CN117020656A - 复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造和数控加工领域，特别是涉及一种复杂金属构件的增‑测‑减一体化成形系统及加工方法。包括基础机构、电弧增材系统、减材系统、换刀机构、控制系统、在线数据采集系统和软件部分，与现有技术性相比，本发明将将增材制造和减材加工整合在一套设备上，一次装夹即可实现增减材一体化成形，同时将获取到的三维扫描信息作为减材加工的毛坯，提高了加工精度和加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造和数控加工领域，特别是涉及一种复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统及加工方法。
背景技术
金属增材制造是先进制造业中最具潜力和最有发展前景的制造技术，在航空航天、兵器船舶、新能源新材料、高端装备等领域有着广阔的应用前景。电弧增材制造作为新兴的金属增材方法之一，以电弧为热源，通过逐层熔覆实现金属增材，具有熔敷成形效率高、丝材利用率高、制造成本低、复杂结构易成形等优势，是典型优质、高效、低成本的金属增材成形工艺方法。但是，由于电弧增材过程行为复杂、温度变化剧烈、构件质量对工艺参数异常敏感，导致电弧增材成形质量难以控制，成形精度和表面质量难以达到传统机械加工水平，为实现复杂金属构件的高质量整体制造，增减材复合制造技术近年来成为了研究热点。
增减材复合制造技术融合了增材与减材制造的优势，通过增材和减材工艺的交替进行，实现复杂构件的高精度和高效率制造，已经成为实现个性化定制、复杂结构和异质异构高性能构件制造的重要手段。但目前大多数增减材成形方法主要包括：1、机器人增材；2、人工测量；3、机床加工。构件需要在不同设备上多次转移和加工，工作效率较低，难以实现一体化成形。对于复杂金属构件，高效率高精度的一体化成形更是难以实现。例如闭式叶轮存在大量薄壁桥接和封闭空腔的复杂空间结构，目前重用的方法是将轮盖、轮盘和叶片等部分独立加工，通过焊接等方法将进行组合，这种方法工序繁琐、制造周期长。
目前增减材制造尚缺少有效的一体化成形方法和设备，在实际应用中仍存在不小的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提出一种复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统及成形方法，解决复杂金属构件难以高精度高效率一体化成形的问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统，包括基础机构、电弧增材系统、减材系统、换刀机构、控制系统、在线数据采集系统和软件部分；
基础机构为五轴加工中心，包括机身、驱动系统和基板；
电弧增材系统包括CMT电源、送丝机构和增材焊枪；送丝机构、增材焊枪和CMT电源；送丝机构固定在机床上方横梁Y转轴上，焊枪通过夹具放置在刀具库中，通过换刀实现铣削刀具和增材焊枪的切换；
减材系统为铣削加工系统，铣削刀安装在机身中的Z转轴上；
换刀机构固定在工作台一侧，包括伞形刀具库、驱动电机、固定支架和焊枪夹具，伞形刀具库中可放置焊枪夹具和多种铣削刀具。
控制系统为数控系统，用于通过输入的G代码控制各部分的协调运动；
在线数据采集系统，用于通过数据采集卡采集信号并存储在计算机中；
电弧增材路径规划软件，软件中包括电弧增材路径规划、图像信号分析和振动信号分析；用于对复杂金属构件进行电弧增材路径规划和增材成形过程中通过数据采集信号的分析。
一种复杂金属构件的增-测-减一体化成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，在Unigraphics NX软件中将待成形金属构件进行三维建模并拆解，规划设计增材和减材工序的先后顺序；
步骤2，选定当前工序的构件部分，打开电弧增材路径规划功能，根据实际情况设置增材参数，生成该金属构件部分的增材路径；
步骤3，采用曲线驱动方式，调用Unigraphics NX软件的后处理功能将增材路径转换为G代码，并加入换刀、起弧、熄弧、等待等指令，将生成完成的G代码导入数控系统，进行增材成形；
