CN115625410A - 用于等离子体电弧增材全角度调整的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，包括有通过数据导线连接的中央处理器及焊接机器人，焊接机器人机械臂前端设置有万向等离子焊枪；还包括有夹具及出丝嘴，出丝嘴通过夹具与万向等离子焊枪相连并可随其万向转动，万向等离子焊枪下方设置有工作平台，工作平台的台面上设置有基板及全角度调整送丝单元，全角度调整送丝单元通过送丝导管与出丝嘴相连完成送丝；全角度调整送丝单元与中央处理器通过无线通讯连接。避免了焊接过程中焊丝侧向或后向送丝对熔池造成的影响，确保送丝机构始终正向送丝。本发明还提供用于等离子体电弧增材全角度调整的方法。

Description

用于等离子体电弧增材全角度调整的装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料成形技术领域，具体涉及一种用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，还涉及一种用于等离子体电弧增材全角度调整的方法。

背景技术

电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)是以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，成形零件由全焊缝构成。等离子体增材制造技术(PAW，Plasma Arc Weld)以等离子弧作为热源，电弧增材制造过程为：建立打印件三维模型，对模型进行分层切片并规划打印路径，将打印路径导入机器人控制系统，确定机器人的运动轨迹，送丝机构输出丝材，以等离子电弧作为热源熔化金属丝，最终按规划路径由二维到三维逐层堆积增材成形。

目前，等离子体电弧增材制造不同于其它热源的电弧增材制造，它是将金属丝作为电源一极实现同轴送丝，等离子体电弧增材采用的是弧外侧向送丝，丝材不作为电源一极，是将等离子体电弧作为热源进行熔化，热源与丝材非同轴同步变化的。现有等离子体电弧增材制造设备中，送丝夹具固定在焊枪上，无法跟随焊枪移动方向的改变而改变送丝方向，丝材和焊枪之间存在一定的位向和速度差异，从而在焊枪万向转动时不仅会导致送丝机构侧向或后向送丝对熔池造成影响，影响焊件质量，而且会对机械臂造成干涉，影响整个焊接进程。

发明专利(矢量送丝的电子束熔丝增材装置，申请号：CN201710149564.5，公开号：CN106984894A)公开了一种矢量送丝的电子束熔丝增材装置，该装置至少包含两个送丝机，内置将打印件的分层与规划路径数据转化为软件程序的控制系统，以及由控制系统控制工作的旋转机构，出丝嘴设于旋转机构上，打印件划分为与各出丝嘴一一对应的至少两个增材成型范围，每一增材成型范围均包括多条规划路径，旋转机构控制每一出丝嘴移动至对应规划路径的熔池前方。

基于上述专利检索，并结合目前技术发现，上述专利技术能够在电子束增材制造中实现出丝嘴始终在规划路径的熔池前方，避免了焊枪万向转动时送丝机构侧向或后向送丝对熔池造成影响，一定程度上提高了增材制造打印件的质量。然而，其缺点在于需要同时设置多台送丝机构和旋转机构，所规划路径范围有限，这导致设备成本较高。另外，送丝机构的设置若应用于等离子体电弧增材，在打印过程中会对焊接机器人造成干涉，难以应用于等离子体电弧增材。另一方面，控制送丝机构运动的旋转机构位置固定，难以实现结构更复杂、尺寸更大的零件成型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，避免了焊接过程中焊丝侧向或后向送丝对熔池及成形部分造成的内外质量的影响，目的在于确保送丝机构始终正向送丝，以保证熔池稳定，工件的内外质量。

本发明所采用的第一个技术方案是，用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，包括有通过数据导线连接的中央处理器及焊接机器人，焊接机器人机械臂前端设置有万向等离子焊枪；还包括有夹具及出丝嘴，出丝嘴通过夹具与万向等离子焊枪相连并可随其万向转动，万向等离子焊枪下方设置有工作平台，工作平台的台面上设置有基板及全角度调整送丝单元，全角度调整送丝单元通过送丝导管与出丝嘴相连完成送丝；全角度调整送丝单元与中央处理器通过无线通讯连接。

本发明的特征还在于，

全角度调整送丝单元包括有电驱旋转机构及送丝机构；电驱旋转机构包括有带有螺旋齿条的环形滑动轨道，环形滑动轨道上安装有滑动平台，滑动平台上设置有工业级专用电源、驱动电机及运动控制器，工业级专用电源为驱动电机、运动控制器及送丝机构供电；驱动电机与运动控制器连接，运动控制器控制驱动电机的电机轴旋转，运动控制器与中央处理器无线通讯连接；驱动电机的电机轴上设置有螺旋齿轮，滑动平台上还开有通孔；通孔位于螺旋齿轮正下方，螺旋齿轮穿过通孔与环形滑动轨道的螺旋齿条啮合，驱动电机带动螺旋齿轮与环形滑动轨道上螺旋齿条啮合完成运动；滑动平台外侧边缘安装有承托盘，送丝机构安装在承托盘上；基板位于环形滑动轨道中心处的工作平台的台面上。

