CN114453748A - 一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工方法及装置 - Google Patents

一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工装置，包括固定底座、龙门吊、增材模块、磨削减材模块、复合工作台，龙门吊包括龙门吊横梁和龙门吊立柱，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，旋转横梁内设有旋转驱动机构，联动横梁在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。本发明能实现横截面可变的零构件的一次性增减材加工。

Description

一种空间非对称构件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装置领域，尤其涉及一种空间非对称构件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，在零部件加工方面也相应提出了高精度、高效率、低成本、低能耗以及集成化和一体化等要求。这给增/减材复合制造技术提供了广阔发展平台。
为了进一步提高零件的加工精度和表面加工质量，增/减材复合制造设备的减材模块中需设置磨削加工环节。然而，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，较大比例的关键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，缺乏对激光增材过程中惰性气体保护将导致当工件原料采用金属材料时，金属材料容易发生氧化，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。在磨削减材加工时，飞溅的金属材料又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増材加工往往只针对某一种材料的成形，缺乏对复合材料零件的考虑。特别是减材加工环节其实是多样性和多元化的。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，其减材功能并不齐全。因而在特殊工况下减材加工柔性较低。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，提供一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工方法及装置，本发明结构紧凑、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而互不干涉，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：
一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工方法，包括以下步骤：将工件放置于复合工作台上，开启增材模块发射激光在工件表面产生熔池，送丝模块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，改变复合工作台上工件和增材模块或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；
所述改变复合工作台上工件和增材模块或磨削减材模块的相对位置包括以下一种或多种方式：
A、水平移动复合工作台；
B、开启旋转横梁内的旋转驱动机构驱动联动横梁旋转，联动横梁带动增材模块和磨削减材模块同步旋转；
C、开启联动横梁内第二水平驱动机构驱动增材模块和/或磨削减材模块水平移动；
D、开启龙门吊横梁内第一水平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。
作为对上述技术方案的进一步改进：
所述复合工作台包括下工作台和与下工作台联动的上工作台，所述水平移动复合工作台的具体步骤包括：
开启第二底部驱动机构的第二伺服电机驱动X向滚珠丝杠带动下工作台沿X向移动；和/或
开启第一底部驱动机构的第一伺服电机驱动Y向滚珠丝杠带动上工作台沿Y向移动。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工装置，包括固定底座、龙门吊、增材模块、磨削减材模块、复合工作台，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台上方，龙门吊立柱位于龙门吊横梁两端且固定于固定底座上，所述增材模块和磨削减材模块分别对复合工作台上的工件进行增材加工和减材加工；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，旋转横梁内设有旋转驱动机构，联动横梁在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：
所述复合工作台包括上工作台和下工作台，所述下工作台连接于上工作台的下方且所述上工作台相对于下工作台可水平移动，所述下工作台相对于固定底座可水平移动。
所述固定底座包括上底座，所述上底座下部设有第一底部驱动机构和第二底部驱动机构，所述第一底部驱动机构和第二底部驱动机构分别用于驱动下工作台和上工作台水平移动，下工作台和上工作台水平移动方向垂直。
所述第一底部驱动机构包括第二伺服电机和X向滚珠丝杠；所述下工作台包括下平板和位于下平板下方的多个连接板，所述上底座设有供连接板穿过的条形孔，所述连接板的下部与X向滚珠丝杠连接，其中一所述X向滚珠丝杠由第二伺服电机驱动，连接板下部的X向滚珠丝杠与连接板相对应的条形孔错位设置；
