反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法，系统包括工业机器人、增材制造电源、送丝机、机器视觉系统、工业计算机、等离子焊枪、制冷装置、气体装置以及辅助工装夹具；所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、制冷装置、气体装置、辅助工装夹具均通过CAN BUS总线与工业计算机相连；所述机器视觉系统通过TCP/IP协议与工业计算机相连；所述等离子焊枪连接所述制冷装置、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具；所述制冷装置还与增材制造电源相连。本发明专利技术拓扑结构简单，全数字化控制，可以根据材料与工件的特性采用所需的任意电流波形进行增材制造，工艺适应性好，可提升增材制造的工艺质量。

Reverse polarity plasma arc robot material increasing manufacturing system and implementing method thereof

The invention discloses a reverse polarity plasma arc robot additive manufacturing system and its implementation method, including the system of industrial robots, increasing material manufacturing power, wire feeding machine, machine vision system, industrial computer, plasma torch, refrigeration equipment, gas equipment and auxiliary fixture; the industrial robots, increasing material manufacturing power feeding machine, refrigeration equipment, gas equipment, auxiliary fixture through the CAN BUS bus is connected with the industrial computer; the machine vision system is connected with the industrial computer through TCP/IP protocol; the plasma welding gun is connected with the refrigeration device, increasing material manufacturing power, wire feeding machine, gas device and auxiliary work fixture; the cooling device is connected with the increasing material manufacturing power. The invention is simple in topology structure, digital control, according to the characteristics of material and workpiece with arbitrary current waveforms required for increasing material manufacturing process, good adaptability, can improve the quality of the material manufacturing process.

【技术实现步骤摘要】
反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法
本专利技术涉及焊接与增材制造
，特别涉及一种反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法。
技术介绍
增材制造是一种“自下而上”的制造方法，采用材料的逐层累加方式制造实体零件。金属类增材制造技术主要以激光、电子束为热源，通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂零部件。近年来，由于激光热源成型速度慢、电子束可加工构件体积小等局限性，低成本、高效率的电弧类增材制造技术得到了高度重视。反极性等离子弧增材制造以联合型或转移型等离子弧为热源，采用合金粉末或丝材作为填充金属，有效地将堆焊金属和基体金属熔化结合，形成高密度、高结合度、低稀释率的堆焊组织结构，从而实现增材制造。等离子弧增材制造不仅可以修复损坏的部件，还可以制造组织细小、均匀、致密的复杂金属零件。近年来，丝材类的反极性等离子弧增材制造已成为研究重点。反极性等离子弧增材制造是一种高度集成智能化、自动化的系统。在等离子弧增材制造系统中，等离子体电源为增材制造过程提供能量，它的性能至关重要。国内的等离子电源设备的工业化水平同发达国家之间还存在较大的差距，普遍采用通用焊接电源来制造工件，很少有专用的反极性、数字化、高性能的专用等离子增材制造电源。另一方面，采用丝材熔积增材制造时，送丝系统的稳定性、均匀性以及协同能力也非常重要，直接影响到增材过程的稳定性、增材形貌以及加工流程。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种反极性等离子弧机器人增材制造系统及其实现方法，系统的拓扑结构简单，全数字化控制，可以根据材料与工件的特性采用所需的任意电流波形进行增材制造，工艺适应性好，可提升增材制造的工艺质量。