CN106670808A - 增减材多功能加工一体机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增减材多功能加工一体机，增减材多功能加工一体机包括结构框架、驱动装置、工作平台、数控装置、功能转换装置和可以模块化更换的加工装置。驱动装置包括驱动电机、传送带、丝杠和导轨；数控装置包括输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置；可以模块化更换的加工装置包括3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置，各种加工装置可以根据需求，模块化的更换在功能转换装置上，用户可以选择其中一种或者多种加工装置协同对工件进行快速建模、成型和精密加工。增减材多功能加工一体机使用方便、加工高效、节省资源、具有很高的经济性。

Description

增减材多功能加工一体机

技术领域

本发明属于增减材多功能加工一体化装置领域，具体涉及3D打印、激光加工、数控加工、超声加工、电子束加工、电火花加工和等离子加工技术，可以实现对工件的一体化建模、成型和精密加工。

技术背景

3D打印、激光加工、数控加工、超声加工、电子束加工、电火花加工和等离子加工都是目前机械加工作业中比较常见的加工方式，在日常对工件的加工过程中，时常会需要一种或几种不同的加工装置协同作业，加工工序繁琐，耗时较长，同时不同加工装置的重复装夹也加大了零件的误差，有时为了满足对某个零件的特殊加工要求，就必须购买指定的大型装置用于加工，成本昂贵，同时也造成了极大的资源浪费。3D打印技术也叫快速成型技术，2000年以后，清华大学、华中科技大学、西安交通大学等高校陆续研究3D打印技术，通过3D打印制造出来的零件完全符合对于未来器械制造“轻量化”和“高强度”的要求，传统技术在生产零件过程中会造成许多不必要的损耗，对于复杂产品，夸张的时候原材料利用率仅有不到10%，而3D打印所特有的增材加工技术则能很好的利用原材料，利用率高达90%；激光加工技术在机械加工生产中的应用有激光雕刻机、激光切割机和激光焊接机等等，通过利用聚能的激光在聚焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工工件，具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好的优点，可以对工件进行打孔、切割、划片、焊接、热处理等加工；数控加工技术主要被应用在数控加工中心上，通过不同的数控加工设备实现对零件的不同加工，可实现铣、钻、磨、镗孔和铰孔等机械作业，数控加工是机械加工的传统方式，在机械加工中应用十分广泛；超声加工技术是利用超声振动工具，冲击和抛磨工件的被加工部位，使其局部材料被蚀除形成粉末，以进行穿孔、切割和研磨作业，以及利用超声波振动使工件之间相互结合，目前超声加工技术已成为特种加工中的基本加工方式，往往能应用于传统加工难以完成的加工工序上，主要包括超声去除加工、超声表面光整加工和超声焊接加工；电子束加工是通过利用聚能后的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，其能量的大部分转变为热能，从而引起材料的局部融化或气化，能加工微孔、窄缝、半导体集成电路等，是一种精密的加工方法，且工件不受机械力作用，不易产生宏观应力和变形，所以加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体、半导体材料都可以加工，加工生产率很高；电火花加工是利用工件电极和工具电极之间产生的脉冲性火花放电，通过产生电蚀现象来去除多余的金属，从而达到对工件加工的目的，因此易于用来加工各种导电材料，且不受工件的物理性能、力学性能的限制，在加工过程中，工具与工件不直接接触，所以工件无机械变形，在硬度高的材料上，加工精度高，可用来加工表面质量高的复杂模具；等离子加工是以压缩的空气为工作气体，以高温高速的等离子弧为热源，将被切割的金属局部熔化，并同时用高速气流将已熔化的金属吹走，形成狭窄切缝，可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料的切割，不仅切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小，而且工件变形度低，且具有显著的节能效果。

该项目是设计制作一台集3D打印、激光加工、数控加工、超声加工、电子束加工、电火花加工和等离子加工于一体的增减材加工一体机，这将大大节省了购买3D打印机、激光切割机、激光雕刻机、数控车床、数控磨床、超声加工设备、电子束加工设备、电火花加工设备和等离子加工设备的费用，同时对这些加工装置进行改良和模块化，变成可以模块化更换的加工装置，这将大大节省了工件加工的耗时和耗材，同时可以大大的避免工件的重复装夹，有效的减少了工件加工的误差，可以为加工工件提供一个更加便利、方便、高效且节约成本的加工方案。

