高熔点金属电弧喷涂智能制造系统的制作方法

专利名称：高熔点金属电弧喷涂智能制造系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及先进制造领域中的快速模具型壳的制造装备，特别涉及一种高熔点金属电弧喷涂智能制造系统。
背景技术：
金属电弧喷涂快速制模技术是一种基于“复制”的制模技术，它以一个实物模型 (或称为原型)作为母模，以电弧为热源，通过高速气流将熔融状态的金属材料雾化，并使其喷射、沉积在母模表面上，形成一定厚度的致密金属型壳，即模具型壳。模具型壳精确拷贝了原型的形状，获得了所需的模具型腔，在完成补强、脱模、抛光等后处理工艺后，即可完成模具的快速制造。电弧喷涂模具制造完成后一般不再需要另外的机械加工，就可以直接用于成形制造。根据实际情况与需要也可以进行少切削量的数控精加工，因此，电弧喷涂制模技术实质上是一种“近净成形制模技术”。金属喷涂模具以母模为标准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于母模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，故制模速度快，制造周期短，成本低，同时拥有较长的模具寿命，制造周期约为传统数控加工的一半，制造费用可以节省至少25%以上，成为新产品开发及小批量生产的重要途径。模具表面光洁度好，工艺简单，设备要求低，比较适合于注射成型模、压铸模、板料冲压模的快速制造，在表面形状复杂及具有精细花纹的各种聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU发泡及各类注射成型模具中，花纹复制的特征细节甚至可以达至Ij 5 μ m0目前该快速模具制造技术己被广泛地应用于飞机、汽车、家电、家具、制鞋、美术工艺品等行业。在美国及中国东南沿海，几乎所有的聚氨酯鞋底制造商在其自动成型生产设备上都采用了电弧喷涂模具进行生产。在汽车制造中，可以用来生产驾驶盘、汽车仪表盘、 坐垫、头部靠垫、阻流板、汽车内饰顶蓬等。近年来，电弧喷涂制模技术已经开始用于制造汽车覆盖件冲压模具，喷涂材料不同，喷涂模具的强度、硬度、精度和寿命也不尽相同，因而应用范围也存在差异，有的适合用于汽车样车的试制，有的甚至可以在生产线上替代传统的钢模具进行生产。在国内，喷涂制模的材料主要是中低熔点金属，西安交通大学和烟台机械工艺研究所为国内最早的研发单位，西安交通大学先进制造技术研究所，自90年代以来，对表面成型制模技术、低熔点合金浇铸成型制模技术以及模具树脂制模技术等快速制模工艺进行了长期的研究和实践，并在金属电弧喷涂成型快速制模技术上拥有发明专利 (ZL200810232335. 0 ；ZL03134501. 8)。在长安汽车、洛阳一拖、上海中顺、柳州微汽等企业应用。经试制检验，合格的快速模具的3D数据用于制造大批量生产用钢模具，可避免在钢模具的设计和制作上的反复，保证钢模具一次加工成功。用于电弧喷涂工艺的金属丝材根据熔点的高低可分为低熔点材料、中熔点材料和高熔点材料。在用电弧喷涂技术制造快速模具时，型腔金属壳体的厚度要在3mm以上，中、 高熔点的熔融金属颗粒沉积到母模上后会释放出较多热量，使母模发生热变形，降低了模具型腔的复制精度，并可能导致金属涂层在尚未达到要求厚度时就发生翘曲或开裂；低熔点金属或合金丝材对母模的热影响小，可减轻熔融金属颗粒对母模的影响，减少母模热变形，提高模具的精度，因而锌、巴氏合金等低熔点材料较多地用于快速模具的制作。但这种低熔点材料的模具寿命较低，只能用于小批量试生产，若要提高喷涂模具的寿命，可以先在母模上喷一层低熔点材料以增强母模的耐热性，然后再喷钢或其他强度较高的合金，以增强模具的强度，从而提高模具的寿命。高熔点、高硬度材料的电弧喷涂技术在金属母模上比较容易实现，但在非金属母模表面制造模具型壳，工艺上存在较大困难。例如，碳素钢、合金钢等高熔点金属在喷涂时型壳收缩率、热应力、孔隙率都比较大，型壳易开裂、翘曲、剥落，模具型壳制造困难，工艺参数控制难以掌握，模具型壳变形和内应力都较大，无法满足工业生产需要。制造高熔点、高硬度的金属涂层不可能依靠手工喷涂实现，喷涂制模工艺中喷嘴的运动参数、电弧喷涂工艺参数以及涂层和基体的温度等都需要根据特定的目标进行精确控制，智能电弧喷涂系统是实现高熔点、高硬度金属电弧喷涂快速制模的根本保证。