用于金属快速成型的全自由度机械手装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于先进制造技术领域，具体涉及一种用于金属快速成型的全自由度机械手装置。
【背景技术】
[0002]快速成型技术是近二十多年来发展起来的一种先进制造技术，可以制造出致密度高、结构复杂的零件体，目前在生物制造、军工、航空航天等多个领域都有较好的发展前景。金属零件的快速成型技术成为该领域的研宄热点，主要工艺包括选择性激光熔化、直接金属激光烧结成形、电子束熔化、三维打印、激光净成形等十多种工艺。其工艺原理为JtCAD造型的3D数据进行分层，生成每层的加工轮廓；将材料粉末铺展在一个平面基底上并刮平，计算机根据成形零件的截面数据控制加工源(如激光、电子束等)对粉末进行分区作业，该层截面轮廓内的粉末经熔化或烧结后粘结在一起，其它部位的粉末不熔化作为下一层成形时的支撑；每加工完一层工作缸下降一个层厚的高度，同时由铺粉系统把粉末材料均匀的铺展到工作区域，再按下一层的轮廓数据进行加工，如此一层层累积直到形成所需要的零件。
[0003]但是目前的快速成型设备还存在一些不足。首先，现有设备采用的激光扫描方式主要是振镜扫描，设备移动通过导轨实现；这种方式的缺点就是灵活性差，一次只能从一个方向进行扫描，对于结构复杂的零件，必须结合支撑结构，因此降低了成形质量和成形效率。其次，现有设备的送粉系统多是采用粉床技术，利用铺粉辊或者刮板进行铺粉；这种方式粉末利用率低，铺粉时间长，铺粉效率低；且铺粉装置为刚性结构，在铺粉过程中易与表面凸起摩擦，影响铺粉稳定性。
[0004]因此有必要设计一种用于金属快速成型的全自由度机械手装置，以克服上述问题。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供一种用于金属快速成型的全自由度机械手装置，可以实现移动、送粉、熔化的一体化操作，提高了成型过程的灵活性以及粉末利用率，从而提高成型质量和成型效率。
[0006]本实用新型是这样实现的:
[0007]本实用新型提供一种用于金属快速成型的全自由度机械手装置，包括激光头、激光头定位系统、激光光路系统和送粉系统，所述激光头与所述激光光路系统连接。所述激光头定位系统包括一个五自由度机械手，所述五自由度机械手包括依次连接的第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节，所述第五旋转关节的输出端与所述激光头连接，所述五个旋转关节分别连接一台第一驱动电机；所述全自由度机械手装置还包括数控系统，所述各第一驱动电机分别与所述数控系统连接。
[0008]进一步地，所述第一旋转关节的轴线垂直于所述第二旋转关节的轴线，所述第二旋转关节的轴线平行于所述第三旋转关节的轴线，所述第三旋转关节的轴线垂直于所述第四旋转关节的轴线，所述第四旋转关节的轴线垂直于所述第五旋转关节的轴线。
[0009]进一步地，所述五自由度机械手还包括第一臂杆、第二臂杆、第一连杆和第二连杆，所述第二臂杆和第一连杆同轴设置；所述第一臂杆分别与所述第二旋转关节和第三旋转关节连接，所述第二臂杆分别与所述第三旋转关节和第四旋转关节连接，所述第一连杆分别与所述第四旋转关节和所述第五旋转关节连接，所述第二连杆分别与所述第五旋转关节和所述激光头连接；所述五自由度机械手包括五个自由度，所述五个自由度分别为，所述第一旋转关节水平旋转，所述第一臂杆升降，所述第二臂杆升降，所述第一连杆旋转，所述第二连杆升降。
[0010]进一步地，所述激光光路系统包括光纤软管和聚焦镜，所述光纤软管输入端连接有激光光源，所述光纤软管输出端与所述激光头连接，所述聚焦镜设于所述光纤软管输出端与所述激光头之间。
[0011 ] 进一步地，所述光纤软管设于所述五自由度机械手内。
[0012]进一步地，所述激光光路系统还包括激光头高度检测装置，所述激光头高度检测装置设于所述光纤软管输出端与所述聚焦镜之间，所述激光头高度检测装置与数控系统连接。
[0013]进一步地，所述激光头高度检测装置为红外线检测仪。
[0014]进一步地，所述送粉系统包括环设于激光头外部的多个送粉装置。
[0015]进一步地，所述送粉装置包括喷头粉腔和设于所述喷头粉腔内的推粉活塞；所述喷头粉腔一端连接有粉末喷头，另一端连接有送粉管，所述喷头粉腔与所述送粉管之间设有粉腔入口阀门，所述喷头粉腔与所述粉末喷头之间设有粉腔出口阀门；所述推粉活塞连接有活塞推动装置。
