CN109604779A - 电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置 - Google Patents

电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，该装置包括传动装置、月牙形夹板装置、连杆装置、夹紧装置，通过步进电机提供驱动力，夹紧装置固定导丝管，传动装置带动月牙形夹板装置、连杆装置、夹紧装置绕焊枪旋转，最终使焊枪与导丝管稳定维持前送丝的状态，此外，通过调节连杆装置可以调整导丝管和焊枪之间的角度，提高构件堆积成形质量；本发明提供电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，充分发挥焊枪运动的灵活性，解决了采用旁轴送丝方式制备复杂路径金属构件时难以稳定维持前送丝状态的难题，增加了堆积效率，显著提高成形路径复杂构件的堆积成形质量。

Description

电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置
技术领域
本发明属于金属构件增材制造技术领域，具体涉及一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置。
背景技术
电弧填丝增材制造是采用焊接电弧作为热源，金属丝材作为填充材料，基于逐层堆积的方式获得金属构件的一种制造技术。因其具有沉积速率高、设备成本低和材料利用率高等优点，所以在航空航天、汽车、船舶等领域具有广阔的应用前景。
目前常用的电弧填丝增材制造热源有：熔化极气体保护电弧(Gas Metal Arc，GMA)、钨极惰性气体电弧(Gas Tungsten Arc，GTA)和等离子体弧(Plasma Arc，PA)。送丝方式可分为同轴送丝和旁轴送丝；相比于同轴送丝，旁轴送丝具有热输入和送丝速度可以独立调节、电弧稳定和熔覆率高等优点。若采用旁轴送丝方式，根据导丝管与焊枪的相对位置，又分为前送丝、侧送丝和后送丝。基于前送丝方式进行堆积时，丝材直接送入电弧中，可显著增大丝材堆积效率。而以侧送丝或后送丝方式进行堆积时，丝材易送入熔池中，由于熔池温度远低于电弧温度，丝材熔化效率降低，常造成“扎丝”现象，导致堆积构件成形不良，降低堆积效率，甚至阻断增材制造过程。所以，在进行电弧填丝增材制造旁轴送丝时应尽量选择前送丝方式进行堆积。
而在复杂路径的堆积构件成形过程中，焊枪与导丝管难以始终维持前送丝状态，从而对制造过程产生很大影响。为解决这一难题，亟需提出一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，以解决采用旁轴送丝方式时难以稳定维持前送丝状态这一技术难题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于解决采用旁轴送丝方式时难以稳定维持前送丝状态这一技术难题，提供一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，包括：传动装置、月牙形夹板装置、连杆装置、夹紧装置；
所述传动装置包括步进电机1、第一主轴2、主动齿轮3、焊枪4、套环5、紧固螺钉6、垫圈7、第一轴承8、T形从动齿轮9、第二轴承10，所述步进电机1的输出端固定连接第一主轴2，第一主轴2的下端面与主动齿轮3固定连接，步进电机1用于为传动装置提供驱动力；所述主动齿轮3与T形从动齿轮9相啮合；所述T形从动齿轮9内壁的上端设有第一轴承8，下端设有第二轴承10，第一轴承8与第二轴承10用于支撑T形从动齿轮9，降低T形从动齿轮9运动过程中与焊枪4的摩擦系数，并保证T形从动齿轮9的传动精度；所述第一轴承8与第二轴承10的内孔与焊枪4配合，T形从动齿轮9带动第一轴承8与第二轴承10绕焊枪4旋转；所述第二轴承10的下部设有套环5，套环5的上端面支撑第一轴承8、T形从动齿轮9与第二轴承10；所述套环5套设于焊枪4外部；所述第二轴承10和套环5之间设有垫圈7，套环5上设有延伸至焊枪4外表面的横向螺纹孔，横向螺纹孔中设有紧固螺钉6用于固定套环5的位置；
