高度自动跟随的电弧增材制造打印装置与打印方法与流程

本发明涉及电弧增材制造打印技术领域，具体而言涉及一种高度自动跟随的电弧增材制造打印装置。

背景技术：

电弧增材制造打印，多以机器人为移动载体，携带焊枪移动进行3d打印。受限于加工工艺和增材制造离线编程软件的开发应用现状，机器人的运动路线执行的是相对位移，即：新一层的高度尺寸，是相对于上一层打印时机器人的停止位置做相对偏移，而不是执行的空间绝对坐标。

金属电弧3d打印过程中，打印基板最初处于冷态，随着打印的持续，基板和工件逐渐升温，温度的变化会造成熔池的形态以及熔池流淌性的变化，并导致工件实际生长高度与理论设定高度不符；在打印薄壁件时，熔池流淌性的不确定性，即使不考虑基板和工件冷热状态的变化，也会造成工件生长高度与理想设定高度不符。因工件实际生长高度与理论设定高度有偏差，每当进行新一层的打印时，如果一直按照固定的相对高度定义新一层的打印位置，打印焊枪到工件表面的垂直高度会与理论设定不符。打印焊枪到工件表面的高度过大，会造成工件质量不良；反之，打印时产生的液态金属飞溅会轻易的接触到焊枪的枪嘴，在熔池高温反射的影响下，造成焊枪送丝嘴堵丝故障，此时就需要人工处理。

对于以上问题，当前的处理方式是通过人工参与：由操作人员随时监控加工状态，每当工件生长一定高度后，暂停加工，并人工测量工件的生长高度，并根据工件生长高度和理论设定高度的偏差，中途调整机器人的实际位置，进而调整焊枪到工件表面的高度距离。此种方法，需要操作人员有比较高的技能水平，并跟随加工过程做不停的观察，处理过程繁琐，调整作业会严重影响加工进度；一旦处理不及时会造成工件的品质问题或者设备故障；处理不当会造成后续打印的工件与已经打印部分相对位置偏离，形成台阶状表面，造成次品甚至废品。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种高度自动跟随的电弧增材制造打印装置，通过在每层加工完毕时，对加工结束位置附近工件的实际生长高度进行测量，并根据测量结果自动调整下一层打印时焊枪到工件表面的距离，实现高品质的打印，减小人工参与和设备故障的可能性，同时当偏差累积补偿值超过设定阈值，自动对刚打印刚完成的最后一层做二次打印，起到限制工件结构偏差的作用。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种高度自动跟随的电弧增材制造打印装置，包括多轴机器人、焊枪、测距传感器以及控制器，其中：

所述焊枪安装在机器人的法兰盘上，并被设置成跟随机器人同步运动；

所述测距传感器安装在所述法兰盘上，位于焊枪的至少一侧，并且所述测距传感器的感应方向与焊枪的朝向平行；

其中，所述控制器与所述测距传感器连接，控制测距传感器检测与打印层的距离检测值，并根据距离检测值与预设值的差值确定焊枪高度修正数据，控制多轴机器人基于焊枪高度修正数据调整焊枪的打印高度，以及基于累积修正数据控制机器人执行运动程序跳转，在跳转目标程序中对打印完成的最后一层进行二次打印。

优选地，焊枪的纵长轴线与加工的工件表面垂直。

优选地，测距传感器为激光测距传感器。

优选地，控制器根据激光测距传感器的多个检测值，基于设定的规则筛选其中的有效值，将有效值的平均值作为焊枪到工件表面的实际高度。

优选地，所述控制器根据获得的实际高度与预设值得差值确定焊枪高度修正数据；所述的差值为正时，控制减小焊枪的与工件表面的间隙；所述差值为负时，控制增大焊枪的与工件表面的间隙，增大或者减小的幅度与焊枪高度修正数据的绝对值一致。

