CN108145332A - 机器人电弧增减材成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机器人电弧增减材成形装置及方法，该方法涉及的装置包括变位机、工作平台、基板、送丝机、机器人控制柜、机器人、焊枪及其焊接电源、激光切割装置及其电源等。采用一个机器人同时连接焊接增材设备与激光切割设备，机器人控制柜与焊接电源和切割电源通讯，控制两种电源交替工作。该方法利用CAD技术为待加工产品建立相应的三维模型，获得加工控制信息代码，然后依次利用机器人电弧焊接增材、激光切割减材复合加工的方法，按照设定好的路径，对产品进行加工，得到所需要的合格零件。本方法具有通用性强、效率高、精度高、可加工边角难以捕捉的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于焊接机器人电弧加工领域，涉及一种高精度、高效率的金属电弧增材和减材相结合的焊接工艺方法，机器人电弧增减材成形装置和方法。
背景技术
随着科学技术的进步，焊接技术呈多元化发展趋势，简单的手工电弧焊已经不能满足现代化焊接技术的需求，多学科已经与焊接技术相融合，机器人焊接就是这一特点的集中体现。机器人具有以下优点：(1)机器人可以预先规划焊接路线，减少不必要的焊接损失，避免不必要的安全事故发生；(2)机器人焊缝识别跟踪技术，可以提高焊接精度；(3)可以利用网络远程控制技术，使焊接更加智能化。
电弧增材制造技术，就是运用CAD技术设计数据方案，电弧加热使金属材料熔化，将材料逐层堆积到试样表面，直到制造成预想的实体零件的技术。相比较传统的锻造工艺，这种增材制造技术成形样品力学性能比较好、结构比较均匀、产品的缺陷比较；相比较激光、电子束而言，这种增材制造技术成本低、效率高、周期短、成形尺寸大。这一技术目前已经广泛应用于汽车制造、航天航空、医学工程以及日常生活等领域。
然而，随着堆积层数的增加，可能散热不及时会导致零件边缘会略微收缩，存在层间界线作用，影响了零件的力学性能和结构尺寸精度。这就要求我们在增材制造过程中适量的进行减材制造。
专利申请号为201610098664.5的主题为一种激光增减材复合制造的方法与装置的专利，利用粉末摊铺系统在成型区域铺一层粉末；再利用选区激光快速成形的激光扫描待成形材料，进行结构成形；然后利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除表面粗糙部分；循环上述步骤，直至获得最终的三维实体零件。然而，这种方法仅仅局限于粉末增减材，相对于金属增减材，加工效率很低。
专利申请号为201510930912.3的主题为增减材复合加工系统及方法的专利，在增材数量达到一定程度后，利用铣削、钻削、磨削和抛光加工，达到减材的目的，去除层间界线作用效应。然而，这种方法刀具的选择受材料很大的限制，而且灵活性差、有些微小的边角缺陷难以处理。
发明内容
针对以上现有技术的缺陷，本发明提出了一种全新的机器人电弧增减材方法，结合了机器人、电弧、激光切割等条件，解决了增材制造时边缘层间界线作用，同时解决了材料限制、灵活性差、高成本、低效率等问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种机器人电弧增材和减材制造装置及方法，其装置包括：机器人控制柜、焊接电源、焊枪、机器人、机器人双枪协调控制器、激光切割电源、切割枪；其中，机器人控制柜与机器人、焊接电源、激光切割电源相连接，焊接电源与焊枪相连接，激光切割电源与切割枪相连接，机器人与机器人双枪协调控制器相连接；焊枪与切割枪固定在机器人双枪协调控制器上；
该装置实现机器人电弧增减材一体化的调节和控制系统，具体包括：
双枪调节机构，为固定焊枪和切割枪；
双枪转换机构，为增材时使用的焊枪与减材时使用的切割枪自由切换。
作为优选方式，焊枪和切割枪通过柔性夹具固定在机器人双枪协调控制器上。
作为优选方式，焊枪和切割枪并列放置，夹角为180°。
机器人电弧增材和减材制造方法具体步骤为：
步骤1，利用CAD技术为待加工产品建立相应的三维模型，获得加工控制信息代码：机器人电弧增材加工路线信息代码和机器人电弧减材加工路线信息代码，包括机器人电弧增材工艺参数与减材工艺参数，模型可以是STL、STEP、OBJ、VRML、IGES等格式；
步骤2，接通电源，等待机器人控制柜与机器人、机器人双枪协调控制器通讯信号就绪；
步骤3，打开焊接电源，按照设定好的增材加工路线，驱动机器人按该路径行走，机器人双枪协调控制器接连着焊枪在接触到待加工基板表面时自动引弧，金属焊丝熔化，逐层堆积到工件表面，熔化的金属丝自行冷却凝固，初步成形；
