专利名称：粉末材料六轴机器手激光快速成型系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光快速成型系统，具体为一种利用六轴机器手及激光对粉末材料进行快速成型的系统，属于激光材料加工快速成型技术领域。
背景技术：
激光快速成型技术(Rapid Prototype)是一种新兴的快速制造技术，它是将CAD/CAM、NC、激光及材料加工技术结合起来，形成的一项新的成型技术。特别适应于小批量、多品种的零件成型加工要求，具有很高的柔性来适应快速变化的市场需求。
目前典型的激光快速成型方法有光固化立体造型(Stereo Lithography)、分层实体造型(Laminated Object Manufacturing)和选区激光烧结成型(Selective Laser Sintering)等。其中选区激光烧结成型方法能够对粉末材料的进行快速成型，其成型原理是首先在计算机上完成符合需要的CAD模型，再用分层软件对其进行分层切片处理，得到每层的截面，然后采用激光有选择地烧结与计算机内模型截面相对应部分的粉末，使粉末烧结熔化冷却凝固成型，完成一层烧结后，再进行下一层烧结，且两层之间烧结相连。如此层层烧结、堆积，从而得到与CAD模型一致的实体，而未烧结部分则是松散粉末，最后取出零件进行清理。目前这种激光快速成型方法因为能够直接对粉末材料进行三维工件的快速成型，且成型精度较高而得到越来越广泛的应用。但是由于受到成型机床的限制，目前该方法仅限于对微小工件的快速成型。
本实用新型的另一个技术背景是近年来机器人制造技术在制造工业中得到广泛应用。机器人作为成熟的自动化技术，在柔性、实现大范围复杂的运动、进行组合加工等方面具备技术优势，其一个显著优势就是只要给出反映机器人运行轨迹点位数据文件，就能编制程序方便快捷地完成预定的扫描填充任务，并且机器人的运动时间、运动速度都可以由程序设定。因此，可以预见机器人将是继承快速成型制造技术的一种理想工具。
发明内容
本实用新型的主要目的在于提供一种基于粉末材料的六轴机器手激光快速成型系统，使其能够有效的对粉末材料达到快速成型的目的，能够适应于三维结构的大型零件或微小零件的高精度快速成型。
所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统部分参照附图1，包括有存储三维快速CAD软件及切片处理软件的计算机5，由计算机5控制的激光器3及送粉器6；本实用新型的特征在于，该系统设置了存有示教编程软件的示教盒13和存有离线编程软件的计算机5两个输入控制设备，六轴机器手1及机器手控制器2；机器手控制器上行与计算机5、示教盒13联接，下行与激光器3、送粉器6及六轴机器手1联接，利用示教盒在线移动六轴机器手1到指定位置，利用计算机控制六轴机器手1在快速成型过程中的运动。
本实用新型所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统中，所述的机器手控制器2为六轴机器手专用控制器，机器手控制器2的下行通讯接口通过RS-232标准串行口同六轴机器手1、激光器3、送粉器6相连接，机器手控制器2上行通讯接口通过RS-232标准串行口与计算机5及示教盒13相连接，从而达到通过机器手控制器2实现计算机5对整个成型系统的控制目的。
本实用新型所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统中，所述的示教盒13为六轴机器手示教编程过程中的指令输入设备。该示教盒13通过RS-232标准串行口与机器手控制器2相连。用户在示教过程中可以通过示教盒13输入移动指令，机器手控制器2接受指令并控制机器手作相应的运动，同时机器手在运动过程中的位置、状态信息可以通过机器手控制器2在示教盒13中读取出来。
本实用新型所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统中，六轴机器手1的机械结构为公知的6自由度垂直多关节型，六轴机器手1手臂夹持激光工作头7及送粉喷嘴4，工作过程中，激光工作头7及送粉喷嘴4随机器手的运动可以在成型工作台10表面上实现各种复杂运动轨迹。
本实用新型所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统中，激光器3采用Nd:YAG固体激光器，激光可以通过光纤7进行传输；送粉器6采用公知的自动粉末输送器。
本实用新型所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统中，成型工作台10表面安装有对工作台表面的基板12水平固定的滑动导轨15，基板12是公知的表面光洁、熔点较高的金属板材，该基板作用是为成型工件提供一个基础，成型过程在基板上进行，成型过程结束之后，以精密切割方式将成型工件11与基板12分离。
本实用新型所述的粉末材料六轴机器手激光快速系统中，为克服在侧向送粉方式中因激光束和材料的不对称而带来的对扫描方向的限制，采用了送粉喷嘴4垂直送粉，激光14侧向照射的成型方式，激光14相对于送粉喷嘴4的侧向角度范围为30°-75°；可参见图2。
本实用新型的技术方案中示教编程是用户通过操纵示教盒，移动机器手到指定位置的示教点，此时机器手的控制系统记录下当时的位置参数、速度参数和一些其他的相关参数，并且自动生成相应的移动指令，在所有的示教点都示教完毕后，生成整个程序，用户可以回放执行。示教过程中，机械手不能用于加工工件，仅移动机器手。