优选地，在打印序列中，所述控制器累积每层打印的焊枪高度修正数据，并且在累积的焊枪高度修正数据达到设定的阈值时，控制机器人执行运动程序跳转。

优选地，在打印序列中，所述控制器响应于机器人执行运动程序跳转而中断累积，并从跳转目标程序恢复到打印序列后的第一层打印开始重新累积焊枪高度修正数据。

根据本发明的改进，还提出一种高度自动跟随的电弧增材制造打印方法，包括以下步骤：

打印序列中，在单层打印完成后，通过测距传感器检测与打印层的距离，并根据距离检测值与设定值的差值确定焊枪高度修正数据，控制多轴机器人基于焊枪高度修正数据调整焊枪的打印高度，以及基于累积修正数据控制机器人执行运动程序跳转，在所述跳转目标程序中，多轴机器人控制所述焊枪对打印完成的最后一层进行二次打印。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

根据激光测距传感器的多个检测值，基于设定的规则筛选其中的有效值，将有效值的平均值作为焊枪到工件表面的实际高度；以及

根据获得的实际高度与预设值得差值确定焊枪高度修正数据；所述的差值为正时，控制减小焊枪的与工件表面的间隙；所述差值为负时，控制增大焊枪的与工件表面的间隙，增大或者减小的幅度与焊枪高度修正数据的绝对值一致。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

在打印序列中，累积每层打印的焊枪高度修正数据，并且在累积的焊枪高度修正数据达到设定的阈值时，控制机器人执行运动程序跳转；

其中，响应于机器人执行运动程序跳转而中断焊枪高度修正数据的累积，从跳转目标程序恢复到打印序列后的第一层打印开始重新累积焊枪高度修正数据。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1a、1b是本发明示例性实施例的焊枪的结构示意图，其中图1a为主视图，图1b为侧视图。

图2是本发明示例性实施例的电弧打印装置的信号处理示意图。

图3是本发明示例性实施例的高度自动跟随的电弧增材制造打印方法的示意图。

图4a、4b为本发明示例性实施例的焊枪高度修正示例。

附图中各个标记的含义如下：

1-多轴机器人的法兰盘；2-测距传感器；3-焊枪；4-焊枪的送丝嘴；5-焊丝；10、工件表面

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图示的示例性实施例的高度自动跟随的电弧增材制造打印装置，包括多轴机器人、焊枪、测距传感器以及控制器。多轴机器人优选为六轴机器人(六自由度机器人)，例如在其第6轴的的法兰盘1上安装固定焊枪3，如此，焊枪3跟随多轴机器人同步运动。

如图1a-1b所示，测距传感器2优选地采用高精度的激光测距传感器，精度达到微米级。例如sick的od2系列传感器，光斑大小为1.9*3.9mm，有效测量范围100mm-500mm，输出方式为4-20ma模拟量，测量频率1.33khz，其精度可达微米级。

测距传感器2安装在多轴机器人的法兰盘1，位于焊枪3的至少一侧，并且测距传感器2的感应方向与焊枪的朝向平行。焊枪3的纵长轴线与加工的工件表面垂直。

图示中，附图标记5表示焊丝，优选采用同轴送丝打印。

结合图2所示，控制器优选地采用plc控制器，可通过模拟量、rs232、rs422、rs485等接口方式与测距传感器进行数据连接。控制器控制测距传感器2检测与打印层的距离检测值，根据距离检测值与预设值的差值确定焊枪高度修正数据，并据此控制多轴机器人基于焊枪高度修正数据调整焊枪的打印高度，以及基于累积修正数据控制机器人执行运动程序跳转，在跳转目标程序中，多轴机器人携带焊枪对打印完成的最后一层进行二次打印。

在本发明的优选的实施例中，控制器优选采用plc控制器(例如西门子或者欧姆龙系列的plc控制器)，根据激光测距传感器的多个检测值，基于设定的规则筛选其中的有效值，将有效值的平均值作为焊枪到工件表面的实际高度。例如，在多个检测值中，去除超过打印单层厚度的异常数据后，剩余的数据作为有效值。通过计算多个有效值的平均值作为焊枪到工件表面的实际高度。如此，可以测得在每层打印后打印层到测距传感器的距离，以此来反映实际的打印层的情况。

