CN109926705B

CN109926705B - 一种用于机器人的等离子弧双电源双热丝增材制造方法及装置

Info

Publication number: CN109926705B
Application number: CN201711349495.9A
Authority: CN
Inventors: 冯曰海; 刘思余; 冯成; 王克鸿; 占彬; 何杰; 孙跃; 鄂炫宇
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: CN109926705A

Abstract

本发明为用于机器人的等离子弧双电源双热丝增材制造方法及装置，该装置包括：工业机器人、等离子弧焊接装置、双丝送丝装置和双热丝加热装置，其中双热丝加热装置包括热丝加热电源I、热丝加热电源II、双丝加热协调控制模块。其方法通过双丝送丝装置送出二根冷丝材，利用双丝加热装置的加热电源加热丝材的末端，实现双热丝的送给；控制柜与双丝送丝装置通讯，控制送丝机同步送进丝材；控制柜同时控制加热电源，控制加热丝材的时间和温度，实现脉动热丝送进；焊机由机器人控制柜控制，实现送丝、加热与电弧燃烧三者的同步。本装置进行等离子弧双热丝增材制造时，在相同的工艺参数时，丝材的送进速度提高1.5倍以上，能够实现更高熔敷效率的增材制造。

Description

一种用于机器人的等离子弧双电源双热丝增材制造方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料增材制造领域，主要涉及一种用于机器人的等离子弧双电源双热丝增材制造方法及装置。

背景技术

增材制造技术是一种快速成形技术，起源于20世纪80年代，经过几十年的发展，部分技术已经成熟并应用于工业制造领域。其中，将电弧作为热源，利用其热量将添加材料加热，并按照预定轨迹进行零件堆敷的过程就是电弧增材制造技术。

等离子弧增材制造技术具有电弧能量密度高、成形精度高和制造周期短等优势，适合于高精度大尺寸构件的制造。但是，传统的等离子增材制造技术难以满足高效高质的工业需求，堆敷效率和精度一直制约着该技术的发展。为了解决这一问题，急需一种既能保证堆敷精度又能提高堆敷效率的电弧增材制造方法，即双热丝等离子弧增材制造。与单填丝增材制造技术相比，该方法能够将添加丝材的含量提高到两倍以上；与冷填丝增材制造技术相比，能够将丝材进行预热，减少热输入，降低稀释率，提高堆敷效率。

申请号为200410043665.7的专利，主题名称为热丝TIG焊中专用的高频感应加热焊丝的装置公开了一种TIG焊的高频感应加热焊丝的装置，该装置将感应线圈绕在绝缘导管的外部，通过高频感应对金属丝材进行加热，主要用于TIG焊接，对铜合金等熔点高、散热快的丝材具有一定局限性。申请号为201010520993.7的专利，主题名称为TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法，公开了一种双TIG复合热源焊接设备及方法，通过电阻热或电弧产热对焊丝进行加热，但是该装置主要对一根丝材进行加热，堆敷效率较低。

发明内容

针对目前电弧增材制造技术堆敷效率和成型精度难以同时提高等问题，本发明提供一种能够用于机器人等离子弧双电源双热丝增材制造方法及装置，能够有效地解决以上问题。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

提供一种用于机器人的等离子弧双电源双热丝增材制造装置，包括：工业机器人、等离子弧焊接装置、双丝送丝装置和双热丝加热装置构成；

等离子弧焊接装置，具体包括：焊枪固定在工业机器人上，等离子电源与焊枪和控制柜连接；

双丝送丝装置，具体包括：双丝调节装置分别与送丝机I、送丝机II及控制柜连接；

双热丝加热装置，具体包括：加热电源I正极与送丝嘴I中间部分连接，负极与工件连接，加热电源II正极与送丝嘴II中间部分连接，负极与工件连接，加热电源I和加热电源II(通过双丝加热协调控制模块与控制柜连接。

