CN111041479B - 快速等离子双送丝随动控制系统及其控制方法 - Google Patents
快速等离子双送丝随动控制系统及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种快速等离子双送丝随动控制系统，包括送丝机，等离子枪，安装在等离子枪两侧的送丝枪，等离子枪连着等离子电源；旋转电机的正负限位传感器以及零位传感器通过导线和计算机连接，用于确定旋转电机的运动范围。本发明还公开了的快速等离子双送丝随动控制系统的控制方法。本发明的快速等离子双送丝随动控制系统，双路送丝的同时可自动调节送丝角度；可以在3D打印过程中自动修正送丝路径，有效提高了设备的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于快速等离子熔融沉积技术领域，涉及一种高效率双送丝随动控制系统，本发明还涉及上述双送丝随动控制系统的控制方法。
背景技术
快速等离子熔融沉积技术(Rapid Plasma Deposition，RPD)是利用等离子弧作为能量源，在基材上形成稳定熔池，同时将送入熔池的金属丝材熔化，进而沉积凝固成形。等离子弧和电子束、激光同属为高能束，但等离子弧相较于电子束和激光的成本低，且比自由态电弧的能量密度高、刚直性好，因而近年来被各研究机构和企业用于金属构件的低成本快速制造。但由于等离子弧熔融沉积技术的热输入量大，熔池尺寸大，单层的沉积高度也相对其他技术较高，这就导致其成形构件的精度低，表面质量差，易产生缺陷。其次，在进行零件的等离子熔融沉积成形前，需要进行切片分层处理，且切片层厚和路径已设为定值，而在沉积成形过程中，因为送丝枪将丝送入熔池的角度是固定不变的，在不同方向的沉积宽度和沉积高度与理论设计有一定的偏差，且随处则沉积过程的进行，该偏差不断累积放大，最终导致沉积过程无法进行，甚至造成零件的报废。因此，需要对金属零件的快速熔融沉积过程中送丝角度进行实时调整，根据路径的变化进行补偿，并与理论设计进行对比，从而形成闭环反馈，保证沉积过程的顺利进行。
目前，针对等离子弧熔融沉积成形过程中的送丝角度控制，国内外普遍采用手动控制模式，由技术人员对成形状态进行判断和分析，手动调整送丝角度保证成形质量。但是，由于受等离子强烈弧光的影响，熔池状态很难通过工业相机观察清楚，及时增加滤镜对弧光波长进行过滤，由于成形零件尺寸大，形状复杂，也难以清晰的观察到每一个成形部位。其次，技术人员只能通过观察已成形的表面质量来进行手动补偿，对已发生的偏差进行修正，无法达到精确控制的目的，且对人员的操作要求苛刻。
发明内容
本发明目的是提供的是一种快速等离子双送丝随动控制系统，送丝的同时可以自动调节送丝角度，解决了现有技术中存在的因为送丝角度不可变，造成不同方向送丝沉积宽度和高度不一致的问题。
本发明的另一个目的是提供了上述快速等离子双送丝随动控制系统的控制方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，快速等离子双送丝随动控制系统，包括设置在伺服电机左右两侧的送丝机b和送丝机a，伺服电机下方连接有旋转电机，旋转电机下方设置有固定板和等离子枪、等离子枪位于旋转电机中心位置、固定板位于等离子枪后方；
在固定板的两端、等离子枪的两侧对称设置有一对竖直导轨，在两个竖直导轨上分别设置有滑块b和滑块a，滑块b上安装着转角电机b、转角电机b上安装着送丝枪b；滑块a上安装着转角电机a、转角电机a上安装着送丝枪a；
送丝机b为送丝枪b送丝，送丝机a为送丝枪a送丝；等离子枪连着等离子电源；
旋转电机上还设置有用于控制旋转电机旋转角度的限位装置，限位装置通过导线和计算机连接，旋转电机的侧壁上还标记有初始标定位置，旋转电机所在位置就是初始标定位置的对应位置；
伺服电机、送丝机b和送丝机a均设置在三坐标数控机床上。
本发明的特点还在于，
限位装置包括正限位传感器、零位传感器和负限位传感器，正限位传感器、零位传感器和负限位传感器均设置在旋转电机顶部固定盖边缘位置，正限位传感器、负限位传感器和零位传感器通过导线和计算机连接。
