CN114682891B - 一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法 - Google Patents

一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造领域，尤其是涉及磁控等离子弧增材制造领域。本发明公开了一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法，等离子电弧在增材制造过程中沿焊枪轴中心进行偏摆的同时，送丝装置沿等离子电弧偏摆方向进行对向送丝；根据增材轨迹形状调整等离子电弧摆动的频率、方向和摆动幅度，同时控制对向送丝的丝材末端位置和送丝速度调节熔宽，在增材过程中等离子电弧摆动的频率、方向和幅度与丝材末端位置和送丝速度实时匹配达到增材控形控性的目的。控弧与控丝结合使等离子电弧与丝材末端位置实时匹配，实现单个切片层平面任意形状的成形，提高了等离子弧增材制造工艺的成形精度；同时对向送丝相比单丝送丝增加了熔宽调节范围和增材效率。

Description

一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法
技术领域
本发明具体涉及一种磁控等离子弧增材制造过程中等离子电弧与丝材末端位置匹配实现增材控形控性的方法，该方法属于等离子弧增材制造领域。
背景技术
丝材电弧增材制造技术适用于大尺寸且形状较复杂构件的低成本、高效快速成形，是与目前发展较为成熟的激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术。与熔化极电弧增材制造不同的是，等离子弧增材制造技术具有电弧能量密度高、成形精度高和制造周期短等优势。由于等离子电弧弧柱稳定，利用磁场控制等离子电弧受控性较好，可以实现等离子电弧的任意方向摆动，因此等离子弧增材制造技术尤其适用与高精密大尺寸构件的增材制造。
在增材制造过程中，对增材构件的控形控形是控制成形精度的关键。经过现有文献技术检索发现，申请号为CN201810092351.8名为“一种直流控制磁单极旋转进行分段控弧的方法”的中国专利采用直流电控制磁场的单极绕着焊枪轴分段旋转的技术方案实现等离子电弧的圆周摆动，提供了一种磁场控制等离子电弧的新思路；申请号为CN201921489016.8名为“旁轴送丝装置和增材制造系统”的中国专利采用旁轴送丝装置绕焊枪轴线作周向运动的技术方案实现了实时调整送丝方向和焊丝与焊枪之间的夹角，该专利采用的技术方案送丝自动化程度较高，有助于改善增材制造的成形质量，但没有提出具体的控丝方法；占彬等在 2019年6月第40卷第六期的《焊接学报》上刊登的“碳钢双丝与单丝等离子弧增材制造成形及组织特征分析”一文中提出了一种“双填丝+压缩等离子弧”增材制造工艺，证明了双丝等离子弧增材制造工艺在效率和质量同步提升方面有独特的优势。虽然先前的技术能够完成控弧、控丝及双填丝提升增材效率和质量的效果，但没有解决增材过程中控弧与控丝匹配实现任意方向增材控形控性的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子弧增材制造过程中控制等离子电弧与丝材末端位置实时匹配实现增材控形控性的方法，设计了一种自动化程度高、结构简单的磁控等离子电弧摆动装置和送丝装置，在利用磁场控制等离子电弧偏摆的同时始终沿等离子电弧偏摆方向进行对向送丝，提出一种根据工件形状控制等离子电弧摆动的频率、方向和幅度与丝材末端位置和送丝速度实时匹配的控制方法，提高了等离子弧增材制造工艺的成形精度和增材效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
该匹配方法主要由磁控摆动等离子电弧装置、送丝装置、等离子电弧摆动控制系统与丝材末端位置控制系统实现，等离子电弧在增材制造过程中沿焊枪轴中心进行偏摆的同时，送丝装置沿等离子电弧偏摆方向进行对向送丝；根据增材轨迹形状调整等离子电弧摆动的频率、方向和摆动幅度，同时控制对向送丝的丝材末端位置和送丝速度调节熔宽，在增材过程中等离子电弧摆动的频率、方向和幅度与丝材末端位置和送丝速度实时匹配达到增材控形控性的目的。
