核磁兼容机器人本体材料的切削加工性

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第 34卷第 8期2 0 1 3年 8月兵 工 学 报ACTA ARMAMENTARIIVo1．34 NO．8Aug． 2013核磁兼容机器人本体材料的切削加工性任召伟 ，姜杉’，戚厚军 ，阎兵(1．天津大学 机械工程学院，天津 300072；2．天津职业技术师范大学 天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300072)摘要：选择3种核磁兼容非金属材料即聚丙烯、尼龙、聚甲醛进行切削力试验和粗糙度测量，分析不同切削参数下的三维切削力和粗糙度 |R。的变化规律。在此基础上，结合加工所获切屑形状，运用有向图和矩阵(DAM)法对 3种材料的切削加工性进行评价，结果表明：尼龙切削加工性最优，聚甲醛其次，聚丙烯最差，因此宜选择尼龙作为核磁兼容机器人本体制造材料。

关键词：机械制造工艺与设备；核磁图像；机器人；切削力；表面粗糙度；切削加工性中图分类号 ：TH16 文献标志码 ：A 文章编号 ：1000．1093(2013)08．1007-06DOI：10．3969／i．issn．1000-1093．2013．08．014M achinability of Structural M aterials of M R-compatible RobotsREN Zhao—wei ，JIANG Shan ，Q1 Hou-jun ，YAN Bing(1．School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Tianjin Key Laboratory of High Speed Cuting＆Precision Machining．Tianjin University ofTechnology and Education，Tianjin 300072，China)Abstract：Three kinds of MR—compatible non-metal materials，namely polypropylene，nylon and poly-formaldehyde，are chosen for the measurement of their cutting forces and surface roughnesses．The varia—tions of three-dimensional cuting force and roughness in the case of different cutting parameters are dis·-cussed．According to the above mentioned experimental results and the shapes of chips obtained duringmachining，the machinabilities of three materials are evaluated by using digraph and matrix(DAM)method．The result demonstrates that the nylon has the best machinability among the three materials，thepolyformaldehyde takes the second place，and the machinability of polypropylene is the worst．Thus thenylon is selected for the main structure of the MR—compatible robot.

Key words：manufacturing processes and equipment；MR image；robot；cutting force；surface rough—ness；machinability0 引言微创外科手术具有创伤小，病人痛苦轻，术后恢复快等优点 。与人工操作相比，手术机器人具有定位准确 、状态稳定 、灵巧性强 、工作范 围大 、可在危险条件下工作等优点。与此同时，核磁共振成像(MRI)能够多方位、多平面、多参数成像，软组织分辨率高并具有精确的几何学特性 。MRI导航下的手术机器人结合了上述优点成为国内外研究热点，它在乳腺癌 、前列腺癌 等近距离粒子手术治疗中已得到广泛应用。MRI要求机器人工作在核磁环境下，机器人本体必须满足核磁兼容性，否则将收稿日期：2012—09—09基金项目：国家自然科学基金项目(51175373)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-10~625)；天津市高速切削与精密加工重点实验室开放课题基金项 目(2013120024001167)作者简介：任召伟(1988一)，男，硕士研究生。E-mail：lanmo###tju．edu．ca；姜杉(1973～)，女，副教授，硕士生导师。E—mail：shanjmfi###tju．edu．cnl008 兵 工 学 报 第34卷会使核磁图像产生伪影，影响治疗效果。目前已有针对材料核磁兼容性的研究 。

核磁兼容性材料的切削加工性则直接决定着机器人零部件的制造质量、装配精度和运动精度，是影响机器人性能的一个重要 因素。切削加工性 的评价方法 有 模 糊 综 合评 价法 、数 据 包 络 分 析法 ” 、有 向图和矩 阵 (DAM)法 、数据库技 术评价法 ¨、雷达图法 ¨” 等。模糊综合评价法是根据所选参数的重要程度人为赋予权重并进行加权平均处理，具有一定的主观性，并且模糊综合评价步骤较多，不仅需要赋权重值还需要赋评价值。数据包络分析法是根据决策单元的多输人多输出指标，应用决策单元的相对有效性来评价，由于被评价的决策单元都是从最有利于 自己的角度分别求取权重，这就导致了这些权重随着决策单元的不同而使结果出现较大差异，从而使得每个决策单元的特性缺乏有效的可比性，并且该方法将输入与输出指标分开，未考虑各因素间的相互影响。数据库技术法是基于数据库对金属材料进行切削加工性评价，需要大量数据及时间来建立数据库并采用模糊评价法评价。雷达图法通过绘制评价对象的雷达图，并与典型类型雷达图对比，定性给出切削加工性优劣顺序，因此准确性差。DAM法将各切削要素参数处理为[0，10]区间的整数值并考察切削要素之间的相互影响，得到切削加工性矩阵 ，据此对材料切削加工性进行量化并评价。评价中各切削要素之间相互影响的值均根据切削理论进行选择，减少了主观因素的影响，避免了前述4种方法出现的问题，是一种操作简单考察较为全面的方法。本文选择3种核磁兼容非金属材料，以切削力、表面粗糙度及切屑形式作为切削加工性考察要素，分析不同切削参数下，切削力和表面粗糙度R 的变化规律，采用 DAM法将各切削要素参数处理为[0，10]区间的整数值并考察切削要素之间的相互影响，得到切削加工性矩阵，据此对材料切削加工性进行评价，选出机器人本体制造材料。

