本发明涉及复杂曲面形状的零部件的表面强化领域，为一种轨迹可控的表面强化装置。
背景技术：
随着科学技术的发展，现代工业领域对机械结构和零部件的使用性能和服役寿命提出了更高的要求。不仅要求其具有更高的使用性能、更长的服役寿命，而且要求其能够适应更严苛的服役环境。但是，众所周知，材料的强度、耐热性、耐腐蚀性、耐摩擦磨损等性能是决定机械结构和零部件使用性能和寿命的关键因素。因此，如何提高材料的这些性能已经日趋成为先进制造技术领域的重大研究问题。
在大多数情况下，材料的破坏是从表面开始的。例如，表面是疲劳裂纹萌生的重要部位。据统计，由于疲劳而失效的机械结构约占失效结构的90％。此外，腐蚀和磨损也多始于表面。全世界每年生产的钢铁约有10％因表面腐蚀而变为铁锈，30％的机电设备因此而损坏，因磨损造成的能源损失占能耗的1/3，工业发达国家因磨损造成的经济损失高达数百亿美元，我国因磨损而损耗的钢材多达五百万吨。提高材料的表面性能，可以在很大程度上降低这些损耗的发生。
与此同时，我国目前正在加速航空发动机涡轮盘等关键部件材料的国产化制造进程，部分高校和企业都在自主开展了大量的相关研究。航空发动机叶片材料要求有较好的机械性能，一般通过表面强化处理改善各项机械性能，加工处理的效果影响着叶片的使用寿命。目前，自主研发出一套可加工航空发动机叶片材料的装置已成为航空发动机国产化进程中亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的轨迹可控的表面强化装置。
为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：一种轨迹可控的表面强化装置，包含以下内容：
表面强化装置用于具有加工复杂曲面形状的叶片，为一种超声滚压加工设备，其对加工轨迹可根据叶片的形状以实现精准控制；
表面强化装置包含机床底座、超声波发生器、滚压系统、进给系统；滚压系统包含超声波换能器、变幅杆、滚压工具头；
机床底座为表面强化装置的底座，以支撑其的放置；
超声波发生器，为表面强化装置中的驱动电源及控制部分，用于将平时的市电转换成同超声波换能器相适应的高频电流；工作状态下超声波发生器会产生一个特频信号，特频信号根据需求的不同会产生正弦或脉冲信号，为在一个特定的频率下工作，而特定的频率为超声波换能器的工作频率；超声波发生器作为他激式开关电源，具有的功能为：第一，频率微调，调整频率使超声波发生器始终处于最佳工作状态下，保证其的效率最大，频率调整范围在2％以内；第二，振幅控制，工作过程中超声波换能器的负载随时可能发生变化，超声波发生器要具备自动调整驱动的特性，保证滚压工具头能获得稳定的振幅；第三，系统保护，若表面强化装置的工作环境发生变化，超声波发生器应自行停止工作并报警显示，以防其被损坏；
滚压系统包含超声波换能器、变幅杆、滚压工具头；超声波换能器作为表面强化装置中的关键部件，超声波换能器与变幅杆通常结合在一起使用，主要作用是把超声波发生器产生的高频振荡的电信号转换成机械振动，并经过变幅杆将其进行振幅放大和聚能后再传输到滚压工具头，从而实现对被加工工件的超声滚压处理；
变幅杆在超声波加工中被称为超声聚能器，机械振动的质点位移或速度通过变幅杆能得到放大，同时在较小的面积上聚集超声能量，起到聚能作用；在超声波换能器与滚压工具头之间连接变幅杆，用于将机械振幅放大到所需的要求，为了使超声能量更有效地从超声波换能器向负载传输，变幅杆还能作为阻抗变换器进行阻抗匹配；
进给系统包含叶片夹持及进给系统、高度进给立柱、滚压头夹持系统；
在滚压轨迹的控制中，叶片夹持及进给系统负责叶片前后方向的进给，并控制叶片的旋转，使得工件的加工段的中面垂直于滚压工具头，高度进给立柱主要实现滚压工具头在滚压过程中的上下进给，滚压头夹持系统则负责其包含的滚压头的左右运动，两侧的进给运动通过同步控制器来实现同步；
表面强化装置在滚压加工过程中，叶片由叶片夹持及进给系统夹持，通过其中包含的伺服电机连接减速器带动丝杠旋转，以实现叶片进给；表面强化装置的夹持端为一个磁盘，其通过设计好的磁性夹具，将叶片夹持及进给系统连接，并且磁盘为一种可旋转结构，在叶片进给过程中，能够根据叶片的形貌，调整其旋转角度，使得叶片的加工面中心与滚压系统中滚压工具头垂直；
对叶片的滚压轨迹，机床两侧的安装有高度进给立柱，其为高度可调控的立柱，根据滚压前编入的高度参量，高度参量的值等于立柱的高度，在滚压过程中进行高度调节，高度调节通过伺服电机中的带动丝杠实现，两侧的电机通过的运动控制器以实现同步；
叶片夹持及进给系统中，叶片的装夹采用上下左右4块夹块，并装有装夹头，来负责叶片的夹持，叶片夹持及进给系统的末端为一个电磁铁，装夹头使用铁磁性材料，以通过电磁力固定在叶片夹持及进给系统上；装夹头采用与机床三角卡盘类似的原理，分布转动旋钮，使得上下或左右一起转动，从而对叶片进行定位和固定。
本发明的有益成果为：本发明提供了一种轨迹可控的表面强化装置，本装置通过表面强化处理来改善各项机械性能，并进一步提升加工处理的效果，为一种可加工叶片的表面超声滚压加工设备，可与机床配套使用，甚至可以根据叶片的形状实现轨迹可控加工过程。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
