电弧增材用稀土镁合金丝材电塑性辊拉丝材张紧装置

本发明属于金属材料增材制造，具体涉及一种电弧增材用稀土镁合金丝材电塑性辊拉丝材张紧装置。

背景技术：

1、电弧增材制造（wire arc additive manufacturing, waam）作为一种极具前景的金属增材制造技术，其技术内核是以电弧作为高能量密度的熔覆热源，将金属丝材作为填充材料，通过数控系统控制，在基板上按照预设路径逐层堆积，最终制作出大型零件。

2、在材料端，轻量化始终是航空航天、轨道交通及高端装备制造领域不懈追求的目标。稀土镁合金正是在这一趋势下脱颖而出的明星材料。镁作为最轻的金属结构材料，其密度仅为铝的2/3，钢的1/4。通过在镁中添加钕、钇、钆等稀土元素，形成的稀土镁合金不仅保持了纯镁固有的低密度优势，其综合力学性能更获得了质的飞跃：比强度高，这意味着在同等重量下，它能承受更大的载荷；阻尼性能优异，能有效吸收振动与噪音，提升装备的稳定性与舒适性；此外，还具有良好的耐热性与抗蠕变性能。这些特性使得稀土镁合金成为制造轻量化、高刚度、低惯量结构的理想选择，将其应用于电弧增材制造，被视为实现大型复杂轻质结构一体化成形的关键技术路径。

3、为了攻克镁合金丝材送进难的第一个难题，引入了“电塑性效应”这一前沿物理原理，开发了电塑性辊拉装置。该装置通常被集成在送丝路径中，其核心是一对或多对由高导电材料制成的辊轮。当镁合金丝材从辊轮间通过时，装置一方面通过辊轮对丝材施加一定的压轧或拉伸，进行在线矫直与微观组织调控；另一方面，通过电刷向辊轮导入高能脉冲电流，电流瞬间穿透丝材截面，利用电塑性效应，使原本“硬脆”的镁合金在通过辊轮的瞬间变得异常“柔软”且易于变形。这极大地降低了矫直所需的力量，有效减少了丝材因强制矫直而产生微观裂纹的风险，显著改善了丝材的进给性能。

4、然而，现有的电塑性辊拉装置，要么完全不具备独立的张紧系统，要么配备的是极其简陋的传统张紧器。这些张紧器主要分为两类：其一是被动机械式，如压簧张紧或配重块张紧，其提供的张力固定或可调范围极窄，无法响应动态扰动，响应严重滞后，且易因惯性引发张力振荡；其二是简单气动/电磁制动式，虽能通过调节气压或电流改变制动力，但其控制精度低、线性度差，本质上仍属于“被动响应”，缺乏前瞻性与自适应能力。最关键的是，这些传统的张紧装置与先进的电塑性辊拉工艺过程是“割裂”的，无法实现协同智能控制。

5、因此，当前技术现状迫切呼唤一种革新性的解决方案。我们迫切需要一种能够与电塑性辊拉装置进行深度协同工作的高精度张紧装置。它必须具备实时监测丝材张力细微变化的能力；必须具备快速响应以抵消任何张力扰动的能力；更必须具备自适应调节的能力，能够根据电塑性加工的工艺状态，智能地调整其控制策略与参数设定，从而为稀土镁合金丝材提供一个较为稳定的张力环境。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种电弧增材用稀土镁合金丝材电塑性辊拉丝材张紧装置。

2、本发明采用的技术方案为：一种电弧增材用稀土镁合金丝材电塑性辊拉丝材张紧装置，其特征在于：包括基座框架、电塑性辊拉机构、多级张力检测与缓冲机构、主动伺服张紧机构、伺服驱动放卷机构以及集成控制系统；

3、所述电塑性辊拉机构通过绝缘支架固定连接于基座框架正面的中部，对丝材进行辊拉矫直的同时施加高能脉冲电流；

4、所述多级张力检测与缓冲机构分为两组，分别固定连接于电塑性辊拉机构进丝侧与出丝侧对应的基座框架上，用于实时检测丝材张力，并对张力波动进行初步柔性缓冲与冲击吸收；

