CN106799613A - 一种激光复合制造设备及复杂零件的加工方法 - Google Patents

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CN106799613A CN201611246233.5A CN201611246233A CN106799613A CN 106799613 A CN106799613 A CN 106799613A CN 201611246233 A CN201611246233 A CN 201611246233A CN 106799613 A CN106799613 A CN 106799613A
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代瑞辉
潘佐梅
赵斌
唐景龙
陈根余
陈燚
高云峰
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Abstract

本发明涉及一种激光复合制造设备,包括机床以及安装在所述机床上的三维移动机构、加工主轴、用于放置激光工具的摆臂机构、装有切削刀具的刀库部件以及用于固定零件的数控转台,所述加工主轴安装在三维移动机构上,所述数控转台位于加工主轴的下方,所述摆臂机构将激光工具送至指定位置,所述三维移动机构驱动加工主轴移动到指定位置,抓取激光工具或刀具进行零件打印或零件加工;其中,激光工具包括激光3D打印头、激光切割头以及激光焊接头中的任意一种。在一台设备上不仅可以进行激光3D打印、激光切割、激光焊接,同时还可以进行金属切削加工,使零件一次成型,大大提高了零件的加工制造效率。

Description

一种激光复合制造设备及复杂零件的加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及激光加工技术领域,具体涉及一种激光复合制造设备及复杂零件的加 工方法。
背景技术 _
[0002] 在航天科技、轨道交通、汽车工业、精密模具等领域,对具有复杂曲面和腔体的高 精度零部件的需求越来越高,单纯的机械加工以及精密铸造等传统工艺已经无法满足这些 零部件的结构及精度要求,虽然3D打印技术能够对具有复杂结构的零件进行打印成型,但 是零件的尺寸精度和表面粗糙度也均满足不了要求。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题在于,提供一种激光复合制造设备及复杂零件的加工方 法,不仅可以进行激光3D打印,同时还可以进行金属切削加工。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种激光复合制造设备,包括 机床以及安装在所述机床上的三维移动机构、加工主轴、用于放置激光工具的摆臂机构、装 有切削刀具的刀库部件以及用于固定零件的数控转台,所述加工主轴安装在三维移动机构 上,所述数控转台位于加工主轴的下方,所述摆臂机构将激光工具送至指定位置,所述三维 移动机构驱动加工主轴移动到指定位置,抓取激光工具或刀具进行零件打印或零件加工; 其中,激光工具包括激光3D打印头、激光切割头以及激光焊接头中的任意一种。
[0005] 进一步地,所述刀库和摆臂机构分别设置在所述加工主轴两侧,所述摆臂结构安 装在所述机床上,所述激光工具卡设在摆臂结构上;所述摆臂结构包括固定座、转轴、带伸 缩杆的气缸以及摆臂,所述固定座安装在所述机床上,所述摆臂的一端通过转轴可转动的 安装在固定座上,所述激光工具卡设在摆臂的另一端,所述气缸安装在固定座上,其伸缩杆 与摆臂活动连接,所述气缸通过伸缩杆的伸缩推动摆臂绕转轴摆动。
[0006] 进一步地,所述摆臂结构还包括定位组件,所述定位组件包括相互配合的凸块和 凹块,所述凸块安装在所述激光工具上,所述凹块安装在所述摆臂上;或所述凸块安装在所 述摆臂上,所述凹块安装在所述激光工具上。
[0007] 进一步地,所述加工主轴包括用于安装激光工具或刀具的旋转主轴、主轴座和主 轴电机,所述主轴座安装在所述三维移动机构上,所述旋转主轴安装在主轴座上,所述主轴 电机安装在主轴座上,并与旋转主轴传动连接,所述主轴电机驱动旋转主轴转动。
