本發(fā)明屬于增材制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種形性一體化的金屬構(gòu)件增材制造系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電弧熔化金屬絲材增材制造技術(shù)，是一種以電弧作為熱源熔化金屬絲材，并使得熔化的絲材按照所設(shè)定的成形路徑不斷堆積成形的快速增材制造方法。由于電弧熔化金屬絲材增材制造技術(shù)具備成本低、效率高、空間任意曲面成形等特點(diǎn)，因而在各類大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造成形中獲得了廣泛應(yīng)用。

然而，進(jìn)一步的研究表明，現(xiàn)有技術(shù)中的電弧熔化金屬絲材增材制造裝備仍存在以下的缺陷或不足：首先，目前的設(shè)備大多使用的是弧焊電源加機(jī)器人的構(gòu)造，其組件復(fù)雜，難于操控；其次，在增材制造過程往往采用手動(dòng)編程或者離線編程，堆積成形構(gòu)件的尺寸、質(zhì)量一般是在成形完成后，利用一些后續(xù)的檢測(cè)設(shè)備和方法對(duì)成形尺寸、性能進(jìn)行檢測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件尤其是大型復(fù)雜金屬構(gòu)件形、性一體化協(xié)同增材制造；最后，在常規(guī)的電弧熔絲堆積過程中，不僅普遍存在電弧不穩(wěn)定的情況，而且熱積累往往會(huì)使堆積成形金屬構(gòu)件晶粒粗大，造成性能惡化，不能滿足大型金屬構(gòu)件的高性能要求。相應(yīng)地，本領(lǐng)域亟需作出進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，以便更好地符合日益提升的質(zhì)量要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上不足或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種形性一體化的金屬構(gòu)件增材制造系統(tǒng)，其中通過對(duì)該制造系統(tǒng)的整體構(gòu)造組成及布局重新進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其中一些關(guān)鍵組件如多電弧協(xié)同作業(yè)模塊、激光壓縮電弧模塊、負(fù)反饋監(jiān)控單元等的具體組成結(jié)構(gòu)、設(shè)置方式和工作原理等多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，相應(yīng)能夠以結(jié)構(gòu)緊湊、布局巧妙、便于操控、自動(dòng)化程度高和制造精度高的方式來高效率執(zhí)行各類大型金屬構(gòu)件的電弧增材制造全過程，同時(shí)較好地滿足形、性一體化協(xié)同增材制造的要求，因而尤其適用于高性能要求且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型金屬構(gòu)件制造成形應(yīng)用場(chǎng)合。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種形性一體化的金屬構(gòu)件增材制造系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括載物平臺(tái)、多電弧協(xié)同作業(yè)模塊、電弧攝像檢測(cè)單元、成形尺寸三維測(cè)量單元、堆積成形數(shù)字化監(jiān)測(cè)模塊、和負(fù)反饋監(jiān)控模塊，其中：

所述載物平臺(tái)包括龍門架、工作臺(tái)和導(dǎo)軌，其中該龍門架作為系統(tǒng)的主體框架結(jié)構(gòu)，可沿著所述導(dǎo)軌相對(duì)于所述工作臺(tái)執(zhí)行y軸方向的移動(dòng)，它的橫梁則可沿著z軸方向上下移動(dòng)；此外，該龍門架的橫梁上還安裝有第一六軸機(jī)器人和第二六軸機(jī)器人；

所述多電弧協(xié)同作業(yè)模塊整體安裝在所述第一六軸機(jī)器人上，并配備有多個(gè)相互獨(dú)立的電弧槍，這些電弧槍各自既可沿著x軸、y軸和z軸方向執(zhí)行直線移動(dòng)，也可執(zhí)行以z軸為轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角度調(diào)整，從而使得它們彼此之間的相對(duì)位置和工作姿態(tài)發(fā)生自由改變；

