CN107511683A - 一种大型复杂金属结构件增减材制造装置及方法 - Google Patents

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方学伟
张丽娟
王博文
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Abstract

本发明公开了一种大型复杂金属结构件增减材制造装置及方法，该装置包括工作平台、若干机器人、激光头、成型件、焊枪、送丝系统、铣削系统、送粉系统、激光发生器、电弧焊接主机和控制系统；机器人和铣削系统设置在工作平台的上方，成型件成型于工作平台上，送丝系统为机器人送丝材；送粉系统为机器人送粉料；激光发生器通过激光头为机器人提供激光热源；电弧焊接主机产生电弧；控制系统电连接激光发生器、电弧焊接主机、送丝系统、送粉系统和机器人。

Description

一种大型复杂金属结构件增减材制造装置及方法
技术领域
本发明属于增材成型技术领域，涉及一种增减材制造装置及方法，尤其是一种大型复杂金属结构件增减材制造装置及方法。
背景技术
增材制造技术又名3D打印或者快速成型。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料或者熔丝，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。目前常用的增材制造方法有：激光粉床熔融、电子束粉床熔融、激光同轴送粉、电弧熔丝成型技术等。
激光粉床熔融、电子束粉床熔融由于受成型腔尺寸限制、粉末高昂成本等因素的影响，目前不适合作为大型件的增材制造。
电弧熔丝成型技术采用激光或电弧为热源，以金属丝材为原材料，热源熔融持续送进的金属丝材形成熔池，熔池凝固形成沉积面，如此反复最终通过逐层熔融凝固，完成构造过程。这种制造工艺具有原材料成本较粉末低廉、开放式的加工环境以及快速的沉积效率，更适合大型结构件的加工制造。这种成型方式可能存在精细结构制造精度不足、零件表面光洁度不足、尺寸存在误差等弊端，难以制造出精度较高的零件，仅能用于毛坯的制造。
激光同轴送粉技术采用激光束为热源，金属粉末通过送粉系统进入激光辐射形成的熔池中，激光将金属粉末熔化，后以“点-线-面”形式完成增材制造。激光同轴送粉开放式结构，对于成型件的尺寸要求并无限制。但这种技术缺陷在于激光与粉末的耦合性差,粉末利用率低，沉积效率明显低于电弧熔丝增材。
现有的大型结构件制造技术为：
①采用电弧熔丝增材制造技术制备出毛坯件，后将毛坯件再放入机床进行二次加工以达到要求精度。但这种常规工艺存在的弊端表现在：二次装夹机械加工工艺由于零件参考点由于坐标变化无法精确定位、完全成型后部分面无法加工以及薄壁结构件加工时无支撑面造成变形等缺点，且存在局部细小结构二次加工困难或难以加工的问题。
②熔丝增材制造技术中，沉积宽度由熔池尺寸确定，熔池尺寸越大，其凝固后形成的沉积宽度一般也越大。而激光同轴送粉由于粉末粒径及激光热源尺寸小，相应的熔融后产生的熔池尺寸也比较小。因此激光同轴送粉更适合精细结构增材制造。
目前增材技术中都将激光同轴送粉与电弧熔丝增材独立使用，这种方式只能发挥两种增材技术特点，无法将两种方式有效结合。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种大型复杂金属结构件增减材制造装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提出一种大型复杂金属结构件增减材制造装置，其特征在于，包括工作平台、若干机器人、激光头、成型件、焊枪、送丝系统、铣削系统、送粉系统、激光发生器、电弧焊接主机和控制系统；所述机器人和铣削系统设置在工作平台的上方，成型件成型于工作平台上，送丝系统为机器人送丝材；所述送粉系统为机器人送粉料；所述激光发生器通过激光头为机器人提供激光热源；所述电弧焊接主机产生电弧；所述控制系统电连接激光发生器、电弧焊接主机、送丝系统、送粉系统和机器人。
进一步，上述机器人至少包含有两个。
进一步，上述控制系统包括有工业计算机、PLC可编程控制、数控系统和电源系统。
进一步，上述丝材与热源是同轴或非同轴送进。
进一步，上述粉料与激光发生器的激光头同轴送进。
本发明还提出一种基于上述大型复杂金属结构件增减材制造装置的增减材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：将三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入控制系统中；
步骤2：通过控制系统在工作平台表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点；
步骤3：在电弧焊接主机中分别设置所对应熔丝增材所需电压、电流参数；激光发生器中分别设置所对应功率参数；
步骤4：在控制系统中设置丝材送丝速度、送粉速度、机器人运动速度、铣削系统的铣削速度；
