CN103243288B - 一种双z轴自动电火花沉积装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双Z轴自动电火花沉积装置及方法，控制X轴、Y轴和Z1轴方向上的第一、第二、第四交流伺服电机运动将电极移动到工件表面的加工起点位置；第三交流伺服电机运行，Z2轴滑枕下降至旋转沉积枪对工件的挤压力等于预先设定值；第一、第二、第四交流伺服电机运行，通过转沉积枪旋转形成工件表面的运行轨迹；根据测力传感器测出的实际挤压力值调节电极的高度，当挤压力大于预先设定值的上偏差时，第三交流伺服电机反转驱动Z2轴滑枕上升，带动旋转沉积枪和电极上升；当挤压力小于预先设定值的下偏差时，第三交流伺服电机正转，驱动Z2轴滑枕下降；Z2轴方向的升降运动仅与挤压力有关，沉积层更加连续、沉积层厚度更加均匀。

Description

一种双Z轴自动电火花沉积装置及方法

技术领域

本发明涉及金属表面沉积及电火花表面沉积技术，具体地说是一种自动电火花沉积装置。

背景技术

电火花表面沉积是利用储能电源在电极与工件接触瞬间释放能量，将电极材料熔融甚至气化，涂覆至工件表面，从而在工件表面形成一层高耐磨性、高硬度及耐腐蚀的冶金强化层。该工艺具有操作简单、能量利用率高、电极材料选择范围广、基材热响应区域小以及残余应力低等特点，广泛应用于能源、航空、航天、电力、矿山以及一些精密零件的修复等领域。

目前电火花表面沉积大都是手持焊枪操作，因手动压力不稳定，电极在不断损耗，导致压力在不断变化，在放电能量一定的情况下，当压力变大时，挤压程度变大，合金化层被向外挤压的量变多，单个沉积点形成的沉积层面积变大；当压力变小时，挤压程度变小，合金化层被向外挤压的量变少，单个沉积点形成的沉积层面积变小。在以上两种情况下，电极与工件之间的挤压力、电极移动轨迹和速度以及各点停留时间难以控制，沉积层厚度不均匀、沉积层上各点的硬度差别较大，长时间工作会导致沉积层不连续、厚度不均匀、硬度不一致。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有电火花沉积装置通过手动操作焊枪存在的问题，提供一种双Z轴自动电火花沉积装置及方法，解决手动压力不明确且不稳定、电极移动轨迹和速度以及各点停留时间难控制所引起的沉积层不连续、厚度不均匀、硬度不一致等问题。

本发明双Z轴自动电火花沉积装置采用的技术方案是：该双Z轴自动电火花沉积装置最底部是底座，底座上放置XY平台，XY平台上固定放置工件，工件的上方是垂直于XY平台的电极，电极的上端固定连接于旋转沉积枪，旋转沉积枪固定连接沉积枪支架；在XY平台的X轴方向上设有驱动XY平台沿X轴方向运动的第一交流伺服电机，在XY平台的Y轴方向上设有驱动XY平台沿Y轴方向运动的第二交流伺服电机，所述沉积枪支架接触支撑在Z2轴滑枕上，Z2轴滑枕滑动连接垂直于XY平台的小导轨，小导轨固定连接于Z1轴滑枕；Z2轴滑枕通过小丝杠螺母机构连接第三交流伺服电机，第三交流伺服电机的输出轴位于Z2轴方向上；Z1轴滑枕与垂直于XY平台的大导轨滑动连接，大导轨固定连接框架，框架底部固定在底座上，框架顶部中间固定设有第四交流伺服电机，第四交流伺服电机的输出轴位于Z1轴方向上并通过大丝杠螺母机构连接Z1轴滑枕；所述Z1轴方向和Z2轴方向均与X轴方向、Y轴方向在空间相互垂直；Z2轴滑枕的顶部固定设有悬臂支架，悬臂支架下端悬挂着测力传感器，测力传感器下方悬挂着沉积枪支架，沉积枪支架通过滑块与固定在Z2轴滑枕上的一对导轨垂直接触；四个所述交流伺服电机分别连接相对应的伺服电机驱动器，四个所述伺服电机驱动器均连接运动控制器，运动控制器经A/D转换电路连接测力传感器。

