一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装的制作方法

1.本发明涉及电弧增材制造技术，特别涉及一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装。


背景技术：

2.电弧增材制造技术采用逐层堆焊的方式，可以制造致密金属实体构件。该技术以电弧为载能束，具有高热输入和快速成形等优点，适用于大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。电弧增材制造技术成本低、效率高、适用范围广，适合制造大型、复杂的金属构件。然而，电弧增材制造技术也存在残余应力、变形、裂纹等质量问题，这些问题会影响构件的性能和精度。尤其是在多机器人共同作业的情况下，随着熔敷堆积层数的增多，构件内部会产生热积累和不均匀受热现象，导致应力和变形的累积。在基板夹紧处，受到约束力的作用，应力和变形更加严重，甚至可能导致裂纹缺陷的出现。
3.为解决这些问题，目前的研究主要集中在以下几个方面：在电弧增材前期选择合理的丝材及增材方式，在增材基体的形状尺寸符合工作要求的基础上通过结构尺寸的调整来预防残余应力；在增材过程中选择合理的增材工艺参数(低热输入、能量密度集中)，采用有效的工艺措施控制残余应力的形成和发展；在电弧增材结束后采用后热处理工艺来降低残余应力，改善内部组织。然而，这些方法并不能完全消除或减轻电弧增材制造过程中产生的应力和变形，尤其是在基板夹紧处。
4.因此，有必要从工装设备的角度出发，设计一种能够有效控制或消除电弧增材制造过程中基板夹紧处的应力和变形的装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，以解决现有技术中存在的问题。
6.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，包括双驱动变位机、工件承托台和增材制造执行装置。
7.所述双驱动变位机布置在地面或工作平台上。所述双驱动变位机包括相对设置的第一变位机和第二变位机。
8.所述工件承托台布置在第一变位机和第二变位机之间。所述工件承托台包括桥式连接架、若干顶升立柱、若干锥形心轴座、两根横梁和若干心轴。所述桥式连接架的两端分别与第一变位机和第二变位机固定连接。所述桥式连接架上表面沿长度方向设置有两条纵移滑轨。所述两根横梁横跨在两条纵移滑轨之间。所述横梁的两端滑动连接在纵移滑轨中。所述横梁上表面设置有横移滑轨。所述若干顶升立柱滑动连接在纵移滑轨或横移滑轨中。所述若干锥形心轴座滑动连接在纵移滑轨或横移滑轨中。所述锥形心轴座设置有横向贯穿本体的枢接孔。所述心轴布置在枢接孔中。
9.工件布置在桥式连接架上方。调整顶升立柱的位置。所述立柱顶抵工件。所述工件
上设置有若干个桥心孔。所述桥心孔内径与心轴的外径相匹配。调整锥形心轴座的位置。所述心轴插入对应桥心孔中。所述锥形心轴插入桥心孔的一端安装有力觉传感器。所述顶升立柱和心轴支撑并夹紧工件。
10.所述增材制造执行装置包括龙门架、焊接机器人、焊枪和超声振动针。所述龙门架上连接有焊接机器人。所述焊接机器人的自由端连接有焊枪。所述超声振动针包括变幅器、夹持装置和振动针。所述变幅器通过夹持装置固定在焊枪上。所述变幅器的变幅杆末端布置有振动针。
11.在增材制造过程中，所述工件承托台通过双驱动变位机驱动，可旋转调整焊接工件的位置姿态。超声振动针跟随焊枪同步移动。力觉传感器检测工件7的应力变化情况。当检测出应力大于材料的屈服强度而小于抗拉强度时，振动针插入熔池对沉积熔融金属进行振荡搅拌，促进熔池晶粒细化与气体溢出的同时缓解熔池的不良流动模式，从而对工件局部进行应力减缓或消除，防止变形或裂纹缺陷的出现。
12.进一步，所述桥心孔的数量为偶数，且位置呈对称分布。
13.进一步，所述心轴远离工件的一端设置有手柄。通过手柄可调整心轴在枢接孔中的横向位置。
14.进一步，所述振动针的材质为钨或钨合金。
15.进一步，所述超声振动针的振动频率为20khz。
16.进一步，所述超声振动针的振幅为3～8μm。
17.本发明还公开根据上述柔性工装的大型金属构件电弧增材成形方法，包括以下步骤：
18.1)根据构件的形状和尺寸特征选取相应的工件。在工件上进行加工桥心孔的工序。
