專利名稱：回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及快速成形技術(shù)，具體地說是一種回轉(zhuǎn)體表面激光快速 成形系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
快速成形技術(shù)是八十年代末興起并得到迅速發(fā)展的嶄新制造技術(shù)，被 認(rèn)為是近二十年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，其對制造業(yè)的影響可與 數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)相比。
在快速成形技術(shù)的發(fā)展歷程中，按照成形材料劃分可將快速成形技術(shù) 分為以下三個階段基于非金屬材料的原型件快速成形技術(shù)、基于傳統(tǒng)快 速原型設(shè)備的金屬零件直接成形技術(shù)、金屬零件直接快速成形技術(shù)。金屬 零件直接快速成形技術(shù)因其可直接由金屬粉末經(jīng)高功率激光熔覆制造成形 金屬功能零件而倍受人們的關(guān)注，并且取得了非常長足的發(fā)展。
快速成形技術(shù)是將計算機數(shù)據(jù)處理、機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激
光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)熔合為一體的一項技術(shù)，其中數(shù)據(jù)處理算法是人們
一直研究的熱點之一。通常快速成形數(shù)據(jù)處理的步驟是首先在計算機上
制作出零件三維CAD模型，將零件三維CAD模型進行網(wǎng)格化處理后存儲 成STL格式文件；然后對STL格式文件進行分層切片處理，得到各層截面 的二維輪廓信息；最后按照這些輪廓信息自動生成快速成形加工路徑。在 目前快速成形的各種工藝技術(shù)中，均是通過各種各樣的計算機數(shù)據(jù)處理算 法，將CAD實體模型離散成STL文件后，用二維平面進行切片分層處理， 所得到的各個分層輪廓均在一個二維平面內(nèi)。因此在成形加工的過程中， 均是選擇適當(dāng)?shù)囊粋€平面材料做為支撐的基體。而采用圓柱曲面作為三維 空間內(nèi)的分層切片曲面進行分層切片數(shù)據(jù)處理仍然未見報道，因此以回轉(zhuǎn) 體為支撐基體的回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形技術(shù)是一項新的快速成形技術(shù)。
實用新型內(nèi)容
為了能夠在回轉(zhuǎn)體表面進行快速成形加工，制造出能夠直接進行功能 性應(yīng)用的回轉(zhuǎn)類金屬零件，本實用新型提供一種回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形 加工系統(tǒng)。
本實用新型技術(shù)方案如下由激光光源、運動執(zhí)行機構(gòu)、擺動式同軸 送粉機構(gòu)、存有分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序的運動控制單元組 成。激光光源輸出激光束經(jīng)過運動執(zhí)行機構(gòu)、擺動式同軸送粉機構(gòu)的光路 至基體表面，運動執(zhí)行機構(gòu)末端與擺動式同軸送粉機構(gòu)相連接，運動控制 單元一方面與激光光源電連接，控制激光開關(guān)；另一方面分別與運動執(zhí)行
機構(gòu)中的各軸電機電連接，按分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序指令 控制各軸運動。
本實用新型具有如下特點
1. 本實用新型采用同心圓柱曲面對回轉(zhuǎn)體零件進行分層切片數(shù)據(jù)處 理，采用螺旋掃描形式對圓柱曲面內(nèi)的各輪廓進行掃描路徑填充處理，提 供了回轉(zhuǎn)體零件激光直接快速成形制造技術(shù)的一個新的技術(shù)路線。
2. 與傳統(tǒng)的激光氣動光閘不同，在本實用新型的系統(tǒng)中采用了可控硅 電子光閘技術(shù)，并且可由計算機進行激光的開關(guān)控制。其特點的反應(yīng)迅速、 可控性好、無機械振動、節(jié)約能源、能量穩(wěn)定。