发明内容

本发明提供了一种增减材多功能加工一体机，将3D打印、激光加工、数控加工、超声加工、电子束加工、电火花加工和等离子加工融合到一台机器上，各种加工装置可以根据需求模块化的更换在功能转换装置上，用户可以根据需求选择其中一种或者几种加工装置协同对工件进行快速建模、成型和精密加工。

增减材多功能加工一体机包括结构框架、驱动装置、工作平台、数控装置、功能转换装置和可以模块化更换的加工装置。

结构框架包括底部支座、竖直支架、上端横梁和辅助横梁，3-6根型材通过直角连接键相连接，放置在增减材多功能加工一体机的底部构成底部支座，3-6根型材相互之间通过直角连接键相连接，放置在增减材多功能加工一体机顶部，构成增减材多功能加工一体机上端横梁，底部支座与上端横梁之间通过3-5根竖直支架相连接，共同构成增减材多功能加工一体机的整体外部框架，在底部支座与上端横梁的边缘处设置有橡皮垫圈，防止边缘尖锐误伤，尤其是在底部框架的底面加有弹性垫片，防止由于加工过程中的震动引起加工偏移，从而影响加工精度，辅助横梁分为驱动辅助横梁和数控装置固定横梁，Y方向驱动辅助横梁设置在上端横梁的背面，与竖直支架相连接，横梁的两端与框架之间通过直角连接键相连接，形成稳定的框架结构，用于固定Y方向的驱动电机，Z方向驱动辅助横梁设置在底部支座上，与底部支座在同一水平面上，Z方向驱动辅助横梁的两端与底部支座间通过直角连接键相连接，可以保证Z方向驱动电机的稳定，数控装置固定横梁设置在上端横梁的前表面，数控装置固定横梁的两端与框架间通过直角连接键相连接，形成稳定的框架结构，可以保障数控装置在加工过程中的稳定。

驱动装置包括驱动电机、传送带、丝杠、导轨和滑块，驱动装置分为X方向驱动装置、Y方向驱动装置和Z方向驱动装置，X方向驱动装置包括X方向驱动电机，X方向传送带，X方向丝杠，X方向导轨和X方向滑块，X方向驱动电机设置在上端横梁的右端面上，X方向丝杠通过支座轴承安装在上端横梁上，X方向导轨同样通过支座轴承安装在前后横梁上，两者都沿X方向分布，X方向驱动电机与X方向丝杠之间通过传送带相连接，使得驱动电机的动力能够转化为丝杠的转动，在X方向丝杠和X方向导轨上设置有X方向滑块，滑块通过螺纹孔与丝杠上的螺纹的形成配合关系，导轨可以支撑滑块的重量，减少丝杠螺纹的磨损，进而将丝杠的转动转换为滑块的移动，因此在驱动电机的驱动下，在数控装置的控制下，可以实现控制X方向滑块沿X方向做定向和定点移动；Y方向驱动装置包括Y方向驱动电机，Y方向传送带，Y方向丝杠，Y方向导轨和Y方向滑块，Y方向驱动电机设置在上端横梁的右端面上，Y方向丝杠通过支座轴承安装在上端横梁上，Y方向导轨同样通过支座轴承安装在前后横梁上，两者都沿Y方向分布，Y方向驱动电机与Y方向丝杠之间通过传送带相连接，使得驱动电机的动力能够转化为丝杠的转动，在Y方向丝杠和Y方向导轨上设置有Y方向滑块，滑块通过螺纹孔与丝杠上的螺纹的形成配合关系，导轨可以支撑滑块的重量，减少丝杠螺纹的磨损，进而将丝杠的转动转换为滑块的移动，因此在驱动电机的驱动下，在数控装置的控制下，可以实现控制Y方向滑块沿Y方向做定向和定点移动；Z方向驱动装置包括Z方向驱动电机，Z方向传送带，Z方向丝杠和Z方向导轨，Z方向驱动电机设置在Z方向驱动辅助横梁上，Z方向丝杠通过支座轴承安装在底部支座前后面上，Z方向导轨同样通过支座轴承安装在竖直支架的内侧，两者都沿Z方向分布，呈中心对称，在Z方向驱动电机与Z方向丝杠之间通过传送带连接，使得驱动电机的转动能够转化为丝杠的转动，在数控装置的控制下，可以使设置在Z方向丝杠和Z方向导轨上的工作平台沿Z方向做定向和定点的移动。

