CN107904597B - 一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块 - Google Patents
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Abstract
一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，包括激光头、电场部和磁场部；电场部包括两个磁场发生模块，电场部包括两组电场发生模块，磁场部和电场部均通过支撑结构固定架设在激光头的四周。本发明采用环形周布的四组线圈部，配合外部磁场电源实现磁场大小的连续可调，且其大小满足使用要求；铁芯头的尖头部设计，使加工表面磁场强度和线性度得到提高。支撑结构可确保电场和磁场的同步随动耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块。
背景技术
在激光加工过程中，加入电磁复合场的调控手段，能够通过控制洛伦兹力的大小和方向，进而有效改善传统调控工艺的调控效果，实现性能的提升。特别是对于大型工业零部件，激光加工过程中难以实现电-磁复合场的同步耦合，限制了该技术在实际生产过程中的应用。
浙江工业大学姚建华等人申报的专利申请号为2013052755461.5的中国专利公开了一种静态磁场—激光同轴复合熔覆方法及装置，该发明将磁场发生装置集成在激光头上，以实现磁场的同步移动，但其只实现了稳态磁场的同步耦合，对熔池改善效果有限，且磁场强度有限，不能满足实际加工需要。
浙江工业大学姚建华等人申报的专利申请号为201611014732.1的中国专利公开了一种永磁铁供磁的电-磁复合场协同激光熔覆装置，包括激光熔覆部、支架部、电场部和磁场部。磁场由永磁铁供磁，试样夹持在支架上，可调整角度和位置来匹配试样角度，但其对试样形貌有严格要求，且云母绝缘层会因高温而失效，其磁场大小调节有限，使用条件局限。
发明内容
为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，所述电磁场同步耦合模块包括激光头、磁场部和电场部；
所述激光头的上方设有用于与激光器相连的输入管，且所述输入管竖直向上延伸，所述激光头的下方设有竖直向下延伸的输出管；
所述磁场部包括两个沿输出管的径向分别设置在输出管前后两侧的磁场发生模块，所述磁场发生模块包括开口向下的U形铁芯，且U形铁芯的两端分别对应贯穿一组线圈部；所述线圈部包括电磁线圈、由不导磁材料制作的线圈骨架和由不导磁材料制作的外壳，外壳设置在线圈骨架及电磁线圈外；线圈骨架包括中空的中心柱和套设在中心柱两头的挡板，电磁线圈缠绕在中心柱上并位于中心柱上的两挡板之间；所述中心柱的两头贯通，且U形铁芯的一端贯穿所述中心柱；
两个U形铁芯位于同一侧的一端均与一个铁芯头相连，两个U形铁芯位于另一侧的一端均与另一个铁芯头相连，且两个铁芯头关于输出管的轴向对称；
所述铁芯头包括沿着输出管的径向延伸的铁芯头本体，所述铁芯头本体的中心轴线与输出管的中心轴线相垂直；铁芯头本体的外端设有用于与两U形铁芯可拆卸连接的连接块，铁芯头本体的内端设有指向输出管的中心轴线的延长线的尖头部，且分别位于待加工零件的待加工区域两侧的铁芯头位于输出管的下方；
定义以两铁芯头中心轴线的连线与输出管中心轴线的延长线的交点为坐标原点，以经过所述坐标原点且与输出管的中心轴线相重合的直线为z轴，以两铁芯头中心轴线的连线为x轴，以经过坐标原点且同时垂直于z轴和x轴的方向为y轴；且定义沿x轴方向为前后方向，沿y轴方向为左右方向，沿z轴方向为上下方向，向位于中间的输出管靠拢的一端为内端，远离输出管的一端为外端，则：两组磁场发生模块关于x轴轴对称，且两个U形铁芯之间的夹角为θ，且0＜θ＜180°；
各线圈部的电磁线圈的材质和匝数均相同，各电磁线圈的两端分别具有用于与磁场电源相连的连接端，电磁线圈的两端分别与磁场电源相连，且各电磁线圈之间相互并联；位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的磁场方向相反，且磁场强度相同；不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的磁场方向和磁场强度均相同；
所述外壳上设有用于冷却电磁线圈的冷却部；
所述电场部包括两组沿着y轴方向相对设置在输出管的左右两侧的电场发生模块，且两组电场发生模块关于z轴对称；电场发生模块包括碳刷组和可驱动碳刷组沿着y轴方向和z轴方向移动的剪叉升降台；所述剪叉升降台设有用于固定碳刷组的夹具，且碳刷组连接有用于与电场电源连通的连接头；
