CN110253014A - 一种金属增材制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属增材制造系统，其大大节约了填充保护气体的时间，提高了金属增材制造过程的工作效率。该系统包括包括增材设备、设备密封箱、第一密封门组件、工件缓存区密封箱、缓存区净化器、缓存区底座、设备底座以及设备净化器；设备密封箱固定安装在设备底座上；工件缓存区密封箱固定安装在缓存区底座上；设备密封箱和工件缓存区密封箱之间通过第一密封门组件连通或隔离；设备密封箱正面设有箱门，箱门上设有多个工作孔；每个工作孔内均安装有操作手套；工件缓存区密封箱的正面设有活动箱门；工件缓存区密封箱内安装工件放置平台；设备净化器、缓存区净化器分别与设备密封箱、工件缓存区密封箱连接；增材设备固定安装在设备底座上。

Description

一种金属增材制造系统

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造系统。

背景技术

金属增材制造系统为运用粉末状金属、丝材金属等可粘合材料，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。

现有的金属增材制造机存在以下：

(1)现有的金属增材制造系统的密封空间大，而金属增材制造系统需要在保护气体的氛围下进行工作，所以经常需要在金属增材制造系统密封空间中填充保护气体，由于其密封空间大，填充保护气所需要时间长，当工件打印完成后，需要打开其箱门，这样在进行加工时，又需要很长时间填充保护气体，大大浪费了加工辅助时间，降低了加工效率；

(2)现有的金属增材制造系统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；

(3)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；

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，提供一种金属增材制造系统，其大大节约了填充保护气体的时间，提高了金属增材制造系统的工作效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供了一种金属增材制造系统，包括增材设备、设备密封箱、第一密封门组件、工件缓存区密封箱、缓存区净化器、缓存区底座、设备底座以及设备净化器；

设备密封箱固定安装在设备底座上；工件缓存区密封箱固定安装在缓存区底座上；工件缓存区密封箱设置在设备密封箱的侧方，且设备密封箱和工件缓存区密封箱之间设有第一密封门组件；

设备密封箱正面设有箱门，箱门上设有多个工作孔；每个工作孔内均安装有操作手套；

工件缓存区密封箱的正面设有活动箱门；工件缓存区密封箱内安装工件放置平台；

设备净化器通过管路与设备密封箱连接；

缓存区净化器通过管路与工件缓存区密封箱连接；

增材设备固定安装在设备底座上。

在零件加工过程中第一密封门组件关闭，设备密封箱和工件缓存区密封箱之间处于相互隔离密封的状态，两个箱体内的气氛互补影响；在零件加工完成后，第一密封门组件开启，操作人员将手穿入工作孔的操作手套内通过手动的方式将零件从增材设备移动到工件放置平台后，再将第一密封门组件关闭，之后打开活动箱门将零件取出，最后，利用设备净化器对在设备密封箱内气氛进行调节，由于上述过程中，设备密封箱内的气氛不会受到太大的破坏，因此设备净化器只需要很短时间就能将设备密封箱内的气氛调整完毕，大大提高了加工效率。

进一步地，上述第一密封门组件包括钢丝、绞盘电机、定滑轮、钢丝绞盘、第一滑板、第一滑轨、挂钩、第一导套、第一滑块、第一气缸、第一导柱、吊钩和第一密封门组成；

绞盘电机、定滑轮均固定安装在设备密封箱顶部，绞盘电机的输出轴上安装钢丝绞盘；

第一滑轨为两个，且沿竖直方向平行安装在设备密封箱侧壁内，第一滑板卡装在两个第一滑轨上，第一滑板的顶部安装挂钩；

钢丝一端固定在钢丝绞盘上，另一端绕过定滑轮后与所述挂钩固连；

第一气缸固定在第一滑板上，其活塞杆与第一密封门连接，活塞杆的移动方向为水平方向；

第一滑板上套装有多个第一导套，所述第一密封门上对应多个第一导套的位置设置多个第一导柱，第一导柱的一端固定安装在第一密封门上，另一端穿入所述第一导套内。

当需要第一密封门组件开启时，首先第一气缸缩回，从而带动第一密封门在第一导柱和第一导套的作用下沿水平方向移动，此时第一密封门与设备密封箱的内侧壁分离，之后绞盘电机开始旋转，从而带动第一滑板、第一密封门竖直向上移动，从而使得第一密封门组件打开，此时设备密封箱与工件缓存区密封箱连通。

当需要第一密封门组件关闭时，绞盘电机开始反向旋转，从而带动第一滑板、第一密封门竖直向下移动，之后第一气缸向外伸出，从而带动第一密封门在第一导柱和第一导套的作用下沿水平方向移动，此时第一密封门与设备密封箱的内侧壁紧密贴合，使得第一密封门组件关闭，此时设备密封箱与工件缓存区密封箱密封隔离。

