新型曲線孔電火花機(jī)器人的研究

白 羽，何 山

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，電火花加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在塑料模具注塑行業(yè)中，曲線孔的加工需求不斷增加,基于電火花加工技術(shù)的特點(diǎn)，恰好能夠應(yīng)用其中。曲線孔加工技術(shù)在超精密注塑等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。有研究表明，超精密注塑模具的精度和表面質(zhì)量到達(dá)一定程度后，即使繼續(xù)提高其精度和表面質(zhì)量，注塑零件的整體質(zhì)量不會(huì)得到相應(yīng)的提升。而加強(qiáng)注塑模具溫度精度的控制卻對(duì)注塑質(zhì)量的提升有很重要的影響，現(xiàn)今逐漸得到人們的重視。其中提高模具溫度控制精度的有效方法之一是在模具上設(shè)置合適的曲線孔冷卻道。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中通常使用若干直孔組合的辦法，但是如此行成的冷卻道往往是不圓滑的，對(duì)模具溫度的控制不能達(dá)到很高的精度。整體曲線孔冷卻道的模具與組合冷卻道模具相比，具有工作壽命長(zhǎng)、溫度控制精度高及注塑零件質(zhì)量好等特點(diǎn)[2]。因此，曲線孔加工就具有十分重要的意義。然而對(duì)現(xiàn)有加工技術(shù)來(lái)說(shuō)，存在諸多問(wèn)題：加工速度慢，生產(chǎn)效率低，曲線孔孔徑較大等等，很難加工出復(fù)雜的空間曲線孔。本文設(shè)計(jì)的曲線孔電火花機(jī)器人，對(duì)原有的SMA曲線孔加工機(jī)器人進(jìn)行了改進(jìn)，在加工速率和加工環(huán)境上都得到了一定提升。

1 電火花機(jī)器人加工曲線孔的原理

電火花放電加工[3,4]（EDM）是分別把工件和工具制作成兩個(gè)電極，利用兩極間脈沖火花放電產(chǎn)生的熱能，熔化、蒸發(fā)和拋出工件電極材料，達(dá)到加工工件的目的。電火花曲線孔機(jī)器人加工原理圖如圖1所示。機(jī)器人由四部分組成：加工部分，轉(zhuǎn)彎部分，驅(qū)動(dòng)部分和控制部分。脈沖電源正極接加工部分，即電火花頭部，負(fù)極接到工件上。這樣既能獲得較好的加工速度，又能降低工具電極的損耗。三個(gè)加工液噴孔在驅(qū)動(dòng)部分前部，均勻分布并與機(jī)身軸線呈相同角度。驅(qū)動(dòng)部分主要依賴加工液流體反沖力，使得機(jī)器人緩慢向前蠕動(dòng)。轉(zhuǎn)彎部分能夠使機(jī)器人較為靈活的轉(zhuǎn)彎?？刂撇糠忠笥腥?。其一是收集加工狀態(tài)與信息，反饋給控制中心，其二是控制加工液流量大小，實(shí)現(xiàn)合適的進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)彎，其三個(gè)是控制機(jī)器人SMA[5]彈簧卡住或松開(kāi)加工孔壁，實(shí)現(xiàn)局部機(jī)身的靜止和移動(dòng)?？刂撇糠趾蜋C(jī)身由導(dǎo)管連接，導(dǎo)管內(nèi)部有較細(xì)的銅導(dǎo)線和細(xì)小導(dǎo)管，細(xì)小導(dǎo)管負(fù)責(zé)運(yùn)送加工液。