所述剪叉升降台包括上下间隔设置的顶板和底板，且顶板和底板均垂直于z轴；底板上表面上的前后两侧相对设有第一侧板，第一侧板的内端上设有沿y轴方向延伸的第一滑槽，第一滑杆的两端可滑动地设置在两侧的第一滑槽内，且第一滑杆沿x轴方向延伸；第一转轴的两端分别可转动地设置在两个第一侧板的外端上，且第一转轴沿x轴方向延伸；顶板下表面上的前后两侧相对设有第二侧板，第二侧板的外端设有沿y轴方向延伸的第二滑槽，第二滑杆的两端可滑动地设置在两侧的第二滑槽内；第二转轴的两端分别可转动地设置在两第二侧板的内端上，且第二转轴沿x轴方向延伸；
顶板和底板之间还设有均沿x轴方向延伸的第三转轴和第四转轴，且第三转轴和第四转轴位于同一xoy平面上；第三转轴和第四转轴之间通过调节螺杆相连，调节螺杆的内端沿着y轴方向贯穿第三转轴和第四转轴，且调节螺杆与第三转轴和第四转轴螺纹连接，调节螺杆的外端带有调节头；
所述剪叉升降台还包括剪叉臂，所述剪叉臂包括两个在中间铰接的连杆，且两个连杆的两端分别构成剪叉臂的连接端；第一转轴、第一滑杆、第三转轴和第四转轴的两端分别与位于同一侧的剪叉臂的连接端可转动连接；第二转轴、第二滑杆、第三转轴和第四转轴的两端分别与位于同一侧的另一个剪叉臂的连接端可转动相连；
所述夹具的下表面设有凹槽，凹槽内设有可沿z轴方向伸缩的弹簧，弹簧的上端固定在凹槽内，碳刷组包括若干块碳刷，且碳刷组的上端延伸至凹槽内并与弹簧的下端相连，碳刷的下表面位于输出管的下方；
所述磁场部和电场部均通过支撑结构固定架设在激光头的四周；所述支撑结构包括L形的总支撑架，所述总支撑架包括竖直板和水平板，竖直板的下端与水平板的内端固定相连，竖直板的上端固定在激光头的侧面上；
所述支撑结构还包括用于固定线圈部的线圈支撑架，线圈支撑架包括一一托起线圈部的4个托板，每个托板的中间均设有一个供U形铁芯的一端贯穿的第一通孔，U形铁芯的一端贯穿所述第一通孔并与铁芯头相连，且托板的内侧通过连接板固定在所述水平板上；且所述外壳与托板、连接板固定相连；
所述电场部的顶板通过螺栓和螺母固定在水平板的下表面上。
进一步，所述外壳呈矩形框状，所述矩形框的顶面和底面均设有供U形铁芯的一端贯穿的第二通孔和第三通孔，所述冷却部包括设置在所述矩形框侧面上的内气流道，所述内气流道沿电磁线圈的中心轴方向自矩形框的顶面向底面延伸；内气流道的进气口设置在矩形框的顶面上，且所述进气口与高压气源相连通；内气流道上面向电磁线圈的一侧间隔设有若干个排成一列的出气口。
进一步，位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的磁场方向相反、磁场强度相同，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的磁场方向和磁场强度均相同的具体实现结构为：各电磁线圈分别具有位于上方的上接线端和位于下方的下接线端，各电磁线圈的上接线端均与磁场电源的正极相连，各电磁线圈的下接线端均与磁场电源的负极相连；且位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈在中心柱上的绕线方向相反，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈在中心柱上的绕线方向相同。
或者，位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的磁场方向相反、磁场强度相同，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的磁场方向和磁场强度均相同的具体实现结构为：各电磁线圈分别具有位于上方的上接线端和位于下方的下接线端，位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的上接线端分别与磁场电源的不同极相连，位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的下接线端分别与磁场电源的不同极相连；不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的上接线端分别与磁场电源的同一极相连，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的下接线端分别与磁场电源的同一极相连。
进一步，还包括磁场接线盒，所述磁场接线盒固定在侧支撑架上，所述侧支撑架为梯形板，所述侧支撑架的左右两侧分别固定在两侧的连接板上，所述侧支撑架的内表面通过侧连接板固定在总支撑架的竖直板上；所述磁场接线盒上设有分别用于与磁场电源的两极相连的两个接线端口，所述电磁线圈分别通过所述接线端口与磁场电源的两极相连。
进一步，所述碳刷组包括两块均为长方体状的碳刷，且两个碳刷沿着y轴方向对称设置，所述碳刷的下表面为圆角。
进一步，所述U形铁芯与所述铁芯头榫卯连接，所述连接块上设有榫槽，所述U形铁芯的端头为与所述榫槽相配合的榫头。
