一种医用全自动电极打磨装置的研制及应用

伍兵，赖东珍

福建医科大学附属第一医院 a. 中心实验室；b. 设备与医用材料管理处，福建 福州 350005

引言

电分析化学是利用物质的电学和电化学性质进行表征和测量的科学，它是电化学和分析化学学科的重要组成部分。电分析化学实验在医院的医学科研实验中占比很大，该实验常需要用到工作电极，如玻碳电极、金电极和石墨电极等，而且经常需要用多根工作电极去研究不同的实验条件[1-2]。在进行实验前必须对工作电极进行抛光预处理，以除去电极表面杂质，使电极表面更光洁，工作量很大[3]。目前，实验室大多还是依靠人工打磨工作电极，主要步骤包括：打磨、冲洗、超声清洗和电极保存，十分费时费力，严重依赖人力，影响了实验进度，而且不能让人从研磨电极中解脱出来，使研究工作者苦不堪言，并且由于手工操作误差大，不同工作人员甚至同一个工作人员的手工操作打磨后的电极组间差异大，影响实验结果[4-5]。

近年来，寻找一种医用全自动电极打磨装置是医学科研人员的迫切需求。在现有的技术中，有一些手动或半自动工作电极打磨装置，但是仍需要付出不少人力，需要在打磨后自行冲洗及超声清洗，科研人员的负担仍然存在[6]。在以往的研究实践中发现手工打磨电极虽然可以将电极表面修饰过的东西去除，达到再生使用的目的，但是由于手工操作的不稳定性，易导致打磨后的电极表面平整度和表面积差异较大，这对部分实验尤其是使用玻碳电极这种无法进行前后对照的实验影响极大。而且，这类实验要求在实验之前必须保证使用的每根电极的镜面程度和表面积一致，而目前大多打磨装置从设计上就无法对每一根电极进行打磨压力及打磨轨迹均一化控制，使得每一根电极总体打磨过程不一致，导致电极打磨效果不均一，从而严重影响这种实验结果的准确性和可重复性[7-8]。

针对上述技术存在的缺陷，本研究研制出一种医用全自动电极打磨装置，该装置通过仿手工操作设计，可完全替代手工并克服手工操作的不足，且可精确控制每一根电极的打磨力度、速度、打磨方式和时间，将有效解决打磨效果的均一性问题。该装置已授权实用新型专利（授权号：201921382433.2）。

1 设计材料与方法

1.1 装置整体设计

本文研制的医用全自动电极打磨装置，主要由机械臂、夹具、打磨装置、外壳及控制系统构成。机械臂的一端连接夹具，一端设于外壳上；打磨装置水平设于外壳上；控制装置分别连接机械臂、夹具及打磨装置。医用全自动电极打磨装置设计如图1所示。

图1 全自动电极打磨装置

（1）机械臂包括依次连接的X轴转轴、Y轴转轴及Z轴垂轴。主臂长165 mm、副臂长180 mm；Z轴移动范围0～80 mm；移动速度小于30 mm/s；重复定位精度0.1 mm。X轴转轴设于外壳上，夹具设于Z轴垂轴上。为方便增加外设设备及减小仪器整体尺寸，优选采用平面关节机械臂，电机、限位传感器及线材安装在机械臂内部。这种设计简单可靠、且可缩减机器整体体积。机械臂设计如图2所示。

图2 机械臂

（2）夹具包括第一支架、第一电机、动齿轮组、夹子及弹力调节器。爪子张开范围0～40 mm可调，速度50 mm/s，移动精度0.25 mm；支持直径5～20 mm的电极。第一支架设于机械臂的一端，第一电机设于第一支架内，动齿轮组设于第一支架上，第一电机驱动动齿轮组运动，两夹子对称设于动齿轮组上，两夹子在夹取电极时，不完全抱死，以便弹力调节器的调节。弹力调节器设于电极的上方且设于第一支架上。弹力调节器包括壳体、减震弹簧及调节螺丝，壳体设于第一支架上，减震弹簧设于壳体内部，调节螺丝设于壳体顶部。夹具由安装在夹具支架内的伺服电机驱动，带动齿轮组，可控制爪子进行水平开合，开合位置可控，便于夹取不同尺寸的电极；弹力调节器由可调弹力范围的减震弹簧及调节螺丝组成，用于减震、缓冲及配合打磨装置提供打磨压力，可解决每根电极长短不一对打磨力度造成的影响。夹具设计如图3所示。

