CN108115282B - 一种激光与电弧复合使用的并且利用机器人来进行自动增材的增材制造系统 - Google Patents

一种激光与电弧复合使用的并且利用机器人来进行自动增材的增材制造系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电弧‑激光复合式机器人增材制造系统，包括由两台六轴机器人与变位机组成的机械及控制系统和由焊接电源、控制器、送丝机、激光器、激光焊枪、电弧焊枪等组成的焊接系统以及计算机、CCD摄像机组成。其中，激光焊枪和电弧焊枪分别装在两台六轴机器人的手臂上，CCD摄像机用夹具垂直固定在激光焊枪上，并且与计算机相连，计算机又与控制器相连，控制器与激光增材制造系统相连。本发明通过利用电弧作为热源熔化焊丝进行增材，但电弧的精度较低，增材过后的表面不平整，再利用激光焊枪对其每层表面的缺陷都进行增材填补；充分利用两种热源的优势进行互补，最终得到成形质量好、精度高且成本相对来说较低的增材制品。

Description

一种激光与电弧复合使用的并且利用机器人来进行自动增材 的增材制造系统
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种激光与电弧复合使用的并且利用机器人来进行自动增材的增材制造系统。
背景技术
在金属增材制造过程中，采用的热源主要有激光、电弧、电子束等。其中激光热源的优点是激光能量密度高，能量束较为集中，因而堆焊效率高且堆焊后成形质量好、表面精度高，但大功率激光器价格昂贵，因而成本较高；电弧热源最大的优点是成本较低，但电弧能量密度低，热流分布可控性较差，热影响区较大，且电弧形态受其运行速度限制较大，因此热源移动速度不能过快，所以堆焊效率不高且堆焊后表面精度不高；电子束的使用由于需要真空的条件，因此它的应用受到很大的限制。可以看出，这些单独热源在进行金属增材制造时都有各自的缺点，不能达到实际生产中优质、高效、低成本的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种电弧-激光复合式机器人增材制造系统
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种电弧-激光复合式机器人增材制造系统，包括：两台六轴机器人与变位机组成的机械控制系统；焊接电源、控制器、送丝机、激光器、激光焊枪、电弧焊枪组成的焊接系统以及计算机、CCD摄像机；其中，激光焊枪、和电弧焊枪分别装在两台六轴机器人的手臂上，CCD摄像机与激光焊枪固定在同一六轴机器人的手臂；CCD摄像机与计算机相连，计算机与控制器相连，控制器与激光增材制造系统相连；两台六轴机器人分别位于基板平行的两侧；
电弧焊枪开始增材后，CCD摄像机随后会对电弧焊枪增材部位进行图像采集，并将图像传输给计算机，通过计算机对图像进行实时处理和分析，发现有缺陷则立即输出控制命令给控制器，控制器根据计算机给出的控制命令选择焊接参数，并驱动激光焊枪移动到指定的位置完成增材。
进一步的，控制器内设有多种包括激光功率、扫描速度、送丝速度以及送丝角度焊接工艺参数的增材模型。
进一步的，缺陷为CCD摄像机采集图像在计算机中出现的阴影区域。
进一步的，电弧焊枪与激光焊枪工作时具有延时，延时时长为5-15s。
进一步的，电弧焊枪与激光焊枪分别安装在两台六轴机器人的手臂末端。
进一步的，电弧-激光复合式机器人增材制造系统CCD摄像机与激光焊枪的间距为50-80cm。
进一步的，激光器为YLS-10000W光纤激光器，选择光纤直径为200μm，聚焦时光斑直径为0.2mm；送丝机为奥地利FRONIUS公司的KD4010送丝机；焊机采用奥地利FRONIUS公司的Magicwave 3000焊机；所述的等离子焊枪采用美国飞马特公司的PMW300等离子焊枪。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的增材制造装备配合了两台六轴机器人与变位机，因而操作简单、可靠性高、适应性强。
(2)本发明提出了电弧与激光复合的方式进行增材制造。使两种热源的优势进行互补，最终得到成形质量好、精度高且成本相对来说较低的增材制品。
(3)本发明提出的电弧与激光复合的方式增材制造，能够使得每一层电弧焊枪增材后的缺陷都能得到修复，这大大提高了整个增材制品的质量。
(4)本发明提供的增材制造装备中使用了两台六轴机器人，电弧焊枪与激光焊枪分别安装在这两台机器人的手臂末端，这使激光焊枪与电弧焊枪可以分开配合协同工作，增材过程更加稳定，也使得增材效率和精度都有提高。
附图说明
图1是本发明所提供的增材制造装备的整体结构布局示意图；
图2是本发明所提供的激光焊枪与电弧焊枪在焊接时的状态示意图；