进一步地，为了确保气密封性，上述设备密封箱侧内壁相对于第一密封门组件的位置上安装有与第一密封门相适配的密封圈。

进一步地，上述设备密封箱上还设有工具箱以及工具箱净化器；

工具箱包括右密封门单元、工具箱本体、左密封门单元、视窗、滚轮、抽板和滑轨；

工具箱本体内部通过右密封门单元与外部隔离/连通，工具箱本体内部通过左密封门单元与所述设备密封箱内部隔离/连通；

工具箱本体的正面安装视窗；

工具箱本体的正面内壁下方以及背面内壁下方均设置有滑轨，两个滑轨之间滑动连接有抽板。

进一步地，上述右密封门单元包括右卡柱、右锁杆、右第一连杆、右第二连杆、右安装支架、右气弹簧、右第三连杆、右轴套、右推力轴承、右旋转把手、右密封门和右螺杆；

右密封门上固定安装右轴套，右螺杆的一端插入所述右轴套内部并与右轴套螺纹连接，右螺杆的另一端通过右推力轴承与所述右旋转把手连接；

右锁杆套装所述右轴套外，其一端设有与所述右卡柱相适配的挂钩，另一端设置右气弹簧以及右固定支架；

右安装支架一端与所述右锁杆铰接，另一端固定在工具箱本体背面上方；

右气弹簧固定端铰接在右安装支架上，活塞端与所述右锁杆连接；

右卡柱固定安装在工具箱本体正面下方；

右第一连杆下端与所述右轴套铰接，右第三连杆的下端铰接与右安装支架与所述右锁杆的铰接点，右第二连杆的两端分别与所述右第一连杆上端、右第三连杆的上端铰接。

进一步地，上述左密封门单元包括左卡柱、左锁杆、左第一连杆、左气弹簧、左第二连杆、左密封门、左第三连杆、左轴套、左螺杆、左旋转把手以及左推力轴；

左密封门上固定安装左轴套，左螺杆的一端插入所述左轴套内部并与左轴套螺纹连接，左螺杆的另一端通过左推力轴承与所述左旋转把手连接；

左锁杆套装所述左轴套外，其一端设有与所述左卡柱相适配的挂钩，另一端设置左气弹簧；

左气弹簧固定端铰接在设备密封箱上，活塞端与所述左锁杆连接；

左卡柱固定安装在设备密封箱；

左第一连杆下端与所述右轴套铰接，左第三连杆的下端铰接与右安装支架与所述左锁杆的铰接点，左第二连杆的两端分别与所述左第一连杆上端、左第三连杆的上端铰接。

进一步地，所述设备密封箱的左侧壁和右侧壁上设有透明材料视窗。

进一步地，为了方便一些大型零件的取放，上述工件缓存区密封箱的顶部设有第三密封门组件；第三密封门组件包括磁耦式无杆气缸、气缸支座、第二滑板、矩管、第二导柱、第二气缸、第二导套和第二密封门，

矩管为两根且分别固定在工件缓存区密封箱的正面顶部以及背面顶部；

每根矩管上均通过气缸支座安装磁耦式无杆气缸，第二滑板安装在两个磁耦式无杆气缸上；

第二气缸固定在第二滑板上，其活塞杆与第二密封门连接，活塞杆的移动方向为竖直方向；

第二滑板上套装有多个第二导套，所述第二密封门上对应多个第二导套的位置设置多个第二导柱，第二导柱的一端固定安装在第二密封门上，另一端穿入所述第二导套内。

当需要第三密封门组件开启时，首先第二气缸缩回(竖直向上移动)，从而带动第二密封门在第二导柱和第二导套的作用下竖直向上移动，此时第二密封门与工件缓存区密封箱的顶部分离，之后磁耦式无杆气缸开始移动，从而带动第而滑板、第二密封门沿水平方向移动，从而使得第三密封门组件打开，此时可以实现大型工件的取放。

当需要第三密封门组件关闭时，磁耦式无杆气缸开始移动，从而带动第而滑板、第二密封门沿水平方向移动，之后第二气缸向外伸出，从而带动第二密封门在第二导柱和第二导套的作用下沿竖直方向向下移动，此时第二密封门与工件缓存区密封箱的顶部紧密贴合，使得第三密封门组件关闭。

进一步地，为了确保气密封性，上述工件缓存区密封箱顶部外壁上相对于第三密封门组件的位置上安装有与第二密封门相适配的密封圈。

进一步地，为了确保打印质量的同时提高打印速度，并且实现打印过程的在线检测，上述增材设备包括机架、X向移动组件、Y向移动组件、Z向移动组件、熔覆组件、摇篮转台以及定位工装；

机架安装在所述设备底座上，机架顶部安装X向移动组件，Y向移动组件安装在X向移动组件上，Z向移动组件安装在Y向移动组件上，熔覆组件安装在Z向移动组件上；

机架中部安装摇篮转台，摇篮转台上安装定位工装；

熔覆组件包括滑板、测量头组件以及相对测量头组件对称设置的两个熔覆头组件；

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Z向溜板上，Z向无杆气缸的活动端安装测量头；

熔覆头组件包括熔覆头气缸、斜导轨以及熔覆头；所述熔覆头气缸与Z向溜板铰接，熔覆头气缸的活塞杆端部铰接熔覆头；斜导轨固定安装在Z向溜板上且与相对于所述Z方向倾斜布置，熔覆头安装在所述斜导轨的滑块上；

进一步地，两个熔覆头优选采用大光斑激光送粉熔覆头、小光斑激光送粉熔覆头、激光送丝熔覆头、等离子送丝熔覆头、送丝焊枪头中任意一种或者任意两种组合。

上述结构工作时：首先，利用X移动组件、Y移动组件、Z移动组件将熔覆组件移动到适当的工位；

然后，选用一个熔覆头，通过熔覆头气缸带动其下落进行打印，当打印完成后将该熔覆头上升；

之后，采用另外一个熔覆头进行打印，当打印完成后将该熔覆头上升；

最后，利用Z向无杆气缸带动测量头下落对工件进行在线的质量检测。

为了进行合理的结构布局，同时确保移动过程中的精准度，上述三个X、Y、Z移动组件的结构和设计理念基本相同，均是采用滚珠丝杠副和直线导轨副组合的移动形式。

进一步地，上述X向移动组件包括X轴溜板、X轴直线导轨、X轴滑块、X轴轴承座、X轴滚珠丝杠副、X轴伺服电机、X轴伺服电机安装座、主动同步带轮、同步齿形带以及从动同步带轮；