具有天津大学 自主知识产权的 MRI导航的手术机器人结构如图1所示，机器人具有5个 自由度，3个各自独立的操作层即平移层、抬升层和针刺层。

由核磁兼容气缸和超声波电机混合驱动并采用光学编码器进行信号反馈。

1 测试材料选择选择达到核磁兼容性要求的3种非金属材料作为对象进行切削加工性测试。其中，聚丙烯具有优针刺层抬升层平移层图 1 基 于 MRI导航的核磁兼容手术机器人Fig．1 MR—compatible surgical robot based on MRI·guided良的力学性能，抗弯曲疲劳性优异；尼龙具有良好的力学性能和耐热性 、耐磨损性、耐化学药 品性 ；聚甲醛表面光滑 ，有光 泽且硬 而致密 。3种材料 的材料属性如表 1所示 。

2 切削加工性要素特性测量1)铣削力测量：在 HARDINGE VMC．600 1立式加工中心铣削工件，使用 KISTLER 9257A型三向测力仪、KISTLER 5070型电荷放大器测量铣削力，设置3个通道灵敏度分别为 一7．901 pC／N、一7．942 pC／N、一 3．707 pC／N，量程分别为50 N、50 N、30 N，采样频率 1 024 Hz，测量时间160 s．如图2(a)所示，用2齿SWT HSS-AL超硬直柄螺旋刃立铣刀对材料进行铣槽 ，切削刃直径 10 mm．刀具顺 时针旋转 ，测力仪方向与进给方向一致 ，径向、切向微分力 dF 、dF 及、Y、 向分力 dF dF dF ，n为转速 ， 为刀具 转角 ，如图 2(b)所示。采用正交实验法进行测量 ，铣削参数如表2所示。

表 2 铣削参数Tab．2 Miling parameters2)切屑考察：加工过程中，考察不同材料形成的切屑和断屑形式 。

第 8期 核磁兼容机器人本体材料的切削加工性计算时将其中的负项全部转化为正项进行计算，即3p(A)=n D +∑ (aq。 )D船+1 I，J，∑ (口 。 口 十0 口 0 ， ， ，k∈[1，3]．(4)l，J，k相同条件下的切削加工性矩阵计算数值越大其切削加工性越好 ，反之则差。

选择切削力、切屑形式和表面粗糙度作为对材料切削加工性进行评价的因素。在这 3个因素中，切屑形式没有具体数值。根据 c型切屑和长紧卷屑对切削加工利弊的分析并结合无益要素赋值原则，分别赋值 0、10．设材料切削加工性矩阵为A(m：切削参数组号，m∈{1，2，3，4}；n：材料代号，1.

聚丙烯，2-尼龙，3一聚甲醛)．由第 1组切削参数获得的3种材料的数据即铣削力、切屑形式、表面粗糙度，如表 3所示。

表 3 原始数据Tab．3 Original data根据(1)式进行处理后其数值如表 4所示。

表 4 量化数据Tab．4 Quantitative data根据各切削要素之间相互影响程度为 o 赋值，如切屑形式对表面质量 的影响 o： 显著强于表面质量对切屑形式的影响 o 则为 口 ，赋较大值 9，为 n，：赋较小值 1，其他影响赋值同理，得到切削要素之间相互影响的有向图图 6．由图 6及表 4得到聚丙烯切削加工性矩阵：= ㈩ 算值分别为 520、999，以及 3种材料在不同切削参= = 钆 = =。： ==[ i]， ：=[； 之]；A∞ =[； ÷ 三]，A，=[；÷ ]，= 及第 4组参数下，尼龙的切削加工性值低于聚甲醛，表 5 切 削加工性评价Tab．5 Evaluation of machinability根据上述计算结果，尼龙的切削加工性值始终较高并且变化平稳，在 3种材料中切削加工性最优；在第 1及第4组参数下，聚甲醛切削加工性值较高，但整体上变化较大，表明其切削加工性不够稳定；由1012 兵 工 学 报 第34卷于其表面粗糙度值明显高于其他两种材料，聚丙烯的切削加工性值始终较低，并且其切削过程相较其他材料不够平稳，因此，切削加工性最差。

5 结论针对核磁兼容机器人设计制造过程中出现的关于机器人本体制造材料选择的问题 ，根据机器人结构及其性能要求，本文选择 3种典型工程塑料 ，进行 了切削加工性试验 ，考察并分析 了材料铣削力 、切屑形 式及 表面质 量 ，应 用 DAM 法对 3种材料 的切削加工性进行 了评价 ，结果表明 ：尼龙切削加工性最优，聚甲醛其次，聚丙烯最差。根据本文试验结果，宜选择尼龙作为核磁兼容机器人本体制造材料。

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