一种大型复杂曲面超声表面光整强化系统及其使用方法与流程

本发明涉及工件表面表面光整强化领域，更具体地涉及一种大型复杂曲面超声表面光整强化系统。

背景技术

超声表面表面光整强化技术对精细光整表面有极微细的光整能力，对抗疲劳表面有极高的强化能力，零件的表面质量显著影响零件的耐磨性、耐腐蚀性、配合性和密封性等性能，对工件表面进行机械冷作硬化后，提高了加工表面的硬度和耐磨性，降低了表面粗糙度，且加工成本低，大大提高生产效益。

超声表面表面光整强化技术是给超声强化工具沿工件表面法线方向上施加超声振动，在一定的压力下，工具与工件表面振动接触，以一定的进给速度经过工件表面，从而对工件表面进行机械冷作硬化，达到了改善表面质量的目的。这种表面质量的改善是综合性的，既提高了加工表面的硬度和耐磨性，又降低了表面粗糙度值，并且还弥合了一些微观裂纹，显著提高了工件的疲劳强度。

超声表面光整加工技术可用于加工内外圆表面、平面，如各种液压缸内外孔、活塞杆、冶金轧辊等的加工，可以直接替代珩磨和磨削；借助数控设备或专用工装可以加工各种异型面如汽轮机叶片、航空发动机叶片、飞机蒙皮等；可加工的材料包括碳钢、工具钢、合金钢、不锈钢、铸铁、铸钢、铜及铜合金、铝及铝合金、铝镁合金等材料。对加工的零件来说，越是大型零件越具有优越性，可应用于汽车、工程机械、压力机、石油机械、煤矿机械、轧钢等行业。

大型复杂曲面超声表面光整强化系统的优点在于可以自动化强化大型复杂曲面，提高加工效率，节省劳动成本，并且可使超声强化的工作条件稳定，实现稳定、连续的超声表面表面光整强化，使强化层更为连续、均匀、致密。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种克服人工超声表面光整强化过程施加的预压力的不稳定性，实现稳定、连续的超声表面光整强化，且解决在人工超声表面光整强化过程中强化路径的随意性与进给速度的不稳定性，保证效率高、覆盖性好的强化路径，实现速度均匀表面强化过程的一种大型复杂曲面超声表面光整强化系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种大型复杂曲面超声表面光整强化系统，该系统包括基座、工作台、工业机器人、机器人控制器、超声电源、稀土超磁致伸缩超声换能器、超声强化工具头、压力传感器、连接件、系统控制柜。具体为，由安装在工业机器人末端的稀土超磁致伸缩超声换能器夹持超声强化工具头，通过机器人主动柔顺控制系统控制角加速度和力矩输出，使超声强化工具头以一定的预压力始终压紧被加工表面，且压力大小保持恒定。同时工业机器人根据规划路径调整位姿，使强化压力在被加工表面的法线方向上，通过稀土超磁致伸缩超声换能器将超声电源的电信号转换为超声频机械振动，使超声强化工具头对加工表面作超声频挤压强化，再由工业机器人带动超声强化工具头按照规划路径对工件进行表面表面光整强化。

所述的工作台安装在基座上，保证水平，其上装有夹具，用来装夹待加工工件。

所述的工业机器人安装在基座上。

所述超声电源与所述稀土超磁致伸缩超声换能器连接，用于提供超声频振动信号与能源。

所述的稀土超磁致伸缩超声换能器通过连接件固定在工业机器人末端的法兰上，将超声频电信号转换为超声频机械振动。

所述的超声强化工具头夹持在所述稀土超磁致伸缩超声换能器的振幅输出端，用于随所述工业机器人按照规划路径对夹持在所述工作台上的待加工工件进行超声表面表面光整强化。

所述压力传感器安装在所述稀土超磁致伸缩超声换能器和超声强化工具头之间，将超声强化实时压力反馈至所述系统控制柜。

所述机器人控制器用于实现所属述工业机器人的运动轨迹控制，使所述超声强化工具头按照规划路径对待加工工件表面进行强化。

所述系统控制柜用于进行工业机器人运动学与动力学的解析运算，与机器人控制器进行通信，并实现对所述超声电源信号的控制。

本发明的有益效果是：（1）避免了人工加工无法稳定控制作用在工件上的压力等不确定因素，使强化层更为连续、均匀、致密；（2）通过机器人主动柔顺控制系统控制角加速度和力矩输出，保证恒定的预压力与合理稳定的进给速度；（3）工业机器人根据规划的强化路径点调整姿态，保证超声强化工具头对工件的压力方向垂直于待加工工件的被加工面；（4）系统自动生成符合工艺要求的超声表面光整强化路径，并规划合适的姿态、速度与力矩，实现稳定、连续的超声表面光整强化；（5）明显提高超声表面光整强化效率，节约加工成本，显著提高生产效益。

