CN107234239B - 机器人姿态控制的电弧沉积激光锻打增材制造方法和装备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法和装备，采用机器人姿态控制方案，能够自由调整熔积成形件在加工区的空间位置，解决了因为重力作用导致的熔融材料流淌、下落、坍塌的问题。同时，利用脉冲激光诱导的冲击波的力效应，减少或消除熔积区的内部缺陷和残余应力，细化熔积区的晶粒，提高成形金属零件的机械性能。本发明能够直接快速成形复杂结构金属零件，不仅效率高，而且成形金属件的质量较高。

Description

机器人姿态控制的电弧沉积激光锻打增材制造方法和装备
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法，以及实现该方法的装备。
背景技术
增材制造技术作为一种以分层制造、逐层累加为思想的新型制造技术，其在复杂结构的快速成形方面具有很大的优势，近年来已经成为材料加工领域广泛关注与研究的对象。
直接快速成形制造金属零件技术被业内普遍看作是增材制造技术领域最具有难度的前沿发展方向。它基于平面离散、堆积的原理，首先在CAD造型系统获得零件的三维CAD模型，将模型数据沿某一方向分层处理，然后通过成形系统将成形材料由平面逐层堆积成形，最终得到零件原型。目前出现的多种直接快速成形制造金属零件的方法，根据载能束的区别，分为激光熔积成形、电子束熔积成形、电弧熔积(沉积)成形等。
电弧熔积成形方法是以电弧为热源，熔化同步供给的金属粉末或丝材，在基板上逐层熔积形成金属零件或模具。该方法成形效率和材料利用率较高，设备投资和运行成本较低。但因弧柱直径较大，熔池相对较大，熔融材料较多，在非水平面熔积成形时会出现因重力作用引起的熔融材料流淌、滴落等问题，同时在加工复杂结构，例如零件的分支结构、横向中空结构时，需要设置辅助支撑结构，增加了额外的工作。
另外，由于电弧熔积成形的整个成形过程是一个急速加热而后快速凝固的超常态热力学过程，所得到的晶粒多为柱状晶和枝晶，导致其力学性能一直不尽如人意，而且，内部还会存在气孔、未熔合、裂纹等缺陷。随着熔积层数的增加，会出现残余应力叠加效应，严重影响零件几何尺寸与力学性能，甚至将导致零件翘曲变形与开裂。
发明内容
针对电弧熔积成形的问题，本发明提出机器人姿态控制的复杂结构零件电弧熔积激光冲击锻打增材制造方法和装备，主要是利用多关节机器人的灵活性，通过它的姿态控制能够快速成形各种复杂结构零件，不用借助辅助支撑结构就能成形零件的分支结构、横向中空结构等，同时保证了熔融材料不会出现流淌、滴落等问题。另外，利用脉冲激光对熔积区进行冲击锻打，不仅能够消除熔积区的残余应力，增加残余压应力，还能够细化熔积区的晶粒，提高成形零件的机械性能。
其步骤为：
(1)多关节机器人根据数控代码调整其所携带的加工基板的姿态，使待加工分层的底面始终处于水平位置；
(2)电弧熔积金属丝材，并沿成形轨迹移动，同时脉冲激光跟随电弧对熔积区进行冲击锻打，直至整个待加工分层熔积成形完成；
(3)调整电弧焊枪、脉冲激光光路、多关节机器人的工作位置，开始下一个分层的熔积成形，如此循环，直至整个复杂结构零件成形。
优选地，多关节机器人动作之前，需要利用计算机软件对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，获得各层切片的形状和尺寸，规划成形加工路径，生成各层切片成形加工数控代码；根据零件不同部位，可以将其按水平和竖直方向分层，水平与竖直方向的交接处，以斜向分层过渡。
优选地，多关节机器人带有夹持装置，能够对已熔积成形部分进行夹持固定，便于机器人调整姿态，加工复杂结构零件的分支结构。
优选地，选用熔化极气体保护电弧焊，金属丝材可以是单金属丝材，也可以是合金丝材。
优选地，脉冲激光为可调短脉冲激光，其脉冲能量为10-50J，脉冲宽度为10-30ns，脉冲激光入射角度与分层面法线夹角在0°-60°调整，方位没有限制。
本发明提供一种使用所述机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法的装备，包括计算机、数控系统、电弧焊枪、激光器、激光器控制器、机器人、机器人控制器，计算机与数控系统、激光器控制器、机器人控制器相连接，数控系统与电弧焊枪连接，激光器与激光器控制器连接，机器人与机器人控制器连接。
计算机利用三维图形软件对零件的三维CAD模型进行分层处理，获得各分层的形状和尺寸，生成各分层加工数控代码，并规划焊枪的工作路径。
数控系统接收计算机发送的数控加工代码，控制电弧焊枪的运动，焊枪轴线与加工分层底面保持垂直状态。
机器人控制器接收计算机指令，控制机器人姿态变化，进入加工位置。
激光器控制器根据计算机的加工数控代码控制激光器跟随电弧工作，并控制激光光路移动，对熔积区进行冲击锻打。
若成形件表面质量达不到要求，可增加铣削、抛光等后加工。
从以上技术方案可以看出，本发明的优点在于：
