CN107671545B - 一种基于3+2+1轴的复杂零件增减材混合加工方法及平台 - Google Patents

一种基于3+2+1轴的复杂零件增减材混合加工方法及平台 Download PDF

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Abstract

一种3+2+1轴增减材集成混合加工方法及平台，其特征是以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现五轴打印与切削，并使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，实现打印与切削在同一工作空间内，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的滑块定位使加工前只需一次找正，并且上下可移动模式避免了刀具与喷嘴的干涉，使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，实现增材加工和减材加工的交替进行，完成混合加工。本发明能有效避免增材制造工件表面质量差、减材加工刀具不可达的问题，通过集成增减材方法可以加工出结构复杂、质量高的零件。

Description

一种基于3+2+1轴的复杂零件增减材混合加工方法及平台
技术领域
本发明涉及一种3+2+1轴增减材集成混合加工平台，具体地说是一种以小型雕刻机为基体，摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料的六轴驱动平台，可实现增材制造、减材制造交替进行，制造复杂结构件，并提高加工效率以及加工质量。
背景技术
航空复杂结构件具有尺寸大、外形复杂的特点，尤其是航空发动机零件，如叶轮、整体叶盘等，其加工难度大、加工精度要求高且加工工艺复杂。对于这些结构件，其整套工艺往往非常复杂，使用传统的减材加工方法(即切削加工)，整体加工效率很低，容易出错，且加工精度不高，时间周期较长，同时材料利用率非常低，最低甚至只有10％左右，大部分的材料切除后若出现问题则无法再次利用便成了废品。
增材加工是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造出零件的一种加工技术，是解决上述问题的有效方法。但增材加工方法由于其技术本身的性质，加工出的零件表面质量、精度与公差都难以满足要求，需要用切削加工方法再次对工件进行精加工以保证表面质量。对于一些复杂的航空类结构件，其很多结构例如接头部分或是一些内部的狭小区域，常常具有较多难以加工的部位，由于减材加工是在零件成型之后进行，其存在的刀具干涉问题便导致了难加工区域无法加工或是加工精度低、表面质量难以达到要求等问题的存留。这使得许多复杂结构件很难保证精度与加工质量。因此，可采用增材减材交替加工的混合加工方法对复杂航空结构件进行加工。现有DMG MORI的Lasertec 65 3D机床将激光堆焊技术与五轴铣削技术集于一体，构成独特的混合加工机床，但造价高昂，普通条件难以实现。为实现混合加工的低成本实验验证，急需设计一种3+2+1轴的增减材集成混合加工平台。
发明内容
本发明的目的是针对加工精度要求高、结构复杂、加工难度大，因此无法单独用传统切削加工工艺或增材制造工艺满足制造要求的复杂结构件，发明一种成本低制造方法且加工质量能满足使用要求的3+2+1轴增减材集成混合加工方法，同时设计一种相应的平台，以实现复杂结构件的高精度制造。
本发明的技术方案之一是：
一种基于3+2+1轴的复杂零件增减材集成混合加工方法，其特征是以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现五轴打印与切削，它通过使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，实现打印与切削在同一工作空间内，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的定位在加工前只需一次找正，并且上下可移动，避免了刀具与喷嘴的干涉；本发明能有效避免增材制造工件表面质量差、减材加工刀具不可达的问题，通过集成增减材方法能加工出结构复杂、质量高的零件。
所述的导轨机构由主轴夹具2、导轨8和滑块7组成，主轴夹具2固定在主轴3上，导轨8通过垫块1固定在主轴夹具2上，滑块7安装在导轨8上并能在电机控制下沿导轨上下移动并定位，打印挤出机的打印头5安装在配件6上，配件6安装在滑块7上。
