CN115194293B - 一种实时微调送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置及方法 - Google Patents

一种实时微调送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种实时微调送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置及方法，该装置包括：非熔化极电弧增材枪、送丝微调机构、三维相机和连接夹具；非熔化极电弧增材枪、三维相机分别通过连接夹具上的增材枪连接座、相机连接座固定连接，连接夹具通过连接法兰与外设的运动执行机构相连，能利用外部执行机构带动电弧增材枪按照设定路径进行增材制造。该装置能够根据计算的增材表面在增材前进方向上的高度变化趋势，通过控制送丝微调机构调节送丝高度，进而控制熔滴过渡方式，有效改善增材的成形质量。

Description

一种实时微调送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置 及方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造技术领域，尤其涉及一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置及方法。
背景技术
电弧增材制造技术是利用电弧热源熔化丝材，按照模型特征规划好的路径逐层堆积制造金属构件的方法。按照电弧的种类可分为熔化极电弧增材和非熔化极电弧增材两类。
与熔化极电弧增材相比，非熔化极电弧增材中电弧和丝材独立控制，电弧挺度高、稳定性好，增材成形精度较高，因此对于成形及质量要求较高的构件增材，优先选用非熔化极电弧作为增材热源。
非熔化极电弧增材一般采用旁轴送丝添加填充材料，其焊丝末端到工件表面的距离决定了熔滴的过渡方式：当焊丝端部到工件表面距离较短时，熔滴过渡形式为搭桥过渡，熔滴过渡平稳；当焊丝端部到工件表面距离较长时，熔滴过渡为自由过渡或大滴过渡，并且焊丝距离工件表面的高度不同，产生熔滴的大小、温度及过渡速度不同，会对熔覆层表面成形造成不同程度的影响。因此对于非熔化极电弧增材而言，一般优先选用搭桥过渡形式增材。而电弧增材熔覆层表面往往有一定的高低起伏，高度不会完全一致，表面高度差会影响熔滴过渡形式，因此需要在非熔化极电弧增材过程中实时微调送丝高度，才能够进一步提升增材成形精度。
目前现有的电弧调整方法主要是利用弧长传感手段调节焊枪高度，焊枪高度变化会影响电弧形态及稳定性，并非实时调节丝材至熔覆层表面的高度，不能有效改善增材件成形。专利《用于丝材等离子弧增材制造的激光测距装置及测控方法》(申请号：201710022695.7)公开了一种用于丝材等离子弧增材制造的激光测距装置及测控方法，利用非接触式激光位移传感器测量焊枪与堆敷层之间的距离，计算堆敷层的层高以确定下一堆敷层起弧时的焊枪高度，并未实现精准送丝、提高增材成形质量的目的，仅消除了增材成形过程中的堆积方向累积误差。
发明内容：
本发明的目的是提供了一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置及方法，可避免由于增材熔覆层表面高低起伏，焊丝端部到熔覆层表面距离不同，使得熔滴过渡不稳定、熔池流动发生突变，造成增材成形不良等问题，能够进一步提升非熔化电弧增材成形及质量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种实时微调送丝位置实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，包括：
非熔化极电弧增材枪、送丝微调机构、三维相机和连接夹具；非熔化极电弧增材枪、三维相机分别通过连接夹具上的增材枪连接座、相机连接座固定连接，连接夹具通过连接法兰与外设的运动执行机构相连，能利用外部执行机构带动电弧增材枪按照设定路径进行增材制造。
非熔化极电弧增材枪为钨极惰性气体保护焊枪或等离子弧焊枪。
送丝微调机构包括微调滑块、连接杆和角度可调的导丝管夹具，可以通过调节角度可调的导丝管夹具的角度调整送丝角度。送丝微调机构通过微调滑块与增材枪连接座侧面的滑槽滑动连接，用于调整焊丝端部到增材熔敷层表面的距离，调节范围为-Φ～1.5Φ，Φ为填充丝材的直径，调节精度为0.1mm。
三维相机实时测量熔覆层表面高度差，并能测量和计算出相邻焊道中心间距。三维相机视场有效半径为4mm-50mm，测量精度为0.05mm。
系统控制满足：
增材过程中，三维相机实时测量熔敷层表面高度差Δh、道间距偏差Δb。
当熔敷层表面高度差|Δh|<0.5Φ(Φ为填充丝材的直径)，无需调整焊枪高度和送丝高度；
当熔敷层表面高度差0.5Φ≦|Δh|≦1.2Φ时，系统发送指令给送丝微调机构，送丝微调机构微调丝材端部至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；
当熔敷层表面高度差|Δh|>1.2Φ时，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整焊枪至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；
