复杂工况水陆两用原位激光增材制造系统的制作方法

本实用新型涉及激光增材制造技术领域，更具体地说，涉及复杂工况水陆两用原位激光增材制造系统。

背景技术：

水下增材技术在海洋资源开发、海洋工程建设、船舶装备设计制造以及应急修复等领域具有广阔的应用前景。从热源的角度划分，水下增材技术可以分为水下电弧增材和水下激光增材。相较于水下电弧增材，水下激光增材技术具有控制精度高、定位精确、能量密度高、可达性高等特点，是深海资源开发、深水应急修复的理想技术手段。

海洋工程建设对激光增材技术提出了高性能、高可靠性、两栖运作等要求。目前现有的激光增材制造设备仍普遍存在着无法水陆两用、激光驱动电源性能平庸等不足，迫切需要开发适应水陆两用复杂增材工况的高性能激光增材制造系统。

技术实现要素：

为克服现有技术中的缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种既能为陆上激光增材提供保护氛围、又能为水下激光增材进行排水保护创造局部干燥空间的复杂工况水陆两用原位激光增材制造系统。

为了达到上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现：一种复杂工况水陆两用原位激光增材制造系统，其特征在于：包括激光增材sic电源、激光增材焊炬、送丝机构、机器人、保护气装置、压缩气装置和工控机；

所述激光增材sic电源分别与激光增材焊炬、保护气装置、压缩气装置和送丝机构信号连接；所述工控机与机器人和激光增材sic电源信号连接；

所述激光增材焊炬包括焊炬本体和保护装置；焊炬本体设置在机器人上；所述保护装置包括从内到外依次设置的内气罩、外气罩和挡水套；内气罩设有内通孔；所述内通孔中设有增透玻璃板，将内通孔分隔为上下设置的密封安装腔和透光腔；焊炬本体设有激光二极管的端部连接在密封安装腔中，焊炬本体的激光二极管朝向增透玻璃板发光；内气罩与外气罩之间构成开口向下、呈收敛形的的收缩腔体；外气罩连接有至少一个进气管；所述压缩气装置通过进气管与收缩腔体连通；挡水套上设有导丝口；所述送丝机构通过送丝管与导丝口连通，以实现从送丝机构输出的焊丝经过送丝管和导丝口进入到激光增材制造区域；所述保护气装置通过送丝机构与送丝管连通，以实现保护气装置输出的保护气进入到激光增材制造区域。

本实用新型激光增材制造系统中，机器人用于带动焊炬本体移动实施激光增材制造；激光增材sic电源用于为焊炬本体提供电源，并对压缩气装置和保护气装置进行开关，以及驱动送丝机构进行送丝；送丝机构用于输送焊丝；压缩气装置用于向收缩腔体输入压缩气体；保护气装置用于输送保护气；焊丝和保护气从导丝口进入到保护装置激光增材制造区域。本实用新型激光增材制造系统既能为陆上激光增材提供保护氛围，又能为水下激光增材进行排水保护创造局部干燥空间，实现激光增材设备水陆两用。

进行水下激光增材制造时，激光增材sic电源打开压缩气装置，由于保护装置的收缩腔体空间逐渐缩小，压缩气装置输出的压缩气体流经收缩腔体时形成螺旋气流，因此在收缩腔体下方出口形成高挺度高压气幕，创造出水下激光增材制造的局部干燥空间。打开保护气装置和送丝机构，焊丝和保护气从导丝口输出，焊炬本体的激光二极管发光并通过增透玻璃板传递能量使焊丝和母材焊接在一起。

进行陆上激光增材制造时，则无需排水创造干燥空间，激光增材sic电源关闭压缩气装置，仅打开保护气装置而不打开压缩气装置；此时，保护装置起到保护焊炬本体的作用，挡水套将保护气包围，从而形成气体保护层，提高陆上激光增材成型质量。

优选地，所述激光增材sic电源包括主电路和控制电路；

所述主电路包括依次连接的输入整流滤波电路、sicmosfets全桥逆变电路、高频变压器和sicsbds全波整流滤波电路；所述输入整流滤波电路与三相交流电相连，sicsbds全波整流滤波电路与焊炬本体的激光二极管相连。

优选地，所述sicmosfets全桥逆变电路由四个sic功率开关管连接成全桥拓扑结构构成；四个sic功率开关管的漏极和源极之间均并联有rc吸收电路；所述全桥拓扑结构的桥臂中点一通过隔直电容和高频变压器原边与全桥拓扑结构的桥臂中点二连接。