[0008] 进一步地,所述主轴座和所述机床采用高强度铸铁制成。
[0009] 进一步地,数控转台包括固定架、c轴电机、A轴转轴、A轴电机以及工作台,固定架 安装在机床上,A轴转轴可转动的安装在固定架上,所述c轴电机安装在八轴转轴上,所述c轴 电机的转轴与A轴转轴相互垂直,所述工作台安装在C轴电机的转轴上,所述A轴电机与八轴 转轴连接,并驱动A轴转轴转动。
[0010]进一步地,所述三维移动机构包括X轴移动结构、Y轴移动结构以及Z轴移动结构, 所述X轴移动结构安装在所述机床上,所述Y轴移动结构安装在X轴移动结构上,所述z轴移 动结构安装在Y轴移动结构上,所述加工主轴安装在Z轴移动结构上,其中Z轴移动结构移动 的方向为加X主轴的轴线方向;所述X轴移动结构包括底座、滑轨、滑动板、伺服电机以及丝 杆,所述底座安装在所述机床上,所述滑轨安装在底座上,所述滑动板可滑动的安装在滑轨 上,所述伺服电机和丝杆均安装在底座上,所述滑动板与丝杆螺纹连接,所述伺服电机驱动 丝杆转动,进而带动滑动板往返移动,所述Y轴移动结构安装在滑动板上。
[0011]本发明还提供一种复杂零件的加工方法,用上述激光复合制造设备对复杂零件进 行加工,激光工具选用激光3D打印头,包括以下步骤:
[0012] S1、对于高精度、复杂零件,根据零件大小选择相对应的打印基板,将打印基板安 装在数控转台上;
[0013] S2、首先将零件按序分成若干个部分,采取分段式加工;
[0014] S3、加工主轴抓取激光3D打印头对于第一个部分进行3D打印;
[0015] S4、打印完第一部分后,加工主轴卸下激光3D打印头,去抓取刀具,再对第一部分 进行机械加工;
[0016] S5、达到要求后,再重复步骤S2和S3进行零件下一部分的打印和机械加工,直到整 个零件加工完成。
[0017]进一步地,所述步骤S3中还包括以下步骤:摆臂机构先将激光3D打印头运送到指 定位置,加工主轴运动到该位置抓取激光3D打印头,加工主轴拖动激光3D打印头移动到打 印基板上。
[0018]进一步地,所述步骤S3还具体包括以下步骤:激光3D打印头上的熔覆模块将粉末 均匀连续分为四路射到打印基板上,在打印基板上汇聚到一点,该点为送粉焦点;
[0019]激光3D打印头上的激光头在打印基板上形成一个光斑,该光斑与送粉焦点完全重 合,开始烧结粉末;
[0020]然后加工主轴按照设定程序开始移动,同时拖动激光3D打印头移动,在打印基板 上逐渐形成所设计的零件。
[0021] ^现有技术相比,本发明的一种激光复合制造设备,通过加工主轴抓取激光工具 或刀具进行零件打印或零件加工,同时通过三维移动机构和数控转台配合加工主轴加工出 所需的曲面或平面。在一台设备上不仅可以进行激光3D打印、激光切割、激光焊接,同时还 可以进行金属切削加工,使零件一次成型,大大提高了零件的加工制造效率。
附图说明
[0022]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
[0023]图1是本发明提供的激光复合制造设备的结构示意图;
[0024]图2是图1中摆臂结构的示意图图;
[0025]图3是图1中加工主轴的结构示意图;
[002<5]图4是图1中X轴移动结构示意图。
具体实施方式
[0027]现结合附图,对本发明的较佳实施例作详细说明。
[0028] 如图1所示,在图1中建立X轴、Y轴、Z轴三维坐标系,便于描述方向。本发明提供一 种激光复合制造设备,包括机床1〇〇以及安装在机床100上的三维移动机构200、加工主轴 300、用于放置激光工具的摆臂机构400、装有切削刀具的刀库部件500以及用于固定零件的 数控转台600。加工主轴300安装在三维移动机构200上,数控转台600位于加工主轴300的下 方,摆臂机构将激光工具送至指定位置,所述三维移动机构200驱动加工主轴300移动到指 定位置,抓取激光工具或刀具进行零件打印或零件加工;其中激光工具包括激光3D打印头 410、激光切割头以及激光焊接头中的任意一种。这样在一台设备上不仅可以进行激光3D打 印、激光切割、激光焊接,同时还可以进行金属切削加工,使零件一次成型,大大提高了零件 的加工制造效率。