本发明双Z轴自动电火花沉积装置的沉积方法采用的技术方案是包括以下步骤：A、由运动控制器控制X轴、Y轴和Z1轴方向上的第一、第二、第四交流伺服电机运动，将电极移动到工件表面的加工起点位置；B、由运动控制器控制第三交流伺服电机运行，Z2轴滑枕下降至旋转沉积枪对工件的挤压力等于预先设定值，由运动控制器控制X轴、Y轴和Z1轴方向上的第一、第二、第四交流伺服电机运行，通过转沉积枪旋转形成工件表面的运行轨迹；C、根据测力传感器测出的实际挤压力值，调节电极的高度，当电极对工件的挤压力大于预先设定值的上偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机反转，驱动Z2轴滑枕上升，带动旋转沉积枪和电极也上升，电极对工件的挤压力减小；当电极对工件的挤压力小于预先设定值的下偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机正转，驱动Z2轴滑枕下降，旋转沉积枪和电极也下降，电极对工件的挤压力增大。

本发明采用上述技术方案后具有以下有益效果:

1、本发明采用双Z轴结构，Z1轴方向由支架支撑，既具有良好的刚性，又具有较大的工作空间，Z2轴方向的升降运动仅与挤压力有关，便于控制，并且Z2轴方向的升降运动部件体积小、质量轻、惯性小，因此Z2轴方向的升降运动可以随挤压力的变化而做出快速响应。

2、在控制系统的作用下，X轴、Y轴和Z1轴方向自动进给，形成与工件表面一致的空间运行轨迹；测力传感器检测电极对工件的挤压力，Z2轴方向根据测力传感器测出的挤压力，自动调节电极高度，从而使挤压力在设定的偏差范围内变化。

3、旋转沉积枪在工件表面上的运行轨迹、移动速度、停留时间完全由X轴、Y轴和Z1轴方向共同控制，电极对工件的挤压力由Z2轴方向的电机控制，这样可以避免手动操作带来的人为误差，从而使沉积层更加连续、沉积层厚度更加均匀、硬度更加一致。

4、本发明扩大了电火花沉积加工的应用范围，不仅可以对平面型或曲面型工件进行沉积加工，而且可以精确控制电极运行轨迹和速度、各点沉积时间以及电极与工件之间的挤压力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中旋转沉积枪、测力传感器及关联部件的放大的连接结构图；

图3为本发明电路工作原理图；

图中：1.底座；2.第一交流伺服电机；3.工件；4.第二交流伺服电机；5.电极；6.旋转沉积枪；7.沉积枪支架；8.测力传感器；9.悬臂支架；10.小丝杠螺母机构；11.减速器；12.第三交流伺服电机；13.大丝杠螺母机构；14.第四交流伺服电机；15. Z1轴方向；16. Z2轴方向；17.大导轨；18. Z1轴滑枕；19.小导轨；20. Z2轴滑枕；21.脉冲电源和惰性气体；22.框架；23.XY平台。

具体实施方式

参见图1，本发明的最底部是底座1，底座1上放置XY平台23，在XY平台23上放置工件3，并且用夹具将工件3夹紧在XY平台23上。在XY平台23的X轴方向上安装第一交流伺服电机2，由第一交流伺服电机2驱动XY平台23沿X轴方向运动；在XY平台23的Y轴方向上安装第二交流伺服电机4，由第二交流伺服电机4驱动XY平台23沿Y轴方向运动。

在工件3的上方是电极5,电极5垂直于XY平台23，电极5的上端固定连接于旋转沉积枪6，电极5固定在旋转沉积枪6上可以高速转动。旋转沉积枪6固定在沉积枪支架7上，沉积枪支架7接触支撑在Z2轴滑枕20上，Z2轴滑枕20滑动连接于小导轨19，采用2个小导轨19左右间隔地连接Z2轴滑枕20，小导轨19固定连接于Z1轴滑枕18。小导轨19垂直于XY平台23，Z2轴滑枕20可沿小导轨19上下垂直滑动。

Z2轴滑枕20通过小丝杠螺母机构10以及减速器11连接第三交流伺服电机12，第三交流伺服电机12的输出轴位于Z2轴方向16上，第三交流伺服电机12输出的动力经减速器11后带动小丝杠螺母机构10工作，小丝杠螺母机构10将第三交流伺服电机12输出的旋转运动转化为Z2轴滑枕20的直线运动，即Z2轴滑枕20沿小导轨19作上下垂直滑动。第三交流伺服电机12固定在Z1轴滑枕18上，并且位于Z2轴滑枕20的上方，小丝杠螺母机构10位于Z2轴滑枕20和Z1轴滑枕18之间。

