经济型3D焊接打印平台的制作方法与工艺

文档序号:13108814
技术领域本实用新型涉及3D打印技术领域,特别是一种经济型3D焊接打印平台。

背景技术:
近年来,3D打印技术频繁出现在人们生活中,与传统工艺加工相比是一种全新的制作理念其特点是:加工速度快,制造形状任意化及制作周期短,材料利用率高;能够实现数字化,智能化,并行化;产品精度较高,具有良好的力学性能,使得3D打印在金属成形领域中的作用非常突出。而金属构件增材制造技术得以迅猛发展的技术基础是高能束流(电子束、激光束)作为特种焊接热源的技术进步;高能束流极具柔性,能量可精确控制,长焦距、可聚焦、可扫描、偏转;高能束流的柔性与CAD\/CAM技术相结合,在真空室内或惰性气体保护的环境中,向聚焦加热区填送金属丝材或铺送金属粉料,使材料逐层熔化、凝固堆积,构成了无模具的快速近净成形,或称“金属直接成形增材制造技术”。

技术实现要素:
本实用新型所要解决的问题是:提供一种经济型3D焊接打印平台,以便在经济型的条件下能实现对加工G代码的编译和金属增材制造。本实用新型的目的是这样实现的:主要由机柜、机架和控制模块、运动模块、限位模块、送丝模块、焊接模块、摆动模块、喷粉模块、桁架模块、冷却降温模块组成,所述模块均依照焊接、打印的次序安装在机架上。所述的控制模块装在机柜中,主要由工业控制计算机、运动控制卡、专用连接线缆、专用端子板组成;所述运动控制卡安装在工业控制计算机内的PCI总线卡槽中;所述专用连接线缆,其一端连接到运动控制卡的输出口,其另一端有两个接口分别接在两个专用端子板上;专用端子板中的P-N、P-P、P+N、P+P的接线端分别与步进电机驱动器上的DIR-、DIR+、PUL-、PUL+接口一一对应相连,用导线将专用端子板和运动模块的步进电机二者中的A+、A-、B+、B-四个接口一一对应连接。所述的运动控制卡,可以采用PCI1245运动控制卡。所述的运动模块,主要由步进电机、步进电机驱动器和与电机配套的导轨组成;该运动模块采用三套运动模组,分别是Z轴模组、Y轴模组、X轴模组。所述的限位模块,主要由光电传感器、5V的开关电源、第一24V的开关电源及第二24V的开关电源组成;所述光电传感器有六个,分别安装在运动模块中的Z轴模组、Y轴模组、X轴模组的行程的左、右极限位置处;所述三个开关电源都安装在机柜的电器元件安装板上。所述的送丝模块,放置在桁架模块的第一铝合金架上,该送丝模块主要由送丝装置、两路控制的继电器、第一24V开关电源组成;所述两路控制的继电器采用欧姆龙的直流24V继电器,该继电器的一个输入端连接限位模块中的第一24V开关电源上,该继电器的另一个输入端连接到控制模块的专用端子板的一个GND的接口;选择两路控制的继电器中的一路控制的继电器通过输出接口与送丝装置的电源接口相连。所述的摆动模块,装在运动模块的Z轴模组中的Z轴行程调整板上,该摆动模块主要由摆动机构和摆动机构控制箱组成。所述摆动机构控制箱,其面板上设有摆动幅值设置按钮、摆动时间间隔设置按钮、摆动到左或右终点停留时间设置按钮。所述的摆动机构,由电机、导轨、滑块、丝杠螺母副、摆动机构控制箱组成,其中的电机留有1.5-2.5m的线缆,该线缆的一端与运动模块中的步进电机相连,该线缆的另一端带有和摆动机构控制箱上配套的接头,该接头插在摆动机构控制箱后的接口。所述的喷粉模块,通过螺栓连接固定在桁架模块中的第三铝合金架背后的挡板上,该喷粉模块由喷粉执行器、焊枪或喷粉枪组成,它们之间用直径的气管相连。所述的冷却降温模块装在桁架模块中的第二铝合金架上,该冷却降温模块主要由通过橡胶软管相连的冷却台、冷却水箱、冷却控制箱、自来水管、水泵组成。