類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型*

王公海 馮培鋒 王大鎮(zhèn) 龔志堅(jiān)

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

形狀沉積制造［1-5］(SDM:Shape Deposition Manufacturing)是繼快速原形制造(RP)之后出現(xiàn)的另一種快速制造零件的方法。該方法的基本思想是把材料添加過(guò)程與機(jī)械切削過(guò)程進(jìn)行結(jié)合，以充分發(fā)揮出兩種制造方法的優(yōu)點(diǎn)。其添加材料的過(guò)程根據(jù)零件的材料不同而采用不同的方法，其每層材料的沉積厚度是根據(jù)零件的三維幾何分層來(lái)確定，其優(yōu)點(diǎn)是可采用較大厚度的材料層來(lái)提高零件的制造速度，同時(shí)還可消除常規(guī)的快速原形制造方法制造的帶有傾斜表面的零件中常見(jiàn)的階梯型效應(yīng)而得到光滑的零件表面。

國(guó)內(nèi)在形狀沉積制造方面除華僑大學(xué)、集美大學(xué)和華中科技大學(xué)進(jìn)行過(guò)類似的研究外［4，6-16］，尚未見(jiàn)到其他相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道。華僑大學(xué)所研究的分段沉積/雕銑技術(shù)是以石蠟為沉積材料，把沉積裝置集成在數(shù)控銑床的主軸部件上;華中科技大學(xué)研究了等離子熔積與銑削的復(fù)合加工，所使用的材料是金屬材料，同樣也是在數(shù)控銑床的主軸頭上集成沉積裝置。這些研究都促進(jìn)了形狀沉積技術(shù)的發(fā)展，但普遍存在加工范圍窄，同時(shí)由于許多結(jié)構(gòu)都集成在數(shù)控銑床上，這將增大數(shù)控銑床的負(fù)擔(dān)，同時(shí)限制了材料沉積的方法種類。

原始的形狀沉積制造系統(tǒng)中將幾種材料沉積過(guò)程集成在一臺(tái)裝置中，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)利用機(jī)械手來(lái)傳遞工件，使工件的尺寸大小和形狀受到了較大的限制。基于這些考慮，本文基于形狀沉積制造，結(jié)合柔性制造系統(tǒng)的工作原理，探討形狀沉積制造技術(shù)系統(tǒng)中設(shè)備的柔性集成問(wèn)題，以期擴(kuò)展形狀沉積制造技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)形狀沉積制造技術(shù)的組成，可以設(shè)想將柔性制造系統(tǒng)(FMS)的系統(tǒng)原理、體系結(jié)構(gòu)、物流運(yùn)輸和系統(tǒng)控制方法與形狀沉積制造(SDM)進(jìn)行結(jié)合，把形狀沉積制造中的材料沉積、沉積材料去除、沉積應(yīng)力消除、表面清洗等裝置獨(dú)立出來(lái)，使材料沉積裝置專業(yè)化，材料去除等輔助裝置通用化，把這些裝置有機(jī)地集成在一個(gè)系統(tǒng)中，形成與柔性制造系統(tǒng)類似的類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)，從而使形狀沉積制造技術(shù)更加柔性化與自動(dòng)化，可以在該系統(tǒng)中設(shè)置更多的材料沉積制造裝置和輔助裝置，并根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)沉積裝置的配置，以擴(kuò)大形狀沉積制造的適應(yīng)范圍以及使加工零件的尺寸可以適應(yīng)實(shí)際的需要。

根據(jù)柔性制造系統(tǒng)的工作原理［17-19］以及形狀沉積制造技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)造出如圖1 所示的類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)?？偪刂婆_(tái)主要包括3 個(gè)模塊，即工件物流調(diào)度、加工數(shù)據(jù)處理與反饋數(shù)據(jù)處理。同時(shí)還要進(jìn)行3 個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)與信息交換。工件物流調(diào)度控制的作用主要是控制裝載工件的小車的移動(dòng)軌跡與工件的固定。工件物流調(diào)度控制根據(jù)加工要求把指令傳給小車及裝夾裝置，裝夾裝置固定所沉積的工件之后，小車在工件物流調(diào)度控制模塊所給出的指令下移動(dòng)到指定位置，同時(shí)要把移動(dòng)后的狀態(tài)與位置反饋給總控制臺(tái)。總控制臺(tái)中的反饋數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行分析，并把結(jié)果傳遞給狀態(tài)顯示與報(bào)警裝置。如果小車移動(dòng)位置不是指定位置，則通知工件物流調(diào)度控制模塊，讓其再次發(fā)指令進(jìn)行糾正。