发明专利“一种高熔点金属电弧喷涂快速制模方法(专利号为 ZL200810232335. 0) ”只是介绍了根据产品的形状和尺寸确定母模基体的形状和尺寸，以耐高温陶瓷原料制作无焙烧陶瓷母模基体，通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表面，按照设计参数，使喷嘴能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作用，从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达到10 20mm，得到母模的金属型壳。至于承载母模基体的工作台的结构和运动特点、带动喷嘴运动的动力头结构和运动方式以及工作台是否对母模具有加热性能都未作详细的介绍和说明；发明专利“金属电弧喷涂快速制造汽车覆盖件模具专用机器人(专利号为ZL03134501.8)”公开了一种用于制造汽车覆盖件冲压模具的金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人，该机器人将电弧喷涂与电刷镀两种工艺集成，机器人为五自由度直角坐标型结构，定位机构采用龙门式结构，具有三个移动自由度用于实现喷涂/刷镀工作点的空间定位，手腕具有两个转动自由度，用于喷嘴或刷笔的空间姿态的调整，手腕部分为双平行四边形机构，实现转动自由度与移动自由度的解耦。该机器人的特点是以床身、立柱、横梁作为支承部件，按照X、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理形成喷嘴的加工表面轨迹，但这种串联机器人喷嘴的运动精度是各运动构件简单的线性累加，因此运动精度低，可靠性差，控制机构复杂，结构复杂，重量大，模块化程度不高，严重制约了大型复杂模具快速制造工艺的推广应用。

发明内容
本发明针对现有技术高熔点金属电弧喷涂快速制模技术存在的不足，提供一种高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，它结构合理，使用方便，模块化程度高，成本低。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，它主要由设备本体，六自由度并联平台， 三自由度摆头，母模加热装置以及控制计算机组成；其中设备本体的底座上设有装卡母模的六自由度并联平台，在设备本体的横梁上装有三自由度摆头，三自由度摆头装有喷嘴且与六自由度并联平台的动平台相对并配合工作，在六自由度并联平台的动平台设有母模加热装置，同时三自由度摆头随横梁沿着立柱进行Z轴方向进给运动；六自由度并联平台、三自由度摆头、母模加热装置均与控制计算机连接。所述六自由度并联平台是包括安装在底座上的定平台，六个伸缩杆的一端与定平台连接，另一端与动平台连接，通过伸缩杆的伸缩调整动平台的姿态，实现六自由度调整， 同时各伸缩杆均与控制计算机连接。所述伸缩杆结构相同，均包括气缸，气缸一端通过虎克铰与定平台连接；另一端的活塞杆通过球形万向节与动平台连接；气缸采用双作用带阀气缸，其两端采用电气伺服阀与设备的气压驱动装置相连，电气伺服阀在计算机控制下向气缸内输送压力气体或排除气体以实现动作循环；在气缸上还设有位置检测传感器，通过外接计数器与控制计算机相联系；通过改变各个活塞杆的伸缩长度，带动上面的动平台做平移、升降、绕三维坐标轴摆转以及各种复合运动，进而带动母模实现六自由度复杂曲面的位姿定位。所述设备本体包括底座，底座一侧设有立柱，在立柱上设有升降运动的横梁，横梁的驱动装置与控制系统连接。所述三自由度摆头主要由上支架和下支架通过两个转动副串联所得，其中上支架上端与横梁相连，随横梁沿Z向运动；上支架下端装有转动轴I，转动轴I与下支架采用相应的键I连接，转动轴I位于上支架内的两端分别安装在滚动轴承上，实现相对转动，在滚动轴承处设有轴承端盖；下支架下端装有转动轴II，转动轴II与喷头之间采用相应的键I连接，转动轴II 位于下支架内的两端分别安装在相应的滚动轴承上，实现相对转动，在滚动轴承处设有轴承端盖；喷头与喷嘴固结；转动轴I与下支架间以及喷头与转动轴II之间分别设有轴向定位装置；转动轴I和转动轴II分别通过各自的传动装置I和传动装置II与相应的动力装置连接；两动力装置与控制计算机连接。