所述電弧攝像檢測(cè)單元、成形尺寸三維測(cè)量單元均安裝在所述第二六軸機(jī)器人上，它們依照所述電弧槍的電弧運(yùn)動(dòng)軌跡保持同步運(yùn)行，并分別用于對(duì)電弧的穩(wěn)定性狀態(tài)、金屬構(gòu)件制造成形過程中的實(shí)際三維尺寸執(zhí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至所述負(fù)反饋監(jiān)控單元；

所述堆積成形數(shù)字化監(jiān)測(cè)平臺(tái)用于設(shè)置在所述載物平臺(tái)的一側(cè)，并用于對(duì)金屬構(gòu)件堆積成形過程中的相關(guān)工藝參數(shù)執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)一并發(fā)送至所述負(fù)反饋監(jiān)控單元；

所述負(fù)反饋監(jiān)控單元布置在所述載物平臺(tái)的另外一側(cè)，并用于對(duì)所接受的數(shù)據(jù)執(zhí)行統(tǒng)一反饋處理。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，上述系統(tǒng)還優(yōu)選包括同樣設(shè)置在所述載物臺(tái)一側(cè)的電弧穩(wěn)定調(diào)控平臺(tái)和成形尺寸控制平臺(tái)，其中對(duì)于該電弧穩(wěn)定調(diào)控平臺(tái)而言，它與所述電弧攝像檢測(cè)單元信號(hào)相連，并用于對(duì)所采集的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行分析處理以便實(shí)時(shí)監(jiān)控電弧的穩(wěn)定性狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)所述處理所述負(fù)反饋監(jiān)控單元的反饋信號(hào)，對(duì)電弧的穩(wěn)定性狀態(tài)予以調(diào)節(jié)；

對(duì)于該成形尺寸控制平臺(tái)而言，它則與所述成形尺寸三維測(cè)量單元信號(hào)相連，并用于對(duì)所采集的尺寸數(shù)據(jù)執(zhí)行分析處理以便實(shí)時(shí)監(jiān)控成形件的成形精度，同時(shí)根據(jù)所述處理所述負(fù)反饋監(jiān)控單元的反饋信號(hào)，對(duì)成形件的三維尺寸予以調(diào)節(jié)。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，上述系統(tǒng)還優(yōu)選包括缺陷除去平臺(tái)，該缺陷除去平臺(tái)同樣設(shè)置在所述載物平臺(tái)的一側(cè)，并用于對(duì)金屬構(gòu)件成形件的質(zhì)量缺陷執(zhí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至所述負(fù)反饋監(jiān)控單元，然后在其控制之下使得位于所述龍門架上的懸臂銑刀對(duì)缺陷執(zhí)行銑削處理。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于所述堆積成形數(shù)字化監(jiān)測(cè)平臺(tái)而言，它所監(jiān)控的金屬構(gòu)件堆積成形過程中的相關(guān)工藝參數(shù)包括：堆積電流、堆積電壓、電弧槍的行走速度等。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于所述多電弧協(xié)同作業(yè)模塊而言，它的各個(gè)電弧槍分別配備有獨(dú)立電源，并且其中一部分或全體電弧槍還額外配備有激光器光源；該激光器光源用于在金屬絲材熔融過程中，對(duì)所形成的電弧弧柱施加穩(wěn)定的激光激勵(lì)；以此方式，在激光的直接作用下，電弧弧柱中的金屬成分發(fā)生氣化和電離并形成大量的帶電粒子，由此提高了電弧的穩(wěn)定性，此外電弧弧柱中的中性粒子也發(fā)生電離成為等離子體且發(fā)生壓縮現(xiàn)象，由此使得電弧的直徑得以縮小，進(jìn)而改善金屬構(gòu)件的表面成形精度。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述激光激勵(lì)的工藝參數(shù)優(yōu)選設(shè)定如下：功率為300w～700w，脈寬為3ms～6ms，頻率為20hz～50hz。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述多電弧協(xié)同作業(yè)模塊具有5個(gè)以上的電弧槍，并且這些電弧槍各自配有位置及姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于所述多電弧協(xié)同作業(yè)模塊而言，它的一部分或全體電弧槍的送絲系統(tǒng)裝有相同或不同的金屬絲材，并可根據(jù)工況需求，采用下列工作模式中的一種或任意組合來執(zhí)行金屬構(gòu)件的多電弧系統(tǒng)增材制造過程：

