柔性增減材混合制造工藝及加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性*

王公海 馮培鋒

(①嘉興南湖學(xué)院機(jī)械與建筑工程系，浙江 嘉興 314001；②集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

1 柔性增減材混合制造的工藝過(guò)程

將柔性制造系統(tǒng)(FMS)的柔性加工思想、體系架構(gòu)、物流輸送及系統(tǒng)控制模式與增減材制造技術(shù)結(jié)合。將增減材加工工序中的材料沉積、沉積層表面輪廓的材料去除、層間應(yīng)力消除及表面凈化等裝置獨(dú)立出來(lái)，使材料沉積、物流輸送柔性化，材料去除等裝置通用化，將這些裝置有機(jī)地集成在一個(gè)系統(tǒng)中，形成一個(gè)新的、功能更全面的柔性增減材混合制造系統(tǒng)[1-7]。

圖1是柔性增減材混合制造系統(tǒng)的工藝過(guò)程。其工藝過(guò)程是：首先，一沉積盤(pán)從沉積盤(pán)庫(kù)中出庫(kù)，在AGV物流小車的運(yùn)載下，進(jìn)入一沉積設(shè)備單元中進(jìn)行增材制造；沉積好一層后，AGV物流小車搭載沉積盤(pán)進(jìn)入數(shù)控去除設(shè)備單元中進(jìn)行層邊去除，以提高沉積層的尺寸及表面精度；該層去除完成后，AGV物流小車搭載沉積盤(pán)進(jìn)入到凈化設(shè)備單元，凈化銑削去除加工時(shí)殘留的雜物；凈化完后，零件若是金屬材質(zhì)，AGV物流小車搭載沉積盤(pán)則進(jìn)入去應(yīng)力設(shè)備單元，去除沉積作業(yè)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，方便后續(xù)沉積作業(yè)，零件若是非金屬材料，則直接進(jìn)入沉積設(shè)備單元，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)沉積；不斷重復(fù)上述增減材加工步驟后，零件加工完成，AGV物流小車將成型好的零件送入工件/沉積盤(pán)分離單元，其設(shè)備將零件與沉積盤(pán)分離，AGV物流小車搭載沉積盤(pán)進(jìn)入沉積盤(pán)庫(kù)備用，零件進(jìn)入后處理環(huán)節(jié)。此時(shí)，一個(gè)完整的增減制造過(guò)程完成。

本系統(tǒng)不限于同一時(shí)間加工一個(gè)零件，它支持同時(shí)加工多個(gè)零件，即在系統(tǒng)的物流調(diào)度及控制下，材料沉積、沉積材料去除、應(yīng)力消除及表面凈化等工序可并行工作，有效提高增減材制造的效率。同時(shí)，本系統(tǒng)的沉積盤(pán)有多種規(guī)格，沉積設(shè)備也可以柔性增減，實(shí)現(xiàn)了增減材制造的柔性化。

2 沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

基于柔性增減材混合制造流程，本系統(tǒng)中沉積工藝及其相應(yīng)設(shè)備的集成加入應(yīng)具備以下條件：

(1)沉積材料應(yīng)是粉末、絲材、顆粒、液滴形態(tài)，因?yàn)檫@些類型的材料適于沉積過(guò)程中沉積盤(pán)的移動(dòng)。如液態(tài)材料掃描凝固不適于沉積盤(pán)移動(dòng)及沉積材料的數(shù)控去除，但液滴噴射凝固則是可行的。目前常用的沉積材料中，金屬部分是不銹鋼、碳鋼、銅、鋁及其合金等；非金屬材料部分可以采用塑料、石蠟、陶瓷等。

(2)每種沉積設(shè)備配置兩沉積頭，根據(jù)需要可聯(lián)合或者獨(dú)立使用。

(3)沉積方式須簡(jiǎn)單，要能適應(yīng)零件的頻繁進(jìn)出沉積倉(cāng)，要易于自動(dòng)化。就目前的沉積方式而言，激光、電弧、熱熔等沉積方式最適合，而電子束沉積不適合，因?yàn)樗枰圃煺婵窄h(huán)境，而增減材所加工的零件需要頻繁進(jìn)出沉積倉(cāng)，真空環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)。

(4)沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式須滿足柔性增減材混合制造系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括工作臺(tái)裝卸沉積盤(pán)裝置。

基于上述條件，結(jié)合現(xiàn)有成熟的沉積技術(shù)，進(jìn)一步探討適合柔性增減材混合制造系統(tǒng)的沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式。

