CN211030459U - 一种增减材复合加工机头及设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机加工设备技术领域。为了提高采用3D打印技术制备产品的效率和质量，本实用新型公开了一种增减材复合加工机头及设备。该增减材复合加工机头包括旋转支架、旋转电机、增材单元和减材单元；所述旋转支架为L形结构，包括竖直端和水平端，所述旋转电机的输出轴与所述竖直端固定连接，带动所述旋转支架绕所述旋转电机的输出轴进行翻转转动；所述增材单元和所述减材单元同时固定在所述水平端，并且所述增材单元的材料输出部分与所述减材单元的材料消减部分保持夹角设置。采用本实用新型的复合加工机头可以一次性完成对产品的增材和减材操作，省去反复移材和装夹的操作，提高对产品的加工质量和效率。

Description

一种增减材复合加工机头及设备

技术领域

本实用新型属于机加工设备技术领域，具体涉及一种增减材复合加工机头及设备。

背景技术

随着科学技术的进步,3D打印技术得到了飞速的发展,并且在《中国制造 2025》中将3D打印技术作为重点发展领域,以实施制造强国战略。目前市场上的3D打印设备,从桌面级到工业级,从木塑材料到金属材料甚至细胞组织等,都已经得到非常广泛的应用,有很大的发展前景。

在传统车间的制造业应用中,3D打印技术能极大的提高材料的利用率,并且快速的完成复杂零件加工,相比于减材制造设备的复杂加工工序具有巨大优势。然而，目前的3D打印主要是釆用增材制造(FDM熔融堆积)技术来完成,即现有的 3D打印设备只能完成增材加工，无法同时进行减材的精加工,这对于一些局部结构尺寸要求较高的复杂产品来说，单纯依靠3D打印的增材操作很难直接满足其精度要求，此时通常采用对3D打印产品进行移材二次装夹的减材精加工方式，来保证最终产品的质量精度要求。但是，这样反复移材装夹不仅会影响对整个产品的制备效率，而且也会影响产品的定位精度和加工精度，导致最终产品质量的降低。

实用新型内容

为了提高采用3D打印技术制备产品的效率和质量，本实用新型提出了一种增减材复合加工机头，采用该复合加工机头可以一次性完成对产品的增材和减材操作，省去反复移材和装夹的操作。该增减材复合加工机头包括旋转支架、旋转电机、增材单元和减材单元；所述旋转支架为L形结构，包括竖直端和水平端，所述旋转电机的输出轴与所述竖直端固定连接，带动所述旋转支架绕所述旋转电机的输出轴进行翻转转动；所述增材单元和所述减材单元同时固定在所述水平端，并且所述增材单元的材料输出部分与所述减材单元的材料消减部分保持夹角设置。

优选的，该复合加工机头还设有定位单元；所述定位单元同时与所述旋转电机和所述旋转支架连接，其中与所述旋转电机保持固定连接，与所述旋转支架进行选择定位连接。

进一步优选的，所述定位单元，包括固定架、驱动电机、连杆、带槽定位销和导向套，同时所述竖直端上设有与所述带槽定位销对应的定位孔；所述固定架与所述旋转电机保持固定连接，所述驱动电机固定在所述固定架上，所述连杆的一端与所述驱动电机的输出轴连接，另一端延伸至所述带槽定位销的槽内，所述带槽定位销位于所述导向套内并且可以相对于所述导向套进行直线往复移动。

进一步优选的，所述旋转支架的竖直端上设有多个定位孔，并且多个所述定位孔沿所述旋转电机的输出轴圆周方向分布；所述旋转支架的水平端上设有多个所述减材单元，多个所述减材单元的材料消减部分之间保持夹角设置，并且与所述竖直端上的多个定位孔保持对应关系。

一种增减材复合加工设备，包括上述增减材复合加工机头。

优选的，该复合加工设备还包括X轴进给单元、Y轴进给单元、Z轴进给单元和打印平台；其中，所述复合加工机头同时与所述X轴进给单元和Y轴进给单元连接，分别实现沿X轴方向和Y轴方向的位置移动；所述打印平台与所述Z 轴进给单元连接，实现沿Z轴方向的位置移动，并且所述复合加工机头位于所述打印平台的上方区域。

进一步优选的，所述X轴进给单元设有可以沿X轴方向往复移动的X向导向光轴，所述Y轴进给单元设有可以沿Y轴方向往复移动的Y向导向光轴，所述复合加工机头设有十字滑块；所述X向导向光轴和所述Y向导向光轴分别通过直线轴承与所述十字滑块进行连接，使所述复合加工机头可以分别沿所述X 向导向光轴和所述Y向导向光轴进行往复移动。

