CN113909633B - 机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统与方法。系统包括环状电磁感应加热单元，多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒，每层加热单元连接至计算机并独立控制，每层环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器，加热筒内部为工作区域，升降机上端连接水平工作台，水平工作台上装配一块基板，六轴机器人在基板上进行增材制造。本发明通过对增材时每层独立加热，在每次增材完一层时，升降机下降一个层间距，保持整个轴类零件处于加热筒中，由计算机控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态，从而实现对整个轴类零件的控温，使整个轴类零件处于比较均一的温度场，减小残余应力，最终减少成型件翘曲、开裂等缺陷。

Description

机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统与方法
技术领域
本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统与方法。
背景技术
电弧增材制造3D打印技术是将焊接方法与计算机辅助设计结合起来的一种加工技术，即用计算机提供的三维数据来控制焊接设备,然后通过分层扫描和堆焊的方法来制造金属元件。
因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对特殊金属结构制造成本及可靠性要求，其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展，因而该技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。
然而，电弧增材制造过程中热输入量大，工件温度场分布复杂，增材过程中产生的残余应力严重制约着成形件的质量。目前,主要通过采用改变增材方式、优化增材路径以及进行焊前预热、层间冷却、焊后热处理等来减少增材部件的残余应力。总结了电弧增材制造程残余应力产生的原因，其一是由于温度场分布不均以及冷却凝固不一致,其二是因为金属局部相变产生相变残余应力。研究发现，电弧增材制造成形部件各方向残余应力较大，最大残余应力出现在成形层底部。
目前，主要消除残余应力的方法有：1、在增材过程中采用原位滚压的方法减小残余应力，其可有效降低残余应力峰值尤其是底层和基板之间的残余应力，并细化晶粒。2、将激光冲击应用于改善电弧增材构件微观组织以及力学性能。3、在低合金钢电弧增材制造过程中引入磁场以改善成形件残余应力分布。4、将感应加热作为第二热源加入增材制造过程中。但是目前已有的方式难以系统有效的控制增材零件的温度场，降低增材过程中的残余应力效果局限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人电弧增材轴类构件同步加热应力变形控制系统，对已成形部件进行加热，同时可对其进行正火热处理，减小残余应力，降低成形件翘曲、开裂的趋势，提高生产过程中的良品率，减少设备总体能耗，减少温度对于成形部件尺寸的制约。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统，其特征在于，包括多个环状电磁感应加热单元，温度传感器，基板，水平工作台，升降机，焊接机器人和计算机控制系统；
多个环状电磁感应加热单元堆叠形成加热筒，每个环状电磁感应加热单元连接至计算机控制系统并可独立控制，每层环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器，升降机上端连接水平工作台，升降机连接计算机控制系统，水平工作台上装配基板，焊接机器人在基板上进行增材制造轴类件，加热筒设置在轴类件的外周，由计算机控制系统控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态，从而实现对整个轴类件的控温。
进一步的，每个环状电磁感应加热单元的高度为5～15mm，加热筒的高度为50～3000mm。
进一步的，焊接机器人的自由度采用五轴、六轴或者七轴；焊接机器人热源采用电弧或等离子；计算机控制系统采用闭环控制。
一种采用上述的控制系统控制应力的方法，包括如下步骤：
步骤一：将基板装配在水平工作台上，由计算机控制系统调整基板高度，使基板上表面与多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒的上表面平行，在计算机控制系统预设加热温度T；
步骤二：焊接机器人在程序控制下在基板上进行增材制造第一层；
步骤三：升降机下降一个层厚，使增材轴类件上表面与多层环状电磁感应加热单元堆叠组成加热筒的上表面平行；
步骤四：计算机控制系统得到增材轴类件高度，控制增材轴类件高度区域内环状电磁感应加热单元工作，环状电磁感应加热单元内侧连接温度传感器测量轴类件对应层温度，若测量轴类件温度T1>预设加热温度T，则环状电磁感应加热单元不加热，等待轴类件冷却；若测量轴类件温度T1<预设加热温度T，则环状电磁感应加热单元开始加热，直至轴类件温度T1＝预设加热温度T，在整个增材过程中使轴类件温度T1＝预设加热温度T；
步骤五：焊接机器人在程序控制下在轴类件上表面进行增材制造第2层；
步骤六：执行步骤三与步骤四；循环上述过程，直至实现轴类件的实体制造。
进一步的，在进行增材制造前，在多层环状电磁感应加热单元堆叠组成的加热筒内部充入惰性气体。
进一步的，所述惰性气体为氩气、氮气或氦气。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明对已成形轴类部件进行加热，同时可对其进行正火热处理，减小残余应力，降低成形件翘曲、开裂的趋势，提高生产过程中的良品率，减少设备总体能耗，减少温度对于成形部件尺寸的制约；通过有限元软件分析，加热后应力几乎完全消失。
附图说明
图1为本发明的控制系统主视图。
图2为本发明的控制系统俯视图。
图3为现有技术中轴类件增材等效应力图。
图4为本发明的轴类件增材等效应力图。
附图标记说明：
1-环状电磁感应加热单元，2-温度传感器，3-轴类件，4-基板，5-水平工作台，6-升降机，7-焊接机器人，8-控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-2所示，机器人电弧增材轴类构件同步加热应力变形控制系统，包括环状电磁感应加热单元1，多层环状电磁感应加热单元1堆叠组成加热筒，每层加热单元1连接至计算机控制系统8并可独立控制，每层环状电磁感应加热单元1内侧连接温度传感器2，升降机6上端连接水平工作台5，升降机6连接计算机控制系统8，水平工作台上5装配一块基板4，六轴焊接机器人7在基板4上进行增材制造轴类零件3。
使用所述的机器人电弧增材轴类构件同步加热应力变形控制系统的生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：将基板4装配在水平工作台5上，由计算机控制系统8调整基板4高度，使基板4上表面与多层环状电磁感应加热单元1堆叠组成加热筒的上表面平行，在计算机控制系统8预设加热温度T。
步骤二：六轴焊接机器人7在程序控制下在基板4上进行增材制造第一层。
步骤三：升降机6下降一个层厚，使增材轴类零件3上表面与多层环状电磁感应加热单元1堆叠组成加热筒的上表面平行。
步骤四：计算机控制系统8得到增材轴类零件3高度，控制增材轴类零件3高度区域内环状电磁感应加热单元1工作，环状电磁感应加热单元1内侧连接温度传感器2测量轴类零件3对应层温度，若测量轴类零件3温度T1>预设加热温度T，则环状电磁感应加热单元1不加热，等待轴类零件3冷却；若测量轴类零件3温度T1<预设加热温度T，则环状电磁感应加热单元1开始加热，直至轴类零件3温度T1＝预设加热温度T，在整个增材过程中使轴类零件3温度T1＝预设加热温度T。
步骤五：六轴焊接机器人7在程序控制下在轴类零件3上表面进行增材制造第2层
步骤六：执行步骤三与步骤四。循环上述过程，直至实现轴类零件3的实体制造。