步骤4，待增材成形完成并冷却后，数据采集系统通过三维扫描设备获取成形后构件的外形尺寸，并传入Unigraphics NX软件所在计算机中；
步骤5，进入Unigraphics NX加工模块，将增材成形后模型作为毛坯，设置粗加工、半精加工、精加工等工序及相关参数，生成相应的刀具运动轨迹，并调用后处理功能生成减材G代码；
步骤6，将生成的减材G代码导入数控系统，进行减材加工；
步骤7，重复步骤(2)-(6)，直至构件成形完成。
一种复杂金属构件的增-测-减一体化成形方法，包括如下步骤：
1、在Unigraphics NX软件中将待成形构件进行三维建模，根据模型结构、刀具可达性等因素进行模型拆解，并人工设计增材和减材工序的先后顺序。
2、选定当前工序的构件部分，打开电弧增材路径规划功能，选择起始增材面、切片方向和增材填充模式，并输入切片层数、切片偏置距离、单道增材宽度和方向、道间搭接率等参数，生成该构件部分的增材路径。
3、采用曲线驱动方式，调用Unigraphics NX软件的后处理功能将增材路径转换为G代码，并加入换刀、起弧、熄弧、等待等指令，将生成完成的G代码导入数控系统，进行增材成形。
4、待增材成形完成并冷却后，数据采集系统通过三维扫描设备获取成形后构件的外形尺寸，并传入Unigraphics NX软件所在计算机中。
5、进入Unigraphics NX加工模块，将增材成形后模型作为毛坯，设置粗加工、半精加工、精加工等工序及相关参数，生成相应的刀具运动轨迹，并调用后处理功能生成减材G代码。
6、将生成的减材G代码导入数控系统，进行减材加工。
7、重复步骤2-6，直至构件成形完成。在所有增材过程中通过数据采集系统实时获取熔池图像，以判断增材成形质量，出现严重缺陷及时停止，避免事后检测带来的高成本和低效率。在所有减材过程中采集刀具振动信号，判断刀具寿命情况，刀具寿命达到阈值后及时停机并进行更换，提高成形质量。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明提供的一种复杂金属构件的增-测-减一体化系统，通过软硬件将增材制造和减材加工整合在一套设备上，具有电弧增材制造成形速度快、材料利用率高和复杂结构易成形等优点，还兼具机械加工质量高和精度高等优势。
(2)本发明提供的一种复杂金属构件的增-测-减一体化方法，一次装夹即可实现增减材一体化成形，解决了复杂金属构件一体化成形难以实现的问题，提高了构件的成形质量和效率。
(3)本发明提供的增减材路径规划软件是针对电弧增材工艺的特点设计的，可调节工艺参数较多，可选择多种填充模型，能有效实现任意复杂模型的增材加工路径规划。
(4)本发明提供的数据采集系统将获取到的三维扫描信息作为减材加工的毛坯，避免增材成形后再停机人工测量，减少了增材构件表面不平整对进刀量的影响，提高了加工精度和效率。
(5)本发明提供的数据采集系统能实时获取熔池视觉图像和刀具振动信号，在增减材过程中实时监测成形质量和缺陷情况，在异常发生时及时停机，避免事后检测，进而降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图中：1、Y转轴；2、Z转轴；3、主轴；4、换刀机构；5、铣削刀具；6、送丝机构；7、增材焊枪；8、CMT电源；9、金属构件；10、基板；11、B转轴；12、工作台；13、X转轴；14、C轴传动台；15、三维扫描设备；16、加速度传感器；17、熔池视觉相机；18、数据采集卡；19、计算机；20、数控系统。
图2为本发明的闭式叶轮一体化成形流程图；
图3为本发明加工得到的闭式叶轮结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步声明。
以下实施例用来说明本发明，但不是限制于本发明。
如图1所示，本发明的一种复杂金属构件的增-测-减一体化系统，包括基础机构、电弧增材系统、减材系统、换刀机构、控制系统、在线数据采集系统和软件部分。
