用于野外环境受损金属零件快速修复的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于增材制造技术，特别涉及一种用于野外环境下快速制造和修复受损金属零件的装置。
【背景技术】
[0002]野外环境下设备后勤保障要求受损零件能够快速修复或更换，以实现设备功能的快速恢复。但是野外环境受损零件无法预知，传统设备维护方式是携带易损备件。但经常遇到的情况是，带上的没损坏，损坏的没带上，这就要求修复设备具有足够的柔性，能适用于不同尺寸、形状的零件修复。此外，修复装备在野外环境下需要快速转运，要求设备运输过程中所占重量、空间尽可能小。金属激光直接成形技术是属于增材制造技术的一种，是以激光作为加工热源，以金属粉末为加工原料，在金属材料上逐层堆积，制造出形状复杂且力学性能优异的金属零件。熔覆层与基体之间为冶金结合，强度高，激光热源热输入、热影响区小。因此，该技术可直接应用于受损零件的快速修复。金属激光直接成形过程无切削力等外力作用，机械结构简单，通过结构的优化设计可实现重量减轻、结构折叠、并能实现在线修复及直接制造零件，特别适用于野外环境对修复设备的要求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了满足野外环境对后勤保障设备的要求，提供一种便携、可折叠并具有在线三维反求功能的受损金属零件快速修复的装置，为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的:
[0004]激光加热模块、折叠式三轴运动模块、粉末输送模块、无手套箱的气体保护模块、在线三维反求模块、电气控制模块组成，其特征在于:激光加热模块的聚焦准直部分和粉末输送模块的喷嘴、粉末输送模块的分粉器安装于折叠式三轴运动模块的Z轴上;无手套箱的气体保护模块通过管路接通粉末输送模块的送粉器与喷嘴;在线三维反求模块的转台与折叠式三轴运动模块的Z轴滑台采用相同的接口安装于折叠式三轴运动模块的Y轴滑台上，并可随之折叠转动；电气控制模块的运动控制卡通过其端子板实现对其他模块的控制。
[0005]折叠式三轴运动模块是采用悬臂式结构布置，其中双层十字转接板连接X轴与Y轴，以Y轴滑台作为扫描相机转台和Z轴的安装的公共接口，Z轴通过YZ转接板与Y轴相连，Z轴滑台上安装粉末输送模块的分粉器和喷嘴、激光加热模块的准直镜和聚焦镜，并随Z轴一起折叠。
[0006]无手套箱的气体保护模块采用气体管路将氮气发生器产生的气体依次通过节流阀、减压阀、流量计后:一路氮气进入粉末输送模块作为粉末输送的载气，另一路氮气进入粉末输送模块的喷嘴。
[0007]在线三维反求模块的相机安装到云台上，云台与转台相连，转台安装到Y轴滑台上。
[0008]本发明与现有的设备相比主要优点有:
[0009]本发明将丝杠驱动的三轴运动模块设计为悬臂式可折叠结构，在运输过程中所占空间减少30%以上。
[0010]本发明将在线三维扫描反求技术与激光金属直接成形技术结合，实现受损金属零件三维扫描-反求受损模型-坐标系匹配-自动加工的过程。
[0011]本发明采取无手套箱的气体保护，使设备可应用于受损金属零件的在线修复，采用气体保护以防止金属在高温条件下被氧化。
[0012]本发明采用氮气发生器从空气中直接制取的氮气作为熔池的保护气体，解决了野外环境的金属零件激光修复的保护气气源问题。
【附图说明】
[0013]图1是本发明装置的打开状态结构图。
[0014]图2是本发明装置的折叠状态结构图。
[0015]图3是本发明装置的三维反求状态结构图。
[0016]图1?图3中:I是氮气发生器，2是运动平台底座，3是双层十字转接板，4是Y轴，5是X轴，6是送粉器，7是水冷机，8是电气控制模块的电控箱，9是激光器，10是电气控制模块的工业控制计算机，11是YZ转接板，12是Z轴，13是分粉器，14是准直镜，15是聚焦镜，16是喷嘴，17是转台，18是75:台，19是二维扫描相机。
[0017]图4是YZ运动轴的折叠机构YZ转接板，其中20为转轴，23为锁紧螺栓，21为Z轴转接板，22为Y轴转接板；图5为XY运动轴的折叠机构双层十字转接板，其中24为转轴，27为锁紧螺母，25为Y轴转接板，26为X轴转接板。
【具体实施方式】
[0018]—种应用于野外环境的轻量化、可折叠的受损金属零件快速修复装置，其打开、折叠和三维反求状态分别参考图1、图2和图3，包括激光加热模块、折叠式三轴运动模块、粉末输送模块、无手套箱气体保护模块、在线三维反求模块、电气控制模块等组成。
