一種用於調整曲面工件位姿的混聯六自由度工作檯的製作方法
2023-05-30 01:43:36 1
專利名稱：一種用於調整曲面工件位姿的混聯六自由度工作檯的製作方法
技術領域：
本發明設計描述了一種雷射強化工藝中用於調整曲面工件位姿的混聯六自由度自動工作檯，可實現曲面工件位置與姿態的自動調整，使雷射束方向與強化點法線方向重合，以達到最佳的強化效果，特別針對非常規曲面零件的雷射強化，如用於航空發動機葉片或汽輪機葉片的雷射強化過程中葉片位置與姿態的調整。
背景技術：
航空發動機葉片是發動機氣流通道的主要部件，它在高轉速、高溫度、高負荷、高應力狀況下工作，其結構和承載情況十分複雜，不僅要承受離心負荷、彎扭負荷、溫度負荷， 還要受到振動、腐蝕、熱衝擊、氣流衝擊、蠕變、疲勞、接觸擠壓、微動磨蝕、外來物打傷等方面的作用。在發動機故障中，葉片方面的故障佔有相當高的比例，我國在役使用和在研發的軍用航空發動機中，幾乎無一倖免地發生過葉片故障問題，嚴重地影響了發動機的使用安全，是發動機技術質量最突出的問題之一。汽輪機的工作原理與飛機發動機相似，也存在上述問題。雷射衝擊強化技術是一種新興的高效、清潔、低耗、快速的表面強化技術。它可顯著提高材料的疲勞壽命，使被強化工件獲得更深的殘餘應力層。相比較於常用的噴丸強化技術，雷射衝擊處理還能更好地保持強化區域的表面粗糙度和尺寸精度，並能夠降低已產生裂紋的擴展速率，雷射衝擊處理應用於飛機發動機葉片或汽輪機葉片強化，可以大幅度提高葉片的使用壽命，降低葉片的故障率。然而，雷射強化的效果會受到很多因素的限制，從理論分析知道，當雷射束與被強化工件雷射衝擊點處的法線方向重合時，強化效果是最好的。常用的雷射發射裝置的雷射束性能經調試穩定後，雷射束方向是不變的，所以這就要求工件可以在空間中作自由運動， 不斷調整位姿，使被強化點的法線方向連續地與雷射束方向重合，以獲得最佳的強化效果。 但目前使用的雷射發射裝置，結構十分複雜，雷射束的性能和方向很難調節，與之配套的能實現工件在空間中作自由運動的位姿調整平臺未見報導。而現有的位姿調整平臺，只能通過簡單的人為控制實現三個方向x、y、z向的位置平移，無法實現對複雜曲面的3D形狀產品的空間姿態調整，難以滿足高質量雷射強化需求。
發明內容
為了克服現有技術中工件位姿調整工作檯性能的缺陷，本發明提供了一種用於調整曲面工件位姿的混聯六自由度工作檯，在雷射強化工藝中，實現平面或空間多自由度位姿調整，有效地解決複雜曲面工件空間六自由度的位姿調整問題，滿足雷射衝擊強化過程中對曲面工件強化點處法線方向連續變化的特殊要求。本發明是通過以下技術方案實現的包括機架，機架上部是y軸移動平臺和χ軸移動平臺，機架和y軸移動平臺之間設有沿y軸方向設置的導軌，y軸移動平臺和χ軸移動平臺之間設有沿χ軸方向設置的導軌；χ軸移動平臺上表面的正中位置通過轉動副R沿ζ軸
3方向連接旋轉平臺底面的正中位置；旋轉平臺的正上部是動平臺，旋轉平臺和動平臺之間並聯第一、第二、第三、第四運動鏈，所述第一、第二、第四運動鏈的中間均是移動副P1、兩端均以球面副分別與旋轉平臺和動平臺連接；所述第三運動鏈的下端沿Z軸方向垂直固定連接旋轉平臺的正中心處、中間是移動副P2、上端通過萬向節連接動平臺；所述第一、第二、 第三運動鏈分別連接驅動件。本發明的有益效果是