X轴直线导轨副为两组，且平行固定安装在机架顶部，X轴溜板滑动连接在在X轴直线导轨副上；

X轴伺服电机通过X轴伺服电机安装座固定在机架的后方；

X轴滚珠丝杠副通过两个X轴轴承座支撑在机架顶部，并且X轴滚珠丝杠副中的螺母X轴溜板固连；

X轴伺服电机通过皮带传动机构将动力传递至X轴滚珠丝杠副。

进一步地，上述Y向移动组件包括Y轴溜板、Y轴直线导轨副、Y轴伺服电机安装座、Y轴伺服电机、Y轴滚珠丝杠副以及Y轴轴承座；

Y轴直线导轨副为两组且平行固定在X轴溜板的顶部，Y轴溜板滑动连接在Y轴直线导轨副上；

Y轴伺服电机通过Y轴伺服电机安装座安装在X轴溜板后方；

Y轴滚珠丝杠副通过Y轴轴承座支撑在X轴溜板内；Y轴滚珠丝杠副中螺母与Y轴溜板固连；

Y轴伺服电机的输出轴通过联轴器将动力传递至Y轴滚珠丝杠副。

进一步地，上述Z向移动组件包括Z轴直线导轨副、Z轴伺服电机安装座、Z轴伺服电机、Z轴滚珠丝杠副以及Z轴轴承座；

Z轴直线导轨副为两组且平行固定在Y轴溜板前方，Z轴溜板滑动连接在Z轴直线导轨副上；

Z轴伺服电机通过Z轴伺服电机安装座安装在Y轴溜板顶部；

Z轴滚珠丝杠副通过Z轴轴承座支撑在Y轴溜板内；Z轴滚珠丝杠副中螺母与Z轴溜板固连；

Z轴伺服电机的输出轴通过联轴器将动力传递至Z轴滚珠丝杠副。

进一步地，设备密封箱内水氧含量为工件缓存区密封箱内水氧含量浓度的1/20～1/100；所述设备密封箱的容积为工件缓存区密封箱容积的8倍以上。

进一步地，为了确保气密封性，上述设备密封箱与设备底座之间设有密封圈；工件缓存区密封箱与缓存区底座之间设有密封圈。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过在设备密封箱的侧方设计一工件缓存区密封箱，并且采用独立的净化器向两个箱体内填充保护气体(氩气)，取放工件时无需开启设备密封箱，仅仅只用开启工件缓存区密封箱的箱门就能实现，设备密封箱的气氛受到的影响较小，通过设备密封箱净化器能够很快的对设备密封箱的气氛进行调节，大大缩短了填充保护气体的时间；并且采用直接利用工作孔和操作手套的方式进行工件在设备密封箱和工件缓存区密封箱之间的转运以及设备维修等工作，无需开启箱门即可实现工件的搬运和设备维修，不仅提高了效率并且也不会对箱体内气氛操作影响。

2、本发明采用两个熔覆头配合测量头工作，既提高打印工作效率，又保证了其打印精度，同时将测量与打印有机结合在一起，实现了在线测量，减少了测量的时间，大大提升了工件加工过程的工作效率，并且两个熔覆组件中熔覆头可选用大光斑激光送粉熔覆头、小光斑激光送粉熔覆头、激光送丝熔覆头、等离子送丝熔覆头、送丝焊枪头中的任意一种或不同形式两两组合，使得该增材设备的增材工艺符合多种不同的工艺要求，应用更加灵活多变，实用性更强。

3、工件缓存区密封箱采用正面的活动箱门和顶部的第二密封箱门组件两种方式，实现了大、小工件的快捷取放，进一步地提高了工作效率。

4、本发明采用绞盘电机和定滑轮构成的起吊组件，配合气缸、导柱、导套组成的压紧密封组件实现了第一密封门组件的开启和关闭，不仅结构简单易于实现，并且这种结构的布局合理，有利于工业上实施。

5、本发明无杆气缸，气缸、导柱、导套组成的滑动组件和压紧密封组件实现了第三密封门组件的开启和关闭，不仅结构简单易于实现，并且这种结构的布局合理，有利于工业上实施。

6、本发明在设备密封箱上还设有工具箱，可通过工作孔和操作手套实现在工具箱内零件的取放，并且工具箱自带工具箱净化器，不仅方便快捷，同时工作过程不会对设备密封箱内气氛造成破坏。

7、本发明在设备密封箱侧内壁上、工件缓存区密封箱顶部外壁上、设备密封箱与设备底座之间、工件缓存区密封箱与缓存区底座之间均设有密封圈，进一步地的确保了整个设备的气密性。

附图说明

图1为本发明的结构轴测图；

图2为本发明的结构主视图；

图3为本发明的结构俯视图；

图4为本发明的结构侧视图；

图5为设备密封箱的结构俯视图；

图6为设备密封箱的结构仰视图；

图7为图5的A向剖视图；

图8为图5的B向剖视图；

图9为工件缓存区密封箱的结构主视图；

图10为工件缓存区密封箱的结构俯视图；

图11为工件缓存区密封箱的结构侧视图；

图12为增材设备的结构主视图；

图13为增材设备的结构俯视图；

图14为增材设备的结构右视图；

图15为图12的A向结构剖视图。

图16为熔覆头组件中两个熔覆头分别为激光送粉熔覆头和焊枪送丝头的组合时的结构示意图；

图17为工具箱的结构主视图；

图18为图17的B向视图；

图19为工具箱的结构右视图；

图20为图19的A处局部放大图；

图21为图19的B-B的结构剖视图；

图22为图21的B处局部放大图；

图23为图18的A-A的结构剖视图；

图24为图23的C处局部放大图；

附图标记如下：

1：设备密封箱，2：工件缓存区密封箱，3：缓存区净化器，4：缓存区底座，5：设备底座，6：设备净化器，7：箱门，8：增材设备；9：工作孔，10：操作手套，11：活动箱门，12：工具箱、13：工具箱净化器；

14：右密封门单元，141：右卡柱，142：右锁杆，143：右第一连杆，145：右第二连杆、146：右安装支架，147：右气弹簧，148：右第三连杆，149：右轴套，150：右推力轴承，151：右旋转把手，153：右密封门，154：右螺杆；

15：工具箱本体；

16：左密封门单元，161：左卡柱，162：左锁杆，163：左第一连杆，164：左气弹簧，165：左第二连杆，166：左密封门，167：左第三连杆，168：左轴套，左169：螺杆，170：左旋转把手，171：左推力轴承，17：视窗，18：滚轮，19：抽板，20：滑轨。

