反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法与流程

本发明涉及焊接与增材制造技术领域，特别涉及一种反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法。

背景技术：

增材制造是一种“自下而上”的制造方法，采用材料的逐层累加方式制造实体零件。金属类增材制造技术主要以激光、电子束为热源，通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂零部件。近年来，由于激光热源成型速度慢、电子束可加工构件体积小等局限性，低成本、高效率的电弧类增材制造技术得到了高度重视。反极性等离子弧增材制造以联合型或转移型等离子弧为热源，采用合金粉末或丝材作为填充金属，有效地将堆焊金属和基体金属熔化结合，形成高密度、高结合度、低稀释率的堆焊组织结构，从而实现增材制造。等离子弧增材制造不仅可以修复损坏的部件，还可以制造组织细小、均匀、致密的复杂金属零件。

近年来，丝材类的反极性等离子弧增材制造已成为研究重点。反极性等离子弧增材制造是一种高度集成智能化、自动化的系统。在等离子弧增材制造系统中，等离子体电源为增材制造过程提供能量，它的性能至关重要。国内的等离子电源设备的工业化水平同发达国家之间还存在较大的差距，普遍采用通用焊接电源来制造工件，很少有专用的反极性、数字化、高性能的专用等离子增材制造电源。另一方面，采用丝材熔积增材制造时，送丝系统的稳定性、均匀性以及协同能力也非常重要，直接影响到增材过程的稳定性、增材形貌以及加工流程。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法，系统的拓扑结构简单，全数字化控制，可以根据材料与工件的特性采用所需的任意电流波形进行增材制造，工艺适应性好，可提升增材制造的工艺质量。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种反极性等离子弧机器人增材制造系统，包括工业机器人、增材制造电源、送丝机、机器视觉系统、工业计算机、等离子焊枪、制冷装置、气体装置以及辅助工装夹具；所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、制冷装置、气体装置、辅助工装夹具均通过canbus总线与工业计算机相连；所述机器视觉系统通过tcp/ip协议与工业计算机相连；所述等离子焊枪连接所述制冷装置、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具；所述制冷装置还与增材制造电源相连；其中

所述机器视觉系统用于对拟增材制造的工件信息及其位置信息进行检测，并将信息馈入所述工业计算机；在增材制造过程中，机器视觉系统用于识别路径、监控状态以及跟踪工件；

所述工业计算机用于选择增材制造模式及其配套的基本工艺参数、进行增材路径规划；在增材制造过程中，所述工业计算机对所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具进行数据处理和远程监控；

所述工业机器人作为执行机构，用于控制所述等离子焊枪和辅助工装夹具完成相应的动作操作；

所述增材制造电源用于提供增材制造过程所需的能量；

所述送丝机用于输送丝材并调节送给速度；

所述等离子焊枪用于完成能量的转换，为丝材熔积以及熔化金属的过渡提供能源与动力；

所述制冷装置用于为所述增材制造电源以及所述等离子焊枪提供冷却作用；

所述气体装置用于给所述等离子焊枪提供离子气和保护气；

所述辅助的工装夹具用于完成工件的夹持以及变位操作。

进一步地，所述增材制造电源包括主弧电源和维弧电源，所述主弧电源与维弧电源均与等离子焊枪相连；所述主弧电源包括主弧电源主电路和主弧电源控制电路，所述维弧电源包括维弧电源主电路、维弧电源控制电路以及高频高压引弧电路；其中

