CN108145280B - 一种调压控制式电弧机器人增材成形系统 - Google Patents

Abstract

一种调压式电弧机器人增材成形系统，采用弧压控制方法，实现电弧控制形成受控电弧增材成形工艺，主要从焊枪的结构进行改进，改进后的焊枪外观大致与等离子弧焊枪相似，本发明的增材成形系统通过设置调压控制式焊枪能够实现在增材成形的过程中通过焊丝与工件之间的距离来实现调压，此外，本发明的系统中焊枪的通孔直径是可以实时通过电压的反馈来实现增与减，从而控制输出电弧的形态，进而调整熔滴的过渡形式及过渡频率，最终实现增材成形件的过程控制。

Description

一种调压控制式电弧机器人增材成形系统

技术领域

本发明涉及通过电压来控制电弧形态，实现不同形式的熔滴过渡，采用调压控制式电弧机器人来实现增材制造。

背景技术

实现调压的方式主要可以通过变压器，晶闸管控制，稳压管等等，但是由于变压器比较笨重而且噪声大，以及晶闸管的过电流能力弱，由于增材制造过程中的电流都比较大，故而不采用，而主要还是靠人为的被动调节。

目前针对电弧增材制造问题主要是由于在增材的过程由于热量的累积以及参数的固定化，导致针对一些大型工件在增材快结束时而发生沉积层的坍塌，导致工件报废。

目前的电弧增材抢都是只作为电极的一端，不能实现将焊枪与工件之间产生的电弧变成受控电弧，从而导致电弧不能根据增材过程中出现的电压的变化，电弧热量变化，工件的厚度的变化等来实现调节。

发明内容

本发明基于串联型电压电路的电压反馈来实现对焊枪通孔直径的控制，实现焊枪和电压、电流的协同控制，通过协同控制，能够实现实时来调节电压值以及电弧的形态，实现对增材过程中的精确控制。

实现本方法的解决方案为：

一种调压控制式电弧机器人增材成形系统，包括工控机、焊机、增材焊枪及内置于增材焊枪的送丝装置，形状记忆器及内置于形状记忆器的温度传感器和数据采集卡，通过数据采集卡采集焊机内的调压电路中预设电压值，记忆控制器内置温度传感器测量实时焊枪喷嘴温度，温度传感器将数据传输至工控机，通过工控机内部设置的专家数据库，选择与预设电压对应的喷嘴尺寸，工控机通过数据采集卡将调节数据以数字化信号传输至增材枪内置送丝装置和形状记忆器，增材焊枪的内置送丝装置通过电机控制导丝轮的转动进而控制焊丝进退，调节焊丝与工件保持距离；形状记忆器给增材枪喷嘴进行升降温，调节增材枪喷嘴通孔直径大小，实现电弧控制形成受控电弧增材成形。

进一步的，焊枪的喷嘴采用Cu-Ni高温全程记忆合金，形状记忆器设置在喷嘴外围。

进一步的，增材枪喷嘴进行升降温，具体为：当喷嘴温度升高时，喷嘴通孔直径增大；反之减小。

进一步的，形状记忆器对焊枪喷嘴提升的温度与焊枪通孔直径成线性关系，而喷嘴尺寸ymm和温度x℃满足方程y＝1.534x-17.832。

进一步的，焊枪端送丝装置通过机器人控制柜通信，机器人控制柜接收工控机信号，调节送丝装置中电机控制导丝轮的转动，即可控制焊丝伸出或回抽，从而调节焊丝长度。

进一步的，专家数据库内包含焊机电压及与其匹配的喷嘴尺寸的数据信息。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

1、本发明通过焊机电压来选择实时对对焊枪的通孔直径的控制，从而实现对电弧的控制，控制增材过程中的电流、电压、保护气流量的协同。2、此外，还可以控制熔滴过渡形式来控制成形表面。

附图说明

图1为实现调压控制式电弧增材流程图；

图2为焊枪的轴侧图；

图3为焊枪在另一方向的轴侧图；

图4为机器人调压控制式下增材成形和普通机器人增材成形形貌图；

其中，1、冷却水管道；2、形状记忆器；3、形状记忆器导线；4、增材枪喷嘴；5、增材枪喷嘴通孔。

具体实施方法

结合图1、2、3，一种调压控制式电弧机器人增材成形系统，包括工控机和新型的增材焊枪及其内置送丝装置，形状记忆器及其内置温度传感器和数据采集卡，通过采集调压电路中设定电压值和记忆控制器内置温度传感器测量实时焊枪喷嘴温度，传感器将数据传输至工控机，通过工控机内部已有的专家数据库，进行焊接电压对应最优喷嘴尺寸比对，调取最优喷嘴尺寸，工控机通过数据采集卡将调节数据以数字化信号传输至增材枪内置送丝装置和形状记忆器，增材枪内置送丝装置控制焊丝进退，调节焊丝与工件保持合理距离；形状记忆器给增材枪喷嘴进行升降温，调节增材枪喷嘴通孔直径大小，实现采用弧压控制方法，实现电弧控制形成受控电弧增材成形工艺。

