王公海，馮培鋒，王大鎮(zhèn)，龔志堅，閆永剛

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

形狀沉積制造發(fā)展到現(xiàn)在，主要有兩種實現(xiàn)方法:(1)把多種沉積方式集中在一個大的沉積站內(nèi)［1-2］，通過機(jī)械手來實現(xiàn)工件在各設(shè)備之間的轉(zhuǎn)換。這種形狀沉積制造方式的沉積方法多樣，但沉積站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，同時由于機(jī)械手的承載能力有限，不能進(jìn)行大尺寸工件的傳遞與轉(zhuǎn)換;(2)把沉積頭集成到一臺數(shù)控加工機(jī)床上［3-8］，沉積頭固結(jié)在機(jī)床的主軸部件上，沉積時沉積頭伸出進(jìn)行沉積，去除加工時沉積頭退后，刀具在前端進(jìn)行去除加工，利用數(shù)控機(jī)床上的控制系統(tǒng)來控制沉積工件的運行軌跡。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，可以充分利用數(shù)控機(jī)床的功能，但只能用一種沉積方式，可沉積材料范圍窄，同時使數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和控制方式變得很復(fù)雜。類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)引入了柔性制造的思想［9-11］，把柔性制造中的加工設(shè)備布局、物流管理、系統(tǒng)控制等方法與形狀沉積制造有機(jī)結(jié)合，對形狀沉積制造系統(tǒng)中的沉積站進(jìn)行柔性化設(shè)計，讓其能夠根據(jù)實際生產(chǎn)需要自由添加沉積設(shè)備，實現(xiàn)沉積制造的柔性化，并提高沉積制造的效率，擴(kuò)大沉積制造可加工工件的尺寸范圍。

1 類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中沉積站的總體布局

如圖1 所示是沉積站總體布局示意圖，沉積站是一個開放的系統(tǒng)，可以在導(dǎo)軌兩側(cè)根據(jù)實際需要自由添加或移除沉積設(shè)備。這種布局的優(yōu)點是柔性地添加沉積設(shè)備，并在增加沉積設(shè)備專業(yè)性的同時減少了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

圖1 沉積站總體布局示意圖

集成到沉積站中的沉積設(shè)備需要滿足一定的要求:(1)沉積設(shè)備的沉積方式要適合形狀沉積制造;(2)沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)必須滿足類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括工作臺自動托料裝置和底座;(3)每種沉積設(shè)備對應(yīng)一種沉積方式，且都有兩個沉積頭，一個用來沉積工件材料，另一個用來沉積支撐材料;(4)沉積設(shè)備要具備一套完整的沉積裝置及驅(qū)動控制裝置;(5)沉積設(shè)備的電源與數(shù)據(jù)通信線與沉積站調(diào)度平臺有可以快捷切換的接口裝置。

沉積站內(nèi)的工作方式是:在圖1 中，搬運小車根據(jù)指令把相應(yīng)沉積設(shè)備搬運到固定平臺上進(jìn)行調(diào)整，并使固定平臺與工件導(dǎo)軌對接，同時沉積設(shè)備的電源與數(shù)據(jù)通信線連接到固定平臺上的對應(yīng)接口上，然后沉積設(shè)備固定平臺自行鎖定。沉積設(shè)備接收來自上位機(jī)給出的分層信息，經(jīng)過自身的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理后，將相應(yīng)指令發(fā)送給驅(qū)動裝置使其動作，即可實現(xiàn)沉積作業(yè)。

2 沉積站具體結(jié)構(gòu)形式

2.1 沉積站調(diào)度及固定平臺總體結(jié)構(gòu)

如圖2 所示的沉積站結(jié)構(gòu)示意圖給出了具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)［12］，能夠把沉積設(shè)備搬運到固定平臺上，并能夠使沉積設(shè)備與圖1 所示的工件導(dǎo)軌對接。

