一种刮粉与喷粉结合的多光束激光增材机论文和设计-王涛

全文摘要

一种刮粉与喷粉结合的多光束激光增材机，设置有预置铺粉式供粉机构和同步送粉式供粉机构两套可供控制器控制选择的供粉机构，两套供粉机构中均包括两组左右对称的供粉装置，分别与双头激光扫描箱中射出的左右两束激光束相配合。多光束激光发生装置中，左半反镜将光纤激光器生成的原始激光束分为两束，两束激光束分别由左右扫描头中的振镜控制移动并射向增材旋转圆底板上的指定位置，供粉机构与激光束相配合进行激光增材制造。增材工件承载装置中，随着增材制造的进行，蜗杆电机控制升降托板缓慢升降，使工件的增材加工面与扫描头之间保持稳定高度，配合增材制造，提高制造稳定性。底座板上还安装有控制器，可以控制增材机各个部件的运行。

主设计要求

1.一种刮粉与喷粉结合的多光束激光增材机，其特征是：设置预置铺粉式供粉机构I、同步送粉式供粉机构II、多光束激光发生装置III及增材工件承载装置IV四个主要部分组成整体结构，预置铺粉式供粉机构I中，设置有进粉控制阀，通过进粉筒壁孔连接到进粉筒体上，进粉筒体中有推料活塞，推料活塞与电动推杆相接，电动推杆通过支撑杆固定在底座板上，进粉筒体的上端与主筒体的底板相连，主筒体内，刮板固接在刮板转动支撑杆上，并与主筒体的底部耐磨板相接触，刮板转动支撑杆连接在行星轮杆上，行星轮杆通过轴承与行星轮转盘相接，底端与行星齿轮固接，行星轮与固定齿轮内啮合，行星轮转盘驱动齿轮通过联轴器与步进电机相接，与行星轮转盘形成外啮合，推力向心轴承的两面分别和主筒体、行星轮转盘接触，同步送粉式供粉机构II中，设置有左喷粉来粉管，通过喷粉控制阀与喷粉水平电动伸缩管相连，喷粉水平电动伸缩管的前端通过喷粉管万向连接球与喷粉垂直电动伸缩管与喷头相连，喷粉俯仰电动伸缩杆的两端分别连接在喷粉水平电动伸缩管和喷粉垂直电动伸缩管与喷头的中部位置，喷粉水平电动伸缩管安装在喷粉水平转动电机和喷粉转动电机轴上，喷粉转动电机轴由固接在主筒体上的喷粉转动电机轴支撑板支撑，多光束激光发生装置III中设置有光纤激光器，安装在底座板上，由传输光缆与光纤激光头相连，光纤激光头接在双头激光扫描支撑箱上，支撑箱通过电动伸缩杆与转动电机相连，转动电机通过支撑板固接在主筒体上，支撑箱内设置有左扫描头及与其固接的左半反镜，右扫描头及与其固接的右反射镜，光纤激光头与左半反镜、右反射镜处于同一条直线上，扫描头通过丝杠螺母安装在移动丝杠上，移动丝杠通过联轴器与安装在支撑箱上的扫描头移动电机相连，在移动丝杠两侧设置有导向光轴以确保丝杠上的左右扫描头不会发生偏斜，增材工件承载装置IV中，主筒体由三根主筒体支撑杆支撑在底座板上，增材旋转圆底板通过升降托板、电动伸缩升降杆和蜗轮旋转轴套安装在蜗轮减速机体上，蜗轮减速机体蜗杆电机组合安装在底座板上，底座板的前部位置安装有控制器。

设计方案

设计说明书

技术领域：激光增材制造领域。

背景技术：激光增材制造技术，俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除一切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种激光增材机，该增材机将刮板预置式激光熔覆与同步送粉式激光熔覆技术融于一体，并能提供两束甚至多束激光束同时进行增材制造，能够有效提高工作效率，一种刮粉与喷粉结合的多光束激光增材机。本增材机主要包括：双头激光扫描支撑箱、光纤激光器、激光头、传输光缆、扫描头移动电机、移动丝杠、旋转电机、电动伸缩杆、电动伸缩管、送粉控制阀、万向连接球、喷头、刮板、进粉筒、进粉筒推料活塞、主筒体、主筒体支撑杆、升降托板、底座板、控制器、蜗轮电机、半反镜、反射镜。在本增材机中，粉料的供给有两种方式，包括预置铺粉式和同步送粉式，由控制器控制选择需要的供粉方式，预置铺粉式由刮板转动将粉料铺成薄层用于增材制造，同步喷粉式由喷头喷送粉料到指定工作位置，与左右激光扫描头相配合进行增材制造。多光束激光，由光纤激光器产生的一束激光经半反镜作用分成两束，这两束激光具有完全相同的性质与特性，可以确保加工产品的质量和多光束同步增材产品组织之间的一致性，并在此前提下缩短增材制造时间，提高制造效率。