總控制臺(tái)中的加工數(shù)據(jù)處理模塊是對(duì)加工裝置中的4 個(gè)部分，即沉積站、數(shù)控去除站、噴丸去應(yīng)力站與清洗站進(jìn)行控制，且要對(duì)對(duì)應(yīng)的工序給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。在沉積站中，要給調(diào)度裝置調(diào)度信息，在沉積設(shè)備上，要給沉積設(shè)備所需的加工數(shù)據(jù)，比如沉積頭進(jìn)給量、沉積速度與工件運(yùn)動(dòng)軌跡及速度等數(shù)據(jù)。在數(shù)控去除站中，要給數(shù)控設(shè)備相應(yīng)的數(shù)控程序及工件的夾持點(diǎn)。在噴丸去應(yīng)力站中，要給出噴丸速度、噴丸面積、噴丸時(shí)間等數(shù)據(jù)參數(shù)。在清洗站中，要給出清洗方式、清洗時(shí)間、清洗區(qū)域等數(shù)據(jù)。在各工序加工中要把加工狀態(tài)及其參數(shù)值實(shí)時(shí)傳遞給反饋數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，并把結(jié)果傳遞給顯示與報(bào)警裝置，同時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)加工狀態(tài)與給定狀態(tài)不符，則要通知加工數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行修正。

工件輸送與交換是在加工裝置中的4 個(gè)工作站中進(jìn)行的，根據(jù)調(diào)度指令來(lái)回穿梭，到達(dá)每個(gè)工作站中的工件定位處。

2 類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的工藝流程

圖2 是類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的工藝流程。其工作過(guò)程是:沉積材料先安放在各沉積設(shè)備上，在沉積工序中，沉積站中的調(diào)度裝置根據(jù)總控制臺(tái)的指令把相應(yīng)沉積設(shè)備調(diào)度到指定位置，該沉積設(shè)備進(jìn)行工件沉積;沉積完一層后，工件轉(zhuǎn)入到數(shù)控去除材料工序中，對(duì)新的沉積層進(jìn)行數(shù)控去除材料，提高形狀精度;如果沉積工件是金屬材料，則需要轉(zhuǎn)入到噴丸去應(yīng)力工序中進(jìn)行去應(yīng)力處理，去除由于溫度梯度引起的層間內(nèi)應(yīng)力，如果是非金屬則不需要此工序;然后進(jìn)入到清洗工序中，目的是去除在數(shù)控去除材料及噴丸去應(yīng)力處理工序中工件表面殘留的切屑、切削液等雜物，清洗完后又送到沉積工序中進(jìn)行下次形狀沉積。如此反復(fù)多次的循環(huán)進(jìn)行，即可沉積出具有較高形狀精度的三維實(shí)體零件。

在類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中，沉積材料是根據(jù)沉積方式來(lái)決定的，一臺(tái)沉積設(shè)備需要兩種沉積材料，一種用于沉積支撐，一種用于沉積工件。目前常用的沉積材料中，金屬部分是碳鋼、不銹鋼、銅、鋁及其合金等;非金屬材料部分可以采用石蠟、塑料、陶瓷等，石蠟既可以做工件材料也可做支撐材料。在實(shí)際選用沉積材料時(shí)要考慮工件材料與支撐材料的相容性以及支撐材料的去除性。沉積材料的形式有粉末狀、絲材狀和顆粒狀，這依賴于沉積方式，不同的沉積方式所要求的材料形式不同。

