用于金属增材制造的自动补丝装置及其方法与流程

本发明属于金属增材制造领域，尤其涉及一种金属增材制造中自动补丝过程。

背景技术：

金属直接沉积增材制造技术是指在惰性气氛或真空环境中，利用热源(如激光、电子束、电弧等)熔化送进的金属材料，按照预先规划的路径层层堆积以制备金属零件的技术。在金属直接沉积增材制造技术中，激光或电弧增材设备为了维持惰性气体环境，需要密闭的惰性气体保护舱，电子束增材设备则需要真空室。

目前，在金属直接沉积增材制造技术中，送进的原材料形式主要有粉末与丝材。当使用丝材作为原材料时，丝材通常需要缠绕在卷轴上，在进行零件加工前，储丝卷轴会预先放入工作舱中装配好。丝卷重量一般较小，专用的卷轴可以大些，如美国Sicaky公司电子束熔丝成形丝卷储丝重量可以达到几十公斤。但是，加工大型零件时，所需要的原材料往往很多，需要不断补充丝材。

现有技术中，熔丝增材制造设备大多采用打开密闭舱门补充丝材的办法。而该方法中，真空电子束熔丝设备开舱门补料的时间约为6小时以上，其中包含了零件冷却、放气、补丝、抽真空的时间；电弧或激光熔丝成形需要释放密闭舱中的惰性气体、补丝、重新洗气以达到工作环境和压力，时间约为20个小时。在进行大型零件的加工时，零件重量达到数个至数十个丝盘重量，采用开舱门补充材料将导致效率低下；同时由于换丝时气氛舱室调整的时间较长，在制造零件时温度将降低，容易出现前后换丝衔接处的零件质量问题，由此将增加后续零件的处理难度，大大增加工作时间及成本。另外也有将储丝装置放在工作舱外部以方便补充丝材的办法，这种方法需要将丝材穿过工作舱壁，不利于维持工作舱环境的纯净。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于金属增材制造的自动补丝装置及其方法，本发明将多个储丝单元置于工作舱中，通过自动上丝，可以连续更换用尽的丝卷，无需破坏保护气氛，提高了补丝效率，缩短了换丝时间。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于金属增材制造的自动补丝装置，包括可用于进行金属增材制造的工作舱，工作舱内的底部安置有料架，料架上设置有多个存储有丝盘的储丝单元，料架的侧部设置有可更换储丝单元的换丝单元，换丝单元与料架之间设置有可运送储丝单元的搬运单元，工作舱内部还设置有可为加工头提供金属丝的送丝单元；补丝时，搬运单元将用尽金属丝的储丝单元从换丝单元运送至料架上，并从料架上将可替换的储丝单元运送至换丝单元上，在送丝单元的作用下为加工头提供金属丝。

作为本发明的进一步优化，储丝单元包括内设丝盘的机箱罩，丝盘的一侧设置有可夹持丝盘自由端金属丝的第一进丝导嘴，第一进丝导嘴固定设置于机箱罩内壁；第一进丝导嘴的金属丝伸出侧设置有可夹持金属丝的夹头组件，机箱罩外侧对应于夹头组件位置处设置有可导出夹头组件中伸出金属丝的第一出丝导嘴，第一出丝导嘴外连送丝单元的进丝端。

作为本发明的进一步优化，夹头组件包括电磁铁和与电磁铁间隔设置的弹性部，电磁铁具有电磁铁固定端和电磁铁活动端，电磁铁固定端固定于机箱罩内侧壁上，电磁铁活动端在不通电状态下伸出电磁铁固定端与弹性部接触以夹持金属丝；弹性部包括固定于机箱罩内侧壁上的固定端，固定端上安装有第一弹簧，第一弹簧的自由端安装有活动端，活动端的一侧设置有可调节第一弹簧伸缩长度的手柄；电磁铁通电状态下，电磁铁活动端与弹性部的活动端之间形成可通过金属丝的丝材间隙。

