CN115822325A - 一种集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，包括可折叠式移动方舱、LMD增减材复合制造设备、SLM增材制造设备、数字孪生系统和设备减隔振装置；所述可折叠式移动方舱主体包括折叠箱体和移动底盘两部分，可在短时间内快速收放；所述LMD增减材复合制造设备和SLM增材设备，可以实现复杂结构零部件的快速精准制造/再制造；所述数字孪生系统用于实现虚拟制造、加工过程实时监控与远程控制功能；所述方舱减隔振系统可以实现增减材复合制造设备在野外复杂环境下的平稳运行，从而保证零部件的加工质量；本发明适用于陆上风电、隧道桥梁等野外复杂恶劣工况条件下损伤零部件的高精度、高性能、高效率制造/再制造。
Description
技术领域
本发明涉及智能移动方舱领域，特别是涉及一种集成增减材复合制造技术、数字孪生技术和设备减隔振技术于一体的智能维修移动方舱。
背景技术
在陆上风电、隧道桥梁等野外复杂恶劣环境下，当机组设备、施工现场工程机械零部件出现损坏时，会严重影响工程进度。因为在野外现场不具备维修工厂制造/再制造条件，仅靠携带的备品备件很难恢复其全部功能以继续执行生产维修任务。为了解决这个问题，需要一种既能减小后勤补给压力，又能在野外复杂环境实现损伤零部件快速制造/再制造的技术与装备。
发明内容
本发明针对智能维修移动方舱在国内的空白，提出了一种集成增减材复合制造技术、数字孪生技术和设备减隔振技术于一体的智能维修移动方舱，用于零部件的实时制造/再制造。可解决野外复杂恶劣工况条件下零部件制造/再制造时间长、难度大以及维修方舱缺乏智能化问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，将可折叠式移动方舱、LMD增减材复合制造设备、SLM增材制造设备、数字孪生系统和设备减隔振装置集成于一体，充分利用了增减材复合制造设备的“任意性”、SLM增材设备的“便利性”、数字孪生系统的“实时交互与深度融合”，以实现设备零部件的快速精准制造/再制造。
所述可折叠式移动方舱，由可移动底盘与可折叠厢体组成。
所述可折叠厢体由上侧翼板、下侧翼板、上折叠翼板、下折叠翼板、上顶板、升降式液压尾板以及折叠异形板组成，变形时由电动系统支持，两侧上下翼板向外延伸，形成一个体积为原先三倍的新车厢，展开后位于上顶板的太阳能板升起，进行光电转化和储存，为方舱内灯具、空调等设备进行供电。LMD增减材复合制造设备、SLM增材制造设备所需电能，将有柴油发电机进行供应。
所述柴油发电机，外接在牵引车和可折叠车厢之间，当车厢内需要进行制造时，可通过启动柴油发电机对其进行供电。
所述可移动底盘由液压支撑杆套组、传动系统和轮胎组成。
所述液压支撑杆套组是由八根双向液压支撑杆组成，分布在底盘两侧，行驶时收起，当需要可折叠车厢向外拓展时，液压支撑杆分别向左右两侧展开，上下弹出支撑杆，支撑地面与拓展厢体，保证其稳定性。
所述传动系统通过牵引车对车厢两侧车轮进行动力传动，使得动力传输拥有更小的阻力，保证在复杂地形行驶时更加稳定。
所述LMD增减材复合制造设备所示包括：超声微锻造系统、数控加工系统、控制系统及激光沉积系统。
所述激光沉积系统由六轴机器人、激光沉积头、冷水机、送粉器及激光发生器组成。
所述六轴机器人用于搭建LMD增减材复合制造设备。
所述激光发生器用于产生激光、提供热源。
所述冷水机用于为激光发生器与激光沉积头提供冷却水，避免其过热。
所述激光沉积头通过数控加工系统的特定运动实现工件的沉积成形。
所述送粉器通过粉盘旋转定量、载气运输的方式实现自动送粉，可接入外控，送粉精度高，送粉量范围宽，送粉量和载粉气流量连续可调。
所述超声微锻造系统用于提高复合微锻造的效率和作用深度，消除激光快速成形件特有的规则的枝状结晶组织，使金属层组织由铸态转变成为锻态组织，大幅细化晶粒并提高力学性能。
所述数控加工系统由增减材复合五轴加工中心、刀库、变位机及数控铣刀组成。
所述增减材复合五轴加工中心用于安装数控铣刀和激光沉积头并在控制系统的控制下实现一定的运动。