进一步，所述连接头为接线铜板垫，所述接线铜板垫设置在夹具的一端，且所述接线铜板垫的内端与碳刷组连接，外端外露于夹具的外端。
进一步，所述磁场电源和电场电源均为直流电源。
进一步，所述尖头部呈四棱锥状，所述四棱锥的大头端与铁芯头本体相连，所述四棱锥的小头端指向输出管；且所述尖头部的下表面与铁芯头本体的下表面相平齐。
本发明的有益效果主要表现在：
1、本发明采用环形周布的四组线圈部，配合外部磁场电源实现磁场大小的连续可调，且其大小满足使用要求。
2、在外壳上设置冷却部对电磁线圈进行冷却，内气流道内通入高压空气进行气冷，以降低电磁线圈的温升。
3、铁芯头的尖头部的设计，改变了磁场分布，使得磁场强度沿z轴呈正态分布，相较于没有尖头设计的铁芯头产生的磁场(如附图11所示)，磁场会整体往z轴向下移动(如附图12所示)，使得加工表面磁场强度和线性度得到提高。
4、碳刷通过弹簧连接，弹簧可调节碳刷与加工表面的自适应接触。
5、磁场部和电场部均通过支撑结构固定架设在激光头的四周，L形的线圈支撑架和倒V型的托板连接，使本发明在实际使用时，可确保电场、磁场和激光头的同步随动耦合，在加工区域形成稳定的电-磁复合场，以达到工作现场修复的要求。
附图说明
图1是电磁场同步耦合模块的等轴视图；
图2是电磁场同步耦合模块的正视图；
图3是利用本发明构建的激光熔覆装置的现场使用示意图；
图4是磁场部结构示意图；
图5是电场发生模块结构示意图；
图6是支撑结构装配示意图
图7是碳刷组与碳刷组夹具装配示意图；
图8是铁芯头放大结构示意图；
图9是外壳等轴视图；
图10是外壳内部结构剖视图；
图11是铁芯头未设置尖头部时在使用状态下的磁感应线分布示意图；
图12是利用本发明构建的激光熔覆装置在使用状态下尖头部处的磁感应线分布示意图。
具体实施方式
实施例1
参照附图1-10，一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块6，所述电磁场同步耦合模块6包括激光头1、电场部和磁场部；
所述激光头1的上方设有用于与激光器相连的输入管101，且所述输入管101竖直向上延伸，所述激光头1的下方设有竖直向下延伸的输出管102；
所述磁场部包括两个沿输出管102的径向分别设置在输出管102前后两侧的磁场发生模块，所述磁场发生模块包括开口向下的U形铁芯505，且U形铁芯505的两端分别对应贯穿一组线圈部；所述线圈部包括电磁线圈501、由不导磁材料制作的线圈骨架502和由不导磁材料制作的外壳504，外壳设置在线圈骨架502及电磁线圈501外，且外壳504上开设有用于给电磁线圈501散热的散热窗口；线圈骨架502包括中空的中心柱和套设在中心柱两头的挡板，电磁线圈501缠绕在中心柱上并位于中心柱上的两挡板之间；所述中心柱的两头贯通，且U形铁芯505的一端贯穿所述中心柱；
两个U形铁芯505位于同一侧的一端均与一个铁芯头503相连，两个U形铁芯505位于另一侧的一端均与另一个铁芯头503相连，且两个铁芯头503关于输出管102的轴向对称，两个铁芯头503自身的材质构、大小和形状等完全相同。
所述铁芯头503包括沿着输出管102的径向延伸的铁芯头本体5031，所述铁芯头本体5031的中心轴线与输出管102的中心轴线相垂直；铁芯头本体5031的外端设有用于与两U形铁芯505可拆卸连接的连接块5032，铁芯头本体5031的内端设有指向输出管102的中心轴线的延长线的尖头部5033，且分别位于待加工零部件7的待加工区域两侧的铁芯头503位于输出管102的下方；
定义以两铁芯头503中心轴线的连线与输出管中心轴线的延长线的交点为坐标原点，以经过所述坐标原点且与输出管102的中心轴线相重合的直线为z轴，以两铁芯头503中心轴线的连线为x轴，以经过坐标原点且同时垂直于z轴和x轴的方向为y轴；且定义沿x轴方向为前后方向，沿y轴方向为左右方向，沿z轴方向为上下方向，向位于中间的输出管靠拢的一端为内端，远离输出管的一端为外端，则：两组磁场发生模块关于x轴轴对称，且两个U形铁芯505之间的夹角为θ，且0＜θ＜180°；
各线圈部的电磁线圈501的材质和匝数均相同，各电磁线圈501的两端分别具有用于与磁场电源相连的连接端，电磁线圈501的两端分别与磁场电源相连，且各电磁线圈501之间相互并联；位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的磁场方向相反，且磁场强度相同；不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501的磁场方向和磁场强度均相同；
所述外壳504上还设有用于冷却电磁线圈501的冷却部。
