一种双机器人协同电弧增材方法及装置

摘要

本发明涉及一种双机器人协同电弧增材方法及装置，包括如下步骤：对电弧增材样件进行三维建模，将模型导入机器人离线路径编程软件中，对样件进行工艺分区，分别为MIG增材区和等离子增材区，构件各表面至内部8～15mm范围内所组成的几何区域为等离子增材区，其余部分为MIG增材区；按照高度对增材样件进行步骤分区；双机器人依次交替进行所有步骤分区的电弧增材，直至样件增材完成。本发明的双丝MIG电弧增材用于实现电弧增材制造的高效率；等离子增材用于改善双丝MIG电弧增材后增材构件的尺寸精度，提高电弧增材的表面精度，同时也可使用镍基合金等特殊材料对构件进行全表面性能改善，从而实现高效高精度的高质量电弧增材制造。

权利要求

1.一种双机器人协同电弧增材方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对样件进行工艺分区，构件各表面至内部8～15mm范围内所组成的几何区域为等离子增材区，其余部分为MIG增材区；然后按照高度对增材样件进行步骤分区，每个步骤分区高度在50～100mm之间，从下向上分别编号为1区、2区、…、N区；

步骤二：将增材样件三维模型导入机器人电弧增材离线编程软件中，分别根据MIG和等离子增材工艺参数确定样件步骤分区数据，然后按照步骤分区顺序在离线编程软件中分别生成双丝MIG增材机器人和等离子增材机器人的增材路径与姿态程序；

步骤三：将基板打磨清理并安装在变位机上；

步骤四：对步骤分区第N区进行增材、初始时N＝1，使用双丝MIG增材机器人对第N区MIG增材区进行电弧增材；

步骤五：待第N区MIG增材区增材结束后，关闭双丝MIG增材机器人，启动变位机以及等离子增材机器人，对已增材构件进行角度变换，使等离子增材机器人能对已增材构件侧表面进行增材，改善增材构件的尺寸表面精度以及性能；

步骤六：第N区增材完成后，采用钢刷或角磨机清理N区上层表面，然后令N＝N+1；

步骤七：重复步骤四、五、六，直至增材构件全部完成；

步骤八：卸下基板和增材构件，采用切割法将增材构件与基板分离，当等离子增材材料与MIG增材材料不同时，同时将分离后的增材构件固定在变位机上，切割面朝上，启动等离子增材机器人进行增材，增材结束后关闭所有设备，卸载增材构件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，MIG增材区增材的材料为结构钢或高氮钢。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，等离子增材区增材的材料为结构钢、高氮钢或镍基合金。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，双丝MIG增材机器人增材参数：前段丝材送丝速度为5～14m/min，增材电流为155～265A，增材电压为20.3～27.4V，增材速度为5～

10mm/s；后端丝材送丝速度为4～12m/min，增材电流为144～244A，增材电压为19.6～

24.9V，增材速度为5～10mm/s；

采用保护气为纯Ar气或Ar+CO2混合气体，气流量大小为25L/min；

在已编程好的程序中增添层间停留时间命令，设定层间停留时间为10分钟；

焊枪姿态为焊枪垂直于基板、两焊丝的连线与焊枪行进方向呈15～45°。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，等离子增材机器人送丝增材参数：送丝速度为1～4m/min，增材电流为100～160A，增材速度为20～40cm/min，保护气流量为20～25L/min，离子气流量为1.0～2.0L/min；保护气以及离子气均使用纯氩气。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，等离子增材机器人送粉增材参数：送粉速度为50～250g/min，喷涂距离70～120mm，增材电流为160～260A，增材电压为30～64V，增材速度为1.5～3mm/s，保护气流量为18～25L/min，离子气流量为1.0～2.0L/min；保护气以及离子气均使用纯氩气。

说明书

一种双机器人协同电弧增材方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造领域，具体涉及一种双机器人协同电弧增材方法及装置。

