一种机器人柔性元件电解加工装置设计

王明磊，孙少伟

（1.玛狮工程机械有限公司，合肥 230051；2.安徽江淮专用汽车有限公司，合肥 230051）

0 引言

自20 世纪90 年代以来，随着智能机器人的迅猛发展，短短不足30 年的时间，机器人柔性元件结构设计理论不断构建和发展，形成了现代机构学的一个重要分支［1－2］。电解加工具有加工效率高、阴极无损耗、不存在残余应力等优点，且以离子形式去除工件材料，在微结构制造领域具有独特的优势［3］。但柔性元件的微细结构在微细电解加工过程中，微小加工间隙内部电解产物的排除、电解液更新困难制约了加工精度和稳定性的提高，限制了其在工业生产中的推广应用［4］。所以设计用于加工柔性元件的电解加工装置是十分必要的。

目前已有用于加工群缝结构的装置。王峰［5］设计了一种带有圆形出液孔和筋状凸起的整体工具阴极用于加工微尺度群缝结构，以电解液正流为主要冲液方式，筋状凸起高度为1 mm。工具阴极可以承受高速电解液冲击，加工时的变形和震动小，但是只适合于加工处于同一平面的群缝结构，不适合于加工处于曲面的群缝结构。齐新新［6］设计了一种钨片状阵列微电极作为工具阴极加工微群槽，其加工精度高，加工均匀性好，但是加工速度慢，不适用于批量加工制造。

相似的微尺度群缝电解加工装置有些不适合于位于曲面的群缝，有些加工速度慢，只能适用于小批量生产。通过深入分析问题，设计了一种加工柔性元件微尺度群缝的电解加工装置，工具阴极采用恒定速度向工件进给，一次性加工出窄缝，电解液以侧流式方式排出。由于柔性元件的微细结构缝隙小，电解产物的排出困难，所以采用机械式振动进给方式，能加强电解产物排出，加快电解液流动更新，进而提高加工系统稳定性和加工精度。装置最大创新点在于工具阴极的设计，既保证了加工精度，又保证了加工速度。

1 零件结构

微尺度群缝结构如图1 所示，结构组成为10个仅为1.6 mm的窄缝，窄缝呈螺旋排列，工件壁厚为0.33 mm。

图1 加工零件

2 装置总成

柔性元件电解加工装置主要由底座、平台、滑枕、机械震动装置和夹具等组成。大理石平台安装在底座上，平台之上安装x轴移动平台和工作台，通过工作台楔块机构来调整夹具的高度，加工零件被安装定位在夹具里。底座利用铸铁材料，其具有吸收振动的良好性能。工件定位采用一个带支撑端面的菱形销限制工件4 个自由度，加一个浮动圆柱销限制工件2 个自由度，并且可以实现工件翻转180°准确定位加工另一面。工件的夹紧采用带摆动压块的螺旋夹紧机构，可以有效防止夹紧力不均匀作用时破坏工件表面，压块与夹紧螺杆头部全部采用螺纹结合方式。装置总成如图2 所示。

图2 装置总成

2.1 阴极

阴极采用分体式阴极，如图3 所示。阴极由阴极连杆和阴极头组成。阴极头用2 个销定位限制6 个自由度，并用螺栓拧紧。这样可以方便阴极装夹和拆卸。阴极头中间的筋状凸起就用来加工群缝。电解液从凸起之间缝隙流出，并且把电解产物带离加工间隙区域。设计凸起的宽度为1.6 mm。筋状突起设计为8 mm高。

图3 工具阴极

2.2 工装夹具

设计夹具时需要考虑电解液的密封问题，防止电解液在加工时流出夹具，从而造成压力损失，达到电解液稳定流动的目的。并且需要承受一定的动载荷，其中还有腐蚀性的电解液流动，并且需要在两极之间通有一定的电流。设计时应考虑以下因素［7］：