圖2 沉積站結(jié)構(gòu)示意圖

沉積站調(diào)度機(jī)構(gòu)工作過程如下:沉積設(shè)備固定在沉積設(shè)備安裝接口上，上位機(jī)把所需沉積設(shè)備的指令傳給3 個裝置，分別是底座導(dǎo)軌上的傳感器、搬運小車和撥叉裝置;傳感器發(fā)出相應(yīng)信號，小車開始移動，小車上的接收器接收到底座導(dǎo)軌上傳感器的信號后搬運小車停止;同時撥叉裝置在接收到指令后，驅(qū)動撥叉端部與沉積設(shè)備安裝接口連接;搬運小車停止后，撥叉把載有沉積設(shè)備的沉積設(shè)備安裝接口沿著底座導(dǎo)軌推到搬運小車上;搬運小車把沉積設(shè)備搬運到固定平臺邊，推拉裝置把搬運小車上的沉積設(shè)備安裝接口及其上的沉積設(shè)備推到固定平臺上;固定平臺上的液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動平臺上下移動并調(diào)平，通過相應(yīng)裝置使沉積設(shè)備與圖1 所示的工件導(dǎo)軌對接;平臺邊上的夾緊液壓缸動作，固定沉積設(shè)備并使它的電氣外接口與沉積設(shè)備安裝接口連接;最后，固定平臺上的所有液壓機(jī)構(gòu)自行鎖定。此時沉積設(shè)備即可與類柔性形狀沉積制造的其他設(shè)備協(xié)同工作以進(jìn)行快速制造。

2.2 沉積設(shè)備的安裝

如圖3 所示的是沉積設(shè)備安裝接口的結(jié)構(gòu)圖，沉積設(shè)備通過螺栓固定在沉積設(shè)備安裝接口的T 型槽上，電氣內(nèi)接口用來集成沉積設(shè)備的各種電纜，電氣外接口用來對接外部相應(yīng)電纜，已保證沉積設(shè)備搬運到指定位置后能正常工作，光電傳感器發(fā)射端安裝在把手內(nèi)側(cè)。

圖3 沉積設(shè)備安裝接口結(jié)構(gòu)圖

2.3 沉積站中沉積設(shè)備的調(diào)度裝置

在底座導(dǎo)軌上靠近沉積站導(dǎo)軌處安裝光電傳感器的發(fā)射端，與搬運小車上的接收端配合來控制小車的停止位置［13］。如圖4 所示的是搬運小車行走位置控制示意圖，在光電傳感器的發(fā)射線路上加裝一開關(guān)，其作用是保證每次搬運沉積設(shè)備時，只有一個底座導(dǎo)軌上的光電傳感器工作，便于搬運小車上的光電傳感器接收端識別。

圖4 搬運小車行走位置控制示意圖

如圖5 (a)所示的是撥叉結(jié)構(gòu)形式，雙活塞桿液壓缸的活塞桿連接撥叉和電動推桿，使撥叉能夠橫向移動，同時電動推桿的伸縮桿與撥叉相連，使撥叉能夠沿垂直方向移動。圖5 (b)所示的是雙活塞桿液壓缸的液壓控制示意圖［14］，上位機(jī)發(fā)出的指令控制電磁換向閥的換向動作，進(jìn)而控制雙活塞桿液壓缸的左右移動;在兩側(cè)撥叉上裝有一光電傳感器的接收端，與圖3 所示的沉積設(shè)備安裝接口上的發(fā)射端配合使用。

圖5 撥叉裝置結(jié)構(gòu)及液壓控制示意圖

沉積設(shè)備調(diào)度過程如下:

(1)搬運小車移動到達(dá)指定搬運位置。上位機(jī)給出指令要搬運哪臺沉積設(shè)備，則底座導(dǎo)軌上光電傳感器的發(fā)射端開關(guān)閉合，其他導(dǎo)軌上的光電傳感器斷開;同時驅(qū)動搬運小車移動，當(dāng)搬運小車上光電傳感器的接收端接收到發(fā)射端的信號后立即停車。

