CN113909695A - 一种大型复杂构件的智能协同增减材复合成型装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大型复杂构件的智能协同增减材复合成型装备。包括充氩及净化系统，RGV运动小车系统，增材系统，减材系统和控制系统；充氩及净化系统包括充氩箱房和气体循环净化系统；增材系统包括激光装置，水冷装置，送粉装置，双丝CMT焊机和增材双轴变位机；减材系统设有六轴机器手，减材工作台支撑架，切削减材回转变位机，系统底座，六轴机器手末端连有电动主轴；控制系统包括增材功能区和减材功能区两个功能区，其通过控制信号与各功能区系统相连，另外还包括视觉系统，视觉系统将监测的熔池信息和减材加工参数反馈到与之相连的控制系统中。本发明可实现对中大型复杂金属构件的闭环智能化高效高质量增减材制造。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种大型复杂构件的智能协同增减材复合成型装备。
背景技术
增材制造技术是一种“自上而下”通过材料累加的制造方法。通过将零件的三维模型图导入到计算机软件中，相关软件将物体的三维模型切割成多层薄片，再由智能软件规划好加工路径进行加工，实现二维到三维的堆叠成型。激光-电弧复合智能协同增材制造是在增材制造技术基础上，将电弧增材和激光增材叠加运用，可用于多维异质异构一体化材料与结构整体增材制造、中大型一体化复杂金属构件的高效增材制造。
减材制造技术是相对于增材制造技术而言，它是将一定形状的原材料固定加持好，通过切削工具对原材料进行切屑处理，使其获得既定产品的一种加工方法。
现有的增减材制造装备多为增材制造和减材制造一体化的加工方式，是直接将增材所需的设备直接复合在减材数控机床上，其增材制造和减材制造装备多在一个工作台上进行，虽然节省了空间，有利于保证加工的精度。但是一体式增减材复合成型装备由于共用一个工作台，所以在增材制造过程中较难控制增材环境因素、把握增材样品质量，也不适应于对大中型复杂构件的精密加工。如果把增材装备和减材装备分别隔离出来，虽然在此方法下两种加工过程互不干涉，但是在整个加工过程中，工艺生产过程人工干涉较多，不能实现增减材过程的智能化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运用激光-电弧智能协同增材和机器人减材的增减复合成型装备制造大型复杂构件，解决了上述现有技术的不足，保证了增材加工的效果和质量，并能全自动完成对大型复杂构件的增减复合成型。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种大型复杂构件的智能协同增减材复合成型装备，包括充氩及净化系统，RGV运动小车系统，增材系统，减材系统和控制系统；
所述充氩及净化系统包括充氩箱房，真空抽气泵和气体循环净化系统；
所述RGV小车系统包含RGV小车和轨道拖链，所述RGV小车设有三台交流伺服电机，可以实现RGV小车在X方向、Z方向的运动和传送功能；
所述增材系统包括激光装置，水冷装置，送粉装置，双丝CMT焊机及送丝装置和增材双轴变位机及平台；
所述减材系统设有六轴机器手，减材工作台支撑架，切削减材回转变位机，系统底座，所述六轴机器手末端连有电动主轴；
所述控制系统包括增材功能区和减材功能区两个功能区，另外还包括视觉系统，所述视觉系统将监测的增材熔池信息和减材工件信息反馈到与之相连的控制系统中。
进一步的，所述充氩及净化系统中的充氩箱房为密封箱体，室内只包含增材系统，并外设有滑开门；所述充氩及净化系统中的气体循环净化系统设有循环风机，除尘系统和净化系统，可保证加工过程中的材料不被氧化。
进一步的，所述RGV小车系统设有轨道和拖链，RGV小车滑轨道连接增材系统和减材系统，并且所述轨道在充氩箱房滑开门运动轨道处可伸缩运动，当箱房滑开门关闭时，滑轨缩回保证充氩箱房所必需的密闭环境；所述RGV小车在车体上方左右两边各设有支撑架，左右支撑架可在交流伺服电机的控制下相对车体组件在Z轴方向运动，也可将位于支撑架上的加工工作台传送至减材工作台支撑架上。
进一步的，所述增材系统中的增材双轴变位机及平台，变位机的两个轴竖直对称放置，加工平台可绕双轴的连线-90°至+90°旋转，加工平台亦可在水平平面做360°回转旋转，从而满足增材过程中对所加工构件各个方向位置的加工需求。
