CN106976067A - 一种等离子焊和工业机器人增减材复合3d打印设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备与方法。包括铣削工业机器人、焊接工业机器人、安装在成型基板上的变位器、金属丝材送丝机构；所述铣削工业机器人的铣削机械臂、焊接工业机器人焊接机械臂，以及变位器均置于一个密封工作室内；所述铣削机械臂以及焊接机械臂置于变位器的上方；本设备将铣削工业机器人和焊接工业机器人有机整合，其中一机器人运行等离子焊枪，另一个运行铣刀。等离子焊枪实现增材制造，这相比于传统的激光加工，提高了加工的效率，降低了成本；铣刀实现减材制造，主要处理焊枪加工过的零件，可以提高零件的加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及复合金属零件3D打印技术，尤其涉及一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备与方法。
背景技术
目前为止，市场上遍存在的金属打印机普遍是以激光为热源，加工效率较低。因而以等离子为热源的3D打印逐渐成为研究的热门。
与激光为热源的3D打印机相比，等离子3D打印机可以提高加工零件的效率，减少加工成本。除此之外，等离子3D打印可以打印尺寸相对较大，形状复杂的工件。
等离子3D打印机按材料形状可分为喷粉式和送丝式两种，其中喷粉式喷头结构复杂，造价昂贵，且不容易控制送粉的精度。送丝式3D打印结构简单，造价较低，且容易控制送丝的多少，有着良好的性能。但是单纯的等离子3D打印有很多的缺点，首先，最重要的是等离子3D打印加工出的零件加工精度和加工质量不高，这就难以满足市场的需求；其次在加工过程中不可避免地需要对零件加支撑，这不仅会导致材料的浪费，还会引入支撑去除的问题。由于上述的技术难题，使得单纯的微束等离子3D打印的研究和推广难以进行。
因此，需要对现有技术进行整合与改进，既能提供零件加工精度和加工表面质量，又能尽量的减少或去除支撑结构。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备与方法。解决了现有3D打印精度不高，生产效率低，打印尺寸较小等问题，同时尽量减少或消除支撑结构。
本发明通过下述技术方案实现：
一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，包括铣削工业机器人4、焊接工业机器人9、安装在成型基板上的变位器7、金属丝材送丝机构；
所述铣削工业机器人4的铣削机械臂3、焊接工业机器人9焊接机械臂91，以及变位器7均置于一个密封工作室8内；所述铣削机械臂3以及焊接机械臂91置于变位器7的上方；
所述焊接机械臂91上安装有冷金属焊枪14，金属丝材送丝机构用于给冷金属焊枪14在焊接作业时输送金属丝材，焊接机械臂91按照零件的规划路径及速率通过冷金属焊枪14将金属丝材融化成型在变位器7上；
所述铣削机械臂3的机械手腕2上安装有铣削刀架15，铣削刀架15上活动安装有铣刀16，用于对变位器7上已加工零件做机械加工，使其达到预订的加工精度和表面质量。
所述变位器7包括变位器支撑臂结构17、变位器基座18、转动平台19、X转动架20；X转动架20为待加工零件的成型基台；
所述转动平台19通过转轴21可转动连接在变位器支撑臂结构17上，X转动架20安装在转动平台19的中部；X转动架20可绕X轴做-90°至90°的旋转运动；转动平台19可绕转轴21做360°方向的旋转运动。
所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备还包括一个用于给密封工作室8内提供Ar保护气体的高压Ar保护供给装置10，以及一个用于在作业过程中给冷金属焊枪14降温的水冷系统11。
所述金属丝材送丝机构包括送丝机13和金属丝材存储箱12共同构成；送丝机13可按要求的送丝速度将金属丝材输送到冷金属焊枪14的喷头处。
所述铣削工业机器人4、焊接工业机器人9、安装在成型基板上的变位器7和金属丝材送丝机构的作业，由3D打印设备中央控制系统5控制。
所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备还包括一个用于给铣削机械臂3更换铣刀16的换刀装置1；以及一个用于给铣削机械臂3上的铣刀16进行降温的冷却液系统6。
一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备的运行方法，包括如下步骤：
(1)将待加工的工件三维模型文件导入3D打印设备中央控制系统5；并设置好各项参数；
