CN106312570A - 一种多功能加工机床 - Google Patents

Abstract

一种多功能加工机床，包括：床身、X轴拖板、Y轴拖板、立柱、Z轴拖板、排屑器、刀库、主工作台、3D打印单元、激光器和光路系统；所述X轴拖板安装在床身上做X轴往复运动，Y轴拖板置于X轴拖板上做Y轴往复运动，立柱固定在Y轴拖板上，Z轴拖板设置在立柱上做Z轴往复运动；主轴头安装在Z轴拖板上，主轴头下方设有主工作台，排屑器安装在主工作台下方，3D打印单元与主工作台相连，激光器穿过刀库使用光路系统与主轴头相连；所述排屑器、刀库、主工作台、3D打印单元、激光器均设置在床身上。本申请中的机床空间紧凑，占地面积小，满足多工艺集成加工和单一工艺的加工。

Description

一种多功能加工机床

技术领域

本发明属于加工设备技术领域，具体说是一种应用于机械加工、激光加工和3D打印制造中的多功能加工机床。

背景技术

随着全球一体化的发展和社会需求的变化，对产品开发以及快速响应速度的要求越来越高，相应的高速加工技术、特种加工技术、3D打印技术等相关技术也不断进步，零件的加工工艺实现进一步的集成化，与此同时也带来不少相关问题，机床对被加工零件的加工范围、加工质量、加工工艺和加工效率有很大影响，机床结构和与机床所具备的功能起到关键作用。因此，解决加工过程中出现的相关问题成了现在制约机械加工技术发展的关键因素。

零件的制造加工过程是刀具(工具)与被加工零件按照设定轨迹相对运动形成的结果，机床所具备的加工功能是机床结构设计的一个问题，从结构上来说均有床身1、立柱4、工作台、主轴等部件组成，不论铣削、激光加工还是3D打印技术等均是如此，因此通过在一个机床上共用床身1、立柱4等部件实现相关加工方法的有机集成是实现工艺集成化的核心。

其次，3D打印技术，尤其是金属材料的3D打印技术所加工零件的表面质量尚不能满足直接使用要求，需要后续热处理和机械加工工艺。现有流程是在3D打印工艺完成后转移到热处理炉中进行去应力，然后采用机械方法加工。可以提高表面质量，但对应力引起变形导致的几何精度和尺寸精度没有改善。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种多功能加工机床，通过将3D打印技术、高速铣削加工、激光加工等工艺的集成将实现机床的多功能化，不仅有利于提升加工效率和设备使用率，同时解决零件的尺寸精度和表面质量。机床空间紧凑，占地面积小，满足多工艺集成加工和单一工艺的加工。

本申请采用的技术方案是：一种多功能加工机床，包括：床身、X轴拖板、Y轴拖板、立柱、Z轴拖板、排屑器、刀库、主工作台、3D打印单元、激光器和光路系统；所述X轴拖板安装在床身上做X轴往复运动，Y轴拖板置于X轴拖板上做Y轴往复运动，立柱固定在Y轴拖板上，Z轴拖板设置在立柱上做Z轴往复运动；主轴头安装在Z轴拖板上，主轴头下方设有主工作台，排屑器安装在主工作台下方，3D打印单元与主工作台相连，激光器穿过刀库使用光路系统与主轴头相连；所述排屑器、刀库、主工作台、3D打印单元、激光器均设置在床身上。

进一步的，机床的X、Y、Z、B、C轴为机床基本运动轴，W1轴为3D打印分层控制运动轴，W2轴和U轴为3D打印辅助运动轴；机床坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，X、Y轴位于水平面内，与X、Y轴垂直且竖直向上方向为Z轴正方向；旋转坐标轴B、C轴的正方向分别落在Y、Z轴的正方向上，且按照右手螺旋法则判定，分别通过围绕回转中心线O_B、O_C旋转摆动臂、回转臂实现B、C轴的回转运动；U、W1、W2轴为附加运动轴，U轴与X轴平行，通过移动安装在运动槽内的刮刀实现U轴往复移动，W1、W2轴与Z轴平行，分别通过移动在成型缸、成型缸内成型工作台、上料工作台实现W1、W2轴的往复运动。

