基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置及方法

本发明涉及一种基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置及方法，属于电解加工。

背景技术：

1、整体叶盘是新型航空发动机实现结构创新与技术跨越的核心部件，它将叶片与轮盘制成一体，使发动机结构大幅简化，重量明显降低，推重比显著提升。然而整体叶盘结构复杂、叶片超薄、扭曲，叶间通道狭窄，通常采用难切削材料，精度要求也非常高，因此制造非常困难。电解加工技术凭借其加工效率高、表面质量好、工具无损耗等特点，已经成为整体叶盘主要制造方法之一。

2、在专利“整体叶盘多层渐进复合阴极旋转套料电解加工装置及方法”(申请号202310601679.9申请人江苏集萃精密制造研究院有限公司，发明人赵建社岳磊高伟正等)中，提出了一种阴极多层渐进式设计，使叶盘加工完余量分布更加均匀，更有利于满足扭曲且截面变化程度较大整体叶盘的实际加工需求。

3、在专利“一种整体叶盘电解开槽加工环形电极及工艺方法”(申请号201210367002.5申请人沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，发明人朱海南杨涧石于冰李伟)中，通过套料电解加工的方式，实现整体叶盘宽弦、大扭角叶型通道开槽的高效加工。

4、在专利“一种非匀速双旋转变加工刃阴极整体叶盘电解加工方法”(申请号201910756930.2申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬王璟朱荻)中，设计阴极的加工刃为变宽度加工刃，驱动其按仿真轨迹单向变速旋转径向进给；驱动毛坯按仿真优化的参数协同阴极变向变速旋转，在毛坯上形成叶栅通道，提高加工余量分布均匀性。

5、电解加工是基于电化学阳极溶解原理去除材料，通过设计成型阴极获取型面的“拷贝式”工艺。成型阴极的设计与制备是保证型面加工精度的关键。而随着航空动力技术的不断发展，航空发动机推重比不断提升，多种高型面精度、复杂结构整体叶盘的出现给电解加工成型阴极的设计与制备带来了巨大的挑战。因此，许多利用简单形状阴极进行加工的电解加工方法应运而生。

6、在专利“多电极螺旋进给整体叶轮叶间流道电解加工方法”(申请号200910025834.7申请人南京航空航天大学，发明人朱荻徐庆徐正扬)中，通过工具阴极与工件阳极间的多维插补运动，利用简单形状的管状电极加工出叶栅通道。

7、在专利“一种整体叶盘高效电解开槽加工的夹具装置及方法”(申请号202210485361.4申请人南京航空航天大学，发明人朱荻段双陆刘嘉)中，将中心主轴的转动转化为多个管电极的同步偏摆运动，实现了“单轴输入、多轴输出”，大幅提高了加工效率。

8、在专利“一种叶盘叶栅群电极电解加工装置及方法”(申请号202210485311.6申请人南京航空航天大学，发明人朱荻段双陆刘嘉朱栋)中，叶盘工件绕自身轴线转动，在电化学反应阳极溶解作用下，通过一次进给就能同时加工出多个叶片。实现了扭曲叶片整体叶盘的高效套形电解/径向进给电解加工，可大幅提升加工效率。

9、在专利“柔性电极动态变形电解加工方法及应用”(申请号2021126103w申请人南京航空航天大学，发明人朱荻徐正扬刘琳)中，提出了由性能良好的棒、管制成的柔性电极，在加工过程中，通过对柔性电极施加载荷使其产生动态变形，从而完成复杂型面的加工。

10、在柔性电极动态变形电解加工中，往往需要设计相应运动机构或利用多轴机床的联动才能实现柔性电极的动态变形，而且为实现特定变形，需要设计专用机构，这增大了装备的制造难度。而工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。例如：

11、在专利“一种用于钢结构焊接的机器人系统”(申请号202310970866.4申请人华中科技大学，发明人孙峻李炜钊江鑫周星宇韩金妍)中，所公开的机器人能够适应不同形状的钢结构焊接，具有较高的自适应性和自主性；能够快速有效的进行钢结构焊缝焊接作业，在无人监守的情况下减少人力消耗、提高作业的效率和准确性。

12、在专利“一种搬运码垛机器人”(申请号200610113034.7申请人清华大学，发明人陈恳杨向东李金泉贾振中)中，所公开的机器人降低了对驱动元件的要求，无需配重及弹簧减力平衡装置，降低了机器人的本体重量及成本。

13、在专利“航空发动机进气道叶片检测机器人及检测方法”(申请号202310731732.7申请人西安交通大学，发明人杨来浩郑毅彭银冲等)中，解决了目前航空发动机领域维护检修中存在人力资源浪费、效率低下、人为误差和空间限制问题。该发明提供的机器人可以满足小型化、大推力和智能化等诸多优点，有效解决了发动机叶片检测难题。

14、因此，为了提高柔性电极动态变形电解加工的自动化、智能化水平，避免设计复杂的专用机构，本专利将工业机器人加工柔性好，智能化水平高等优点，与柔性电极动态变形电解加工自身特点相结合，提出了一种基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置及方法。

技术实现思路

1、发明目的：

2、本发明的目的在于提供一种基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置及方法，提高柔性电极动态变形电解加工的自动化、智能化水平。