所述上工作台包括上平板和位于上平板下方的下滑块，所述下平板上部开设有导向槽，所述下滑块与导向槽滑动配合。
所述龙门吊立柱内设有横梁驱动机构，所述横梁驱动机构用于驱动龙门吊横梁上下移动；
所述横梁驱动机构包括驱动电机和多个Z向滚珠丝杠、丝杠连接件，其中一所述Z向滚珠丝杠由驱动电机驱动旋转，所述丝杠连接件一端与龙门吊横梁连接固定，另一端与Z向滚珠丝杠套接并由Z向滚珠丝杠带动沿Z向运动，所述Z向滚珠丝杠两端设有用于将Z向滚珠丝杠固定在龙门吊立柱内的滚珠丝杠支撑座。
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。
所述第二水平驱动机构包括模块驱动电机、模块支撑座和模块水平滚珠丝杠，所述模块驱动电机驱动模块水平滚珠丝杠转动，所述模块水平滚珠丝杠通过模块支撑座支撑于联动横梁内，所述增材模块、磨削减材模块上部分别与模块水平滚珠丝杠连接配合。
磨削减材模块包括小砂轮立柱，位于小砂轮立柱外且用于铣削或磨削工件侧面的小砂轮，以及位于小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。
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。
所述小砂轮立柱底部开设有楔形槽。
磨削减材模块还包括砂轮微调壳体、立柱接头，立柱接头上端与横梁连接，立柱接头下端通过砂轮微调壳体与小砂轮立柱连接。
所述砂轮摆动轴两端固定在小砂轮立柱内侧壁上。
所述小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。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用龙门吊横梁的驱动机构带动旋转横梁水平移动，联动横梁集成增材模块和磨削减材模块，通过旋转横梁内的旋转驱动机构旋转联动横梁，以带动增材模块和磨削减材模块旋转运动，将增材模块和磨削减材模块旋转至工件的任意方位，配合增材模块和磨削减材模块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，尤其是可加工成型中心轴线为曲线且横截面直径可变的回转体和比较复杂的曲面复合材料，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、本发明采用新型多轴联动传动复合工作平台，并将控制单轴传动的第二伺服电机布置于底座下方，同时上工作台和下工作台通过下滑块和导向槽的滑动配合形成多轴向复合传动的运动形式。一方面将电机等零部件质量集中在底座下，降低设备装置整机重心并减轻工作台运动载荷，在提高设备装置稳定性的同时实现高效节能的功效；另一方面，通过复合双层工作台的独立单轴向运动，以实现工件在工作平面内任意一点的定位，突破了传统工作平台单自由度运动的现状，简化了加工模块驱动系统的设计。
3、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。用于驱动下工作台的X向滚珠丝杠和用于驱动下工作台的Y向滚珠丝杆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，与此同时伸缩杆的内导杆外安装外套筒、内套筒，实现复杂传动系统的全封闭润滑，防止磨屑的渗入与堆积。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。
4、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。
5、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。
6、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。
7、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。
8、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5是本发明实施例1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是本发明实施例1悬挂架的结构示意图。
图8是本发明实施例1悬挂架的俯视图。
图9是图8中B-B线的剖视图。
图10是本发明实施例1旋转横梁的结构示意图。
图11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12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13是本发明实施例1磨削减材模块的结构示意图。
图14是本发明实施例1磨削减材模块的结构示意图(移除小砂轮立柱)。
图15是本发明实施例1增材模块的结构示意图。
图16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。
图17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18是本发明实施例1龙门吊横梁内结构示意图。
图19是本发明实施例1固定底座和复合工作台的结构示意图。
图20是本发明实施例1复合工作台及其驱动装置的结构示意图。
图21是本发明实施例1复合工作台及其驱动装置的俯视图。
图22是本发明实施例1复合工作台及其驱动装置的结构示意图的结构示意图(另一视角)。
