基于微束等离子熔覆的直接金属快速成形系统设计

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基于等离子弧焊的金属零件直接制造系统设计

邹海平张海鸥，桂兰，王
（中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室，北武汉４０７）华湖３０４
摘要：金属零件直接制造技术目前已成为快速成形技术的研究热点和重要发展方向。基于等离子弧焊的金属零件直接制造技术是一种非常实用而且制造成本较低的直接快速制造金属全密度零件的方
ｔｈｏｇｔｒｓｎ．ｒｃｌｏｌｍｅｏｉｏａｕａｔｎ（Ｄ）ｈｃｓｎｅｅｇｇｏｉｃｙｆｒａｎｅｌｏｐｎｎｓｅｎｌｙａｐｅｅｔｉｉｅｆａａｐｓｉｍｎｆｕｇＰＭｗｉｈａｍｒｉｆｒｔｂｃｔｇｍｔｍｏｅｔｃｏＰｎｐＰｓｄｔｎｃｒｉａｎｄｅｌａｉｉａｃ
ｐｏｅｓｗａｎａｙｅＡｘｒｍｅｒｃｓｓａｌｚｄ．ｅｐｅｉｎｔＰＤＭｙｔｍｎｌｄｉａｄｗａｅａｄｒｌｖｎｔｓｆｗａｅｉｅｅｏｅＨｏｌｗｏｐｎｅｔｅｅｍｅｓｓｅｉｃｕｎｇｈｒｒｎｅｅａｏｔｒｓｄｖｌｐｄ．ｌｏｃｍｏｎｘｐｒｎｔｉ
法。在分析金属零件直接制造原理的基础上，设计并开发了基于等离子弧焊的金属零件直接制造软、硬＿系统，件并采用该系统进行高温合佥中空零件制造实验。实验结果表明，采用等离子弧焊直接制造系统
ｊ可以得到成形良好、组织细密的金属零件。

等离子熔积快速直接成形过程宏微观连成数值模拟

等离子熔积快速直接成形过程宏微观连成数值模拟王庆;芮道满;张海鸥;王桂兰【摘要】建立了等离子熔积快速直接成形(Plasma Deposition Manufacturing,PDM)过程多相混态场统一模型,基于蒙特卡罗法(Monte Carlo,MC)建立热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)晶粒长大过程的数学模型.分析了不同热源功率工艺条件下熔池温度场和流场的变化规律以及特征点的温度循环曲线,进而探究了热源功率对热影响区晶粒尺寸与分布的作用机理.对AISI316合金等离子熔积过程进行了模拟,所得的计算结果与试验结果基本一致.【期刊名称】《机械管理开发》【年(卷),期】2012(000)001【总页数】4页(P1-3,6)【关键词】等离子熔积;热源功率;MC法;晶粒生长【作者】王庆;芮道满;张海鸥;王桂兰【作者单位】华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074;华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室湖北武汉430074;华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室湖北武汉430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TG456.2;TB310 引言等离子熔积快速直接成形[1](Plasma Deposition Manufacturing,PDM)是采用等离子束熔化金属粉末根据数控轨迹沉积成形的直接制造技术，如图1。

PDM是一种快速熔化与急速凝固的过程，其热过程影响晶粒生长过程，决定最终成形件的质量，因此，成形过程的温度场与晶粒生长过程的模拟对于创制高性能材料、优化成形工艺条件具有科学指导意义。

目前关于PDM成形过程的研究主要集中在工艺与热过程等方面，而将宏观热力学过程与微观组织形成过程相耦合的研究则很少见[2-5]。

建立等离子熔积温度场与流场的数学模型，采用蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)法建立热影响区(Heat Af⁃fected Zone,HAZ)晶粒生长模型，分析热输入功率对熔池流场和温度场的影响规律，进而分析热源功率对热影响区晶粒生长尺寸与分布规律的作用机理。

基于微束等离子焊的快速成形中成形参数的优化

基于微束等离子焊的快速成形中成形参数的优化
乌日开西·艾依提;赵万华;卢秉恒
【期刊名称】《西安交通大学学报》
【年(卷),期】2006(040)005
【摘要】介绍了一种基于微束等离子焊的直接金属快速成形方法,采用正交试验方法对成形工艺参数对截面宽高比的影响规律进行了研究,并获得了优化的工艺参数.研究结果表明,用宽高比大的成形轨迹制作的零件质量比用宽高比小的成形轨迹制作的零件质量高,而且脉冲电流、送丝速度、占空比、扫描速度和离子气流量对宽高比有显著影响.对采用优化参数制作的零件进行了表面平整度、抗拉强度、延伸率的测试,其测试数据明显优于未经优化参数制作的零件.
【总页数】5页(P568-572)
【作者】乌日开西·艾依提;赵万华;卢秉恒
【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安
【正文语种】中文
【中图分类】TH16
【相关文献】
1.基于微束等离子熔覆的直接金属快速成形系统设计 [J], 向永华;徐滨士;吕耀辉;姜祎;刘存龙;夏丹
2.ICP微等离子体射流在快速成形制造中的应用∗ [J], 张一川;杨宽;李唤;朱晓东
3.基于MATLAB微束等离子弧焊丝网搭接成形机理研究 [J], 徐磊;何建萍;王付鑫;刘华荣
4.基于脉冲微束等离子弧焊的快速成形中的搭接参数 [J], 乌日开西.艾依提;赵万华;卢秉恒;孙磊
5.基于脉冲微束等离子弧焊的快速成形系统中实时自适应送丝方式 [J], 乌日开西.艾依提;赵万华;卢秉恒;孙磊
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基于脉冲微束等离子弧焊的快速成形系统中实时自适应送丝方式