进一步的，所述主轴头，包括回转臂、摆动臂、电主轴、刀柄、激光头；回转臂安装在Z轴拖板上，围绕回转轴心O_C作C轴摆动；摆动臂安装在回转臂上，围绕回转轴心O_B作B轴摆动，电主轴置于摆动臂上，刀柄安装在电主轴上，激光头设置在刀柄上。

进一步的，所述3D打印单元，包括成型缸、原料缸、成型工作台、上料工作台、刮刀；成型工作台安装在成型缸内做W1轴运动，上料工作台安装在原料缸内做W2轴运动，刮刀安装在刮刀运动槽内，刮刀刀刃与成型缸和原料缸上表面接触，做U轴运动。

进一步的，被加工零件放置在3D打印单元的成型工作台上，以X、Y、Z、B、C轴为机床的基本运动轴，以X轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板、摆动臂、回转臂为运动部件，组成五轴联动立式激光加工中心机床结构；电主轴调用激光头为工具，利用X、Y、Z、B、C轴对应的运动部件的联动实现激光对被加工零件表面的热处理。

更进一步的，电主轴调用切削工具，利用X、Y、Z、B、C五轴联动实现对3D打印单元工作区被加工零件表面的机械加工。

更进一步的，利用3D打印单元为工作区，电主轴调用激光头为工具，移动X、Y、Z轴对应的X轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板实现激光头调用、移动和按照轮廓轨迹运动，移动W1轴对应的成型工作台实现3D打印分层，移动W2轴对应的上料工作台和U轴对应的刮刀实现供粉、铺粉，形成基于铺粉装置的激光烧结3D打印机床结构。

更进一步的，电主轴在刀库中调用喷粉激光头；在3D打印单元工作区，利用与X、Y、Z轴对应的x轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板的运动实现喷粉激光头的调用、移动和按照轮廓轨迹运动，形成喷粉激光堆积3D打印机床结构。

作为更进一步的，把激光器、光路系统和激光头更换为储丝器、进丝系统和熔丝头，在3D打印单元工作区，利用X、Y、Z轴对应的x轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板的移动实现熔丝头的调用、移动和按照轮廓轨迹运动，形成熔丝堆积3D打印机床结构。

作为更进一步的，激光头、喷粉激光头、熔丝头固定装夹到刀柄上，一并安装在刀库中。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

1、一机多用。集成铣、钻、扩、镗、铰、攻丝等机械加工，激光切割、打孔、焊接、热处理、表面处理等激光加工以及3D打印等功能，做到单机床使用功能多样化。

2、机床部件的重用。由X、Y、Z、B、C等五轴对应的运动部件组成五轴联动机床机构；由X、Y、Z、U、W1、W2轴对应的运动部件组成3D打印机床机构。充分利用X、Y、Z、B、C轴等运动机构、床身、刀库，最大程度上实现了机床机构的重用，实现机床占地空间的节约化。

3、工艺集成。在主工作台上一次装夹零件，实现机械加工、激光加工等多种加工工艺集成；在3D打印单元上实现零件的分层熔融堆积成型、激光热处理、表面机械加工等工艺集成。

