類柔性形狀沉積制造系統構成設備的結構特性*

馮培鋒,王公海,王大鎮,龔志堅

(集美大學 機械與能源工程學院，廈門 361021)

類柔性形狀沉積制造系統構成設備的結構特性*

馮培鋒,王公海,王大鎮,龔志堅

(集美大學 機械與能源工程學院，廈門 361021)

基于類柔性形狀沉積制造系統的概念，把形狀沉積制造各工序看作獨立制造單元，通過工件物流系統把各制造單元有機地聯系起來。在提出的類柔性形狀沉積制造系統總體結構的基礎上，詳細討論了材料沉積構成設備和工件物流裝置在該系統中應具有的結構特點及工作方式，并描述了它們的工作過程。這些研究為形成具體的類柔性形狀沉積制造系統奠定了基礎。

類柔性形狀沉積制造系統；結構特性；工件物流

0 引言

形狀沉積制造技術[1-9]是把材料沉積與機械切削兩種技術進行結合，充分吸取材料沉積技術的制造速度快與機械切削的零件表面加工精度高的優點。柔性制造技術[10-12]在組成設備、加工過程、生產能力、擴展性等方面都具有柔性化特點。將柔性制造技術的思想及相關技術應用在形狀沉積制造中，產生了類柔性形狀沉積制造系統的概念。這一概念的提出旨在使形狀沉積制造技術具有材料沉積范圍廣、制造過程柔性化與自動化特性。

類柔性形狀沉積制造系統包括四個部分，即材料沉積、材料去除、去應力處理和清洗。基本工作過程是：分層軟件根據零件形狀特性及相關算法對其進行分層，控制系統把分層信息轉化成相應程序傳遞給各設備，沉積設備得到這些信息之后，依靠自身的控制系統與執行機構進行沉積；沉積完一層后，沉積工件轉移到材料去除設備的加工平臺上，材料去除設備根據相應數控程序對沉積工件進行材料去除；如果是金屬零件，則把沉積工件轉移到應力消除設備中，去除沉積工件的層間內應力；接著沉積工件被轉移到清洗設備中，對沉積層進行清洗，去除雜屑與污物；清洗完后，沉積工件又回到沉積設備中，進行下次沉積。經過反復多次這種循環過程，最終即可得到所需的沉積工件。

基于上述的類柔性形狀沉積制造系統中沉積工件的轉移路徑，本文將探討各工序中構成設備應具有的結構形式及沉積工件的輸送與裝夾定位裝置的結構，以期使沉積工件能夠便捷而柔性的在各工序之間進行轉換與加工。

1 類柔性形狀沉積制造系統的總體結構特性

圖1所示的是類柔性形狀沉積制造系統的總體結構示意圖。沉積站中的調度裝置將沉積設備8調入到指定位置，此時沉積設備8將進行材料沉積，并與材料去除設備、應力消除設備、清洗設備及工件輸送裝置一起構成了一個柔性制造系統，增加了形狀沉積制造工藝的制造范圍，實現了類柔性形狀沉積制造系統中加工設備的柔性化。工件輸送小車在平行導軌上來回移動，并可根據上位機的指令在指定位置上停止。連接導軌用來連接工件輸送小車與各制造設備，在對應推拉裝置的作用下將工件輸送小車上的沉積工件送至相關制造設備的工作臺上，工作臺上的夾具系統將對進入的沉積工件進行定位裝夾，并進行相應加工。沉積設備、材料去除設備、應力消除設備、清洗設備在導軌兩側交叉布置，以減少工件輸送的距離。

圖1 類柔性形狀沉積制造系統總體結構示意圖

2 材料沉積相關構成設備的結構特性

2.1 材料沉積設備的結構特性

如圖2a所示的是類柔性形狀沉積制造系統中材料沉積設備的底部安裝接口示意圖。材料沉積設備通過底座接口固定在沉積站調度系統中的沉積設備安裝接口上，調度裝置通過搬運及固定沉積設備安裝接口，將用于進行形狀沉積制造的沉積設備調度到固定平臺上，并進行定位夾緊。沉積時，沉積頭沿Z向上下移動，工作臺沿X,Y向移動即可沉積出三維零件。

如圖2b所示的類柔性形狀沉積制造系統中材料沉積設備背面電氣接口的連接示意圖。材料沉積設備的電氣接口固定在沉積設備安裝接口的中轉接口上，中轉接口的另一端與固定平臺的外接電氣接口對接，從而使沉積設備獲得電源，并能夠與上位機進行通訊。

(a)底部安裝接口

(b)背面電氣接口

圖3所示的是材料沉積設備中的夾具示意圖，夾具的作用是對托盤進行裝夾定位。采用裝夾精度高的液壓夾具來保證托盤每次進入到沉積設備中的位置精度。夾具通過固定孔固定在沉積設備的工作臺上，夾具上的兩條平行導軌既作為托盤的移動軌跡，同時也作為X向的定位，夾具上的兩個定位塊用來進行Y向定位，用具有旋轉90°與直線壓緊功能的旋轉油缸進行夾緊，從而實現了對托盤的高精度、自動化裝夾固定。