本发明使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，实现增材加工和减材加工的交替进行，完成混合加工。
本发明的技术方案之二是：
一种3+2+1轴增减材集成混合加工平台，其特征是以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现五轴打印与切削，并使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，实现打印与切削在同一工作空间内，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的滑块定位使加工前只需一次找正，并且上下可移动模式避免了刀具与喷嘴的干涉，使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，实现增材加工和减材加工的交替进行，完成混合加工。该平台能有效避免增材制造工件表面质量差、减材加工刀具不可达的问题，通过集成增减材方法可以加工出结构复杂、质量高的零件。
所述的3+2+1轴是以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现六轴驱动。Mach3分别输出六个脉冲信号step和dir分别控制六个轴的步进与方向，将每个轴的这两个信号接到步进电机驱动器上可驱动步进电机运行，Mach3接口允许最大同时控制六个轴，在混合加工平台中该六轴分别为：X、Y、Z三轴控制雕刻机的X、Y、Z平动轴；B、C两轴控制摇篮摆转动轴；A轴控制3D打印喷嘴结构的送料速度。通过对雕刻机改装对Z轴进行加高，在雕刻机平台上固定B、C摆台，并将A轴送料电机固定在雕刻机上，实现六轴机构。
所述的导轨机构是用主轴夹具将主轴固定住，集成机构即在主轴夹具上安装导轨和滑块，通过上下调节滑块位置实现打印模式与切削模式的互换。导轨与夹具通过一个垫块连接固定，其连接为螺纹连接。导轨上有滑块，可控制滑块的滑行距离范围，打印挤出机则通过一个配件连接在滑块上，同样为螺纹连接。当使用打印模式时，将滑块向下调节到最低点并锁紧即可进行打印工作，此时最低点处打印挤出机的头部比刀具低一定长度，而打印是由底向上的，因此切削刀具不会干涉零件；当使用切削模式时，将滑块调至最上端，此时最高点处打印挤出机与刀柄平齐，因此在切削过程中打印头也不会干涉零件。在增减材交替加工过程中使用该机构，进行频繁换刀工作，无需装卸，即可完成混合加工。
所述的Mach3六轴数控系统是基于winXP或win2000的windows应用软件，它通过并口线来控制机器运行，输入信号是通过并口加在输入上的电压，输出信号是输出脚针上的电压，电压大小的测量是以电脑的0伏线为基准。Mach3主板接受主机信号，通过两种类型控制该机构：
(1)六轴控制：Mach3支持六轴信号，输出的脉冲信号连接步进电机驱动器，最多可驱动六个步进电机同时转动。
(2)变频器控制：输出端提供信号驱动变频器(或直流调速器)进行调速。
Mach3数控系统与其他数控系统操作类似，提供手轮操作(键盘控制)、参数调节功能，并可自己通过修改xml界面文件来定制界面风格与显示模式。Mach3使用的数控程序为普通雕刻机数控程序风格，由G、M、S、F等指令控制。通过Mach3控制板，将并口信号转化为六个轴的脉冲信号输出，每个轴分别提供Step(步进)和Dir(方向)两个信号，通过步进电机驱动器则可直接驱动电机运作。
Mach3控制板在控制六轴运动的同时，还可以通过变频器调节雕刻机主轴的速度，控制切削时的主轴转速。程序中的S指令可通过发送脉冲信号控制输出交流电压频率，从而调整三相电机U、V、W的通电切换速度，进而控制主轴电机的转速。
所述的温控系统是在挤出机的加热块上安装一个热敏电阻，并与任意一个测量电阻串联，与继电器一起接为一个闭合电路，采用单片机测量信号并控制继电器开闭，通过该方式使温度保持在合理范围之内，能够实现正常打印。
所述的增减材集成混合加工平台可以通过数控程序控制五轴X、Y、Z、B、C运动，并通过机械结构转换打印和切削模式，实现增减材交替混合加工，使许多难加工的复杂结构件的加工工作成为可能。
本发明的有益效果是：
1、本发明可通过增减材交替的混合加工方法加工出结构复杂，质量要求高的零件。
2、本发明可实现五轴打印与切削工作，可加工出五轴复杂零件。
3、本发明增减材加工在同一工作空间内进行，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的滑块定位使加工前只需一次找正，并且上下可移动模式避免了刀具与喷嘴的干涉，能够高效实现混合加工过程。