背景技术

[0002] 电弧增材制造技术是一种采用逐层堆积的先进数字化制造技术，其中MIG电弧增材制造技术具有沉积效率高，耗费时间少等优异特点，但是存在制造精度不高的缺点，增材之后仍需要大量的去除材料才能达到外形精度要求；而等离子电弧增材制造技术虽然沉积效率低于前者，但其能量集中，无论送丝还是送粉，其增材构件尺寸精度都较高，后加工去除材料少。

[0003] 专利CN112355435A公开了一种通过激光重熔提高电弧增材表面精度的方法，由于激光增材对工件的装配精度要求高，因此对于大型构件而言装配困难；同时低碳钢以及高反光率的金属使用激光进行重熔或增材的效果不佳，无法满足这类材料的增材制造；并且激光重熔的工作效率较低，只能用于小型结构件的电弧增材制造，应用于大型结构件增材制造上会导致极大地延长产品生产制造时间，同时也无法满足对增材构件侧面进行高精度处理，因而需要寻找适用于各种尺寸、方向以及材料的高效高精度的增材制造的新的方法。

发明内容

[0004] 本发明针对大型结构件增材时，沉积速率高但增材尺寸精度低的不足，提出了一种双机器人协同高效高精度电弧增材方法及装置，以实现高效高精度增材大型结构件。

[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种双机器人协同电弧增材方法，包括如下步骤：

[0006] 步骤一：对样件进行工艺分区，构件各表面至内部8～15mm范围内所组成的几何区域为等离子增材区，其余部分为MIG增材区。然后按照高度对增材样件进行步骤分区，每个步骤分区高度在50～100mm之间，从下向上分别编号为1区、2区、…、N区；

[0007] 步骤二：将增材样件三维模型导入机器人电弧增材离线编程软件中，分别根据MIG和等离子增材工艺参数确定样件步骤分区数据，然后按照步骤分区顺序在离线编程软件中分别生成双丝MIG增材机器人和等离子增材机器人的增材路径与姿态程序；

[0008] 步骤三，将基板打磨清理并安装在变位机上；

[0009] 步骤四，对步骤分区第N区(初始时N＝1)进行增材，使用双丝MIG增材机器人对第N区MIG增材区进行电弧增材；

[0010] 步骤五，待第N区MIG增材区增材结束后，关闭双丝MIG增材机器人，启动变位机以及等离子增材机器人，对已增材构件进行角度变换，使等离子增材机器人能对已增材构件侧表面进行增材，改善增材构件的尺寸表面精度以及性能(此步骤中等离子增材机器人使用的填充材料可以与双丝MIG增材机器人使用的填充材料相同，也可以是其他材料)；

[0011] 步骤六，第N区增材完成后，采用钢刷或角磨机清理第N区上层表面，然后令N＝N+1；

[0012] 步骤七，重复步骤四、五、六，直至增材构件全部完成；

[0013] 步骤八：卸下基板和增材构件，采用切割法将增材构件与基板分离，当等离子增材材料与MIG增材材料不同时，同时将分离后的增材构件固定在变位机上，切割面朝上，启动等离子增材机器人进行增材，增材结束后关闭所有设备，卸载增材构件。

[0014] 进一步的，MIG增材区增材的材料为结构钢、高氮钢；

[0015] 进一步的，等离子增材区增材的材料为结构钢、高氮钢、镍基合金；

[0016] 进一步的，等离子增材区为构件表面至内部8～15mm范围内所组成的几何区域；

[0017] 进一步的，双丝MIG增材机器人增材参数：前段丝材送丝速度为5～14m/min，增材电流为155～265A，增材电压为20.3～27.4V，增材速度为5～10mm/s；后端丝材送丝速度为4～12m/min，增材电流为144～244A，增材电压为19.6～24.9V，增材速度为5～10mm/s；

[0018] 采用保护气为纯Ar气或Ar+CO2混合气体，气流量大小为25L/min；

[0019] 在已编程好的程序中增添层间停留时间命令，设定层间停留时间为10分钟；焊枪姿态为焊枪垂直于基板、两焊丝的连线与焊枪行进方向呈15～45°；

[0020] 进一步的，等离子增材机器人送丝增材参数：送丝速度为1～4m/min，增材电流为100～160A，增材速度为20～40cm/min，保护气流量为20～25L/min，离子气流量为1.0～
2.0L/min；保护气以及离子气均使用纯氩气；