送丝机构包括有安装在承托盘上的送丝机及送丝盘，送丝机构与工业级专用电源连接；送丝机中的丝材依次通过送丝盘、送丝导管、出丝嘴完成送丝。

本发明所采用的第二个技术方案是，用于等离子体电弧增材全角度调整的方法，采用上述的装置，具体步骤如下：

步骤1，开启中央处理器，将打印件的三维模型导入中央处理器，中央处理器进行焊接路径规划，通过数据导线将规划好的焊接路径传送给焊接机器人，同时中央处理器根据焊接路径为电驱旋转机构规划出其移动指令，将该指令无线发送给电驱旋转机构上的运动控制器；

步骤2，开启焊接机器人，焊接机器人开始按照步骤1中所述的焊接路径在基板上进行打印；开启电驱旋转机构电源，电驱旋转机构的运动控制器接收步骤1中所述移动指令并控制驱动电机，驱动电机驱动滑动平台中齿轮转动与滑动轨道齿条相啮合开始移动，送丝机开始进行送丝；

步骤3，当焊接机器人的打印方向改变时万向等离子焊枪会带动焊接机器人的出丝嘴共同旋转使出丝嘴始终保持在焊接路径的正前方，此时电驱旋转机构按照步骤2所述的移动指令协同运动，运动过程中送丝导管的高度始终低于机械臂运动高度，保证各装置在打印过程中不发生干涉；

步骤4，打印结束后，送丝机停止送丝，关闭焊接机器人，待基板和打印件散热完毕后将二者分离，获得打印件。

本发明的特征还在于，

步骤2中，焊接机器人的焊接速度为1.9m/min-2.5m/min、焊接机器人的焊接电流为120A-150A、送丝机的送丝速度为5m/min-13m/min、焊接机器人的打印厚度可以根据需要进行任意设定。

步骤3中，万向等离子焊枪的转动角速度为0.5rad/s-1rad/s，电驱旋转机构的转动频率与转动方向与万向等离子焊枪保持一致。

本发明的有益效果是：

(1)本发明用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，通过机械手最前端的万向等离子焊枪可以实现等离子电弧打印过程的流畅性，可以保证打印零件的表面质量和性能更加优良，避免因单一路径造成的缺陷；

(2)本发明用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，利用协同工作的滑动平台携带送丝机构随万向等离子焊枪等角速度移动，避免了焊接过程中焊丝侧向或后向送丝对熔池造成的影响，确保送丝机构始终正向送丝，同时解决了不同变位而造成的送丝机构干涉问题；

(3)本发明用于等离子体电弧增材全角度调整的方法，一方面简化了打印件的成型工艺，另一方面焊接机器人与电驱旋转机构运用同一中央处理器，能实现打印时送丝位向实时精确调整，保证每一层的焊接堆高均匀光滑，成型后打印件的质量更高。本发明方法能够解决等离子体电弧增材送丝机构在焊枪万向转动时实现正向送丝对焊接系统的干涉问题，在控制设备成本的同时确保成型范围更广、成形过程流畅，获得表面质量良好、性能优良的金属制品。

附图说明

图1是本发明用于等离子体电弧增材全角度调整的装置的结构示意图；

图2是本发明用于等离子体电弧增材全角度调整的装置中全角度调整送丝单元整体的结构示意图；

图3是图2中全角度调整送丝单元中A处放大后的结构示意图；

图4是本发明用于等离子体电弧增材全角度调整的装置中不带保护壳的电驱旋转机构局部的结构示意图。

图中，1.中央处理器，2.数据导线，3.焊接机器人，4.工作平台，5.基板，6.万向等离子焊枪，7.夹具，8.出丝嘴，9.送丝导管，10.电驱旋转机构，11.送丝机构；