材料沉積是該系統(tǒng)的核心部分，是由沉積站中沉積設(shè)備與調(diào)度裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3 所示是幾種適合類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中的沉積設(shè)備的構(gòu)成示意圖［13］。一臺(tái)沉積設(shè)備可以用一種沉積方式，也可用兩種沉積方式，每種沉積設(shè)備都有兩個(gè)沉積頭，一個(gè)用來(lái)沉積工件，另一個(gè)用來(lái)沉積支撐，在數(shù)控系統(tǒng)控制下，沉積頭沿Z 軸上下移動(dòng)，工作臺(tái)沿X，Y 向水平移動(dòng)，從而可以沉積三維零件。圖3a 采用的是熔化極惰性氣體保護(hù)焊的沉積方式來(lái)沉積絲材類材料，主要是用來(lái)沉積金屬材料，可沉積不銹鋼、低合金鋼、鋁、銅及其合金等材料。圖3b 采用的是等離子噴涂法來(lái)進(jìn)行材料沉積，沉積的材料是粉末類材料，可沉積金屬及其合金、金屬陶瓷、陶瓷、自熔性材料等。圖3c 是采用螺桿擠出的方法來(lái)沉積粉末類非金屬材料，如生陶瓷、塑料、石蠟等。圖3d 采用的是兩種沉積方式組合的方式進(jìn)行材料沉積，工件沉積采用兩組分環(huán)氧樹(shù)脂法，其材料是環(huán)氧樹(shù)脂與活化劑，支撐材料采用熱蠟分配法，其材料是石蠟。所有沉積設(shè)備都安置在沉積站中的調(diào)度裝置中，調(diào)度裝置的作用是把集成到沉積站中的各種沉積設(shè)備根據(jù)需要調(diào)度到指定位置，并保證能夠正常工作，以便同其他工序一起來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積作業(yè)。沉積站中的調(diào)度裝置是一個(gè)開(kāi)放的集成系統(tǒng)，所有成熟的沉積工藝，其結(jié)構(gòu)能夠適合類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的，都可以根據(jù)實(shí)際需要，柔性的添加或移除沉積設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本文所提出的“類柔性”。

數(shù)控去除材料也是類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中的重要組成部分，在該系統(tǒng)中，沉積工件的材料去除是按層進(jìn)行的，是一個(gè)間歇式，反復(fù)多次的切削過(guò)程，對(duì)工件定位、去除加工的要求高，因此根據(jù)零件形狀的和分層的不同，去除材料所用的機(jī)床可以采用3 軸或5 軸的CNC 機(jī)床。機(jī)床的運(yùn)行需要與整個(gè)制造系統(tǒng)統(tǒng)一，需要與其他設(shè)備，尤其是與材料沉積設(shè)備相互協(xié)調(diào)配合，因此CNC 機(jī)床的運(yùn)行受總控制臺(tái)控制，接收來(lái)自總控制臺(tái)的控制指令及加工程序，通過(guò)自身的數(shù)控驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行沉積工件的材料去除。

3 類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的總體布局

類柔性形狀沉積系統(tǒng)關(guān)鍵就是要把形狀沉積的4道工序有機(jī)地組合，這就涉及到系統(tǒng)的總體布局。圖4 所示的是類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的總體布局示意圖。整個(gè)系統(tǒng)的布局采用L 型，沉積站與后面3 個(gè)工作站垂直布置，目的是節(jié)省空間。在沉積站中，沉積設(shè)備分別置于調(diào)度裝置的兩側(cè)，由調(diào)度裝置根據(jù)需要把相應(yīng)沉積設(shè)備調(diào)度到固定平臺(tái)上，以便與后續(xù)3 個(gè)工作站配合完成沉積作業(yè)。

工件導(dǎo)軌采用直線式，是為了簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)軌的一端連接到沉積站中的固定平臺(tái)處，以使沉積設(shè)備與其他工作站通過(guò)輸送小車產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。輸送小車在導(dǎo)軌上根據(jù)指令來(lái)回穿梭于4 個(gè)工作站，傳遞沉積工件。

4 結(jié)語(yǔ)

形狀沉積制造是快速原型制造中很有優(yōu)勢(shì)的一種快速制造零件的方法，具有很大的發(fā)展前景。本文根據(jù)這種制作方法的原理，基于提出的“類柔性制造”的概念所構(gòu)造的類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型有以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新:

(1)構(gòu)造了該系統(tǒng)的總體框架，明確了系統(tǒng)的設(shè)備和工藝裝備構(gòu)成，清楚地表示了各部分之間的內(nèi)在聯(lián)系及其邏輯關(guān)系。

(2)規(guī)劃了適合類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備-材料沉積設(shè)備的構(gòu)成形式，為具體的材料沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

(3)規(guī)劃了適合類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的總體布局，進(jìn)一步研究系統(tǒng)和各種構(gòu)成設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)形式、控制方式及它們之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作等方面打下基礎(chǔ)。

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