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种反极性等离子弧机器人增材制造系统，包括工业机器人、增材制造电源、送丝机、机器视觉系统、工业计算机、等离子焊枪、制冷装置、气体装置以及辅助工装夹具；所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、制冷装置、气体装置、辅助工装夹具均通过CANBUS总线与工业计算机相连；所述机器视觉系统通过TCP/IP协议与工业计算机相连；所述等离子焊枪连接所述制冷装置、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具；所述制冷装置还与增材制造电源相连；其中所述机器视觉系统用于对拟增材制造的工件信息及其位置信息进行检测，并将信息馈入所述工业计算机；在增材制造过程中，机器视觉系统用于识别路径、监控状态以及跟踪工件；所述工业计算机用于选择增材制造模式及其配套的基本工艺参数、进行增材路径规划；在增材制造过程中，所述工业计算机对所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具进行数据处理和远程监控；所述工业机器人作为执行机构，用于控制所述等离子焊枪和辅助工装夹具完成相应的动作操作；所述增材制造电源用于提供增材制造过程所需的能量；所述送丝机用于输送丝材并调节送给速度；所述等离子焊枪用于完成能量的转换，为丝材熔积以及熔化金属的过渡提供能源与动力；所述制冷装置用于为所述增材制造电源以及所述等离子焊枪提供冷却作用；所述气体装置用于给所述等离子焊枪提供离子气和保护气；所述辅助的工装夹具用于完成工件的夹持以及变位操作。进一步地，所述增材制造电源包括主弧电源和维弧电源，所述主弧电源与维弧电源均与等离子焊枪相连；所述主弧电源包括主弧电源主电路和主弧电源控制电路，所述维弧电源包括维弧电源主电路、维弧电源控制电路以及高频高压引弧电路；其中所述主弧电源主电路用于实现主弧能量的转换与传输；所述主弧电源控制电路用于控制主弧电源各个任务的正常工作；所述维弧电源主电路用于实现维弧能量的转换与传输；所述维弧电源控制电路用于控制维弧电源各个任务的正常工作；所述高频高压引弧电路用于击穿等离子焊枪的钨极和喷嘴间的气隙，以建立维持电弧。进一步地，所述主弧电源主电路采用双逆变拓扑结构，包括输入整流滤波模块、IGBT高频逆变电路、中频变压器、快速整流滤波模块、IGBT低频调制电路以及高压稳弧电路；所述输入整流滤波模块用于将380V三相交流电转化为平滑的直流电；所述IGBT高频逆变电路用于将整流后的直流电逆变成高频交流电；所述中频变压器用于进行能量转换，为增材制造过程提供所需的高电流、低电压的交流电；所述快速整流滤波模块用于将经过中频变压器的交流电转变成大电流、低电压的直流电；所述IGBT低频调制电路用于将经过快速整流滤波模块的直流电进行换相调节、频率调制及电感滤波后，输出所需的电流电压波形；所述高压稳弧电路用于保证在IGBT低频调制电路输出电流的极性转换时刻施加较高的电压，从而确保在电流过零时电弧的可靠再引燃。进一步地，所述主弧电源控制电路包括DSC控制器、高频逆变驱动电路、过流检测电路、电流反馈电路、低频调制驱动电路、稳弧电路驱动电路、人机交互系统、过热检测电路、过压检测电路、欠压检测电路以及CAN通信接口电路；所述DSC控制器产生三组全数字PWM控制信号，并分别控制低频调制驱动电路、高频逆变驱动电路以及稳弧电路驱动电路；所述高频逆变驱动电路用于将DSC控制器产生的PWM控制信号转换成IGBT高频逆变电路中功率开关管IGBT所需的驱动信号；所述过流检测电路用于防止通过功率开关管IGBT的电流过大；所述电流反馈电路用于实现电源输出电流的闭环调节；所述低频调制驱动电路用于将DSC控制器产生的PWM控制信号转换成IGBT低频调制电路中功率开关管IGBT所需的驱动信号；所述稳弧电路驱动电路用于将DSC控制器产生的PWM控制信号转换成高压稳弧电路中功率开关管IGBT所需的驱动信号；所述人机交互系统用于实现人与电源之间的对话；所述过热检测电路用于防止功率开关管IGBT温度过高；所述过压检测电路用于检测电源输入的380V三相交流电电压是否过高；所述欠压检测电路用于检测电源输入的380V三相交流电电压是否过低；所述CAN通信接口电路用于与其它系统通信，实现数字化协同。进一步地，所述DSC控制器包括DSC微控制器、电源供电模块、外部时钟电路、复位电路以及JTAG调试下载电路。进一步地，所述维弧电源主电路包括输入整流滤波模块、MOSFET逆变电路、中频变压器以及快速整流滤波模块；所述输入整流滤波模块用于将380V三相交流电转化为平滑的直流电；所述MOSFET逆变电路用于将整流后的直流电逆变成高频交流电；所述中频变压器用于进行能量转换，得到高电流、低电压的交流电；所述快速整流滤波模块用于将经过中频变压器的交流电转化成大电流、低电压的直流电。进一步地，所述送丝机包括送丝控制系统、高频AC/DC逆变器、送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮以及固定支架，所述送丝控制系统包括DSC控制器、光耦隔离模块、电压采样模块、变压滤波模块、供电模块、故障检测模块以及CAN驱动器。进一步地，所述送丝驱动电路包括高频半桥斩波电路、两个二极管、继电开关、光耦以及电机负载。本专利技术另一目的是提供一种反极性等离子弧机器人增材制造系统的实现方法，包括如下步骤：S1、工业计算机根据工件及其丝材的特性，选择相应的增材制造模式及其配套的基本工艺参数；机器视觉系统对拟增材制造的工件及其位置信息进行检测，并馈入工业计算机并进行增材路径规划，协调工业机器人以及辅助工装夹具运动到相应的工位；S2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反极性等离子弧机器人增材制造系统，其特征在于，包括工业机器人、增材制造电源、送丝机、机器视觉系统、工业计算机、等离子焊枪、制冷装置、气体装置以及辅助工装夹具；所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、制冷装置、气体装置、辅助工装夹具均通过CAN BUS总线与工业计算机相连；所述机器视觉系统通过TCP/IP协议与工业计算机相连；所述等离子焊枪连接所述制冷装置、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具；所述制冷装置还与增材制造电源相连；其中所述机器视觉系统用于对拟增材制造的工件信息及其位置信息进行检测，并将信息馈入所述工业计算机；在增材制造过程中，机器视觉系统用于识别路径、监控状态以及跟踪工件；所述工业计算机用于选择增材制造模式及其配套的基本工艺参数、进行增材路径规划；在增材制造过程中，所述工业计算机对所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具进行数据处理和远程监控；所述工业机器人作为执行机构，用于控制所述等离子焊枪和辅助工装夹具完成相应的动作操作；所述增材制造电源用于提供增材制造过程所需的能量；所述送丝机用于输送丝材并调节送给速度；所述等离子焊枪用于完成能量的转换，为丝材熔积以及熔化金属的过渡提供能源与动力；所述制冷装置用于为所述增材制造电源以及所述等离子焊枪提供冷却作用；所述气体装置用于给所述等离子焊枪提供离子气和保护气；所述辅助的工装夹具用于完成工件的夹持以及变位操作。...

