一种多丝多等离子弧和CMT双机器人协同增材的方法与流程

一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法
技术领域
1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及到一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法。


背景技术：

2.在金属增材制造过程中，采用的方法主要有电弧熔丝/粉增材、激光熔丝/粉增材、电子束熔丝/粉增材等。相比电弧熔丝/粉增材，激光和电子束增材成形精度较高，但是一般情况下其增材熔覆效率较低。cmt电弧增材和等离子弧增材是目前应用较多的电弧增材制造方法，由于等离子弧是非熔化极电弧，可以实现丝和电弧能量独立控制，可以获得层厚薄、成形良好、质量高的增材构件，但是其增材熔覆效率往往较低。且在对增材模型轮廓区域进行增材时，往往出现由于等离子弧热量过大使得沉积体出现熔塌等问题。而cmt电弧增材属于冷金属过渡焊接方法，其热输入量低、增材效率高，其增材成形及组织性能一般低于同条件下等离子弧增材方法。
3.对于大型构件的增材制造，单纯采用等离子弧增材效率太低，而单纯采用cmt电弧增材制造成形精度和性能要求又易不达标，因此亟需提出新的增材技术解决该问题。本发明公开了一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的装置，集成等离子弧和cmt电弧增材技术的优势，对模型轮廓区域和内部区域进行分区路径规划，分别采用多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材，高质高效制造增材构件。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，增材de1装置包括运动执行系统和增材系统,所述运动执行系统包括二个机械臂、可变位增材平台及其控制柜等；所述增材系统包括一个cmt电弧增材枪和一个多丝多等离子弧增材枪，还包括与其对应的增材电源、送丝机、水冷机和保护气瓶等；其中，cmt电弧增材枪和多丝多等离子弧增材枪分别安装在两个机械臂末端连接法兰上，且所述机械臂排布在可变位增材平台的不同侧，所述方法包括以下步骤：
6.步骤s101：耗材选择、设备安装，选用合适的丝材、基板种类及规格，确定等离子弧增材枪数量，并将等离子弧增材系统和cmt增材系统集成或安装至对应机器人；
7.步骤s102：增材模型优化、路径规划，分别生成第一机器人和第二机器人的路径程序；
8.步骤s103：工艺调试匹配，将多丝多等离子弧和cmt电弧增材的最优增材工艺参数分别适配到对应的机器人程序中；
9.步骤s104：进行增材，根据规划好的增材路径，先用cmt电弧增材枪增材出构件的内外轮廓，然后再使用多丝多等离子弧增材枪对轮廓内部进行填充增材。增材一层结束后对表面进行清理打磨，待其温度冷却至设定层间温度区间时，以同样的方式进行下一层的
增材，直至模型全部增材完毕；
10.优选地，步骤s101的步骤包括：
11.s1011：根据模型的结构特征及生产效率要求，选择耗材类型及规格，并确定多丝多等离子弧增材枪的数量。
12.s1012：将多丝多等离子增材枪及其对应的送丝机、保护气瓶、水冷机、增材电源等安装或集成至第一机器人。
13.s1013：将cmt增材枪及其对应的送丝机、保护气瓶、增材电源等安装或集成至第二机器人；
14.优选地，步骤s102的步骤包括：
15.s1021：对增材模型进行优化设计，如添加支撑、预留加工余量、畸形结构的圆滑过渡设计等；
16.s1022：根据最优的增材成形层高数据，确定切片厚度，并对增材模型进行分层切片处理；
17.s1023：提取模型内外侧轮廓特征路径，根据轮廓厚度要求和增材道宽数据确定轮廓增材的圈数，并生成第二机器人的路径程序；
