CN109202289B - 一种移动式激光增减材复合加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移动式激光增减材复合加工系统,包括可全向移动且具有现场落地隔震定位的工艺车、与工艺车配合用于将辅助系统集中供电的辅助车，所述的工艺车上装载核心加工单元和精密测控单元，所述的辅助车上封装有可集中供电的激光系统、机器人系统、测控系统的辅助功能单元,本发明分为工艺车和辅助车，双车独立布局，互不干扰，有效隔开了工艺实施过程中的辅助车的震动干扰；采用工艺车的形式，可实现在空间上大范围移动；系统配备光学测量系统和工艺转换装置，可实现工艺切换后的机械零点精确再现，避免重复定位导致的定位误差。

Description

一种移动式激光增减材复合加工系统
技术领域
本发明涉及金属材料增减复合加工技术领域，具体是一种移动式激光增减材复合加工系统。
背景技术
目前增材制造和减材加工过程需在不同设备之间转换，存在坐标系不断变化、位置精度低、智能联动性差、空间占用大、维修效率低、现场在线修复难度大等问题，2016年出版的《金属加工》第13期第7-12页公开了增减材复合加工系统，该方法包括直接能量沉积、冷喷涂、粉末融积、材料喷射成形的增减材复合加工，复合方法包括同轴送粉/送丝与铣削复合、堆焊/铣削复合，铺粉/铣削复合等，缺点是减材工艺沿袭传统CNC系统，需要考虑机床刚度、刀具磨损等，对于要求方便移动、现场修复，难度极大。本发明所要解决的是：通过融合智能测控运动定位、光内同轴送粉激光增材以及激光智能化精密减材，突破现场三维重构、激光精密减材、关键参数传感与反馈控制等关键技术，研制出移动式全激光增减材复合加工一体化系统，达到大幅度提高现场维修的智能化、柔性化水平，实现高附加值关键零部件的现场再制造修复。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种移动式激光增减材复合加工系统。
一种移动式激光增减材复合加工系统,包括可全向移动且具有现场落地隔震定位的工艺车、与工艺车配合用于将辅助系统集中供电的辅助车，所述的工艺车上装载核心加工单元和精密测控单元，所述的辅助车上封装有可集中供电的激光系统、机器人系统、测控系统的辅助功能单元。
所述的核心加工单元为六轴机器人，所述的精密测控单元为送粉器和氩气瓶。
所述的六轴机器人末端上设置有增减材料复合加工头。
所述的激光系统为增材激光器和减材激光器，所述的机器人系统为系统控制柜和机器人控制柜，所述的测控系统的辅助功能单元为水冷机。
所述的增材激光器和减材激光器上均设置有光内送粉激光头。
所述的工艺车与辅助车为同种组成结构，所述该结构包括设置在底端的全向轮轮系、设置在全向轮轮系上用于使得车体升降定位的等臂梁机构。
所述的全向轮轮系由全向轮、离合器、减速器、直流电机组成。
所述的等臂梁机构通过液压系统提供动力实现升降。
本发明的有益效果是：本发明分为工艺车和辅助车，双车独立布局，互不干扰，有效隔开了工艺实施过程中的辅助车的震动干扰；采用工艺车的形式，可实现在空间上大范围移动；系统配备光学测量系统和工艺转换装置，可实现工艺切换后的机械零点精确再现，避免重复定位导致的定位误差；将前处理与增减工艺结合，并采用全激光技术，极大的简化了系统的复杂程度，根本性解决传统增减材加工的材料适应性不足，质量稳定性不足的弊端，使用工艺车和辅助相互配合的工艺策略，有效解决超大尺寸下现场修复难题，解决宏观运动与局部高精密加工之间的矛盾。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的系统布局结构示意图；
图2为本发明的增减材料复合加工头工作流程结构示意图；
图3为本发明的系统工作流程结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，本发明进一步阐述。
如图1所示，一种移动式激光增减材复合加工系统,包括可全向移动且具有现场落地隔震定位的工艺车、与工艺车配合用于将辅助系统集中供电的辅助车，所述的工艺车上装载核心加工单元和精密测控单元，所述的辅助车上封装有可集中供电的激光系统、机器人系统、测控系统的辅助功能单元。
所述的核心加工单元为六轴机器人1，所述的精密测控单元为送粉器3和氩气瓶4。
所述的六轴机器人1末端上设置有增减材料复合加工头2。