Z1轴滑枕18通过大导轨17固定连接框架22，大导轨17垂直于XY平台23，Z1轴滑枕18与大导轨17之间滑动连接，采用左、右2个小导轨19分别固定在框架22的左、右两侧端上。框架22的底部延伸至底座1并固定在底座1上，框架22的顶部中间固定安装第四交流伺服电机14，第四交流伺服电机14的输出轴位于Z1轴方向15上，第四交流伺服电机14的输出轴与另一个减速器11直接连接，另一个减速器11的输出轴通过联轴节与大丝杠螺母机构13连接，大丝杠螺母机构13再连接Z1轴滑枕18，第四交流伺服电机14输出的动力带动大丝杠螺母机构14工作，大丝杠螺母机构14将第四交流伺服电机14输出的旋转运动转化为Z1轴滑枕18的直线运动，使Z1轴滑枕18沿大导轨17作上下垂直的升降滑动。

 Z1轴方向15和Z2轴方向16在空间相平行，并且均与X轴方向、Y轴方向在空间相互垂直。

旋转沉积枪6和电极5在此动力下可以沿垂直方向做宏位移进/退；由第三交流伺服电机12驱动Z2轴方向的运动，旋转沉积枪6和电极5在此动力下可以沿垂直方向做微位移进/退。

参见图2，在Z2轴滑枕20的顶部固定悬臂支架9，悬臂支架9下端悬挂着测力传感器8，测力传感器8下方悬挂着沉积枪支架7，沉积枪支架7通过滑块与固定在Z2轴滑枕20上的一对导轨垂直接触。测力传感器8可测量电极5对工件3的挤压力，由于沉积枪支架7与滑块与导轨垂直接触，在电极5、滑块、旋转沉积枪6和沉积枪支架7的共同重力作用下，测力传感器8承受拉力，当电极5与工件3不接触时，测力传感器8输出值为电极5、滑块、旋转沉积枪6和沉积枪支架7的重力总和，当旋转电极5与工件3接触时，测力传感器8输出值发生变化，输出值减小，减小的数值就是电极5对工件3的挤压力。沉积枪支架7、Z2轴滑枕20均采用铝材制造，这样能够减小Z2轴方向16的惯性，提高Z2轴方向16对挤压力变化的响应速度。  

参见图1和图3，本发明还包括控制系统，控制系统一个运动控制器和4套伺服电机驱动器，运动控制器分别连接4套伺服电机驱动器，每套伺服电机驱动器连接与其相应的第一、第二、第三、第四交流伺服电机2、4、12、14。通过一个运动控制器来控制4套伺服电机驱动器，从而分别控制X、Y、Z1和Z2轴方向上的交流伺服电机。脉冲电源和惰性气体21中的惰性气体输送到惰性气体保护加工区，脉冲电源接入旋转沉积枪6和工件3。运动控制器与计算机之间通过RS232通讯线连接，实现数据交换。运动控制器经A/D转换电路连接测力传感器8，测力传感器8负责测量电极5对工件3的挤压力，该测量数值作为反馈值经A/D转换电路后送入运动控制器，在运动控制器中做进一步的计算处理，实现对Z2轴方向16上的运动进行控制，从而使电极5对工件3的挤压力在设定偏差内变化。当电极5对工件3的挤压力大于预先设定值的上偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机12反转，第三交流伺服电机12驱动Z2轴滑枕20上升，挤压力减小；当电极5对工件3的挤压力小于预先设定值的下偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机12正转，驱动Z2轴滑枕20下降，挤压力增大。