101：箱体本体，102：左视窗，103：右视窗，104：绞盘电机，105：主机箱门，106：定滑轮，107：钢丝绞盘，108：第一滑板，109：第一滑轨，110：挂钩，111：工具箱，112：工具箱净化器，113：第一导套，114：第一滑块，115：第一气缸，116：第一导柱，117：吊钩，118：第一密封门，119：钢丝；

201：缓存区箱体本体，203：磁耦式无杆气缸，204：气缸支座，205：第二滑板，206：矩管，207：第二导柱，208：第二气缸，209：第二导套，210：第二密封门；

801：机架，802：X轴滑块，803：左熔覆头，804：左直线导轨副，805：测量头，806：左升降气缸，807：Z向无杆气缸，808：滑座，809：右升降气缸，810：右熔覆头，811：X轴溜板，812：X轴直线导轨，813：摇篮转台，814：X轴轴承座，815：X轴滚珠丝杠，816：X轴伺服电机，817：X轴伺服电机安装座，818：主动同步带轮，819：同步齿形带，820：从动同步带轮，821：Y轴滑块，822：Z轴滑块，823：Z轴直线导轨，824：Y轴溜板，，826：Y轴直线导轨，827：Y轴伺服电机安装座，828：Y轴伺服电机，829：Y轴螺母，830：Y轴轴承座，831：Z轴螺母，832：Z轴伺服电机安装座，833：Z轴伺服电机，834：Z轴滚珠丝杠，835：Z轴溜板，836：Y轴滚珠丝杠，837：右直线导轨副，838：定位工装。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

图1～图4给出了金属增材制造系统的基本结构：

该系统包括设备密封箱1、工件缓存区密封箱2、缓存区净化器3、缓存区底座4、第一密封门组件、设备底座5、设备净化器6以及增材设备8；

设备密封箱1底部固定安装在设备底座5上且设备密封箱1底面与设备底座5顶面之间安装有密封圈；缓存区底座4安装在设备底座5左侧，工件缓存区密封箱2固定安装在缓存区底座4上且工件缓存区密封箱2底面与缓存区底座4顶面之间安装有密封圈；设备密封箱1与工件缓存区密封箱2之间设有第一密封门组件，通过第一密封门组件实现设备密封箱1和工件缓存区密封箱2之间的连通/隔离。设备密封箱1正面设有7箱门，箱门7上设有多个工作孔9；每个工作孔9内均安装有操作手套10；设备净化器6和缓存区净化器3分别用于向设备密封箱1、工件缓存区密封箱2内填充保护气体，使两个水氧含量处于技术指标内(设备净化器6和缓存区净化器3均为现有设备，此处结构不再赘述)。

工件缓存区密封箱2的正面设有活动箱门11；工件缓存区密封箱11内设置有工件放置平台；

工件缓存区密封箱2内水氧含量大于设备密封箱1内水氧含量浓度，一般优选的比例为1/20～1/100；

设备净化器6安装在设备底座5右侧且设备净化器6通过管路与设备密封箱1连接；缓存区净化器3通过管路与工件缓存区密封箱2连接；增材设备8固定安装在设备底座5上；

该金属增材制造系统的基本工作原理如下：

开机时，通过设备净化器6向设备密封箱1内填充保护气体，从而置换设备密封箱1内空气使其内部水氧含量浓度都达到要求；通过缓存区净化器3向工件缓存区密封箱2填充保护气体置换工件缓存区密封箱2内空气使其内部水氧含量浓度都达到要求，确保设备密封箱1内水氧含量浓度大于工件缓存区密封箱2内水氧含量浓度；工件的取放通过工件缓存区密封箱2来实现的，设备密封箱1和工件缓存区密封箱2之间安装有第一密封门组件来实现设备密封箱1和工件缓存区密封箱2的连通、隔离；

具体的操作步骤是：

首先，将两个密封箱内的气氛通过净化器进行净化，然后开始进行增材打印，在此过程中第一密封门组件关闭，设备密封箱1和工件缓存区密封箱2之间处于相互隔离密封的状态，两个箱体内的气氛互不影响；在零件加工完成后，第一密封门组件开启，操作人员将手穿入工作孔9的操作手套10内通过手动的方式将零件从增材设备8移动到工件放置平台后，再将第一密封门组件关闭；之后打开活动箱门11将零件取出，再关闭活动箱门11；最后，再次利用设备净化器6和缓存区净化器3对设备密封箱1和工件缓存区密封箱2内气氛进行调节，由于上述过程中，设备密封箱1内的气氛不会受到太大的破坏，因此设备净化器6只需要很短时间就能将设备密封箱1内的气氛调整完毕，大大提高了加工效率。

基于系统基本结构和原理的介绍，本实施例还提供了上述的系统中部分组件的具体结构实例以及一些优化设计：

设备密封箱的具体结构示例

如图5-8所示，本例中第一密封门组件设置在设备密封箱内，其具体结构是：设备密封箱1包括设备箱本体101、左视窗102、右视窗103、绞盘电机104、箱门105、定滑轮106、钢丝绞盘107、第一滑板108、第一滑轨109、挂钩110、第一导套113、第一滑块114、第一气缸115、第一导柱116、吊钩117以及第一密封门118和钢丝119；

设备箱本体101顶部外表面安装有吊钩117，主机设备箱本体101左侧面上设有有左视窗102，右侧面上设有右视窗103(左视窗102和右视窗103均由透明材料制成)；

绞盘电机104、定滑轮106均固定安装在设备箱本体101内顶面上，钢丝绞盘107安装在绞盘电机104输出轴上；

箱门105安装在设备箱本体101正面，第一滑轨109为两个，且沿竖直方向平行设置在设备密封箱侧壁内，第一滑块114卡装在第一滑轨109上，第一滑板108固定安装在第一滑块114上；挂钩110安装在第一滑板108顶端；