步骤4，打开激光切割电源，按照设定好的增材加工路线，驱动机器人按该路径行走，机器人双枪协调控制器与焊枪断开连接，机器人双枪协调控制器接连着切割枪在接触到待加工基板步骤四起弧的位置开始自动切割，按照原先规划的路线，并在三维测量装置的配合下，对初加工的基板边缘缺陷地方进行切割减材加工；
步骤5，减材至基板增材表面平整后，机器人控制柜发信号给激光切割电源，停止工作，准备下一道增减材；
步骤6，按照3-5这些步骤循环进行，直至完成整个零件的成形。
作为优选方式，所述的电弧增材制造、激光减材制造的操作机器人均为关节臂机器人，如ABB机器人、库卡机器人或者安川机器人。
作为优选方式，基板放置在工作平台上，并用柔性夹具夹紧固定。
作为优选方式，基板位置的移动都是通过变位机来实现的，如L型变位机、U型变位机或者旋转十倾翻变位机中的一种。
作为优选方式，所述的增材制造每打印10层材料为一个循环，因为每打印10层材料，边缘会略微收缩，这时候减材才能到达去除层间界线作用。
作为优选方式，所述的加工参数包括焊接速度、焊接电流电压、保护气体的气流量、送丝速度、焊层高度、铣刀材料、铣刀尺寸、高能束流流量。
本发明与现有技术相比其显著优点是：
1.利用本发明提供的方法进行增材制造，在增材过程中及时减材规避焊接缺陷，所加工的零件合格率大幅上升，且零件的精度进一步得到提高；
2.利用本发明提供的增减材一体化方法，在一定程度上避免了母材在多台机器上来回搬运过程中的磨损，以及位置大范围变动带来的加工误差，提高了零件精度，同时也减少了加工时间，提高了工作效率；
3.利用本发明提供的减材方法，规避了铣刀减材的粗糙与刀具受母材限制等缺陷，解决了增材制造时边缘层间界线问题，而且激光能量更加集中，减材效果更加明显。
附图说明
图1为本发明机器人电弧增材减材复合加工方法装置连接示意图。
图2a为用铣刀减材加工方法具体实例X光衍射图。
图2b为本发明机器人电弧增材减材复合加工方法具体实例X光衍射图。
图3a为用铣刀减材加工方法具体实例金相组织图。
图3b为本发明机器人电弧增材减材复合加工方法具体实例金相组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、方案及优点更加清晰明了，以下结合流程图以及具体实例，对本发明详细说明。下面讲述的具体实例仅仅用来解释本发明，本发明并不限定于该一种应用途径。
实施例
利用上述机器人电弧增材减材方法，本实例采用ER1100铝合金金属丝作为成形材料，规格为3A21的铝合金板材作为母材，以焊接电弧作为热源将铝合金金属丝熔化。
本实施例中预设的成形路线为闭合回路，回路上有两个起弧点。
本实施例为多道多层增减材。
本实施例中增材部分具体焊接参数包括：送丝速度8m/min；焊接电流105A；焊接预设电压25V；增材速度10mm/s；焊丝直径为1.2mm；才用纯氩气保护，气流量为20L/min。
本实施例中激光减材具体参数包括：电流200A；切割速度20m/min。
该方法具体步骤为：
步骤1，利用CAD技术为待加工产品建立相应的三维模型，获得加工控制信息代码：机器人电弧增材加工路线信息代码和机器人电弧减材加工路线信息代码，包括机器人电弧增材工艺参数与减材工艺参数，模型可以是STL、STEP、OBJ、VRML、IGES格式；
步骤2，接通电源，等待机器人控制柜1与机器人6、机器人双枪协调控制器7通讯信号就绪；
步骤3，打开焊接电源2，按照设定好的增材加工路线，驱动机器人6按该路径行走，机器人双枪协调控制器7接连着焊枪3在接触到待加工基板8表面时自动引弧，金属焊丝熔化，逐层堆积到工件表面，熔化的金属丝自行冷却凝固，初步成形；
步骤4，打开激光切割电源4，按照设定好的增材加工路线，驱动机器人6按该路径行走，机器人双枪协调控制器7与焊枪3断开连接，机器人双枪协调控制器7接连着切割枪5在接触到待加工基板8步骤四起弧的位置开始自动切割，按照原先规划的路线，并在三维测量装置的配合下，对初加工的基板8边缘缺陷地方进行切割减材加工；
步骤5，减材至基板8增材表面平整后，机器人控制柜1发信号给激光切割电源4，停止工作，准备下一道增减材；
步骤6，按照3-5这些步骤循环进行，直至完成整个零件的成形。
本实例X光衍射图如图2b，图2a是用铣刀减材后基板的衍射图，可以明显看出，利用激光切割减材的基板气孔少很多。
本实例金相组织图如图3b，图3a是用铣刀减材后基板的金相图，可以明显看出，利用激光切割减材的基板微观缺陷明显降低。