19.2)将工件装夹到工件承托台上。
20.3)将焊枪置于成型起点位置处。按照预定的增材制造路径进行电弧增材制造。在增材制造过程中，当应力集中于工件局部时，使用超声振动针对工件局部进行应力减缓或消除，防止变形或裂纹缺陷的出现。
21.进一步，步骤1)中，桥心孔采用镗钻方式加工。
22.进一步，步骤1)中，还具有对工件进行倒角机械加工的工序。
23.进一步，步骤3)中，所述超声振动针的线路上设置有电磁阀。人工实时控制电磁阀，实现电弧增材制造过程中应力集中工况下的超声辅助保形增性电弧增材。
24.本发明的技术效果是毋庸置疑的：
25.a.能够减缓或消除应力和变形，提高金属构件的使用性能和尺寸精度；
26.b.装置具有自适应工件尺寸和形状的特征，实现工件不同方位的装夹和定位；
27.c.能够施加不同的夹紧力，在工件厚实区域可施加较大的夹紧力，在工件薄弱区域可施加较小的夹紧力；
28.d.自动检测应力的大小，根据应力的大小调整超声设备的参数，以起到消除或减缓应力和变形的作用。
附图说明
29.图1为柔性工装示意图；
30.图2为锥形心轴座示意图；
31.图3为超声振动针安装在焊枪上的示意图。
32.图中：双驱动变位机1、桥式连接架2、顶升立柱3、锥形心轴座4、纵移滑轨5、力觉传感器6、工件7、桥心孔8、横梁9、横移滑轨10、焊接机器人11、龙门架12、手柄13、心轴14、变幅器15、夹具16、焊枪17、振动针18。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
34.实施例1：
35.参见图1～图3，图1a和1b为柔性工装的不同视图。图2a和2b为锥形心轴座的不同视图。本实施例提供一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，包括双驱动变位机1、工件承托台和增材制造执行装置。
36.所述双驱动变位机1布置在地面或工作平台上。所述双驱动变位机1包括相对设置的第一变位机和第二变位机。
37.所述工件承托台布置在第一变位机和第二变位机之间。所述工件承托台包括桥式连接架2、若干顶升立柱3、若干锥形心轴座4、两根横梁9和若干心轴14。所述桥式连接架2的两端分别与第一变位机和第二变位机固定连接。所述桥式连接架2可实现360
°
旋转且承重20t。以得到理想的电弧增材位置，满足电弧增材成形大型构件的定位和承重要求。所述桥式连接架2上表面沿长度方向设置有两条纵移滑轨5。所述两根横梁9横跨在两条纵移滑轨5之间。所述横梁9的两端滑动连接在纵移滑轨5中。所述横梁9上表面设置有横移滑轨10。所述若干顶升立柱3滑动连接在纵移滑轨5或横移滑轨10中。所述若干锥形心轴座4滑动连接在纵移滑轨5或横移滑轨10中。所述锥形心轴座4设置有横向贯穿本体的枢接孔。所述心轴14布置在枢接孔中。
38.工件7布置在桥式连接架2上方。调整顶升立柱3的位置。所述立柱3顶抵工件7。所述工件7上设置有若干个桥心孔8。所述桥心孔8内径与心轴14的外径相匹配。调整锥形心轴座4的位置。所述心轴14插入对应桥心孔8中。所述锥形心轴14插入桥心孔8的一端安装有力觉传感器6。所述顶升立柱3和心轴14支撑并夹紧工件7。
39.所述增材制造执行装置包括龙门架12、焊接机器人11、焊枪17和超声振动针。所述龙门架12上连接有焊接机器人11。所述焊接机器人11的自由端连接有焊枪17。所述超声振动针包括变幅器15、夹持装置16和振动针18。所述变幅器15通过夹持装置16固定在焊枪17上。所述变幅器15的变幅杆末端布置有振动针18。
40.在增材制造过程中，所述工件承托台通过双驱动变位机1驱动，可旋转调整焊接工件7的位置姿态。超声振动针跟随焊枪17同步移动。力觉传感器6检测工件7的应力变化情况。当检测出应力大于材料的屈服强度而小于抗拉强度时，振动针18插入熔池对沉积熔融金属进行振荡搅拌，促进熔池晶粒细化与气体溢出的同时缓解熔池的不良流动模式，从而
对工件7局部进行应力减缓或消除，防止变形或裂纹缺陷的出现。
