一种双旋转力控超声冲击强化装置及方法

本发明涉及金属表面加工，具体为一种双旋转力控超声冲击强化装置及方法。

背景技术：

1、超声冲击强化技术通过高频冲击针在金属表面产生重复冲击，使近表层发生塑性变形并形成有利的残余压应力层，可有效提高焊接接头及金属结构的疲劳强度。该技术已应用于焊趾、焊缝过渡区、缺口根部以及标准试件特定区域的强化处理，在航空航天、汽车、铁路和桥梁结构等领域展现出良好的应用前景。超声冲击强化的效果受静压力、冲击方向、移动速度、有效冲击次数等多参数耦合影响，不同工艺参数的择优对材料性能强化有重要影响。

2、现有超声冲击强化装置主要分为手持式与数控式两类。手持式操作依赖人员控制枪体姿态和下压力，难以在焊缝方向改变或夹具遮挡时维持一致的冲击条件。数控式装置方面，已有数控强化装置可实现平面移动、恒载荷或摆动调角，机器人强化装置也能够进行路径跟踪。

3、然而，平板焊接件和标准试件的强化面临一个共性问题：当焊缝走向变化、试件装夹方位调整或局部区域受夹具遮挡时，现有装置难以同时保证冲击枪的目标姿态、稳定的接触力以及实际冲击位置与预设路径之间的毫米级一致性，导致强化效果在不同区域之间存在显著波动，且无法将实际执行数据与预设工艺参数逐点关联追溯，从而限制了超声冲击强化技术在复杂焊缝走向和批量标准化试件加工中的一致性与可重复性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的技术问题，本发明提供一种双旋转力控超声冲击强化装置及方法，旨在解决现有技术中限制了超声冲击强化技术在复杂焊缝走向和批量标准化试件加工中的一致性与可重复性的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种双旋转力控超声冲击强化装置，包括机架、升降旋转机构、试件平移旋转机构、冲击枪和试件固定座，其中：

4、所述升降旋转机构包括升降组件和第一回转驱动器，所述升降组件设于机架的顶部，并与冲击枪连接设置，用于驱动冲击枪沿竖直方向移动，所述第一回转驱动器连接于升降组件与冲击枪之间，用于驱动冲击枪绕水平轴线旋转，以改变冲击枪的冲击方向；

5、所述试件平移旋转机构包括平面位移组件和第二回转驱动器，所述平面位移组件设于机架的顶部，并与试件固定座连接设置，用于驱动试件固定座在水平面内移动，所述第二回转驱动器连接于平面位移组件与试件固定座之间，用于驱动试件固定座绕竖直轴线旋转，以改变试件的方位。

