CN114279387B - 一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法 - Google Patents
一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及电弧增材制造技术领域的一种机械结构监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法,利用高精度的弹簧检测装置对增材过程中的工件实施机械测量,利用弹簧与传感器结合的方式,将弹簧的压缩和拉伸信号反馈给传感器并传入计算机中,计算机将实际与理论参数做对比后及时调整接下来的增材工艺参数,使监测与加工同步进行最终达到实际工件的高度和上表面平整度与理论值相符的目的。
Description
技术领域:
本发明涉及电弧增材制造技术领域,尤其是涉及了一种弹簧检测装置,以机械测量的方式监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法。
背景技术
电弧增材制造技术是目前广泛应用的3D打印技术。具有成本低、成型速度快等优势。但缺点也非常的明显,电弧增材制造精度偏低。
当前的精度低主要表现在两个方面:一方面,随着电弧增材时层高的增加,堆积后的金属会发生塌陷,高度变得不精确,使实际层高与理论层高不同。另一方面,随着电弧增材过程的进行,堆积金属上表面的平整度会有所不同,这主要是由于电信号参数及送丝速度不同导致的或者在焊枪行进过程中发生连丝行为导致的,最终在堆积金属的上表面会出现凸凹不平的现象。
目前行业内大多采用的修复方式是,增材时使金属实际堆积高度高于理论高度,再利用机械切割的方式将堆积金属的上表面部分切除,以此保证工件的实际高度符合设定要求,使上表面变得光滑平整。传统的加工方式耗时、复杂,大大增加了制造成本。之前也有人设计激光扫描装置来监测增材过程中金属高度与上表面形貌变化,但激光测量的精度没有机械测量的精度高。
因此,亟需发明一种机械监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法,利用高精度弹簧检测装置对增材过程中的金属实施机械测量,并及时调整增材工艺参数,最终使工件的高度和上表面平整度都符合设定要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法,通过将理论与实际的堆积高度、上表面平整度做对比,调整工艺参数使工件实际堆积高度与上表面平整度符合设定要求。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置,其特征在于,包括:
弹簧检测装置20;
在所述弹簧检测装置20的最外部安放装置外壳1,用来对内部装置进行保护和装配;
在装置内部的最顶端设计弹簧卡座2用来固定螺旋弹簧3,通过所述螺旋弹簧3的压缩和拉伸完成对工件堆积高度与上表面平整度变化的测量;
在所述螺旋弹簧3的下端安装连接杆4、连接杆卡座5、上部导轨6,所述连接杆卡座5用来固定连接杆4,所述连接杆4用来连接螺旋弹簧3和压头7,同时通过上部导轨6完成上下移动;
在所述连接杆4的下端安装压头7、压头卡座8、滚珠9、下部导轨10、拨片11,所述压头卡座8用来固定压头7,所述压头7下部安装滚珠9方便压头7滑动,所述压头7和滚珠9直接与工件18接触,对工件18施加压力,使螺旋弹簧3变形带动拨片11在位移传感器12上运动,进而得到反馈信号;
在所述弹簧检测装置20的最左侧和最右侧分别安装了位移传感器12、上部限位块13、下部限位块14,所述位移传感器12将拨片11的位移数据传输入计算机15,所述上部限位块13和下部限位块14用来限定压头7和螺旋弹簧3活动的位移,防止螺旋弹簧3行程超出量程;
焊枪17;
所述焊枪17与弹簧检测装置20同时安装在机械臂16的最下方,所述焊枪17对工件18进行增材制造并根据计算机15的指令调整工艺参数。
可选地,该方法步骤有:
1)在增材结束后,操作机械臂16将焊枪17抬起,旋转机械臂16的六轴将弹簧检测装置20的压头7移动到工件18中间位置,测量出初始高度点;
2)下压所述机械臂16,使拨片11与位移传感器12的中间位置相对应;
3)操作所述机械臂16沿工件18上表面向左侧运动,测量工件18左半部分的高度与平整度;
4)重新移动机械臂16将所述弹簧检测装置20的压头7移动到步骤1中的初始位置;
5)操作所述机械臂16沿工件18上表面向右侧运动,测量工件18右半部分的高度与平整度;
6)利用所述计算机15记录位移传感器12识别的数据并生成数模,将工件18的理论高度和平整度与实际监测参数做对比;
7)调整送丝速度与增材速度,再次进行增材打印。
可选地,在步骤2中,所述位移传感器12上标有刻度,用来校准精度,所述拨片11移动到位移传感器12中间位置,方便进行上下运动。
可选地,在步骤3和步骤5中,弹簧检测装置20可以先后接触工作台19和工件18顶部得到高度差,进而推算出工件18的实际高度与平整度。
可选地,在步骤7中送丝速度与增材速度根据监测后识别的堆积高度与上表面平整度进行工艺参数调整,当焊枪17行驶到工件18上表面凹陷处时减少移动速度,当焊枪17行驶到工件18上表面凸起处时并增加移动速度,当理论堆积高度由于塌陷低于实际堆积高度时,自动增加打印层数。
本发明有益效果为:
