CN106011727A - 一种高度集成化的智能金属3d叠加成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高度集成化智能金属3D叠加成形设备，包括半圆柱成形区框架、电气控制部分长方体框架及底部工具收放框架。在半圆柱形的工作区域内安装有Y向驱动机构，Y向驱动机构上安装有X向悬臂驱动机构及Z向升降机构，Z向升降机构上附有摆动机构，该机构上装有电弧喷枪，而在半圆柱形工作区域内的工作平台上固定有转台机构；在工作区域的上部顶板，设进风口，工作区域的角落设置出风口，以便外接除尘设备；在工作区域上部设有丝盘架安装固定支架。本发明公开的设备结构，空间紧凑，占地面积小，将喷枪与运动机构高度集成为一整体，便于降低对人的粉尘伤害及对环境的污染，实现电弧喷涂技术的智能绿色控制。

Description

一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备

技术领域：

本发明涉及金属电弧喷涂技术，特别涉及一种用于直接3D叠加成形金属零件、喷涂快速模具的制造、零件的电弧喷涂修复及材料喷涂工艺实验等的高度集成化的智能金属3D叠加成形设备。

背景技术：

电弧喷涂是以电弧为热源，利用压缩空气把熔化的金属雾化，形成金属微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面上，产生金属涂层，随着喷涂的继续，金属层厚度逐渐增加，形成金属型壳，完成3D金属叠加成形。金属喷涂是表面技术的重要组成部分，是机、电、气的技术集成，根据电弧喷涂技术特点，金属喷涂技术的应用不仅限于表面技术，还可推广应用到3D金属型壳的直接成形与金属电弧喷涂快速模具的制造。

传统的金属喷涂，是由工人手工喷涂的。这种方法工人的劳动强度大，对于形状复杂的模具(如轿车覆盖件模具)，基体的表面面积大、曲率变化丰富，人工操作强度很大，难以承受。而且人工喷涂过程中，对于喷涂的工艺参数，尤其是喷涂距离、喷枪移动速度，很难准确的控制，以至于影响喷涂质量，从而使模具的精度无法保证。有些喷涂过程采用喷涂机器人进行，但一方面软件受国外控制，另一方面，机器人的运动与喷涂工艺是完全分离的，各自独立控制运行，占地面积大，喷涂控制与运动控制操作脱离，易影响设定的喷涂轨迹，因此，迫切需要高度集成的智能喷涂控制设备，不仅实现机、电、气及除尘的系统集成，还可以在计算机的控制下，保证喷枪喷涂方向始终在喷涂表面的法向上，而且能对影响喷涂质量的起弧电压、走丝速度、喷涂气压、喷涂距离和喷枪移动速度进行准确的控制，最终实现数模驱动，提高金属型壳成形质量。喷涂设备可喷涂多种材料，主要包括：锌、铝、铅锡合金、铜、碳钢等实芯丝材及常用的粉芯丝材，并可进行喷涂工艺参数的优化，实现不同喷涂材料的优化参数记录，便于喷涂的进行。

高度集成化智能金属3D叠加成形设备是对机、电、气等技术进行高度集成，实现各技术耦合联动，研制干净、整洁、智能、便捷、低成本装备，用于进行金属型壳的直接制造、零件表面的修复或快速金属型壳模具的制造，从而推广金属3D打印技术与金属电弧喷涂技术的应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高度集成化智能金属3D叠加成形设备，使设备在整体尺寸紧凑、占地面积小的同时，有效保证较大工作面积，实现机、电、气等技术的耦合联动，实现喷涂技术与运动控制的有效结合，进行金属电弧喷涂轨迹的智能控制，实现数模驱动的喷涂设定，不仅可用于直接3D叠加成形金属零件，也可用于喷涂快速模具的制造，还可用于零件的金属电弧喷涂修复、材料喷涂工艺实验等。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，包括整体框架，安装在所述整体框架上的Y向驱动机构、安装在Y向驱动机构上的X向驱动机构、安装在X向驱动机构上的Z向驱动机构，喷枪通过旋转机构安装在Z向驱动机构上；所述整体框架上安装有工作转台，所述工作转台上方安装有能够旋转的工件夹装转台；丝盘架安装于所述整体框架上，丝盘安装于丝盘架上；所述整体框架上还设置有用于放置电气器件及除尘管道的电气元器件放置区；所述整体框架的顶部设置入风口，工作转台与整体框架交界处设置出风口，与整体框架上设置的除尘设备相连。