(2)沉積設(shè)備的搬運。上位機(jī)給出指令要搬運哪臺沉積設(shè)備，此時對應(yīng)的電磁換向閥開始工作。例如上位機(jī)發(fā)出的指令是搬運圖1 中的沉積設(shè)備1，則S2 接通，K12 動作，電磁換向閥動作，使液壓缸上的活塞桿左移，進(jìn)而推動撥叉向左移動;當(dāng)撥叉上光電傳感器的接收端接收到底座導(dǎo)軌上光電傳感器發(fā)射端的信號后，電磁換向閥切換到中位，液壓缸停止，此時撥叉剛好位于沉積設(shè)備把手內(nèi)側(cè)位置;然后電動推桿伸長，推動撥叉上移進(jìn)入到把手內(nèi)側(cè)，經(jīng)過一定時間后，電磁換向閥K22 自動得電并切換電磁換向閥到右位，使液壓缸中的活塞桿右移，撥叉推動沉積設(shè)備進(jìn)入到圖2 中的搬運小車上。由于每個沉積設(shè)備安裝接口的尺寸固定，因此撥叉推動沉積設(shè)備一定距離后，沉積設(shè)備安裝接口則完全落在搬運小車上。

(3)搬運小車回到指定位置。搬運小車上的壓力傳感器接收到信號后，通過小車上的處理器驅(qū)動小車回移。當(dāng)搬運小車碰到沉積站導(dǎo)軌上的行程開關(guān)時停車，搬運下車的停止位置設(shè)置在使沉積設(shè)備安裝接口的邊緣與圖2 中的固定平臺的左側(cè)夾板對齊的位置上。

2.4 沉積站中沉積設(shè)備的固定平臺及輔助裝置

沉積站中沉積設(shè)備的輔助裝置包括推拉裝置、調(diào)平定位裝置及鎖緊裝置。推拉裝置的作用是實現(xiàn)沉積設(shè)備在固定平臺上的裝卸及定位。在圖6 (a)所示的結(jié)構(gòu)示意圖中，推拉裝置由兩個液壓缸組成，推拉液壓缸做橫向移動，推動沉積設(shè)備進(jìn)入到圖7 的固定平臺上，同時還進(jìn)行沉積設(shè)備水平橫向定位;升降液壓缸則是用來使推拉頭進(jìn)入到圖3 中沉積設(shè)備安裝接口的把手內(nèi)。如圖6 (b)所示的是液壓控制示意圖［14］，推拉液壓缸由伺服換向閥控制，升降液壓缸由電磁換向閥控制。推拉頭上裝有光電傳感器的接收端，與圖3 所示的沉積設(shè)備安裝接口把手內(nèi)側(cè)的發(fā)射端配合使用。推拉頭上還裝有一行程開關(guān)，用于推拉頭下降時的位置檢測。

圖6 推拉裝置示意圖

圖7 固定平臺示意圖

固定平臺的作用是支撐沉積設(shè)備，并通過輔助裝置對沉積設(shè)備進(jìn)行調(diào)平、定位、夾緊，以便與圖1 中的工作導(dǎo)軌對接，并保證沉積設(shè)備能夠運行。如圖7所示，它由4 個升降液壓缸來支撐，同時可以對沉積設(shè)備進(jìn)行調(diào)平，輔助裝置中的水平左、右夾緊液壓缸固定在平臺縱向邊緣處，用來對沉積設(shè)備進(jìn)行縱向定位及夾緊［14］。右夾板上裝有一壓力傳感器，用于檢測夾緊壓力。電氣接口位于水平左夾緊液壓缸端部的夾板上，并且能夠在夾板槽上滑動，在電氣接口上安裝有光電傳感器的接收端與沉積設(shè)備安裝接口上電氣外接口處的發(fā)射端配合，進(jìn)行電氣接口與沉積設(shè)備安裝接口的定位。分別在工件導(dǎo)軌X、Y、Z 三個方向上安裝光電傳感器的發(fā)射端，在沉積設(shè)備工作臺X、Y、Z 方向上對應(yīng)安裝其接收端。