4、本发明结构简单，控制方便，成本低，性价比高，成本仅为同类进口设备的1/10～1/5。
5、本发明能有效避免增材制造工件表面质量差、减材加工刀具不可达的问题，通过集成增减材方法可以加工出结构复杂、质量高的零件。
附图说明
图1为本发明增减材集成机械装置图。
图2为本发明混合加工平台框架图。
图3为本发明温控电路图。
图中：1-垫块、2-主轴夹具、3-主轴、4-BC摇篮摆台、5-喷嘴、6-配件、7-滑块、8-导轨。
具体实施方式
以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。
实施例一。
一种基于3+2+1轴的复杂零件增减材集成混合加工方法，它以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现五轴打印与切削，它通过使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，实现打印与切削在同一工作空间内，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的定位在加工前只需一次找正，并且上下可移动，避免了刀具与喷嘴的干涉；本发明能有效避免增材制造工件表面质量差、减材加工刀具不可达的问题，通过集成增减材方法能加工出结构复杂、质量高的零件。其中的导轨机构由主轴夹具2、导轨8和滑块7组成，主轴夹具2固定在主轴3上，导轨8通过垫块1固定在主轴夹具2上，滑块7安装在导轨8上并能在电机控制下沿导轨上下移动并定位，打印挤出机的打印头5安装在配件6上，配件6安装在滑块7上，如图1所示。为了实现小型雕刻机与打印挤出机的有机结构，本发明使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，实现增材加工和减材加工的交替进行，完成混合加工。Mach3是基于winXP或win2000的windows应用软件，它通过并口线来控制机器运行，输入信号是通过并口加在输入上的电压，输出信号是输出脚针上的电压，电压大小的测量是以电脑的0伏线为基准。Mach3主板接受主机信号，通过两种类型控制该机构：
(1)六轴控制：Mach3支持六轴信号，输出的脉冲信号连接步进电机驱动器，最多可驱动六个步进电机同时转动。
(2)变频器控制：输出端提供信号驱动变频器(或直流调速器)进行调速。
Mach3数控系统与其他数控系统操作类似，提供手轮操作(键盘控制)、参数调节功能，并可自己通过修改xml界面文件来定制界面风格与显示模式。Mach3使用的数控程序为普通雕刻机数控程序风格，由G、M、S、F等指令控制。通过Mach3控制板，将并口信号转化为六个轴的脉冲信号输出，每个轴分别提供Step(步进)和Dir(方向)两个信号，通过步进电机驱动器则可直接驱动电机运作。
Mach3控制板在控制六轴运动的同时，还可以通过变频器调节雕刻机主轴的速度，控制切削时的主轴转速。程序中的S指令可通过发送脉冲信号控制输出交流电压频率，从而调整三相电机U、V、W的通电切换速度，进而控制主轴电机的转速。
实施例二。
如图1-3。
一种3+2+1轴增减材集成混合加工平台，它以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现五轴打印与切削，并使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，实现打印与切削在同一工作空间内，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的滑块定位使加工前只需一次找正，并且上下可移动模式避免了刀具与喷嘴的干涉，使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，实现增材加工和减材加工的交替进行，完成混合加工。该平台能有效避免增材制造工件表面质量差、减材加工刀具不可达的问题，通过集成增减材方法可以加工出结构复杂、质量高的零件。
本发明的平台结构为3+2+1轴，控制系统框架如图2所示，是以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现3+2+1的六轴驱动。Mach3分别输出六个脉冲信号step和dir分别控制六个轴的步进与方向，将每个轴的这两个信号接到步进电机驱动器上可驱动步进电机运行，Mach3接口允许最大同时控制六个轴，在混合加工平台中该六轴分别为：X、Y、Z三轴控制雕刻机的X、Y、Z平动轴；B、C两轴控制摇篮摆转动轴；A轴控制3D打印喷嘴结构的送料速度。通过对雕刻机改装对Z轴进行加高，在雕刻机平台上固定B、C摆台，并将A轴送料电机固定在雕刻机上，实现六轴机构。
