CN105499573A - 一种机器人激光3d打印系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人激光3D打印系统及方法，利用机械臂带动激光打印头单元进行3D打印，所述的机械臂包括机座、水平回转盘、臂关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、机器人手腕、连接盘、保护气体供给管路、与粉末料仓相连的粉末供给管路，连接盘与激光打印头单元连接，连接盘带动激光打印头单元旋转，保护气体供给管路、粉末供给管路通过固定环固定在大臂和小臂上；保护气体供给管路、粉末供给管路端部与激光打印头单元连接。优点是：能直接加工制造出任意形状金属零件，尤其是不锈钢合金零件，大大提高了复杂形状金属零件尤其是不锈钢合金零件的加工制造效率。采用的金属粉末按零件形状直接喷粉，剩余粉末少，且可回收再利用。

Description

一种机器人激光3D打印系统及方法

技术领域

本发明涉及3D金属打印领域，尤其涉及一种机器人激光3D打印系统及方法。

背景技术

3D打印是一种快速成形技术，又称快速原型制造(RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料直接烧结堆积法的一种高效制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大创新成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的方案。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

选择激光烧结机技术(SelectiveLaserSintering,SLS)作为快速原型技术的常用工艺，是利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。与其他快速成型工艺相比，其最大的独特性是能够直接制作金属制品，而且其工艺比较简单、精度高、无需支撑结构、材料利用率高。

专利号为CN201310288137.7的中国专利公开了“一种金属零件的3D打印制造装置和方法”，包括激光系统、铺粉系统、气氛保护系统、加热系统和计算机控制系统，一次铺粉结束之后，通过激光系统对在成型区域的粉末进行烧结，依此往复。该打印制造装置及方法能直接加工制造出任意结构金属零件，它是依靠振镜的摆动实现工件打印。因此，打印工件尺寸受限制，存在着打印速度慢，效率不高的缺点。

专利号为201510528491.1的中国专利公开“一种新型3D激光打印设备”，由四个滚轴和导轨组成平面运动控制，其工件打印尺寸受滚轴和导轨限制。

可见当前金属零件的3D打印制造装置和方法，工件打印尺寸都受到传动系统的限制。所以，很有必要创一种不受或少受传动系统限制的金属零件的3D打印制造装置和方法。

专利号为201310376201.7的中国专利公开了“一种基于工业机械手的3D打印机器人”，其结构为多轴机械臂前端设置3D打印头，并利用激光栅格定位装置定位，但是并未公开激光栅格定位装置的具体结构，同时也没有公开该机器人的具体结构，以及该机器人的工作过程。

专利号为201510427361.9的中国专利公开“一种利用多自由度机器人的3D打印焊接方法”，依据焊缝路径图样等进行焊接，并非零件的整体打印，而且该专利文件也未公开该机器人的具体结构。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种机器人激光3D打印系统及方法，增大打印范围，采用金属粉末按零件形状直接喷粉，在工作台不运动的情况下，靠多自由度机器人自身运动控制完成3D打印，可直接加工任意形状的金属零件，加工灵活。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种机器人激光3D打印系统，利用机械臂带动激光打印头单元进行3D打印，所述的机械臂包括机座、水平回转盘、臂关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、机器人手腕、连接盘、保护气体供给管路、与粉末料仓相连的粉末供给管路，机座上设有水平回转盘，水平回转盘上固定有臂关节，水平回转盘带动臂关节旋转，大臂一端通过臂关节与水平回转盘活动铰接，大臂另一端通过肘关节与小臂一端活动铰接，小臂另一端通过腕关节与机器人手腕一端活动铰接，机器人手腕另一端与连接盘固定，连接盘与激光打印头单元连接，连接盘带动激光打印头单元旋转，保护气体供给管路、粉末供给管路通过固定环固定在大臂和小臂上；保护气体供给管路、粉末供给管路端部与激光打印头单元连接，分别为激光打印头单元供保护气体及金属粉末料。

所述的激光打印头单元包括外罩、摄像头、激光整理腔，摄像头设置在激光整理腔外部，激光整理腔包括扩束系统、动态聚焦系统、聚光镜，激光整理腔内由上至下同轴依次设置扩束系统、动态聚焦系统、聚光镜，聚光镜下方设置与聚光镜同轴的锥形外罩，外罩侧壁内连通有保护气体供给管路和粉末供给管路。