基于脉冲微束等离子弧焊的快速成形系统中实时自适应送丝方式第42卷第1期2006年】月机械工程v01.42No.1 CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJan.2006基于脉冲微束等离子弧焊的快速成形系统中实时自适应送丝方式冰乌日开西?艾依提赵万华卢秉恒孙磊(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049)摘要:对基于脉冲微束等离子弧焊的直接金属快速成形系统中,填充金属丝的熔滴过渡方式和送丝方向对成形轨迹质量的影响进行了研究.研究结果表明:"搭桥过渡"方式形成的轨迹形态连续,光滑:送丝方向固定的方式在成形与送丝方向间夹角过大的轨迹时,会发生熔滴未完全熔于熔池,金属丝与己凝固成形轨迹发生干涉等缺陷根据研究结果研制了一个基于成形件断面轮廓实时调整送丝方向的自适应送丝子系统.论述了转角,合成速度,加速度等控制参数的确定算法.对自适应送丝方式和方向固定的送丝方式进行了对比试验.结果显示:自适应送丝方式避免了熔滴未完全熔于熔池,金属丝与己凝固成形轨迹发生干涉等缺陷,对保证成形轨迹的质量有显着作用.关键词:快速成形自适应送丝脉冲微束等离子弧焊中图分类号:TH160前言直接制造致密的功能零件是快速成形技术的研究方向之一.目前主要的金属快速成形方法中激光选区烧结,三维打印可获得致密度约为6O%的零件,激光直接金属烧结的成形件致密度约80%.三者须进行浸渗等后续处理来增加零件的致密度【l之】.激光净成形使用功率更大,成本更高的激光器直接成形致密金属零件,电子束熔融成形以电子束为热源制造致密零件….但这些直接金属成形设备的成本都非常昂贵p】.因此,基于焊接的金属成形技术因具有低成本,可控参数多,能制造致密零件等特点l4j,成为了低成本致密金属成形技术的一个研究方向【4-8】.此处的金属快速成形试验系统采用了脉冲微束等离子弧作为热源【8】.与钨极氩弧焊,熔化极气体保护电弧焊的电弧相比微束等离子弧的挺度,稳定性更好,电流密度更高,热影响区更小,更适于进行成形制造.研究中发现成形轨迹的质量与熔滴过渡方式,送丝方向等因素密切相关.根据对这些因素的研究结果,设计了一个能根据成形件断面轮廓走向实时调整送丝方向的自适应送丝子系统,避免了成形过程出现的金属丝与已凝固成形轨迹发生干涉,轨迹不连续等缺陷,保证了成形轨迹的连续,光滑.优秀博士论文基金专项资助项目(200026).20041214收到初稿20050927收到修改稿1熔滴过渡方式对成形轨迹质量的影响填充金属丝平稳,连续,准确地送入熔池是获得均匀,光滑的成形轨迹的保证.由于电弧的温度远高于填充金属丝的熔点,所以金属丝不可能直接送入到熔池中心,而是在接触到弧柱温度高于金属丝熔点的部分时就已经熔化.下面对金属丝端头至基板的高度(图la中的|l1)对熔滴过渡方式及成形轨迹质量的影响进行分析.1.1h>0对成形轨迹质量的影响当h>0时金属丝先熔化成球状熔滴,在表面张力的作用下悬于金属丝端部,并随着送丝的进行逐渐增大,直到在重力,保护气吹力等作用下滴落在熔池前方(当送丝方向和工作台运动方向相同时), 随后熔入移动过来的熔池.此时熔滴过渡方式为"下垂滴状过渡",成形轨迹为不连续的凝固熔点,如图1b所示.h越大则熔滴问的间距越大,形成的轨迹越不连续:反之则熔滴问的间距减小,形成的轨迹连续性提高.当h>0时,若提高相对送丝速度(送丝速度与工作台运动速度之差),则单位时间内送入熔池的金属量增加,熔滴体积增长速度加快,相应的熔滴滴落时间间隔缩短,凝固熔滴间距减小,继而提高了成形轨迹的连续性.但对送丝速度与成形轨迹断面形状关系的研究结果表明,增大送丝速度会使轨迹断面宽度和高度相应增加,这与减小层高提高成形件方向的精度相矛盾.此外研究结果还显示,断182机械工程第42卷第1期面高度较低的轨迹间的搭接质量较高.因此,在成形过程中采用了较低的相对送丝速度来获得"扁平" 的成形轨迹断面,以控制成形件z方向精度和保证轨迹间的搭接质量.这里的研究均是在较低的相对送丝速度这一条件下进行的.1.2h=0对成形轨迹质量的影响此时金属丝头部与基板接触且位于熔池边缘,熔化的金属丝不会形成下垂的球状熔滴,而是在表面张力的作用下以"搭桥过渡"的方式平稳连续的熔入熔池.这种情况下获得的成形轨迹质量最好,其形态光滑,连续(图lc).综上所述,填充金属丝端头至基板问的高度应调整为O,而且应对金属丝施加一定的压力使其与基板接触.但压力不宜过大,否则过大的摩擦力会影响送丝的连续性,导致成形轨迹质量下降.2送丝方向与工作台运动方向的夹角对成形轨迹质量的影响若在整个成形过程中送丝方向始终保持不变,则在进行与送丝方向问夹角>90.的成形轨迹时(图la),金属丝与已凝固的成形轨迹问发生干涉的倾向增大.若此时h=O,金属丝则会在未完全凝固的轨迹表面划出刮痕(图ld).图1e为在进行矩形框成形时,有一条边在成形时出现了送丝方向与工作台运动方向相反的情况(=180.),此时金属丝和已凝固的成形轨迹在熔池的同侧,金属丝被凝固的成形轨迹包夹导致成形过程中断.如果采用增加h值使之大于成形轨迹的高度来避免干涉,则会出现上面所讨论的"下垂滴状过渡" 方式,导致轨迹不连续,而且当h>O同时>O.时, 球状的熔滴不会落在熔池运动方向的前方,而是落在熔池运动轨迹的侧面,当>45.后会出现部分熔滴不能完全熔入熔池的情况f图1f~lh),严重的影响了成形轨迹的质量.因此,成形过程中应使的值始终小于能导致熔滴不能熔于熔池的角度,最理想状态为0=0.,送丝方向始终为零件轮廓轨迹的切线方向f熔池即为切点),即"切向送丝".3自适应送丝子系统的硬件结构自适应送丝子系统结构及原理如图2所示.焊炬和送丝机安装在由步进电动机驱动的蜗轮蜗杆减速器的旋转支架上,焊炬的中心与蜗轮旋转轴线同轴.在工作台进行Oxy平面运动的同时,旋转支架根据零件断面轮廓实时转动相应的角度,使金属丝始终沿切向送入熔池.插补运动由一块GT4o0sG运动控制卡控制,其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成,可以同步控制四个运动轴.(2)(3)(a)熔滴过渡形式示意图一(b)下垂滴状过渡形成的轨迹(c)搭桥过渡形成的轨迹■●■墨圈墨墨墨图1熔滴过渡形式及送丝方向对成形轨迹质量的影响对比电流强度(峰值):40A占空比:80%脉冲频率:3Hz离子气流量:0.5L/rain保护气流量:3L/min焊炬高:3n'llTl喷嘴直径:1.8n'llTl送丝速度:3mm/s 工作台速度:60ram/rain金属丝直径:O.8n'llTl4自适应送丝方式的软件实现4.1轮廓数据预处理轮廓数据的获取过程如图3所示.将三维CAD模型转换为STL格式并对其进行分层处理后获得各层的轮廓数据一sLB文件[9】'轮廓线由微小的直线段连接而成,即根据零件精度的要求用微小的折线2006年1月乌日开西?艾依提等:基于脉冲微束等离子弧焊的快速成形系统中实时自适应送丝方式183段近似表示曲线.(B)系统结构●实体文件STL格式文件髑分层处理轮廓数据文件SLB图3轮廓数据预处理4.2送丝机构转动方式的选择在获得轮廓数据后,可选用的旋转方式如下.4.2.1"停一转一行"方式在每条线段顶点处均进行如下动作:送丝停止,脉冲电流停止,工作台运动停止一送丝系统旋转相应角度与下一条线段同向一送丝开始,起弧,工作台运动开始.