一种增减材协同制造装备系统的制作方法

本发明属于电弧增材制造领域，具体为一种增减材协同制造装备系统。

背景技术：

增材制造又称3d打印，是当前先进智能制造的研究热点，与传统的减材制造不同，增材制造是一种逐层累积的制造方法。电弧增材是增材制造常见的一种方式，其工作原理为运用cad等软件进行路径规划，控制焊接机器人在制定轨迹上运动，运用电弧的能量熔化焊丝，将材料堆积到指定位置，直至完成构件的制造。

与传统的铸造工艺相比，电弧增材所得构件组织较为均匀、内部缺陷较少，可以实现异种材料的交织结构；与激光选区熔化相比，电弧增材成本低、堆积效率高、成形尺寸大；但是电弧增材基板热变形大，所得结构件成形精度不高，在投入使用时需要进行二次加工。

2017年由南京理工大学王克鸿、周琦、许华银等人申请的公布号为cn108145332a的发明专利《机器人电弧增减材成形装置及方法》构想了一种机器人电弧增减材成形装置及方法；采用一个机器人同时连接焊接增材设备与激光切割设备，控制两种设备交替工作从而实现机器人电弧增减材智能制造。

2018年由湖南大学余剑武、张亚飞、罗红等人申请的公布号为cn108161009a的发明专利一种选区激光熔覆与磨削原位复合制造装置构想了一种选区激光熔覆与磨削原位复合制造装置，他们设想在一种装置上集成增材制造和减材制造两种加工方法，进行原位复合制造，既能克服单纯的增材制造技术在尺寸精度和表面质量等方面的缺陷，也可以克服磨削加工对零部件复杂程度等方面的制约。

技术实现要素：

针对现有电弧增材制造技术存在的基板热变形大、成形精度不高等问题，本发明提出了一种增减材协同进行的装备系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种增材减材协同装备系统，其装备包括：工业机器人一、工业机器人二、机器人控制柜一、机器人控制柜二、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶；装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、空气压缩机、变位机、自动翻转工作台、ccd摄像机、红外测温仪、计算机。

工业机器人一、机器人控制柜一、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶构成增材机器人，其中焊枪通过柔性固定安装在工业机器人一机械臂上。

工业机器人二、机器人控制柜二、装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、空气压缩机、ccd摄像机构成减材机器人，复合减材机构与ccd摄像机通过柔性固定安装在工业机器人二上。红外测温仪安装在工业机器人二的机械臂上，用于监测基板温度。

复合减材机构上设有气枪、钢丝刷与铣刀的柔性固定装置，气枪与空气压缩机相连，钢丝刷与铣刀通过复合减材机构上的柔性固定装置进行安装，其驱动电机一、驱动电机二安装在工业机器人机器臂上。

变位机、自动翻转工作台构成增减材协同制造工作平台，自动翻转工作台通过柔性固定安装在变位机上，自动翻转工作台上设有柔性夹具，用于固定基板。

变位机为l型变位机，根据生产产品的需要进行旋转，变化位置；安装在变位机上的自动翻转工作台由电机驱动，基板安置在自动翻转工作台上，自动翻转工作台将装夹的基板进行180°循环翻转。

增材机器人、减材机器人、ccd相机、红外测温仪、增减材协同制造工作平台由计算机协同控制，使得增材减材过程能同时协同进行。

红外测温仪实时测试基板背面温度，保证在基板翻转180°前基板背面温度低于150℃。

增材机器人、减材机器人分布在增减材协同制造工作平台两侧，成180°分布，防止协同工作时相互发生干扰。

ccd相机安装在工业机器人二机械臂上，用于提取基板背面增材面的整体轮廓；提取的整体轮廓输送至计算机中，分析该层表面缺陷与平整度，计算出减材加工路径与加工步骤，控制减材机器人进行减材加工。

安装在工业机器人二上的复合减材机构在减材过程中，气枪中通压缩空气，吹走表面杂物、清理表面、冷却基板表面；钢丝刷用于去除基板背面增材面氧化膜及杂质；铣刀用于铣去背面增材面余高以及表面缺陷，保证基板背面增材面的平整度与质量。

增材焊接机器人，减材机器人同步工作，增材机器人在基板正面进行增材制造，减材机器人在基板背面进行减材加工，在某一层基板正反两面的增、减材过程均完成且基板背面温度降至150℃以下时，增材机器人与减材机器人移动至安全位置，自动翻转工作台进行180°翻转，基板正反两面各自同时进行下一层的增减材制造。

