CN112916882B - 一种防碰撞的增材制造沉积头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防碰撞的增材制造沉积头，包括沉积基座和沉积嘴，还包括缓冲冲击力装置和防撞快换装置；所述沉积基座和沉积嘴之间通过缓冲冲击力装置连接，所述沉积嘴末端与防撞快换装置内壁相连接。本发明可以在装置发生碰撞时缓冲纵向和横向的碰撞冲击力，进而保护沉积头内部结构，且可以实现沉积嘴和成本较低的防撞快换装置的快速更换。

Description

一种防碰撞的增材制造沉积头

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及一种防碰撞的增材制造沉积头。

背景技术

增材制造技术是一种基于离散-堆积原理，以粉末或丝材作为加工原料，通过“自下而上”的材料累加进而实现快速成形的技术。增材制造技术优势在于可以解决高性能、结构复杂或难加工材料零部件的制造难题，减少加工工序、缩短时间成本，并提高原材料利用率。目前，增材制造技术在汽车、医疗、电子产品、航空业和建筑业均有重要应用。

增材制造系统一般由增材沉积热源、增材送料装置、增材沉积头、保护气输送装置和控制系统等构成，其中增材沉积头相对贵重，其内部结构复杂，是将热源能量传递给基板的重要部件，并对制造精度起着较大作用。但是，由于搭载增材沉积头的运动执行机构具有高自由度、沉积路径的规划出现差错和操作人员的误操作等原因，增材沉积头极易与基板或工件等发生刚性碰撞，碰撞位置产生的部件变形会直接干扰后续沉积过程，严重时碰撞冲击力会对沉积头内部结构(例如镜片等)造成不可挽回的损坏，使得整个沉积头报废。不仅如此，沉积头拆卸繁琐且返厂维修经济和时间成本均较高。

现有增材制造防撞装置一般采用磁力防撞机构，如中国专利“一种带有防撞装置的激光头”和“一种激光头碰撞防损装置”(授权号CN 203830914 U和CN 208895394 U)利用磁盘座或磁铁座的磁性吸力对激光头进行固定，发生碰撞时打开防撞开关或利用磁力失效实现防撞功能。但是高强磁铁的磁力足以影响金属材料粉末的流动进而影响沉积过程，且存在着磁力机构吸附铁屑降低磁性、加速装置锈蚀的问题。除采用磁力防撞机构外，还有利用机械结构实现防撞，如中国专利“防撞激光头”(授权号CU 205271151 U)中所述防撞装置将聚焦镜放置于上本体，且上下本体之间还设有复位装置，但该装置不能缓冲较大的冲击力，易发生卡死现象。再如中国专利“激光加工设备及其激光头防撞组件”(授权号CN105382428 A)利用弧面状安装座有效避免了机械卡死，提高了组件的可靠性，但是发生碰撞后不易拆卸、无法快速更换已损坏的组件。

综上，现有的增材制造沉积头在发生刚性碰撞后易对内部零部件造成损坏，损坏后的部件拆卸繁琐且返厂维修成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防碰撞的增材制造沉积头，以解决上述背景技术中提出的问题。

针对上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种防碰撞的增材制造沉积头，包括沉积基座和沉积嘴，还包括缓冲冲击力装置和防撞快换装置；

所述沉积基座和沉积嘴之间通过缓冲冲击力装置连接，所述沉积嘴末端与防撞快换装置内壁相连接。

优选地，所述缓冲冲击力装置包含弹簧、第一紧固螺栓、刚性小球、快换限位环、快换调整环、第二紧固螺栓和刚性小球拖座；刚性小球拖座、快换限位环和快换调整环通过第一紧固螺栓和第二紧固螺栓相连接，其中快换限位环和刚性小球拖座可形成一个容纳刚性小球的可活动空间，刚性小球在不受外力的影响下可在空间内自由活动。

优选地，所述沉积基座下端外壁上设有与快换限位环-相配合的台阶和通槽，台阶和通槽在沉积基座下端外壁周向上呈均匀分布，台阶可以限制快换限位环的绕轴旋转。

优选地，所述沉积嘴上端外壁有与沉积基座下端内壁相配合的导向装置，并设有凹槽；所述沉积嘴的导向装置和凹槽在周向上均匀分布，且沉积基座下端内壁和沉积嘴上端外壁圆周直径的差异不大于刚性小球的半径，实现缓冲横向方向上的碰撞冲击力。

优选地，所述缓冲冲击力装置通过刚性小球拖座、快换限位环和快换调整环与沉积基座下端外壁的台阶和通槽结构配合，且刚性小球的球体伸入沉积嘴上端外壁上的的凹槽内，且凹槽的长度不小于刚性小球的直径，实现沉积嘴与沉积基座的机械连接，且实现缓冲纵向方向上的碰撞冲击力。