圖3 材料沉積設備中的夾具示意圖

2.2 材料去除設備的結構特性

類柔性形狀沉積制造系統中的材料去除依賴于沉積工件的零件形狀及分層，每層的加工厚度及截面形狀的不同將導致切削軌跡復雜，因此材料去除設備采用立式銑削CNC機床。用于形狀沉積制造中的立式銑削加工中心有三軸與五軸兩種，五軸立式銑削CNC較三軸多了繞X軸旋轉與繞Z軸旋轉的兩軸。三軸立式銑削CNC只能用于形狀規整的沉積工件的材料去除，五軸立式銑削CNC則能進行復雜形狀的沉積工件的材料去除，加工范圍更廣。夾具采用沉積設備中的液壓夾具，如圖3所示。

2.3 輔助設備的結構特性

(a)應力消除設備

(b)清洗設備

應力消除設備的結構特性 材料在沉積過程中產生的內應力通過噴丸強化[13-15]的方法進行消除。如圖4a所示的是類柔性形狀沉積制造系統中應力消除設備工作倉結構特性示意圖，用于噴丸的噴槍連接在電動推桿上，在豎向電動推桿的推動下，噴槍可沿Z軸上下移動，斜向電動推桿可以推動噴槍擺動，滑塊帶動噴槍可以沿導軌Y向移動，即噴槍可以做Y向、Z向移動及擺動。同時工作臺可以沿Z軸旋轉，因此噴槍可以對沉積工件的平面及斜面進行噴丸去應力處理。

清洗設備的結構特性 如圖4b所示的是類柔性形狀沉積制造系統中清洗設備工作倉結構特性示意圖。工作倉中有三組噴頭，清洗劑噴頭[16-17]用于噴灑清洗劑，其作用是進一步清洗材料去除過程中由于使用乳化型與半合成型水溶性切削液所產生的油脂，水噴頭噴灑清水作進一步的沖洗，加熱壓縮空氣噴頭噴灑壓縮熱空氣吹干沉積工件表面。步進電機連接絲桿螺母傳動機構，螺母與各噴頭通過推桿連接。步進電機帶動絲桿轉動，螺母則做相應的Z向上下移動，通過連桿把這種直線移動轉化成噴頭的小幅度擺動，同時工作臺沿Z軸轉動，即可保證工件每個部位都能被清洗到。

去應力設備與清洗設備中工作臺上的夾具類似采用圖3所示的沉積設備夾具，只需要把旋轉油缸改為旋轉氣缸，因為在這兩種設備中，其裝夾精度相對較低。由于這兩種設備的工作臺是旋轉式，故旋轉氣缸的氣管接頭需要采用旋轉接頭連接。

類柔性形狀沉積制造系統中的材料沉積設備、材料去除設備及輔助設備還應具有以下結構形式：①各設備工作倉的倉門要設計成推拉式，且要自動化開閉。用控制器控制電動推桿動作的方式推動倉門進行直線往復移動來實現倉門開閉；②各設備中的電氣控制系統與上位機總控制系統之間要有對接通訊接口，以便接收相關指令和反饋結果。

3 工件物流裝置的結構特性

3.1 工件輸送小車及托盤的結構

如圖5所示的是類柔性形狀沉積制造系統中工件輸送小車及托盤。圖5a所示的是它們的裝配圖，托盤在小車上可以沿導軌Y向移動，并依靠導軌可以進行X向定位，以保證托盤在小車移動時的定位。工件輸送小車采用電驅式，由外接電源供電。托盤上的把手用于推拉裝置的搬運，圖5b中定位橫桿的作用是與圖3夾具上的擋塊配合實現Y向的定位。

(a)工件輸送小車及托盤裝配圖

(b)托盤底部示意圖圖5 工件輸送小車及托盤

3.2 連接導軌的結構

如圖6所示的是類柔性形狀沉積制造系統中連接導軌示意圖，旋轉油缸的活塞桿端部與連接導軌相連，利用旋轉油缸的旋轉90°與直線升降功能來使連接導軌轉動90°來連接輸送小車與對應加工設備的工作臺。

圖6 連接導軌示意圖

圖7 推拉裝置示意圖

3.3 推拉裝置的結構

如圖7所示的是類柔性形狀沉積制造系統中推拉裝置示意圖，推拉頭在電動推桿的帶動下勾住圖5b托盤上的把手，推拉油缸推動托盤在連接導軌上移動。

3.4 工件輸送及裝夾定位的工作過程

如圖8所示的是類柔性形狀沉積制造系統的工件輸送與裝夾裝置組裝示意圖。以材料沉積設備為例，在上位機的指令下，材料沉積設備的倉門打開，工件輸送小車帶著托盤沿導軌移動到沉積設備處，通過位置傳感器使小車停止在推拉裝置處；同時圖6中的連接導軌上升并旋轉90°，使連接導軌連接托盤與沉積設備中工作臺上的夾具；圖7中推拉裝置的推拉頭下移進入到托盤的把手內，推拉油缸推動托盤，通過連接導軌進入到夾具上；圖3所示的夾具中的旋轉油缸旋轉90°并直線壓緊托盤，此時托盤即可固定在加工設備的工作臺上。固定后，圖6中的旋轉油缸反轉90°并下降即可收起連接導軌，然后關閉倉門，進行材料沉積。沉積完一層后，倉門打開，連接導軌上升并旋轉90°，同時夾具松開，推拉裝置移動到材料沉積設備的工作倉中的托盤把手處，拉回托盤到輸送小車上，然后推拉裝置的推拉頭上移離開托盤把手，輸送小車根據上位機的指令，帶著工件移動到下一個加工設備中，其輸送與裝夾定位與之相同。在整個輸送系統中，托盤可以根據實際需要在各工序之間隨機轉換。