3. 本實用新型在原有的粉末噴嘴基礎(chǔ)上，設(shè)計了可在水平面與垂直面 間實現(xiàn)90。角內(nèi)的任意角擺動的送粉結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了垂直面、水平面以及其間 的任意角度的成形加工，極大地提高了粉末噴嘴的工作能力和成形適用范 圍。
4. 本實用新型基于PC機的運動控制單元以及運動執(zhí)行機構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn) 化程度高、柔性好、開放性強、節(jié)約成本、操作簡單、可充分發(fā)揮PC機的 強大功能。采用伺服電機、步進電機以及精密的滾珠絲杠和滾珠導(dǎo)軌組成 運動執(zhí)行機構(gòu)，定位精度與重復(fù)定位精度均極高。


圖1是本實用新型的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是圖1中擺動粉末噴嘴機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實用新型采用圖2所示擺動粉末噴嘴機構(gòu)用于回轉(zhuǎn)體表面激 光快速成形的一個實施例。
圖4是圖1中運動控制單元結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是圖4中分層切片數(shù)據(jù)處理程序流程圖。 圖6是圖4中運動控制程序流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
本實用新型回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形是以回轉(zhuǎn)面分層切片、回轉(zhuǎn)掃 描路徑填充方法形成系統(tǒng)加工路徑的數(shù)據(jù)依據(jù)；采用高功率聚焦激光束為 能量源，進行激光熔覆成形；利用擺動式同軸送粉，實現(xiàn)粉末在垂直和水 平方向任意角度送給；并使用金屬粉末在運動控制單元的自動控制下、在 直線與回轉(zhuǎn)三軸聯(lián)動的執(zhí)行機構(gòu)上，完成掃描填充成形過程，從而直接、 自動、快速地制備成形全密度金屬功能零件；
所述回轉(zhuǎn)分層切片方法指在回轉(zhuǎn)體零件的CAD建模時，以一定直徑 的回轉(zhuǎn)體為基體，在基體上設(shè)計出零件的形狀特征，將該CAD模型離散， 將離散數(shù)據(jù)以STL格式保存；將一系列同心圓柱曲面作為STL文件的分層 曲面，再進行分層切片數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)各層同心圓柱曲面上的輪廓形 狀；所述回轉(zhuǎn)掃描路徑填充方法是以回轉(zhuǎn)掃描形式對圓柱曲面上的輪廓形
狀進行掃描路徑填充處理，將得到的掃描路徑數(shù)據(jù)保存為CLI格式的文件， 作為系統(tǒng)加工路徑的數(shù)據(jù)依據(jù)；
其中所述高功率聚焦激光束選自橫流、多模、針板式3KWC02激光器， 激光輸出功率不穩(wěn)定度小于±2%，電子光閘反應(yīng)速度小于50ms;
采用高功率聚焦激光束為能量源的情況下，可以通過計算機進行激光 開關(guān)的反應(yīng)迅速的自動控制，進行激光熔覆成形。
本實用新型回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)由激光光源l，運動執(zhí)行機
構(gòu)，擺動式同軸送粉機構(gòu)，存有分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序的
運動控制單元9組成，其中激光光源1輸出激光束2經(jīng)運動執(zhí)行機構(gòu)、擺 動式同軸送粉機構(gòu)的光路至基體表面，運動執(zhí)行機構(gòu)末端與擺動式同軸送 粉機構(gòu)相連接，運動控制單元9 一方面與激光光源1電連接，控制激光開 關(guān)；另一方面分別與運動執(zhí)行機構(gòu)中的各軸電機電連接，按分層切片數(shù)據(jù) 處理程序及運動控制程序指令控制各軸運動。
