四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法及装置与流程

1.本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法及装置。


背景技术：

2.金属增材制造是指通过电弧、电子束和激光等热源熔化丝材或粉材，逐层往复堆积制造金属构件。与其他制造技术相比，增材制造技术具有效率高，可降低整体制造周期、减少成本等诸多优点。但是对于大尺寸构件而言，在循环往复的堆积过程中，热累积过大，增材件不同部位温度差异较大，易造成应力分布不均匀，导致增材过程中增材构件产生较大的残余应力以及变形。影响增材构件的性能，限制了增材制造技术的应用。
3.现有的解决方法主要有增材过程中进行超声振动、挤压轧制、增材完后热处理等。但是以上方法均是在增材结束后对增材构件进行处理，大尺寸构件的增材而言，增材过程中会产生大变形，导致增材点位丢失、增材构件层间撕裂等问题，因此以上方法对于大尺寸构件的增材而言去除残余应力效果有限，并且效率低增材成形后仍然有较大残余应力及变形。申请号为202122442280.x专利公开了一种多立柱机器人增材装置，但其主要用于大型样件的增材，并不涉及对增材样件的去应力处理和变形控制。
4.为解决上述问题，本发明提出一种四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法及装置。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法及装置，基于截面径向应力相互平衡原理，采用立式增材方式，设计四立柱四机器人协同增材系统进行一次增材成形；解决了背景技术中提出的增材过程中容易形变的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法，包括如下步骤：
7.step1：以增材平台中心为原点标定工件坐标系，四增材机器人以平台中心为原点并且在路径规划软件中模型以增材机器人为原点进行分区和路径规划；
8.step2：以模型长方向为增材高度方向，让模型中心与工件坐标系原点重合，对增材构件进行分层切片并且设置n个高度段，n＝h/h0，h为增材构件总高度；
9.其中，随着增材高度的增加，增材机器人姿态会受限，增材机器人同步向上调整一定高度h0，h0在增材机器人有效工作高度内；
10.step3：在第n个高度段时，在四增材机器人工作区域内，对第n个高度段内轮廓进行分区并规划路径，并将各区域路径分配给相应的增材机器人；立柱机器人载物平台沿升降导轨上升至对应高度h1，h1＝(n-1)*h0；
11.step4：当增材沉积高度超过0.5米后，启动火焰加热系统对增材面往下0.5米区域
进行火焰加热，并利用红外测温系统对加热区域进行测温；火焰加热系统和红外测温系统随增材高度的增加同步向上移动；
12.step5：火焰加热系统在火焰加热区域温度大于500℃时停止加热，在温度低于450℃时继续加热，使温度控制在450℃-500℃；通过材料组织转变，从根本上消除应力集中与不均匀分布，降低增材构件的形变量；
13.step6：火焰加热区域下方的增材区域采用陶瓷加热片包裹加热，并使陶瓷加热片加热区域温度范围保持在150℃-250℃；降低增材构件温度梯度和冷却速率，从而进一步降低增材构件的形变量；
14.step7：增材完成后，四同增材运动机构的立柱均沿立柱导轨向后退至安全位置；方便增材构件的吊出。
15.优选地，step3中增材机器人按最优增材工艺进行增材。
16.优选地，step3中四增材机器人增材路径满足径向对称。
17.一种四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材装置，包括：
18.增材平台，所述增材平台固定在地面；所述增材平台上方安装有增材基座，用于从所述增材基座上开始增材；
19.四增材运动机构，所述增材运动机构包括立柱、立柱导轨、升降导轨、立柱机器人载物平台以及增材机器人；四所述立柱导轨呈方阵结构固定安装在地面上；所述立柱安装于所述立柱导轨上；所述升降导轨安装于立柱侧面；所述立柱机器人载物平台安装于所述升降导轨上；所述增材机器人安装于所述立柱机器人载物平台上；四所述增材运动机构围绕所述增材平台呈十字对称分布。
20.优选地，还包括如下：
21.四增材系统，所述增材系统包括增材电源、把增材枪和送丝系统；
22.火焰加热系统，所述火焰加热系统围绕所述增材平台周侧均匀分布；
23.红外测温系统，所述红外测温系统围绕所述增材平台周侧均匀分布；
24.若干陶瓷加热片，用于包裹火焰加热区域下方的增材；
25.总控系统，所述增材运动机构、增材系统、火焰加热系统以及红外测温系统通过所述总控系统plc进行协同控制。
26.本发明的有益效果在于：
