CN112548269A - 一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备及其控制方法，本发明采用多个机器人各自装备两个焊机，将同步双弧(Twin arc)系统和独立双弧(Tandem)系统相结合，综合科各自的优点，即提高了加工效率，又实现了主从站的协同控制以减少电弧之间的相互干扰。本发明能够实现电弧熔丝增材对大型件的高效成形制造及精确控制。

Description

一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备及其控制方法

技术领域

本发明属于电弧熔丝增材制造(3D打印)领域，具体涉及一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备及其控制方法。

背景技术

传统的合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造，但重量较大且无法加工成精细的形状。锻造切削虽然精度较好，但是零件制造浪费严重，原料的95％都会被作为废料切掉。WAAM技术本质上是一个熔化焊丝连续堆焊的过程，由于是逐层堆积，通过与减材工艺相结合就可以很好的解决零件复杂、精细的形状成形问题。此外，通过将焊机与移动平台结合使用，使得成形的尺寸范围不受限，很好的解决了大型件的成形问题。与传统加工技术相比，WAAM技术的成形效率已经得到了很大的提升，但是制造大型零件时，单个焊机的成形时间过久，可能会导致已成形区域的温度完全冷却，在进行下一层的累积时，较高的温差会导致层与层结合处的组织分布不均匀，结合力减弱。因此亟需一种提高成形效率的方法。

双丝焊接作为一种可行的高效焊接方法，目前还处于发展阶段。从工艺上来看，主要有两种双丝焊接方法，一种是同步双弧(Twin arc)，另一种是独立双弧(Tandem)，这两种方法工艺各有特点和优势。Twin arc是采用两种完全相同的脉冲焊接电源(或只使用一个电源)，两套送丝机构，一个能够容纳两根焊丝的导电嘴(不绝缘)，共用一个熔池。焊接时，两个电源输出脉冲频率相同，两个焊丝通过的电流也相同，即两根丝以相同的速度熔化到熔池中。Twin arc的优点就是，利用电弧自身调节，两个电源之间无需协调通信控制，系统相对简单，但是缺点也很明显，比如电弧的可控性差，两根焊丝间的相互影响力较大，很难精确控制两根焊丝的熔化及熔滴过渡。而Tandem系统同样是采用两台完全相同的脉冲焊接电源。两套送丝机构，所不同的是采用两个互相绝缘的导电嘴，两电源间通过通信进行协调控制，使两台电源的焊接过程更加迅速和完善。并且，Tandem系统可以使两台电源分别设置不同的焊接参数，相互间可以通过协调控制以减小双丝焊接大电流时电弧之间的相互干扰程度，系统相比较Twin arc就比较复杂一些。目前，金属电弧熔丝增材制造发展的也比较成熟，但针对大型件的快速制造还需要进一步的改善。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备及其控制方法，能够实现电弧熔丝增材对大型件的高效成形制造及精确控制。

为了达到上述目的，一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备，包括第一机器人和第二机器人，第一机器人和第二机器人均控制两组焊机，第一机器人的第一焊枪和第二机器人的第二焊枪均指向基板上的成形件，第一机器人和第二机器人相互连接，第一机器人和第二机器人通过机器人内部控制器进行控制。

第一机器人连接第一焊机和第二焊机。

第二机器人连接第三焊机和第四焊机。

第一焊枪和第二焊枪的焊炬处均设置有位移传感器。

位移传感器接近金属后会输送一个开关信号给机器人内部控制器，使回路由断路跳变为导通模式。

一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备的控制方法，包括以下步骤：

设置第一机器人和第二机器人的运动参数，以及第一机器人和第二机器人上共四台焊机的焊接参数；

设置第一机器人的起弧信号；

设置第二机器人的起弧信号；

开始焊接；

第二机器人的焊接程序完成，第一机器人的焊接程序完成，机器人内部控制器控制导通回路跳变为断路。

当传感器接近金属后，输送一个开关信号给机器人内部控制器，使回路由断路跳变为导通模式，从而控制第一机器人和第二机器人连接的CMT焊机中焊丝的起弧。

与现有技术相比，本发明采用多个机器人各自装备两个焊机，将同步双弧(Twinarc)系统和独立双弧(Tandem)系统相结合，综合科各自的优点，即提高了加工效率，又实现了主从站的协同控制以减少电弧之间的相互干扰。本发明能够实现电弧熔丝增材对大型件的高效成形制造及精确控制。

进一步的，本发明通过距离传感器测量焊丝距离加工面的距离，传输接近开关信号，通过profinet实时通讯控制多个焊机的同步起收弧，可以使效率加倍。极大缩短中、大型件的制造周期，大幅提高设备的工作效率，使得零件制造成本降低。

本发明的方法针对两个机器人，在提高效率的基础上，实现主从站的同步控制，控制效果好，成形效果佳。工业通讯主从站控制，将信号源加入工业通讯中，通过公共信号IO情况，可自主编程实现单个机器人和所配合焊机的同步、延迟启动等工作，可应用在铝/镁/钛合金电弧熔丝增材制造的大型复杂工件的制造领域。

进一步的，本发明通过位移传感器信号输入到机器人内部控制器控制机器的启动和焊机的起弧。这允许四个焊机设置同样的起弧信号，实现同步控制。此外，还可以设置不同的工艺参数以及不同的起弧信号，针对形状复杂的工件分别进行分区域制造，实现不同参数延时控制，复杂形状与高效加工的合理融合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中焊炬的结构示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明中协同控制系统图；

