CN113909894A - 一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工装置，包括固定底座、第一立柱、龙门吊、旋转平台、工作台、旋转横梁、联动横梁等；旋转横梁相对于龙门吊横梁水平移动；联动横梁相对于旋转横梁旋转；增材模块和磨削减材模块相对于联动横梁同步水平移动；龙门吊横梁相对于龙门吊立柱上下移动；旋转平台相对于固定底座可旋转移动，至少两个第一立柱分别设置在工作台两端部外侧且固定在旋转平台上方，工作台相对于第一立柱可倾斜运动。本发明具有结构紧凑等优点。

Description

一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工方法及装置

技术领域

本发明涉及桌面型激光加工设备领域，尤其涉及一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工方法及装置。

背景技术

传统激光加工设备中，先进行增材加工，再进行减材加工，增减材加工并不能在同时完成，需要重新进行上下料操作和重新定位，虽然目前有部分增减材复合设备，但是各工位之间存在干涉问题，导致增减材复合设备具有一定的局限性。

随着我国制造业的快速发展，新型机械装备的定制化需求与日俱增，各类零部件的结构一体化及结构复杂化程度不断提高。同时，在高性能复杂零部件加工方面，也相应提出了定制化、高精度、高效率、低成本、低能耗以及集成化和一体化等诸多要求。这给增/减材复合制造技术提供了广阔的发展平台和技术改进空间。

为了进一步提高增材成形零部件的加工精度和表面质量，增/减材复合制造设备的减材过程中需设置磨削加工环节。并且，磨削加工时将会产生大量的磨屑，在传动系统密封性能不足的情况下，设备的滚珠丝杠、导杆等关键传动部件容易堆积磨屑而被严重磨损(此时磨屑充当磨粒的作用)，严重影响设备后续的工作精度及设备传动系统的使用寿命。

现有的桌面型增/减复合制造设备缺乏对激光增材过程中惰性气体起保护作用的考虑。目前，较大比例的高性能复杂零部件均由金属材料制成，而金属材料在激光增材快速成形的过程中对特定气体环境的防氧化要求相对较高。所以当工件原料采用金属材料时，缺乏激光增材过程中惰性气体的保护将容易导致金属材料发生氧化，从而影响金属材料的成形质量，因此适用范围窄，不适用金属材料加工。另外在磨削减材加工时，飞溅的金属材料会产生对操作人员的安全隐患。现有的增/减材复合制造设备的增材加工装备，往往仅针对某一特定或指定材料的成形制造，缺乏对复合材料零件的考虑。特别是减材加工环节，其实是极具多样性和多元化综合发展的。通常，减材加工部分往往只针对材料成型过程中某一个面的切削(以铣削为主)加工。对于部分复杂零件，在对其增/减材加工后还需进一步磨削，而其减材功能却并不齐全，因而在特殊工况下减材加工柔性较低。尤其是零件呈不规则形状且高度不一致时，无法同步进行增减材加工，需要将增材加工和减材加工分开进行，增加了重复定位的时间和工序，生产效率低。综上所述，目前增/减材复合制造技术与装备设计仍存在较多缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工方法及装置，该装置结构紧凑、加工方式多样且灵活可变，布局合理可实现增/减材多工位同步加工互不干涉，充分考虑了传动系统运行全过程以及增/减材加工全过程的可靠性与安全性问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工装置，包括固定底座、第一立柱、龙门吊、增材模块、旋转平台、磨削减材模块、工作台、第一连接件、联动横梁、旋转横梁；所述龙门吊包括龙门吊横梁和龙门吊立柱，龙门吊立柱位于龙门吊横梁两端且固定于固定底座上；所述龙门吊立柱内设有用于驱动龙门吊横梁上下移动的第一驱动机构；所述旋转平台安装于固定底座上，所述固定底座内设有用于驱动旋转平台旋转的第二驱动机构；所述旋转横梁设置于龙门吊横梁下方，所述龙门吊横梁内设有第三驱动机构，所述旋转横梁在第三驱动机构的驱动下相对于龙门吊横梁水平移动；所述联动横梁设置于旋转横梁下方，所述旋转横梁内设有第四驱动机构，所述第四驱动机构用于驱动联动横梁相对于旋转横梁旋转；所述增材模块和磨削减材模块设置于联动横梁下方，所述联动横梁内设有第六驱动机构，所述第六驱动机构用于驱动增材模块和磨削减材模块相对于联动横梁同步水平移动，且所述增材模块和磨削减材模块分别对工作台上的工件进行增材加工和减材加工；至少两个所述第一立柱分别设置在工作台两端部外侧且固定于旋转平台上方，所述第一立柱通过第一连接件与工作台的端部连接；所述第一立柱内设有用于驱动工作台端部上下移动的第五驱动机构，工作台不同端部向上或向下移动的位移不相等，使工作台倾斜。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第二驱动机构包括连接轴承和第二驱动电机，所述固定底座开设有贯穿固定底座上下表面的回转孔，所述回转孔周向外侧上部设有圆凸台；所述旋转平台包括上圆台盖和垂直连接于上圆台盖下方的下回转杆，所述上圆台盖盖设于圆凸台上，所述下回转杆插入回转孔内，所述连接轴承内圈套设于下回转杆外壁，所述连接轴承外圈与回转孔侧壁连接配合，所述第二驱动电机驱动下回转杆旋转以带动上圆台盖旋转。

