一种旋转激光熔覆头及激光熔覆设备的制作方法

1.本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种旋转激光熔覆头及激光熔覆设备。


背景技术：

2.现有技术中，增材制造技术不仅可以应用于零件的制造，还用应用于零件的修补与再制造。针对锥类不规则形状大型零件的表面修复和零件再制造，零件中很多复杂的缺陷位置使用垂直的激光无法完成高效的熔覆。一般需将零件转动，但转动零件对于部分零件而言不易固定和定位，因此，激光熔覆的精度低，熔覆效果不理想，导致熔覆效率降低。不仅如此，零件中存在多个需要修复或再制造的打印区域，不可以一次性熔覆，需来回拆卸零件，激光较难发射到想要的打印区域，激光熔覆定位精度低，有可能出现无法成形和塌陷等问题。
3.基于上述原因，在锥类不规则形状零件的表面修复和零件再制造中，常发生激光光斑不垂直零件表面导致的激光熔覆内部产生效率低下等问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种旋转激光熔覆头及激光熔覆设备，以解决锥类等不规则形状零件在激光熔覆时激光光斑不垂直导致的激光熔覆效率低和内部质量缺陷等问题。
5.第一方面，本实用新型提供一种旋转激光熔覆头，包括固定座、转动机构以及激光熔覆头，转动机构铰接在固定座上，激光熔覆头与转动机构动力连接，转动机构的铰接轴线与转动机构的转动轴线相交，转动机构的铰接轴线为转动机构与固定座铰接的铰接轴轴线。
6.与现有技术相比，在本实用新型提供的旋转激光熔覆头中，转动机构铰接在固定座上，激光熔覆头与转动机构动力连接。基于此，可以利用转动机构控制激光熔覆头转动，调整激光熔覆头的激光发射方向，也可以利用转动机构相对于固定座转动，调整激光熔覆头的激光发射方向。同时，由于转动机构的铰接轴线与转动机构的转动轴线相交，因此，利用转动机构可以在两个方向上调整激光熔覆头的激光发射方向。
7.由上可见，当激光熔覆头发射的激光照射在零件上的角度不符合要求(垂直)的情况下，可以利用转动机构可以在两个方向上调整激光熔覆头的激光发射方向。通过旋转激光熔覆头使得激光光斑与零件表面的倾斜角度减小并趋向于垂直，从而提高激光熔覆效率。
8.第二方面，本实用新型还提供一种激光熔覆设备，包括上述技术方案的旋转激光熔覆头。
9.与现有技术相比，本实用新型提供的激光熔覆设备的有益效果与上述技术方案所述旋转激光熔覆头的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
10.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
11.图1a至图1c为现有技术中零件再制造在三种姿态的示意图；
12.图2、图4以及图5为本实用新型实施例提供的一种旋转激光熔覆头的结构示意图；
13.图3a与图3b为本实用新型实施例提供的一种旋转激光熔覆头在两种姿态的示意图；
14.图6a与图6b为本实用新型实施例提供的旋转激光熔覆头的俯视图的结构示意图；
15.图7为本实用新型实施例提供的旋转激光熔覆头的主视图的结构示意图；
16.图8为本实用新型实施例还提供一种激光熔覆设备的结构示意图。
17.附图标记：
[0018]1‑
零件，2
‑
激光熔覆头，3
‑
基材，4
‑
固定座，5
‑
转动机构，51
‑
安装件，6
‑ꢀ
转动驱动件，7
‑
可控连接轴，8
‑
传感器，9
‑
控制器。
具体实施方式
[0019]
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0020]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
[0021]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