钢丝119一端固定在钢丝绞盘107上，另一端绕过定滑轮106后与所述挂钩110固连；

第一气缸115固定在第一滑板108上，其活塞杆与第一密封门118连接，活塞杆的移动方向为水平方向；第一滑板108上套装有多个第一导套113，第一密封门118上对应多个第一导套113的位置设置多个第一导柱116，第一导柱116的一端固定安装在第一密封门118上，另一端穿入所述第一导套113内。本示例提供了上述采用绞盘电机和定滑轮构成的起吊组件，配合气缸、导柱、导套组成的压紧密封组件实现了第一密封门组件的开启和关闭，不仅结构简单易于实现，并且这种结构的布局合理，有利于工业上实施。

第一密封门组件在设备密封箱内的动作原理是：

当需要第一密封门组件开启时，首先第一气缸115缩回，从而带动第一密封门118在第一导柱116和第一导套113的作用下沿水平方向移动，此时第一密封门118与设备箱本体101的内侧壁分离，之后绞盘电机104开始旋转，从而带动第一滑板108、第一密封门118沿竖直向上移动，从而使得第一密封门组件打开，此时设备密封箱1与工件缓存区密封箱2连通。

当需要第一密封门组件关闭时，绞盘电机104开始反向旋转，从而带动第一滑板108、第一密封门118竖直向下移动，之后第一气缸115向外伸出，从而带动第一密封门118在第一导柱116和第一导套113的作用下沿水平方向移动，此时第一密封门118与设备箱本体101的内侧壁紧密贴合，使得第一密封门组件关闭，此时设备密封箱1与工件缓存区密封箱2密封隔离。

优选地，如图17至图24所示，在本设备密封箱实例中，设备密封箱1上还设有工具箱12以及工具箱净化器13；

工具箱12包括右密封门单元14、工具箱本体15、左密封门单元16、视窗17、滚轮18、抽板19和滑轨20；所述右密封门单元14安装在工具箱本体15的右侧面上，左密封门单元16安装在工具箱本体15的左侧面上；工具箱本体15的正面上设有视窗17，工具箱净化器13固定安装在工具箱本体15的顶端且工具箱净化器13与工具箱本体15相通，滑轨20固定安装在工具箱本体15内壁的前侧面和后侧面上，抽板19通过滚轮18滑动安装于两个滑轨20上。

右密封门单元14和左密封门单元16的结构形式多样，本实施例中给出了如下的结构形式：

如图19,图21和图22所示，右密封门单元14包括右卡柱141、右锁杆142、右第一连杆143、右第二连杆145、右安装支架146、右气弹簧147、右第三连杆148、右轴套149、右推力轴承150、右旋转把手151、右密封门153和右螺杆154；

右密封门153上固定安装右轴套149，右螺杆154的一端插入所述右轴套149内部并与右轴套149螺纹连接，右螺杆154的另一端通过右推力轴承150与所述右旋转把手151连接；

右锁杆142套装所述右轴套149外，其一端设有与所述右卡柱141相适配的挂钩，另一端设置右气弹簧147以及右固定支架146；

右安装支架146一端与所述右锁杆142铰接，另一端固定在工具箱本体15背面上方；

右气弹簧147固定端铰接在右安装支架146上，活塞端与所述右锁杆142连接；

右卡柱141固定安装在工具箱本体15正面下方；

右第一连杆143下端与所述右轴套149铰接，右第三连杆148的下端铰接与右安装支架146和所述右锁杆142的铰接点，右第二连杆145的两端分别与所述右第一连杆143上端、右第三连杆148的上端铰接(右第一连杆143、右第二连杆145、右第三连杆148以及右锁杆142构成一个四连杆机构)。

优选的，如图18,图23和图24所示，左密封门单元16的结构与右密封门单元14的结构基本类似，其包括左卡柱161、左锁杆162、左第一连杆163、左气弹簧164、左第二连杆165、左密封门166、左第三连杆167、左轴套168、左螺杆169、左旋转把手170以及左推力轴承171；

左密封门166上固定安装左轴套168，左螺杆169的一端插入所述左轴套168内部并与左轴套168螺纹连接，左螺杆169的另一端通过左推力轴承171与所述左旋转把手170连接；

左锁杆162套装所述左轴套168外，其一端设有与所述左卡柱161相适配的挂钩，另一端设置左气弹簧164；

左气弹簧164固定端铰接在设备密封箱1的内壁上，活塞端与所述左锁杆162连接；

左卡柱161固定安装在设备密封箱的内壁上；

左第一连杆163下端与所述右轴套168铰接，左第三连杆167的下端铰接与所述左锁杆162，左第二连杆165的两端分别与所述左第一连杆163上端、左第三连杆167的上端铰接(左第一连杆163、左第二连杆165、左第三连杆167以及左锁杆162构成一个四连杆机构)。

工具密封箱动作原理：当需要将工具放置在工具箱本体15内时，此时右密封门单元14位于打开状态，即位于图19中所示位置，此时拉出抽板19，将所需工具放置在抽板19上，然后将抽板19推进到工具箱本体15内；然后，逆时针转动右锁杆142至右锁杆142卡在右卡柱141上，此时右密封门153盖在工具箱本体15右侧门窗口上；然后转动右旋转把手151，此时右螺杆154旋进到右轴套149内并将右密封门153紧压在工具箱本体15右侧面上且工具箱本体15右侧面与右密封门163之间安装有密封圈，从而实现完全密封；同时启动工具箱净化器13对工具箱本体15进行净化至所需条件即可；

当需要拿取工具箱本体15内的工具时，此时左密封门单元16位于关闭状态；此时转动左旋转把手170，此时左螺杆169从左轴套168内旋出并带动左密封门166脱离工具箱本体15左侧面上；然后转动左锁杆162将左锁杆162脱离左卡柱161，使得左锁杆161位于图18中所示位置；然后拉出抽板19，取出所需工具，然后将抽板19推进到工具箱本体15内，即完成工具的拿取操作；然后，转动左锁杆162至左锁杆162卡在左卡柱161上，此时左密封门166盖在工具箱本体15左侧门窗口上；然后转动左旋转把手170，此时左螺杆169旋进到左轴套168内并将左密封门166紧压在工具箱本体15左侧面上且工具箱本体15左侧面与左密封门166之间安装有密封圈，从而实现完全密封。