5、所述主动伺服张紧机构固定连接于进丝侧的多级张力检测与缓冲机构背面的基座框架上，用于根据丝材张力变化实现精密张紧调节与高频扰动抑制；

6、所述伺服驱动放卷机构固定连接于电塑性辊拉机构进丝侧的多级张力检测与缓冲机构前部的基座框架上，用于控制丝材盘的放卷与收卷，并提供可调的制动力矩；

7、所述集成控制系统分别与电塑性辊拉机构、多级张力检测与缓冲机构、主动伺服张紧机构、伺服驱动放卷机构电性连接。

8、进一步，所述电塑性辊拉机构包括两个传动辊轮、分别驱动其转动的精密伺服电机和脉冲电源发生器；两个水平布置的传动辊轮由高导电材料制成，并通过电刷与脉冲电源发生器连接。

9、进一步，所述多级张力检测与缓冲机构的进丝侧组包括第一导轮组、第一张力传感器和第一气动缓冲器，出丝侧组包括第二导轮组、第二张力传感器和第二气动缓冲器；第一张力传感器、第一气动缓冲器、第二张力传感器和第二气动缓冲器沿出丝方向设置在基座框架背面，第一导轮组和第二导轮组沿出丝方向设置在基座框架正面；第一张力传感器和第一气动缓冲器的活塞杆端部与第一导轮组中的导轮连接，第二张力传感器和第二气动缓冲器的活塞杆端部与第二导轮组中的导轮连接；丝材以“s”形路径绕经第一导轮组和第二导轮组；第一张力传感器与第二张力传感器均与集成控制系统电性连接。

10、进一步，所述主动伺服张紧机构包括瓦特连杆机构、非线性弹簧-阻尼复合单元和绝对值编码器；所述瓦特连杆机构的主动杆的旋转轴端与绝对值编码器相连，瓦特连杆机构的从动杆端部与非线性弹簧-阻尼复合单元相连，非线性弹簧-阻尼复合单元端部连接在第一导轮组中的导轮上；所述绝对值编码器与集成控制系统电性连接。

11、进一步，所述伺服驱动放卷机构包括伺服电机、精密卷筒和盘式磁粉制动器；所述伺服电机的输出轴与精密卷筒同轴固定连接，所述盘式磁粉制动器与精密卷筒同轴安装；丝材盘安装在精密卷筒上，伺服电机与盘式磁粉制动器均与集成控制系统电性连接。

12、进一步，还包括视觉传感器，所述视觉传感器固定于电塑性辊拉机构正上方的基座框架上，动态采集丝材形变程度；视觉传感器与集成控制系统电性连接。

13、进一步，所述集成控制系统采用plc控制器；所述plc控制器的程序中设有前馈式张力预测模块，通过实时采集电塑性辊拉机构的脉冲电流参数与丝材形变数据，并依据视觉传感器动态采集丝材形变程度，建立电流-形变-张力耦合模型，预判张力变化趋势；plc控制器根据设定的目标张力值、传感器反馈值及前馈张力预测结果，采用模糊pid与前馈补偿融合控制算法，动态调节伺服电机的转矩与转速、盘式磁粉制动器的励磁电流及非线性弹簧-阻尼复合单元的阻尼系数，形成多模态智能张力控制系统。

14、进一步，所述非线性弹簧-阻尼复合单元采用磁流变液阻尼器，磁流变液阻尼器的控制端与集成控制系统电性连接。

15、进一步，所述第一气动缓冲器与第二气动缓冲器的气路均接入减压阀和储气罐，所述减压阀与集成控制系统电性连接。

16、本发明产生的有益效果是：

17、1、多重检测与复合控制：通过张力传感器与连杆机构编码器构成双重检测机制，并结合伺服主动收放、磁粉制动、气动缓冲及非线性弹簧-阻尼调节的复合控制方式，实现了对丝材张力的超精密、快速响应调节，有效抑制了任何形式的张力波动。

18、2、前馈预测与智能控制：引入基于电流-形变耦合的前馈式张力预测模块，使控制系统能够在张力实际波动发生前进行预判与补偿，实现了从“被动响应”到“主动预测”的跨越，显著提升了对高频脉冲电流干扰下的张力稳定性。

19、3、与电塑性加工的深度集成：张紧装置不再是独立单元，而是电塑性辊拉工艺的一部分。控制系统可协调脉冲电源的启停、电流参数与张力控制逻辑，例如在通入脉冲电流、丝材塑性增加的瞬间，根据前馈预测结果自动调整目标张力，实现对丝材的“柔性”处理。

20、4、高可靠性与工艺适配性：整个装置结构精密、一体化与自动化水平较高，尤其适配对张力极其敏感的高性能稀土镁合金丝材电弧增材制造过程，可显著降低断丝率，提升成形件质量。