所述上圆台盖下底面周向设有上半槽，所述圆凸台上表面周向设有下半槽，所述上半槽和下半槽相配合组成滑动轨道，所述滑动轨道内设有多个滑动滚珠。

所述第一连接件包括球销座、球头销、连接杆，所述球销座一端与工作台一端部连接，另一端与球头销连接配合，所述连接杆套设于球头销外，所述第五驱动机构与连接杆连接。

所述第五驱动机构包括第五驱动电机、第五支撑座、第五滚珠丝杠和第五丝杠连接件，所述第五滚珠丝杠竖直设置，所述第五驱动电机用于驱动第五滚珠丝杠旋转，所述第五支撑座支撑在第五滚珠丝杠两端，所述第五丝杠连接件套设在第五滚珠丝杠外，所述第五丝杠连接件自第一立柱内延伸至第一立柱外并与第一连接件连接；所述第一立柱在靠近工作台一侧开设有前槽，所述第五丝杠连接件穿过前槽与连接杆铰接，所述第五滚珠丝杠与前槽错位设置。

所述第六驱动机构包括第六驱动电机、第六支撑座、第六滚珠丝杠和联轴器，两个旋转方向相反的第六滚珠丝杠水平设置并且通过联轴器连接，所述第六驱动电机用于驱动第六滚珠丝杠旋转，所述第六支撑座支撑在第六滚珠丝杠端部，增材模块和磨削减材模块分别连接于两第六滚珠丝杠上。

所述磨削减材模块包括砂轮立柱、位于砂轮立柱外且用于铣削或磨削工件侧面的小砂轮，以及位于砂轮立柱内的砂轮电机、砂轮摆动轴和砂轮摆动柱，所述砂轮电机驱动水平设置的砂轮摆动轴转动以带动小砂轮摆动，所述砂轮摆动柱上下两端分别与砂轮摆动轴、小砂轮连接。

所述旋转横梁开设有贯通旋转横梁上下表面的旋转腔，所述旋转腔底部周向水平设有悬挂固定环；所述第四驱动机构包括圆盘锥齿轮、主动圆锥齿轮、悬挂架和滚动轴承以及第四驱动电机，所述悬挂架放置于悬挂固定环上，所述悬挂架外壁通过滚动轴承与旋转腔内壁配合连接，所述圆盘锥齿轮固定于悬挂架上并与主动圆锥齿轮相配合，所述第四驱动电机驱动主动圆锥齿轮旋转带动悬挂架旋转，联动横梁固定于悬挂架下部。

所述悬挂架包括悬挂支撑部，在所述悬挂支撑部上、下表面分别设有上支撑圆台部和下支撑圆台部，所述联动横梁固定于下支撑圆台部底部所述，圆盘锥齿轮的内孔套设于上支撑圆台部外并固定，所述悬挂支撑部放置于悬挂固定环上，所述悬挂支撑部外壁通过滚动轴承与旋转腔内壁配合，实现了悬挂架的转动。

所述磨削减材模块还包括两互相啮合传动的圆锥齿轮，其中一圆锥齿轮固定于砂轮摆动轴上，所述砂轮电机驱动其中一圆锥齿轮转动带动砂轮摆动轴转动。

所述砂轮摆动轴两端固定在砂轮立柱内侧壁上。

所述砂轮立柱侧壁设有便于维修的置物口和置物门，置物门用于打开关闭置物口。

所述增材模块包括激光头、送丝头，送丝头将原料送至激光头下方熔化，所述激光头的激光发射方向垂直于工作台上表面且与送丝头的送丝方向呈夹角α，满足0＜α＜90°。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种前述的轴线可变回转体的增减材双工位同步加工装置的加工方法，包括以下步骤

将工件放置于工作台上，开启增材模块发射激光在工件表面产生熔池，将原料送至增材模块下并在激光的作用下于熔池处熔化并固化在工件上，开启磨削减材模块同步对固化后的工件侧面进行减材加工，改变工作台上工件和增材模块、磨削减材模块的相对位置，达到预设厚度层后，向上移动增材模块，开始下一厚度层的增材加工；

所述改变工作台上工件和增材模块、磨削减材模块的相对位置包括以下方式：

方式A：开启第五驱动机构驱动工作台倾斜；

方式B：开启第六驱动机构驱动增材模块和磨削减材模块同步水平移动；

方式C：开启第二驱动机构驱动旋转平台旋转；

方式D：开启第四驱动机构驱动联动横梁旋转运动；

方式E：开启第三驱动机构驱动旋转横梁水平移动；

所述减材加工具体包括：旋转磨削减材模块的小砂轮至与工件侧面贴合对工件进行侧面磨削；所述向上移动增材模块的具体步骤包括：开启龙门吊立柱内的第一驱动机构带动龙门吊横梁向上移动。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过工作台倾斜运动，龙门吊横梁的上下移动，旋转横梁的水平移动，联动横梁的旋转运动，增材模块和减材模块的同步水平运动，旋转平台的旋转运动带动工作台旋转，从而满足复杂零件多方位加工的要求，可加工各种具有不同形态曲面的复杂零件，尤其是轴线可变回转体，并通过磨削减材模块的砂轮轴摆动实现小砂轮的转动，在磨削减材模块的转动下可实现对任意角度的零件侧壁贴合，解除了复杂结构零件对传统磨削工艺的束缚，进一步提高了装备的生产柔性。

2、本发明设计了尺寸性能合适的气密性防护罩即外罩，注重装备整体的气密性与防护性，在完全不影响传动系统稳定性的同时确保装置整体的气密性，可适用于包括金属材料在内的各类可激光增材加工的材料零部件的成形加工，具备了针对多元化加工对象极强的工作适应能力，极大地拓展了该款设备装置的工作业务范围。外罩隔绝外界环境，且可形成负压状态的保护气体环境，在防止材料高温氧化的同时，保护操作人员安全。

3、本装置为一次安装增减材同步加工，相比与传统的多工位加工方式而言，本装备省去了多次拆卸与安装工件，以及人工搬运工件等步骤，极大地缩短了工作时间，提高了工作效率，降低了时间成本与人工成本。