所述的的磁控摆动等离子电弧装置包括线圈夹具、四对直流铜导线圈绕制的绕焊枪轴线均布的磁柱与四个磁极，通过螺钉将磁控摆动等离子电弧装置与焊枪固连；所述的送丝装置包括电机(2)、电机支架(14)、电机齿轮(15)、转盘(3)、 4台送丝机、4个气缸(4)及4个气缸夹具(5)、4套摇杆滑块机构(6)、4套送丝调整组件(7)、4个送丝导管(8)及4个送丝嘴(9)；其中1台送丝机、1 个气缸(4)及气缸夹具(5)、1套摇杆滑块机构(6)、1套送丝调整组件(7)、 1个送丝导管(8)及送丝嘴(9)组成一个独立的送丝单元，送丝单元通过转盘与焊枪固连，电机通过电机支架与焊枪固连。
控制等离子电弧沿增材形状摆动的过程由磁控摆动等离子电弧装置和等离子电弧控制系统完成，所述的等离子电弧摆动控制系统通过控制单个线圈电流的大小控制等离子电弧摆动的幅度，同时控制两对线圈通断的交变频率控制等离子电弧的摆动频率，利用四个方向的洛伦兹力进行力的合成改变等离子电弧摆动方向，控制两对磁极线圈的电流大小及线圈的通断可以解决等离子电弧摆动幅度和方向控制问题，使等离子电弧始终沿增材轨迹形状进行偏摆。
在等离子电弧摆动的同时沿等离子电弧偏摆方向进行对向送丝的过程由送丝装置和丝材末端位置控制系统完成，所述的送丝装置包括4个独立的送丝单元，每个送丝单元可以单独控制送丝方向、送丝角度、送丝速度和丝材末端位置，在进行磁控等离子弧增材制造时，电机通过齿轮传动带动转盘在均布的弧度区间内旋转以控制送丝的方向，气缸通过滑块摇杆机构带动送丝导管摆动进行送丝角度和丝材末端位置的微调，送丝角度和丝材末端位置变化较大时可以利用送丝调整组件调节，通过送丝机实时调整送丝速度可以控制增材量和丝材末端位置，4个独立的送丝单元能够实现增材方向调整幅度大时快速调整送丝方向。送丝装置和丝材末端位置控制系统结合能够实现送丝装置始终沿等离子电弧偏摆的方向进行对向送丝的同时实时动态调整增材量和丝材末端位置。
所述的丝材末端位置控制系统能够根据等离子电弧的摆动形式实时调节丝材末端位置；具体控丝方法如下：在单个切片层增材过程中焊枪沿轴线运动，将切片层增材轨迹形状细分为多个小面积区域并计算每个小面积区域的顶点坐标信息，根据顶点坐标信息可以计算每个小区域的丝材末端位置原点坐标信息(丝材末端位置原点即每个小面积区域增材时丝材末端的起始点)，得到丝材末端位置原点坐标后利用气缸调节丝材末端位置至丝材末端位置原点保证每个小面积区域增材时丝材末端的起始点与增材轨迹边缘的距离恒定。实时调整丝材末端位置可以解决增材工艺成形精度问题和成形质量问题，精确控制送丝量和丝材末端位置使成形形状更佳，成形组织更致密。进行对向送丝相比单丝增加了熔宽调节的范围，提升了增材效率。
所述的增材过程中等离子电弧摆动的频率、方向和摆动幅度与丝材末端位置和送丝速度实时匹配的过程为：将切片层增材轨迹形状细分为多个小面积区域，等离子电弧摆动控制系统接收每一个小区域各点的坐标信息及面积信息后，根据单位脉冲时间Tf可得等离子电弧摆动的频率，通过增材方向和增材区域控制等离子电弧摆动的方向和幅度，然后等离子电弧摆动控制系统将等离子电弧信息(包括等离子电弧摆动的频率、方向和摆动幅度)和坐标信息及面积信息反馈给丝材末端控制系统，丝材末端控制系统根据小区域各点的坐标信息计算每个小区域的丝材末端位置原点坐标和单位脉冲时间内轴线两边的增材区域面积值，再通过面积值反求送丝速度以控制轴线两边的送丝量，同时利用气缸调节丝材末端位置保证丝材末端位置原点与增材轨迹边缘的距离恒定；等离子电弧摆至丝材末端位置原点时，靠近该丝材末端位置原点的送丝单元则以计算的送丝速度送丝，经过
Figure SMS_1
时间后停止送丝，然后等离子电弧摆至对向的丝材末端位置原点，对向的送丝单元开始以计算的送丝速度送丝，/>
Figure SMS_2
时间后停止送丝并开始下一小区域的增材。
本发明的主要特点是：将增材工件形状沿轴线两边分为两个部分进行增材，每个部分按照单位脉冲时间细分为多个小面积区域，计算每个小面积区域的面积得到送丝量和送丝速度，通过精确控制单个小面积区域的成形提高增材工件的成型精度，理论上只要单位脉冲时间足够小，焊丝足够细可以实现等离子弧增材制造近净成形；焊枪中心在沿轴线运动时等离子电弧摆动幅度与增材轨迹形状基本一致，等离子电弧与丝材末端位置实时匹配实现等离子电弧摆动的同时丝材末端位置可以始终处于等离子电弧的中心进行增材。
