CN109623105B - 一种增减材协同制造方法 - Google Patents

一种增减材协同制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增减材协同制造方法，该方法为：利用CAD进行模型建立，由计算机自动生成增材轨迹；接通电源，安装清理基板，增材机器人在基板正面进行增材；基板进行180°翻转；增材机器人在基板正面进行增材，减材机器人在基板背面进行减材，并用气枪进行空冷，红外测温仪实时监测基板背面温度；完成增减材加工以及背面冷却后再次进行翻转；重复上述步骤，直至完成增材制造。本发明所述制造方法中，增材制造与减材加工协同进行并实时监测控制基板温度，大大减少了基板热变形、提高了所得增材结构件的成形精度与质量、缩短了电弧增材的制造周期。

Description

一种增减材协同制造方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造领域，具体为一种增减材协同制造方法。
背景技术
增材制造又称3D打印，是当前先进智能制造的研究热点，与传统的减材制造不同，增材制造是一种逐层累积的制造方法。电弧增材是增材制造常见的一种方式，其工作原理为运用CAD等软件进行路径规划，控制焊接机器人在制定轨迹上运动，运用电弧的能量熔化焊丝，将材料堆积到指定位置，直至完成构件的制造。
与传统的铸造工艺相比，电弧增材所得构件组织较为均匀、内部缺陷较少，可以实现异种材料的交织结构；与激光选区熔化相比，电弧增材成本低、堆积效率高、成形尺寸大；但是电弧增材基板热变形大，所得结构件成形精度不高，在投入使用时需要进行二次加工。
2017年由南京理工大学王克鸿、周琦、许华银等人申请的公布号为CN 108145332A的发明专利机器人电弧增减材成形装置及方法公开了一种机器人电弧增减材成形装置及方法；采用一个机器人同时连接焊接增材设备与激光切割设备，控制两种设备交替工作从而实现机器人电弧增减材智能制造。
2018年由湖南大学余剑武、张亚飞、罗红等人申请的公布号为CN 108161009A的发明专利一种选区激光熔覆与磨削原位复合制造装置公开了一种选区激光熔覆与磨削原位复合制造装置，他们设想在一种装置上集成增材制造和减材制造两种加工方法，进行原位复合制造，既能克服单纯的增材制造技术在尺寸精度和表面质量等方面的缺陷，也可以克服磨削加工对零部件复杂程度等方面的制约。
发明内容
针对现有电弧增材制造技术存在的基板热变形大、成形精度不高、增材效率低等问题，本发明提出了一种增减材协同进行的制造方法。
实现本发明目的的技术方案是：
一种增减材协同进行的制造方法，采用柔性夹具将基板安装在自动翻转工作台上，增材机器人在基板正面进行增材制造，减材机器人在基板背面进行减材加工，待完成一层增减材加工后，且红外测温仪测得基板背面温度低于150℃时，由自动翻转工作台进行180°翻转，循环进行增减材加工，最终获得电弧增材结构件。
本发明增减材协同制造方法的利用的装置为：增材机器人由工业机器人一、机器人控制柜一、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶构成；减材机器人由工业机器人二、机器人控制柜二、装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、压缩空气机、CCD摄像机构成减材机器人构成；复合减材机构由气枪、钢丝刷、铣刀构成。增减材制造的工作平台由变位机、自动翻转工作台构成。
基于上述装备系统的增减材协同制造方法，包括如下具体步骤：
步骤1：根据待成形件的尺寸与形状，利用CAD进行模型建立，由计算机自动生成增材轨迹；
步骤2：接通电源，等待增减材协同制造装备系统准备就绪，打开保护气，采用柔性夹具将基板固定安装在自动翻转工作台上，清理基板，增材机器人在基板在垂直方向朝上的面进行增材制造；
步骤3：增材机器人在基板朝上的面完成一层的增材制造后，增材机器人移动到安全点，自动翻转工作台进行180°翻转；
步骤4：减材机器人在增材后的基板面进行轮廓扫描，提取增材堆积的整体轮廓形貌，将提取信息输送至计算机中，计算机根据提取的轮廓形貌分析该层表面缺陷以及平整度，生成减材机器人运动路径；
步骤5：减材机器人按计算机生成的减材路径对增材后的基板面进行加工，增材机器人在基板未加工面进行下一层的增材堆积；
步骤6：待减材机器人完成对步骤2中加工的基板面进行减材加工，待减材加工的加工面温度下降至150℃以下以及增材机器人在步骤5中未加工面上完成下一层的堆积后，增材机器人与减材机器人移动至安全位置，自动翻转工作台进行180°翻转；
步骤7：重复步骤4-步骤6，完基板双面的增减材制造。
作为优选方式，增材制造时所采用的保护气为纯氩气或氩(78-82％)+二氧化碳保护气(20-17％)+氧气(2-1％)或氩(84-92％)+二氧化碳保护气(6-2％)+氧气(2-1％)+氮保护气(8-4％)。气体流量为18L/min-28L/min。
作为优选方式，采用该方法一次生产的结构件数量在两件或两件以上。
作为优选方式，在完成一层增材堆积后，下一层增材堆积在其背面完成，使两层热变形部分相互抵消。
