CN114434793A - 一种多工位同步近净成形复杂曲面的方法及装置 - Google Patents

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CN114434793A CN202110546309.0A CN202110546309A CN114434793A CN 114434793 A CN114434793 A CN 114434793A CN 202110546309 A CN202110546309 A CN 202110546309A CN 114434793 A CN114434793 A CN 114434793A
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Abstract

本发明公开了一种多工位同步近净成形复杂曲面的装置，包括龙门吊、增材模块、磨削减材模块、激光减材模块和复合工作平台；复合工作平台包括平移平台组件和位于平移平台组件上的旋转平台组件，旋转平台组件的旋转工作台安装于第一底座上且相对于第一底座可旋转；平移平台组件的平移工作台安装于第二底座上方且相对于第二底座可平移，龙门吊横梁下方的旋转横梁相对于龙门吊横梁可水平移动；旋转横梁下方的联动横梁相对于旋转横梁可旋转运动，增材模块和磨削减材模块安装于联动横梁下部且相对于联动横梁可水平移动。本发明具有结构紧凑优点。

Description

一种多工位同步近净成形复杂曲面的方法及装置
技术领域
本发明涉及领域桌面型激光增/减材加工设备领域，尤其涉及一种多工位同步近净成形复杂曲面的方法及装置。
背景技术
随着我国经济体系的快速发展，作为代表机械工业(从日常生活到航空、航天、航海及国防事业)发展重要基础的回转体类零构件的使用量逐年递增。从具体加工技术及方法角度来说：⑴减材加工的精度较高，但耗能、耗时、耗材程度同样较高，且在薄壁件加工时的成品率较低；⑵等材加工的效率较高、能耗较低、原材料的损耗也较少，但其毛坯件制备过程复杂、模具的设计制造成本较高，且难以满足特殊结构的小批量定制化服务要求；⑶增材制造技术可满足零构件加工的大量特殊要求，且可完成复杂结构的高效成形，但加工精度和加工表面质量问题仍难以解决。因此，增/减材复合制造技术应运而生，以期实现复杂回转体零构件成形过程的高效率、高精度、低损耗、低成本、高柔性化等综合性需求。
现有的桌面型增/减材复合制造装备，常将增材与减材加工划分成两个较独立环节。虽然可减少零部件装夹次数、缩短加工流程、提高加工精度与效率，还在一定程度上避免了增材与减材两个加工工序之间的干涉问题。但是，这会造成装备的整体尺寸偏大，加工总耗能与总耗时中的较高比例均损失在工位往复转换环节，同时也难以实现轴向尺寸较大的零构件内壁，以及回转体半径具非线性变化特征的复杂零构件内外壁表面的精密加工。
在增/减材复合加工过程中，工作台只能实现平移或者旋转运动，在加工特殊变化直径的回转体零件时操作复杂，加工效率低。另一方面，在切削或磨削时会产生大量的细小的废屑。如果包含多工位复合制造设备的复杂传动系统中未进行针对性的密封设计，大量废屑极易伴随润滑油吸附、堆积、堵塞在传动件间的啮合部位，造成严重磨损，导致传动及加工精度下降、关键精密零配件与装备整体的服役寿命缩短、维修维护费用增大，严重时工作台甚至会出现咬死的现象。
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，提供一种多工位同步近净成形复杂曲面的方法及装置，该装置结构紧凑、尺寸大小适中便于移动，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：
一种多工位同步近净成形复杂曲面的装置，包括龙门吊、增材模块、磨削减材模块、复合工作平台；复合工作平台包括旋转平台组件和平移平台组件，旋转平台组件包括第一底座、第二旋转驱动机构和旋转工作台，旋转工作台安装于第一底座上，第二旋转驱动机构用于驱动旋转工作台相对于第一底座旋转；平移平台组件包括第二底座、平移驱动机构和平移工作台，平移工作台安装于第二底座上方，平移驱动机构用于驱动平移工作台相对于第二底座平移，旋转平台组件位于平移工作台上，平移工作台平移时带动旋转平台组件平移；龙门吊包括龙门吊横梁和龙门吊立柱，龙门吊横梁位于复合工作平台上方，龙门吊立柱位于龙门吊横梁两端且固定于第二底座上，在龙门吊横梁下方设有旋转横梁，龙门吊横梁内设有第一水平驱动机构，旋转横梁在第一水平驱动机构的驱动下相对于龙门吊横梁水平移动；在旋转横梁下方设有联动横梁，旋转横梁内设有第一旋转驱动机构，联动横梁在第一旋转驱动机构的驱动下旋转运动，增材模块和磨削减材模块安装于联动横梁下部，联动横梁内设有第二水平驱动机构，第二水平驱动机构驱动增材模块和磨削减材模块水平移动。
作为对上述技术方案的进一步改进：
所述旋转横梁开设有贯通旋转横梁上下表面的旋转腔和与旋转腔相连通的固定腔，所述旋转腔底部周向水平设有悬挂固定环；
所述旋转驱动机构包括位于旋转腔内的圆盘锥齿轮、主动圆锥齿轮、悬挂架和滚动轴承，以及位于固定腔内的第一旋转驱动电机，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，所述第一旋转驱动电机驱动主动圆锥齿轮旋转带动悬挂架旋转，所述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。