结构一、预置铺粉式供粉机构

预置铺粉式供粉机构包括左右两组供粉机构，由左右两侧的刮板进粉控制阀、刮板进粉筒体、刮板进粉筒推料活塞、刮板进粉活塞的电动推杆、推杆电机、刮板，以及耐磨板、步进电机与行星轮系组成。增材粉料由两侧的刮板进粉控制阀控制进入并储存在刮板进粉筒体内待用，推杆电机启动，刮板进粉活塞的电动推杆推动活塞动作，将储存在刮板进粉筒体内的粉料推入主筒体中，刮板将送入主筒体的粉料刮送到工作位置，并将其在增材旋转圆底板上刮铺成均匀薄层，用于增材制造。左右刮板的转动由步进电机控制，经行星轮系传动，同时带动左右刮板工作，可以使左右两个刮板相互配合，二者互不干扰，且无遗漏地刮到主筒体底部所有区域。

结构二、同步送粉式供粉机构

同步送粉式供粉机构包括左右两组对称设置的供粉机构，由喷粉来粉管、喷粉控制阀、喷粉水平电动伸缩管、喷粉管万向连接球、喷粉垂直电动伸缩管与喷头、喷粉俯仰电动伸缩杆、电动推杆电机、喷粉水平转动电机组成。增材粉料从喷粉来粉管通过，由喷粉控制阀控制进入摆动伸缩式喷粉结构，并由喷头将粉料喷送到增材旋转圆底板上的指定位置，配合激光束进行增材制造。摆动伸缩式喷粉结构由喷粉水平电动伸缩管、喷粉管万向连接球、喷粉垂直电动伸缩管与喷头组成，并通过喷粉转动电机轴支撑板固接在主筒体上，水平电动伸缩管和垂直电动伸缩管为空心伸缩管制作而成，可使粉料通过。喷粉管喷头的动作，由喷粉水平转动电机控制水平方向的摆动，由喷粉水平电动伸缩管控制水平方向的移动，由喷粉垂直电动伸缩管控制垂直方向的移动，由喷粉俯仰电动伸缩杆配合喷粉管万向连接球控制垂直方向的转动。

结构三、多光束激光发生装置

多光束激光发生装置由光纤激光器、传输光缆、光纤激光头、电动伸缩杆、旋转电机、双头激光扫描支撑箱、左半反镜、右反射镜、左扫描头、右扫描头、左移动丝杠、右移动丝杠组成。由光纤激光器产生的激光束经传输光缆到达光纤激光头，光纤激光头将激光束射向左半反镜，左半反镜将该激光束分为两束，一束被反射产生的光束进入左扫描头，另一束被折射的激光束穿过左半反镜后射向右反射镜，然后进入右扫描头，左右扫描头将两束激光束射向增材旋转圆底板，与待加工粉料相配合，进行增材制造。激光束的微动由X、Y振镜控制动作。扫描头的运动，由旋转电机控制双头激光扫描支撑箱在水平方向的转动，进而影响安装在双头激光扫描支撑箱内的扫描头的摆动，由电动伸缩杆控制前后移动，由左右扫描头的移动电机控制左右扫描头在左右移动丝杠上进行左右方向的水平移动，并由导向光轴保证其运动为直线运动。多光束激光发生装置与由控制器控制选择的预置铺粉式供粉机构或同步送粉式供粉机构相配合，进而完成要求的激光增材制造工作。

结构四、增材工件承载装置

增材工件承载装置由主筒体、增材旋转圆底板、升降托板、电动伸缩杆、电动伸缩杆控制电机、蜗杆电机及蜗轮减速机体组成。当增材制造开始，蜗杆电机启动，通过蜗轮减速机体减速，带动升降托板和增材旋转圆底板转动，以配合增材制造。电动伸缩杆控制电机启动，控制电动伸缩杆伸缩升降，带动电动伸缩升降杆和升降托板，随着工件增材制造的需要而上下运动。配合完成增材制造。

