專利名稱：一種用于調(diào)整曲面工件位姿的混聯(lián)六自由度工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計描述了一種激光強化工藝中用于調(diào)整曲面工件位姿的混聯(lián)六自由度自動工作臺，可實現(xiàn)曲面工件位置與姿態(tài)的自動調(diào)整，使激光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(guī)曲面零件的激光強化，如用于航空發(fā)動機葉片或汽輪機葉片的激光強化過程中葉片位置與姿態(tài)的調(diào)整。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機氣流通道的主要部件，它在高轉(zhuǎn)速、高溫度、高負荷、高應(yīng)力狀況下工作，其結(jié)構(gòu)和承載情況十分復(fù)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、熱沖擊、氣流沖擊、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(fā)動機故障中，葉片方面的故障占有相當高的比例，我國在役使用和在研發(fā)的軍用航空發(fā)動機中，幾乎無一幸免地發(fā)生過葉片故障問題，嚴重地影響了發(fā)動機的使用安全，是發(fā)動機技術(shù)質(zhì)量最突出的問題之一。汽輪機的工作原理與飛機發(fā)動機相似，也存在上述問題。激光沖擊強化技術(shù)是一種新興的高效、清潔、低耗、快速的表面強化技術(shù)。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余應(yīng)力層。相比較于常用的噴丸強化技術(shù)，激光沖擊處理還能更好地保持強化區(qū)域的表面粗糙度和尺寸精度，并能夠降低已產(chǎn)生裂紋的擴展速率，激光沖擊處理應(yīng)用于飛機發(fā)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，激光強化的效果會受到很多因素的限制，從理論分析知道，當激光束與被強化工件激光沖擊點處的法線方向重合時，強化效果是最好的。常用的激光發(fā)射裝置的激光束性能經(jīng)調(diào)試穩(wěn)定后，激光束方向是不變的，所以這就要求工件可以在空間中作自由運動， 不斷調(diào)整位姿，使被強化點的法線方向連續(xù)地與激光束方向重合，以獲得最佳的強化效果。 但目前使用的激光發(fā)射裝置，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，激光束的性能和方向很難調(diào)節(jié)，與之配套的能實現(xiàn)工件在空間中作自由運動的位姿調(diào)整平臺未見報道。而現(xiàn)有的位姿調(diào)整平臺，只能通過簡單的人為控制實現(xiàn)三個方向x、y、z向的位置平移，無法實現(xiàn)對復(fù)雜曲面的3D形狀產(chǎn)品的空間姿態(tài)調(diào)整，難以滿足高質(zhì)量激光強化需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中工件位姿調(diào)整工作臺性能的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于調(diào)整曲面工件位姿的混聯(lián)六自由度工作臺，在激光強化工藝中，實現(xiàn)平面或空間多自由度位姿調(diào)整，有效地解決復(fù)雜曲面工件空間六自由度的位姿調(diào)整問題，滿足激光沖擊強化過程中對曲面工件強化點處法線方向連續(xù)變化的特殊要求。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)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(shè)有沿y軸方向設(shè)置的導(dǎo)軌，y軸移動平臺和χ軸移動平臺之間設(shè)有沿χ軸方向設(shè)置的導(dǎo)軌；χ軸移動平臺上表面的正中位置通過轉(zhuǎn)動副R沿ζ軸
3方向連接旋轉(zhuǎn)平臺底面的正中位置；旋轉(zhuǎn)平臺的正上部是動平臺，旋轉(zhuǎn)平臺和動平臺之間并聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺的正中心處、中間是移動副P2、上端通過萬向節(jié)連接動平臺；所述第一、第二、 第三運動鏈分別連接驅(qū)動件。本發(fā)明的有益效果是
1、通過串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)相結(jié)合，形成一種多功能混聯(lián)六自由度工作臺，該混聯(lián)六自由度工作平臺很好地解決了現(xiàn)役激光強化裝置中傳統(tǒng)平動工作臺機構(gòu)姿態(tài)無法調(diào)整，無法自動定位等問題，并能夠?qū)崿F(xiàn)大型非常規(guī)曲面工件在強化工序中姿態(tài)、位移的自由調(diào)整， 使待強化處理曲面零件被強化點的法線方向與高強度激光沖擊器的激光束方向重合，使工件全部待強化表面得到最理想的強化效果。2、本發(fā)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(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、動態(tài)響應(yīng)迅速、定位精度高、易于控制、成本低廉等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中各個運動鏈及其關(guān)聯(lián)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(zhuǎn)平臺；5. y軸移動平臺；6. χ軸移動平臺；7.導(dǎo)軌；8.第三運動鏈；9.第四運動鏈；10.萬向節(jié)；11.曲面工件；12.激光沖擊器；13.機架；SUS2.球面畐Ij ；PU Ρ2.移動副；R. ·轉(zhuǎn)動副。