图中：1为激光焊枪，2为CCD摄像机，3为电弧焊枪，4为六轴度机器人，5为控制器，6为计算机，7为基板。
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、明确，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步声明。
如图1所示，本发明的一种电弧-激光复合式机器人增材制造装备，主要包括：由两台六轴机器人4与变位机组成的机械及控制系统和由焊接电源、控制器5、送丝机、激光器、激光焊枪1、电弧焊枪3等组成的焊接系统以及计算机6、CCD摄像机2组成。其中，激光焊枪1和电弧焊枪3分别装在两台六轴机器人4的手臂上，CCD摄像机2用夹具垂直固定在激光焊枪1上，间距为60cm；CCD摄像机2与计算机6相连，计算机6与控制器5相连，控制器5与激光焊枪6相连。两台六轴机器人4分别位于基板7平行的两边。
具体实施：本发明电弧-激光复合式机器人增材制造方法与装备采用的具体装备主要包括：德国KUKA公司的六轴机器人；德国IGP公司的YLS-10000W光纤激光器，选择光纤直径为200μm，聚焦时光斑直径为0.2mm；奥地利FRONIUS公司的KD4010送丝机；CCD摄像机；计算机；控制器；日本YASKAWA公司的六轴机器人；奥地利FRONIUS公司的Magicwave 3000焊机；美国飞马特公司的PMW300等离子焊枪；二轴倾翻旋转式变位机；等离子电弧控制器；送丝机和焊接耗材等。
结合图1，激光焊枪1装在KUKA六轴机器人的手臂末端，CCD摄像机2垂直固定在激光焊枪1上，YSL-10000W光纤激光器负责给激光焊枪1提供激光，KD4010送丝机负责给激光焊枪1送丝，CCD摄像机2与计算机6相连，计算机6与控制器5相连，控制器5分别与YSL-10000W光纤激光器和KD4010送丝机相连；PMW300等离子焊枪装在YASKAWA六轴机器人的手臂末端，PMW300等离子焊枪分别与FRONIUSMagicwave 3000焊机和等离子电弧控制器相连，送丝机负责给其送丝，基板7位于二轴倾翻旋转式变位机上。
结合图1和图2，采用电弧-激光复合式机器人增材制造系统制造单道直壁体，包括如下步骤：
(1)对于成形零件的增材制造，首先由分层建模软件建立它的三维模型，再根据该零件的形状及尺寸对模型进行分层切片处理，其次根据各分层切片的形状和尺寸特点进行成形路径的规划，最后根据规划好的路径以及等离子弧焊接参数形成相应的程序。其中，等离子弧焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度以及保护气流量等。本实验中所用的分层建模软件系统主要由3DAutomate和Mastercam组成。
(2)在实验正式开始前，先将大量的激光增材制造试验所得的最优的焊接工艺参数输入控制器5中，形成包含大量最优焊接工艺参数的模型化控制器。其中，这些焊接工艺参数包括激光功率、扫描速度、送丝速度以及送丝角度等。
(3)根据步骤(1)中得到的程序，等离子弧增材制造系统开始按照规划好的路径以及焊接参数开始第一层增材。本实验中，焊接电流为140A，焊接速度为3.5mm/s，保护气流量为20L/min。每层的长度大约为98mm，需要焊28s左右。
(4)步骤(3)中等离子焊枪开始增材10s后，KUKA六轴机器人将CCD摄像机2移动到增材部位上方，按照相同的路径对增材部位进行图像采集，并将采集到的图像即时传回计算机6，待计算机6对传回的图像进行处理和分析后发现有阴影区域即缺陷部位，则计算机6输出控制命令给控制器5，控制器5根据计算机6给出的控制命令生成合适的焊接参数传输给激光增材系统。此时KUKA六轴机器人将激光焊枪1移到此处，根据控制器6给出的焊接参数开始增材。此处给出的焊接参数为：激光功率为1400W，扫描速度为0.18m/min，送丝角度为前送丝30°。激光焊枪1在此处增材1.5s左右即可完成对此处缺陷的增材填补，然后KUKA六轴机器人再将CCD摄像机2移动到后续增材部位的上方，重复前面的过程。
(5)步骤(4)中在没有发现缺陷部位时，KUKA六轴机器人将带着CCD摄像机2按照等离子焊枪的路径继续向前移动采集图像，当发现缺陷部位时就进行步骤(4)。
(6)步骤(1)中等离子焊枪完成第一层的增材后，会进入层间等待，时间为120s。然后开始第二层的增材，增材10s后，激光增材系统会重复步骤(4)与步骤(5)。本实验增材的单道直壁体一共30层，每层约为2mm，总高度约为60mm。
本发明提出的电弧-激光复合式机器人增材制造方法与装备，其中激光增材制造系统也可用来单独对工件表面的缺陷进行增材填补，但是在本发明中激光增材制造系统对每一层等离子焊枪增材后的缺陷都进行了增材填补，单道直壁体的质量得到了大大的提高。并且最终实现了将丝材按照一定的成形路径逐层堆积自动增材成形。