4、本装置采用桌面型设计，整体结构较小，占据空间有限，在工作中可以节省大量的位置空间，同时该装备较高的便携性与灵活性也由此凸显，可以在生产中实现较大的普及。

5、本装置在工作中，各加工部件的工作移动路径较短，因而缩短了整体的加工流程，进一步缩短工件的生产周期，提高了生产效率。在短流程、短周期的加工优势下，装备在生产单个零件所消耗的能量也随着生产周期的减少而同步减少，因此零件生产过程中的能耗周期也相应缩短，间接性地达到低能耗、低排放的要求。

6、本装置由于增材模块和磨削减材模块等都是模块化装置，更换与维护较为简便。本装置采用旁轴送丝激光熔融增材制造技术(增材模块具有送丝头和激光头，并且送丝头和激光头具有夹角)与砂轮磨削技术相(磨削减材模块的小砂轮等)复合，生产柔性高，与当前制造业中应用广泛的混流装配线有极高的契合度。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构图。

图2是拆除外罩零件后的装置主体结构示意图。

图3是龙门吊横梁内驱动机构与旋转横梁的连接结构示意图。

图4是旋转横梁内驱动机构的结构示意图(移除齿轮保护罩)。

图5是旋转横梁俯视图(移除横梁盖等零件)。

图6是图5中A-A线的剖视图(新增齿轮保护罩)。

图7是悬挂架的结构示意图。

图8是悬挂架的俯视图。

图9是图8中B-B线的剖视图。

图10是旋转横梁的结构示意图。

图11是旋转横梁、联动横梁和增减材模块的结构示意图。

图12是增减材模块和联动横梁内第六驱动机构的连接示意图。

图13是磨削减材模块的结构示意图。

图14是磨削减材模块的结构示意图(移除砂轮立柱)。

图15是增材模块的结构示意图。

图16是龙门吊横梁及第五驱动机构的连接示意图。

图17是龙门吊立柱内第五驱动机构的安装示意图。

图18是龙门吊横梁内结构示意图。

图19是固定底座、旋转平台及旋转平台上方零件的结构示意图。

图20是固定底座、旋转平台的结构示意图。

图21是图20中C-C线剖视图。

图22是固定底座内第二驱动机构的结构示意图。

图23是第二驱动机构的结构示意图。

图24是固定底座的结构示意图。

图25固定底座的半剖视图。

图26是旋转平台的半剖视图。

图27是固定支撑座及其上零件的结构示意图。

图28是固定支撑座及其上零件的主视图(移除第一立柱的立柱盖)。

图29是固定支撑座及其上零件的俯视图。

图30是图29中D-D线剖视图。

图31是图30中E处的局部放大图。

图32是第一连接件的爆炸分解图。

图33是工作台的结构示意图。

图34是本发明能一次性加工成形的零件结构示意图。

图中各标号表示：1、固定底座；101、回转孔；102、圆凸台；1021、下半槽；2、外罩；3、第一立柱；4、龙门吊；41、龙门吊横梁；411、分隔支撑板；412、水平驱动安装孔；413、条形槽；42、龙门吊立柱；43、第三驱动机构；431、第三电机；432、第三支撑座；433、第三水平滚珠丝杠；434、第三丝杠连接件；5、工作台；51、延伸杆；6、固定支撑座；7、增材模块；71、激光头；72、送丝头；73、激光接头；74、增材滑块；75、激光立柱；8、磨削减材模块；81、小砂轮；82、砂轮立柱；821、楔形槽；84、立柱接头；85、砂轮电机；86、砂轮摆动轴；87、砂轮摆动柱；88、圆锥齿轮；89、减材滑块；9、旋转平台；901、下回转杆；902、上圆台盖；9021、上半槽；10、滑动滚珠；11、第二驱动机构；111、连接轴承；112、轴承挡板；113、从动轮；114、主动轮；115、第二驱动电机；17、第一驱动机构；171、第一驱动电机；172、第一支撑座；173、第一滚珠丝杠；174、第一丝杠连接件；18、第六驱动机构；181、第六驱动电机；182、第六支撑座；183、第六滚珠丝杠；184、联轴器；19、第五驱动机构；191、第五驱动电机；192、第五支撑座；193、第五滚珠丝杠；194、第五丝杠连接件；20、第一连接件；201、球销座；202、球头销；203、连接杆；22、第四驱动机构；221、圆盘锥齿轮；222、主动圆锥齿轮；223、第四驱动电机；224、悬挂架；2241、悬挂支撑部；2242、上支撑圆台部；2243、下支撑圆台部；22431、横梁凹槽；225、滚动轴承；23、送丝模块；231、送丝大辊筒；232、大辊筒支架；24、齿轮保护罩；26、定料机构；261、小辊筒；262、小辊筒支架；27、联动横梁；30、旋转横梁；301、旋转腔；302、固定腔；303、悬挂固定环。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

实施例1：

如图1至33所示，本发明的一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工装置,包括固定底座1、第一立柱3、龙门吊4、增材模块7、旋转平台、磨削减材模块8、工作台5、第一连接件20、联动横梁27、旋转横梁30；龙门吊4包括龙门吊横梁41和龙门吊立柱42，龙门吊立柱42位于龙门吊横梁41两端且固定于固定底座1上；龙门吊立柱42内设有用于驱动龙门吊横梁41上下移动的第一驱动机构17；旋转平台9安装于固定底座1上，固定底座1内设有用于驱动旋转平台9旋转的第二驱动机构11；旋转横梁30设置于龙门吊横梁41下方，龙门吊横梁41内设有第三驱动机构43，旋转横梁30在第三驱动机构43的驱动下相对于龙门吊横梁41水平移动；联动横梁27设置于旋转横梁30下方，旋转横梁30内设有第四驱动机构22，第四驱动机构22用于驱动联动横梁27相对于旋转横梁30旋转；增材模块7和磨削减材模块8设置于联动横梁27下方，联动横梁27内设有第六驱动机构18，第六驱动机构18用于驱动增材模块7和磨削减材模块8相对于联动横梁27同步水平移动，且增材模块7和磨削减材模块8分别对工作台5上的工件进行增材加工和减材加工；至少两个第一立柱3分别设置在工作台5两端部外侧且固定于旋转平台9上方，第一立柱3通过第一连接件20与工作台5的端部连接；第一立柱3内设有用于驱动工作台5端部上下移动的第五驱动机构19，工作台5不同端部向上或向下移动的位移不相等，使工作台5倾斜。

