一種機器人柔性元件電解加工裝置設計

王明磊，孫少偉

（1.瑪獅工程機械有限公司，合肥 230051；2.安徽江淮專用汽車有限公司，合肥 230051）

0 引言

自20 世紀90 年代以來，隨著智能機器人的迅猛發展，短短不足30 年的時間，機器人柔性元件結構設計理論不斷構建和發展，形成了現代機構學的一個重要分支［1－2］。電解加工具有加工效率高、陰極無損耗、不存在殘余應力等優點，且以離子形式去除工件材料，在微結構制造領域具有獨特的優勢［3］。但柔性元件的微細結構在微細電解加工過程中，微小加工間隙內部電解產物的排除、電解液更新困難制約了加工精度和穩定性的提高，限制了其在工業生產中的推廣應用［4］。所以設計用于加工柔性元件的電解加工裝置是十分必要的。

目前已有用于加工群縫結構的裝置。王峰［5］設計了一種帶有圓形出液孔和筋狀凸起的整體工具陰極用于加工微尺度群縫結構，以電解液正流為主要沖液方式，筋狀凸起高度為1 mm。工具陰極可以承受高速電解液沖擊，加工時的變形和震動小，但是只適合于加工處于同一平面的群縫結構，不適合于加工處于曲面的群縫結構。齊新新［6］設計了一種鎢片狀陣列微電極作為工具陰極加工微群槽，其加工精度高，加工均勻性好，但是加工速度慢，不適用于批量加工制造。

相似的微尺度群縫電解加工裝置有些不適合于位于曲面的群縫，有些加工速度慢，只能適用于小批量生產。通過深入分析問題，設計了一種加工柔性元件微尺度群縫的電解加工裝置，工具陰極采用恒定速度向工件進給，一次性加工出窄縫，電解液以側流式方式排出。由于柔性元件的微細結構縫隙小，電解產物的排出困難，所以采用機械式振動進給方式，能加強電解產物排出，加快電解液流動更新，進而提高加工系統穩定性和加工精度。裝置最大創新點在于工具陰極的設計，既保證了加工精度，又保證了加工速度。

1 零件結構

微尺度群縫結構如圖1 所示，結構組成為10個僅為1.6 mm的窄縫，窄縫呈螺旋排列，工件壁厚為0.33 mm。

圖1 加工零件

2 裝置總成

柔性元件電解加工裝置主要由底座、平臺、滑枕、機械震動裝置和夾具等組成。大理石平臺安裝在底座上，平臺之上安裝x軸移動平臺和工作臺，通過工作臺楔塊機構來調整夾具的高度，加工零件被安裝定位在夾具里。底座利用鑄鐵材料，其具有吸收振動的良好性能。工件定位采用一個帶支撐端面的菱形銷限制工件4 個自由度，加一個浮動圓柱銷限制工件2 個自由度，并且可以實現工件翻轉180°準確定位加工另一面。工件的夾緊采用帶擺動壓塊的螺旋夾緊機構，可以有效防止夾緊力不均勻作用時破壞工件表面，壓塊與夾緊螺桿頭部全部采用螺紋結合方式。裝置總成如圖2 所示。

圖2 裝置總成

2.1 陰極

陰極采用分體式陰極，如圖3 所示。陰極由陰極連桿和陰極頭組成。陰極頭用2 個銷定位限制6 個自由度，并用螺栓擰緊。這樣可以方便陰極裝夾和拆卸。陰極頭中間的筋狀凸起就用來加工群縫。電解液從凸起之間縫隙流出，并且把電解產物帶離加工間隙區域。設計凸起的寬度為1.6 mm。筋狀突起設計為8 mm高。

圖3 工具陰極

2.2 工裝夾具

設計夾具時需要考慮電解液的密封問題，防止電解液在加工時流出夾具，從而造成壓力損失，達到電解液穩定流動的目的。并且需要承受一定的動載荷，其中還有腐蝕性的電解液流動，并且需要在兩極之間通有一定的電流。設計時應考慮以下因素［7］：

（1）夾具應有比較好的絕緣、耐酸堿腐蝕和密封性能；

（2）夾具應有足夠的剛度，用來確保電解加工進給運動時工件定位安裝的可靠性，不至于夾具發生變形；

（3）為保證導電的穩定性，夾具上的導電部分要有承受高溫和電解液不斷腐蝕的能力；

（4）當電解液流到加工區時，電解液流動穩定、均勻。

密封設計主要是夾具蓋入口處與陰極連桿的運動密封。工具陰極會進入夾具內并有相對運動，密封采用的是O 型密封圈，從而防止其他非接觸密封方式密封時泄漏量大的問題。同時，其用密封擋板固定。密封示意圖如圖4 所示。

