CN108817391B - 一种双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备。其提高了增材打印过程的工作效率以及打印精度。该设备的主要结构包括机架、定位工装、双激光头熔覆机构、X向移动机构、Y向移动机构以及Z向移动机构；机架包括底座、立板以及横梁；立板为两个，竖直固定在底座上且两个立板平行设置；横梁位于两个立板的顶部；定位工装安装在底座上且位于两个立板之间；Y向移动机构与横梁连接，带动横梁沿Y方向上移动，X向移动机构与Z向移动机构连接，带动Z向移动机构沿X方向上移动，Z向移动机构与双激光头熔覆机构连接，带动带双激光头熔覆机构在Z方向上移动。

Description

一种双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备。

背景技术

增材制造设备为运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，打印出的物体为3D造型，且形状不一。

现有的增材制造设备存在以下：

(1)都是采用单个熔覆头，考虑到最后打印产品的精度，一般熔覆头的宽度就比较细，这样打印产品的工作时间就比较长且工作效率低下；

(2)无法实现将打印和测量有机结合在一起，即无法实现在线式测量，这样浪费了工作时间，降低了生产效率；

(3)增材制造设备的上下料基本上无法实现完全自动化，要么需要操作人员辅助，要么完全需要人工进行上下料操作，这样，既提高了操作人员的劳动强度，有降低了工作效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其提高了增材打印过程的工作效率以及打印精度。

本发明具体的技术方案是：

一种双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：包括机架、工装、双激光头熔覆机构、X向移动机构、Y向移动机构以及Z向移动机构；

机架包括底座、立板以及横梁；

立板为两个，竖直固定在底座上且两个立板平行设置；

横梁位于两个立板的顶部；

工装安装在底座上且位于两个立板之间；

Y向移动机构与横梁连接，带动横梁沿Y方向上移动，X向移动机构与Z向移动机构连接，带动Z向移动机构沿X方向上移动，Z向移动机构与双激光头熔覆机构连接，带动带双激光头熔覆机构在Z方向上移动；

双激光头熔覆机构包括滑板、测量头组件以及两个相对测量头组件对称设置的激光熔覆组件；

测量头组件包括Z向无杆气缸以及测量头；Z向无杆气缸安装在滑板上，中间气缸的活动端安装测量头；

激光熔覆组件包括第一气缸、斜导轨以及激光熔覆头；所述第一气缸固定在滑板上，第一气缸的活塞杆端部安装激光熔覆头；斜导轨固定安装在滑板上且与相对于所述Z方向倾斜布置，激光熔覆头卡装在所述斜导轨上。

进一步地，为了实现工装上工件的自动取放，上述设备上还设置有自动上下料机构；自动上下料机构包括后横梁，前横梁，连接梁、第二气缸、后十字滑块导轨副、前十字滑块导轨副、第一Y向短直线导轨副、第二Y向直线导轨副、X向无杆气缸、连接板、第三气缸、第四气缸、平行气爪以及夹具体；

第一Y向短直线导轨副为两个且分别沿Y向安装在两个立板的中部；后横梁两端分别卡装在两个第一Y向短直线导轨副上且位于所述横梁下方，前横梁固定安装在两个立板上端面；

后横梁上表面与连接梁后端下表面通过后十字滑块导轨副连接，前横梁上表面沿X向安装X向无杆气缸；连接梁前端上表面与前横梁下表面之间通过前十字滑块导轨副连接，连接板的一端与前十字滑块导轨副中的十字滑块固连，另一端与X向无杆气缸活动端连接；连接梁的下表面前端安装第二Y向短直线导轨副，第二Y向短直线导轨副的滑块上安装平行气爪；

第二气缸固定在横梁上，其活塞杆与后横梁固定连接；

第三气缸固定在连接梁上，其活塞杆与连接板固定连接；

第四气缸固定在连接梁上，其活塞杆与所述平行气爪固定连接；

平行气爪的两个活动端平行设置有两个夹具体。

进一步地，为了使该设备满足五轴加工的需求，上述设备上还设置有背板和摇篮转台；背板固定安装在所述两个立板之间，背板上安装摇篮转台，所述摇篮转台上安装定位工装，用于提供定位工装沿Z向和Y向旋转。