工件缓存区密封箱的具体结构示例

如图9-11所示，工件缓存区密封箱2包括缓存箱本体201、活动箱门11以及第三密封面组件；第三密封面组件包括磁耦式无杆气缸203、气缸支座204、第二滑板205、矩管206、第二导柱207、第二气缸208、第二导套209和第二密封门210；

缓存箱本体201的正面安装有活动箱门11(活动箱门用于对小型工件进行取放)，缓存箱本体201正面顶部以及背面顶部都安装有矩管206，磁耦式无杆气缸203两端都通过气缸支座204固定安装在矩管206顶部，第二滑板205安装在磁耦式无杆气缸203的滑块上，第二导套209固定安装在第二滑板205上的安装孔里，第二导柱207一端固定安装在第二密封门210上，第二导柱207另一端安装在第二导套209的中心孔里，第二气缸208固定安装在第二滑板205上且第二气缸208活塞杆末端安装在第二密封门210上。本示例提供了无杆气缸，第二气缸、第二导柱、第二导套组成的滑动组件和压紧密封组件实现了第三密封门组件的开启和关闭，不仅结构简单易于实现，并且这种结构的布局合理，有利于工业上实施。

第三密封门组件在工件缓存区密封箱上的动作原理是：

当需要第三密封门组件开启时，首先第二气缸208缩回(竖直向上移动)，从而带动第二密封门210在第二导柱207和第二导套209的作用下竖直向上移动，此时第二密封门210与缓存箱本体201的顶部分离，之后磁耦式无杆气缸203开始移动，从而带动第二滑板205、第二密封门210沿水平方向移动，从而使得第三密封门组件打开，此时可以实现大型工件的取放。

当需要第三密封门组件关闭时，磁耦式无杆气缸203开始移动，从而带动第二滑板205、第二密封门210沿水平方向移动，之后第二气缸208向外伸出，从而带动第二密封门210在第二导柱207和第二导套209的作用下沿竖直方向向下移动，此时第二密封门210与缓存箱本体201顶部紧密贴合，使得第三密封门组件关闭。

增材设备的具体结构示例

本发明的设备密封箱内的增材设备可以是多种不同类型的增材设备，为了提升打印的工作效率，同时实现打印过程的在线测量，本示例提供一下增材设备的结构：

如图12-15所示，该增材设备8包括机架801、X向移动组件、Y向移动组件、Z向移动组件、熔覆组件、摇篮转台813以及定位工装838；

机架801安装在所述设备底座5上，机架801顶部安装X向移动组件，Y向移动组件安装在X向移动组件上，Z向移动组件安装在Y向移动组件上，熔覆组件安装在Z向移动组件上；

机架801中部安装摇篮转台813，摇篮转台813上安装定位工装838；

上述三个X、Y、Z移动组件的结构形式有多种，为了使设备的结构布局合理，便于控制，本例中X、Y、Z移动组件的结构形式基本相同，均是采用滚珠丝杠副和直线导轨副组合的移动形式。

具体结构是：

X向移动组件包括X轴滑块802、X轴溜板811、X轴直线导轨812、X轴轴承座814、X轴滚珠丝杠815、X轴伺服电机816、X轴伺服电机安装座817、主动同步带轮818、同步齿形带819、从动同步带轮820、X轴螺母825；

X轴直线导轨812固定安装在机架801顶部，X轴滑块802安装在X轴直线导轨812上，X轴溜板811固定安装在X轴滑块802上；X轴伺服电机816安装在X轴伺服电机安装座817上，X轴伺服电机安装座817安装在机架801后方，主动同步带轮818安装在X轴伺服电机816输出轴上，从动同步带轮820固定安装在X轴滚珠丝杠815右端，同步齿形带819安装在主动同步带轮818和从动同步带轮820上，X轴滚珠丝杠815两端通过轴承安装在X轴轴承座814上，X轴轴承座814固定安装在机架801顶部，X轴螺母825固定安装在X轴溜板811上且X轴螺母825安装在X轴滚珠丝杠815上。

Y向移动组件包括Y轴滑块821、Z轴滑块822、Z轴直线导轨823、Y轴溜板824、Y轴直线导轨826、Y轴伺服电机安装座827、Y轴伺服电机828、Y轴螺母829、Y轴轴承座830以及Y轴滚珠丝杠836；

Y轴滑块821固定安装在X轴溜板811顶面上，且Y轴滑块821安装在Y轴直线导轨826上，Y轴直线导轨826固定安装在Y轴溜板824上，Y轴伺服电机828安装在Y轴伺服电机安装座827上，Y轴伺服电机安装座827固定安装在X轴溜板811后侧面上，Y轴滚珠丝杠836后端通过联轴器与Y轴伺服电机828输出轴连接且Y轴滚珠丝杠836前端通过轴承安装在Y轴轴承座830上，Y轴轴承座830固定安装在X轴溜板811内，Y轴螺母825固定安装在Y轴溜板824上且Y轴螺母825安装在Y轴滚珠丝杠836上。

Y向移动组件包括Z轴滑块822、Z轴螺母831、Z轴伺服电机安装座832、Z轴伺服电机833、Z轴滚珠丝杠834以及Z轴溜板835；

Z轴伺服电机833安装在Z轴伺服电机安装座832上，Z轴伺服电机安装座832固定安装在Y轴溜板824的顶面上，Z轴滑块822固定安装在Y轴溜板824前侧面上且Z轴滑块822安装在Z轴直线导轨823上；

Z轴直线导轨823固定安装在Z轴溜板835的后表面，Z轴滚珠丝杠834顶端通过联轴器与Z轴伺服电机833输出轴连接。

在Z轴溜板835的前表面安装熔覆组件；

熔覆组件包括测量头组件以及相对测量头组件对称设置的左熔覆头组件和右熔覆头组件；

测量头组件包括Z向无杆气缸807以及测量头805；Z向无杆气缸807安装在Z向溜板835上，且位于Z向溜板835中部，Z向无杆气缸807的活动端安装测量头805；

