專利名稱：一種雙z軸自動電火花沉積裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面沉積及電火花表面沉積技術(shù)，具體地說是一種自動電火花沉積裝置。
背景技術(shù)：
電火花表面沉積是利用儲能電源在電極與工件接觸瞬間釋放能量，將電極材料熔融甚至氣化，涂覆至工件表面，從而在工件表面形成一層高耐磨性、高硬度及耐腐蝕的冶金強化層。該工藝具有操作簡單、能量利用率高、電極材料選擇范圍廣、基材熱響應(yīng)區(qū)域小以及殘余應(yīng)力低等特點，廣泛應(yīng)用于能源、航空、航天、電力、礦山以及一些精密零件的修復(fù)等領(lǐng)域。目前電火花表面沉積大都是手持焊槍操作，因手動壓力不穩(wěn)定，電極在不斷損耗，導(dǎo)致壓力在不斷變化，在放電能量一定的情況下，當壓力變大時，擠壓程度變大，合金化層被向外擠壓的量變多，單個沉積點形成的沉積層面積變大；當壓力變小時，擠壓程度變小，合金化層被向外擠壓的量變少，單個沉積點形成的沉積層面積變小。在以上兩種情況下，電極與工件之間的擠壓力、電極移動軌跡和速度以及各點停留時間難以控制，沉積層厚度不均勻、沉積層上各點的硬度差別較大，長時間工作會導(dǎo)致沉積層不連續(xù)、厚度不均勻、硬度不一致。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有電火花沉積裝置通過手動操作焊槍存在的問題，提供一種雙Z軸自動電火花沉積裝置及方法，解決手動壓力不明確且不穩(wěn)定、電極移動軌跡和速度以及各點停留時間難控制所引起的沉積層不連續(xù)、厚度不均勻、硬度不一致等問題。本發(fā)明雙Z 軸自動電火花沉積裝置采用的技術(shù)方案是:該雙Z軸自動電火花沉積裝置最底部是底座，底座上放置XY平臺，XY平臺上固定放置工件，工件的上方是垂直于XY平臺的電極，電極的上端固定連接于旋轉(zhuǎn)沉積槍，旋轉(zhuǎn)沉積槍固定連接沉積槍支架；在乂￥平臺的X軸方向上設(shè)有驅(qū)動XY平臺沿X軸方向運動的第一交流伺服電機，在XY平臺的Y軸方向上設(shè)有驅(qū)動XY平臺沿Y軸方向運動的第二交流伺服電機，所述沉積槍支架接觸支撐在Z2軸滑枕上，Z2軸滑枕滑動連接垂直于XY平臺的小導(dǎo)軌，小導(dǎo)軌固定連接于Zl軸滑枕；Z2軸滑枕通過小絲杠螺母機構(gòu)連接第三交流伺服電機，第三交流伺服電機的輸出軸位于Z2軸方向上；Zl軸滑枕與垂直于XY平臺的大導(dǎo)軌滑動連接，大導(dǎo)軌固定連接框架，框架底部固定在底座上，框架頂部中間固定設(shè)有第四交流伺服電機，第四交流伺服電機的輸出軸位于Zl軸方向上并通過大絲杠螺母機構(gòu)連接Zl軸滑枕；所述Zl軸方向和Z2軸方向均與X軸方向、Y軸方向在空間相互垂直；Z2軸滑枕的頂部固定設(shè)有懸臂支架，懸臂支架下端懸掛著測力傳感器，測力傳感器下方懸掛著沉積槍支架，沉積槍支架通過滑塊與固定在Z2軸滑枕上的一對導(dǎo)軌垂直接觸；四個所述交流伺服電機分別連接相對應(yīng)的伺服電機驅(qū)動器，四個所述伺服電機驅(qū)動器均連接運動控制器，運動控制器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路連接測力傳感器。
本發(fā)明雙Z軸自動電火花沉積裝置的沉積方法采用的技術(shù)方案是包括以下步驟:A、由運動控制器控制X軸、Y軸和Zl軸方向上的第一、第二、第四交流伺服電機運動，將電極移動到工件表面的加工起點位置；B、由運動控制器控制第三交流伺服電機運行，Z2軸滑枕下降至旋轉(zhuǎn)沉積槍對工件的擠壓力等于預(yù)先設(shè)定值，由運動控制器控制X軸、Y軸和Zl軸方向上的第一、第二、第四交流伺服電機運行，通過轉(zhuǎn)沉積槍旋轉(zhuǎn)形成工件表面的運行軌跡；C、根據(jù)測力傳感器測出的實際擠壓力值，調(diào)節(jié)電極的高度，當電極對工件的擠壓力大于預(yù)先設(shè)定值的上偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕上升，帶動旋轉(zhuǎn)沉積槍和電極也上升，電極對工件的擠壓力減??