本发明的有益效果是提供一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法，利用两对磁极实现等离子电弧沿焊枪中心轴任意方向进行周期摆动，控制线圈电流的大小可以控制等离子电弧摆动的幅度与增材形状一致；可以单独控制送丝方向、送丝角度、送丝速度和丝材末端位置的送丝装置进行对向送丝实时将焊丝丝端送至摆动等离子电弧的中心，控弧与控丝结合使等离子电弧与丝材末端位置实时匹配，实现了单个切片层平面任意形状的成形，提高了等离子弧增材制造工艺的成形精度；同时对向送丝相比单丝送丝增加了熔宽调节的范围和增材的效率。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是磁控摆动等离子电弧装置和送丝装置结构示意图；
图2是送丝装置传动原理图；
图3是等离子电弧与丝材末端位置匹配原理图1；
图4是等离子电弧与丝材末端位置匹配原理图2；
图5是增材过程等离子电弧与丝材末端位置匹配调节熔宽原理图。
附图标记：
1：焊枪；2：电机；3：转盘；4：气缸；5：气缸夹具；6：摇杆滑块机构；7：送丝调整组件；8：送丝导管；9：送丝嘴；10：磁极；11：磁柱；12：线圈；13：线圈夹具；14：电机支架；15：电机齿轮。
具体实施方式
为了更好地表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明的实施方式不限于此。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“固连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是规定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，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。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发明中的具体含义。
下面参考图1描述根据本发明实施例的磁控摆动等离子电弧装置和送丝装置具体结构。
如图1所示，所述的的磁控摆动等离子电弧装置包括线圈夹具、四对直流铜导线圈绕制的绕焊枪轴线均布的磁柱与四个磁极，通过螺钉将磁控摆动等离子电弧装置与焊枪固连；所述的送丝装置包括电机、传动结构、转盘、4台送丝机、 4个气缸及气缸夹具、4套摇杆滑块机构、4套送丝调整组件、4个送丝导管及送丝嘴，电机通过电机支架与焊枪固连，送丝装置通过转盘与焊枪固连。
可以理解的是，单个送丝机、气缸及气缸夹具、摇杆滑块机构、送丝调整组件、送丝导管及送丝嘴组成一个送丝单元，采用4个送丝单元进行送丝的目的是为了实现增材方向调整幅度大时送丝方向调整的快速响应，送丝单元越多，转盘转动的弧度区间越小，送丝方向调整响应越快，但结构也越复杂。同理，由于磁控等离子电弧只需要实现等离子电弧的偏摆动作，采用两对磁极进行洛伦兹力的合成即可实现等离子电弧沿焊枪中心轴任意方向进行周期摆动，采用多对磁极磁极可以提高等离子电弧控制的精度，但等离子电弧摆动控制系统控制的参数变量也会变多，计算量变大影响等离子电弧方向和幅度调整的实时性。
优选地，采用4个送丝单元均布在转盘上进行送丝，选用两对磁极进行等离子电弧的摆动方向和幅度的调整。
需要说明的是，所述的送丝单元的送丝机可以实时控制送丝速度。
下面参考图2描述根据本发明实施例的送丝装置传动原理。
如图2所示，电机通过电机支架与焊枪固连，电机输出轴与电机齿轮连接，电机齿轮与转盘的内齿轮啮合，电机转动带动转盘在均布的弧度区间内旋转；气缸通过气缸夹具与转盘固连，送丝调整组件通过摇杆滑块机构与气缸连接，送丝导管固定在送丝调整组件上，气缸移动通过摇杆滑块机构带动送丝导管摆动，实现丝材末端位置和送丝角度的微调。