左熔覆头组件包括左熔覆头803、左侧直线导轨副804以及左升降气缸806；右熔覆头组件包括右熔覆头810、右侧直线导轨副804以及右升降气缸809；

左侧直线导轨副804和右侧直线导轨副837均对称安装在Z轴溜板836上，且左侧直线导轨副804和右侧直线导轨副837均相对于Z向移动方向倾斜设置；

左熔覆头803安装在左侧直线导轨副804上，右熔覆头810安装在右侧直线导轨副837上；

左升降气缸806的一端与Z轴溜板836铰接，左升降气缸806活塞杆与左熔覆头803铰接；

右升降气缸809的一端与Z轴溜板836铰接，右升降气缸809的活塞杆与右熔覆头810铰接。

需要说明的是：为了满足各种不同增材熔覆工艺，左熔覆头803和右熔覆头810可选用大光斑激光送粉熔覆头、小光斑激光送粉熔覆头、激光送丝熔覆头、等离子送丝熔覆头、送丝焊枪头中任意一种或任意两种组合。如图19所示，左熔覆头803和右熔覆头810分别采用了激光送粉熔覆头和送丝焊枪头的组合结构形式。本实施例中选用大光斑激光送粉熔覆头和小光斑激光送粉熔覆头的组合。

熔覆组件的工作原理是：

该组件工作时：

首先，利用X移动组件、Y移动组件、Z移动组件将熔覆组件移动到适当的工位；

然后，选用一个打印宽度较大的大光斑激光送粉熔覆头作为右熔覆头810，通过右升降气缸809带动其下落进行打印，当打印完成后将右熔覆头810上升；

之后，采用打印宽度较细的小光斑激光送粉熔覆头作为左熔覆头803进行打印，当打印完成后将左熔覆头803上升；

最后，利用Z向无杆气缸807带动测量头805下落对工件进行在线的质量检测。

优化设计

1、设备密封箱1容积为工件缓存区密封箱2容积的8倍以上。这样设备密封箱容积大，工件缓存区密封箱容积小，取放工件时工件缓存区密封箱与设备密封箱进行气体交换，这样设备密封箱净化时所需时间大大缩短，而且也不至于影响设备密封箱内气体氛围的浓度，以至于不影响工件的打印效果。

2、为了进一步的确保系统的气密性，在设备箱本体101内壁上、缓存箱本体201顶部外壁上、设备密封箱1与设备底座5之间、工件缓存区密封箱2与缓存区底座4之间均设有密封圈。

3、上述第一导套、第二导套的优选方式采用外购的滚珠导套；

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 (16)

1.一种金属增材制造系统，其特征在于：

包括增材设备、设备密封箱、第一密封门组件、工件缓存区密封箱、缓存区净化器、缓存区底座、设备底座以及设备净化器；

设备密封箱固定安装在设备底座上；工件缓存区密封箱固定安装在缓存区底座上；工件缓存区密封箱设置在设备密封箱的侧方，且设备密封箱和工件缓存区密封箱之间设有第一密封门组件；

设备密封箱正面设有箱门，箱门上设有多个工作孔；每个工作孔内均安装有操作手套；

工件缓存区密封箱的正面设有活动箱门；工件缓存区密封箱内安装工件放置平台；

设备净化器通过管路与设备密封箱连接；

缓存区净化器通过管路与工件缓存区密封箱连接；

增材设备固定安装在设备底座上。

2.根据权利要求1所述的金属增材制造系统，其特征在于：

所述第一密封门组件包括钢丝、绞盘电机、定滑轮、钢丝绞盘、第一滑板、第一滑轨、挂钩、第一导套、第一滑块、第一气缸、第一导柱、吊钩和第一密封门组成；

绞盘电机、定滑轮均固定安装在设备密封箱顶部，绞盘电机的输出轴上安装钢丝绞盘；

第一滑轨为两个，且沿竖直方向平行设置在设备密封箱侧壁内，第一滑板卡装在两个第一滑轨上，第一滑板的顶部安装挂钩；

钢丝一端固定在钢丝绞盘上，另一端绕过定滑轮后与所述挂钩固连；

第一气缸固定在第一滑板上，其活塞杆与第一密封门连接，活塞杆的移动方向为水平方向；

第一滑板上套装有多个第一导套，所述第一密封门上对应多个第一导套的位置设置多个第一导柱，第一导柱的一端固定安装在第一密封门上，另一端穿入所述第一导套内。

3.根据权利要求2所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述设备密封箱侧内壁相对于第一密封门组件的位置上安装有与第一密封门相适配的密封圈。

4.根据权利要求3所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述设备密封箱上还设有工具箱以及工具箱净化器；