实施例1：本发明的轨迹可控的表面强化装置中，涉及了超声滚压装置组件。
超声滚压加工是利用超声冲击能量和静载滚压相结合的工作方法，为一种更高效的处理方式。在现有的超声和滚压结合的加工工具头中，一种是把滚压刀具固定在旋转架上，处理轴向和径向的表面，另一种是把施力部件结合滚动的柱体工作头，可处理平面表面。现今，将超声表面滚压方法推广到曲面结构，更加具有重要的经济实用价值和广阔的应用前景。
表面强化装置包含机床底座、超声波发生器、滚压系统、进给系统；滚压系统包含超声波换能器、变幅杆、滚压工具头，进给系统包含叶片夹持及进给系统、高度进给立柱、滚压头夹持系统；
超声波发生器，不仅是超声振动系统中的驱动电源及控制部分，还是大功率超声系的重要组成部分。它用于将平时的市电转换成与超声波换能器相适应的高频电流是超声波发生器的主要作用。考虑到转换效率，超声波电源通常会采用开关电源的电路形式。从电路的采用形式上看，超声波放大器往往采用线性放大电路及开关电源电路。开关电源电路的优点在于转换效率高，因此，大功率超声波电源采用此形式。工作状态下发生器会产生一个特频信号，根据需求的不同会产生正弦或脉冲信号，特频信号中特定的频率就是换能器的工作频率。一般情况下，超声设备常用的频率有20khz、25khz、28khz、40khz、60khz、100khz或更大的频率。作为他激式电源的超声波发生器是超声波电源的主要形式。超声波发生器的电源采用开关电源电路，而其中的超声波放大器采用线性放大电路及开关电源电路；
由于他激式电源的输出功率相对于自激式电源要大一些，因此目前广泛采用的是他激式电源。在超声滚压实验中，超声波发生器应该具备输出频率稳定、振幅可靠等特性。选择应遵循以下几个标准：
(1)频率微调：调整频率使超声波发生器始终处于最佳工作状态下，以保证效率最大，调整范围在2％以内。
(2)振幅控制：工作过程中超声波换能器的负载随时可能发生变化，超声波发生器要具备自动调整驱动的特性，保证滚压工具头能获得稳定的振幅。
(3)系统保护：若系统的工作环境发生变化，设备应自行停止工作并报警显示，以防设备损坏。
超声波换能器作为振动系统中的关键部件，超声换能器与变幅杆通常结合在一起使用。换能器的主要作用是把超声波发生器产生的高频振荡的电信号转换成机械振动，并经过变幅杆将振幅放大和聚能后再传输到滚压工具头，从而实现对被加工工件的超声滚压处理。目前应用较多的换能器是压电换能器和磁致伸缩换能器两种，两者具有不同的特点和应用场合。
超声波换能器为纵向夹心式压电换能器，由中央压电陶瓷元件、前后金属盖板、预应力螺杆、电极片以及绝缘管组成，在负荷变化时产生稳定的超声波，根据不同的设计，它们的形式主要有柱型，倒喇叭型，柱型钢后盖，柱型中间有节等；
(1)磁致伸缩换能器
磁致伸缩换能器是利用铁磁材料在特定方向上的伸缩效应原理，将电功率转化成机械功率的换能器。这类换能器通常在极化状态下工作，其伸缩形变与温度密切先关。磁致伸缩换能器的主要应用频段为10-100khz，材料的选择要考虑应力常数、磁致和涡流损耗、材料疲劳强度、加工性等多种因素。
(2)压电换能器
由于外力作用而使压电晶体带电的效应称为压电效应，压电换能器就是利用材料的压电效应制成的换能器。该换能器在压电片两极间加上电场，压电材料将产生一定的形变，形变与外加电场强度通常是成正比的。这种压电换能器具有频率范围窄、转换效率高、性价比高等特点，且安装简易，能适应多数情况下的工作环境。
本发明选定的是纵向夹心式压电换能器。它由中央压电陶瓷元件，前后金属盖板，预应力螺杆，电极片以及绝缘管组成。这种夹心换能器(螺栓紧固型换能器)在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本、最主要的方法。根据不同的设计，它们的形式主要被分为有柱型，倒喇叭型，柱型钢后盖，柱型中间有节等。
变幅杆在超声波加工中被称为超声聚能器，在整个设备的振动系统中有着重要的作用。机械振动的质点位移或速度都通过变幅杆可以得到放大，同时在较小的面积上聚集超声能量，起到聚能作用。在换能器与工具头之间连接变幅杆，把机械振幅放大到所需的要求。为了使超声能量更有效地从换能器向负载传输，变幅杆还作为阻抗变换器进行阻抗匹配，因此，变幅杆的选择极为重要。
实施例2：进给系统具体可以分解为包括叶片夹持及进给系统，和两个对称安装的高度进给立柱、滚压头夹持系统组成。进给系统的进给方式，主要通过控制器控制伺服电机转动，带动丝杠旋转，实现滑块的上下、左右移动；进给方式，伺服电机可以加工过程中控制住扭矩，起到锁死固定的作用，其中，合适的丝杠导程、珠径也控制了进给方式中的误差；
在滚压轨迹的控制中，叶片夹持及进给系统负责叶片前后方向的进给，另外有一个电机控制叶片的旋转，使得加工段的中面垂直于滚压头。高度进给立柱主要实现滚压头在滚压过程中的上下进给，滚压头夹持系统则负责滚压头的左右运动。在两侧的进给运动，以同步控制器来实现同步。
