CN113290577B - 一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人专用超声应力场‑激光热场复合滚压装置，属于磨抛机器人装备技术领域。本发明的机器人专用超声应力场‑激光热场复合滚压装置，由五个功能组件构成，包括超声波发生组件、超声波控制组件、激光热场发生组件、激光热场控制组件、复合滚压总控制器；本发明的复合滚压装置由重载型六自由度工业机器人夹持进行滚压加工，可以实现对复杂结构工件、舱体类构件内壁等的滚压加工；本发明利用超声应力场与激光热场的耦合作用，在改善工件表面粗糙度的同时，使得工件内部产生高残余压应力深度与高显微硬度深度，实现工件抗疲劳性能的显著提高。

Description

一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置

技术领域

本发明涉及机器人加工装备技术领域，尤其涉及复杂曲面构件表面滚压强化加工装置。

背景技术

超声-热场复合滚压加工技术是一种将超声振动、表面预热与静载滚压相结合的新兴表面强化工艺。在滚压前先对表面进行加热，在不改变表面组织的温度下软化工件表层，进一步在超声振动冲击与滚压力的耦合结合下工件表层产生更为显著的塑性流动，通过滚光作用降低表面粗糙度，细化工件次表层的晶粒，最终改善工件表层的残余应力状态和分布，实现工件耐磨性、耐腐蚀性等物理化学学性能的提升，进而提高工件的疲劳寿命，在工业生产中应用广泛。

传统的超声-热场复合辅助超声滚压装置，通常通过连接柄安装在数控机床刀架上,利用数控机床的分度功能控制滚压的进刀量，其预热设备通常是独立的，并一般使用燃气燃烧对工件进行预热，这种方式可以更为高效地将工件整体预热，同时超声与热场的耦合可以加工强度硬度超高的工件，并在滚压结束后引入更深的残余应力层深度，实现超声热场复合深滚压。而缺点在于采用数控机床滚压受限于其机械结构和控制能力，无法进行复杂曲面以及某些腔体工件内部的滚压加工，可五轴联动的数控机床虽然具备滚压复杂曲面的能力，但是其同样不适用于加工工件腔体内壁，而且这类数控机床价格昂贵，数控改造困难，不适用于大批量生产加工；独立式的燃气加热设备，由于初期加热过程需要进行较好隔热保护，而在达到预期温度后，还要持续的加热保持设定温度，其空间利用率低，甚至可能会导致加热设备与超声滚压设备的干涉，对机床的自由度提出了更高的要求，化石燃料的不充分燃烧还可能产生一氧化碳等有毒气体，同时在环境复杂的工厂内进行燃气供应本身较为危险，存在较大的安全隐患，不适用于工厂实际使用。

因此，综合考虑传统机床用超声滚压装置自由度受限与燃气加热设备使用不便和存在安全隐患的问题，如何提出一种适用于复杂结构件滚压加工、同时能够高效地加热待滚压区域形成局部热场、有效保障使用可靠性与安全性的超声-热场复合滚压装置具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，旨在形成适用于复杂超高强度结构件的应力场-热场耦合的机器人滚压设备，降低表面粗糙度，细化工件次表层的晶粒，最终改善工件表层的残余应力状态和分布，实现工件耐磨性、耐腐蚀性等物理化学学性能的提升，进而提高工件的疲劳寿命。

本发明提供的具体技术方案如下：

一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，包括六自由度工业机器人、六维力传感器、超声波发生组件、超声波控制组件、激光热场发生组件、激光热场控制组件、复合滚压总控制柜；所述六维力传感器通过定制高刚度连接法兰固定安装在重载型机器人第六关节末端，用以判断接触发生并监控滚压加工全过程的滚压力；所述超声波发生组件通过连接件和保护外壳固定在所述六维力传感器的另一端面法兰上，用以生成并放大超声波振动；所述激光热场发生组件固定连接在超声波发生组件的保护外壳上，用以为待滚压区域进行局部加热；所述激光热场控制组件与所述超声波控制组件全部固定安装在复合滚压总控制柜中，用以控制复合滚压过程中的机构动作与工艺参数。

