CN114453887A - 一种多轴联动的增减材多工位近净成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴联动的增减材多工位近净成形装置，包括固定底座、第一立柱、龙门吊、工作台、第一连接件、激光减材模块等；龙门吊包括龙门吊横梁位于龙门吊横梁两端的龙门吊立柱，龙门吊立柱、第一立柱安装于固定底座上，工作台间隔设置于固定底座上方；至少两个第一立柱分别设置在工作台端部外侧，第一立柱通过第一连接件与工作台的端部连接；第一驱动机构、第二驱动机构分别用于驱动龙门吊横梁、驱动工作台倾斜；第三驱动机构用于驱动增材模块和磨削减材模块相对于龙门吊横梁同步水平移动，本发明具有结构紧凑等优点。

Description

一种多轴联动的增减材多工位近净成形装置及方法

技术领域

本发明涉及桌面型激光加工设备领域，尤其涉及一种多轴联动的增减材多工位近净成形装置及方法。

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近净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，提供一种多轴联动的增减材多工位近净成形装置及方法，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：

一种多轴联动的增减材多工位近净成形装置，包括固定底座、第一立柱、龙门吊、工作台、第一连接件、增材模块、磨削减材模块、激光减材模块、第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构、第四驱动机构；所述龙门吊包括龙门吊横梁位于龙门吊横梁两端的龙门吊立柱，所述龙门吊立柱、第一立柱安装于固定底座上，所述工作台间隔设置于固定底座上方，增材模块、激光减材模块和磨削减材模块设置于龙门吊横梁下方；至少两个所述第一立柱分别设置在工作台端部外侧，所述第一立柱通过第一连接件与工作台的端部连接；所述第一驱动机构位于龙门吊立柱内且用于驱动龙门吊横梁上下移动；所述第二驱动机构位于第一立柱内且用于驱动工作台端部上下移动，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；所述第三驱动机构位于龙门吊横梁内且用于驱动增材模块和磨削减材模块相对于龙门吊横梁同步水平移动，所述增材模块和磨削减材模块分别对工作台上的零件进行增材加工和减材加工；所述激光减材模块用于对复合工作台上的零件侧面进行减材加工；所述第四驱动机构位于固定底座内且用于驱动龙门吊立柱相对于固定底座水平移动，龙门吊立柱水平移动的方向与增材模块或磨削减材模块水平移动的方向垂直。

作为对上述技术方案的进一步改进：

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，所述第二驱动机构与连接杆连接。

所述工作台至少两端部设有延伸杆，所述延伸杆与球销座连接。

所述第二驱动机构包括第二电机、第二支撑座、第二滚珠丝杠和第二丝杠连接件，所述第二滚珠丝杠竖直设置，所述第二电机用于驱动第二滚珠丝杠旋转，所述第二支撑座支撑在第二滚珠丝杠两端，所述第二丝杠连接件套设在第二滚珠丝杠外，所述第二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。

所述第二丝杠连接件与连接杆铰接。

所述第一驱动机构包括第一电机、第一支撑座、第一滚珠丝杠、第一丝杠连接件，所述第一滚珠丝杠竖直设置，所述第一电机用于驱动第一滚珠丝杠旋转，所述第一支撑座支撑在第一滚珠丝杠端部，所述第一丝杠连接件套设在第一滚珠丝杠外，所述第一丝杠连接件自龙门吊立柱内延伸至龙门吊立柱外并与龙门吊横梁端部连接。

所述第三驱动机构包括第三电机、第三支撑座、第三滚珠丝杠、第三丝杠螺母和联轴器，两个旋转方向相反的第三滚珠丝杠水平设置并且通过联轴器连接，所述第三电机用于驱动第三滚珠丝杠旋转，所述第三支撑座支撑在第三滚珠丝杠端部，两个所述第三丝杠螺母分别套设在第三滚珠丝杠外，所述第三丝杠螺母分别与增材模块和磨削减材模块连接。

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°。

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砂轮立柱连接。

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。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种前述的增减材多工位近净成形装置的加工方法，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：开启第二驱动机构驱动工作台倾斜；

方式B：开启第三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：开启第四驱动机构驱动龙门吊立柱水平移动；

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；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；