所述主弧电源主电路用于实现主弧能量的转换与传输；

所述主弧电源控制电路用于控制主弧电源各个任务的正常工作；

所述维弧电源主电路用于实现维弧能量的转换与传输；

所述维弧电源控制电路用于控制维弧电源各个任务的正常工作；

所述高频高压引弧电路用于击穿等离子焊枪的钨极和喷嘴间的气隙，以建立维持电弧。

进一步地，所述主弧电源主电路采用双逆变拓扑结构，包括输入整流滤波模块、igbt高频逆变电路、中频变压器、快速整流滤波模块、igbt低频调制电路以及高压稳弧电路；所述输入整流滤波模块用于将380v三相交流电转化为平滑的直流电；所述igbt高频逆变电路用于将整流后的直流电逆变成高频交流电；所述中频变压器用于进行能量转换，为增材制造过程提供所需的高电流、低电压的交流电；所述快速整流滤波模块用于将经过中频变压器的交流电转变成大电流、低电压的直流电；所述igbt低频调制电路用于将经过快速整流滤波模块的直流电进行换相调节、频率调制及电感滤波后，输出所需的电流电压波形；所述高压稳弧电路用于保证在igbt低频调制电路输出电流的极性转换时刻施加较高的电压，从而确保在电流过零时电弧的可靠再引燃。

进一步地，所述主弧电源控制电路包括dsc控制器、高频逆变驱动电路、过流检测电路、电流反馈电路、低频调制驱动电路、稳弧电路驱动电路、人机交互系统、过热检测电路、过压检测电路、欠压检测电路以及can通信接口电路；

所述dsc控制器产生三组全数字pwm控制信号，并分别控制低频调制驱动电路、高频逆变驱动电路以及稳弧电路驱动电路；

所述高频逆变驱动电路用于将dsc控制器产生的pwm控制信号转换成igbt高频逆变电路中功率开关管igbt所需的驱动信号；

所述过流检测电路用于防止通过功率开关管igbt的电流过大；

所述电流反馈电路用于实现电源输出电流的闭环调节；

所述低频调制驱动电路用于将dsc控制器产生的pwm控制信号转换成igbt低频调制电路中功率开关管igbt所需的驱动信号；

所述稳弧电路驱动电路用于将dsc控制器产生的pwm控制信号转换成高压稳弧电路中功率开关管igbt所需的驱动信号；

所述人机交互系统用于实现人与电源之间的对话；

所述过热检测电路用于防止功率开关管igbt温度过高；

所述过压检测电路用于检测电源输入的380v三相交流电电压是否过高；

所述欠压检测电路用于检测电源输入的380v三相交流电电压是否过低；

所述can通信接口电路用于与其它系统通信，实现数字化协同。

进一步地，所述dsc控制器包括dsc微控制器、电源供电模块、外部时钟电路、复位电路以及jtag调试下载电路。

进一步地，所述维弧电源主电路包括输入整流滤波模块、mosfet逆变电路、中频变压器以及快速整流滤波模块；所述输入整流滤波模块用于将380v三相交流电转化为平滑的直流电；所述mosfet逆变电路用于将整流后的直流电逆变成高频交流电；所述中频变压器用于进行能量转换，得到高电流、低电压的交流电；所述快速整流滤波模块用于将经过中频变压器的交流电转化成大电流、低电压的直流电。

进一步地，所述送丝机包括送丝控制系统、高频ac/dc逆变器、送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮以及固定支架，所述送丝控制系统包括dsc控制器、光耦隔离模块、电压采样模块、变压滤波模块、供电模块、故障检测模块以及can驱动器。

进一步地，所述送丝驱动电路包括高频半桥斩波电路、两个二极管、继电开关、光耦以及电机负载。

本发明另一目的是提供一种反极性等离子弧机器人增材制造系统的实现方法，包括如下步骤：

s1、工业计算机根据工件及其丝材的特性，选择相应的增材制造模式及其配套的基本工艺参数；机器视觉系统对拟增材制造的工件及其位置信息进行检测，并馈入工业计算机并进行增材路径规划，协调工业机器人以及辅助工装夹具运动到相应的工位；

s2、启动制冷装置和气体装置，为等离子焊枪和增材制造电源的工作做好准备；

s3、开启三相电源给增材制造电源和送丝机供电，进行增材制造工作；

s4、送丝机根据工业计算机预设的工艺要求进行稳定送丝，等离子焊枪产生的等离子弧射流将丝材熔化并按照相应的路径进行堆积成形。

进一步地，所述步骤s3中，三相电源给增材制造电源供电后，增材制造电源的维弧电源首先工作，利用高频高压引弧电路产生高频高压信号，击穿等离子焊枪的钨极和喷嘴的气隙，采用很小的电流建立维持电弧；在引弧成功之后，维弧电源的dsc控制器给主弧电源的dsc控制器发送维弧成功信号，启动主弧电源，在工件和钨极之间产生转移弧；转移弧成功之后，增材制造系统根据材料和工艺的要求，可以关闭维持电弧，从而进行转移弧情况下的增材制造工艺；也可以使维持电弧继续工作，从而形成维弧+转移弧的混合弧进行增材制造；

