CN107263858B - 一种异质多材料增材制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，并公开了一种异质多材料增材制造系统。该系统包括关节臂机器人、打印装置、减材装置和监测反馈装置，通过采用旋转式多喷头切换打印装置，以多个送丝打印机构旋转切换的方式进行多材料多工艺实时切换打印，实现了多材料多工艺的高效3D打印成形；双目立体视觉在线实时监测反馈装置及时反馈加工零部件的层层温度信息及三维轮廓信息并与原始模型对比标定，确定减材加工时机及相应减材加工参数。通过本发明，高精度高效率地实现增减材制造的协同配合，实现不同无机非金属复合材料大型复杂结构零部件的成形，同时，该系统结构简单，操作简单易于控制。

Description

一种异质多材料增材制造系统

技术领域

本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种异质多材料增材制造系统。

背景技术

增材制造技术是以材料逐点逐线逐面增加方式实现复杂零件的堆积成形的工艺过程。与传统的加工方法相比，增材制造可迅速制造出自由曲面和复杂结构的零部件，材料利用率高，高度自动化，人工干预小。一般来说，分层厚度越小精度越高，但同样所需的时间也越长，从而增加了成本。而传统的减材加工尤其是数控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工艺规划简单等特点，正可弥补增材制造技术的缺点。因此，目前的高精度增材制造成形通常需要与减材加工进行有效地结合，这样可充分利用增减材加工各自的优势，对于复杂结构零部件在高效制造的同时保证了几何精度和表面质量。

目前，主流的高精度增材制造系统主要结合铣削加工技术，并以金属材料为主，例如发明专利CN106216862A、CN104384936、CN105414981、CN105290789、CN106312574A等均以电弧或激光增材制造与减材加工复合的方式进行金属零件成形。而无机非金属材料的增减材复合加工研究相对较少，实用新型CN205058633U公开了一种熔融沉积与数控加工联动式3D打印机，其主要针对高分子材料，使用单一打印喷头的固有模式，一次只能实现一种材料的成形，加工方式为增减材联动式加工。

因此，对于无机非金属及其复合材料而言，多材料高精度增材制造研究较少，处于相对空白状态，亟待需要研发一种异质多材料高精度增材制造系统，但要实现异质多材料的高精度增材制造成形需要解决三方面问题。

(1)不同的无机非金属材料，其微观组织结构以及凝聚态结构不同，具有不同的热转变性质及力学性能，结合实际需求，因此其加工工艺不同(如挤出喷头温度、送丝量、分层厚度等)。在实际加工过程中需要解决异质多材料多工艺快速实时切换的难题；

(2)对于无机非金属复合材料而言，经打印喷头挤出后的堆积丝处于粘流态或半固态，温度较高，且具有一定的粘弹性，因此不能立即进行减材加工，而且不同无机材料由于其微观组织结构不同，热力学性质和机械性能存在较大差异，需要精确确定加工时机及减材加工工艺参数；

(3)高效率地成形高精度复杂结构零部件，必须解决增减材加工的实时协同配合难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种异质多材料增材制造系统，通过采用旋转式多喷头切换打印装置对加工材料和工艺的切换，实现了异质多材料的3D打印，同时，通过采用双目立体视觉的在线监测反馈装置进行三维精度及温度实时监测反馈，确定减材加工时机及减材加工参数，解决了无机非金属材料及其复合材料的增减材复合加工的实时协同配合难题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种异质多材料增材制造系统，该系统包括关节臂机器人、打印装置、减材装置和监测反馈装置，其特征在于，

所述关节臂机器人包括均具有多个自由度的两只关节臂，一只关节臂的末端与所述打印装置连接，另外一只关节臂的末端与所述减材装置连接；

所述打印装置采用旋转式的多个喷头的结构，每个喷头中设置有相同或者不同的无机非金属材料，通过旋转喷头实现不同喷头的切换的方式，从而实现多材料多工艺实时切换，进而实现异质多材料多的三维打印成形；