所述平移驱动机构包括固定于第二底座下部的第二伺服电机和X向滚珠丝杠，所述平移工作台包括平板和位于平板下方的连接板，第二底座设有供连接板穿过的X向条形孔，连接板的下部与X向滚珠丝杠连接，第二伺服电机驱动X向滚珠丝杠带动连接板沿X向移动，X向滚珠丝杠与X向条形孔错位设置。
所述第二旋转驱动机构包括连接轴承和第二旋转驱动电机，所述第一底座的上表面开设有回转孔，所述回转孔周向外侧设有圆凸台；
所述旋转工作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，所述第二旋转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。
所述磨削减材模块包括砂轮立柱，位于砂轮立柱外且用于磨削工件的小砂轮，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。
所述多工位同步近净成形装置还包括横梁驱动结构，横梁驱动结构安装于龙门吊立柱内且用于驱动龙门吊横梁上下移动。
所述磨削减材模块包括砂轮立柱，位于砂轮立柱外且用于磨削工件的小砂轮，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。
所述砂轮立柱底部开设有楔形槽。
所述磨削减材模块和龙门吊横梁可拆卸连接。
所述砂轮摆动轴两端固定在砂轮立柱内侧壁上。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种前述多工位同步近净成形复杂曲面的装置的加工方法，包括以下步骤：
将工件放置于旋转工作台上，开启增材模块发射激光在工件表面产生熔池，送料机构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，改变旋转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；
改变旋转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：开启第二旋转驱动机构驱动旋转工作台旋转；
方式B：开启平移驱动机构驱动平移工作台平移；
方式C：开启龙门吊横梁内第一水平驱动机构驱动旋转横梁沿水平方向移动；
方式D：开启旋转横梁内第一旋转驱动机构驱动联动横梁旋转；
方式E：开启联动横梁内第二水平驱动机构驱动增材模块和磨削减材模块沿水平方向移动；
减材加工包括：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。和
调整激光减材模块的激光发射方向，开启激光减材模块发射激光对工件侧面进行减材加工。
作为对上述技术方案的进一步改进：
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横梁驱动结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、本发明结构布局紧凑、安全可靠、操作简便、环境友好；采用整体桌面型设计，占用空间非常有限，便于搬运移动；具有可兼容加工多种类材料(例如：树脂、金属及其复合材料等)，以及多样性加工方式的性能特点；可实现尺寸许可范围内的各类型复杂曲面结构回转体零构件的高效近净成形，有望在民用生活器具(例如：新型环保可降解有机材料容器、餐具和儿童玩具等)、工业小批量和特种定制化精密零构件制造等应用环境中推广普及。
2、本发明的增材模块和磨削减材模块依靠联动横梁内第二水平驱动机构实现水平移动，联动横梁依靠旋转横梁的第一旋转驱动机构实现旋转运动，旋转横梁依靠龙门吊横梁的第一水平驱动机构实现水平移动，复合工作平台的旋转工作台执行的圆周运动，平移工作台执行的水平移动，以及龙门吊横梁的竖直方向的运动，即可有效实现各种复杂零构件的增材和减材的实时同步加工。同步加工不仅可以灵活高效地完成复杂结构的内、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。再结合激光减材模块对磨削减材模块不能磨削的地方进行激光减材，尤其是当目标产品外表面有向下开口的槽或侧孔并且需要对槽表面进行减材时。
3、本发明的增材模块和磨削减材模块均采用可独立拆卸的模块化装置设计，与相应套筒间可实现快速地拆卸与装配。当增材模块或磨削减材模块需维护或更换时，操作极为简便，而且铣削头可根据不同加工条件进行更换，灵活性高。当被加工材料属性存在较大变更时，可按需调整激光器型号。
4.本发明实现了具有高温、高速等高危险性加工设备的环境友好性设计，合理增设气密性防护罩(外罩)，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。
5、本发明的复合工作平台，将旋转平台组件和平移平台组件集成为一体，旋转工作台在旋转的同时，依托下方的平移工作台实现平移功能，在制作回转体零件时，在同一平面上制作多个直径相同或不同的回转体零件，大大扩展了回转体零件的适用范围，节能，生产效率高。另一方面，本发明旋转工作台和第一底座、第二底座和平移工作台的配合，实现传动和加工的密封性分隔，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。