附图说明

图1是本发明一种大型复杂曲面超声表面光整强化系统的结构示意图。

图2是本发明的超声强化工具头的结构示意图。

图3是本发明一实施例的超声表面光整强化流程图。

具体实施方案

以下通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

本发明提出了一种大型复杂曲面超声表面光整强化系统，图1为根据本发明一实施例的超声表面光整强化系统结构示意图，如图所示，所述超声表面光整强化系统包括基座1、工作台2、超声强化工具头3、压力传感器4、稀土超磁致伸缩超声换能器5、连接件6、工业机器人7、机器人控制器8、系统控制柜9、超声电源10。

工作台2与工业机器人7安装在基座1上，待加工零件11通过夹具装夹固定在工作台2上。

超声强化工具头3安装在稀土超磁致伸缩超声换能器5的振幅输出端，稀土超磁致伸缩超声换能器5的另一端通过连接件6固定在工业机器人7末端的法兰上。超声强化工具头3随工业机器人7按照规划路径对夹持在所述工作台上的待加工工件进行超声表面表面光整强化。超声强化工具头3为可拆卸结构，可根据具体强化表面更换合适的工具头。如图2所示的超声强化工具头3为一种可加工外凸型复杂曲面的工具头，包括滚柱3-1、卡槽3-2、调节球3-3和紧定螺钉3-4，滚柱3-1外形为中间直径大，两端直径小的柱体，其中一端的端部有一球形浅凹槽，用于与调节球3-3的配合定位。卡槽3-2内部中空，用于安装滚柱，卡槽的一端设有开口，滚柱从此处安装于卡槽内，卡槽另一端有设与滚柱无球形凹槽端相配合的定位槽，用于滚柱的安装定位。滚柱安装在卡槽内之后，通过调节球3-3调节安装位置，然后通过紧定螺钉3-4将卡槽与稀土超磁致伸缩超声换能器输出杆连接固定。超声表面光整强化加工时，滚柱3-1在输出杆带动下产生挤压力，与工件接触，进而对工件表面进行光整强化加工。超声工具头3的滚柱3-1材料选用硬质合金。其余材料均为45号钢。

超声电源10与稀土超磁致伸缩超声换能器5连接，用于提供超声频振动信号与能源。且超声电源10具有频率自动追踪功能，并能提供方波、正弦波以及锯齿波三种形式的信号，频率可调范围在10khz~40khz。可以根据超声表面光整强化条件调节到所需要的强化参数。

稀土超磁致伸缩换能器5将超声电源10的超声频电信号转换为超声频机械振动，使超声工具头3对待加工工件11的表面做超声频挤压强化，并由工业机器人7带动超声强化设备按规划的超声表面光整强化路径对整个待加工表面进行超声强化。在强化过程中，稀土超磁致伸缩换能器5发热量较大，为不影响振动性能，需对其进行冷却，依靠其自身的水冷却系统在超声强化过程中进行冷却。

超声强化工具头3施加在待加工工件11表面的预压力以及超声表面光整强化过程中超声强化工具头3施加的超声频变化的机械力通过压力传感器4实时反馈至系统控制柜9，系统控制柜9根据反馈情况控制合理稳定的力矩输出。

系统控制柜9中的路径生成软件根据待加工曲面模型数据，生成符合工艺要求的超声表面光整强化路径与超声强化工具头3末端姿态；然后进行工业机器人7的运动学与动力学的解析运算，计算出待加工曲面路径上各位置的工业机器人各关节转角，并进行奇异点的检测与修正，之后进行速度与力矩的规划，进行柔顺控制，将生成的代码发送给机器人控制器8；然后根据根据超声表面光整强化条件设置合适的超声强化参数（进给速度，预压力、振动波形、频率、加工遍数）；机器人控制器8与工业机器人7完成通信，超声强化工具头3随着工业机器人按照规划好的路径运动并执行超声表面光整强化任务；工业机器人7中的主动柔顺控制系统控制角加速度和力矩输出，使超声强化工具头3以一定的预压力始终压紧被加工表面，且压力大小保持恒定，并且进给速度平稳，无急停、急进、急转现象；稀土超磁致伸缩超声换能器5实现超声强化工具头3的纵向超声频振动，对被加工曲面进行超声表面光整强化；同时工业机器人7根据规划路径调整位姿，使超声强化工具头3对待加工工件11的强化压力始终在被加工表面的法线方向上，保证强化质量均匀一致。

超声表面光整强化加工作业时，超声强化工具头3通过工业机器人7带动，从系统初始位置运动至规划的超声表面光整强化路径起点，沿着强化路径对待加工工件进行超声表面光整强化。单遍强化完成后，再次运动到路径起点，进行下一遍超声表面光整强化。完成所设强化遍数后即完成此次超声表面光整强化过程，工业机器人7返回至系统初始位置，此次超声表面光整强化加工完成。