步骤5：薄壁精细结构件增材制造时，控制系统开启送粉系统，激光发生器以及承载激光头、送粉系统的机器人；按照规划路径对薄壁精细结构件增材制造；
步骤6：厚壁结构件增材制造时，控制系统开启送丝系统，电弧焊接主机，承载电弧焊接主机焊枪和送丝系统的机器人，按照规划路径对厚壁结构件增材制造；
步骤7：铣削系统按照三维模型尺寸对单层或多层沉积件进行铣削加工，达到精确的尺寸要求；
步骤8：重复步骤5-7直至零件精度尺寸达到规定尺寸要求，增材制造、铣削加工过程结束。
进一步，以上步骤3中电弧焊接主机中设置的电流/电压参数以及激光发生器中功率参数根据材料类型、丝材规格、粉末粒径和零件尺寸要求修改。
进一步，以上步骤中所述熔丝增材沉积层高H、熔宽B与丝材直径Φ的关系为：H×B＝πΦ2；所述粉末熔融增材沉积层高h、熔宽b与粉末粒径μ的关系为：H×B＝μ×B。其中，丝材直径Φ为0.8-2.0mm；粉末粒径μ小于100μm。
进一步，以上步骤5和步骤6中熔丝增材与同轴送粉为两台或多台机器人同步或分步进行。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明将增材制造与减材铣削加工相结合，实现了增减材过程一体化完成。
2.本发明专利中增材模块将激光同轴送粉与电弧熔丝增材复合，熔丝增材实现大尺寸、高效沉积的同时，同轴送粉增材可制造精细化结构。
3.本发明专利装置集成度高、工艺过程更加灵活。兼顾了熔丝增材成型与同轴送粉技术优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的成型件示意图；
图3为本发明的方法流程图。
其中：1为机器人；2为工作平台；3为激光头；4为成型件；5为焊枪；6为送丝系统；7为铣削系统；8为送粉系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的大型复杂金属结构件增减材制造装置：包括工作平台2、若干机器人1、激光头3、成型件4、焊枪5、送丝系统6、铣削系统7、送粉系统8、激光发生器9、电弧焊接主机10和控制系统11。机器人1为激光头3、电弧焊接主机10的焊枪、送丝系统6、送粉系统8的运动载体。机器人1和铣削系统7设置在工作平台2的上方，成型件4成型于工作平台2上，送丝系统6为机器人1送丝材；所述送粉系统8为机器人1送粉料；所述激光发生器9通过激光头3为机器人提供激光热源；电弧焊接主机10产生电弧；控制系统11电连接激光发生器9、电弧焊接主机10、送丝系统6、送粉系统8和机器人1。
在本发明中，机器人1至少包含有两个。控制系统11包括有工业计算机、PLC可编程控制、数控系统和电源系统。丝材与热源是同轴或非同轴送进。粉料与激光发生器9的激光头同轴送进。
控制系统11根据分层切片路径规划：对外轮廓或厚壁结构加工时，控制系统11开启送丝系统6、电弧焊接主机10及承载两者运动的机器人1；对精细结构薄壁结构加工时，控制系统11开启送粉系统8、激光发生器9及承载两者运动的机器人1；控制系统开启铣削系统对单层或多层沉积结构铣削加工。
参见图2和图3，本发明的大型复杂金属结构件增减材制造方法是采用上述大型复杂金属结构件增减材制造装置完成的。具体包括以下步骤：
步骤1：将三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入控制系统11中；
步骤2：通过控制系统11在工作平台2表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点；
步骤3：在电弧焊接主机10中分别设置所对应熔丝增材所需电压、电流参数；激光发生器9中分别设置所对应功率参数；其中电弧焊接主机10中设置的电流/电压参数以及激光发生器9中功率参数根据材料类型、丝材规格、粉末粒径和零件尺寸要求修改。
步骤4：在控制系统11中设置丝材送丝速度、送粉速度、机器人1运动速度、铣削系统7的铣削速度。熔丝增材沉积层高H、熔宽B与丝材直径Φ的关系为：H×B＝πΦ2；所述粉末熔融增材沉积层高h、熔宽b与粉末粒径μ的关系为：H×B＝μ×B。其中，丝材直径Φ为0.8-2.0mm；粉末粒径μ小于100μm。
步骤5：薄壁精细结构件增材制造时，控制系统11开启送粉系统8，激光发生器9以及承载激光头3、送粉系统8的机器人1；按照规划路径对薄壁精细结构件增材制造；
步骤6：厚壁结构件增材制造时，控制系统11开启送丝系统6，电弧焊接主机10，承载电弧焊接主机10焊枪和送丝系统6的机器人1，按照规划路径对厚壁结构件增材制造；
步骤7：铣削系统7按照三维模型尺寸对单层或多层沉积件进行铣削加工，达到精确的尺寸要求；
步骤8：重复步骤5-7直至零件精度尺寸达到规定尺寸要求，增材制造、铣削加工过程结束。
本发明的步骤5和步骤6中熔丝增材与同轴送粉为两台或多台机器人同步或分步进行。
综上所述，本发明实现了大型结构件的增减材一体化生产，保证了大型尺寸可达性要求同时，精细化结构可控，并且能够进一步提高增材制造技术的复合使用，从而增加增材制造工艺的灵活性。