本实例中的基础机构为五轴加工中心，包括机身、驱动系统和基板10。机身采用高刚性龙门结构，全封闭防护，具备自动排屑功能，机身主要包括：Y转轴1、Z转轴2、主轴3、B转轴11、工作台12、X转轴13、C轴传动台14；Y转轴1作为主体横梁，Z转轴2安装在Y转轴1上，Y转轴1转动，带动Z转轴2沿Y转轴1做Y方向上的直线运动；主轴3安装在Z转轴2上，Z转轴2转动，带动主轴3做Z方向上的直线运动；X转轴13位于工作台12的下方，实现纵向的铣削和增材；驱动系统通过X、Y、Z三轴电机与高精度滚珠丝杠直接连接，进而对轴进行驱动。可实现X﹑Y﹑Z、B、C五轴联动，X﹑Y﹑Z三个方向为直线运动，行程分别为760、1020、385毫米，B转轴11是绕Y转轴作旋转运动，旋转范围为±120°，C轴转台14是以B转轴11桥接底板垂直方向作旋转运动，旋转范围为360°。工作台12用于需要加工的金属构件9。
本实例中的电弧增材系统包括送丝机构6、增材焊枪7和冷金属过渡电源(coldmetal transfer，CMT)；送丝机构6固定在机床上方横梁Y转轴1上，焊枪7通过夹具放置在换刀机构4的刀具库中，通过换刀实现铣削刀具5和增材焊枪7的切换。本实施例的增材焊枪7为福尼斯CMTAdvanced 4000焊接电源、RA 5000焊枪，送丝机构6为VR1550送丝机。其中CMT电源放置于五轴加工中心的机身侧面。
本实例中的减材系统为铣削加工系统，铣削刀具5与主轴3连接，通过主轴3实现铣削刀具5的旋转；主轴采用BT40高速主轴单元，通过滑枕固定于机身Z转轴2上，最大输出扭矩不少于120Nm，转速为20-6000rpm。
本实例中的换刀机构4固定在工作台右侧，包括伞形刀具库、驱动电机、固定支架和焊枪夹具，伞形刀具库中可放置焊枪夹具和多种铣削刀具；采用ATC自动换刀系统。送丝机构6通过送丝管与焊枪7相连接。
本实例中的控制系统为SIEMENS 840D SL数控系统20，通过输入的G代码控制各部分的协调运动，伺服电机和伺服驱动器通过总线连接，保证机床控制的稳定性和精度。
本实例中的在线数据采集系统包括信号收集单元、采集卡18、计算机19；信号收集单元连入数据采集卡，通过数据采集卡18采集并存储在计算机19中。其中，信号收集单元包括三维扫描设备15、加速度传感器16、熔池视觉相机17，三维扫描设备15金属构件9三维扫描信息并将金属构件9的三维扫描信息作为减材加工时的毛坯使用；熔池视觉相机17采集熔池视觉图像用来监测增材过程质量，加速度传感器16安装在主轴3上，用于测量主轴上刀具的振动信号，通过刀具振动信号用来判断刀具寿命和减材质量情况。
本实例中的软件部分是在Unigraphics NX软件基础上采用C++进行二次开发的，该软件通过UG/OPEN工具集开发电弧增材路径规划部分，包括增材参数设置、分层切片、轮廓识别、路径规划等功能。可设置的参数包括：起始增材面、切片层数、切片方向、切片偏置距离、增材填充模式、单道增材宽度和方向、道间搭接率。通过集成NX软件自带的加工功能，生成增减材工序的刀具或焊枪的运动路径，调用NX后处理功能生成G代码，并自动添加起弧、熄弧、等待等指令。此外，软件还图像分析功能和振动信号分析功能；并通过C++语言进行编写。
如图2所示，采用本发明的一种复杂金属构件的增-测-减一体化方法进行闭式叶轮成形的具体步骤包括：
(1)在Unigraphics NX软件中对闭式叶轮部件进行三维建模，并将叶轮模型进行拆分，获取轮盘、叶片和轮盖三部分模型。该闭式叶轮直径为300mm，叶片数量为17个。
(2)对轮盘进行增材路径规划。以轮盘底面为起始面，根据轮盘尺寸设置切片层数为30层、切片距离为2mm和单道增材宽度为6mm，每两道增材间采用搭接的方式，生成轮盘的增材路径及其数控加工G代码。将刀具换为焊枪，按照导入G代码进行轮盘的增材。
(3)待轮盘构件冷却后，进行三维扫描获取增材构件模型，导入Unigraphics NX软件作为待加工毛坯，调用加工模块生成减材G代码并输入数控系统。
(4)通过换刀机构将焊枪换为直径6mm的两刃铣刀，转速为4000r/min，铣削速度为1500mm/min，对成形后的轮盘增材构件进行铣削加工。