所述的激光打印头单元还包括激光打印头反射镜、激光整理腔反射镜，所述的动态聚焦系统底部设有激光整理腔反射镜，激光打印头反射镜设置在聚光镜上方，激光束通过激光打印头反射镜、激光整理腔反射镜二次反射改变路径。

还包括底板、工作台、被打印件支座，工作台固定在底板上，被打印件支座固定在工作台上。

所述的机座通过移动装置移动。

还包括控制单元，控制单元包括视觉检测定位单元、光纤激光器智能控制系统、图像采集系统、激光测距单元、粉末供给与保护气体供给控制单元、GPRS/LTE无线物联网单元，光纤激光器智能控制系统与视觉检测定位单元、图像采集系统、激光测距单元、粉末供给与保护气体供给控制单元、GPRS/LTE无线物联网单元相连接，摄像头将图像信息发送到图像采集系统中，图像采集系统将图像信息分别发送到光纤激光器智能控制系统、视觉检测定位单元、激光测距单元，激光测距单元用以跟踪激光焦距，并与光纤激光器智能控制系统相通讯；光纤激光器智能控制系统发出指令信号给粉末供给与保护气体供给控制单元，由粉末供给与保护气体供给控制单元控制输出的粉末供给以及保护气体供给；视觉检测定位单元用以检测激光打印头单元与被加工件的位置。

一种机器人激光3D打印方法，包括以下步骤：

1)机械臂开启后进行初始化后运行，检测系统运行正常时，由激光控制器检测激光功率是否满足工作需要，满足后通过控制单元使机械臂到达打印点位；

2)起动视觉检测定位单元，测出打印的平面位置，通过激光测距单元测出激光焦距，计算偏移量，机械臂移至打印位置，由视觉检测定位单元校验打印位置，然后激光打印头单元开始打印，同时供给金属粉末和保护气体；

3)打印结束后，由视觉检测定位单元检测打印效果，传输效果图像到计算机控制系统，机械臂返回等待点，移走被加工件；

4)若完成任务则记录系统工作；若重复打印则启动激光打印头单元打印，同时供给金属粉末和保护气体，直至重复打印结束；若打印不同工件则报警由计算机控制系统控制，重新确认是否打印。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明相对于现有锻造、冲压、机加工、轧制等传统加工制造技术，能直接加工制造出任意形状金属零件，尤其是不锈钢合金零件，大大提高了复杂形状金属零件尤其是不锈钢合金零件的加工制造效率。

2、本发明采用机器人多自由度3D打印运动控制，可实现大尺寸和复杂不锈钢合金零件的加工制造。可在专门设置的工作台上3D打印，也可在多轴数控加工中心上3D打印任意形状金属零件，还可在多轴数控加工中心上边3D打印，边进行机械加工。这种加工灵活性，可以在没有运动似工台上，靠多自由度机器人自身运动控制完成3D打印，是本发明的重要创新点。

3、本发明采用的金属粉末按零件形状直接喷粉，剩余粉末少，且可回收再利用，材料利用率接近98％。

4、本发明采用机器人带动粉末供给管路(软管)，不携带粉料筒，可减小机器人负荷，又节能环保。

附图说明

图1是机器人激光3D打印系统结构组成图一；

图2是机器人激光3D打印系统结构组成图二；

图3是激光打印头单元结构组成图一；

图4是激光打印头单元结构组成图二；

图5是控制单元控制原理图；

图6是机器人激光3D打印系统工作流程图；

图7是GPRS/LTE无线物联网单元原理图；

图8是GPRS/LTE无线物联网单元电路图。

图中：1-底板2-工作台3-被打印件支座4-连接盘5-机器人手腕6-腕关节7-光纤激光器传输光纤及电缆8-小臂9-肘关节10-固定环11-大臂12-臂关节13-水平迴转盘14-机座15-与光纤激光器和控制器及电源连线100-激光打印头单元102-激光打印头