其中，为精细控制热输入量和熔化金属的量，所述主弧电源的输出波形包括反极性、变极性、脉冲；送丝的速度为匀速或者变速或者脉动变化。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明的增材制造电源不仅实现了高频高效逆变化，而且实现了维弧电源和主弧电源的一体化和数字化集成；主弧电源和维护电源两者之间通过can网络进行数字协同，体积紧凑，兼容性更好，现场环境的适应性更好，扩展能力更强；

2、本发明的反极性等离子弧机器人增材制造系统通过基于dsc的高速高精度全数字控制技术和canbus总线网络协同技术实现了所有关键部件的模块化和数字化集成，柔性更好，精度更高，控制更精确，质量更能得到保证；

3、本发明的增材制造电源能够实现转移弧、转移+非转移弧混合等多种工作模式，能够实现多种极性、任意形状波形的精确输出，配合数字化的送丝机，能够实现对增材制造过程传热传质传量的优质调控，改善增材质量；

4、本发明采用了基于dsc精密控制的高频半桥斩波驱动方式，可以实现正转、反转、脉动等多种送丝模式，送丝过程更为平稳，抗扰动能力更强。

附图说明

图1是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统的结构示意图；

图2是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中增材制造电源的结构示意图；

图3是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中主弧电源主电路的电路示意图；

图4是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中主弧电源控制电路的结构示意图；

图5是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中dsc控制器的电路结构示意图；

图6是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中高频逆变驱动电路的电路结构示意图；

图7是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中低频调制驱动电路的电路结构示意图；

图8是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中维弧电源主电路原理图；

图9是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中送丝机控制系统的电路原理图；

图10是本发明反极性等离子弧机器人增材制造系统中送丝机送丝驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种反极性等离子弧机器人增材制造系统，包括工业机器人、增材制造电源、送丝机、机器视觉系统、工业计算机、等离子焊枪、制冷装置、气体装置、以及辅助的工装夹具等；所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、制冷装置、气体装置、辅助工装夹具均通过canbus与工业计算机相连；所述机器视觉系统通过tcp/ip与工业计算机相连；所述制冷装置还分别与增材制造电源和等离子焊枪相连；所述送丝机还与等离子焊枪相连；所述气体装置与等离子焊枪相连；所述辅助工装夹具与等离子焊枪相连。

所述工业机器人作为执行机构，主要完成焊枪位姿调整以及夹持焊枪进行相应的运动。

所述增材制造电源主电路和dsc控制电路，焊接电源的主电路部分实现焊接过程能量的转换与传输，是整个焊接系统的核心部分；而其dsc控制电路主要实现功率开关管pwm驱动信号的发生、采样信号的pid调节、人机交互系统及送丝系统的通信处理、主电路的相关保护等功能，负责整个增材制造过程的流程控制，是整个焊接电源的“大脑”。

所述送丝机负责调节丝材的送给速度，送丝速度的大小必须与增材制造的电流大小及熔积增材速度等参数良好配合才能减少焊接缺陷的发生，所以送丝速度必须有一个宽的调节范围，保证送丝系统的抗干扰性及送丝的稳定性。

所述机器视觉系统主要用于增材制造过程路径的识别、状态监控以及跟踪等功能；所述工业计算机主要完成系统各部分的协调控制、分层规划、专家系统等功能。

所述等离子焊枪主要完成能量的转换，为丝材熔积以及熔化金属的过渡提供能源与动力；所述制冷装置主要为增材制造电源以及等离子焊枪提供冷却作用；所述气体装置主要提供离子气和保护气；辅助的工装夹具主要完成工件的夹持以及变位等功能。