如圖2所示是幾種適合柔性增減材混合制造系統(tǒng)中的沉積設(shè)備的構(gòu)成示意圖[8-11]。每臺(tái)沉積設(shè)備都配備兩個(gè)沉積頭，兩個(gè)沉積頭可以適應(yīng)不同的沉積要求。兩沉積頭可以采用沉積同一種材料，各自沉積零件，提高工作效率。也可以沉積材料形狀相同，但種類不同，如都是粉末型，但一個(gè)是銅粉，一個(gè)是不銹鋼粉末，一個(gè)用來(lái)沉積工件，一個(gè)用來(lái)沉積支撐部分。還可以是沉積材料形狀相同，種類不同，搭配使用，沉積多材質(zhì)零件。

圖2所示的沉積設(shè)備規(guī)定工作臺(tái)做X、Y向運(yùn)動(dòng)，沉積頭做Z向運(yùn)動(dòng)。圖2a采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊的沉積方式來(lái)沉積金屬絲材，用于金屬材料沉積，目前可沉積低合金鋼、不銹鋼、銅、鋁及其合金等金屬材料。圖2b是用激光燒結(jié)來(lái)沉積粉末類材料，可沉積金屬粉末及其合金、自熔性材料、金屬陶瓷和陶瓷等，將激光與粉末送粉機(jī)構(gòu)集成，做成同軸送粉式的沉積頭。圖2c采用螺桿擠出的沉積方式來(lái)沉積粉末類非金屬材料，如塑料、生陶瓷及石蠟等。圖2d采用兩種沉積方式組合，一個(gè)沉積頭是采用兩組分環(huán)氧樹(shù)脂法，其材料是環(huán)氧樹(shù)脂與活化劑，另一個(gè)沉積頭采用熱蠟分配法，其材料是石蠟。

本沉積系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的集成系統(tǒng)，所有成熟的沉積工藝，只要滿足前面所述的本系統(tǒng)對(duì)沉積設(shè)備規(guī)定條件，其結(jié)構(gòu)能夠適合柔性增減材混合制造系統(tǒng)的，都可根據(jù)實(shí)際需要，柔性地添加或移除沉積設(shè)備，讓柔性增減材混合制造在沉積方式上實(shí)現(xiàn)“柔性”。

3 數(shù)控去除設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，數(shù)控去除設(shè)備也是柔性增減材混合制造的重要組成部分，在增減材加工工藝中，沉積工件的材料去除按層進(jìn)行，間歇、反復(fù)多次切削，對(duì)工件定位、切削的要求高，因此根據(jù)分層及零件形狀的不同，沉積材料去除工序所用機(jī)床可根據(jù)實(shí)際需求配置[12-14]。

由于數(shù)控切削機(jī)床需要對(duì)接柔性增減材混合制造系統(tǒng)的物流調(diào)度設(shè)備，因此其工作臺(tái)需要定制改造，需要與其他加工設(shè)備的工作臺(tái)保持統(tǒng)一，本系統(tǒng)的數(shù)控去除工序中主要是切除沉積零件的輪廓，采用指狀銑刀即可，所用刀具種類不多，因此不需要專門(mén)配置刀庫(kù)。由于沉積層的輪廓可能出現(xiàn)斜面，所以刀具需要傾斜銑削，如果工作臺(tái)能夠完成X/Y向移動(dòng)，則加工頭需要Z向移動(dòng)及擺動(dòng)。由于數(shù)控機(jī)床技術(shù)成熟，同時(shí)本系統(tǒng)所要求的數(shù)控去除設(shè)備結(jié)構(gòu)改動(dòng)不大，可以向廠商定制設(shè)備的方式來(lái)滿足上述要求的數(shù)控去除機(jī)床。

4 應(yīng)力消除備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，應(yīng)力去除設(shè)備主要是去除在零件沉積過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，由于金屬零件在沉積過(guò)程中層間會(huì)形成殘余應(yīng)力，如不消除，沉積工件會(huì)翹曲變形，給后續(xù)沉積作業(yè)帶來(lái)不利影響。本系統(tǒng)的應(yīng)力消除設(shè)備采用先進(jìn)的激光溫噴丸技術(shù)，也就是激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)[15-18]。由于沖擊強(qiáng)化能源是激光，設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，強(qiáng)化效率較高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。本系統(tǒng)中的激光沖擊強(qiáng)化頭需要適應(yīng)沉積工件分層去應(yīng)力要求，因此不能用黑漆作為激光吸收層，因?yàn)檫@種吸收層去除麻煩，不利于工件后續(xù)的沉積作業(yè)；也不能用玻璃作為約束層，因?yàn)槌练e表面可能不是平面狀態(tài)。