6、本发明的旋转工作台上方的加工空间与下方的传动空间，通过上圆台盖和下圆凸台的插入式交叉错位的配合方式，实现密封性分隔。同时，装置中所涉及可能与加工空间有接触的各传动导向槽(如水平丝杠安装孔、竖向丝杠安装孔)均配备有弹性密封橡胶块进行包裹，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。另外，上圆台盖和下圆凸台的相对转动，采用圆盘滚珠滑道实现低运动阻力配合；上圆台盖的驱动部分采用圆锥齿轮进行传动配合；横梁的高度调节以及增减材加工模块的位移调节均采用滚珠丝杠进行传动配合，上述传动件均具有工业标准化程度高、制造成本低廉、使用稳定性高、传动过程的精度与可控性均较高的特点。进一步为实现民用及工业的推广普及提供便利。
7、本发明结合装备的传动特征，设计了较为完善的传动系统的密封结构。用于驱动平移工作台的X向滚珠丝杠等传动系统放置在底座下，并且X向滚珠丝杠与其相应的条形孔错位设置，即便磨屑进入到条形孔内向下掉落，也不影响X向滚珠丝杠的传动，延长了传动零件的使用寿命。一方面，防止磨屑在传动系统的不良堆积，避免传动系统磨损，延长其服役寿命；另一方面，提高装备传动与加工精度，实现一体化加工。
附图说明
图1是本发明实施例1的整体结构图。
图2是本发明实施例1拆除外罩零件后的主体结构示意图。
图3是本发明实施例1拆除外罩零件后的主体结构示意图(另一视角)。
图4是本发明实施例1龙门吊横梁内驱动机构与旋转横梁的连接结构示意图。
图5是本发明实施例1旋转横梁内驱动机构的结构示意图(移除齿轮保护罩)。
图6是本发明实施例1旋转横梁俯视图(移除横梁盖等零件)。
图7是图6中A-A线的剖视图(新增齿轮保护罩)。
图8是本发明实施例1悬挂架的结构示意图。
图9是本发明实施例1悬挂架的俯视图。
图10是图9中B-B线的剖视图。
图11是本发明实施例1旋转横梁的结构示意图。
图12是本发明实施例1旋转横梁、联动横梁和增减材模块的结构示意图。
图13是本发明实施例1增减材模块和联动横梁内第二水平驱动机构的连接示意图。
图14是本发明实施例1磨削减材模块的结构示意图。
图15是本发明实施例1磨削减材模块的结构示意图(移除砂轮立柱)。
图16是本发明实施例1增材模块的结构示意图。
图17是本发明实施例1龙门吊横梁及横梁驱动机构的连接示意图(移除部分零件)。
图18是本发明实施例1龙门吊立柱内横梁驱动机构的安装示意图。
图19是本发明实施例1龙门吊横梁内结构示意图。
图20是本发明复合工作平台的结构示意图。
图21是本发明第一底座的结构示意图。
图22是本发明第一底座的半剖侧视图。
图23是本发明旋转工作台的半剖侧视图。
图24是本发明旋转平台组件的立体结构示意图。
图25是本发明旋转工作台的侧视图。
图26是图25中C-C线剖视图。
图27是本发明旋转工作台及其驱动结构的立体结构示意图。
图28是本发明平移平台组件的结构示意图。
图29是本发明平移平台组件的结构示意图(移除第二底座和下底板)。
图30是本发明平移工作台的驱动结构的结构示意图。
图31是本发明激光减材模块的结构示意图。
图32是本发明能一次性加工出的零件结构示意图。
图中各标号表示：
1、第一底座；101、回转孔；102、圆凸台；1021、下半槽；2、外罩；3、第二底座；301、X向条形孔；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、第一水平驱动机构；431、第一电机；432、第一支撑座；433、第一水平滚珠丝杠；434、第一连接件；16、下底板；6、平移驱动机构；61、第二伺服电机；62、输入齿轮；63、输出齿轮；64、X向滚珠丝杠；5、旋转工作台；501、下回转杆；502、上圆台盖；5021、上半槽；100、第二支撑座；11、第二旋转驱动机构；111、连接轴承；112、轴承挡板；113、从动轮；114、主动轮；115、第二旋转驱动电机；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、第二圆锥齿轮；89、减材滑块；9、联动横梁；10、滑动滚珠；20、平移工作台；201、平板；202、连接板；2021、竖板；2022、横板；21、齿轮保护罩；22、圆盘锥齿轮；23、送丝模块；231、送丝大辊筒；232、大辊筒支架；24、主动圆锥齿轮；25、第一旋转驱动电机；27、悬挂架；271、悬挂支撑部；272、上支撑圆台部；273、下支撑圆台部；2731、横梁凹槽；28、滚动轴承；26、定料机构；261、定料小辊筒；262、小辊筒支架；31、模块驱动电机；32、模块支撑座；33、模块水平滚珠丝杠；50、横梁驱动电机；52、Z向滚珠丝杠；53、丝杠连接件；51、滚珠丝杠支撑座；60、送料机构；601、辊轮支架；602、送料辊轮；90、旋转横梁；901、旋转腔；902、固定腔；903、悬挂固定环；70、激光减材模块。
