CN105345003A - 一种刀剪增材制造设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀剪增材制造设备。包括机器人、激光器、送粉器、冷却装置、气体保护装置、工作台、安全保护装置、PLC控制柜和激光熔敷加工头，其中激光器与激光熔敷加工头通过光纤连接，激光熔敷加工头由所述机器人加持定位，送粉器通过送粉导管与分粉器连接后再通过送粉导管与激光熔敷加工头连接，冷却装置设在激光器附近能对激光器的温度进行控制，气体保护装置通过气导管与激光熔敷加工头连接，PLC控制柜与上述机构连接，以实现接收反馈信号或发出控制信号。本发明的优点在于，降低了对刀胚材料的要求，利用普通刀胚材料就可以生产高端刀具，有效提高了刀剪的硬度、锋利度、耐磨性，大幅度延长了刀剪的使用寿命。

Description

一种刀剪增材制造设备

技术领域

本发明涉及增材制造设备领域，尤其涉及刀剪刃部强化的刀剪增材制造设备。

背景技术

刀剪作为与百姓息息相关的使用工具，国内年需求量在千万把以上，是一个极具潜力的市场。近年来，随着人力成本的上涨，对传统的厨刀生产方式造成很大的冲击；此外生活水平的提高，对高性能的厨刀产品及个性收藏的需求也不断增加。

刀剪关键之处在于刀刃，要求锋利且具有较好的韧性，刀刃的加工方式主要有以下几种：

①热处理：该方法生产的刀剪，其刀刃刀身一般为一体材料，刀刃通过淬火回火热处理获得良好的综合性能，该方法为传统的加工方法，生产成本低廉，但刀刃硬度不高，耐磨性能一般，使用寿命较低。目前，市场上大部分中低端不锈钢厨刀即采用该方法生产，用材包括1Cr13、3Cr13、4Cr13不锈钢等，但这些材料受碳含量的限制，最高硬度只能达到53~54HRC，耐磨性能一般，影响使用时的锋利性和寿命。

②复合层刀刃：刀剪刀刃通过不同性能材料复合制成，中心为高硬耐磨层，两侧为相对较软增韧层，复合层数根据不同功能要求有3层，5层等；日本爱知钢公司曾开发一种抗菌性优良的复合不锈钢板，该复合不锈钢板共由5层板材组成，具有很强抗菌性的铜或铜合金板材夹在表层与芯之间，构成决定刀具切割锋利性的刃口部分采用高碳马氏体系刀具用不锈钢AUS8，两侧表层材料采用了耐蚀性优良的低碳马氏体不锈钢AUS410，通过轧制制成抗菌刀具复合不锈钢。阳江十八子集团有限公司也开发了一种3层复合不锈钢厨刀，中间层较薄的是8Cr13MoV高碳高铬材料，热处理后具有硬度高、耐切、锋利等特点；而侧面材料是低碳的1Cr13不锈钢，起到保护并增加刀刃韧性的作用，该3层刀刃则通过爆炸焊接结合。

③激光强化刀刃：该方法通过激光强化（淬火或熔覆）使刀刃表面形成一层很薄的特殊性能层，能显著提高刀刃的耐磨性和寿命，使用过程中基本不需磨刃，俗称“懒汉刀”。浙江工业大学姚建华团队采用激光在常规厨刀材料1Cr13不锈钢表面熔覆超细的硬质合金薄层，熔覆层的最高硬度可达到1000HV以上，耐磨性能显著提高；同时在熔覆硬化层与基体之间存在回火软化区，有利于保持刃口的韧性，刀刃获得了很好的耐磨性和韧性综合性能，显著提高了厨刀的锋利性和寿命。经分析，德国双立人厨刀，日本贝印公司的美容剪，瑞士十字多用小刀等厨刀及类似刀具，刀刃上都有一层特殊的耐磨材料。美国史丹利刀具公司在刀具刀刃处采用激光熔覆硬质合金粉末，刀刃硬度达到1200HV，寿命为普通刀具的10~12倍。由此可见，采用激光强化技术能够显著提高刀具刀刃的性能，随着激光技术的推广和普及，采用激光强化技术进行刀具制造将是一种重要的发展趋势。目前，针对刀刃强化的刀剪增材制造专门装备还鲜有报道，为此发明了本专利。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种刀剪刀刃强化的增材制造设备，用于在刀剪刃部逐层熔敷强化粉末，提高刀剪硬度、锋利度及使用寿命。

本发明通过以下技术方案实现。

本发明是一种刀剪增材制造设备，工作原理为：激光器发出激光，通过光纤传输到机器人执行机构，需要强化的刀具被夹持在固定位置，机器人按照刀刃型线示教，强化粉末通过射出头喷出，在激光作用下逐层熔覆在刀具刃口部位，它包括机器人、激光器、送粉器、冷却装置、气体保护装置、工作台、安全保护装置、PLC控制柜和激光熔敷加工头，其中激光器与激光熔敷加工头通过光纤连接，激光熔敷加工头由所述机器人加持定位，送粉器通过送粉导管与分粉器连接后再通过送粉导管与激光熔敷加工头连接，冷却装置设在激光器附近能对激光器的温度进行控制，气体保护装置包括气源和气导管，气源通过气导管与激光熔敷加工头连接，PLC控制柜与机器人、激光器、送粉器、冷却装置、气体保护装置、工作台、安全保护装置、激光熔敷加工头连接，以实现接收反馈信号或发出控制信号。