所述电场部包括两组沿着y轴方向相对设置在输出管102的左右两侧的电场发生模块，且两组电场发生模块关于z轴对称；电场发生模块包括碳刷组406和可驱动碳刷组406沿着y轴方向和z轴方向移动的剪叉升降台；所述剪叉升降台设有用于固定碳刷组406的夹具407，且碳刷组406连接有用于与电场电源连通的连接头405；
所述剪叉升降台包括上下间隔设置的顶板401和底板408，且顶板401和底板408均垂直于z轴；底板408上表面上的前后两侧相对设有第一侧板，第一侧板的内端上设有沿y轴方向延伸的第一滑槽4081，第一滑杆的两端可滑动地设置在两侧的第一滑槽4081内，且第一滑杆沿x轴方向延伸；第一转轴404的两端分别可转动地设置在两个第一侧板的外端上，且第一转轴404沿x轴方向延伸；顶板401下表面上的前后两侧相对设有第二侧板，第二侧板的外端设有沿y轴方向延伸的第二滑槽4011，第二滑杆的两端可滑动地设置在两侧的第二滑槽4011内；第二转轴的两端分别可转动地设置在两第二侧板的内端上，且第二转轴沿x轴方向延伸；
顶板401和底板408之间还设有均沿x轴方向延伸的第三转轴402和第四转轴403，且第三转轴402和第四转轴403位于同一xoy平面上；第三转轴402和第四转轴403之间通过调节螺杆410相连，调节螺杆410的内端沿着y轴方向贯穿第三转轴402和第四转轴403，且调节螺杆410与第三转轴402和第四转轴403螺纹连接，调节螺杆410的外端带有调节头4101；
所述剪叉升降台还包括剪叉臂409，所述剪叉臂409包括两个在中间铰接的连杆，且两个连杆的两端分别构成剪叉臂409的连接端；第一转轴、第一滑杆、第三转轴402和第四转轴403的两端分别与位于同一侧的剪叉臂409的连接端可转动连接(第一转轴、第一滑杆、第三转轴402和第四转轴403的两端分别通过一个剪叉臂409相连，且剪叉臂的四个连接端分别可转动地设置在第一转轴、第一滑杆、第三转轴和第四转轴位于同一侧的一端上)；第二转轴、第二滑杆、第三转轴和第四转轴的两端分别与位于同一侧的另一个剪叉臂409的连接端可转动相连(第二转轴、第二滑杆、第三转轴和第四转轴的两端分别通过一个剪叉臂409相连，且所述剪叉臂的四个连接端分别可转动地设置在第二转轴、第二滑杆、第三转轴和第四转轴位于同一侧的剪叉臂409的一端上)。
所述夹具407的下表面设有凹槽，凹槽内设有可沿z轴方向伸缩的弹簧411，弹簧411的上端固定在凹槽内，碳刷组406包括若干块碳刷，且碳刷的上端延伸至凹槽内并与弹簧411的下端相连，碳刷406的下表面位于输出管102的下方；
所述磁场部和电场部均通过支撑结构固定架设在激光头1的四周；所述支撑结构包括L形的总支撑架301，所述总支撑架301包括竖直板和水平板，竖直板的下端与水平板的内端固定相连，竖直板的上端固定在激光头1的侧面上；
所述支撑结构还包括用于固定线圈部的线圈支撑架305，线圈支撑架305包括一一托起线圈部的4个托板，每个托板的中间均设有一个供U形铁芯505的一端贯穿的第一通孔，U形铁芯505的一端贯穿所述第一通孔并与铁芯头503相连，且托板的内侧通过连接板固定在所述水平板上；且所述外壳504与托板、连接板固定相连；
所述电场部的顶板401通过螺栓和螺母固定在水平板的下表面上。
进一步，所述外壳504呈矩形框状，所述矩形框两侧的开口构成所述散热窗口，所述矩形框的顶面和底面均设有供U形铁芯505的一端贯穿的第二通孔5043和第三通孔5044，所述冷却部包括设置在所述矩形框侧面上的内气流道5042，所述内气流道5042沿电磁线圈的中心轴方向自矩形框的顶面向底面延伸；内气流道5042的进气口设置在矩形框的顶面上，且所述进气口与高压气源相连通；内气流道5042上面向电磁线圈501的一侧间隔设有若干个排成一列的出气口5041。每个矩形框的侧面设有两列出气口，为扩大冷却范围，所述出气口向矩形框侧面的两侧倾斜设置，如附图10所示。
进一步，位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的磁场方向相反、磁场强度相同，不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501的磁场方向和磁场强度均相同的具体实现结构为：各电磁线圈501分别具有位于上方的上接线端和位于下方的下接线端，各电磁线圈501的上接线端均与磁场电源的正极相连，各电磁线圈501的下接线端均与磁场电源的负极相连；且位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501在中心柱上的绕线方向相反，不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501在中心柱上的绕线方向相同。
进一步，还包括磁场接线盒304，所述磁场接线盒304固定在侧支撑架302上，所述侧支撑架302为梯形板，所述侧支撑架302的左右两侧分别固定在两侧的连接板上，所述侧支撑架302的内表面通过侧连接板308固定在总支撑架301的竖直板上；所述磁场接线盒304上设有分别用于与磁场电源的两极相连的两个接线端口303，所述电磁线圈501分别通过所述接线端口303与磁场电源的两极相连，具体连接结构为：