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31所示，本发明的一种多工位同步近净成形复杂曲面的装置，包括龙门吊4、增材模块7、磨削减材模块8、激光减材模块70、复合工作平台，复合工作平台包括旋转平台组件和平移平台组件，旋转平台组件包括第一底座1、第二旋转驱动机构11和旋转工作台5，旋转工作台5安装于第一底座1上，第二旋转驱动机构11用于驱动旋转工作台5相对于第一底座1旋转；平移平台组件包括第二底座3、平移驱动机构6和平移工作台20，平移工作台20安装于第二底座3上方，平移驱动机构6用于驱动平移工作台20相对于第二底座3平移，旋转平台组件位于平移工作台20上，平移工作台20平移时带动旋转平台组件平移，龙门吊4包括龙门吊横梁41和龙门吊立柱42，龙门吊横梁41位于复合工作平台上方，龙门吊立柱42位于龙门吊横梁41两端且固定于第二底座3上，在龙门吊横梁41下方设有旋转横梁90，龙门吊横梁41内设有第一水平驱动机构43，旋转横梁90在第一水平驱动机构43的驱动下相对于龙门吊横梁41水平移动；在旋转横梁90下方设有联动横梁9，旋转横梁90内设有第一旋转驱动机构，联动横梁9在第一旋转驱动机构的驱动下旋转运动，增材模块7和磨削减材模块8安装于联动横梁9下部，联动横梁9内设有第二水平驱动机构，第二水平驱动机构驱动增材模块7和磨削减材模块8水平移动；激光减材模块70连接于龙门吊横梁41下方，用于对复合工作台上的工件进行减材加工。
本发明通过旋转横梁90的水平移动、联动横梁9的旋转圆周运动，旋转工作台5的旋转运动和平移工作台20的水平移动，增材模块7和磨削减材模块8仅需在联动横梁9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1所示，装置还包括外罩2，外罩2固定于第二底座3上，并将旋转工作台5、平移工作台20、磨削减材模块8、增材模块7与外界分隔。本实施例中，第二底座3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。
如图2、3所示，复合工作平台一侧设有送料机构60，送料机构60包括送料辊轮602和用于支撑送料辊轮602的辊轮支架601，工作时送料辊轮602上环绕代加工原料丝材，根据加工进度将原料丝材同步输送至增材模块7处。
龙门吊横梁41包括横梁壳体和横梁盖，横梁壳体内中空用于放置第一水平驱动机构43。
如图4至17所示，本发明采用龙门吊横梁41的第一水平驱动机构43带动旋转横梁90水平移动，联动横梁9集成增材模块7和磨削减材模块8，再通过第一旋转驱动机构旋转联动横梁9以带动增材模块7和磨削减材模块8旋转运动，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。
如图4所示，第一水平驱动机构43包括第一电机431、第一支撑座432、第一水平滚珠丝杠433和第一连接件434，第一电机431用于驱动第一水平滚珠丝杠433转动，第一水平滚珠丝杠433通过第一支撑座432支撑于龙门吊横梁41内，旋转横梁90通过第一连接件434与第一水平滚珠丝杠433连接。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，如图19所示，启动第一电机431时，旋转横梁90在第一水平滚珠丝杠433的带动下水平移动。龙门吊横梁41在靠近旋转横梁90一侧开设有条形槽413，条形槽413供第一连接件434穿过且与第一水平滚珠丝杠433错位设置。
联动横梁9上的增材模块7、磨削减材模块8均能沿联动横梁9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5至11所示，旋转横梁90包括开设有贯通旋转横梁90上下表面的旋转腔901和与旋转腔901相连通的固定腔902，旋转腔901底部周向水平设有悬挂固定环903；第一旋转驱动机构包括位于旋转腔901内的圆盘锥齿轮22、主动圆锥齿轮24、悬挂架27和滚动轴承28，以及位于固定腔902内的第一旋转驱动电机25，悬挂架27放置于悬挂固定环903上，悬挂架27外壁通过滚动轴承28与旋转腔901内壁配合连接，圆盘锥齿轮22固定于悬挂架27上并与主动圆锥齿轮24相配合，第一旋转驱动电机25驱动主动圆锥齿轮24旋转带动悬挂架27旋转，联动横梁9固定于悬挂架27下部。
如图8至10所示，悬挂架27包括悬挂支撑部271，在悬挂支撑部271上、下表面分别设有上支撑圆台部272和下支撑圆台部273，联动横梁9固定于下支撑圆台部273底部，圆盘锥齿轮22的内孔套设于上支撑圆台部272外并固定，悬挂支撑部271放置于悬挂固定环903上，悬挂支撑部271外壁通过滚动轴承28与旋转腔901内壁配合，实现了悬挂架27的转动，减小滑动摩擦。在下支撑圆台部273设有用于放置固定联动横梁9的横梁凹槽2731，方便进行拆卸维护
如图5至7所示，旋转横梁90内还设有送丝模块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22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对称布置在旋转横梁90内，保证送丝在旋转圆盘锥齿轮22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27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。在通孔的上方设有定料机构26，定料机构26包括小辊筒支架262和两定料小辊筒261，两定料小辊筒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的定料小辊筒261中间设置与丝材尺寸相当的圆凹槽，增强精确度。