进一步的，所述超声波发生组件包括压电陶瓷堆、变幅杆、可更换滚压头；所述压电陶瓷堆由根据超声滚压工艺要求优选所得的多片压电陶瓷压紧组成，用以将所述超声控制组件中超声电源输出的电能转化为超声振动的机械能；所述变幅杆根据超声振幅等的需求利用仿真与计算设计为特定结构形状，并通过双头螺栓与压电陶瓷堆刚性连接，用以放大超声振动振幅；所述可更换滚压头可更换安装在超声波发生组件的超声波输出端，可根据不同的工艺要求更换不同形状、不同材质、不同硬度的滚压头对待滚压区域进行滚压加工。

进一步的，所述超声波控制组件包括超声波发生电源和超声控制器，所述超声波发生电源将220V标准电压转化为可激励压电陶瓷产生振动的特定电压，所述超声控制器具备两个模式，分别是手动模式和自动模式，在手动模式时，超声控制器上的旋钮可以精确控制超声波发生电源输出的电压和电流，进而控制超声波发生组件的振动频率和振幅等，并通过其上的液晶显示屏进行显示，用以实时向操作人员反馈当前控制信息；在自动模式下，超声控制器可通过Ethernet接收外部的控制指令，通过程序控制超声波发生组件的振动频率、振幅以及冷却液的供给等，并将控制结果以通信的形式反馈回去。

进一步的，所述激光热场发生组件由激光发生器、光缆、高精度直线运动单元以及激光头组成；所述激光发生器固定安装在重载型机器人第三轴上，其通过光缆与激光头连接，将激光送入激光头，所述高精度直线运动单元包括伺服电机与工业直线导轨，单元整体固定安装在超声波发生组件的保护外壳上，用以精确控制激光束焦点位置，其上的可动滑块与所述激光头通过铰支座可动连接，可通过人工调节铰支座松紧螺栓对激光头的俯仰角进行微调，使焦点位置恰好处于滚压头前方。

进一步的，所述激光热场控制组件包括红外测温仪和激光热场控制器；所述红外测温仪固定安装在超声波发生组件的保护外壳上，其测温范围包括激光焦点处；所述激光热场控制器根据红外测温仪反馈回的实测温度数据，算法处理后自主调节激光功率和通过控制高精度直线运动单元的伺服运动控制焦点位置，进而控制激光热场的局部温度，实现温度场稳定在用户设定阈值范围内的超声滚压。

进一步的，所述复合滚压总控制柜作为上位机根据内置的超声应力场-激光热场辅助滚压专家系统自动规划零件的加工工艺流程，通过向机器人控制系统发送满足复合滚压需求的机器人运动控制指令，同时依照滚压工艺需求向超声波控制组件、激光热场控制组件传输推荐的工艺参数，根据六维力传感器传回的滚压力信号实时监测滚压过程工艺阶段，即通过复合滚压总控制柜协调控制复合滚压加工各组件和机器人。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，由重载型六自由度工业机器人夹持进行滚压加工，更为灵活的自由度，可以实现对复杂结构工件、舱体类构件内壁等的滚压加工，同时以工业机器人系统为平台搭建的智能装备具备更强的可扩展性，极大地减小了包括设备采购、使用、维护、升级等方面的成本，具有很强的经济效益。

(2)本发明所述的机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，通过超声应力场与激光热场的耦合，可以利用激光快速对工件局部表面加热软化后，施加不同频率不同振幅的超声冲击，适用于更高强度、更高硬度的各类材料，提高了装置的应用范围，应力场与热场的耦合作用在改善工件表面粗糙度的同时，使得工件内部产生高残余压应力深度与高显微硬度深度，实现工件抗疲劳性能的显著提高。

(3)本发明所述滚压头与变幅杆输出端可更换安装，针对不同的加工对象以及加工工艺需求，可选用不同型号的滚压头，同时可以通过人工调节铰支座松紧螺栓对激光头的俯仰角进行微调，使得激光焦距在合适范围内通过高精度直线运动单元进一步调节，装置结构简单且便于维护保养，当滚压头出现损坏时，可快捷方便地对其进行维修、更换。