本领域的普通技术人员可以理解，上述发明实例仅为本发明较好的实例之一而已，并不限制本发明的扩展应用；凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、替换和改进等，均在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机器人电弧增减材成形装置，其特征在于，装置包括：机器人控制柜(1)、焊接电源(2)、焊枪(3)、机器人(6)、机器人双枪协调控制器(7)、激光切割电源(4)、切割枪(5)、基板(8)、工作平台(9)、变位机(10)；其中，机器人控制柜(1)与机器人(6)、焊接电源(2)、激光切割电源(4)相连接，焊接电源(2)与焊枪(3)相连接，激光切割电源(4)与切割枪(5)相连接，机器人(6)与机器人双枪协调控制器(7)相连接；焊枪(3)与切割枪(5)固定在机器人双枪协调控制器(7)上；所述的基板(8)放置在工作平台(9)上；
该装置实现机器人电弧增减材一体化的调节和控制，具体包括：
双枪调节机构，为固定焊枪(3)和切割枪(5)；
双枪转换机构，用于增材时使用的焊枪(3)与减材时使用的切割枪(5)自由切换：进行增材制造时，机器人控制柜(1)向机器人(6)和机器人双枪协调控制器(7)发出增材通讯信号，机器人双枪协调控制器(7)与焊枪(3)信号连接，焊接电源(2)开始增材；进行减材制造时，机器人控制柜(1)向机器人(6)和机器人双枪协调控制器(7)发出减材通讯信号，机器人双枪协调控制器(7)与焊枪(3)信号断开，机器人双枪协调控制器(7)与切割枪(5)信号连接，激光切割电源(4)开始减材。
2.如权利要求1所述的机器人电弧增减材成形装置，其特征在于，所述的焊枪(3)和切割枪(5)通过柔性夹具固定在机器人双枪协调控制器(7)上。
3.如权利要求1所述的机器人电弧增减材成形装置，其特征在于，焊枪(3)和切割枪(5)并列放置，夹角为180°。
4.如权利要求1所述的机器人电弧增减材成形装置，其特征在于，所述的电弧增材制造、激光减材制造的操作机器人(6)均为关节臂机器人，如ABB机器人、库卡机器人或者安川机器人。
5.如权利要求1所述的所述的机器人电弧增减材成形装置，其特征在于，基板(8)柔性夹具夹紧固定在工作平台(9)上。
6.如权利要求1所述的所述的机器人电弧增减材成形装置，其特征在于，基板(8)位置的移动都是通过变位机(10)来实现的，变位机(10)采用L型变位机、U型变位机或者旋转十倾翻变位机中的一种。
7.一种机器人电弧增减材成形的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，利用CAD技术为待加工产品建立相应的三维模型，获得加工控制信息代码：
步骤2，接通电源，等待机器人控制柜(1)与机器人(6)、机器人双枪协调控制器(7)通讯信号就绪；
步骤3，打开焊接电源(2)，按照设定好的增材加工路线，驱动机器人(6)按该路径行走，机器人双枪协调控制器(7)接连着焊枪(3)在接触到待加工基板(8)表面时自动引弧，金属焊丝熔化，逐层堆积到工件表面，熔化的金属丝自行冷却凝固，初步成形；
步骤4，打开激光切割电源(4)，按照设定好的增材加工路线，驱动机器人(6)按该路径行走，机器人双枪协调控制器(7)与焊枪(3)断开连接，机器人双枪协调控制器(7)接连着切割枪(5)在接触到待加工基板(8)步骤四起弧的位置开始自动切割，按照原先规划的路线，并在三维测量装置的配合下，对初加工的基板(8)边缘缺陷地方进行切割减材加工；
步骤5，减材至基板(8)增材表面平整后，机器人控制柜(1)发信号给激光切割电源(4)，停止工作，准备下一道增减材；
步骤6，按照3-5这些步骤循环进行，直至完成整个零件的成形。
8.如权利要求7所述的机器人电弧增减材成形方法，其特征在于，机器人电弧增材加工路线信息代码和机器人电弧减材加工路线信息代码，包括机器人电弧增材工艺参数与减材工艺参数，模型为STL、STEP、OBJ、VRML或IGES格式。
9.如权利要求7所述的机器人电弧增减材成形方法，其特征在于，电弧增材工艺参数与减材工艺参数包括焊接速度、焊接电流电压、保护气体的气流量、送丝速度、焊层高度、铣刀材料、铣刀尺寸、高能束流流量。
10.如权利要求7所述的所述的机器人电弧增减材成形方法，其特征在于，步骤6中，增材制造每打印10层材料为一个循环。
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