图23是本发明实施例1伸缩杆的结构示意图。
图24是图21中C处的局部剖视图。
图25是本发明实施例1下工作台的结构示意图。
图26是本发明实施例1上工作台的结构示意图。
图27是本发明实施例1上底座的结构示意图。
图28是本发明能一次性加工出的部分零件示意图。
图中各标号表示：
1、固定底座；101、上底座；1011、条形孔；102、下底壳；2、外罩；3、置物门；4、龙门吊；41、龙门吊横梁；43、第一水平驱动机构；431、第一电机；432、第一支撑座；433、水平滚珠丝杠；434、第一连接件；42、龙门吊立柱；5、上工作台；501、上平板；5011、平板通孔；502、下滑块；6、下工作台；601、下平板；6011、导向槽；6012、限位块；602、连接板；6021、竖板；6022、横板；60221、限位孔；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、小砂轮立柱；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、联动横梁；10、伸缩杆；1001、外套筒；1002、内套筒；1003、内导杆；11、伸缩挡板；111、中部挡板；112、端部挡板；12、伸缩杆固定块；13、侧板；14、固定板；15、第一伺服电机；16、Y向滚珠丝杠；17、第二伺服电机；18、X向滚珠丝杠；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、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、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、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、支撑定位块；90、旋转横梁；901、旋转腔；902、固定腔；903、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27所示，本发明的一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工装置，包括固定底座1、龙门吊4、增材模块7、磨削减材模块8、复合工作台，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位于复合工作台上方，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，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内设有旋转驱动机构，联动横梁9在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。
本发明采用龙门吊横梁41的驱动机构带动旋转横梁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。
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3所示，第一水平驱动机构43包括第一电机431、第一支撑座432、水平滚珠丝杠433和第一连接件434，第一电机431用于驱动水平滚珠丝杠433转动，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，启动第一电机431时，旋转横梁90在水平滚珠丝杠433的带动下水平移动。
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4-10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；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，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7-9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5-6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。
旋转腔901位于旋转横梁9041正中间呈圆盘型，通过旋转横梁90一侧的旋转驱动电机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6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411上，能稳定圆盘锥齿轮22。
如图11和12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12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12和16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。
如图15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15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。
