CN115647569B - 一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法。该方法通过结构设计满足可连续送丝的复杂曲面增材并克服串联机器人弱刚性带来的主轴震颤问题。所述装置包括柔性串联机器人、高速电主轴、连续送丝搅拌摩擦增材制造模块、推丝模块、拉丝模块、丝材原料、增材构件七部分。本发明亦可应用于各种平面及复杂曲面表面的金属材料构件增材制造，如飞机壁板自加强结构、新能源汽车三电系统框架等，具有广泛且良好的适用性。

Description

一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法

技术领域

本发明属于机器人搅拌摩擦增材制造技术领域，特别是涉及一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法。

背景技术

轻质高强韧铝合金正逐渐取代钢材成为装甲车、飞机等武器装备的主体结构材料。这些武器装备为了满足高强度战争要求，必须在常规训练任务和军事行动中保持高使用频次。很多装甲车、飞机在任务或行动时会受到一些形式的战斗损伤。为了获得这些装备最大化的可用度，需采用战场修复的方法来满足现场行动的需要，这一类修复必须要求与最初的设计强度与操作可靠性一致。现在常用的战场修复方式以电弧堆焊修复为主，这对于钢材而言通常是具有良好适用性的。但针对高强韧铝合金，其熔化再凝固过程难以避免元素烧损、气孔、热裂纹等弱化因素，修复强度往往只有原始结构的30％-50％甚至更低，这导致电弧堆焊修复很难满足关键承载构件修复的需求。

搅拌摩擦增材制造是一类基于固相形变驱动沉积原理的增材制造方法，其本征的非熔化特性可以避免铝合金修复时存在的不利影响，具有修复强度高、残余应力低、绿色环保等不可替代的优势。然而，常规搅拌摩擦增材制造方式的高轴向压力需求对其执行机构的刚性具有较高的要求，因此通常安装于龙门式或是台式机床上。这带来了两点问题：(1)龙门式或台式机床重量较大，不易运输，基本无法应用于战场野外修复；(2)高刚度机床通常只能进行二维平面上的逐层增材制造叠加，对飞机、装甲车等武器装备的复杂曲面结构增材制造与修复缺乏适用性。据此设想，如能提出一种可以安装于重载卡车上的基于柔性串联机器人的连续送丝搅拌摩擦增材制造方法，可按需运至大多数野外场景以满足战场修复需求，克服串联机器人弱刚性带来的主轴震颤问题，将有望实现高强韧铝合金战场修复的突破，并实现连续送丝搅拌摩擦增材制造技术在例如飞机壁板自加强结构、新能源汽车三电系统框架等复杂曲面表面增材成形的工业化应用。

发明内容

本发明目的是满足野外场景关键装备铝合金结构战场修复需求，基于柔性串联机器人设备，提出一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法，通过结构设计满足可连续送丝的复杂曲面增材并克服串联机器人弱刚性带来的主轴震颤问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置，所述装置包括柔性串联机器人1、高速电主轴2、连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3、推丝模块4、拉丝模块5、丝材原料6和增材构件7七部分；

所述柔性串联机器人1采用五轴或六轴结构设计，其基座可安装于工厂或重载卡车上；

所述高速电主轴2安装于柔性串联机器人1末端，用于为增材制造过程中连续送丝搅拌摩擦增材制造模块旋转部件301提供旋转动力；

所述连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3包括旋转部件301和非旋转部件302两部分构成；

所述推丝模块4用于将丝材原料6从阻尼丝盘中抽出；

所述拉丝模块5用于将丝材原料6送入非旋转部件高位进料孔30204或低位进料孔30205，拉丝速度与推丝模块4送丝速度一致；

所述增材构件7包含复杂曲面基板701、增材制造层702两部分，其中增材制造层702由连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3进行沉积增材成形。

进一步地，所述旋转部件301由第一夹持部30101、第一过渡部30102、螺杆进给部30103和搅拌针部30104四部分组成，所述第一夹持部30101用于与高速电主轴2转子部分相连，上设有一侧铣平面用于侧固式装夹；所述第一过渡部30102用于连接第一夹持部30101与螺杆进给部30103并实现旋转部件301的装夹定位，上设有用于简化安装拆卸的销孔；螺杆进给部30103用于将旁轴送入的丝材原料6向下送料挤压，并在搅拌针部30104的强塑性变形作用下摩擦形变发热并热塑化，成形为固相增材制造层702；搅拌针部30104为分布于螺杆进给部30103端面上的数个矩形突起，用于均匀混合热塑化的丝材原料6并使其沉积成增材制造层702，其轴心距应尽可能地大以提高增材制造层间的结合强度。