運動執(zhí)行機構(gòu)由F軸4，與Z軸伺服電機3相連的Z軸5， t/軸7，機 座8，回轉(zhuǎn)基體18組成，機座8為L型結(jié)構(gòu)，置有回轉(zhuǎn)基體18的t/軸7 作為回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，安裝在機座8水平方向上，Z軸5位于t/軸7上方，下端 與擺動粉末噴嘴機構(gòu)6安裝在一起，上端與Z軸伺服電機3， Z軸5通過導(dǎo) 軌與y軸4垂直安裝在一起；r軸4位于垂直方向的機座8上；其中F軸4、 C/軸7的伺服電機分別位于機座8內(nèi)；Z軸5和r軸4內(nèi)設(shè)與激光光源1 光路相通的通道。
圖4是運動控制單元9，由插入工業(yè)控制計算機中的運動控制器和I/O 控制器組成，其中運動控制器為市購產(chǎn)品，采用研華PCI-1240型卡，I/O 控制器為市購產(chǎn)品，采用研華PCI-1755型卡，運動控制器輸出至Y軸4、 Z軸5、 U軸7、 V軸四軸驅(qū)動器，用以驅(qū)動各軸伺服電機及步進電機；I/O 控制器控制激光光源(l)中的冷水機組、真空泵、風(fēng)機、高壓以及電子光閘 的開關(guān)；工業(yè)控制計算機內(nèi)還存有分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序， 驅(qū)動Y軸4、 Z軸5、 U軸7、 V軸運動。
所述分層切片數(shù)據(jù)處理程序具體流程(如圖5所示)為首先進行回 轉(zhuǎn)體零件的CAD建模；然后將該CAD模型離散成三角面片，并將離散數(shù) 據(jù)以STL格式保存；第三步是STL文件的檢測與修復(fù)；第四步是基于圓柱 曲面的分層切片數(shù)據(jù)處理，得到輪廓形狀；第五步是基于回轉(zhuǎn)掃描的輪廓 填充處理；最后將得到的掃描路徑數(shù)據(jù)保存為CLI格式的文件，作為系統(tǒng) 加工路徑的數(shù)據(jù)依據(jù)。
所述運動控制程序具體流程(如圖6所示)為首先對運動控制器進 行初始化；然后各個運動軸執(zhí)行歸零運動；第三步是進行運動控制判斷， 即在不進行運動控制時，執(zhí)行各軸位置調(diào)整運動；在進行運動控制時， 進行由CLI數(shù)據(jù)文件驅(qū)動的成形加工運動；最后判斷是否進行新的運動(即 新的運動控制)，如果選"是"則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，如果選"否"則退出運動控制
程序。
擺動式同軸送粉機構(gòu)由固定筒IO，同步帶ll，粉末噴射口 13，激光輸
出口14，旋轉(zhuǎn)筒16，步進電機17組成，旋轉(zhuǎn)筒16、步進電機17安裝在固 定筒10上，步進電機17通過同步帶11與在垂直方向安裝有粉末噴射口 13 的旋轉(zhuǎn)筒16連接，使旋轉(zhuǎn)筒16可帶動粉末噴射口 13在水平面與垂直面間 實現(xiàn)90。角擺動，用于傳遞旋轉(zhuǎn)扭矩；激光輸出口 14位于旋轉(zhuǎn)筒16的激光 光路上，激光輸出口 14設(shè)于噴射口 13內(nèi)部；激光輸出口 14經(jīng)旋轉(zhuǎn)筒16、 固定筒10與運動執(zhí)行機構(gòu)中的光路相通。
光路由一次反射鏡，二次反射鏡12、三次反射鏡15，其中一次反射鏡 安裝在Z軸5中，位于光路上，二次反射鏡12安裝在固定筒IO底部，與 安裝旋轉(zhuǎn)筒16端部的三次反射鏡15在同一光路上。二次反射鏡12及三次 反射鏡(15)均45度角安裝，并相互平行(三次反射鏡15通過旋轉(zhuǎn)筒16與 二次反射鏡12平行、位于在激光輸出口 14上方)。