旋转腔901位于旋转横梁90正中间呈圆盘型，通过旋转横梁90一侧的第一旋转驱动电机25驱动旋转横梁90的旋转腔901中的圆盘锥齿轮22转动，利用滚动轴承28将悬挂架27和旋转腔901内壁连接，使悬挂架27下方的增材模块7、磨削减材模块8相对旋转横梁90以Z轴为中心转动。
如图7所示(本图中为清楚示出齿轮保护罩21，将齿轮保护罩21实际位置上移)，本实施例中，旋转腔901内还设有齿轮保护罩21，齿轮保护罩21位于送丝模块23和圆盘锥齿轮22的齿轮部之间，将送丝模块23和圆盘锥齿轮22的齿轮部隔离开，并且齿轮保护罩21下端位于圆盘锥齿轮22的辐板上，上端抵触于横梁盖上，能稳定圆盘锥齿轮22。
如图12和13所示，联动横梁9内设有用于驱动增材模块7和磨削减材模块8沿水平方向移动的第二水平驱动机构；第二水平驱动机构包括模块驱动电机31、模块支撑座32和模块水平滚珠丝杠33，模块驱动电机31驱动模块水平滚珠丝杠33转动，模块水平滚珠丝杠33通过模块支撑座32支撑于联动横梁9内，增材模块7、磨削减材模块8上部分别与模块水平滚珠丝杠33连接配合。
如图13所示，本实施例中，增材模块7和磨削减材模块8共用同一联动横梁9的相同第二水平驱动机构。当启动模块驱动电机31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。每一个第二水平驱动机构包括一模块水平滚珠丝杠33，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模块水平滚珠丝杠33上，模块水平滚珠丝杠33包括两水平丝杠和用于连接两水平丝杠的弹性联轴器，增材模块7和磨削减材模块8分别通过水平丝杠螺母安装于两水平丝杠上，两水平丝杠螺母旋向方向相反(水平丝杠螺母与各自所属水平丝杠的旋向相同)。模块驱动电机31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。当模块驱动电机31正转，水平丝杠上的两水平丝杠螺母就会逐渐靠近；当模块驱动电机31反转，水平丝杠上的两水平丝杠螺母就会逐渐远离。联动横梁9内通过模块驱动电机31与水平丝杠传动连接，控制两个反向配合的水平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9上采用两个第二水平驱动机构分别驱动增材模块7和磨削减材模块8，两个第二水平驱动机构的模块水平滚珠丝杠33旋转方向相反，通过联动横梁9内的模块驱动电机31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9内配有两组第二水平驱动机构分别用于控制增材模块7和磨削减材模块8，相对于采用相同第二水平驱动机构同时驱动增材模块7、磨削减材模块8，两组第二水平驱动机构降低了每根模块水平滚珠丝杠33的承受力，提高了龙门吊立柱42的负重能力，并加强了工作当中的定位准确性与稳定性。
如图13和17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和两定料小辊筒261，两定料小辊筒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的定料小辊筒261中间设置与丝材尺寸相当的圆凹槽，增强精确度。
如图16所示，增材模块7包括激光头71、送丝头72、激光接头73、增材滑块74和激光立柱75，增材滑块74与模块水平滚珠丝杠33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。本实施例中，增材滑块74设有通孔，通孔内壁设有螺纹，套设在模块水平滚珠丝杠33上，增材滑块74自模块水平滚珠丝杠33穿过联动横梁9与激光接头73连接。
如图16所示，激光头71的激光发射方向和送丝头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上布置定料小辊筒261，并且定料小辊筒261中间设置与丝材相当的圆凹槽，增强精确度，两定料小辊筒261下方的送丝头72上方开设有供原料丝材通过的送丝孔。
如图14和15所示，磨削减材模块8包括小砂轮81、砂轮立柱82、立柱接头84、砂轮摆动轴86、砂轮摆动柱87、两互相啮合传动的第二圆锥齿轮88和减材滑块89，减材滑块89与模块水平滚珠丝杠33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与其中一第二圆锥齿轮88同轴，另一第二圆锥齿轮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。本实施例中，减材滑块89设有通孔，通孔内壁设有螺纹，套设在模块水平滚珠丝杠33外，减材滑块89自模块水平滚珠丝杠33穿过联动横梁9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17和18所示，装置包括横梁驱动机构，横梁驱动结构包括安装于龙门吊立柱42内的横梁驱动电机50和多个Z向滚珠丝杠52、丝杠连接件53，其中一Z向滚珠丝杠52由横梁驱动电机50驱动旋转，丝杠连接件53一端与龙门吊横梁41连接固定，另一端与Z向滚珠丝杠52套接并由Z向滚珠丝杠52带动沿Z向运动，Z向滚珠丝杠52两端设有用于将Z向滚珠丝杠52固定在龙门吊立柱42内的滚珠丝杠支撑座51。
