CN115815787A - 一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置及其使用方法 - Google Patents

一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置及其使用方法，涉及一种激光增材制造旁轴送丝装置及其使用方法。本发明是要解决现有的激光增材制造旁轴送丝方向不可调的技术问题。本发明所提出的自适应方向旁轴送丝装置通过齿轮啮合传动实现了旁轴送丝方向的自由调整，极大的提升了激光旁轴送丝工艺的适用范围以及工作自由度；本发明所提出的复杂路径的转角算法通过对路径曲线的分析，计算路径上不同点所对应的电机2‑2转角和旋转方向实现旁轴送丝方向随路径自适应调节，从而保证了送丝方向和激光头的前进方向一致，保证激光旁轴送丝过程能够稳定可持续的进行。

Description

一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种激光增材制造旁轴送丝装置及其使用方法。
背景技术
增材制造技术(Additive Manufacturing)或称3D打印技术被誉为推动第三次工业革命的技术，其基本原理是基于3D数据，通常使用逐层添加的方式将材料连接在一起实现各种实体的制备。该技术在最近几年中发展迅速，几乎可以制造任意形状的零件。
在增材制作过程中按照材料填充方式的差异主要分为送粉增材和送丝增材。其中送丝增材具有更高的效率和接近100％的材料利用率而受到工业界的广泛关注。以激光旁轴送丝(或称激光熔化沉积)为例，焊丝与激光相互作用进入熔池形成熔覆道。在激光旁轴送丝过程中，送丝方向与激光头运动(路径)方向保持基本一致是加工过程能够稳定进行的基本前提，一般情况下当送丝方向与激光头运动方向的夹角大于5°时就会出现明显的光丝位置偏移，熔滴过渡等现象，导致整个加工过程无法稳定可靠的进行。所以，为了保证过程的稳定性，需要时刻保持送丝的方向与运动机构的速度方向保持一致，因此设计开发一种用于激光增材制造/激光焊接的自适应方向旁轴送丝装置对于提高送丝增材的适用性与稳定性有重要意义。
发明内容
本发明是要解决现有的激光增材制造旁轴送丝方向不可调的技术问题，而提供一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置及其使用方法。
本发明的激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置是由激光头组件1、旋转模块2和送丝模块3组成；
所述的旋转模块2由平台2-1、电机2-2、驱动齿轮2-3、旋转齿轮2-4、推力轴承2-5、限位平台2-6、组装板2-7、圆轴2-8和垫块2-9组成；所述的平台2-1、垫块2-9和圆轴2-8自上至下组成一体结构且三者轴线重合，圆轴2-8为圆柱体结构；所述的平台2-1的上表面与激光头组件1通过机械固定连接；所述的平台2-1与电机2-2的上端固定连接，电机2-2的下端为动力输出端且与驱动齿轮2-3通过机械固定连接；所述的旋转齿轮2-4为空心圆环结构，旋转齿轮2-4的内壁与驱动齿轮2-3的外壁机械啮合；所述的旋转齿轮2-4与组装板2-7固定连接，组装板2-7竖直设置，组装板2-7上设置两个对称的竖直滑槽2-7-1；所述的推力轴承2-5套在圆轴2-8的外壁上且两者为滑动连接；所述的限位平台2-6通过螺纹固定在圆轴2-8的下方；所述的推力轴承2-5设置在限位平台2-6上且通过限位平台2-6在竖直方向上固定锁紧；所述的推力轴承2-5的上部侧壁与旋转齿轮2-4的内侧壁上部机械连接；所述的旋转模块2中心设置一个通孔；
所述的送丝模块3由高度调节板3-1、送丝嘴3-2和导丝管3-3组成；通过4个螺栓将高度调节板3-1固定在组装板2-7上的两个竖直滑槽2-7-1中，每个竖直滑槽2-7-1中各设置两个螺栓；送丝嘴3-2和导丝管3-3位于高度调节板3-1的下方，且送丝嘴3-2的送丝方向朝着旋转模块2一侧。
本发明的激光旁轴送丝方向自适应调节装置的使用方法为：
