CN208556646U - 一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,更关键的是,在本实用新型中利用传感器对于加工过程中的熔池尺寸和熔覆带高度进行实时测量,并且利用测量数据对激光的功率和运行速度等参数进行动态调整,改变以往固定参数的激光成型模式,保证了加工过程的稳定性,同时本实用新型还集成了超声刀具振动系统,提高了加工的表面质量。

Description

一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备
技术领域
本实用新型涉及机械加工工程技术领域,具体涉及一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备。
背景技术
增材制造(3D打印)是通过利用数字化模型,将材料逐层堆叠起来制造三维结构的新兴制造技术。增材制造相对于传统机加工等减材技术而言,在复杂结构制造上具有绝对的优势。现阶段增材制造尤其是金属增材制造技术在世界范围内得到高速发展,并且在航空、能源、医疗等领域具有非常大的应用潜力。激光同轴送粉技术作为金属增材制造的最典型技术具有成型速度快的优点,但也存在两个明显问题:一是在某些需要五轴联动的结构中因为切片不均匀问题限制了其应用;二是成型的产品精确度和表面粗糙度往往低于相应的工业要求,需要二次加工,而二次加工会导致夹装定位偏差和加工周期增加的问题。发明内容
本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足,提供一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,更关键的是,在本实用新型中利用传感器对于加工过程中的熔池尺寸和熔覆带高度进行实时测量,并且利用测量数据对激光的功率和运行速度等参数进行动态调整,改变以往固定参数的激光成型模式,保证了加工过程的稳定性。同时本实用新型还集成了超声刀具振动系统,提高了加工的表面质量。
为实现上述目的,本实用新型采用下述技术方案:一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,包括:
至少一个可在X/Y/Z方向分别运动的主轴,主轴下方设可在A/C方向分别摆动的转台;
至少一个可与所述主轴交替工位的激光喷头,所述激光喷头与所述主轴通过气动支架连接;所述主轴上设超声刀具振动系统;
所述激光喷头上部设激光测距装置,侧部还设CCD相机,所述激光喷头内上部设左倾斜第一反射镜,所述第一反射镜下方水平设置激光滤镜,所述激光滤镜下方设右倾斜第二反射镜,所述第二反射镜右侧垂向设对称的第三反射镜;
光纤激光发生器通过光纤将激光导入所述激光喷头内,激光射入所述第三反射镜面上,经其反射至所述第二反射镜上,并通过第二反射镜将光线反射至所述激光喷头底端头口,最终照射至待加工件上;
所述激光测距装置发出测距光线经所述激光喷头底端口照射至加工件上,反射光线返回激光测距装置并获得距离数值;
工件上熔池的图像经过所述激光滤镜滤掉1060-1080nm波段的反射激光,并经过所述第一反射镜进入CCD相机;
送粉装置通过管路将所述待加工粉末送入所激光喷头的头口处,并均匀喷涂于所述转台上的待加工件面上;
所述激光测距装置和所述CCD相机均通过信息传输线路连接动态信息采集反馈系统,并进行激光参数的动态控制;所述动态信息反馈系统通过机床控制系统连接控制;
机床控制系统还控制连接所述主轴、所述转台和刀库,并提供自动化加工中所需储刀及换刀需求。
一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备的增减材加工方法:在增材模块工作时,气动元件通过数字信号使气动支架下降,并且驱动滑枕使主轴沿X 方向移动使得激光喷头成为加工原点,在减材模块工作时,气动支架升起,同时恢复主轴刀具的加工原点位置,实现了增减材的交替混合加工;