工作平台包括平台结构边框、待加工平面和Z方向滑块，Z方向滑块通过螺纹孔与Z方向丝杠配合在一起，在驱动电机的驱动下，将Z方向丝杠的转动转化为Z方向滑块的移动，同时Z方向滑块穿过Z方向导轨，可以保证滑块移动过程中的平缓与稳定，平台结构边框与Z方向滑块设置在一起，可以保证结构边框会随着Z方向滑块的升降做同步升降，待加工平面设置在平台结构边框上，通过调平螺栓与平台结构框架相连接，可以有效的保证待加工平面的水平，在平台结构框架的顶角还设置有四个限位开关，防止工作平台在移动的过程中与结构边框或驱动装置发生干涉，影响器械的正常使用。

数控装置包括输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置，输入装置包括急停按钮、操作按钮和脱机加工数据接口，输出装置包括LCD显示屏和输出接口，急停按钮、操作按钮、LCD显示屏和脱机加工数据接口设置在数控装置的前面板，与数控装置辅助横梁以及竖直支架相连接， LCD显示屏中能对加工过程中的当前加工方式、加工预计时间、加工已用时间、3D打印喷头温度、激光加工路径、数控加工形式、超声加工状态、电子束加工状态、电火花加工状态和等离子加工状态等进行实时显示，同时也可以实时反馈当前机器工作状态，当在加工过程中发生紧急情况时，用户可以通过启动急停按钮来达到保护设备以及保证人员安全的目的，操作按钮主要用来选择LCD显示屏中的操作选项，可以实现对工作平台的校准，发送起始命令以及脱机加工等一系列操作，脱机加工数据接口主要用于脱机加工时使用，将加工代码事先编写好存储在SD卡中，通过脱机加工数据接口读取加工代码，直接实现对工件的加工，从而达到脱机加工的效果，大大提高了加工的效率，存储器、控制器和运算器设置在数控装置的背面板，控制器和运算器协同工作使得驱动电机实现规定运转，有了面板的保护，可以有效的避免芯片及接口在使用过程中的破坏，数控装置接收输入介质的信息,并将其代码加以识别、储存和运算,并输出相应的指令脉冲以驱动驱动装置,进而控制增减材多功能加工一体机的加工工作。

功能转换装置包括连接导轨和功能转换支座，X方向连接导轨连接X方向滑块，可以保证X方向连接导轨会随着X方向滑块的移动而移动，Y方向连接导轨连接Y方向滑块，可以保证Y方向连接导轨会随着Y方向滑块的移动而移动，在X方向连接导轨和Y方向连接导轨的交汇处设置有功能转换支座，从而将滑块的移动传递到功能转换支座上，在功能转换支座上设置有电源接口、信息控制接口和夹紧卡槽，用来模块化的更换加工装置，可以模块化更换的加工装置包括3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置，在控制装置和驱动装置的协同作用下，功能转换装置将实现规定路径的移动，从而使加工装置也能实现横向以及纵向的定点位移，达到对工件的加工要求，在功能转换支座的四个表面设置限位开关，用以防止功能转换装置在快速移动中与结构框架或驱动装置间发生干涉，对仪器造成损伤，影响加工精度以及发生危险。

可以模块化更换的加工装置包括3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置。3D打印装置包括加热装置和挤出装置，3D打印装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得3D打印装置能够按照相应的指令实现3D打印加工作业；激光加工装置包括激光发射头，激光发射头将高平行度、高能量密度的激光聚集到工件表面上来进行热加工，激光光点的直径可达1um以下，能进行非常细微的加工，可实现激光打孔、激光雕刻、激光切割、激光抛光和激光冲击强化处理，激光加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得激光加工装置能够按照相应的指令实现激光加工作业；数控加工装置包括数控加工主轴和加工刀具，数控加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，数控加工主轴的下端可以更换各种加工刀具，从而能够按照相应的指令实现铣、刨、钻、磨、镗孔、铰孔、攻螺纹等数控加工作业；超声加工装置包括超声发生装置和超声加工头，超声发生装置发出频率在20000Hz-50000Hz的机械波，由于超声波频率高、波长短，因此具有良好的方向性和穿透能力，超声发生装置产生的超声频电振荡信号通过换能器转变为超声频的机械振动，并驱动超声加工头做超声振动，可以实现对工件的超声切削加工、超声磨削加工、超声光整加工、超声塑性加工和磨料冲击加工，超声加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得超声加工装置能够按照相应的指令实现超声加工作业；电子束加工装置包括聚能电子发生器，利用聚能后的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极端的时间内，其能量的大部分转变为热能，引起材料的局部融化或气化，可实现对工件的打孔、刻蚀、焊接和热处理，电子束加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得电子束加工装置能够按照相应的指令实现电子束加工作业；电火花加工装置包括电火花放电器，通过利用电火花放电器放电时产生的电蚀现象来去除多余的金属，从而达到对工件加工的目的，主要用于冲模电火花加工、型腔模电火花加工、小孔电火花加工和异型孔电火花加工，电火花加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得电火花加工装置能够按照相应的指令实现电火花加工作业；等离子加工装置包括等离子热源和空气压缩器，通过压缩空气，同时以高温高速的等离子弧为热源，将被切割的金属局部熔化，用高速气流将已熔化的金属吹走，从而形成狭窄切缝，等离子加工装置可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等金属材料切割，具有切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小和工件变形度低等优点，等离子加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得等离子加工装置能够按照相应的指令实现等离子加工作业。