本实用新型与现有技术相比具有以下的主要的优点:1.经济型3D焊接打印平台采用模块组合拼装。经济型3D焊接打印平台采用的是模块组合方式,有九个模块如:控制模块、运动模块、摆动模块、焊接模块、送丝模块、喷粉模块、限位模块、桁架模块、冷却降温模块。各模块之间电缆连接采用同轴电缆连接BNC接头可快速装拆。该平台由于采用模块化的结构思想设计比现有的3D打印装备在结构形式的组装上更快捷、方便和灵活;同时正因为是模块化的结构使得在采购器件时有更多的选择比如:焊机可以选择等离子喷焊机、等离子熔覆机等,该经济型3D焊接打印平台选用的是逆变束等离子焊机,也可以针对打印的零件材质的特点可以选用不同的焊机,比如零件材质是铜可采用铜焊机或零件材质是铝可采用铝焊机;由于实现同一焊接打印的目的可以采购不同的零部件组成模块去使用在采购时能够有效的降低成本使该平台更经济使用。以上是该平台模块化的优点。2.铝合金桁架可以根据所要打印的零件的大小进行空间上的扩展,Z轴也可以调节行程及轻量化设计。铝合金桁架由三部分(铝合金架1、铝合金架2和铝合金架3)组装而成。图2中铝合金架2的前、后端两边各钻九个的孔,孔之间的间隔为10cm在孔内安装M6的拉帽螺母,加上M6的螺栓可以把冷却台安装在不同的位置,自下向上两边第九个孔用于连接铝合金架1和铝合金架3,其他八个孔可供安装调节冷却台的位置其调节范围是0到70cm。图2中Z轴行程调整板上等距的钻有12个的沉头孔间距是10cm,在图2中的Z轴模组的滑块上相应的有M6的四个螺纹孔,通过选取Z轴行程调整板上任意相邻的四个孔和Z轴模组滑块上相应的四个螺纹孔的组合可以使Z轴在原有的60cm的行程上可有0到50cm的可调量。这些连接部分是螺栓连接装拆快捷的特点。由于Z轴行程的可调整和冷却台的可升降让打印的零件高度尺寸范围在0到120cm之间。同时图2中的Z轴行程调整板3cm厚的铝板且中部切除5cm×30cm×3cm的长方体铝料减轻Z轴行程调整板的质量从而减轻Y轴模组滑块的载重让Y轴模组中的丝杠不至于承载过重发生变形,此轻量化设计比没有此设计质量减轻6%。3.图2中锁紧块由二个M6的螺钉锁紧。锁紧块截面如图3所示,配合摆动模块中与丝杠相连的滑块(其截面和锁紧块一致)锁紧焊枪。由于送丝模块和喷粉模块相互之间具有独立性,所以当采用丝状的金属原料打印时就在焊枪上固定送丝枪其固定件结构如图4,当需要改为喷粉的送料方式时可松开图4中锁紧送丝枪的螺钉换上喷粉枪。送丝和喷粉这两种送料方式的快捷更换使得该平台比现在3D打印设备只有单一送料方式有更好的兼容性。4.图2中的冷却台采用水冷。在冷却台下方安装了直径的蛇形管,通过冷却台下方的水箱中水泵的工作使水在蛇形管中循环流动(水泵把水抽起从蛇形管的一端进入,水流过蛇形管带走冷却台上打印零件的热量在从蛇形管的另一端流出进入水箱,在由水箱中的水泵把水箱的水抽入蛇形管中依次循环流动)。这种水冷方式容易实现且成本较低。比现在一些3D打印设备采用自然冷却效率更高。附图说明图1为本实用新型的结构图。图2为本实用新型的电气接线图结构图。图3为本实用新型的锁紧块横截面图。图4为连接焊枪与喷粉枪或送丝枪的连接件(板厚为1mm,高度6mm)结构示意图。图中:1.机柜,2.显示屏,3.工业控制计算机,4.鼠标和键盘,5.电器元件安装板,6.第一铝合金架,7.逆变式微束等离子焊机,8.冷却台,9.锁紧块,10.焊枪或喷粉枪,11.摆动机构,12.第二铝合金架,13.冷却水箱,14.冷却控制箱,15.摆动机构控制箱,16.第三铝合金架,17.储存氩气的钢瓶,18.锁紧板,19.喷粉执行器,20.支架,21.导轨,22.Z轴模组,23.Z轴行程调整板,24.