这种方式适合于线段长度较长,线段间转角较大的轮廓,如矩形等,可有效地避免熔滴未熔入熔池,金属丝与已凝固轨迹干涉等缺陷,但不适用于圆弧等曲线,因为用来代替曲线的折线段长度都非常短,如采用这种方式则需频繁的起,停,效率极低,运行不平稳.4.2.2实时旋转方式成形过程在折线顶点处不中断,在工作台进行连续直线运动的同时送丝系统根据相邻两条折线间的转角转过相应的角度,即"边走边转".该方式适用于圆弧等光滑曲线成形,此时用来代替曲线的折线段的长度和线段间转角都很小,因此,该方式的效率和平稳性都很好.但采用这种方式进行矩形等线段长度较长,线段间转角较大的轮廓的成形时由于线段间转角太大,容易出现熔滴未熔于熔池等缺陷.4.2.3混合方式根据两种转动方式的特点,在本系统中采用了混合式的转动方式.对轮廓中圆弧等光滑过渡部分采用"边走边转"的方式,对轮廓中转角较大的折角部分采用"停一转一行"的方式.4.3生成成形控制参数从轮廓数据文件中提取出各节点的坐标值后即可计算出转角,速度,加速度等控制参数,并将其组合按控制卡所定义的格式写入命令缓冲区.其流程图如图4所示.图4成形控制参数计算流程图4.3.1映射坐标系此成形系统为3.5轴数控系统,即X,Y,z三个机械工程第42卷第1期方向的直线运动和送丝机构的旋转运动,其中,Y方向的运动和送丝机构的旋转运动实现三轴联动,z 方向在完成一层后下降一个层高.根据送丝方向映射了图5a所示的坐标系,旋转轴口的圆心为Oxyz 坐标系的原点,旋转轴在0.位置时送丝方向与轴正方向同向,旋转方向的正,负如图5a所示.各坐标点均用绝对坐标方式表示.图5中01xlyl,D等为参数计算中进行夹角计算,象限判断而采用的临时坐标系.(a)坐标系5_6一360+a4.3_3计算合成速度,合成加速度GT400SG运动控制卡通过设定合成速度和合成加速度控制各轴的运行状态.合成速度的大小由式(2)确定,合成加速度a的大小由式(3)确定ll=√ll+lyl+l:l+ll(2)式中——方向运动速度——Y方向运动速度——z方向运动速度——送丝机构的旋转速度l=√l+l口l+l+l口l(3)式中a——方向运动加速度——Y方向运动加速度az——z方向运动加速度a——送丝机构的旋转加速度由于在每层的成形过程中z方向不运动,故0:所以成形过程中的合成速度的大小为=而或(b)轮廓一(.)轮廓二即图5坐标系及角度计算4.3.2角度坐标计算各线段的转角坐标可通过以下三个步骤求出.(1)由如下公式求出当前线段与轴夹角的绝对值式中溉——当前线段终点坐标——当前线段终点Y坐标一——当前线段起点坐标Yl一.——当前线段起点Y坐标(2)根据,ayi的值确定当前线段所在的以其起点为原点的临时坐标系的象限.(3)由当前线段所处的象限及前一线段转角值的正,负求出角度坐标.下面以图5b轮廓一中I'-'2段和图5c轮廓二中5,--,6段为例说明角度计算过程(节点标号顺序即为扫描顺序.I'-'2段和5～6段与轴的夹角均相等且同处于临时坐标系的第二象限.根据图5a中的坐标系,轮廓一中0～l段转角为0,故l～2段的角度坐标为:l_2.而轮廓二中从原点开始到完成4～5段时已转过_360.,故此时5～6段的坐标为:蚌=十十+',a(4)式中——,Y方向在Oxy平面内的合成速度如图6a所示,在成形过程中该速度必须保挣匦定以保证轨迹断面形状的一致性.而1l与之间具有如下关系l',,I=l',I/cos7(5)由图6b,根据线段起,终点坐标差和转角之间的关系可求出,,(△口/厨)=蛐—==』IL√(一一)+(Yi—Yi-1)式中,雎】——当前,前一线段角度坐标将),代入式(5)中即可求出合成速度的大小,用类似的方法可求出合成加速度a的大小.根据上述算法,微观上,即对于每条线段而言,送丝系统在线段起点处开始旋转并在线段终点处完成旋转.从宏观上看,即对由微小直线段近似表达的曲线整体而言,送丝系统的旋转是连续的,送丝方向始终为切向.此算法不需要通过断面轮廓的曲线方程求其切线,所以计算量小,容易实现.2006年1月乌日开西?艾依提等:基于脉冲微柬等离子弧焊的快速成形系统中实时自适应送丝方式185(a)各速度分量对应关系(b)各坐标值对应关系图6合成速度计算不同送丝方式对比测试采用送丝方向固定和自适应送丝方式进行了30i/ml圆形轨迹成形的对比试验.其中在送丝方向固定方式中还分别对h>0和h=O两种情况进行了对比,试验结果如图7a--~7c所示.采用送丝方向固定的方式且h>0时,出现了熔滴未熔入于熔池的情况,如图7a所示.当送丝方向固定且h=0时,在工作台运动方向与送丝方向相反时,填充金属丝被凝固的轨迹夹住而导致成形中断,如图7b所示,箭头所指为被夹住的填充金属丝.而采用自适应送丝方式成形的轨迹光滑连续,没有出现上述缺陷,如图7c.表明白适应送丝方式可以有效地保证轨迹的质量.图7d为采用自适应送丝方式制作的薄壁零件,图7e的矩形薄壁件在拐角处采用了"停一转一行"的方式.曩(a)送丝方向固定,(b)送丝方向固定,(c)自适应送丝h>O0(夹丝)h=O(d)自适应送丝方式制作的(e)采用"停一转一行"方式曲边薄壁件制作的矩形薄壁件图7不同送丝方式制作的成形件对比6结论研究了成形过程中熔滴过渡方式和送丝方向对成形轨迹质量的影响,研究结果显示熔滴的过渡方式与金属丝距基板的高度h相关,当h=0时,熔滴以"搭桥过渡"方式过渡,成形轨迹的形态连续,光滑:采用送丝方向固定的方式时,当送丝方向与工作台运动方向间夹角0>90.时,金属丝与已凝固的成形轨迹间会发生干涉.针对研究结果研制了一个能根据成形件断面轮廓实时调整送丝方向的自适应送丝子系统.并论述成形中转角,速度等参数的确定算法.利用该送丝系统进行了对比试验,试验结果显示自适应送丝方式对保证成形件轨迹质量有显着作用.参考文献【l】CHUACK,LE0NGKF,LIMCS.Rapidprototyping: principlesandapplications[M].NewJersey:WorldScien- tific,2003.[2】TANGLOHHLWONGYS,eta1.Directlasersintering ofacopper-basedalloyforcreatingthreedimensionalmetal parts[f1.JournalofMaterialsProcessingTec-hnology, 2003(140):368-372.【3】冯涛,李志刚.快速成形与快速制模技术的最新发展一EuroMold'2003考察报告【J】.模具工业,2004(4):3-5.[4】W ANGH,KOV ACEVICR.Rapidprototypingbasedon variablepolaritygastungstenarcweldingfora5356alu- minumalloy[C]NProceedingsoftheInstitutionofMe- chanicalEngineers,c2001,215(11):l5l9?l527.