1、通過串聯機構和並聯機構相結合，形成一種多功能混聯六自由度工作檯，該混聯六自由度工作平臺很好地解決了現役雷射強化裝置中傳統平動工作檯機構姿態無法調整，無法自動定位等問題，並能夠實現大型非常規曲面工件在強化工序中姿態、位移的自由調整， 使待強化處理曲面零件被強化點的法線方向與高強度雷射衝擊器的雷射束方向重合，使工件全部待強化表面得到最理想的強化效果。2、本發明中的各運動鏈的解耦性好，保證各運動鏈運動時沒有積累誤差，具有高度柔性、工作空間大、結構緊湊、承載能力大、動態響應迅速、定位精度高、易於控制、成本低廉等優點。
圖1是本發明的結構示意圖2是圖1中各個運動鏈及其關聯部件的放大示意圖中1.動平臺；2.第一運動鏈；3.第二運動鏈；4.旋轉平臺；5. y軸移動平臺；6. χ軸移動平臺；7.導軌；8.第三運動鏈；9.第四運動鏈；10.萬向節；11.曲面工件；12.雷射衝擊器；13.機架；SUS2.球面畐Ij ；PU Ρ2.移動副；R. ·轉動副。
具體實施例方式參見圖1-2，本發明包括機架13，機架13上部沿ζ軸方向上是y軸移動平臺5和 χ軸移動平臺6，在機架13的底板表面上，沿y軸方向設置導軌7，導軌7上安裝y軸移動平臺5，y軸移動平臺5通過導軌7在y軸方向上沿導軌7來回移動。同理，在y軸移動平臺5的上表面上，沿χ軸方向也設置導軌，χ軸移動平臺6安裝在該y軸移動平臺5的導軌上，實現χ軸方向的來回移動。X軸移動平臺6上表面的正中位置沿ζ軸方向上通過轉動副R連接旋轉平臺4底面的正中位置。旋轉平臺4的正上部是動平臺1，旋轉平臺4和動平臺1之間並連第一、第二、第三、第四運動鏈2、3、8、9這四個運動鏈，其中，第一、第二、第四運動鏈2、3、9各具有一個移動副Pl和兩個球面副Si、S2，這三條運動鏈的兩端均是球面副Si、S2、中間是移動副 P1。第一、第二、四運動鏈2、3、9這三個運動鏈各以其兩端的球面副分別與旋轉平臺4和動平臺1連接。第三運動鏈8的下端沿ζ軸方向上垂直固定連接在旋轉平臺4的正中心處， 中間是移動副P2，上端是萬向節10，第三運動鏈8上端通過萬向節10連接動平臺1。第一、 第二、四運動鏈2、3、9的兩端與旋轉平臺4連接的三個球面副互成120°，第一、第二、四運動鏈2、3、9的兩端與動平臺1連接的三個球迷副也互成120°，即連接動平臺1的三個球面副構成等邊三角形，連接旋轉平臺4的三個球面副也構成等邊三角形。在動平臺1上放置曲面工件11，曲面工件11的上部是高強度的雷射衝擊器12，雷射衝擊器12固定在機架13的上板上。本發明工作時，由y軸移動平臺5和導軌7構成的移動副實現動平臺1在y軸向的移動，由X軸移動平臺6和y軸移動平臺5構成的移動副實現動平臺1在在y軸向的移動。由旋轉平臺4和χ軸移動平臺6構成的轉動副R串聯，再串聯4條並聯的運動鏈以實現工件沿X、1、ζ軸的位置平移及繞χ、y、ζ軸的姿態轉動。旋轉平臺4通過轉動副R轉動時，可實現整個工作檯繞ζ軸的轉動，在4條運動鏈中，第一、第二、第三運動鏈2、3、8為主動運動鏈，分別連接驅動原件，由對應的驅動原件驅動。第四運動鏈9為從動運動鏈，只起運動撐和導向作用。