优选地，所述分粉器通过四路送粉导管一、送粉导管二、送粉导管三、送粉导管四与激光熔敷加工头本体上对称分布的四个直通快插接头一、直通快插接头二、直通快插接头三、直通快插接头四连接。

优选地，所述气导管上设置有继电器，继电器与PLC控制柜连接，控制保护气路的通断。

优选地，所述工作台上面固定有加热系统，其包括高频感应加热器、冷水机、温控仪，温控仪分别与刀具和PLC控制柜8连接，用于将刀具加热到设定温度信号反馈至PLC控制柜8。

优选地，所述工作台上面固定有工装夹具，以针对不同刀型进行夹持定位。

优选地，所述安全保护装置包括两套光幕传感器，平行放置于工作台两侧，在刀剪增材制造开始至结束过程中，负责检测光幕传感器之间外物入侵信号，并将该信号反馈至PLC控制柜。

优选地，所述激光熔敷加工头设有激光聚焦系统，该激光聚焦系统位于激光熔敷加工头本体内，其包括上准直镜和下聚焦镜。

优选地，所述激光熔敷加工头上设置监控系统，该监控系统包括高清摄像头和辅助照明光源，高清摄像头和辅助照明光源分别通过夹持架与激光熔敷加工头本体连接，分别位于刀剪增材制造过程所述激光熔敷加工头运动的正前方和正后方，其中高清摄像头与所述PLC控制柜连接。

优选地，所述PLC控制柜包括视频采集卡和计算处理装置，且所述视频采集卡和计算处理装置能对高清摄像头采集到的图像信息进行分析处理，获得刀剪增材制造实况，并根据实况信息向所述机器人发送调整指令，所述机器人根据所述调整指令调整姿态使所述激光熔敷加工头射出的激光束的光斑始终位于刀剪的中心线处。

优选地，所述高清摄像头为内部安装滤光镜的CCD视频摄像头。

本发明的优点在于，与传统刀刃生产方法相比，具有以下优势：（1）柔性化，用激光技术与工业机器人配合，可实现不同刀型刀刃强化；（2）成本低，效率高，刀体可选用普通材质，如3Cr14不锈钢，刀刃选用特殊材料，整体成本低廉；（3）刀刃硬度高，使用寿命长；（4）刀刃增材制造效率高、刀刃加工质量好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1所示中激光熔敷加工头的结构示意图。

图3为本发明刀具刃部增材制造过程示意图，其中941为刀具刀刃，942为刀具刀刃增材制造层，943为增材制造粉末。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明是一种刀剪增材制造设备，工作原理为：激光器发出激光，通过光纤传输到机器人执行机构，需要强化的刀具被夹持在固定位置，机器人按照刀刃型线示教，强化粉末通过射出头喷出，在激光作用下逐层熔覆在刀具刃口部位。

它包括机器人1、激光器2、送粉器3、冷却装置4、气体保护装置5、工作台6、安全保护装置、PLC控制柜8和激光熔敷加工头9，激光熔敷加工头9设置在机器人1上，其中，安全保护装置包括两套光幕传感器71和72，平行放置于工作台6两侧，在刀剪增材制造开始至结束过程中，负责检测光幕传感器之间外物入侵信号，并将该信号反馈至PLC控制柜8，若有外物，则PLC控制柜8将中断命令发送至机器人1、激光器2、送粉器3、气体保护装置5、工作台6，上述设备停止运行，若无外物，则上述设备正常运行。

如图1所示，机器人1，连接有机器人控制柜11；机器人控制柜11与PLC控制柜8连接，用于接收PLC控制柜8发送的机器人移动命令；机器人1根据接收的机器人移动命令移动激光熔敷加工头9。

如图1所示，激光器2，与PLC控制柜8连接，用于接收PLC控制柜8发送的激光源触发命令；激光器2通过光纤21与激光熔敷加工头9连接；这样，激光源2接收PLC控制柜8发送的激光器触发命令，并将产生的激光束经光纤21传导至激光熔敷加工头9，由激光熔敷加工头9射出对刀剪刃部进行增材制造。在激光源2附近设置冷却装置4，以对激光源2的温度进行控制，冷却装置4可优选水冷机组

如图1和图2所示，送粉器3，与PLC控制柜8连接，用于接收PLC控制柜8发送的送粉器出粉命令；送粉器3通过送粉导管32与分粉器31连接，经分粉器31分成四路送粉导管一33、送粉导管二34、送粉导管三、送粉导管四（送粉导管三、送粉导管四图中未画出），四路送粉导管一33、送粉导管二34、送粉导管三、送粉导管四与激光熔敷加工头9本体上对称分布的四个直通快插接头一961、直通快插接头二962、直通快插接头三、直通快插接头四（直通快插接头三、直通快插接头四图中未画出）连接，保证同轴均匀送粉。