18.s1024：根据增材模型的结构特征和最佳成形工艺，对内部待填充区域内规划道道平行的增材路径，并确定等离子弧增材枪的间距，并结合等离子增材枪的结构特征，简化机器人扫描路径，最终确定内部填充区域对应第一机器人的路径程序，将路径程序传至第一机器人。
19.优选地，在步骤s1024中，规划增材路径过程中，多丝多等离子枪扫描路径上不需增材的部分，可实时调整各等离子弧增材枪的收起弧的时序及增材时长来控制增材位置；
20.优选地，在步骤s103中，等离子弧增材工艺参数包括等离子弧增材电流、送丝速度、等离子弧增材枪扫描速度、等离子气流量、保护气流量，cmt增材工艺参数主要包括cmt增材电流、电压、送丝速度、cmt增材枪扫描速度、保护气流量、层间冷却时间及温度等。
21.本发明公开了一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.其一：本发明的方法结合了等离子弧熔丝增材制造和cmt电弧增材制造的优点，对增材模型轮廓区域与内部区域进行分区路径规划，利用cmt增材轮廓区域有效避免热累积导致熔塌等问题，利用等离子弧熔丝增材内部区域，成形精度高且组织性能良好。分区域按需求采用不同路径、不同增材方法，互补两种方法优缺点；
23.其二：本发明的方法的采用的多丝多等离子弧增材枪提升了单位时间内的熔覆量，比传统单等离子弧增材枪增材效率提升了数倍，提高了构件增材效率；
24.其三：本发明的方法通过将多丝多等离子增材枪的结构特征结合到增材路径规划中，实现面扫描增材，简化了机器人增材扫描路径，极大地提高了增材效率。
具体实施方式
25.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
26.本发明公开了一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，增材de1装置包括运动执行系统和增材系统,运动执行系统包括二个机械臂、可变位增材平台及其控制柜等；所述增材系统包括一个cmt电弧增材枪和一个多丝多等离子弧增材枪，及其对应的增材电源、送丝机、水冷机和保护气瓶等；其中，cmt电弧增材枪和多丝多等离子弧增材枪分别安装在两个机械臂末端连接法兰上，且所述机械臂排布在可变位增材平台的不同侧。所述方法包括以下步骤：
27.步骤s101：耗材选择、设备安装，选用合适的丝材、基板种类及规格，确定等离子弧增材枪数量，并将等离子增材系统和cmt增材系统集成或安装至对应机器人；
28.步骤s102：增材模型优化、路径规划，分别生成第一机器人和第二机器人的路径程序；
29.步骤s103：工艺调试匹配，将预先获得的多丝多等离子弧和cmt电弧增材的最优增材工艺参数分别适配到对应的机器人程序中；
30.步骤s104：进行增材，根据规划好的增材路径，先用cmt电弧增材枪增材出构件的内外轮廓，然后再使用多丝多等离子弧增材枪对轮廓内部进行填充增材。增材一层结束后对表面进行清理打磨，待其温度冷却至设定层间温度区间时，以同样的方式进行下一层的增材，直至模型全部增材完毕。
31.进一步，步骤s101的步骤包括：
32.s1011：根据模型特征及生产效率要求，选用合适的丝材、基板种类及规格，并确定多丝多等离子弧增材枪的数量。
33.s1012：将多丝多等离子增材枪及其对应的送丝机、保护气瓶、水冷机、增材电源等安装或集成至第一机器人。
34.s1013：将cmt增材枪及其对应的送丝机、保护气瓶、增材电源等安装或集成至第二机器人；
35.进一步，步骤s102的步骤包括：
36.s1021：对增材模型进行优化设计，如添加支撑、预留加工余量、畸形结构的圆滑过渡设计等；
37.s1022：根据最优的增材成形层高数据，确定切片厚度，并对增材模型进行分层切片处理；
38.s1023：提取模型内外侧轮廓特征路径，根据轮廓厚度要求和增材道宽数据确定轮廓增材的圈数，并生成第二机器人的路径程序；
39.s1024：根据增材模型的结构特征和最佳成形工艺，对内部待填充区域内规划道道平行的增材路径，并确定等离子弧增材枪的间距，并结合多等离子增材枪的结构特征，简化机器人扫描路径，最终确定内部填充区域对应第一机器人的路径程序，将路径程序传至第一机器人。