本发明中，通过第一立柱3内第五驱动机构19带动工作台5端部向上或向下移动，第五驱动机构19分别控制工作台5不同端部的位移，当位移不相等时，工作台5发生倾斜。

本发明采用联动横梁27集成增材模块7和磨削减材模块8，工作台5倾斜运动，旋转横梁30的水平移动，联动横梁27带动增材模块7和磨削减材模块8的旋转运动，旋转平台9的旋转运动带动工作台5旋转，将增材模块7和磨削减材模块8旋转至工件的任意方位，配合增材模块7和磨削减材模块8的同步水平移动，从而满足复杂零件多方位加工的要求，可加工各种具有不同形态曲面的复杂零件，尤其是轴线可变回转体。联动横梁27上的增材模块7、磨削减材模块8均能沿联动横梁27移动，大大放宽了工作模块的自由度，提高了整体装备的生产柔性。

如图4所示，第三驱动机构43包括第三电机431、第三支撑座432、第三水平滚珠丝杠433和第三丝杠连接件434，第三电机431用于驱动第三水平滚珠丝杠433转动，第三水平滚珠丝杠433通过第三支撑座432支撑于龙门吊横梁41内，旋转横梁30通过第三丝杠连接件434与第三水平滚珠丝杠433连接。如图18所示，本实施例中，龙门吊横梁41中空且设有水平驱动安装孔412，水平驱动安装孔412通过一竖直设置的分隔支撑板411分离成两部分，启动第三电机431时，旋转横梁30在第三水平滚珠丝杠433的带动下水平移动。龙门吊横梁41在靠近旋转横梁30一侧开设有条形槽413，条形槽413与第三水平滚珠丝杠433错位设置，防止磨屑直接黏附到第三水平滚珠丝杠433上影响传动。

如图4-10所示，旋转横梁30包括开设有贯通旋转横梁30上下表面的旋转腔301和与旋转腔301相连通的固定腔302，旋转腔301底部周向水平设有悬挂固定环303；第四驱动机构22包括位于旋转腔301内的圆盘锥齿轮221、主动圆锥齿轮222、悬挂架224和滚动轴承225，以及位于固定腔302内的第四驱动电机223，悬挂架224放置于悬挂固定环303上，悬挂架224外壁通过滚动轴承225与旋转腔301内壁配合连接，圆盘锥齿轮221固定于悬挂架224上并与主动圆锥齿轮222相配合，第四驱动电机223驱动主动圆锥齿轮222旋转带动悬挂架224旋转，联动横梁27固定于悬挂架224下部。

如图7-9所示，悬挂架224包括悬挂支撑部2241，在悬挂支撑部2241上、下表面分别设有上支撑圆台部2242和下支撑圆台部2243，联动横梁27固定于下支撑圆台部2243底部，圆盘锥齿轮221的内孔套设于上支撑圆台部2242外并固定，悬挂支撑部2241放置于悬挂固定环303上，悬挂支撑部2241外壁通过滚动轴承225与旋转腔301内壁配合，实现了悬挂架224的转动，减小滑动摩擦。在下支撑圆台部2243设有用于放置固定联动横梁27的横梁凹槽22431，方便进行拆卸维护。

如图4-6所示，旋转腔301还设有送丝模块23，送丝模块23包括送丝大辊筒231和大辊筒支架232，大辊筒支架232位于送丝大辊筒231两端且固定于圆盘锥齿轮221腹板上。送丝模块23用于储存代加工材料丝，并在工作时同步输送。本实施例中，送丝大辊筒231对称布置在龙门吊横梁41内，保证送丝在旋转圆盘锥齿轮221时不会缠绕的，并且可相互抵消离心力。本实施例中，在悬挂架224上开设有通孔，送丝模块23将丝材送至通孔并达到增材模块7处进行增材加工。

如图4所示，本实施例中，旋转腔301内还设有齿轮保护罩24，齿轮保护罩24位于送丝模块23和圆盘锥齿轮221的齿轮部之间，将送丝模块23和圆盘锥齿轮221的齿轮部隔离开，并且齿轮保护罩24下端位于圆盘锥齿轮221的辐板上，上端抵触于横梁盖上，能稳定圆盘锥齿轮221。

如图10所示，旋转腔301位于旋转横梁30正中间呈圆盘型，通过旋转横梁30一侧的第四驱动电机223驱动旋转横梁30的旋转腔301中的圆盘锥齿轮221转动，利用滚动轴承225将悬挂架224和旋转腔301内壁连接，使悬挂架224下方的增材模块7、磨削减材模块8相对龙门吊横梁41以Z轴为中心转动。

如图16、17所示，第一驱动机构17包括第一驱动电机171、第一支撑座172、第一滚珠丝杠173、第一丝杠连接件174，第一滚珠丝杠173竖直设置，第一驱动电机171用于驱动第一滚珠丝杠173旋转，第一支撑座172支撑在第一滚珠丝杠173端部，第一丝杠连接件174套设在第一滚珠丝杠173外，第一丝杠连接件174自龙门吊立柱42内延伸至龙门吊立柱42外并与龙门吊横梁41端部连接。