所述月牙形夹板装置安装在T形从动齿轮9的下部，月牙形夹板装置的一端与T形从动齿轮9固定连接，另一端连接连杆装置与夹紧装置；所述月牙形夹板装置包括2个平行的月牙形夹板11，所述月牙形夹板11两侧设有螺纹孔，夹板螺钉12穿过月牙形夹板11的螺纹孔与紧固螺母13连接；所述紧固螺母13用于调整两月牙形夹板11的间距；每个月牙形夹板中间分别设有延伸至T形从动齿轮9外表面的螺纹孔，第二主轴14穿过任意一个螺纹孔至T形从动齿轮9外表面后与月牙形夹板装置固定连接；
所述连杆装置包括第二主轴14、开槽盘头螺钉15、紧固螺母16、垫圈17、第三主轴18，所述第二主轴14上设有垫圈17，第二主轴14和第三主轴18之间通过垂直穿设于该两个主轴之间的开槽盘头螺钉15和紧固螺母16铰接，开槽盘头螺钉15和紧固螺母16用于固定第二主轴14与第三主轴18之间的夹角；所述第二主轴14通过月牙形夹板11的螺纹孔与月牙形夹板装置配合连接；所述连杆装置用于调节焊枪4与导丝管21之间的夹角；所述第三主轴18与第四主轴20通过垂直穿设于该两个主轴内部的开口销19连接在一起；
所述夹紧装置包括第四主轴20、导丝管21与紧定螺钉22，所述第四主轴20上设有与导丝管21配合的通孔，导丝管21垂直于第四主轴20的轴线方向穿过所述通孔，第四主轴20底部沿轴线方向设有延伸至导丝管21外表面的螺纹孔，紧定螺钉22穿过所述螺纹孔将导丝管21固定。
作为优选方式，主动齿轮3与T形从动齿轮9之间采用1：n的传动比，n＝3-6。n设定为3-6是因为n过小，则降低电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置的传动精度，n过大，致使T形从动齿轮9体积过大，增加套环5的负载，从而导致电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置难以保持稳定。
作为优选方式，第二主轴14的轴线与第三主轴18的轴线之间的夹角θ1为120°-160°。θ1设定为120°-160°是因为θ1过小，增材制造的金属构件无法成形，θ1过大，增材制造过程中，溶滴易偏出金属构件的预定成形路径。
作为优选方式，焊枪4与导丝管21之间的夹角θ2为20°-60°。θ2＝180°-θ1，θ2设定为20°-60°是因为θ2过小，增材制造过程中，溶滴易偏出金属构件的预定成形路径，θ2过大，增材制造的金属构件无法成形。
作为优选方式，第一主轴2的下端与主动齿轮3采用过盈配合，将主动齿轮3固定在第一主轴2的端部。
作为优选方式，所述步进电机1通过键与第一主轴2的上端连接。
本发明的有益效果为：本发明设计的电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，通过步进电机提供驱动力，进而带动导丝管绕焊枪旋转，最终使焊枪与导丝管维持前送丝的状态，避免了增材制造过程由于送丝方向改变而产生的“扎丝”、融合效率不足等缺陷。通过调节连杆装置，可以调整导丝管与焊枪之间的夹角，提高构件成形质量。本发明充分发挥了焊枪运动的灵活性，增大了堆积效率与成形质量，提高了复杂路径构件电弧增材制造的工艺性。。
附图说明
图1为电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置整体结构示意图；
图2为T形从动齿轮-轴承配合剖面图；
图3为月牙形夹板装置结构示意图；
图4为连杆装置结构示意图；
图5为导丝管夹紧装置结构示意图。
1为步进电机、2为第一主轴、3为主动齿轮、4为焊枪、5为套环、6为紧固螺钉、7为垫圈、8为第一轴承、9为T形从动齿轮、10为第二轴承、11为月牙形夹板、12为夹板螺钉、13为紧固螺母、14为第二主轴、15为开槽盘头螺钉、16为紧固螺母、17为垫圈、18为第三主轴、19为开口销、20为第四主轴、21为导丝管、22为紧定螺钉。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例的试验平台如下：福尼斯焊机提供金属增材制造热源，运动执行装置为ABB机器人，焊枪4为钨极氩弧焊焊枪，电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置固定于焊枪上，基板为2219铝合金薄板，基板尺寸为200mm×150mm×10mm，填充材料为直径1.2mm的ER2319焊丝。