具體實施例方式參見圖1-2，本發(fā)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(shè)置導(dǎo)軌7，導(dǎo)軌7上安裝y軸移動平臺5，y軸移動平臺5通過導(dǎo)軌7在y軸方向上沿導(dǎo)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(shè)置導(dǎo)軌，χ軸移動平臺6安裝在該y軸移動平臺5的導(dǎo)軌上，實現(xiàn)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(zhuǎn)動副R連接旋轉(zhuǎn)平臺4底面的正中位置。旋轉(zhuǎn)平臺4的正上部是動平臺1，旋轉(zhuǎn)平臺4和動平臺1之間并連第一、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(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺4的正中心處， 中間是移動副P2，上端是萬向節(jié)10，第三運動鏈8上端通過萬向節(jié)10連接動平臺1。第一、 第二、四運動鏈2、3、9的兩端與旋轉(zhuǎn)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(gòu)成等邊三角形，連接旋轉(zhuǎn)平臺4的三個球面副也構(gòu)成等邊三角形。在動平臺1上放置曲面工件11，曲面工件11的上部是高強度的激光沖擊器12，激光沖擊器12固定在機架13的上板上。本發(fā)明工作時，由y軸移動平臺5和導(dǎo)軌7構(gòu)成的移動副實現(xiàn)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(gòu)成的移動副實現(xiàn)動平臺1在在y軸向的移動。由旋轉(zhuǎn)平臺4和χ軸移動平臺6構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副R串聯(lián)，再串聯(lián)4條并聯(lián)的運動鏈以實現(xiàn)工件沿X、1、ζ軸的位置平移及繞χ、y、ζ軸的姿態(tài)轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)平臺4通過轉(zhuǎn)動副R轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)整個工作臺繞ζ軸的轉(zhuǎn)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(qū)動原件，由對應(yīng)的驅(qū)動原件驅(qū)動。第四運動鏈9為從動運動鏈，只起運動撐和導(dǎo)向作用。當?shù)谌\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(guī)律驅(qū)動可以實現(xiàn)動平臺1在萬向節(jié)10處繞χ軸與y軸的轉(zhuǎn)動。當?shù)谝贿\動鏈2、第二運動鏈3、第三運動鏈8同時按一定規(guī)律伸縮時，可以實現(xiàn)ζ軸的移動。這樣， 通過4條運動鏈的配合運動就能能實現(xiàn)整個工作臺繞χ軸、y軸的轉(zhuǎn)動及ζ軸方向的移動。 當工作臺與激光沖擊器12配合運作時，就能實現(xiàn)對復(fù)雜曲面工件的激光沖擊強化處理，在對復(fù)雜曲面工件強化處理時，能不斷調(diào)整自身位姿，以使曲面工件11待強化點處的法線方向連續(xù)與激光束方向重合，從而達到最理想的強化效果。本發(fā)明可以采用立姿與臥姿兩種實施方式，立姿主要用于激光沖擊功率較小或者工件尺寸較小、位姿調(diào)整范圍較小的情況下，臥姿主要用于激光沖擊功率大或者工件尺寸較大、位姿調(diào)整范圍較大的情況。在不同的工作要求中，可以將旋轉(zhuǎn)平臺置于動平臺之上， 形成一個可實現(xiàn)X軸移動y軸移動的串聯(lián)機構(gòu)和一個能實現(xiàn)X軸轉(zhuǎn)動、y軸轉(zhuǎn)動、Z軸移動的并聯(lián)機構(gòu)再加上一個可實現(xiàn)ζ軸轉(zhuǎn)動的串聯(lián)機構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)整曲面工件位姿的混聯(lián)六自由度工作臺，包括機架(13)，其特征是機架(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(shè)有沿y軸方向設(shè)置的導(dǎo)軌，y軸移動平臺(5)和χ軸移動平臺(6)之間設(shè)有沿χ軸方向設(shè)置的導(dǎo)軌；χ軸移動平臺(6)上表面的正中位置通過轉(zhuǎn)動副R沿ζ軸方向連接旋轉(zhuǎn)平臺(4) 底面的正中位置；旋轉(zhuǎn)平臺(4)的正上部是動平臺(1)，旋轉(zhuǎn)平臺(4)和動平臺(1)之間并聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺(4)的正中心處、中間是移動副P2、上端通過萬向節(jié)(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(qū)動件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于調(diào)整曲面工件位姿的混聯(lián)六自由度工作臺，其特征是第一、第二、第四運動鏈(2、3、9)兩端分別與旋轉(zhuǎn)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(fā)明公開一種激光強化工藝中用于調(diào)整曲面工件位姿的混聯(lián)六自由度工作臺，機架和y軸移動平臺之間設(shè)有沿y軸方向設(shè)置的導(dǎo)軌，y軸移動平臺和x軸移動平臺之間設(shè)有沿x軸方向設(shè)置的導(dǎo)軌；x軸移動平臺上表面的正中位置通過轉(zhuǎn)動副沿z軸方向連接旋轉(zhuǎn)平臺底面的正中位置；旋轉(zhuǎn)平臺的正上部是動平臺，旋轉(zhuǎn)平臺和動平臺之間并聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺的正中心處、中間是移動副、上端通過萬向節(jié)連接動平臺；第一、第二、第三運動鏈分別連接驅(qū)動件，能夠?qū)崿F(xiàn)大型非常規(guī)曲面工件在強化工序中姿態(tài)、位移的自由調(diào)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(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者莊佳奇, 楊啟志, 訾鵬飛, 陳龍, 馬履中 申請人:江蘇大學(xué)