通过龙门吊立柱42内的第一滚珠丝杠173来控制龙门吊横梁41在Z轴方向的移动。龙门吊横梁41在两侧第一丝杠连接件174的固定和带动作用下带着增材模块7和磨削减材模块8在Z轴方向上下移动。本实施例中，第一驱动机构17位于龙门吊立柱42上半部分，第一驱动电机171为伺服电机，分别驱动两根第一滚珠丝杠173。在龙门吊立柱42上半部分开设有立柱内孔，第一驱动机构17位于立柱内孔内，龙门吊立柱42在靠近龙门吊横梁41一侧开设有供第一丝杠连接件174通过的前槽，前槽与立柱内孔相连通，并且前槽与第一滚珠丝杠173错位设置，防止磨屑直接进入前槽影响第一驱动机构17的传动。立柱内孔由水平设置的隔离板分隔成两部分，一部分容纳第一驱动电机171，另一部分容纳第一驱动机构17的其他重要零件。

如图12所示，第六驱动机构18包括第六驱动电机181、第六支撑座182、第六滚珠丝杠183、第六丝杠螺母和联轴器184，两个旋转方向相反的第六滚珠丝杠183水平设置并且通过联轴器184连接，第六驱动电机181用于驱动第六滚珠丝杠183旋转，第六支撑座182支撑在第六滚珠丝杠183端部，两个第六丝杠螺母分别套设在第六滚珠丝杠183外，第六丝杠螺母分别与增材模块7和磨削减材模块8连接。

在其他实施例中，增材模块7和磨削减材模块8共用同一联动横梁27的相同第六驱动机构18。当启动第六驱动电机181时，增材模块7和磨削减材模块8相互靠近或远离，整体上是相向或相对运动。每一个第六驱动机构18包括一第六滚珠丝杠183，增材模块7与磨削减材模块8分别装配在两旋转方向相反的第六滚珠丝杠183上，第六滚珠丝杠183包括两水平丝杠，联轴器184为弹性联轴器，增材模块7和磨削减材模块8分别通过第六丝杠螺母安装于两水平丝杠上，两第六丝杠螺母旋向方向相反(第六丝杠螺母与各自所属水平丝杠的旋向相同)。第六驱动电机181驱动其中一水平丝杠旋转，通过弹性联轴器将扭矩传递到另一水平丝杠上。当第六驱动电机181正转，水平丝杠上的两第六丝杠螺母就会逐渐靠近；当第六驱动电机181反转，水平丝杠上的两第六丝杠螺母就会逐渐远离。龙门吊横梁41内通过第六驱动电机181与水平丝杠传动连接，控制两个反向配合的第六丝杠螺母往相反方向移动，实现增材模块7与磨削减材模块8的联动效果。

在其他实施例中，在同一联动横梁27上采用两第六驱动电机181分别驱动增材模块7和磨削减材模块8，两第六驱动机构18的第六滚珠丝杠183旋转方向相反且并没有联轴器184，通过联动横梁27内的第六驱动电机181来控制增材模块7或磨削减材模块8在水平方向的移动。一个联动横梁27内配有两组第六驱动机构18分别用于控制增材模块7和磨削减材模块8，相对于采用相同第六驱动机构18同时驱动增材模块7、磨削减材模块8，两组第六驱动机构18降低了每根第六滚珠丝杠183的承受力，并加强了工作当中的定位准确性与稳定性。

如图15所示，增材模块7包括激光头71、送丝头72，送丝头72将原料送至激光头71下方熔化，激光头71的激光发射方向垂直于工作台5上表面且与送丝头72的送丝方向呈夹角α，满足0＜α＜90°。

增材模块7还包括激光接头73、增材滑块74和激光立柱75，增材滑块74与第六滚珠丝杠183连接配合，激光接头73连接于增材滑块74和激光立柱75之间，激光头71、送丝头72位于激光立柱75下方。在本实施例中，增材滑块74设有通孔，通孔内壁设有螺纹，增材滑块74直接套设在第六滚珠丝杠183上，增材滑块74自第六滚珠丝杠183穿过联动横梁27与激光接头73连接。

如图15所示，在送丝头72入料口上方设有定料机构26，定料机构26包括小辊筒支架262和两小辊筒261，两小辊筒261支撑于小辊筒支架262上，用于定位原料丝材。并且定料机构26的小辊筒261中间设置与丝材尺寸相当的圆凹槽，增强精确度。

激光头71的激光发射方向(激光发射方向垂直于复合工作平台上表面)和送丝头72的送丝方向呈一定夹角α，激光发射方向与送丝方向的夹角α为45°(其他实施例中，0＜α＜90°均可取得相同或相似的技术效果)，当激光发射器发射激光在工件表面产生熔池时，送丝模块23同步送丝，将材料送入熔池，提高了加工效率，实现增材加工时同步送丝。在送丝头72上布置小辊筒261，并且小辊筒261中间设置与丝材相当的圆凹槽，增强精确度，两小辊筒261下方的送丝头72上方开设有供原料丝材通过的送丝孔。

本发明通过工作台5的倾斜运动，增材模块7和磨削减材模块8的同步水平运动，旋转横梁30的水平移动，联动横梁27的旋转运动，以及增材模块7中激光头71和送丝头72角度α调节的合理配合，增材模块7和磨削减材模块8仅需在龙门吊横梁41上进行较短距离的水平移动(两模块之间即可执行同步联动也可执行各自的独立运动，其相对运动的方式非常灵活)，即可有效实现复杂结构件的增材与减材两工位(两工位保持半个回转体旋转周期的间距，无需额外的工位调整)的实时同步加工。同步加工方式不仅可以灵活高效地完成复杂结构件的内、外两侧表面的高精度减材加工，而且在合理的多自由度独立控制的运动配合与传动布置设计之下，严格控制了装备整体的质心高度以提高稳定性，基本实现了两工位的无间隙融合，节省了大量用于工位转换所需的工时与能耗，进一步缩短了加工流程和生产周期，突显了多工位一体化同步复合加工方法的短流程与近净成形优势。

