专利名称：粉末材料六轴机器手激光快速成型系统及成型方法
技术领域：
本发明涉及一种激光快速成型系统和方法，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和方法，属于激光材料加工快速成型
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。
本发明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
本发明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。
本发明的另一目的就是提供一种能够适应于三维结构的大型零件或微小零件的高精度成型的快速成型方法。为达到以上目的，本发明的技术方案包括有粉末材料六轴机器手激光快速成型系统及成型方法两部分，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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明技术方案中的粉末材料六轴机器手激光快速成型成型方法参照附图2、3。激光快速成型方法特征在于，计算机5及示教盒13作为本快速成型系统的输入设备对机器手控制器2分别实施离线编程和示教编程两种编程控制方式；示教编程方式为传统编程方式，是采用操纵示教盒方式，在线控制机器手的运动，调节激光工作头在基板上的激光焦点位置；离线编程方式中采用六轴机器手离线编程软件控制系统对工件的快速成型过程。参照附图2。离线编程过程是在用户的监督下由计算机自动完成。其方法步骤为
(a)系统初始化后启动离线编程软件读入切片数据文件；并从中提取加工图形的数据信息，再对数据坐标系进行转换；(b)按照输入信息要求对图形进行放大或缩小；(c)结合输入的加工工艺参数，自动生成六轴机器手可执行的jbi格式机器手控制程序；(d)将机器手控制程序传输到机器手控制器内存即完成整个离线编程过程；该控制程序传输过程是利用机器手控制器与PC机之间的通讯软件实现的。
本发明所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型方法中，当对三维结构的大型零件或微小零件实施快速成型时，参照附图3，其方法步骤为(a)首先在计算机的三维快速CAD软件系统中进行成型工件的三维图形绘制，并对图形进行三角离散处理；(b)在切片处理软件中对三角拟合后的模型作分层切片处理，得到切片数据文件；(c)启动离线编程软件，读取相应切片数据文件，并从中提取加工图形的数据信息，按照输入信息要求对图形进行放大或缩小；(d)结合输入的加工工艺参数(激光功率、送粉速率、机器手运动速率等)，自动生成六轴机器手可执行的jbi格式控制程序；(e)启动并调整本快速成型系统硬件系统处于正常工作状态；(f)将机器手控制程序传输到机器手控制器内存，并执行控制程序，粉末在激光作用下不断烧结成型；(g)成型系统自动保持运行状态直至成型过程结束，即完成本发明的整个快速成型过程。
本发明所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型方法中，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4。
本发明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。
本发明中离线编程系统具有的主要优点有1、减少机器人不工作时间，通过仿真调试程序，不用和实际机器人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，可以对各种机器人进行编程，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，本发明提供的成型系统和成型方法，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表示本发明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表示本发明的快速成型系统离线编程工作流程示意图；图3表示本利用本发明的快速成型方法对工件进行快速成型的工作流程图；图4表示本发明的快速成型系统中送粉工作示意图；送粉喷嘴4、激光工作头7、基板12、激光束14图5表示本发明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图6表示在计算机中设计的五角星立体模型的一个分层切片；图7表示利用本发明的快速成型系统和方法得到的五角星实体。
具体实施例方式以下结合一个具体实施例来详述本发明的技术方案。