40.进一步，在步骤s1024中，规划增材路径过程中，多丝多等离子枪扫描路径上不需增材的部分，可实时调整各等离子弧增材枪的收起弧的时序及增材时长来控制增材位置；
41.进一步，在步骤s103中，等离子弧增材工艺参数主要包括等离子弧增材电流、送丝速度、等离子弧增材枪扫描速度、等离子气流量、保护气流量，cmt增材工艺参数主要包括cmt增材电流、电压、送丝速度、cmt增材枪扫描速度、保护气流量、层间冷却时间及温度等。
42.以下为本发明的具体实施例：
43.利用本发明提供的装置制备尺寸为：180mm
×
150mm
×
30mm的高氮钢增材块体，要求：层高控制在0.8～1.5mm，增材加工时长不超过8h，内部无缺陷，制造块体的过程具体包括以下步骤：
44.步骤一：耗材选择、设备安装，耗材选择：选用尺寸为250mm
×
200mm
×
20mm的碳钢板，并安装在可变位增材平台上，选用φ1.2mm的hns6高氮钢焊丝；设备安装：考虑模型特征及生产效率及质量要求，将等离子弧增材枪的数量设为3把满足要求。并将各等离子弧增材枪及其对应的增材电源、送丝机、水冷机、保护气瓶等安装或集成至第一机器人；再将cmt电弧增材枪及其对应的增材电源、送丝机、保护气瓶等安装或集成至第二机器人；
45.步骤二：模型优化、路径规划，预先试验获得的最佳增材成形参数：层高为1.1mm，道宽为12mm，搭接量为6mm；对增材模型进行优化设计，根据最优的增材成形层高数据，确定切片厚度为1.5mm，并对增材模型进行分层切片处理；先提取模型每层轮廓特征路径，生成第二机器人的路径程序(此处轮廓边界只需增材一圈)；再根据增材模型的结构特征和增材成形尺寸参数(道宽为12mm，搭接量为6mm)，对内部待填充区域规划道道平行的增材路径，具体为24条道间距为6mm，长度为180mm的平行线段，并结合多丝多等离子弧增材枪的结构特征(此处等离子弧增材枪中心间距为48mm)，最终第一机器人扫描路径可简化为7条道间距为6mm，长度为180mm的平行线段，生成对应第一机器人的路径程序，将路径程序传至第一机器人。同时在规划增材路径过程中，多丝多等离子枪扫描路径上不需增材的部分，可实时调整各等离子弧增材枪的收起弧的时序及增材时长来控制增材位置；
46.步骤三：工艺调试匹配，将多丝多等离子弧和cmt电弧增材的最优增材工艺参数分别适配到对应的机器人程序中；多丝多等离子弧最优增材工艺：等离子弧增材电流为145a，送丝速度为1.2m/min，多丝多等离子弧增材枪扫描速度为10cm/min，等离子气(99.99％ar)流量为0.6l/min，保护气(99.99％ar)流量为15l/min；cmt电弧增材最优工艺：cmt增材电流:90～110a，电压：12～17v，送丝速度:6m/min，cmt增材枪扫描速度为35cm/min，摆幅为6mm，采用纯氩保护气，流量为15l/min；
47.步骤四：进行增材，根据规划好的增材路径，先用cmt电弧增材枪增材出构件的内外轮廓，然后再使用多丝多等离子弧增材枪对轮廓内部进行填充增材。增材一层结束后冷却60s并对表面进行清理打磨。将多丝多等离子弧增材枪抬高1.1mm，以同样的方式进行下一层的增材，共增材31层。
48.综上所述，相比于现有技术，本发明中的增材制造装置和方法可以更好的进行金属增材制造，两台机器人分别对同一构件进行增材制造，对增材模型轮廓区域和内部区域进行分区增材，综合等离子弧和cmt电弧增材的技术优势，实现高质高效增材。
49.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
50.需要要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术特征：