如图13、14所示，磨削减材模块8包括砂轮立柱82、位于砂轮立柱82外且用于铣削或磨削工件侧面的小砂轮81，以及位于砂轮立柱82内的砂轮电机85、砂轮摆动轴86和砂轮摆动柱87，砂轮电机85驱动水平设置的砂轮摆动轴86转动以带动小砂轮81摆动，砂轮摆动柱87上下两端分别与砂轮摆动轴86、小砂轮81连接。

磨削减材模块8还包括立柱接头84、两互相啮合传动的圆锥齿轮88和减材滑块89，减材滑块89与第六滚珠丝杠183连接，立柱接头84上端与减材滑块89连接，立柱接头84下端与砂轮立柱82连接，砂轮电机85与其中一圆锥齿轮88同轴，另一圆锥齿轮88通过横向设置的砂轮摆动轴86与砂轮立柱82固定连接，砂轮摆动轴86与砂轮摆动柱87垂直连接，砂轮摆动柱87下端与小砂轮81连接，由此，通过驱动砂轮摆动轴86以实现小砂轮81的摆动，增强对曲面的铣削精度，以迎合工件侧面角度进行磨削加工。

减材滑块89设有通孔，通孔内壁设有螺纹，直接套设在第六滚珠丝杠183外，减材滑块89自第六滚珠丝杠183穿过联动横梁27与立柱接头84连接。砂轮立柱82底部开成楔形槽821，即保证小砂轮81的旋转又起到一定的密封作用。

激光立柱75、砂轮立柱82为模块化设计，安装、维护和更换都比较方便。

如图19至26所示，第二驱动机构11包括连接轴承111和第二驱动电机115，固定底座1的上表面开设有回转孔101，回转孔101周向外侧设有圆凸台102；旋转平台9包括上圆台盖902和垂直连接于上圆台盖902下方的下回转杆901，上圆台盖902盖设于圆凸台102上，下回转杆901插入回转孔101内，连接轴承111内圈套设于下回转杆901外壁，连接轴承111外圈与回转孔101侧壁连接配合，第二驱动电机115驱动下回转杆901旋转以带动上圆台盖902旋转。

旋转平台9上方的加工空间与固定底座1下方的传动空间，通过上圆台盖902和圆凸台102的插入式交叉错位的配合方式，实现密封性分隔，通过不干涉系统部件运动的传动系统密封性设计，有效避免了因加工中产生的各类碎屑的渗入、堆积而导致精密传动零部件的非正常磨损，进而确保了装备服役期的加工精度与有效服役寿命。上圆台盖902的驱动部分的主动轮114和从动轮113均采用圆锥齿轮进行传动配合，传动精度和可控性较高。

本实施例中，旋转平台9设置于固定底座1中心位置，固定底座1包括上表面和设置于上表面外侧下方的侧面，从动轮113、主动轮114、第二驱动电机115安装于固定底座1上表面和侧面围成的空间内，即从动轮113、主动轮114、第二驱动电机115安装于固定底座1上表面下方，从动轮113位为盘形锥齿轮，主动轮114为锥齿轮，第二驱动电机115为伺服电机，通过伺服电机与锥齿轮的啮合传动，达到控制旋转平台9旋转的目的。

本实施例中，旋转平台9的下回转杆901在连接轴承111和从动轮113之间设有轴承挡板112，轴承挡板112固定在固定底座1上。

上圆台盖902下底面周向设有上半槽9021，圆凸台102上表面周向设有下半槽1021，上半槽9021和下半槽1021相配合组成滑动轨道，滑动轨道内设有多个滑动滚珠10。上圆台盖902和圆凸台102的相对转动，采用滑动滚珠10在滑动轨道内滑动实现低运动阻力配合。本实施例中，滑动轨道的内圆侧比外圆侧略低，并且滑动轨道与滑动滚珠10啮合，圆凸台102与上圆台盖902之间为滚动摩擦，减小摩擦力，从而降低了能耗，提高了精度，并且，此设计使得旋转平台9上方的加工空间与旋转平台9下方的传动空间相隔离，磨削粉尘不能进入传动空间，密封性能大大提高。

如图27至33所示，第一连接件20包括球销座201、球头销202、连接杆203，球销座201一端与工作台5一端部连接，另一端与球头销202连接配合，连接杆203套设于球头销202外，第五驱动机构19与连接杆203连接。本实施例中，连接杆203采用弹性材料制成，可沿长度方向弹性延伸，与球头销202螺纹连接。

如图33所示，工作台5至少两端部设有延伸杆51，延伸杆51与球销座201连接。本实施例中，含有四个第一立柱3，每个第一立柱3内均设有分别用于驱动工作台5四个端部的第五驱动机构19，第五驱动机构19各自独立驱动对应工作台5延伸杆51，通过不同延伸杆51在高度方向上不同距离的移动，使工作台5倾斜不同角度。在其他实施例中，可根据零件的复杂程度，工作台5设置不同数量的延伸杆51达到倾斜角度的不同。

本实施例中，通过一固定支撑座6固定于旋转平台9上，第一立柱3底部与固定支撑座6连接固定，工作台5间隔设置于固定支撑座6上，一方面防止旋转平台9尺寸过小，不足以放置多个第一立柱3以及工作台5，突破了旋转平台9尺寸的限制，另一方面便于整体替换不同大小的第一立柱3和工作台5。

如图28所示，第五驱动机构19包括第五驱动电机191、第五支撑座192、第五滚珠丝杠193和第五丝杠连接件194，第五滚珠丝杠193竖直设置，第五驱动电机191用于驱动第五滚珠丝杠193旋转，第五支撑座192支撑在第五滚珠丝杠193两端，第五丝杠连接件194套设在第五滚珠丝杠193外，第五丝杠连接件194自第一立柱3内延伸至第一立柱3外并与第一连接件20连接。本实施例中，第一立柱3在靠近工作台5一侧开设有立柱前槽，立柱前槽用于供第五丝杠连接件194穿过，立柱前槽与第一立柱3内孔相连通，且立柱前槽与第五滚珠丝杠193错位设置，防止磨屑影响第五驱动机构19的传动。第五丝杠连接件194与连接杆203铰接。