一、将激光头组件1固定在平台2-1的上方且激光光束4通过旋转模块2的中心通孔向下射出；
二、通过高度调节板3-1在竖直滑槽2-7-1中的位置调节出丝高度，使得焊丝与激光光束4在实际需求的高度位置对中(这个高度是根据实际的工况需求决定，不是本发明的特征)，即激光光束4能直接作用到焊丝上；
三、选定路径起始点P1，根据起始点位置标定电机2-2的初始角度；
四、根据激光头组件1的工作路径曲线利用复杂路径的转角算法计算路径上不同位置对应的电机2-2的转角；
所述的复杂路径的转角算法按以下公式计算：
Figure BDA0003946219200000021
其中：θ为电机2-2的转角，θ的正负对应着旋转方向；v1为路径上起始点P1点所对应的速度矢量，v2为路径上任意一点P2点所对应的速度矢量；M1为旋转齿轮2-4的齿数，M2为驱动齿轮2-3的齿数；α为速度矢量v1和速度矢量v2方向夹角；α的负表示相反的路径方向，原理见图4(实线为激光路径曲线)；
五、激光头组件1按照设定的工作路径曲线前进，同时根据步骤四计算的电机2-2的转角θ控制电机2-2在工作路径上每个点的旋转角度，从而实现旁轴送丝方向的自适应调节。
为了实现送丝方向的自适应调节，本发明首先设计能够实现焊丝自由旋转的送丝装置，再通过设计适用于复杂路径的转角算法，并通过控制电机转角最终实现送丝方向的自适应控制。因此，这种控制装置能够高效的解决旁轴送丝方向不可调的问题。
本发明的激光旁轴送丝方向自适应调节装置的工作原理为：启动电机2-2带动驱动齿轮2-3转动，驱动齿轮2-3再带动旋转齿轮2-4转动，旋转齿轮2-4再带动组装板2-7进行自转，从而带动送丝嘴3-2绕着激光光束4进行公转，其中推力轴承2-5能够在承受旋转齿轮2-4以及安装在旋转齿轮2-4上的机构(组装板2-7和送丝模块3)竖直方向重力的同时，保证旋转齿轮2-4及安装在旋转齿轮2-4上的机构能够自由绕激光光束4(激光头的轴心)旋转运动；推力轴承2-5是上部转动，下部不转。
本发明的有益效果：
1、本发明所提出的自适应方向旁轴送丝装置通过齿轮啮合传动实现了旁轴送丝方向的自由调整，极大的提升了激光旁轴送丝工艺的适用范围以及工作自由度；
2、本发明所提出的复杂路径的转角算法通过对路径曲线的分析，计算路径上不同点所对应的电机2-2转角和旋转方向实现旁轴送丝方向随路径自适应调节，从而保证了送丝方向和激光头的前进方向一致，保证激光旁轴送丝过程能够稳定可持续的进行；
3、本发明所使用的送丝模块3可以调整送丝高度，为不同材料的送丝工艺提供较大的自由度；
4、本发明所提出的方法中，对于焊丝材质、直径、送丝嘴3-5和导丝管3-6等均没有特殊要求，因此具有十分广泛的适用范围。
附图说明
图1为具体实施方式一的激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置的立体示意图；
图2为图1中旋转模块2的立体示意图；
图3为图1中送丝模块3的立体示意图；
图4为本发明的复杂路径的转角算法的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，如图1-图3所示，具体是由激光头组件1、旋转模块2和送丝模块3组成；
所述的旋转模块2由平台2-1、电机2-2、驱动齿轮2-3、旋转齿轮2-4、推力轴承2-5、限位平台2-6、组装板2-7、圆轴2-8和垫块2-9组成；所述的平台2-1、垫块2-9和圆轴2-8自上至下组成一体结构且三者轴线重合，圆轴2-8为圆柱体结构；所述的平台2-1的上表面与激光头组件1通过机械固定连接；所述的平台2-1与电机2-2的上端固定连接，电机2-2的下端为动力输出端且与驱动齿轮2-3通过机械固定连接；所述的旋转齿轮2-4为空心圆环结构，旋转齿轮2-4的内壁与驱动齿轮2-3的外壁机械啮合；所述的旋转齿轮2-4与组装板2-7固定连接，组装板2-7竖直设置，组装板2-7上设置两个对称的竖直滑槽2-7-1；所述的推力轴承2-5套在圆轴2-8的外壁上且两者为滑动连接；所述的限位平台2-6通过螺纹固定在圆轴2-8的下方；所述的推力轴承2-5设置在限位平台2-6上且通过限位平台2-6在竖直方向上固定锁紧；所述的推力轴承2-5的上部侧壁与旋转齿轮2-4的内侧壁上部机械连接；所述的旋转模块2中心设置一个通孔；