本发明装置的优点在于

1、该项目是设计制作一台增减材多功能加工一体机，该装置使用方便、加工高效、节省材料、经济性高；

2、该增减材多功能加工一体机可以根据客户需求选择其中一种、或者几种合适的加工方式对小型工件进行快速建模、成型和精密加工；

3、该增减材多功能加工一体机可实现对工件进行一次性装夹，即可以实现单工位的多工序加工，节省了定位、安装、调试、中间转运等辅助加工时间，并避免了重复装夹的二次定位误差，为复合型精密加工制造提供了一套切实可行的技术方案；

4、3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置可以模块化的更换在功能转换装置上，当改变加工方式时，降低了更换大型加工设备的成本，并可在功能转换装置上进行其它加工装置功能扩展；

5、通过slic3r软件，将STL文件转化成Geode代码，可对同一工件利用3D打印、激光雕刻、数控加工、超声加工、电子束加工、电火花加工和等离子加工等功能进行协同加工；

6、可以事先编写好加工代码，通过脱机加工数据接口，利用操作按钮和显示装置，调整装置的状态，直接进行脱机作业，大大提高了工件加工的效率。

附图说明：

图1为本发明的整体结构示意图（1）；

图2为本发明的整体结构示意图（2）；

图3为本发明的上部局部示意图；

图4为本发明的底部局部示意图；

图5为工作平台示意图；

图6为数控装置示意图；

图7为功能转换装置示意图；

图8为可以模块化更换的加工装置示意图；

图中标号说明：

1：结构框架，2:驱动装置，3：工作平台，4：数控装置，5：功能转换装置

101：底部支座，102：竖直支架，103：上端横梁，104：Y方向驱动辅助横梁，105：数控装置固定横梁，106：Z方向驱动辅助横梁

201：X方向驱动电机，202：X方向传送带，203：X方向丝杠，204：X方向导轨，205：X方向滑块，206：Y方向驱动电机，207：Y方向传送带，208：Y方向丝杠，209：Y方向导轨，210：Y方向滑块，211：Z方向驱动电机，212：Z方向传送带，213：Z方向丝杠，214：Z方向导轨

