類柔性形狀沉積制造系統結構模型*

王公海 馮培鋒 王大鎮 龔志堅

(集美大學機械工程學院，福建 廈門 361021)

形狀沉積制造［1-5］(SDM:Shape Deposition Manufacturing)是繼快速原形制造(RP)之后出現的另一種快速制造零件的方法。該方法的基本思想是把材料添加過程與機械切削過程進行結合，以充分發揮出兩種制造方法的優點。其添加材料的過程根據零件的材料不同而采用不同的方法，其每層材料的沉積厚度是根據零件的三維幾何分層來確定，其優點是可采用較大厚度的材料層來提高零件的制造速度，同時還可消除常規的快速原形制造方法制造的帶有傾斜表面的零件中常見的階梯型效應而得到光滑的零件表面。

國內在形狀沉積制造方面除華僑大學、集美大學和華中科技大學進行過類似的研究外［4，6-16］，尚未見到其他相關文獻的報道。華僑大學所研究的分段沉積/雕銑技術是以石蠟為沉積材料，把沉積裝置集成在數控銑床的主軸部件上;華中科技大學研究了等離子熔積與銑削的復合加工，所使用的材料是金屬材料，同樣也是在數控銑床的主軸頭上集成沉積裝置。這些研究都促進了形狀沉積技術的發展，但普遍存在加工范圍窄，同時由于許多結構都集成在數控銑床上，這將增大數控銑床的負擔，同時限制了材料沉積的方法種類。

原始的形狀沉積制造系統中將幾種材料沉積過程集成在一臺裝置中，增加了系統的復雜性，同時利用機械手來傳遞工件，使工件的尺寸大小和形狀受到了較大的限制。基于這些考慮，本文基于形狀沉積制造，結合柔性制造系統的工作原理，探討形狀沉積制造技術系統中設備的柔性集成問題，以期擴展形狀沉積制造技術的應用研究。

1 類柔性形狀沉積制造系統的結構框架

根據形狀沉積制造技術的組成，可以設想將柔性制造系統(FMS)的系統原理、體系結構、物流運輸和系統控制方法與形狀沉積制造(SDM)進行結合，把形狀沉積制造中的材料沉積、沉積材料去除、沉積應力消除、表面清洗等裝置獨立出來，使材料沉積裝置專業化，材料去除等輔助裝置通用化，把這些裝置有機地集成在一個系統中，形成與柔性制造系統類似的類柔性形狀沉積制造系統，從而使形狀沉積制造技術更加柔性化與自動化，可以在該系統中設置更多的材料沉積制造裝置和輔助裝置，并根據需要進行相關沉積裝置的配置，以擴大形狀沉積制造的適應范圍以及使加工零件的尺寸可以適應實際的需要。

根據柔性制造系統的工作原理［17-19］以及形狀沉積制造技術的組成結構，可以構造出如圖1 所示的類柔性形狀沉積制造系統的總體結構。總控制臺主要包括3 個模塊，即工件物流調度、加工數據處理與反饋數據處理。同時還要進行3 個模塊之間的協調與信息交換。工件物流調度控制的作用主要是控制裝載工件的小車的移動軌跡與工件的固定。工件物流調度控制根據加工要求把指令傳給小車及裝夾裝置，裝夾裝置固定所沉積的工件之后，小車在工件物流調度控制模塊所給出的指令下移動到指定位置，同時要把移動后的狀態與位置反饋給總控制臺。總控制臺中的反饋數據處理模塊對反饋信號進行分析，并把結果傳遞給狀態顯示與報警裝置。如果小車移動位置不是指定位置，則通知工件物流調度控制模塊，讓其再次發指令進行糾正。

總控制臺中的加工數據處理模塊是對加工裝置中的4 個部分，即沉積站、數控去除站、噴丸去應力站與清洗站進行控制，且要對對應的工序給出相應的數據信息。在沉積站中，要給調度裝置調度信息，在沉積設備上，要給沉積設備所需的加工數據，比如沉積頭進給量、沉積速度與工件運動軌跡及速度等數據。在數控去除站中，要給數控設備相應的數控程序及工件的夾持點。在噴丸去應力站中，要給出噴丸速度、噴丸面積、噴丸時間等數據參數。在清洗站中，要給出清洗方式、清洗時間、清洗區域等數據。在各工序加工中要把加工狀態及其參數值實時傳遞給反饋數據處理模塊進行處理，并把結果傳遞給顯示與報警裝置，同時，如果發現加工狀態與給定狀態不符，則要通知加工數據處理模塊進行修正。

工件輸送與交換是在加工裝置中的4 個工作站中進行的，根據調度指令來回穿梭，到達每個工作站中的工件定位處。

2 類柔性形狀沉積制造系統的工藝流程

圖2 是類柔性形狀沉積制造系統的工藝流程。其工作過程是:沉積材料先安放在各沉積設備上，在沉積工序中，沉積站中的調度裝置根據總控制臺的指令把相應沉積設備調度到指定位置，該沉積設備進行工件沉積;沉積完一層后，工件轉入到數控去除材料工序中，對新的沉積層進行數控去除材料，提高形狀精度;如果沉積工件是金屬材料，則需要轉入到噴丸去應力工序中進行去應力處理，去除由于溫度梯度引起的層間內應力，如果是非金屬則不需要此工序;然后進入到清洗工序中，目的是去除在數控去除材料及噴丸去應力處理工序中工件表面殘留的切屑、切削液等雜物，清洗完后又送到沉積工序中進行下次形狀沉積。如此反復多次的循環進行，即可沉積出具有較高形狀精度的三維實體零件。