进一步地，所述非旋转部件302由第二夹持部30201、第二过渡部30202、抑震部30203、高位进料孔部30204、低位进料孔部30205和轴肩部30206组成，其中第二夹持部30201用于与高速电主轴2定子部分相连，第二过渡部30202用于连接第二夹持部30201与其他部分并实现非旋转部件302的装夹定位，上设有两个铣平面以便于装夹拆卸；抑震部30203为分布于非旋转部件302内壁的数个均匀分布的纵向凹槽，其可起到分散增材制造过程中热塑化丝材原料6不均匀分布带来的离心作用，并增加热塑化丝材原料6与增材制造层间的结合面积，大幅度降低柔性串联机器人1的震颤现象；高位进料孔30204和低位进料孔30205分别位于非旋转部件302的高位置和低位置，用于将丝材原料6送入旋转部件301和非旋转部件302间隙处，并在螺杆进给部30103高速旋转挤压作用下向下流动；轴肩部30206为非旋转部件302端面的马鞍形曲面，其可结合柔性串联机器人1实时转动以匹配各种复杂曲面基板701表面结构，实现热塑化沉积增材制造层的抹平，形成吻合原始曲面结构的固相增材制造层702。

进一步地，所述高速电主轴2其旋转速度0r/min～10000r/min，旋转圆跳动不大于0.10mm。

进一步地，所述送丝速度0m/min～100m/min。

进一步地，所述丝材原料6迁移方向为：阻尼丝盘——推丝模块4——拉丝模块5——非旋转部件高位进料孔30204或低位进料孔30205——旋转部件螺杆进给部30103——旋转部件搅拌针部30104——增材制造层702，丝材直径为0.4mm～3.0mm。

本发明提出一种基于所述机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置的曲面增材方法，所述方法具体为：丝材原料6在推丝模块4与拉丝模块5的协同作用下从阻尼丝盘输送至旋转部件螺杆进给部30103与非旋转部件302间隙处，高速电主轴2带动旋转部件301与非旋转部件302高速相对运动，通过形变摩擦发热使丝材原料6热塑化，实现丝材原料6填充抑震部30203并向下挤压流动至搅拌针部30104附近，热塑化的丝材原料6在搅拌针部30104的搅拌作用下进一步软化并与前道次增材制造层702或复杂曲面基板701结合，在马鞍形轴肩部30206的压实抹平作用下在复杂曲面基板701形成致密贴合的固相增材制造层702；同时，连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3在柔性串联机器人1的带动下贴合增材构件7的复杂曲面以一定行进速度运动并沿堆积方向逐渐抬起，最终形成完整的固相增材制造层702。

本发明的有益效果为：

1.本发明通过可安装于重载卡车上的柔性串联机器人，满足了野外场景飞机、装甲车等关键装备铝合金结构战场修复需求，且其固相增材制造方法可以实现铝合金结构的高性能准等强再制造；

2.本发明通过抑震部设计，可以降低原料不均匀分布带来的离心作用，并增加热塑化丝材原料与增材制造层间的结合面积，从而降低柔性串联机器人的震颤现象，解决了串联机器人弱刚性带来的主轴震颤问题；

3.本发明通过马鞍形轴肩部设计，可结合柔性串联机器人实时转动以匹配各种复杂曲面表面结构，实现热塑化沉积增材制造层的抹平，形成吻合原始曲面结构的固相增材制造层；

4.本发明亦可应用于各种平面及复杂曲面表面的金属材料构件增材制造，如飞机壁板自加强结构、新能源汽车三电系统框架等，具有广泛且良好的适用性。

附图说明

图1是本发明所述的一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置示意图；

图2是本发明所述的连续送丝搅拌摩擦增材制造模块结构图；

图3是本发明所述的旋转部件结构图；

图4是本发明所述的非旋转部件结构图；

图中标号说明：1：柔性串联机器人、2：高速电主轴、3：连续送丝搅拌摩擦增材制造模块、301：旋转部件、302：非旋转部件、30101：第一夹持部、30102：第一过渡部、30103：螺杆进给部、30104：搅拌针部、30201：第二夹持部、30202：第二过渡部、30203：抑震部、30204：高位进料孔部、30205：低位进料孔部、30206：轴肩部、4：推丝模块、5：拉丝模块、6：丝材原料、7：增材构件、701：复杂曲面基板、702：增材制造层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图4，本发明提出一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置，所述装置包括柔性串联机器人1、高速电主轴2、连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3、推丝模块4、拉丝模块5、丝材原料6和增材构件7七部分；

所述柔性串联机器人1采用五轴或六轴结构设计，轴向载荷不小于500kg，空载重复定位精度不大于0.10mm，其基座可安装于工厂或重载卡车上，以满足战场修复需求；

所述高速电主轴2安装于柔性串联机器人1末端，用于为增材制造过程中连续送丝搅拌摩擦增材制造模块旋转部件301提供旋转动力；所述高速电主轴2其旋转速度0r/min～10000r/min，旋转圆跳动不大于0.10mm。