[0022]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
[0023]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0024]
针对锥类不规则形状大型零件的表面修复和零件再制造，零件中很多复杂的缺陷位置使用垂直的激光头无法进行直接照射。发生上述情况时，需将零件转动，但转动零件对于部分零件来说不易固定、不易定位。通过这种方式进行表面熔覆，由于零件不容易固定，
且每次零件装卸不容易定位，激光不容易照射到指定位置，导致熔覆效率降低。零件中具有多个需要熔覆的位置，不可以一次性熔覆，需来回拆卸零件，激光熔覆定位精度低，有可能出现无法成形和塌陷等问题。因此，在锥类不规则形状零件的表面修复和零件再制造中，常发生激光光斑不垂直导致的激光熔覆效率低的问题。
[0025]
其次，在锥形零件的再制造过程中，激光光斑与零件表面的角度越大，垂直光斑落在零件表面的光斑长度就越长，导致激光功率的分散，严重可导致无法成形和塌陷等问题。因此上述激光熔覆情况需要比光斑和零件表面垂直的情况下使用更大的激光功率。那么就需要调整设备成型时的参数，导致耗费更大的人力以及物力去做参数试验。不仅增加了零件成型周期，还增加了零件的成本，并且大功率的激光器市面上不多，增大功率有时候未必能达到所需要的要求。为了便于理解，以下零件的角度进行举例说明：
[0026]
图1a至图1c示例出现有技术中零件1再制造在三种姿态的过程示意图。如图1a至图1c所示，零件1的表面与激光熔覆头2发射的激光光斑之间的夹角为θ，当夹角θ为90
°
时，激光熔覆效率最高。
[0027]
如图1a所示，现有对上述零件1的再制造过程中，零件1放在基材3上，零件1的表面与激光的夹角θ很大，激光的熔覆效率低。
[0028]
如图1b所示，现有技术的一种解决方式是将零件1自身转动。转动零件1 后，虽然夹角θ能够减少，但是零件1在基材3上不易固定也不易定位，激光照射的精度不足，操作不便，费时费力。
[0029]
如图1c所示，另一种解决方式是通过转动零件1下的基材3，从而改变夹角θ，以提高激光的熔覆效率。虽然基材3可以进行z轴转动，其转动过程较为稳定，但是基材3在x轴与y轴方向上转动的时候，一方面零件1难以固定，针对不同零件需要增加相应的固定夹具。另一方面基材3转动的角度有限，并不能将夹角θ调节至合适角度。
[0030]
因此，在针对上述零件1的再制造过程，便出现了上述不规则形状零件在激光熔覆时激光光斑不垂直导致的激光熔覆效率低的问题。
[0031]
本实用新型实施例提供了一种激光熔覆设备，包括旋转激光熔覆头。旋转激光熔覆头用于在基材上打印零件或者对零件进行再制造。
[0032]
为了自动化激光熔覆，激光熔覆设备还可以包括控制器与运动平台，控制器与旋转激光熔覆头以及运动平台分别电连接，控制器控制运动平台将旋转激光熔覆头移动至指定位置，随后控制旋转激光熔覆头转动到指定位置。
[0033]
在实际应用中，上述固定座4可以与激光熔覆设备的三轴运动平台进行固定连接，三轴运动平台可以调整激光熔覆头2的空间位置。三轴运动平台常规的是三个运动方向互相垂直的xyz轴运动平台。三轴运动平台可以驱动旋转激光熔覆头进行整体的空间移动。三轴运动平台只是其中一个可使用的例子，并不是局限固定座4的使用方式。
[0034]
图2示例出本实用新型实施例提供的一种旋转激光熔覆头的结构示意图。为了解决上述问题，如图2所示，本实用新型实施例提供了一种旋转激光熔覆头。旋转激光熔覆头包括固定座4、转动机构5以及激光熔覆头2。固定座4可以与三轴移动平台连接。
[0035]
上述转动机构5铰接在固定座4上，激光熔覆头2与转动机构5动力连接，转动机构5的铰接轴线与转动机构5的转动轴线相交，转动机构5的铰接轴线为转动机构5与固定座4铰接的铰接轴轴线。