當第三運動鏈8不動時，第一運動鏈2和第二運動鏈3的移動副Pl各自按照一定運動規律驅動可以實現動平臺1在萬向節10處繞χ軸與y軸的轉動。當第一運動鏈2、第二運動鏈3、第三運動鏈8同時按一定規律伸縮時，可以實現ζ軸的移動。這樣， 通過4條運動鏈的配合運動就能能實現整個工作檯繞χ軸、y軸的轉動及ζ軸方向的移動。 當工作檯與雷射衝擊器12配合運作時，就能實現對複雜曲面工件的雷射衝擊強化處理，在對複雜曲面工件強化處理時，能不斷調整自身位姿，以使曲面工件11待強化點處的法線方向連續與雷射束方向重合，從而達到最理想的強化效果。本發明可以採用立姿與臥姿兩種實施方式，立姿主要用於雷射衝擊功率較小或者工件尺寸較小、位姿調整範圍較小的情況下，臥姿主要用於雷射衝擊功率大或者工件尺寸較大、位姿調整範圍較大的情況。在不同的工作要求中，可以將旋轉平臺置於動平臺之上， 形成一個可實現X軸移動y軸移動的串聯機構和一個能實現X軸轉動、y軸轉動、Z軸移動的並聯機構再加上一個可實現ζ軸轉動的串聯機構。
權利要求
1.一種用於調整曲面工件位姿的混聯六自由度工作檯，包括機架(13)，其特徵是機架(13)上部是y軸移動平臺(5)和χ軸移動平臺(6)，機架(13)和y軸移動平臺(5)之間設有沿y軸方向設置的導軌，y軸移動平臺(5)和χ軸移動平臺(6)之間設有沿χ軸方向設置的導軌；χ軸移動平臺(6)上表面的正中位置通過轉動副R沿ζ軸方向連接旋轉平臺(4) 底面的正中位置；旋轉平臺(4)的正上部是動平臺(1)，旋轉平臺(4)和動平臺(1)之間並聯第一、第二、第三、第四運動鏈(2、3、8、9)，所述第一、第二、第四運動鏈(2、3、9)的中間均是移動副P1、兩端均以球面副分別與旋轉平臺(4)和動平臺(1)連接；所述第三運動鏈(8) 的下端沿ζ軸方向垂直固定連接旋轉平臺(4)的正中心處、中間是移動副P2、上端通過萬向節(10)連接動平臺(1)；所述第一、第二、第三運動鏈(2、3、8)分別連接驅動件。
2.根據權利要求1所述的一種用於調整曲面工件位姿的混聯六自由度工作檯，其特徵是第一、第二、第四運動鏈(2、3、9)兩端分別與旋轉平臺(4)連接的三個球面副互成 120°、與動平臺(1)連接的三個球面副互成120°。
全文摘要
本發明公開一種雷射強化工藝中用於調整曲面工件位姿的混聯六自由度工作檯，機架和y軸移動平臺之間設有沿y軸方向設置的導軌，y軸移動平臺和x軸移動平臺之間設有沿x軸方向設置的導軌；x軸移動平臺上表面的正中位置通過轉動副沿z軸方向連接旋轉平臺底面的正中位置；旋轉平臺的正上部是動平臺，旋轉平臺和動平臺之間並聯4條運動鏈，第一、第二、第四運動鏈的中間均是移動副、兩端均以球面副分別與旋轉平臺和動平臺連接；第三運動鏈的下端沿z軸方向垂直固定連接旋轉平臺的正中心處、中間是移動副、上端通過萬向節連接動平臺；第一、第二、第三運動鏈分別連接驅動件，能夠實現大型非常規曲面工件在強化工序中姿態、位移的自由調整。
文檔編號B23K26/08GK102350590SQ201110288150
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者莊佳奇, 楊啟志, 訾鵬飛, 陳龍, 馬履中 申請人:江蘇大學