4、自动化程度高。把激光头与刀柄安装在一起与其他标准刀具一并储存刀库中，实现机械加工、激光加工等多工艺的自动化换刀，实现了多工艺交替操作过程的自动化。

附图说明

本发明共有附图1幅：

图1为一种多功能加工机床结构示意图。

图中序号说明：1、床身，2、X轴拖板，3、Y轴拖板，4、立柱，5、Z轴拖板，6、回转臂，7、摆动臂，8、电主轴，9、刀柄，10、激光头，11、3D打印单元，12、原料缸，13，上料工作台，14、刮刀，15、刮刀运动槽，16、成型缸，17、成型工作台，18、主工作台，19、排屑器，20、激光器，21、光路系统，22、刀库。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本申请机床X、Y、Z、B、C轴为机床的基本运动轴，W1轴为3D打印分层控制运动轴，W2轴和U轴为3D打印辅助运动轴。机床坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，即操作者面向床身1站立时，右手方向为X轴正方向，通过移动X轴拖板2实现；目视方向为Y轴正方向，通过移动Y轴拖板3实现；X、Y轴位于水平面内，与X、Y轴垂直且竖直向上方向为Z轴正方向，通过移动Z轴拖板5实现；旋转坐标轴B、C轴的正方向分别落在Y、Z轴的正方向上，且按照右手螺旋法则判定，分别通过围绕回转中心线OB、OC旋转摆动臂7、回转臂6实现B、C轴的回转运动。U、W1、W2轴为附加运动轴，U轴与X轴平行，通过移动安装在运动槽内的刮刀14实现U轴往复移动，W1、W2轴与Z轴平行，分别通过移动在成型缸16、上料缸内成型工作台17、上料工作台13实现W1、W2轴的往复运动。

实施例1

本实施例提供一种多功能加工机床，包括：床身1、X轴拖板2、Y轴拖板3、立柱4、Z轴拖板5、排屑器19、刀库22、主工作台18、3D打印单元11、激光器20和光路系统21；所述X轴拖板2安装在床身上做X轴往复运动，Y轴拖板3置于X轴拖板2上做Y轴往复运动，立柱4固定在Y轴拖板3上，Z轴拖板5设置在立柱4上做Z轴往复运动；主轴头安装在Z轴拖板5上，主轴头下方设有主工作台，排屑器19安装在主工作台18下方的床身1上，3D打印单元11与主工作台18相连，且二者置于床身1上，激光器20穿过刀库22使用光路系统与主轴头相连；激光器20固定在床身1一侧内部，刀库22置于床身1一侧上方。

所述主轴头，包括回转臂6、摆动臂7、电主轴8、刀柄9、激光头10；回转臂6安装在Z轴拖板5上，围绕回转轴心O_C作C轴摆动；摆动臂7安装在回转臂6上，围绕回转轴心O_B作B轴摆动，电主轴8置于摆动臂7上，刀柄9安装在电主轴8上，激光头10设置在刀柄9上。当前安装在刀柄9上的激光头10可以作为标准刀具与其他切削加工刀具一并放置在刀库22中，主工作台18和3D打印单元11间隔放置保证互不干扰，这些设计不仅提高机床的整体刚性，同时保证了机床部件的可调性，对于机床的使用，维护等具有很好的效果。

所述3D打印单元11，包括成型缸16、原料缸12、成型工作台17、上料工作台13、刮刀14；成型工作台17安装在成型缸16内做W1轴运动，上料工作台13安装在原料缸12内做W2轴运动，刮刀14安装在刮刀运动槽15内，刮刀刀刃与成型缸16和原料缸上表面接触，做U轴运动。

实施例2

本实施例提供一种在实施例1的机床上对被加工零件表面的进行热处理：

被加工零件放置在3D打印单元11的成型工作台17上，以X、Y、Z、B、C轴为机床的基本运动轴，以X轴拖板2、Y轴拖板3、Z轴拖板5、摆动臂7、回转臂6为运动部件，组成五轴联动立式激光加工中心机床结构；电主轴8调用激光头10为工具，利用X、Y、Z、B、C轴对应的运动部件的联动实现激光对被加工零件表面的热处理。

实施例3

本实施例提供一种在实施例1或2的机床上对被加工零件表面的进行机械加工：电主轴8调用切削工具，利用X、Y、Z、B、C五轴联动实现对3D打印单元11工作区被加工零件表面的机械加工。电主轴8安装切削刀具，可以进行铣削、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、坐标磨等机械加工；在电主轴8上安装激光头10可以实现切割、打孔、焊接、热处理、表面处理等激光加工。

以3D打印单元11的成型工作台17为工作台，零件放置在成型工作台17上，以X、Y、Z、B、C轴为机床的基本运动轴，以X轴拖板2、Y轴拖板3、Z轴拖板5、摆动臂7、回转臂6为各轴的运动部件，组成五轴联动立式加工中心机床结构。通过转动B、C轴对应的摆动臂7、回转臂6来调整刀具和曲面的夹角大小，通过移动X、Y、Z轴对应的X轴拖板2、Y轴拖板3、Z轴拖板5保持刀具和曲面接触；由于曲面上每一个点的位置以及点所在曲面法向量均发生变化，因此借助X、Y、Z、B、C等五轴对应运动部件的联动、共同作用完成零件的加工。

