摘  要: 在对仿蚯蚓机器人蠕动装置的工作原理及曲线孔电火花加工特点等进行分析研究的基础上，采用脉宽调制技术设计出了蠕动装置的驱动电路" title="驱动电路">驱动电路，该电路具有结构简单、工作可靠等优点。

　　关键词: 曲线孔  机器人  形状记忆合金" title="形状记忆合金">形状记忆合金   脉宽调制

　　曲线孔在超精密注塑、流体机械与流体传动等行业中有着广泛的应用前景^[1]。然而，现有的加工技术仅能加工简单的弯孔，而对于复杂的曲线孔则无能为力，目前曲线孔加工技术的开发与应用已受到世界许多国家的高度重视^[2]。作者在理论分析和工艺试验的基础上，采用形状记忆合金(SMA)功能材料，仿照蚯蚓蠕动与挠曲的原理研制出了仿蚯蚓曲线孔电火花加工机器人，该机器人可加工形状复杂的空间曲线孔^[3～4]。该曲线孔电火花加工技术是采用工具电极与工件间脉冲性火花放电时产生的局部、瞬时高温来蚀除金属形成曲线孔的。SMA蠕动装置是该曲线孔电火花加工机器人的进给驱动部件，其进给运动性能的好坏直接影响曲线孔电火花加工的生产率和加工质量。SMA蠕动装置的运动工作性能主要取决于其机械结构和控制电路的性能，控制电路的核心是驱动和检测两部分。本文主要研究驱动电路部分，该驱动电路是采用脉宽调制(PWM)技术设计的，它具有结构简单、工作可靠等优点。

1 SMA蠕动装置及其驱动电路的设计与工作原理

1.1 SMA蠕动装置的工作原理

　　SMA蠕动装置的机构图如图1所示。通过改变前、后SMA支撑脚和SMA驱动弹簧的脉冲电压的相位关系，可以使SMA蠕动装置前进或后退。机构在一个运动周期内分为如下4个节拍:

　　(1)后SMA支撑脚收缩与孔壁脱开，前SMA支撑脚在孔内胀紧不动;

　　(2)SMA驱动弹簧收缩，拉动后SMA支撑脚前移，同时压缩偏压弹簧;

　　(3)后SMA支撑脚在孔内胀紧不动，前SMA支撑脚收缩与孔壁脱开;

　　(4)SMA驱动弹簧卸载，使其拉力小于偏压弹簧，由偏压弹簧推动前SMA支撑脚向前移动。

　　经过上述四个节拍之后，蠕动装置就会向前蠕动一个步距。如此重复这一过程，就会实现机器人的连续进给。要想实现蠕动装置的连续回退，只需反向执行上述动作即可。

1.2 驱动电路的设计原理

　　在曲线孔电火花加工过程中要求工具与被加工表面间经常保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，通常为0.01～0.1mm。如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不能产生火花放电;如果间隙过小，很容易引起短路接触，同样也不能产生火花放电。这就要求工具电极驱动装置及其控制系统具有良好的自动进给调节功能，在间隙较大时能驱动工具电极快速进给，当达到正常加工间隙时，减慢进给速度，使其等于或接近加工速度;当加工过程中出现短路时，工具电极快速回退，消除短路后，再重新进给，调节到所需的放电间隙。根据上述要求设计了如图2所示的SMA蠕动装置的驱动电路框图。计算机根据放电状态检测信号实时地调整其输出的数字控制信号，该数控信号经D/A转换成模拟电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，经过环形分配电路加在相应的SMA驱动元件(主要包括SMA驱动弹簧、前SMA支撑脚和后SMA支撑脚)上，使相应的SMA驱动元件产生形状记忆恢复变形，从而使SMA蠕动装置实现蠕动进给。

　　脉宽调制电路是该驱动电路中的一个关键环节，图3为脉宽调制电路的工作原理图。三角波" title="三角波">三角波发生器产生的三角波信号U△加在比较器" title="比较器">比较器的反向输入端，经D/A转换后的控制电压Uk加在比较器的正向输入端。当U_ko为低电平，而当U_k>U△时，则比较器输出信号U_o为高电平。输出电压" title="输出电压">输出电压U_o的脉冲宽度取决于控制电压Uk的大小，U_k越大，则输出电压U_o的脉冲宽度也就越宽，只要三角波的线性好，则输出电压的脉冲宽度与控制电压U_k成很好的线性关系。因为输出电压的脉冲频率等于三角波的频率，因而输出电压的平均值也与控制电压Uk成很好的线性关系。对SMA驱动元件的电热驱动性能的研究结果表明，其变形速度和变形位移与驱动电流存在一一对应的关系^[5]，因此，在曲线孔电火花加工过程中，计算机根据检测信号实时调整控制电压Uk，就可实现对SMA蠕动装置的蠕动速度和蠕动步距等的实时控制，使加工过程稳定持续地进行下去。