[0029] 在本实施例中,刀库部件500和激光3D打印机构400分别设置在加工主轴300两侧, 摆臂结构400安装在机床100上,激光工具卡设在摆臂结构400上,便于加工主轴300的抓取。 [0030] 如图2所示,摆臂结构400包括固定座421、转轴422、带伸缩杆的气缸423以及摆臂 424,固定座421安装在机床100上,摆臂424的一端通过转轴422可转动的安装在固定座421 上,激光工具卡设在摆臂424的另一端,气缸423安装在固定座421上,其伸缩杆与摆臂424活 动连接,气缸423通过伸缩杆的伸缩推动摆臂424绕转轴422摆动。在加工主轴300抓取激光 工具前,摆臂结构400先将激光工具摆送到加工主轴300指定位置,然后三维移动机构200驱 动加工主轴300移动到指定位置,抓取激光工具。通过摆臂结构400既能方便加工主轴300抓 取激光工具,又能有效避免激光工具妨碍加工主轴300移动。
[0031] 具体地,摆臂结构400还包括定位组件,定位组件包括相互配合的凸块425a和凹块 425b。凸块425a安装在激光工具上,凹块425b安装在摆臂424上;或凸块425a安装在摆臂424 上,凹块425b安装在激光工具上。在本实施例中,激光工具选择激光3D打印头410,凸块425a 安装在激光3D打印头410上,凹块425b安装在摆臂424上。当激光3D打印头410使用完后,加 工主轴300将其放回摆臂424上,同时通过凸块425a和凹块425b的相互配合将激光3D打印头 410定位在摆臂424上,方便下一次的使用。
[0032] 进一步地,激光3D打印头410包括熔覆模块411、激光头412和便于加工主轴300抓 取的连接部件413,熔覆模块411安装在激光头412的底端,并同轴连接,连接部件413安装在 激光头412的顶端。在打印过程中,先根据零件大小选择相对应的打印基板,放到数控转台 600上定位,然后熔覆模块411将材料粉末均匀连续分为四路射到打印基板上,在打印基板 上汇聚到一点上,这个点为送粉焦点,激光头412上的准直和变焦两个模块,使激光在打印 基板上形成一个有一定直径大小的光斑,这个光斑与送粉焦点完全重合,开始烧结粉末,力口 工主轴300按照设定程序开始移动,同时拖动整个激光3D打印头410移动,在打印基板上逐 渐形成所设计的零件。在本实施例中连接部件413采用刀柄形式,方便与加工主轴300进行 连接。
[0033] 如图3所示,加工主轴300包括用于安装激光工具或刀具的旋转主轴310、主轴座 320和主轴电机330,主轴座320安装在三维移动机构200上,旋转主轴310安装在主轴座320 上,主轴电机330安装在主轴座320上,并与旋转主轴310传动连接,主轴电机330驱动旋转主 轴310转动。在本实施例中,加工主轴300还包括将压力较低的压缩空气转化为压力较高的 液压油,来满足所述旋转主轴进行自动换刀时所需要的油压的增压缸340,增压缸340安装 主轴座320上,主轴座320采用高强度铸铁制成,具有很好的吸振性和稳定性,从而保证旋转 主轴31〇在高速旋转下的稳定性。机床100也采用高强度铸铁整体铸造而成,整体重量很大, 有很强的吸振能力,并且能够长时间保持稳定,从而保证了机床整体的精度和稳定性。
[0034] 三维移动机构200包括X轴移动结构210、Y轴移动结构220以及Z轴移动结构230, X 轴移动结构210安装在机床100上,Y轴移动结构220安装在X轴移动结构210上,Z轴移动结构 230安装在Y轴移动结构220上。加工主轴300安装在Z轴移动结构230上,其中Z轴移动结构的 移动方向为加工主轴300的轴线方向。