进一步优选的，所述X轴进给单元还设有X向导轨滑块组件以及X向电机和X向同步带，其中所述X向滑块位于所述X向导轨上，并同时与X向导向光轴和X向同步带连接，所述X向电机的输出轴与所述X向同步带传动连接；所述Y轴进给单元还设有Y向导轨滑块组件以及Y向电机和Y向同步带，其中所述Y向滑块位于所述Y向导轨上，并同时与Y向导向光轴和Y向同步带连接，所述Y向电机的输出轴与所述Y向同步带传动连接。

进一步优选的，所述Z轴进给单元包括Z向电机、丝杠和丝杠螺母，其中，所述丝杠沿Z轴方向设置，并且所述丝杠的下端与所述Z向电机的输出轴连接，所述丝杠的上端穿过所述丝杠螺母，所述丝杠与所述丝杠螺母进行螺纹连接，所述丝杠螺母与所述打印平台固定连接。

进一步优选的，该复合加工设备还设有多个夹具头；多个所述夹具头分布在所述打印平台的上表面，均指向所述打印平台的中心方向，并且可以沿所述打印平台的上表面进行往复移动。

与现有增材制造设备相比较，本实用新型的增减材复合加工机头及设备具有以下有益效果：

1、本实用新型的增减材复合加工机头，通过将增材单元和减材单元集成到由同一个旋转电机驱动的同一旋转支架上，从而由同一动力单元驱动旋转支架的翻转转动就可以实现将增材单元和减材单元快速、准确切换至工作位置。这样，就可以省去采用单一加工功能设备对产品交替进行增材操作和减材操作时需要对产品的移装操作，不仅能够维持整个加工过程中对产品装夹固定的一致性和统一性，从而避免二次定位和对刀操作产生的加工误差，保证最终产品的加工质量，而且还省去了反复移材和拆装的时间占用，从而提高整个产品的加工效率。

2、本实用新型的增减材复合加工机头，通过采用同一旋转电机和旋转支架进行增材单元和减材单元的切换控制，从而替代在现有减材设备中通常采用并联式或串联式控制多个减材单元的切换控制。这样，就可以避免采用并联控制或串联控制时存在的耦合控制问题，大大简化整个控制机构的结构复杂度和控制复杂度，从而降低机构的制造成本和控制成本，同时保证动作控制的精准度。

3、在本实用新型的增减材复合加工设备中，通过X轴进给单元和Y轴进给单元分别控制增减材复合加工机头在XY平面内沿X轴方向和Y轴方向的移动位置以及通过Z轴进给单元控制打印平台在Z轴方向高度位置，从而形成在三维空间对产品的增材加工和减材加工操作。这样，通过都属于直线运动的三个进给单元来配合确定空间加工位置，不仅可以简化控制系统的复杂度，优化控制系统，而且还可以大大提高控制位置的定位精度，保证对产品的加工质量。

附图说明

图1为本实施例中增减材复合加工机头的外形结构示意图；

图2为本实施例中增减材复合加工机头的剖面结构示意图；

图3为本实施例中增减材复合加工设备的第一视角外形结构示意图；

图4为本实施例中增减材复合加工设备的第二视角外形结构示意图；

图5为本实施例中X轴进给单元、Y轴进给单元和增减材复合加工机头三者连接的局部外形结构示意图；

图6位本实施例中打印平台的外形结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细介绍。

结合图1和图2所示，本实施例的增减材复合加工机头100，包括旋转支架 101、旋转电机102、增材单元103和减材单元104。旋转支架101为L形结构，包括成垂直关系的竖直端和水平端，旋转电机102的输出轴沿水平方向与旋转支架101的竖直端固定连接，从而可以带动旋转支架101绕旋转电机102的输出轴进行圆周方向的转动。增材单元103用于进行增材操作，完成对产品的增材初步制造，减材单元104则用于对增材单元制备获得的产品进行减材精加工，以提高产品的加工精度和质量，增材单元103和减材单元104分别固定在旋转支架101的水平端的上下两侧，并且增材单元103的材料输出部分与减材单元104的材料消减部分成90°夹角设置。

