類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)中沉積站的結(jié)構(gòu)形式

王公海，馮培鋒，王大鎮(zhèn)，龔志堅(jiān)，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(shí)現(xiàn)方法:(1)把多種沉積方式集中在一個(gè)大的沉積站內(nèi)［1-2］，通過機(jī)械手來實(shí)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(shí)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(tái)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(shí)沉積頭伸出進(jìn)行沉積，去除加工時(shí)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(yùn)行軌跡。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)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(duì)形狀沉積制造系統(tǒng)中的沉積站進(jìn)行柔性化設(shè)計(jì)，讓其能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要自由添加沉積設(shè)備，實(shí)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(gè)開放的系統(tǒng)，可以在導(dǎo)軌兩側(cè)根據(jù)實(shí)際需要自由添加或移除沉積設(shè)備。這種布局的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(tái)自動(dòng)托料裝置和底座;(3)每種沉積設(shè)備對(duì)應(yīng)一種沉積方式，且都有兩個(gè)沉積頭，一個(gè)用來沉積工件材料，另一個(gè)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(dòng)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(tái)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(yùn)小車根據(jù)指令把相應(yīng)沉積設(shè)備搬運(yùn)到固定平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)整，并使固定平臺(tái)與工件導(dǎo)軌對(duì)接，同時(shí)沉積設(shè)備的電源與數(shù)據(jù)通信線連接到固定平臺(tái)上的對(duì)應(yīng)接口上，然后沉積設(shè)備固定平臺(tái)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(dòng)裝置使其動(dòng)作，即可實(shí)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(tái)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(yùn)到固定平臺(tái)上，并能夠使沉積設(shè)備與圖1 所示的工件導(dǎo)軌對(duì)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(gè)裝置，分別是底座導(dǎo)軌上的傳感器、搬運(yùn)小車和撥叉裝置;傳感器發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，小車開始移動(dòng)，小車上的接收器接收到底座導(dǎo)軌上傳感器的信號(hào)后搬運(yùn)小車停止;同時(shí)撥叉裝置在接收到指令后，驅(qū)動(dòng)撥叉端部與沉積設(shè)備安裝接口連接;搬運(yùn)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(yùn)小車上;搬運(yùn)小車把沉積設(shè)備搬運(yùn)到固定平臺(tái)邊，推拉裝置把搬運(yùn)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(tái)上;固定平臺(tái)上的液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)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(duì)接;平臺(tái)邊上的夾緊液壓缸動(dòng)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(tái)上的所有液壓機(jī)構(gòu)自行鎖定。此時(shí)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(duì)接外部相應(yīng)電纜，已保證沉積設(shè)備搬運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)沉積設(shè)備時(shí)，只有一個(gè)底座導(dǎo)軌上的光電傳感器工作，便于搬運(yùn)小車上的光電傳感器接收端識(shí)別。

圖4 搬運(yùn)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(dòng)推桿，使撥叉能夠橫向移動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)推桿的伸縮桿與撥叉相連，使撥叉能夠沿垂直方向移動(dòng)。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(dòng)作，進(jìn)而控制雙活塞桿液壓缸的左右移動(dòng);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(yùn)小車移動(dòng)到達(dá)指定搬運(yùn)位置。上位機(jī)給出指令要搬運(yùn)哪臺(tái)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(shí)驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)小車移動(dòng)，當(dāng)搬運(yùn)小車上光電傳感器的接收端接收到發(fā)射端的信號(hào)后立即停車。

(2)沉積設(shè)備的搬運(yùn)。上位機(jī)給出指令要搬運(yùn)哪臺(tái)沉積設(shè)備，此時(shí)對(duì)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(yùn)圖1 中的沉積設(shè)備1，則S2 接通，K12 動(dòng)作，電磁換向閥動(dòng)作，使液壓缸上的活塞桿左移，進(jìn)而推動(dòng)撥叉向左移動(dòng);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(hào)后，電磁換向閥切換到中位，液壓缸停止，此時(shí)撥叉剛好位于沉積設(shè)備把手內(nèi)側(cè)位置;然后電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)，推動(dòng)撥叉上移進(jìn)入到把手內(nèi)側(cè)，經(jīng)過一定時(shí)間后，電磁換向閥K22 自動(dòng)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(dòng)沉積設(shè)備進(jìn)入到圖2 中的搬運(yùn)小車上。由于每個(gè)沉積設(shè)備安裝接口的尺寸固定，因此撥叉推動(dòng)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(yùn)小車上。