本发明通过旋转横梁90的水平移动、联动横梁9的旋转圆周运动，上工作台5和下工作台6的水平移动，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13和14所示，磨削减材模块8包括小砂轮81、小砂轮立柱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下端与小砂轮立柱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与小砂轮立柱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。
小砂轮立柱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、小砂轮立柱82为模块化设计，安装、维护和更换都比较方便。
如图19-27所示，复合工作台包括上工作台5和下工作台6，下工作台6连接于上工作台5的下方；固定底座1包括上底座101，装置还包括固定于上底座101下部的第二底部驱动机构，第二底部驱动机构包括第二伺服电机17和多个X向滚珠丝杠18，下工作台6包括下平板601和位于下平板601下方的多个连接板602，上底座101设有供连接板602穿过的条形孔1011，连接板602的下部与X向滚珠丝杠18连接，其中一X向滚珠丝杠18由第二伺服电机17驱动，连接板602下部的X向滚珠丝杠18与连接板602相对应的条形孔1011错位设置；上工作台5包括上平板501和位于上平板501下方的下滑块502，下平板601上部开设有导向槽6011，下滑块502与导向槽6011滑动配合。上工作台5和下工作台6通过下滑块502和导向槽6011的滑动配合形成多轴向复合传动的运动形式。
本实施例中，固定底座1还包括下底壳102，下底壳102位于上底座101下，用于密封固定上底座101下部的第二伺服电机17等装置。
一方面将第一底部驱动机构的第二伺服电机17、X向滚珠丝杠18等零部件运动设置在上底座101下部，将质量集中在上底座101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；另一方面，通过复合双层工作台的独立单轴向运动，以实现工件在工作平面内任意一点的定位，突破了传统工作平台单自由度运动的现状，简化了加工模块驱动系统的设计；再者，X向滚珠丝杠18与连接板602相对应的条形孔1011错位设置，当磨削时，即便磨屑掉入条形孔时，随着条形孔1011向下掉落，而不会影响用于传动的X向滚珠丝杠18的运动，延长了本发明传动零件的使用寿命。
本实施例中，连接板602包括横板6022和竖板6021，竖板6021的一端连接于下平板601，竖板6021的另一端与横板6022的一端连接，横板6022的另一端与X向滚珠丝杠18连接，第二伺服电机17与其中一个X向滚珠丝杠18的一端连接并驱动X向滚珠丝杠18旋转，以带动横板6022沿X向移动。
横板6022在靠近X向滚珠丝杠18一侧设有限位孔60221，限位孔60221与X向滚珠丝杠18凹凸配合连接。本实施例中，共有三个X向滚珠丝杠18，其中位于中间的X向滚珠丝杠18与第二伺服电机17连接并由第二伺服电机17驱动，为主动件，位于两侧的X向滚珠丝杠18为从动件，起一定的支撑作用。本实施例中，第二伺服电机17输出端直接驱动X向滚珠丝杠18。在其他实施例中，第二伺服电机17输出端连接有齿轮，X向滚珠丝杠18端部设有齿轮，通过齿轮与齿轮配合实现传动。
三个X向滚珠丝杠18通过支撑定位块60固定于上底座101下方。本实施例中，支撑定位块60为橡胶材料制备而成。
下工作台6还包括限位块6012，限位块6012安装于导向槽6011一端并用于阻挡下滑块502运动。本实施例中，导向槽6011为燕尾槽，下滑块502为燕尾滑块，采用燕尾槽和燕尾滑块连接，即有助于导向定位也起到支撑的作用，限位块6012为橡胶块。
装置还包括至少两个伸缩杆10、伸缩杆固定块12、侧板13、固定板14、第二底部驱动机构，第二底部驱动机构包括第一伺服电机15和Y向滚珠丝杠16，伸缩杆固定块12、固定板14、第二底部驱动机构均分别设置于上底座101相对的两侧，上工作台5通过伸缩杆10与伸缩杆固定块12连接；伸缩杆固定块12两端分别与固定板14套接，第一伺服电机15固定于上底座101的侧面挖孔内，且通过固定板14将侧面挖孔进行密封,第一伺服电机15与Y向滚珠丝杠16连接并驱动Y向滚珠丝杠16转动，Y向滚珠丝杠16驱动伸缩杆固定块12沿Y向移动。
Y向滚珠丝杠16布置在上底座101侧面下方，加长行程，螺母与横板连接，可在其内部滑动。条形孔1011通过两块橡胶相夹实现相对密封，在上工作台5和伸缩杆固定块12之间，于上底座101上设有伸缩挡板11，伸缩杆10自上工作台5穿过伸缩挡板11与伸缩杆固定块12连接。伸缩挡板11包括中部挡板111和套设于中部挡板111外的两端部挡板112，端部挡板112呈中空状，如此伸缩杆10在带动中部挡板111运动的同时，也可实现中部挡板111的密封。
如图23、24所示，伸缩杆10包括内导杆1003和多个外套筒1001、内套筒1002，外套筒1001、内套筒1002均套设于内导杆1003外且沿上工作台5对称设置，内导杆1003穿过上工作台5并与伸缩杆固定块12连接，外套筒1001的一端与伸缩杆固定块12连接，另一端套设于内套筒1002外侧或内侧且与内套筒1002滑动配合，内套筒1002的另一端与上工作台5的一侧连接。本实施例中，伸缩杆10的内套筒1002和外套筒1001均为中空，以实现套接，伸缩杆10的内导杆1003外安装外套筒1001、内套筒1002，实现复杂传动系统的全封闭润滑，以此将涂有润滑油的内导杆1003与外界工作环境相隔绝，防止磨屑的渗入与堆积。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。
本实施例中，上平板501两侧开设有供伸缩杆10通过的平板通孔5011。