作为本发明的进一步优化，电磁铁活动端的底部间隔突出有多个凸起，弹性部的活动端顶部对应于凸起设置有多个辊轮，凸起与辊轮接触时夹持金属丝。

作为本发明的进一步优化，机箱罩的一侧侧壁为刚性板状的机架，机箱罩内的丝盘安装于芯轴上，芯轴的一端安装有可固定丝盘的螺母，芯轴的另一端伸出机架外部，该侧的芯轴端部安装有第一齿轮，机架的外侧面上设置有可与第一齿轮啮合与分离的离合器。

作为本发明的进一步优化，离合器包括固定设置于机架外侧面上的第一导向块和第二导向块，第一导向块和第二导向块上下间隔设置，第一导向块与第二导向块的一侧设置有固定于机架外侧面上的弹簧保持座，弹簧保持座上安装有第二弹簧，第二弹簧的自由端安装有可在第一导向块和第二导向块上滑行的滑块，滑块的端部为可与第一齿轮相啮合的轮齿。

作为本发明的进一步优化，换丝单元包括安装于工作舱内部侧壁上的安装座，安装座上设置有底板，底板上安装有可在底板上往复运动的滑台，滑台上可安装储丝单元，滑台的一端安装有可驱动滑台往复运动的电动缸，底板上设置有可供滑台往复运动的导轨。

作为本发明的进一步优化，滑台的两端端部设置可对储丝单元进行限位和固定的限位块，滑台上设置有可在需更换丝材时抽出深入加工头内部金属丝的回绕单元；回绕单元包括安装于滑台上的底座，底座上设置有导向块，导向块上配合设置有活动安装座，活动安装座的一端设置有可驱动活动安装座在导向块上运动的气缸；活动安装座上设置有可与第一齿轮相啮合的第二齿轮，第二齿轮的中心轴连接有可驱动第二齿轮转动的第二电机。

作为本发明的进一步优化，送丝单元包括第二进丝导嘴和第二出丝导嘴，第二进丝导嘴和第二出丝导嘴之间设置有第一辊轮对和第二辊轮对，第一辊轮对和第二辊轮对的侧部设置有可驱动辊轮对运动的第一电机；第二辊轮对的上端设置有可感知金属丝的位移传感器。

一种用于金属增材制造的自动补丝方法，使用上述自动补丝装置，包括以下步骤：

取下待用尽的储丝单元：

送丝单元反向运动，加工头中的剩丝通过送丝单元返回储丝单元；同时，回绕单元带动丝盘旋转，将剩丝回缠到丝盘上；当剩丝经过第二辊轮时，位移传感器发出信号；送丝单元停止转动，同时夹头组件电磁铁上电，将金属丝夹紧；接着，回绕单元的气缸杆部回抽，使第二齿轮与第一齿轮脱离，同步地，离合器对第一齿轮制动；换丝单元带动储丝单元向远离送丝单元的方向运动预定距离，使剩丝从送丝单元中完全脱离；搬运单元抓取换丝单元上的储丝单元，将其放置在料架上预定的位置上；

更换新的储丝单元：

搬运单元抓取料架上的储丝单元，将其放置在换丝单元的滑台上并固定；启动回绕单元中的气缸，使第二齿轮与第一齿轮啮合，同步地，离合器对第一齿轮解除制动；换丝单元中的电缸带动储丝单元向送丝单元的方向运动预定距离，使丝端伸出部分进入送丝单元；当丝端伸出部份通过第二辊轮时，位移传感器发出信号；同时夹头组件电磁铁断电，解除金属丝夹紧状态；送丝单元正向运动，将金属丝送入加工头，直至从加工头穿出。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的自动补丝装置，将多个储丝单元置于工作舱中，通过自动上丝，可以连续更换用尽的丝卷，无需破坏保护气氛，提高了补丝效率，缩短了换丝时间；