Claims (4)

1.一种机器人电弧增材轴类件同步加热应力变形控制系统，其特征在于，包括多个环状电磁感应加热单元(1)，温度传感器(2)，基板(4)，水平工作台(5)，升降机(6)，焊接机器人(7)和计算机控制系统(8)；
多个环状电磁感应加热单元堆叠形成加热筒，每个环状电磁感应加热单元(1)连接至计算机控制系统(8)并可独立控制，每层环状电磁感应加热单元(1)内侧连接温度传感器(2)，升降机(6)上端连接水平工作台(5)，升降机(6)连接计算机控制系统(8)，水平工作台(5)上装配基板(4)，焊接机器人(7)在基板(4)上进行增材制造轴类件(3)，加热筒设置在轴类件(3)的外周，由计算机控制系统控制每个环状电磁感应加热单元的工作状态，从而实现对整个轴类件的控温；
每个环状电磁感应加热单元(1)的高度为5～15mm，加热筒的高度为50～3000mm；
焊接机器人(7)的自由度采用五轴、六轴或者七轴；焊接机器人(7)热源采用电弧或等离子；计算机控制系统(8)采用闭环控制。
2.一种采用权利要求1所述的控制系统控制应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将基板(4)装配在水平工作台(5)上，由计算机控制系统(8)调整基板(4)高度，使基板(4)上表面与多层环状电磁感应加热单元(1)堆叠组成加热筒的上表面平行，在计算机控制系统(8)预设加热温度T；
步骤二：焊接机器人(7)在程序控制下在基板(4)上进行增材制造第一层；
步骤三：升降机(6)下降一个层厚，使增材轴类件(3)上表面与多层环状电磁感应加热单元(1)堆叠组成加热筒的上表面平行；
步骤四：计算机控制系统(8)得到增材轴类件(3)高度，控制增材轴类件(3)高度区域内环状电磁感应加热单元(1)工作，环状电磁感应加热单元(1)内侧连接温度传感器(2)测量轴类件(3)对应层温度，若测量轴类件(3)温度T1>预设加热温度T，则环状电磁感应加热单元(1)不加热，等待轴类件(3)冷却；若测量轴类件(3)温度T1<预设加热温度T，则环状电磁感应加热单元(1)开始加热，直至轴类件(3)温度T1＝预设加热温度T，在整个增材过程中使轴类件(3)温度T1＝预设加热温度T；
步骤五：焊接机器人(7)在程序控制下在轴类件(3)上表面进行增材制造第2层；
步骤六：执行步骤三与步骤四；循环上述过程，直至实现轴类件(3)的实体制造。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在进行增材制造前，在多层环状电磁感应加热单元(1)堆叠组成的加热筒内部充入惰性气体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氮气或氦气。
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