(i)共熔池工作模式：將所述多個(gè)電弧槍彼此之間的相對(duì)間距設(shè)定為小于10mm，由此在此狀態(tài)下通過多個(gè)電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構(gòu)件獲得相對(duì)較快的第一冷卻速度；

(ii)不共熔池工作模式：將所述多個(gè)電弧槍彼此之間的相對(duì)間距設(shè)定為大于18mm，由此在此狀態(tài)下通過多個(gè)電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構(gòu)件獲得相對(duì)較慢的第二冷卻速度；

(iii)部分共熔池工作模式：將所述多個(gè)電弧槍彼此之間的相對(duì)間距設(shè)定處于[10mm,18mm]的區(qū)間范圍，由此在此狀態(tài)下通過多個(gè)電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構(gòu)件獲得第三冷卻速度，其中該第三冷卻速度介于所述第一冷卻速度與所述第二冷卻速度之間。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述共熔池工作模式下，各個(gè)電弧槍相對(duì)于z軸的夾角優(yōu)選處于(30°,60°]的區(qū)間范圍；所述不共熔池工作模式下，各個(gè)電弧槍相對(duì)于z軸的夾角優(yōu)選處于(0°,10°]的區(qū)間范圍；此外，所述部分共熔池工作模式下，各個(gè)電弧槍相對(duì)于z軸的夾角優(yōu)選處于(10°,30°]的區(qū)間范圍。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1、通過對(duì)該制造系統(tǒng)的整體構(gòu)造組成及布局重新進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，不僅能夠以結(jié)構(gòu)緊湊、布合理、便于操控的方式來高效率執(zhí)行各類大型金屬構(gòu)件的電弧增材制造全過程，而且可在制造過程中全面掌控成形尺寸、成形精度、成形質(zhì)量等方面的指標(biāo)要求，相應(yīng)可有效滿足大型金屬構(gòu)件多電弧協(xié)同形、性一體化的增材制造要求；

2、本發(fā)明中還對(duì)一些關(guān)鍵組件的具體結(jié)構(gòu)組成及其設(shè)置方式、工作方式等方面做出了改進(jìn)，其中通過采用多束電弧協(xié)同增材制造，實(shí)際測(cè)試表明可有效調(diào)控溫度場(chǎng)，使得堆積過程的金屬構(gòu)件在冷卻過程尤其是從800℃到300℃的重要階段可獲得更高韌性和更高強(qiáng)度的組織構(gòu)造，同時(shí)避免晶粒過分長(zhǎng)大；此外，該設(shè)計(jì)還便于多種不同材料的同步增材制造，并且多種模式可根據(jù)需求靈活調(diào)整，因而尤其適用于多材料梯度結(jié)構(gòu)的高性能金屬構(gòu)件制造場(chǎng)合；

3、本發(fā)明通過對(duì)電弧弧柱施加高能量密度的激光，不僅顯著提高了電弧弧柱的穩(wěn)定性，而且還能夠同步使得電弧弧柱本身的直徑發(fā)生縮小，相應(yīng)可實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的高質(zhì)量、高精度制造成形，并尤其適用于對(duì)表面平齊度要求很高之類的金屬構(gòu)件增材制造應(yīng)用場(chǎng)合；

4、本發(fā)明通過配備電弧攝像檢測(cè)單元、成形尺寸三維測(cè)量單元、電弧穩(wěn)定調(diào)控平臺(tái)、成形尺寸控制平臺(tái)和缺陷除去平臺(tái)等多個(gè)組件，可很好地實(shí)時(shí)獲取成形尺寸、電弧穩(wěn)定性以及包含電弧電流、電壓、電弧槍行走速度等在內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，并在負(fù)反饋監(jiān)控模塊的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理下實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)和高精度的自動(dòng)化控制，因而進(jìn)一步確保大型金屬構(gòu)件多電弧協(xié)同形、性一體化的增材制造。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式所構(gòu)建的金屬構(gòu)件增材制造系統(tǒng)的整體構(gòu)造示意圖；