(2)密封工作室8内通保护气；3D打印设备中央控制系统5控制削工业机器人4、焊接工业机器人9、变位器7工作台的相对位置，使它们处于待命状态；
(3)3D打印设备中央控制系统5控制冷金属焊枪14达到预订的工作位置，然后与金属丝材送丝机构协同作业，将丝材按恒定的速度送入冷金属焊枪14的喷头内，喷头与变位器7协同运动加工零件；
(4)当零件成型层数达到预订层数时，冷金属焊枪14回到初始位置，铣刀16运动到预订位置，对已加工零件做机械加工，使其达到预订的加工精度和表面质量；
(5)重复步骤(3)、步骤(4)，直到零件全部加工完成，并达到要求的加工精度和表面质量。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明的成型平台采用变位器，具有两个旋转自由度，加上两个五轴机器人(铣削工业机器人和焊接工业机器人)的协作运行，原理上可实现空间任意位置的加工。
通过变位器，可以调整零件与焊枪或铣刀的最佳角度，尽可能地提高加工质量，同时还可以尽可能地减少或避免支撑结构的存在。
本发明将铣削工业机器人和焊接工业机器人有机整合，其中一机器人运行等离子焊枪，另一个运行铣刀。等离子焊枪实现增材制造，这相比于传统的激光加工，提高了加工的效率，降低了成本；铣刀实现减材制造，主要处理焊枪加工过的零件，可以提高零件的加工精度。
与采用送粉方式加工零件的3D打印机相比，本复合加工3D打印装备采用送丝结构可以避免材料的浪费和环境的污染。
附图说明
图1为本发明等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备结构示意图。
图2为变位器7的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1、2所示。本发明公开了一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，包括铣削工业机器人4、焊接工业机器人9、安装在成型基板上的变位器7、金属丝材送丝机构；
所述铣削工业机器人4的铣削机械臂3、焊接工业机器人9焊接机械臂91，以及变位器7均置于一个密封工作室8内；所述铣削机械臂3以及焊接机械臂91置于变位器7的上方；
所述焊接机械臂91上安装有冷金属焊枪14，金属丝材送丝机构用于给冷金属焊枪14在焊接作业时输送金属丝材，焊接机械臂91按照零件的规划路径及速率通过冷金属焊枪14将金属丝材融化成型在变位器7上；
所述铣削机械臂3的机械手腕2上安装有铣削刀架15，铣削刀架15上活动安装有铣刀16，用于对变位器7上已加工零件做机械加工，使其达到预订的加工精度和表面质量。
所述变位器7包括变位器支撑臂结构17、变位器基座18、转动平台19、X转动架20；X转动架20为待加工零件的成型基台；
所述转动平台19通过转轴21可转动连接在变位器支撑臂结构17上，X转动架20安装在转动平台19的中部；X转动架20可绕X轴做-90°至90°的旋转运动；转动平台19可绕转轴21做360°方向的旋转运动。
所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备还包括一个用于给密封工作室8内提供Ar保护气体的高压Ar保护供给装置10，以及一个用于在作业过程中给冷金属焊枪14降温的水冷系统11。Ar保护气体主要是为了防止过热的工件与空气中的氧气发生氧化反应，导致工件的加工质量变差。
所述金属丝材送丝机构包括送丝机13和金属丝材存储箱12共同构成；送丝机13可按要求的送丝速度将金属丝材输送到冷金属焊枪14的喷头处。
所述铣削工业机器人4、焊接工业机器人9、安装在成型基板上的变位器7和金属丝材送丝机构的作业，由3D打印设备中央控制系统5控制。
所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备还包括一个用于给铣削机械臂3更换铣刀16的换刀装置1；以及一个用于给铣削机械臂3上的铣刀16进行降温的冷却液系统6。
一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备的运行方法，包括如下步骤：
(1)将待加工的工件三维模型文件导入3D打印设备中央控制系统5；并设置好各项参数；
(2)密封工作室8内通保护气；3D打印设备中央控制系统5控制削工业机器人4、焊接工业机器人9、变位器7工作台的相对位置，使它们处于待命状态；
(3)3D打印设备中央控制系统5控制冷金属焊枪14达到预订的工作位置，然后与金属丝材送丝机构协同作业，将丝材按恒定的速度送入冷金属焊枪14的喷头内，喷头与变位器7协同运动加工零件；
(4)当零件成型层数达到预订层数时，冷金属焊枪14回到初始位置，铣刀16运动到预订位置，对已加工零件做机械加工，使其达到预订的加工精度和表面质量；
