基于金属粉末支撑的金属堆焊成型机研制

摘要

快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术是加工制造领域的一项重大研究成果，同时金属快速成型技术也是快速成型技术与研究的热点。采用电弧作为热源的三维堆焊技术其成型零件的致密度高，力学性能良好，同时结合成熟的焊接工艺能够在降低设备成本的情况下还能保证成型质量，因此具有很好的发展前景。本文在原有的设备基础上进行了开发，设计了一种堆焊成型机，加入了铺粉功能，还完成了对该堆焊成型设备的机械系统、控制系统硬件设计与搭建以及配套软件的开发，并在设备上进行了堆焊试验。
　　本文提供了一种基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其基础原理是焊接成型技术与快速成型技术的结合。主要的方法是利用焊丝作为成型材料，采用金属粉末作为支撑材料，金属粉末对悬臂结构的零件起到了支撑作用，能够实现金属零件的堆焊快速成型。
　　自行研制的堆焊成型机的机械结构主要包括：三维运动机构，以及新添加的铺粉模块、送粉模块和粉末回收模块。对主要模块进行了设计与搭建，并介绍了各个模块的工作原理，同时对关键零部件进行了有限元分析。设备控制系统采用了数控系统常用的“工控机+运动控制器”的方案，采用模块化设计的方法缩短了开发周期，控制系统的性能稳定可靠。
　　完成了堆焊控制系统的测试软件的设计，本设备的配套控制软件使用Delphi进行开发，软件系统包含了点位控制模块、状态检测模块和波形显示模块这三个主要功能模块，软件性能可靠，结构完善。
　　在完成了设备的机械系统、控制系统以及软件系统的设计与搭建后，进行了系统调试，调试效果良好。通过试验确定了刮板的平动速度和送粉棍的转速。设计了单道多层试验和多道单层成型试验，对试验现象和结果进行了分析。最后进行了悬臂结构零件的成型试验，验证了堆焊设备的可行性。

目录

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2金属快速成型技术研究进展

1.3金属堆焊设备的研究现状

1.4目前存在的问题

1.5基于金属粉末支撑的堆焊成型工艺的简介

1.6本课题主要研究内容

第二章 基于金属粉末支撑的堆焊机结构设计

2.1设备需满足的技术要求和总体方案设计

2.2铺粉模块的设计

2.3 送粉模块的设计

2.4粉末回收模块的设计

2.5关键零部件的有限元分析

2.6本章小结

第三章 堆焊机控制系统的硬件设计

3.1 运动控制系统的硬件组成

3.2控制方案的选取

3.3铺粉模块的控制系统

3.4送粉模块的控制系统

3.5焊枪旋转运动的控制系统

3.6焊枪径向运动的控制系统

3.7堆焊机的起弧和送丝的控制

3.8成型平台的控制系统

3.9本章小结

第四章 堆焊机的测试软件设计

4.1 测试软件的开发工具介绍

4.2 测试软件的系统概述

4.3 测试软件的各个功能模块介绍

4.4 本章小结

第五章 系统调试及堆焊试验

5.1系统调试

5.2铺粉模块运动参数的确定

5.3 堆焊试验

5.4 零件堆焊成型试验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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