[发明专利]水陆两用原位电弧增材制造设备及方法

权利要求书

1.一种水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：包括宽禁带增材电源、潜水送丝机、焊炬、保护装置、机器人、压缩气装置和保护气装置；

所述焊炬与机器人连接，以实现机器人带动焊炬移动进行电弧增材操作；所述宽禁带增材电源、潜水送丝机和焊炬依次连接；所述潜水送丝机还与保护气装置连接；所述宽禁带增材电源分别与压缩气装置和保护气装置连接，以实现压缩气装置和保护气装置的打开和关闭；

所述保护装置包括内外套设的内筒和外罩；所述内筒形成内通孔；内通孔的顶部通过螺纹与焊炬的端部连接；外罩和内筒之间形成开口向下、呈收敛形的层间收敛腔体；层间收敛腔体壁设有螺旋结构；所述外罩连接有至少一个进气管；压缩气装置通过进气管与层间收敛腔体连通；所述螺旋结构包括沿外罩内壁设置的螺旋线凸纹和绕内筒外壁设置的螺旋形凸起。

2.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述焊炬远离保护装置的一端固定于潜水送丝机的密封罩上，使潜水送丝机输出的焊丝经过焊炬伸出到内通孔中；潜水送丝机的密封罩还与保护气装置相连，使保护气装置输出的保护气通过潜水送丝机和焊炬流入到内通孔中。

3.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述进气管为两个以上；各个进气管分别与外罩连接；各个进气管分别与层间收敛腔体相切，以使压缩气体进入层间收敛腔体后形成旋转气流。

4.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：还包括用于获取焊丝与母材之间距离的视觉传感器；视觉传感器设置在机器人上，并与机器人信号连接。

5.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述宽禁带增材电源包括主电路和控制电路；

所述主电路包括依次连接的输入整流滤波电路、宽禁带全桥逆变电路、高频变压器和宽禁带全波整流滤波电路；其中，输入整流滤波电路与三相工频交流电相连，宽禁带全波整流滤波电路与增材电弧负载相连。

6.根据权利要求5所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述宽禁带全桥逆变电路由宽禁带半导体功率开关管连接成全桥拓扑结构构成；所述宽禁带半导体功率开关管是指SiC MOSFET或SiC IGBT或GaN功率器件；

所述宽禁带全波整流滤波电路由宽禁带肖特基二极管以及输出滤波电抗连接成全波整流滤波拓扑结构构成；宽禁带肖特基二极管是指SiC肖特基二极管或GaN肖特基二极管。

7.根据权利要求5所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述控制电路包括与三相工频交流电相连并用于供电的供电电路、微处理器，以及与微处理器相连的宽禁带器件高频驱动电路、采样反馈电路和开关信号控制电路；

所述宽禁带器件高频驱动电路与主电路的宽禁带全桥逆变电路连接；所述采样反馈电路与宽禁带全波整流滤波电路连接；所述开关信号控制电路连接分别与压缩气装置和保护气装置连接。

8.根据权利要求7所述的水陆两用原位电弧增材制造设备，其特征在于：所述开关信号控制电路包括达林顿晶体管阵列驱动芯片ULN1和两路驱动单元；两路驱动单元均包括高速光耦U1、MOS管M1和二极管D1；

所述供电电路设有电源一和电源二，且电源一的供电电压≤电源二的供电电压；所述达林顿晶体管阵列驱动芯片ULN1的输入端与微处理器连接；高速光耦U1的输入端分别与电源一和达林顿晶体管阵列驱动芯片ULN1的输出端连接；高速光耦U1的输出端一与电源二连接；高速光耦U1的输出端二通过串联的电阻R3和电阻R5与MOS管M1栅极连接；电阻R3和电阻R5连接处通过电阻R6与MOS管M1源极连接，MOS管M1源极接地；MOS管M1漏极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与电源二连接；高速光耦U1的输出端一与高速光耦U1的输出端二之间连接有电容C1；电源二和MOS管M1漏极共同作为开关信号控制电路的输出端。

9.根据权利要求1所述的水陆两用原位电弧增材制造设备的电弧增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、机器人接收增材模型信息，将增材模型划分为若干增材层，并设定各个增材层的制造轨迹、电源参数、送丝参数、提前送气时间、滞后送气时间；电源参数包括电源电流和电压；送丝参数包括送丝速度和送丝模式；设定电弧增材制造场合；将第一增材层设定为当前增材层；

S2、机器人运动至当前增材层的制造轨迹初始位置，调节焊炬到母材的距离，使焊炬前端的保护装置与母材接近贴合；

S3、机器人将当前增材层的电源参数、提前送气时间和滞后送气时间发送至宽禁带增材电源，将当前增材层的送丝参数发送至潜水送丝机；

S4、机器人判断电弧增材制造场合：

若是水下场合，则机器人发送水下作业信号至宽禁带增材电源，宽禁带增材电源打开压缩气装置，使压缩气体将保护装置的层间收敛腔体内的水排出并形成高挺度高速气幕，创造出水下电弧增材制造的局部干燥区域，之后跳至S5步；

若非水下场合，则直接跳至S5步；

S5、宽禁带增材电源打开保护气装置，保护气经潜水送丝机输送到焊炬的导电嘴形成增材气体保护氛围；提前送气时间倒计时；

S6、在提前送气时间结束后，宽禁带增材电源继续打开保护气装置；潜水送丝机配合宽禁带增材电源进行空载慢速送丝起弧，直至起弧成功；之后，机器人接收到宽禁带增材电源发送的起弧成功信号后，机器人按当前增材层的制造轨迹运动，宽禁带增材电源输出电弧能量，潜水送丝机根据送丝参数输送焊丝，直至到达当前增材层的制造轨迹终点；

S7、宽禁带增材电源停止电弧能量输出，潜水送丝机停止焊丝输送；滞后送气时间倒计时；在滞后送气时间结束后，宽禁带增材电源关闭保护气装置和压缩气装置，完成当前增材层堆积；

S8、判断当前增材层是否为最后一层增材层：若是，则结束，增材成型完成；否则跳至S2步进行下一增材层堆积。