采用本实施例的增减材复合加工机头，通过旋转电机带动旋转支架的翻转转动，就可以对共同位于旋转支架上的增材单元和减材单元进行空间位置的调整改变，从而实现对两者之间工位的切换。此时，在利用增材单元进行产品的增材制备过程中，就可以在保持增材产品位置不变的情况下，随时切换至减材单元替代增材单元对增材产品进行减材精加工，这样不仅可以提高产品的制备精度，保证最终产品质量，而且整个制备过程中省去了进行移材而带来的一系列操作，并且通过旋转电机对旋转支架的翻转转动，就可以实现增材和减材操作的快速切换，从而大大提高对产品制备的效率。

结合图1和图2所示，在本实施例中，旋转电机102通过安装板105进行空间的位置固定。其中安装板105的安装位置可以根据实际情况进行调整，例如可以安装在机器手臂上，从而利用机器手臂实现对整个增减材复合加工机头 100空间位置的调整以及对旋转电机102的位置固定。

结合图2所示，旋转电机102的输出轴依次通过齿轮组件106、旋转轴107 和棱形座108后与旋转支架101连接。这样，通过齿轮组件可以对旋转电机的输出进行降低转速和提高扭矩，从而提高旋转电机驱动旋转支架进行转动的精度和稳定性。

结合图1和图2所示，在本实施例中，增材单元103通过螺栓连接固定在旋转支架101中水平端的下方位置，并且由鼓风机1031、导流道1032、喷嘴1033、喉管1034以及用于控制温度的加热块1035、加热棒1036、散热管1037和散热扇1038组成。其中，通过加热块1035、加热棒1036、散热管1037和散热扇1038 可以准确控制通过喷嘴1033所输出制备产品的材料状态，从而保证增材操作的顺利准确进行。

结合图1和图2所示，在本实施例中，减材单元104固定在旋转支架101 中水平端的上方位置，并且由铣削电机1041、铣削头1042和电机座1043组成，铣削电机1041通过电机座1043固定在旋转支架101上，并且驱动铣削头1042 工作，完成对产品的铣削减材精加工。

在本实施例的旋转支架上只设置了一个减材单元，同样在其他实施例中，根据加工需要，还可以同时设置多个减材单元，将多个减材单元依次分布固定在旋转支架上，通过选择和控制不同功能的减材单元进行减材操作，就可以对产品完成不同的精加工操作，例如铣加工、钻孔加工、切削加工以及磨加工。

进一步优选的，将旋转支架的水平端设置为多边形杆状结构，从而将多个不同的减材单元分别固定在不同的边上，使所有减材单元的减材部分保持夹角设置。这样，通过控制旋转电机带动旋转支架的转角变化，就可以实现对不同减材单元之间的工位切换，从而完成对产品的不同减材操作。

结合图1和图2所示，本实施例的增减材复合加工机头100，还设有一个定位单元109。定位单元109同时与旋转电机102和旋转支架101连接，并且与旋转电机102形成固定连接，与旋转支架101形成选择性定位连接，从而实现对旋转支架101转动不同角度后的位置进行机械固定。这样，利用定位单元对旋转支架提供的机械定位，就可以避免工作过程中由于旋转电机102发生故障失去对旋转支架101的位置固定而出现随机转动，从而提高增减材复合加工机头在工作过程中的安全可靠性。

优选的，定位单元109包括带槽定位销1091、连杆1092以及位于固定架 1093上的驱动电机1094和导向套1095，与此同时在旋转支架101的竖直端上设有与槽定位销1091对应的定位孔1011。其中，固定架1093通过螺栓与安装板105固定连接，实现对驱动电机1094和导向套1095的支撑固定，连杆1092 的一端与驱动电机1094的输出轴连接，另一端则延伸至带槽定位销1091的槽内，带槽定位销1091位于导向套1095内，从而形成曲柄滑块结构驱动带槽定位销1091在导向套1095内进行直线方向的往复移动。此时，通过控制驱动电机1094在有限角度内的往复转动，就可以借助连杆1092带动带槽定位销1091 在导向套1095内进行直线方向的往复移动，从而实现与定位孔1011的连接和脱离，进而实现对旋转支架位置的机械定位。其中，在本实施例中，导向套1095 采用导向轴承结构，同样根据实际情况也可以采用其他结构形式。

结合图3至图5所示，本实施例的增减材复合加工设备200，包括增减材复合加工机头100以及固定在外框架201上的X轴进给单元202、Y轴进给单元203、 Z轴进给单元204和打印平台205，并且X轴进给单元202和Y轴进给单元203 位于外框架201的上端区域，Z轴进给单元204和打印平台205则位于外框架 201的下端区域。其中，复合加工机头100同时与X轴进给单元202和Y轴进给单元203连接，分别实现沿X轴方向和Y轴方向的位置移动。打印平台205与Z 轴进给单元204连接，从而实现沿Z轴方向的位置移动。这样，通过X轴进给单元和Y轴进给单元就可以带动增减材复合加工机头在打印平台上方进行XY平面内的位置调整改变，通过Z轴进给单元就可以调整打印平台的高度位置，即调整打印平台与增减材复合加工机头之间的Z向距离，从而实现复合加工机头在打印平台上的三维打印增材操作和三维减材加工。