所述接线端口303包括第一接线端口和第二接线端口，且第一接线端口与电源的正极相连，第二接线端口与电源的负极相连(或者第一接线端口与电源的正极相连，第二接线端口与电源的负极相连，可根据具体的磁场方向需要进行选择)。
位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的上接线端分别与第一接线端口相连，位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的下接线端分别与第二接线端口相连。不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501与磁场接线盒304的接线方式相同。
进一步，所述碳刷组406包括两块均为长方体状的碳刷，且两个碳刷沿着y轴方向对称设置，所述碳刷的下表面为圆角4061，使得碳刷的下表面圆滑，可紧贴在待加工零部件7(为圆柱状)的外表面。
进一步，所述U形铁芯505与所述铁芯头503榫卯连接，所述连接块5032上设有榫槽，所述U形铁芯的端头为与所述榫槽相配合的榫头。
进一步，所述连接头405为接线铜板垫，所述接线铜板垫设置在夹具407的一端，且所述接线铜板垫的内端与碳刷组406连接，外端外露于夹具407的外端，以便于与电场电源相连。
进一步，所述磁场电源和电场电源均为直流电源。
进一步，所述尖头部5033呈四棱锥状，所述四棱锥5033的大头端与铁芯头本体5031相连，所述四棱锥5033的小头端指向输出管102；且所述尖头部5033的下表面与铁芯头本体5031的下表面相平齐。
连接板与水平板之间通过连接角件306、螺栓和螺母相连，所述连接角件306的一端通过螺栓和螺母固定在连接板的内表面，所述连接角件306的另一端通过螺栓和螺母固定在水平板上。
所述L形架体的竖直板和水平板之间设有肋板307，所述肋板307呈直角三角形，且肋板307的两条直角边分别与竖直板和水平板固定相连。
所述连接板和所述托板垂直相连，且所述连接板和所述托板呈L形，且沿x轴方向对称的两个托板固定相连构成V形。
所述外壳504与托板、连接板通过螺栓和螺母固定相连，所述外壳504、托板和连接板上均对应设有螺孔。
磁场发生模块5由电磁线圈501、铁芯505等组成，磁场部通过调控外接磁场电源的电压大小可产生不同磁场强度的稳态磁场以适应不同工况。磁场由四个电磁线圈501产生，通过两根U型铁芯505实现磁场强度的集束和增强，两根U型铁芯505做汇聚处理，增强磁场强度。铁芯头503进行结构设计，其尖头部5033相较于圆柱段的铁芯头本体5031做移轴处理，对正方体的原尖头部5033进行上侧切圆角，并做了切斜面处理形成四棱锥状的尖头部5033，使尖头部5033的横截面向输出管方向越来越小，磁场强度得到增强，且尖头部5033外磁感线向下弯曲，进一步将四个电磁线圈产生的磁场集中作用于加工熔池并提高磁场线性度。
四个电磁线圈501在输出管102外呈斜向圆周布置，结构紧凑稳定，易与激光头1耦合，以实现对加工零部件7的现场修复。在外壳504内部设有四排外接高压空气的内气流道5042，空气从出气口5041向电磁线圈501排出，以实时对电磁线圈501吹气，降低电磁线圈501的温度，提高运行安全性。
两铁芯头之间的连线与激光头1的运动方向成90°布置，很好的利用转子轴表面上凸的特性，进一步增强熔池区域磁场强度，提高磁场线性度，且磁场随激光头1实时运动，使其始终作用于熔池中心。铁芯头503通过端部形貌设计，进一步增大了熔池区域磁场强度。如需改换磁场南北极，只需更换接线端口303的接线即可。
电场发生模块4由剪叉升降台、碳刷组406等组成，外接直流电场电源，可实现与待加工零部件7的动态自适应接触，在加工过程中碳刷组406与待加工零部件7始终保持接触。剪叉升降台采用四边形结构，通过旋转调节螺杆410的调节头4101，可增大或者缩小第三转轴402和第四转轴之间的距离，从而实现碳刷组406的上升与下降，且碳刷组406可随着第一滑杆和第二滑杆沿着y轴方向滑动的同时，沿着y轴方向运动，使得在碳刷组406下降到加工零部件表面的过程中可以自动缩短两碳刷组之间的间距，提高电流利用率。碳刷组406上升后(碳刷组406沿z轴方向运动)，左右两侧的碳刷组406间距也同时自动增大(碳刷组406沿y轴方向运动)，可以为装置操作人员提供良好的观察视野。碳刷组406通过夹具407夹持，碳刷组406可拆卸且表面带有弧度，以适应不同零部件的表面形貌，也可设计专用碳刷组。每个夹具407凹槽底部焊有螺旋弹簧411，使其在加工过程中，可自动匹配加工表面，碳刷组406始终压紧在加工零部件表面，实现碳刷组406与待加工零部件7的自适应接触，提高电场的稳定性。