301：Z方向滑块，302：平台结构边框，303：待加工平面，304：限位开关

401：LCD显示屏，402：急停按钮，403：操作按钮，404：脱机加工数据接口

501：X向连接导轨，502：Y向连接导轨，503：夹紧卡槽，504：信号控制接口，505：电源接口

601：装置夹紧卡槽，602：装置信息控制接口，603：装置电源接口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的增减材多功能加工一体机作进一步详细说明，结合上面的说明书和权利要求书，本发明的优点和特征将会更加清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提出的增减材多功能加工一体机包括结构框架、驱动装置、工作平台、数控装置、功能转换装置和可以模块化更换的加工装置。增减材多功能加工一体机的结构框架大小为450mm*450mm*700mm，结构框架包括底部支座、竖直支架、上端横梁以及辅助横梁，底部支座101包括3-6根450mm的型材，3-6根型材通过直角连接键相连接，形成稳定的框架结构，放置在增减材多功能加工一体机底部构成底部支座，上端横梁103包括3-6根450mm的型材，3-6根型材通过直角连接键相连接，形成稳定的框架结构，放置在增减材多功能加工一体机的顶部构成上端横梁，竖直支架102包括3-5根700mm的竖直支架，通过直角连接键连接上端横梁和底部支座，共同构成增减材多功能加工一体机的外部框架，在底部支座与上端横梁的边缘处设置有橡皮垫圈，防止边缘尖锐误伤，尤其是在底部框架的底面设置有弹性垫片，防止由于加工过程中的震动引起加工偏移，从而影响加工精度，辅助横梁分为驱动辅助横梁和数控装置固定横梁，包括Y方向驱动辅助横梁104、Z方向驱动辅助横梁106和数控装置固定横梁105，Y方向驱动辅助横梁104设置在上端横梁的背面，与竖直支架相连接，横梁的两端与框架间通过直角连接键相连接，形成稳定的框架结构，用于固定Y方向驱动电机，Z方向驱动辅助横梁106设置在底部支座上，与底部支座在同一水平面上，Z方向驱动辅助横梁的两端与底部支座间通过直角连接键连接，保证Z方向驱动电机的稳定，数控装置辅助横梁105设置在上端横梁的前表面，数控装置辅助横梁的两端与框架间通过直角连接键连接，形成稳定的框架结构，可以保障数控装置在加工过程中的稳定。驱动装置分为X方向驱动装置，Y方向驱动装置和Z方向驱动装置，X方向驱动装置包括X方向驱动电机201，X方向传送带202，X方向丝杠203，X方向导轨204和X方向滑块205，X方向驱动电机201安装在上端横梁的右端面上，X方向丝杠203分别通过支座轴承安装在上端横梁上，X方向导轨204同样通过支座轴承安装在前后横梁上，两者都沿X方向分布，X方向驱动电机与X方向丝杠之间通过传送带相连接，使得驱动电机的动力能够转化为丝杠的转动，在X方向丝杠和X方向导轨上设置有X方向滑块205，滑块通过螺纹孔与丝杠上的螺纹的形成配合关系，导轨可以支撑滑块的重量，减少丝杠螺纹的磨损，进而将丝杠的转动转换为滑块的移动，因此在驱动电机的驱动下，在数控装置的控制下，可以实现控制X方向滑块沿X方向做定向和定点滑动；Y方向驱动装置包括Y方向驱动电机206，Y方向传送带207，Y方向丝杠208，Y方向导轨209以及Y方向滑块210，Y方向驱动电机206安装在上端横梁的右端面上，Y方向丝杠208分别通过支座轴承安装在上端横梁上，Y方向导轨209同样通过支座轴承安装在前后横梁上，两者都沿Y方向分布，Y方向驱动电机与Y方向丝杠之间通过传送带相连接，使得驱动电机的动力能够转化为丝杠的转动，在Y方向丝杠和Y方向导轨上设置有Y方向滑块210，滑块通过螺纹孔与丝杠上的螺纹的形成配合关系，导轨可以支撑滑块的重量，减少丝杠螺纹的磨损，进而将丝杠的转动转换为滑块的移动，因此在驱动电机的驱动下，在数控装置的控制下，可以实现控制Y方向滑块沿Y方向做定向和定点滑动；Z方向驱动装置包括Z方向驱动电机211，Z方向传送带212，Z方向丝杠213以及Z方向导轨214，Z方向驱动电机211设置在Z方向驱动辅助横梁上，Z方向丝杠213通过支座轴承安装在底部支座前后面上，Z方向导轨214同样通过支座轴承安装在竖直支架的内侧，两者都沿Z方向分布，呈中心对称，在Z方向驱动电机与Z方向丝杠之间通过传送带连接，使得驱动电机的转动能够转化为丝杠的转动，在数控装置的控制下，可以使设置在Z方向丝杠和Z方向导轨上的工作平台沿Z方向做定向和定点的移动。工作平台包括平台结构边框302、待加工平面303和Z方向滑块301，Z方向滑块301通过螺纹孔与Z方向丝杠213配合在一起，在驱动电机的驱动下，将Z方向丝杠的转动转化为Z方向滑块301的移动，同时Z方向滑块穿过Z方向导轨214，可以保证滑块移动过程中的平缓与稳定，平台结构边框302与Z方向滑块设置在一起，可以保证结构边框会随着Z方向滑块的升降做同步升降，待加工平面303设置在平台结构边框上，通过待加工平面的调平螺栓与平台结构框架相连接，保证待加工平面的水平，待加工平面的Z方向移动的最大位移为600mm，在平台结构框架的顶角还设置有四个限位开关304，防止工作平台在移动的过程中与结构框或驱动装置发生干涉，影响器械的正常使用。数控装置包括输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置，输入装置包括急停按钮402、操作按钮403和脱机加工数据接口404，输出装置包括LCD显示屏401和驱动装置中的驱动电机，急停按钮、操作按钮、LCD显示屏和脱机加工数据接口设置在数控装置的前面板，与数控装置固定横梁以及竖直支架相连接，LCD显示屏、急停按钮、操作按钮、脱机加工数据接口设置在数控装置的前面板，面板的整体尺寸为30mm*50mm*2mm， LCD显示屏401中能对加工过程中的当前加工方式、加工预计时间、加工已用时间、3D打印喷头温度、激光加工路径、数控加工形式、超声加工状态、电子束加工状态、电火花加工状态和等离子加工状态等进行实时显示，可以实时反馈当前机器工作状态，在加工过程中发生紧急情况时，用户可以通过启动急停按钮402来达到保护设备以及保证人员安全的目的，操作按钮403主要用来选择LCD显示屏中的操作选项，可以实现对工作平台的水平校准，发送起始命令以及脱机加工等一系列操作，脱机加工数据接口404主要用于脱机加工时使用，将加工代码事先编写好存储在SD卡中，通过脱机加工数据接口读取加工代码，直接对工件进行加工，实现脱机作业，大大提高了加工的效率，驱动电路采用电机驱动芯片，电脉冲信号转变为角位移或线位移，并实现驱动电流可调节、电机的正反转功能，电子部分采用基于Mega2560的AVR处理器的一体化控制板，Atmega2560 作为主控芯片，配合高性能USB芯片ATmega16u2，达到可以兼容所有RAMPS相关固件，可以使用个人计算机通过USB线连接来控制增减材多功能加工一体机或者直接由USB接口连接U盘，进行固件升级、参数配置，简单易用，CNC控制系统利用嵌入式软件，能解析主流数控软件产生的数控代码，进行零件的加工,同时有了面板的保护，可以有效的避免芯片及接口在使用过程中的破坏，数控装置接收输入介质的信息,并将其代码加以识别、储存和运算,并输出相应的指令脉冲以驱动驱动装置,进而控制增减材多功能加工一体机的工作。功能转换装置包括连接导轨和功能转换支座，X方向连接导轨501连接X方向滑块205，可以保证X方向连接导轨会随着X方向滑块的移动而移动，Y方向连接导轨502连接Y方向滑块210，可以保证Y方向连接导轨会随着Y方向滑块的移动而移动，在X方向连接导轨和Y方向连接导轨的交汇处设置有功能转换支座504，从而将滑块的移动传递到功能转换支座上，在功能转换支座上设置有夹紧卡槽503、信息控制接口504和电源接口505，用于模块化的更换加工装置，可以模块化更换的加工装置包括3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置，在数控装置的控制下，功能转换装置将实现规定路径的移动，从而使加工装置也能实现横向以及纵向的定点位移，达到对工件的加工要求，在转换装置的四个表面设置有四个限位开关，用以防止功能转换装置在快速移动中与结构框架或驱动装置间发生干涉，造成对仪器的损伤，影响加工精度以及发生危险。模块化更换的加工装置主要包括3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置，模块化更换的加工装置的装置夹紧卡槽601与功能转换装置的夹紧卡槽503形成配合，用以固定不同的加工装置，通过装置信息控制接口602可以实现对装置的信息传递，完成特定加工作业要求，装置电源接口603可以对超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置实现特定的电源供电，完成对工件的加工。