优选地，所述sicsbds全波整流滤波电路由sic二极管dr1、sic二极管dr2、输出滤波电抗lf和输出滤波电容cf连接成全波整流滤波拓扑结构构成。

优选地，所述控制电路包括供电电路和微处理器，以及与微处理器信号连接的sicmosfet高频驱动电路、采样反馈电路和开关信号控制电路；sicmosfet高频驱动电路还与sicmosfets全桥逆变电路连接；采样反馈电路还与sicsbds全波整流滤波电路连接；开关信号控制电路还分别与保护气装置和压缩气装置连接。

本实用新型激光增材制造系统采用sic功率器件对激光增材sic电源进行优化设计，sic功率器件开关性能优异，硬开关频率可达200khz以上，体积小，功耗低，易于集成，大幅提升激光驱动电源的动静特性，输出纹波小，有利于提高大功率激光增材稳定性。

优选地，所述开关信号控制电路包括达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1和两路驱动单元；两路驱动单元均包括高速光耦u1、mos管m1和二极管d1；

所述供电电路设有电源一和电源二，且电源一的供电电压≤电源二的供电电压；所述达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1的输入端与微处理器连接；高速光耦u1的输入端分别与电源一和达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1的输出端连接；高速光耦u1的输出端一与电源二连接；高速光耦u1的输出端二通过串联的电阻r3和电阻r5与mos管m1栅极连接；电阻r3和电阻r5连接处通过电阻r6与mos管m1源极连接，mos管m1源极接地；mos管m1漏极与二极管d1的正极连接，二极管d1的负极与电源二连接；高速光耦u1的输出端一与高速光耦u1的输出端二之间连接有电容c1；电源二和mos管m1漏极共同作为开关信号控制电路的输出端。

达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1提高了电流驱动能力；高速光耦u1起隔离作用；mos管m1作为开关；二极管d1在关断保护气装置和压缩气装置电磁阀时起续流作用，用以消除电磁阀关断时产生的反电动势影响，保护开关信号控制电路。

优选地，所述供电电路与三相交流电相连；sicmosfet高频驱动电路一端与微处理器的pwm模块相连，另一端连接sicmosfets全桥逆变电路的sic功率开关管驱动侧；采样反馈电路一端与微处理器的adc端口相连，另一端通过霍尔传感器与sicsbds全波整流滤波电路相连；微处理器的can通信接口分别与机器人的通信接口和送丝机构的通信接口连接；所述开关信号控制电路一端连接微处理器的通用i/o口，另一端连接压缩气装置和保护气装置。

优选地，所述进气管为两个以上；各个进气管分别与外罩连接；各个进气管分别与收缩腔体相切，以使压缩气体进入收缩腔体后形成旋转气流。

优选地，所述收缩腔体的横截面呈圆环状；各个进气管的进气通道与圆环状收缩腔体的横截面外圆相切。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型既能为陆上激光增材提供保护氛围，又能为水下激光增材进行排水保护创造局部干燥空间，实现激光增材设备水陆两用；

2、本实用新型采用sic功率器件对激光增材sic电源进行优化设计，sic功率器件开关性能优异，硬开关频率可达200khz以上，体积小，功耗低，易于集成，大幅提升激光驱动电源的动静特性，输出纹波小，有利于提高大功率激光增材稳定性；

3、本实用新型可消除保护气装置和压缩气装置电磁阀关断时产生的反电动势影响，保护开关信号控制电路。

附图说明

图1是本实用新型激光增材制造系统的整体结构示意图；

图2是本实用新型激光增材制造系统的激光增材sic电源原理图；

图3是本实用新型激光增材制造系统的激光增材sic电源中开关信号控制电路原理图；

图4是本实用新型激光增材制造系统的保护装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

实施例

本实施例一种复杂工况水陆两用原位激光增材制造系统，其结构如图1所示，包括激光增材sic电源、激光增材焊炬、送丝机构、机器人、保护气装置、压缩气装置和工控机。

激光增材sic电源分别与激光增材焊炬、保护气装置、压缩气装置和送丝机构信号连接；工控机与机器人和激光增材sic电源信号连接。激光增材焊炬包括焊炬本体和保护装置；焊炬本体设置在机器人上。

本实用新型激光增材制造系统中，机器人用于带动焊炬本体移动实施激光增材制造；激光增材sic电源用于为焊炬本体提供电源，并对压缩气装置和保护气装置进行开关，以及驱动送丝机构进行送丝；送丝机构用于输送焊丝；压缩气装置用于向收缩腔体2205输入压缩气体；保护气装置用于输送保护气。