优选地，沉积嘴末端和防撞快换装置内壁可通过螺纹连接、顶丝连接、花键连接、销连接、铆接、焊接、粘接、过盈或过渡配合连接、联轴器或离合器连接、磁力连接、胀紧连接，且防撞快换装置对沉积嘴起到防撞保护作用，且可以实现快速更换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是

(1)将缓冲碰撞冲击力和快速更换沉积装置部件的功能相结合，使其可以同时对沉积头实现防撞保护和快速更换。

(2)防撞保护装置在不影响粉末或丝材的运送路径、热源能量传播的情况下，对易损坏的沉积嘴进行保护。

(3)本发明可以缓冲沉积头在发生碰撞时产生的横向和纵向的冲击力，从而避免造成内部零件的损坏。

(4)本发明可以保证在碰撞后首先损坏的是低成本、易更换的小型零件，而对沉积嘴的影响较小。

附图说明

图1为本发明的外部整体示意图。

图2为本发明的零件爆炸视图。

图3为本发明中沉积基座1和沉积嘴3的结构示意图。

图4为激光增材制造时的一种防碰撞的增材制造沉积头在正常工作位置时的全剖示意图。

图5为一种防碰撞的增材制造沉积头在沉积嘴脱离正常工作位置时的局剖示意图。

图6为TIG电弧增材制造时的一种防碰撞的增材制造沉积头中的沉积嘴位置示意图。

图中：1、沉积基座；2、缓冲碰撞冲击力装置；2-1、弹簧；2-2、第一紧固螺栓；2-3、刚性小球；2-4、快换限位环；2-5、快换调整环；2-6、第二紧固螺栓；2-7、刚性小球拖座；3、沉积嘴；4、防撞快换装置；5、保护气喷嘴；6、送丝嘴；7、钨针。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行更详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明的基本思想是利用缓冲碰撞冲击力的机械结构和防撞快换结构，实现增材制造所使用的沉积装置在与其他刚性物体发生碰撞时，缓冲来自纵向和横向的冲击力，进而保护内部关键部件，并实现对发生碰撞而损坏的部件进行快速更换。

一种防碰撞的增材制造沉积头，包括沉积基座1和沉积嘴3，还包括缓冲冲击力装置2和防撞快换装置4；

所述沉积基座1和沉积嘴3之间通过缓冲冲击力装置2连接，所述沉积嘴3末端与防撞快换装置4内壁相连接。

本实施例的缓冲冲击力装置2包含弹簧2-1、第一紧固螺栓2-2、刚性小球2-3、快换限位环2-4、快换调整环2-5、第二紧固螺栓2-6和刚性小球拖座2-7；刚性小球拖座2-7、快换限位环2-4和快换调整环2-5通过第一紧固螺栓2-2和第二紧固螺栓2-6相连接，其中快换限位环2-4和刚性小球拖座2-7可形成一个容纳刚性小球2-3的可活动空间，刚性小球2-3在不受外力的影响下可在空间内自由活动。

本实施例的沉积基座1下端外壁上设有与快换限位环2-4相配合的台阶和通槽，台阶和通槽在沉积基座1下端外壁周向上呈均匀分布，台阶可以限制快换限位环2-4的绕轴旋转。

本实施例的沉积嘴3上端外壁有与沉积基座1下端内壁相配合的导向装置，并设有凹槽；所述沉积嘴3的导向装置和凹槽在周向上均匀分布，且沉积基座1下端内壁和沉积嘴3上端外壁圆周直径的差异不大于刚性小球2-3的半径，实现缓冲横向方向上的碰撞冲击力。

本实施例的缓冲冲击力装置2通过刚性小球拖座2-7、快换限位环2-4和快换调整环2-5与沉积基座1下端外壁的台阶和通槽结构配合，且刚性小球2-3的球体伸入沉积嘴3上端外壁上的的凹槽内，且凹槽的长度不小于刚性小球2-3的直径，实现沉积嘴3与沉积基座1的机械连接，且实现缓冲纵向方向上的碰撞冲击力。

本实施例的沉积嘴3末端和防撞快换装置4内壁可通过螺纹连接、顶丝连接、花键连接、销连接、铆接、焊接、粘接、过盈或过渡配合连接、联轴器或离合器连接、磁力连接、胀紧连接，且防撞快换装置4对沉积嘴3起到防撞保护作用，且可以实现快速更换。

实施例1：

以光粉同轴的激光增材制造为例，对本发明进行详细阐释。如图2和图3所示，沉积基座1上端部分利用螺栓与其他普通激光沉积头的上端(不带有送粉部分)相连接，保证激光束可以从沉积基座中通过。

沉积基座1下半部分外径为32mm，内径为28mm。下端周向均布有4个台阶和通槽，通槽开在台阶之上，且通槽宽度为8mm，该宽度可以使得直径为10mm的刚性小球2-3仅能伸入通槽一部分。