【5]SPENCERJD,DICKENSPM,WYKESCM.Rapid prototypingofmetalpartsbythree-?dimensionalweld--ing[C]//ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngi-nee巧,cl998,212(3):175?l82.【6]YANGS,HANM,WANGQ.Developmentofawelding systemfor3Dsteelrapidprototypingprocess[J].China Welding,2001(10):50-56.[7】ZHANGCHENLIP,eta1.Automatedsystemforwelding-basedrapidprototyping[J].Mechatronics,2002 (12):37-53.【8】胡晓冬.基于弧焊的直接金属成形技术研究【D】.西安: 西安交通大学,2003.【9】赵毅.激光固化快速成形的扫描控制与制作工艺的研究【D】,西安:西安交通大学,1997.186机械工程第42卷第1期REAL.TIMEADAPTⅣEWIREFEEDINGINPULSEDI垣ICRo.PLASMLAARC WELDINGBASEDoNRAPIDPRoToTYPINGSYSTEM WURIKAIXTAiyitiZHAOWanhuaLUBinghengSUNLei (StateKeyLabforManufacturingSystemsEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049)Abstract:Theimpactofthedroplettransferprocessandthe wirefeedingdirectiononthedepositedtrack'squalityofthe directmetalrapidprototypingusingpulsedmicro—plasmaarc welding(PMPAW)isresearched.Theresultsshowthatthe smootherdepositedtrackcanbedepositedwiththebridging transfer.Constantwirefeedingdirectionduringthe&position processbringsoffsomedefects,forexample,partialdroplet doesnotmeltintomoltenpoolandfillerwireisinterferedwith thesolidifieddepositedtrackwhensometrackshavelarger anglewithwirefeedingdirection.Anadaptivewirefeeding subsystemthatcanadjustthewirefeedingdirectionbasedonthepart'ssectioncontourinarea1.timemodeisdevelopedto avoidthedefectandtheinterference.nIealgorithmofangle. resultantvelocityandaccelerationisexpatiated.Someexperi. mentsarecarriedouttocomparethedepositedtrack'squalities0fdifferentwirefeedingmodes.TheresultsshowthattheadaD. tivewirefeedingsystemcanavoidthedepositiondefectsand interferenceandensurethedepositedtrack'squalityobviously. Keywords:RapidprototypingAdaptivewirefeeding Pulsedmicro.plasmaarcwelding作者简介:乌目开西?艾依提,男,1972年出生.博士研究生.主要研究方向为直接金属快速成形.E—**************************.edu.on;**************** (上接第180页)[4】STEFFENSHD.Automaticcontrolofplasmaarcwelding withconstantkeyholediameter[J].WeldingJournal,1972,5l(6):408-418.[5】金佑民,樊友三.低温等离子物理基础【M】.北京:清华大学出版社,1983.[6】戈兰特+等离子体物理基础[M】.北京:原子能出版社, 1983.MECIIANISMANDSIMPLECURRENT MODELoFPLASMLACLoUDIN PLASMLAARCWELDINGCH越GuomingZHUHfeng (NationalKeyLaboratoryforHighEnergyDensity BeamProcessingTechnology,BeijingAeronautical ManufacturingTechnologyResearchInstiute,Beijinglooo24,Abstract:Forperfectingplasmacontroltechnique,themecha- nismofplasmacloudcurrentinplasmaarcweldingisstudiedon thebasisofphysicaltheoryofplasma.Analyzingthereasonof producingtheelectriccurrentwithprobe.Iftheprobei8located intheplasma,thereisanegativeelectromotiveforplasmaspe- cialproperty.Thevaluehassomethingtodowithtempe-rature.Settingoutfromphysicaltheoryofplasma,establishing asimplemodelforplasmaarcweldingthattakingplasmaasa powersourcewithresistance.Themodelsatislyinginterp- retstheregularityoftheplasmacloudchargesignaldecreasing monotonouslywiththeincreaseoftheprobe-centerdistance.At thesametime,itgivestherightlocationofprobetodetectthe plasmacloud.Keyword:PlasmaarcweldingPlasmacloudSimplemodel作者简介;柴国明,男,1978年出生,工程师.主要从事先进材料的连接技术和计算机在连接技术中的应用等方面的研究. 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基于PMAC的金属激光快速成型机控制系统研究