；當電極對工件的擠壓力小于預(yù)先設(shè)定值的下偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機正轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕下降，旋轉(zhuǎn)沉積槍和電極也下降，電極對工件的擠壓力增大。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有以下有益效果:
1、本發(fā)明采用雙Z軸結(jié)構(gòu)，Zl軸方向由支架支撐，既具有良好的剛性，又具有較大的工作空間，Z2軸方向的升降運動僅與擠壓力有關(guān)，便于控制，并且Z2軸方向的升降運動部件體積小、質(zhì)量輕、慣性小，因此Z2軸方向的升降運動可以隨擠壓力的變化而做出快速響應(yīng)。2、在控制系統(tǒng)的作用下，X軸、Y軸和Zl軸方向自動進給，形成與工件表面一致的空間運行軌跡；測力傳感器檢測電極對工件的擠壓力，Z2軸方向根據(jù)測力傳感器測出的擠壓力，自動調(diào)節(jié)電極高度，從而使擠壓力在設(shè)定的偏差范圍內(nèi)變化。3、旋轉(zhuǎn)沉積槍在工件表面上的運行軌跡、移動速度、停留時間完全由X軸、Y軸和Zl軸方向共同控制，電極對工件的擠壓力由Z2軸方向的電機控制，這樣可以避免手動操作帶來的人為誤差，從而使沉積層更加連續(xù)、沉積層厚度更加均勻、硬度更加一致。4、本發(fā)明擴大了電火花沉積加工的應(yīng)用范圍，不僅可以對平面型或曲面型工件進行沉積加工，而且可以精確控制電極運行軌跡和速度、各點沉積時間以及電極與工件之間的擠壓力。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖1中旋轉(zhuǎn)沉積槍、測力傳感器及關(guān)聯(lián)部件的放大的連接結(jié)構(gòu) 圖3為本發(fā)明電路 工作原理 圖中:1.底座；2.第一交流伺服電機；3.工件；4.第二交流伺服電機；5.電極；6.旋轉(zhuǎn)沉積槍；7.沉積槍支架；8.測力傳感器；9.懸臂支架；10.小絲杠螺母機構(gòu)；11.減速器；
12.第三交流伺服電機；13.大絲杠螺母機構(gòu)；14.第四交流伺服電機；15.Zl軸方向；16.Z2軸方向；17.大導(dǎo)軌；18.Zl軸滑枕；19.小導(dǎo)軌；20.Z2軸滑枕；21.脈沖電源和惰性氣體；22.框架；23.XY平臺。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明的最底部是底座1，底座I上放置XY平臺23，在XY平臺23上放置工件3，并且用夾具將工件3夾緊在XY平臺23上。在XY平臺23的X軸方向上安裝第一交流伺服電機2，由第一交流伺服電機2驅(qū)動XY平臺23沿X軸方向運動；在XY平臺23的Y軸方向上安裝第二交流伺服電機4，由第二交流伺服電機4驅(qū)動XY平臺23沿Y軸方向運動。在工件3的上方是電極5，電極5垂直于XY平臺23，電極5的上端固定連接于旋轉(zhuǎn)沉積槍6，電極5固定在旋轉(zhuǎn)沉積槍6上可以高速轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)沉積槍6固定在沉積槍支架7上，沉積槍支架7接觸支撐在Z2軸滑枕20上，Z2軸滑枕20滑動連接于小導(dǎo)軌19，采用2個小導(dǎo)軌19左右間隔地連接Z2軸滑枕20，小導(dǎo)軌19固定連接于Zl軸滑枕18。小導(dǎo)軌19垂直于XY平臺23，Z2軸滑枕20可沿小導(dǎo)軌19上下垂直滑動。