圖2是用于顯示圖1中所示整體系統(tǒng)的工作原理示意圖；

圖3是以5束電弧為例，示范性顯示按照本發(fā)明所構(gòu)建的多電弧協(xié)同作業(yè)模塊中的多個(gè)電弧布置示意圖；

圖4a是用于具體顯示按照本發(fā)明的共熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖；

圖4b是用于具體顯示按照本發(fā)明的不共熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖；

圖4c是用于具體顯示按照本發(fā)明的部分熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-電弧槍體夾持裝置2-電弧穩(wěn)定調(diào)控平臺(tái)3-成形尺寸控制平臺(tái)4-缺陷除去平臺(tái)5-堆積成形數(shù)字化監(jiān)測(cè)平臺(tái)6-工作臺(tái)7-導(dǎo)軌8-負(fù)反饋監(jiān)控單元9-獨(dú)立電源10-機(jī)器人控制平臺(tái)11-激光器光源12-龍門架13-第一六軸機(jī)器人14-第二六軸機(jī)器人15-電弧攝像檢測(cè)單元16-成形尺寸三維測(cè)量單元

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式所構(gòu)建的金屬構(gòu)件增材制造系統(tǒng)的整體構(gòu)造示意圖，圖2是用于顯示圖1中所示整體系統(tǒng)的工作原理示意圖。如圖1和圖2中所示，該金屬構(gòu)件增材制造系統(tǒng)主要包括載物平臺(tái)、多電弧協(xié)同作業(yè)模塊、電弧攝像檢測(cè)單元、成形尺寸三維測(cè)量單元、堆積成形數(shù)字化監(jiān)測(cè)模塊、和負(fù)反饋監(jiān)控模塊等組件，下面對(duì)其逐一進(jìn)行具體解釋說明。

所述載物平臺(tái)包括龍門架12、工作臺(tái)6和導(dǎo)軌7，其中該龍門架12作為系統(tǒng)的主體框架結(jié)構(gòu)，上面安裝有2臺(tái)高精度的六軸機(jī)器人。它可沿著導(dǎo)軌7相對(duì)于處于載物平臺(tái)下方的工作臺(tái)6執(zhí)行y軸方向也即垂直于紙面的方向上的移動(dòng)，它的橫梁則可沿著z軸方向也即上下豎直方向的移動(dòng)(x軸方向則如圖所示，是左右水平方向)。此外，該龍門架的橫梁上還安裝有第一六軸機(jī)器人13和第二六軸機(jī)器人14；這兩機(jī)器人除了能夠完成自身的六軸運(yùn)動(dòng)外，還可以在龍門架上左右、上下移動(dòng)。

在第一六軸機(jī)器人13上，整體安裝有作為關(guān)鍵組件之一的所述多電弧協(xié)同作業(yè)模塊。該模塊經(jīng)由電弧槍體夾持裝置1配備有多個(gè)相互獨(dú)立的電弧槍(如圖4所示譬如為5個(gè))，這些電弧槍各自既可沿著x軸、y軸和z軸方向執(zhí)行直線移動(dòng)，也可執(zhí)行以z軸為轉(zhuǎn)動(dòng)軸譬如發(fā)生[0°,60°]范圍內(nèi)的角度調(diào)整，從而使得它們彼此之間的相對(duì)位置和工作姿態(tài)發(fā)生自由改變。

與此對(duì)應(yīng)地，在載物平臺(tái)的另一側(cè)(圖中顯示為右側(cè))，安裝有與多個(gè)電弧槍配套的多個(gè)電源部件，包括2臺(tái)激光器光源11、5臺(tái)cmt電源9和5臺(tái)機(jī)器人控制裝置10，由此可獨(dú)立調(diào)控5束電弧與激光的工藝參數(shù)。