光电传感器,25.Y轴模组,26.X轴模组,27.送丝装置,28.断路器,29.接线端子,30.运动控制卡,31.专用连接线缆,32.专用端子板,33.两路控制的继电器,34.步进电机驱动器,35.5V的开关电源,36.第一24V的开关电源,37.第二24V的开关电源,38.步进电机,39.挡板,40.连接件。具体实施方式本实用新型考虑到现有的激光作为热源的3D打印其激光器寿命较短、成本较高的缺点设计了一种以电子束作为热源的经济型3D焊接打印平台。该平台采用的是电子束熔化成形技术。同时经济型3D焊接打印平台也主要针对国内新兴的熔焊3D打印的运动控制部分和送丝进给部分设计的一个综合性的运动控制平台。该平台主要包括的功能有如下几个方面:G-code文件的解析;X、Y、Z轴的精确控制;模拟加工;单步加工;送丝装置和等离子焊机的控制。该经济型3D焊接打印平台主要控制模块、运动模块、限位模块、送丝模块、焊接模块、摆动模块、喷粉模块、桁架模块、冷却降温模块组成。其中图2机柜中有一个19寸的显示屏17、一个研华工业控制计算机(安装了研华PCI—1245L运动控制卡)、一套鼠标和键盘以及一块电器元件安装板(步进电机驱动器、开关电源、端子板、继电器、短路器、接线端子)。采用的研华PCI-1245L型号的运动控制卡提供了四轴控制,设计3D焊接打印平台选取了运动控制卡中的0轴、1轴和3轴对应到平台实际运动的是Z轴、X轴和Y轴。通过运动控制卡发送信号,进过端子板传输给X、Y、Z三轴对应的ASD880R型号的驱动器,在由各轴驱动器驱动使得安装在Z轴上的焊枪能够实现三维的空间运动。使用的ASD880R型号的驱动器在驱动步进电机时,采用的是脉冲\/方向的驱动方式。在三个运动轴的左边、右边的极限位置各安装了光电传感器,当轴运动到极限位置时遮挡光电传感器这时由有光变为无关发给运动控制卡信号进而运动控制卡控制各轴停止运动。一方面这是起到限位的作用,另一方面也可以设定原点位置让各轴回到其设定的原点位置(极限位置)。逆变式微束等离子焊机和CO2\/MAG送丝装置的控制采用的是数字量的输入、输出。通过上位机发送指令来控制继电器的开启和关闭,进而控制等离子焊机和送丝装置的启停。在控制等离子焊机时要保持焊机维持在维弧状态下,继电器控制的是主弧的启停。下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的说明,但不限定本实用新型。本实用新型提供的经济型3D焊接打印平台,设置了易装拆的固定件和接口在打印原材料的种类有较好的兼容性,其结构如图1所示,主要由控制模块、运动模块、限位模块、送丝模块、焊接模块、摆动模块、喷粉模块、桁架模块、冷却降温模块组成,这些模块依照焊接、打印的次序安装在打印平台的机架上。所述的控制模块,装在图1中的机柜1中,用于根据运动控制卡的指令控制X、Y、Z三个坐标轴的运动,该模块主要由图1中的工业控制计算机3、运动控制卡30、专用连接线缆31、专用端子板32、步进电机38、步进电机驱动器34组成,其中:运动控制卡30采用PCI1245L运动控制卡,安装在工业控制计算机3内的PCI总线卡槽中。专用连接线缆31中,其一端连接到运动控制卡的输出口,其另一端有两个接口分别接在两个专用端子板32上。专用端子板32中的P-N、P-P、P+N、P+P的接线端分别与步进电机驱动器34上的DIR-、DIR+、PUL-、PUL+接口一一对应相连,用导线把步进电机38和专业端子板32二者中的A+、A-、B+、B-四个接口一一对应连接。所述专用连接线缆31可以采用一根100针转两组50针屏蔽电缆。所述专用端子板32可以采用ADAM-3955端子板。