图3 夹具

（3）打磨装置包括磨盘、联轴器、第二支架、第二电机及测重传感器。磨盘直径95 mm，可打磨区域直径60 mm；打磨速度1～150 r/min可调节；打磨压力0～10 N可调节；时间0～1800 s可调节。测重传感器设于外壳上，第二支架设于测重传感器的上方，第二电机设于第二支架下方，联轴器及磨盘设于第二支架的上方，第二电机通过联轴器与磨盘连接。磨盘与联轴器通过卡套结构及磁力连接在一起，方便拆卸，方便清洗磨盘。测重传感器和第二电机连接控制系统，可精确测量电极与磨盘表面的压力，且可精确控制打磨转速和时间。打磨时，用麂皮固定在磨盘上，将麂皮清洗后在其上均匀分散所需规格的抛粉与水的混合物，抛粉选用氧化铝[9]。打磨装置设计如图4所示。

图4 打磨装置

此外，打磨装置还包含以下3个功能性装置，具体如下：

① 冲洗装置。该装置包括冲洗池、管道及水泵。冲洗流速0～550 mL/min可调节；时间0～600 s可调节。冲洗池包括进水口及排水口，进水口及排水口通过管道与水泵连接，冲洗池顶部环设有若干喷水口，喷水口与进水口连接，水泵与控制系统连接。从喷水口喷出的洗液可从各个角度冲洗电极打磨后残留的打磨液，并从排水口排出，喷水速度和喷水时间可由控制系统精确调控。冲洗装置设计如图5所示。

图5 冲洗装置

② 超声清洗装置。该装置包括超声清洗机、清洗杯及固定架。功率0～80 W可调节，时间0～1000 s可调节;固定架设于超声清洗机上，清洗杯设于超声清洗机内且通过固定架固定防止移动，固定架可固定多个清洗杯，用于多种不同清洗液清洗。清洗时，优先选用100%乙醇和去离子水两种洗液[10]。为方便清洁超声清洗机，将超声清洗机作为外设设备。超声清洗机与控制系统连接后，可被精确控制超声功率、超声时间。超声清洗装置设计如图6所示。

图6 超声清洗装置

③ 电极安放装置。该装置包括电极摆放支架及电极收纳支架。电极摆放支架支持摆放直径为6.5 mm、21根和12 mm、12根的两种电极；电极收纳支架能收纳22根电极。电极摆放支架及电极收纳支架均设有若干不同孔径的通孔，用于插放不同尺寸的电极；电极摆放支架底部设有卡扣结构和磁力吸附结构，使其固定在底座上，便于拆卸替换；电极收纳支架用于保存打磨好的电极，电极收纳支架还包括水槽，水槽设于电极收纳支架下方，使电极插入后，电极底部悬于水槽中间的储存液中，保证电极正中央的核心部位接触不到任何表面。电极摆放支架、电极收纳支架均为可拆卸、可替换、方便插放和储存不同尺寸的电极。电极摆放支架设计如图7所示。电极收纳支架设计如图8所示。

图7 电极摆放支架

图8 电极收纳支架

（4）外壳包括柜体及底座。柜体设于底座顶部一侧，呈L型设置；机械臂设于柜体一侧，触控屏设于柜体另一侧；打磨装置、冲洗装置、电极摆放支架及电极收纳支架均设于底座上，便于各工位互不干扰，各工位之间实现有序地运行。

（5）控制系统包括触控屏、控制器、外设端口及电源。触控屏及外设端口分别设于外壳上，触控屏用于人机交互，可设置所有程序参数，如：打磨力度（N）、打磨速度（r/min）、打磨时间（s）、冲洗时间（s）、超声时间（s）、爪子尺寸（mm）的选择及其复位等。还可设置控制运行参数，如：机械臂、磨盘、电极坐标、运行通道选择等;控制器及电源设于外壳内，超声清洗机与外设端口连接；电源开关均安装在外壳外部以方便操作；触控屏、外设端口、电源、第一电机、第二电机、测重传感器、X轴转轴、Y轴转轴、Z轴垂轴和水泵分别与控制器连接，用于控制各工序的有序运行。医用全自动电极打磨装置控制系统整体结构框如图9所示。

图9 控制系统整体结构框图

1.2 装置材料设计

本装置的材料设计在遵循安全性、功能性、稳定性和简便性的前提下，各部件优先选用成品及标准件[11]，如超声清洗机、泵、电机、轴承、齿轮、联轴器、传感器、螺丝螺母、触控屏、开关电源和电路板元器件等，其可替代性强，容易购得且成本可控。该装置已经完成研究设计和获得专利，且已制成样机并投入试用，但未批量生产。除了上述优先选用的成品及标准件直接市场购买外，其余部件均采用3D打印制作成品，如机械臂外盖、夹具支架及壳体、打磨装置的电机支架及磨盘、冲洗装置的冲洗池及开口、超声清洗装置的清洗杯及固定架、电极安放装置的电极摆放支架及电极收纳支架、外壳的柜体及底座等，完成部件设计及绘制计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）工程图纸，编程后经由3D打印机制作成品。如果需要量产，则可选用工程塑料或不锈钢材料，由工厂制模完成[12]。