[0036]
图3a与图3b示例出本实用新型实施例提供的旋转激光熔覆头在两种姿态的示意图。如图3a和图3b所示，当旋转激光熔覆头达到零件1修复点的外侧后，转动机构5转动激光熔覆头2以及转动机构5与固定座4相对转动，使得激光熔覆头2空间位置发生变化以及激光发射角度发生改变，从而零件1的表面与激光熔覆头2发射的激光光斑的夹角θ趋向90
°
。
[0037]
图4示例出本实用新型实施例提供的一种旋转激光熔覆头的结构示意图。如图4所示，上述转动机构5与固定座4铰接，当两者之间发生相对转动时，转动机构5相对于固定座4的角度a(或相对于水平面的角度)发生变化。上述相对转动的过程可以通过多种动力机构来实现。例如，旋转激光熔覆头还可以包括伸缩组件，伸缩组件的一端铰接在固定座4，另一端铰接在转动机构5，通过伸缩组件的伸缩可以驱动转动机构5与固定座4之间发生相对转动。又例如，旋转激光熔覆头还可以包括转动驱动件，转动驱动件驱动转动机构5相对于固定座4转动。需要说明的是，可以实现上述转动过程的装置或组件或结构还有很多，在此并不进行限定。
[0038]
图5示例出本实用新型实施例提供的一种旋转激光熔覆头的结构示意图。如图5所示，上述转动机构5与激光熔覆头2之间转动连接，激光熔覆头2设在转动机构5的动力输出端上。当激光熔覆头2相对于转动机构5进行转动时，激光熔覆头2相对于转动机构5的角度b发生变化，转动机构5的铰接轴线与转动机构5的转动轴线相交。例如，转动机构5可以是电机，激光熔覆头2设在电机的转动轴，电机的本体与固定座4铰接。激光熔覆设备的控制器通过控制电机的转动角度，可以控制激光熔覆头的转动角度。
[0039]
采用上述技术方案的情况下，在本实用新型实施例提供的旋转激光熔覆头中，固定座4用于在实际使用时将旋转激光熔覆头固定到激光熔覆设备上。转动机构5与固定座4铰接，转动机构5相对于固定座4可转动，当转动机构5 发生转动时，激光熔覆头2跟随转动机构5转动，从而实现将激光熔覆头2在一个方向上进行转动，进而调整激光的发射方向。转动机构5驱动激光熔覆头2 进行转动，转动机构5的铰接轴线与转动机构5的转动轴线相交，从而实现将激光熔覆头2在另一个方向上进行转动。由于上述激光熔覆头2可以在两个方向上进行转动，因此激光熔覆头2照射在零件1上的角度可以进行调整，使得激光光斑与零件1表面的倾斜角度减小并趋向于垂直，从而提高激光熔覆效率。
[0040]
图6a与图6b示例出本实用新型实施例提供的旋转激光熔覆头的俯视图的结构示意图。上述转动机构5的铰接轴线与转动机构5的转动轴线相交，两者轴线的夹角关系到激光熔覆头2可以转动的范围，还关系到换算激光熔覆头2 的激光发射口的空间位置。因此两者轴线的夹角需要保证激光熔覆头2可以转动的范围，以及换算难度。
[0041]
如图6a所示，转动机构5与固定座4的铰接轴线，与转动机构5的转动轴线形成的夹角α可以为60
°‑
120
°
。例如：30
°
、45
°
、60
°
、90
°
或120
°
。在该夹角范围下，转动机构5、固定座4以及激光熔覆头2之间的安装精度更高，上述三者的连接结构也更容易实现。在实际实用中，夹角α不应该过小，夹角α应尽量靠近90
°
。夹角α靠近90
°
，激光熔覆头可转动的范围越大。
[0042]
如图6b所示，转动机构5与固定座4的铰接轴线，与转动机构5的转动轴线形成的夹角α为90
°
。显然在夹角α为90
°
时，激光熔覆头2可以转动的范围最大，转动后的空间位置换算最为简单。
[0043]
图7示例出本实用新型实施例提供的旋转激光熔覆头的主视图的结构示意图。如
图7所示，转动机构5的转动轴线与激光熔覆头2的激光发射口的法线方向相交，其夹角β为90
°
时，激光熔覆头2的激光发射口的空间位置更容易换算，也就是说更容易控制到指定位置。
[0044]