支架3由线圈支撑架305、总支撑架301、侧支撑架302组成，总支撑架301与固定架2相连，固定架2通过法兰与机械臂8固定。线圈固定在线圈支撑架305上，线圈支撑架305通过两步弯折分别成90°和倒V型来匹配线圈布置方式。线圈支撑架305通过螺栓连接固定在总支撑架301上。此外，侧支撑架302与线圈支撑架305和侧连接板308连接，侧支撑架302设计成梯形以匹配线圈支撑架305。
利用本发明构建的一种柔性自适应复合碳刷式电-磁复合场同步激光熔覆装置，所述激光熔覆装置包括对待加工零部件7进行加工的电磁场同步耦合模块6、驱动所述电磁场同步耦合模块6移动的机械臂8和产生激光的激光器；所述熔覆装置还包括用于确保激光头冷却水水温的水冷机、为激光头送粉的送粉器和为所述熔覆装置提供压缩气的空压机等设备。
所述激光头1通过固定架与机械臂8相连，所述固定架包括上下相对的上固定板204和下固定板202，且上固定板204和下固定板202均水平铺设；所述激光头1的输入管101向上贯穿上固定板204并与激光器相连，所述激光头1的输出管102竖直向下贯穿下固定板202，且输出管102的下端出口位于待加工零部件7的上方。且竖直板的上端固定在下固定板的侧面上。
所述上固定板204和下固定板202的一侧通过竖直设置的竖板203相连，所述竖板203通过法兰与机械臂8相连。
所述上固定板204与小固定块201可拆卸的连接，且所述小固定块201与所述上固定板204围合成用于扣合输入管101的夹孔。
将电磁场同步耦合模块6通过法兰安装于机械臂8上，可实现对待加工零件的现场加工。提前将碳刷组406安装在碳刷组夹具407的凹槽内，直至将底部的螺旋弹簧411压紧。本装置的铁芯分四部分，铁芯505和铁芯头503各两份，加工前先将两个铁芯头503与铁芯505配合安装好，保证其对心度。
以大直径转子轴作为待加工零件对所述激光熔覆装置进行说明。在对转子轴进行激光加工前，将加工用的激光专用粉末置于120℃烘干箱中烘干2小时，并对转子轴进行加工前处理，即用无水乙醇进行清洗并吹干后再进行加工。
所述激光熔覆装置可进行工作现场修复，将电磁场同步耦合模块6安装在机械臂8上，磁场电源外接两条导线分别接到磁场接线盒304上的两个接线端口303，如需改变加工区域的磁场方向，只需更换两接线端口303上的接线方向。电场电源的两极分别与两接线铜垫板405相连，且电场电源配有开关。
激光熔覆装置的使用过程为：
如图所示，先将本发明定位于待加工零部件7的预加工区域，确保：激光头1的输出管位于预加工区域的正上方，且输出管与预加工区域之间有间隙；两碳刷组406的连线与转子轴(即待加工零部件7)的中心轴方向平行，并旋转调节螺杆410启动剪叉升降台驱动碳刷组406向下移动，直至碳刷组406的下表面压紧在转子轴上；两个铁芯头分别夹紧在预加工区域的两侧，且两个铁芯头的连线贯穿转子轴，并与转子轴的中心轴方向垂直。
然后，打开磁场电源，调节磁场强度到预设大小，再打开电场电源的开关，激光头启动，并随设定的程序进行加工，通电、通磁直至加工结束。
实施例2
参照附图1-10。
本实施例与实施例1的区别在于为实现位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的磁场方向相反、磁场强度相同，不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501的磁场方向和磁场强度均相同的具体实现结构不同。
位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的磁场方向相反、磁场强度相同，不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501的磁场方向和磁场强度均相同的具体实现结构：各电磁线圈501分别具有位于上方的上接线端和位于下方的下接线端，位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的上接线端分别与磁场电源的不同极(正极或负极)相连，位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的下接线端分别与磁场电源的不同极(正极或负极)相连；不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501的上接线端分别与磁场电源的同一极相连，不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501的下接线端分别与磁场电源的同一极相连。
所述接线端口303包括第一接线端口和第二接线端口，且第一接线端口与电源的正极相连，第二接线端口与电源的负极相连(或者第一接线端口与电源的正极相连，第二接线端口与电源的负极相连，可根据具体的磁场方向需要需要进行选择)；