例如，在可选的实施例，plc控制器根据获得的实际高度与预设值得差值确定焊枪高度修正数据。优选地，预设值可依据打印对象的具体实施工艺确定，例如将每层打印的理论厚度值作为预设值。例如，在打印过程中，根据打印控制程序的打印序列，其每一层的生长高度是已知的，则在实际打印的过程中，通过每次测量的高度值来确定实际的生长高度，从而得到二者之间的差值。

当前述的差值为正时，表明实际生长高度低于预期设置的打印层的高度，则控制减小焊枪的与工件表面的间隙；反之，前述的差值为负时，控制增大焊枪的与工件表面的间隙，增大或者减小的幅度与焊枪高度修正数据的绝对值一致。

结合图3所示的示例图，以及图4a-4b所示的修正示例，图示中h0表示初始状态下打印工件表面与测距传感器的初始距离。h11表示其中的某一层(以第一层为例)打印完成后，实际进行测量得到的实际高度，如图4a所示，h11对应的高度数值大于预设的第一层的高度，即第一层到测距传感器的距离d1，d1＝h0-h10，h10为打印程序中预设的第一层的厚度，则在本发明的实施例中控制机器人的运动，以在下一层的打印时，减小焊枪与工件表面的间隙。

图4b中，类似地，h12表示其中的某一层(以第一层为例)打印完成后，实际进行测量得到的实际高度，如图4b所示，h12对应的高度数值小于预设的第一层的高度，即第一层到测距传感器的距离，为了区别起见，以d2表示，d2＝h0-h20，h20为打印程序中预设的第一层的厚度，则在本发明的实施例中控制机器人的运动，以在下一层的打印时，增大焊枪与工件表面的间隙，进行相应的高度补偿。

应当理解，为了便于在图示中表示清楚，图4a、4b中，打印层的厚度为示例性表示。

优选地，在打印序列中，进一步地还通过plc控制器累积每层打印的焊枪高度修正数据，并且在累积的焊枪高度修正数据达到设定的阈值时，控制机器人执行运动程序跳转，对刚打印完成的最后一层进行二次打印。

在打印序列中，所述控制器响应于机器人执行运动程序跳转而中断累积，并从跳转目标程序恢复到打印序列后的第一层打印开始重新累积焊枪高度修正数据。

如此，当多次累积的焊枪高度修正数据达到设定的阈值时，则控制对最后一层进行二次打印，进行进一步的补偿，增加加工件的生长高度，进而实现电弧打印时高度自动跟随。同时，在从跳转目标程序恢复到打印序列后，重新开始进行累积的计数。

如此，通过上述过程提高电弧增材制造打印的自动化程度，避免电弧打印过程中频繁的暂停和人工测量工件生长高度、极大降低焊枪送丝嘴堵丝故障发生几率，提高生产节拍，并能有效的保障电弧打印的质量。

根据本发明的改进，还提出一种高度自动跟随的电弧增材制造打印方法，包括以下步骤：

打印序列中，在单层打印完成后，通过测距传感器检测与打印层的距离，并根据距离检测值与预设值的差值确定焊枪高度修正数据，控制多轴机器人基于焊枪高度修正数据调整焊枪的打印高度，以及基于累积修正数据控制进行运动程序跳转，在所述跳转目标程序中，多轴机器人携带所述焊枪对打印完成的最后一层进行二次打印。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

根据激光测距传感器的多个检测值，基于设定的规则筛选其中的有效值，将有效值的平均值作为焊枪到工件表面的实际高度；以及

根据获得的实际高度与预设值得差值确定焊枪高度修正数据；所述的差值为正时，控制减小焊枪的与工件表面的间隙；所述差值为负时，控制增大焊枪的与工件表面的间隙，增大或者减小的幅度与焊枪高度修正数据的绝对值一致。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

在打印序列中，累积每层打印的焊枪高度修正数据，并且在累积的焊枪高度修正数据达到设定的阈值时，控制机器人执行运动程序跳转进而实现对刚打印完毕最后一层的二次打印；

其中，响应于机器人执行运动程序跳转而中断焊枪高度修正数据的累积，从跳转目标程序恢复到打印序列后的第一层打印开始重新累积焊枪高度修正数据。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。