27.1、本发明基于截面径向应力相互平衡原理，采用立式增材方式，设计四立柱四机器人协同增材系统进行一次增材成形；四机器人协同完成同一平面的增材工作，能最大限度地减小增材构件的形变。
28.2、本发明配置的火焰加热系统，在增材过程中可对增材构件进行加热，针对中低温相变材料进行在线热处理，通过组织转变从根本上消除应力集中与不均匀分布，从而进一步降低增材构件的形变量。
29.3、本发明在增材过程中，利用陶瓷加热片对增材构件进行包裹加热，使增材构件在增材下方区域始终维持在一定温度范围内，通过降低熔池液-固转变过程中的温度梯度以及构件整体的温度梯度，降低增材构件在冷却过程中由温度梯度所带来的形变。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法的流程图。
32.图2为本发明中一种四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材装置的结构示意图。
33.图3为图2的左视图。
34.附图标记说明：1-增材平台，11-增材基座，21-立柱，22-立柱导轨，23-升降导轨，24-立柱机器人载物平台，25-增材机器人。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例：如图1所示，本发明提供了四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法，包括如下步骤：
37.step1：以增材平台1中心为原点标定工件坐标系，四增材机器人25以平台中心为原点并且在路径规划软件中模型以增材机器人25为原点进行分区和路径规划；
38.step2：以模型长方向为增材高度方向，让模型中心与工件坐标系原点重合，对增材构件进行分层切片并且设置n个高度段，n＝h/h0，h为增材构件总高度；
39.其中，随着增材高度的增加，增材机器人25姿态会受限，增材机器人25同步向上调整一定高度h0，h0在增材机器人25有效工作高度内；
40.step3：在第n个高度段时，在四增材机器人25工作区域内，对第n个高度段内轮廓进行分区并规划路径，并将各区域路径分配给相应的增材机器人25；立柱机器人载物平台24沿升降导轨上升至对应高度h1，h1＝(n-1)*h0；增材机器人25按最优增材工艺进行增材；其中，四增材机器人25增材路径满足径向对称；
41.step4：当增材沉积高度超过0.5米后，启动火焰加热系统对增材面往下0.5米区域进行火焰加热，并利用红外测温系统对加热区域进行测温；火焰加热系统和红外测温系统随增材高度的增加同步向上移动；
42.step5：火焰加热系统在火焰加热区域温度大于500℃时停止加热，在温度低于450℃时继续加热，使温度控制在450℃-500℃；通过材料组织转变，从根本上消除应力集中与不均匀分布，降低增材构件的形变量；
43.step6：火焰加热区域下方的增材区域采用陶瓷加热片包裹加热，并使陶瓷加热片加热区域温度范围保持在150℃-250℃；降低增材构件温度梯度和冷却速率，从而进一步降低增材构件的形变量；
44.step7：增材完成后，四同增材运动机构的立柱均沿立柱导轨22向后退至安全位
置；方便增材构件的吊出。
45.本发明实际使用时，基于截面径向应力相互平衡原理，采用立式增材方式，设计四立柱四机器人协同增材系统进行一次增材成形；由于同等增材高度下的应力的相互抵消，在增材过程中，四机器人协同完成同一平面的增材工作，能最大限度地减小增材构件的形变。此外，配置的火焰加热系统，在增材过程中，可对增材构件进行加热，可以针对中低温相变材料进行在线热处理，通过组织转变，从根本上消除应力集中与不均匀分布，从而进一步降低增材构件的形变量。
46.请参阅图2至图3所示，一种四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材装置，包括：
47.增材平台1，所述增材平台1固定在地面；所述增材平台1上方安装有增材基座11，用于从所述增材基座11上开始增材；
48.四增材运动机构，所述增材运动机构包括立柱21、立柱导轨22、升降导轨23、立柱机器人载物平台24以及增材机器人25；四所述立柱导轨22呈方阵结构固定安装在地面上；所述立柱21安装于所述立柱导轨22上；所述升降导轨23安装于立柱21侧面；所述立柱机器人载物平台24安装于所述升降导轨23上；所述增材机器人25安装于所述立柱机器人载物平台24上；四所述增材运动机构围绕所述增材平台1呈十字对称分布。此外，还包括如下：
49.四增材系统，所述增材系统包括增材电源、把增材枪和送丝系统；
50.火焰加热系统，所述火焰加热系统围绕所述增材平台1周侧均匀分布；
51.红外测温系统，所述红外测温系统围绕所述增材平台1周侧均匀分布；
52.若干陶瓷加热片，用于包裹火焰加热区域下方的增材；
53.总控系统，所述增材运动机构、增材系统、火焰加热系统以及红外测温系统通过所述总控系统plc进行协同控制。