如图2所示，激光增材sic电源包括主电路和控制电路；

主电路包括依次连接的输入整流滤波电路、sicmosfets全桥逆变电路、高频变压器和sicsbds全波整流滤波电路；输入整流滤波电路与三相交流电相连，sicsbds全波整流滤波电路与激光二极管相连。

sicmosfets全桥逆变电路由四个sic功率开关管q1-q4连接成全桥拓扑结构构成；四个sic功率开关管的漏极和源极之间均并联有rc吸收电路；四个sic功率开关管可以是sicmosfet单管或单管并联组合或功率模块。全桥拓扑结构的桥臂中点一通过隔直电容cb和高频变压器原边与全桥拓扑结构的桥臂中点二连接。隔直电容cb的作用是滤去sicmosfets全桥逆变电路输出高频交流电中所包含的直流分量，防止高频变压器饱和。

sicsbds全波整流滤波电路由sic二极管dr1、sic二极管dr2、输出滤波电抗lf和输出滤波电容cf连接成全波整流滤波拓扑结构构成。sic二极管dr1和sic二极管dr2可以是单管或单管并联组合或模块。

激光增材sic电源的核心功率器件均采用了sic功率器件，得益于其优异的开关特性，激光增材sic电源硬开关逆变频率大幅提升，逆变频率高频化有利于减小磁性元件体积，提高能量密度，降低输出电流纹波，有利于实现激光驱动能量精细化调控，实现稳定可靠的增材激光输出。

控制电路包括供电电路和微处理器，以及sicmosfet高频驱动电路、采样反馈电路和开关信号控制电路。

供电电路与三相交流电相连，经隔离、调压后为整个控制电路供电。微处理器为控制电路核心，微处理器可采用现有微处理器芯片。sicmosfet高频驱动电路一端与微处理器的pwm模块相连，另一端连接sicmosfets全桥逆变电路的sic功率开关管驱动侧；采样反馈电路一端与微处理器的adc端口相连，另一端通过霍尔传感器与sicsbds全波整流滤波电路相连；微处理器的can通信接口分别与机器人的通信接口和送丝机构的通信接口连接。

sicmosfet高频驱动电路可采用现有技术，例如采用中国发明专利申请《一种适用于宽禁带功率器件的高效驱动电路》(公开号：cn108173419a)中详细公开的驱动电路。sicmosfet高频驱动电路将微处理器pwm模块产生的原始信号进行隔离、电平变换以驱动波形sic功率开关管，且具备欠压锁定、过流保护等功能，降低高频换流可能产生的干扰影响。

采样反馈电路可采用现有技术，例如采用中国发明专利《基于dsc的全数字sic逆变式多功能氩弧焊电源》(公开号：cn106392262b)中详细公开的负载电信号检测模块。采样反馈电路调制传输负载电流电压信号，并通过其所连接的微处理器的adc模块进行采样，构成负载电流电压控制的反馈回路。

本实用新型激光增材制造系统的激光增材sic电源工作原理为：三相交流电通过输入整流滤波电路变为较平滑的直流电；在sicmosfets全桥逆变电路中，四个sic功率开关管高频开通关断，将直流电转换为高频交流方波，rc吸收电路起缓冲、吸收作用，降低因高速硬开关而产生的电压、电流尖峰；高频交流方波经过高频变压器降压；高频低压交流方波经过sicsbds全波整流滤波电路转换为平滑的低压直流电并提供给焊炬本体的激光二极管。微处理器根据增材工艺参数预设值与采样反馈电路反馈值的偏差，通过芯片内部固化的控制算法运算控制pwm模块输出新的pwm信号，该信号经过sicmosfet高频驱动电路隔离、放大后驱动sicmosfets全桥逆变电路，控制输出能量以实现对激光二极管的可靠驱动。

开关信号控制电路一端连接微处理器的通用i/o口，另一端连接压缩气装置和保护气装置，用以控制压缩气、保护气的启动和关停。

如图3所示，开关信号控制电路包括达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1和两路驱动单元；两路驱动单元均包括高速光耦u1、mos管m1和二极管d1；

供电电路设有电源一和电源二，且电源一的供电电压≤电源二的供电电压；达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1的输入端与微处理器连接；高速光耦u1的输入端分别与电源一和达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1的输出端连接；高速光耦u1的输出端一与电源二连接；高速光耦u1的输出端二通过串联的电阻r3和电阻r5与mos管m1栅极连接；电阻r3和电阻r5连接处通过电阻r6与mos管m1源极连接，mos管m1源极接地；mos管m1漏极与二极管d1的正极连接，二极管d1的负极与电源二连接；高速光耦u1的输出端一与高速光耦u1的输出端二之间连接有电容c1；电源二和mos管m1漏极共同作为开关信号控制电路的输出端。