(5)以增减材复合成形后的闭式叶轮轮盘的上表面为基础，对叶片进行增材路径规划。在Unigraphics NX软件中，获取叶片模型底面与轮盘上表面的相交曲线，将此曲线沿着叶片进行偏置，按照叶片高度设置偏置层数为27层，偏置距离为2mm，获得每个叶片每一层切片面上的相交曲线。以每个叶片正反两面的曲线为增材路径，生成数控G代码并进行增材。由于叶片数量较多会影响刀具或焊枪的可达性，所以所有叶片同时进行增材。
(6)每增材2层即换刀进行减材加工，通过三维扫描获取增材构件作为减材毛坯。选用铣刀直径为4mm，转速为4200r/min，铣削速度为1250mm/min。通过减材交替进行，得到成形完成的叶片。
(7)在完成两个之间的轮盖部分的增减材复合成形后，通过变位机旋转，使刀具对准下一个增材区域。通过一圈旋转后即可完成所有轮盖部分的增减材复合成形。
在上述增材步骤中，电弧增材的工艺参数为：电弧增材工艺方法为CMT；丝材材料：316L；丝材直径：1.2mm；焊枪送丝速度：5m/min；电弧电流：自适应；电弧电压：自适应；道间搭接量：3mm；焊枪移动速度：400mm/min；保护气体成分：氩氧；保护气体流量：20L/min。
在上述增材步骤中，通过数据采集系统实时获取熔池图像，采用灰度值分布特征建模来抑制熔池背景区和半凝固区，以提高熔池重点关注区域的对比度，构造巴特沃斯低通滤波器解决熔池图像的横纹干扰，采用基于边缘梯度算子的轮廓提取方法，实现边缘灰度不连续的熔池图像轮廓提取，提取熔池图像的熔池几何特征参数(熔宽、半长、面积、周长、抛物线系数、分散度等)和熔池纹理特征参数(能量均值、熵均值、对比度均值、逆差矩均值等)，通过设定特征阈值来判断增材过程的成形质量。
在上述减材步骤中，通过数据采集系统中的加速度传感16实时采集刀具振动信号，在完成信号的降噪滤波后，提取刀具振动信号的时域特征，并通过傅里叶变换转换至频域空间，获取其频域特征，当刀具振动信号的时频域特征达到阈值后及时报警并进行更换，保证减材加工质量。
在上述生成G代码步骤中，在增减材工艺切换时加入换刀指令，在每一个单道增材的开始和结束位置添加起弧和熄弧指令，数控系统中的起弧和熄弧指令分别为M77和M78，并在每一次熄弧后，插入等待指令，等待时间为2s。
最终，本发明提供的一种复杂金属构件的增-测-减一体化方法实现了闭式叶轮的增减材复合成形，得到的闭式叶轮结构如图3所示。
需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。
Claims (10)
1.一种复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统，其特征在于，包括：基础机构、电弧增材系统、减材系统、换刀机构、控制系统、在线数据采集系统和软件部分；
基础机构为五轴加工中心，包括机身、驱动系统和基板；
电弧增材系统包括CMT电源、送丝机构和增材焊枪；送丝机构、增材焊枪和CMT电源；送丝机构固定在机床上方横梁Y转轴上，焊枪通过夹具放置在刀具库中，通过换刀实现铣削刀具和增材焊枪的切换；
减材系统为铣削加工系统，铣削刀安装在机身中的Z转轴上；
换刀机构固定在工作台一侧，包括伞形刀具库、驱动电机、固定支架和焊枪夹具，伞形刀具库中可放置焊枪夹具和多种铣削刀具；
控制系统为数控系统，用于通过输入的G代码控制各部分的协调运动；
在线数据采集系统，用于通过数据采集卡采集信号并存储在计算机中；
电弧增材路径规划软件，软件中包括电弧增材路径规划、图像信号分析和振动信号分析；用于对复杂金属构件进行电弧增材路径规划和增材成形过程中通过数据采集信号的分析。
2.根据权利要求1所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统，其特征在于，机身主要包括Y转轴、Z转轴、主轴、B转轴、工作台、X转轴、C轴传动台；Y转轴作为主体横梁，Z转轴安装在Y转轴上，Y转轴转动，带动Z转轴沿Y转轴做Y方向上的直线运动；主轴安装在Z转轴上，Z转轴转动，带动主轴做Z方向上的直线运动；X转轴位于工作台下方，实现纵向的铣削和增材；B轴是绕Y轴作旋转运动，C轴是以B轴桥接底板垂直方向作旋转运动，进而实现X﹑Y﹑Z、B、C五轴联动。