实施例1

3D打印装置包括加热装置和挤出装置，3D打印装置的通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得3D打印装置能够按照相应的指令实现3D打印加工作业，3D打印装置的喷嘴材料为黄铜，喷嘴直径有0.2mm-0.5mm可供选择，支持PLA、ABS、尼龙等耗材，打印时打印喷头温度设置为210℃-230℃之间，打印尺寸最大直径为280mm，高度350mm，打印层厚为0.1mm-0.3mm，打印速度为10-300mm/s，热床温度为110℃-120℃，用户可以将设计的零件转换成STL格式进行打印，可以打印结构非常复杂的零部件，同时通过增材技术可使单件试件、小批量生产零件的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产，且通过3D打印打印出来的零件在结构的稳固性和连接强度方面都要远远高于传统加工方法。

实施例2

激光加工装置包括激光发射头，激光发射头将高平行度、高能量密度的激光聚集到工件表面上来进行热加工，激光光点的直径可达1um以下，因此能进行非常细微的加工，可实现激光打孔、激光雕刻、激光切割、激光抛光和激光冲击强化处理，激光加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得激光加工装置能够按照相应的指令实现激光加工作业，激光加工装置所用的激光波长为445nm（蓝光），激光功率有300mw、500mw、1000mw、1600mw可供选择，光束和光斑直径小，一般小于0.5mm，透镜采用专用光学镀膜玻璃，激光速度为0.1-0.5m/s, 加工精度可达到0.02mm，最大加工深度为10mm，激光加工采用非接触式加工的方法，不会对材料造成机械挤压或机械应力，因此没有“刀痕”，不伤害加工件的表面，不会使材料发生变形。