Claims (10)

1.一种大型复杂金属结构件增减材制造装置，其特征在于，包括工作平台(2)、若干机器人(1)、激光头(3)、成型件(4)、焊枪(5)、送丝系统(6)、铣削系统(7)、送粉系统(8)、激光发生器(9)、电弧焊接主机(10)和控制系统(11)；所述机器人(1)和铣削系统(7)设置在工作平台(2)的上方，成型件(4)成型于工作平台(2)上，送丝系统(6)为机器人(1)送丝材；所述送粉系统(8)为机器人(1)送粉料；所述激光发生器(9)通过激光头(3)为机器人提供激光热源；所述电弧焊接主机(10)产生电弧；所述控制系统(11)电连接激光发生器(9)、电弧焊接主机(10)、送丝系统(6)、送粉系统(8)和机器人(1)。
2.根据权利要求1所述的大型复杂金属结构件增减材制造装置，其特征在于，所述机器人(1)至少包含有两个。
3.根据权利要求1所述的大型复杂金属结构件增减材制造装置，其特征在于，所述控制系统(11)包括有工业计算机、PLC可编程控制、数控系统和电源系统。
4.根据权利要求1所述的大型复杂金属结构件增减材制造装置，其特征在于，所述丝材与热源是同轴或非同轴送进。
5.根据权利要求1所述的大型复杂金属结构件增减材制造装置，其特征在于，所述粉料与激光发生器(9)的激光头同轴送进。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述大型复杂金属结构件增减材制造装置的增减材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入控制系统(11)中；
步骤2：通过控制系统(11)在工作平台(2)表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点；
步骤3：在电弧焊接主机(10)中分别设置所对应熔丝增材所需电压、电流参数；激光发生器(9)中分别设置所对应功率参数；
步骤4：在控制系统(11)中设置丝材送丝速度、送粉速度、机器人(1)运动速度、铣削系统(7)的铣削速度；
步骤5：薄壁精细结构件增材制造时，控制系统(11)开启送粉系统(8)，激光发生器(9)以及承载激光头(3)、送粉系统(8)的机器人(1)；按照规划路径对薄壁精细结构件增材制造；
步骤6：厚壁结构件增材制造时，控制系统(11)开启送丝系统(6)，电弧焊接主机(10)，承载电弧焊接主机(10)焊枪和送丝系统(6)的机器人(1)，按照规划路径对厚壁结构件增材制造；
步骤7：铣削系统(7)按照三维模型尺寸对单层或多层沉积件进行铣削加工，达到精确的尺寸要求；
步骤8：重复步骤5-7直至零件精度尺寸达到规定尺寸要求，增材制造、铣削加工过程结束。
7.根据权利要求6所述的增减材制造方法，其特征在于，步骤3中电弧焊接主机(10)中设置的电流/电压参数以及激光发生器(9)中功率参数根据材料类型、丝材规格、粉末粒径和零件尺寸要求修改。
8.根据权利要求6所述的增减材制造方法，其特征在于，步骤4中所述熔丝增材沉积层高H、熔宽B与丝材直径Φ的关系为：H×B＝πΦ2；所述粉末熔融增材沉积层高h、熔宽b与粉末粒径μ的关系为：H×B＝μ×B。
9.根据权利要求8所述的增减材制造方法，其特征在于，其中，丝材直径Φ为0.8-2.0mm；粉末粒径μ小于100μm。
10.根据权利要求6所述的增减材制造方法，其特征在于，步骤5和步骤6中熔丝增材与同轴送粉为两台或多台机器人同步或分步进行。
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