所述的送丝模块3由高度调节板3-1、送丝嘴3-2和导丝管3-3组成；通过4个螺栓将高度调节板3-1固定在组装板2-7上的两个竖直滑槽2-7-1中，每个竖直滑槽2-7-1中各设置两个螺栓；送丝嘴3-2和导丝管3-3位于高度调节板3-1的下方，且送丝嘴3-2的送丝方向朝着旋转模块2一侧。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的送丝模块3的竖直方向调节范围为：0～40mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的电机2-2为步进电机。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的驱动齿轮2-3和旋转齿轮2-4的模数均为1.25。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：：所述的推力轴承2-5为推力球轴承。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的送丝嘴3-5为紫铜材质，出丝直径为0.5mm～3mm。其他与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的推力轴承2-5的上部侧壁与旋转齿轮2-4的内侧壁上部通过顶丝固定。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：顶丝通过旋转齿轮2-4的侧壁外部穿入顶到推力轴承2-5的上部侧壁。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的竖直滑槽2-7-1为阶梯形结构，螺栓埋在竖直滑槽2-7-1中。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一中激光旁轴送丝方向自适应调节装置的使用方法，具体过程为：
一、将激光头组件1固定在平台2-1的上方且激光光束4通过旋转模块2的中心通孔向下射出；
二、通过高度调节板3-1在竖直滑槽2-7-1中的位置调节出丝高度，使得焊丝与激光光束4在实际需求的高度位置对中，即激光光束4能直接作用到焊丝上；
三、选定路径起始点P1，根据起始点位置标定电机2-2的初始角度；
四、根据激光头组件1的工作路径曲线利用复杂路径的转角算法计算路径上不同位置对应的电机2-2的转角；
所述的复杂路径的转角算法按以下公式计算：
Figure BDA0003946219200000051
其中：θ为电机2-2的转角，θ的正负对应着旋转方向；v1为路径上起始点P1点所对应的速度矢量，v2为路径上P2点所对应的速度矢量；M1为旋转齿轮2-4的齿数，M2为驱动齿轮2-3的齿数；α为速度矢量v1和速度矢量v2方向夹角；
五、激光头组件1按照设定的工作路径曲线前进，同时根据步骤四计算的电机2-2的转角θ控制电机2-2在工作路径上每个点的旋转角度，从而实现旁轴送丝方向的自适应调节。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，如图1-图3所示，具体是由激光头组件1、旋转模块2和送丝模块3组成；