10-1.环形滑动轨道，10-2.工业级专用电源，10-3.驱动电机，10-4.运动控制器，10-5.滑动平台，10-6.承托盘，10-7.螺旋齿轮，10-5-1.通孔，11-1.送丝机，11-2.丝盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，如图1-4所示，包括有通过数据导线2连接的中央处理器1及焊接机器人3，中央处理器1规划打印路径控制其进行打印；焊接机器人3机械臂前端设置有万向等离子焊枪6；还包括有夹具7及出丝嘴8，出丝嘴8通过夹具7与万向等离子焊枪6相连并可随其万向转动，万向等离子焊枪6下方设置有工作平台4，工作平台4的台面上设置有基板5及全角度调整送丝单元，全角度调整送丝单元通过送丝导管9与出丝嘴8相连完成送丝；全角度调整送丝单元与中央处理器1通过无线通讯连接。出丝嘴8通过夹具7与焊接机器人3的万向等离子焊枪6相连并可随其万向转动。

焊接机器人3采用六轴协同智能机器人。

送丝导管9为石墨纤维送丝导管。

全角度调整送丝单元包括有电驱旋转机构10及送丝机构11；中央处理器1向电驱旋转机构10发送无线指令，控制其转动；出丝嘴8通过夹具7与焊接机器人3的万向等离子焊枪6相连并可随其万向转动；电驱旋转机构10包括有带有螺旋齿条的环形滑动轨道10-1，环形滑动轨道10-1上安装有滑动平台10-5，滑动平台10-5上设置有工业级专用电源10-2、驱动电机10-3及运动控制器10-4，工业级专用电源10-2为驱动电机10-3、运动控制器10-4及送丝机构11供电；驱动电机10-3与运动控制器10-4(型号为DKC-Y220)连接，运动控制器10-4控制驱动电机10-3的电机轴旋转，运动控制器10-4与中央处理器1无线通讯连接；驱动电机10-3的电机轴上设置有螺旋齿轮10-7，螺旋齿轮外围套有保护壳，滑动平台10-5上还开有通孔10-5-1；通孔10-5-1位于螺旋齿轮10-7正下方，螺旋齿轮10-7穿过通孔10-5-1与环形滑动轨道10-1的螺旋齿条啮合，驱动电机10-3带动螺旋齿轮10-7与环形滑动轨道10-1上螺旋齿条啮合完成运动；滑动平台10-5外侧边缘安装有承托盘10-6，送丝机构11安装在承托盘10-6上；基板5位于环形滑动轨道10-1中心处的工作平台4的台面上。

送丝机构11包括有安装在承托盘10-6上的送丝机11-1及送丝盘11-2，送丝机构11与工业级专用电源10-2连接；送丝机11-1中的丝材依次通过送丝盘11-2、送丝导管9、出丝嘴8完成送丝。

内置对打印件进行路径规划和生成与此路径协同的电驱旋转机构移动指令的软件程序；中央处理器1中的软件系统采用AMSlicer Pro路径软件系统。中央处理器1先对打印路径进行规划，并将所规划的路径通过数据导线2传输给焊接机器人3，同时生成与此路径协同的电驱旋转机构10移动指令，将移动指令发送给电驱旋转机构中无线通讯连接中央处理器的运动控制器10-4，运动控制器控制驱动电机10-3，由驱动电机驱使旋转机构的齿轮旋转且与滑动轨道上的齿条啮合完成运动，该指令使移动装置始终与等离子枪头同一角速度移动，保证送丝机11-1始终与等离子枪头6同一角速度移动，使出丝嘴始终保持在所述规划路径的熔池前方。

本发明还提供一种用于等离子体电弧增材全角度调整的方法，采用上述的装置，具体步骤如下：

步骤1，开启中央处理器1，将打印件的三维模型导入中央处理器1，中央处理器1进行焊接路径规划，通过数据导线2将规划好的焊接路径传送给焊接机器人3，同时中央处理器1根据焊接路径为电驱旋转机构10规划出其移动指令，将该指令无线发送给电驱旋转机构10上的运动控制器10-4；

步骤2，开启焊接机器人3，焊接机器人3开始按照步骤1中所述的焊接路径在基板上进行打印；开启电驱旋转机构10电源，电驱旋转机构10的运动控制器10-4接收步骤1中所述移动指令并控制驱动电机10-3，驱动电机10-3驱动滑动平台10-5中齿轮转动与滑动轨道10-1齿条相啮合开始移动，送丝机11-1开始进行送丝；

步骤2中，焊接机器人3的焊接速度为1.9m/min-2.5m/min、焊接机器人3的焊接电流为120A-150A，等离子气流量为1.5L/min，沉积速度为5mm/s，保护气流量为20L/min；送丝机11-1的送丝速度为5m/min-13m/min、焊接机器人3的打印厚度可以根据需要进行任意设定。步骤2中，送丝机构与电驱旋转机构共用同一电源，即工业级专用电源10-2(可以选用开关电源)。