[0021] 进一步的，等离子增材机器人送粉增材参数：送粉速度为50～250g/min，喷涂距离70～120mm，增材电流为160～260A，增材电压为30～64V，增材速度为1.5～3mm/s，保护气流量为18～25L/min，离子气流量为1.0～2.0L/min；保护气以及离子气均使用纯氩气；

[0022] 一种双机器人协同电弧增材装置，包括：双丝MIG增材机器人装置、等离子增材机器人装置、双丝MIG增材电源装置、等离子增材电源装置、机械运动系统、变位机、基板；

[0023] 所述机械运动系统用来实现增材机器人本身的运动，设计形式多样，可以设计为龙门式、悬臂式等结构，具体可根据增材样件的尺寸、结构形式选择。其中机械运动系统与机器人控制柜之间建立通讯，实现机器人与机械运动系统的协同控制；

[0024] 所述变位机用于安置基板，同时用于对已增材构件进行空间位置变化，使等离子增材机器人能对MIG增材完成后的构件的各个表面进行高精度增材制造；

[0025] 进一步的，所述双丝MIG增材机器人装置包括：机器人本体I、控制柜I、双丝MIG增材装用焊枪以及示教器Ⅰ；

[0026] 机器人本体I基座安置在机械运动系统上，通过机械运动系统调节增材机器人空间位置；机器人本体I末端安装MIG增材专用双丝枪，用于送气、送丝以及导电；通过机器人关节轴调整焊枪姿态，增大焊枪的移动范围；示教器Ⅰ用于操作控制机器人的起弧、熄弧以及空间位置；

[0027] 所述MIG增材电源装置包括：2台MIG增材电源、2套MIG送丝系统、2套保护气输送系统；

[0028] 其中MIG送丝系统分别与MIG增材电源、专用焊枪连接；保护气输送系统分别与MIG增材电源、专用焊枪连接；2台MIG增材电源具备通信协调功能，能够实现电源的协同控制，实现双丝增材电流的交替变化，同时也可单独送丝进行增材；

[0029] 进一步的，所述等离子增材机器人装置包括：等离子增材机器人、控制柜Ⅱ、等离子增材专用焊枪以及示教器Ⅱ；

[0030] 等离子增材机器人基座安置在机械运动系统上，通过机械运动系统调节增材机器人空间位置，等离子增材机器人末端安装等离子增材专用焊枪，通过机器人关节轴调整专用焊枪姿态；示教器Ⅱ用于操作控制机器人的起弧、熄弧以及空间位置；

[0031] 所述等离子增材机器人电源装置包括：1台等离子增材电源系统、1套等离子送料系统、1套离子气及保护气输送系统、1套等离子增材专用焊枪；

[0032] 等离子送料系统分别与等离子增材电源系统、等离子增材专用焊枪连接，等离子增材电源系统为丝材的熔敷提供热源以及控制送丝速度；离子气及保护气输送系统分别与等离子增材电源系统、等离子增材专用焊枪连接，为焊枪提供离子气及保护气，等离子增材电源系统控制离子气及保护气流量；等离子增材专用焊枪安置在机器人本体Ⅱ上；

[0033] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

[0034] (1)本发明采用双丝MIG增材机器人与等离子增材机器人双机器人协同增材，利用双丝MIG增材机器人增材制造过程中较高的熔敷效率弥补了等离子增材机器人增材效率不高的缺点的同时，发挥了等离子增材机器人增材尺寸精度高的优势，弥补了双丝MIG增材机器人增材尺寸精度低的不足，在保证了较大的沉积效率的同时提高了增材构件的尺寸表面精准度，尽可能地减少了增材后切、削等减材加工的处理，提高了材料的利用率。

[0035] (2)本发明中通过变位机对已增材构件进行位置变换，使等离子增材机器人能快速地对增材构件的其余表面进行增材处理，提高表面精度以及改善表面性能，而不需人工地进行已增材构件的位置变换，节省了时间。