Z2軸滑枕20通過小絲杠螺母機構(gòu)10以及減速器11連接第三交流伺服電機12，第三交流伺服電機12的輸出軸位于Z2軸方向16上,第三交流伺服電機12輸出的動力經(jīng)減速器11后帶動小絲杠螺母機構(gòu)10工作，小絲杠螺母機構(gòu)10將第三交流伺服電機12輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為Z2軸滑枕20的直線運動，即Z2軸滑枕20沿小導(dǎo)軌19作上下垂直滑動。第三交流伺服電機12固定在Zl軸滑枕18上，并且位于Z2軸滑枕20的上方，小絲杠螺母機構(gòu)10位于Z2軸滑枕20和Zl軸滑枕18之間。Zl軸滑枕18通過大導(dǎo)軌17固定連接框架22，大導(dǎo)軌17垂直于XY平臺23，Zl軸滑枕18與大導(dǎo)軌17之間滑動連接，采用左、右2個小導(dǎo)軌19分別固定在框架22的左、右兩側(cè)端上。框架22的底部延伸至底座I并固定在底座I上，框架22的頂部中間固定安裝第四交流伺服電機14，第四交流伺服電機14的輸出軸位于Zl軸方向15上，第四交流伺服電機14的輸出軸與另一個減速器11直接連接，另一個減速器11的輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)與大絲杠螺母機構(gòu)13連接，大絲杠螺母機構(gòu)13再連接Zl軸滑枕18，第四交流伺服電機14輸出的動力帶動大絲杠螺母機構(gòu)14工作，大絲杠螺母機構(gòu)14將第四交流伺服電機14輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為Zl軸滑枕18的直線運動，使Zl軸滑枕18沿大導(dǎo)軌17作上下垂直的升降滑動。Zl軸方向15和Z2軸方向16在空間相平行，并且均與X軸方向、Y軸方向在空間
相互垂直。 旋轉(zhuǎn)沉積槍6和電極5在此動力下可以沿垂直方向做宏位移進/退；由第三交流伺服電機12驅(qū)動Z2軸方向的運動，旋轉(zhuǎn)沉積槍6和電極5在此動力下可以沿垂直方向做微位移進/退。參見圖2，在Z2軸滑枕20的頂部固定懸臂支架9，懸臂支架9下端懸掛著測力傳感器8，測力傳感器8下方懸掛著沉積槍支架7，沉積槍支架7通過滑塊與固定在Z2軸滑枕20上的一對導(dǎo)軌垂直接觸。測力傳感器8可測量電極5對工件3的擠壓力，由于沉積槍支架7與滑塊與導(dǎo)軌垂直接觸，在電極5、滑塊、旋轉(zhuǎn)沉積槍6和沉積槍支架7的共同重力作用下，測力傳感器8承受拉力，當電極5與工件3不接觸時，測力傳感器8輸出值為電極5、滑塊、旋轉(zhuǎn)沉積槍6和沉積槍支架7的重力總和，當旋轉(zhuǎn)電極5與工件3接觸時，測力傳感器8輸出值發(fā)生變化，輸出值減小，減小的數(shù)值就是電極5對工件3的擠壓力。沉積槍支架7、Z2軸滑枕20均采用鋁材制造，這樣能夠減小Z2軸方向16的慣性，提高Z2軸方向16對擠壓力變化的響應(yīng)速度。
參見圖1和圖3，本發(fā)明還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)一個運動控制器和4套伺服電機驅(qū)動器，運動控制器分別連接4套伺服電機驅(qū)動器，每套伺服電機驅(qū)動器連接與其相應(yīng)的第一、第二、第三、第四交流伺服電機2、4、12、14。通過一個運動控制器來控制4套伺服電機驅(qū)動器，從而分別控制X、Y、Z1和Ζ2軸方向上的交流伺服電機。脈沖電源和惰性氣體21中的惰性氣體輸送到惰性氣體保護加工區(qū)，脈沖電源接入旋轉(zhuǎn)沉積槍6和工件3。運動控制器與計算機之間通過RS232通訊線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。運動控制器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路連接測力傳感器8，測力傳感器8負責測量電極5對工件3的擠壓力，該測量數(shù)值作為反饋值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路后送入運動控制器，在運動控制器中做進一步的計算處理，實現(xiàn)對Z2軸方向16上的運動進行控制，從而使電極5對工件3的擠壓力在設(shè)定偏差內(nèi)變化。