当熔敷层表面道间距偏差|Δb|>0.5mm，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整道间距，直至高度差间距偏差|Δb|≦0.5mm，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝0。
一种实时微调送丝位置实现非熔化极电弧高精度增材成形的方法，包括：
步骤1：将非熔化极电弧增材枪通过连结法兰与外设的运动执行机构相连，并根据预研增材工艺结果调节增材枪高度、导丝嘴送丝角度和高度。
调整增材枪到增材平面高度为H1，H1为8mm～20mm；调整送丝角度至焊丝俯视投影与增材方向平行，并且处于增材枪中心，焊丝与增材平面夹角为θ，θ为15°～45°；调整焊丝末端到增材平面距离为h，且满足h<0.5Φ，Φ为填充丝材的直径。
步骤2：调整三维相机位置。调整三维相机垂直于增材表面，并且三维相机底部到增材平面初始高度为H2，H2为50mm～100mm。
步骤3：按预设工艺参数和路径开始增材，三维相机实时测量熔敷层表面高度差Δh、道间距偏差Δb。
步骤4：增材过程中焊枪高度、道间距、焊丝高度动态调整。
当熔敷层表面高度差|Δh|<0.5Φ(Φ为填充丝材的直径)，焊枪高度和送丝高度保持不变；当熔敷层表面高度差0.5Φ≦|Δh|≦1.2Φ时，系统发送指令给送丝微调机构，送丝微调机构微调丝材端部至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；当熔敷层表面高度差|Δh|>1.2Φ时，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整焊枪至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；；当熔敷层表面道间距偏差|Δb|>0.5mm，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整道间距，直至高度差间距偏差|Δb|≦0.5mm，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝0。
步骤5：按照设定的增材路径增材，利用步骤2-4的方法进行动态调整，直至完成增材制造。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点是：
1、本发明的一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，通过三维相机能够测量增材表面的平面高度数据，相比单点测量，测量精度更高；
2、本发明的一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，通过三维相机测量的增材表面的平面高度数据，能够计算出增材表面在增材前进方向高度变化趋势和增材熔覆道道间距；
3、本发明的一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，能够根据计算的增材表面在增材前进方向上的高度变化趋势，通过控制送丝微调机构调节送丝高度，进而控制熔滴过渡方式，有效改善增材的成形质量；
4、本发明的一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，能够根据计算的增材表面在增材宽度方向上的高度变化趋势，通过控制运动执行机构调整非熔化极电弧增材枪在增材宽度方向上的位置，有效改善宽度方向上的成形质量；
5、本发明的一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，电弧增材控制系统提前接收到高度变化趋势数据，能够响应缓冲时间内在相应位置及时做出调整，有效避免了由于设备响应速度缓慢导致精度降低的问题；
6、本发明的一种实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，同时兼具消除沿堆积方向的累积误差以及消除增材表面起伏引起的送丝高度方向偏差的功能。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明装置主视图。
图3为同工艺条件下普通非熔化极电弧增材熔滴过渡过程采集图。
图4为同工艺条件下本发明装置及方法增材时熔滴过渡过程采集图。
图5为同工艺条件下普通非熔化极电弧增材与本发明装置及方法增材对比情况图。
图中，非熔化极电弧增材枪1，送丝微调机构2，微调滑块2-1、连接杆2-2，导丝管夹具2-3，三维相机3，连接夹具4，连接法兰4-1，增材枪连接座4-2，相机连接座4-3，滑槽4-4。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种实时微调送丝位置实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，包括：
非熔化极电弧增材枪1、送丝微调机构2、三维相机3和连接夹具4。非熔化极电弧增材枪1、三维相机3分别通过连接夹具4上的增材枪连接座4-2、相机连接座4-3固定连接，连接夹具4通过连接法兰4-1与外设的运动执行机构相连，能利用外部执行机构带动电弧增材枪按照设定路径进行增材制造。
非熔化极电弧增材枪1为钨极惰性气体保护焊枪或等离子弧焊枪。
送丝微调机构2包括微调滑块2-1、连接杆2-2和角度可调的导丝管夹具2-3，可以通过调节角度可调的导丝管夹具2-3的角度调整送丝角度。送丝微调机构2通过微调滑块2-1与增材枪连接座4-2侧面的滑槽4-4滑动连接，用于调整焊丝端部到增材熔敷层表面的距离，调节范围为-Φ～1.5Φ(Φ为填充丝材的直径)，调节精度为0.1mm。