通过对调压电路中的调整环节的输出电压进行采集，根据电压值来调节形状记忆器对焊枪喷嘴进行热作用，实现对焊枪通孔的直径大小的控制。

本发明实现了枪体结构与弧压配合协同，焊枪端送丝装置实现与机器人通信，可控制焊丝回抽，从而调节焊丝长度，实现调压控制。

控制电压，调整丝材熔化金属喷射过程，控制熔滴的过渡形式。

获得了增材过程中的参数范围。控制弧压、电流，可实现喷射过渡的频率和尺寸。

实施例1

本发明的调压控制式电弧增材成形方法基于MATLAB的数字化焊接技术，一台凌华科技嵌入式Matrix MXC-4002D工控机，工控机已安装基于MATLAB软件的数据处理程序，一把新型的Fronius增材焊枪及其内置送丝装置，一台自制形状记忆器及其内置温度传感器和一套研华USB-4711数据采集卡。

结合图1、2、3，增材制造工作开始时，通过数据采集卡采集到焊机预设电压值185V，形状记忆器内置温度传感器检测增材枪喷嘴实时温度21℃，两组数据传输至工控机后，由工控机内已安装的基于MATLAB软件的数据处理程序将两组数据分别进行与以设定参数进行比对，电压值185V是最优焊枪喷嘴尺寸为12mm，而喷嘴尺寸y(mm)和温度x(℃)满足方程y＝1.534x-17.832，此时焊枪喷嘴温度应该为19.45℃，形状记忆器对喷嘴降温处理，并实时循环反馈当前温度值，直至喷嘴温度至19.45℃，并持续保持。电压185V是直径1.2mm焊丝距离工件最优距离12mm，将合适焊丝长度信号和增材枪喷嘴通孔直径信号以数字化信号的方式分别传输给增材枪内置的送丝装置，送丝装置内电机控制导丝轮持续送丝，直至焊丝出击工件表面，机器人接收碰撞信号，电机再控制导丝轮回抽焊丝，导丝轮直径3.8mm，电机控制导丝轮反响转动1周，调节焊丝至最优长度，此时焊丝尖端距离工件距离刚好12mm，两者结合实现对电弧的压缩，改善电弧过渡形态和频率，实现调压控制式电弧机器人增材成形。

结合图4，上面焊道为普通机器人增材成形焊道，下面焊道为调压控制式机器人增材成形焊道。分别为完全相同工艺参数下的普通机器人CMT增材成形焊道和调压控制式机器人CMT增材成形焊道外观形貌，工艺参数为：电压185V，

电流16.3A，焊接速度36cm/min，送丝速度5.6m/min，三元混合保护气为氧2.6％、氮5％、氩92.4％，最终焊道成形形貌可以直观看出调压控制式机器人增材焊道成形较普通机器人增材焊道成形更加美观精细，利于增材制造过程中结构成形精度控制。

本发明采用调节电压来实现对焊枪的通孔直径的控制，从而实现对电弧的控制，控制增材过程中的电流、电压、焊丝与工件表面距离的协同。此外还可以控制熔滴过渡形式来控制成形表面，有效控制增材制造成形精度。

Claims (6)

1.一种调压控制式电弧机器人增材成形系统，其特征在于：包括工控机、焊机、增材焊枪及内置于增材焊枪的送丝装置，形状记忆器及内置于形状记忆器的温度传感器和数据采集卡，通过数据采集卡采集焊机内的调压电路中预设电压值，形状记忆器内置温度传感器测量实时焊枪喷嘴温度，温度传感器将数据传输至工控机，通过工控机内部设置的专家数据库，选择与预设电压对应的喷嘴尺寸，工控机通过数据采集卡将调节数据以数字化信号传输至增材枪内置送丝装置和形状记忆器，增材焊枪的内置送丝装置通过电机控制导丝轮的转动进而控制焊丝进退，调节焊丝与工件保持距离；形状记忆器给增材枪喷嘴进行升降温，调节增材枪喷嘴通孔直径大小，实现电弧控制形成受控电弧增材成形。

2.根据权利要求1所述的调压控制式电弧机器人增材成形系统，其特征在于，焊枪的喷嘴采用Cu-Ni高温全程记忆合金，形状记忆器设置在喷嘴外围。

3.根据权利要求1所述的调压控制式电弧机器人增材成形系统，其特征在于，增材枪喷嘴进行升降温，具体为：当喷嘴温度升高时，喷嘴通孔直径增大；反之减小。

4.根据权利要求1所述的调压控制式电弧机器人增材成形系统，其特征在于，形状记忆器对焊枪喷嘴提升的温度与焊枪通孔直径成线性关系，而喷嘴尺寸ymm和温度x℃满足方程y＝1.534x-17.832。

5.根据权利要求1所述的调压控制式电弧机器人增材成形系统，其特征在于，焊枪端送丝装置通过机器人控制柜通信，机器人控制柜接收工控机信号，调节送丝装置中电机控制导丝轮的转动，即可控制焊丝伸出或回抽，从而调节焊丝长度。

6.根据权利要求1所述的调压控制式电弧机器人增材成形系统，其特征在于，专家数据库内包含焊机电压及与其匹配的喷嘴尺寸的数据信息。

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