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，激光可以通过光纤进行传输，光纤自身柔性使得它容易与六轴机器手配合使用，从而适应自由空间柔性加工的需要。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在本发明的上述成型系统下，首先在计算机5中绘出五角星的三维结构模型，并对其进行离散、分层切片处理，得到如图6所示切片层。启动离线编程软件；读入得到的CLI格式切片文件，按成型工件要求输入图形放大缩小倍数1.0，激光功率800W，机器手运动速率8mm/s，送粉速率5g/min，离线编程软件自动生成本快速成型系统六轴机器手控制程序；然后调整成型工作台10上金属基板12在滑动导轨15上的位置；打开激光器3，启动载气8(氩气)、送粉器6；手动操纵机器手示教盒13，在线调节激光焦斑在基板12中心位置；执行机器手控制程序，六轴机器手1携带送粉喷嘴4及激光工作头7沿图6所示的轮廓以8mm/s速度进行扫描，粉末材料(200目铁粉)在激光14的作用下受热熔化，在基板12表面冷却凝固成型，完成第一个切片层之后，六轴机器手1按切片层间间隔0.5mm自动提升，对第二个切片层进行扫描，如此反复直至加工完毕。最后得到成型工件，如附图7所示。
粉末材料六轴机器手激光快速成型方法激光快速成型方法中使用的软件系统包括有三维快速CAD软件、切片处理软件及六轴机器手离线编程软件。三维快速CAD软件及切片处理软件为公知的快速成型领域常使用的模型处理软件。六轴机器手离线编程软件是为本成型系统而自行设计开发的专用软件。
本发明是按常规技术确定以下方法步骤中的处理尺度，即1、分层切片处理过程中，层间间隔大小根据被加工件的精度和生产效率的要求决定；间隔越小，精度越高，但加工时间越长；否则反之。
2、方法步骤中的离线编程软件生成机器手控制程序过程由计算机自动完成，用户只需按计算机给出的提示信息输入相关加工工艺参数。
3、方法步骤中的启动并调整本快速成型系统硬件系统处于正常工作状态；4、在启动并调整本快速成型系统硬件系统处于正常工作状态的步骤时采用示教盒示教方式控制机器手的运动，快速调节激光焦点在基板上的位置。
5、本发明方法技术方案中的参数取值范围属于本领域技术人员的常识，但本实施例中的参数取值是本发明的实施值。
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(AD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.粉末材料六轴机器手激光快速成型方法，其特征在于，计算机(5)及示教盒(13)作为本快速成型系统的输入设备分别对机器手控制器(2)实施离线编程和示教编程两种编程控制方式；示教编程方式为传统编程方式，是采用操纵示教盒方式，在线控制机器手的运动，调节激光工作头在基板上的激光焦点位置；离线编程方式中采用离线编程软件控制系统对工件的快速成型过程。其方法步骤为(a)系统初始化后启动离线编程软件读入切片数据文件；并从中提取加工图形的数据信息，再对数据坐标系进行转换；(b)按照输入信息要求对图形进行放大或缩小；(c)结合输入的加工工艺参数，自动生成六轴机器手可执行的jbi格式的机器手控制程序；(d)将机器手控制程序传输到机器手控制器内存即完成整个离线编程过程；该控制程序传输过程是利用机器手控制器与PC机之间的通讯软件实现的。
6.根据权利要求5所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型方法，其特征在于，当对三维结构的大型零件或微小零件实施快速成型时，其方法步骤为(a)首先在计算机的三维快速CAD软件系统中进行成型工件的三维图形绘制，并对图形进行三角离散处理；(b)在切片处理软件中对三角拟合后的模型作分层切片处理，得到切片数据文件；(c)启动离线编程软件，读取相应切片数据文件，并从中提取加工图形的数据信息，按照输入信息要求对图形进行放大或缩小；(d)结合输入的加工工艺参数(激光功率、送粉速率、机器手运动速率)，自动生成六轴机器手可执行的jb i格式的机器手控制程序；(e)启动并调整本快速成型系统硬件系统处于正常工作状态；(f)将机器手控制程序传输到机器手控制器内存，并执行控制程序，粉末在激光作用下不断烧结成型；(g)成型系统自动保持运行状态直至成型过程结束，即完成本发明的整个快速成型过程。
7.根据权利要求5或6所述的粉末材料六轴机器手激光快速成型方法，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°。
全文摘要
粉末材料六轴机器手激光快速成型系统及成型方法，用来将计算机内的三维模型直接制作成工件。其系统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)、六轴机器手(1)、机器手控制器(2)及成型工作台(10)。利用离线编程将计算机内CAD模型数据转换为包含有成型加工工艺参数的机器手可执行的运动程序，以控制夹持有激光工作头(7)及送粉喷嘴(4)的六轴机器手(1)在成型工作台(10)上的运动，实现利用粉末材料对工件的激光快速成型。利用本发明提供的成型系统和方法，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B23K26/08GK1586769SQ20041006924
公开日2005年3月2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