本发明工作时，首先由运动控制器控制X轴、Y轴和Z1轴方向上的第一、第二、第四交流伺服电机2、4、14运动，将电极5移动到工件3表面的加工起点位置，此时，电极5与加工起点基本接触，设定Z1轴方向15的当前高度为基准值，X轴、Y轴和Z1轴方向以此基准值运行，旋转沉积枪6在变频器控制下按照设定的转速旋转，转速可以连续调节，形成工件3表面的运行轨迹。当电极5位于工件3表面的加工起点时，由运动控制器控制第三交流伺服电机12运行，移动Z2轴滑枕20下降，直至旋转沉积枪6对工件3的挤压力等于预先设定值。由运动控制器控制X轴、Y轴和Z1轴方向上的第一、第二、第四交流伺服电机2、4、14运行，形成工件3表面的运行轨迹。根据测力传感器8测出的实际挤压力值，调节电极5的高度，当电极5对工件3的挤压力大于预先设定值的上偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机12反转，驱动Z2轴滑枕20上升，带动旋转沉积枪6和电极5也上升，电极5对工件3的挤压力减小；当电极5对工件3的挤压力小于预先设定值的下偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机12正转，驱动Z2轴滑枕20下降，旋转沉积枪6和电极5也下降，电极5对工件3的挤压力增大。

Claims (2)

1.一种双Z轴自动电火花沉积装置，最底部是底座（1），底座（1）上放置XY平台（23），XY平台（23）上固定放置工件（3），工件（3）的上方是垂直于XY平台（23）的电极（5），电极（5）的上端固定连接于旋转沉积枪（6），旋转沉积枪（6）固定连接沉积枪支架（7）；在XY平台（23）的X轴方向上设有驱动XY平台（23）沿X轴方向运动的第一交流伺服电机（2），在XY平台（23）的Y轴方向上设有驱动XY平台（23）沿Y轴方向运动的第二交流伺服电机（4），其特征是：所述沉积枪支架（7）接触支撑在Z2轴滑枕（20）上，Z2轴滑枕（20）滑动连接垂直于XY平台（23）的小导轨（19），小导轨（19）固定连接于Z1轴滑枕（18）；Z2轴滑枕（20）通过小丝杠螺母机构（10）连接第三交流伺服电机（12），第三交流伺服电机（12）的输出轴位于Z2轴方向（16）上，第三交流伺服电机（12）固定连接在Z1轴滑枕（18）上且位于Z2轴滑枕（20）的上方，小丝杠螺母机构（10）位于Z2轴滑枕（20）和Z1轴滑枕（18）之间；Z1轴滑枕（18）与垂直于XY平台（23）的大导轨（17）滑动连接，大导轨（17）固定连接框架（22），框架（22）底部固定在底座（1）上，框架（22）顶部中间固定设有第四交流伺服电机（14），第四交流伺服电机（14）的输出轴位于Z1轴方向上并通过大丝杠螺母机构（13）连接Z1轴滑枕（18）；所述Z1轴方向和Z2轴方向均与X轴方向、Y轴方向在空间相互垂直；Z2轴滑枕（20）的顶部固定设有悬臂支架（9），悬臂支架（9）下端悬挂着测力传感器（8），测力传感器（8）下方悬挂着沉积枪支架（7），沉积枪支架（7）通过滑块与固定在Z2轴滑枕（20）上的一对导轨垂直接触；四个所述交流伺服电机分别连接相对应的伺服电机驱动器，四个所述伺服电机驱动器均连接运动控制器，运动控制器经A/D转换电路连接测力传感器（8）。

2.一种如权利要求1所述双Z轴自动电火花沉积装置的沉积方法，其特征是包括以下步骤：

A、由运动控制器控制X轴、Y轴和Z1轴方向上的第一、第二、第四交流伺服电机（2、4、14）运动，将电极（5）移动到工件（3）表面的加工起点位置； 

B、由运动控制器控制第三交流伺服电机（12）运行，Z2轴滑枕（20）下降至旋转沉积枪（6）对工件（3）的挤压力等于预先设定值，由运动控制器控制X轴、Y轴和Z1轴方向上的第一、第二、第四交流伺服电机（2、4、14）运行，通过转沉积枪（6）旋转形成工件（3）表面的运行轨迹；

C、根据测力传感器（8）测出的实际挤压力值，调节电极（5）的高度，当电极（5）对工件（3）的挤压力大于预先设定值的上偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机（12）反转，驱动Z2轴滑枕（20）上升，带动旋转沉积枪（6）和电极（5）上升，减小挤压力；当电极（5）对工件（3）的挤压力小于预先设定值的下偏差时，运动控制器控制第三交流伺服电机（12）正转，驱动Z2轴滑枕（20）下降，旋转沉积枪（6）和电极（5）下降，增大挤压力。