工具箱包括右密封门单元、工具箱本体、左密封门单元、视窗、滚轮、抽板和滑轨；

工具箱本体内部通过右密封门单元与外部隔离/连通，工具箱本体内部通过左密封门单元与所述设备密封箱内部隔离/连通；

工具箱本体的正面安装视窗；

工具箱本体的正面内壁下方以及背面内壁下方均设置有滑轨，两个滑轨之间滑动连接有抽板。

5.根据权利要求4所述的金属增材制造系统，其特征在于：

所述右密封门单元包括右卡柱、右锁杆、右第一连杆、右第二连杆、右安装支架、右气弹簧、右第三连杆、右轴套、右推力轴承、右旋转把手、右密封门和右螺杆；

右密封门上固定安装右轴套，右螺杆的一端插入所述右轴套内部并与右轴套螺纹连接，右螺杆的另一端通过右推力轴承与所述右旋转把手连接；

右锁杆套装所述右轴套外，其一端设有与所述右卡柱相适配的挂钩，另一端设置右气弹簧以及右固定支架；

右安装支架一端与所述右锁杆铰接，另一端固定在工具箱本体背面上方；

右气弹簧固定端铰接在右安装支架上，活塞端与所述右锁杆连接；

右卡柱固定安装在工具箱本体正面下方；

右第一连杆下端与所述右轴套铰接，右第三连杆的下端铰接与右安装支架与所述右锁杆的铰接点，右第二连杆的两端分别与所述右第一连杆上端、右第三连杆的上端铰接。

6.根据权利要求4所述的金属增材制造系统，其特征在于：

左密封门单元包括左卡柱、左锁杆、左第一连杆、左气弹簧、左第二连杆、左密封门、左第三连杆、左轴套、左螺杆、左旋转把手以及左推力轴；

左密封门上固定安装左轴套，左螺杆的一端插入所述左轴套内部并与左轴套螺纹连接，左螺杆的另一端通过左推力轴承与所述左旋转把手连接；

左锁杆套装所述左轴套外，其一端设有与所述左卡柱相适配的挂钩，另一端设置左气弹簧；

左气弹簧固定端铰接在设备密封箱上，活塞端与所述左锁杆连接；

左卡柱固定安装在设备密封箱；

左第一连杆下端与所述右轴套铰接，左第三连杆的下端铰接与右安装支架与所述左锁杆的铰接点，左第二连杆的两端分别与所述左第一连杆上端、左第三连杆的上端铰接。

7.根据权利要求4所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述设备密封箱的左侧壁和右侧壁上设有透明材料视窗。

8.根据权利要求1至5任一权利要求所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述工件缓存区密封箱的顶部设有第三密封门组件；第三密封门组件包括磁耦式无杆气缸、气缸支座、第二滑板、矩管、第二导柱、第二气缸、第二导套和第二密封门，

矩管为两根且分别固定在工件缓存区密封箱的正面顶部以及背面顶部；

每根矩管上均通过气缸支座安装磁耦式无杆气缸，第二滑板安装在两个磁耦式无杆气缸上；

第二气缸固定在第二滑板上，其活塞杆与第二密封门连接，活塞杆的移动方向为竖直方向；

第二滑板上套装有多个第二导套，所述第二密封门上对应多个第二导套的位置设置多个第二导柱，第二导柱的一端固定安装在第二密封门上，另一端穿入所述第二导套内。

9.根据权利要求8所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述工件缓存区密封箱顶部外壁上相对于第三密封门组件的位置上安装有与第二密封门相适配的密封圈。

10.根据权利要求9所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述增材设备由机架、X向移动组件、Y向移动组件、Z向移动组件、熔覆组件、摇篮转台以及定位工装；

机架安装在所述设备底座上，机架顶部安装X向移动组件，Y向移动组件安装在X向移动组件上，Z向移动组件安装在Y向移动组件上，熔覆组件安装在Z向移动组件上；

机架中部安装摇篮转台，摇篮转台上安装定位工装；

熔覆组件包括滑板、测量头组件以及相对测量头组件对称设置的两个熔覆头组件；

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Z向溜板上，Z向无杆气缸的活动端安装测量头；

熔覆头组件包括熔覆头气缸、斜导轨以及熔覆头；所述熔覆头气缸与Z向溜板铰接，熔覆头气缸的活塞杆端部铰接熔覆头；斜导轨固定安装在Z向溜板上且与相对于所述Z方向倾斜布置，熔覆头安装在所述斜导轨的滑块上。

11.根据权利要求10所述的金属增材制造系统，其特征在于：

两个熔覆头为大光斑激光送粉熔覆头、小光斑激光送粉熔覆头、激光送丝熔覆头、等离子送丝熔覆头、焊枪送丝头中任意一种或任意两种组合。

12.根据权利要求11所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述X向移动组件包括X轴溜板、X轴直线导轨、X轴滑块、X轴轴承座、X轴滚珠丝杠副、X轴伺服电机、X轴伺服电机安装座、主动同步带轮、同步齿形带以及从动同步带轮；

X轴直线导轨副为两组，且平行固定安装在机架顶部，X轴溜板滑动连接在在X轴直线导轨副上；

X轴伺服电机通过X轴伺服电机安装座固定在机架的后方；

X轴滚珠丝杠副通过两个X轴轴承座支撑在机架顶部，并且X轴滚珠丝杠副中的螺母X轴溜板固连；

X轴伺服电机通过皮带传动机构将动力传递至X轴滚珠丝杠副。

13.根据权利要求12所述的金属增材制造系统，其特征在于：

所述Y向移动组件包括Y轴溜板、Y轴直线导轨副、Y轴伺服电机安装座、Y轴伺服电机、Y轴滚珠丝杠副以及Y轴轴承座；

Y轴直线导轨副为两组且平行固定在X轴溜板的顶部，Y轴溜板滑动连接在Y轴直线导轨副上；

Y轴伺服电机通过Y轴伺服电机安装座安装在X轴溜板后方；

Y轴滚珠丝杠副通过Y轴轴承座支撑在X轴溜板内；Y轴滚珠丝杠副中螺母与Y轴溜板固连；

Y轴伺服电机的输出轴通过联轴器将动力传递至Y轴滚珠丝杠副。

14.根据权利要求13所述的金属增材制造系统，其特征在于：

所述Z向移动组件包括Z轴直线导轨副、Z轴伺服电机安装座、Z轴伺服电机、Z轴滚珠丝杠副以及Z轴轴承座；

Z轴直线导轨副为两组且平行固定在Y轴溜板前方，Z轴溜板滑动连接在Z轴直线导轨副上；

Z轴伺服电机通过Z轴伺服电机安装座安装在Y轴溜板顶部；

Z轴滚珠丝杠副通过Z轴轴承座支撑在Y轴溜板内；Z轴滚珠丝杠副中螺母与Z轴溜板固连；

Z轴伺服电机的输出轴通过联轴器将动力传递至Z轴滚珠丝杠副。

15.根据权利要求14所述的金属增材制造系统，其特征在于：设备密封箱内水氧含量为工件缓存区密封箱内水氧含量浓度的1/20～1/100；设备密封箱的容积为工件缓存区密封箱容积的8倍以上。

16.根据权利要求5所述的金属增材制造系统，其特征在于：所述设备密封箱与设备底座之间设有密封圈；工件缓存区密封箱与缓存区底座之间设有密封圈。