进一步的，所述减材系统中切削减材变位机安装在系统底座上，切削减材变位机可在电动机的动力驱使下在水平面做-180°至+180°旋转；加工工作台由RGV小车转运至减材工作台支撑架上；所述电动主轴安装在六轴机械手末端，由电动机动力驱使，因而切削量大，可灵活加工；
进一步的，所述控制系统中的增材功能区，其中的激光装置，水冷装置，送粉装置，双丝CMT焊机及送丝装置和增材双轴变位机都分别通过控制信号与中央数据处理器相连接；所述控制系统中的增材功能区，其还包括对充氩及净化系统、RGV小车的自动上、下料系统的控制。
进一步的，所述控制系统中的减材功能区，其中央数据处理器分别与六轴机械手、电动主轴和切削减材回转变位机建立控制信号，减材系统所需的工作信息经中央数据处理器进行信息数据处理后，以控制信号的交互方式控制六轴机器手、电动主轴和切削减材回转变位机共同完成对加工件的减材加工
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
1.本发明的智能协同增减材复合成型装备设置有充氩及净化系统，真空充氩环境可以实现对钛合金、铝合金、铜合金、高强超高强钢等材质的增材加工，在工作过程中其可以对加工室内的保护气自清洁，不需人工干涉就可以始终保证加工室内的保护气成分及质量，基本上杜绝了加工过程中的氧化反应，更加有效地保护了增材环境，保证了加工效果和质量。
2.本发明的智能协同增减材复合成型装备采用分离式增材减材加工方法，可以实现多维异质异构一体化材料与结构整体增材制造、中大型一体化复杂金属构件的高效增材制造。
3.本发明的智能协同增减材复合成型装备可以实现对所有设备的自动化，中央数据处理器控制系统可以实现对多个系统的模块化控制，在加工过程中，只需一键化就能实现所有控制模块的自适应运行，从而对增减材整体过程实现闭环智能化控制。
4.本发明的智能协同增减材复合成型装备分别在增材系统和减材系统设有视觉系统，可对增材过程熔池状态信息实时监控反馈、对减材过程刀具空间位置感知。
附图说明
图1是本发明的成型装备结构示意图；
图2是本发明的RGV小车系统结构示意图；
图3是本发明的充氩箱房结构示意图；
图4是本发明的增材双轴变位机的示意图；
图5是本发明的减材功能区示意图；
图6是本发明中央数据处理器增材功能区控制流程图；
图7是本发明中央数据处理器减材功能区控制流程图；
附图标记说明：
1-充氩箱房，2-增材双轴变位机，3-RGV小车，4-减材系统，5-滑轨，6-抽真空机组，7-净化系统，8-减材工作台支撑架，9-滑开门，10-切削减材回转变位机，11-减材系统底座，12-加工工作台，13-固定爪，14-卡座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
一种大型复杂构件的智能协同增减材复合成型装备，包括充氩及净化系统，RGV运动小车系统，复合增材系统，减材系统和控制系统；所述复合增材系统包括充氩箱房1，增材双轴变位机2，抽真空机组6，净化系统7；所述RGV小车系统包括RGV小车和滑轨5，所述滑轨5分别直线延伸至增材区增材双轴变位机2与减材区减材工作台支撑架8下面；所述减材系统主要包括六轴机器手，减材工作台支撑架8，切削减材回转变位机10，减材系统底座11，所述六轴机器手末端连有电动主轴，其与增材区位于同一水平轴线上。
作为优化，所述控制系统分为增材功能区和减材功能区，均由中央数据处理器所控制，对于增材功能区，中央数据处理器通过端口与充氩及净化系统、水冷单元、送粉单元、光纤激光器、焊机系统和送丝机、增材双轴变位机、RGV小车系统、增材六轴机械手、视觉系统和安全报警系统相连接，在加工过程中，当工程师将所需增材和减材的相关三维模型图分别导入到相关增材软件中，依靠软件自身的算法功能对三维模型图进行切片和路径规划，并将计算好的增材过程信息转化为数据信号传递给中央数据处理器，操作人员亦可在显示屏看到并调出相关的工艺信息。之后操作人员只需将各个功能模块打成自动控制模式，之后按下启动键，该装备将自启动工作，此时操作人员可在显示屏实时监控增减材过程信息。增材各系统实际运行过程中通过与中央数据处理器交互数字或模拟信号来接受中央数据处理器的时序控制，中央数据处理器控制充氩箱房滑开门关闭，之后充氩箱房启动，抽真空机组启动在30min内抽取真空并保证真空度为10Pa，再充入氩气保证箱房内的氧含量＜50ppm；其中增材功能的光纤激光器、焊机系统、增材六轴机械手、增材双轴变位机又互相关联通信，中央数据处理器将所需打印的构件代码依据生产时序分别传递给增材系统的各组件，使激光装置和双丝CMT焊机协调工作，六轴机器手和增材双轴变位机辅助改变增材设备和工件位置，共同完成增材工作。