本发明采用机器人姿态控制方案，能够自由调整熔积成形件在加工区的空间位置，使加工分层的底面始终处于水平位置，可以在不变动熔积成形件在加工基板的位置的情况下，加工复杂结构零件的分支结构，而且不会出现因为重力作用导致的熔融材料流淌、下落、坍塌的问题。同时，采用脉冲激光对熔积区进行冲击锻打，利用诱导的冲击波的力效应，减少或消除熔积区的内部缺陷和残余应力，增加残余压应力，细化熔积区的晶粒，提高成形金属零件的机械性能。本发明能够直接快速成形复杂结构金属零件，不仅效率高，而且成形金属件的质量较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图；
图2为本发明所提供的一种具体实施方式的结构图；
图3为金属零件CAD模型分层示意图。
其中，图2中：
1-计算机，2-激光器控制器，3-数控系统，4-机器人控制器，5-电弧焊枪，6-激光器，7-激光光路系统，8-金属零件，9-多关节机器人，10-加工基板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图，包括：
(1)利用计算机软件对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，获得各层切片的形状和尺寸，规划成形加工路径，生成各层切片成形加工数控代码；
(2)多关节机器人根据数控代码调整其所携带的加工基板的姿态，使待加工分层的底面始终处于水平位置；
(3)电弧熔积金属丝材，并沿成形轨迹移动，同时脉冲激光跟随电弧对熔积区进行冲击锻打，直至整个待加工分层熔积成形完成；
(4)调整电弧焊枪、脉冲激光光路、多关节机器人的工作位置，开始下一个分层的熔积成形，如此循环，直至整个复杂结构零件成形。
请参考图2，图2为本发明实施例提供的机器人姿态控制的复杂结构零件电弧熔积激光冲击锻打增材制造装备，包括：
计算机1，激光器控制器2，数控系统3，机器人控制器4，电弧焊枪5，激光器6，激光光路系统7，多关节机器人9；
首先计算机1利用三维图形软件对零件8的三维CAD模型进行分层处理，获得各分层的形状和尺寸，生成各分层加工数控代码，并规划焊枪5的工作路径；分层处理方式可参考图3，根据零件8的不同部位，可以将其按水平和竖直方向分层，水平与竖直方向的交接处，以斜向分层过渡，分层的厚度要参考激光功率划分；
随后，机器人控制器4接收计算机1指令，控制机器人9姿态变化，进入第一分层加工工作位置；数控系统3接收计算机1发送的数控加工代码，控制电弧焊枪5的运动进入加工位置，焊枪5轴线与加工分层表面保持垂直状态；激光器控制器2根据计算机1的加工数控代码控制激光器6跟随电弧焊枪5工作，并控制激光光路7移动，对熔积区进行冲击锻打；
当完成第一分层加工后，机器人9、电弧焊枪5、激光光路系统7会根据加工数控代码进入到第二分层的加工位置；
当分层厚度变化时，电弧焊枪5中的金属丝材送丝量、电弧焊枪5的功率、激光器6的功率均作相应调整，即厚度增加时，送丝量增加，焊枪5的功率增加，激光器6的功率增加，厚度减小时，送丝量减少，焊枪5的功率减小，激光器6的功率减小；
当分层方向出现变化时，机器人控制器4根据加工数控代码控制机器人9调整其加工基板10的空间位置，使分层的底面保持水平状态；
当最后分层加工结束，整个复杂结构零件熔积成形，若成形件表面质量达不到要求，可增加铣削、抛光等后加工。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)多关节机器人根据加工指令调整其所携带的加工基板的姿态，使待加工分层的底面始终处于水平位置；
(2)电弧熔积金属丝材，并沿成形轨迹移动，同时脉冲激光跟随电弧对熔积区进行冲击锻打，直至整个待加工分层熔积成形完成；
(3)调整电弧焊枪、脉冲激光光路、多关节机器人的工作位置，开始下一个分层的熔积成形，如此循环，直至整个复杂结构零件成形。
2.如权利要求1所述的机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法，其特征在于，首先对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，根据零件不同部位，将其按水平和竖直方向分层，水平与竖直方向的交接处，以斜向分层过渡。
3.如权利要求2所述的机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法，其特征在于，所述脉冲激光为可调短脉冲激光，其脉冲能量为10-50J，脉冲宽度为10-30ns，脉冲激光入射角度与分层面法线夹角在0°-60°调整，方位没有限制。
4.如权利要求3所述的机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法，其特征在于，所述的电弧熔积与所述的激光冲击锻打为同时加工，所述的激光冲击锻打跟随所述的电弧熔积工作。
5.一种使用如权利要求4所述机器人姿态控制的复杂结构零件电弧沉积激光冲击锻打增材制造方法的装备，其特征在于，包括计算机，激光器控制器，数控系统，机器人控制器，电弧焊枪，激光器，激光光路系统，多关节机器人，其特征在于，所述多关节机器人附带有夹紧装置，能够对已熔积成形部分进行夹紧固定，当机器人调整加工基板空间位置时，已熔积成形部分在加工基板上的位置不会变动，同时维持加工层的底面始终保持水平。
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