圖1 加工原理圖

2 驅(qū)動(dòng)部分的構(gòu)成及驅(qū)動(dòng)原理

驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)主要來(lái)源于尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式。尺蠖屬于無(wú)脊椎動(dòng)物，昆蟲(chóng)綱，鱗翅目，尺蛾科昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)的統(tǒng)稱。幼蟲(chóng)中間缺少一對(duì)足，以“丈量”或“屈伸”樣的步態(tài)移動(dòng)。即身體前半部分伸長(zhǎng)，再移動(dòng)身體后半部分使前后部分部相接觸[6]。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人前后支撐SMA相當(dāng)于尺蠖的前后足，用來(lái)轉(zhuǎn)彎的萬(wàn)向節(jié)，模仿的是尺蠖所卻少的那一對(duì)足[7,8]。不同之處在于機(jī)器人動(dòng)力來(lái)源是液體反沖力驅(qū)動(dòng)，尺蠖的能量源是生物能。電火花曲線孔機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程分為5步：1）后支撐SMA通電，使其產(chǎn)生記憶形變，三個(gè)撐腳向外擴(kuò)張，在孔壁摩擦力的作用下，后支撐固定在當(dāng)前位置。2）前支撐SMA斷電，撐腳松開(kāi)，此時(shí)前支撐不在與孔壁相互撐緊，固定作用消失。3）前支撐內(nèi)加工液從三個(gè)小孔排出，在流體反沖力的作用下，機(jī)器人前部緩慢向前蠕動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)向，同時(shí)配合電火花頭進(jìn)行加工，此時(shí)尾部的彈簧處于壓縮狀態(tài)。4）機(jī)器人頭部加工到極限位置，保持三個(gè)噴孔噴射狀態(tài)，前支撐SMA通電，撐緊孔壁，機(jī)器人前半部分固定，三個(gè)噴射孔停止噴射加工業(yè)液。5）后支撐SMA斷電，撐腳松開(kāi)，后支撐不再起固定作用，在尾部彈簧回復(fù)力的作用下，向前移動(dòng)。

當(dāng)?shù)谖宀酵瓿珊螅娀鸹ㄇ€孔機(jī)器人完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，又重新開(kāi)始執(zhí)行第一步，如此往復(fù)，機(jī)器人便可不斷循著規(guī)定路徑向前蠕動(dòng)，完成指定的加工任務(wù)。

3 轉(zhuǎn)彎裝置及原理

圖2中結(jié)構(gòu)4是一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的基礎(chǔ)，配合轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)力，才能實(shí)現(xiàn)正常的轉(zhuǎn)向。

如圖3所示的空間坐標(biāo)系xyz，圓O位于x軸y軸所在平面，其中ABC三點(diǎn)為圓O的三等分點(diǎn)。A點(diǎn)同時(shí)也是x軸與圓O的交點(diǎn)。ABC三點(diǎn)表示三個(gè)噴射口，箭頭方向即為加工液噴射方向，他們的反向延長(zhǎng)線交與一點(diǎn)S，SA，SB和SC與z軸夾角同為θ。

圖3 噴射孔空間示意圖

機(jī)器人所受空間推進(jìn)力如圖4所示。加工液噴射時(shí)，三個(gè)噴射孔會(huì)產(chǎn)生三個(gè)沖力，分別是。把這三個(gè)力分解，z軸方向分別為，沿著xy平面分解為。設(shè)機(jī)器人向z軸方向的推進(jìn)力為，則：

圖4 空間推進(jìn)力示意圖

另設(shè)x軸y軸所在平面合力為 ，三個(gè)力相加：

4 結(jié)論

新型電火花曲線孔機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：

1）應(yīng)用仿生技術(shù)，通過(guò)SMA彈簧，模仿尺蠖蠕動(dòng)過(guò)程；

2）設(shè)計(jì)了一種噴射驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，改善了電火花曲線孔加工環(huán)境，更利于加工碎屑的排出，降低拉弧短路機(jī)率；

3）通過(guò)加工液產(chǎn)生的反沖力，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人空間轉(zhuǎn)向功能；

新型電火花曲線孔機(jī)器人改善了曲線孔加工環(huán)境，提高了曲線孔加工的效率，能夠完成較為復(fù)雜的曲線孔的加工，但若要提高加工精度，還需要進(jìn)一步理論研究和實(shí)踐。

[1] Akihiro Goto,Masahikofukui,natsuokinoshita.MOLE[J].EDM, 1994(01).

[2] Fukui M.KinoshitaN.Developing a Mole Electric Discharge Digging Machining[J].Annals of the CIRP,1989,38(01)：203-206.

[3] 劉志東.電火花加工工藝及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2011：4.5.

[4] 趙萬(wàn)生.電火花加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000：19.

[5] 史偉.基于SMA驅(qū)動(dòng)的仿蚯蚓蠕動(dòng)式微型管道機(jī)器人的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

[6] Hirose S. Biologically Inspired Robots： Snake-Like Locomotors and Manipulators[M]. New York ： Oxford. University Press.1993.

[7] 石田澈;竹內(nèi)芳美.自走式放電加工機(jī)構(gòu)進(jìn)行曲線孔加工[J]. 1999(02).

[8] 簡(jiǎn)小剛,王葉鋒,楊鵬春,等.基于蚯蚓蠕動(dòng)機(jī)理的仿生機(jī)器人研究進(jìn)展[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2012,10(3)：359-363.