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、本发明通过工作台中倾斜运动，龙门吊横梁的上下移动，增材模块和减材模块的同步水平运动，激光减材模块的侧面减材，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角度以及不同轴向的坡面乃至不同形态曲面的复杂零件，尤其是可加工成型表面呈曲面形且高度不等的零构件，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，配合激光减材模块的激光减材，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加工成形，相比与传统的多工位分步加工方式而言，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是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置的结构示意图(移除外罩)。

图3是第一立柱及工作台的安装结构示意图。

图4是第一立柱及工作台的安装主视图(移除部分零件)。

图5是第一立柱及工作台的安装俯视图。

图6是图5中A-A线剖视图。

图7是工作台的结构示意图。

图8是图6中B处局部放大图。

图9是第一连接件的结构示意图。

图10是龙门吊及增减材模块的结构示意图。

图11是第一驱动机构的安装示意图。

图12是第三驱动机构的结构示意图。

图13是龙门吊横梁的结构示意图。

图14是增材模块的结构示意图。

图15是减材模块的结构示意图。

图16是减材模块的结构示意图(移除砂轮立柱)。

图17是第四驱动机构及第二连接件的结构示意图。

图18是激光减材模块的结构示意图。

图19是实施例2装置结构示意图。

图20是实施例2龙门吊及增减材模块的结构示意图。

图21是实施例2第一驱动机构的结构示意图。

图22是本发明能一次性加工出的零件结构示意图。

图23是本发明能一次性加工出的另一零件结构示意图。

图中各标号表示：

1、固定底座；101、X向条形孔；2、外罩；3、第一立柱；4、龙门吊；41、龙门吊横梁；411、条形槽；412、安装腔；413、支撑板；42、龙门吊立柱；5、工作台；51、延伸杆；6、第一连接件；61、球销座；62、球头销；63、连接杆；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；11、第一驱动机构；111、第一电机；112、第一支撑座；113、第一滚珠丝杠；114、第一丝杠连接件；12、第二驱动机构；121、第二电机；122、第二支撑座；123、第二滚珠丝杠；124、第二丝杠连接件；13、第三驱动机构；131、第三电机；132、第三支撑座；133、第三滚珠丝杠；134、第三丝杠螺母；135、联轴器；26、定料机构；261、小辊筒；262、小辊筒支架；14、第四驱动机构；141、第四电机；142、第四支撑座；143、第四滚珠丝杠；15、第二连接件；151、竖直件；152、水平件；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18所示，本实施例的多轴联动的多工位近净成形装置，包括固定底座1、第一立柱3、龙门吊4、工作台5、第一连接件6、增材模块7、磨削减材模块8、激光减材模块70、第一驱动机构11、第二驱动机构12、第三驱动机构13、第四驱动机构14；龙门吊4包括龙门吊横梁41位于龙门吊横梁41两端的龙门吊立柱42，龙门吊立柱42、第一立柱3安装于固定底座1上，工作台5间隔设置于固定底座1上方，增材模块7、激光减材模块70和磨削减材模块8设置于龙门吊横梁41下方；至少两个第一立柱3分别设置在工作台5两端部外侧，第一立柱3通过第一连接件6与工作台5的端部连接；第一驱动机构11位于龙门吊立柱42内且用于驱动龙门吊横梁41上下移动；第二驱动机构12位于第一立柱3内且用于驱动工作台5端部上下移动，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；第三驱动机构13位于龙门吊横梁41内且用于驱动增材模块7和磨削减材模块8相对于龙门吊横梁41同步水平移动，增材模块7和磨削减材模块8分别对工作台5上的零件进行增材加工和减材加工，激光减材模块70用于对零件侧面进行减材加工；固定底座1内设有第四驱动机构14，第四驱动机构14用于驱动龙门吊立柱42相对于固定底座1水平移动，龙门吊立柱42水平移动的方向与增材模块7或磨削减材模块8水平移动的方向垂直。

本发明中，通过第一立柱3内第二驱动机构12带动工作台5端部向上或向下移动，第二驱动机构12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。

如图18所示，激光减材模块70在龙门吊横梁42两端部，包括减材激光头和减材支撑件，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并且需要对槽表面进行减材时。

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，调整减材激光头的激光发射方向，开启减材激光头发射激光对工件侧面进行激光减材加工。

