新型曲線孔電火花機器人的研究

白 羽，何 山

（長春工業大學 機電工程學院，長春 130012）

0 引言

隨著科技的不斷發展，電火花加工技術得到了廣泛的應用。在塑料模具注塑行業中，曲線孔的加工需求不斷增加,基于電火花加工技術的特點，恰好能夠應用其中。曲線孔加工技術在超精密注塑等行業中有著廣泛的應用前景[1]。有研究表明，超精密注塑模具的精度和表面質量到達一定程度后，即使繼續提高其精度和表面質量，注塑零件的整體質量不會得到相應的提升。而加強注塑模具溫度精度的控制卻對注塑質量的提升有很重要的影響，現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置合適的曲線孔冷卻道。實際工業生產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，對模具溫度的控制不能達到很高的精度。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、溫度控制精度高及注塑零件質量好等特點[2]。因此，曲線孔加工就具有十分重要的意義。然而對現有加工技術來說，存在諸多問題：加工速度慢，生產效率低，曲線孔孔徑較大等等，很難加工出復雜的空間曲線孔。本文設計的曲線孔電火花機器人，對原有的SMA曲線孔加工機器人進行了改進，在加工速率和加工環境上都得到了一定提升。

1 電火花機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電極，利用兩極間脈沖火花放電產生的熱能，熔化、蒸發和拋出工件電極材料，達到加工工件的目的。電火花曲線孔機器人加工原理圖如圖1所示。機器人由四部分組成：加工部分，轉彎部分，驅動部分和控制部分。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。三個加工液噴孔在驅動部分前部，均勻分布并與機身軸線呈相同角度。驅動部分主要依賴加工液流體反沖力，使得機器人緩慢向前蠕動。轉彎部分能夠使機器人較為靈活的轉彎。控制部分要求有三。其一是收集加工狀態與信息，反饋給控制中心，其二是控制加工液流量大小，實現合適的進給速度和轉彎，其三個是控制機器人SMA[5]彈簧卡住或松開加工孔壁，實現局部機身的靜止和移動。控制部分和機身由導管連接，導管內部有較細的銅導線和細小導管，細小導管負責運送加工液。

圖1 加工原理圖

2 驅動部分的構成及驅動原理

驅動部分的設計主要來源于尺蠖的運動方式。尺蠖屬于無脊椎動物，昆蟲綱，鱗翅目，尺蛾科昆蟲幼蟲的統稱。幼蟲中間缺少一對足，以“丈量”或“屈伸”樣的步態移動。即身體前半部分伸長，再移動身體后半部分使前后部分部相接觸[6]。本文設計的機器人前后支撐SMA相當于尺蠖的前后足，用來轉彎的萬向節，模仿的是尺蠖所卻少的那一對足[7,8]。不同之處在于機器人動力來源是液體反沖力驅動，尺蠖的能量源是生物能。電火花曲線孔機器人結構簡圖如圖2所示。

圖2 機器人結構簡圖

整個驅動過程分為5步：1）后支撐SMA通電，使其產生記憶形變，三個撐腳向外擴張，在孔壁摩擦力的作用下，后支撐固定在當前位置。2）前支撐SMA斷電，撐腳松開，此時前支撐不在與孔壁相互撐緊，固定作用消失。3）前支撐內加工液從三個小孔排出，在流體反沖力的作用下，機器人前部緩慢向前蠕動，并實現一定角度的轉向，同時配合電火花頭進行加工，此時尾部的彈簧處于壓縮狀態。4）機器人頭部加工到極限位置，保持三個噴孔噴射狀態，前支撐SMA通電，撐緊孔壁，機器人前半部分固定，三個噴射孔停止噴射加工業液。5）后支撐SMA斷電，撐腳松開，后支撐不再起固定作用，在尾部彈簧回復力的作用下，向前移動。

當第五步完成后，電火花曲線孔機器人完成一個運動周期，又重新開始執行第一步，如此往復，機器人便可不斷循著規定路徑向前蠕動，完成指定的加工任務。

3 轉彎裝置及原理

圖2中結構4是一個萬向節，該結構的設計是機器人實現轉彎的基礎，配合轉彎驅動力，才能實現正常的轉向。

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

圖3 噴射孔空間示意圖

機器人所受空間推進力如圖4所示。加工液噴射時，三個噴射孔會產生三個沖力，分別是。把這三個力分解，z軸方向分別為，沿著xy平面分解為。設機器人向z軸方向的推進力為，則：

圖4 空間推進力示意圖

另設x軸y軸所在平面合力為 ，三個力相加：

4 結論

新型電火花曲線孔機器人具有如下特點：

1）應用仿生技術，通過SMA彈簧，模仿尺蠖蠕動過程；

2）設計了一種噴射驅動結構，改善了電火花曲線孔加工環境，更利于加工碎屑的排出，降低拉弧短路機率；

3）通過加工液產生的反沖力，可以實現機器人空間轉向功能；

新型電火花曲線孔機器人改善了曲線孔加工環境，提高了曲線孔加工的效率，能夠完成較為復雜的曲線孔的加工，但若要提高加工精度，還需要進一步理論研究和實踐。

[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用[M].北京：國防工業出版社,2011：4.5.

[4] 趙萬生.電火花加工技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2000：19.

[5] 史偉.基于SMA驅動的仿蚯蚓蠕動式微型管道機器人的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2008.

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

[7] 石田澈;竹內芳美.自走式放電加工機構進行曲線孔加工[J]. 1999(02).

[8] 簡小剛,王葉鋒,楊鵬春,等.基于蚯蚓蠕動機理的仿生機器人研究進展[J].中國工程機械學報,2012,10(3)：359-363.