所述的旋转模块2由平台2-1、电机2-2、驱动齿轮2-3、旋转齿轮2-4、推力轴承2-5、限位平台2-6、组装板2-7、圆轴2-8和垫块2-9组成；所述的平台2-1、垫块2-9和圆轴2-8自上至下组成一体结构且三者轴线重合，圆轴2-8为圆柱体结构；所述的平台2-1的上表面与激光头组件1通过机械固定连接；所述的平台2-1与电机2-2的上端固定连接，电机2-2的下端为动力输出端且与驱动齿轮2-3通过机械固定连接；所述的旋转齿轮2-4为空心圆环结构，旋转齿轮2-4的内壁与驱动齿轮2-3的外壁机械啮合；所述的旋转齿轮2-4与组装板2-7固定连接，组装板2-7竖直设置，组装板2-7上设置两个对称的竖直滑槽2-7-1；所述的推力轴承2-5套在圆轴2-8的外壁上且两者为滑动连接；所述的限位平台2-6通过螺纹固定在圆轴2-8的下方；所述的推力轴承2-5设置在限位平台2-6上且通过限位平台2-6在竖直方向上固定锁紧；所述的推力轴承2-5的上部侧壁与旋转齿轮2-4的内侧壁上部机械连接；所述的旋转模块2中心设置一个通孔；所述的电机2-2为步进电机；所述的驱动齿轮2-3和旋转齿轮2-4的模数均为1.25；所述的推力轴承2-5为推力球轴承；所述的推力轴承2-5的上部侧壁与旋转齿轮2-4的内侧壁上部通过顶丝固定，顶丝通过旋转齿轮2-4的侧壁外部穿入顶到推力轴承2-5的上部侧壁；所述的竖直滑槽2-7-1为阶梯形结构，螺栓埋在竖直滑槽2-7-1中；
所述的送丝模块3由高度调节板3-1、送丝嘴3-2和导丝管3-3组成；通过4个螺栓将高度调节板3-1固定在组装板2-7上的两个竖直滑槽2-7-1中，每个竖直滑槽2-7-1中各设置两个螺栓；送丝嘴3-2和导丝管3-3位于高度调节板3-1的下方，且送丝嘴3-2的送丝方向朝着旋转模块2一侧；所述的送丝模块3的竖直方向调节范围为0～40mm；所述的送丝嘴3-5为紫铜材质，出丝直径为1mm。
本试验的激光旁轴送丝方向自适应调节装置的使用方法，具体过程为：
一、将激光头组件1固定在平台2-1的上方且激光光束4通过旋转模块2的中心通孔向下射出；
二、通过高度调节板3-1在竖直滑槽2-7-1中的位置调节出丝高度，使得焊丝与激光光束4在实际需求的高度位置对中，即激光光束4能直接作用到焊丝上；
三、选定路径起始点P1，根据起始点位置标定电机2-2的初始角度；
四、根据激光头组件1的工作路径曲线利用复杂路径的转角算法计算路径上不同位置对应的电机2-2的转角；
所述的复杂路径的转角算法按以下公式计算：
Figure BDA0003946219200000061
其中：θ为电机2-2的转角，θ的正负对应着旋转方向；v1为路径上起始点P1点所对应的速度矢量，v2为路径上任意一点P2点所对应的速度矢量；M1为旋转齿轮2-4的齿数，M2为驱动齿轮2-3的齿数；α为速度矢量v1和速度矢量v2方向夹角；α的负表示相反的路径方向，原理见图4(实线为激光路径曲线)；
五、激光头组件1按照设定的工作路径曲线前进，同时根据步骤四计算的电机2-2的转角θ控制电机2-2在工作路径上每个点的旋转角度，从而实现旁轴送丝方向的自适应调节。
本试验的有益效果：
1、本试验所提出的自适应方向旁轴送丝装置通过齿轮啮合传动实现了旁轴送丝方向的自由调整，极大的提升了激光旁轴送丝工艺的适用范围以及工作自由度；
2、本试验所提出的复杂路径的转角算法通过对路径曲线的分析，计算路径上不同点所对应的电机2-2转角和旋转方向实现旁轴送丝方向随路径自适应调节，从而保证了送丝方向和激光头的前进方向一致，保证激光旁轴送丝过程能够稳定可持续的进行；
3、本试验所使用的送丝模块3可以调整送丝高度，为不同材料的送丝工艺提供较大的自由度；
4、本试验所提出的方法中，对于焊丝材质、直径、送丝嘴3-5和导丝管3-6等均没有特殊要求，因此具有十分广泛的适用范围。

Claims (10)

1.一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置是由激光头组件(1)、旋转模块(2)和送丝模块(3)组成；
所述的旋转模块(2)由平台(2-1)、电机(2-2)、驱动齿轮(2-3)、旋转齿轮(2-4)、推力轴承(2-5)、限位平台(2-6)、组装板(2-7)、圆轴(2-8)和垫块(2-9)组成；所述的平台(2-1)、垫块(2-9)和圆轴(2-8)自上至下组成一体结构且三者轴线重合，圆轴(2-8)为圆柱体结构；所述的平台(2-1)的上表面与激光头组件(1)通过机械固定连接；所述的平台(2-1)与电机(2-2)的上端固定连接，电机(2-2)的下端为动力输出端且与驱动齿轮(2-3)通过机械固定连接；所述的旋转齿轮(2-4)为空心圆环结构，旋转齿轮(2-4)的内壁与驱动齿轮(2-3)的外壁机械啮合；所述的旋转齿轮(2-4)与组装板(2-7)固定连接，组装板(2-7)竖直设置，组装板(2-7)上设置两个对称的竖直滑槽(2-7-1)；所述的推力轴承(2-5)套在圆轴(2-8)的外壁上且两者为滑动连接；所述的限位平台(2-6)通过螺纹固定在圆轴(2-8)的下方；所述的推力轴承(2-5)设置在限位平台(2-6)上且通过限位平台(2-6)在竖直方向上固定锁紧；所述的推力轴承(2-5)的上部侧壁与旋转齿轮(2-4)的内侧壁上部机械连接；所述的旋转模块(2)中心设置一个通孔；