进一步地，Y向移动机构包括Y向直线导轨副、Y向滚珠丝杠副以及Y向驱动电机；所述Y向直线导轨副为两个且分别安装在两个立板的上端面，横梁的两端分别卡装在两个Y向直线导轨副上，横梁的底部设有固定筋板，所述Y向滚珠丝杠副的丝杠一端与Y向驱动电机，另一端穿过所述固定筋板后悬空，所述Y向滚珠丝杠副的旋转螺母与所述横梁底部固定连接。

进一步地，为了提高横梁Y向移动时的可靠性，上述Y向滚珠丝杠副中丝杠穿过所述固定筋板的一端端面上安装限位板。

进一步地，Z向移动机构包括Z向伺服电机、Z向减速器，齿轮、齿条、Z向直线导轨副以及Z向溜板；所述齿条沿Z向固定安装在滑板一侧，Z向减速器的输入轴与Z向伺服电机的输出轴连接，Z向减速器固定在Z向溜板上，Z向减速器的输出轴穿过所述Z向溜板，且穿过所述Z向溜板的输出轴上安装齿轮，齿轮与所述齿条相啮合，所述Z向直线导轨副安装在所述滑板上，Z向溜板固定安装在Z向直线导轨副上。

进一步地，X向移动机构包括X向直线导轨副、X向滚珠丝杠副以及X向驱动电机；X向直线导轨副沿X向安装在横梁上，所述Z向溜板卡装在所述X向直线导轨副上，所述X向滚珠丝杠副的丝杠与X向驱动电机的输出轴连接，丝杠上安装的旋转螺母与Z向溜板固定连接。

进一步地，为了在确保打印效率的同时打印精度也能有所保证，两个激光熔覆组件中一个为宽幅激光熔覆头，另一个为窄幅激光熔覆头。

优选地，两个激光熔覆组件中的两个斜导轨之间呈60°夹角。

进一步地，上述定位工装优选为定位工装为零点定位装置。

进一步地，上述Y向滚珠丝杠副中丝杠穿过所述固定筋板的一端端面上安装限位板。

该设备的基本工作原理是：双激光头熔覆机构在X向移动机构、Y向移动机构以及Z向移动机构的带动下可沿X、Y、Z三个方向移动，到达增材工位，由两个激光熔覆头实现工件的增材加工，再由测量头完成对工件的测量，零件加工完后，再由自动上下料结构将工件从定位工装上取走。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明将两个激光熔覆头以及测量头集成在一个设备上，通过X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构的相互配合既实现了提高打印工作效率、打印精度同时还能实现对工件的在线测量，减少了测量的辅助时间。

(2)本发明通过设置自动上下料结构，实现了工件自动取放，大大降低了操作人员的工作强度，并且避免了安全事故的发生。

(3)本发明通过设置摇篮转台，实现了工件的沿Z向和Y向旋转，使该设备能够满足五轴加工的需求，更加的智能化。

(4)本发明的定位工装采用零点定位装置，不仅通过实现高精度的定位，同时具备顶升能力，进一步地提高了可靠性和便捷性。

(5)本发明采用宽窄两种激光熔覆头，根据所需打印的宽度选择不同的激光熔覆头，初始打印时选择宽熔覆头可以大大提高的工作效率，最后采用细熔覆头完成能够进一步保证其打印精度。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的立体结构图；

图2为本发明的一种实施例的主视图；

图3为本发明的一种实施例的俯视图；

图4为图3的A-A结构剖视图；

图5为图3的B-B结构剖视图；

图6为实施例中自动上下料机构的结构主视图；

图7为实施例中自动上下料机构的结构侧视图；

图8为实施例中自动上下料机构的结构俯视图；

图9为本发明中自动上下料机构初始状态的结构示意图；

图10为本发明中自动上下料机构取料状态的结构示意图；

图11为本发明中自动上下料机构出料状态的结构示意图。

附图标记如下：

1-机架、11-底座、12-立板、13-背板、14-横梁、141-固定筋板；

2-定位工装；

3-双激光头熔覆机构、31-滑板、32-测量头组件、321-Z向无杆气缸、322-测量头、33-激光熔覆组件、331-第一气缸、332-斜导轨、333-激光熔覆头；