所述动力装置均为伺服电机，分别安装在上支架和下支架相应的大端盖上；传动装置I和传动装置II结构相同，均包括主动齿轮，它通过键III装在伺服电机转轴上，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮通过键II装在转动轴II或转动轴I上；各伺服电机通过各自的伺服驱动器与控制计算机连接，在各伺服电机上还设有光电编码器，光电编码器与控制计算机连接。所述轴向定位装置为安装在转动轴I和转动轴II上的轴用弹性挡圈。所述母模加热装置为电磁加热器，它通过隔热陶瓷块放置在动平台上；母模基体温度和涂层温度由温度传感器实时检测，检测的温度数据反馈给电磁控制器，电磁控制器与控制计算机连接，控制计算机通过电磁控制器控制电磁加热器对加热温度进行实时控制。本发明系统具有母模六自由度并联平台的位姿定位，喷嘴具有两个方向转动和一个纵向移动的空间姿态调整；在六自由度并联平台的动平台上设有加热装置，可对母模进行电磁加热、温度可以实时控制。本发明的有益效果是具有运动精度高，控制系统精确可靠，设备本体结构简单， 模块化程度高，成本低，可对母模进行九自由度的联动喷涂作业，不仅可实现任意复杂曲面母模基体的喷涂作业，而且可实现对大型母模基体，特别是大型汽车覆盖件基体的喷涂加工，具有明显的经济和社会效应。


图1为高熔点金属电弧喷涂智能制造系统主视图；图2为高熔点金属电弧喷涂智能制造系统左视图；图3为伸缩杆结构图；图4为三自由度摆头结构图；图5为伺服电机控制框图；图6为伸缩杆控制框图；图7为加热装置控制框图。其中，1-横梁，2-上支架，3-下支架，4-喷头，5-喷嘴，6-动平台，7-底座，8-立柱， 9_球形万向节，10-活塞杆，11-气缸，12-虎克铰，13-定平台，14-转动轴I，15-键I，16-轴用弹性挡圈，17-轴承端盖，18-从动齿轮，19-键II，20-键III，21-伺服电机，22-大端盖， 23-主动齿轮，24-滚动轴承，25-转动轴II。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。图1中，本发明的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，是由五部分组成，即设备本体，六自由度并联平台，三自由度摆头，母模加热装置以及控制计算机组成，在设备本体的底座7上设有装卡母模的六自由度并联平台，在设备本体的横梁1上装有三自由度摆头，三自由度摆头装有喷嘴5且与六自由度并联平台的动平台6相对安装，在六自由度并联平台的动平台6设有母模加热装置，同时三自由度摆头能随横梁1沿着立柱8进行Z轴方向进给运动。结合图1和图2可见，六自由度并联平台是由动平台6，定平台13和六个伸缩杆组成，六自由度并联平台的定平台13固定在设备本体的底座7上面，与上面的动平台6相对。 动平台6和定平台13之间有六个伸缩杆。结合图3可见，这种伸缩杆主要由气缸11和活塞杆10构成，气缸11采用双作用带阀气缸，其两端采用电气伺服阀与设备的气压驱动装置相连，可在控制计算机控制下向气缸11内输送或排除气体以实现动作循环。在气缸11上还设有位置检测传感器，通过外接计数器与控制计算机相联系。气缸11下端与定平台13 通过虎克铰12相连接，活塞杆10上端和动平台6通过球形万向节9相连接，通过改变六个伸缩杆中活塞杆10的伸缩长度，带动上面的动平台6做平移、升降、绕三维坐标轴摆转以及各种复合运动，进而带动母模实现六自由度复杂曲面的位姿定位。结合图1，图2可见，设备本体是由横梁1，立柱8，底座7构成，横梁1可沿立柱8 上下运动，驱动横梁1上下运动的驱动装置与控制计算机连接。