作为优选方式，采用红外测温仪实时监测基板减材面温度，确保进行下一层堆积时，基板温度低于150℃，控制基板热变形。
作为优选方式，背面减材加工过程中，钢丝刷与铣刀前后协同进行加工，钢丝刷与铣刀可以同时进行减材加工，也可以单独进行减材加工。
作为优选方式，背面减材加工过程中，气枪持续进行吹气，清理基板杂质，冷却基板。
作为优选方式，电弧增材工艺参数包括：焊接速度、焊接电流、保护气体流量与种类、送丝速度；减材工艺参数包括：钢丝刷转速、钢丝刷尺寸、铣刀材料、铣刀尺寸、铣刀转速、铣削速度、切削进给速度。
作为优选方式，增材方式可以选择CMT增材、等离子增材、TIG增材、MIG增材方式。
本发明相对于现有技术，具有显著优点：
1.利用本发明提供的制造方法进行增材制造时，基板两面依次受到较大的热输入，使得正反两面的基板变形相互抵消，且进行下一层增材制造时，控制基板温度在150℃以下，从而有效地控制基板的热变形，提高增材成形的精度与质量。
2.利用本发明提供的制造方法进行增材制造时，背面减材机器人在减材过程中气枪不断的在吹压缩空气，确保基板翻转前基板背面温度低于150℃，有效地控制层间冷却温度，减小基板热变形，提高成形质量。
3.利用本发明提供的制造方法进行增材制造时，可以在完成一层增材制造后立即进行减材处理，使得增材制造的每一层表面缺陷减少、平整度提高，能够明显提高所得增材结构件的精度与成形质量。
4.利用本发明提供的制造方法进行增材制造时，背面减材机器人同时可以清理增材面的氧化膜与杂质，可以提高增材成形质量与效率。
附图说明
图1为本发明的增减材协同制造方法的实物俯视图。
图2为本发明的增减材协同制造方法的实物侧视图。
图3为本发明的增减材协同制造系统的示意图。
图中，1：工业机器人一、2：驱动电机、3：自动翻转工作台、4：CCD相机、5：红外测温仪、6：L型变位机、7、复合减材机构、8：计算机、9：工业机器人二、10：机器人控制柜一、11：机器人控制柜二、12：空气压缩机、13：焊接电源、14：送丝机、15：保护气瓶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、制造方法及优点更易理解，下面结合具体实施例对增减材协同制造方法进行详细说明，本发明并不限定该种方案。
实施例
利用增减材协同制造装备系统，本实施例具体如下：
其中增材所用焊丝为ER130S-G高强钢焊丝，其直径为1.2mm；基板为6mm厚的304不锈钢基板，焊枪为CMT焊枪
步骤1：根据待成形件的尺寸与形状，利用CAD进行模型建立，由计算机自动生成增材轨迹；
步骤2：设置焊接参数，其中送丝速度为7.2mm/min；焊接速度为11mm/s，同一面焊枪在进行下一层增材时上抬2mm，保护气体流量20L/min。
步骤3：接通电源，等待增减材协同制造装备系统准备就绪，打开保护气，将304不锈钢基板采用柔性夹具固定安装在自动翻转工作台上，用角磨机清理基板；
步骤4：增材机器人在基板正面进行增材制造，按预设轨迹，在基板正面堆积出边长为120mm的正六边形。
步骤5：增材机器人在基板正面完成一层的增材制造后，增材机器人移动到安全点，自动翻转工作台进行180°翻转；
步骤6：减材机器人在增材后的基板面进行轮廓扫描，提取增材堆积的整体轮廓形貌，将提取信息输送至计算机中，计算机根据提取的轮廓形貌分析该层表面缺陷以及平整度，生成减材机器人运动路径；
步骤7：减材机器人按计算机生成的减材路径对基板背面进行加工，先用钢丝刷进行打磨，再用铣刀进行加工，使该层的精度提高，在打磨与铣刀加工时气枪持续进行吹气，清理背面杂质，冷却基板，红外测温仪实时监测基板背面温度，同时增材机器人在基板正面进行再次堆积出边长为120mm的正六边形；
步骤8：待减材机器人完成对基板背面的减材加工且基板背面温度下降至150℃以下、增材机器人完成下一层的堆积时，增材机器人与减材机器人移动至安全位置，自动翻转工作台进行180°翻转。
步骤9：重复步骤6-8，至正面、背面六边形厚度均到达20mm后时，完成基板正反面的增减材制造。
步骤10：关闭保护气以及增减材协同制造装备系统，待基板完全冷却后，松开自动翻转工作台上的柔性固定装置，取下基板以及增材成型件。
本发明的增减材协同制造方法采用增减协同制造装备系统进行制造，增减协同制造装备系统包括工业机器人一、工业机器人二、机器人控制柜一、机器人控制柜二、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶；装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、压缩空气机、变位机、自动翻转工作台、CCD摄像机、红外测温仪、计算机；工业机器人一、机器人控制柜一、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶构成增材机器人；工业机器人二、机器人控制柜二、装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、压缩空气机、CCD摄像机构成减材机器人，具体如图3。