本发明进一步的改进在于：工作转台为半圆形的工作转台。

本发明进一步的改进在于：工作转台的下方设置有工具存放区。

本发明进一步的改进在于：丝盘设置有两个，均置于丝盘支架上，形成送丝组件，金属丝外接自润滑软管，穿过在整体框架上加设的吊环接入喷枪。

本发明进一步的改进在于：安装在整体框架的吊环高度，能够使从丝盘出来的焊丝与水平面夹角不大于10度。

本发明进一步的改进在于：X向驱动机构、Y向驱动机构以及Z向驱动机构的直线运动、喷枪摆动及工件工作转台的转动均由伺服电机或步进电机控制。

本发明进一步的改进在于：X向驱动机构采用悬臂机构。

本发明进一步的改进在于：喷枪摆动通过磁接近开关进行±45度～±90度角度限位。

本发明进一步的改进在于：除尘设备紧挨整体框架，并置于整体框架背后。

相对于现有技术，本发明一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备的特点是：

1.机械本体中喷枪工作空间部分，安装有X向、Y向及Z向驱动机构，并且在Z向驱动机构上装备含有控制喷枪摆动的电机及减速机，在工作转台上安装有控制工件转动的工作转台，照明灯，放置喷涂丝盘的丝盘架，并通过在整体框架上端加设全自由度吊环实现丝盘送丝角度的自我调节。

2.机械本体中喷枪工作空间的正下方是工具放置空间，用于放置喷涂过程中用到的一些常用工具，充分考虑了人机工程的需要，并且使整个结构更加紧凑。

3.机械本体中与喷枪工作空间并排的是所有控制硬件及除尘管道的安装空间，用于放置所有驱动机构的转动控制器、喷涂控制硬件、上位机、除尘的管道等，实现空间紧凑化。

4.整机设备面板上整齐合理的布列了高速喷涂机喷涂电压、喷涂电流、送丝电压、空气压力等仪表，以及工作、气通、电通、送丝、过载等指示灯和送丝调速、电压粗调、电压细调、本控外控切换等元件，能够使客户直观方便的操控金属电弧喷涂设备，及时了解设备工作状态，实现了人机友好协作。

5.X、Y、Z三轴使用无触点磁接近开关限位，该开关嵌入X、Y、Z轴外部沟槽中，方便现场调整，感应物体内置于模组内部，避免了传统机械限位开关精度差、故障率高等麻烦，从而使极限保护既可靠有效又美观方便。

6.系统软件可对三维数模文件进行遍历分析，获取产品三维数据信息，解决三维数模的界面再现问题，实现实时动态喷涂路径观察，并依据数模形状，自动进行产品3维空间喷涂轨迹规划。

附图说明：

图1是高度集成化智能金属3D叠加成形设备整体框架示意图：其中，图1(a)是侧视图，图1(b)是内部展开示意图。

图中：1-整体框架；2-进风口；3-丝盘支架；4-丝盘；5-X向驱动机构；6-Z向驱动机构；7-Y向驱动机构；8-电弧喷枪；9-出风口；10-工件夹装转台；11-工作平台；12-工具存放区；13-电气元器件放置区；14-除尘设备。

图2是高度集成化智能金属3D叠加成形设备系统组成原理图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明采用软件控制的方式实现喷涂与运动的合成，并且集成了电弧喷涂与5轴运动，与压缩空气制备系统、空气过滤系统、金属粉尘除尘系统共同组成金属3D叠加成形的设备系统，整个设备高度集成，结构紧凑，占地面积小。

如图1所示，本发明中在整体框架1中设有工作平台11，X向驱动机构5，Y向驱动机构7，Z向驱动机构6，并且X向驱动机构5采用悬臂梁结构，使得喷枪在工作过程中始终只保持一侧摆动，从而喷枪不需在工件两侧摆动，节省了大量空间；喷枪8通过转接板与Z向驱动机构相连，可实现±45度～±90度角度摆动。

本发明在工作平台11上面固定有工件夹装转台10，可实现任意角度的旋转，在工作平台11下面设有工具存放区12。

本发明在整体框架1的上部设有丝盘支架3，丝盘4安装于丝盘架上，通过喷枪8上的拉丝装置，拉动金属丝材的送进，该丝盘架设有丝盘压紧结构，可保证丝盘的转动与拉丝机构同步，而不会出现因惯性高速转动使丝材松散的现象；丝盘架4布置的高度与移动平台最高点时高度相近，丝材通过加装的全自由度吊环与喷枪8相连，使丝材可以跟随喷枪实现角度自调节，预防丝材摆动对喷涂的影响。

本发明在整体框架1的顶部设有进风口1，工作平台11与整体框架的角部设有出风口用于除尘，在整体框架1的另半部分设有电气元器件放置区13，并将所有除尘的管道放置于此空间，另安放除尘设备14在整体框架后侧，实现整体结构的紧凑化。