三维相机3，可实时测量熔覆层表面高度差，并能测量和计算出相邻焊道中心间距。三维相机3视场有效半径为4mm-50mm，测量精度为0.05mm。
系统控制逻辑：
增材过程中，三维相机实时测量熔敷层表面高度差Δh、道间距偏差Δb。当熔敷层表面高度差|Δh|<0.5Φ(Φ为填充丝材的直径)，无需调整焊枪高度和送丝高度；当熔敷层表面高度差0.5Φ≦|Δh|≦1.2Φ时，系统发送指令给送丝微调机构，送丝微调机构微调丝材端部至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；当熔敷层表面高度差|Δh|>1.2Φ时，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整焊枪至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；；当熔敷层表面道间距偏差|Δb|>0.5mm，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整道间距，直至高度差间距偏差|Δb|≦0.5mm，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝0。
一种实时微调送丝位置实现非熔化极电弧高精度增材成形的方法，包括：
步骤1：将非熔化极电弧增材枪通过连结法兰与外设的运动执行机构相连，并根据预研增材工艺结果调节增材枪高度、导丝嘴送丝角度和高度。
调整增材枪到增材平面高度为H1，H1一般为8mm～20mm；调整送丝角度至焊丝俯视投影与增材方向平行，并且处于增材枪中心，焊丝与增材平面夹角为θ，θ一般为15°～45°；调整焊丝末端到增材平面距离为h，且满足h<0.5Φ(Φ为填充丝材的直径)。
步骤2：调整三维相机位置。调整三维相机垂直于增材表面，并且三维相机底部到增材平面初始高度为H2，H2一般为50mm～100mm。
步骤3：按预设工艺参数和路径开始增材，三维相机实时测量熔敷层表面高度差Δh、道间距偏差Δb。
步骤4：增材过程中焊枪高度、道间距、焊丝高度动态调整。
当熔敷层表面高度差|Δh|<0.5Φ(Φ为填充丝材的直径)，焊枪高度和送丝高度保持不变；当熔敷层表面高度差0.5Φ≦|Δh|≦1.2Φ时，系统发送指令给送丝微调机构，送丝微调机构微调丝材端部至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；当熔敷层表面高度差|Δh|>1.2Φ时，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整焊枪至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.5Φ，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V，其中L0为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V为增材焊枪扫描速度；当熔敷层表面道间距偏差|Δb|>0.5mm，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整道间距，直至高度差间距偏差|Δb|≦0.5mm，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝0。
步骤5：按照设定的增材路径增材，利用步骤2-4的方法进行动态调整，直至完成增材制造。
实施例：
利用本发明实时微调精准送丝实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，并结合等离子电弧增材，采用直径1.2mm的316L不锈钢焊丝进行增材，增材长200mm、宽100mm、高100mm的块体，具体实施步骤如下：
步骤1：将非熔化极电弧增材枪通过连结法兰与外设的运动执行机构相连，并根据预研增材工艺，调节增材枪高度、导丝嘴送丝角度和高度。
调整增材枪末端到增材平面高度为H1，H1取10mm；调整送丝角度至焊丝俯视投影与增材方向平行，并且处于增材枪中心，焊丝与增材平面夹角为θ，θ取30°；调整焊丝末端到增材平面距离为h，h取2mm。
步骤2：调整三维相机位置。调整三维相机垂直于增材表面，并且三维相机底部到增材平面初始高度为H2，H2取100mm。增材枪体中心至三维相机中心的距离L0，L0取100mm。
步骤3：根据设定参数开始增材，增材电流为145A，送丝速度为1.5m/min，增材速度V取2.1mm/s，三维相机实时测量熔敷层表面高度差Δh、道间距偏差Δb。
步骤4：增材过程中焊枪高度、道间距、焊丝高度动态调整。
当熔敷层表面高度差|Δh|<0.6mm，焊枪高度和送丝高度保持不变；当熔敷层表面高度差0.6mm≦|Δh|≦1.44mm时，系统发送指令给送丝微调机构，送丝微调机构微调丝材端部至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.6mm，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V＝100/2.1＝47.6s；当熔敷层表面高度差|Δh|>1.44mm时，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整焊枪至熔敷层表面的高度，直至高度差|Δh|<0.6mm，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝L0/V＝100/2.1＝47.6s；当熔敷层表面道间距偏差|Δb|>0.5mm，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整道间距，直至高度差间距偏差|Δb|≦0.5mm，响应缓冲时间Δt满足：Δt＝0。