步骤3，当焊接机器人3的打印方向改变时万向等离子焊枪6会带动焊接机器人3的出丝嘴8共同旋转使出丝嘴8始终保持在焊接路径的正前方，此时电驱旋转机构10按照步骤2所述的移动指令协同运动，运动过程中送丝导管9的高度始终低于机械臂运动高度，保证各装置在打印过程中不发生干涉；

步骤3中，万向等离子焊枪6的转动角速度为0.5rad/s-1rad/s，电驱旋转机构10的运动与万向等离子焊枪6保持同一角速度，电驱旋转机构的转动频率及转动方向与万向等离子焊枪的转动频率及转动方向保持一致。

步骤4，打印结束后，送丝机11-1停止送丝，关闭焊接机器人3，待基板5和打印件散热完毕后将二者分离，获得打印件。

实施例1

步骤1，开启中央处理器1，将打印件的三维模型导入中央处理器1，中央处理器1进行焊接路径规划，通过数据导线2将规划好的焊接路径传送给焊接机器人3，同时中央处理器1根据焊接路径为电驱旋转机构10规划出其移动指令，将该指令无线发送给电驱旋转机构10上的运动控制器10-4；

步骤2，开启焊接机器人3，焊接机器人3开始按照步骤1中所述的焊接路径在基板上进行打印，焊接速度为1.9m/min、焊接电流为120A，等离子气流量为1.5L/min，沉积速度为5mm/s，保护气流量为20L/min；开启电驱旋转机构10电源，电驱旋转机构10的运动控制器10-4接收步骤1中所述移动指令并控制驱动电机10-3，电机驱动移动装置10-5中齿轮转动与滑动轨道10-1齿条相啮合开始移动，送丝机11-1开始进行送丝，送丝速度为5m/min，打印厚度为2mm；

步骤3，当焊接机器人3的打印方向改变时万向等离子焊枪6会带动焊接机器人3的出丝嘴8共同旋转使出丝嘴8始终保持在焊接路径的正前方，转动角速度为0.5rad/s，出丝嘴与等离子焊枪中心的距离为2mm，此时电驱旋转机构10按照步骤2所述的移动指令协同运动，运动过程中送丝管9的高度始终低于机械臂运动高度，保证各装置在打印过程中不发生干涉，转动速度为0.5rad/s，转动半径为滑轨半径；

步骤4，打印结束后，送丝机11-1停止送丝，关闭焊接机器人3，待基板5和打印件散热完毕后将二者分离，获得打印件。

实施例2

与实施例1的区别在于：步骤2中，焊接机器人3的焊接速度为2m/min、焊接电流为125A，送丝机11-1的送丝速度为6m/min，打印厚度为2.5mm；步骤3中，万向等离子焊枪6的转动速度为0.6rad/s，电驱旋转机构10转动角速度为0.6rad/s；

实施例3

与实施例1的区别在于：步骤2中，焊接机器人3的焊接速度为2.2m/min、焊接电流为130A，送丝机11-1的送丝速度为8m/min，打印厚度为3mm；步骤3中，万向等离子焊枪6的转动速度为0.7rad/s，电驱旋转机构10转动角速度为0.7rad/s；

实施例4

与实施例1的区别在于：步骤2中，焊接机器人3的焊接速度为2.4m/min、焊接电流为140A，送丝机11-1的送丝速度为11m/min，打印厚度为3.5mm；步骤3中，万向等离子焊枪6的转动速度为0.8rad/s，电驱旋转机构10转动角速度为0.8rad/s；

实施例5

与实施例1的区别在于：步骤2中，焊接机器人3的焊接速度为2.5m/min、焊接电流为150A，送丝机11-1的送丝速度为13m/min，打印厚度为4mm；步骤3中，万向等离子焊枪6的转动速度为1rad/s，电驱旋转机构10转动角速度为1rad/s。

本发明装置通过将送丝机构设置在可移动电驱旋转机构上使得送丝机构与焊接机器人协同运作，保证了送丝始终在等离子体电弧的熔池前端，实现了始终正向送丝；中央处理器先对打印路径进行规划，并将所规划的路径通过数据导线传输给焊接机器人，同时生成与此路径协同的电驱旋转机构移动指令，将移动指令发送给电驱旋转机构中无线通讯连接中央处理器的运动控制器，运动控制器控制驱动电机，由电机驱使旋转机构的齿轮旋转且与滑动轨道上的齿条啮合完成运动，该指令使移动装置始终与等离子枪头同一角速度移动，保证送丝机始终与等离子枪头同一角速度移动，使出丝嘴始终保持在所述规划路径的熔池前方；解决了不同结构堆焊时由于施焊角度问题，焊丝侧向送丝或后向送丝对熔池的干扰问题，并解决了不同变位而造成的送丝机构干涉问题。

