CN108247177A - 金属丝材电弧增材制造的挤出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属丝材电弧增材制造的挤出装置。包括通过联轴器(22)安装在步进电机Ⅰ(24)输出轴上的丝杠组成的补偿系统、通过送丝轮(7)安装在步进电机Ⅱ(3)输出轴上的送丝系统、通过齿轮(17)安装在步进电机Ⅲ(20)输出轴上的变位系统以及通过CCD传感器(11)对增材制造过程进行传输的反馈控制系统以及工作台(14)。本发明通过CCD传感器，控制电机正反转调整挤出头的高度位置，以补偿增材高度上产生的误差；另外，送丝系统可以实现回抽(金属丝材反向退回)功能，提高增材工件的表面质量。变位系统通过齿轮齿条的啮合实现摆动，使挤出头时刻垂直于弧形面，利于弧形工件的增材制造。

Description

金属丝材电弧增材制造的挤出装置
技术领域
本发明涉及一种金属丝材电弧增材制造的挤出装置。
背景技术
增材制造技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。所谓的增材制造技术，就是在计算机中将3D CAD模型分成若干层，通过增材制造设备在一个平面上按照3D CAD层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来。通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体。随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。
在现阶段，对于金属的增材制造还有很多难点问题存在。中国专利(CN201510446253.6)公开一种InFocus-TOPTIG双电弧复合焊接方法，该方法可以将MIG焊的送丝方式结合在TIG焊中，但是仍然受增材形状的约束，对于断点和高度补偿问题仍没有解决；同时，在金属增材的过程中由于金属温度过高容易出现流淌、混层和失高等现象。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种金属丝材电弧增材制造的挤出装置，该发明在实现送丝和回抽的基础上，可以实现±90°倾斜增材方式，并且通过CCD数据采集器的图像分析，对送丝系统的高度进行补偿，解决流淌、混层和失高问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种金属丝材电弧增材制造的挤出装置，其包括通过联轴器安装在步进电机Ⅰ输出轴上的丝杠组成的补偿系统、通过送丝轮安装在步进电机Ⅱ输出轴上的送丝系统、通过齿轮安装在步进电机Ⅲ输出轴上的变位系统以及通过CCD传感器对增材制造过程进行传输的反馈控制系统以及工作台。在上述本发明的电弧增材制造的挤出装置中，所述步进电机Ⅰ通过螺栓螺母连接在支撑柱上，步进电机Ⅰ输出轴上端与调节手轮用螺钉锁紧，其输出轴下端通过联轴器与丝杠连接，为了使滑块能沿丝杠方向移动，在丝杠两侧配有导轨。
所述送丝系统通过电机座上的预留孔用螺栓螺钉安装在活动滑块上，另一侧同样通过螺栓和螺钉与送丝系统中的安装板Ⅱ相连，步进电机Ⅱ通过预紧螺钉与送丝轮相连，压紧轮焊接在压紧块上，压紧块通过螺栓连接在安装板上，安装板Ⅱ上方拧有一加长紧固螺钉，螺钉上套有压紧弹簧，弹簧尾端加一垫片并焊接在压紧块上。
所述变位系统的齿轮通过螺钉锁紧在步进电机Ⅲ上，齿轮与齿条相互啮合，齿条通过T型螺母和螺栓固定在支撑座上。变位系统的另一侧通过螺钉固定在弧形导轨的滑块上，弧形导轨同样通过T型螺母和螺栓固定在支撑座上。