增材模块工作时,激光通过光纤激光发生器产生,经过光纤到达激光喷头,在激光喷头内经过第三和第二反射镜反射后到达工件处;同时金属粉末通过送粉装置到达激光喷头喷嘴处,然后被送入激光在工件上形成的熔池里;在这个过程中,通过主轴和转台的运动,在工作台上形成三维金属结构;
当减材模块工作时,加工刀具被放置在主轴上,在超声刀具振动系统的作用下,加工刀具进行沿着Z轴方向的超声振动并且按照最终产品的尺寸要求对于增材过程中制造的毛坯件进行精加工。
进一步地,所述激光测距装置通过激光发射器发射905nm波长红外光,光线到达熔池表面后反射至接收单元,所述接收单元与激光发射器与熔池成三角关系,当熔池高度变化,反射光角度会发生变化,进而接收单元上成像位置发生位移,该位移量被用来表征激光测距装置到熔池的距离变化。
进一步地,所述气动支架由气缸和支架构成,并且气缸接入0.5MPa压缩空气,当接收到程序所发控制信号时,进气口打开压缩空气进入并推动活塞运动,活塞带动支架以及支架上的激光喷头进行收起/下放运动。
进一步地,所述光纤激光发生器利用半导体泵浦源,激发增益光纤产生波长为1070± 5nm的激光,该激光通过光纤传送至加工物件表面。
进一步地,所述激光测距装置测量其自身到熔池顶端的距离,该距离在整个增材模块工作过程中设为一个固定值。
进一步地,所述中激光测距装置测量距离大于该固定值,则通过所述动态信息采集反馈系统降低激光行进速度来提高当前熔覆带高度。
进一步地,所述加工方法中所述CCD相机捕捉熔池的尺寸变化,当熔池增大时,则通过所述动态信息采集反馈系统降低激光功率,进而调节熔池尺寸至合理范围。
进一步地,所述动态信息采集反馈系统通过PID循环算法实现。本实用新型的有益效果是:第一、提供一种集成激光同轴送粉技术和五轴联动机加工技术的混合加工平台,更关键的是,在本实用新型中利用传感器对于加工过程中的熔池尺寸和产品高度进行实时测量,并且利用测量数据对激光的功率和运行速度等参数进行动态调整,改变以往固定参数的激光成型模式,保证了加工过程的稳定性。同时本实用新型还集成了超声刀具振动系统,提高了加工的表面质量;
第二、利用放置在激光喷头顶端侧部的CCD相机和激光测距装置以及动态信息采集反馈系统进行激光参数的动态控制,这种动态控制对于曲面结构的制造过程稳定性具有重要作用;
第三、激光测距装置被用来测量其自身到熔池顶端的距离,该距离在整个增材模块工作过程中应该是一个固定值,如果测量距离大于该固定值,则通过反馈系统降低激光行进速度来提高当前熔覆带高度,另一方面,单方面降低速度会导致熔池变大,熔覆带变宽,进而影响产品精度,本实用新型利用CCD相机捕捉熔池的尺寸变化,当熔池增大是,则通过反馈系统降低激光功率,进而调节熔池尺寸至合理范围;这种动态参数系统既保证了整体制造过程的稳定性,又使得不均匀分层结构的制造成为了可能。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图;
图2是激光喷头结构示意图;
图3是案例示意图;
其中1、机加工主轴,2、A/C轴摇篮式转台,3、激光喷头,4、光纤激光发生器,5、光纤,6、送粉装置,7、CCD相机,8、激光测距装置,9、机床控制系统,10、动态信息采集反馈系统,11、超声刀具振动系统,12、气动支架,13、刀库,14、反射镜(1401、第一反射镜,1402、第二反射镜,1403、第三反射镜),15、激光滤镜,16、激光路径,17、均匀层,18、不均匀层,19、悬空面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的阐述,应该说明的是,下述说明仅是为了解释本实用新型,并不对其内容进行限定。
实施例1结合说明书附图一和二所示,一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,包括一可在X/Y/Z方向分别运动的主轴1,主轴1下方设可在A/C方向分别摆动的转台 2,主轴1上通过气动支架12连接一激光喷头3,主轴1的刀具上部安装超声刀具振动系统 11,激光喷头3上部安装激光测距装置8,侧部安装CCD相机7;激光喷头3的内部上方按照由上至下依次安装左倾斜第一反射镜1401、激光滤镜15和右倾斜第二反射镜1402,位于第二反射镜1402右侧对称安装有第三反射镜1403;光线激光发生器4通过光纤5导入激光喷头3上部;外部送粉装置6通过管路将金属粉末送至激光喷头3头口处;激光测距装置8和CCD相机7通过导线连接动态信息采集反馈系统10,动态信息反馈系统10进行激光参数的动态控制,并最终获得机床控制系统9汇总控制,机床控制系统9还控制机加工主轴1、转台2和刀库13。