在一层堆积结束后，下一层在基板背面堆积，基板正反面交互加热，使基板上下热变形相互抵消，控制基板热变形。

作为优选方式，工业机器人一与工业机器人二均为关节臂机器人，(如abb机器人、kuka机器人或者安川机器人),且两者生产厂家相同，便于计算机进行协同控制。

作为优选方式，复合减材机构的铣刀与钢丝刷大小型号根据增材构件的尺寸进行选择更换。

作为优选方式，自动翻转工作台上的固定夹紧装置为柔性固定夹紧装置，根据基板的大小进行调节。

作为优选方式，连接复合减材机构中钢丝刷、铣刀的驱动电机选用可调速电机。

作为优选方式，安装在自动翻转工作台上的电机选用不可调速电机。

作为优选方式，用于增材的焊枪与用于减材的复合减材机构采用柔性固定安置在工业机器人一、工业机器人二上。

本发明相对于现有技术，具有显著优点：

1.本发明的系统进行增材制造时，基板两面依次受到较大的热输入，使得正反两面的基板变形相互抵消，且进行下一层增材制造时，控制基板温度在150℃以下，从而有效地控制基板的热变形，提高增材成形的精度与质量。

2.本发明的系统进行增材制造时，背面减材机器人在减材过程中气枪不断的在吹压缩空气，确保基板翻转前基板背面温度低于150℃，有效地控制层间冷却温度，减小基板热变形，提高成形质量。

3.本发明的系统进行增材制造时，在完成一层增材制造后立即进行减材处理，使得增材制造的每一层表面缺陷减少、平整度提高，能够明显提高所得增材结构件的精度与成形质量。

4.本发明提供的的系统进行增材制造时，背面减材机器人同时清理增材面的氧化膜与杂质，提高增材成形质量与效率。

附图说明

图1为增减材制造装备系统的示意图。

图2为安装在工业机器人二上的复合减材机构的示意图。

1：工业机器人一、2：驱动电机一、二、3：自动翻转工作台、4：ccd相机、5：红外测温仪、6：l型变位机、7、复合减材机构、8：计算机、9：工业机器人二、10：机器人控制柜一、11：机器人控制柜二、12：空气压缩机、13：焊接电源、14：送丝机、15：保护气瓶、16：钢丝刷柔性固定装置、17：气枪、18：铣刀柔性固定装置。

具体实施方式

下面的具体实施例仅用来更好的说明该增减材协同制造装备系统，本发明并不限定该种方案。

实施例

如图1所示，增减材制造装备系统由工业机器人一、工业机器人二、机器人控制柜一、机器人控制柜二、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶；装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、压缩空气机、变位机、自动翻转工作台、ccd摄像机、红外测温仪、计算机。

工业机器人一、机器人控制柜一、焊接电源、送丝机、焊枪、保护气瓶构成增材机器人，焊枪采用柔性固定安装在工业机器人一上，其中焊枪选择mig焊枪；工业机器人二、机器人控制柜二、装有钢丝刷与气枪与铣刀的复合减材机构、驱动电机一、驱动电机二、压缩空气机、ccd摄像机构成减材机器人，其中驱动电机一与驱动电机二安装在工业机器人二上的机械臂上，复合减材机构采用柔性固定安装在工业机器人二上；钢丝刷与铣刀的通过柔性固定装夹在复合减材机构上，钢丝刷与铣刀的型号尺寸根据增材构件的尺寸与形状进行选择调整。根据具体需要调节电机一与电机二的转速；气枪与空气压缩机相连，气枪中通压缩空气，吹走表面杂物、清理表面、冷却基板表面。

增减材协同制造工作台由l型变位机、自动翻转工作台组成，其中自动翻转工作台安置在l型变位机上，由电机驱动；l型变位机根据增材件的形状旋转至最佳增材位置，自动翻转工作台则在基板正反面增减材完成后自动进行180°翻转；基板则采用柔性夹具固定在自动翻转工作台上，在增材制造过程中随着自动翻转工作台循环进行180°翻转。

ccd相机安装在工业机器人二上，用于提取基板背面增材面的整体轮廓；提取的整体轮廓输送至计算机中，分析该层表面缺陷与平整度，计算出减材加工路径与加工步骤，控制减材机器人进行减材加工；红外测温仪安装在工业机器人二的机械臂上，红外测温仪实时测试基板背面温度，保证在基板翻转180°前基板背面温度低于150℃。

计算机与增材焊接机器人、减材机器人，ccd相机、红外测温仪、增减材制造工作台均相连，根据cad生成的模型以及ccd相机提取的背面轮廓进行路径规划，协同控制增材机器人，减材机器人，增减材协同制造工作台，使得正面的电弧增材制造，与背面的减材加工能协同进行，完成增减材协同智能制造过程，增材机器人、减材机器人分布在增减材协同制造工作平台两侧，成180°分布，防止协同工作时相互发生干扰。