所述工作台为三轴并联式工作台，工作台连接三对支杆，三对支杆分别铰接在三个Z向滚珠丝杠滑台的滑块上，通过控制三个滚珠丝杠滑台的步进电机，进而使工作台完成三个自由度的运动。
所述反馈控制系统的CCD传感器与挤出头水平，CCD传感器镜头前装有窄带滤光片和减光镜，并将所得图像反馈至上位机。
本发明的有益效果是：通过CCD传感器，控制电机正反转调整挤出头的高度位置，进而控制挤出头下端到工件上表面的距离，以补偿增材高度上产生的误差；另外，该送丝系统可以实现回抽(金属丝材反向退回)功能，提高增材工件的表面质量。变位系统通过齿轮齿条的啮合实现摆动，使挤出头时刻垂直于弧形面，利于弧形工件的增材制造。
附图说明
图1是金属丝材电弧增材制造的挤出装置等轴测视图；
图2是送丝系统的结构示意图，示出其从-90°到+90°间的摆动；
图3是送丝系统的结构示意图(弹簧和安装板未示出)；
图4是变位系统的结构示意图(支撑座Ⅰ未示出)；
图5是位移补偿系统的结构示意图；
图6是带断点的增材工件示意图；
图7是弧形增材工件示意图。
上述附图中，1-调节手轮，2-丝杠，3-步进电机Ⅱ，4-电机座Ⅰ，5-送丝口，6-安装板Ⅱ，7-送丝轮，8-压紧轮，9-压紧块，10-挤出头，11-CCD传感器，12-CCD卡具，13-机架，14-工作台，15-增材工件，16-齿条，17-齿轮，18-支撑座Ⅰ，19-电机座Ⅱ，20-步进电机Ⅲ，21-支撑柱，22-联轴器，23-安装板Ⅰ，24-步进电机Ⅰ，25-支撑座Ⅱ，26-弧形导轨，27-导轨滑块，28-丝杠滑块，29-丝杠导轨。
具体实施方式
实施例
图1～图5是本发明公开的一种金属丝材电弧增材制造的挤出装置。位移补偿系统中，步进电机Ⅰ24通过安装板Ⅰ23上的螺纹孔固定在支撑柱21上，步进电机Ⅰ24的一端输出轴通过联轴器22带动丝杠2转动，为了使滑块28能沿丝杠2方向移动，在所述丝杠2两侧装有与滑块28相配合的两个导轨29，步进电机Ⅰ24另一端输出轴上安装一个调节手轮1并通过螺钉锁紧。
送丝系统中，步进电机Ⅱ3固定连接在基于丝杠2活动的滑块28上，送丝轮7通过预紧螺钉安装在步进电机Ⅱ3的输出轴上，步进电机Ⅱ3带动送丝轮7转动，安装板Ⅱ6通过螺钉安装在电机座Ⅰ4上，送丝口5通过外螺纹旋入安装板Ⅱ6上，压紧块9通过螺栓连接在安装板Ⅱ6上，压紧轮8焊接在压紧块9上，安装板Ⅱ6上方拧有一加长紧固螺钉，螺钉上套有压紧弹簧，弹簧尾端加一垫片并焊接在压紧块9上，挤出头10通过安装螺栓固定在电机座Ⅰ4上。
变位系统中，步进电机Ⅲ20安装在电机座Ⅱ19上，齿轮17通过预紧螺钉连接安装在步进电机Ⅲ20的一侧输出轴上，电机座Ⅱ19与支撑柱21通过角钢连接，齿轮17与弧形齿条16相互啮合，弧形齿条16通过T型螺母与螺栓固定在支撑座Ⅰ18上，支撑座Ⅰ18与机架13通过角钢连接，变位系统另一侧通过螺栓固定在弧形导轨26的滑块27上，弧形导轨26通过T型螺母和螺栓固定在支撑座Ⅱ25上，支撑座Ⅱ25同样与机架13通过角钢连接。
反馈控制系统中，CCD传感器通过安装卡具12安装在机架13上，且与送丝系统中的挤出头10所在平面共面。首先CCD传感器11采集到增材层表面到挤出头10喷嘴之间的距离信号与工件表面形状信号后反馈至上位机，然后通过控制器控制步进电机Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的运动，从而实现反馈控制。