2、本发明的自动补丝装置，因其换丝过程均在工作舱内进行，工作舱上无需开孔，因此工作舱中气氛更容易维持纯净状态，提高了加工质量；

3、本发明适用范围广，可适用于熔化丝材沉积成形的金属直接增材制造技术，包括电子束、激光、电弧、等离子弧熔丝沉积技术等。

附图说明

图1为本发明自动补丝装置的示意图；

图2为图1中储丝单元的主视图；

图3为图1中储丝单元的俯视图；

图4为图1中储丝单元的后视图；

图5为夹头组件的结构示意图；

图6为送丝单元与换丝单元的原理示意主视图；

图7为送丝单元与换丝单元的原理示意俯视图；

图8为离合器与回绕单元的第一原理示意图；

图9为离合器与回绕单元的第二原理示意图。

以上各图中：1、工作舱；2、料架；3、搬运单元；4、储丝单元；5、加工头；6、送丝单元；7、换丝单元；8、机箱罩；9、搬运接口；10、夹头组件；11、第一出丝导嘴；12、丝端伸出部分；13、受电插头；14、螺母；15、丝盘；16、金属丝；17、机架；18；轴承；19、芯轴；20、第一齿轮；21、离合器；22、第一弹簧；23、手柄；24、第一进丝导嘴；25、电磁铁活动端；26、电磁铁固定端；27、辊轮；28、活动端；29、固定端；30、安装座；31、底板；32、导轨；33、电动缸；34、滑台；35、限位块；36、回绕单元；37、第二进丝导嘴；38、第一电机；39、位移传感器；40、第二出丝导嘴；41、第一辊轮对；42、第二辊轮对、43、供电插孔；44、第一导向块；45、弹簧保持座；46、第二弹簧；47、第二导向块；48、滑块；49、活动安装座；50、导向块；51、底座；52、气缸；53、第二电机；54、第二齿轮。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1，是本发明自动补丝装置的示意图。如图1所示，本发明用于金属增材制造的自动补丝装置，包括可用于进行金属增材制造的工作舱1，该工作舱1为密闭的舱室，可以为真空环境，也可以为常压惰性气体环境，其内还设置有金属增材制造中不可获缺的运动机构、工作台等公知内容，因其不属于本发明中重点保护的自动换丝的发明构思，因此在附图1中将该部分省略，但是需要说明的是，该部分是整个金属增材制造技术中不可获缺的。工作舱1内的底部安置有料架2，该料架2可根据工作舱的大小设定，不局限于长度与大小。料架2上设置有多个存储有丝盘15的储丝单元4，储丝单元4间隔设置于料架上，以便于取放，且在通常情况下，每个储丝单元的放置位置为固定且精准的放置。丝盘15上可缠绕金属丝16，料架2的侧部设置有可更换储丝单元4的换丝单元7，换丝单元7与料架2之间设置有可运送储丝单元4的搬运单元3，搬运单元3外连控制器，并在控制器的控制下搬送储丝单元，工作舱1内部还设置有可为加工头5提供金属丝的送丝单元6；补丝时，控制器控制搬运单元工作，搬运单元将用尽金属丝的储丝单元从换丝单元运送至料架上，并从料架上将可替换的储丝单元运送至换丝单元上，在送丝单元的作用下为加工头提供金属丝。

上述中，换丝机构7的作用是将储丝单元4与送丝机构6对接或脱离，送丝单元6的作用是对金属丝施加轴向力，驱动其送进或反向运动，送丝单元6固定在换丝单元7上。同时，需要进一步说明的是，料架与储丝单元之间设置定位装置，该定位装置可为简单的锥孔与锥体的配合，可为凹陷与凸起的配合，也可为感应器的精准定位卡合，在此对其配合不做具体限定，只要保证储丝单元在料架上维持相对稳定即可。上述的搬运单元可为现有中常用的工业机器人、自动搬运机床等结构。

进一步参见图2和图5，如图所示，储丝单元4包括内设丝盘15的机箱罩8，机箱罩8为塑料或薄钢板结构，其上安装有搬运接口9，可以与搬运单元3对接，以固定并移动；底部设置有受电插头13，便于电源的连接。丝盘15的一侧设置有可夹持丝盘自由端金属丝的第一进丝导嘴24，第一进丝导嘴24固定设置于机箱罩8内壁；第一进丝导嘴24的金属丝伸出侧设置有可夹持金属丝的夹头组件10，机箱罩8外侧对应于夹头组件位置处设置有可导出夹头组件中伸出金属丝的第一出丝导嘴11，第一出丝导嘴11外连送丝单元的进丝端。