3、技术方案：

4、一种基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置，其特征在于：

5、所述电解加工装置由电解液循环过滤装置，计算机控制平台，电源，工作平台，工件，柔性电极和两个六自由度工业机器人及其末端执行器(ⅷ)组成；

6、上述两个六自由度工业机器人结构相同，对称布置于工作平台左右两侧；

7、六自由度工业机器人由机身、一级机械臂、二级机械臂、三级机械臂、四级机械臂、五级机械臂依次连接组成，其中五级机械臂与末端执行器连接；依次形成关节a对应一级机械臂的z向旋转，关节b对应二级机械臂的y向摆动，关节c对应三级机械臂的y向摆动，关节d对应四级机械臂的x向旋转，关节e对应五级机械臂的z向摆动，关节f对应末端执行器的x向旋转；

8、上述工件安装在工作平台上，并连接电源正极，工作平台具有回液槽，并与电解液循环过滤装置的回液管道连通；

9、上述柔性电极由弹性良好的金属制成，其结构为侧壁具有阵列孔、缝结构的中空管状电极，或者细长的片状电极；柔性电极的两端通过末端执行器实现装夹，并连接电源负极；

10、上述计算机控制平台主要集成了工业机器人的控制系统，电解液循环过滤装置的控制系统以及电源的控制系统；通过计算机控制平台同时控制工业机器人的运动、电解液的循环过滤与电流的通断。

11、上述的基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置，其特征在于：

12、上述末端执行器由进液管与夹持装置组成；

13、其进液管作为电解液入口与电解液循环过滤装置的进液管道连接；

14、其夹持装置用于夹持柔性电极；

15、末端执行器整体与工业机器人的第五机械臂安装连接，通过工业机器人与末端执行器的配合实现柔性电极的自动装夹、动态变形与移动。

16、上述的基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置，其特征在于：

17、上述电解液循环过滤装置由浊液槽、清液槽、进液阀、压力表、抽水泵、回液阀、板框滤器组成。

18、利用上述的基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置的电解加工方法，其特征在于包括以下：准备阶段：通过计算机控制平台控制工业机器人与末端执行器完成柔性电极的自动装夹，并移动到初始加工位置，末端执行器作为电解液入口与电解液循环过滤装置的进液管道连接；

19、加工阶段：通过计算机控制平台控制工业机器人、电解液循环过滤装置、电源同时运转，按设定程序控制工业机器人的多自由度运动，从而完成柔性电极的弯曲变形，并沿切割方向完成复杂型面的加工；加工完成时，通过计算机控制平台控制工业机器人、电解液循环过滤装置、电源同时停止工作；

20、回退阶段：通过计算机控制平台控制工业机器人与末端执行器按设定程序完成柔性电极的回退或按需求更换下一种柔性电极以备后续加工。

21、所述的电解加工方法，其特征在于：

22、通过工业机器人各关节的配合对柔性电极两端施加力矩，从而实现柔性电极的动态变形；柔性电极所能承受的极限载荷与产生的极限变形对于工业机器人各关节的运动有重要影响；通过如下过程完成计算：

23、步骤1、对于柔性电极的动态变形，作如下假设：

24、(1)在柔性电极的纵向对称面内，作用大小相等，转向相反的一对力偶，使柔性电极纯弯曲；

25、(2)柔性电极的横截面上只有正应力，而无切应力；

26、(3)柔性电极的纵向线段间无正应力；

27、步骤2、根据以上假设，可以得到任意纵向线段的应变ε：

28、

29、其中，ρ为中性层的曲率半径，y为纵向线段到中性层的距离；

30、步骤3、因为纵向线段之间无正应力，每一线段都是单向拉伸或压缩；当应力小于比例极限时，由胡克定律知，任意纵向线段的正应力σ：

31、

32、其中，e为柔性电极材料的弹性模量；

33、步骤4、对柔性电极的横截面进行受力分析可得，弯矩m：

34、

35、其中，a为横截面的面积，iz为惯性矩；

36、步骤5、联立上述方程可求出纯弯曲时，柔性电极横截面上的弯曲正应力；

37、

38、步骤6、由于是纯弯曲，所以每个截面的力矩m都相同，那么每个截面的最大正应力应出现在距离中性轴的最远处。

39、

40、其中，σmax为最大正应力，ymax为纵向线段到中性层的最远距离；

41、步骤7、在弯曲变形过程中，当柔性电极的最大正应力小于材料的弹性极限σe时，可保证柔性电极的变形始终处于弹性阶段；此时移除载荷，柔性电极的变形可以恢复；即：

42、σmax<σe

43、步骤8、所以柔性电极所能承受的最大载荷mmax：

44、

45、由此即可确定不同规格柔性电极的极限载荷及变形，从而优化工业机器人关节的运动。

46、有益效果：

47、与现有技术相比，本发明具有以下显著优点。

48、(1)提供了一种基于工业机器人的柔性电极动态变形电解加工装置及方法。该装置由具有六自由度的工业机器人、具有多功能的末端执行器、柔性电极、工件、工作平台等组成。通过工业机器人多自由度的运动实现柔性电极的自动装夹、动态变形与位移。

49、(2)提高了柔性电极动态变形电解加工的自动化及智能化水平。本发明一方面将工业机器人加工柔性好，智能化水平高等优点，与柔性电极动态变形电解加工自身特点相结合；另一方面将工业机器人、电解液循环过滤装置及电源的控制系统集成在一起，通过计算机控制平台实现三者的同时运转，提高了加工效率，减少了人力成本。

50、(3)采用工业机器人实现柔性电极的动态变形，一方面避免了设计复杂的专用变形机构，提高了通用性；另一方面，工业机器人具有更多的自由度可实现柔性电极更大，更复杂的变形，拓宽了其应用范围。