需要说明的是,光线的折射和反射过程如下:光纤激光发生器4通过光纤5将激光导入所述激光喷头3内,激光线路射入第三反射镜面1403上,经其反射至所述第二反射镜1402 上,并通过第二反射镜1402将光线反射至所述激光喷头3底端头口,最终照射至待加工件上;激光测距装置8发出测距光线经所述激光喷头3底端口照射至加工件上,反射光线返回激光测距装置8并获得距离数值;工件上熔池的图像经过所述激光滤镜15滤掉1060-1080nm 波段的反射激光,并经过所述第一反射镜1401进入CCD相机7;送粉装置6通过管路将待加工粉末送入所激光喷头3的头口处,并均匀喷涂于所述转台上的待加工件面上。
本设备的增减材加工方法:在工作过程中,减材模块由可在X/Y/Z方向分别运动的主轴1和可在A/C方向分别摆动的转台2组成,五轴联动通过机床控制系统9实现。在此基础上,增材模块激光喷头3通过气动支架12连接到主轴1上,在增材模块工作时,通过数字信号使气动支架12降下,并且驱动滑枕使主轴沿X方向移动使得激光喷头3成为加工原点,在减材模块工作是,气动支架12升起,同时恢复主轴1刀具的加工原点位置。这样实现了增减材的交替混合加工。
当增材模块工作时,光纤激光通过激光发生器4产生,经过光纤5到达激光喷头3,在激光喷头3内经过反射镜14到达工件处。同时金属粉末通过送粉装置6到达激光喷头3,然后被送入激光在工件上形成的熔池里。在这个过程中,通过主轴1和转台2的运动,在工作台上形成三维金属结构。
当减材模块工作时,加工刀具被放置在主轴1上,在超声刀具振动系统11的作用下,加工刀具进行沿着Z轴方向的超声振动并且按照最终产品的尺寸要求对于增材过程中制造的毛坯件进行精加工。
增减材模块的运动控制系统均通过西门子840d实现。本实用新型的主要特点是利用放置在激光喷头3顶端的CCD相机7和激光测距装置8 以及动态信息采集反馈系统10进行激光参数的动态控制。这种动态控制对于曲面结构的制造过程稳定性具有重要作用。
结合说明书附图三所示,要对图示弯管16进行增材制造,首先要对该结构进行切片处理,如果按照均匀层17进行切片则在制造过程中不可避免的产生悬空面19,而激光同轴送粉工艺无法制造悬空面;如果按照弯管曲率进行切片可得不均匀层18,在充分利用五轴联动的条件下可以完全避免悬空面,但用固定的激光功率和速度进行加工时只能制造均匀层 18,这就大大限制了五轴联动增材系统的应用。
需要说明的是,激光测距装置8被用来测量其自身到熔池顶端的距离,该距离在整个增材模块工作过程中应该是一个固定值,如果测量距离大于该固定值,则通过反馈系统10 降低激光行进速度来提高当前熔覆带高度,另一方面,单方面降低速度会导致熔池变大,熔覆带变宽,进而影响产品精度,本实用新型利用CCD相机7捕捉熔池的尺寸变化,当熔池增大时,则通过反馈系统10降低激光功率,进而调节熔池尺寸至合理范围。这种动态参数系统既保证了整体制造过程的稳定性,又使得不均匀分层结构的制造成为了可能。
动态信息反馈系统包括行进速度控制系统和激光功率控制系统。行进速度控制系统用来控制熔覆带高度,本实用新型中利用PID循环控制算法来实现这一控制过程:首先根据理论熔覆带高度定义理想状态下激光测距装置到熔池顶端距离Lt;在加工过程中利用激光测距装置测量得到实际激光测距装置到熔池顶端距离Lm,利用Lt和Lm的差值e(k)作为PID循环输入量,通过如下公式计算输出量U(t):
其中e(k)=Lt–Lm;e(k-1)代表之前一个时间点得到的差值;Kp,Ki,Kd分别为比例系数,积分系数和微分系数。所得输出量U(t)直接用来定义一个0-10V模拟电信号,该信号被机床控制系统读取并通过用户自定义变量系统给系统行进速度赋值,进而利用动态速度机制对熔覆带高度过高/过低的情况进行补偿,使得加工中激光测距装置到熔池顶端距离进一步趋近于Lt