所述刀库用于放置数控铣刀和激光沉积头，便于增减材复合五轴加工中心更换加工工具。
所述变位机用于复杂构件的成形，提高增减材复合五轴加工中心的加工能力。
所述数控铣刀用于增材成形后的减材加工以及成形表面的精加工。
所述控制系统用于增减材复合五轴加工中心、六轴机器人、激光发生器和设备减隔振装置等的控制，完成零部件的增材制造与成形件减材加工，同时还会实现与数字孪生系统实时交互与深度融合，从而达到智能化管理。
所述SLM增材制造设备主要由激光器及扫描系统、气氛保护系统、铺粉系统及控制系统四部分组成。
所述激光器及扫描系统用于零部件的二维截面轮廓扫描熔化烧结成形。
所述气氛保护系统用于控制增材制造过程中的氧含量、水含量，防止金属的氧化。
所述铺粉系统用于进给消耗物料，同时提高铺粉密度，减少粉末熔化过程中的氧化反应影响。
所述控制系统用于实现激光器及扫描系统、气氛保护系统及铺粉系统和设备减隔振装置的控制，完成零部件的增材制造，同时还会实现与数字孪生系统实时交互与深度融合，从而达到智能化管理。
所述数字孪生系统可实现加工生产前的虚拟制造与虚拟仿真、生产过程实时全面的状态感知与交互以及方舱的远程控制。其中包括增减材复合物理维修移动方舱、增减材复合虚拟维修移动方舱、增减材复合制造/再制造信息融合系统、增减材复合制造/再制造数据分析系统、增减材复合制造/再制造监管决策系统和小型5G信号塔。
所述增减材复合物理维修移动方舱是虚拟维修移动方舱在现实中的物理实体，其中包括可折叠式移动方舱、LMD增减材复合制造设及SLM增材制造设备等。通过高精度传感器搭建快速可靠的信息传输网络，实时采集和传输物理移动方舱加工过程信息。
所述增减材复合虚拟维修移动方舱是对物理移动方舱在信息世界的真实映射，是方舱的几何模型、物理模型和行为模型的综合建模，是多领域、多尺度融合建模，可实现对方舱的可视化管理和对孪生数据的多层次构建。
所述增减材复合制造/再制造信息融合系统是对方舱异构设备、异构传感器、执行器、控制器等的数据的实时感知与深度融合，建立物理方舱全要素的互联与通讯，实现孪生物理方舱机—料—法—环—测多源异构数据交互与融合。
所述增减材复合制造/再制造数据分析系统是对方舱机—料—法—环—测多源异构数据、虚拟制造和虚拟生产数据的分析处理，在诸如机器学习、深度学习等高复杂度及高性能的算法作用下，为方舱零部件生产过程评估和远程控制提供数据支持，同时实现故障诊断与预测。
所述增减材复合制造/再制造监管决策系统是对数据分析系统传来的存在异常状态信息的信息事件做出实时修正决策，通过调控物理设备或校正虚拟模型实现二者的同步与双向优化。
所述小型5G信号塔用于无线通讯及远端控制，从而实现方舱通讯信号稳定以及生产信息实时反馈。
所述设备减隔振装置，用于解决野外复杂恶劣工况条件下高自由度振动的问题，为打印成形工艺实施、零部件组织与性能、成形表面光洁度、成形件的尺寸精度提供保障。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本专利提出了一种集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱设计，其中增减材复合制造系统中包含了激光金属沉积(LMD)增减材复合制造设备和激光选区熔化(SLM)制造设备。
增减材复合制造是近年来发展的一种快速精准成形与精密制造技术，同时具备增材制造和减材制造的优势。在实际运用中，该技术通过增/减材工艺的交替进行，以实现零部件的高精度、高性能、高效率制造。LMD技术与SLM技术相互配合，优势互补，可以满足设备执行任务过程中面临的各种零件制造/再制造需求。本专利的增减材制造设备维修保障系统具有扫描、反求、修复打印等功能，能对设备的受损部件进行快速制造和修复，在极短时间内恢复受损装备的原有性能，完成野外事故现场快速抢修和维修保障。