通过龙门吊立柱42内的横梁驱动电机50来控制龙门吊横梁41在Z轴方向的移动。龙门吊横梁41在两侧丝杠连接件53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，横梁驱动机构位于龙门吊立柱42上半部分，横梁驱动电机50为伺服电机，分别驱动两根Z向滚珠丝杠52。在龙门吊立柱42上半部分开设有立柱内孔，横梁驱动机构位于立柱内孔内，龙门吊立柱42在龙门吊靠近龙门吊横梁41一侧开设有供丝杠连接件53通过的前槽，前槽与立柱内孔相连通，并且前槽与Z向滚珠丝杠52错位设置，防止磨屑直接进入前槽影响横梁驱动机构的传动。立柱内孔由水平设置的隔离板分隔成两部分，一部分容纳横梁驱动电机50，另一部分容纳横梁驱动机构的其他重要零件。在其他实施例中，横梁驱动电机50直接与Z向滚珠丝杠52连接，驱动Z向滚珠丝杠52转动。
如图20-27所示，本实施例的第二旋转驱动机构11包括连接轴承111和第二旋转驱动电机115，第一底座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，旋转工作台5包括上圆台盖502和垂直连接于上圆台盖502下方的下回转杆501，上圆台盖502盖设于圆凸台102上，下回转杆501插入回转孔101内，连接轴承111内圈套设于下回转杆501外壁，连接轴承111外圈与回转孔101侧壁连接配合，第二旋转驱动电机115驱动下回转杆501旋转以带动上圆台盖502旋转。
旋转工作台5上方的加工空间与第一底座1下方的传动空间，通过上圆台盖502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。
第二旋转驱动机构11还包括从动轮113和主动轮114，从动轮113固定于下回转杆501的下端，第二旋转驱动电机115驱动主动轮114旋转，主动轮114与从动轮113啮合传动，从动轮113带动旋转工作台5旋转。上圆台盖502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，旋转工作台5设置于第一底座1中心位置，第一底座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、第二旋转驱动电机115安装于第一底座1上表面和侧面围成的空间内，即从动轮113、主动轮114、第二旋转驱动电机115安装于第一底座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，第二旋转驱动电机115为伺服电机，通过伺服电机与锥齿轮的啮合传动，达到控制旋转工作台5旋转的目的。
旋转工作台5的下回转杆501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固定在第一底座1上。
上圆台盖502下底面周向设有上半槽5021，圆凸台102上表面周向设有下半槽1021，上半槽5021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502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502之间为滚动摩擦，大大减小了摩擦阻力，从而降低了能耗，提高了精度，并且，此设计使得旋转工作台5上方的加工空间与旋转工作台5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28至30所示，平移平台组件，包括第二底座3、安装于第二底座3上方的平移工作台20以及固定于第二底座3下部的平移驱动机构6，平移驱动机构6包括第二伺服电机61和X向滚珠丝杠64；平移工作台20包括平板201和位于平板201下方的连接板202，第二底座3设有供连接板202穿过的X向条形孔301，连接板202的下部与X向滚珠丝杠64连接，第二伺服电机61驱动X向滚珠丝杠64带动连接板202沿X向移动，X向滚珠丝杠64与X向条形孔301错位设置。
本发明将控制单轴(本实施例中只有一个X向滚珠丝杠64由电机驱动)传动的第二伺服电机61布置于第二底座3下方，电机等零部件质量集中在第二底座3下，降低装置整机重心并减轻工作台运动载荷，在提高装置稳定性的同时实现高效节能的功效；本发明对传动系统设计了较为完善的密封结构，X向滚珠丝杠64与连接板202相对应的X向条形孔301错位设置，当磨削时，磨屑掉入条形孔时，随着X向条形孔301向下掉落，而不会影响用于传动的X向滚珠丝杠64的运动，延长传动零件使用寿命。
本实施例中，第二底座3下方设有下底板16，下底板16和第二底座3组成了固定底座，先安装位于第二底座3下方的零件，再安装下底板16。
