一种电弧增材制造设备的制作方法

本实用新型涉及增材制造领域，尤其涉及一种电弧增材制造设备。

背景技术：

增材制造过程(或称3d打印过程)是基于离散-堆积的原理，按照预先设定好的厚度将零件模型切片分层，再由增材制造设备(或称增材制造设备)进行逐层打印堆积形成零件的过程。通常，在打印一个零件时每个切片分层的厚度都是一致且固定，而等离子弧增材制造技术也是采用同样的方式进行切片分层。

在等离子弧增材制造过程中，由于增材制造设备基板受热不均匀所产生的形变，以及，等离子弧成型过程的复杂性和不确定性等问题，会出现打印出的切片分层的厚度与预先设定好的厚度不一致的情况。随着层厚误差的累计，一方面，若零件实际高度偏高，增材枪体与零件发生碰撞，进而造成设备故障；另一方面，若零件实际高度偏低，增材枪体与零件距离多大，会产生打印缺陷。上述两种情况均会造成打印成形的零件尺寸不能达到实际零件尺寸的精度要求，或者直接导致整个增材制造过程中止的问题。相关技术中，通常需要在增材制造过程中不断地重复暂停打印进行距离调整并通过修改打印程序重新设定送丝速度和焊接速度等工作，造成等离子弧增材制造过程失去了3d打印的精确性高效性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种电弧增材制造设备，用于在增材制造过程中进行逐层打印堆积形成零件。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电弧增材制造设备，包括：增材枪体、焊接电源、z轴导向组件以及与所述焊接电源和所述z轴导向组件电连接的控制器，所述焊接电源与所述增材枪体电连接，所述增材枪体设于所述z轴组件上，所述z轴导向组件用于带动所述增材枪体在垂直于零件所处平面的方向上移动；

其中，在所述电弧增材制造设备的增材制造过程中，根据所述焊接电源的弧压确定所述增材枪体与零件的距离出现异常的情况下，所述控制器，用于控制所述z轴导向组件调整所述增材枪体与零件的距离；以及，控制所述增材制造过程的增材制造参数。

与现有技术相比，本实用新型提供的电弧增材制造设备，能够对增材枪体与待打印零件之间的距离进行监测，并在该距离出现异常时进行调节，避免距离异常造成的设备故障和打印缺陷，提高增材制造设备的打印效率和打印精度。

附图说明

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：

图1为本实用新型实施例提供的一种电弧增材制造设备的平面结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种电弧增材制造设备的平面结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种电弧增材制造设备的立体结构示意图。

具体实施方式

为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在本实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本实用新型中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本实用新型中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本实用新型中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

图1是根据一示例性实施例示出的一种电弧增材制造设备的平面结构示意图，参见图1，该电弧增材制造设备100包括：增材枪体110、焊接电源120、z轴导向组件130以及与该焊接电源120和该z轴导向组件130电连接的控制器140，该焊接电源120与该增材枪体110电连接，该增材枪体100设于该z轴导向组件130上，该z轴导向组件130用于带动该增材枪体110在垂直于零件所处平面的方向上移动。

示例地，该电弧增材制造设备100为等离子弧增材制造设备，该电弧增材制造设备100还包括：x轴导向组件、y轴导向组件、焊枪(或称焊接机构)、机械运动控制柜和用于放置零件的零件工作台(即零件所处平面)。在本实施例中，坐标轴x轴和y轴构成的平面平行于上述零件工作台，坐标轴z轴用于表征垂直于该零件工作台的方向。该电弧增材制造设备100的x轴导向组件、y轴导向组件和z轴导向组件共同配合，实现该增材枪体110在三维空间中的移动。该零件工作台位于该增材枪体110的下方，该焊枪和该增材枪体均位于该零件工作台上方。在增材制造过程中，上述的机械运动控制柜用于控制该增材枪体110以预设的高度(即增材枪体与零件之间的距离)和预设的送丝速度逐层送丝，并且控制该焊枪以预设的焊接速度对增材枪体110输出的材料进行逐层焊接，进而形成零件。在本公开实施例中，将该送丝速度和该焊接速度合称为增材制造参数。

示例地，该焊枪的焊接电压由该焊接电源120提供，该焊接电压包括：阴极压降和阳极电压，该焊接电压结合等离子弧长形成等离子弧电压(或称弧压)，其中，等离子弧长度由增材枪体110和待打印的零件的距离(或称高度)决定，等离子弧电压与等离子弧长度的关系可以如下列公式(1)所示：

u1＝u2+u3+e×l(1)，

其中，u1表示等离子弧电压，u2表示阴极压降，u3表示阳极压降，l表示等离子弧长度，e为单位长度上的弧柱压降(或称弧柱电位梯度)。在焊接电流、电极材料和保护气氛等条件相同的情况下，上述的u2、u3和e均为定值，因此，等离子弧电压u1与等离子弧长度l之间具备线性关系。通过对等离子弧电压u1的监测和控制，可间接地实现对等离子弧长度l，亦即增材枪体110距离待打印零件的距离，的监测和控制。