Claims (8)

1.一种增减材协同制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据待成形件的尺寸与形状，利用CAD进行模型建立，由计算机自动生成增材轨迹；
步骤2：接通电源，等待增减材协同制造装备系统准备就绪，打开保护气，采用柔性夹具将基板固定安装在自动翻转工作台上，清理基板，增材机器人在基板在垂直方向朝上的面进行增材制造；
步骤3：增材机器人在基板朝上的面完成一层的增材制造后，增材机器人移动到安全点，自动翻转工作台进行180°翻转；
步骤4：减材机器人在增材后的基板面进行轮廓扫描，提取增材堆积的整体轮廓形貌，将提取信息输送至计算机中，计算机根据提取的轮廓形貌分析该层表面缺陷以及平整度，生成减材机器人运动路径；
步骤5：减材机器人按计算机生成的减材路径对增材后的基板面进行加工，同时增材机器人在基板未加工面进行下一层的增材堆积；
步骤6：待减材机器人完成对步骤2中加工的基板面进行减材加工，待减材加工的加工面温度下降至150℃以下以及增材机器人在步骤5中未加工面上完成下一层的堆积后，增材机器人与减材机器人移动至安全位置，自动翻转工作台进行180°翻转；
步骤7：重复步骤4-步骤6，完成 基板双面的增减材制造。
2.如权利要求1所述的增减材协同制造方法，其特征在于，增减材协同制造方法采用增减协同制造装备系统进行制造，增减协同制造装备系统包括工业机器人一、工业机器人二、机器人控制柜一、机器人控制柜二、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶；装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、压缩空气机、变位机、自动翻转工作台、CCD摄像机、红外测温仪、计算机；工业机器人一、机器人控制柜一、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶构成增材机器人；工业机器人二、机器人控制柜二、装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、压缩空气机、CCD摄像机构成减材机器人。
3.如权利要求1所述的增减材协同制造方法，其特征在于，采用红外测温仪实时监测基板减材面温度，确保进行下一层堆积时，基板温度低于150℃，控制基板热变形。
4.如权利要求1所述的增减材协同制造方法，其特征在于，电弧增材工艺参数包括：焊接速度、焊接电流、保护气体流量与种类、送丝速度；减材工艺参数包括：钢丝刷转速、钢丝刷尺寸、铣刀材料、铣刀尺寸、铣刀转速、铣削速度、切削进给速度。
5.如权利要求1所述的增减材协同制造方法，其特征在于，背面减材加工过程中，钢丝刷与铣刀前后协同进行加工，钢丝刷与铣刀同时进行减材加工或单独进行减材加工。
6.如权利要求1所述的增减材协同制造方法，其特征在于，背面减材加工过程中，气枪持续进行吹气，清理基板杂质，冷却基板。
7.如权利要求1所述的增减材协同制造方法，其特征在于，所用的保护气为纯氩气，还可以为78-82%氩+17-20%二氧化碳保护气+1-2%氧气，或84-92%氩+2-6%二氧化碳保护气+1-2%氧气+4-8%氮保护气；气体流量为18L/min-28L/min。
8.如权利要求1所述的增减材协同制造方法，其特征在于，增材方式由多种选择，可以选择CMT增材、等离子增材、TIG增材、MIG增材方式。
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