如图2、图4以及图5所示，转动机构5包括旋转驱动件以及设在旋转驱动件上的安装件51，激光熔覆头2设在安装件51上。激光熔覆头2想要与旋转驱动件的动力输出端直接连接较为困难，采用安装件51的中间连接方式更容易实现。安装件51可以具有与旋转驱动件的动力输出端固定连接的安装部，安装架还可以具有与激光熔覆头2固定连接的安装孔。具体的实现形式根据旋转驱动件与激光熔覆头2的具体形式决定，在此不做限定。
[0045]
如图2、图4以及图5所示，安装件51为转盘，转盘与旋转驱动件的转动轴固定连接。当上述旋转驱动件为伺服电机等电机时，安装件51可以为转盘，转盘上可以具有安装伺服电机的安装孔。转盘的另一侧可以具有匹配激光熔覆头2的安装孔。
[0046]
如图2以及图4所示，固定座4与转动机构5可以通过连接轴铰接在一起。连接轴可以是与转动机构5一体化成型，也可以是采用不可拆卸或可拆卸的方式固定连接在转动机构5上。当转动机构5相对于固定座4转动时，转动轴跟随转动机构5进行同步转动。
[0047]
上述固定座4可以具有安装槽，连接轴设在安装槽内，转动机构5的端部设在连接轴上。连接轴嵌入安装槽中，安装槽上可以设置有轴承的辅助组件，辅助组件用于降低连接轴的转动阻力。
[0048]
如图2以及图4所示，转动机构5还可以包括转动驱动件6，连接轴与转动驱动件6动力连接，转动驱动件6设在固定座4。转动驱动件6可以是伺服电机，也可以是其他类型电机搭配编码器等角度传感器使用。上述转动机构5以实现转动连接轴并获取转动角度为目的，具体的形式并不限制。
[0049]
图8示例出本实用新型实施例还提供一种激光熔覆设备的结构示意图。如图8所示，本实用新型实施例提供的一种激光熔覆设备，包括上述技术方案中的旋转激光熔覆头。当旋转激光熔覆头具有连接轴时，固定座与转动机构5通过连接轴铰接在一起，连接轴为可控连接轴7，转动机构5的端部固定在可控连接轴7上，激光熔覆设备还包括控制器9以及与控制器9电连接的传感器8，传感器8用于获取可控转动轴7的转动角度，控制器9与可控连接轴7以及转动机构5电连接。
[0050]
上述可控连接轴7可以包括连接轴与电机，传感器8可以获取连接轴的转动角度，传感器8可以是编码器等角度传感器。
[0051]
上述控制器9与转动机构5电连接，控制器9可以获取转动机构5转动激光熔覆头的转动角度。控制器9与传感器8电连接，传感器8可以测量可控转动轴的转动角度并发送至控制器9。控制器9根据上述传感器8与转动机构5的信息，通过数学几何换算出激光熔覆头的激光口的空间位置，以及换算出激光发射的方向。
[0052]
在进行激光熔覆时，控制器9通过获取零件的模型信息，获取零件需要再制造的打印点，通过数学几何获取该打印点需要的激光的角度。确定激光熔覆头的激光口的空间位置，以及激光发射的方向，控制器9控制转动机构5转动以及控制可控连接轴7转动，将激光熔覆头移动至相应位置，随后进行激光熔覆。
[0053]
采用上述技术方案的情况下，在本实用新型提供的激光熔覆设备中，当连接轴为可控连接轴7时，控制器9与可控连接轴7电连接。转动机构5的端部固定在可控连接轴7上，
控制器9控制可控连接轴7进行转动，从而实现驱动转动机构5相对于固定座进行可控转动，进而使得激光熔覆头跟随转动机构5 进行可控转动。控制器9还控制转动机构5将激光熔覆头进行可控转动，通过结合可控转动轴的作用，激光熔覆头可以在两个方向进行可控转动。传感器8 与控制器9电连接，传感器8即时获取激光熔覆头的转动信息，控制器9根据转动信息调整转动机构5与可控转动轴的转动角度，最终实现对激光熔覆头2 的激光光斑与零件1表面的角度进行调整。
[0054]
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0055]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。