２０１８年５月第４６卷第９期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＭａｙ２０１８Ｖｏｌ４６Ｎｏ９ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１８０９００２收稿日期：２０１６－１１－１８基金项目：机器人仿生与功能研究北京市重点实验室资助课题（ＢＺ０３３７）作者简介：苗新刚（１９７３），男，博士，讲师，研究方向为工业机器人控制㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｉａｏｘｉｎｇａｎｇ＠ｂｕｃｅａｅｄｕｃｎ㊂通信作者：张二雨，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｅｒｙｕ＠ｑｑｃｏｍ㊂基于ＰＭＡＣ的金属激光快速成型机控制系统研究苗新刚１，２，张二雨１，汪苏１（１北京建筑大学机器人仿生与功能研究北京市重点实验室，北京１０００４４；２安徽恒利增材制造科技有限公司，安徽芜湖２４１２００）摘要：设计了一套基于ＰＭＡＣ运动控制卡的金属激光快速成型（３Ｄ打印）机，采用ＰＭＡＣ运动控制器控制各电机轴运动㊁Ｉ／Ｏ数据采集㊂介绍了该系统的硬件组成和软件结构，考虑到工作台驱动电机的定位精度对零件成型质量影响非常大，研究使用ＰＭＡＣ定位精度补偿技术对该轴进行定位精度优化，在样机实现中效果良好，达到了预期㊂关键词：快速成型；ＰＭＡＣ运动控制器；精度补偿中图分类号：ＴＧ２４㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）０９－００６－４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＭｅｔａｌＬａｓｅｒＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＰＭＡＣＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＳｙｓｔｅｍＭＩＡＯＸｉｎｇａｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＥｒｙｕ１，ＷＡＮＧＳｕ１（１ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｂｏｔＢｉｏｎｉｃｓａｎｄＦｕｎｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ；２ＡｎｈｕｉＨｅｎｇＬｉＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＷｕｈｕＡｎｈｕｉ２４１２００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｅｔａｌｌａｓｅｒｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ（ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３Ｄ）ｐｒｉｎｔｉｎｇ）ｍａｃｈｉｎｅｂａｓｅｄｏｎｕｓｉｎｇＰｒｏｇｒａｍＭｕｌｔｉｐｌｅＡｘｉｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＰＭＡＣ）ｆｏｒｍｏｔｉｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＰＭＡＣｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌａｌｌｍｏｔｏｒｓｍｏｔｉｏｎａｎｄＩｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ（Ｉ／Ｏ）ｄａ⁃ｔａｇａｔｈｅｒｉｎｇ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｖｅｒｙｈｅａｖｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｎｗｏｒｋｐｌａｔｆｏｒｍｏｎｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｐａｒｔｓ，ａＰＭＡＣｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙｗａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｆｏｒｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｌｅａｄｓｃｒｅｗｏｆｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅｐｒｏｔｏ⁃ｔｙｐｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓａｗｅｌｌ⁃ｄｅｓｉｒｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ；ＰＭＡＣｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ０㊀前言随着光学㊁机电与计算机科技的进步，快速成型（３Ｄ打印）技术发展迅速㊂快速成型技术具有精度高㊁速度快㊁成本低㊁过程简单易控制等特点，相较于传统加工制造技术有很大优势㊂快速成型技术属于增材制造的范畴，首先通过专业软件建模或使用３Ｄ扫描仪得到待加工零件的３Ｄ模型，然后使用切片软件以设定的层厚分解模型，得到数据文件，该文件包含层数㊁层厚㊁每层分区数㊁坐标等数据信息和其他附加信息，快速成型机的操作软件读入数据文件并转换为激光振镜的运动路径，控制激光器㊁激光振镜扫描平铺在工作台上的金属粉末，循环此过程最终得到零件实体㊂１㊀控制系统硬件结构快速成型机主要由激光器㊁激光振镜㊁工控机㊁ＰＭＡＣ运动控制卡，伺服驱动器㊁伺服电机㊁温控模块㊁充氮及氧含量监测模块㊁光电传感器等组成㊂激光器和激光振镜配合使激光按照数据文件的信息扫描金属粉末；伺服驱动器和伺服电机驱动工作台㊁两个供粉缸体和铺粉轴的运动；温控模块负责加工材料的预热及加工结束后的降温过程；充氮及氧含量监测模块向加工空间内不间断地充入氮气，排出空气，维持工作空间内的低氧状态㊂１１㊀ＰＭＡＣ运动控制卡ＰＭＡＣ是美国泰道公司基于开放式系统体系标准开发的一系列运动控制器的总称，在机器人㊁装配线㊁机床㊁激光切割等工业自动化领域都有广泛的应用，结合实际工况的需求，本文作者选用ＰＭＡＣ系列中的Ｃｌｉｐｐｅｒ运动控制卡，采用ＭｏｔｏｒｏｌａＤＳＰ５６３００作为ＣＰＵ，可以同时控制１８轴㊂多轴运动控制器和双端口存储器（ＤＰＲＡＭ）作为数控系统的控制中心，能够完全独立于操作系统处理存储器的程序㊂而且，运动控制器的开放性使得它适用于多种总线结构㊁不同类型电机㊁不同反馈元件及指令数据结构，在机床语言㊁人机界面㊁ＰＬＣ及插补模式等方面允许用户自行定制㊂１２㊀激光器和激光振镜激光器和激光振镜是金属快速成型机的重要部件之一，激光器选用连续式光纤激光器，能产生０５００Ｗ功率范围内的连续激光，激光功率通过０１０Ｖ模拟量控制㊂激光振镜接受上位机软件处理后的路径数据偏转激光，并且可以对标刻速度㊁跳转延时㊁拐点延时㊁首脉冲抑制宽度等参数进行设置㊂１３㊀整体硬件结构整个控制系统以工控机为核心，激光振镜与工控机通过ＵＳＢ串行通信，Ｃｌｉｐｐｅｒ运动控制卡与工控机通过Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通信，整体结构如图１所示㊂图１㊀快速成型机硬件结构２　