102-1-激光打印头反射镜102-2-粉末供给管路102-3-外罩102-4-保护气体供气管路102-5-聚光镜102-6-光纤激光束104-激光整理腔104-1-激光整理腔反射镜104-2-扩束系统104-3-动态聚焦系统109-摄像头。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1-图8，一种机器人激光3D打印系统，利用机械臂带动激光打印头单元100进行3D打印，所述的机械臂包括机座14、水平回转盘、臂关节12、大臂11、肘关节9、小臂8、腕关节6、机器人手腕5、连接盘4、保护气体供给管路102-4、与粉末料仓相连的粉末供给管路102-2，机座14上设有水平回转盘，水平回转盘上固定有臂关节12，水平回转盘带动臂关节12旋转，大臂11一端通过臂关节12与水平回转盘活动铰接，大臂11另一端通过肘关节9与小臂8一端活动铰接，小臂8另一端通过腕关节6与机器人手腕5一端活动铰接，机器人手腕5另一端与连接盘4固定，连接盘4与激光打印头单元100连接，连接盘4带动激光打印头单元100旋转，与光纤激光器和控制器及电源连线15、保护气体供给管路102-4、粉末供给管路102-2通过固定环10固定在大臂11和小臂8上；保护气体供给管路102-4、粉末供给管路102-2端部与激光打印头单元100连接，分别为激光打印头单元100供保护气体及金属粉末料。光纤激光器传输光纤及电缆7与激光打印头单元100相连接。

见图4，激光打印头单元100包括外罩102-3、摄像头109、激光整理腔104，摄像头109设置在激光整理腔104外部，激光整理腔104包括扩束系统104-2、动态聚焦系统104-3、聚光镜102-5，激光整理腔104内由上至下同轴依次设置扩束系统104-2、动态聚焦系统104-3、聚光镜102-5，聚光镜102-5下方设置与聚光镜102-5同轴的锥形外罩102-3，外罩102-3侧壁内连通有保护气体供给管路102-4和粉末供给管路102-2。

见图3，为减小激光打印头单元100纵向高度，激光打印头单元100还可以是如下结构：包括外罩102-3、摄像头109、聚光镜102-5、激光打印头反射镜102-1、激光整理腔104，摄像头109设置在激光整理腔104外部，激光整理腔104包括由上至下同轴设置的扩束系统104-2、动态聚焦系统104-3，激光整理腔反射镜104-1；动态聚焦系统104-3底部设有激光整理腔反射镜104-1；激光打印头反射镜102-1设置在聚光镜102-5上方，聚光镜102-5下方设置与聚光镜102-5同轴的锥形外罩102-3，外罩102-3侧壁内连通有保护气体供给管路102-4和粉末供给管路102-2。光纤激光束102-6通过激光打印头反射镜102-1、激光整理腔反射镜104-1二次反射改变路径。

固定被加工件的部分结构为：包括底板1、工作台2、被打印件支座3，工作台2固定在底板1上，被打印件支座3固定在工作台2上。底板1还可以固定在多轴数控加工中心上，实现被加工件的多轴旋转。

机座14通过移动装置移动，实现机械臂的整体移动，以进一步增大加工面积。

本机器人激光3D打印系统还设有控制单元，控制单元包括视觉检测定位单元、光纤激光器智能控制系统、图像采集系统、激光测距单元、粉末供给与保护气体供给控制单元、GPRS/LTE无线物联网单元，光纤激光器智能控制系统与视觉检测定位单元、图像采集系统、激光测距单元、粉末供给与保护气体供给控制单元、GPRS/LTE无线物联网单元相连接，摄像头109将图像信息发送到图像采集系统中，图像采集系统将图像信息分别发送到光纤激光器智能控制系统、视觉检测定位单元、激光测距单元，激光测距单元用以跟踪激光焦距，并与光纤激光器智能控制系统相通讯；光纤激光器智能控制系统发出指令信号给粉末供给与保护气体供给控制单元，由粉末供给与保护气体供给控制单元控制输出的粉末供给以及保护气体供给；视觉检测定位单元用以检测激光打印头单元100与被加工件的位置。

机器人激光3D打印方法，包括以下步骤：

1)机械臂开启后进行初始化后运行，检测系统运行正常时，由激光控制器检测激光功率是否满足工作需要，满足后通过控制单元使机械臂到达打印点位；

2)起动视觉检测定位单元，测出打印的平面位置，通过激光测距单元测出激光焦距，计算偏移量，机械臂移至打印位置，由视觉检测定位单元校验打印位置，然后激光打印头单元100开始打印，同时供给金属粉末和保护气体；