加热电源I与加热电源II通过双丝加热协调控制模块调整，控制柜发送信号给双丝加热协调控制模块，控制两台加热电源的启动和停止，实现并口通讯。

双热丝加热装置通过双丝加热协调控制模块控制加热电流的大小调整加热温度。

双热丝加热装置通过双丝加热协调控制模块控制丝材加热时间调整实现脉动热丝送进。

基于上述机器人等离子弧双热丝增材制造装置，提供一种机器人等离子弧双电源双热丝增材制造方法，具体步骤为：

1)堆敷前，预设工艺参数，并根据构件的几何参数规划堆敷路径，设置焊接程序；

2)机器人携带等离子焊枪到达起焊位置，通过双丝协调装置设定送丝机I和送丝机II的送丝速度，通过双丝加热协调控制模块设定加热电源I和加热电源II的加热电流；

3)机器人控制柜发送信号给等离子电源，引燃电弧，然后发送信号给双丝协调器和双丝加热协调控制模块，送丝机I和送丝机II开始同步送进丝材，同时，加热电源I和加热电源II开始供电，对丝材末端进行加热，然后按照程序开始堆敷。

4)堆敷结束时，机器人控制柜发送信号给双丝协调器和双丝加热协调控制模块，送丝机I和送丝机II同时停止送丝，加热电源I和加热电源II停止供电，机器人控制柜发送信号给等离子电源，熄灭电弧，准备下一道的堆敷。

5)重复步骤3)-6)，直至完成预设形状工件的堆覆。

作为优选方式，两个加热电源的电流调节范围分别为30A-200A。

本发明与现有技术相比具有以下优势：1.利用本装置进行机器人等离子双热丝增材制造时，双丝加热协调控制模块与控制柜通讯，控制两台加热电源的启动和停止，智能化程度更高。2.利用本装置进行机器人等离子双热丝增材制造时，双热丝加热装置可以单独控制两根丝材的加热时间和温度，实现加热效果的调节。3.相对于双冷丝方法，本发明的方法可以提高丝材的熔化速度，使得熔敷效率提高1.5倍以上，从而实现更加快速高效的等离子弧增材制造。

附图说明

图1机器人等离子弧双热丝增材制造系统结构示意图；

图2试验件堆敷过程示意图。

其中，1为机器人控制柜，2为工件，3为机器人，4为焊枪，5为等离子电源，6为送丝机I，7为送丝机II，8为双丝协调器，9为送丝嘴I，10为送丝嘴II，11为加热电源I，12为双丝加热协调控制模块，13为加热电源II。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图来详细说明本发明所涉及的装置和方法，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，凡在本发明的原则之下，所做的修改，替换，改进等，均应该在本发明的保护范围之内。

具体采用的设备型号如下：MOTOMAN MH6弧焊机器人、DX100控制柜，等离子电源包括福尼斯Fronius Magic Wave 3000型焊机和等离子控制柜。

实施例1

本发明提供一种机器人等离子弧双热丝增材制造方法，其特征在于，能够进行H08Mn2Si低碳钢丝材的单层多道构件的双热丝增材制造堆敷试验，具体步骤为：

2)机器人3携带等离子焊枪4到达起焊位置，通过双丝协调装置设定送丝机I6和送丝机II7的送丝速度，通过双丝加热协调控制模块设定加热电源I11和加热电源II13的加热电流；

3)机器人控制柜1发送信号给等离子电源5，引燃电弧，然后发送信号给双丝协调器和双丝加热协调控制模块，送丝机I6和送丝机II7开始同步送进丝材，同时，加热电源I11和加热电源II13开始供电，对丝材末端进行加热，然后按照程序开始堆敷。

4)堆敷结束时，机器人控制柜1发送信号给双丝协调器和双丝加热协调控制模块，送丝机I6和送丝机II7同时停止送丝，加热电源I11和加热电源II13停止供电，机器人控制柜1发送信号给等离子电源5，熄灭电弧，准备下一道的堆敷。