當電極5對工件3的擠壓力大于預(yù)先設(shè)定值的上偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機12反轉(zhuǎn)，第三交流伺服電機12驅(qū)動Z2軸滑枕20上升，擠壓力減?。划旊姌O5對工件3的擠壓力小于預(yù)先設(shè)定值的下偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機12正轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕20下降，擠壓力增大。本發(fā)明工作時，首先由運動控制器控制X軸、Y軸和Zl軸方向上的第一、第二、第四交流伺服電機2、4、14運動，將電極5移動到工件3表面的加工起點位置，此時，電極5與加工起點基本接觸，設(shè)定Zl軸方向15的當前高度為基準值，X軸、Y軸和Zl軸方向以此基準值運行，旋轉(zhuǎn)沉積槍6在變頻器控制下按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)，形成工件3表面的運行軌跡。當電極5位于工件3表面的加工起點時，由運動控制器控制第三交流伺服電機12運行，移動Z2軸滑枕20下降，直至旋轉(zhuǎn)沉積槍6對工件3的擠壓力等于預(yù)先設(shè)定值。由運動控制器控制X軸、Y軸和Zl軸方向上的第一、第二、第四交流伺服電機2、
4、14運行，形成工件3表面的運行軌跡。根據(jù)測力傳感器8測出的實際擠壓力值，調(diào)節(jié)電極5的高度，當電極5對工件3的擠壓力大于預(yù)先設(shè)定值的上偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機12反轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕20上升，帶動旋轉(zhuǎn)沉積槍6和電極5也上升，電極5對工件3的擠壓力減??；當電極5對工件3的擠壓力小于預(yù)先設(shè)定值的下偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機12正轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕20下降，旋轉(zhuǎn)沉積槍6和電極5也下降，電極5對工件3的擠 壓力增大。
權(quán)利要求
1.一種雙Z軸自動電火花沉積裝置，最底部是底座(I )，底座(I)上放置XY平臺(23)，XY平臺(23)上固定放置工件(3)，工件(3)的上方是垂直于XY平臺(23)的電極(5)，電極(5 )的上端固定連接于旋轉(zhuǎn)沉積槍(6 )，旋轉(zhuǎn)沉積槍(6 )固定連接沉積槍支架(7 );在XY平臺(23)的X軸方向上設(shè)有驅(qū)動XY平臺(23)沿X軸方向運動的第一交流伺服電機(2)，在XY平臺(23)的Y軸方向上設(shè)有驅(qū)動XY平臺(23)沿Y軸方向運動的第二交流伺服電機(4)，其特征是:所述沉積槍支架(7)接觸支撐在Z2軸滑枕(20)上，Z2軸滑枕(20)滑動連接垂直于XY平臺(23)的小導(dǎo)軌(19)，小導(dǎo)軌(19)固定連接于Zl軸滑枕(18) ;Z2軸滑枕(20)通過小絲杠螺母機構(gòu)(10)連接第三交流伺服電機(12)，第三交流伺服電機(12)的輸出軸位于Z2軸方 