圖8 工件輸送與裝夾裝置結構示意圖

4 結論

基于“類柔性形狀沉積制造”的概念，材料沉積設備和工件物流系統的結構是類柔性形狀沉積制造系統的核心組成部分。本文針對這一部分，提出了該系統總體結構布局采用加工設備交叉分布于工件輸送小車兩側的方式，以縮短沉積工件在各工序之間的輸送時間。所給出的輸送、裝夾及定位裝置實現了類柔性形狀沉積制造系統的加工過程的柔性化，并根據沉積工件的輸送及裝夾定位的特點設計出了與之匹配的加工設備中工作臺、夾具及加工倉內的結構。這一研究成果進一步的具體化了“類柔性沉積制造”的概念，并為接下來的類柔性形狀沉積制造系統控制系統的研究打下了基礎。

[1] Merz, R. ，Prinz, F.B. ，Ramaswami，et al．Shape Deposition Manufacturing. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium．The University of Texas at Austin，1994(8)：8-10.

[2] Lanzetta,M. Cutkosky，M.R.．Shape deposition manufacturing of biologically inspired hierarchical microstructures．CIRP Annals-Manufacturing Technology，2008，57(1)：231-234.

[3] K. P. Karunakaran，S. Suryakumar，Vishal Pushpa．Retrofitment of a CNC machine for hybrid layered manufacturing．Int J Adv Manufacturing Technology，2009(45):690-703.

[4] 馮培鋒，龔志堅，王大鎮．形狀沉積制造及其發展[J]．組合機床與自動化加工技術，2010(8)：67-70.

[5] 閆占功，林峰，齊海波，等．直接金屬快速成型制造技術綜述[J]．機械工程學報，2005, 4(11)：1-7.

[6] 王霏，江開勇，項昱暉．分段沉積/雕銑成形零件材料自動注射裝置[J]．制造技術與機床，2006(3): 41-44.

[7] 王霏，江開勇，黃常標．分段堆積/雕銑成形支撐材料自動擠出裝置設計[J]．機床與液壓，2006(3)：41-44.

[8] 張美琴，肖樹才，張揚龍,等．分段沉積/雕銑成形的工藝規劃研究[J]．現代制造工程，2007(3)：78-30.

[9] 馮培鋒，陳扼西，王仲仁．形狀沉積制造及其應用[J]．制造技術與機床，2003(7)：37-40.

[10] 劉延林，陳心昭．柔性制造自動化概論[M] ．武漢：華中科技大學出版社，2001.

[11] 徐杜，蔣永平，張憲民．柔性制造系統原理與實踐[M]．北京：機械工業出版社，2001

[12] 辛宗生，魏國豐．自動化制造系統[M]．北京：北京大學出版社，2012.

[13] 王強．金屬零件的噴丸強化技術[J]．金屬加工(熱加工)，2012(7)：13-14.

[14] 李慕勤，李俊剛，呂迎,等．材料表面工程技術[M]．北京：化學工業出版社，2010.

[15] 孫希泰,等．材料表面強化技術[M]．北京：化學工業出版社，2005.

[16] 王金玲，郭靖，蔡錦波．談切削液的使用及其對品質與成本的影響[J]．汽車齒輪，2011(3)：41-45.

[17] 余存燁．工業清洗劑的選用及除污機理[J]．清洗世界，2008，24(1)：28-34.

(編輯 趙蓉)

Structural Characteristics of Equipments for FMS-like Shape Deposition Manufacturing System

FENG Pei-feng, WANG Gong-hai, WANG Da-zhen, GONG Zhi-jian

(College of Mechanical and Energy Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)

Based on the idea of FMS-like shape deposition manufacturing system, taking each process of shape deposition manufacturing as an independent manufacturing unit, the equipments in each unit are linked together by workpieces logistics. On the basis of the presented general structure of FMS-like shape deposition manufacturing system, the structural characteristics and operations of the component equipments related with materials deposition and the devices related with workpieces logistics were elucidated in details with their working processes described. Those studies laid the foundation for forming a practical FMS-like shape deposition manufacturing system.

FMS-like shape deposition manufacturing system; Structural characteristics; workpieces logistics

1001-2265(2014)04-0116-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.031

2013-08-13

福建省自然科學基金計劃資助項目(2012J01226)

馮培鋒(1959—)，男，山東東阿人，集美大學教授，博士，研究方向為快速成型，(E-mail)pffeng@163.com。

TH166;TG65

A