41.在本实施例中，锥形心轴座位于桥式连接架上可实现不同尺寸工件的桥心定位和夹紧。顶升立柱拆装便捷，可用于调整工件的高度，以保证锥形心轴能进入工件的桥心孔，实现定位和夹紧。在桥架上安装有2个横梁总成，每个横梁总成各配有2个锥形心轴座，横梁可以沿着桥架的滑轨作纵向运动，心轴座可在横梁的滑轨上作横向移动，以适应不同工件尺寸的变化。在锥形心轴上安装力觉传感器，用于检测工件的应力变化情况。在应力集中处附加超声冲击机的机械振动工艺，以缓解或消除应力。本实施例适用于不同尺寸工件的装配，可根据工作要求施加不同的夹紧力。在电弧增材成形大型金属构件的过程中，本实施例能自动检测出工件应力的大小，根据应力的大小对应力集中和变形严重的区域进行超声冲击，以达到减缓或消除应力的作用。
42.实施例2：
43.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述桥心孔8的数量为偶数，且位置呈对称分布。
44.实施例3：
45.本实施例主要结构同实施例1或2中任意一项，其中，所述心轴14远离工件7的一端设置有手柄13。通过手柄13可调整心轴14在枢接孔中的横向位置。
46.实施例4：
47.本实施例主要结构同实施例1、2或3中任意一项，其中，所述振动针18的材质为钨或钨合金。所述超声振动针的振动频率为20khz。所述超声振动针的振幅为3～8μm。
48.实施例5：
49.本实施例主要结构同实施例1、2、3或4中任意一项，其中，根据工件7的尺寸和形状安装适当数目的锥形心轴座4于连接架的纵移滑轨5上。锥形心轴座4可在纵向上进行位置调整。通过控制锥形心轴座4的数量和位置可实现不同形状和尺寸工件7的桥心定位和夹紧。在连接架2的纵移滑轨5上安装有4个顶升工件用的立柱3，通过调整立柱3高度来顶升工件7，同时顶升立柱3也能在纵移滑轨5的带动下做纵向移动，以保证锥形心轴14能进入工件7的桥心孔8，起到定位和夹紧作用。顶升立柱3拆装便捷，也可根据工件7的形状和大小安装在横梁总成9上。在桥架上安装2个横梁总成9，每个横梁总成9各配有2个用于工件7桥心定位和夹紧的锥形心轴座4。横梁总成9可以沿着桥架2的纵移滑轨5作纵向运动，以适应工件7桥心开档尺寸的变化。安装在横梁总成9上的4个心轴座可在横梁的横移滑轨10上作横向移动，以适应工件7桥心宽度方向上的变化。通过横梁9在桥架2上的纵向运动和心轴座横向的运动，能够实现不同形状与尺寸工件7的桥心定位和装夹。
50.实施例6：
51.本实施例提供根据实施例1～5所述的柔性工装的大型金属构件电弧增材成形方法，包括以下步骤：
52.1)根据构件的形状和尺寸特征选取相应的工件7。在工件7上进行加工桥心孔8的工序。
53.2)将工件7装夹到工件承托台上。
54.3)将焊枪17置于成型起点位置处。按照预定的增材制造路径进行电弧增材制造。在增材制造过程中，当应力集中于工件7局部时，使用超声振动针对工件7局部进行应力减
缓或消除，防止变形或裂纹缺陷的出现。
55.实施例7：
56.本实施例主要步骤同实施例6，其中，步骤1)中，桥心孔8采用镗钻方式加工。步骤1)中，还具有对工件7进行倒角机械加工的工序。
57.实施例8：
58.本实施例主要步骤同实施例6或7中任意一项，其中，步骤3)中，所述超声振动针的线路上设置有电磁阀。人工实时控制电磁阀，实现电弧增材制造过程中应力集中工况下的超声辅助保形增性电弧增材。

技术特征：
1.一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，其特征在于：包括双驱动变位机(1)、工件承托台和增材制造执行装置；所述双驱动变位机(1)布置在地面或工作平台上；所述双驱动变位机(1)包括相对设置的第一变位机和第二变位机；所述工件承托台布置在第一变位机和第二变位机之间；所述工件承托台包括桥式连接架(2)、若干顶升立柱(3)、若干锥形心轴座(4)、两根横梁(9)和若干心轴(14)；所述桥式连接架(2)的两端分别与第一变位机和第二变位机固定连接；所述桥式连接架(2)上表面沿长度方向设置有两条纵移滑轨(5)。