实施例3

数控加工装置包括数控加工主轴和加工刀具，数控加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，数控加工主轴的下端可以更换各种加工刀具，配备有加工刀具15把，从而能够按照相应的指令实现铣、钻、磨、镗孔、铰孔、攻螺纹等数控加工作业，数控加工装置的主轴转速300-500r/min,立铣最大直径10mm，主轴锥孔为BT4-15mm，可加工孔的直径为2-10mm，定位精度可达300mm/+0.075mm，可实现多种加工作业，点位控制功能主要用于对工件的孔加工，如中心定位、钻孔、绞孔、镗孔等孔类加工，连续加工功能则是对加工部件进行平面和曲面的加工，加工圆度≤0.03mm，工件加工质量稳定，具有较高的精度。

实施例4

超声加工装置包括超声发生装置和超声加工头，超声发生装置发出频率在20000Hz-50000Hz的机械波，超声发生装置产生的超声频电振荡信号通过换能器转变为超声频的机械振动，振幅为0.05～0.1mm，并驱动超声加工头做超声振动，以极高的速度冲击工件表面，工件材料在磨料打击下被破坏、脱落，超声波加工是机械撞击、抛磨、空化作用的综合结果，可以实现对工件的超声磨削加工、超声光整加工、超声塑性加工和磨料冲击加工，加工工件表面粗糙度Ra值为0.4～0.8μm，加工工件圆度可达0.035mm，加工工件尺寸精度可达IT6，直线度可达0.01mm，经过超声光整加工后的工件表面组织重新纳米化排列，工件表面粗造度提高，当工件加工完后，可塑性又恢复，工件疲劳强度、疲劳寿命、抗腐蚀性大幅度提高，且无开裂、分层等现象。

实施例5

电子束加工装置包括聚能电子发生器，利用聚能后的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极端的时间内，其能量的大部分转变为热能，引起材料的局部融化或气化，可实现对工件的打孔、刻蚀、焊接和热处理，电子束焊接的定位精度为±0.02mm，电源电压规格为220V/单相/50Hz，电流为10A，焊接深度可在0.05-10mm范围内精确控制，在高功率焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1，利用电子束焊接工件热影响区小，焊接速度快，可精确控制，聚焦光点小，可高精度定位，易实现自动化且焊缝表面光亮美观，无氧化现象。

实施例6

电火花加工装置包括电火花放电器，通过电火花放电器放电时产生的电蚀现象来去除多余的金属，达到对工件加工的目的，主要用于冲模电火花加工、型腔模电火花加工、小孔电火花加工和异型孔电火花加工，电火花加工装置的最大加工速度可达220mm/min，最大切割厚度为60mm，最大加工电流为8A，电极丝直径范围为Ф0.10-Ф0.22mm，加工精度为±0.015mm，最大切割斜度为±3°，锥度为±3°，表面粗糙度≦2.5um，电火花加工无切削力，电火花加工是电能转换为热能的加工，加工电极与工件之间保持0.02～0.3mm的距离，因此不受切削力的影响，在加工薄壁、微细型腔工件时能达到微米级的精度和很高的表面质量，最高表面质量能达到Ra=0.1μm的镜面，且电火花加工适合加工各种导电材料，加工的效率高，成本低。

实施例7

等离子加工装置包括等离子热源和空气压缩器，通过压缩空气，同时以高温高速的等离子弧为热源，空载电压一般为120-600V，将被切割的金属局部熔化，用高速气流将已熔化的金属吹走，从而形成狭窄切缝，等离子加工装置可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等金属材料切割，速度可达氧切割法的5-6倍，等离子切割的输入电压/频率为200V/50Hz,等离子切割电流为100A，切割厚度为1-18mm，最高切割速度可达6000mm/min,定位精度可达±0.3mm，常用等离子弧工作气体有氩、氢、氮、氧、空气、水蒸气以及某些混合气体，等离子切割的切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区，具等离子切割具有切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小和工件变形度低等优点。

加工作业时用户可以根据需求选择其中一种或者几种合适的加工方式对小型零件进行快速建模、成型和精密加工，为复合型精密加工制造提供了一套切实可行的技术方案，增减材多功能加工一体机使用方便、加工高效、节省材料、具有很高的经济性。

Claims (6)