本专利核心内容：

设置预置铺粉式供粉机构I、同步送粉式供粉机构II、多光束激光发生装置III及增材工件承载装置IV四个主要部分组成整体结构。预置铺粉式供粉机构包括左右两组供粉机构，粉料由刮板进粉控制阀控制进入并储存在刮板进粉筒体内待用，刮板进粉活塞将储存在刮板进粉筒体内的粉料推入主筒体中，刮板将送入主筒体的粉料刮送到工作位置，并将其在增材旋转圆底板上刮铺成均匀薄层，用于增材制造。左右两侧刮板的转动由步进电机控制行星轮系转动，从而带动左右刮板工作，可以使左右两个刮板相互配合，二者互不干扰，且无遗漏地刮到主筒体底部所有区域。同步送粉式供粉机构包括左右两组对称设置的供粉机构，粉料从喷粉来粉管通过，由喷粉控制阀控制进入由喷粉水平电动伸缩管、喷粉管万向连接球、喷粉垂直电动伸缩管与喷头构成的摆动伸缩式喷粉结构，并由喷头将其喷送到增材旋转圆底板上的指定位置，配合激光束进行增材制造。喷粉水平转动电机和喷粉水平电动伸缩管控制喷头在水平方向的移动，喷粉垂直电动伸缩管和喷粉俯仰电动伸缩杆配合喷粉管万向连接球控制垂直方向的移动。多光束激光发生装置中，光纤激光器产生的激光束由传输光缆传输到达光纤激光头，光纤激光头将激光束射向左半反镜，左半反镜和右反射镜保持在同一直线上，且分别与左右扫描头固接在一起，左半反镜将该激光束分为两束，分别射入左右扫描头，左右扫描头将两束激光束射向增材旋转圆底板上的待加工粉料，进行增材制造，激光束由X、Y 振镜控制在小区域内进行微动，扫描头由旋转电机、移动电机及电动伸缩杆控制在水平方向移动或转动。预置铺粉式供粉机构和同步送粉式供粉机构选用，刮板和进粉筒推动活塞的运动，喷粉喷头的运动，控制阀的开关，扫描头的运动以及蜗杆电机的启停，各电动伸缩杆电动控制电机的启停等，均由控制器进行控制实行。

工作过程：刮板预置式铺粉与同步喷粉两种方式相结合，经由控制器控制选择适合当前增材制造要求的送粉方式送粉。机器设置有刮板预铺粉装置、同步喷粉送粉装置、多光束激光发生装置及增材工件承载装置IV四个主要部分组成整体结构。刮板预铺粉装置中设置有左右两侧的刮板进粉控制阀、刮板进粉筒体、刮板进粉筒推料活塞、刮板进粉活塞的电动推杆、推杆电机、刮板，以及耐磨板、步进电机与行星轮系，粉料经由两侧的进粉控制阀分别进入两侧刮板进粉筒，然后刮板进粉活塞的电动推杆工作，推动进粉活塞向上运动，将粉料推送进入主筒体内，刮板转动步进电机工作，行星轮系转动，带动刮板转动，左右两个刮板相互配合，二者互不干扰，且无遗漏地刮到主筒体底部所有区域，将粉料刮送到增材旋转圆底板上并形成薄层，用于激光增材制造。同步喷粉送粉装置中，设置有喷粉来粉管、喷粉控制阀、喷粉水平电动伸缩管、喷粉管万向连接球、喷粉垂直电动伸缩管与喷头、喷粉俯仰电动伸缩杆、电动推杆电机、喷粉水平转动电机，粉料由两侧的喷粉来粉管及喷粉控制阀进入两侧的喷粉伸缩管，到达摆动伸缩式喷粉结构，并由电动伸缩杆控制喷头移动使粉料喷送到准确位置，用于激光增材制造。摆动伸缩式喷粉结构由喷粉水平电动伸缩管、喷粉管万向连接球、喷粉垂直电动伸缩管与喷头构成，并通过喷粉转动电机轴支撑板固接在主筒体上，水平电动伸缩管和垂直电动伸缩管为空心伸缩管制作而成，可使粉料通过。两种送粉方式融于同一台机器内，由控制器控制选择更为适合当前增材制造要求所需的送粉方式。光纤激光器产生激光，经由传输光缆传输至光纤激光头，在双头激光扫描支撑箱内，设置有半反镜和反射镜，激光先照射在半反镜上，将激光头射出的激光分为完全相同的两束光，两束激光束光分别由左右两侧的X、Y振镜控制微动，由旋转电机、移动电机和电动伸缩杆控制整个双头激光扫描箱进行大幅度移动，进行增材加工制造，可保持加工产品的质量和多光束同步增材产品组织之间的一致性，又可提高增材制造效率。增材工件承载装置中，当增材制造开始，蜗杆电机启动，通过蜗轮减速机体减速，带动升降托板和增材旋转圆底板转动，以配合增材制造。电动伸缩杆控制电机启动，控制电动伸缩杆伸缩升降，带动电动伸缩升降杆和升降托板，随着工件增材制造的需要而上下运动。配合完成增材制造，并保持增材制造过程的稳定性。