离线编程是采用计算机图形学的成果，在计算机中采用机器人编程语言进行编程，经过机器人编程语言处理模块生成一些代码，然后对编程的结果调试、检验，最后将生成代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。
本实用新型中包含在计算机内的离线编程系统具有的主要优点有1、减少机器手不工作时间，通过仿真调试程序，不用和实际机器手系统进行直接的联系便可直观地看到编程结果；2、使用范围广，可以对各种机器手进行编程，并能方便地实现优化编程；3、便于和CAD系统集成，直接从CAD/CAM模型中提取加工所需的数据；4、可以进行复杂运动轨迹规划，能够进行碰撞和干涉检验；5、改善了编程环境等。
综上所述，本实用新型提供的成型系统，可以有效、快速、方便地利用粉末材料成型多种的形状复杂、大小的工件，并且成型精度高。
图1表示本实用新型的快速成型系统的硬件系统组成示意图，机器手1、机器手控制器2、YAG激光器3、激光工作头7、计算机5、送粉器6、送粉喷嘴4、载气8、光纤9、成型工作台10、工件11、基板12、示教盒13。
图2表示本实用新型的快速成型系统中激光工作头和送粉喷嘴工位示意图；送粉喷嘴4、激光工作头7、基板12、激光束14图3表示本实用新型的快速成型系统中成型工作台结构示意图；成型工作台10、基板12、滑动导轨15。
具体实施方式
参照附图1。六轴机器手1采用首钢莫托曼SK16型机器手，定位精度为-0.1mm-+0.1mm，机器手控制器2型号为XRC；激光器3采用HASS公司的1000WNd:YAG激光器。激光通过光纤9传输到激光工作头7。激光器3通过RS-232标准串行口与机器手控制器2相连，从而通过机器手控制器2实现系统对激光工作状态的控制。送粉器6采用JSF-1自动送粉器。该送粉器可以对多种不同材料、不同尺寸的粉末进行输送。在输送微细金属粉末时，为了避免粉末材料在输送过程中的氧化变质，采用保护气(氮气、氦气、氩气等)作为载气8。粉末通过载气8输送到送粉喷嘴4，该送粉喷嘴4为自行开发的激光加工送粉喷嘴，其特征在于采用内外双层管结构，内管送粉，内外管之间的环空间隙通载气8。目的在于提高输送粉末的利用率及工件的成型精度，同时可保护成型过程中金属成型工件不被空气氧化。上叙送粉器6通过RS-232标准串行口与机器手控制器2联接，实现系统对粉末输送状态的控制。
权利要求1.粉末材料六轴机器手激光快速成型系统，包括有存储三维快速CAD软件及切片处理软件的计算机(5)，由计算机(5)控制的激光器(3)、送粉器(6)；本发明的特征在于，该系统设置了存有示教编程软件的示教盒(13)和存有离线编程软件的计算机(5)两个输入控制设备，六轴机器手(1)及机器手控制器(2)；机器手控制器上行与计算机(5)、示教盒(13)联接，下行与激光器(3)、送粉器(6)及六轴机器手(1)联接，利用示教盒在线移动六轴机器手(1)到指定位置，利用计算机控制六轴机器手(1)在快速成型过程中的运动。
2.根据权利要求1所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统，其特征在于，所述的六轴机器手(1)的机械结构为公知的6自由度垂直多关节型，六轴机器手(1)手臂夹持激光工作头(7)及送粉喷嘴(4)在成型工作台(10)表面上实现各种复杂运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统，其特征在于，所述的激光器(3)采用Nd:YAG固体激光器，所述的送粉器(6)采用公知的自动粉末输送器。
4.根据权利要求1所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统，其特征在于，所述的成型工作台(10)表面安装有对工作台表面的基板(12)水平固定的滑动导轨(15)，工件(11)成型过程结束后，以切割方式将成型工件(11)与基板(12)分离。
5.根据权利要求1所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型系统，其特征在于，采用了送粉喷嘴(4)垂直送粉，激光(14)侧向照射的成型方式，激光(14)相对于送粉喷嘴(7)的侧向角度范围为30°-75°。
专利摘要粉末材料六轴机器手激光快速成型系统，用来将计算机内的三维模型直接制作成工件。包括有存储三维快速CAD软件、切片处理软件及离线编程软件的计算机(5)、由计算机(5)控制的激光器(3)及送粉器(6)、示教盒(13)、夹持激光工作头(7)和送粉喷嘴(4)的六轴机器手(1)、机器手控制器(2)及成型工作台(10)。示教盒(13)用于在线移动六轴机器手(1)，调节激光焦点位置，包含有离线编程软件的计算机(5)控制六轴机器手(1)在快速成型过程中的运动。利用本实用新型提供的成型系统，可以有效、快速、方便地利用粉末材料成型多种的形状复杂、大小的工件，并且成型精度高。
文档编号B22F3/105GK2780382SQ200420077928
公开日2006年5月17日 申请日期2004年7月16日 优先权日2004年7月16日
发明者左铁钏, 陈继民, 王颖娜, 阳建华 申请人:北京工业大学