[0036] (3)本专利使用的等离子增材机器人可采用的工艺、熔敷材料以及材料形态多样，可以进行等离子送丝以及送粉，熔敷材料可以是耐磨、耐腐蚀、耐高温等材料；不仅仅可用于实现高效高精度的增材制造，还可使用镍基合金等高温合金作为等离子增材填充材料，在提高增材构件的尺寸精度的同时，形成钢材与镍基合金之间的异质异构，利用镍基合金的性能优势，提高增材构件的塑韧性、强度以及高温抗蠕变性等力学性能，得到高性能的增材构件。

[0037] (4)本发明采用等离子增材机器人进行协同增材，既改善了双丝MIG电弧增材的表面精度，同时也进行了电弧增材而不是重熔或减材处理，相较于使用激光机器人进行表面重熔而达到提高精度的方法，效率更高，更节约时间。

附图说明

[0038] 图1为本发明双机器人协同电弧增材装备示意图。

[0039] 1‑机械运动系统，2‑机器人本体I，3‑机器人本体Ⅱ，4‑双丝MIG增材专用焊枪，5‑等离子增材专用焊枪，6‑MIG增材电源，7‑控制柜I，8‑MIG保护气输送系统，9‑MIG送丝系统，10‑等离子送料系统，11‑等离子增材电源系统，12‑控制柜Ⅱ，13‑离子气及保护气输送系统，14‑变位机，15‑基板，16‑示教器I，17‑示教器Ⅱ。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

[0041] 如图1所示本发明提供了一种双机器人协同高效高精度电弧增材装置，其特征在于双丝MIG增材机器人装置、等离子增材机器人装置、双丝MIG增材电源装置、等离子增材电源装置、机械运动系统、变位机、基板。

[0042] 所述双丝MIG增材机器人装置包括：

[0043] 机器人本体I2、控制柜I5、双丝MIG增材装用焊枪4以及示教器Ⅰ16。机器人本体I2基座安置在机械运动系统1上，通过机械运动系统1可随时调节增材机器人空间位置，利于增材机器人的增材轨迹运动；机器人本体I末端安装MIG增材专用双丝枪4，用于送气、送丝以及导电；通过机器人关节轴可调整专用焊枪姿态，增大焊枪的移动范围；示教器Ⅰ16用于操作控制机器人的起弧、熄弧以及空间位置。

[0044] 所述等离子增材机器人装置包括：

[0045] 等离子增材机器人3、控制柜Ⅱ12、等离子增材专用焊枪5以及示教器Ⅱ17。等离子增材机器人3基座安置在机械运动系统1上，通过机械运动系统可随时调节增材机器人空间位置，利于增材机器人的增材轨迹运动；等离子增材机器人末端安装等离子增材专用焊枪5，通过机器人关节轴可调整专用焊枪姿态，增大焊枪的移动范围；示教器Ⅱ17用于操作控制机器人的起弧、熄弧以及空间位置。

[0046] 所述MIG增材电源装置包括：

[0047] MIG增材电源2台6、MIG送丝系统2套9、保护气输送系统2套8。其中MIG送丝系统9分别与MIG增材电源6、双丝MIG增材专用焊枪4连接，MIG增材电源为丝材的熔化提供热源以及控制送丝速度；保护气输送系统8分别与MIG增材电源6、专用焊枪4连接，增材电源控制保护气流量大小。上述2台MIG增材电源具备通信协调功能，能够实现电源的协同控制，实现双丝增材电流的交替变化，同时也可单独进行送丝增材。工作时，双丝可以共同起弧，实现双丝增材，也可以单独起弧实现常规的单丝增材。

[0048] 所述等离子增材机器人电源装置包括：

[0049] 等离子增材电源系统11一台、等离子送料系统10一套、离子气及保护气输送系统13一套、等离子增材专用焊枪5。等离子送料系统10分别与等离子增材电源系统11、等离子增材专用焊枪5连接，等离子增材电源系统11为丝材的熔敷提供热源以及控制送丝速度；离子气及MIG保护气输送系统13分别与等离子增材电源系统11、等离子增材专用焊枪5连接，为焊枪提供离子气及保护气，等离子增材电源系统11控制离子气及保护气流量；等离子增材专用焊枪5安置在机器人本体Ⅱ上。