刚性小球托座2-7的内径与沉积基座1下端外径相同，且内径的周向上开有4个可以拖住刚性小球2-3的圆形凹槽。快换限位环2-4的内径与沉积基座1下端外径相同，且周向上开有4个均匀分布的平槽，该平槽与沉积基座1的台阶相配合，以免快换限位环2-4发生绕轴旋转。

快换限位环2-4通过4个第一紧固螺栓2-2与刚性小球托座2-7相连接，且快换限位环2-4的上端部分开有4个均匀分布的小球卡槽，该卡槽和刚性小球拖座2-7上的圆形凹槽组合成一个可供小球活动的空间。快换调整环2-5通过4个第二紧固螺栓2-6与刚性小球托座2-7相连接，使得快换调整环2-5、快换限位环2-4和刚性小球托座2-7构成一个整体，且快换调整环2-5上端部分与沉积基座1上沿直径均为50mm，使得快换调整环2-5不能越过沉积基座1，进而限定了其移动距离。

弹簧2-1将沉积基座1围绕起来，上端与沉积基座1的平台相接触，下端与刚性小球托座2-7的上平面相接触，并且一直处于压缩状态。此实施例中3为沉积嘴3，其上端直径略小于沉积基座1下端内径，为26mm。

沉积嘴3上端周向均布有与沉积基座1相配合的键槽，该键槽宽度为4mm，长为10mm，可容纳从沉积基座1中伸入的刚性小球2-3部分球体。另外沉积嘴3上端部分还设置有与沉积基座1下端内壁导向槽相配合的导向块，导向块与导向槽的宽度均为4mm。沉积嘴3的内部结构图如图3所示，其内部有供激光束通过的锥形通道，侧壁有4个周向均布的送粉通道，该送粉通道上端设有与送粉管相连接的快换接头，且4个送粉通道的汇聚点位于激光束的中心线上，从而保证光粉同轴。

当此实施例中所述的激光增材防撞快换装置4处于工作状态时，被压缩的弹簧2-1将会推动刚性小球托座2-7向下移动，直至挤压刚性小球2-3的部分球体探出沉积基座1的通槽而伸入沉积嘴3的键槽中，此时小球会由于传递过来的弹簧力卡在此位置而不能移动，但是沉积嘴3上的键槽拥有一定长度，可以实现沉积嘴3的小幅度上下移动，进而可以缓冲来自下方的纵向碰撞冲击力；沉积嘴3的上端外径略小于沉积基座1下端内径，进而实现可以缓冲来自下方的横向碰撞冲击力；手动将快换调整环2-5向上推至与沉积基座1相接触，此时刚性小球2-3不再受到弹簧推力，可以缩回至刚性小球托座2-7与快换限位环2-4组成的可活动空间，沉积嘴3不再受到刚性小球2-3的约束，进而可以退出沉积基座1内部，实现沉积嘴3的快换，如图5所示。

本实施例中4为激光增材防撞环，其通过内部的M20螺纹结构与沉积嘴3下端相连接。经过连接后的激光增材防撞环下端会超出激光沉积头10mm，从而保证在发生碰撞时受到直接刚性冲击的是激光增材防撞环，以此方式保护内部易损坏的沉积嘴3，并实现激光增材防撞环的快换。

实施例2：

以侧面送丝、侧吹保护气的TIG电弧增材制造为例，对本发明进行详细阐释。如图5、图6所示，沉积基座1上端部分利用螺栓与其他普通电弧沉积头的上端相连接，保证钨针7可以从沉积基座1中通过。

沉积基座1下半部分外径为34mm，内径为30mm。下端周向均布有3个台阶和通槽，通槽开在台阶之上，且通槽宽度为10mm，该宽度可以使得直径为12mm的刚性小球2-3仅能伸入通槽一部分。

刚性小球托座2-7的内径与沉积基座1下端外径相同，且内径的周向上开有3个可以拖住刚性小球2-3的圆形凹槽。快换限位环2-4的内径与沉积基座1下端外径相同，且周向上开有3个均匀分布的平槽，该平槽与沉积基座1的台阶相配合，以免快换限位环2-4发生绕轴旋转。

快换限位环2-4通过3个M8螺钉2-2与刚性小球托座2-7相连接，且快换限位环2-4的上端部分开有3个均匀分布的小球卡槽，该卡槽和刚性小球拖座2-7上的圆形凹槽组合成一个可供小球活动的空间；

快换调整环2-5通过3个M8螺钉2-6与刚性小球托座2-7相连接，使得快换调整环2-5、快换限位环2-4和刚性小球托座2-7构成一个整体，且快换调整环2-5上端部分与沉积基座1上沿直径均为48mm，使得快换调整环2-5不能越过沉积基座1，进而限定了其移动距离。