附图说明：

图1为本发明机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置加工示意图；

图2为本发明复合滚压装置结构示意图；

图中：重载型工业机器人1、复合滚压总控制柜2、激光热场控制组件3、超声波控制组件4、激光热场发生组件5、定制高刚度连接法兰6、六维力传感器7、超声波发生组件8、激光头9、待加工工件10、工作台11、可更换滚压头12、冷却液进、出液口13、冷却液进、出液管14、冷却液泵15、高精度直线运动单元16、铰支座松紧螺栓17、超声控制线缆18、超声波发生电源19、压电陶瓷堆20、保护外壳21、风扇22、变幅杆23、双头螺栓24、激光控制线缆25、光缆26、红外测温仪27。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

本发明的一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，包括重载型工业机器人1、复合滚压总控制柜2、激光热场控制组件3、超声波控制组件4、激光热场发生组件5、六维力传感器7、超声波发生组件8；所述激光热场控制组件3与所述超声波控制组件4全部固定安装在复合滚压总控制柜2中，用以控制复合滚压过程中的机构动作与工艺参数。在进行超声-热场复合滚压加工前，首先将所述六维力传感器7通过定制高刚度连接法兰6固定安装在重载型工业机器人1第六关节末端，用以判断接触发生并监控滚压加工全过程的滚压力，将与完成装配的复合滚压装置固定安装在六维力传感器7的另一端面法兰上，然后将固定在工作台11上的待加工工件10的三维模型尺寸和材料型号等工件信息通过个人电脑输入复合滚压总控制柜2，由复合滚压总控制柜2内置的滚压专家工艺系统输出推荐的滚压路径和滚压工艺参数，依据推荐工艺选择合适型号的可更换滚压头12与变幅杆固定连接，将冷却液进、出液管14分别与滚压头上的冷却液进、出液口13相连，先后手动开启冷却液泵15和超声波发生电源，检查冷却液供给和超声振动情况是否良好。

在超声波发生组件8完成调试后，通过激光热场控制器3手动控制高精度直线运动单元16回到中间位置，然后开启激光器5，通过铰支座松紧螺栓17对激光头9的俯仰角进行微调，使得激光的理论焦点与可更换滚压头12在同一高度上且恰好位于其正前方，关闭激光器。

在全部组件调试完成后，操作人员退出到处于安全范围的复合滚压总控柜2旁，激活滚压加工指令，复合滚压总控制柜2先通过Ethernet总线向超声波控制组件4发送控制指令和工艺参数，超声波控制组件4根据工艺参数指令控制超声波发生电源19输出相应的数字信号，超声波控制组件4根据控制指令控制超声波发生电源19开启或关闭，通过超声控制线缆18将所述指令和参数发送到超声波发生组件8，超声波发生组件8中的压电陶瓷堆20在接收到信号后，将电信号转化成超声频机械振动，与此同时，安装在保护外壳21后部通风孔内的风扇22开始工作，将压电陶瓷堆20产生的热量通过通风孔排出。压电陶瓷堆20产生的振动向前传递，通过变幅杆23将此振动放大后，再传递到滚压头12处，得到工艺需求的超声振动。所述变幅杆23根据超声振幅等的需求利用仿真与计算设计为特定结构形状，并通过双头螺栓24与压电陶瓷堆20刚性连接；所述可更换滚压头12可更换安装在超声波发生组件的超声波输出端，可根据不同的工艺要求更换不同形状、不同材质、不同硬度的滚压头对待滚压区域进行滚压加工。

复合滚压总控制柜2待接收到超声波控制组件4传回的成功状态后，向重载型工业机器人1发送移动控制指令，待重载型工业机器人1移动到滚压起始位置，复合滚压总控制柜2通过激光控制线缆25向激光热场控制组件3发送控制指令和工艺参数指令，固定安装在重载型工业机器人1第三轴上的激光发生器5开始工作，通过光缆26将激光送入激光头9，对待加工工件10表面进行预热，在达到工艺需求的温度后，机器人沿待加工工件10接触表面方向下压，待六维力传感器7返回的接触力信号达到设定值时，即判定超声应力场-激光热场复合滚压初始化完成。