如图2所示，所述增材制造电源包括主弧电源和维弧电源；所述主弧电源包括主电路和控制电路；所述维护电源包括主电路、控制电路和高频高压引弧电路。所述主弧电源与维弧电源通过canbus总线相连接；所述主弧电源与维弧电源均直接与等离子焊枪相连。所述主弧电源和维弧电源的控制电路采用硬件结构相同的dsc控制器，仅在运行的软件系统上有所差异，从而降低开发成本和周期，提高兼容性和可扩展性。在正常工作时，维弧电源的dsc控制器2首先控制高频高压引弧电路工作，在等离子焊枪的钨极与喷嘴之间产生非转移弧，这为维弧电弧；起弧成功之后关闭高频高压引弧电路；然后dsc控制器2通过canbus总线给主弧电源的dsc控制器1发送一个维弧成功的信号，然后主弧电源工作，使等离子焊枪在钨极和工件之间产生转移弧，成为主弧；然后按照预定的参数进行等离子弧增材制造。维弧电弧和主弧可以并存，也可以单独存在。

如图3所示，所述主弧电源主电路采用双逆变拓扑结构，主要包含输入整流滤波模块br1、c1-c2、l1，igbt高频逆变电路q1-q4，c3-c7，r1-r4，中频变压器t，快速整流滤波模块d1-d4，r5-r8，yr1-yr4，c8-c11，l2-l3，igbt低频调制电路q5-q8，高压稳弧电路br2，l4，c14-c15，q9-q12，c16-c19，r11-r14。其工作原理为通过输入整流滤波模块将380v三相交流电转化为平滑的直流电，然后经过igbt高频逆变电路，实现恒流特性控制和动特性调节，经过中频变压器进行能量转换，将高频逆变后的交流电转化成增材制造过程所需的高电流、低电压的交流电，再经过快速整流滤波模块，转变成大电流、低电压的直流电，最后经过igbt低频调制电路进行换相调节、频率调制及输出端的电感滤波后，输出所需要的电流电压波形；igbt高频逆变电路采用四个igbt构成的全桥拓扑结构，并通过串联隔直电容c4滤除变压器原边的直流分量，避免磁芯因为伏秒不平衡而进入饱和；综合考虑成本及安全性等因素，igbt低频调制电路使用两路半桥并联构成双半桥并联拓扑。虚线框部分为高压稳弧电路，其主要作用是保证主弧电源在输出电流的极性转换时刻施加较高的电压，从而确保在电流过零时电弧的可靠再引燃。

如图4所示，所述主弧电源控制电路主要包括dsc控制器、高频逆变驱动电路、过流检测电路、电流反馈电路、低频调制驱动电路、稳弧电路驱动电路、人机交互系统、过热检测电路、过压检测电路、欠压检测电路以及can通信接口电路等构成；所述dsc控制器要直接产生三组全数字pwm控制信号，分别控制低频调制驱动电路、高频逆变驱动电路以及稳弧电路驱动电路。

如图5所示，所述dsc控制器主要包括dsc微控制器u1、由低压差线性稳压电源ams1117(u2)、r6、d1、c14-c15构成的电源供电模块、由c2-c3、晶振y1以及r3构成的外部时钟电路、由r7、s4以及c1构成的复位电路以及由r2-r5、r8、jtag模块等构成的jtag调试及下载电路等构成。

如图6所示，所述主弧电源控制电路的高频逆变驱动电路为高频脉冲变压器隔离型驱动电路，主要由接插端口p1、r1-r4、由p沟道功率场效应管irf9530m1和m3、n沟道功率场效应管irf530m2和m4分别构成的两路推挽输出电路、高频脉冲电压器t1-t2、由电阻r12、r16、二极管d9、电容c7构成的igbt“慢开快关”网络1、由电阻r13、r17、二极管d10、电容c8构成的igbt“慢开快关”网络2、由电阻r14、r18、二极管d11、电容c9构成的igbt“慢开快关”网络3、由电阻r15、r19、二极管d12、电容c10构成的igbt“慢开快关”网络4、栅极电阻r23-r-26、接插件p3-p4以及辅助的外围电路构成。由dsc微处理器产生的ttl型的pwm驱动信号，经过高速线性隔离后分别输入到m1、m2和m3、m4，其输出信号分别再经过高频脉冲变压器进行放大及隔离后产生四路igbt驱动信号，对相应的igbt进行驱动。“慢开快关”网络能够有效的降低igbt开关损耗。稳弧电路驱动电路也采用类似的结构。