控制系统软件方案该系统的软件主要由Ｃｌｉｐｐｅｒ控制卡运动程序和工控机操作软件两部分组成㊂将操作软件与运动程序分开可以有效减轻上位机的负担，降低工控机与运动控制卡的通讯频率，保证了通讯的有效性和可靠性㊂操作软件的设计使用面向对象的思想，首先将操作软件的功能模块作大致划分，每个功能模块用一个类来实现，类中定义了该功能模块的方法和属性以及与其他模块通讯的接口，从而保证了系统软件良好的可扩展性和互操作性㊂２１㊀Ｃｌｉｐｐｅｒ运动程序Ｃｌｉｐｐｅｒ为用户提供了多达２５６个运动程序和６４个ＰＬＣ程序，用户可以根据实际需要自由组合和调用各个程序，对于该套设备，运动程序主要负责各轴回零和加工过程中各电机轴的动作，ＰＬＣ程序负责各Ｉ／Ｏ点信号的采集及处理工作㊂运动程序在每个加工周期内的过程大致为：首先判断上一层激光扫描是否结束，如果结束就控制工作台下降一定的距离，根据铺粉轴的位置控制相应的供粉缸上升一定距离，铺粉轴开始运动铺粉，铺粉完成后向上位机发出信号，上位机控制激光振镜开始本层扫描㊂Ｃｌｉｐｐｅｒ运动程序的流程与架构如图２所示㊂图２㊀运动控制程序逻辑２２㊀操作软件设计ＤｅｌｔａＴａｕ公司提供了一套ＰｃｏｍｍＳｅｖｅｒ组件供用户进行上位机软件开发，其中的动态链接库包含了超过４００个库函数，几乎涵盖了所有的对ＰＭＡＣ卡的操作命令㊂快速成型机操作软件使用ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ开发㊂操作软件结构大致可以分为三层㊂第一层为应用层，主要处理用户与系统的交互，如设置参数㊁开始加工㊁停止加工㊁预览待加工工件分层形状等，它是用户完成各项操作及命令的管理层，对用户的操作进行处理，并且及时将控制层传递的数据反馈给用户㊂第二层为控制层，控制层是整个操作软件的核心部分，它主要组织和调度各项任务，接收并处理应用层发送的数据和指令，读取并向应用层传递运动控制卡㊁激光振镜㊁Ｉ／Ｏ点的状态和数据信息㊂第三层为驱动层，驱动层主要管理激光振镜㊁温控模块㊁运动控制卡的通讯及初始化工作，水冷机㊁激光发生器㊁加热管等部分的电源管理，这一层是数控系统功能的具体实现层，主要处理与硬件的接口．通过设备驱动程序屏蔽不同硬件之间的差异，为以上各层提供统一的服务㊂首先定义ＰｃｏｍｍＳｅｒｖｅｒ接口指针ＩＰｍａｃＤｅｖｉｃｅ∗ｍ＿ｉＤｅｖｉｃｅ，通过ｂｏｏｌＣｏｎｎｅｃｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ（）函数建立与Ｐｃｏｍｍｓｅｒｖｅｒ的连接，此函数内部为预先定义的ＰＭＡＣ接口指针赋值，成功返回ｔｒｕｅ，在程序结束时应调用ｖｏｉｄＤｉｓｃｏｎｎｅｃｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ（）函数做释放指针等工作㊂一旦接口建立成功，则可以很方便地调用其中的函数㊂通过调用ＳｅｌｅｃｔＤｅｖｉｃｅ（）函数可以进行ＰＭＡＣ设备的选择，选择完成后，调用Ｏｐｅｎ（）函数打开该设备，至此，与该设备的通讯准备工作已完全完成㊂几乎所有的对Ｃｌｉｐｐｅｒ指令都可以通过Ｇｅ⁃㊃７㊃第９期苗新刚等：基于ＰＭＡＣ的金属激光快速成型机控制系统研究㊀㊀㊀ｔＲｅｓｐｏｎｓｅＥｘ（）函数发出，该函数将指令以字符串的形式发送给ＰＭＡＣ，成功则将返回的响应值写入参数的缓冲区内㊂界面部分主要由图形显示模块，参数设置显示模块㊁命令操作模块等组成㊂图形显示模块允许用户对待加工零件的数据文件每层的形状进行预览，并且加工过程中根据正在加工的层数自动显示该层形状，如图３所示㊂图３㊀操作软件图形显示区参数设置和显示模块可以进行激光功率㊁扫描速度㊁铺粉速度㊁降温曲线等数据的设置和修改㊂命令操作模块包含了开始加工㊁停止加工㊁文件读取㊁手工铺粉，各轴位置调整等命令㊂３　工作台轴的定位精度优化每次激光扫描结束后，工作台下降一定距离以再次铺粉扫描，该距离与切片后得到数据文件中的层厚有关系，下降距离过大会导致该层金属粉末熔融烧结困难，过小会影响工件已成型部分，所以工作台定位精度对零件成型质量有重要的影响，由于工作空间的密封要求，安装光栅传感器非常不便，而安装于电机尾端的旋转编码器不能表征经减速器㊁丝杠传动后的位置信息和误差，丝杠误差㊁机械磨损㊁工作空间内温度变化等都会使工作台定位准确度下降㊂因此，对工作台定位精度进行优化非常有必要㊂Ｃｌｉｐｐｅｒ提供了一种基于丝杠补偿表的位置校正方法，丝杠补偿技术可以用来补偿机械传动误差，通过这种补偿，在仅使用旋转编码器的情况下可以得到线性编码器的精度㊂３１㊀定位精度优化原理Ｃｌｉｐｐｅｒ运动控制器通过产生与原误差大小相等㊁方向相反的误差来修正原有误差㊂首先应进行误差测量并处理得到的数据，建立并下载丝杠补偿表㊂丝杠补偿功能在工作台轴下降时产生效果㊂工作台轴下降时，Ｃｌｉｐｐｅｒ根据当前实际位置与零位的距离，根据丝杠补偿表计算匹配的校正值附加到工作台电动机上㊂间隙补偿能够进行轴反向运动时的补偿；通过二者的配合进行双向螺距补偿㊂丝杠补偿表和间隙补偿表中列出的仅是各个补偿点的校正值；当工作台轴的位置处于两个补偿点之间时，Ｃｌｉｐｐｅｒ在两个补偿点之间以线性插值的方式求得当前位置的修正值，并将该值附加到工作台电动机上㊂３２㊀定位精度补偿的具体方法及结果在该系统中，零件烧结过程工作台仅进行下降运动，因此，只需对其进行正向补偿即建立丝杠补偿表即可㊂伺服驱动器每转脉冲数ＣＰＲ设置为１００００ｃｔｓ／ｒ，减速器减速比为Ｒ＝５ʒ１，丝杠导程为Ｐｈ＝５ｍｍ，则换算后行程（ｍｍ）与脉冲对应的关系ＣＰＭＭ＝ＣＰＲˑＲ／Ｐｈ＝１ˑ１０４ｃｔｓ／ｍｍ（１）补偿值的计算公式为ＣＯＭＰ＝（ＲＰＯＳ－ＡＰＯＳ）ˑＣＰＭＭˑ１６＝Ｅｒｒˑ１６ˑ１０２（２）结合激光功率㊁激光扫描速度以及加工工艺考虑，每次下降的定位误差不能超过００２ｍｍ㊂否则会影响零件成型质量㊂有效行程３６０ｍｍ，在行程内进行３６点补偿，采用Ｍｅｔｒｏｎｏｒ光笔测量仪对３６个补偿点的实际位置进行精确测量，通过公式（２）计算得到每个点的补偿值，其中丝杠补偿值的单位是ｃｔｓ／１６，如表１所示㊂表１㊀补偿前误差及补偿值指令位置ＡＰＯＳ／ｍｍ实际位置ＲＰＯＳ／ｍｍ误差值Ｅｒｒ／μｍ丝杠补偿值ＣＯＭＰ／（ｃｔｓ㊃１６－１）００００１０１０．００６６９６０２０２０．０１０１０１６００３０３０．０１２１２１９２０３４０３４０．０６６６６１０５６０３５０３５０．０７８７８１２４８０３６０３６０．０８８８８１４０８０㊀㊀建立并应用补偿表后，重复以上位置的定位运动，用光笔测量仪测量数据并记录，将误差补偿前后的数据绘制在同一个坐标中，如图４所示㊂图４㊀补偿前后工作台定位误差㊃８㊃机床与液压第４６卷从图中可以看出，应用丝杠补偿表后，工作平台的定位误差控制在００１ｍｍ以下，精度明显提高，完全达到了加工工艺的要求㊂４㊀结论样机实验表明，采用Ｃｌｉｐｐｅｒ运动控制卡金属激光快速成型机功能上实现良好，性能可靠，应用丝杠补偿技术对工作台进行定位精度补偿后，定位误差控制在００１ｍｍ以下，完全满足了加工工艺的需求㊂参考文献：［１］孙志平，郁建英，杨立云．ＰＭＡＣ运动卡在轧辊自动探伤机的应用［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（１６）：９７－１００．ＳＵＮＺＰ，ＹＵＪＹ，ＹＡＮＧＬＹ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＭＡＣＭｏｔｉｏｎＣａｒｄｔｏＭｉｌｌＲｏｌｌｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｃＦｌａｗＤｅｔｅｃｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１１，３９（１６）：９７－１００．［２］梁媛，孙建业，祝辉．基于ＰＭＡＣ的开放式组合机床控制系统开发［Ｊ］．制造技术与机床，２０１２（５）：６６－６８．ＬＩＡＮＧＹ，ＳＵＮＪＹ，ＺＨＵＨ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＯｐｅｎＡｓｓｅｍ⁃ｂｌｅｄＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＰＭＡＣ［Ｊ］．ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ，２０１２（５）：６６－６８．