继续参见图5，夹头组件10包括电磁铁和与电磁铁间隔设置的弹性部，电磁铁具有电磁铁固定端26和电磁铁活动端25，电磁铁固定端26固定于机箱罩内侧壁上，电磁铁活动端25在不通电状态下伸出电磁铁固定端26与弹性部接触以夹持金属丝；弹性部包括固定于机箱罩内侧壁上的固定端29，固定端29上安装有第一弹簧22，第一弹簧22的自由端安装有活动端28，活动端28的一侧设置有可调节第一弹簧伸缩长度的手柄23；电磁铁通电状态下，电磁铁活动端25与弹性部的活动端28之间形成可通过金属丝的丝材间隙。

另外，上述电磁铁活动端25的底部间隔突出有多个凸起，便于增大摩擦力，夹紧金属丝；弹性部的活动端28顶部对应于凸起设置有多个辊轮27，凸起与辊轮接触时夹持金属丝。电磁铁活动端25未通电时为伸出状态，即端部有向下的作用力；弹性部常态下在弹簧弹力作用下，活动端有向上的弹性力，两个力作用在金属丝上，将其夹紧，防止松脱。

上述中，夹头组件的具体工作如下：当装入金属丝时，拉下手柄23，将金属丝引入夹头组件10中间并穿过第一出丝导嘴11，使丝端伸出部分12的长度预留一段长度，松开手柄23，将金属丝夹紧，当需要进行送丝动作时，电磁铁通电，电磁铁活动端25向上收缩，金属丝在送丝机牵引下，自由送进；当不需要丝材运动时，电磁铁断电，电磁铁活动端25向下弹出，再次将丝材夹紧。

继续参见图2-图4，机箱罩8的一侧侧壁为刚性板状的机架17，机箱罩8内的丝盘15安装于芯轴19上，机架上安装有轴承18，芯轴19穿过轴承18，其中芯轴19的一端安装有可固定丝盘的螺母14，芯轴19的另一端(即安装有轴承的一端)伸出机架17外部，该侧的芯轴端部安装有第一齿轮20，机架17的外侧面上设置有可与第一齿轮20啮合与分离的离合器21。丝盘15为常用的工字轮，其上缠绕金属丝16，丝盘15安装在芯轴19上，螺母14旋紧时，与芯轴19上的轴肩一起将丝盘15夹紧，防止其与芯轴产生相对转动，进一步的，为了防止丝盘15与芯轴19产生相对转动，丝盘上还开设有销孔，芯轴19上对应于销孔设有固定的销钉，安装丝盘时，需要将销孔对准销钉方可安装到位。金属丝16的端部从丝盘15上引出后，通过导丝嘴24进入夹头组件10，然后由出丝导嘴11引出。

参见图8，如图8所示，上述离合器21包括固定设置于机架外侧面上的第一导向块44和第二导向块47，第一导向块44和第二导向块47上下间隔设置，第一导向块与第二导向块的一侧设置有固定于机架外侧面上的弹簧保持座45，弹簧保持座45上安装有第二弹簧46，第二弹簧46的自由端安装有可在第一导向块和第二导向块上滑行的滑块48，第二弹簧46提供弹性力，使得滑块48向右运动。滑块48的端部为可与第一齿轮20相啮合的轮齿，以避免丝盘15的自由转动。

进一步参见图8和图9，当储丝单元4未被安装上换丝单元7时，离合器21对第一齿轮制动；回绕单元36上的第二齿轮54在气缸52作用下，处于靠右侧位置，为储丝单元4的安装留出空间；当储丝单元4被安装上换丝单元7后，气缸52推动活动安装座49并带动第二齿轮54向左运动，与第一齿轮20啮合；同时，活动安装座49还将滑块48向左顶，使其脱离第一齿轮20，解除制动。此时，第二齿轮与电机的摩擦阻力对丝盘15起到阻尼作用，仍可以防止其随意转动，避免金属丝16散开。