本實用新型原理所述運動執(zhí)行機構(gòu)由帶動成形零件(安裝在t/軸7 上方的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺上)做旋轉(zhuǎn)運動的"軸7、帶動擺動式同軸送粉機構(gòu)進行 徑向進給運動的F軸4、帶動擺動式同軸送粉機構(gòu)進行軸向進給運動的Z 軸5、帶動擺動式同軸送粉機構(gòu)的粉末噴射口 13在水平面與垂直面間實現(xiàn) 90。角擺動的F軸(參見圖3，旋轉(zhuǎn)筒16的回轉(zhuǎn)中心線即為V軸，實際是 繞X軸的回轉(zhuǎn)軸)，Z軸5—端與Z軸伺服電機3相連接，另一端與擺動式 同軸送粉機構(gòu)6相連，做徑向進給運動的Y軸4 一端與垂直方向上的機座 8安裝在一起，且通過滑動機構(gòu)(導(dǎo)軌)與Z軸5水平向滑動連接，實現(xiàn)分 層厚度上的間歇進給，可執(zhí)行獨立運動；Y軸4 、 Z軸5分別采用伺服電 機驅(qū)動；而U-V-Z三軸實現(xiàn)三軸聯(lián)動(即U軸為繞Z的旋轉(zhuǎn)軸，V軸為 繞X軸的旋轉(zhuǎn)軸，其聯(lián)動的實現(xiàn)通過三軸插補運動實現(xiàn))，從而實現(xiàn)精確的
掃描填充成形過程。t/、 r二軸采用步進電機驅(qū)動?？沙尚蔚幕剞D(zhuǎn)體最大直
徑1000mw、最小直徑100ww、最大高度500mm、最小高度20/ww。
在圖1中，在基于工業(yè)PC機以及運動控制器的運動控制單元9集成控 制下，激光器1采用可控硅電子光閘技術(shù)，激光器1發(fā)出的高功率激光束2 經(jīng)過導(dǎo)光光路三次反射并且聚焦，經(jīng)粉末噴嘴6的出口處，將熔化的金屬 粉末熔覆到基體上，U軸7帶動成形零件做回轉(zhuǎn)運動，同時Y軸4、 Z軸5 完成軸向和徑向進給運動，即可完成成形運動的全部過程。
在圖2中，聚焦激光束經(jīng)過二次反射鏡12和三次反射鏡15的反射， 從激光輸出口14輸出，照射在作為加工零件的基體上形成熔池；安裝在固 定筒10上的歩進電機17通過同歩帶11將旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞給旋轉(zhuǎn)筒16，形成 V軸(旋轉(zhuǎn)筒16的回轉(zhuǎn)中心線即為V軸)，從而帶動噴嘴機構(gòu)13實現(xiàn)其旋 轉(zhuǎn)擺動；金屬粉末經(jīng)過粉末噴射口 13匯聚噴出，噴入熔池內(nèi)，在激光的照 射下實現(xiàn)熔覆。
如圖3所示，回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形實施例中，回轉(zhuǎn)基體18裝夾在
U軸7上并且調(diào)整好回轉(zhuǎn)中心，作為回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺的U軸7在伺服電機的驅(qū)動
下做連續(xù)回轉(zhuǎn)運動；步進電機17帶動V軸旋轉(zhuǎn)，將粉末噴嘴轉(zhuǎn)至水平噴射 位置并且固定不動；擺動式同軸送粉機構(gòu)6在Z軸的伺服電機的驅(qū)動下做 軸向進給運動，并與U軸7的運動合成螺旋進給方式；擺動式同軸送粉機 構(gòu)6在Y軸的伺服電機的驅(qū)動下做間歇徑向進給運動，實現(xiàn)熔覆層的遞增。 回轉(zhuǎn)掃描熔覆路徑規(guī)劃執(zhí)行分層切片數(shù)據(jù)處理程序，回轉(zhuǎn)掃描熔覆路徑通 過運動控制程序?qū)崿F(xiàn)。
本實用新型回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)
可成形的回轉(zhuǎn)體零件最大尺寸(M000X500;
系統(tǒng)外型尺寸4500X2000X1800;
系統(tǒng)自重4000
成開》速度0.05 50附wA; 聚焦激光光斑直徑0.5 5wm。
權(quán)利要求1.一種回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)，其特征在于由激光光源(1)，運動執(zhí)行機構(gòu)，擺動式同軸送粉機構(gòu)，存有分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序的運動控制單元(9)組成，其中激光光源(1)輸出激光束(2)經(jīng)運動執(zhí)行機構(gòu)、擺動式同軸送粉機構(gòu)的光路至基體表面，運動執(zhí)行機構(gòu)末端與擺動式同軸送粉機構(gòu)相連接，運動控制單元(9)一方面與激光光源(1)電連接，控制激光開關(guān)；另一方面分別與運動執(zhí)行機構(gòu)中的各軸電機電連接，按分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序指令控制各軸運動。