其中，1、第一机器人，2、第二机器人，3、第一焊枪，4、第二焊枪，5、第一焊机，6、第二焊机，7、第三焊机，8、第四焊机，9、基板，10、成形件，41、位移传感器

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备，包括第一机器人1和第二机器人2，第一机器人1和第二机器人2均控制两组焊机，第一机器人1的第一焊枪3和第二机器人2的第二焊枪4均指向基板9上的成形件10，第一机器人1和第二机器人2相互连接，第一机器人1和第二机器人2通过机器人内部控制器进行控制。第一机器人1连接第一焊机5和第二焊机6，第二机器人2连接第三焊机7和第四焊机8，第一焊枪3和第二焊枪4的焊炬处均设置有位移传感器41，位移传感器连接机器人内部控制器。位移传感器41接近金属后会输送一个开关信号给器人内部控制器，使回路由断路跳变为导通模式。

参见图3和图4，一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备的控制方法，包括以下步骤：

设置第一机器人1和第二机器人2的运动参数，以及第一机器人1和第二机器人2上共四台焊机的焊接参数；

设置第一机器人1的起弧信号；

设置第二机器人2的起弧信号；

当传感器接近金属后，输送一个开关信号给机器人内部控制器，使回路由断路跳变为导通模式，从而控制第一机器人1和第二机器人2连接的CMT焊机中焊丝的起弧。开始焊接；

第二机器人2的焊接程序完成，第一机器人1的焊接程序完成，机器人内部控制器控制导通回路跳变为断路。

实施例：

以双丝+双机器人装备为例，首先设置好两个机器人的运动参数及四台焊机的焊接参数，然后设置第一机器人1的起弧信号。比如，在第二机器人2起弧t时间后启动第一机器人1的焊接程序。当然，第一机器人1也可和第二机器人2一样设置接近开关信号。之后设置第二机器人2的起弧信号，比如当第二机器人2的焊炬距离基板h距离时，位移信号传输到机器人内部控制器，控制断路跳变为导通，控制第二机器人2的起弧及焊接程序，四台焊机同时或者延时起弧进行焊接。最后第二机器人2机器人的焊接程序完成，第一机器人1机器人的焊接程序完成，机器人内部控制器控制导通回路跳变为断路。同一台机器人上的主从焊机同步焊接可增加了焊道的宽度，在尺寸上提高了增材成形效率，两台机器人主从协调控制焊接缩短了成形时间，在周期上提高了增材成形效率。所以相比较传统焊接，实现了4倍效率提升。以项目正在打印的10米环为例。主从两个机器人放置在环的不同位置，同时对环进行加工，大大缩短了加工时间，由于四个焊机的参数设置也是同步的，保证了10米环制造的精确度和组织与力学性能的均匀性和稳定性。此外，本方法还可用于复杂零件的分区域制造，比如一个工件一端是较为简单的规则形状，无复杂结构，另一端有复杂精细结构，为了提高成形效率和成形精度，可以设置第一机器人1及其控制的焊机第一焊机5和第二焊机6以较大的成形参数和焊接速度成形形状简单的规则形状，同时设置第二机器人2及其控制的第三焊机7和第四焊机8以较小的成形参数和热输入成形复杂形状，或者控制一台焊机进行焊接，从而使其焊道更细，飞溅较少，有助于产生良好的成形形貌和更精确的尺寸。

本发明的机器人、焊机数量，可以根据成型件的大小、体积及完成时间，进行扩展，不局限于实施例。还可以根据实际工况，控制焊机部分作为单丝使用，部分作为双丝使用，具有较强的工程实用性。

当有物体移向位移传感器，并接近到一定距离时，位移传感器就有“感知”，接近开关是利用位移传感器对接近物体的敏感特性制作的开关。通过将接近开关加入到双丝+多机器人成形系统中，设定起弧距离，更有利于两个机器人协同控制焊机的起弧以适应各种工况的挑战。

Claims (7)

1.一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备，其特征在于，包括第一机器人(1)和第二机器人(2)，第一机器人(1)和第二机器人(2)均控制两组焊机，第一机器人(1)的第一焊枪(3)和第二机器人(2)的第二焊枪(4)均指向基板(9)上的成形件(10)，第一机器人(1)和第二机器人(2)相互连接，第一机器人(1)和第二机器人(2)通过机器人内部控制器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备，其特征在于，第一机器人(1)连接第一焊机(5)和第二焊机(6)。

3.根据权利要求1所述的一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备，其特征在于，第二机器人(2)连接第三焊机(7)和第四焊机(8)。

4.根据权利要求1所述的一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备，其特征在于，第一焊枪(3)和第二焊枪(4)的焊炬处均设置有位移传感器(41)。

5.根据权利要求4所述的一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备，其特征在于，位移传感器(41)接近金属后会输送一个开关信号给机器人内部控制器，使回路由断路跳变为导通模式。

6.一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置第一机器人(1)和第二机器人(2)的运动参数，以及第一机器人(1)和第二机器人(2)上共四台焊机的焊接参数；

设置第一机器人(1)的起弧信号；

设置第二机器人(2)的起弧信号；

开始焊接；

第二机器人(2)的焊接程序完成，第一机器人(1)的焊接程序完成，机器人内部控制器控制导通回路跳变为断路。

7.根据权利要求6所述的一种同步多机器人双丝结构件电弧增材装备的控制方法，其特征在于，当传感器接近金属后，输送一个开关信号给机器人内部控制器，使得回路由断路跳变为导通模式，从而控制第一机器人(1)和第二机器人(2)连接的CMT焊机中焊丝的起弧。

Images