所述连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3包括旋转部件301和非旋转部件302两部分构成；所述旋转部件301由第一夹持部30101、第一过渡部30102、螺杆进给部30103和搅拌针部30104四部分组成，所述第一夹持部30101用于与高速电主轴2转子部分相连，上设有一侧铣平面用于侧固式装夹；所述第一过渡部30102用于连接第一夹持部30101与螺杆进给部30103并实现旋转部件301的装夹定位，上设有用于简化安装拆卸的销孔；螺杆进给部30103用于将旁轴送入的丝材原料6向下送料挤压，并在搅拌针部30104的强塑性变形作用下摩擦形变发热并热塑化，成形为固相增材制造层702；搅拌针部30104为分布于螺杆进给部30103端面上的数个矩形突起，用于均匀混合热塑化的丝材原料6并使其沉积成增材制造层702，其轴心距应尽可能地大以提高增材制造层间的结合强度。所述非旋转部件302由第二夹持部30201、第二过渡部30202、抑震部30203、高位进料孔部30204、低位进料孔部30205和轴肩部30206组成，其中第二夹持部30201用于与高速电主轴2定子部分相连，第二过渡部30202用于连接第二夹持部30201与其他部分并实现非旋转部件302的装夹定位，上设有两个铣平面以便于装夹拆卸；抑震部30203为分布于非旋转部件302内壁的数个均匀分布的纵向凹槽，其可起到分散增材制造过程中热塑化丝材原料6不均匀分布带来的离心作用，并增加热塑化丝材原料6与增材制造层间的结合面积，大幅度降低柔性串联机器人1的震颤现象；高位进料孔30204和低位进料孔30205分别位于非旋转部件302的高位置和低位置，用于将丝材原料6送入旋转部件301和非旋转部件302间隙处，并在螺杆进给部30103高速旋转挤压作用下向下流动；轴肩部30206为非旋转部件302端面的马鞍形曲面，其可结合柔性串联机器人1实时转动以匹配各种复杂曲面基板701表面结构，实现热塑化沉积增材制造层的抹平，形成吻合原始曲面结构的固相增材制造层702。

所述推丝模块4用于将丝材原料6从阻尼丝盘中抽出；所述送丝速度0m/min～100m/min。

所述拉丝模块5用于将丝材原料6送入非旋转部件高位进料孔30204或低位进料孔30205，其可起到提高进料力的作用，拉丝速度与推丝模块4送丝速度一致；

所述丝材原料6迁移方向为：阻尼丝盘——推丝模块4——拉丝模块5——非旋转部件高位进料孔30204或低位进料孔30205——旋转部件螺杆进给部30103——旋转部件搅拌针部30104——增材制造层702，丝材直径为0.4mm～3.0mm。丝材材料包括但不限于铝及铝合金、镁及镁合金等。

所述增材构件7包含复杂曲面基板701、增材制造层702两部分，其中增材制造层702由连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3进行沉积增材成形。

本发明提出一种基于所述机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置的曲面增材方法，所述方法具体为：丝材原料6在推丝模块4与拉丝模块5的协同作用下从阻尼丝盘输送至旋转部件螺杆进给部30103与非旋转部件302间隙处，高速电主轴2带动旋转部件301与非旋转部件302高速相对运动，通过形变摩擦发热使丝材原料6热塑化，实现丝材原料6填充抑震部30203并向下挤压流动至搅拌针部30104附近，热塑化的丝材原料6在搅拌针部30104的搅拌作用下进一步软化并与前道次增材制造层702或复杂曲面基板701结合，在马鞍形轴肩部30206的压实抹平作用下在复杂曲面基板701形成致密贴合的固相增材制造层702；同时，连续送丝搅拌摩擦增材制造模块3在柔性串联机器人1的带动下贴合增材构件7的复杂曲面以一定行进速度运动并沿堆积方向逐渐抬起，最终形成完整的固相增材制造层702。在此过程中，抑震部30203通过填充的热塑化原料6，降低原料不均匀分布带来的离心作用，并增加热塑化丝材原料6与增材制造层间702的结合面积，从而大幅度降低柔性串联机器人1的震颤现象，克服了串联机器人1弱刚性带来的主轴震颤问题。

以上对本发明所提出的一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置，其特征在于：所述装置包括柔性串联机器人(1)、高速电主轴(2)、连续送丝搅拌摩擦增材制造模块(3)、推丝模块(4)、拉丝模块(5)、丝材原料(6)和增材构件(7)七部分；