图1所示为电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置整体结构示意图，电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置包括：传动装置、月牙形夹板装置、连杆装置、夹紧装置；
所述传动装置包括步进电机1、第一主轴2、主动齿轮3、焊枪4、套环5、紧固螺钉6、垫圈7、第一轴承8、T形从动齿轮9、第二轴承10，所述步进电机1的输出端固定连接第一主轴2，第一主轴2的下端面与主动齿轮3固定连接，步进电机1用于为传动装置提供驱动力；所述主动齿轮3与T形从动齿轮9相啮合；如图2所示，所述T形从动齿轮9内壁的上端设有第一轴承8，下端设有第二轴承10，第一轴承8与第二轴承10用于支撑T形从动齿轮9，降低T形从动齿轮9运动过程中与焊枪4的摩擦系数，并保证T形从动齿轮9的传动精度；所述第一轴承8与第二轴承10的内孔与焊枪4配合，T形从动齿轮9带动第一轴承8与第二轴承10绕焊枪4旋转；所述第二轴承10的下部设有套环5，套环5的上端面支撑第一轴承8、T形从动齿轮9与第二轴承10；所述套环5套设于焊枪4外部；所述第二轴承10和套环5之间设有垫圈7，套环5上设有延伸至焊枪4外表面的横向螺纹孔，横向螺纹孔中设有紧固螺钉6用于固定套环5的位置；
如图3所示，所述月牙形夹板装置安装在T形从动齿轮9的下部，月牙形夹板装置的一端与T形从动齿轮9固定连接，另一端连接连杆装置与夹紧装置；所述月牙形夹板装置包括2个平行的月牙形夹板11，所述月牙形夹板11两侧设有螺纹孔，夹板螺钉12穿过月牙形夹板11的螺纹孔与紧固螺母13连接；所述紧固螺母13用于调整两月牙形夹板11的间距；每个月牙形夹板中间分别设有延伸至T形从动齿轮9外表面的螺纹孔，第二主轴14穿过任意一个螺纹孔至T形从动齿轮9外表面后与月牙形夹板装置固定连接；
如图4所示，所述连杆装置包括第二主轴14、开槽盘头螺钉15、紧固螺母16、垫圈17、第三主轴18，所述第二主轴14上设有垫圈17，第二主轴14和第三主轴18之间通过垂直穿设于该两个主轴之间的开槽盘头螺钉15和紧固螺母16铰接，开槽盘头螺钉15和紧固螺母16用于固定第二主轴14与第三主轴18之间的夹角；所述第二主轴14通过月牙形夹板11的螺纹孔与月牙形夹板装置配合连接；所述连杆装置用于调节焊枪4与导丝管21之间的夹角；所述第三主轴18与第四主轴20通过垂直穿设于该两个主轴内部的开口销19连接在一起；
如图5所示，所述夹紧装置包括第四主轴20、导丝管21与紧定螺钉22，所述第四主轴20上设有与导丝管21配合的通孔，导丝管21垂直于第四主轴20的轴线方向穿过所述通孔，第四主轴20底部沿轴线方向设有延伸至导丝管21外表面的螺纹孔，紧定螺钉22穿过所述螺纹孔将导丝管21固定。主动齿轮3与T形从动齿轮9之间采用1：n的传动比，n＝3-6。n设定为3-6是因为n过小，则降低电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置的传动精度，n过大，致使T形从动齿轮9体积过大，增加套环5的负载，从而导致电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置难以保持稳定。
第二主轴14的轴线与第三主轴18的轴线之间的夹角θ1为120°-160°。θ1设定为120°-160°是因为θ1过小，增材制造的金属构件无法成形，θ1过大，增材制造过程中，溶滴易偏出金属构件的预定成形路径。
焊枪4与导丝管21之间的夹角θ2为20°-60°。θ2＝180°-θ1，θ2设定为20°-60°是因为θ2过小，增材制造过程中，溶滴易偏出金属构件的预定成形路径，θ2过大，增材制造的金属构件无法成形。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，其特征在于，包括：传动装置、月牙形夹板装置、连杆装置、夹紧装置；