所述的增减材料复合加工头2内集成了中央控制系统2a、与中央控制系统2a配合的子单元、与子单元连接的激光位移传感器器2b、高速扫描电镜2c、同轴送粉熔覆头2d、光学/电子/机械单元2e。
所述的子单元包括信息采集与处理单元2f、送粉单元2g、运动单元2h、激光器单元2i。
所述的激光位移传感器器2b用于工件12裂纹识别定位以及修复区三维形貌测量；所述的高速扫描电镜2c主要配合送粉单元2g和激光器单元2i进行待修复区的增材修复；所述的信息采集与处理单元2f主要用来处理激光位移传感器器2b采集到的Z向位移信息，生成裂纹、待修复区、修复区的三维图形，生成对应的路径信息，用于减材与增材的路径规划；所述送粉单元2g主要为激光增材提供粉体材料，同时对修复过程的气氛、送粉量进行控制；所述的激光器单元2i是集成了用于减材加工的短脉冲激光器和用于增材制造的连续激光器，同时包括激光器的水冷系统，激光通过光纤传导集成到增减材料复合加工头；所述运动单元2h主要是指带动增减材料复合加工头的运动机构，采用高精度的六轴机器人1；所述中央控制系统2a是为整个裂纹修复系统的控制中枢，一方面接收信息采集与处理单元2f的路径信息，另一方面把对应的控制信息发送给运动单元2h、激光器单元2i和送粉单元2g，同时协同控制检测、增材、减材的工序切换。
所述的激光系统为增材激光器6和减材激光器8，所述的机器人系统为系统控制柜5和机器人控制柜9，所述的测控系统的辅助功能单元为水冷机7。
本发明分为工艺车和辅助车，双车独立布局，互不干扰，有效隔开了工艺实施过程中的辅助车的震动干扰。
如图1中的装载有部件的辅助车跟随装载有剩余部件的工艺车在全向轮轮系11的运动下，移动到待修复场所，开启系统控制柜5、机器人控制柜9,、六轴机器人1、送粉器3、氩气瓶4、增材激光器6、水冷机7、减材激光器8，通过控制六轴机器人1的编程进行运动，带动图2中的增减材料复合加工头的工作。
采用工艺车的形式，可实现在空间上大范围移动；系统配备光学测量系统和工艺转换装置，可实现工艺切换后的机械零点精确再现，避免重复定位导致的定位误差。
如图2中的中央控制系统2a把对应的控制信息发送给运动单元2h和送粉单元2g同时协同控制检测、增材、减材的工序切换，修复区通过激光位移传感器器2b进行识别定位，并将采集到的信息通过信息采集处理单元2f生成对应的路径信息，控制运动单元2h促使六轴机器人1运动并联动送粉单元2g和激光器单元2i从光内送粉头2d送出粉末和发出激光进行增材，同时控制高速扫描电镜2c进行减材。
将前处理与增减工艺结合，并采用全激光技术，极大的简化了系统的复杂程度，根本性解决传统增减材加工的材料适应性不足，质量稳定性不足的弊端，使用工艺车和辅助相互配合的工艺策略，有效解决超大尺寸下现场修复难题，解决宏观运动与局部高精密加工之间的矛盾。
所述的增材激光器6和减材激光器8上分别设置有光内送粉头2d。
所述的增材激光器6的光内送粉激光头为光内送粉激光增材工艺头，所述的减材激光器8为柔性传输电镜扫描激光减材工艺头。
所述的工艺车与辅助车为同种组成结构，所述该结构包括设置在底端的全向轮轮系11、设置在全向轮轮系11上用于使得车体升降定位的等臂梁机构10。
通过对4组全向轮轮系11的组合控制可以实现工艺车和辅助车全向移动。
所述的等臂梁机构10是加工过程中的升降机构，通过液压系统提供动力实现等臂梁机构10的运动达到升降目的。
所述的全向轮轮系11由全向轮、离合器、减速器、直流电机组成。
所述的等臂梁机构10通过液压系统提供动力实现升降。
将光内送粉激光增材和柔性传输电镜扫描激光减材工艺头紧密结合在一起，由六轴机器人1统一定位控制，该六轴机器人1位于工艺车上，工艺车可以全向移动，并具有现场落地、隔振功能，可实现大型部件的就近定位，为加工修复提供稳固的基础平台；工艺车上的装备可以对待修复部件建模、识别且与控制单元一起通过控制增减材料复合加工头2和整个系统；工艺车仅仅装载核心加工单元和精密测控单元，辅助车则将激光系统、机器人系统、测控系统的辅助功能单元封装在一起，集中供电。
所述的辅助车和工艺车高度小于1.6m，长宽小于2m×1.5m。