实施例4

在实施例1或实施例2或实施例3的机床上，提供一种基于铺粉装置的激光烧结3D打印机床结构：利用3D打印单元11为工作区，电主轴8调用激光头10为工具，移动X、Y、Z轴对应的X轴拖板2、Y轴拖板3、Z轴拖板5实现激光头10调用、移动和按照轮廓轨迹运动，移动W1轴对应的成型工作台17实现3D打印分层，移动W2轴对应的上料工作台13和U轴对应的刮刀14实现供粉、铺粉。

实施例5

在实施例1或实施例2或实施例3的机床基础上，本实施例提供一种喷粉激光堆积3D打印机床结构，在当前机床上增加供粉系统，电主轴8在刀库22中调用喷粉激光头10；在3D打印单元11工作区，利用与X、Y、Z轴对应的X轴拖板2、Y轴拖板3、Z轴拖板5的运动实现喷粉激光头10的调用、移动和按照轮廓轨迹运动。

实施例6

在实施例1或实施例2或实施例3的机床基础上，本实施例提供一种熔丝堆积3D打印机床结构，把激光器20、光路系统21和激光头10更换为储丝器、进丝系统和熔丝头，安装位置一样，在3D打印单元11工作区，利用X、Y、Z轴对应的X轴拖板2、Y轴拖板3、Z轴拖板5的移动实现熔丝头的调用、移动和按照轮廓轨迹运动，形成熔丝堆积3D打印机床结构。

上述实施例中的激光头10、喷粉激光头、熔丝头固定装夹到刀柄9上，一并安装在刀库22中。以一次装夹制作零件为对象，机床可以实现机械加工和激光加工的工艺集成，可以实现3D打印、激光加工、机械加工的工艺集成，可以实现3D打印、机械加工的工艺集成。

上述实施例中的机床使用方法可以归为以下几点：

1、工件安装在主工作台18上，以X、Y、Z、B、C轴为机床的基本运动轴，在电主轴8上安装切削刀具，机床实现五轴联动立式加工中心的所有功能，可以进行铣削、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、坐标磨等机械加工。

2、工件安装在主工作台18上，以X、Y、Z、B、C轴为机床的基本运动轴，在电主轴8安装激光头10，可以进行切割、打孔、焊接、热处理、表面处理等激光加工。

3、电主轴8调用激光头10为工具，以X、Y、Z、B、C五轴联动实现激光对3D打印单元11工作区被加工零件表面的热处理；电主轴8调用切削工具，利用X、Y、Z、B、C五轴联动实现对3D打印单元11工作区被加工零件表面的机械加工。

4、以3D打印单元11为工作区，电主轴8调用激光头10为工具，利用X、Y、Z轴实现激光头10的调用、移动，利用W1轴实现3D打印分层，利用W2轴和U轴实现供粉、铺粉功能，组成基于铺粉装置的激光烧结3D打印机床。

5、机床整体结构的功能性可进一步得到扩展，电主轴8在刀库22中调用喷粉激光头，在3D打印单元11工作区，利用X、Y、Z轴实现喷粉激光头的调用和移动，形成喷粉激光烧结3D打印机床；把激光器20、光路系统21和激光头更换为储丝器、进丝系统和熔丝头，在3D打印单元11工作区，利用X、Y、Z轴实现熔丝头的调用和移动，形成熔丝固结3D打印机床。

基于上述不同组件组成的不同的机床类型，机床可以实现机械加工和激光加工的工艺集成，可以实现3D打印、激光加工、机械加工的工艺集成，可以实现3D打印、机械加工的工艺集成。