2. 按權(quán)利要求1所述回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)，其特征在于運 動執(zhí)行機構(gòu)包括機座(8)，為L型結(jié)構(gòu)；U軸(7)，作為回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，其上置有回轉(zhuǎn)基體(18)，安裝在機座(8) 水平方向上，用于帶動安裝在其上的成形零件做旋轉(zhuǎn)運動；Z軸(5)，位于U軸(7)上方，下端與擺動粉末噴嘴機構(gòu)(6)安裝 在一起，上端安裝有Z軸伺服電機(3)，用于帶動擺動式同軸送粉機構(gòu)進 行軸向進給運動；Y軸(4)位于垂直方向的機座(8)上，通過導(dǎo)軌與Z軸(5)垂直安 裝在一起，用于帶動擺動式同軸送粉機構(gòu)進行徑向進給運動；Z軸(5)和Y軸(4)內(nèi)設(shè)與激光光源(1)光路相通的通道。
3. 按權(quán)利要求2所述回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)，其特征在于其 中Y軸(4)、 U軸(7)的伺服電機分別位于機座(8)內(nèi)。
4. 按權(quán)利要求1所述回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)，其特征在于運 動控制單元(9)，由由插入工業(yè)控制計算機中的運動控制器和I/0控制器組 成，工業(yè)控制計算機中存有分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序，驅(qū)動Y 軸(4)， Z軸(5)， U軸(7)， V軸。
5. 按權(quán)利要求1所述回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)，其特征在于所 述擺動式同軸送粉機構(gòu)由固定筒(10)，同步帶(11)，粉末噴射口 (13)， 激光輸出口 (14)，旋轉(zhuǎn)筒(16)，步進電機(17)組成，旋轉(zhuǎn)筒(16)、步 進電機(17)安裝在固定筒(10)上，步進電機(17)通過同步帶(11) 與在垂直方向安裝有粉末噴射口 (13)的旋轉(zhuǎn)筒(16)連接，使旋轉(zhuǎn)筒(16) 可帶動粉末噴射口 (13)在水平面與垂直面間實現(xiàn)90。角擺動，用于傳遞旋 轉(zhuǎn)扭矩；激光輸出口 (14)位于旋轉(zhuǎn)筒(16)的激光光路i.，激光輸出口(14)設(shè)于噴射口 (13)內(nèi)部；激光輸出口 (14)經(jīng)旋轉(zhuǎn)筒(16)、固定筒 (10)與運動執(zhí)行機構(gòu)中的光路相通。
專利摘要本實用新型涉及快速成形技術(shù)，具體說是一種回轉(zhuǎn)體表面激光快速成形系統(tǒng)。由激光光源、運動執(zhí)行機構(gòu)、擺動式同軸送粉機構(gòu)、存有分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序的運動控制單元組成。激光光源輸出激光束經(jīng)過運動執(zhí)行機構(gòu)、擺動式同軸送粉機構(gòu)的光路至基體表面，運動執(zhí)行機構(gòu)末端與擺動式同軸送粉機構(gòu)相連接，運動控制單元一方面與激光光源電連接，控制激光開關(guān)；另一方面分別與運動執(zhí)行機構(gòu)中的各軸電機電連接，按分層切片數(shù)據(jù)處理程序及運動控制程序指令控制各軸運動。采用本實用新型能夠使金屬粉末在運動控制單元的自動控制下、在直線與回轉(zhuǎn)聯(lián)動的執(zhí)行機構(gòu)上，實現(xiàn)在回轉(zhuǎn)體表面進行快速成形加工，制造出直接進行功能性應(yīng)用的回轉(zhuǎn)類金屬零件。
文檔編號B22F3/105GK201189559SQ20072018521
公開日2009年2月4日 申請日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者劉偉軍, 尚曉峰, 論 李, 光 楊, 田鳳杰 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所