步骤5：按照设定的增材路径增材，利用步骤2-4的方法进行动态调整，直至完成增材制造。
结果分析：
由图3可知，同工艺条件下普通非熔化极电弧增材熔滴过渡方式为大滴过渡，其熔滴对熔池的冲击作用大，易导致熔池波动大、成形不良等问题。由图4可知，同工艺条件下本发明装置及方法增材时熔滴过渡为搭桥过渡，熔滴过渡平稳，可以进一步提升成形质量。由图5同工艺条件下普通非熔化极电弧增材与本发明装置及方法增材对比情况，可看出利用本发明装置及方法增材的构件表面成形精度可达±0.2mm，远高于普通非熔化极电弧增材成形精度。

Claims (5)

1.一种实时微调送丝位置实现非熔化极电弧高精度增材成形的装置，其特征在于，包括：非熔化极电弧增材枪、送丝微调机构、三维相机和连接夹具；非熔化极电弧增材枪、三维相机分别通过连接夹具上的增材枪连接座、相机连接座固定连接，连接夹具通过连接法兰与外设的运动执行机构相连，能利用外部执行机构带动电弧增材枪按照设定路径进行增材制造；
所述的送丝微调机构包括微调滑块、连接杆和角度可调的导丝管夹具，通过调节角度可调的导丝管夹具的角度调整送丝角度；送丝微调机构通过微调滑块与增材枪连接座侧面的滑槽滑动连接，用于调整焊丝端部到增材熔敷层表面的距离；所述的三维相机，用于实时测量熔覆层表面高度差，并能测量和计算出相邻焊道中心间距；
所述的三维相机用于实时测量熔敷层表面高度差Δh、道间距偏差Δb；当熔敷层表面高度差｜Δh｜<0.5Φ，Φ为填充丝材的直径，无需调整焊枪高度和送丝高度；当熔敷层表面高度差0.5Φ≦｜Δh｜≦1.2Φ时，系统发送指令给送丝微调机构，送丝微调机构微调丝材端部至熔敷层表面的高度，直至高度差｜Δh｜<0.5Φ，响应缓冲时间Δt 满足：Δt=L0/V；当熔敷层表面高度差｜Δh｜>1.2Φ时，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整焊枪至熔敷层表面的高度，直至高度差｜Δh｜<0.5Φ，响应缓冲时间Δt 满足：Δt=L0/V，其中L0 为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V 为增材焊枪扫描速度；当熔敷层表面道间距偏差｜Δb｜>0.5mm，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整道间距，直至高度差间距偏差｜Δb｜≦0.5mm，
响应缓冲时间Δt 满足：Δt=0。
2.根据权利要求1 所述的装置，其特征在于，所述的非熔化极电弧增材枪为钨极惰性气体保护焊枪或等离子弧焊枪。
3.根据权利要求1 所述的装置，其特征在于，所述的送丝微调机构调节范围为-Φ~1.5Φ，Φ为填充丝材的直径，调节精度为0.1mm。
4.根据权利要求1 所述的装置，其特征在于，所述的三维相机的视场有效半径为4mm-50mm，测量精度为0.05mm。
5.一种实时微调送丝位置实现非熔化极电弧高精度增材成形的方法，其特征在于，包括具体步骤如下：
步骤1：将非熔化极电弧增材枪通过连结法兰与外设的运动执行机构相连，并根据预研增材工艺结果调节增材枪高度、导丝嘴送丝角度和高度；
调整增材枪到增材平面高度为H1，H1 为8mm~20mm；调整送丝角度至焊丝俯视投影与增材方向平行，并且处于增材枪中心，焊丝与增材平面夹角为θ，θ为15°~45°；调整焊丝末端到增材平面距离为h，且满足h<0.5Φ，Φ为填充丝材的直径；
步骤2：调整三维相机位置；调整三维相机垂直于增材表面，并且三维相机底部到增材平面初始高度为H2，H2 为50mm~100mm；
步骤3：按预设工艺参数和路径开始增材，三维相机实时测量熔敷层表面高度差Δh、道间距偏差Δb；
步骤4：增材过程中焊枪高度、道间距、焊丝高度动态调整；
当熔敷层表面高度差｜Δh｜<0.5Φ，Φ为填充丝材的直径，焊枪高度和送丝高度保持不变；当熔敷层表面高度差0.5Φ≦｜Δh｜≦1.2Φ时，系统发送指令给送丝微调机构，送丝微调机构微调丝材端部至熔敷层表面的高度，直至高度差｜Δh｜<0.5Φ，响应缓冲时间Δt 满足：Δt=L0/V，V 为增材焊枪扫描速度；当熔敷层表面高度差｜Δh｜>1.2Φ时，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整焊枪至熔敷层表面的高度，直至高度差｜Δh｜<0.5Φ，响应缓冲时间Δt 满足：Δt=L0/V，其中L0 为增材枪体中心至三维相机中心的距离，V 为增材焊枪扫描速度；当熔敷层表面道间距偏差｜Δb｜>0.5mm，系统发送指令给外设的运动执行机构，外设的运动执行机构带动焊枪调整道间距，直至高度差间距偏差｜Δb｜≦0.5mm，响应缓冲时间Δt 满足：Δt=0；
步骤5：按照设定的增材路径增材，利用步骤2-4 的方法进行动态调整，直至完成增材制造。
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