所述的送丝模块(3)由高度调节板(3-1)、送丝嘴(3-2)和导丝管(3-3)组成；通过4个螺栓将高度调节板(3-1)固定在组装板(2-7)上的两个竖直滑槽(2-7-1)中，每个竖直滑槽(2-7-1)中各设置两个螺栓；送丝嘴(3-2)和导丝管(3-3)位于高度调节板(3-1)的下方，且送丝嘴(3-2)的送丝方向朝着旋转模块(2)一侧。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于所述的送丝模块(3)的竖直方向调节范围为0～40mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于所述的电机(2-2)为步进电机。
4.根据权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于所述的驱动齿轮(2-3)和旋转齿轮(2-4)的模数均为1.25。
5.根据权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于所述的推力轴承(2-5)为推力球轴承。
6.根据权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于所述的送丝嘴(3-5)为紫铜材质，出丝直径为0.5mm～3mm。
7.根据权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于所述的推力轴承(2-5)的上部侧壁与旋转齿轮(2-4)的内侧壁上部通过顶丝固定。
8.根据权利要求7所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于顶丝通过旋转齿轮(2-4)的侧壁外部穿入顶到推力轴承(2-5)的上部侧壁。
9.根据权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置，其特征在于所述的竖直滑槽(2-7-1)为阶梯形结构，螺栓埋在竖直滑槽(2-7-1)中。
10.如权利要求1所述的一种激光增材制造自适应方向旁轴送丝装置的使用方法，其特征在于激光旁轴送丝方向自适应调节装置的使用方法为：
一、将激光头组件(1)固定在平台(2-1)的上方且激光光束(4)通过旋转模块(2)的中心通孔向下射出；
二、通过高度调节板(3-1)在竖直滑槽(2-7-1)中的位置调节出丝高度，使得焊丝与激光光束(4)在实际需求的高度位置对中，即激光光束(4)能直接作用到焊丝上；
三、选定路径起始点P1，根据起始点位置标定电机(2-2)的初始角度；
四、根据激光头组件(1)的工作路径曲线利用复杂路径的转角算法计算路径上不同位置对应的电机(2-2)的转角；
所述的复杂路径的转角算法按以下公式计算：
Figure FDA0003946219190000021
其中：θ为电机(2-2)的转角，θ的正负对应着旋转方向；v1为路径上起始点P1点所对应的速度矢量，v2为路径上P2点所对应的速度矢量；M1为旋转齿轮(2-4)的齿数，M2为驱动齿轮(2-3)的齿数；α为速度矢量v1和速度矢量v2方向夹角；
五、激光头组件(1)按照设定的工作路径曲线前进，同时根据步骤四计算的电机(2-2)的转角θ控制电机(2-2)在工作路径上每个点的旋转角度，从而实现旁轴送丝方向的自适应调节。
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