2 脉宽调制电路的设计

　　图4为SMA蠕动装置的脉宽调制电路原理图。数/模转换器DAC0832将计算机产生的数字信号转换成模拟信号，并送入比较器与三角波发生器产生的三角波信号相比较。三角波发生器主要由三个运算放大器组成，其中运算放大器U_A、U_B组成正、负峰值检波器，U_C组成积分电路。三角波形成过程如下:

　　当反馈电压U_F大于给定电压U_g时，UA输出高电平，使二极管D₁导通，电容C₁上保持运算放大器UA的正饱和电压。经积分器U_C积分后，输出电压UF按一定的速率下降。当U_F小于U_g并大于零时，UA输出为负饱和电压，UB输出为正饱和电压，二极管D₁、D₂均处于截止状态。而当UF继续下降到等于或小于零时，UB由正饱和电压变为负饱和电压，使D₂导通，并通过D₂对C₁反向充电到U_B的负饱和电压值。积分器U_C反向积分，使UF再按一定速率逐渐上升。当U_F上升到大于零时，D₁、D₂又处于截止状态，C₁保持U_B的负饱和电压值使UF继续上升。当U_F上升到等于或大于U_g时，UA的输出由负饱和电压变为正饱和电压，并通过D₁对C₁充电到U_A的正饱和电压值，使得输出电压U_F又开始下降。如此重复上述过程，就可在UC输出端得到正、负斜率相同的正值三角波。该三角波发生器电路具有很好的线性和振幅稳定性。C₁为保持电容，三角波的振幅取决于给定电压U_g，而三角波斜率和振荡频率则由时间常数R₁C₂决定。

　　比较器UD的正输入端接控制模拟信号，而负输入端接三角波信号。比较器输出端电平由正、负输入的比较结果决定，并控制VMOS功率管BUZ384的开关状态，即控制SMA蠕动装置的驱动电压的开关。当比较器输出高电平时，VMOS管导通，形状记忆合金驱动元件通电加热，其内部进行马氏体转变，产生记忆恢复变形。当比较器输出低电平时，VMOS管截止，形状记忆合金驱动元件断电，并在周围介质下冷却，其承载能力下降，当其承载力小于外作用力时，形状记忆合金驱动元件开始随外作用力变形。电路中，R₂、R₃、C₃、DW1组成的电路对开关管的控制输入进行滤波和稳压，而大功率二极管D3和电容C4用于释放开关管和形状记忆合金两端的反向冲击电流，对开关管起保护作用。图5为采用该驱动电路在45#钢上加工出的一种平面曲线孔剖面的照片。

　　曲线孔电火花加工技术的研究与开发是当今电加工界的一个前沿性课题，已引起世界许多国家的高度重视。尽管目前科研人员从结构到控制原理上对曲线孔加工技术进行了不少的研究工作，但仍没有取得突破性进展，目前人们尚未开发出一种高效实用的曲线孔加工技术。为满足现代工业对曲线孔加工日益增多的需求和促进超精密注塑工业的快速发展，人们应加快曲线孔电火花加工技术的研究与开发步伐。本文采用脉宽调制技术研制出的仿蚯蚓曲线孔电火花加工机器人蠕动装置驱动电路具有结构简单、工作可靠等优点，采用该驱动电路加工出了形状复杂的空间曲线孔。

参考文献

1 M.Fukui， N.kinoshita. Developing a Mole Electric Discharge Digging Machining Annals of the CIRP1989，

38(1):203～206

2 石田澈，竹内芳美. 自走式放电加工机构进行曲线孔加工.精密工学会志，1999；65(2):245～249

3 刘永红，杨 毅，贾宝贤. 曲线孔电火花加工技术.电加工与模具，2000(4):41～44

4 刘永红，李庆云，杨毅. 曲线孔电火花加工机器人加工运动轨迹模拟.计算机工程与应用，2001；37(2):21～22

5 张作龙，刘永红，杨 毅，贾宝贤. 形状记忆合金弹簧变形速度的研究.石油大学学报，2000;24(2):95～97