向上；Z1軸滑枕(18)與垂直于XY平臺(23)的大導(dǎo)軌(17)滑動連接，大導(dǎo)軌(17)固定連接框架(22)，框架(22)底部固定在底座(I)上，框架(22)頂部中間固定設(shè)有第四交流伺服電機(14)，第四交流伺服電機(14)的輸出軸位于Zl軸方向上并通過大絲杠螺母機構(gòu)(13)連接Zl軸滑枕(18);所述Zl軸方向和Z2軸方向均與X軸方向、Y軸方向在空間相互垂直；Z2軸滑枕(20)的頂部固定設(shè)有懸臂支架(9)，懸臂支架(9)下端懸掛著測力傳感器(8 )，測力傳感器(8 )下方懸掛著沉積槍支架(7 )，沉積槍支架(7 )通過滑塊與固定在Z2軸滑枕(20)上的一對導(dǎo)軌垂直接觸；四個所述交流伺服電機分別連接相對應(yīng)的伺服電機驅(qū)動器，四個所述伺服電機驅(qū)動器均連接運動控制器，運動控制器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路連接測力傳感器(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙Z軸自動電火花沉積裝置，其特征是:第三交流伺服電機(12)的輸出軸位于Z2軸方向(16)上，第三交流伺服電機(12)固定連接在Zl軸滑枕(18)上且位于Z2軸滑枕(20)的上方，小絲杠螺母機構(gòu)(10)位于Z2軸滑枕(20)和Zl軸滑枕(18)之間。
3.—種如權(quán)利要求1所述雙Z軸自動電火花沉積裝置的沉積方法，其特征是包括以下步驟: A、由運動控制器控制X軸、Y軸和Zl軸方向上的第一、第二、第四交流伺服電機(2、4、14)運動，將電極(5)移動到工件(3)表面的加工起點位置； B、由運動控制器控制第三交流伺服電機(12)運行，Z2軸滑枕(20)下降至旋轉(zhuǎn)沉積槍(6)對工件(3)的擠壓力等于預(yù)先設(shè)定值，由運動控制器控制X軸、Y軸和Zl軸方向上的第一、第二、第四交流伺服電機(2、4、14)運行，通過轉(zhuǎn)沉積槍(6)旋轉(zhuǎn)形成工件(3)表面的運行軌跡； C、根據(jù)測力傳感器(8)測出的實際擠壓力值，調(diào)節(jié)電極(5)的高度，當電極(5)對工件(3)的擠壓力大于預(yù)先設(shè)定值的上偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機(12)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕(20)上升，帶動旋轉(zhuǎn)沉積槍(6)和電極(5)上升，減小擠壓力；當電極(5)對工件(3)的擠壓力小于預(yù)先設(shè)定值的下偏差時，運動控制器控制第三交流伺服電機(12)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕(20 )下降，旋轉(zhuǎn)沉積槍(6 )和電極(5 )下降，增大擠壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種雙Z軸自動電火花沉積裝置及方法，控制X軸、Y軸和Z1軸方向上的第一、第二、第四交流伺服電機運動將電極移動到工件表面的加工起點位置；第三交流伺服電機運行，Z2軸滑枕下降至旋轉(zhuǎn)沉積槍對工件的擠壓力等于預(yù)先設(shè)定值；第一、第二、第四交流伺服電機運行，通過轉(zhuǎn)沉積槍旋轉(zhuǎn)形成工件表面的運行軌跡；根據(jù)測力傳感器測出的實際擠壓力值調(diào)節(jié)電極的高度，當擠壓力大于預(yù)先設(shè)定值的上偏差時，第三交流伺服電機反轉(zhuǎn)驅(qū)動Z2軸滑枕上升，帶動旋轉(zhuǎn)沉積槍和電極上升；當擠壓力小于預(yù)先設(shè)定值的下偏差時，第三交流伺服電機正轉(zhuǎn)，驅(qū)動Z2軸滑枕下降；Z2軸方向的升降運動僅與擠壓力有關(guān)，沉積層更加連續(xù)、沉積層厚度更加均勻。
文檔編號C23C4/00GK103243288SQ20131016371
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月7日
發(fā)明者史先傳, 柯偉, 陳淋 申請人:常州大學