弹簧2-1将沉积基座1围绕起来，上端与沉积基座1的平台相接触，下端与刚性小球托座2-7的上平面相接触，并且一直处于压缩状态。

沉积头3，其上端直径略小于沉积基座1下端内径，为28mm。

沉积头3上端周向均布有与沉积基座1相配合的键槽，该键槽宽度为5mm，长为12mm，可容纳从沉积基座1中伸入的刚性小球2-3部分球体。另外沉积头3上端部分还设置有与沉积基座1下端内壁导向槽相配合的导向块，导向块与导向槽的宽度均为5mm。沉积头3的内部结构图如图6所示，其内部有供钨针7通过的锥形通道。

当此实施例中所述的TIG电弧增材防撞快换装置4处于工作状态时，被压缩的弹簧2-1将会推动刚性小球托座2-7向下移动，直至挤压刚性小球2-3的部分球体探出沉积基座1的通槽而伸入电弧沉积头的键槽中，此时刚性小球2-3会由于传递过来的弹簧力卡在此位置不能移动，但是沉积嘴3上的键槽拥有一定长度，可以实现上下移动，进而可以缓冲来自下方的纵向碰撞冲击力；沉积嘴3的上端外径略小于沉积基座1下端内径，进而实现可以缓冲来自下方的横向碰撞冲击力；手动将快换调整环2-5向上推至与沉积基座1相接触，此时刚性小球2-3不再受到弹簧推力，可以缩回至刚性小球托座2-7与快换限位环2-4组成的可活动空间，沉积嘴3不再受到刚性小球2-3的约束，进而可以退出沉积基座1内部，实现沉积嘴3的快换，如图5所示。

TIG电弧增材防撞环，其通过内部的M18螺纹结构与电弧沉积头下端相连接。装置5为保护气喷嘴，6为送丝嘴。经过连接后的TIG电弧增材防撞环下端会超出沉积嘴10mm，从而保证在发生碰撞时受到直接刚性冲击的是TIG电弧增材防撞环，以此方式保护内部易损坏的沉积嘴3，并实现TIG电弧增材防撞环的快换。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种防碰撞的增材制造沉积头，包括沉积基座(1)和沉积嘴(3)，其特征在于：还包括缓冲冲击力装置(2)和防撞快换装置(4)；

所述沉积基座(1)和沉积嘴(3)之间通过缓冲冲击力装置(2)连接，所述沉积嘴(3)末端与防撞快换装置(4)内壁相连接；

所述缓冲冲击力装置(2)包含弹簧(2-1)、第一紧固螺栓(2-2)、刚性小球(2-3)、快换限位环(2-4)、快换调整环(2-5)、第二紧固螺栓(2-6)和刚性小球拖座(2-7)；刚性小球拖座(2-7)、快换限位环(2-4)和快换调整环(2-5)通过第一紧固螺栓(2-2)和第二紧固螺栓(2-6)相连接，其中快换限位环(2-4)和刚性小球拖座(2-7)可形成一个容纳刚性小球(2-3)的可活动空间；刚性小球(2-3)在不受外力的影响下可在空间内自由活动；

所述沉积基座(1)下端外壁上设有与快换限位环(2-4)相配合的台阶和通槽，台阶和通槽在沉积基座(1)下端外壁周向上呈均匀分布，台阶可以限制快换限位环(2-4)的绕轴旋转；

所述沉积嘴(3)上端外壁有与沉积基座(1)下端内壁相配合的导向装置，并设有凹槽；所述沉积嘴(3)的导向装置和凹槽在周向上均匀分布，且沉积基座(1)下端内壁和沉积嘴(3)上端外壁圆周直径的差异不大于刚性小球(2-3)的半径，沉积嘴( 3) 的上端外径略小于沉积基座( 1) 下端内径，实现缓冲横向方向上的碰撞冲击力；

所述缓冲冲击力装置(2)通过刚性小球拖座(2-7)、快换限位环(2-4)和快换调整环(2-5)与沉积基座(1)下端外壁的台阶和通槽结构配合，且刚性小球(2-3)的球体伸入沉积嘴(3)上端外壁上的的凹槽内，且凹槽的长度不小于刚性小球(2-3)的直径，实现沉积嘴(3)与沉积基座(1)的机械连接，且实现缓冲纵向方向上的碰撞冲击力。

2.根据权利要求1所述的一种防碰撞的增材制造沉积头，其特征在于：沉积嘴(3)末端和防撞快换装置(4)内壁可通过螺纹连接、顶丝连接、花键连接、销连接、铆接、焊接、粘接、过盈或过渡配合连接、联轴器或离合器连接、磁力连接、胀紧连接，且防撞快换装置(4)对沉积嘴(3)起到防撞保护作用，且可以实现快速更换。

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