6、可选的，所述升降组件包括立柱、滑座和第一驱动件，其中：

7、所述立柱固定设于机架的顶部，其对应试件固定座的一侧竖直设有限位滑轨；

8、所述滑座纵向滑动设于限位滑轨上，所述冲击枪通过第一回转驱动器安装于滑座上；

9、所述第一驱动件设于立柱的顶部，并与滑座驱动连接，用于驱动滑座沿限位滑轨往复滑动。

10、可选的，所述平面位移组件包括导轨组件和第二驱动件，其中：

11、所述导轨组件水平设于机架的顶部，所述试件固定座滑动设于导轨组件上；

12、所述第二驱动件与试件固定座驱动连接，用于驱动所述试件固定座沿导轨组件往复滑动。

13、可选的，所述导轨组件包括第一导向轨、第二导向轨和第三驱动件，其中：

14、所述第一导向轨水平设于机架的顶部；

15、所述第二导向轨水平设于机架的顶部且垂直于第一导向轨，所述第二导向轨滑动设于第一导向轨上，并可沿第一导向轨往复滑动；

16、所述试件固定座滑动设于所述第二导向轨上，并可沿所述第二导向轨往复滑动；

17、所述第三驱动件与第二导向轨驱动连接，用于驱动所述第二导向轨沿第一导向轨往复滑动。

18、可选的，所述试件固定座包括夹持座、夹块和第四驱动件，其中：

19、所述夹持座通过第二回转驱动器安装于平面位移组件上，所述夹持座的顶部开设有夹持槽；

20、所述夹块滑动设于夹持槽内，用于抵压固定试件；

21、所述第四驱动件设于夹持座的一端，并与夹块驱动连接，用于驱动所述夹块沿所述夹持槽滑动以夹紧或释放试件。

22、可选的，一种双旋转力控超声冲击强化装置还包括力传感器；

23、所述力传感器设于所述试件固定座与所述第二回转驱动器之间的力传递路径上，用于检测所述冲击枪作用于试件的实际接触力。

24、本发明还提供了一种双旋转力控超声冲击强化方法，上述所述的双旋转力控超声冲击强化装置，所述强化方法包括：

25、获取目标强化路径，并将所述目标强化路径离散为若干工艺点，每一所述工艺点至少关联有目标位置信息、目标姿态信息和目标接触力信息；

26、根据当前工艺点的目标位置信息和目标姿态信息，分别确定所述升降组件的目标高度、所述第一回转驱动器的目标旋转角、所述平面位移组件的目标平面位置及所述第二回转驱动器的目标旋转角，并驱动各机构协同运动，使所述超声冲击枪到达当前工艺点对应的目标位置及目标姿态；

27、获取所述力传感器反馈的实际接触力，并以所述实际接触力与所述目标接触力信息的偏差作为反馈，闭环驱动所述升降组件进行微位移补偿，直至所述实际接触力满足预设的力容差；

28、所述实际接触力满足预设力条件，触发所述超声冲击枪在当前工艺点执行冲击输出。

29、可选的，所述将所述目标强化路径离散为若干工艺点，具体包括：

30、根据所述目标强化路径的几何信息提取各所述工艺点的路径切向量和表面法向量；

31、所述路径切向量用于确定所述目标姿态信息中的冲击方向，所述表面法向量用于确定所述目标姿态信息中的冲击倾角；

32、根据所述目标强化路径的几何信息确定相邻所述工艺点之间的间距，所述间距与所述目标强化路径的曲率成反相关关系。

33、可选的，所述根据当前工艺点的目标位置信息和目标姿态信息，分别确定所述升降组件的目标高度、所述第一回转驱动器的目标旋转角、所述平面位移组件的目标平面位置及所述第二回转驱动器的目标旋转角，具体包括：

34、根据当前工艺点的目标位置信息，确定所述升降组件的目标高度和所述平面位移组件的目标平面位置；

35、根据当前工艺点的路径切向量和表面法向量，并结合所述第二回转驱动器的当前旋转角，计算当前工艺点在装置坐标系下的目标冲击方向；

36、获取所述超声冲击枪处于预设零位姿态时的冲击轴方向，并将所述冲击轴方向与所述目标冲击方向进行比对，计算所述第一回转驱动器的目标旋转角。

37、可选的，所述闭环驱动所述升降组件进行微位移补偿，具体包括：

38、获取所述力传感器反馈的实际接触力，并计算所述实际接触力与所述目标接触力信息之间的力偏差；

39、根据所述力偏差，按照比例积分控制律计算所述升降组件的微位移补偿量；

40、根据所述微位移补偿量驱动所述升降组件动作，直至所述力偏差满足预设的力容差。

41、与现有技术相比，本发明提供的一种双旋转力控超声冲击强化装置及方法，具有以下有益效果：

42、（1）通过设置升降旋转机构和试件平移旋转机构，使超声冲击枪具备绕水平轴线旋转的自由度、试件固定座同时具备在水平面内移动和绕竖直轴线旋转的自由度，形成冲击枪与试件双旋转协同的机械架构，从而在不同焊缝走向、试件装夹方位或局部遮挡条件下，均能够通过双旋转角度的协同调整使冲击枪到达目标位置及目标姿态，有效提升了装置对复杂工况的适应能力。

43、（2）通过将力传感器设于试件固定座与第二回转驱动器之间的力传递路径上，使冲击枪作用于试件的实际接触力被实时获取并作为闭环反馈，在冲击输出前通过升降组件的微位移补偿将实际接触力调节至预设的力容差范围内，从而避免了因装夹误差、姿态调整或试件局部高度变化引起的接触力波动，保证了每一工艺点冲击条件的一致性。

44、（3）通过将目标强化路径离散为带有目标位置信息、目标姿态信息和目标接触力信息的工艺点，并使各工艺点关联有路径切向量和表面法向量，为双旋转角度的解算提供了数据基础；同时利用目标强化路径的几何信息确定相邻工艺点之间的间距，使转角或曲率较大区域自动加密点云，进一步保证了实际冲击位置与预设路径之间的位置一致性。

45、（4）通过基于力偏差按照比例积分控制律计算升降组件的微位移补偿量，并持续驱动升降组件动作直至力偏差满足预设的力容差，形成接触力闭环调节机制；同时仅在力条件满足后方触发冲击输出，使每一工艺点的冲击均建立在力稳定的前提下，有效消除了因接触力不达标导致的无效冲击，提高了强化过程的可控性和工艺数据的一致性。