(3)搬運(yùn)小車回到指定位置。搬運(yùn)小車上的壓力傳感器接收到信號(hào)后，通過小車上的處理器驅(qū)動(dòng)小車回移。當(dāng)搬運(yùn)小車碰到沉積站導(dǎo)軌上的行程開關(guān)時(shí)停車，搬運(yùn)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(tái)的左側(cè)夾板對(duì)齊的位置上。

2.4 沉積站中沉積設(shè)備的固定平臺(tái)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(shí)現(xiàn)沉積設(shè)備在固定平臺(tái)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(gè)液壓缸組成，推拉液壓缸做橫向移動(dòng)，推動(dòng)沉積設(shè)備進(jìn)入到圖7 的固定平臺(tái)上，同時(shí)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(shí)的位置檢測(cè)。

圖6 推拉裝置示意圖

圖7 固定平臺(tái)示意圖

固定平臺(tái)的作用是支撐沉積設(shè)備，并通過輔助裝置對(duì)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(duì)接，并保證沉積設(shè)備能夠運(yùn)行。如圖7所示，它由4 個(gè)升降液壓缸來支撐，同時(shí)可以對(duì)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(tái)縱向邊緣處，用來對(duì)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(cè)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(dòng)，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(gè)方向上安裝光電傳感器的發(fā)射端，在沉積設(shè)備工作臺(tái)X、Y、Z 方向上對(duì)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(shí)現(xiàn):

(1)搬運(yùn)沉積設(shè)備。在圖6 (a)中，搬運(yùn)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(dòng)推拉頭上升，升至一定高度后，方向控制閥得電移動(dòng)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(hào)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(shí)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(tái)。

(2)對(duì)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(shí)，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(hào)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(tái)上的電氣接口對(duì)接，此時(shí)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(tái)沉積設(shè)備上安裝一個(gè)調(diào)平傳感器，調(diào)平傳感器把信號(hào)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)再對(duì)平臺(tái)下面的4 個(gè)液壓缸進(jìn)行控制，通過4 個(gè)液壓缸各自升降來實(shí)現(xiàn)沉積設(shè)備的調(diào)平。

(4)對(duì)沉積設(shè)備垂直方向的定位。如圖7 所示，平臺(tái)下面的4 個(gè)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(tái)上Z 向傳感器發(fā)射端的信號(hào)，則4 個(gè)升降液壓缸停止，同時(shí)對(duì)應(yīng)的4 個(gè)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(tái)上的傳感器發(fā)射端的信號(hào)。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(tái)上的傳感器發(fā)射端的信號(hào)后停止并自鎖。

(5)對(duì)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(tái)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(dòng)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(dòng)沉積設(shè)備水平縱向移動(dòng)，當(dāng)沉積設(shè)備Y 向工作臺(tái)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(hào)時(shí)，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(duì)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(hào)后停止，推拉頭下降，其行程開關(guān)碰到把手時(shí)停止，此時(shí)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(dòng)沉積設(shè)備前進(jìn)，當(dāng)沉積設(shè)備工作臺(tái)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(hào)時(shí)推拉油缸停止。如果沉積設(shè)備一直移動(dòng)到終點(diǎn)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(hào)，則推拉油缸反向移動(dòng)，即可使沉積設(shè)備工作臺(tái)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(hào)，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(dòng)作順序退出到初始位置。

(7)夾緊固定沉積設(shè)備。固定平臺(tái)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(dòng)到與沉積設(shè)備安裝接口接觸時(shí)，繼續(xù)移動(dòng)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(shí)，右夾緊液壓缸停止并自鎖，此時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)際需要就可以在沉積站系統(tǒng)平臺(tái)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(jì)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(gè)“柔性”系統(tǒng)中，有效地發(fā)揮各種設(shè)備的工作效率，對(duì)深入研究類柔性形狀沉積制造系統(tǒng)有著重要的意義。

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