[0050] 所述机械运动系统1用来实现增材机器人本身的运动，设计形式多样，可以设计为龙门式、悬臂式等结构，具体可根据增材样件的尺寸、结构形式选择。其中机械运动系统与机器人控制柜之间建立通讯，实现机器人与机械运动系统的协同控制。

[0051] 所述变位机(14)用于安置基板，同时用于对已增材构件进行空间位置变化，使等离子增材机器人能对MIG增材完成后的构件的各个表面进行高精度增材制造。

[0052] 一种采用上述装置进行双机器人协同高效高精度电弧增材的工艺方法，具体步骤包括：

[0053] 步骤一：对样件进行工艺分区，构件各表面至内部8～15mm范围内所组成的几何区域为等离子增材区，其余部分为MIG增材区。然后按照高度对增材样件进行步骤分区，每个步骤分区高度在50～100mm之间，从下向上分别编号为1区、2区、…、N区；

[0054] 步骤二：将增材样件三维模型导入机器人电弧增材离线编程软件中，分别根据MIG和等离子增材工艺参数确定样件步骤分区数据，然后按照步骤分区顺序在离线编程软件中分别生成双丝MIG增材机器人和等离子增材机器人的增材路径与姿态程序；

[0055] 步骤三，将基板打磨清理并安装在变位机上；

[0056] 步骤四，对步骤分区第N区(初始时N＝1)进行增材，使用双丝MIG增材机器人对第N区MIG增材区进行电弧增材；

[0057] 步骤五，待第N区MIG增材区增材结束后，关闭双丝MIG增材机器人，启动变位机以及等离子增材机器人，对已增材构件进行角度变换，使等离子增材机器人能对已增材构件侧表面进行增材，改善增材构件的尺寸表面精度以及性能(此步骤中等离子增材机器人使用的填充材料可以与双丝MIG增材机器人使用的填充材料相同，也可以是其他材料)；

[0058] 步骤六，第N区增材完成后，采用钢刷或角磨机清理N区上层表面，然后令N＝N+1；

[0059] 步骤七，重复步骤四、五、六，直至增材构件全部完成；

[0060] 步骤八：卸下基板和增材构件，采用切割法将增材构件与基板分离，当等离子增材材料与MIG增材材料不同时，同时将分离后的增材构件固定在变位机上，切割面朝上，启动等离子增材机器人进行增材，增材结束后关闭所有设备，卸载增材构件。

[0061] 实施例1

[0062] 使用本发明高效高精度增材制造5m×0.2m×1m的不锈钢长方体侧板：

[0063] 首先清理打磨基板，将基板安置在增材工作台上，1：1绘制利用3D建模软件对电弧增材样件进行1：1三维建模，然后将模型导入机器人离线路径编程软件中，对样件进行工艺分区，分别为等离子增材区(垂直于长度方向的两表面向内15mm、垂直于宽度方向的两表面向内8mm以及垂直于高度方向的上表面向内10mm范围内所组成几何区域)、MIG增材区(剩余部分)；然后按照高度对增材样件进行步骤分区，每个步骤分区高度为100mm，从下向上分别编号为1区、2区、…、10区；将增材样件三维模型导入机器人电弧增材离线编程软件中，分别根据MIG和等离子增材工艺参数确定样件步骤分区数据，然后按照步骤分区顺序在离线编程软件中分别生成双丝MIG增材机器人和等离子增材机器人的增材路径与姿态程序；