激光功率控制系统则用来控制熔池宽度,专利(CN 201510270345.3)和(CN201610253396.X)通过调节激光离焦量来调节熔池宽度;专利(CN 201710349069.9)通过预实验测得激光功率-熔池宽度关系,再通过调节激光输出电压调节激光功率来改变加工过程中熔池宽度。但因为在加工过程中行进速度也会影响熔池宽度,所以无法通过单方面建立激光功率-熔池宽度关系来调整熔池宽度。本实用新型仍然引入PID循环控制算法来动态控制熔池宽度,首先定义目标熔池宽度Dt,通过CCD相机测量实际熔池宽度Dm,利用Dt和Dm的差值e(k)作为PID循环输入量,使用前述公式计算输出量U(t),并利用U(t)直接调节激光器输出电压,进而调节激光功率,使得加工中熔池宽度进一步趋近于目标值Lt
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述,但并非对本实用新型保护范围的限制,在本实用新型的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,其特征是,包括:至少一个可在X/Y/Z方向分别运动的主轴,主轴下方设可在A/C方向分别摆动的转台;至少一个可与所述主轴交替工位的激光喷头,所述激光喷头与所述主轴通过气动支架连接;所述主轴上设超声刀具振动系统;
所述激光喷头上部设激光测距装置,侧部还设CCD相机,所述激光喷头内上部设左倾斜第一反射镜,所述第一反射镜下方水平设置激光滤镜,所述激光滤镜下方设右倾斜第二反射镜,所述第二反射镜右侧垂向设对称的第三反射镜;
光纤激光发生器通过光纤将激光导入所述激光喷头内,激光线路射入所述第三反射镜面上,经其反射至所述第二反射镜上,并通过第二反射镜将光线反射至所述激光喷头底端头口,最终照射至待加工件上;
所述激光测距装置发出测距光线经所述激光喷头底端口照射至加工件上,反射光线返回激光测距装置并获得距离数值;
工件上熔池的图像经过所述激光滤镜滤掉1060-1080nm波段的反射激光,并经过所述第一反射镜进入CCD相机;
送粉装置通过管路将所述待加工粉末送入所激光喷头的头口处,并均匀喷涂于所述转台上的待加工件面上;
所述激光测距装置和所述CCD相机均通过信息传输线路连接动态信息采集反馈系统,并进行激光参数的动态控制;所述动态信息反馈系统通过机床控制系统连接控制;
机床控制系统还控制连接所述主轴、所述转台和刀库,并提供自动化加工中所需储刀及换刀需求。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,其特征是:所述激光测距装置通过激光发射器发射905nm波长红外光,光线到达熔池表面后反射至接收单元,所述接收单元与激光发射器与熔池成三角关系,当熔池高度变化,反射光角度会发生变化,进而接收单元上成像位置发生位移,该位移量被用来表征激光测距装置到熔池的距离变化;所述CCD相机捕捉熔池的尺寸变化,当熔池增大时,则通过所述动态信息采集反馈系统降低激光功率,进而调节熔池尺寸至合理范围。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,其特征是,所述气动支架由气缸和支架构成,并且气缸接入0.5MPa压缩空气,当接收到程序所发控制信号时,进气口打开压缩空气进入并推动活塞运动,活塞带动支架已经支架上的激光喷头进行收起/下放运动。
4.根据权利要求1所述的一种基于动态参数调整的增减材一体的五轴混合加工设备,其特征是,所述光纤激光发生器利用半导体泵浦源,激发增益光纤产生波长为1070±5nm的激光,该激光通过光纤传送至加工物件表面。
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Pledgor: SHANDONG LEISHI INTELLIGENT MANUFACTURING Co.,Ltd.

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