所述柔性串联机器人(1)采用五轴或六轴结构设计，其基座可安装于工厂或重载卡车上；

所述高速电主轴(2)安装于柔性串联机器人(1)末端，用于为增材制造过程中连续送丝搅拌摩擦增材制造模块旋转部件(301)提供旋转动力；

所述连续送丝搅拌摩擦增材制造模块(3)包括旋转部件(301)和非旋转部件(302)两部分构成；

所述推丝模块(4)用于将丝材原料(6)从阻尼丝盘中抽出；

所述拉丝模块(5)用于将丝材原料(6)送入非旋转部件高位进料孔(30204)或低位进料孔(30205)，拉丝速度与推丝模块(4)送丝速度一致；

所述增材构件(7)包含复杂曲面基板(701)、增材制造层(702)两部分，其中增材制造层(702)由连续送丝搅拌摩擦增材制造模块(3)进行沉积增材成形；

所述旋转部件(301)由第一夹持部(30101)、第一过渡部(30102)、螺杆进给部(30103)和搅拌针部(30104)四部分组成，所述第一夹持部(30101)用于与高速电主轴(2)转子部分相连，上设有一侧铣平面用于侧固式装夹；所述第一过渡部(30102)用于连接第一夹持部(30101)与螺杆进给部(30103)并实现旋转部件(301)的装夹定位，上设有用于简化安装拆卸的销孔；螺杆进给部(30103)用于将旁轴送入的丝材原料(6)向下送料挤压，并在搅拌针部(30104)的强塑性变形作用下摩擦形变发热并热塑化，成形为固相增材制造层(702)；搅拌针部(30104)为分布于螺杆进给部(30103)端面上的数个矩形突起，用于均匀混合热塑化的丝材原料(6)并使其沉积成增材制造层(702)，其轴心距应尽可能地大以提高增材制造层间的结合强度；

所述非旋转部件(302)由第二夹持部(30201)、第二过渡部(30202)、抑震部(30203)、高位进料孔(30204)、低位进料孔(30205)和轴肩部(30206)组成，其中第二夹持部(30201)用于与高速电主轴(2)定子部分相连，第二过渡部(30202)用于连接第二夹持部(30201)与其他部分并实现非旋转部件(302)的装夹定位，上设有两个铣平面以便于装夹拆卸；抑震部(30203)为分布于非旋转部件(302)内壁的数个均匀分布的纵向凹槽，其可起到分散增材制造过程中热塑化丝材原料(6)不均匀分布带来的离心作用，并增加热塑化丝材原料(6)与增材制造层间的结合面积，大幅度降低柔性串联机器人(1)的震颤现象；高位进料孔(30204)和低位进料孔(30205)分别位于非旋转部件(302)的高位置和低位置，用于将丝材原料(6)送入旋转部件(301)和非旋转部件(302)间隙处，并在螺杆进给部(30103)高速旋转挤压作用下向下流动；轴肩部(30206)为非旋转部件(302)端面的马鞍形曲面，其可结合柔性串联机器人(1)实时转动以匹配各种复杂曲面基板(701)表面结构，实现热塑化沉积增材制造层的抹平，形成吻合原始曲面结构的固相增材制造层(702)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高速电主轴(2)其旋转速度0r/min～10000r/min，旋转圆跳动不大于0.10mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述送丝速度0m/min～100m/min。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述丝材原料(6)迁移方向为：阻尼丝盘——推丝模块(4)——拉丝模块(5)——非旋转部件高位进料孔(30204)或低位进料孔(30205)——旋转部件螺杆进给部(30103)——旋转部件搅拌针部(30104)——增材制造层(702)，丝材直径为0.4mm～3.0mm。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置的曲面增材方法，其特征在于，所述方法具体为：丝材原料(6)在推丝模块(4)与拉丝模块(5)的协同作用下从阻尼丝盘输送至旋转部件螺杆进给部(30103)与非旋转部件(302)间隙处，高速电主轴(2)带动旋转部件(301)与非旋转部件(302)高速相对运动，通过形变摩擦发热使丝材原料(6)热塑化，实现丝材原料(6)填充抑震部(30203)并向下挤压流动至搅拌针部(30104)附近，热塑化的丝材原料(6)在搅拌针部(30104)的搅拌作用下进一步软化并与前道次增材制造层(702)或复杂曲面基板(701)结合，在马鞍形轴肩部(30206)的压实抹平作用下在复杂曲面基板(701)形成致密贴合的固相增材制造层(702)；同时，连续送丝搅拌摩擦增材制造模块(3)在柔性串联机器人(1)的带动下贴合增材构件(7)的复杂曲面以一定行进速度运动并沿堆积方向逐渐抬起，最终形成完整的固相增材制造层(702)。

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