針對(duì)本系統(tǒng)去應(yīng)力環(huán)節(jié)的上述特點(diǎn)，其吸收層應(yīng)該采用粘度不大的黑膠布，而且要設(shè)置自動(dòng)鋪卷黑膠布裝置，用水作為約束層，可以適應(yīng)沉積層表面為斜面及曲面的應(yīng)力消除。可以向生產(chǎn)商定制來(lái)滿足上述要求。

5 凈化設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，凈化設(shè)備承擔(dān)將零件在去除過(guò)程中產(chǎn)生的切屑等雜物去除及沉積盤(pán)入庫(kù)前的清潔，其凈化方法應(yīng)該采用壓縮空氣進(jìn)行吹、吸[19-20]。因?yàn)閿?shù)控切屑工序中產(chǎn)生的切屑都是固態(tài)，粘附在零件上，采用一定壓力空氣可將切屑等雜物吹開(kāi)，然后用吸塵裝置將懸浮狀態(tài)的雜物吸入。實(shí)現(xiàn)沉積零件的凈化，方便后續(xù)沉積作業(yè)持續(xù)進(jìn)行。

如圖3所示的是柔性增減材混合制造系統(tǒng)中凈化倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意圖。其工作過(guò)程是：壓縮空氣通過(guò)噴氣槍頭吹向工件表面，噴氣槍頭在電動(dòng)推桿的推動(dòng)下可以擺動(dòng)一定角度，以擴(kuò)大清洗區(qū)域。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)金屬管及兩噴氣噴頭旋轉(zhuǎn)，確保工件各區(qū)域都能被清洗到。步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)噴氣槍頭做Z向移動(dòng)，使噴氣槍頭適時(shí)根據(jù)沉積工件的高度變化而改變，保證最佳吹起距離。在凈化倉(cāng)左右、背面設(shè)置吸塵口，通過(guò)吸塵器將壓縮空氣吹起來(lái)的切屑吸出，保證凈化倉(cāng)潔凈。

6 工件/沉積盤(pán)分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)前，3D打印設(shè)備中，一般都是采用暴力方式將打印好的工件從沉積工作臺(tái)上取出，這種方式容易損害工件、效率低，不適于自動(dòng)化加工系統(tǒng)。由于柔性增減材混合制造系統(tǒng)高度柔性化、自動(dòng)化，因此取放加工好的工件也需自動(dòng)化操作。從沉積盤(pán)上取放工件，需要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是工件/沉積盤(pán)分離，其特點(diǎn)是工件沉積時(shí)粘在沉積盤(pán)上，需要專門(mén)機(jī)構(gòu)將其分離，二是將工件移出到指定存放位置。

針對(duì)上述柔性增減材混合制造系統(tǒng)工件/沉積盤(pán)分離設(shè)備的兩項(xiàng)要求，設(shè)計(jì)出如圖4所示的工件/沉積盤(pán)分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)。如圖4a所示，沉積盤(pán)在工作臺(tái)上固定好后，支撐板沿Y向?qū)к壱苿?dòng)，進(jìn)入到沉積盤(pán)正下方，然后伺服電缸Z向下降，拉動(dòng)工作臺(tái)及沉積盤(pán)下移，一直下移，壓在支撐板的頂塊上，由于頂塊在Z向不動(dòng)，所以沉積盤(pán)的活動(dòng)頂板沿著導(dǎo)向板壓縮彈簧上移，推動(dòng)頂住從固定面板的孔中伸出，從而將頂住上方的工件頂出(如圖4b所示)，將工件與沉積盤(pán)分離，然后伺服電缸升高復(fù)位，沉積盤(pán)的活動(dòng)頂板與頂塊分離，活動(dòng)頂板在重力及彈簧作用下復(fù)位，頂住收縮，沉積盤(pán)頂面恢復(fù)平整。由于沉積盤(pán)是模塊化拼裝式，可以同時(shí)裝多個(gè)沉積盤(pán)單元，因此，支撐板上布置了多個(gè)頂塊，每個(gè)頂塊對(duì)應(yīng)頂出一個(gè)沉積盤(pán)。

工件/沉積盤(pán)分離設(shè)備中的機(jī)械臂及夾爪負(fù)責(zé)將分離好的工件抓取，并移出，送到指定位置，夾爪的抓取尺寸范圍要大，以同時(shí)適應(yīng)大、小工件的抓取，夾爪夾持處還需設(shè)置緩沖墊，以防夾傷工件。