［３］赵吉宾，何利英．快速成型制造中零件制作方向的优化方法［Ｊ］．计算机辅助设计与图形学学报，２００６，１８（３）：４５６－４６３．ＺＨＡＯＪＢ，ＨＥＬＹ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰａｒｔ⁃ｂｕｉｌｄｉｎｇＯｒｉｅｎｔａ⁃ｔｉｏｎｆｏｒＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ⁃ａｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ＆ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ，２００６，１８（３）：４５６－４６３．［４］马静，刘廷章，朱虹．基于ＰＭＡＣ的快速成形轮廓运动控制研究［Ｊ］．机械设计与制造，２００７（１）：２７－２９．ＭＡＪ，ＬＩＵＴＺ，ＺＨＵＨ．ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＣｏｎｔｏｕｒｉｎｇＣｏｎ⁃ｔｒｏｌｏｆＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＰＭＡＣ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００７（１）：２７－２９．［５］ＬＩＵＬ，ＬＩＹ，ＷＥＮＬＷ，ｅｔａｌ．ＰＭＡＣ⁃ｂａｓｅｄＴｒａｃｋｉｎｇＣｏｎ⁃ｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒ８－ａｘｉｓＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅ⁃ｌａｙｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２００９（５）：５５８－５６３．［６］游华云，叶佩青．轮回式双向螺距误差补偿方法［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００３，４３（１１）：１４５６－１４５９．ＹＯＵＨＹ，ＹＥＰＱ．ＲｏｌｌｏｖｅｒＢｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＰｉｔｃｈＥｒｒｏｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅＡｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），２００３，４３（１１）：１４５６－１４５９．［７］刘学鹏，王斌．基于ＰＭＡＣ的开放式高精度运动控制台的研究［Ｊ］．中国机械工程，２００７，１８（１０）：１１８６－１１８８．ＬＩＵＸＰ，ＷＡＮＧＢ．ＳｔｕｄｙｏｎＯｐｅｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＨｉｇｈ⁃ｐｒｅ⁃ｃｉｓｉｏｎＭｏｔｉｏｎＳｔａｇｅＢａｓｅｄｏｎＰＭＡＣ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，１８（１０）：１１８６－１１８８．［８］陈婵娟，袁斌．基于ＧＴ４００陶瓷快速成型机数控系统的研究与开发［Ｊ］．机械设计与制造，２０１０（７）：１３６－１３７．ＣＨＥＮＣＪ，ＹＵＡＮＢ．ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｅｒａｍｉｃＲａｐｉｄＰｒｏ⁃ｔｏｔｙｐｉｎｇＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＧＴ４００Ｓｅ⁃ｒｉｅｓＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃ⁃ｔｕｒｅ，２０１０（７）：１３６－１３７．［９］吴德林，牛得草．丝杠对机床精度及稳定性的影响和解决方法［Ｊ］．机床与液压，２００８，３６（１）：１８４－１８５．ＷＵＤＬ，ＮＩＵＤＣ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＰｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄＳｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２００８，３６（１）：１８４－１８５．［１０］王彩芳，刘建群，高伟强，等．基于ＱＴ＋ＰＭＡＣ的Ｖ沟机数控软件的开发［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１４（２）：９８－１０１．ＷＡＮＧＣＦ，ＬＩＵＪＱ，ＧＡＯＷＱ，ｅｔａｌ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣＮＣＳｏｆｔｗａｒｅｆｏｒＶ⁃ｇｒｏｏｖｅＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＱＴａｎｄＰＭＡＣ［Ｊ］．ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃ⁃ｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１４（２）：９８－１０１．（责任编辑：卢文辉）（上接第１０３页）［１０］严志远，雷步芳，李永堂，等．基于滑移线理论计算板料弯曲变形力［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１１（５）：１７６－１７８．ＹＡＮＺＹ，ＬＥＩＢＦ，ＬＩＹＴ，ｅｔａｌ．ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＤｅｆｏｒｍｉｎｇＦｏｒｃｅｏｆＳｈｅｅｔＭｅｔａｌＢｅｎｄｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＳｌｉｐ⁃ｌｉｎｅＴｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１１（５）：１７６－１７８．［１１］孙曙宇，傅建．锻造成形数值模拟中的关键技术［Ｊ］．有色金属加工，２００８，３７（２）：４６－４９．［１２］ＳＵＮＳＹ，ＢＯＪ．ＫｅｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｂｏｕｔＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａ⁃ｔｉｏｎｉｎＦｏｒｇｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００８，３７（２）：４６－４９．［１３］吕炎．锻压成形理论与工艺［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３：８０－９６．［１４］王华君，华林，夏巨谌．主动螺旋伞齿轮闭塞挤压的成形分析［Ｊ］．农业机械学报，２００６，３７（１１）：１３４－１３６．ＷＡＮＧＨＪ，ＨＵＡＬ，ＸＩＡＪＣ．ＦｏｒｍｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｌｏｓｅｄＤｉｅＥｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒＳｐｉｒａｌＢｅｖｅｌＤｒｉｖｉｎｇＧｅａｒｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＦｉｎａｌＤｒｉｖｅ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２００６，３７（１１）：１３４－１３６．（责任编辑：卢文辉）㊃９㊃第９期苗新刚等：基于ＰＭＡＣ的金属激光快速成型机控制系统研究㊀㊀㊀。

