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上，采用脈寬調制技術設計出了蠕動裝置的驅動電路" title="驅動電路">驅動電路，該電路具有結構簡單、工作可靠等優點。

　　關鍵詞: 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中有著廣泛的應用前景^[1]。然而，現有的加工技術僅能加工簡單的彎孔，而對于復雜的曲線孔則無能為力，目前曲線孔加工技術的開發與應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雜的空間曲線孔^[3～4]。該曲線孔電火花加工技術是采用工具電極與工件間脈沖性火花放電時產生的局部、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率和加工質量。SMA蠕動裝置的運動工作性能主要取決于其機械結構和控制電路的性能，控制電路的核心是驅動和檢測兩部分。本文主要研究驅動電路部分，該驅動電路是采用脈寬調制(PWM)技術設計的，它具有結構簡單、工作可靠等優點。

1 SMA蠕動裝置及其驅動電路的設計與工作原理

1.1 SMA蠕動裝置的工作原理

　　SMA蠕動裝置的機構圖如圖1所示。通過改變前、后SMA支撐腳和SMA驅動彈簧的脈沖電壓的相位關系，可以使SMA蠕動裝置前進或后退。機構在一個運動周期內分為如下4個節拍:

　　(1)后SMA支撐腳收縮與孔壁脫開，前SMA支撐腳在孔內脹緊不動;

　　(2)SMA驅動彈簧收縮，拉動后SMA支撐腳前移，同時壓縮偏壓彈簧;

　　(3)后SMA支撐腳在孔內脹緊不動，前SMA支撐腳收縮與孔壁脫開;

　　(4)SMA驅動彈簧卸載，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。

　　經過上述四個節拍之后，蠕動裝置就會向前蠕動一個步距。如此重復這一過程，就會實現機器人的連續進給。要想實現蠕動裝置的連續回退，只需反向執行上述動作即可。

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1.2 驅動電路的設計原理

　　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，因而不能產生火花放電;如果間隙過小，很容易引起短路接觸，同樣也不能產生火花放電。這就要求工具電極驅動裝置及其控制系統具有良好的自動進給調節功能，在間隙較大時能驅動工具電極快速進給，當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;當加工過程中出現短路時，工具電極快速回退，消除短路后，再重新進給，調節到所需的放電間隙。根據上述要求設計了如圖2所示的SMA蠕動裝置的驅動電路框圖。計算機根據放電狀態檢測信號實時地調整其輸出的數字控制信號，該數控信號經D/A轉換成模擬電壓加在脈寬調制電路的輸入端，脈寬調制電路將輸入的控制電壓轉換成相應脈沖寬度的矩形波，經過環形分配電路加在相應的SMA驅動元件(主要包括SMA驅動彈簧、前SMA支撐腳和后SMA支撐腳)上，使相應的SMA驅動元件產生形狀記憶恢復變形，從而使SMA蠕動裝置實現蠕動進給。

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　　脈寬調制電路是該驅動電路中的一個關鍵環節，圖3為脈寬調制電路的工作原理圖。三角波" title="三角波">三角波發生器產生的三角波信號U△加在比較器" title="比較器">比較器的反向輸入端，經D/A轉換后的控制電壓Uk加在比較器的正向輸入端。當U_ko為低電平，而當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成很好的線性關系。對SMA驅動元件的電熱驅動性能的研究結果表明，其變形速度和變形位移與驅動電流存在一一對應的關系^[5]，因此，在曲線孔電火花加工過程中，計算機根據檢測信號實時調整控制電壓Uk，就可實現對SMA蠕動裝置的蠕動速度和蠕動步距等的實時控制，使加工過程穩定持續地進行下去。

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2 脈寬調制電路的設計

　　圖4為SMA蠕動裝置的脈寬調制電路原理圖。數/模轉換器DAC0832將計算機產生的數字信號轉換成模擬信號，并送入比較器與三角波發生器產生的三角波信號相比較。三角波發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導通，電容C₁上保持運算放大器UA的正飽和電壓。經積分器U_C積分后，輸出電壓UF按一定的速率下降。當U_F小于U_g并大于零時，UA輸出為負飽和電壓，UB輸出為正飽和電壓，二極管D₁、D₂均處于截止狀態。而當UF繼續下降到等于或小于零時，UB由正飽和電壓變為負飽和電壓，使D₂導通，并通過D₂對C₁反向充電到U_B的負飽和電壓值。積分器U_C反向積分，使UF再按一定速率逐漸上升。當U_F上升到大于零時，D₁、D₂又處于截止狀態，C₁保持U_B的負飽和電壓值使UF繼續上升。當U_F上升到等于或大于U_g時，UA的輸出由負飽和電壓變為正飽和電壓，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。如此重復上述過程，就可在UC輸出端得到正、負斜率相同的正值三角波。該三角波發生器電路具有很好的線性和振幅穩定性。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R₁C₂決定。

　　比較器UD的正輸入端接控制模擬信號，而負輸入端接三角波信號。比較器輸出端電平由正、負輸入的比較結果決定，并控制VMOS功率管BUZ384的開關狀態，即控制SMA蠕動裝置的驅動電壓的開關。當比較器輸出高電平時，VMOS管導通，形狀記憶合金驅動元件通電加熱，其內部進行馬氏體轉變，產生記憶恢復變形。當比較器輸出低電平時，VMOS管截止，形狀記憶合金驅動元件斷電，并在周圍介質下冷卻，其承載能力下降，當其承載力小于外作用力時，形狀記憶合金驅動元件開始隨外作用力變形。電路中，R₂、R₃、C₃、DW1組成的電路對開關管的控制輸入進行濾波和穩壓，而大功率二極管D3和電容C4用于釋放開關管和形狀記憶合金兩端的反向沖擊電流，對開關管起保護作用。圖5為采用該驅動電路在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的研究與開發是當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構到控制原理上對曲線孔加工技術進行了不少的研究工作，但仍沒有取得突破性進展，目前人們尚未開發出一種高效實用的曲線孔加工技術。為滿足現代工業對曲線孔加工日益增多的需求和促進超精密注塑工業的快速發展，人們應加快曲線孔電火花加工技術的研究與開發步伐。本文采用脈寬調制技術研制出的仿蚯蚓曲線孔電火花加工機器人蠕動裝置驅動電路具有結構簡單、工作可靠等優點，采用該驅動電路加工出了形狀復雜的空間曲線孔。

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參考文獻

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38(1):203～206

2 石田澈，竹內芳美. 自走式放電加工機構進行曲線孔加工.精密工學會志，1999；65(2):245～249

3 劉永紅，楊 毅，賈寶賢. 曲線孔電火花加工技術.電加工與模具，2000(4):41～44

4 劉永紅，李慶云，楊毅. 曲線孔電火花加工機器人加工運動軌跡模擬.計算機工程與應用，2001；37(2):21～22

5 張作龍，劉永紅，楊 毅，賈寶賢. 形狀記憶合金彈簧變形速度的研究.石油大學學報，2000;24(2):95～97