附图说明：

附图是本专利的结构图，图1为一种刮粉与喷粉结合的多光束激光增材机结构图，图2 为双头激光扫描头结构图，图3为双头激光扫描箱结构图，图4为双头激光扫描箱俯视图，图5为移动电机与丝杠的连接图，图6为摆动伸缩式喷粉结构，图7为固定筒与旋转升降台结构，图8为刮板与旋转圈的局部结构图，图9为刮板旋转圈的行星轮俯视局部透视图，图10为刮板旋转圈的行星轮侧视剖面图，图11为左刮板进粉筒装置结构图，图12为增材制件。图中分别为：1.旋转电机，2.电动伸缩杆，3.双头激光扫描支撑箱，4.光纤激光头，5.传输光缆，6.左扫描头移动电机，7.左移动丝杠，8.左喷粉来粉管，9.左喷粉控制阀，10.左喷粉水平电动伸缩管，11.左喷粉水平转动电机，12.左喷粉转动电机轴，13.左喷粉转动电机轴支撑板， 14.左喷粉管万向连接球，15.左喷粉俯仰电动伸缩杆，16.左喷粉垂直电动伸缩管与喷头，17. 左刮板，18.左刮板压紧螺母，19.左刮板转动支撑杆，20.左刮板进粉控制阀，21.左刮板进粉筒壁孔，22.左刮板进粉筒推料活塞23.左刮板进粉筒体，24.左刮板进粉活塞的电动推杆，25. 增材件，26.增材旋转圆底板，27.左刮板进粉电动推杆的支撑杆，28.升降托板，29.电动伸缩升降杆，30.光纤激光器，31.主筒体支撑杆，32.底座板，33.控制器，34.蜗轮旋转轴套，35. 蜗轮减速机体，36.蜗杆电机，37.激光束，38.主筒体，39.左扫描头，40.左半反镜，41.右扫描头，42.右反射镜，43.右扫描头移动电机，44.右移动丝杠，45.进光路，46.Y振镜，47.Y振镜控制电机，48.X振镜，49.X振镜控制电机，50.45度角半反镜(左侧)或45度角反射镜(右侧)，51.扫描头，52.螺栓连接，53.丝杠螺母，54.导向光轴，55.联轴器(1)，56.喷粉管喷头，57.电动推杆电机，58.左右刮板，59.刮板压紧螺母，60.刮板转动支撑杆，61.步进电机， 62.联轴器(2)，63.行星齿轮，64.行星轮转盘驱动齿轮，65.轴承，66.推力向心轴承，67.耐磨板，68.行星轮杆，69.行星轮转盘，70.固定齿轮，71.齿轮啮合