【技术特征摘要】
1.一种反极性等离子弧机器人增材制造系统，其特征在于，包括工业机器人、增材制造电源、送丝机、机器视觉系统、工业计算机、等离子焊枪、制冷装置、气体装置以及辅助工装夹具；所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、制冷装置、气体装置、辅助工装夹具均通过CANBUS总线与工业计算机相连；所述机器视觉系统通过TCP/IP协议与工业计算机相连；所述等离子焊枪连接所述制冷装置、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具；所述制冷装置还与增材制造电源相连；其中所述机器视觉系统用于对拟增材制造的工件信息及其位置信息进行检测，并将信息馈入所述工业计算机；在增材制造过程中，机器视觉系统用于识别路径、监控状态以及跟踪工件；所述工业计算机用于选择增材制造模式及其配套的基本工艺参数、进行增材路径规划；在增材制造过程中，所述工业计算机对所述工业机器人、增材制造电源、送丝机、气体装置以及辅助工装夹具进行数据处理和远程监控；所述工业机器人作为执行机构，用于控制所述等离子焊枪和辅助工装夹具完成相应的动作操作；所述增材制造电源用于提供增材制造过程所需的能量；所述送丝机用于输送丝材并调节送给速度；所述等离子焊枪用于完成能量的转换，为丝材熔积以及熔化金属的过渡提供能源与动力；所述制冷装置用于为所述增材制造电源以及所述等离子焊枪提供冷却作用；所述气体装置用于给所述等离子焊枪提供离子气和保护气；所述辅助的工装夹具用于完成工件的夹持以及变位操作。2.根据权利要求1所述的反极性等离子弧机器人增材制造系统，其特征在于，所述增材制造电源包括主弧电源和维弧电源，所述主弧电源与维弧电源均与等离子焊枪相连；所述主弧电源包括主弧电源主电路和主弧电源控制电路，所述维弧电源包括维弧电源主电路、维弧电源控制电路以及高频高压引弧电路；其中所述主弧电源主电路用于实现主弧能量的转换与传输；所述主弧电源控制电路用于控制主弧电源各个任务的正常工作；所述维弧电源主电路用于实现维弧能量的转换与传输；所述维弧电源控制电路用于控制维弧电源各个任务的正常工作；所述高频高压引弧电路用于击穿等离子焊枪的钨极和喷嘴间的气隙，以建立维持电弧。3.根据权利要求2所述的反极性等离子弧机器人增材制造系统，其特征在于，所述主弧电源主电路采用双逆变拓扑结构，包括输入整流滤波模块、IGBT高频逆变电路、中频变压器、快速整流滤波模块、IGBT低频调制电路以及高压稳弧电路；所述输入整流滤波模块用于将380V三相交流电转化为平滑的直流电；所述IGBT高频逆变电路用于将整流后的直流电逆变成高频交流电；所述中频变压器用于进行能量转换，为增材制造过程提供所需的高电流、低电压的交流电；所述快速整流滤波模块用于将经过中频变压器的交流电转变成大电流、低电压的直流电；所述IGBT低频调制电路用于将经过快速整流滤波模块的直流电进行换相调节、频率调制及电感滤波后，输出所需的电流电压波形；所述高压稳弧电路用于保证在IGBT低频调制电路输出电流的极性转换时刻施加较高的电压，从而确保在电流过零时电弧的可靠再引燃。4.根据权利要求2所述的反极性等离子弧机器人增材制造系统，其特征在于，所述主弧电源控制电路包括DSC控制器、高频逆变驱动电路、过流检测电路、电流反馈电路、低频调制驱动电路、稳弧电路驱动电路、人机交互系统、过热检测电路、过压检测电路、欠压检测电路以及CAN通信接口电路；所述DSC控制器产生三组全数字PWM控制信号，并分别控制低频调制驱动电路、高频逆变驱动电路以及稳弧电路驱动电路；所述高频逆变驱动电路用于将DSC控制器产生的PWM控...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，张福彪，韦俊好，王鹏飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44