本发明的一种机械监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法,利用高精度的弹簧检测装置对增材过程中的工件实施机械测量,并及时调整工艺参数,最终达到工件的高度和上表面平整度都符合设定要求的目的。利用弹簧与传感器结合的方式,将弹簧的压缩和拉伸信号反馈给传感器并传入计算机中,计算机将实际与理论参数做对比后及时调整接下来的增材工艺参数,使监测与加工同步进行最终达到实际工件的高度和上表面平整度与理论值相符的目的。
附图说明
图1是本发明一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度装置的结构示意图;
图2是本发明一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度装置中弹簧检测装置上下移动的位置关系示意图;
图3是本发明一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度装置中弹簧检测装置的结构示意图;
图4是本发明一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度装置中计算机识别监测结果的示意图
图5是电弧增材制造工件在增材过程中理论和实际堆积高度与上表面平整度的对比示意图;
图中:
1-装置外壳;2-弹簧卡座;3-螺旋弹簧;4-连接杆;5-连接杆卡座;6-上部导轨;7-压头;8-压头卡座;9-滚珠;10-下部导轨;11- 拨片;12-位移传感器;13-上部限位块;14-下部限位块;15-计算机; 16-机械臂;17-焊枪;18-工件;19-工作台;20-弹簧检测装置;
具体实施方式:
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中,术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述和简化操作,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分,并没有特殊的含义。
随着电弧增材过程的进行,堆积金属上表面实际的平整度与理论值有所不同。另外随着电弧增材层高的增加,堆积后的金属会发生塌陷,高度变得不精确,使实际层高与理论层高不同。
传统的加工方式耗时、复杂。因此本文发明一种机械监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置及方法,利用高精度的弹簧检测装置对增材过程中的金属实施机械测量,并及时调整工艺参数,最终使工件的高度和上表面平整度都符合设定要求。
具体地,如图1所示,在机械臂的最下方分别安装焊枪和弹簧检测装置,使用焊枪进行电弧增材操作,利用弹簧检测装置对工件的上表面平整度和高度进行检测,并将数据传输给计算机同时生成数模,计算机通过识别生成的数模找到上表面凹凸不平的位置,自动规划出修复方案,再上表面凸的地方焊枪降低移动速度,再上表面凹的地方焊枪增加移动速度,当理论堆积高度由于塌陷低于实际堆积高度时,自动增加打印层数。
具体的,如图2所示,弹簧检测装置可以实现上下不同位置的移动。在检测初始位置调整机械臂高度使拨片移动到位移传感器的中间位置,在开始检测的时候,随着机械臂在水平方向上的移动拨片会被弹簧带动在传感器上移动。当压头移动到低于初始点位置时,压头向下运动弹簧会向下伸长。当压头移动到高于初始点位置时,压头向上运动弹簧会向上压缩。为了保护弹簧检测装置,防止螺旋弹簧超出量程,其运动行程被限位块束缚。图2左右两侧的弹簧检测装置就是压头与弹簧运动的极限上下位置。
具体的,如图3所示,在弹簧检测装置的最外部安放装置外壳,用来对内部装置进行保护和装配。在装置内部的最顶端设计弹簧卡座用来固定螺旋弹簧,通过所述螺旋弹簧的压缩和拉伸完成对工件堆积高度与上表面平整度变化的测量。在所述螺旋弹簧的下端安装连接杆、连接杆卡座、上部导轨,所述连接杆卡座用来固定所述连接杆,连接杆用来连接螺旋弹簧和压头,同时通过上部导轨完成上下移动。在连接杆的下端安装压头、压头卡座、滚珠、下部导轨、拨片,压头卡座用来固定所述压头,压头下部安装滚珠方便所述压头滑动,压头和滚珠直接与工件接触,对工件施加压力,使螺旋弹簧变形带动拨片在位移传感器上运动,进而得到反馈信号。在所述弹簧检测装置的最左侧和最右侧分别安装了位移传感器、上部限位块、下部限位块,所述位移传感器将拨片的位移数据传输入计算机,所述上部限位块和下部限位块用来限定压头和螺旋弹簧活动的位移,防止螺旋弹簧行程超出量程。
具体的操作步骤:
1)在增材结束后,操作机械臂将焊枪抬起,旋转机械臂的六轴将弹簧检测装置的压头移动到工件中间位置,测量出初始高度点;
2)下压所述机械臂,使拨片与位移传感器的中间位置相对应;
3)将所述机械臂沿工件上表面向左侧运动,测量工件左半部分的高度与上表面平整度;
4)重新移动机械臂将所述弹簧检测装置的压头移动到步骤1中的初始位置;
5)将所述机械臂沿工件上表面向右侧运动,测量工件右半部分的高度与上表面平整度;
6)将监测数据导入计算机中生成数模,并将工件的理论高度和上表面平整度与实际监测参数做对比;
7)调整送丝速度与增材速度,再次进行增材打印。
具体的,如图4所示,弹簧检测装置先接触工件底部,弹簧受力变形并带动拨片运动将信号反馈给传感器,此时计算机会自动记录初始位置。再抬高机械臂将弹簧检测装置移动到工件顶端,弹簧受力变形并带动拨片运动将信号反馈给传感器,此时计算机会自动记录终点位置。计算机通过将初始位置与终点位置的高度做差值,最终得出工件高度。