结合图1、图2和图5所示，在本实施例中，X轴进给单元202中设有可以沿X轴方向往复移动的X向导向光轴2021，Y轴进给单元203中设有可以沿Y 轴方向往复移动的Y向导向光轴2031，同时在复合加工机头100中设有十字滑块110。其中，十字滑块110位于安装板105上并且设有沿X轴向贯穿的X向直线轴承1101和沿Y轴向贯穿的Y向直线轴承1102，而X向导向光轴2021和Y 向导向光轴2031则分别穿过X向直线轴承1101和Y向直线轴承1102，从而实现与十字滑块110的连接，进而使增减材复合加工机头100可以分别沿X向导向光轴2021和Y向导向光轴2031进行往复移动，实现在X轴方向和Y轴方向的移动。

优选的，结合图3和图5所示，外框架201采用钢架结构，由多根型钢相互连接组成，并且在外框架201的上端区域设有两根相对布置的X向横梁2011 和两根相对布置的Y向横梁2012。其中，X向导向光轴2021横跨在两根X向横梁2011之间，并且可以沿X向横梁2011进行往复直线移动，Y向导向光轴2031 横跨在两根Y向横梁2012之间，并且可以沿Y向横梁2012进行往复直线移动。

进一步，在本实施例中，X轴进给单元202还包括X向导轨滑块组件2022、 X向电机2023和X向同步带2024，其中X向导轨滑块组件2022中的导轨固定在X向横梁2011上，滑块位于导轨上并且可以沿导轨进行往复滑动，并且X向导向光轴2021和X向同步带2024同时与滑块固定连接，X向电机2023固定在外框架201的Y向横梁2012上，并且其输出轴通过同步带轮与X向同步带2024 传动连接。这样，通过X向电机沿正反方向的转动，就可以驱动X向同步带进行传动，从而带动滑块沿轨道进行X轴方向的往复移动，进而由X向导向光轴带动增减材复合加工机头沿Y向导向光轴进行X轴方向移动。

同理，在本实施例中，Y轴进给单元203还包括Y向导轨滑块组件2032、Y 向电机2033和Y向同步带2034，其中Y向导轨滑块组件2032中的导轨固定在Y向横梁2012上，滑块位于导轨上并且可以沿导轨进行往复滑动，并且Y向导向光轴2031和Y向同步带2034同时与滑块固定连接，Y向电机2033固定在外框架201上，并且其输出轴通过同步带轮与Y向同步带2034传动连接。这样，通过Y向电机沿正反方向的转动，就可以驱动Y向同步带进行传动，从而带动滑块沿轨道进行Y轴方向的往复移动，进而由Y向导向光轴带动增减材复合加工机头沿X向导向光轴进行Y轴方向移动。

此时，通过电机、同步带以及轨道滑块组件就可以实现增减材复合加工机头在XY平面内的连续平稳移动，而且通过采用十字滑块结构形式进行增减材复合加工机头与X轴进给单元和Y轴进给单元的连接，可以在其沿X轴方向移动的过程中可以由Y向导向光轴提供辅助导向，保证沿X轴方向移动的位置精度，同理，在其沿Y轴方向移动的过程中可以由X向导向光轴提供辅助导向，保证沿Y轴方向移动的位置精度，从而大大提高增减材复合加工机头在XY平面内位置移动的精准度。

优选的，结合图3所示，在外框架201的下端区域设有一圈底梁2013，Z 轴进给单元204包括Z向电机2041、丝杠2042和丝杠螺母2043。其中，丝杠 2042沿Z轴方向设置，并且丝杠2042的下端与沿Z方向固定在底梁2013上的 Z向电机2041的输出轴连接，丝杠2042的上端穿过丝杠螺母2043，并且丝杠 2042与丝杠螺母2043进行螺纹连接，同时丝杠螺母2043与打印平台205的侧边固定连接。此时，通过Z向电机驱动丝杠进行转动，就可以带动丝杠螺母沿丝杠进行Z轴方向的往复移动，从而改变打印平台沿Z轴方向的位置，进而配合增减材复合加工机头在XY平面内的移动，实现增减材复合加工机头在打印平台上进行的3D打印增材操作和减材加工操作。