正限位传感器、零位传感器和负限位传感器均通过设置在旋转电机顶部固定盖上的支架固定。
负限位传感器和正限位传感器用于限定旋转电机的运动最大范围，零位传感器作为标定位置。
本发明所采用的第二种技术方案是，快速等离子双送丝随动控制系统的控制方法，具体如下：
步骤1，先调节两个滑块的上下位置，将两个送丝枪移动到等离子枪底部附件，再通过两个转角电机分别调整两个送丝枪的角度；
步骤2，计算机初始化双送丝枪送丝系统、导入双送丝枪送丝系统运行轨迹的剖分程序，根据运行轨迹在计算机上设定旋转电机的运行速度v、偏置位置p1、极限位置p2；
步骤3，计算机控制旋转电机自动旋转至零位传感器所在位置，使旋转电机当前角度为；
步骤4，将D打印程序导入计算机，整个系统开启打印，等离子枪输出熔池，送丝枪a和送丝枪b开始对熔池送丝，计算机通过控制旋转电机自动旋转，使送丝枪a和送丝枪b始终处于运行轨迹的法线相切角度；
步骤5，计算机判断旋转电机是否旋转到极限位置p2，如果到达极限位置p2或正限位传感器和负限位传感器所在位置，整个系统暂停，等离子枪和两个送丝机都处于暂停状态，旋转电机自动旋转到零位传感器的位置，将当前旋转角度归零；
步骤6，计算机根据暂停前的运动轨迹重新计算出旋转电机相对于剖分路径最短的法线相切角度，控制旋转电机进行旋转，达到新的偏置角度，整个运动机构开始重新启动，等离子枪和两个送丝机开始运行，送丝枪a和送丝枪b开始送丝，直到零件打印完成。
本发明的特点还在于，
旋转电机的旋转方向始终跟3D打印程序轨迹成法线相切。
旋转电机在旋转时，当达到设定角度或者正限位传感器和负限位传感器所在位置，等离子枪停止运行，送丝枪b和送丝枪a停止送丝，送丝机a和送丝机b停止运行，旋转电机自动回到零位传感器所在位置；
当旋转电机回到零位传感器所在位置后，计算机重新计算当前的偏转角度，使旋转电机相对于剖分路径最短的法线相切角度进行旋转，转到偏转角度后，送丝机a和送丝机b开始运行分别为送丝枪a和送丝枪b送丝，等离子枪开始运行，整个运行机构按照计算机预设的剖分路径运行。
本发明的有益效果是，本发明的双送丝随动系统双路送丝的同时可利用转角电机自动调节送丝角度，由于正负限位传感器及零位传感器对旋转电机旋转角度的感应，实现在3D打印中自动修正送丝路径，有效提高了设备的工作效率。
附图说明
图1是本发明快速等离子双送丝随动控制系统的结构示意图；
图2是本发明等离子双送丝随动系统的运行轨迹示意图；
图3是本发明等离子双送丝随动系统的控制方法的流程图；
图1中，1.送丝机b，2.伺服电机，3.送丝机a，4.正限位传感器，5.零位传感器，6.负限位传感器，7.旋转电机，8.滑块a，9.转角电机a，10.送丝枪a，11.等离子枪，12.送丝枪b，13.转角电机b，14.滑块b。
具体实施方式
本发明的等离子双送丝随动系统，如图1所示，整个送丝系统分左右双丝系统，包括设置在伺服电机2左右两侧的送丝机b1和送丝机a3，伺服电机2下方连接有旋转电机7，旋转电机7下方设置有固定板和等离子枪11、等离子枪11位于旋转电机7中心位置、固定板位于等离子枪11后方；
在固定板的两端、等离子枪11的两侧对称设置有一对竖直导轨，在两个竖直导轨上分别设置有滑块b14和滑块a8，滑块b14上安装着转角电机b13、转角电机b13上安装着送丝枪b12；滑块a8上安装着转角电机a9、转角电机a9上安装着送丝枪a10；
本发明的转角电机自由调整送丝枪的角度、实现送丝角度的任意调整。
送丝机b1为送丝枪b12送丝，送丝机a3为送丝枪a10送丝；等离子枪11连着等离子电源；
旋转电机7上还设置有用于控制旋转电机旋转角度的限位装置，限位装置通过导线和计算机连接，旋转电机7的侧壁上还标记有初始标定位置，旋转电机所在位置就是初始标定位置的对应位置；
伺服电机2、送丝机b1和送丝机a3均设置在三坐标数控机床上。