可选的，该控制器140，用于在该电弧增材制造设备100的增材制造过程中，根据该焊接电源120的弧压确定该增材枪体110与零件的距离出现异常的情况下，控制该z轴导向组件130调整该增材枪体110与零件的距离；以及，控制该增材制造过程的增材制造参数。

示例地，在电弧增材制造设备100的增材制造过程(包括该增材枪体110的送丝过程和上述焊枪的焊接过程)开启后，控制器140持续地获取该焊接电源120中的弧压。基于上述公式(1)所示的弧压和距离之间的线性关系，若监测到的该弧压与预设的标准弧压相差过大，则确定此时该增材枪体110与零件之间的目标距离与预设的标准送丝距离相差过大，即该距离出现异常。在确定该增材枪体110与零件的距离出现异常的情况下，可以通过上述的z轴导向组件130移动该增材枪体110，以使得该增材枪体110与零件之间的距离恢复到标准的送丝距离。

另外，在检测到增材枪体130与零件的距离出现异常时，由于距离异常而导致的打印缺陷已经发生，零件上距离异常的区域即为打印缺陷区域。在检测出距离异常时，还可以对上述的打印缺陷进行修复。具体地，可以通过改变该电弧增材制造设备100的增材制造参数，改变对上述打印缺陷区域的打印厚度，以修正该打印缺陷。

综上所述，本实用新型提供一种该电弧增材制造设备，增材枪体、焊接电源、z轴导向组件以及与所述焊接电源和所述z轴导向组件电连接的控制器。能够通过该控制器对增材枪体与待打印零件之间的距离进行监测，并在该距离出现异常时进行调节，避免距离异常造成的设备故障和打印缺陷，提高增材制造设备的打印效率和打印精度。

示例地，图2是根据图1所示实施例示出的另一种增材设备的平面结构示意图，参见图2，该电弧增材制造设备100还包括：与该控制器140电连接的距离传感器150，用于采集该增材枪体110与零件的距离；与该控制器140(以及焊接电源120)电连接的弧压传感器160，用于采集该焊接电源120的弧压；与该控制器140电连接的机械运动控制柜170，该增材制造参数包括：该电弧增材制造设备的送丝机构(通过上述增材枪体110进行送丝)的送丝速度和焊接机构的焊接速度。该控制器140通过电机线缆与该z轴导向组件130中的驱动电机连接，该电机线缆由信号线缆和电源线缆组成，用于向驱动电机传输信号和供应电量。

可选的，该控制器140用于在该焊接电源120的弧压不等于预设的弧压阈值的情况下，确定该增材枪体110与零件的距离出现异常；在确定该增材枪体110与零件的距离出现异常的情况下，将该增材枪体110与零件的距离调节至预设距离。

示例地，在弧压等于弧压阈值的情况下，可以认为增材枪体110与零件的距离等于预设的标准送丝距离(即上述的预设距离)，整个增材制造过程处于正常运行状态。而在该弧压大于或小于预设弧压，或者该弧压与预设弧压的差值小于预设差值的情况下，可以认为增材枪体110与零件的距离大于或小于上述该距离，因此需要对该增材枪体110与零件的距离进行调节。具体地，该控制器140用于在该弧压大于预设弧压的情况下，控制上述的驱动电机运转，以带动该增材枪体110沿该z轴方向下降，直至将该目标距离调节为该预设距离；或者，在该弧压小于该预设弧压的情况下，控制该驱动电机运转，以带动该增材枪体110沿该z轴方向上升，直至将该目标距离调节为该预设距离。需要说明的是，在上述距离调节过程中，该控制器140仅向该驱动电机发送一个上升或下降的控制信号，该驱动电机则带动该增材枪体向控制信号指示的方向移动，直至将该目标距离调节为该预设距离。其中，对于“该预设距离被调节为预设距离”的判断，依然采用监测弧压的方式。具体来说，在上述距离调节过程中控制器140持续监测该焊接电源120的弧压，一旦该弧压达到上述的预设弧压，则认定预设距离被调节为该预设距离，进而向上述的驱动电机发送停止指令，完成该距离调节过程。

可选的，该控制器140还用于在通过该z轴导向组件130调整该增材枪体110与零件的距离后，根据该增材枪体110与零件的距离变化量确定该增材制造参数。优选地，该控制器140用于根据距离变化量与增材制造参数的对应关系，确定该增材制造参数。

示例地，该控制器140能够根据该距离传感器150反馈的距离信息确定在将该目标距离调节为该预设距离后该增材枪体110与零件之间的距离变化量，进而根据该距离变化量和预先设置的距离变化量与增材制造参数之间的对应关系，确定增材制造参数。该机械运动控制柜170，用于根据该控制器140发送的该增材制造参数控制该电弧增材制造设备100继续执行该增材制造过程。该距离传感器150可以为红外测距仪，被设置于该z轴导向组件130上该增材枪体110的临近区域，并且其检测方向指向上述的零件工作台上放置的已打印成形的零件。