滚压系统，由滚压头夹持系统实现装夹，滚压头夹持系统配有光栅尺，压力传感器和无线雷达装置，可以探测叶片承受的载荷、与叶片相对位置；在滚压的过程中，滚压系统可以测量计算出滚压的载荷，滚压点的位置，并将其反馈给控制系统，控制系统发出命令，调节立柱和夹持系统中的电机，改变滚压力和滚压位置；从而可以解决因材料表面的疲劳失效造成的损失。
进给系统的主要控件包含西门子伺服电机、减速器、丝杠、光栅尺、测距雷达等组件。另外，电机，减速器，丝杠滑块系统实现了整个过程的进给，压力传感器、无线雷达、光栅尺为测量装置，负责采集力和位移的参数，通过反馈实现滚压过程的控制。
(1)西门子伺服电机
西门子伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，并且，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应。在自动控制系统中，用作执行元件，并且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。西门子伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，但转速会随着转矩的增加而匀速下降。
(2)减速器
减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用。减速机是一种相对精密的机械，使用的目的为，包含降低转速、增加转矩。按照传动级数不同可分为单级和多级减速机，并且按照齿厂轮形状可分为圆柱齿轮减速机、圆锥齿轮减速机和圆锥－圆柱齿引轮减速机，另外，按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同进轴式减速机。减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减速传动装置。在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。
(3)丝杠
丝杠是将回转运动转化为直线运动，或者将直线运动转化为回转运动的理想的产品。其为工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，具有高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
(4)光栅尺
光栅尺是一种测量直线运动的传感器，把直线运动的变化用数字表示出来，它由光学元器件、透镜、光栅副以及光源等组成。光栅尺的工作原理为，如果把指示光栅和标尺光栅安装在一个平行线上，让它们之间再相距一定的距离，用平行光照射，光电元器件通过光照的强弱转变成电信号。
光栅尺中，如果只有一个光电元件不能辨别运动的方向，或者一个光电元件只能对位移量的大小进行计数，必须用两个光电元器件才能分辨出运动的方向。分辨精度也是影响光栅尺的一个非常重要因素。如果每毫米超过200条线的时候，光栅的成本就会相对比较高，而且制造起来非常麻烦。所以，采用倍频的方法来提高光栅尺的分辨精度。
光栅尺的安装也会影响测量数据的精度，一般把标尺光栅安装在机床的动板上，随着它的移动而一起运动，读数头固定在机架上。光栅尺对安装基面的要求比较高，它不能直接固定在有底漆的机架表面上，更不能固定在表面凹凸不平的平面上。安装基面与导轨运动方向之间的平行度要少于0.1mm。如果不能满足这个要求，就要专门制造光栅尺基座和光栅尺基座本身等高的读数头基座。
(5)测距雷达
用以测量从雷达到目标的距离，而不提供目标角信息的雷达。在本设计中，测距雷达安装在滚压头夹持系统中，用以测量定位点到雷达的距离。通过换算，得到滚压头到加工表面的距离，并通过该结果判断滚压头与试样表面的接触情况。
(6)压力传感器
常见的压力传感器有压电式、扩散硅式、蓝宝石式。压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。
本次设计中采用的是简单的压电传感器。它主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
本设计中的压电传感器，主要用于检测叶片表面的受力情况。在这一过程中，叶片承受的力，由滚压设备中的弹簧提供。在安装时，首先给弹簧一个预压缩量，其值为滚压力，并以此位置，设定压力传感器的零点。滚压过程中，若压力发生变化，滚压装置中的弹簧会发生弹性变形，改变滚压装置到加工表面的距离。这时，压力传感器的探针将探测出变形，传递给滚压头夹持系统控制器。控制器通过调整电机，改变滚压头的位置，从而调大或调小滚压力。
本发明的有益成果为：本发明提供了一种轨迹可控的表面强化装置，本装置通过表面强化处理来改善各项机械性能，并进一步提升加工处理的效果，为一种可加工叶片的表面超声滚压加工设备，可与机床配套使用，甚至可以根据叶片的形状实现轨迹可控加工过程。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。