柔性增減材混合制造系統(tǒng)中的各加工設(shè)備除了具備上述的結(jié)構(gòu)特性以外，還應(yīng)具備如下結(jié)構(gòu)形式：(1)各設(shè)備工作倉(cāng)的倉(cāng)門(mén)需為推拉式，且能自動(dòng)化開(kāi)閉，可采用電動(dòng)推桿推動(dòng)倉(cāng)門(mén)直線往復(fù)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；(2)各加工設(shè)備中的電氣控制系統(tǒng)與上位機(jī)總控制系統(tǒng)之間要有對(duì)接通訊接口，以便接收相關(guān)指令及反饋結(jié)果。

7 加工設(shè)備工作臺(tái)的通用結(jié)構(gòu)形式

柔性增減材混合制造系統(tǒng)中各加工設(shè)備的工作臺(tái)要具有通用性，要能完全匹配整個(gè)系統(tǒng)的物流體系，因此須確定系統(tǒng)中所有加工設(shè)備工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式[21-23]。

為提高設(shè)備利用率，柔性增減材混合制造系統(tǒng)中各加工設(shè)備工作臺(tái)可作X/Y/Z向移動(dòng)，同時(shí)也可用該套三坐標(biāo)移動(dòng)工作臺(tái)來(lái)完成與AGV物流小車上的沉積盤(pán)對(duì)接，讓各加工設(shè)備中沉積盤(pán)自動(dòng)化裝卸。

如圖5所示，柔性增減材混合制造系統(tǒng)中各加工設(shè)備的工作臺(tái)由4個(gè)伺服電缸，2個(gè)平行的Y向線性模組，2個(gè)平行的X向線性模組，4個(gè)夾持氣缸及2塊夾板組成。伺服電缸負(fù)責(zé)工作臺(tái)Z向移動(dòng)，Z向移動(dòng)一是讓上部工作臺(tái)下降，抓取AGV物流小車上的沉積盤(pán)，二是沉積時(shí)，輔助承擔(dān)沉積盤(pán)的Z向上下移動(dòng)。2個(gè)平行的Y向線性模組位于伺服電缸之上，負(fù)責(zé)工件加工時(shí)Y向移動(dòng)。2個(gè)平行的X向線性模組位于Y向線性模組之上，負(fù)責(zé)工件加工時(shí)X向移動(dòng)，同時(shí)還擔(dān)負(fù)夾持氣缸及夾板的X向移動(dòng)。

系統(tǒng)中各加工設(shè)備的沉積盤(pán)裝卸具體過(guò)程如下：載有沉積盤(pán)的小車行至加工設(shè)備工作臺(tái)的正下方，如圖5a所示，4個(gè)伺服電缸動(dòng)作讓上部工作臺(tái)整體下移，下移到兩夾板上的定位錐孔與沉積盤(pán)的定位錐銷水平位置，然后兩X向線性模組相向移動(dòng)，讓兩夾板移動(dòng)到沉積盤(pán)附近，然后4個(gè)夾持氣缸動(dòng)作，推動(dòng)兩夾板夾緊沉積盤(pán)，在推動(dòng)過(guò)程中，錐銷孔自動(dòng)配合定位，保證沉積盤(pán)在工作臺(tái)上的精確位置。夾緊后，4個(gè)伺服電缸動(dòng)作讓上部工作臺(tái)整體上移到工作位置，如圖5b所示，沉積盤(pán)在上升過(guò)程中，AGV物流小車移出。沉積盤(pán)從工作臺(tái)移到AGV物流下車上的動(dòng)作過(guò)程與之相反，在此不再贅述。

8 結(jié)語(yǔ)

基于所提出的柔性增減材混合制造的概念上，進(jìn)一步的研究出柔性增減材混合制造系統(tǒng)中沉積設(shè)備柔性添加的條件及設(shè)備構(gòu)成形式，即每種沉積設(shè)備設(shè)置兩個(gè)沉積頭，采用不同的組合方式增大沉積效率，亦或擴(kuò)展沉積范圍；系統(tǒng)的應(yīng)力消除設(shè)備采用激光溫噴丸技術(shù)，根據(jù)本系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，其約束層采用粘度不高的黑膠帶，且要配置自動(dòng)鋪卷裝置，強(qiáng)化層采用水；系統(tǒng)的清洗設(shè)備采用吹吸氣方式，其吹氣噴頭可以多自由度運(yùn)動(dòng)，能保證對(duì)沉積工件的全覆蓋吹起凈化；系統(tǒng)的工件/沉積盤(pán)分離設(shè)備采用專用沉積盤(pán)搭配分離機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作；所有加工設(shè)備采用通用工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，兼顧工作臺(tái)移動(dòng)及沉積盤(pán)裝卸要求，有效提高設(shè)備利用率。上述研究成果將進(jìn)一步具體化了“柔性增減材混合制造”的概念，并為進(jìn)一步的深入研究打下基礎(chǔ)。