所述的运动模块,装在图1中铝合金桁架上,用于提供X、Y、Z三个坐标轴运动所需的动力和方向,该模块主要由步进电机38和与电机配套的导轨组成。该运动模块采用三套运动模组。所述的限位模块,装在图1中X\/Y\/Z模组上行程的左、右极限处,用于限定各轴的极限位置,该模块主要由图2中的光电传感器24、5V的开关电源35、第一24V的开关电源36及第二24V的开关电源37组成,其中:光电传感器24有六个,分别安装在图1中X\/Y\/Z模组上行程的左、右极限位置。所述三个开关电源都安装在机柜1的电器元件安装板5上。所述的送丝模块,放置在图1中第一铝合金架6上,用于给焊接打印输送打印材料。该送丝模块主要由图2中的工业控制计算机3、运动控制卡30、专用连接线缆31、专用端子板32、送丝装置27、两路控制的继电器33、24V开关电源36组成,其中:两路控制的继电器33采用欧姆龙的直流24V继电器,该继电器的一个输入端连接第一24V开关电源36上,该继电器的另一个输入端连接到专用端子板32的一个GND的接口;选择两路控制的继电器33中的一路控制的继电器通过输出接口与送丝装置27的电源接口相连。第二24V的开关电源37与两个步进电机驱动器34、两个光电传感器24相连。所述的送丝装置27为现有设备,例如可以采用CO2\/MAG送丝装置,具有进丝、退丝、进丝速度、退丝速度功能,用于给焊接打印输送打印材料。所述的焊接模块,装在图1中第一铝合金架6上,用于把送丝装置输送过来的材料熔化焊接,该焊接模块主要由图2中的工业控制计算机3、运动控制卡30、专用连接线缆31、专用端子板32、逆变式微束等离子焊机7、两路控制的继电器33、24V开关电源36组成,其中:两路控制的继电器33中,选择两路控制的继电器33中的一路控制的继电器通过输出接口与送丝装置27的电源接口相连。上述的运动控制卡30,可以采用PCI1245运动控制卡,用于控制X、Y、Z三个坐标轴运动。上述的专用端子板32,可以采用与PCI1245配套的专用端子板,用于把PCI1245的信号分种类输出。上述的逆变式微束等离子焊机7为现有设备,例如可以采用三力易胜LHM—50精密微束等离子弧焊机,其装在图1中的第一铝合金架6中。上述的步进电机驱动器12,装在图1中的电器元件安装板5上,用于驱动步进电机,可以采用ASD880R型号的驱动器。所述的摆动模块装在图1中的Z轴行程调整板23上,用于微调焊枪的位置,该模块主要由图1中的摆动机构11和摆动机构控制箱15组成。摆动机构11中的电机留有2m左右的线缆,该线缆的一端连接步进电机38,另一端带有和摆动机构控制箱上配套的接头,该接头插在摆动机构控制箱后的接口。Z轴行程调整板23装在Z轴模组22内,Z轴模组22通过螺栓连接使其固定在Y模组25的滑块上。Y轴模组25,其左端通过X轴模组26与第一铝合金架6相连,其右端通过支架20与第三铝合金架16相连。上述的摆动机构控制箱15,其面板上设有摆动幅值设置按钮、摆动时间间隔设置按钮、摆动到左或右终点停留时间设置按钮,可以采用CO2\/MAG送丝装置。上述的摆动机构11,装在Z轴行程调整板23的下端,由锁紧块9、导轨、电机、滑块组成,其中:导轨用螺栓固定在Z轴行程调整板23的下端,电机固定在导轨的右端面,锁紧块9通过螺栓把焊枪固定在滑块上。锁紧块9是一种具有V形缺口的铁块,用于锁紧焊枪。在Z轴行程调整板23的下端,还通过连接件40把喷粉模块连接在一起。所述的连接件40,由M3的螺栓和螺母、圆形钢圈组成,其中:螺栓穿过圆形钢圈Φ4的孔,然后通过螺栓和螺母的拎紧或松开来调节左、右两个圆圈的大小来夹紧焊枪和送丝嘴(喷粉枪)。