5)重复步骤3)-6)，直至完成预设形状工件的堆覆。

作为优选方式，H08Mn2Si低碳钢丝材直径1.0mm，构件的堆敷路径示意图见附图2，加热电源I加热电流80A、加热电源II的加热电流80A，堆敷电流140A，堆敷速度50cm/min，两根丝材送进速度均为1.8m/min，喷嘴到工件的距离6mm，离子气流量0.8L·min^-1，保护气流量18L·min^-1。

实施例2

本发明提供一种机器人等离子弧双热丝增材制造方法，能够进行H00Cr21Ni10不锈钢丝材的单层多道构件的双热丝增材制造堆敷试验，具体步骤为：

5)重复步骤3)-6)，直至完成预设形状工件的堆覆。

作为优选方式，H00Cr21Ni10不锈钢丝材直径1.0mm，构件的堆敷路径示意图见附图2，加热电源I的加热电流60A、加热电源II的加热电流60A，堆敷电流130A，堆敷速度40cm/min，两根丝材送进速度均为1.6m/min，喷嘴到工件的距离8mm，离子气流量1.0L·min^-1，保护气流量15L·min^-1。

Claims

1.一种用于机器人的等离子弧双电源双热丝增材制造装置，其特征在于，包括：工业机器人（3）、等离子弧焊接装置、双丝送丝装置和双热丝加热装置；

所述的等离子弧焊接装置，具体包括：焊枪（4）固定在工业机器人（3）上，等离子电源（5）与焊枪（4）和控制柜（1）连接；

所述的双丝送丝装置，具体包括：双丝调节器（8）分别与送丝机I（6）、送丝机II（7）及控制柜（1）连接；

所述的双热丝加热装置，具体包括：加热电源I（11）正极与送丝嘴I（9）中间部分连接，负极与工件（2）连接，加热电源II（13）正极与送丝嘴II（10）中间部分连接，负极与工件（2）连接，加热电源I（11）和加热电源II（13）通过双丝加热协调控制模块（12）与控制柜（1）连接；

加热电源I（11）与加热电源II（13）通过双丝加热协调控制模块（12）调整，控制柜（1）发送信号给双丝加热协调控制模块（12），控制两台加热电源的启动和停止，实现并口通讯；

双热丝加热装置通过双丝加热协调控制模块（12）控制加热电流的大小调整加热温度；

双热丝加热装置通过双丝加热协调控制模块（12）控制丝材加热时间调整实现脉动热丝送进。

2.一种基于权利要求1所述的用于机器人的等离子弧双电源双热丝增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）堆敷前，预设工艺参数，并根据构件的几何参数规划堆敷路径，设置焊接程序；

2）机器人（3）携带等离子焊枪（4）到达起焊位置，通过双丝协调器（8）设定送丝机I（6）和送丝机II（7）的送丝速度，通过双丝加热协调控制模块（12）设定加热电源I（11）和加热电源II（13）的加热电流；

3）机器人控制柜（1）发送信号给等离子电源（5），引燃电弧，然后发送信号给双丝协调器（8）和双丝加热协调控制模块（12），送丝机I（6）和送丝机II（7）开始同步送进丝材，同时，加热电源I（11）和加热电源II（13）开始供电，对丝材末端进行加热，然后按照程序开始堆敷；

4）堆敷结束时，机器人控制柜（1）发送信号给双丝协调器（8）和双丝加热协调控制模块（12），送丝机I（6）和送丝机II（7）同时停止送丝，加热电源I（11）和加热电源II（13）停止供电，机器人控制柜（1）发送信号给等离子电源（5），熄灭电弧，准备下一道的堆敷；

5）重复步骤2）-4），直至完成预设形状工件的堆覆。

3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述的加热电源I（11）和加热电源II（13）的电流调节范围为30A-200A。