之所以采用多電弧執(zhí)行協(xié)同制造，主要是考慮對(duì)電弧增材制造堆積金屬構(gòu)件組織起決定作用的是堆積過程中金屬構(gòu)件的溫度場(chǎng)，特別是從800℃到300℃的冷卻速度。相應(yīng)地，本申請(qǐng)考慮通過更為精細(xì)去調(diào)控溫度場(chǎng)的方式，確?？色@得適當(dāng)?shù)牟煌鋮s速度來通過高韌性組織轉(zhuǎn)變區(qū)，進(jìn)而確保金屬構(gòu)件在組織轉(zhuǎn)變過程中形成高韌性、高強(qiáng)度的組織，并盡量避免晶粒過分成長(zhǎng)的問題。

更具體而言，如圖3所示，以5束電弧為例進(jìn)行說明。這5束電弧的空間距離、姿態(tài)均可獨(dú)立調(diào)控，也即這些相互獨(dú)立的5束電弧按一定的形式排列，各電弧獨(dú)立，并各自有獨(dú)立電源與位置及姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，可靈活地調(diào)整弧電弧槍的位置與姿態(tài)。以此方式，通過調(diào)節(jié)5束電弧之間的相對(duì)位置關(guān)系及作業(yè)姿勢(shì)等，使5束電弧之間形成共熔池、部分共熔池、不共熔池三種狀態(tài)，不同狀態(tài)下金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度不同，獲得不同的組織與性能，實(shí)現(xiàn)電弧增材制造金屬構(gòu)件組織與性能的調(diào)控。

其中如圖4a所示，當(dāng)5束電弧彼此之間的相對(duì)間距設(shè)定為小于10mm，并且可進(jìn)一步優(yōu)選使得各個(gè)電弧槍相對(duì)于z軸的夾角譬如處于(30°,60°]的區(qū)間范圍時(shí)，此時(shí)處于共熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構(gòu)件的積累大，堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度較慢；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，此工作模式適宜于合金含量較高，易形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造。

接著如圖4b所示，當(dāng)5束電弧彼此之間的彼此之間的相對(duì)間距設(shè)定為大于18mm，此時(shí)可還進(jìn)一步優(yōu)選使得各個(gè)電弧槍相對(duì)于z軸的夾角譬如處于(0°,10°]的區(qū)間范圍時(shí)，此時(shí)處于非熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構(gòu)件的熱積累較小，堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度快；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，此工作模式適宜于低碳鋼，微合金鋼，不易形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造。

此外，如圖4c所示，當(dāng)5束電弧彼此之間的相對(duì)間距設(shè)定處于[10mm,18mm]的區(qū)間范圍，此時(shí)還可進(jìn)一步優(yōu)選將各個(gè)電弧槍相對(duì)于z軸的夾角譬如處于(10°,30°]的區(qū)間范圍時(shí)，此時(shí)處于部分熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構(gòu)件的熱積累介于共熔池和不共熔池之間，堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度也介于共熔池和不共熔池之間；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，此工作模式下適宜于低合金鋼，有可能形成馬氏體組織的金屬構(gòu)件電弧增材制造。

在第二六軸機(jī)器人14上，安裝有所述電弧攝像檢測(cè)單元15、成形尺寸三維測(cè)量單元16。它們依照所述電弧槍的電弧運(yùn)動(dòng)軌跡保持同步運(yùn)行，并分別用于對(duì)電弧的穩(wěn)定性狀態(tài)、金屬構(gòu)件制造成形過程中的實(shí)際三維尺寸執(zhí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至所述負(fù)反饋監(jiān)控單元8。

與此相對(duì)應(yīng)地，在載物平臺(tái)的一側(cè)(圖中顯示為左側(cè))，還依次布置有四個(gè)平臺(tái)，具體包括電弧穩(wěn)定調(diào)控平臺(tái)2、成形尺寸控制平臺(tái)3，缺陷除去平臺(tái)4和堆積成形數(shù)字化監(jiān)測(cè)平臺(tái)5。