如图6、8所示，第一连接件6包括球销座61、球头销62、连接杆63，球销座61一端与工作台5一端部连接，另一端与球头销62连接配合，连接杆63套设于球头销62外，第二驱动机构12与连接杆63连接。本实施例中，连接杆63采用弹性材料制成，可沿长度方向弹性延伸，与球头销62螺纹连接。

工作台5至少两端部设有延伸杆51，延伸杆51与球销座61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5四个端部的第二驱动机构12，第二驱动机构12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。

如图4所示，第二驱动机构12包括第二电机121、第二支撑座122、第二滚珠丝杠123和第二丝杠连接件124，第二滚珠丝杠123竖直设置，第二电机121用于驱动第二滚珠丝杠123旋转，第二支撑座122支撑在第二滚珠丝杠123两端，第二丝杠连接件124套设在第二滚珠丝杠123外，第二丝杠连接件124自第一立柱3内延伸至第一立柱3外并与第一连接件6连接。

通过第一立柱3内的第二滚珠丝杠123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。在第二丝杠连接件124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，第二电机121为伺服电机，驱动第二滚珠丝杠123。在第一立柱3内开设有内孔，第一驱动机构11位于内孔内，第一立柱3在靠近工作台5一侧开设有供第二丝杠连接件124通过的前槽，前槽与内孔相连通，并且前槽与第二滚珠丝杠123错位设置，防止磨屑直接进入前槽影响第二驱动机构12的传动。内孔由水平设置的隔离板分隔成两部分，一部分容纳第二电机121，另一部分容纳第二驱动机构12的其他重要零件。

第二丝杠连接件124与连接杆63铰接。

如图11所示，第一驱动机构11包括第一电机111、第一支撑座112、第一滚珠丝杠113、第一丝杠连接件114，第一滚珠丝杠113竖直设置，第一电机111用于驱动第一滚珠丝杠113旋转，第一支撑座112支撑在第一滚珠丝杠113端部，第一丝杠连接件114套设在第一滚珠丝杠113外，第一丝杠连接件114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113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114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11位于龙门吊立柱42上半部分，第一电机111为伺服电机，分别驱动两根第一滚珠丝杠113。在龙门吊立柱42上半部分开设有立柱内孔，第一驱动机构11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114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113错位设置，防止磨屑直接进入前槽影响第一驱动机构11的传动。立柱内孔由水平设置的隔离板分隔成两部分，一部分容纳第一电机111，另一部分容纳第一驱动机构11的其他重要零件。

如图12所示，第三驱动机构13包括第三电机131、第三支撑座132、第三滚珠丝杠133、第三丝杠螺母134和联轴器135，两个旋转方向相反的第三滚珠丝杠133水平设置并且通过联轴器135连接，第三电机131用于驱动第三滚珠丝杠133旋转，第三支撑座132支撑在第三滚珠丝杠133端部，两个第三丝杠螺母134分别套设在第三滚珠丝杠133外，第三丝杠螺母134分别与增材模块7和磨削减材模块8连接。

本实施例中，增材模块7和磨削减材模块8共用同一龙门吊横梁41的相同第三驱动机构13。当启动第三电机131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。每一个第三驱动机构13包括一第三滚珠丝杠133，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三滚珠丝杠133上，第三滚珠丝杠133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分别通过第三丝杠螺母134安装于两水平丝杠上，两第三丝杠螺母134旋向方向相反(第三丝杠螺母134与各自所属水平丝杠的旋向相同)。第三电机131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。当第三电机131正转，水平丝杠上的两水平丝杠螺母就会逐渐靠近；当第三电机131反转，水平丝杠上的两水平丝杠螺母就会逐渐远离。龙门吊横梁41内通过第三电机131与水平丝杠传动连接，控制两个反向配合的第三丝杠螺母134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。