所述两根横梁(9)横跨在两条纵移滑轨(5)之间；所述横梁(9)的两端滑动连接在纵移滑轨(5)中；所述横梁(9)上表面设置有横移滑轨(10)；所述若干顶升立柱(3)滑动连接在纵移滑轨(5)或横移滑轨(10)中；所述若干锥形心轴座(4)滑动连接在纵移滑轨(5)或横移滑轨(10)中；所述锥形心轴座(4)设置有横向贯穿本体的枢接孔；所述心轴(14)布置在枢接孔中；工件(7)布置在桥式连接架(2)上方；调整顶升立柱(3)的位置；所述立柱(3)顶抵工件(7)；所述工件(7)上设置有若干个桥心孔(8)；所述桥心孔(8)内径与心轴(14)的外径相匹配；调整锥形心轴座(4)的位置；所述心轴(14)插入对应桥心孔(8)中；所述锥形心轴(14)插入桥心孔(8)的一端安装有力觉传感器(6)；所述顶升立柱(3)和心轴(14)支撑并夹紧工件(7)；所述增材制造执行装置包括龙门架(12)、焊接机器人(11)、焊枪(17)和超声振动针；所述龙门架(12)上连接有焊接机器人(11)；所述焊接机器人(11)的自由端连接有焊枪(17)；所述超声振动针包括变幅器(15)、夹持装置(16)和振动针(18)；所述变幅器(15)通过夹持装置(16)固定在焊枪(17)上；所述变幅器(15)的变幅杆末端布置有振动针(18)；在增材制造过程中，所述工件承托台通过双驱动变位机(1)驱动，可旋转调整焊接工件(7)的位置姿态；超声振动针跟随焊枪(17)同步移动；力觉传感器(6)检测工件7的应力变化情况；当检测出应力大于材料的屈服强度而小于抗拉强度时，振动针(18)插入熔池对沉积熔融金属进行振荡搅拌，促进熔池晶粒细化与气体溢出的同时缓解熔池的不良流动模式，从而对工件(7)局部进行应力减缓或消除，防止变形或裂纹缺陷的出现。2.根据权利要求1所述的一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，其特征在于：所述桥心孔(8)的数量为偶数，且位置呈对称分布。3.根据权利要求1或2所述的一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，其特征在于：所述心轴(14)远离工件(7)的一端设置有手柄(13)；通过手柄(13)可调整心轴(14)在枢接孔中的横向位置。4.根据权利要求1所述的一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，其特征在于：所述振动针(18)的材质为钨或钨合金。5.根据权利要求1或3所述的一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，其特征在于：所述超声振动针的振动频率为20khz。6.根据权利要求1所述的一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装，其特征在于：所述超声振动针的振幅为3～8μm。7.根据权利要求1所述柔性工装的大型金属构件电弧增材成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据构件的形状和尺寸特征选取相应的工件(7)；在工件(7)上进行加工桥心孔(8)的工序；2)将工件(7)装夹到工件承托台上；3)将焊枪(17)置于成型起点位置处；按照预定的增材制造路径进行电弧增材制造；在增材制造过程中，当应力集中于工件(7)局部时，使用超声振动针对工件(7)局部进行应力减缓或消除，防止变形或裂纹缺陷的出现。8.根据权利要求7所述的大型金属构件电弧增材成形方法，其特征在于：步骤1)中，桥心孔(8)采用镗钻方式加工。9.根据权利要求7所述的大型金属构件电弧增材成形方法，其特征在于：步骤1)中，还具有对工件(7)进行倒角机械加工的工序。10.根据权利要求7所述的大型金属构件电弧增材成形方法，其特征在于：步骤3)中，所述超声振动针的线路上设置有电磁阀；人工实时控制电磁阀，实现电弧增材制造过程中应力集中工况下的超声辅助保形增性电弧增材。

技术总结
发明提供一种用于大型金属构件电弧增材成形的柔性工装。该柔性工装包括双驱动变位机、桥式连接架、锥形心轴座、顶升立柱、横梁总成、滑轨、力觉传感器和超声冲击机。双驱动变位机与桥式连接架装配。锥形心轴座位于桥式连接架上。在锥形心轴上安装力觉传感器，用于检测工件的应力变化情况。在应力集中处附加超声冲击机的机械振动工艺，以缓解或消除应力。本发明适用于不同尺寸工件的装配，可根据工作要求施加不同的夹紧力。在电弧增材成形大型金属构件的过程中，本发明能自动检测出工件应力的大小，根据应力的大小对应力集中和变形严重的区域进行超声冲击，以达到减缓或消除应力的作用。用。用。


技术研发人员：韩世伟 吴亚渝 彭小洋 朱成刚 栾琳 梁明阳 王涛 黄宏 蒋晓
受保护的技术使用者：重庆铁马工业集团有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/8/4