示例地，平面a为零件表面，其中，平面a中的区域b为打印缺陷区域，平面a中除区域b的其他部分为区域c。当该增材枪体110移动至该区域b的边缘时，控制器140首先根据弧压检测到区域b为打印缺陷区域，进而执行上述的距离调节过程。需要说明的是，该距离调节过程中存在参数调整响应时间，但该响应时间极短，因此，可以认为在实际的打印过程中增材枪体110的送丝过程(以及焊枪的焊接过程)并未因该距离调节过程而间断。在该响应时间内，该增材枪体110依旧按照距离调节前的增材参数持续打印。在距离调节过程完成后，根据该距离变化量，确定新的增材参数(即上述增材制造参数)继续进行送丝该增材制造过程。该增材枪体110边移动边对该区域b进行填充。当该增材枪体110移动至该区域b的边缘，整个区域b被填充完毕后，此时重复上述的距离调节过程，该增材枪体的高度被恢复至该增材枪体110移动至该区域b的边缘之前的高度，此时增材参数也一同被恢复到该增材枪体110移动至该区域b的边缘之前的增材参数。

可选的，该控制器140中储存有预先设置的多个距离变化量区间的对应关系表，该对应关系表用于表征每个距离变化量区间与增材参数的对应关系。该控制器140可以根据接收到的距离变化量所属的距离变化量区间在该对应关系表中查询到该增材制造参数。具体地，该控制器140通过测距信号线与该距离传感器150连接，并且该控制器140通过距离信号线与该机械运动控制柜170连接，该控制器140用于通过该测距信号线接收该距离变化量；从预先设置的多个变化量区间中确定该距离变化量所处的目标变化量区间，该多个变化量区间中的每个变化量区间对应于预设的增材参数；将该目标变化量区间对应的增材参数作为该增材制造参数；通过该距离信号线将该增材制造参数发送至该机械运动控制柜170。

示例地，图3是根据一示例性实施例示出的一种增材设备的立体结构示意图，参见图3，该z轴导向组件130包括：z轴131；用于对该增材枪体110进行导向的直线导向机构132，该直线导向机构132设在上述z轴131上，该增材枪体110设在该直线导向机构132上；以及，用于驱动该直线导向机构的驱动电机133，该驱动电机133与该直线导向机构132动力连接；该驱动电机133与该控制器140电连接。

可选的，该电弧增材制造设备100还包括安装架180，该直线导向机构132和该驱动电机133均设在该安装架180上。

可选的，该直线导向机构132为滑块导向机构，该直线导向机构132包括至少一个导轨以及设在上述至少一个导轨上的滑块1322，该增材枪体110设在该滑块1322上。

可选的，上述至少一个导轨包括丝杠导轨1321a以及至少一个滑动式导轨1321b，该滑块1322螺纹连接在该丝杠导轨1321a，该滑块1322还滑动连接在上述至少一个滑动式导轨1321b上。

示例地，该安装架包括侧背板181、上沿固定板182和下沿固定板183；其中，该侧背板181平行固定于z轴131上，该上沿固定板182和该下沿固定板183均垂直固定于z轴131上，滑轨固定块1323设置于该侧背板181上，该驱动电机133固定于该上沿固定板182的上方，该丝杠导轨1321a与驱动电机133连接，并且，该丝杠导轨1321a依次贯穿该上沿固定板181、联轴器1324、该滑轨固定块1323和该滑块1322延伸至该下沿固定板183，上述至少一个滑动式导轨1321b由该上沿固定板182依次贯穿该滑轨固定块1323和该滑块1322延伸至该下沿固定板183。连接件190固定于该滑块1322上，该丝杠导轨1321a用于带动该滑块1322沿上述至少一个导轨在该滑轨固定块1323和该下沿固定板183之间移动。

示例地，该滑轨的方向为上述的z轴方向，该驱动电机133可以为伺服电机。当接收到控制器140发送的上升或下降的控制信号后，该驱动电机133开始运转，并带动该丝杠导轨1321a进行转动，该丝杠导轨1321a的转动带动该滑块1322和连接件190通过两个滑动式导轨1321在该滑轨固定块1323和该下沿固定板183之间移动，实现上述增材枪体110的距离调节。

综上所述，本实用新型提供一种增材设备，该增材设备包括：增材枪体、高度控制器、焊接电源和z轴组件，该增材枪体包括：z轴导向组件、连接件和增材枪体，该z轴导向组件设置于该z轴组件上，该增材枪体通过连接件固定于该z轴导向组件上，该高度控制器分别与该焊接电源和该z轴导向组件连接；其中，该高度控制器，用于在该增材设备的增材制造过程中，根据该焊接电源的弧压确定零件与该增材枪体之间的目标距离是否出现异常；在确定该目标距离出现异常的情况下，控制该z轴导向组件带动该增材枪体在z轴方向上移动，以将该目标距离调节为预设送丝距离。能够在增材枪体与待打印的零件之间的距离进行监测和调节，并在距离调节后对零件中存在距离异常的部分进行修正，避免距离异常造成的设备故障和打印缺陷，提高增材设备的打印效率和打印精度。

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。

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。

尽管在此结合各实施例对本实用新型进行了描述，然而，在实施所要求保护的本实用新型过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本实用新型进行了描述，显而易见的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本实用新型的示例性说明，且视为已覆盖本实用新型范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。