加入磁场接线盒304后的连接结构为：位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的上接线端分别与第一接线端口和第二接线端口相连，位于同一U形铁芯505上的两个电磁线圈501的下接线端分别与第二接线端口和第一接线端口相连；不同U形铁芯505上关于x轴对称的两个电磁线圈501的上接线端磁场接线盒304的接线方式相同。
本实施例与实施例1的其他实施方式均相同。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：所述电磁场同步耦合模块包括激光头、磁场部和电场部；
所述激光头的上方设有用于与激光器相连的输入管，且所述输入管竖直向上延伸，所述激光头的下方设有竖直向下延伸的输出管；
所述磁场部包括两个沿输出管的径向分别设置在输出管前后两侧的磁场发生模块，所述磁场发生模块包括开口向下的U形铁芯，且U形铁芯的两端分别对应贯穿一组线圈部；所述线圈部包括电磁线圈、由不导磁材料制作的线圈骨架和由不导磁材料制作的外壳，外壳设置在线圈骨架及电磁线圈外；线圈骨架包括中空的中心柱和套设在中心柱两头的挡板，电磁线圈缠绕在中心柱上并位于中心柱上的两挡板之间；所述中心柱的两头贯通，且U形铁芯的一端贯穿所述中心柱；
两个U形铁芯位于同一侧的一端均与一个铁芯头相连，两个U形铁芯位于另一侧的一端均与另一个铁芯头相连，且两个铁芯头关于输出管的轴向对称；
所述铁芯头包括沿着输出管的径向延伸的铁芯头本体，所述铁芯头本体的中心轴线与输出管的中心轴线相垂直；铁芯头本体的外端设有用于与两U形铁芯可拆卸连接的连接块，铁芯头本体的内端设有指向输出管的中心轴线的延长线的尖头部，且分别位于待加工零件的待加工区域两侧的铁芯头位于输出管的下方；
定义以两铁芯头中心轴线的连线与输出管中心轴线的延长线的交点为坐标原点，以经过所述坐标原点且与输出管的中心轴线相重合的直线为z轴，以两铁芯头中心轴线的连线为x轴，以经过坐标原点且同时垂直于z轴和x轴的方向为y轴；且定义沿x轴方向为前后方向，沿y轴方向为左右方向，沿z轴方向为上下方向，向位于中间的输出管靠拢的一端为内端，远离输出管的一端为外端，则：两组磁场发生模块关于x轴轴对称，且两个U形铁芯之间的夹角为θ，且0＜θ＜180°；
各线圈部的电磁线圈的材质和匝数均相同，各电磁线圈的两端分别具有用于与磁场电源相连的连接端，电磁线圈的两端分别与磁场电源相连，且各电磁线圈之间相互并联；位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的磁场方向相反，且磁场强度相同；不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的磁场方向和磁场强度均相同；
所述外壳上设有用于冷却电磁线圈的冷却部；
所述电场部包括两组沿着y轴方向相对设置在输出管的左右两侧的电场发生模块，且两组电场发生模块关于z轴对称；电场发生模块包括碳刷组和可驱动碳刷组沿着y轴方向和z轴方向移动的剪叉升降台；所述剪叉升降台设有用于固定碳刷组的夹具，且碳刷组连接有用于与电场电源连通的连接头；
所述剪叉升降台包括上下间隔设置的顶板和底板，且顶板和底板均垂直于z轴；底板上表面上的前后两侧相对设有第一侧板，第一侧板的内端上设有沿y轴方向延伸的第一滑槽，第一滑杆的两端可滑动地设置在两侧的第一滑槽内，且第一滑杆沿x轴方向延伸；第一转轴的两端分别可转动地设置在两个第一侧板的外端上，且第一转轴沿x轴方向延伸；顶板下表面上的前后两侧相对设有第二侧板，第二侧板的外端设有沿y轴方向延伸的第二滑槽，第二滑杆的两端可滑动地设置在两侧的第二滑槽内；第二转轴的两端分别可转动地设置在两第二侧板的内端上，且第二转轴沿x轴方向延伸；
顶板和底板之间还设有均沿x轴方向延伸的第三转轴和第四转轴，且第三转轴和第四转轴位于同一xoy平面上；第三转轴和第四转轴之间通过调节螺杆相连，调节螺杆的内端沿着y轴方向贯穿第三转轴和第四转轴，且调节螺杆与第三转轴和第四转轴螺纹连接，调节螺杆的外端带有调节头；
所述剪叉升降台还包括剪叉臂，所述剪叉臂包括两个在中间铰接的连杆，且两个连杆的两端分别构成剪叉臂的连接端；第一转轴、第一滑杆、第三转轴和第四转轴的两端分别与位于同一侧的剪叉臂的连接端可转动连接；第二转轴、第二滑杆、第三转轴和第四转轴的两端分别与位于同一侧的另一个剪叉臂的连接端可转动相连；
所述夹具的下表面设有凹槽，凹槽内设有可沿z轴方向伸缩的弹簧，弹簧的上端固定在凹槽内，碳刷组包括若干块碳刷，且碳刷组的上端延伸至凹槽内并与弹簧的下端相连，碳刷的下表面位于输出管的下方；