沉積設(shè)備的定位與固定通過以下步驟來實現(xiàn):

(1)搬運沉積設(shè)備。在圖6 (a)中，搬運小車到達(dá)指定位置后，方向控制閥得電進(jìn)入左位，升降液壓缸上升帶動推拉頭上升，升至一定高度后，方向控制閥得電移動至中位，升降液壓缸停止。推拉液壓缸在伺服閥的控制下前推，推拉頭上的傳感器接收到圖3 中沉積設(shè)備安裝接口把手內(nèi)側(cè)傳感器發(fā)出的信號后停止。然后升降液壓缸下降，推拉頭上的行程開關(guān)接觸到把手后，升降液壓缸停止并自鎖，此時推拉頭進(jìn)入到沉積設(shè)備安裝接口內(nèi)側(cè)，推拉液壓缸在伺服換向閥的控制下繼續(xù)前移，就可把沉積設(shè)備沿著左夾板推上固定平臺。

(2)對接電氣接口。在圖7 (a)與圖3 中，當(dāng)沉積設(shè)備向前平移時，其沉積設(shè)備安裝接口處電氣外接口上的傳感器發(fā)射的信號被夾板上的電氣接口傳感器接收，則圖6 中的伺服換向閥進(jìn)入中位，推拉液壓缸停止，左夾緊液壓缸在伺服換向閥的控制下前推，就可把沉積設(shè)備安裝接口上的電氣外接口與固定平臺上的電氣接口對接，此時沉積設(shè)備通電并能跟上位機(jī)通信。

(3)調(diào)平沉積設(shè)備。在每臺沉積設(shè)備上安裝一個調(diào)平傳感器，調(diào)平傳感器把信號傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)再對平臺下面的4 個液壓缸進(jìn)行控制，通過4 個液壓缸各自升降來實現(xiàn)沉積設(shè)備的調(diào)平。

(4)對沉積設(shè)備垂直方向的定位。如圖7 所示，平臺下面的4 個升降液壓缸首先全部下降至最低端，如果在此下降過程中，工件導(dǎo)軌Z 向上的傳感器接收到了沉積設(shè)備工作臺上Z 向傳感器發(fā)射端的信號，則4 個升降液壓缸停止，同時對應(yīng)的4 個伺服換向閥處于中位，液壓缸自鎖。如果液壓缸下降到底部后，工件導(dǎo)軌上傳感器的接收端一直都沒有接收到沉積設(shè)備工作臺上的傳感器發(fā)射端的信號。則液壓缸上升，升至工件導(dǎo)軌上傳感器的接收端接收到沉積設(shè)備工作臺上的傳感器發(fā)射端的信號后停止并自鎖。

(5)對沉積設(shè)備水平縱向的定位。在圖7 中，輔助裝置中的左端夾緊液壓缸及左夾板的起始位置位于平臺縱向的最邊緣，在電氣接口的連接過程中，左端夾緊液壓缸推動夾板已經(jīng)靠在沉積設(shè)備安裝接口上，在伺服換向閥的控制下，左端夾緊液壓缸繼續(xù)推動沉積設(shè)備水平縱向移動，當(dāng)沉積設(shè)備Y 向工作臺上的傳感器接收端接收到工件導(dǎo)軌Y 向上的傳感器發(fā)射的信號時，伺服換向閥進(jìn)入中位使得左端夾緊液壓缸停止并自鎖。