[0019]参考图1，受损金属零件快速修复设备的折叠式三轴运动模块以悬臂式方式布置，附图1中2是设备底座，是整台设备的基础，封闭式直线运动单元4、5、12、转接板3、11组成了执行运动、折叠的部件，X轴5安装于底座上，Y轴4通过图5中的XY运动轴折叠机构与X轴相联，Y轴为悬臂式结构安装于双层十字转接板上，并可绕双层十字转接板的中间转轴24转动，Z方向运动轴12通过图4中的YZ转接板与Y轴相连，并可绕YZ转接板的转轴20转动，喷嘴安装座14安装于Z轴12上;激光器9通过光纤将激光束输送至安装于喷嘴安装座14上的聚焦镜15，经聚焦后汇聚于一点，构成激光加热模块;无手套箱气体保护模块的氮气发生器I产生氮气，通过管路将一路气体输送至喷嘴16作为熔池的保护气，另一路经减压阀、流量计进入送粉器6作为载气将粉末输送至分粉器13进入喷嘴16后汇聚于一点，该点与光斑重合，为加工过程提供原料，其中分粉器13、喷嘴16安装于喷嘴安装座14上；由工控机10和电控箱8组成的电气控制模块根据导入的三维实体模型或经过坐标转换的三维反求模型，进行分层、加工路径规划等数据处理，将控制指令通过端子板给激光器、折叠式三轴运动平台以控制指令，并由折叠式三轴运动平台带动喷嘴按照路径规划结果和设定的加工参数执行加工过程。
[0020]参考图2，在非工作状态为减少运输过程中设备所占空间，运动模块采用折叠式结构设计，其中Z轴12通过YZ折叠机构中的Z轴转接板21绕转轴20进行转动90°后依靠转接板上的凹槽实现定位，并用快拆螺栓实现锁紧，即实现Z轴的折叠;X轴5与Y轴4与通过图5中的XY折叠机构中的Y轴转接板26绕转轴24转动90°后，采用凸台定位，并用快拆螺栓锁紧，即实现折叠，折叠状态见图2.
[0021]参考图3，图3为装置的三维反求状态，三维反求状态时拆下YZ转接板与Z轴12，将由相机19、云台18安装于转台17上，转台安装于Y轴4的滑台上；图中19为相机，用于扫描出出零件的三维模型进而反求缺损部位模型，图中18为三轴云台，用于调节相机角度；图中17为单轴转台和运动平台配合带动相机绕工作台上的工件转动一周，扫描出工作台上零件的三维模型，在电控模块作用下由运动平台和转台17驱动相机绕工作台转动一周，扫描工作台上的工件，将扫描得到的零件模型与设计模型对比得到缺损部位的模型，将缺损部位的模型通过蓝牙传输到电气控制模块的工控机，在工控机上的控制软件中进行坐标转换得到缺损模型在设备坐标系中的位置，进而根据数据处理结果控制激光金属修复设备将缺损部位进行修复。
【主权项】
1.一种用于野外环境受损金属零件快速修复的装置，包括:激光加热模块、折叠式三轴运动模块、粉末输送模块、无手套箱的气体保护模块、在线三维反求模块、电气控制模块组成，其特征在于:激光加热模块的聚焦准直部分和粉末输送模块的喷嘴、粉末输送模块的分粉器安装于折叠式三轴运动模块的Z轴上;无手套箱的气体保护模块通过管路接通粉末输送模块的送粉器与喷嘴;在线三维反求模块的转台与折叠式三轴运动模块的Z轴滑台采用相同的接口安装于折叠式三轴运动模块的Y轴滑台上，并可随之折叠转动；电气控制模块的运动控制卡通过其端子板实现对其他模块的控制。2.根据权利要求1所述的一种用于野外环境受损金属零件快速修复的装置，其特征在于，折叠式三轴运动模块是采用悬臂式结构布置，其中双层十字转接板连接X轴与Y轴，以Y轴滑台作为扫描相机转台和Z轴的安装的公共接口，Z轴通过YZ转接板与Y轴相连，Z轴滑台上安装粉末输送模块的分粉器和喷嘴、激光加热模块的准直镜和聚焦镜，并随Z轴一起折置。3.根据权利要求1所述的一种用于野外环境受损金属零件快速修复的装置，其特征在于，无手套箱的气体保护模块采用气体管路将氮气发生器产生的气体依次通过节流阀、减压阀、流量计后:一路氮气进入粉末输送模块作为粉末输送的载气，另一路氮气进入粉末输送模块的喷嘴。4.根据权利要求1所述的一种用于野外环境受损金属零件快速修复的装置，其特征在于，在线三维反求模块的相机安装到云台上，云台与转台相连，转台安装到Y轴滑台上。
【专利摘要】本发明公开了一种用于野外环境受损金属零件快速修复的装置，激光加热模块的聚焦准直部分和粉末输送模块的喷嘴、粉末输送模块的分粉器安装于折叠式三轴运动模块的Z轴上；无手套箱的气体保护模块通过管路接通粉末输送模块的送粉器与喷嘴；在线三维反求模块的转台与折叠式三轴运动模块的Z轴滑台采用相同的接口安装于折叠式三轴运动模块的Y轴滑台上，并可随之折叠转动；电气控制模块的运动控制卡通过其端子板实现对其他模块的控制。本发明方便携带、可折叠并具有在线三维反求功能。
【IPC分类】B22F3/105
【公开号】CN105499565
【申请号】CN201510874465
【发明人】李涤尘, 张安峰, 李帅, 张连重, 张文龙
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月2日