具体地，所述充氩箱房1内部尺寸为4500(L)x 3200(W)x 2800(H)mm，可以对米级构件进行增材加工；充氩箱房1先在室温、空载状态抽真空，先抽真空再充氩气可节省氩气使用量，充氩气之后可保证充氩箱房1内氧含量＜50ppm；充氩箱房滑开门9门框内尺寸为2500(L)x2000(H)mm：由电机驱动，密封锁紧方式采用楔形锁紧，门密封采用充气密封垫，且在滑开门9和充氩箱房两侧各设有一个防辐射的密封视窗，以供操作人员实时安全的观察充氩箱房内的状况；在充氩箱房1的后左上方设有真空机组，主要由阀门、管道、机械泵等组成；在充氩箱房1的后右上方设有除尘和净化系统，高频变速风机将加工密封加工室内的气体抽出，带入到净化系统，通过大过滤器吸附烟尘，进而清除密封加工室内的氧和水，以及加工时产生的烟尘，流量为250m3/h的循环风机再将过滤后的气体送回密封加工室内实现密封工作箱内惰性气体循环，保护增材加工过程中材料不被氧化，当一个单元净化柱净化达到饱和时，通过微机控制启动其他单元净化柱进行工作，同时启动再生程序对该饱和净化柱进行再生激活；此外，净化系统配备有氧分仪、水分析仪，保证密封加工室内氧和水含量稳定在设置的范围之内。
特别地，充氩箱房1电缆密封组件采用真空所特有的锥形套密封结构，锥形真空橡胶套插入密封组件的锥形孔内通过侧面锥面挤压进行密封，位于箱体外部的压盖与锥形套通过螺栓紧密连接。
作为优化，所述中央数据处理器通过信号分别与增材双轴变位机2和RGV小车3的交流伺服电机相连，当增材过程完成，中央数据处理器控制滑开门9打开，滑轨5前端自动伸出，填补滑开门9处的空隙用于RGV小车3运动，中央数据处理器控制RGC小车3运动到加工工作台12下方，之后RGV小车3上的伺服电机接收到中央数据处理器的指令向上顶起，同时增材双轴变位机2伸出的固定爪12在中央数据处理器控制下退回，RGV小车3顶住加工工作台12并将其搬运到减材工作区；当RGV小车3将加工工作台12转运至减材工作台支撑架8末端时，RGV小车3伺服电机和减材工作台支撑架8伺服电机同步工作，通过在RGV小车支撑架和减材工作台支撑架8上设置的滚动滑轮将加工工作台12传送至减材工作台支撑架8上，RGV小车3和减材工作台8保持静止，位于端面的滑轮向前滚动，加工工作台12随之向前运动，直至完全转运到减材工作台支撑架8上；所述减材工作台支撑架8安装在切削回转变位机10上，切削减材回转变位机10又安装在减材系统底座11上，加工工件范围可达2000x2000x1500mm尺度；中央数据处理器通过相关端口与减材功能区六轴机器手、电动刀具主轴、减材工作台支撑架8、切削减材回转变位机10、减材系统底座11相连建立控制信号，减材各系统实际运行过程中通过与中央数据处理器交互数字或模拟信号来接受中央数据处理器的时序控制；在减材加工过程中，操作人员只需将减材模型导入到相关减材软件中，经过减材软件算法的计算处理自动生成减材路径，并将其转化为代码输入到中央数据处理器，中央数据处理器接收到减材软件所传递的减材加工构件的具体数据后，再将其转化为控制信号控制减材系统运行，六轴机械手带动功率为15Kw的高功率电动主轴在切削减材回转变位机的辅助运动下，完成对所需加工件的减材工作。其中，减材六轴机械手、电动刀具主轴和切削减材回转变位机之间通过数字或模拟信号进行信息交互，操作人员只需核对所需减材加工件的导入信息是否准确以及实时监控显示屏中所显示的减材成型信息是否异常。
具体地，所述中央数据处理器通过信号和视觉系统相连接，增材视觉系统可以监控增材过程中生成的熔池信息，并将其输出为图像实时反馈供操作人员优化加工的参数信息；减材视觉系统可以感知目前刀具位置，实时地显示刀具加工参数，并将其输出为图像实时反馈供操作人员优化加工的参数信息。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”“后”“末端”“上”“下”“左”“右”“竖直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅为了便于理解本发明所做的简要描述，不是指示或暗示所指的结构或元件必须参照的方位。