将增材和减材装置集成的导轨机构如图1所示。导轨机构是用主轴夹具2将主轴3固定住，在主轴夹具2上安装导轨8和滑块7，打印挤出机固定在滑块7下部，通过上下调节滑块7的位置实现打印模式与切削模式的互换。导轨8与主轴夹具2通过一个垫块1连接固定，其连接为螺纹连接。导轨8上有滑块7，可控制滑块7的滑行距离范围，打印挤出机则通过一个配件6(L形连接块)通过螺纹连接在滑块7上，喷嘴5装夹在配件6的下部。当使用打印模式时，将滑块7向下调节到最低点并锁紧即可进行打印工作，此时最低点处打印挤出机的头部比刀具低一定长度，而打印是由底向上的，因此切削刀具不会干涉零件；当使用切削模式时，将滑块调至最上端，此时最高点处打印挤出机与刀柄平齐，因此在切削过程中打印头也不会干涉零件。在增减材交替加工过程中使用该机构，进行频繁换刀工作，无需装卸，即可完成混合加工。
该平台使用Mach3六轴数控系统，Mach3是基于winXP或win2000的windows应用软件，它通过并口线来控制机器运行，输入信号是通过并口加在输入上的电压，输出信号是输出脚针上的电压，电压大小的测量是以电脑的0伏线为基准。Mach3主板接受主机信号，通过两种类型控制该机构：
(1)六轴控制：Mach3支持六轴信号，输出的脉冲信号连接步进电机驱动器，最多可驱动六个步进电机同时转动。
(2)变频器控制：输出端提供信号驱动变频器(或直流调速器)进行调速。
Mach3数控系统与其他数控系统操作类似，提供手轮操作(键盘控制)、参数调节功能，并可自己通过修改xml界面文件来定制界面风格与显示模式。Mach3使用的数控程序为普通雕刻机数控程序风格，由G、M、S、F等指令控制。通过Mach3控制板，将并口信号转化为六个轴的脉冲信号输出，每个轴分别提供Step(步进)和Dir(方向)两个信号，通过步进电机驱动器则可直接驱动电机运作。
Mach3控制板在控制六轴运动的同时，还可以通过变频器调节雕刻机主轴的速度，控制切削时的主轴转速。程序中的S指令可通过发送脉冲信号控制输出交流电压频率，从而调整三相电机U、V、W的通电切换速度，进而控制主轴电机的转速。
打印挤出机结构需要加热材料，将材料加热至熔融状态后挤出，并在空气中迅速冷却成型。给加热块通电后，温度会持续升高，为使温度保持在合理范围之内，需要设计温控系统调节温度。
温控系统的电路图如图3所示，在挤出机的加热块上安装一个热敏电阻，并与任意一个测量电阻串联，与继电器一起接为一个闭合电路，采用单片机测量信号并控制继电器开闭。温控过程如下：
步骤一：将V1、V2接到单片机信号上，通过信号口得到测量电阻两端的电压U’。
步骤二：计算得到热敏电阻两端的电压U，公式如下：
U＝V-U′
其中V为电源电压，U’为测量电阻两端的电压。
步骤三：通过比例关系得到热敏电阻阻值，公式如下：
Figure BDA0001428244780000071
其中R’是测量电阻的阻值。
步骤四：根据选用的热敏电阻的温度-阻值关系表，得到当前阻值下的温度T。对于适合打印的温度范围[T1,T2]，当T＞T2，则控制断开继电器，电路断开则停止升温，温度开始下降；当T＜T1，则控制闭合继电器，电路连接则开始升温。通过此方法可保持温度在期望范围之内。
本发明通过将小型雕刻机和打印挤出机的有机结合，通过数控程序控制五轴X、Y、Z、B、C和喷嘴运动，并通过机械结构转换打印和切削模式，实现增减材交替混合加工，使许多难加工的复杂结构件的加工工作成为可能。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于3+2+1轴的复杂零件增减材集成混合加工方法，其特征是以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现五轴打印与切削，它通过使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，实现打印与切削在同一工作空间内，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的定位在加工前只需一次找正，并且上下可移动，避免了刀具与喷嘴的干涉；所述的导轨机构由主轴夹具（2）、导轨（8）和滑块（7）组成，主轴夹具（2）固定在主轴（3）上，导轨（8）通过垫块（1）固定在主轴夹具（2）上，滑块（7）安装在导轨（8）上并能在电机控制下沿导轨上下移动并定位，打印挤出机的打印头（5）安装在配件（6）上，配件（6）安装在滑块（7）上; 在挤出机的加热块上安装一个热敏电阻，并与任意一个测量电阻串联，与继电器一起接为一个闭合电路，采用单片机测量信号并控制继电器开闭;温控过程如下：