在類柔性形狀沉積制造系統中，沉積材料是根據沉積方式來決定的，一臺沉積設備需要兩種沉積材料，一種用于沉積支撐，一種用于沉積工件。目前常用的沉積材料中，金屬部分是碳鋼、不銹鋼、銅、鋁及其合金等;非金屬材料部分可以采用石蠟、塑料、陶瓷等，石蠟既可以做工件材料也可做支撐材料。在實際選用沉積材料時要考慮工件材料與支撐材料的相容性以及支撐材料的去除性。沉積材料的形式有粉末狀、絲材狀和顆粒狀，這依賴于沉積方式，不同的沉積方式所要求的材料形式不同。

材料沉積是該系統的核心部分，是由沉積站中沉積設備與調度裝置來實現。如圖3 所示是幾種適合類柔性形狀沉積制造系統中的沉積設備的構成示意圖［13］。一臺沉積設備可以用一種沉積方式，也可用兩種沉積方式，每種沉積設備都有兩個沉積頭，一個用來沉積工件，另一個用來沉積支撐，在數控系統控制下，沉積頭沿Z 軸上下移動，工作臺沿X，Y 向水平移動，從而可以沉積三維零件。圖3a 采用的是熔化極惰性氣體保護焊的沉積方式來沉積絲材類材料，主要是用來沉積金屬材料，可沉積不銹鋼、低合金鋼、鋁、銅及其合金等材料。圖3b 采用的是等離子噴涂法來進行材料沉積，沉積的材料是粉末類材料，可沉積金屬及其合金、金屬陶瓷、陶瓷、自熔性材料等。圖3c 是采用螺桿擠出的方法來沉積粉末類非金屬材料，如生陶瓷、塑料、石蠟等。圖3d 采用的是兩種沉積方式組合的方式進行材料沉積，工件沉積采用兩組分環氧樹脂法，其材料是環氧樹脂與活化劑，支撐材料采用熱蠟分配法，其材料是石蠟。所有沉積設備都安置在沉積站中的調度裝置中，調度裝置的作用是把集成到沉積站中的各種沉積設備根據需要調度到指定位置，并保證能夠正常工作，以便同其他工序一起來實現沉積作業。沉積站中的調度裝置是一個開放的集成系統，所有成熟的沉積工藝，其結構能夠適合類柔性形狀沉積制造系統的，都可以根據實際需要，柔性的添加或移除沉積設備，實現本文所提出的“類柔性”。

數控去除材料也是類柔性形狀沉積制造系統中的重要組成部分，在該系統中，沉積工件的材料去除是按層進行的，是一個間歇式，反復多次的切削過程，對工件定位、去除加工的要求高，因此根據零件形狀的和分層的不同，去除材料所用的機床可以采用3 軸或5 軸的CNC 機床。機床的運行需要與整個制造系統統一，需要與其他設備，尤其是與材料沉積設備相互協調配合，因此CNC 機床的運行受總控制臺控制，接收來自總控制臺的控制指令及加工程序，通過自身的數控驅動裝置來進行沉積工件的材料去除。

3 類柔性形狀沉積制造系統的總體布局

類柔性形狀沉積系統關鍵就是要把形狀沉積的4道工序有機地組合，這就涉及到系統的總體布局。圖4 所示的是類柔性形狀沉積制造系統的總體布局示意圖。整個系統的布局采用L 型，沉積站與后面3 個工作站垂直布置，目的是節省空間。在沉積站中，沉積設備分別置于調度裝置的兩側，由調度裝置根據需要把相應沉積設備調度到固定平臺上，以便與后續3 個工作站配合完成沉積作業。

工件導軌采用直線式，是為了簡化傳動機構，導軌的一端連接到沉積站中的固定平臺處，以使沉積設備與其他工作站通過輸送小車產生關聯。輸送小車在導軌上根據指令來回穿梭于4 個工作站，傳遞沉積工件。

4 結語

形狀沉積制造是快速原型制造中很有優勢的一種快速制造零件的方法，具有很大的發展前景。本文根據這種制作方法的原理，基于提出的“類柔性制造”的概念所構造的類柔性形狀沉積制造系統的結構模型有以下幾個方面的創新:

(1)構造了該系統的總體框架，明確了系統的設備和工藝裝備構成，清楚地表示了各部分之間的內在聯系及其邏輯關系。

(2)規劃了適合類柔性形狀沉積制造系統中關鍵設備-材料沉積設備的構成形式，為具體的材料沉積設備的結構研究和設計奠定了基礎。

(3)規劃了適合類柔性形狀沉積制造系統的總體布局，進一步研究系統和各種構成設備的具體結構形式、控制方式及它們之間的協調動作等方面打下基礎。

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