1.增减材多功能加工一体机包括结构框架、驱动装置、工作平台、数控装置、功能转换装置和可以模块化更换的加工装置；结构框架包括底部支座、竖直支架、上端横梁和辅助横梁，底部支座与上端横梁之间通过竖直支架相连接；驱动装置包括驱动电机、传送带、丝杠、导轨和滑块，驱动装置分为X方向驱动装置、Y方向驱动装置和Z方向驱动装置，X方向上通过X方向驱动电机的运转使X方向滑块能够沿X方向做定向定点移动,Y方向上通过Y方向驱动电机的运转使Y方向滑块能够沿Y方向做定向定点滑动,Z方向上通过Z方向驱动电机的运转使工作平台能够沿Z方向做定向定点滑动；工作平台包括平台结构边框和待加工平面，待加工平面通过调平螺栓与平台结构框架相连接，可以有效的保证待加工平面的水平；数控装置包括输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置，输入装置包括急停按钮、操作按钮和脱机加工数据接口,输出装置包括LCD显示屏和输出接口，功能转换装置包括连接导轨和功能转换支座，X方向连接导轨连接X方向滑块，Y方向连接导轨连接Y方向滑块，在X方向连接导轨和Y方向连接导轨的交汇处设置有功能转换支座，在功能转换支座上设置有电源接口、信息控制接口和夹紧卡槽。

2.根据权利要求1所述的可以模块化更换的加工装置包括3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置；3D打印装置包括加热装置和挤出装置，3D打印装置的通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得3D打印装置能够按照相应的指令实现3D打印加工作业；激光加工装置包括激光发射头，激光发射头将高平行度、高能量密度的激光聚集到工件表面上来进行热加工，激光光点的直径可达1um以下，能进行非常细微的加工，可实现激光打孔、激光雕刻、激光切割、激光抛光和激光冲击强化处理，激光加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得激光加工装置能够按照相应的指令实现激光加工作业；数控加工装置包括数控加工主轴和加工刀具，数控加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，数控加工主轴的下端可以更换各种加工刀具，从而能够按照相应的指令实现铣、钻、磨、镗孔、铰孔、攻螺纹等数控加工作业；超声加工装置包括超声发生装置和超声加工头，超声发生装置发出频率在20000Hz-50000Hz的机械波，由于超声波频率高、波长短，因此具有良好的方向性和穿透能力，超声发生装置产生的超声频电振荡信号通过换能器转变为超声频的机械振动，并驱动超声加工头做超声振动，可以实现对工件的超声切削加工、超声磨削加工、超声光整加工、超声塑性加工和磨料冲击加工，超声加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得超声加工装置能够按照相应的指令实现超声加工作业；电子束加工装置包括聚能电子发生器，利用聚能后的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极端的时间内，其能量的大部分转变为热能，引起材料的局部融化或气化，可实现对工件的打孔、刻蚀、焊接和热处理，电子束加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得电子束加工装置能够按照相应的指令实现电子束加工作业；电火花加工装置包括电火花放电器，通过电火花放电器放电时产生的电蚀现象来去除多余的金属，达到对工件加工的目的，主要用于冲模电火花加工、型腔模电火花加工、小孔电火花加工和异型孔电火花加工，电火花加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得电火花加工装置能够按照相应的指令实现电火花加工作业；等离子加工装置包括等离子热源和空气压缩器，通过压缩空气，同时以高温高速的等离子弧为热源，将被切割的金属局部熔化，用高速气流将已熔化的金属吹走，从而形成狭窄切缝，等离子加工装置可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等金属材料切割，具有切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小和工件变形度低等优点，等离子加工装置通过夹紧卡槽牢固的固定在功能转换支座上，通过电源接口实现供电需求，通过信息控制接口实现信息传递，使得等离子加工装置能够按照相应的指令实现等离子加工作业。

3.根据权利要求1所述的增减材多功能加工一体机，其特征在于：所述的驱动电机是步进电机或伺服电机。

4.根据权利要求2所述的增减材多功能加工一体机，其特征在于：3D打印装置、激光加工装置、数控加工装置、超声加工装置、电子束加工装置、电火花加工装置和等离子加工装置可以模块化的更换在功能转换装置上。

5.根据权利要求2所述的增减材多功能加工一体机，其特征在于：数控装置具有断电存储功能，可以实现脱机加工作业。

6.根据权利要求1-5中任意一条所述的增减材多功能加工一体机，其特征在于：避免了工件加工的重复装夹，利用增减材一体化加工技术，可以实现对工件的一体化建模、成型和加工。