一种激光—等离子金属零件快速沉积制造复合系统

功率稳定性（额定功率），％功率调节范围，ｗ
电光效率，％
的零件已经达到近终形状和尺寸，因此精整加工只需经过半精加工、精加工两个步骤就可完成。
冷却方式
第４期
马义全等：一种激光一等离 Biblioteka 金属零件快速沉积制造复合系统
本制造系统采用１台３ｋＷ光纤耦合式全固
体重量等因素选取，在沉积制造过程中，复合沉积
头与加工中心普通刀具可灵活地根据相应的制造
态激光器，其性能参数如表１所示。该激光器采用半导体侧面泵浦的核心技术，并配合高功率传输光纤，具有光束质量好、转换效率高、可柔性传
输出功率／ｋｗ
件实施退火热处理，以减少成形件内部应力，避免
开裂和翘曲，并改善材料的切削加工性能。对于沉积成形后可精整加工的零件，其尺寸精度和表
面粗糙度是由数控铣削来完成的。由于沉积成形
６
机电技术
２０１５年８月
信号，各子系统接到信号后，控制相应的设备开始启动工作，激光器打开光闸输出激光，等离子设备
开始起弧并引燃转移弧，随后通知数控加工中心开始成形运动；在轨迹终点，由数控系统发出关闭激光光闸及熄弧命令，相应设备控制该动作。在
输、智能化控制、操作界面友好等优点。它国际通用的标准接口极易与各类机床、机器人等集成，可

基于三维焊接熔覆的快速成形技术及其系统的发展

Welding Technology Vol．38No．7Jul.2009·专题综述·收稿日期：2009-04-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（50735006，50675223）；国家973计划项目（2007CB607601）；国家科技支撑计划项目（2008BAK42B03）；再制造重点实验室资助项目（9140C8502026JS9105）文章编号：1002－025X (2009)07-0001-05基于三维焊接熔覆的快速成形技术及其系统的发展向永华，吕耀辉，徐滨士，姜祎，夏丹（装甲兵工程学院装备再制造技术重点实验室，北京100072）摘要：快速成形技术发展至今，基于焊接熔覆的直接金属快速成形已成为其研究热点和一个重要发展方向。

总结了焊接熔覆快速成形技术的国内外研究现状，阐述了目前该技术研究存在的一系列问题，最后针对焊接熔覆快速成形工艺的特点，对进一步的研究提出了建议。

关键词：三维焊接熔覆；直接金属快速成形；成形材料中图分类号：TG438.2；TP273.5文献标志码：B0前言以电子计算机为核心的信息技术的迅猛发展为新制造技术的发展提供了前所未有的物质基础，先进快速零件制造技术应运而生［1］。

三维焊接熔覆快速成形技术作为快速零件制造技术的一种，目前得到了迅猛发展。

该技术是先进CAD 技术与现有成熟焊接技术有机结合的产物，与其他直接金属快速成形技术相比，它提供了一种相对低成本的直接快速制造功能金属零件的技术［2］。

该技术的优势在于，在金属零件快速制造的金属堆积方法选择方面，有多种成熟并高效的焊接工艺方法可供选择，并且强度及其他性能完全能够满足使用要求。

因此，一旦焊接熔覆快速成形若干关键技术得到更好的解决，其应用前景将更加广阔。

本文总结了该技术的研究现状，并对该技术研究存在的问题进行了剖析，对其今后的发展方向进行了探讨。

1三维焊接熔覆快速成形技术研究现状基于三维焊接熔覆快速成形工艺的基本原理，其本质上是采用各种弧焊热源使金属熔化与过渡沉积的焊接工艺，利用CAD 所提供的实体三维数据控制焊接设备，采用分层扫描和分层堆焊的方法来制作零件。