下工作台6由固定底座1下方的第二伺服电机17连接X向滚珠丝杠18进行传动，带动上工作台5沿X轴方向移动。上工作台5与下工作台6在X轴方向上相对固定。上工作台5与下工作台6之间通过两道燕尾槽与燕尾滑块契合固定，上工作台5由X轴方向的一根伸缩杆10带动实现Y轴方向的运动，并且下工作台6的燕尾槽起导向的作用。带动上工作台5的伸缩杆10固定于两边的伸缩杆固定块12上，各自位于下工作台6移动区间两侧，伸缩杆固定块12由固定底座1下方的第一伺服电机15和Y向滚珠丝杠16带动。上工作台5上固定工件，通过以上传动机构实现工件在底座平面内的X、Y轴方向运动，所以工件可位于加工区域平面内的任意位置。
如图16和17所示，装置包括横梁驱动机构，横梁驱动机构包括安装于龙门吊立柱42内的驱动电机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，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。立柱内孔由水平设置的隔离板分隔成两部分，一部分容纳驱动电机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，驱动电机直接与Z向滚珠丝杠连接，驱动Z向滚珠丝杠转动。
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，并将上工作台5、下工作台6、磨削减材模块8、增材模块7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3。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。
本发明的工作原理是：在进行激光加工工作时，龙门吊横梁41的驱动机构带动旋转横梁90水平移动,通过第一水平驱动机构43控制旋转横梁90的水平移动，通过旋转横梁90内旋转驱动机构控制联动横梁9的旋转运动，通过联动横梁9控制增材模块7和磨削减材模块8的联动，通过第二水平驱动机构将两模块间的距离更改到合适，并通过控制上工作台5和下工作台6的移动并与增材模块7和磨削减材模块8的旋转配合，使工件相对增材模块7和磨削减材模块8发生预定加工路径的位移。增材加工过程中，送丝模块23同步送丝，在激光的作用下熔融沉积，并通过旋转驱动机构使磨削减材模块8的小砂轮81的移动路径始终跟随在增材模块7加工路径后侧，小砂轮81并发生一定角度的偏移对工件侧面进行磨削加工，以此实现对工件的增减材同步加工。
本发明的一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工方法，包括以下步骤：
将工件放置于复合工作台上，开启增材模块7发射激光熔化工件，送丝模块23将原料送至增材模块7下并在激光的作用下于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进行侧面减材加工，按照预设要求改变复合工作台上工件和增材模块7或磨削减材模块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；
所述按照预设要求改变复合工作台上工件和增材模块7或磨削减材模块8的相对位置包括以下一种或多种方式：
A、按预设要求沿X向和/或Y向移动复合工作台；和/或
B、开启旋转横梁90内的旋转驱动机构驱动联动横梁9旋转，联动横梁9带动增材模块7和磨削减材模块8旋转；和/或
C、开启联动横梁9内第二水平驱动机构驱动增材模块7和/或磨削减材模块8水平移动；
D、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。
复合工作台包括下工作台6和与下工作台6联动的上工作台5，移动复合工作台的具体步骤包括：开启第二伺服电机17驱动X向滚珠丝杠18带动下工作台6沿X向移动；和/或
开启第一伺服电机15驱动Y向滚珠丝杠16带动上工作台5沿Y向移动。
向上移动增材模块7的具体步骤包括：开启驱动电机50驱动Z向滚珠丝杠52带动龙门吊横梁41向上移动，龙门吊横梁41同步带动联动横梁9下方增材模块7和磨削减材模块8向上移动。
本发明中，以沿X向滚珠丝杠18长度的方向为x向，以沿Y向滚珠丝杠16长度的方向为y向，以垂直于复合工作台的方向为z向。
本发明能够用于一体成型制作带有圆孔或方形孔类零件(如图28(e)、(f)所示，图28(f)是图28(e)零件的全剖视图)，固定座类零件(如图28(c)、(d)所示，图28(d)是图28(c)零件的俯视图)，中心轴沿竖直方向变化的回转体类零件(如图28(a)、(b)所示，图28(b)是图28(a)零件的侧视图)等复杂结构零件，适用范围广。
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)

1.一种空间非对称构件的增减材双工位同步加工方法，其特征在于：包括以下步骤：将工件放置于复合工作台上，开启增材模块(7)发射激光在工件表面产生熔池，送丝模块(23)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，改变复合工作台上工件和增材模块(7)或磨削减材模块(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；
所述改变复合工作台上工件和增材模块(7)或磨削减材模块(8)的相对位置包括以下一种或多种方式：
A、水平移动复合工作台；
B、开启旋转横梁(90)内的旋转驱动机构驱动联动横梁(9)旋转，联动横梁(9)带动增材模块(7)和磨削减材模块(8)同步旋转；