一种大型复杂构件增减复合加工方法，根据上述发明的智能协同增减材复合成型装备，具体包括以下步骤：
S1增材操作：
S11.将激光-电弧增材系统中的各部件调节至原位状态；
S12.将所需加工零件的三维模型图导入到相关软件中，经过软件的切片分析、轨迹规划和模拟仿真，并导入到中央数据处理器中；
S13.中央数据处理器接收到数据信息后，控制充氩箱房、水冷装置和送粉装置运行，创造增材所需的有效环境；
S14.激光装置以及电弧增材系统开始工作，视觉系统实时监测反馈增材熔池信息；
S15.增材结束后，中央数据处理器停止激光-电弧增材系统中各部件的运行；
S16，中央数据处理器控制RGV小车完成上料动作；
S2减材操作：
S21.减材加工参数信息已经被传输至中央数据处理器中；
S22.中央数据处理器控制RGV小车完成下料动作；
S23.中央数据处理器发送控制信号，机械手、刀具主轴和切削减材回转变位机根据相应地控制逻辑进行铣削加工，视觉系统实时监测反馈减材加工参数。
Claims (7)
1.一种大型复杂构件的智能协同增减材复合成型装备，其特征在于，包括充氩及净化系统，RGV运动小车系统，增材系统，减材系统和控制系统；
所述充氩及净化系统包括充氩箱房，真空抽气泵和气体循环净化系统；
所述RGV小车系统包含RGV小车和轨道拖链，所述RGV小车设有三台交流伺服电机，可以实现RGV小车在X方向、Z方向的运动和传送功能；
所述增材系统包括激光装置，水冷装置，送粉装置，双丝CMT焊机及送丝装置和增材双轴变位机及平台；
所述减材系统设有六轴机器手，减材工作台支撑架，切削减材回转变位机，系统底座，所述六轴机器手末端连有电动主轴；
所述控制系统包括增材功能区和减材功能区两个功能区，另外还包括视觉系统，所述视觉系统将监测的增材熔池信息和减材工件信息反馈到与之相连的控制系统中。
2.根据权利要求1所述的成型装备，其特征在于，所述充氩及净化系统中的充氩箱房为密封箱体，室内只包含增材系统，并外设有滑开门；所述充氩及净化系统中的气体循环净化系统设有循环风机，除尘系统和净化系统，可保证加工过程中的材料不被氧化。
3.根据权利要求2所述的成型装备，其特征在于，所述RGV小车系统设有轨道和拖链，RGV小车滑轨道连接增材系统和减材系统，并且所述轨道在充氩箱房滑开门运动轨道处可伸缩运动，当箱房滑开门关闭时，滑轨缩回保证充氩箱房所必需的密闭环境；所述RGV小车在车体上方左右两边各设有支撑架，左右支撑架可在交流伺服电机的控制下相对车体组件在Z轴方向运动，也可将位于支撑架上的加工工作台传送至减材工作台支撑架上。
4.根据权力要求3所述成型装备，其特征在于，所述增材系统中的增材双轴变位机及平台，变位机的两个轴竖直对称放置，加工平台可绕双轴的连线-90°至+90°旋转，加工平台亦可在水平平面做360°回转旋转，从而满足增材过程中对所加工构件各个方向位置的加工需求。
5.根据权利要求4所述的成型装备，其特征在于，所述减材系统中切削减材变位机安装在系统底座上，切削减材变位机可在电动机的动力驱使下在水平面做-180°至+180°旋转；加工工作台由RGV小车转运至减材工作台支撑架上；所述电动主轴安装在六轴机械手末端，由电动机动力驱使，因而切削量大，可灵活加工。
6.根据权利要求5所述的成型设备，其特征在于，所述控制系统中的增材功能区，其中的激光装置，水冷装置，送粉装置，双丝CMT焊机及送丝装置和增材双轴变位机都分别通过控制信号与中央数据处理器相连接；所述控制系统中的增材功能区，其还包括对充氩及净化系统、RGV小车的自动上、下料系统的控制。
7.根据权利要求6所述的成型设备，其特征在于，所述控制系统中的减材功能区，其中央数据处理器分别与六轴机械手、电动主轴和切削减材回转变位机建立控制信号，减材系统所需的工作信息经中央数据处理器进行信息数据处理后，以控制信号的交互方式控制六轴机器手、电动主轴和切削减材回转变位机共同完成对加工件的减材加工。
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