如图7所示，所述主弧电源控制电路的低频调制驱动电路以高速光耦tlp250为核心，还包括稳压二极管d1-d2，电阻r2-r6，电容c1-c4；其中，稳压二极管d1、d2在igbt关断状态时提供负偏压，保证igbt的快速、可靠关断。电阻r2、r5为栅极电阻，而压敏电阻r3、r6为干扰的电压尖峰提供旁路通道，对igbt进行可靠保护。

如图8所示，所述维弧电源主电路中三相交流输入电源经过电网emi滤波处理之后，接入由l1、c1、c2、c15、c16、r1、r2和br1构成的输入整流滤波模块，再连接mosfet逆变电路的逆变桥vt1～vt4，c3～c6，r3-r6，d1～d4,逆变频率为100khz，输出接中频变压器t1初级，变压器次级经过快速整流滤波电路d5～d8、l2、c11～c14、r11、r12后输出直流电，以上环节构成维弧电源的主电路。所述的高频高压引弧电路产生的高频信号通过变压器t2耦合进入维弧电源的输出回路。

如图9所示，所述送丝机主要包括控制系统、高频ac/dc逆变器、送丝驱动电路、送丝电机以及压紧轮、固定支架等构成。所述送丝机控制系统包含dsc控制器、光耦隔离模块、电压采样模块、变压滤波模块、供电模块、故障检测模块以及can驱动器等构成。

如图10所示，所述送丝机送丝驱动电路主要由mosfet功率管q1-q2构成的高频半桥斩波电路、二极管d1-d2、继电开关kr1、光耦pc817以及等效的电机负载构成，能够实现正转送丝、反转抽丝及速度可调的脉动送丝等工作模式，电机转速可无级调节并且能够补偿供电电压波动及电源内阻变化引起的电机转速波动。

本发明的工作原理如下：

首先工业计算机根据工件及其丝材的特性，选择相应的增材制造模式及其配套的基本工艺参数；然后利用机器视觉系统对拟增材制造的工件及其位置信息进行检测并馈入工业计算机并进行增材路径规划，协调工业机器人以及辅助工装夹具运动到相应的工位；启动制冷装置和气体装置，为等离子焊枪和增材制造电源的工作做好准备。三相电源给增材制造电源和送丝机供电，开始进行增材制造工作。增材制造电源的维弧电源首先工作，利用高频高压燃弧电路产生高频高压信号，击穿等离子焊枪的钨极和喷嘴的气隙，采用很小的电流建立维持电弧；在燃弧成功之后，维弧电源的dsc控制器给主弧电源控制器发送维弧成功信号，启动主弧电源，在工件和钨极之间产生转移弧；转移弧成功之后，增材制造系统根据材料和工艺的要求，可以关闭维持电弧，从而进行转移弧情况下的增材制造工艺；维持电弧也可以继续工作，从而形成维弧+转移弧的混合弧进行增材制造。送丝机按照预定的工艺要求进行稳定送丝，等离子焊枪产生的等离子弧射流将丝材熔化并按照相应的路径进行堆积成形。为精细控制热输入量和熔化金属的量，主弧电源的输出波形可以有多种形状，包括反极性、变极性、脉冲等；送丝速度也可以是匀速、变速或者脉动变化等。工业机器人、增材制造电源、送丝机、气体装置、辅助工装夹具等的状态信息均通过canbus网络馈入到工业计算机进行数据处理和远程集中监控，进一步提高增材制造过程的自动化和智能化水平。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。