步骤一：将V1、V2接到单片机信号上，通过信号口得到测量电阻两端的电压U’;
步骤二：计算得到热敏电阻两端的电压U，公式如下：
Figure 410107DEST_PATH_IMAGE002
其中V为电源电压，U’为测量电阻两端的电压。
步骤三：通过比例关系得到热敏电阻阻值，公式如下：
Figure 327247DEST_PATH_IMAGE004
其中R’是测量电阻的阻值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，实现增材加工和减材加工的交替进行，完成混合加工。
3.一种3+2+1轴增减材集成混合加工平台，其特征是以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现五轴打印与切削，并使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，实现打印与切削在同一工作空间内，切换加工模式时无需更换刀具和喷嘴，喷嘴的滑块定位使加工前只需一次找正，并且上下可移动模式避免了刀具与喷嘴的干涉，使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，实现增材加工和减材加工的交替进行，完成混合加工；该平台能有效避免增材制造工件表面质量差、减材加工刀具不可达的问题，通过集成增减材方法可以加工出结构复杂、质量高的零件；所述的导轨机构是用主轴夹具将主轴固定住，在主轴夹具上安装导轨和滑块，通过上下调节滑块位置实现打印模式与切削模式的互换；导轨与夹具通过一个垫块连接固定，其连接为螺纹连接；导轨上有滑块，可控制滑块的滑行距离范围，打印挤出机则通过一个配件连接在滑块上，同样为螺纹连接；当使用打印模式时，将滑块向下调节到最低点并锁紧即可进行打印工作，此时最低点处打印挤出机的头部低于刀具切削部位，而打印是由底向上的，因此切削刀具不会干涉零件；当使用切削模式时，将滑块调至最上端，此时最高点处打印挤出机与刀柄平齐，因此在切削过程中打印头也不会干涉零件；在增减材交替加工过程中使用该机构，进行频繁换刀工作，无需装卸，即可完成混合加工；使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动，通过Mach3主板对并口信号进行处理，并控制六轴步进电机进行运动；使用温控电路对当前加热温度进行测量并控制，采用热敏电阻与单片机，设计电路进行测量与反馈，实现固定温度范围加热；在挤出机的加热块上安装一个热敏电阻，并与任意一个测量电阻串联，与继电器一起接为一个闭合电路，采用单片机测量信号并控制继电器开闭;温控过程如下：
步骤一：将V1、V2接到单片机信号上，通过信号口得到测量电阻两端的电压U’;
步骤二：计算得到热敏电阻两端的电压U，公式如下：
Figure 920034DEST_PATH_IMAGE002
其中V为电源电压，U’为测量电阻两端的电压，
步骤三：通过比例关系得到热敏电阻阻值，公式如下：
Figure 315243DEST_PATH_IMAGE004
其中R’是测量电阻的阻值;
步骤四：根据选用的热敏电阻的温度-阻值关系表，得到当前阻值下的温度T，对于适合打印的温度范围[T1, T2]，当T>T2，则控制断开继电器，电路断开则停止升温，温度开始下降；当T<T1，则控制闭合继电器，电路连接则开始升温，通过此方法可保持温度在期望范围之内;
所述的增减材集成混合加工平台以小型雕刻机为基体，以X、Y、Z为三个平动轴，以B、C摇篮摆为转动轴，附加一轴控制挤出机喷嘴送料，实现3+2+1轴的六轴驱动平台，它使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体，以雕刻机为主体，在其上集成3D打印挤出机喷嘴，并可以通过导轨上下调节喷嘴位置，实现增材和减材加工模式的切换。
4.根据权利要求3所述的增减材集成混合加工平台，其特征是该平台可以通过数控程序控制五轴X、Y、Z、B、C运动，并通过机械结构转换打印和切削模式，实现增减材交替混合加工，使许多难加工的复杂结构件的加工工作成为可能。
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