如图13所示，龙门吊横梁41包括横梁壳体和横梁盖，横梁壳体内设有用于安装第三驱动机构13的安装腔412，安装腔412内垂直设有支撑板413用于支撑弹性联轴器。

在其他实施例中，在同一龙门吊横梁41上采用两个第三驱动机构13分别驱动增材模块7和磨削减材模块8，两个第三驱动机构13的第三滚珠丝杠133旋转方向相反，通过龙门吊横梁41内的第三电机131来控制增材模块7或磨削减材模块8在水平方向的移动。一个龙门吊横梁41内配有两组第三驱动机构13分别用于控制增材模块7和磨削减材模块8，相对于采用相同第三驱动机构13同时驱动增材模块7、磨削减材模块8，两组第三驱动机构13降低了每根第三滚珠丝杠133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14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与第三丝杠螺母134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。在其他实施例中，增材滑块74设有通孔，通孔内壁设有螺纹，增材滑块74直接套设在第三滚珠丝杠133上，增材滑块74自第三滚珠丝杠133穿过龙门吊横梁41与激光接头73连接。

如图14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，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15、16所示，磨削减材模块包括砂轮立柱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与第三丝杠螺母134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。在其他实施例中，减材滑块89设有通孔，通孔内壁设有螺纹，直接套设在第三滚珠丝杠133外，减材滑块89自第三滚珠丝杠133穿过龙门吊横梁41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。

龙门吊立柱42底部连接有第二连接件15，第二连接件15下部与第四驱动机构14连接，固定底座1上表面开设有供第二连接件15穿过的X向条形孔101。

龙门吊横梁41在靠近增材模块7和减材模块8的一侧开设有供增材滑块74和减材滑块89通过的条形槽411，条形槽411与安装腔412相连通。

如图17所示，第四驱动机构14包括第四电机141、第四支撑座142、第四滚珠丝杠143，第四滚珠丝杠143水平设置，第四电机141用于驱动第四滚珠丝杠143旋转，第四支撑座142支撑在第四滚珠丝杠143端部，第二连接件15的下部与第四滚珠丝杠143连接，第四电机141驱动第四滚珠丝杠143带动第二连接件15沿X向移动，第四滚珠丝杠143与X向条形孔101错位设置。第二连接件15包括竖直件151和水平件152，竖直件151一端连接于龙门吊立柱42的底部，穿过X向条形孔101，另一端与水平件152一端连接，水平件152的另一端与第四滚珠丝杠143连接，由此实现传动系统和X向条形孔101的错位设置。

本发明将控制单轴(本实施例中只有一个第四滚珠丝杠143由电机驱动)传动的第四电机141布置于固定底座1内，电机等零部件质量集中在固定底座1内，降低装置整机重心并减轻工作台5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，第四滚珠丝杠143与竖直件151相对应的X向条形孔101错位设置，当磨削时，磨屑掉入X向条形孔101时，随着X向条形孔101向下掉落，而不会影响用于传动的第四滚珠丝杠143的运动，延长传动零件使用寿命。

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(图中未示出)，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。

本发明中，以第四滚珠丝杠143的长度方向为X向，以第三滚珠丝杠133的长度方向为Y向，以第一滚珠丝杠113的长度方向为Z向，第四滚珠丝杠143和第三滚珠丝杠133垂直设置。

本实施例的一种前述增减材多工位快速成形装置的加工方法，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：开启第二驱动机构12驱动工作台5倾斜；

方式B：开启第三驱动机构13驱动增材模块7和磨削减材模块8同步水平移动；

方式C：开启第四驱动机构14驱动龙门吊立柱42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；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；

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11带动龙门吊横梁41向上移动。

本发明能加工可加工各种具有不同角度以及不同轴向的坡面乃至不同形态曲面的复杂零件，尤其是可加工成型表面呈曲面形且高度不等的零构件，零件结构示意图如图22所示，图22(a)是零件的立体结构示意图，图22(b)是零件的俯视图，图22(c)是零件的主视图,另一零件结构典型示意图如图23所示，图23(a)是零件的立体结构示意图，图23(b)是零件的主视图。

实施例2

如图19至21所示，本实施例的装置与实施例1大致相同，不同之处在于：

本实施例的龙门吊横梁41的数量为两个，增材模块7和减材模块8分别由两个独立的第三驱动机构13驱动，龙门吊立柱42内设有两第一驱动机构11分别用于驱动龙门吊横梁41上下移动,两个激光减材模块70分别设置在不同龙门吊横梁41端部。

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)

1.一种多轴联动的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：包括固定底座(1)、第一立柱(3)、龙门吊(4)、工作台(5)、第一连接件(6)、增材模块(7)、磨削减材模块(8)、激光减材模块(70)、第一驱动机构(11)、第二驱动机构(12)、第三驱动机构(13)、第四驱动机构(14)；