结合图4可见，所述三自由度摆头主要由上支架2和下支架3通过两个转动副串联所得，其中上支架2上端与横梁1相连，随横梁1沿Z向运动；上支架2下端装有转动轴114，转动轴114与下支架3采用相应的键115 (由于转动轴114、转动轴1125的结构相同，它们各自的传动装置也相同，因此仅在图中给出了转动轴1125及其传动装置II的结构，转动轴I和传动装置I的结构未画)连接，转动轴114位于上支架2内的两端分别安装在滚动轴承M上，实现相对转动，在滚动轴承处M设有轴承端盖17 ；下支架3下端装有转动轴1125，转动轴1125与喷头4之间采用相应的键115连接，转动轴Π25位于下支架3内的两端分别安装在相应的滚动轴承M上，实现相对转动， 在滚动轴承M处设有轴承端盖17 ；喷头4与喷嘴5固结；转动轴114与下支架3间以及喷头4与转动轴1125之间分别设有轴向定位装置；转动轴114和转动轴1125分别通过各自的传动装置I和传动装置II与相应的动力装置连接；两动力装置与控制计算机连接。所述动力装置均为伺服电机21，分别安装在上支架2和下支架3相应的大端盖22 上；传动装置I和传动装置II结构相同，均包括主动齿轮23，它通过键II20I装在伺服电机21转轴上，主动齿轮23与从动齿轮18啮合，从动齿轮18通过键1119装在转动轴1125 或转动轴114上；各伺服电机21通过各自的伺服驱动器与控制计算机连接，在各伺服电机 21上还设有光电编码器，光电编码器与控制计算机连接。所述轴向定位装置为安装在转动轴114和转动轴1125上的轴用弹性挡圈16。由于六自由度并联平台的工作范围有限，当伸缩杆处于最大极限位置时，防止无法实现对小体积模具的喷涂处理，故使得三自由度摆头所在横梁1能够实现Z向进给运动。高熔点金属电弧喷涂智能制造系统的三自由度摆头的两方向的旋转运动以及Z 方向的移动由伺服电机驱动、六自由度并联平台伸缩杆的运动由气压驱动控制。工作过程如下将所要喷涂的母模的三维模型导入计算机中，经过计算机的分析生成加工控制的程序，然后分配给各个驱动源的控制器，实现每个运动部件的运动，然后经过运动合成，实现动平台6的六个自由度的运动以及摆头的三个自由度的运动。结合图5可见，伺服电机17的运动控制过程如下控制计算机分配的单个运动参数送给该伺服电机17的伺服驱动器，然后由伺服驱动器控制伺服电机17的运动，经过伺服电机17的尾部的光电编码器的监测，将所测得速度和转角信息送给控制计算机内，由控制计算机分析下一脉冲的运动补偿量，对下次运动进行修正。结合图6可见，伸缩杆的运动控制过程如下控制计算机分配的单个运动参数送给该动力源的控制器，控制器发出的信号经过D/A转换，送入电气伺服阀，控制伸缩杆的运动，经过气缸11上的位置检测传感器的监测将脉冲信号送入计数器，之后计数器中的计数值送入控制计算机分析，对下次运动进行补偿，实现伸缩杆的位置精确运动。高熔点金属电弧喷涂智能制造系统的母模加热装置具有电磁加热、温度可以实时控制的功能。在动平台6上放置隔热陶瓷块，陶瓷块之上放置母模加热装置，母模加热装置为电磁加热器，将母模放置在电磁加热器中，在喷涂前可对母模进行预热，去除母模中所含的水分；在喷涂过程中，可以对母模基体和金属涂层进行温度控制，在母模保持相变所需温度下进行喷涂，保证碳钢涂层组织转变所需的温度和时间要求，使沉积的金属完成组织转变，获得所需的涂层组织。母模基体温度和涂层温度由温度传感器实时检测，检测的温度数据反馈给电磁控制器，对温度进行实时控制。喷涂结束后，依据需要可在保温一段时间后， 根据一定的冷却策略冷却到室温。图7中，母模加热装置的温度控制过程如下将喷涂所需要的温度值输入电磁控制器，经过电磁控制器对交流电的整流变成直流电，再将直流电转换为频率为20-40KHZ的高频高压电送入电磁加热器进行加热，电磁加热器上的温度传感器对温度实现在线监测， 将监测信号送入电磁控制器对控制信号进行修整，以实现温度的恒定。
权利要求
1.一种高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，它主要由设备本体，六自由度并联平台，三自由度摆头，母模加热装置以及控制计算机组成；其中设备本体的底座上设有装卡母模的六自由度并联平台，在设备本体的横梁上装有三自由度摆头，三自由度摆头装有喷嘴且与六自由度并联平台的动平台相对并配合工作，在六自由度并联平台的动平台设有母模加热装置，同时三自由度摆头随横梁沿着立柱进行Z轴方向进给运动；六自由度并联平台、三自由度摆头、母模加热装置均与控制计算机连接。