更具體地，電弧穩(wěn)定調(diào)控平臺(tái)2與所述電弧攝像檢測(cè)單元15信號(hào)相連，并用于對(duì)所采集的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行分析處理以便實(shí)時(shí)監(jiān)控電弧的穩(wěn)定性狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)所述處理所述負(fù)反饋監(jiān)控單元8的反饋信號(hào)，對(duì)電弧的穩(wěn)定性狀態(tài)予以調(diào)節(jié)；成形尺寸控制平臺(tái)3則與所述成形尺寸三維測(cè)量單元16信號(hào)相連，并用于對(duì)所采集的尺寸數(shù)據(jù)執(zhí)行分析處理以便實(shí)時(shí)監(jiān)控成形件的成形精度，同時(shí)根據(jù)所述處理所述負(fù)反饋監(jiān)控單元8的反饋信號(hào)，對(duì)成形件的三維尺寸予以調(diào)節(jié)。

此外，堆積成形數(shù)字化監(jiān)測(cè)平臺(tái)5對(duì)金屬構(gòu)件堆積成形過程中的相關(guān)工藝參數(shù)、包括堆積電流、電壓、電弧槍的行走速度等執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)一并發(fā)送至所述負(fù)反饋監(jiān)控單元8；缺陷除去平臺(tái)4同樣設(shè)置在所述載物平臺(tái)的一側(cè)，并用于對(duì)金屬構(gòu)件成形件的質(zhì)量缺陷執(zhí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至所述負(fù)反饋監(jiān)控單元8，然后在其控制之下使得位于所述龍門架上的懸臂銑刀對(duì)缺陷執(zhí)行銑削處理。

最后，四個(gè)平臺(tái)還可將所有分析處理的數(shù)據(jù)傳達(dá)至負(fù)反饋監(jiān)控單元8中，并優(yōu)選通過對(duì)比相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)等方式，進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形件成形精度、成形尺寸和成形質(zhì)量的精確控制。此負(fù)反饋監(jiān)控單元8布置在所述載物平臺(tái)的另外一側(cè)，并處于cmt電源9的下部，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)成形系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

作為本發(fā)明的另一關(guān)鍵改進(jìn)，多電弧協(xié)同作業(yè)模塊的各個(gè)電弧槍分別配備有獨(dú)立電源，并且其中一部分或全體電弧槍還額外配備有激光器光源；該激光器光源用于在金屬絲材熔融過程中，對(duì)所形成的電弧弧柱施加穩(wěn)定的激光激勵(lì)；以此方式，在激光的直接作用下，電弧弧柱中的金屬成分發(fā)生氣化和電離并形成大量的帶電粒子，由此提高了電弧的穩(wěn)定性，此外電弧弧柱中的中性粒子也發(fā)生電離成為等離子體且發(fā)生壓縮現(xiàn)象，由此使得電弧的直徑得以縮小，進(jìn)而改善金屬構(gòu)件的表面成形精度。

利用以上搭建完畢的增材制造系統(tǒng)可高精度、高效率、便于操控地進(jìn)行各類復(fù)雜的大型高性能金屬構(gòu)件多電弧協(xié)同增材制造成形，尤其可滿足形性一體化成形的需求，其具體操作步驟如下：

1、三維建模與路徑規(guī)劃：可采用ug或pro/e三維造型軟件繪制出增材制造的大型金屬構(gòu)件的三維cad模型，并規(guī)劃出成形路徑；

2、選定材料，確定成形5束電弧參數(shù)：依據(jù)成形金屬構(gòu)件性能與幾何尺寸，選定材料，并確定電流、電壓、弧焊槍運(yùn)行速度；

3、激光穩(wěn)定和約束電弧：根據(jù)成形電弧穩(wěn)定性的要求和成形精度要求，選定激光的功率、脈寬、離焦量等參數(shù)，在保證電弧穩(wěn)定的同時(shí)，約束電弧弧柱到確定的尺寸；