3)打印结束后，由视觉检测定位单元检测打印效果，传输效果图像到计算机控制系统，机械臂返回等待点，移走被加工件；

4)若完成任务则记录系统工作；若重复打印则启动激光打印头单元100打印，同时供给金属粉末和保护气体，直至重复打印结束；若打印不同工件则报警由计算机控制系统控制，重新确认是否打印。

Claims (6)

1.一种机器人激光3D打印系统，利用机械臂带动激光打印头单元进行3D打印，其特征在于，所述的机械臂包括机座、水平回转盘、臂关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、机器人手腕、连接盘、保护气体供给管路、与粉末料仓相连的粉末供给管路，机座上设有水平回转盘，水平回转盘上固定有臂关节，水平回转盘带动臂关节旋转，大臂一端通过臂关节与水平回转盘活动铰接，大臂另一端通过肘关节与小臂一端活动铰接，小臂另一端通过腕关节与机器人手腕一端活动铰接，机器人手腕另一端与连接盘固定，连接盘与激光打印头单元连接，连接盘带动激光打印头单元旋转，保护气体供给管路、粉末供给管路通过固定环固定在大臂和小臂上；保护气体供给管路、粉末供给管路端部与激光打印头单元连接，分别为激光打印头单元供保护气体及金属粉末料。

2.根据权利要求1所述的一种机器人激光3D打印系统，其特征在于，所述的激光打印头单元包括外罩、摄像头、激光整理腔，摄像头设置在激光整理腔外部，激光整理腔包括扩束系统、动态聚焦系统、聚光镜，激光整理腔内由上至下同轴依次设置扩束系统、动态聚焦系统、聚光镜，聚光镜下方设置与聚光镜同轴的锥形外罩，外罩侧壁内连通有保护气体供给管路和粉末供给管路。

3.根据权利要求2所述的一种机器人激光3D打印系统，其特征在于，所述的激光打印头单元还包括激光打印头反射镜、激光整理腔反射镜，所述的动态聚焦系统底部设有激光整理腔反射镜，激光打印头反射镜设置在聚光镜上方，激光束通过激光打印头反射镜、激光整理腔反射镜二次反射改变路径。

4.根据权利要求1所述的一种机器人激光3D打印系统，其特征在于，还包括底板、工作台、被打印件支座，工作台固定在底板上，被打印件支座固定在工作台上。

5.根据权利要求1所述的一种机器人激光3D打印系统，其特征在于，还包括控制单元，控制单元包括视觉检测定位单元、光纤激光器智能控制系统、图像采集系统、激光测距单元、粉末供给与保护气体供给控制单元、GPRS/LTE无线物联网单元，光纤激光器智能控制系统与视觉检测定位单元、图像采集系统、激光测距单元、粉末供给与保护气体供给控制单元、GPRS/LTE无线物联网单元相连接，摄像头将图像信息发送到图像采集系统中，图像采集系统将图像信息分别发送到光纤激光器智能控制系统、视觉检测定位单元、激光测距单元，激光测距单元用以跟踪激光焦距，并与光纤激光器智能控制系统相通讯；光纤激光器智能控制系统发出指令信号给粉末供给与保护气体供给控制单元，由粉末供给与保护气体供给控制单元控制输出的粉末供给以及保护气体供给；视觉检测定位单元用以检测激光打印头单元与被加工件的位置。

6.利用权利要求1-5任意一项所述的系统实现的一种机器人激光3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)机械臂开启后进行初始化后运行，检测系统运行正常时，由激光控制器检测激光功率是否满足工作需要，满足后通过控制单元使机械臂到达打印点位；

2)起动视觉检测定位单元，测出打印的平面位置，通过激光测距单元测出激光焦距，计算偏移量，机械臂移至打印位置，由视觉检测定位单元校验打印位置，然后激光打印头单元开始打印，同时供给金属粉末和保护气体；

3)打印结束后，由视觉检测定位单元检测打印效果，传输效果图像到计算机控制系统，机械臂返回等待点，移走被加工件；

4)若完成任务则记录系统工作；若重复打印则启动激光打印头单元打印，同时供给金属粉末和保护气体，直至重复打印结束；若打印不同工件则报警由计算机控制系统控制，重新确认是否打印。