[0016]进一步地，所述活塞推动装置包括与所述推粉活塞连接的复位弹簧，所述复位弹簧连接有一推动杆；所述送粉系统还包括第二驱动电机，所述第二驱动电机输入端与所述数控系统连接，所述各推动杆分别与所述第二驱动电机的输出端连接。
[0017]本实用新型具有以下有益效果:相较于现有的采用振镜扫描方式和导轨移动方式，本实用新型通过采用五自由度机械手，可以从多方向多角度进行熔化扫描工作，减少成型过程中支撑的需求，有效提高了成型过程的灵活性；工作缸和夹具可以完全固定，所有工作都由机械手完成，从而提尚了成型的稳定性，有效提尚广品质量。
[0018]本实用新型的进一步有益效果是:相较于现有的采用铺粉辊的铺粉方式，本实用新型通过采用同轴送粉的方式，占用空间小，粉末束的聚拢程度高，有效提高了粉末材料的利用率，节约粉末用量，缩短铺粉时间，提高生产效益。
[0019]本实用新型的进一步有益效果是:激光头、激光光路系统和送粉系统均设置在机械手上，因而机械手可以完成移动、送粉和熔化的一体化操作，有效提高工作效率和产品质量。所有工作都通过数控系统控制，可靠性高。
【附图说明】
[0020]为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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它的附图。
[0021]图1为本实用新型实施例提供的五自由度机械手的结构示意图；
[0022]图2为本实用新型实施例提供的五自由度机械手的结构简图；
[0023]图3为本实用新型实施例提供的机械手末端激光头及送粉系统的结构示意图；
[0024]图4-图6为本实用新型实施例提供的具体实施例中的零件成型步骤图。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0026]如图1-图3，本实用新型实施例提供一种用于金属快速成型的全自由度机械手装置，包括激光头20、激光头定位系统、激光光路系统和送粉系统，所述激光头20与所述激光光路系统连接。所述激光头定位系统包括一个五自由度机械手，所述五自由度机械手包括依次连接的第一旋转关节1、第二旋转关节2、第三旋转关节3、第四旋转关节4和第五旋转关节5，所述第五旋转关节5的输出端与所述激光头20连接，所述五个旋转关节分别连接一台第一驱动电机；所述全自由度机械手装置还包括数控系统，所述各第一驱动电机分别与所述数控系统连接。其中，所述第一旋转关节I的轴线垂直于所述第二旋转关节2的轴线，所述第二旋转关节2的轴线平行于所述第三旋转关节3的轴线，所述第三旋转关节3的轴线垂直于所述第四旋转关节4的轴线，所述第四旋转关节4的轴线垂直于所述第五旋转关节5的轴线。另外，所述五自由度机械手还包括第一臂杆6、第二臂杆7、第一连杆8和第二连杆9，所述第二臂杆7和第一连杆8同轴设置；所述第一臂杆6分别与所述第二旋转关节2和第三旋转关节3连接，所述第二臂杆7分别与所述第三旋转关节3和第四旋转关节4连接，所述第一连杆8分别与所述第四旋转关节4和所述第五旋转关节5连接，所述第二连杆9分别与所述第五旋转关节5和所述激光头20连接；所述五自由度机械手包括五个自由度，所述五个自由度分别为，所述第一旋转关节I水平旋转，所述第一臂杆6升降，所述第二臂杆7升降，所述第一连杆8旋转，所述第二连杆9升降。
[0027]通常情况下，为实现机械手末端在空间的任意位姿，需要机械手具有6个自由度，一般设计成两个连杆系统:前3个自由度构成的连杆系统用来实现机械手末端的空间位置，即本实施例中所述的第一旋转关节1、第二旋转关节2和第三旋转关节3，该三个旋转关节配合控制机械手末端在X、Y、Z轴向上的坐标定位；后3个自由度构成的连杆系统用来实现机械手末端的姿态，本实施例中机械手末端的激光头20为轴对称结构，没有翻转的要求，因此只需两个自由度来实现机械手末端的姿态，即本实施例中所述的第四旋转关节4和第五旋转关节5。以上机构即构成本实施例所述的五自由度机械手。另外，各第一驱动电机分别固定在机械手上，结构简单，不占用空间。
[0028]如图3，所述激光光路系统包括光纤软管10和聚焦镜12，所述光纤软管10输入端连接有激光光源，所述光纤软管10输出端与所述激光头20连接，所述聚焦镜12设于所述光纤软管10输出端与所述激光头20之间；所述光纤软管10设于所述五自由度机械手内。进一步地，所述激光光路系统还包括激光头高度检测装置11，所述激光头高度检测装置11设于所述光纤软管10输出端与所述聚焦镜12之间，所述激光头高度检测装置11与数控系统连接。激光头高度检测装置11的作用是检测聚焦镜12与扫描面的距离，并反馈给数控系统，以调整机械手的空