4-X向移动机构、41-X向直线导轨副、42-X向滚珠丝杠副、43-X向驱动电机；

5-Y向移动机构、51-Y向直线导轨副、52-Y向滚珠丝杠副、53-Y向驱动电机、54-限位板；

6-Z向移动机构、61-Z向伺服电机、62-Z向减速器、63-齿轮、64-齿条、65-Z向直线导轨副、66-Z向溜板；

7-自动上下料机构、71-后横梁、72-前横梁、73-连接梁、74-第二气缸、75-后十字滑块导轨副、76-前十字滑块导轨副、77-第一Y向短直线导轨副、78-第二Y向直线导轨副、79-X向无杆气缸、710-连接板、711-第三气缸、712-第四气缸、713-平行气爪、714-夹具体；

8-摇篮转台；

9-工件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行具体的描述：

图1～图11示出了本发明的一种具体实施例：

如图1所示，其主要结构包括机架1、定位工装2、双激光头熔覆机构3、X向移动机构4、Y向移动机构5、Z向移动机构6、自动上下料机构7以及摇篮转台8；

机架1包括底座11、立板12、背板13以及横梁14；立板12为两个，竖直固定在底座11上且两个立板12平行设置；背板13为一个，竖直固定在底座11上且位于两个立板12之间；横梁14位于两个立板12的顶部；

摇篮转台8安装在背板13上，定位工装2安装摇篮转台8上，摇篮转台8能够带动定位工装2在Z向旋转和Y向旋转，

Y向移动机构5与横梁14连接，带动横梁14沿Y方向上移动，X向移动机构4与Z向移动机构6连接，带动Z向移动机构6沿X方向上移动，Z向移动机构6与双激光头熔覆机构3连接，带动带双激光头熔覆机构3在Z方向上移动；从而使设备能满足五轴增材打印的需求。

该机构中也可不安装摇篮转台，直接将定位工装2安装在底座11上，这时，该设备就只能满足三轴加工增材打印的需求。

具体而言：如图2所示，双激光头熔覆机构3包括滑板31、测量头组件32以及两个相对测量头组件32对称设置的激光熔覆组件33；测量头组件32包括Z向无杆气缸321以及测量头322；Z向无杆气缸321固定安装在滑板31上，Z向无杆气缸321的活动端安装测量头322；

激光熔覆组件33包括第一气缸331、斜导轨332以及激光熔覆头333；第一气缸331的一端铰接在滑板31上，第一气缸331的活塞杆端部铰接激光熔覆头333；斜导轨332固定安装在滑板31上且相对于Z方向倾斜布置，激光熔覆头333卡装在所述斜导轨332上，进一步地，为了在确保打印效率的同时打印精度也能有所保证，两个激光熔覆组件中一个为宽幅激光熔覆头，另一个为窄幅激光熔覆头。优选地，两个激光熔覆组件中的两个斜导轨之间呈60°夹角。

工作时：在X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构的带动下，双激光头熔覆机构到达加工位置，首先是安装宽幅激光熔覆头的激光熔覆组件开始工作，宽幅激光熔覆头在斜导轨的导向作用下来到打印工位，进行高效快速的打印，之后再由窄幅激光熔覆头在斜导轨的导向作用下来到打印工位进行高精度的打印，最后，测量头组件的测量头在Z向无杆气缸的作用下对打印出来的工件进行测量。

具体而言：如图6-8自动上下料机构7包括后横梁71，前横梁72，连接梁73、第二气缸74、后十字滑块导轨副75、前十字滑块导轨副76、第一Y向短直线导轨副77、第二Y向直线导轨副78、X向无杆气缸79、连接板710、第三气缸711、第四气缸712、平行气爪713以及夹具体714；

第一Y向短直线导轨副77为两个且分别沿Y向安装在两个立板12的中部；后横梁71两端分别卡装在两个第一Y向短直线导轨副77上且位于所述横梁14下方，前横梁72固定安装在两个立板12上端面；

后横梁71上表面与连接梁73后端下表面通过后十字滑块导轨副75连接，前横梁72上表面沿X向安装X向无杆气缸79；连接梁73前端上表面与前横梁72下表面之间通过前十字滑块导轨副76连接，连接板710的一端与前十字滑块导轨副中76的十字滑块固连，另一端与X向无杆气缸79活动端连接；连接梁73的下表面前端安装第二Y向短直线导轨副78，第二Y向短直线导轨副78的滑块上安装平行气爪713；第二气缸74固定在横梁14上，其活塞杆与后横梁71固定连接；第三气缸711固定在连接梁73上，其活塞杆与连接板710固定连接；第四气缸712固定在连接梁73上，其活塞杆与所述平行气爪713固定连接，平行气爪713的两个活动端平行设置有两个夹具体714。