1.3 装置安装及使用

本装置的安装及使用按如下步骤进行：① 将待打磨的电极插入电极摆放支架，使电极正立于电极摆放支架上；② 接通电源，开机，在触控屏上设置机械臂坐标系及各个装置的坐标，设置打磨旋转速度、旋转时间，冲洗力度、冲洗时间，超声功率、超声时间，电极尺寸类型、电极数量及电极摆放位置的参数；③ 在触控屏上点击运行，机械臂执行如下程序：自动复位，抓取电极，移动到磨盘上方后，Z轴垂轴缓慢下降至磨盘，一边测重一边下降，当压力升至设定值之后停止下降；④ 打磨装置根据预设的旋转速度、旋转时间打磨电极；打磨结束后，由机械臂移至冲洗装置，冲洗装置根据预设的冲洗力度、冲洗时间冲洗电极；冲洗结束后，由机械臂转移至超声清洗装置，超声清洗装置根据预设的超声功率、超声时间清洗电极；清洗结束后，由机械臂转移至电极收纳支架上；⑤ 机械臂从电极摆放支架上继续抓取下一根电极，完成上述循环，直至电极摆放支架上的所有待打磨电极全部打磨完成。

2 结果

该医用全自动电极打磨装置的研究与设计已完成，并绘制成CAD工程图纸，除了优先选用的成品及标准件直接市场购买外，其余部件均采用3D打印制作成品，医用全自动电极打磨装置实物图如图10所示。对本装置测试，取电化学实验用过的、需要打磨再生的16根工作电极，随机分为两组，每组8根。对照组使用手工打磨方法，即手持电极在磨盘上画8字3 min，然后冲洗5 s、乙醇和纯水中各超声洗涤约30 s；实验组采用自动打磨方法，参数设置为：打磨转速100 r/min、打磨时间60 s、打磨力度2 N、冲洗时间5 s、乙醇和纯水中超声时间各30 s。打磨结束后使用上海辰华仪器有限公司生产的CHI1040C多通道恒电位仪、CHI760E电化学工作站，采用三电极体系（工作电极为AuE、对电极为铂丝电极、参比电极为Ag/AgCl电极）进行电化学的循环伏安法酸扫，对上述两种打磨方法进行比较，从而获得效果，见图11～12。

图10 医用全自动电极打磨装置实物图

图11 手动打磨AuE循环伏安

图12 自动打磨AuE循环伏安

如图11～12所示，所磨电极采用电化学的循环伏安法酸扫，在电位0～1.6 V之间不断扫描直至获得稳定的金电极的循环伏安特征峰，横坐标表示对电极和参比电极电压，纵坐标表示工作电极测得电流。结果表明，自动打磨的8根电极Au还原峰数值在0.3～0.35 μA，电流差异小，重现性好，Au三个氧化特征峰稳定，均一性好；手动打磨的8根电极Au还原峰数值在0.3～0.7 μA，电流差异大，重现性差，Au三个氧化特征峰不稳定，均一性差。由此可见，自动打磨相较于手动打磨其稳定性好、重现性好，有效解决了手动打磨无法解决的效果均一性问题。

3 讨论

本研究进行了产品设计、绘制CAD工程图纸及制作成品、安装及使用、应用效果评价等工作，通过与现有的手动电极打磨或半自动电极打磨装置比较，发现使用医用全自动电极打磨装置打磨电极可大幅度节约实验人员的劳动力，并克服手工操作的不足，具备更高程度的自动化和更强大的功能，其稳定性和重现性更好。电分析化学实验经常需要用到打磨处理后表面光洁无杂质的电极，电极用量大且要求高，打磨质量严重影响着实验的结果[13-14]。

本装置的机械臂模块可方便进行笛卡尔直角坐标系转换，位置准确，夹具兼容不同型号不同尺寸的电极，它可以配合打磨装置提供打磨压力，解决了不同尺寸电极因长短不一对打磨力度造成的影响[15-16]。电极打磨模块可实现测重传感器精确测量电极与磨盘表面的压力，可精确控制打磨力度、转速和时间，有效解决了打磨效果的均一性问题[17]。控制装置模块可实现设置所有参数及控制运行，还可自由选择打磨电极数量，方便地实现了人机交互；实现了从摆放支架上抓取电极到电极打磨完成放回收纳支架，再抓取下一根电极打磨，直到完成全部电极打磨的全过程。本装置功能齐全、性能稳定、操作简便、小型便携、安全可靠、实用性强、自动化程度高且成本低廉，值得推广应用。本装置的多轴运动结构为开放式机械臂，虽然空间利用率高，但其速度及定位精度均有所限制，本装置通过增加电极架、收纳架、冲洗装置的孔径以及超声装置的可用区域，弥补了定位精度所限，后期也可以从方法上加以改进实施。