限位装置包括正限位传感器4、零位传感器5和负限位传感器6，正限位传感器4、零位传感器5和负限位传感器6均设置在旋转电机7顶部固定盖边缘位置，正限位传感器4、负限位传感器6和零位传感器5通过导线和计算机连接。
正限位传感器4、零位传感器5和负限位传感器6均通过设置在旋转电机7顶部固定盖上的支架固定。
负限位传感器6和正限位传感器4用于限定旋转电机7的运动最大范围，零位传感器5作为标定位置。
如图2所示，旋转电机7的旋转方向始终跟打印程序轨迹成法线相切状态，设备启动前，旋转电机通过正限位传感器4和负限位传感器6确定可运动最大范围，零位传感器5作为旋转电机参考点，用于计算机通过零限位传感器5的位置来确认旋转电机7的当前角度。
使用前可以通过调节先调节滑块b14和滑块a8上下的位置，将送丝枪b12和送丝枪b10移动到等离子枪11底部附件，再通过转角电机b13和转角电机a10来调整送丝枪b12和送丝枪b10的角度。
快速等离子双送丝随动控制方法的流程如图3所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，先调节两个滑块的上下位置，将两个送丝枪移动到等离子枪底部附件，再通过两个转角电机分别调整两个送丝枪的角度；
步骤2，计算机初始化双送丝枪送丝系统、导入双送丝枪送丝系统运行轨迹的剖分程序，根据运行轨迹在计算机上设定旋转电机7的运行速度v、偏置位置p1、极限位置p2；
步骤3，计算机控制旋转电机7自动旋转至零位传感器5所在位置，使旋转电机7当前角度为0；
步骤4，将3D打印程序导入计算机，整个系统开启打印，等离子枪11输出熔池，送丝枪a和送丝枪b开始对熔池送丝，计算机通过控制旋转电机7自动旋转，使送丝枪a和送丝枪b始终处于运行轨迹的法线相切角度；
步骤5，计算机判断旋转电机7是否旋转到极限位置p2，如果到达极限位置p2或正限位传感器4和负限位传感器6所在位置，整个系统暂停，等离子枪11和两个送丝机都处于暂停状态，旋转电机7自动旋转到零位传感器5的位置，将当前旋转角度归零；
步骤6，计算机根据暂停前的运动轨迹重新计算出旋转电机7相对于剖分路径最短的法线相切角度，控制旋转电机7进行旋转，达到新的偏置角度，整个运动机构开始重新启动，等离子枪11和两个送丝机开始运行，送丝枪a和送丝枪b开始送丝，直到零件打印完成。
旋转电机在旋转时，当达到设定角度或者正限位传感器和负限位传感器所在位置，等离子枪停止运行，送丝枪b和送丝枪a停止送丝，送丝机a和送丝机b停止运行，旋转电机自动回到零位传感器所在位置；
当旋转电机回到零位传感器所在位置后，计算机重新计算当前的偏转角度，使旋转电机相对于剖分路径最短的法线相切角度进行旋转，转到偏转角度后，送丝机a和送丝机b开始运行分别为送丝枪a和送丝枪b送丝，等离子枪开始运行，整个运行机构按照计算机预设的剖分路径运行；
计算机根据导入的剖分程序中的运行轨迹设定旋转电机的偏置角度，运行速度，极限位置等参数，使旋转电机7的旋转方向始终跟打印程序轨迹成法线相切。当运行角度达到设定的极限位置时，为了避免送丝机a3和送丝机b1送出的丝因为单方向旋转造成缠绕，将整个运动机构和等离子枪11暂停，控制系统发出指令使旋转电机7返回零位传感器5，旋转电机7当前的旋转角度为0，控制系统重新设定偏置角度，根据当前剖分路径的位置计算旋转电机7最短的运行路径，使旋转电机7快速运行到新的剖分路径的法线相切位置。
若旋转电机7在运行中旋转角度始终处于极限位置以内，则旋转电机7无需回零位传感器5重新进行偏置。
本发明在双送丝系统工作时，可以自动准确的调整送丝枪送丝的角度，避免了不同方向送丝沉积宽度和高度不一致，极大提高了工作效率和产品质量。
Claims (7)
1.快速等离子双送丝随动控制系统，其特征在于，包括设置在伺服电机(2)左右两侧的送丝机b(1)和送丝机a(3)，所述伺服电机(2)下方连接有旋转电机(7)，所述旋转电机(7)下方设置有固定板和等离子枪(11)、所述等离子枪(11)位于旋转电机(7)中心位置、所述固定板位于等离子枪(11)后方；