（1）夹具应有比较好的绝缘、耐酸碱腐蚀和密封性能；

（2）夹具应有足够的刚度，用来确保电解加工进给运动时工件定位安装的可靠性，不至于夹具发生变形；

（3）为保证导电的稳定性，夹具上的导电部分要有承受高温和电解液不断腐蚀的能力；

（4）当电解液流到加工区时，电解液流动稳定、均匀。

密封设计主要是夹具盖入口处与阴极连杆的运动密封。工具阴极会进入夹具内并有相对运动，密封采用的是O 型密封圈，从而防止其他非接触密封方式密封时泄漏量大的问题。同时，其用密封挡板固定。密封示意图如图4 所示。

图4 阴极通道密封

本文设计了如图5 所示的夹具，保证加工时的刚度。夹具体采用装配式夹具体。夹具主要包括夹具底座、夹具体、夹具盖、出入接口、对刀块、引电螺钉组成。电解液从流道入口进入，再从流道出口处流出。电源正极和引电螺钉相连接通电。夹具设计的夹具盖具有进行密封电解液的作用，可以起到有效防止电解液流失的作用。

图5 工装夹具

电解加工中的电解液具有相当的腐蚀性，且夹具受到比较大的动载荷，因此对夹具材料的耐腐蚀性和刚度有比较高的要求。因玻璃钢材料刚度好，不会产生变形，具有绝缘和耐腐蚀耐腐蚀等特点［8］，所以采用玻璃钢材料制作夹具。

工件定位如图6所示，采用一个带支撑端面的菱形销限制工件4个自由度，加一个浮动圆柱销限制工件2 个自由度，并且可以实现工件翻转180°准确定位加工另一面。工件的夹紧采用带摆动压块的螺旋夹紧饥构。此机构可以有效防止夹紧力不均匀作用时破坏工件表面。压块与夹紧螺杆头部采用螺纹结合方式。

图6 工件定位

2.3 振动装置

机械振动装置在原动机驱动曲柄滑块机构或凸轮机构，使电机的转动变为从动件的直线往复运动，从而实现从动件的水平振动［9－10］。工作原理简单，成本低。图7 所示为几种典型机械振动系统原理。

图7 机械振动系统原理

为保证振动装置具有充足的连续推动力、响应速度快和精确控制参数，所以采用机械振动模式。如图8 所示，振动装置将原动件与偏心轴相接，驱动连杆进行机械运动。并推动阴极连杆前后运动，从而获得水平直线振动。振动装置由联轴器、伺服电机、连杆、偏心轴组成。滑板与机床导轨连接。振动装置驱动阴极连杆往复运动。机床进给系统带动滑板直线进给，复合两种平行运动，最终实现阴极连杆的振动进给。

图8 振动装置

2.4 仿真研究

采用COMSOL软件进行仿真研究，首先选取加工参数：进给速度1.5 mm／min、加工电压20 V、电导率0.015 s／m、初始间隙0.5 mm，仿真模型如图9 所示。

图9 仿真模型

其次设定边界条件和各个物理参数，并进行网格的划分，划分结果如图10 所示。

图10 模型网格划分

最后在结果中创建三维绘图组进行间隙内电场分布图以及阳极表面电流密度图的绘制，分别如图11～12 所示。

图11 间隙内电场分布

由图11 可以看出模型两端的电场强度明显高于中间部分的电场强度，最高处电位达1 V。并且在转角处电场强度均匀过渡。由图12 可以看出模型两侧平均电流密度显著大于模型上方平均电流密度，在加工时会发生比较大的电能损耗。并且电流密度在转角处均匀过渡。

图12 阳极表面电流密度

3 结束语

本文针对柔性元件的螺旋结构设计出了用于电解加工的整体群缝阴极，阴极以一定的速度向工件进给一次性加工出窄缝，电解液为侧流式。由于加工缝隙小，电解产物的排出困难，所以采用机械式振动进给方式。能加强电解产物排出，加快电解液流动更新，进而提高加工系统稳定性和加工精度。并且机械式振动具有综合成本较低、结构紧凑的优良特点。其次针对柔性元件设计了一套电解加工专用夹具，夹具体采用装配式夹具体，主要由底座体底座、夹具体、夹具盖、出入接口、对刀块、引电螺钉组成。夹具体采用玻璃钢制作，具有良好的耐腐蚀性、绝缘性和刚度。最后用COMSOL软件对加工间隙电场强度以及电流密度进行静态分析。综上所述，设计的电解加工装置能够满足加工手术机器人柔性元件的需求。