54.本发明实际使用时，装置在增材过程中，利用陶瓷加热片对增材构件进行包裹加热，使增材构件在增材下方区域始终维持在一定温度范围内，通过降低熔池液-固转变过程中的温度梯度以及构件整体的温度梯度，降低增材构件在冷却过程中由温度梯度所带来的形变。
55.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法，其特征在于，包括如下步骤：step1：以增材平台(1)中心为原点标定工件坐标系，四增材机器人(25)以平台中心为原点并且在路径规划软件中模型以增材机器人(25)为原点进行分区和路径规划；step2：以模型长方向为增材高度方向，让模型中心与工件坐标系原点重合，对增材构件进行分层切片并且设置n个高度段，n＝h/h0，h为增材构件总高度；其中，随着增材高度的增加，增材机器人(25)同步向上调整一定高度h0，h0在增材机器人(25)有效工作高度内；step3：在第n个高度段时，在四增材机器人(25)工作区域内，对第n个高度段内轮廓进行分区并规划路径，并将各区域路径分配给相应的增材机器人(25)；立柱机器人载物平台(24)沿升降导轨上升至对应高度h1，h1＝(n-1)*h0；step4：当增材沉积高度超过0.5米后，启动火焰加热系统对增材面往下0.5米区域进行火焰加热，并利用红外测温系统对加热区域进行测温；step5：火焰加热系统在火焰加热区域温度大于500℃时停止加热，在温度低于450℃时继续加热，使温度控制在450℃-500℃；step6：火焰加热区域下方的增材区域采用陶瓷加热片包裹加热，并使陶瓷加热片加热区域温度范围保持在150℃-250℃；step7：增材完成后，四同增材运动机构的立柱均沿立柱导轨(22)向后退至安全位置。2.如权利要求1所述的四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法，其特征在于，step3中增材机器人(25)按最优增材工艺进行增材。3.如权利要求2所述的四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法，其特征在于，step3中四增材机器人(25)增材路径满足径向对称。4.实施如权利要求1-3任一所述的四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法采用的四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材装置，其特征在于，包括：增材平台(1)，所述增材平台(1)固定在地面；所述增材平台(1)上方安装有增材基座(11)，用于从所述增材基座(11)上开始增材；四增材运动机构，所述增材运动机构包括立柱(21)、立柱导轨(22)、升降导轨(23)、立柱机器人载物平台(24)以及增材机器人(25)；四所述立柱导轨(22)呈方阵结构固定安装在地面上；所述立柱(21)安装于所述立柱导轨(22)上；所述升降导轨(23)安装于立柱(21)侧面；所述立柱机器人载物平台(24)安装于所述升降导轨(23)上；所述增材机器人(25)安装于所述立柱机器人载物平台(24)上；四所述增材运动机构围绕所述增材平台(1)呈十字对称分布。5.如权利要求4所述的四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材装置，其特征在于，还包括如下：四增材系统，所述增材系统包括增材电源、把增材枪和送丝系统；火焰加热系统，所述火焰加热系统围绕所述增材平台(1)周侧均匀分布；红外测温系统，所述红外测温系统围绕所述增材平台(1)周侧均匀分布；若干陶瓷加热片，用于包裹火焰加热区域下方的增材；总控系统，所述增材运动机构、增材系统、火焰加热系统以及红外测温系统通过所述总控系统plc进行协同控制。

技术总结
本发明公开了四立柱四机器人协同大型车体小变形高效增材方法及装置，属于金属增材制造技术领域，本发明包括如下步骤：四增材机器人以平台中心进行分区和路径规划；对增材构件进行分层切片并且设置n个高度段；在四增材机器人工作区域内对第n个高度段内轮廓进行分区并规划路径；当增材沉积高度超过0.5米后，启动火焰加热系统对增材面往下0.5米区域进行火焰加热。本发明通过基于截面径向应力相互平衡原理，采用立式增材方式，设计四立柱四机器人协同增材系统进行一次增材成形；四机器人协同完成同一平面的增材工作，能最大限度地减小增材构件的形变；配置的火焰加热系统，通过组织转变从根本上消除应力集中与不均匀分布，降低增材构件的形变量。材构件的形变量。材构件的形变量。


技术研发人员：彭勇 章晓勇 周威 董祚继 韦浩福 陈厚达
受保护的技术使用者：广东艾迪特智能科技有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/16