在所述固定板的两端、等离子枪(11)的两侧对称设置有一对竖直导轨，在两个竖直导轨上分别设置有滑块b(14)和滑块a(8)，所述滑块b(14)上安装着转角电机b(13)、转角电机b(13)上安装着送丝枪b(12)；所述滑块a(8)上安装着转角电机a(9)、转角电机a(9)上安装着送丝枪a(10)；
所述送丝机b(1)为送丝枪b(12)送丝，所述送丝机a(3)为送丝枪a(10)送丝；所述等离子枪(11)连着等离子电源；
所述旋转电机(7)上还设置有用于控制旋转电机旋转角度的限位装置，所述限位装置通过导线和计算机连接，所述旋转电机(7)的侧壁上还标记有初始标定位置，旋转电机所在位置就是初始标定位置的对应位置；
所述伺服电机(2)、送丝机b(1)和送丝机a(3)均设置在三坐标数控机床上。
2.根据权利要求1所述的快速等离子双送丝随动控制系统，其特征在于，所述限位装置包括正限位传感器(4)、零位传感器(5)和负限位传感器(6)，所述正限位传感器(4)、零位传感器(5)和负限位传感器(6)均设置在旋转电机(7)顶部固定盖边缘位置，所述正限位传感器(4)、负限位传感器(6)和零位传感器(5)通过导线和计算机连接。
3.根据权利要求2所述的快速等离子双送丝随动控制系统，其特征在于，所述正限位传感器(4)、零位传感器(5)和负限位传感器(6)均通过设置在旋转电机(7)顶部固定盖上的支架固定。
4.根据权利要求2所述的快速等离子双送丝随动控制系统，其特征在于，所述负限位传感器(6)和正限位传感器(4)用于限定旋转电机(7)的运动最大范围，所述零位传感器(5)作为标定位置。
5.快速等离子双送丝随动控制系统的控制方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的快速等离子双送丝随动控制系统，具体控制方法如下：
步骤1，先调节两个滑块的上下位置，将两个送丝枪移动到等离子枪底部附件，再通过两个转角电机分别调整两个送丝枪的角度；
步骤2，计算机初始化双送丝枪送丝系统、导入双送丝枪送丝系统运行轨迹的剖分程序，根据运行轨迹在计算机上设定旋转电机(7)的运行速度v、偏置位置p1、极限位置p2；
步骤3，计算机控制旋转电机(7)自动旋转至零位传感器(5)所在位置，使旋转电机(7)当前角度为0；
步骤4，将3D打印程序导入计算机，整个系统开启打印，等离子枪(11)输出熔池，送丝枪a和送丝枪b开始对熔池送丝，计算机通过控制旋转电机(7)自动旋转，使送丝枪a和送丝枪b始终处于运行轨迹的法线相切角度；
步骤5，计算机判断旋转电机(7)是否旋转到极限位置p2，如果到达极限位置p2或正限位传感器(4)和负限位传感器(6)所在位置，整个系统暂停，等离子枪(11)和两个送丝机都处于暂停状态，旋转电机(7)自动旋转到零位传感器(5)的位置，将当前旋转角度归零；
步骤6，计算机根据暂停前的运动轨迹重新计算出旋转电机(7)相对于剖分路径最短的法线相切角度，控制旋转电机(7)进行旋转，达到新的偏置角度，整个运动机构开始重新启动，等离子枪(11)和两个送丝机开始运行，送丝枪a和送丝枪b开始送丝，直到零件打印完成。
6.根据权利要求5所述的快速等离子双送丝随动控制系统的控制方法，所述旋转电机的旋转方向始终跟3D打印程序轨迹成法线相切。
7.根据权利要求5所述的快速等离子双送丝随动控制系统的控制方法，其特征在于，旋转电机在旋转时，当达到设定角度或者正限位传感器和负限位传感器所在位置，等离子枪停止运行，送丝枪b和送丝枪a停止送丝，送丝机a和送丝机b停止运行，旋转电机自动回到零位传感器所在位置；
当旋转电机回到零位传感器所在位置后，计算机重新计算当前的偏转角度，使旋转电机相对于剖分路径最短的法线相切角度进行旋转，转到偏转角度后，送丝机a和送丝机b开始运行分别为送丝枪a和送丝枪b送丝，等离子枪开始运行，整个运行机构按照计算机预设的剖分路径运行。
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