参见图6-图9，如图所示，换丝单元7包括安装于工作舱内部侧壁上的安装座30，安装座30上设置有底板31，底板31上安装有可在底板上往复运动的滑台34，滑台34上可安装储丝单元4，滑台34的一端安装有可驱动滑台往复运动的电动缸33，底板上设置有可供滑台往复运动的导轨32。滑台34的两端端部设置可对储丝单元进行限位和固定的限位块35，滑台34上设置有可在需更换丝材时抽出深入加工头内部金属丝的回绕单元36；回绕单元36包括安装于滑台34上的底座51，底座51上设置有导向块50，导向块50上配合设置有活动安装座49，活动安装座49的一端设置有可驱动活动安装座在导向块上运动的气缸52；活动安装座49上设置有可与第一齿轮20相啮合的第二齿轮54，第二齿轮54的中心轴连接有可驱动第二齿轮转动的第二电机53。

上述送丝单元7包括第二进丝导嘴37和第二出丝导嘴40，第二进丝导嘴37和第二出丝导嘴40之间设置有第一辊轮对41和第二辊轮对42，第一辊轮对41和第二辊轮对42的侧部设置有可驱动辊轮对运动的第一电机38；第二辊轮对42的上端设置有可感知金属丝的位移传感器39，位移传感器39外连机床控制系统，以将感知信号传送至机床控制系统。送丝单元7上还设置有供电插孔43，便于外部电源的连接。

另外，在本发明中，定义送丝单元6上的第一进丝导嘴37入口至第二辊轮42中心之间的距离为L1，换丝单元的电缸33推动滑台35并带动其上的储丝单元4向送丝单元6方向作直线运动，距离为L0，此时定义储丝单元4上的第一出丝导嘴11出口至第二出丝导嘴40入口之间的距离为L2。则为了保证换丝顺利进行，则需满足：L1＜L0＜L2；同时，L2为储丝单元预装丝材时，丝端的伸出部分12的长度。

本发明同时还提供了一种用于金属增材制造的自动补丝方法，使用上述的自动补丝装置，包括以下步骤：

取下待用尽的储丝单元：

送丝单元反向运动，加工头中的剩丝通过送丝单元返回储丝单元；同时，回绕单元带动丝盘旋转，将剩丝回缠到丝盘上；当剩丝经过第二辊轮时，位移传感器向控制器发出信号；控制器控制送丝单元停止转动，同时夹头组件电磁铁上电，将金属丝夹紧；接着，回绕单元的气缸杆部回抽，使第二齿轮与第一齿轮脱离，同步地，离合器对第一齿轮制动；换丝单元带动储丝单元向远离送丝单元的方向运动预定距离，使剩丝从送丝单元中完全脱离；搬运单元抓取换丝单元上的储丝单元，将其放置在料架上预定的位置上；

更换新的储丝单元：

搬运单元抓取料架上的储丝单元，将其放置在换丝单元的滑台上并固定；启动回绕单元中的气缸，使第二齿轮与第一齿轮啮合，同步地，离合器对第一齿轮解除制动；换丝单元中的电缸带动储丝单元向送丝单元的方向运动预定距离，使丝端伸出部分进入送丝单元；当丝端伸出部份通过第二辊轮时，位移传感器向控制器发出信号；同时夹头组件电磁铁断电，解除金属丝夹紧状态；送丝单元正向运动，将金属丝送入加工头，直至从加工头穿出。

通过以上步骤，完成了金属丝材的补充和更换。

在进行零件加工时，可以根据零件毛坯的重量，在料架上预先放置足够的储丝单元。

本发明的补充丝材的方法完全自动操作，无需破坏工作舱气氛，可以大大提高换丝效率；同时，工作舱上无需开孔，因此工作舱气氛更容易维持纯净状态，同时为全自动操作，可以节省人力，提高效率。