1.一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，其特征在于，增材的装置包括运动执行系统和增材系统，所述运动执行系统包括二个机械臂、可变位增材平台及控制柜；所述增材系统包括一个cmt电弧增材枪和一个多丝多等离子弧增材枪，及其对应的增材电源、送丝机、水冷机和保护气瓶，所述使用方法包括以下步骤：步骤s101：耗材选择、设备安装，选用合适的丝材、基板种类及规格，确定多丝多等离子弧增材枪数量，并将等离子增材系统和cmt增材系统集成或安装至对应机器人；步骤s102：增材模型优化、路径规划，分别生成第一机器人和第二机器人的路径程序；步骤s103：工艺调试匹配，将多丝多等离子弧和cmt电弧增材的最优增材工艺参数分别适配到对应的机器人程序中；步骤s104：进行增材，根据规划好的增材路径，先用cmt电弧增材枪增材出构件的内外轮廓，然后再使用多丝多等离子弧增材枪对轮廓内部进行填充增材，增材一层结束后对表面进行清理打磨，待其温度冷却至设定层间温度区间时，以同样的方式进行下一层的增材，直至模型全部增材完毕。2.如权利要求1所述的一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，其特征在于，步骤s101的步骤包括：s1011：根据模型特征及生产效率要求，选用合适的丝材、基板种类及规格，并确定等离子弧增材枪的数量；s1012：将多丝多等离子增材枪及其对应的送丝机、保护气瓶、水冷机、增材电源安装或集成至第一机器人；s1013：将cmt增材枪及其对应的送丝机、保护气瓶、增材电源安装或集成至第二机器人。3.如权利要求1所述的一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，其特征在于，步骤s102的步骤包括：s1021：对增材模型进行优化设计，如添加支撑、预留加工余量、畸形结构的圆滑过渡设计等；s1022：根据最优的增材成形层高数据，确定切片厚度，并对增材模型进行分层切片处理；s1023：提取模型内外侧轮廓特征路径，根据轮廓厚度要求和增材道宽数据确定轮廓增材的圈数，并生成第二机器人的路径程序；s1024：根据增材模型的结构特征和最佳增材成形参数，对内部待填充区域内规划道道平行的增材路径，确定等离子弧增材枪的间距，并结合多等离子增材枪的结构特征，简化机器人扫描路径，最终确定内部填充区域对应第一机器人的路径程序，将路径程序传至第一机器人。4.如权利要求2所述的一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，其特征在于，在步骤s1024中，规划增材路径过程中，多丝多等离子枪扫描路径上不需增材的部分，实时调整各等离子增材枪的收起弧时序及增材时长来控制增材位置。5.如权利要求2所述的一种多丝多等离子弧和cmt双机器人协同增材的方法，其特征在于，在步骤s103中，等离子弧增材工艺参数主要等离子弧增材电流、送丝速度、等离子弧增材枪扫描速度、等离子气流量、保护气流量，cmt增材工艺参数主要包括cmt增材电流、电压、
送丝速度、cmt增材枪扫描速度、保护气流量、层间冷却时间及温度。
技术总结
本发明公开了一种多丝多等离子弧和CMT双机器人协同增材的方法，涉及增材制造技术领域，增材装置主要包括运动执行系统和增材系统；所述运动执行系统包括机械臂、可变位增材平台及其控制柜等；所述增材系统包括CMT电弧增材枪和多丝多等离子弧增材枪；方法包括以下步骤：步骤S101：耗材选择、设备安装,选用合适的丝材、基板种类及规格，确定多丝多等离子枪数量；步骤S102：增材模型优化、路径规划，分别生成第一机器人和第二机器人的路径程序；步骤S103：工艺调试匹配，将多丝多等离子弧和CMT电弧增材的最优增材工艺参数分别适配到对应的机器人程序中；步骤S104：增材开始；利用本发明提供的方法对增材模型轮廓区域和内部区域进行分区增材可实现高质高效增材。行分区增材可实现高质高效增材。


技术研发人员：周明 王克鸿 周春东 彭勇 王剑春 陈磊 何乐
受保护的技术使用者：佛山国防科技工业技术成果产业化应用推广中心
技术研发日：2021.03.23
技术公布日：2021/7/15