圖4 陰極通道密封

本文設計了如圖5 所示的夾具，保證加工時的剛度。夾具體采用裝配式夾具體。夾具主要包括夾具底座、夾具體、夾具蓋、出入接口、對刀塊、引電螺釘組成。電解液從流道入口進入，再從流道出口處流出。電源正極和引電螺釘相連接通電。夾具設計的夾具蓋具有進行密封電解液的作用，可以起到有效防止電解液流失的作用。

圖5 工裝夾具

電解加工中的電解液具有相當的腐蝕性，且夾具受到比較大的動載荷，因此對夾具材料的耐腐蝕性和剛度有比較高的要求。因玻璃鋼材料剛度好，不會產生變形，具有絕緣和耐腐蝕耐腐蝕等特點［8］，所以采用玻璃鋼材料制作夾具。

工件定位如圖6所示，采用一個帶支撐端面的菱形銷限制工件4個自由度，加一個浮動圓柱銷限制工件2 個自由度，并且可以實現工件翻轉180°準確定位加工另一面。工件的夾緊采用帶擺動壓塊的螺旋夾緊饑構。此機構可以有效防止夾緊力不均勻作用時破壞工件表面。壓塊與夾緊螺桿頭部采用螺紋結合方式。

圖6 工件定位

2.3 振動裝置

機械振動裝置在原動機驅動曲柄滑塊機構或凸輪機構，使電機的轉動變為從動件的直線往復運動，從而實現從動件的水平振動［9－10］。工作原理簡單，成本低。圖7 所示為幾種典型機械振動系統原理。

圖7 機械振動系統原理

為保證振動裝置具有充足的連續推動力、響應速度快和精確控制參數，所以采用機械振動模式。如圖8 所示，振動裝置將原動件與偏心軸相接，驅動連桿進行機械運動。并推動陰極連桿前后運動，從而獲得水平直線振動。振動裝置由聯軸器、伺服電機、連桿、偏心軸組成。滑板與機床導軌連接。振動裝置驅動陰極連桿往復運動。機床進給系統帶動滑板直線進給，復合兩種平行運動，最終實現陰極連桿的振動進給。

圖8 振動裝置

2.4 仿真研究

采用COMSOL軟件進行仿真研究，首先選取加工參數：進給速度1.5 mm／min、加工電壓20 V、電導率0.015 s／m、初始間隙0.5 mm，仿真模型如圖9 所示。

圖9 仿真模型

其次設定邊界條件和各個物理參數，并進行網格的劃分，劃分結果如圖10 所示。

圖10 模型網格劃分

最后在結果中創建三維繪圖組進行間隙內電場分布圖以及陽極表面電流密度圖的繪制，分別如圖11～12 所示。

圖11 間隙內電場分布

由圖11 可以看出模型兩端的電場強度明顯高于中間部分的電場強度，最高處電位達1 V。并且在轉角處電場強度均勻過渡。由圖12 可以看出模型兩側平均電流密度顯著大于模型上方平均電流密度，在加工時會發生比較大的電能損耗。并且電流密度在轉角處均勻過渡。

圖12 陽極表面電流密度

3 結束語

本文針對柔性元件的螺旋結構設計出了用于電解加工的整體群縫陰極，陰極以一定的速度向工件進給一次性加工出窄縫，電解液為側流式。由于加工縫隙小，電解產物的排出困難，所以采用機械式振動進給方式。能加強電解產物排出，加快電解液流動更新，進而提高加工系統穩定性和加工精度。并且機械式振動具有綜合成本較低、結構緊湊的優良特點。其次針對柔性元件設計了一套電解加工專用夾具，夾具體采用裝配式夾具體，主要由底座體底座、夾具體、夾具蓋、出入接口、對刀塊、引電螺釘組成。夾具體采用玻璃鋼制作，具有良好的耐腐蝕性、絕緣性和剛度。最后用COMSOL軟件對加工間隙電場強度以及電流密度進行靜態分析。綜上所述，設計的電解加工裝置能夠滿足加工手術機器人柔性元件的需求。