所述的喷粉模块装在图1中第三铝合金架16后的挡板39上,用于焊接时输送粉状材料,该模块由图1中的喷粉执行器19、焊枪或喷粉枪10组成,它们之间用直径的气管相连。所述的桁架模块,主要由图1中的挡板39、以及通过连接板和螺栓依次相连的第一铝合金架6、第二铝合金架12、第三铝合金架16组成。挡板39装在第一铝合金架6和第三铝合金架16后端面上,用于安装喷粉模块。所述的冷却降温模块装在第二铝合金架12上,用于降温。该模块主要由通过橡胶软管相连的冷却台8、冷却水箱13、冷却控制箱15、自来水管、水泵组成。橡胶软管的直径是本实用新型提供的经济型3D焊接打印平台(简称打印平台),与工业控制计算机3配合,实现以下工作过程:第一步接通电源,启动工业控制计算机,其位于机柜1中的显示屏2设有打印平台人机交流界面,该界面显示有加载板卡、加载文件、回原点、送丝装置和等离子焊机启动、加工、停止加工、单步加工的按钮。然后通过鼠标和键盘4点击加载板卡按钮即PCI1245运动控制卡,接着点击回原点按钮,使运动控制卡发送信号,该信号通过连接PCI1245和端子板的专用连接线到端子板之后再传递给步进电机驱动器,在由该驱动器发出直接控制步进电机的信号使得各轴(X、Y、Z轴)运动,这时就由光电传感器检测各轴是否运动到规定的零点,若各轴运动到零点时光电传感器就被遮挡由有光变为无光发出低平电压信号给运动控制卡,运动控制卡发出停止信号,此时X、Y、Z三轴的步进电机接收信号停止运动完成了平台回原点的过程。在回原点按钮正下方有一个停止回原点的按钮,此按钮的作用是在回原点的过程中如果发现有异常情况可以点击停止回原点按钮使X、Y、Z轴停止运动,当异常情况被排除之后再点击回原点按钮,则X、Y、Z轴就能够接着之前停止的位置继续回原点运动。第二步是加载加工文件。此文件是之前设计好的三维图形导入工业控制计算机3中。在人机界面中找到加载文件图标点击加载想要加工的G-code文件,以完成加载加工文件的操作。第三步是打开送丝装置和等离子焊机。点击人机界面中送丝装置及等离子焊机启停模块中的开始按钮,运动控制卡发出数字信号控制继电器开启,使送丝装置开启、等离子焊机主弧开启,于是就完成了送丝装置和等离子焊机的启动。第四步是进行加工。找到人机界面中的加工按钮点击启动,这时工业控制计算机就开始解析加载的G-code文件,并且将解析后得到的一些参数转换为脉冲发给步进电机。解析一行运动控制卡就发一次信号,在发信号前会检测上一次所发的信号步进电机是否执行完毕,若没有执行完毕就需要等待。安装在Z轴前端的焊枪或喷粉枪10就会在送丝装置进行送丝和电弧熔化焊丝下沿预定轨迹运动,最后会一层一层焊接打印出三维图形。在加工过程中有什么问题时可以点击停止加工按钮使加工停止,当问题解决后想接着加工就可以再点击一次加工按钮,于是就接着上次停止加工的位置继续加工。单步加工过程是一个辅助模块。当需要了解焊机的焊枪在焊接打印时轴的运行速度和送丝的速度对焊接打印的表面质量的关系,就可以启动单步加工。当需要观察3D焊接打印平台在焊接打印每一层是如何运动的时候,也可以启动单步加工过程。单步加工过程也需要加工之前的板卡加载、文件加载、送丝装置和等离子焊机开启的操作,只是把模拟加工用单步加工代替,即点击一下工业控制计算机人机界面中的单步加工按钮,此时运动控制卡只读取、识别一行G-code文件,然后把这一行G-code文件数据中X\/Y\/Z后的数字提取出来乘以脉冲当量得到的结果为步进电机38运动所需的脉冲数。执行完点击时读取的那一行G-code文件数据后会停止加工,再点击一下单步加工才会依次加工下去,直至加工结束。...
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