所述监测反馈装置用于在加工过程中对待加工零件进行非接触式的实时视觉跟踪和温度测量，通过自适应图像采集获取待加工零件的三维轮廓，并通过与待加工零件的原始模型对比得到相应的减材加工参数；

所述减材装置根据所述减材加工参数实施相应的减材加工。

进一步优选地，所述监测反馈装置包括两个CCD相机、两个带通滤光器、DLP投影仪、图像采集卡和两个非接触式的红外测温仪。

进一步优选地，所述打印装置包括切换转盘和送丝打印机构，该送丝打印机构包括线盘、送丝组件和喷头。

进一步优选地，所述减材装置中的刀具材料优选采用镀铬高速钢、碳化钨或金刚石。

进一步优选地，所述减材装置的切削方法优选采用切削后被切削的材料呈碎屑状的方法，切切削方式优选采用顺向切削。

进一步优选地，所述异质多材料增材制造系统还包括承载平台，该平台是所述关节臂机器人和所述监测反馈装置的载体，此外，多个所述承载平台可协同工作。

进一步优选地，关节臂机器人、打印装置、减材装置、监测反馈装置和承载平台均分别与计算机连接，该计算机中的参数在加工过程中可进行实时调整，从而实现整个所述增材制造系统的半闭环控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用了旋转式多喷头切换打印装置，以多个打印机构旋转切换的方式进行多材料多工艺实时切换打印，实现了异质多材料多工艺的高效率3D打印成形；

2、本发明通过采用双目立体视觉在线实时监测反馈装置，其及时反馈加工零部件的层层温度信息及三维轮廓信息并与原始模型对比标定，协助控制计算机精准确定减材加工时机及相应减材加工参数，满足精度要求的同时大幅提高了制造效率，实现了增减材制造的协同配合；

3、本发明的减材装置通过使用高导热刀具、刀具夹装及减材加工策略特定适用于无机非金属及其复合材料，同时，通过选用高速细屑切削方法，切削方式优选为顺向切削，使得成形件切削时不因过热膨胀而影响精度，同时保护了刀具，延长其使用寿命；

4、本发明选用的一体式机器人柔性承载平台及关节臂机器人可根据实际加工零件情况自动化调整工作台幅面及关节臂尺寸，一体式关节臂机器人柔性承载平台可多个平台协同工作，由控制计算机后台协调配合，实现了无机非金属复合材料大型复杂结构零部件的高效率成形；

5、本发明通过提供一种一体式异质多材料高精度增材制造系统，该系统结构简单，操作方便，且易于控制，实现多种无机非金属及其复合材料零部件的高效率高精度成形。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一体式异质多材料增材制造系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的旋转式多喷头打印装置的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的监测反馈装置的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的减材装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-承载平台 2-关节臂机器人 21-机器人关节臂a 22-机器人关节臂b 3-打印装置 4-监测反馈装置 5-减材装置 6-计算机 31-切换转盘 32-送丝打印机构 33-打印设备331-线盘 332-送丝组件 333-喷头 41-三维运动承载平台 421-第一CCD相机 421-第二CCD相机 43-DLP投影仪 441-第一带通滤光器 442-第二带通滤光器 45-图像采集卡 461-非接触式红外测温器a 462-非接触式红外测温器b 51-高导热刀具 52-刀具夹装

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

由于不同无机非金属材料经打印喷头挤出后呈粘流态或半固态，不能立即进行减材加工，因此需要准确确定减材加工时机，本发明采用了带有非接触式温度测量功能的双目立体视觉监测反馈装置，可根据打印材料的不同精准确定实际的加工时机，如无机高分子复合材料，加工时机根据实际情况为复合材料玻璃化温度以下0℃～50℃，同时可对加工零部件进行在线实时三维结构信息重建，通过与原始加工零件模型对比标定，确定是否进行减材加工以及加工路径和减材参数。