达林顿晶体管阵列驱动芯片uln1提高了电流驱动能力；高速光耦u1起隔离作用；mos管m1作为开关；二极管d1在关断保护气装置和压缩气装置电磁阀时起续流作用，用以消除电磁阀关断时产生的反电动势影响，保护开关信号控制电路。

如图4所示，保护装置包括从内到外依次设置的内气罩2201、外气罩2202和挡水套2204。内气罩2201设有内通孔2201-1；内通孔2201-1中设有增透玻璃板2201-2，将内通孔2201-1分隔为上下设置的密封安装腔和透光腔。焊炬本体设有激光二极管的端部连接在密封安装腔中，焊炬本体的激光二极管朝向增透玻璃板2201-2发光。

内气罩2201与外气罩2202之间构成开口向下、呈收敛形的的收缩腔体2205；为便于加工，外气罩2202包括外气罩本体和密封盖2203，密封盖2203盖设在收缩腔体2205顶部。外气罩2202连接有至少一个进气管2202-1。收缩腔体2205的横截面呈圆环状；各个进气管2202-1的进气通道与圆环状收缩腔体2205的横截面外圆相切。压缩气装置通过进气管2202-1与收缩腔体2205连通。

挡水套2204通过卡箍固定在外气罩2202上，挡水套2204上设有导丝口2204-1；送丝机构通过送丝管与导丝口2204-1连通，以实现从送丝机构输出的焊丝经过送丝管和导丝口2204-1进入到激光增材制造区域；保护气装置通过送丝机构与送丝管连通，以实现保护气装置输出的保护气进入到激光增材制造区域。

本实用新型激光增材制造系统既能为陆上激光增材提供保护氛围，又能为水下激光增材进行排水保护创造局部干燥空间，实现激光增材设备水陆两用。

进行水下激光增材制造时，激光增材sic电源打开压缩气装置，由于保护装置的收缩腔体2205空间逐渐缩小，压缩气装置输出的压缩气体流经收缩腔体2205时形成螺旋气流，因此在收缩腔体2205下方出口形成高挺度高压气幕，创造出水下激光增材制造的局部干燥空间。打开保护气装置和送丝机构，焊丝和保护气从导丝口2204-1输出，焊炬本体的激光二极管发光并通过增透玻璃板传递能量使焊丝和母材焊接在一起。

进行陆上激光增材制造时，则无需排水创造干燥空间，激光增材sic电源关闭压缩气装置，仅打开保护气装置而不打开压缩气装置。

送丝机构可采用现有技术，例如采用中国发明专利《水下焊接机器人多功能焊接系统》(公开号：cn103706927a)中详细公开的送丝机构。送丝机构由密封罩包围的送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮和焊丝盘连接组成。送丝机构的密封罩与保护气装置相连，输送保护气体。送丝机构通过送丝驱动电路的can通信接口与微处理器的can通信接口相连。

保护气装置提供水下或陆上激光增材所需保护气体，如氩气；压缩气装置提供水下激光增材所需压缩气体用于排水形成局部干燥区域。

本实用新型激光增材制造系统通过激光增材焊炬可实现该增材系统在水下或陆上进行激光增材的柔性切换。

上述复杂工况水陆两用原位激光增材制造系统的激光增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

s1、工控机发送增材工艺信息至机器人和激光增材sic电源；增材工艺信息包括激光增材制造场合、机器人运动轨迹、激光增材制造轨迹、电源电流参数、提前送气时间、滞后送气时间和送丝参数；送丝参数包括送丝速度和送丝模式；激光增材sic电源转发送丝参数至送丝机构；

s2、母材固定于机器人上，机器人按照预设的轨迹运动至激光增材制造轨迹的初始位置，调节激光增材焊炬到工件的距离；

s3、判断激光增材制造场合：

若是水下场合，则激光增材sic电源首先打开压缩气装置，使压缩气体将激光增材焊炬的收缩腔体2205内的水排出并形成高速气幕，形成水下局部干燥的激光增材制造区域；之后跳至s4步；

若非水下场合，则直接跳至s4步；

s4、激光增材sic电源打开保护气装置，保护气经送丝机构输送到激光增材制造区域形成气体保护氛围；提前送气时间倒计时；

s5、在提前送气时间结束后，激光增材sic电源按电源电流参数输出驱动激光二极管，送丝机构连接送丝管将焊丝通过激光增材焊炬的导丝口2204-1向激光增材制造区域送进；机器人按激光增材制造轨迹运动，直到机器人到达激光增材制造轨迹终点；

s6、激光增材sic电源停止驱动激光二极管，送丝机构停止焊丝输送；滞后送气时间倒计时；在滞后送气时间结束后，激光增材sic电源关闭保护气装置和压缩气装置，完成增材制造流程。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。