连接板202包括横板2022和竖板2021，竖板2021的一端连接于平板201，竖板2021的另一端与横板2022的一端连接，横板2022的另一端与X向滚珠丝杠64连接，第二伺服电机61与其中一个X向滚珠丝杠64的一端连接并驱动X向滚珠丝杠64旋转，以带动横板2022沿X向移动。
横板2022在靠近X向滚珠丝杠64一侧设有限位孔，限位孔与X向滚珠丝杠64凹凸配合连接。
X向滚珠丝杠64通过第二支撑座100与第二底座3连接固定。本实施例中，第二支撑座100为橡胶材料制备而成。
平移驱动机构6包括输入齿轮62和输出齿轮63，输入齿轮62位于第二伺服电机61的输出端，输出齿轮63位于X向滚珠丝杠64上，输入齿轮62和输出齿轮63啮合传动。
激光减材模块70在龙门吊横梁41两端部，包括减材激光头和减材支撑件，如图31所示，减材支撑件一端连接于龙门吊横梁41上，另一端与减材激光头连接，减材激光头相对于减材支撑件可沿YZ平面上转动，减材激光头的激光发射方向与水平方向之间的角度在-90°～90°范围内，能够对磨削减材模块8不能磨削的地方进行激光减材，尤其是当目标产品外表面有向下开口的槽或者侧孔并且需要对槽表面进行减材时。
本发明中，以沿X向滚珠丝杠64的长度方向为X向，以沿第一水平滚珠丝杠433的长度方向为Y向(即沿龙门吊横梁41的长度方向)，以垂直于旋转工作台5上表面的方向为Z向(即龙门吊立柱42的长度方向)，第一底座1的移动方向和增材模块7或磨削减材模块8的移动方向垂直。
本发明的增减材双工位同步加工复杂曲面的方法，包括以下步骤：将工件放置于旋转工作台5上，开启增材模块7发射激光在工件表面产生熔池，送料机构60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，改变旋转工作台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；
改变旋转工作台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：开启第一底座1内第二旋转驱动机构11驱动旋转工作台5旋转；
方式B：开启第二底座3内平移驱动机构6驱动平移工作台20平移；
方式C：开启龙门吊横梁41内第一水平驱动机构43驱动旋转横梁90沿水平方向移动；
方式D：开启旋转横梁90内第一旋转驱动机构驱动联动横梁9旋转；
方式E：开启联动横梁9内第二水平驱动机构驱动增材模块7和磨削减材模块8沿水平方向移动；
减材加工包括：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；和
调整激光减材模块70的激光发射方向，开启激光减材模块70发射激光对工件侧面进行减材加工。
本实施例中，向上移动增材模块7的具体步骤包括：开启横梁驱动结构的横梁驱动电机50驱动Z向滚珠丝杠52转动，Z向滚珠丝杠52带动龙门吊横梁41向上移动。
本发明能够用于一体成型制作回转体零件，回转中心、管径可变，圆环类零件和空心管件、复杂曲面零构件等一次性加工，适用范围广，尤其零件侧面需要开孔或者存在磨削减材不便的拐角等，典型零件图如图32所示，图32(a)是零件的结构示意图，图32(b)是零件主视图，图32(c)是零件侧视图。
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)

1.一种多工位同步近净成形复杂曲面的装置，其特征在于：包括龙门吊(4)、增材模块(7)、磨削减材模块(8)、激光减材模块(70)、复合工作平台；
复合工作平台包括旋转平台组件和平移平台组件，旋转平台组件包括第一底座(1)、第二旋转驱动机构(11)和旋转工作台(5)，旋转工作台(5)安装于第一底座(1)上，第二旋转驱动机构(11)用于驱动旋转工作台(5)相对于第一底座(1)旋转；
平移平台组件包括第二底座(3)、平移驱动机构(6)和平移工作台(20)，平移工作台(20)安装于第二底座(3)上方，平移驱动机构(6)用于驱动平移工作台(20)相对于第二底座(3)平移，旋转平台组件位于平移工作台(20)上，平移工作台(20)平移时带动旋转平台组件平移；
龙门吊(4)包括龙门吊横梁(41)和龙门吊立柱(42)，龙门吊横梁(41)位于复合工作平台上方，龙门吊立柱(42)位于龙门吊横梁(41)两端且固定于第二底座(3)上，在龙门吊横梁(41)下方设有旋转横梁(90)，龙门吊横梁(41)内设有第一水平驱动机构(43)，旋转横梁(90)在第一水平驱动机构(43)的驱动下相对于龙门吊横梁(41)水平移动；在旋转横梁(90)下方设有联动横梁(9)，旋转横梁(90)内设有第一旋转驱动机构，联动横梁(9)在第一旋转驱动机构的驱动下旋转运动，增材模块(7)和磨削减材模块(8)安装于联动横梁(9)下部，联动横梁(9)内设有第二水平驱动机构，第二水平驱动机构驱动增材模块(7)和磨削减材模块(8)水平移动；
所述激光减材模块(70)连接于龙门吊横梁(41)下方，用于对复合工作平台上的工件进行减材加工。
2.根据权利要求1所述的多工位同步近净成形复杂曲面的装置，其特征在于：所述旋转横梁(90)开设有贯通旋转横梁(90)上下表面的旋转腔(901)和与旋转腔(901)相连通的固定腔(902)，所述旋转腔(901)底部周向水平设有悬挂固定环(903)；