下面结合具体的实施例来进一步说明本发明。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一体式异质多材料增材制造系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的一种异质多材料增材制造系统，该系统包括柔性承载平台1、关节臂机器人2、打印装置3、控制计算机6、减材装置5和监测反馈装置4，本实施例中的一体式异质多材料增材制造系统包括旋转式多喷头切换打印装置3、双目立体视觉实时在线监测反馈装置4、减材装置5通过统一的柔性承载平台1一体式承载，并统一由控制计算机6在后台实现协调控制。

柔性承载平台1承载两只6～8自由度机器人关节臂21和机器人关节臂22、双目立体视觉在线实时监测反馈装置4，机器人关节臂2和双目立体视觉在线实时监测反馈装置4均与控制计算机6连接，柔性承载平台可多个平台协同工作，并统一由控制计算机后台协调配合，机器人柔性承载平台可根据实际零件加工情况进行幅面调整。；

关节臂机器人2包括两只关节臂，a-机器人关节臂21末端安装有旋转式多喷头切换打印装置3，用于增材制造成形，b-机器人关节臂22末端安装有减材装置5，用于数控减材加工；所述关节臂机器人2可根据实际零件加工情况进行自适应尺寸调整。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的旋转式多喷头打印装置的结构示意图，如图2所示，图中是旋转式多喷头切换打印系统内部集成3套打印设备。旋转式多喷头切换打印装置3包括实时切换转盘31、送丝打印机构32。所述实时切换转盘31承载送丝打印机构32，送丝打印机构32内部集成3套打印设备33，包括丝材线盘331、送丝组件332与喷头333。送丝打印机构32可在成形工作前安装不同丝材线盘331，在增材制造过程中实时切换转盘31带动打印设备33进行实时旋转切换，切换延时时间内送丝打印机构32相对位移为零；旋转式多喷头切换打印系统3中的每个打印设备33均直接与控制计算机6连接，在打印过程中可进行实时加工工艺变更以及材料切换；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的监测反馈装置的结构示意图如图3所示，双目立体视觉在线实时监测反馈装置4包括三维运动承载平台41、第一CCD相机421、第二CCD相机422、DLP投影仪43、第一带通滤光器441、第二带通滤光器442、图像采集卡45、a-非接触式红外测温器461、b-非接触式红外测温器462，通过所述DLP投影仪43投射受控波长范围的可见光栅，并配合使用合适的第一带通滤光器421和第二带通滤光器442对物体本身反射的短波和长波进行有效截止，使得第一CCD相机421和第二CCD相机422接收比较单一的反射光成分，可精确测量零部件件局部范围内复杂曲面的密集点云数据。所述图像采集卡45集成于双目立体视觉在线实时监测反馈装置4内部。所述a-非接触式红外测温器461和b-非接触式红外测温器462可对正在制造的零部件进行实时温度测量。所述双目立体视觉在线实时监测反馈装置4连接控制计算机6，可迅速及时反馈加工零部件的三维轮廓信息及层层温度信息。所述双目立体视觉在线实时监测反馈装置4可对加工零部件进行实时视觉跟踪及温度测量，自适应图像采集，对每个像素点快速进行相位解相、对应点匹配和三维重构，得到加工零部件的三维轮廓信息后及时反馈给控制计算机6，与原始模型对比标定得到相应减材加工参数，控制计算机6根据标定后的减材加工参数自动生成加工代码控制数控减材装置5进行协同减材加工。由于不同无机非金属材料可减材加工温度和加工策略不同，零件不同位置的精度及温度存在差异。当加工至一定层厚时，某一层或几层温度降低至可减材温度时，同时成形的零部件尺寸与模型文件不在合理精度误差范围内时才进行减材加工，并根据对比标定后的减材加工路径进行切削加工；当某一层或几层温度降低至该材料可减材温度，但零部件尺寸与模型文件在合理精度误差范围内时不进行减材加工；温度未降低至减材加工温度时不进行减材加工。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的减材装置的结构示意图，如图4所示，减材装置5包括高导热刀具51、刀具夹装52。减材装置5连接控制计算机6，根据标定后的减材加工参数自动生成加工代码进行协同减材加工。高导热刀具51优选为镀铬高速钢、碳化钨或金刚石刀具，具有高导热系数，散热较快。刀具夹装52可根据不同加工材料使刀具进行前角、侧前角、后角、侧后角实时调整。数控减材加工方法优选为高速细屑切削方法，切削方式优选为顺向切削。与金属材料切削加工不同，无机非金属材料切削力较小，导热性很差，例如高分子材料其热导率仅为0.13～0.29W/(m﹒K)，为钢的1/75～1/460，因此本发明优选为高导热刀具。在加工无机高分子复合材料时，如切削量加大，其加工区域热量加大，一方面成形件具有一定粘弹性，复合材料中的高分子成分会因过热而膨胀甚至焦化，刀口也会因长时间过热而发生钝化，因此选用高速细屑切削方法。顺向切削时切削面与条层面方向夹角为锐角，切屑在切刀刃口前面劈裂，裂开面只在切削面以上而不会损害切削面，这样就在保护刀具的同时保证了表面质量。