具体实施方式：

本专利的具体实施方式为：设置预置铺粉式供粉机构I、同步送粉式供粉机构II、多光束激光发生装置III及增材工件承载装置IV四个主要部分组成整体结构。预置铺粉式供粉机构 I包括左右两组供粉机构，左侧设置有左刮板进粉控制阀20，通过左刮板进粉筒壁孔21连接到左刮板进粉筒体23上，左刮板进粉筒体23中有左刮板进粉筒推料活塞22，左刮板进粉筒推料活塞22与左刮板进粉活塞的电动推杆24相接，左刮板进粉活塞的电动推杆24通过左刮板进粉电动推杆的支撑杆27固定在底座板32上，左刮板进粉筒体23的上端与主筒体38 的底板相连，主筒体38内设置有左刮板17，左刮板压紧螺母18与左刮板转动支撑杆19，左刮板17固接在左刮板转动支撑杆19上，并与主筒体38的底部耐磨板67相接触，左刮板转动支撑杆19连接在行星轮杆68上，行星轮杆68通过轴承65与行星轮转盘69相接，底端与行星齿轮63固接，行星轮63与固定在主筒体38上的固定齿轮70形成内啮合，右侧设置与左侧相同。行星轮转盘驱动齿轮64通过联轴器62与固定在主筒体38上的步进电机61相连接，并与行星轮转盘69形成外啮合，推力向心轴承66的两面分别和主筒体38、行星轮转盘 69接触，在使行星轮转盘69可以顺利转动的同时，保证行星轮转盘69不发生下沉。同步送粉式供粉机构II包括左右两组相互对称的供粉机构，左侧设置有左喷粉来粉管8，通过左喷粉控制阀9与左喷粉水平电动伸缩管10相连，左喷粉水平电动伸缩管10的前端通过左喷粉管万向连接球14与左喷粉垂直电动伸缩管与喷头16相连，并有左喷粉俯仰电动伸缩杆15的两端分别连接在左喷粉水平电动伸缩管10和左喷粉垂直电动伸缩管与喷头16的中部位置，左喷粉水平电动伸缩管10安装在左喷粉水平转动电机11和左喷粉转动电机轴12上，左喷粉转动电机轴12由固接在主筒体38上的左喷粉转动电机轴支撑板13支撑，右侧设置与左侧相同。多光束激光发生装置III中设置有光纤激光器30，安装在底座板32上，传输光缆5的一端与光纤激光器30相接，另一端连接在光纤激光头4上，光纤激光头4接在双头激光扫描支撑箱3上，双头激光扫描支撑箱3通过电动伸缩杆2与转动电机1相连，转动电机1则通过支撑板固接在主筒体38上，双头激光扫描支撑箱3内设置有左扫描头39及与其固接的左半反镜40，右扫描头41及与其固接的右反射镜42，光纤激光头4与左半反镜40、右反射镜42 处于同一条直线上，左扫描头39通过丝杠螺母53安装在左移动丝杠7上，左移动丝杠7通过联轴器55与安装在双头激光扫描支撑箱3上的左扫描头移动电机6相连，右扫描头41通过丝杠螺母53安装在右移动丝杠44上，右移动丝杠44同样通过联轴器与安装在双头激光扫描支撑箱3上的右扫描头移动电机43相连，且在移动丝杠两侧设置有导向光轴54以确保丝杠上的左右扫描头不会发生偏斜。增材工件承载装置IV中，主筒体38由三根主筒体支撑杆 31支撑在底座板32上，主筒体38的底板与增材旋转圆底板26二者相配合形成增材制造工作位置，增材旋转圆底板26通过升降托板28、电动伸缩升降杆29和蜗轮旋转轴套34安装在蜗轮减速机体35上，蜗轮减速机体35蜗杆电机36组合安装在底座板32上，底座板32的前部位置还安装有控制器33。这样就构成了由预置铺粉式供粉机构I、同步送粉式供粉机构 II、多光束激光发生装置III及增材工件承载装置IV四个主要部分组成的刮粉与喷粉结合的多光束激光增材机。

在该激光增材机中，粉料供应方式可由控制器33控制选择预置铺粉式供粉机构I或同步送粉式供粉机构II，当选择预置铺粉式供粉机构I供应粉料时，粉料由左刮板进粉控制阀20 控制进入左刮板进粉筒体23，由左刮板进粉筒推料活塞22推动左刮板进粉筒体23内的粉料进入主筒体38，由步进电机61带动行星轮转盘驱动齿轮64，驱动行星轮转盘69转动，行星轮杆68在跟随行星轮转盘69转动的同时，由行星齿轮63与固定齿轮70配合，驱动行星轮杆68自转，从而使左刮板转动支撑杆19转动，左刮板17转动，将粉料在增材旋转圆底板26上铺成均匀薄层，用于增材制造，右侧与此同理。当控制器33选择同步送粉式供粉机构II供应粉料时，粉料由左喷粉来粉管8，经左喷粉控制阀9进入左喷粉水平电动伸缩管10，在进入到左喷粉垂直电动伸缩管与喷头16，由喷头将粉料喷送到增材旋转圆底板26上指定位置，并与左扫描头39射出的激光束相配合，右侧喷头将粉料喷送到增材旋转圆底板26上指定位置后，与右扫描头41射出的激光束相配合，其他与左侧同理，进行增材制造。多光束激光发生装置III中，由光纤激光器30生成原始激光束，传输电缆5将激光束传输至光纤激光头4处，光纤激光头4将激光射入到双头激光扫描支撑箱3内部的左半反镜40，左半反镜40将原始激光分为两束，一束反射产生的进入左扫描头39，另一束经折射产生的射向右反射镜 42，然后进入右扫描头41，两束激光由左右两个扫描头射向增材旋转圆底板26上的指定位置，参与激光增材制造。增材工件承载装置IV中，当增材制造开始，工件逐渐成型，蜗杆电机36启动，通过蜗轮减速机体35减速，带动升降托板28和增材旋转圆底板26转动，以配合增材制造。电动伸缩杆控制电机启动，控制电动伸缩升降杆29伸缩升降，电动伸缩升降杆 29和升降托板28随着工件增材制造的需要而上下运动，使工件的增材加工面与扫描头之间保持稳定高度，方便增材制造的进行，并保持增材制造的稳定性，配合完成增材制造。

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