Claims (6)

1.用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，其特征在于，包括有通过数据导线(2)连接的中央处理器(1)及焊接机器人(3)，焊接机器人(3)机械臂前端设置有万向等离子焊枪(6)；还包括有夹具(7)及出丝嘴(8)，出丝嘴(8)通过夹具(7)与万向等离子焊枪(6)相连，万向等离子焊枪(6)下方设置有工作平台(4)，工作平台(4)的台面上设置有基板(5)及全角度调整送丝单元，全角度调整送丝单元通过送丝导管(9)与出丝嘴(8)相连完成送丝；全角度调整送丝单元与中央处理器(1)通过无线通讯连接。

2.根据权利要求1所述的用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，其特征在于，所述全角度调整送丝单元包括有电驱旋转机构(10)及送丝机构(11)；所述电驱旋转机构(10)包括有带有螺旋齿条的环形滑动轨道(10-1)，环形滑动轨道(10-1)上安装有滑动平台(10-5)，滑动平台(10-5)上设置有工业级专用电源(10-2)、驱动电机(10-3)及运动控制器(10-4)，工业级专用电源(10-2)为驱动电机(10-3)、运动控制器(10-4)及送丝机构(11)供电；运动控制器(10-4)控制驱动电机(10-3)的电机轴旋转，运动控制器(10-4)与中央处理器(1)无线通讯连接；驱动电机(10-3)的电机轴上设置有螺旋齿轮(10-7)，滑动平台(10-5)上还开有通孔(10-5-1)；通孔(10-5-1)位于螺旋齿轮(10-7)正下方，螺旋齿轮(10-7)穿过通孔(10-5-1)与环形滑动轨道(10-1)的螺旋齿条啮合，驱动电机10-3带动螺旋齿轮(10-7)与环形滑动轨道(10-1)上螺旋齿条啮合完成运动；滑动平台(10-5)外侧边缘安装有承托盘(10-6)，送丝机构(11)安装在承托盘(10-6)上；基板(5)位于环形滑动轨道(10-1)中心处的工作平台(4)的台面上。

3.根据权利要求2所述的用于等离子体电弧增材全角度调整的装置，其特征在于，所述送丝机构(11)包括有安装在承托盘(10-6)上的送丝机(11-1)及送丝盘(11-2)，送丝机构(11)与工业级专用电源(10-2)连接。

4.用于等离子体电弧增材全角度调整的方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的装置，具体步骤如下：

步骤1，开启中央处理器(1)，将打印件的三维模型导入中央处理器(1)，中央处理器(1)进行焊接路径规划，通过数据导线(2)将规划好的焊接路径传送给焊接机器人(3)，同时中央处理器(1)根据焊接路径为电驱旋转机构(10)规划出其移动指令，将该指令无线发送给电驱旋转机构(10)上的运动控制器(10-4)；

步骤2，开启焊接机器人(3)，焊接机器人(3)开始按照步骤1中所述的焊接路径在基板上进行打印；开启电驱旋转机构(10)电源，电驱旋转机构(10)的运动控制器(10-4)接收步骤1中所述移动指令并控制驱动电机(10-3)，驱动电机(10-3)驱动滑动平台(10-5)中齿轮转动与滑动轨道(10-1)齿条相啮合开始移动，送丝机(11-1)开始进行送丝；

步骤3，当焊接机器人(3)的打印方向改变时万向等离子焊枪(6)会带动焊接机器人(3)的出丝嘴(8)共同旋转使出丝嘴(8)始终保持在焊接路径的正前方，此时电驱旋转机构(10)按照步骤2所述的移动指令协同运动，运动过程中送丝导管(9)的高度始终低于机械臂运动高度，保证各装置在打印过程中不发生干涉；

步骤4，打印结束后，送丝机(11-1)停止送丝，关闭焊接机器人(3)，待基板(5)和打印件散热完毕后将二者分离，获得打印件。

5.根据权利要求4所述的用于等离子体电弧增材全角度调整的方法，其特征在于，步骤2中，焊接机器人(3)的焊接速度为1.9m/min-2.5m/min、焊接机器人(3)的焊接电流为120A-150A、送丝机(11-1)的送丝速度为5m/min-13m/min、焊接机器人(3)的打印厚度可以根据需要进行任意设定。

6.根据权利要求4所述的用于等离子体电弧增材全角度调整的方法，其特征在于，步骤3中，万向等离子焊枪(6)的转动角速度为0.5rad/s-1rad/s。

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