[0035] 在本实施例中,X轴移动结构210、Y轴移动结构220以及Z轴移动结构230的传动全 都用丝杆加滑轨的形式进行驱动,结构基本相同,以X轴移动结构210为例进行介绍。如图4 所示,X轴移动结构210包括底座211、滑轨212、滑动板213、伺服电机214以及丝杆215,底座 211安装在机床100上,滑轨212安装在底座211上,滑动板213可滑动的安装在滑轨212上,伺 服电机214和丝杆215均安装在底座211上,滑动板213与丝杆215螺纹连接。伺服电机214驱 动丝杆215转动,进而带动滑动板213往返移动,Y轴移动结构220安装在滑动板213上,并随 滑动板213往返移动,实现X方向的移动。
[0036] 进一步地,数控转台6〇0包括固定架6l〇、C轴电机620、A轴转轴630、A轴电机640以 及工作台650,固定架610安装在机床100上,A轴转轴630可转动的安装在固定架610上,C轴 电机620安装在A轴转轴630上,C轴电机620的转轴与A轴转轴630相互垂直,工作台650安装 在C轴电机620的转轴上,A轴电机640与A轴转轴630连接,并驱动A轴转轴630转动。其中,A轴 转轴与X轴平行。在本实施例中,C轴电机620和A轴电机640为伺服电机,其中C轴电机620用 于驱动工作台650面进行无限旋转,A轴电机640用于驱动工作台650面绕X轴在一定角度范 围内进行摆动。工作台650上有T型槽,可用于定位和夹紧工件。在加工过程中,可以通过程 序让C轴电机620驱动工作台650进行旋转,让A轴电机640驱动工作台650进行摆动,同时三 维移动机构2〇〇驱动激光工具沿X轴、Y轴、Z轴进行移动,通过C轴电机620的主轴、A轴转轴、X 轴、Y轴、Z轴的五轴联动,可以把固定在工作平台650上的零件加工出所需要的曲面或平面。 [0037]本发明的激光复合制造设备还包括电控系统、为激光工具提供激光的激光器、冷 水机以及为加工主轴3〇〇提供冷却的油冷机,电控系统分别与激光器、油冷机、冷水机、三维 移动机构2〇〇、加工主轴3〇〇、摆臂机构400、刀库部件500、数控转台600连接,实现整个设备 的自动化控制。
[0038]本发明还提供一种复杂零件的加工方法,用上述激光复合制造设备对复杂零件进 行加工,激光工具选用激光3D打印头410,包括以下步骤:
[0039] S1、对于高精度、复杂零件,根据零件大小选择相对应的打印基板,将打印基板安 装在数控转台600上;
[0040] S2、将零件按序分成若干个部分,采取分段式加工;
[0041] S3、加工主轴300抓取激光3D打印头410对于第一个部分进行3D打印;
[0042] S4、打印完第一部分后,加工主轴3〇〇卸下激光3D打印头410,抓取刀具,再对第一 部分进行机械加工;
[0043] S5、达到要求后,再重复步骤S2和S3进行零件下一部分的打印和机械加工,直到整 个零件加工完成。
[0044] 进一步地,步骤S3具体包括以下步骤:摆臂机构4〇〇先将激光3D打印头410运送到 指定位置,加工主轴3〇〇运动到该位置抓取激光3D打印头410,加工主轴300拖动激光3D打印 头410移动到打印基板上。
[0045] 进一步地,步骤S3还具体包括以下步骤:激光3D打印头410上的熔覆模块411将粉 末均匀连续分为四路射到打印基板上,在打印基板上汇聚到一点,该点为送粉焦点;激光3D 打印头410上的激光头412在打印基板上形成一个光斑,该光斑与送粉焦点完全重合,开始 烧结粉末;然后加工主轴300按照设定程序开始移动,同时拖动激光3D打印头410移动,在打 印基板上逐渐形成所设计的零件。
[0046] 应当理解的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,对本领 域技术人员来说,可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特 征进行等同替换;而所有这些修改和替换,都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1. 一种激光复合制造设备,其特征在于,包括机床以及安装在所述机床上的三维移动 机构、加工主轴、用于放置激光工具的摆臂机构、装有切削刀具的刀库部件以及用于固定零 件的数控转台,所述加工主轴安装在三维移动机构上,所述数控转台位于加工主轴的下方, 所述摆臂机构将激光工具送至指定位置,所述三维移动机构驱动加工主轴移动到指定位 置,抓取激光工具或刀具进行零件打印或零件加工;其中,激光工具包括激光3D打印头、激 光切割头以及激光焊接头中的任意一种。