(6)對沉積設(shè)備的橫向定位。在圖6 中，升降液壓缸首先上升到最高位置，推拉液壓缸在伺服閥的作用下前移，當(dāng)推拉頭上的傳感器接收到沉積設(shè)備安裝接口把手內(nèi)側(cè)的傳感器發(fā)射端的信號后停止，推拉頭下降，其行程開關(guān)碰到把手時停止，此時推拉頭進(jìn)入到沉積設(shè)備安裝接口把手內(nèi)。推拉液壓缸繼續(xù)前移，推動沉積設(shè)備前進(jìn)，當(dāng)沉積設(shè)備工作臺X 向上的傳感器接收到工件導(dǎo)軌上X 向傳感器發(fā)射端發(fā)射的信號時推拉油缸停止。如果沉積設(shè)備一直移動到終點沒有發(fā)現(xiàn)工件導(dǎo)軌上X 向傳感器發(fā)射端發(fā)射的信號，則推拉油缸反向移動，即可使沉積設(shè)備工作臺X向上的傳感器接收到工件導(dǎo)軌上X 向傳感器發(fā)射端發(fā)射的信號，并最終使沉積設(shè)備橫向定位。定位后，推拉頭根據(jù)相反的動作順序退出到初始位置。

(7)夾緊固定沉積設(shè)備。固定平臺上的輔助裝置右端夾緊液壓缸及右夾板在伺服換向閥的控制下前移，當(dāng)右夾板移動到與沉積設(shè)備安裝接口接觸時，繼續(xù)移動進(jìn)行夾緊，當(dāng)右夾板上的壓力傳感器到達(dá)設(shè)定值時，右夾緊液壓缸停止并自鎖，此時沉積設(shè)備固定。

3 結(jié)論

類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中主要的4 個工序，即材料沉積、數(shù)控加工去除材料、去應(yīng)力處理及清洗中，材料沉積部分是系統(tǒng)的核心。文中所給出的有關(guān)沉積站的總體布局及具體的結(jié)構(gòu)形式可以實現(xiàn)“類柔性”的思想，即只要加入到類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)沉積站中的沉積設(shè)備滿足前面所述的要求，根據(jù)實際需要就可以在沉積站系統(tǒng)平臺上自由添加沉積設(shè)備，這種思想為具體的材料沉積設(shè)備和其他工藝裝置的結(jié)構(gòu)研究和開發(fā)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)而可以把相關(guān)的工藝設(shè)備有機(jī)地連接在一個“柔性”系統(tǒng)中，有效地發(fā)揮各種設(shè)備的工作效率，對深入研究類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)有著重要的意義。

［1］馮培鋒，龔志堅，王大鎮(zhèn).形狀沉積制造及其發(fā)展.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010(8):67 -70，73.

［2］MERZ R，PRINZ F B，RAMASWAMI，et al.Shape Deposition Manufacturing［C］// Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium.The University of Texas at Austin，1994:8 -10.

［3］肖棋，江開勇，趙寶民.分段沉積/雕銑快速原型制造中的工藝控制研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2006(11):74 -76.

［4］王霏，顧永華，江開勇.分段沉積/雕銑成型工藝及其在快速模具制造中的應(yīng)用［J］.模具工業(yè)，2006，32(1):63 -66.

［5］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(shù)與機(jī)床，2006(3):40 -44.

［6］黃常標(biāo)，江開勇.分段注射/ 雕刻快速原型制造工藝的設(shè)備及其控制研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(10):17 -19.

［7］張美琴，肖樹才，張揚(yáng)龍，等.分段沉積/雕銑成形的工藝規(guī)劃研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(3):78 -30.

［8］張海鷗，熊新紅，王桂蘭.等離子熔積/銑削復(fù)合直接制造高溫合金雙螺旋整體葉輪［J］.中國機(jī)械工程，2007，18(14):1723 -1726.

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

［10］徐杜，蔣永平，張憲民.柔性制造系統(tǒng)原理與實踐［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［11］辛宗生，魏國豐.自動化制造系統(tǒng)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2012.

［12］陳國華.機(jī)械機(jī)構(gòu)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［13］趙凱岐，吳紅星，倪風(fēng)雷.傳感器技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［14］劉忠，楊襄璧.液壓傳動與控制實用技術(shù)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2009.