所述磁场部和电场部均通过支撑结构固定架设在激光头的四周；所述支撑结构包括L形的总支撑架，所述总支撑架包括竖直板和水平板，竖直板的下端与水平板的内端固定相连，竖直板的上端固定在激光头的侧面上；
所述支撑结构还包括用于固定线圈部的线圈支撑架，线圈支撑架包括一一托起线圈部的4个托板，每个托板的中间均设有一个供U形铁芯的一端贯穿的第一通孔，U形铁芯的一端贯穿所述第一通孔并与铁芯头相连，且托板的内侧通过连接板固定在所述水平板上；且所述外壳与托板、连接板固定相连；
所述电场部的顶板通过螺栓和螺母固定在水平板的下表面上。
2.如权利要求1所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：所述外壳呈矩形框状，所述矩形框的顶面和底面均设有供U形铁芯的一端贯穿的第二通孔和第三通孔，所述冷却部包括设置在所述矩形框侧面上的内气流道，所述内气流道沿电磁线圈的中心轴方向自矩形框的顶面向底面延伸；内气流道的进气口设置在矩形框的顶面上，且所述进气口与高压气源相连通；内气流道上面向电磁线圈的一侧间隔设有若干个排成一列的出气口。
3.如权利要求2所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的磁场方向相反、磁场强度相同，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的磁场方向和磁场强度均相同的具体实现结构为：各电磁线圈分别具有位于上方的上接线端和位于下方的下接线端，各电磁线圈的上接线端均与磁场电源的正极相连，各电磁线圈的下接线端均与磁场电源的负极相连；且位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈在中心柱上的绕线方向相反，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈在中心柱上的绕线方向相同。
4.如权利要求2所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的磁场方向相反、磁场强度相同，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的磁场方向和磁场强度均相同的具体实现结构为：各电磁线圈分别具有位于上方的上接线端和位于下方的下接线端，位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的上接线端分别与磁场电源的不同极相连，位于同一U形铁芯上的两个电磁线圈的下接线端分别与磁场电源的不同极相连；不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的上接线端分别与磁场电源的同一极相连，不同U形铁芯上关于x轴对称的两个电磁线圈的下接线端分别与磁场电源的同一极相连。
5.如权利要求3或4所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：还包括磁场接线盒，所述磁场接线盒固定在侧支撑架上，所述侧支撑架为梯形板，所述侧支撑架的左右两侧分别固定在两侧的连接板上，所述侧支撑架的内表面通过侧连接板固定在总支撑架的竖直板上；所述磁场接线盒上设有分别用于与磁场电源的两极相连的两个接线端口，所述电磁线圈分别通过所述接线端口与磁场电源的两极相连。
6.如权利要求5所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：所述碳刷组包括两块均为长方体状的碳刷，且两个碳刷沿着y轴方向对称设置，所述碳刷的下表面为圆角。
7.如权利要求6所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：所述U形铁芯与所述铁芯头榫卯连接，所述连接块上设有榫槽，所述U形铁芯的端头为与所述榫槽相配合的榫头。
8.如权利要求7所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：所述连接头为接线铜板垫，所述接线铜板垫设置在夹具的一端，且所述接线铜板垫的内端与碳刷组连接，外端外露于夹具的外端。
9.如权利要求8所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：所述磁场电源和电场电源均为直流电源。
10.如权利要求9所述的一种柔性自适应复合碳刷式电磁场同步耦合模块，其特征在于：所述尖头部呈四棱锥状，所述四棱锥的大头端与铁芯头本体相连，所述四棱锥的小头端指向输出管；且所述尖头部的下表面与铁芯头本体的下表面相平齐。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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