所述传动装置包括步进电机(1)、第一主轴(2)、主动齿轮(3)、焊枪(4)、套环(5)、紧固螺钉(6)、垫圈(7)、第一轴承(8)、T形从动齿轮(9)、第二轴承(10)，所述步进电机(1)的输出端固定连接第一主轴(2)，第一主轴(2)的下端面与主动齿轮(3)固定连接，步进电机(1)用于为传动装置提供驱动力；所述主动齿轮(3)与T形从动齿轮(9)相啮合；所述T形从动齿轮(9)内壁的上端设有第一轴承(8)，下端设有第二轴承(10)，第一轴承(8)与第二轴承(10)用于支撑T形从动齿轮(9)，降低T形从动齿轮(9)运动过程中与焊枪(4)的摩擦系数，并保证T形从动齿轮(9)的传动精度；所述第一轴承(8)与第二轴承(10)的内孔与焊枪(4)配合，T形从动齿轮(9)带动第一轴承(8)与第二轴承(10)绕焊枪(4)旋转；所述第二轴承(10)的下部设有套环(5)，套环(5)的上端面支撑第一轴承(8)、T形从动齿轮(9)与第二轴承(10)；所述套环(5)套设于焊枪(4)外部；所述第二轴承(10)和套环(5)之间设有垫圈(7)，套环(5)上设有延伸至焊枪(4)外表面的横向螺纹孔，横向螺纹孔中设有紧固螺钉(6)用于固定套环(5)的位置；
所述月牙形夹板装置安装在T形从动齿轮(9)的下部，月牙形夹板装置的一端与T形从动齿轮(9)固定连接，另一端连接连杆装置与夹紧装置；所述月牙形夹板装置包括2个平行的月牙形夹板(11)，所述月牙形夹板(11)两侧设有螺纹孔，夹板螺钉(12)穿过月牙形夹板(11)的螺纹孔与紧固螺母(13)连接；所述紧固螺母(13)用于调整两月牙形夹板(11)的间距；每个月牙形夹板中间分别设有延伸至T形从动齿轮(9)外表面的螺纹孔，第二主轴(14)穿过任意一个螺纹孔至T形从动齿轮(9)外表面后与月牙形夹板装置固定连接；
所述连杆装置包括第二主轴(14)、开槽盘头螺钉(15)、紧固螺母(16)、垫圈(17)、第三主轴(18)，所述第二主轴(14)上设有垫圈(17)，第二主轴(14)和第三主轴(18)之间通过垂直穿设于该两个主轴之间的开槽盘头螺钉(15)和紧固螺母(16)铰接，开槽盘头螺钉(15)和紧固螺母(16)用于固定第二主轴(14)与第三主轴(18)之间的夹角；所述第二主轴(14)通过月牙形夹板(11)的螺纹孔与月牙形夹板装置配合连接；所述连杆装置用于调节焊枪(4)与导丝管(21)之间的夹角；所述第三主轴(18)与第四主轴(20)通过垂直穿设于该两个主轴内部的开口销(19)连接在一起；
所述夹紧装置包括第四主轴(20)、导丝管(21)与紧定螺钉(22)，所述第四主轴(20)上设有与导丝管(21)配合的通孔，导丝管(21)垂直于第四主轴(20)的轴线方向穿过所述通孔，第四主轴(20)底部沿轴线方向设有延伸至导丝管(21)外表面的螺纹孔，紧定螺钉(22)穿过所述螺纹孔将导丝管(21)固定。
2.根据权利要求1所述的一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，其特征在于：主动齿轮(3)与T形从动齿轮(9)之间采用1：n的传动比，n＝3-6。
3.根据权利要求1所述的一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，其特征在于：第二主轴(14)的轴线与第三主轴(18)的轴线之间的夹角θ1为120°-160°。
4.根据权利要求1所述的一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，其特征在于：焊枪(4)与导丝管(21)之间的夹角θ2为20°-60°。
5.根据权利要求1所述的一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，其特征在于：第一主轴(2)的下端与主动齿轮(3)采用过盈配合，将主动齿轮(3)固定在第一主轴(2)的端部。
6.根据权利要求1所述的一种电弧填丝增材制造旁轴送丝方向控制装置，其特征在于：所述步进电机(1)通过键与第一主轴(2)的上端连接。
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