(5)重复步骤(3)、步骤(4)，直到零件全部加工完成，并达到要求的加工精度和表面质量。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，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 (7)
1.一种等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，其特征在于：包括铣削工业机器人(4)、焊接工业机器人(9)、安装在成型基板上的变位器(7)、金属丝材送丝机构；
所述铣削工业机器人(4)的铣削机械臂(3)、焊接工业机器人(9)焊接机械臂(91)，以及变位器(7)均置于一个密封工作室(8)内；所述铣削机械臂(3)以及焊接机械臂(91)置于变位器(7)的上方；
所述焊接机械臂(91)上安装有冷金属焊枪(14)，金属丝材送丝机构用于给冷金属焊枪(14)在焊接作业时输送金属丝材，焊接机械臂(91)按照零件的规划路径及速率通过冷金属焊枪(14)将金属丝材融化成型在变位器(7)上；
所述铣削机械臂(3)的机械手腕(2)上安装有铣削刀架(15)，铣削刀架(15)上活动安装有铣刀(16)，用于对变位器(7)上已加工零件做机械加工，使其达到预订的加工精度和表面质量。
2.根据权利要求1所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，其特征在于：所述变位器(7)包括变位器支撑臂结构(17)、变位器基座(18)、转动平台(19)、X转动架(20)；X转动架(20)为待加工零件的成型基台；
所述转动平台(19)通过转轴(21)可转动连接在变位器支撑臂结构(17)上，X转动架(20)安装在转动平台(19)的中部；X转动架(20)可绕X轴做-90°至90°的旋转运动；转动平台(19)可绕转轴(21)做360°方向的旋转运动。
3.根据权利要求2所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，其特征在于：所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备还包括一个用于给密封工作室(8)内提供Ar保护气体的高压Ar保护供给装置(10)，以及一个用于在作业过程中给冷金属焊枪(14)降温的水冷系统(11)。
4.根据权利要求3所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，其特征在于：所述金属丝材送丝机构包括送丝机(13)和金属丝材存储箱(12)共同构成；送丝机(13)可按要求的送丝速度将金属丝材输送到冷金属焊枪(14)的喷头处。
5.根据权利要求3所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，其特征在于：所述铣削工业机器人(4)、焊接工业机器人(9)、安装在成型基板上的变位器(7)和金属丝材送丝机构的作业，由3D打印设备中央控制系统(5)控制。
6.根据权利要求5所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备，其特征在于：所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备还包括一个用于给铣削机械臂(3)更换铣刀(16)的换刀装置(1)；以及一个用于给铣削机械臂(3)上的铣刀(16)进行降温的冷却液系统(6)。
7.一种权利要求6所述等离子焊和工业机器人增减材复合3D打印设备的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将待加工的工件三维模型文件导入3D打印设备中央控制系统(5)；并设置好各项参数；
(2)密封工作室(8)内通保护气；3D打印设备中央控制系统(5)控制削工业机器人4、焊接工业机器人(9)、变位器(7)工作台的相对位置，使它们处于待命状态；
(3)3D打印设备中央控制系统(5)控制冷金属焊枪(14)达到预订的工作位置，然后与金属丝材送丝机构协同作业，将丝材按恒定的速度送入冷金属焊枪(14)的喷头内，喷头与变位器(7)协同运动加工零件；
(4)当零件成型层数达到预订层数时，冷金属焊枪(14)回到初始位置，铣刀(16)运动到预订位置，对已加工零件做机械加工，使其达到预订的加工精度和表面质量；
(5)重复步骤(3)、步骤(4)，直到零件全部加工完成，并达到要求的加工精度和表面质量。
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