通过第一立柱3内的第五滚珠丝杠193来控制工作台5各端部在Z轴方向的移动，通过不同端部在Z轴方向的移动距离不同，实现工作台5的倾斜运动。在第五丝杠连接件194的固定和带动作用下带着工作台5各端部在Z轴方向上下移动。本实施例中，第五驱动电机191为伺服电机，驱动第五滚珠丝杠193。在第一立柱3内开设有内孔，第五驱动机构19位于内孔内，第一立柱3在靠近工作台5一侧开设有供第五丝杠连接件194通过的前槽，前槽与内孔相连通，并且前槽与第五滚珠丝杠193错位设置，防止磨屑直接进入前槽影响第五驱动机构19的传动。内孔由水平设置的隔离板分隔成两部分，一部分容纳第五驱动电机191，另一部分容纳第五驱动机构19的其他重要零件。

如图1所示，装置还包括外罩2，外罩2固定于固定底座1上，并将工作台5、磨削减材模块8、增材模块7、龙门吊4与外界分隔。本实施例中，固定底座1上方罩设有外罩2，外罩2上开设有置物口，置物口上安装有可关闭和打开置物口的置物门。本实施例中，外罩2为透明罩，便于观察核心部件的工作状况，另一方面，外罩2用于密封保护核心部件，隔绝装备内工作环境与外部环境，提高加工质量以及操作人员安全性。

外罩2开设有进气孔和出气孔，用于将外罩2内抽真空或通入保护气体。本实施例中，进气孔和出气口分别相对设置于外罩2的侧壁上且分别靠近外罩2的上部和下部设置。一般惰性气体或者二氧化碳等保护气体都是比空气重的，进气口在下部，出气孔在上部，在加工过程是保持慢速进气的，外罩2内是负高压状态。

一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工装置的加工方法，包括以下步骤：

将工件放置于工作台5上，开启增材模块7发射激光在工件表面产生熔池，将原料送至增材模块7下并在激光的作用下于熔池处熔化并固化在工件上，开启磨削减材模块8同步对固化后的工件侧面进行减材加工，改变工作台5上工件和增材模块7、磨削减材模块8的相对位置，达到预设厚度层后，向上移动增材模块7，开始下一厚度层的增材加工；

改变工作台5上工件和增材模块7、磨削减材模块8的相对位置包括以下方式：

方式A：开启第五驱动机构19驱动工作台5倾斜；

方式B：开启第六驱动机构18驱动增材模块7和磨削减材模块8同步水平移动；

方式C：开启第二驱动机构11驱动旋转平台9旋转；

方式D：开启第四驱动机构22驱动联动横梁27旋转运动；

方式E：开启第三驱动机构43驱动旋转横梁30水平移动；

减材加工具体包括：旋转磨削减材模块8的小砂轮81至与工件侧面贴合对工件进行侧面磨削；向上移动增材模块7的具体步骤包括：开启龙门吊立柱42内的第一驱动机构17带动龙门吊横梁41向上移动。

本发明能一次性加工多轴线及轴线可变类回转体，或中心轴线为曲线的回转体，典型零件图如图34所示，图34(a)为典型零件的立体结构示意图，图34(b)为典型零件的主视图，图34(c)为典型零件的仰视图。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种轴线可变回转体的增减材双工位同步加工装置,其特征在于：包括固定底座(1)、第一立柱(3)、龙门吊(4)、增材模块(7)、旋转平台(9)、磨削减材模块(8)、工作台(5)、第一连接件(20)、联动横梁(27)、旋转横梁(30)；

所述龙门吊(4)包括龙门吊横梁(41)和龙门吊立柱(42)，龙门吊立柱(42)位于龙门吊横梁(41)两端且固定于固定底座(1)上；所述龙门吊立柱(42)内设有用于驱动龙门吊横梁(41)上下移动的第一驱动机构(17)；

所述旋转平台(9)安装于固定底座(1)上，所述固定底座(1)内设有用于驱动旋转平台(9)旋转的第二驱动机构(11)；

所述旋转横梁(30)设置于龙门吊横梁(41)下方，所述龙门吊横梁(41)内设有第三驱动机构(43)，所述旋转横梁(30)在第三驱动机构(43)的驱动下相对于龙门吊横梁(41)水平移动；

所述联动横梁(27)设置于旋转横梁(30)下方，所述旋转横梁(30)内设有第四驱动机构(22)，所述第四驱动机构(22)用于驱动联动横梁(27)相对于旋转横梁(30)旋转；

所述增材模块(7)和磨削减材模块(8)设置于联动横梁(27)下方，所述联动横梁(27)内设有第六驱动机构(18)，所述第六驱动机构(18)用于驱动增材模块(7)和磨削减材模块(8)相对于联动横梁(27)同步水平移动，且所述增材模块(7)和磨削减材模块(8)分别对工作台(5)上的工件进行增材加工和减材加工；

至少两个所述第一立柱(3)分别设置在工作台(5)两端部外侧且固定于旋转平台(9)上方，所述第一立柱(3)通过第一连接件(20)与工作台(5)的端部连接；所述第一立柱(3)内设有用于驱动工作台(5)端部上下移动的第五驱动机构(19)，工作台(5)不同端部向上或向下移动的位移不相等，使工作台(5)倾斜。

2.根据权利要求1所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述第二驱动机构(11)包括连接轴承(111)和第二驱动电机(115)，所述固定底座(1)开设有贯穿固定底座(1)上下表面的回转孔(101)，所述回转孔(101)周向外侧上部设有圆凸台(102)；