本发明通过机床各部件有机连接、激光头等非标准刀具的标准化设计以及双工作台模式，提高了机床的运动部件间的重用性，扩展了机床加工工艺功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能加工机床，其特征在于，包括：床身、X轴拖板、Y轴拖板、立柱、Z轴拖板、排屑器、刀库、主工作台、3D打印单元、激光器和光路系统；所述X轴拖板安装在床身上做X轴往复运动，Y轴拖板置于X轴拖板上做Y轴往复运动，立柱固定在Y轴拖板上，Z轴拖板设置在立柱上做Z轴往复运动；主轴头安装在Z轴拖板上，主轴头下方设有主工作台，排屑器安装在主工作台下方，3D打印单元与主工作台相连，激光器穿过刀库使用光路系统与主轴头相连；所述排屑器、刀库、主工作台、3D打印单元、激光器均设置在床身上。

2.根据权利要求1所述一种多功能加工机床，其特征在于，机床的X、Y、Z、B、C轴为机床基本运动轴，W1轴为3D打印分层控制运动轴，W2轴和U轴为3D打印辅助运动轴；机床坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，X、Y轴位于水平面内，与X、Y轴垂直且竖直向上方向为Z轴正方向；旋转坐标轴B、C轴的正方向分别落在Y、Z轴的正方向上，且按照右手螺旋法则判定，分别通过围绕回转中心线O_B、O_C旋转摆动臂、回转臂实现B、C轴的回转运动；U、W1、W2轴为附加运动轴，U轴与X轴平行，通过移动安装在运动槽内的刮刀实现U轴往复移动，W1、W2轴与Z轴平行，分别通过移动在成型缸、成型缸内成型工作台、上料工作台实现W1、W2轴的往复运动。

3.根据权利要求2所述一种多功能加工机床，其特征在于，所述主轴头，包括回转臂、摆动臂、电主轴、刀柄、激光头；回转臂安装在Z轴拖板上，围绕回转轴心O_C作C轴摆动；摆动臂安装在回转臂上，围绕回转轴心O_B作B轴摆动，电主轴置于摆动臂上，刀柄安装在电主轴上，激光头设置在刀柄上。

4.根据权利要求2所述一种多功能加工机床，其特征在于，所述3D打印单元，包括成型缸、原料缸、成型工作台、上料工作台、刮刀；成型工作台安装在成型缸内做W1轴运动，上料工作台安装在原料缸内做W2轴运动，刮刀安装在刮刀运动槽内，刮刀刀刃与成型缸和原料缸上表面接触，做U轴运动。

5.根据权利要求2所述一种多功能加工机床，其特征在于，被加工零件放置在3D打印单元的成型工作台上，以X、Y、Z、B、C轴为机床的基本运动轴，以X轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板、摆动臂、回转臂为运动部件，组成五轴联动立式激光加工中心机床结构；电主轴调用激光头为工具，利用X、Y、Z、B、C轴对应的运动部件的联动实现激光对被加工零件表面的热处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述一种多功能加工机床，其特征在于，电主轴调用切削工具，利用X、Y、Z、B、C五轴联动实现对3D打印单元工作区被加工零件表面的机械加工。

7.根据权利要求6所述一种多功能加工机床，其特征在于，利用3D打印单元为工作区，电主轴调用激光头为工具，移动X、Y、Z轴对应的X轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板实现激光头调用、移动和按照轮廓轨迹运动，移动W1轴对应的成型工作台实现3D打印分层，移动W2轴对应的上料工作台和U轴对应的刮刀实现供粉、铺粉，形成基于铺粉装置的激光烧结3D打印机床结构。

8.根据权利要求6所述一种多功能加工机床，其特征在于，电主轴在刀库中调用喷粉激光头；在3D打印单元工作区，利用与X、Y、Z轴对应的X轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板的运动实现喷粉激光头的调用、移动和按照轮廓轨迹运动，形成喷粉激光堆积3D打印机床结构。

9.根据权利要求6所述一种多功能加工机床，其特征在于，把激光器、光路系统和激光头更换为储丝器、进丝系统和熔丝头，在3D打印单元工作区，利用X、Y、Z轴对应的X轴拖板、Y轴拖板、Z轴拖板的移动实现熔丝头的调用、移动和按照轮廓轨迹运动，形成熔丝堆积3D打印机床结构。

10.根据权利要求7或8或9所述一种多功能加工机床，其特征在于，激光头、喷粉激光头、熔丝头固定装夹到刀柄上，一并安装在刀库中。