[0064] 设定双丝MIG增材机器人增材参数，前段丝材送丝速度为6m/min，增材电流为175A，增材电压为21.5V，增材速度为6mm/s；后端丝材送丝速度为5.5m/min，增材电流为
159A，增材电压为20.8V，增材速度为6mm/s；采用保护气为纯氩气，气流量大小为25L/min；
在已编程好的程序中增添层间停留时间命令，设定层间停留时间为10分钟。焊枪姿态为焊枪垂直于基板、两焊丝的连线与焊枪行进方向呈30°，目的是为了让两根焊丝所形成的两个熔池能更好的融合为一个熔池，同时使焊缝更为平坦，避免过高。

[0065] 设定等离子增材机器人增材参数，送丝速度为2m/min，增材电流为160A，增材速度为20cm/min，保护气流量为18L/min，离子气流量为1.0L/min。保护气以及离子气均使用纯氩气。

[0066] 启动双丝MIG增材机器人，开始增材第1区，待第1区MIG增材区完成后，关闭双丝MIG增材机器人、启动等离子增材机器人对第1区等离子增材区进行增材，通过变位机对已增材构件进行空间位置变换，实现等离子增材机器人对各个表面的增材处理，直至第1区等离子增材。关闭等离子增材机器人，采用钢刷或角磨机清理第1区上层表面。双机器人协同工作，按步骤分区从下到上完成构件的电弧增材。

[0067] 实施例2

[0068] 使用本发明高效高精度实现2m×0.5m×0.5m高氮钢与镍基合金异种金属增材构件制造：

[0069] 首先清理打磨基板，将基板安置在增材工作台上，1：1绘制利用3D建模软件对电弧增材样件进行1：1三维建模，然后将模型导入机器人离线路径编程软件中，对样件进行工艺分区，分别为等离子增材区(垂直于长度方向的两表面向内15mm、垂直于宽度方向的两表面向内10mm以及垂直于高度方向的上表面向内10mm范围内所组成几何区域)、MIG增材区(剩余部分)；然后按照高度对增材样件进行步骤分区，每个步骤分区高度为50mm，从下向上分别编号为1区、2区、…、10区；将增材样件三维模型导入机器人电弧增材离线编程软件中，分别根据MIG和等离子增材工艺参数确定样件步骤分区数据，然后按照步骤分区顺序在离线编程软件中分别生成双丝MIG增材机器人和等离子增材机器人的增材路径与姿态程序；

[0070] 设定双丝MIG增材机器人增材参数，前段丝材送丝速度为5.5m/min，增材电流为159A，增材电压为20.8V，增材速度为5mm/s；后端丝材送丝速度为5m/min，增材电流为144A，增材电压为19.6V，增材速度为5mm/s；采用保护气为纯氩气，气流量大小为25L/min；在已编程好的程序中增添层间停留时间命令，设定层间停留时间为10分钟。焊枪姿态为焊枪垂直于基板、两焊丝的连线与焊枪行进方向呈30°，目的是为了让两根焊丝所形成的两个熔池能更好的融合为一个熔池，同时使焊缝更为平坦，避免过高。(采用丝材为高氮钢焊丝)[0071] 设定等离子增材机器人增材参数，送粉速度为150g/min，喷涂距离100mm，增材电流为220A，增材电压为45V，增材速度为2.5mm/s，保护气流量为18L/min，离子气流量为
1.0L/min。保护气以及离子气均使用纯氩气。(采用高氮钢粉末、镍基合金粉末)[0072] 启动双丝MIG增材机器人，开始增材第1区，待第1区MIG增材区完成后，关闭双丝MIG增材机器人、启动等离子增材机器人对第1区等离子增材区进行增材，通过变位机对已增材构件进行空间位置变换，实现等离子增材机器人对各个表面的增材处理，直至第1区等离子增材。关闭等离子增材机器人，采用钢刷或角磨机清理第1区上层表面。双机器人协同工作，按步骤分区从下到上完成构件的电弧增材。(在第1～9步骤分区中等离子增材机器人进行上表面增材处理时使用的填充材料为高氮钢，其余采用镍基合金)

[0073] 使用切割等方法将增材构件与基板分离，同时将分离后的增材构件固定在变位机上，切割面朝上，启动等离子增材机器人,垂直于该表面向上增材10mm，增材结束后关闭所有设备，卸载增材构件。