工作时：首先，在第二气缸74带动后横梁71沿着第一Y向短直线导轨副77滑动(此时连接梁73不动)，然后在X向无杆气缸79的带动下连接梁73沿着后十字滑块导轨副75、前十字滑块导轨副76的X方向移动，第四气缸712带动平行气缸713和夹具体714沿着第二Y向短直线导轨副78的Y向移动到达工件位置，平行气爪713通气，夹具体714将工件夹住，再由第三气缸711的带动下连接梁73沿着后十字滑块导轨副75的Y向滑动从而将工件从定位工装上移出。

除了本实施例中给出的自动上下料机构的形式以外，其他能够自动对工件进行拾取的装置均可，例如，采用安装工件夹具体的机器人也可以达到该目的，但是由于机器人占地面积较大，并且成本较高，因此本实施例给出的方式实际上是一种优选方式。

具体而言：如图2-5所示，Y向移动机构5包括Y向直线导轨副51、Y向滚珠丝杠副52以及Y向驱动电机53；Y向直线导轨副51为两个且分别安装在两个立板12的上端面，横梁14的两端分别卡装在两个Y向直线导轨副51上，横梁14的底部设有固定筋板141，Y向滚珠丝杠副51的丝杠一端与Y向驱动电机53，另一端穿过所述固定筋板141后悬空，Y向滚珠丝杠副52的旋转螺母521与所述横梁14底部固定连接，为了提高横梁Y向移动时的可靠性，Y向滚珠丝杠副51中丝杠穿过所述固定筋板141的一端端面上安装限位板54。

Z向移动机构6包括Z向伺服电机61、Z向减速器62，齿轮63、齿条64、Z向直线导轨副65以及Z向溜板66；齿条64沿Z向固定安装在滑板31一侧，Z向减速器62的输入轴与Z向伺服电机61的输出轴连接，Z向减速器62固定在Z向溜板66上，Z向减速器62的输出轴穿过所述Z向溜板66，且穿过所述Z向溜板66的输出轴上安装齿轮63，齿轮63与所述齿条64相啮合，Z向直线导轨副65安装在所述滑板31上，Z向溜板66固定安装在Z向直线导轨副65上。

X向移动机构4包括X向直线导轨副41、X向滚珠丝杠副42以及X向驱动电机43；X向直线导轨副41沿X向安装在横梁14上，Z向溜板66卡装在所述X向直线导轨副41上，X向滚珠丝杠副41的丝杠与X向驱动电机43的输出轴连接，丝杠上安装的旋转螺母与Z向溜板66固定连接。

工作时：Y向驱动电机53开始旋转，由Y向滚珠丝杠副52将旋转运动转换为直线运动，从而带动横梁14、Z向移动机构6以及X向移动机构4沿着Y向直线导轨副51滑动；

之后X向驱动电机43开始旋转，由X向滚珠丝杠副42将旋转运动转换为直线运动，从而带动横梁14、Z向移动机构6沿着X向直线导轨副41滑动；

最后Z向伺服电机61开始旋转，通过Z向减速器62将旋转运动传递给齿轮，齿轮63与带动安装齿条64的双激光头熔覆机构3沿着Z向直线导轨副65移动至加工位置。

本实施例中给出的X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构的结构形式并不是唯一的结构形式，任何能够使双激光头熔覆机构到达加工位置的结构形式均可。

在上述对实施例中给个部件的结构和工作原理描述时并未按照实际的各个部件的工作顺序进行描述，实际上该设备的各个部件在工作时的顺序是，参见图9-11：

Y向移动→X向移动→Z向移动→激光头组件增材打印→测量头测量→自动拾取工件

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：包括机架、定位工装、双激光头熔覆机构、X向移动机构、Y向移动机构以及Z向移动机构；

机架包括底座、立板以及横梁；

立板为两个，竖直固定在底座上且两个立板平行设置；

横梁位于两个立板的顶部；

定位工装安装在底座上且位于两个立板之间；

Y向移动机构与横梁连接，带动横梁沿Y方向上移动，X向移动机构与Z向移动机构连接，带动Z向移动机构沿X方向上移动，Z向移动机构与双激光头熔覆机构连接，带动双激光头熔覆机构在Z方向上移动；