Claims (6)

1.一种电弧-激光复合式机器人增材制造系统，其特征在于，包括：两台六轴机器人与变位机组成的机械控制系统；焊接电源、控制器、送丝机、激光器、激光焊枪、电弧焊枪组成的焊接系统以及计算机、CCD摄像机；其中，激光焊枪和电弧焊枪分别装在两台六轴机器人的手臂上，CCD摄像机与激光焊枪固定在同一六轴机器人的手臂；CCD摄像机与计算机相连，计算机与控制器相连，控制器与激光增材制造系统相连；两台六轴机器人分别位于基板平行的两侧；
电弧焊枪开始增材后，CCD摄像机随后会对电弧焊枪增材部位进行图像采集，并将图像传输给计算机，通过计算机对图像进行实时处理和分析，发现有缺陷则立即输出控制命令给控制器，控制器根据计算机给出的控制命令选择焊接参数，并驱动激光焊枪移动到指定的位置完成增材；
所述电弧-激光复合式机器人增材制造系统CCD摄像机与激光焊枪的间距为50-80cm。
2.根据权利要求1所述的电弧-激光复合式机器人增材制造系统，其特征在于，控制器内设有多种包括激光功率、扫描速度、送丝速度以及送丝角度焊接工艺参数的增材模型。
3.根据权利要求1所述的电弧-激光复合式机器人增材制造系统，其特征在于，所述的缺陷为CCD摄像机采集图像在计算机中出现的阴影区域。
4.根据权利要求1所述的电弧-激光复合式机器人增材制造系统，其特征在于，电弧焊枪与激光焊枪工作时具有延时，延时时长为5-15s。
5.根据权利要求1所述的电弧-激光复合式机器人增材制造系统，其特征在于，电弧焊枪与激光焊枪分别安装在两台六轴机器人的手臂末端。
6.根据权利要求1所述的电弧-激光复合式机器人增材制造系统，其特征在于，所述的激光器为YLS-10000W光纤激光器，选择光纤直径为200μm，聚焦时光斑直径为0.2mm；送丝机为奥地利FRONIUS公司的KD4010送丝机；焊机采用奥地利FRONIUS公司的Magicwave 3000焊机。
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