摘? 要: 在對仿蚯蚓機器人蠕動裝置的工作原理及曲線孔電火花加工特點等進行分析研究的基礎(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。

　　關(guān)鍵詞: 曲線孔? 機器人? 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器人，該機器人可加工形狀復(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器人的進給驅(qū)動部件，其進給運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蠕動裝置的運動工作性能主要取決于其機械結(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。

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蠕動裝置前進或后退。機構(gòu)在一個運動周期內(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)機器人的連續(xù)進給。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)具有良好的自動進給調(diào)節(jié)功能，在間隙較大時能驅(qū)動工具電極快速進給，當(dāng)達到正常加工間隙時，減慢進給速度，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)生器主要由三個運算放大器組成，其中運算放大器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)進行了不少的研究工作，但仍沒有取得突破性進展，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，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

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