双激光头熔覆机构包括滑板、测量头组件以及相对测量头组件对称设置的两个激光熔覆组件；

测量头组件包括Z向无杆气缸以及测量头；Z向无杆气缸安装在滑板上，Z向无杆气缸的活动端安装测量头；

激光熔覆组件包括第一气缸、斜导轨以及激光熔覆头；所述第一气缸与滑板铰接，第一气缸的活塞杆端部铰接激光熔覆头；斜导轨固定安装在滑板上且与相对于所述Z方向倾斜布置，激光熔覆头卡装在所述斜导轨上；

还包括自动上下料机构；

自动上下料机构包括后横梁，前横梁，连接梁、第二气缸、后十字滑块导轨副、前十字滑块导轨副、第一Y向短直线导轨副、第二Y向直线导轨副、X向无杆气缸、连接板、第三气缸、第四气缸、平行气爪以及夹具体；

第一Y向短直线导轨副为两个且分别沿Y向安装在两个立板的中部；后横梁两端分别卡装在两个第一Y向短直线导轨副上且位于所述横梁下方，前横梁固定安装在两个立板上端面；

后横梁上表面与连接梁后端下表面通过后十字滑块导轨副连接，前横梁上表面沿X向安装X向无杆气缸；连接梁前端上表面与前横梁下表面之间通过前十字滑块导轨副连接，连接板的一端与前十字滑块导轨副中的十字滑块固连，另一端与X向无杆气缸活动端连接；连接梁的下表面前端安装第二Y向短直线导轨副，第二Y向短直线导轨副的滑块上安装平行气爪；

第二气缸固定在横梁上，其活塞杆与后横梁固定连接；

第三气缸固定在连接梁上，其活塞杆与连接板固定连接；

第四气缸固定在连接梁上，其活塞杆与所述平行气爪固定连接；

平行气爪的两个活动端平行设置有两个夹具体；

两个激光熔覆组件中一个为宽幅激光熔覆头，另一个为窄幅激光熔覆头；

两个激光熔覆组件中的两个斜导轨之间呈60°夹角。

2.根据权利要求1所述的双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：还包括背板和摇篮转台；背板固定安装在所述两个立板之间，背板上安装摇篮转台，所述摇篮转台上安装定位工装，用于提供定位工装沿Z向和Y向旋转。

3.根据权利要求2所述的双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：Y向移动机构包括Y向直线导轨副、Y向滚珠丝杠副以及Y向驱动电机；所述Y向直线导轨副为两个且分别安装在两个立板的上端面，横梁的两端分别卡装在两个Y向直线导轨副上，横梁的底部设有固定筋板，所述Y向滚珠丝杠副的丝杠一端与Y向驱动电机相连，另一端穿过所述固定筋板后悬空，所述Y向滚珠丝杠副的旋转螺母与所述横梁底部固定连接。

4.根据权利要求3所述的双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：Z向移动机构包括Z向伺服电机、Z向减速器，齿轮、齿条、Z向直线导轨副以及Z向溜板；所述齿条沿Z向固定安装在滑板一侧，Z向减速器的输入轴与Z向伺服电机的输出轴连接，Z向减速器固定在Z向溜板上，Z向减速器的输出轴穿过所述Z向溜板，且穿过所述Z向溜板的输出轴上安装齿轮，齿轮与所述齿条相啮合，所述Z向直线导轨副安装在所述滑板上，Z向溜板固定安装在Z向直线导轨副上。

5.根据权利要求4所述的双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：X向移动机构包括X向直线导轨副、X向滚珠丝杠副以及X向驱动电机；X向直线导轨副沿X向安装在横梁上，所述Z向溜板卡装在所述X向直线导轨副上，所述X向滚珠丝杠副的丝杠与X向驱动电机的输出轴连接，丝杠上安装的旋转螺母与Z向溜板固定连接。

6.根据权利要求1所述的双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：定位工装为零点定位装置。

7.根据权利要求3所述的双熔覆头激光熔覆金属增材制造设备，其特征在于：所述Y向滚珠丝杠副中丝杠穿过所述固定筋板的一端端面上安装限位板。