4、多束電弧位置調(diào)控：由成形金屬材料的成分，根據(jù)cct圖確定堆積金屬構(gòu)件從800℃到300℃的冷卻速度，使冷卻速度通過需要得到的組織區(qū)域，調(diào)節(jié)多電弧之間的相對(duì)位置成為共熔池、部分共熔池與不共熔池中特定的狀態(tài)；

5、直接成形：按照選定的激光工藝參數(shù)和電弧工藝參數(shù)，進(jìn)行電弧增材制造，獲得高性能和成形尺寸符合要求的成形金屬構(gòu)件。

6、負(fù)反饋監(jiān)控協(xié)同平臺(tái)接受到接收高速攝像電弧監(jiān)控系統(tǒng)、成形尺寸三維測(cè)量系統(tǒng)、堆積電流、電壓、弧焊槍行走速度數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的反饋信號(hào)，負(fù)反饋監(jiān)控協(xié)同平臺(tái)根據(jù)其內(nèi)部存儲(chǔ)的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，通過工藝參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行修正，將修改信息發(fā)送至弧焊電源，改變堆積電流、電壓、弧焊槍行走速度參數(shù)值。

如果堆積成形形成缺陷，停止電弧堆積成形，用負(fù)反饋監(jiān)控協(xié)同平臺(tái)分析缺陷的位置，進(jìn)行缺陷清除，缺陷處理完成后，用單絲電弧修補(bǔ)缺陷處，修補(bǔ)完成后，繼續(xù)堆積成形。

下面繼續(xù)給出不同應(yīng)用場(chǎng)合的多個(gè)具體實(shí)施例，以便更為清晰地解釋本發(fā)明。

實(shí)施例1

某大型艦船的關(guān)鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)尺寸與性能有較高要求。性能要求在1000mpa以上，成形的尺寸精度為±1.5mm。為了保證電弧增材制造金屬構(gòu)件的性能與成形精度，采用多電弧協(xié)同形性一體化增材制造裝備進(jìn)行增材制造，具體的步驟如下：

1、三維模型建立：采用ug三維造型軟件繪制出零部件的三維cad模型，生成機(jī)器人數(shù)控代碼與成形路徑軟件；

2、選定成形材料，設(shè)定成形電弧參數(shù)：增材制造過程中選用合金含量較高的成形材料，成形采用co2保護(hù)氣，金屬絲材的直徑為1.2mm，其成形為電流100a，電壓20v，弧焊槍的行走速度為28.8m/h；

3、激光穩(wěn)定和約束電?。焊鶕?jù)成形電弧穩(wěn)定性的要求和成形精度要求，采用500w的光纖脈沖激光器，輸出功率為300w、脈寬為5ms、頻率為30hz，離焦量為-0.3mm；

4、5束電弧位置調(diào)控：成形中采用的是合金含量較高的材料，成形過程中的800℃到300℃的冷卻速度不宜過快，為保證冷卻速度位于所要求的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)5束電弧的距離，保證其相互之間的距離為6mm(10mm以內(nèi)即為共熔池狀態(tài))，電弧槍體與z軸的夾角為30°，5束電弧為共熔池狀態(tài)；

5、直接成形：開啟5束電弧協(xié)同形性一體化裝備，按照選定的激光工藝參數(shù)和電弧工藝參數(shù)，進(jìn)行電弧增材制造，獲得高性能和成形尺寸符合要求的成形金屬構(gòu)件。

所獲得的金屬構(gòu)件的性能數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)如下表1所示：

表1

綜上，本發(fā)明涉及一種是適用于高性能大型金屬構(gòu)件的多電弧協(xié)同增材制造系統(tǒng)，該裝備系統(tǒng)有激光壓縮電弧功能組件、高速攝像電弧監(jiān)控功能組件、堆積電流/電壓/弧焊槍行走速度數(shù)字化監(jiān)控功能組件、成形尺寸三維測(cè)量功能組件，缺陷除去功能組件，以及配套的負(fù)反饋監(jiān)控功能組件，并能夠高質(zhì)量、高精度和高效率地實(shí)現(xiàn)對(duì)大型金屬構(gòu)件形、性一體化電弧增材制造。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。