可选地,弹簧检测装置逐渐向右移动,在运动的过程中压头会随着工件上表面形貌发生不同程度的起伏变化。压头会使弹簧发生形变,并带动拨片运动将信号反馈给传感器,此时计算机会自动记录压头的波动轨迹。最终生成完整的数模。
可选地,如图5所示,通过对工件的第一次监测,发现试样的高度和上表面平整度与理论值不符合,所以调整工艺参数重新对工件进行增材打印。打印几层之后再次利用弹簧检测装置监测工件,会发现此时的实际上表面平整度和工件高度与理论值相同。继续增材一段时间后利用弹簧检测装置对工件进行检测发现工件上表面平整度和工件高度再次发生变化。所以重复上述步骤调整工艺参数对工件进行二次打印。经过多次的重复步骤后,最终使打印工件的实际上表面平整度和工件高度与理论值相同,符合工艺参数要求,工件打印合格。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。本说明书内容不应理解为对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说,依据本发明的思想,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。应当指出,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置,其特征在于,包括: 弹簧检测装置(20) ;
在所述弹簧检测装置(20)的最外部安放装置外壳(1) ,用来对内部装置进行保护和装配;
在装置内部的最顶端设计弹簧卡座(2) 用来固定螺旋弹簧(3) ,通过所述螺旋弹簧(3) 的压缩和拉伸完成对工件堆积高度与上表面平整度变化的测量;
在所述螺旋弹簧(3)的下端安装连接杆(4)、连接杆卡座(5)、上部导轨(6) ,所述连接杆卡座(5) 用来固定连接杆(4) ,所述连接杆(4) 用来连接螺旋弹簧(3)和压头(7) ,同时通过上部导轨(6)完成上下移动;
在所述连接杆(4)的下端安装压头(7) 、压头卡座(8) 、滚珠(9) 、下部导轨(10) 、拨片
(11) ,所述压头卡座(8) 用来固定压头(7) ,所述压头(7)下部安装滚珠(9)方便压头(7)滑动,所述压头(7)和滚珠(9)直接与工件(18)接触,对工件(18)施加压力,使螺旋弹簧(3)变形带动拨片(11)在位移传感器(12)上运动,进而得到反馈信号;
在所述弹簧检测装置(20)的最左侧和最右侧分别安装了位移传感器(12)、上部限位块
(13)、下部限位块(14) ,所述位移传感器(12)将拨片(11)的位移数据传输入计算机(15) ,所述上部限位块(13)和下部限位块(14)用来限定压头(7)和螺旋弹簧(3)活动的位移,防止螺旋弹簧(3)行程超出量程;
焊枪(17) ;
所述焊枪(17)与弹簧检测装置(20)同时安装在机械臂(16)的最下方,所述焊枪(17)对工件(18)进行增材制造并根据计算机(15)的指令调整工艺参数;
利用高精度的弹簧检测装置对增材过程中的金属实施机械测量,并及时调整工艺参数,最终使工件的高度和上表面平整度都符合设定要求。
2.根据权利要求1所述的一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的装置监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的方法,其特征在于,该方法步骤有:
1)在增材结束后,操作机械臂(16)将焊枪(17)抬起,旋转机械臂(16)的六轴将弹簧检测装置(20)的压头(7)移动到工件(18)中间位置,测量出初始高度点;
2)下压所述机械臂(16) ,使拨片(11)与位移传感器(12)的中间位置相对应;
3)操作所述机械臂(16)沿工件(18)上表面向左侧运动,测量工件(18)左半部分的高度与平整度;
4)重新移动机械臂(16)将所述弹簧检测装置(20)的压头(7)移动到步骤1中的初始位置;
5)操作所述机械臂(16)沿工件(18)上表面向右侧运动,测量工件(18)右半部分的高度与平整度;
6)利用所述计算机(15)记录位移传感器(12)识别的数据并生成数模,将工件(18)的理论高度和平整度与实际监测参数做对比;
7)调整送丝速度与增材速度,再次进行增材打印。
3.根据权利要求2所述的一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的方法,其特征在于,在步骤2中,所述位移传感器(12)上标有刻度,用来校准精度,所述拨片(11)移动到位移传感器(12)中间位置,方便进行上下运动。
4.根据权利要求2所述的一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的方法,其特征在于,在步骤3和步骤5中,弹簧检测装置(20)可以先后接触工作台(19)和工件(18)顶部得到高度差,进而推算出工件(18)的实际高度与平整度。
5.根据权利要求2所述的一种监测电弧增材制造堆积高度与上表面平整度的方法,其特征在于,在步骤7中送丝速度与增材速度根据监测后识别的堆积高度与上表面平整度进行工艺参数调整,当焊枪(17)行驶到工件(18)上表面凹陷处时减少移动速度,当焊枪(17)行驶到凸起处时增加移动速度,当实际堆积高度由于塌陷低于理论堆积高度时,自动增加打印层数。
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