需要说明的是，当需要对送丝角度和丝材末端位置进行大幅度调整时，可以使用送丝调整组件进行调整。
下面参考图3、图4和图5描述本实施例的等离子电弧与丝材末端位置实时匹配示例。
图5所示的参数及其含义如下所示：
Hm：m时刻焊枪中心点的位置；
tm-1：第m个小区域左边线与轴线的交点；
tm：第m个小区域右边线与轴线的交点；
r(m-1)1：第m个小区域左边线与增材轨迹上边缘的交点；
r(m-1)2：第m个小区域左边线与增材轨迹下边缘的交点；
r(m)1：第m个小区域右边线与增材轨迹上边缘的交点；
r(m)2：第m个小区域右边线与增材轨迹下边缘的交点；
Sm1：第m个小区域轴线以上区域面积；
Sm2：第m个小区域轴线以下区域面积。
将增材轨迹按形状是否对称分为对称形状增材和非对称形状增材，其主要区别在于轴线的选取和小面积区域的划分上。对称形状增材过程中，直接选取增材轨迹的对称轴为轴线，按单位脉冲时间Tf内焊枪的位移L进行小面积区域的划分，即Hm+1-Hm＝L；取轴线上Hm+1和Hm两点连线的中点为tm(t0为轴线的起点)，过点tm做轴线切向方向的垂线得到边线与增材轨迹边缘的交点r(m)1和r(m)2。则第m个小区域轴线以上区域面积为：
Figure SMS_3
式中：
Figure SMS_4
—点r(m)1和点tm的距离；/>
Figure SMS_5
—点tm的横坐标；/>
Figure SMS_6
—点tm的纵坐标。
同理，第m个小区域轴线以下区域面积为：
Figure SMS_7
非对称形状增材过程中，将增材轨迹根据工件形状分为多段，取每段增材轨迹的首尾两端中点的连线为轴线(如图5右图所示)，按单位脉冲时间Tf内焊枪的位移L进行小面积区域的划分，即Hm+1-Hm＝L；取轴线上Hm+1和Hm两点连线的中点为tm(t0为轴线的起点)，过点tm做增材轨迹上边缘切向方向的垂线得到边线与增材轨迹上边缘的交点r(m)1，过点tm做增材轨迹下边缘切向方向的垂线得到边线与增材轨迹下边缘的交点r(m)2，第m个小区域的面积计算方法与对称形状增材过程一致。
得到小区域各点的坐标信息及面积信息即可计算各个小区域的送丝速度与丝材末端位置原点坐标信息：
第m个小区域轴线以上区域的送丝速度Vs1为：
Figure SMS_8
第m个小区域轴线以下区域的送丝速度Vs2为：
Figure SMS_9
第m个小区域轴线以上区域的丝材末端位置原点坐标：
横坐标：
Figure SMS_10
纵坐标：
Figure SMS_11
第m个小区域轴线以下区域的丝材末端位置原点坐标：
横坐标：
Figure SMS_12
纵坐标：
Figure SMS_13
式中：h—单个切片层层高；Ss—焊丝截面积。
以焊枪中心为原点建立直角坐标系，送丝单元的个数为n，将坐标系均分为 n个区间，每个区间的角度为360°/n。当增材轨迹方向变化角度小于单个区间角度时，等离子电弧与丝材末端位置匹配过程如图3所示，具体步骤如下：
1、等离子电弧摆动控制系统接收第m个小区域各点的坐标信息及面积信息，通过小区域轴线上下两区域的丝材末端位置原点坐标得到上下两个区域等离子电弧摆动的幅度和方向，然后计算等离子电弧偏摆至上下两个区域丝材末端位置原点的单个线圈电流大小，通过单位脉冲时间Tf可得等离子电弧摆动的频率f＝1/Tf(HZ)；
2、等离子电弧摆动控制系统控制等离子电弧摆动的频率、方向和摆动幅度并反馈给丝材末端位置控制系统，丝材末端位置控制系统首先判断增材轨迹方向变化角度是否小于单个区间角度看是否需要更换送丝单元送丝，当增材轨迹方向变化角度小于单个区间角度时则不更换送丝单元送丝，只需利用电机带动转盘将送丝单元2和4的送丝方向调整至第m个小区域等离子电弧偏摆的方向即可；然后利用气缸调整送丝单元2和4的丝材末端位置至两个丝材末端位置原点，同时计算送丝单元2和4的第m个小区域的送丝速度；
3、由图3知第m-1个小区域结束于轴线以上区域，因此第m个小区域从轴线以上区域开始增材，相应线圈通上相应的电流，等离子电弧摆至第m个小区域轴线以上区域的丝材末端位置原点处，同时靠近等离子电弧的送丝单元4开始以计算的上区域送丝速度送丝；经过
Figure SMS_14