本发明的设备的整个工作空间采用全玻璃的形式进行封闭，同时兼做观察窗。设备结构采用了滤波、屏蔽、隔离等技术，实现了5轴联动的稳定、可靠及安全性。

本发明的所有驱动均通过伺服电机及减速机直接控制，同时对电、气线路优化，避免对喷涂产生断弧影响；伺服电机对各运动机构的直接控制，实现了各运动的精准控制。

图2给出了整个设备与辅助系统所组成的整个智能化金属3D叠加成形系统，其主要流程是：先通过空气压缩设备获得压缩空气，经过二级过滤，使出口空气含油量≤0.01ppm，出口空气含尘粒径≤0.01μm，之后将其接入喷枪；通过自主开发的软件，对喷枪的各种喷涂参数进行通断控制，同时，利用伺服电机对运动5轴进行控制，所开发的软件，对产品数模进行遍历后获取数据，再根据产品形状特点进行轨迹优化，实现喷涂路径轨迹虚拟显示，并采用5轴联动的正逆解算法，实现喷枪按型面预设轨迹运动的精准控制，使喷枪与产品型面处处保持或近似保持法线垂直，从而保持喷涂层质量；喷涂进行时，会产生大量金属粉尘，由于空间相对较小，因此除尘时，采用防爆除尘。

具体来说，整体框架采用方钢组合搭建，并分成三大部分，第一部分为喷枪的工作空间，第二部分为所有控制硬件的安装空间及除尘的管道空间，第三部分为喷涂相关工具的放置空间。

在喷枪工作空间，采用半圆形空间结构，同时采用X向驱动机构，缩减由于喷枪摆动所需的附加工作空间。

在工作空间内部合适高度设置丝盘架，将丝盘置于其上，并通过整体框架上所加设的吊环自由调整金属丝的送丝方向，保证送丝顺畅性。

将工件夹装旋转那作台置于工作转台上面中心位置，实现整个喷涂过程的5轴联动，并在工作转台下面设置工具收放室，实现设备结构的紧凑性。

在整体框架内，X向、Y向、Z向及喷枪的摆动、转台的转动均由伺服电机或步进电机控制，其中喷枪的摆动还需加由减速机及轴承结构，以此实现所有驱动机构的软件控制。

将所有电气相关控制元器件放置于整体框架的第二部分，并且将除尘管道布置于此空间，与外部除尘设备相连，形成紧凑结构，减小占地面积。

所有的运动控制通过将三维模型转换成stl格式导入自主研发的喷涂控制软件中，实现对工件的三维分层、喷涂轨迹设置及喷涂多参数控制。

Claims (9)

1.一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：包括整体框架(1)，安装在所述整体框架(1)上的Y向驱动机构(7)、安装在Y向驱动机构(7)上的X向驱动机构(5)、安装在X向驱动机构(5)上的Z向驱动机构(6)，喷枪(8)通过旋转机构安装在Z向驱动机构(6)上；所述整体框架(1)上安装有工作转台(11)，所述工作转台(11)上方安装有能够旋转的工件夹装转台(10)；丝盘架(3)安装于所述整体框架(1)上，丝盘(4)安装于丝盘架(3)上；所述整体框架(1)上还设置有用于放置电气器件及除尘管道的电气元器件放置区(13)；所述整体框架(1)的顶部设置入风口(2)，工作转台(11)与整体框架(1)交界处设置出风口(9)，与整体框架(1)上设置的除尘设备(14)相连。

2.根据权利要求1所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：工作转台(11)为半圆形的工作转台。

3.根据权利要求1或2所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：工作转台(11)的下方设置有工具存放区(12)。

4.根据权利要求1所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：丝盘(4)设置有两个，均置于丝盘支架(3)上，形成送丝组件，金属丝外接自润滑软管，穿过在整体框架(1)上加设的吊环接入喷枪。

5.根据权利要求4所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：安装在整体框架(1)的吊环高度，能够使从丝盘(4)出来的焊丝与水平面夹角不大于10度。

6.根据权利要求4所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：X向驱动机构(5)、Y向驱动机构(7)以及Z向驱动机构(6)的直线运动、喷枪(8)摆动及工件工作转台(11)的转动均由伺服电机或步进电机控制。

7.根据权利要求1或6所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：X向驱动机构(5)采用悬臂机构。

8.根据权利要求6所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：喷枪(8)摆动通过磁接近开关进行±45度～±90度角度限位。

9.根据权利要求1所述的一种高度集成化的智能金属3D叠加成形设备，其特征在于：除尘设备(13)紧挨整体框架(1)，并置于整体框架(1)背后。