件產(chǎn)生形狀記憶恢復(fù)變形，從而使SMA蠕動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)進(jìn)給。

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　　脈寬調(diào)制電路是該驅(qū)動(dòng)電路中的一個(gè)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(hào)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(shí)，則比較器輸出信號(hào)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?yàn)檩敵鲭妷旱拿}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(duì)SMA驅(qū)動(dòng)元件的電熱驅(qū)動(dòng)性能的研究結(jié)果表明，其變形速度和變形位移與驅(qū)動(dòng)電流存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系^[5]，因此，在曲線孔電火花加工過(guò)程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整控制電壓Uk，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)SMA蠕動(dòng)裝置的蠕動(dòng)速度和蠕動(dòng)步距等的實(shí)時(shí)控制，使加工過(guò)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(jì)

　　圖4為SMA蠕動(dòng)裝置的脈寬調(diào)制電路原理圖。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并送入比較器與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號(hào)相比較。三角波發(fā)生器主要由三個(gè)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(guò)程如下:

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　　當(dāng)反饋電壓U_F大于給定電壓U_g時(shí)，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(shí)，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(shí)，UB由正飽和電壓變?yōu)樨?fù)飽和電壓，使D₂導(dǎo)通，并通過(guò)D₂對(duì)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(shí)，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(shí)，UA的輸出由負(fù)飽和電壓變?yōu)檎柡碗妷?，并通過(guò)D₁對(duì)C₁充電到U_A的正飽和電壓值，使得輸出電壓U_F又開(kāi)始下降。如此重復(fù)上述過(guò)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(shí)間常數(shù)R₁C₂決定。

　　比較器UD的正輸入端接控制模擬信號(hào)，而負(fù)輸入端接三角波信號(hào)。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(kāi)關(guān)狀態(tài)，即控制SMA蠕動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電壓的開(kāi)關(guān)。當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，VMOS管導(dǎo)通，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)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(shí)，VMOS管截止，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件斷電，并在周?chē)橘|(zhì)下冷卻，其承載能力下降，當(dāng)其承載力小于外作用力時(shí)，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件開(kāi)始隨外作用力變形。電路中，R₂、R₃、C₃、DW1組成的電路對(duì)開(kāi)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(kāi)關(guān)管和形狀記憶合金兩端的反向沖擊電流，對(duì)開(kāi)關(guān)管起保護(hù)作用。圖5為采用該驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)是當(dāng)今電加工界的一個(gè)前沿性課題，已引起世界許多國(guó)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(duì)曲線孔加工技術(shù)進(jìn)行了不少的研究工作，但仍沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，目前人們尚未開(kāi)發(fā)出一種高效實(shí)用的曲線孔加工技術(shù)。為滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)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(kāi)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(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，采用該驅(qū)動(dòng)電路加工出了形狀復(fù)雜的空間曲線孔。

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