实现维修方舱的数字化和智能化是实现智能维修的迫切需要。数字孪生是一种智能化技术，通过构建数字化的虚拟模型来映射真实环境中物理模型的工作行为，通过对增减材复合制造智能维修移动方舱的虚拟模型和物理模型之间的数据交互、信息融化、迭代优化等手段，有效拓展维修方舱实体的综合制造和管理能力。本发明的增减材复合智能维修移动方舱集成了数字孪生技术，具有快速修复、智能化管理等功能，这对复杂环境设备零部件的制造/再制造具有非常重要的应用价值。
在野外复杂恶劣工况条件下，保证增减材复合制造设备的平稳运行，是实现零部件快速精准制造/再制造的强有力保障。设备减隔振装置对增减材复合制造设备进行有效减隔振处理，不仅可以减少环境对增减材复合制造工艺的影响，确保零部件的成形质量，而且为保证增减材复合制造的成形工艺实施、零部件组织与性能、成形表面光洁度以及成形件的尺寸精度提供了强有力的技术支持。
附图说明
图1增减材复合智能维修移动方舱；
图2增减材复合智能维修移动方舱设备分布图；
图3激光金属沉积(LMD)增减材复合制造设备；
图4激光沉积系统(1)；
图5激光沉积系统(2)；
图6激光选区熔化(SLM)制造设备；
图7零部件增减材复合制造加工过程。
具体实施方式
结合图1和图2，本发明将LMD增减材复合制造设备13、SLM增材制造设备14、可折叠式移动方舱18、数字孪生系统和设备减隔振装置集成于一体。
结合图1，集合所述可折叠式移动方舱由上侧翼板1、下侧翼板2、上折叠翼板3、下折叠翼板4、上顶板5、升降式液压尾板6以及折叠异形板7、传动系统8、轮胎9、液压支撑装置10、柴油发电机11、太阳能板12、组成。
结合图1，所述可折叠厢体20在驻车时，可进行外拓，变形时由电动系统支持，由两侧翼板向左右两侧落下，顶部两块折叠翼板会搭接在左右两侧已外拓的新厢板之上，车厢前部三层厢板分别向左右两侧进行移动，形成新的空间。展开后位于上顶板的折叠太阳能板12升起，进行光电转化和储存，为方舱内灯具、空调等设备进行供电。
结合图1，所述柴油发电机外接在牵引车与可折叠车厢之间，对车LM增减材复合制造设备、SLM增材制造设备进行供电，当在行驶中需要进行零件制造/再制造时，可启动柴油发电机，通过柴油发电将电能传输至车厢内配电总成，对两设备进行电能分配。
结合图1，所述传动系统8在牵引车11的牵引下对车轮进行动力传输，使其能够适应复杂地形行驶，保证其行驶稳定性。
结合图1，所述液压支撑杆套组10是由八根分布在底盘两侧的双向液压支撑杆组成，行驶时收起，当需要可折叠车厢向外拓展时，液压支撑杆分别向左右两侧展开，上下弹出支撑杆，并支撑地面与拓展厢体，保证其稳定性。
结合图2和图3，所述LMD增减材复合制造设备13由数控加工系统22、控制系统23及激光沉积系统24组成。
结合图3，所述数控加工系统22由增减材复合五轴加工中心25、刀库27、变位机28及数控铣刀26组成，用于成形件的减材加工。
结合图3、图4和图5，所述激光沉积系统24由六轴机器人29、激光沉积头30、冷水机31、送粉器35、粉盘33及激光发生器34组成，用于零部件的增材制造。
结合图3，所述控制系统23用于对超声微锻造系统21、数控加工系统22及激光沉积系统24的控制，从而完成生产任务，同时还会通过传感器与数字孪生系统进行实时交互。
结合图2和图6，所述SLM增材制造设备14主要由激光器及扫描系统37、气氛保护系统36、铺粉系统38和控制系统35四部分组成。用于实现复杂零部件的增材制造。
结合图7增减材复合智能维修移动方舱工艺流程，简要说明如下：
步骤1，管理人员通过数字孪生系统下达生产任务；
步骤2，数字孪生系统通过传感器对再制造车间状态进行实时感知，检查车间设备的健康状态与消耗物料的储备情况，同时实时反馈给管理人员。
步骤3，数字孪生系统对需要制造的零部件进行虚拟制造仿真与虚拟生产仿真，然后反馈给管理人员进行评估与优化。
步骤4，管理人员根据反馈的模拟仿真信息与加工过程的实时监控进行评估与优化，若存在异常情况，重复步骤2，步骤3，优化模型与维护车间设备，直至达到下达生产命令的要求；反之，直接进行生产。生产期间每一个过程都会在机器学习、深度学习等算法作用下形成训练模型或特征，再次遇到同样的异常情况可直接通过数字孪生系统进行优化与维护。