2. 根据权利要求1所述的激光复合制造设备,其特征在于,所述刀库和摆臂机构分别设 置在所述加工主轴两侧,所述摆臂结构安装在所述机床上,所述激光工具卡设在摆臂结构 上;所述摆臂结构包括固定座、转轴、带伸缩杆的气缸以及摆臂,所述固定座安装在所述机 床上,所述摆臂的一端通过转轴可转动的安装在固定座上,所述激光工具卡设在摆臂的另 一端,所述气缸安装在固定座上,其伸缩杆与摆臂活动连接,所述气缸通过伸缩杆的伸缩推 动摆臂绕转轴摆动。
3.根据权利要求2所述的激光复合制造设备,其特征在于,所述摆臂结构还包括定位组 件,所述定位组件包括相互配合的凸块和凹块,所述凸块安装在所述激光工具上,所述凹块 安装在所述摆臂上;或所述凸块安装在所述摆臂上,所述凹块安装在所述激光工具上。
4.根据权利要求1所述的激光复合制造设备,其特征在于,所述加工主轴包括用于安装 激光工具或刀具的旋转主轴、主轴座和主轴电机,所述主轴座安装在所述三维移动机构上, 所述旋转主轴安装在主轴座上,所述主轴电机安装在主轴座上,并与旋转主轴传动连接,所 述主轴电机驱动旋转主轴转动。
5.根据权利要求4所述的激光复合制造设备,其特征在于,所述主轴座和所述机床采用 高强度铸铁制成。
6.根据权利要求1所述的激光复合制造设备,其特征在于,数控转台包括固定架、C轴电 机、A轴转轴、A轴电机以及工作台,固定架安装在机床上,A轴转轴可转动的安装在固定架 上,所述C轴电机安装在A轴转轴上,所述C轴电机的转轴与A轴转轴相互垂直,所述工作台安 装在C轴电机的转轴上,所述A轴电机与A轴转轴连接,并驱动A轴转轴转动。
7.根据权利要求6所述的激光复合制造设备,其特征在于,所述三维移动机构包括X轴 移动结构、Y轴移动结构以及Z轴移动结构,所述X轴移动结构安装在所述机床上,所述Y轴移 动结构安装在X轴移动结构上,所述Z轴移动结构安装在Y轴移动结构上,所述加工主轴安装 在Z轴移动结构上,其中Z轴移动结构移动的方向为加工主轴的轴线方向;所述X轴移动结构 包括底座、滑轨、滑动板、伺服电机以及丝杆,所述底座安装在所述机床上,所述滑轨安装在 底座上,所述滑动板可滑动的安装在滑轨上,所述伺服电机和丝杆均安装在底座上,所述滑 动板与丝杆螺纹连接,所述伺服电机驱动丝杆转动,进而带动滑动板往返移动,所述Y轴移 动结构安装在滑动板上;其中,所述A轴转轴与X轴平行。
8.—种复杂零件的加工方法,其特征在于,用权利要求1至7中任意一项所述的激光复 合制造设备对复杂零件进行加工,激光工具选用激光3D打印头,包括以下步骤: 51、 对于高精度、复杂零件,根据零件大小选择相对应的打印基板,将打印基板安装在 数控转台上; 52、 将零件按序分成若干个部分,采取分段式加工; 53、 加工主轴抓取激光邪打印头对于第一个部分进行3D打印; 54、 打印完第一部分后,加工主轴卸下激光3D打印头,抓取刀具,再对第一部分进行机 械加工; 55、 达到要求后,再重复步骤S2和S3进行零件下一部分的打印和机械加工,直到整个零 件加工完成。
9.根据权利要求8所述的复杂零件的加工方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括以下 步骤:摆臂机构先将激光3D打印头运送到指定位置,加工主轴运动到该位置抓取激光3D打 印头,加工主轴拖动激光3D打印头移动到打印基板上。
10.根据权利要求9所述的复杂零件的加工方法,其特征在于,所述步骤S3还具体包括 以下步骤:激光3D打印头上的熔覆模块将粉末均匀连续分为四路射到打印基板上,在打印 基板上汇聚到一点,该点为送粉焦点; 激光3D打印头上的激光头在打印基板上形成一个光斑,该光斑与送粉焦点完全重合, 开始烧结粉末; 然后加工主轴按照设定程序开始移动,同时拖动激光3D打印头移动,在打印基板上逐 渐形成所设计的零件。
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