时间后，切换线圈电流方向和大小，等离子电弧摆至第m个小区域轴线以下区域的丝材末端位置原点，对向的送丝单元2开始以计算的下区域送丝速度送丝，同时送丝单元4停止送丝，再经过/>
Figure SMS_15
时间后，送丝单元2停止送丝，第m个小区域增材完成，开始第m+1个小区域增材。
需要说明的是，磁控等离子电弧切换的时间很短，远小于单位脉冲时间Tf，可忽略不计。
当增材轨迹方向变化角度大于单个区间角度时，等离子电弧与丝材末端位置匹配过程如图4所示，与图3唯一的区别在于步骤2：判断增材轨迹方向变化角度大于单个区间角度后应切换送丝单元送丝，送丝单元2和4焊丝回抽至远离等离子电弧摆动区域处，电机动转盘将送丝单元1和3的送丝方向调整至第m个小区域等离子电弧偏摆的方向，然后利用气缸调整送丝单元1和3的丝材末端位置至两个丝材末端位置原点，同时计算送丝单元1和3的第m个小区域的送丝速度。
需要说明的是，为了保证起焊点形状，增材前应该对丝材末端位置进行坐标标定和送丝角度标定；另外，根据工艺参数的变化以及单个小区域的增材量的变化，增材过程中焊接电流需要进行一定的调整。

Claims (3)

1.一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法，该匹配方法主要由磁控摆动等离子电弧装置、送丝装置、等离子电弧摆动控制系统与丝材末端位置控制系统实现，其特征在于：等离子电弧在增材制造过程中沿焊枪轴中心进行偏摆的同时，送丝装置沿等离子电弧偏摆方向进行对向送丝；根据增材轨迹形状调整等离子电弧摆动的频率、方向和摆动幅度，同时控制对向送丝的丝材末端位置和送丝速度调节熔宽，在增材过程中等离子电弧摆动的频率、方向和幅度与丝材末端位置和送丝速度实时匹配，实时匹配过程为：将切片层增材轨迹形状细分为多个小面积区域，等离子电弧摆动控制系统接收每一个小区域各点的坐标信息及面积信息后，根据单位脉冲时间Tf可得等离子电弧摆动的频率，通过增材方向和增材区域控制等离子电弧摆动的方向和幅度，然后等离子电弧摆动控制系统将等离子电弧信息和坐标信息及面积信息反馈给丝材末端控制系统，丝材末端控制系统根据小区域各点的坐标信息计算每个小区域的丝材末端位置原点坐标和单位脉冲时间内轴线两边的增材区域面积值，再通过面积值反求送丝速度以控制轴线两边的送丝量，同时利用气缸调节丝材末端位置保证丝材末端位置原点与增材轨迹边缘的距离恒定；等离子电弧摆至丝材末端位置原点时，靠近该丝材末端位置原点的送丝单元则以计算的送丝速度送丝，经过
Figure FDA0004205055180000011
时间后停止送丝，然后等离子电弧摆至对向的丝材末端位置原点，对向的送丝单元开始以计算的送丝速度送丝，/>
Figure FDA0004205055180000012
时间后停止送丝并开始下一小区域的增材。
2.根据权利要求1所述的一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法，其特征在于：所述的送丝装置包括电机(2)、电机支架(14)、电机齿轮(15)、转盘(3)、4台送丝机、4个气缸(4)及4个气缸夹具(5)、4套摇杆滑块机构(6)、4套送丝调整组件(7)、4个送丝导管(8)及4个送丝嘴(9)；其中1台送丝机、1个气缸(4)及气缸夹具(5)、1套摇杆滑块机构(6)、1套送丝调整组件(7)、1个送丝导管(8)及送丝嘴(9)组成一个独立的送丝单元，送丝单元通过转盘与焊枪固连，电机通过电机支架与焊枪固连。
3.根据权利要求2所述的一种磁控等离子弧增材制造电弧与丝材末端位置匹配方法，其特征在于：所述的独立的送丝单元可以单独控制送丝方向、送丝角度、送丝速度和丝材末端位置，在进行磁控等离子弧增材制造时，电机通过齿轮传动带动转盘在均布的弧度区间内旋转以控制送丝的方向，气缸通过滑块摇杆机构带动送丝导管摆动进行送丝角度和丝材末端位置的微调，送丝角度和丝材末端位置变化较大时可以利用送丝调整组件调节，通过送丝机实时调整送丝速度可以控制增材量和丝材末端位置，4个独立的送丝单元能够实现增材方向调整幅度大时快速调整送丝方向。
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