3.根据权利要求1所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统，其特征在于，在线数据采集系统包括信号收集单元、采集卡、计算机信号收集单元连入数据采集卡，通过数据采集卡采集并存储在计算机中；信号收集单元包括三维扫描设备、加速度传感器和熔池视觉相机，三维扫描设备用于取增材后金属构件的形貌特征，并将其作为减材加工时的毛坯使用；熔池视觉相机采集熔池视觉图像用来监测增材过程质量；角速度传感器安装在主轴上，用于测量主轴上刀具的振动信号，进而判断刀具寿命情况。
4.根据权利要求1所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统，其特征在于，电弧增材路径规划软件中的图像分析功能和振动信号分析功能由C++编写，并在发现成形缺陷或刀具过度磨损等异常时在软件中报警。
5.根据权利要求1所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形系统，其特征在于，电弧增材路径规划软件包括增材参数设置、分层切片、轮廓识别、路径规划；增材填充模式包括往复扫描、轮廓偏置、分形线填充。
6.一种复杂金属构件的增-测-减一体化成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，在Unigraphics NX软件中将待成形金属构件进行三维建模并拆解，规划设计增材和减材工序的先后顺序；
步骤2，选定当前工序的构件部分，打开电弧增材路径规划功能，根据实际情况设置增材参数，生成该金属构件部分的增材路径；
步骤3，采用曲线驱动方式，调用Unigraphics NX软件的后处理功能将增材路径转换为G代码，并加入换刀、起弧、熄弧、等待等指令，将生成完成的G代码导入数控系统，进行增材成形；
步骤4，待增材成形完成并冷却后，数据采集系统通过三维扫描设备获取成形后构件的外形尺寸，并传入Unigraphics NX软件所在计算机中；
步骤5，进入Unigraphics NX加工模块，将增材成形后模型作为毛坯，设置粗加工、半精加工、精加工等工序及相关参数，生成相应的刀具运动轨迹，并调用后处理功能生成减材G代码；
步骤6，将生成的减材G代码导入数控系统，进行减材加工；
步骤7，重复步骤(2)-(6)，直至金属构件成形完成。
7.根据权利要求6所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形方法，其特征在于，所述的步骤2中，增材参数的设置包括在需要选择的起始增材面、切片方向、单道增材方向、增材填充模式，以及需要输入的切片层数、切片偏置距离、单道增材宽度、道间搭接率。
8.根据权利要求6所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形方法，其特征在于：所述的步骤3中，在增材成形过程中通过数据采集系统实时获取熔池图像，采用灰度值分布特征建模来抑制熔池背景区和半凝固区，以提高熔池重点关注区域的对比度，构造巴特沃斯低通滤波器解决熔池图像的横纹干扰，采用基于边缘梯度算子的轮廓提取方法，实现边缘灰度不连续的熔池图像轮廓提取，提取熔池图像的熔池几何特征参数和熔池纹理特征参数，通过设定特征阈值来判断增材过程的成形质量。
9.根据权利要求6所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形方法，其特征在于，金属构件为闭式叶轮，对闭式叶轮部件进行三维建模，并将叶轮模型进行拆分，获取轮盘、叶片和轮盖三部分模型；步骤5中在Unigraphics NX软件中，获取叶片模型底面与轮盘上表面的相交曲线，将此曲线沿着叶片进行偏置，按照叶片高度设置偏置层数，偏置距离，获得每个叶片每一层切片面上的相交曲线；以每个叶片正反两面的曲线为增材路径，生成数控G代码并进行增材；所以所有叶片同时进行增材。
10.根据权利要求7所述的复杂金属构件的增-测-减一体化成形方法，其特征在于，在上述生成G代码步骤中，在增减材工艺切换时加入换刀指令，在每一个单道增材的开始和结束位置添加起弧和熄弧指令，数控系统中的起弧和熄弧指令分别为M77和M78，并在每一次熄弧后，插入等待指令。
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