本发明中：所述步进电机Ⅱ3与滑块的固定连接为螺栓连接，所述控制系统为PID控制系统。
下面通过具体实例说明该挤出装置的工作原理。
首先，利用CAD软件建立工件15a的三维模型，根据其形状结构及尺寸大小，对该模型进行分层切片处理，然后根据各分层切片的尺寸进行路径规划，生成所需的数控代码，利用生成的数控代码控制工作台14的运动，其中工作台14为三轴并联式工作台，工作台连接三对支杆，三对支杆分别铰接在三个Z向滚珠丝杠滑台的滑块上，控制系统通过控制三个滚珠丝杠滑台的步进电机，进而使工作台14完成三个自由度的运动。实验开始时，通过控制系统控制步进电机Ⅱ3，进而控制挤出头10送丝，起弧后丝材融滴在基板上，工作台14来回往复实现堆积成形。当工件15a在工作台14上沿Z方向下降或者挤出头10遇到断点(如图6所示，断点A、B、C)时，控制系统通过控制步进电机Ⅱ3进而控制送丝系统回抽金属丝；增材过程中通过CCD传感器11进行图像采集，将信号反馈给控制系统，控制系统通过控制步进电机Ⅰ24进而调节送丝装置的位置高度。当增材工件的形状为弧形时，如图7所示，控制系统控制步进电机Ⅲ20，让齿轮17在齿条16上运动，使挤出系统在±90°之间摆动，从而保证挤出头10与弧形面时刻垂直，有助于增材工件成型。

Claims (3)

1.一种金属丝材电弧增材制造的挤出装置，包括位移补偿系统、送丝系统、变位系统、反馈控制系统和工作台(14)，其特征在于：
位移补偿系统的步进电机Ⅰ(24)通过安装板Ⅰ(23)上的螺纹孔固定在支撑柱(21)上；步进电机Ⅰ(24)的输出轴通过联轴器(22)带动丝杠(2)转动，为了使滑块(28)能沿丝杠(2)方向移动，在所述丝杠(2)两侧装有与滑块(28)相配合的导轨(29)，步进电机Ⅰ(24)另一端输出轴上安装调节手轮(1)并通过螺钉锁紧；
送丝系统的步进电机Ⅱ(3)固定连接在所述丝杠(2)运动的滑块(28)上，送丝轮(7)与步进电机Ⅱ(3)通过预紧螺钉连接实现转动，安装板Ⅱ(6)通过螺钉安装在电机座Ⅰ(4)上，送丝口(5)和压紧块(9)通过螺纹装在安装板Ⅱ(6)上，压紧轮(8)与压紧块(9)固定连接，挤出头(10)通过安装螺栓固定在电机座Ⅰ(4)上；
变位系统的步进电机Ⅲ(20)安装在电机座Ⅱ(19)上，且步进电机Ⅲ(20)的输出轴与齿轮(17)通过预紧螺钉连接，电机座Ⅱ(19)与支撑柱(21)通过角钢连接，齿轮(17)与弧形齿条(16)相互啮合，弧形齿条(16)通过T型螺母与螺栓固定在支撑座Ⅰ(18)上，变位系统另一侧通过螺栓固定在弧形导轨(26)的滑块(27)上，弧形导轨(26)通过T型螺母和螺栓固定在支撑座Ⅱ(25)上，支撑座Ⅰ(18)、支撑座Ⅱ(25)均与机架(13)通过角钢连接；
所述工作台(14)为三轴并联式工作台，工作台连接三对支杆，三对支杆分别铰接在三个Z向滚珠丝杠滑台的滑块上，通过控制三个滚珠丝杠滑台的步进电机，进而使工作台(14)完成三个自由度的运动；
反馈控制系统的CCD(11)传感器通过安装卡具(12)安装在工作台(13)上，且与送丝系统中的挤出头(10)所在平面共面，CCD传感器(11)通过传输线与控制系统相连。
2.根据权利要求1所述的金属丝材电弧增材制造的挤出装置，其特征在于：所述步进电机Ⅱ(3)与滑块的固定连接为螺栓连接，压紧轮(8)与压紧块(9)固定连接为焊接。
3.根据权利要求1所述的金属丝材电弧增材制造的挤出装置，其特征在于：所述控制系统为PID控制系统。
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