所述旋转驱动机构包括位于旋转腔(901)内的圆盘锥齿轮(22)、主动圆锥齿轮(24)、悬挂架(27)和滚动轴承(28)，以及位于固定腔(902)内的第一旋转驱动电机(25)，所述悬挂架(27)放置于悬挂固定环(903)上，所述悬挂架(27)外壁通过滚动轴承(28)与旋转腔(901)内壁配合连接，所述圆盘锥齿轮(22)固定于悬挂架(27)上并与主动圆锥齿轮(24)相配合，所述第一旋转驱动电机(25)驱动主动圆锥齿轮(24)旋转带动悬挂架(27)旋转，所述联动横梁(9)固定于悬挂架(27)下部。
3.根据权利要求2所述的多工位同步近净成形复杂曲面的装置，其特征在于：所述悬挂架(27)包括悬挂支撑部(271)，在悬挂支撑部(271)上、下表面分别设有上支撑圆台部(272)和下支撑圆台部(273)，所述联动横梁(9)固定于下支撑圆台部(273)底部，所述圆盘锥齿轮(22)的内孔套设于上支撑圆台部(272)外并固定，所述悬挂支撑部(271)放置于悬挂固定环(903)上，所述悬挂支撑部(271)外壁通过滚动轴承(28)与旋转腔(901)内壁配合。
4.根据权利要求1所述的多工位同步近净成形复杂曲面的装置，其特征在于：所述平移驱动机构(6)包括固定于第二底座(3)下部的第二伺服电机(61)和X向滚珠丝杠(64)，所述平移工作台(20)包括平板(201)和位于平板(201)下方的连接板(202)，第二底座(3)设有供连接板(202)穿过的X向条形孔(301)，连接板(202)的下部与X向滚珠丝杠(64)连接，第二伺服电机(61)驱动X向滚珠丝杠(64)带动连接板(202)沿X向移动，X向滚珠丝杠(64)与X向条形孔(301)错位设置。
5.根据权利要求1所述的多工位同步近净成形复杂曲面的装置，其特征在于：所述第二旋转驱动机构(11)包括连接轴承(111)和第二旋转驱动电机(115)，所述第一底座(1)的上表面开设有回转孔(101)，所述回转孔(101)周向外侧设有圆凸台(102)；
所述旋转工作台(5)包括上圆台盖(502)和垂直连接于上圆台盖(502)下方的下回转杆(501)，所述上圆台盖(502)盖设于圆凸台(102)上，所述下回转杆(501)插入回转孔(101)内，所述连接轴承(111)内圈套设于下回转杆(501)外壁，所述连接轴承(111)外圈与回转孔(101)侧壁连接配合，所述第二旋转驱动电机(115)驱动下回转杆(501)旋转以带动上圆台盖(502)旋转。
6.根据权利要求5所述的多工位同步近净成形复杂曲面的装置，其特征在于：所述上圆台盖(502)下底面周向设有上半槽(5021)，所述圆凸台(102)上表面周向设有下半槽(1021)，所述上半槽(5021)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)。
7.根据权利要求5所述的多工位同步近净成形复杂曲面的装置，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)外且用于磨削工件的小砂轮(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所述的多工位同步近净成形复杂曲面的装置，其特征在于：所述多工位同步近净成形装置还包括横梁驱动结构，横梁驱动结构安装于龙门吊立柱(42)内且用于驱动龙门吊横梁(41)上下移动。
9.一种根据权利要求1至8中任一项所述多工位同步近净成形复杂曲面的装置的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
将工件放置于旋转工作台(5)上，开启增材模块(7)发射激光在工件表面产生熔池，送料机构(60)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，改变旋转工作台(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；
改变旋转工作台(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：开启第二旋转驱动机构(11)驱动旋转工作台(5)旋转；
方式B：开启平移驱动机构(6)驱动平移工作台(20)平移；
方式C：开启龙门吊横梁(41)内第一水平驱动机构(43)驱动旋转横梁(90)沿水平方向移动；
方式D：开启旋转横梁(90)内第一旋转驱动机构驱动联动横梁(9)旋转；
方式E：开启联动横梁(9)内第二水平驱动机构驱动增材模块(7)和磨削减材模块(8)沿水平方向移动；
减材加工包括：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；和
调整激光减材模块(70)的激光发射方向，开启激光减材模块(70)发射激光对工件侧面进行减材加工。
10.根据权利要求9所述的加工方法，其特征在于：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)内的横梁驱动结构带动龙门吊横梁(41)向上移动。
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