关节臂机器人为柔性关节机器人，通过交流电机驱动，控制策略为基于奇异摄动的关节柔性和连杆刚性的复合控制策略，将关节机器人控制系统分为快慢两个独立子系统，对慢变子系统，采用基于双曲正弦函数的鲁棒模糊滑模控制方法，实现轨迹跟踪，对快变子系统，采用速度差值反馈控制方案来抑制柔性关节机器人运动过程中在各种力的作用下产生的弹性变形及振动，从而确保机器人末端的位姿及运动轨迹的精确性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种异质多材料增材制造系统，该系统包括关节臂机器人、打印装置(3)、监测反馈装置(4)和减材装置(5)，其特征在于，

所述关节臂机器人包括均具有多个自由度的两只关节臂(21，22)，一只关节臂的末端与所述打印装置(3)连接，另外一只关节臂的末端与所述减材装置(5)连接；

所述打印装置(3)采用旋转式的多个喷头的结构，每个喷头中设置有相同或者不同的无机非金属材料，通过旋转喷头实现不同喷头的切换的方式，从而实现多材料多工艺实时切换，进而实现异质多材料的三维打印成形；

所述监测反馈装置(4)用于在加工过程中对待加工零件进行非接触式的实时视觉跟踪和温度测量，通过图像采集获取待加工零件的三维轮廓，并通过与待加工零件的原始模型对比得到相应的减材加工参数；

所述减材装置(5)根据所述减材加工参数实施相应的减材加工；

所述监测反馈装置(4)包括两个CCD相机、两个带通滤光器、DLP投影仪、图像采集卡和两个非接触式的红外测温仪。

2.如权利要求1所述的一种异质多材料增材制造系统，其特征在于，所述打印装置(3)包括切换转盘和送丝打印机构，该送丝打印机构包括线盘、送丝组件和喷头。

3.如权利要求2所述的一种异质多材料增材制造系统，其特征在于，所述减材装置(5)中的刀具材料采用镀铬高速钢、碳化钨或金刚石。

4.如权利要求3所述的一种异质多材料增材制造系统，其特征在于，所述减材装置(5)的切削方法采用切削后被切削的材料呈碎屑状的方法，切削方式采用顺向切削。

5.如权利要求4所述的一种异质多材料增材制造系统，其特征在于， 所述异质多材料增材制造系统还包括承载平台(1)，该平台是所述关节臂机器人和所述监测反馈装置的载体，此外，多个所述承载平台可协同工作。

6.如权利要求5所述的一种异质多材料增材制造系统，其特征在于，所述关节臂机器人、打印装置(3)、减材装置(5)、监测反馈装置(4)和所述承载平台均分别与计算机(6)连接，该计算机中的参数在加工过程中可进行实时调整，从而实现整个所述增材制造系统的半闭环控制。