复合滚压总控制柜2依据此前输入三维模型后求解所得理论轨迹机器人控制序列，控制机器人夹持复合滚压装置始终垂直于待加工工件10接触平面，且激光的预热位置始终处于滚压的进给方向前方，红外测温仪27实时反馈实测温度数据给激光热场控制组件3，激光热场控制组件3一方面通过调节激光发生器5的功率调节温度稳定在设定范围内，一方面通过控制高精度直线运动单元16的伺服运动控制焦点位置，进而控制激光热场的局部温度，实现温度场稳定在用户设定阈值范围内的超声滚压，降低表面粗糙度，细化工件次表层的晶粒，最终改善工件表层的残余应力状态和分布，实现工件耐磨性、耐腐蚀性等物理化学性能的提升，进而提高工件的疲劳寿命。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，其特征在于，包括六维力传感器、超声波发生组件、超声波控制组件、激光热场发生组件、激光热场控制组件、复合滚压总控制器；所述六维力传感器通过定制高刚度连接法兰固定安装在重载型机器人第六关节末端，用以判断接触发生并监控滚压加工全过程的滚压力；所述超声波发生组件通过连接件和保护外壳固定在所述六维力传感器的另一端面法兰上，用以生成并放大超声波振动；所述激光热场发生组件固定连接在超声波发生组件的保护外壳上，用以为待滚压区域进行局部加热；所述激光热场控制组件与所述超声波控制组件全部固定安装在复合滚压总控制柜中，用以控制复合滚压过程中的机构动作与工艺参数；

所述激光热场发生组件由激光发生器、光缆、高精度直线运动单元以及激光头组成；所述激光发生器固定安装在重载型工业机器人第三轴上，其通过光缆与激光头连接，将激光送入激光头，所述高精度直线运动单元包括伺服电机与工业直线导轨，单元整体固定安装在超声波发生组件的保护外壳上，用以精确控制激光束焦点位置，其上的可动滑块与所述激光头通过铰支座可动连接，可通过人工调节铰支座松紧螺栓对激光头的俯仰角进行微调，使焦点位置恰好处于滚压头前方；

所述激光热场控制组件包括红外测温仪和激光热场控制器；所述红外测温仪固定安装在超声波发生组件的保护外壳上，其测温范围包括激光焦点处；所述激光热场控制器根据红外测温仪反馈回的实测温度数据，算法处理后自主调节激光功率和通过控制高精度直线运动单元的伺服运动控制焦点位置，进而控制激光热场的局部温度，实现温度场稳定在用户设定阈值范围内的超声滚压。

2.根据权利要求1所述的机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，其特征在于，所述超声波发生组件包括压电陶瓷堆、变幅杆、可更换滚压头；所述压电陶瓷堆由根据超声滚压工艺要求优选所得的多片压电陶瓷压紧组成，用以将所述超声波控制组件中超声电源输出的电能转化为超声振动的机械能；所述变幅杆根据超声振幅的需求利用仿真与计算设计为特定结构形状，并通过双头螺栓与换能器刚性连接，用以放大超声振动振幅；所述可更换滚压头可更换安装在超声波发生组件的超声波输出端，可根据不同的工艺要求更换不同形状、不同材质、不同硬度的滚压头对待滚压区域进行滚压加工。

3.根据权利要求1所述的机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，其特征在于，所述超声波控制组件包括超声波发生电源和超声控制器，所述超声波发生电源将220V标准电压转化为可激励压电陶瓷产生振动的特定电压，所述超声控制器具备两个模式，分别是手动模式和自动模式，在手动模式时，超声控制器上的旋钮可以精确控制超声波发生电源输出的电压和电流，进而控制超声波发生组件的振动频率和振幅，并通过其上的液晶显示屏进行显示，用以实时向操作人员反馈当前控制信息；在自动模式下，超声控制器可通过Ethernet接收外部的控制指令，通过程序控制超声波发生组件的振动频率、振幅以及冷却液的供给，并将控制结果以通信的形式反馈回去。

4.根据权利要求1所述的机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，其特征在于，所述复合滚压总控制器作为上位机根据内置的超声应力场-激光热场辅助滚压专家系统自动规划零件的加工工艺流程，通过向机器人控制系统发送满足复合滚压需求的机器人运动控制指令，同时依照滚压工艺需求向超声波控制组件、激光热场控制组件传输推荐的工艺参数，根据六维力传感器传回的滚压力信号实时监测滚压过程工艺阶段，即通过复合滚压总控制器协调控制复合滚压加工各组件和机器人。

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