所述旋转平台(9)包括上圆台盖(902)和垂直连接于上圆台盖(902)下方的下回转杆(901)，所述上圆台盖(902)盖设于圆凸台(102)上，所述下回转杆(901)插入回转孔(101)内，所述连接轴承(111)内圈套设于下回转杆(901)外壁，所述连接轴承(111)外圈与回转孔(101)侧壁连接配合，所述第二驱动电机(115)驱动下回转杆(901)旋转以带动上圆台盖(902)旋转。

3.根据权利要求2所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述上圆台盖(902)下底面周向设有上半槽(9021)，所述圆凸台(102)上表面周向设有下半槽(1021)，所述上半槽(9021)和下半槽(1021)相配合组成滑动轨道，所述滑动轨道内设有多个滑动滚珠(10)。

4.根据权利要求1所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述第一连接件(20)包括球销座(201)、球头销(202)、连接杆(203)，所述球销座(201)一端与工作台(5)一端部连接，另一端与球头销(202)连接配合，所述连接杆(203)套设于球头销(202)外，所述第五驱动机构(19)与连接杆(203)连接。

5.根据权利要求4所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述第五驱动机构(19)包括第五驱动电机(191)、第五支撑座(192)、第五滚珠丝杠(193)和第五丝杠连接件(194)，所述第五滚珠丝杠(193)竖直设置，所述第五驱动电机(191)用于驱动第五滚珠丝杠(193)旋转，所述第五支撑座(192)支撑在第五滚珠丝杠(193)两端，所述第五丝杠连接件(194)套设在第五滚珠丝杠(193)外，所述第五丝杠连接件(194)自第一立柱(3)内延伸至第一立柱(3)外并与第一连接件(20)连接；所述第一立柱(3)在靠近工作台(5)一侧开设有前槽，所述第五丝杠连接件(194)穿过前槽与连接杆(203)铰接，所述第五滚珠丝杠(193)与前槽错位设置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述第六驱动机构(18)包括第六驱动电机(181)、第六支撑座(182)、第六滚珠丝杠(183)和联轴器(184)，两个旋转方向相反的第六滚珠丝杠(183)水平设置并且通过联轴器(184)连接，所述第六驱动电机(181)用于驱动第六滚珠丝杠(183)旋转，所述第六支撑座(182)支撑在第六滚珠丝杠(183)端部，增材模块(7)和磨削减材模块(8)分别连接于两第六滚珠丝杠(183)上。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述磨削减材模块(8)包括砂轮立柱(82)、位于砂轮立柱(82)外且用于铣削或磨削工件侧面的小砂轮(81)，以及位于砂轮立柱(82)内的砂轮电机(85)、砂轮摆动轴(86)和砂轮摆动柱(87)，所述砂轮电机(85)驱动水平设置的砂轮摆动轴(86)转动以带动小砂轮(81)摆动，所述砂轮摆动柱(87)上下两端分别与砂轮摆动轴(86)、小砂轮(81)连接。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述旋转横梁(30)开设有贯通旋转横梁(30)上下表面的旋转腔(301)，所述旋转腔(301)底部周向水平设有悬挂固定环(303)；

所述第四驱动机构(22)包括圆盘锥齿轮(221)、主动圆锥齿轮(222)、悬挂架(224)和滚动轴承(225)以及第四驱动电机(223)，所述悬挂架(224)放置于悬挂固定环(303)上，所述悬挂架(224)外壁通过滚动轴承(225)与旋转腔(301)内壁配合连接，所述圆盘锥齿轮(221)固定于悬挂架(224)上并与主动圆锥齿轮(222)相配合，所述第四驱动电机(223)驱动主动圆锥齿轮(222)旋转带动悬挂架(224)旋转，联动横梁(27)固定于悬挂架(224)下部。

9.根据权利要求8所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述悬挂架(224)包括悬挂支撑部(2241)，在所述悬挂支撑部(2241)上、下表面分别设有上支撑圆台部(2242)和下支撑圆台部(2243)，所述联动横梁(27)固定于下支撑圆台部(2243)底部所述，圆盘锥齿轮(221)的内孔套设于上支撑圆台部(2242)外并固定，所述悬挂支撑部(2241)放置于悬挂固定环(303)上，所述悬挂支撑部(2241)外壁通过滚动轴承(225)与旋转腔(301)内壁配合，实现了悬挂架(224)的转动。

10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的轴线可变回转体的增减材双工位同步加工装置的加工方法，其特征在于：包括以下步骤

将工件放置于工作台(5)上，开启增材模块(7)发射激光在工件表面产生熔池，将原料送至增材模块(7)下并在激光的作用下于熔池处熔化并固化在工件上，开启磨削减材模块(8)同步对固化后的工件侧面进行减材加工，改变工作台(5)上工件和增材模块(7)、磨削减材模块(8)的相对位置，达到预设厚度层后，向上移动增材模块(7)，开始下一厚度层的增材加工；

所述改变工作台(5)上工件和增材模块(7)、磨削减材模块(8)的相对位置包括以下方式：

方式A：开启第五驱动机构(19)驱动工作台(5)倾斜；

方式B：开启第六驱动机构(18)驱动增材模块(7)和磨削减材模块(8)同步水平移动；

方式C：开启第二驱动机构(11)驱动旋转平台(9)旋转；

方式D：开启第四驱动机构(22)驱动联动横梁(27)旋转运动；

方式E：开启第三驱动机构(43)驱动旋转横梁(30)水平移动；

所述减材加工具体包括：旋转磨削减材模块(8)的小砂轮(81)至与工件侧面贴合对工件进行侧面磨削；

所述向上移动增材模块(7)的具体步骤包括：开启龙门吊立柱(42)内的第一驱动机构(17)带动龙门吊横梁(41)向上移动。

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