所述龙门吊(4)包括龙门吊横梁(41)位于龙门吊横梁(41)两端的龙门吊立柱(42)，所述龙门吊立柱(42)、第一立柱(3)安装于固定底座(1)上，所述工作台(5)间隔设置于固定底座(1)上方，所述增材模块(7)、激光减材模块(70)和磨削减材模块(8)设置于龙门吊横梁(41)下方；

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，所述第一立柱(3)通过第一连接件(6)与工作台(5)的端部连接；

所述第一驱动机构(11)位于龙门吊立柱(42)内且用于驱动龙门吊横梁(41)上下移动；所述第二驱动机构(12)位于第一立柱(3)内且用于驱动工作台(5)端部上下移动，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；

所述第三驱动机构(13)位于龙门吊横梁(41)内且用于驱动增材模块(7)和磨削减材模块(8)相对于龙门吊横梁(41)同步水平移动，所述增材模块(7)和磨削减材模块(8)分别对工作台(5)上的零件进行增材加工和减材加工，所述激光减材模块(70)用于对工作台(5)上的零件侧面进行减材加工；

所述第四驱动机构(14)位于固定底座(1)内且用于驱动龙门吊立柱(42)相对于固定底座(1)水平移动，所述龙门吊立柱(42)水平移动的方向与增材模块(7)或磨削减材模块(8)水平移动的方向垂直。

2.根据权利要求1所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述第一连接件(6)包括球销座(61)、球头销(62)、连接杆(63)，所述球销座(61)一端与工作台(5)一端部连接，另一端与球头销(62)连接配合，所述连接杆(63)套设于球头销(62)外，所述第二驱动机构(12)与连接杆(63)连接。

3.根据权利要求2所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述工作台(5)至少两端部设有延伸杆(51)，所述延伸杆(51)与球销座(61)连接。

4.根据权利要求2所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述第二驱动机构(12)包括第二电机(121)、第二支撑座(122)、第二滚珠丝杠(123)和第二丝杠连接件(124)，所述第二滚珠丝杠(123)竖直设置，所述第二电机(121)用于驱动第二滚珠丝杠(123)旋转，所述第二支撑座(122)支撑在第二滚珠丝杠(123)两端，所述第二丝杠连接件(124)套设在第二滚珠丝杠(123)外，所述第二丝杠连接件(124)自第一立柱(3)内延伸至第一立柱(3)外并与第一连接件(6)连接。

5.根据权利要求4所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述第二丝杠连接件(124)与连接杆(63)铰接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述第一驱动机构(11)包括第一电机(111)、第一支撑座(112)、第一滚珠丝杠(113)、第一丝杠连接件(114)，所述第一滚珠丝杠(113)竖直设置，所述第一电机(111)用于驱动第一滚珠丝杠(113)旋转，所述第一支撑座(112)支撑在第一滚珠丝杠(113)端部，所述第一丝杠连接件(114)套设在第一滚珠丝杠(113)外，所述第一丝杠连接件(114)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。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述第三驱动机构(13)包括第三电机(131)、第三支撑座(132)、第三滚珠丝杠(133)、第三丝杠螺母(134)和联轴器(135)，两个旋转方向相反的第三滚珠丝杠(133)水平设置并且通过联轴器(135)连接，所述第三电机(131)用于驱动第三滚珠丝杠(133)旋转，所述第三支撑座(132)支撑在第三滚珠丝杠(133)端部，两个所述第三丝杠螺母(134)分别套设在第三滚珠丝杠(133)外，所述第三丝杠螺母(134)分别与增材模块(7)和磨削减材模块(8)连接。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述磨削减材模块包括砂轮立柱(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。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的增减材多工位近净成形装置，其特征在于：所述增材模块(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，所述激光头(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°。

10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的增减材多工位近净成形装置的加工方法，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：开启第二驱动机构(12)驱动工作台(5)倾斜；

方式B：开启第三驱动机构(13)驱动增材模块(7)和磨削减材模块(8)同步水平移动；

方式C：开启第四驱动机构(14)驱动龙门吊立柱(42)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；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；

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(11)带动龙门吊横梁(41)向上移动。

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