2.如权利要求1所述的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，所述六自由度并联平台是包括安装在底座上的定平台，六个伸缩杆的一端与定平台连接，另一端与动平台连接，通过伸缩杆的伸缩调整动平台的姿态，实现六自由度调整，同时各伸缩杆均与控制计算机连接。
3.如权利要求2所述的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，所述伸缩杆结构相同，均包括气缸，气缸一端通过虎克铰与定平台连接；另一端的活塞杆通过球形万向节与动平台连接；气缸采用双作用带阀气缸，其两端采用电气伺服阀与设备的气压驱动装置相连，电气伺服阀在计算机控制下向气缸内输送压力气体或排除气体以实现动作循环； 在气缸上还设有位置检测传感器，通过外接计数器与控制计算机相联系；通过改变各个活塞杆的伸缩长度，带动上面的动平台做平移、升降、绕三维坐标轴摆转以及各种复合运动， 进而带动母模实现六自由度复杂曲面的位姿定位。
4.如权利要求1所述的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，所述设备本体包括底座，底座一侧设有立柱，在立柱上设有升降运动的横梁，横梁的驱动装置与控制系统连接。
5.如权利要求1所述的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，所述三自由度摆头主要由上支架和下支架通过两个转动副串联所得，其中上支架上端与横梁相连，随横梁沿Z向运动；上支架下端装有转动轴I，转动轴I与下支架采用相应的键I连接，转动轴I位于上支架内的两端分别安装在滚动轴承上，实现相对转动，在滚动轴承处设有轴承端盖；下支架下端装有转动轴II，转动轴II与喷头之间采用相应的键I连接，转动轴II位于下支架内的两端分别安装在相应的滚动轴承上，实现相对转动，在滚动轴承处设有轴承端盖；喷头与喷嘴固结；转动轴I与下支架间以及喷头与转动轴II之间分别设有轴向定位装置；转动轴I和转动轴II分别通过各自的传动装置I和传动装置II与相应的动力装置连接；两动力装置与控制计算机连接。
6.如权利要求1所述的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，所述动力装置均为伺服电机，分别安装在上支架和下支架相应的大端盖上；传动装置I和传动装置II结构相同，均包括主动齿轮，它通过键III装在伺服电机转轴上，主动齿轮与从动齿轮啮合， 从动齿轮通过键II装在转动轴II或转动轴I上；各伺服电机通过各自的伺服驱动器与控制计算机连接，在各伺服电机上还设有光电编码器，光电编码器与控制计算机连接。
7.如权利要求5所述的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，所述轴向定位装置为安装在转动轴I和转动轴II上的轴用弹性挡圈。
8.如权利要求1所述的高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，其特征是，所述母模加热装置为电磁加热器，它通过隔热陶瓷块放置在动平台上；母模基体温度和涂层温度由温度传感器实时检测，检测的温度数据反馈给电磁控制器，电磁控制器与控制计算机连接，控制计算机通过电磁控制器控制电磁加热器对加热温度进行实时控制。
全文摘要
本发明公开了一种高熔点金属电弧喷涂智能制造系统，它结构合理，使用方便，模块化程度高，成本低。它主要由设备本体，六自由度并联平台，三自由度摆头，母模加热装置以及控制计算机组成；其中设备本体的底座上设有装卡母模的六自由度并联平台，在设备本体的横梁上装有三自由度摆头，三自由度摆头装有喷嘴且与六自由度并联平台的动平台相对并配合工作，在六自由度并联平台的动平台设有母模加热装置，同时三自由度摆头随横梁沿着立柱进行Z轴方向进给运动；六自由度并联平台、三自由度摆头、母模加热装置均与控制计算机连接。它不仅可实现任意复杂曲面母模基体的喷涂作业，而且可实现对大型母模基体，特别是大型汽车覆盖件基体的喷涂加工，具有明显的经济和社会效应。
文档编号C23C4/12GK102443755SQ201110403558
公开日2012年5月9日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者丁玉成, 李长河, 王胜 申请人:青岛理工大学