如图2所示，协调增材工艺与减材工艺对六轴机器人1的共享，增材激光器6和减材激光器8上的光内送粉激光头2d相互固定链接，并可通过运动单元2h变化调节，由六轴机器人1带动，大大简化坐标转换；增减材工艺控制将根据测量值和设计之间的差距进行增材和减材加工量的动态调整，灵活精准地控制原料的送给速率以及激光能量,构建激光能量与原料送给速度的关系，实现加工过程的全闭环控制；增减材料复合加工头2内集成了多个单元，利用增减材料复合加工头2的运动通过六轴机器人1集成的自动化单元实现，为复合加工提供更多的智能解决方案；对共同协调工作的六轴机器人1进行联动设计，通过适应调整、机械结构上的改变、控制系统的整合以及设备传感器的调整等，利用工艺车和辅助车的设计与集成研究，形成一个高度集中的协调有机体，可自由组合与分离。
如图3所示，系统运行步骤为：①西门子PLC控制器与扫描电镜的握手信号，六轴机器人1执行端到达预定位置后发信号给扫描电镜，扫描电镜工作完成后发信号给六轴机器人1执行末端；②运动路径信号，有位移传感器获得修复区信息，处理后把路径信息给六轴机器人1执行端；③六轴机器人1执行端发给位移传感器的同步采集信号。
增减材料复合加工头2的运动通过六轴机器人1集成的自动化单元实现，为复合加工提供更多的智能解决方案。
对共同协调工作的六轴机器人1进行联动设计，通过适应调整、机械结构上的改变、控制系统的整合以及设备传感器的调整等，利用双车架构系统的设计与集成研究，形成一个高度集中的协调有机体，可自由组合与分离。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种移动式激光增减材复合加工系统,包括可全向移动且具有现场落地隔震定位的工艺车、与工艺车配合用于将辅助系统集中供电的辅助车，其特征在于：所述的工艺车上装载核心加工单元和精密测控单元，所述的辅助车上封装有可集中供电的激光系统、机器人系统、测控系统的辅助功能单元；
所述的核心加工单元为六轴机器人(1)，所述的精密测控单元为送粉器(3)和氩气瓶(4)；
所述的六轴机器人(1)末端上设置有增减材料复合加工头(2)；通过六轴机器人（1）集成的自动化单元来控制增减材料复合加工头（2）的运动，实现复合加工目的；
所述的激光系统为增材激光器(6)和减材激光器(8)，所述的机器人系统为系统控制柜(5)和机器人控制柜(9)，所述的测控系统的辅助功能单元为水冷机(7)；
所述的增材激光器(6)和减材激光器(8)上均设置有光内送粉激光头；增材激光器（6）的光内送粉激光头为光内送粉激光增材工艺头，所述的减材激光器（8）为柔性传输振镜扫描激光减材工艺头；
所述的增减材料复合加工头（2）内集成有中央控制系统（2a）、与中央控制系统（2a）配合的子单元、与子单元连接的激光位移传感器（2b）、高速扫描电镜（2c）、同轴送粉熔覆头（2d）以及光学/电子/机械单元（2e）；
所述的子单元包括信息采集与处理单元（2f）、送粉单元（2g）、运动单元（2h）和激光器单元（2i）；
具体工作时，通过激光位移传感器（2b）对工件（12）的裂纹进行识别定位以及修复区三维形貌测量；通过高速扫描电镜（2c）、送粉单元（2g）和激光器单元（2i）的配合进行待修复区的增材修复；所述的信息采集与处理单元（2f）用来处理激光位移传感器采集到的Z向位移信息，进而生成裂纹、待修复区、修复区的三维图形和对应的路径信息；所述送粉单元（2g）为激光增材提供粉体材料；所述的激光器单元（2i）集成有用于减材加工的短脉冲激光器和用于增材制造的连续激光器，并通过光纤传导集成到增减材料复合加工头（2）；所述运动单元（2h）为带动复合加工头的运动机构，运动单元（2h）采用六轴机器人（1）；所述中央控制系统（2a）用于接收信息采集与处理单元（2f）的路径信息，同时把对应的控制信息发送给运动单元（2h）、激光器单元（2i）和送粉单元（2g），协同控制检测、增材、减材的工序切换。
2.根据权利要求1所述的一种移动式激光增减材复合加工系统,其特征在于：所述的工
艺车与辅助车为同种组成结构，所述结构包括设置在底端的全向轮轮系(11)、设置在全
向轮轮系(11)上用于使得车体升降定位的等臂梁机构(10)。
3.根据权利要求2所述的一种移动式激光增减材复合加工系统,其特征在于：所述的全
向轮轮系(11)由全向轮、离合器、减速器和直流电机组成。
4.根据权利要求2所述的一种移动式激光增减材复合加工系统,其特征在于：所述的等
臂梁机构(10)通过液压系统提供动力实现升降。
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