C、开启联动横梁(9)内第二水平驱动机构驱动增材模块(7)和/或磨削减材模块(8)水平移动；
D、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)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。
2.根据权利要求1所述的增减材双工位同步加工方法，其特征在于：所述复合工作台包括下工作台(6)和与下工作台(6)联动的上工作台(5)，所述水平移动复合工作台的具体步骤包括：
开启第二底部驱动机构的第二伺服电机(17)驱动X向滚珠丝杠(18)带动下工作台(6)沿X向移动；和/或
开启第一底部驱动机构的第一伺服电机(15)驱动Y向滚珠丝杠(16)带动上工作台(5)沿Y向移动。
3.一种空间非对称构件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)、龙门吊(4)、增材模块(7)、磨削减材模块(8)、复合工作台，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)位于复合工作台上方，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，所述增材模块(7)和磨削减材模块(8)分别对复合工作台上的工件进行增材加工和减材加工；
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)内设有旋转驱动机构，联动横梁(9)在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。
4.根据权利要求3所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述复合工作台包括上工作台(5)和下工作台(6)，所述下工作台(6)连接于上工作台(5)的下方且所述上工作台(5)相对于下工作台(6)可水平移动，所述下工作台(6)相对于固定底座(1)可水平移动。
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：所述固定底座(1)包括上底座(101)，所述上底座(101)下部设有第一底部驱动机构和第二底部驱动机构，所述第一底部驱动机构和第二底部驱动机构分别用于驱动下工作台(6)和上工作台(5)水平移动，下工作台(6)和上工作台(5)水平移动方向垂直。
6.根据权利要求5所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述第一底部驱动机构包括第二伺服电机(17)和X向滚珠丝杠(18)；所述下工作台(6)包括下平板(601)和位于下平板(601)下方的多个连接板(602)，所述上底座(101)设有供连接板(602)穿过的条形孔(1011)，所述连接板(602)的下部与X向滚珠丝杠(18)连接，其中一所述X向滚珠丝杠(18)由第二伺服电机(17)驱动，连接板(602)下部的X向滚珠丝杠(18)与连接板(602)相对应的条形孔(1011)错位设置；
所述上工作台(5)包括上平板(501)和位于上平板(501)下方的下滑块(502)，所述下平板(601)上部开设有导向槽(6011)，所述下滑块(502)与导向槽(6011)滑动配合。
7.根据权利要求3所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述龙门吊立柱(42)内设有横梁驱动机构，所述横梁驱动机构用于驱动龙门吊横梁(41)上下移动；
所述横梁驱动机构包括驱动电机(50)和多个Z向滚珠丝杠(52)、丝杠连接件(53)，其中一所述Z向滚珠丝杠(52)由驱动电机(50)驱动旋转，所述丝杠连接件(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，所述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)。
8.根据权利要求3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(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。
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(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。
10.根据权利要求3所述的增减材双工位同步加工装置，其特征在于：所述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)，所述模块驱动电机(31)驱动模块水平滚珠丝杠(33)转动，所述模块水平滚珠丝杠(33)通过模块支撑座(32)支撑于联动横梁(9)内，所述增材模块(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。
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CN115256936A (zh) * 2022-09-29 2022-11-01 佛山职业技术学院 一种五轴增减材制造装置及其增减材复合制造方法
CN115635185A (zh) * 2022-10-18 2023-01-24 江苏一言机械科技有限公司 一种激光切割机数控系统

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