如图1所示，工作台6，与PLC控制柜8连接，用于接收PLC控制柜8发送的工作台6转动命令；工作台6上面固定有加热系统61，用于控制刀具加热到所要求的温度范围之内，包括高频感应加热器611、冷水机613、温控仪613；温控仪613分别与刀具和PLC控制柜8连接，用于将刀具加热到设定温度信号反馈至PLC控制柜8。工作台6上面固定有工装夹具62，可针对不同刀型进行夹持定位。

如图2所示，激光熔敷加工头9设有激光聚焦系统，该激光聚焦系统位于激光熔敷加工头9本体内，包括上准直镜911和下聚焦镜912。激光器2产生的激光束从光纤21中传导出时为带有发散角的发散光束，该发散光束经上准直镜911折射后变成平行光束，该平行光束经下聚焦镜912折射聚焦后形成聚焦光束，并在激光熔敷加工头9本体外部汇聚成焦点。

如图1和2所示，所述激光熔敷加工头9上设置监控系统，其包括高清摄像头93、辅助照明光源92，其中，所述高清摄像头93和辅助照明光源92分别通过夹持架942和941与激光熔敷加工头9本体连接，并位于刀剪增材制造过程所述激光熔敷加工头9运动的正前方和正后方。高清摄像头93优选电荷耦合器件图像传感器（ChargeCoupledDevice，简称CCD传感器），将采集到的图像信息由光信号转换为电信号通过通讯光缆931传输到PLC控制柜8，由安置在其中的视频采集卡、计算机处理装置（图中未示出）收集分析处理影像信息，并将处理结果反馈给机器人1，由机器人1响应反馈信息并协调运动各轴，调节姿态，使光斑始终处在刀刃中心，形成一个闭环控制系统对熔敷位置进行监测并实时调节。

如图1和图2所示，气体保护装置5包括气源51和气导管52，气源51通过气导管52与激光熔敷加工头9本体上的直通快插接头971连接，使保护气同轴输出，防止刀具加工部位氧化。保护气导管52上设置有继电器53，继电器53与PLC控制柜8连接，控制保护气路的通断。

上述实施例为本发明的最佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、替换、组合，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刀剪增材制造设备，其特征在于，包括机器人、激光器、送粉器、冷却装置、气体保护装置、工作台、安全保护装置、PLC控制柜和激光熔敷加工头，其中激光器与激光熔敷加工头通过光纤连接，激光熔敷加工头由所述机器人加持定位，送粉器通过送粉导管与分粉器连接后再通过送粉导管与激光熔敷加工头连接，冷却装置设在激光器附近能对激光器的温度进行控制，气体保护装置包括气源和气导管，气源通过气导管与激光熔敷加工头连接，PLC控制柜与机器人、激光器、送粉器、冷却装置、气体保护装置、工作台、安全保护装置、激光熔敷加工头连接，以实现接收反馈信号或发出控制信号。

2.根据权利要求1所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述分粉器通过四路送粉导管一、送粉导管二、送粉导管三、送粉导管四与激光熔敷加工头本体上对称分布的四个直通快插接头一、直通快插接头二、直通快插接头三、直通快插接头四连接。

3.根据权利要求2所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述气导管上设置有继电器，继电器与PLC控制柜连接，控制保护气路的通断。

4.根据权利要求3所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述工作台上面固定有加热系统，其包括高频感应加热器、冷水机、温控仪，温控仪分别与刀具和PLC控制柜8连接，用于将刀具加热到设定温度信号反馈至PLC控制柜8。

5.根据权利要求4所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述工作台上面固定有工装夹具，以针对不同刀型进行夹持定位。

6.根据权利要求5所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述安全保护装置包括两套光幕传感器，平行放置于工作台两侧，在刀剪增材制造开始至结束过程中，负责检测光幕传感器之间外物入侵信号，并将该信号反馈至PLC控制柜。

7.根据权利要求6所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述激光熔敷加工头设有激光聚焦系统，该激光聚焦系统位于激光熔敷加工头本体内，其包括上准直镜和下聚焦镜。

8.根据权利要求7所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述激光熔敷加工头上设置监控系统，该监控系统包括高清摄像头和辅助照明光源，高清摄像头和辅助照明光源分别通过夹持架与激光熔敷加工头本体连接，分别位于刀剪增材制造过程所述激光熔敷加工头运动的正前方和正后方，其中高清摄像头与所述PLC控制柜连接。

9.根据权利要求8所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述PLC控制柜包括视频采集卡和计算处理装置，且所述视频采集卡和计算处理装置能对高清摄像头采集到的图像信息进行分析处理，获得刀剪增材制造实况，并根据实况信息向所述机器人发送调整指令，所述机器人根据所述调整指令调整姿态使所述激光熔敷加工头射出的激光束的光斑始终位于刀剪的中心线处。

10.根据权利要求8所述的刀剪增材制造设备，其特征在于，所述高清摄像头为内部安装滤光镜的CCD视频摄像头。