步骤5，数字孪生系统会依据下达的生产任务进行分类与调度，分成SLM增材制造与LMD增减材复合制造两类，若遇到紧急任务，数字孪生系统可进行智能化调度，减少等待时间，尽快完成任务。
步骤6，使用SLM增材制造后，进行减材加工，以提高零部件的表面精度。
步骤7，完成零部件制造/再制造。
综上所述：本发明提供了一种集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，包括可折叠式移动方舱结构、激光金属沉积(LMD)增减材复合制造设备与技术、激光选区熔化(SLM)增材制造设备与技术、数字孪生系统和设备减隔振装置与技术等；所述可折叠式移动方舱主体包括折叠箱体和移动底盘两部分，可在短时间内快速收放；所述LMD增减材复合制造设备和SLM增材设备，可以实现复杂结构零部件的快速精准制造/再制造；所述数字孪生系统用于实现虚拟制造、加工过程实时监控与远程控制功能；所述方舱减隔振系统可以实现增减材复合制造设备在野外复杂环境下的平稳运行，从而保证零部件的加工质量。本发明智能维修移动方舱可提供最优增/减材复合制造加工路径，同时还可以对加工过程进行实时监控以及异常情况处理，实现现场抢修和维修所需零部件的快速成形制造。本发明适用于陆上风电、隧道桥梁等野外复杂恶劣工况条件下损伤零部件的高精度、高性能、高效率制造/再制造。
Claims (6)
1.一种集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，其特征在于：包括可折叠式移动方舱、LMD增减材复合制造设备、SLM增材制造设备、数字孪生系统和设备减隔振装置。
2.根据权利要求1所述的集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，其特征在于：所述可折叠式移动方舱由折叠厢体、牵引车、太阳能板、可移动底盘和液压支撑杆套组组成；所述折叠厢体用于扩大方舱空间，所述太阳能板用于电能储备与设备供电，所述牵引车和可移动底盘带动方舱整体移动，所述液压支撑杆套组用于支撑地面与拓展厢体，保证其稳定性。
3.根据权利要求1所述的集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，其特征在于：所述LMD增减材复合制造设备，其特征在于，由激光沉积系统、数控加工系统及控制系统组成；所述的激光沉积系统用于实现工件的增材沉积成形，配备超声能场辅助设备提高零部件成形精度；所述的数控加工系统用于实现工件的减材加工；所述的控制系统用于实现激光沉积系统、数控加工系统的控制，完成零部件的制造，同时还会实现与车间数字孪生系统实时交互与深度融合，从而达到智能化管理。
4.根据权利要求1所述的集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，其特征在于：所述SLM增材制造设备由激光器及扫描系统、气氛保护系统、铺粉系统、控制系统四部分组成；用于完成零部件的增材制造，同时还会实现与车间数字孪生系统实时交互与深度融合，从而实现智能化远程管理。
5.根据权利要求1所述的集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，其特征在于：所述数字孪生系统可以实现零部件虚拟制造、生产过程实时监控等功能，在方舱内进行制造/再制造生产时，数字孪生系统会提供零部件制造/再制造方案供管理人员评估与决策，同时将生产进行情况实时反馈给远程管理中心，便于管理人员实时掌握生产现场动态信息并据此作出统筹部署。
6.根据权利要求1所述的集成增减材复合制造技术的智能维修移动方舱，其特征在于：所述设备减隔振装置减小和消除增材制造设备振动，解决了野外复杂恶劣环境工况下无法实现稳态快速精准制造/再制造的问题，为打印成形工艺实施、零部件组织与性能、成形表面质量、成形件的尺寸精度提供保障。
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