进一步，结合图3所示，Z轴进给单元204还包括沿Z轴方向设置的Z向导向光轴2044以及与打印平台205侧边连接的Z轴导向套2045。其中，Z向导向光轴2044固定在外框架201的底梁2013上，并且穿过Z轴导向套2045。这样，借助Z向导向光轴和Z轴导向套，就可以对打印平台沿Z轴方向的移动过程进行导向，从而提高对打印平台位置调整的精准度，保证最终产品的制造精度和质量。

结合图3和图6所示，在本实施例中，打印平台205由基板2051和热板2052 组成，其中基板2051用于与丝杠螺母2043连接，热板2052则用于直接承载增材制备的产品，与此同时，基板2051和热板2052之前通过多个沿Z轴方向设置的调节螺栓2053连接。这样，通过对不同位置的调节螺栓2053进行调整就可以改变基板2051与热板2052之间沿Z轴方向的距离，从而改变热板2052的平面度，达到对热板2052上产品倾斜设置的目的，实现对产品的精准加工。

此外，结合图6所示，在打印平台205上还设有多个夹具头206，用于对打印平台205上的产品进行装夹固定。多个夹具头206分布在打印平台205的上表面，均指向打印平台205的中心方向，并且夹具头206可以沿打印平台205 的上表面进行往复移动，从而实现对不同尺寸产品的装夹固定。在本实施例中，夹具头采用光轴和光轴座的组合方式进行固定和移动，同样，也可以直接选择小型气缸作为夹具头，通过气压控制夹具头的动作，实现对产品的装夹操作。

Claims (10)

1.一种增减材复合加工机头，其特征在于，包括旋转支架、旋转电机、增材单元和减材单元；所述旋转支架为L形结构，包括竖直端和水平端，所述旋转电机的输出轴与所述竖直端固定连接，带动所述旋转支架绕所述旋转电机的输出轴进行翻转转动；所述增材单元和所述减材单元同时固定在所述水平端，并且所述增材单元的材料输出部分与所述减材单元的材料消减部分保持夹角设置。

2.根据权利要求1所述的复合加工机头，其特征在于，该复合加工机头还设有定位单元；所述定位单元同时与所述旋转电机和所述旋转支架连接，其中与所述旋转电机保持固定连接，与所述旋转支架进行选择定位连接。

3.根据权利要求2所述的复合加工机头，其特征在于，所述定位单元，包括固定架、驱动电机、连杆、带槽定位销和导向套，同时所述竖直端上设有与所述带槽定位销对应的定位孔；所述固定架与所述旋转电机保持固定连接，所述驱动电机固定在所述固定架上，所述连杆的一端与所述驱动电机的输出轴连接，另一端延伸至所述带槽定位销的槽内，所述带槽定位销位于所述导向套内并且可以相对于所述导向套进行直线往复移动。

4.根据权利要求3所述的复合加工机头，其特征在于，所述旋转支架的竖直端上设有多个定位孔，并且多个所述定位孔沿所述旋转电机的输出轴圆周方向分布；所述旋转支架的水平端上设有多个所述减材单元，多个所述减材单元的材料消减部分之间保持夹角设置，并且与所述竖直端上的多个定位孔保持对应关系。

5.一种增减材复合加工设备，其特征在于，包括权利要求1-4中任意一项所述的增减材复合加工机头。

6.根据权利要求5所述的复合加工设备，其特征在于，该复合加工设备还包括X轴进给单元、Y轴进给单元、Z轴进给单元和打印平台；其中，所述复合加工机头同时与所述X轴进给单元和所述Y轴进给单元连接，分别实现沿X轴方向和Y轴方向的位置移动；所述打印平台与所述Z轴进给单元连接，实现沿Z轴方向的位置移动，并且所述复合加工机头位于所述打印平台的上方区域。

7.根据权利要求6所述的复合加工设备，其特征在于，所述X轴进给单元设有可以沿X轴方向往复移动的X向导向光轴，所述Y轴进给单元设有可以沿Y轴方向往复移动的Y向导向光轴，所述复合加工机头设有十字滑块；所述X向导向光轴和所述Y向导向光轴分别通过直线轴承与所述十字滑块进行连接，使所述复合加工机头可以分别沿所述X向导向光轴和所述Y向导向光轴进行往复移动。

8.根据权利要求7所述的复合加工设备，其特征在于，所述X轴进给单元还设有X向导轨滑块组件以及X向电机和X向同步带，其中所述X向滑块位于所述X向导轨上，并同时与X向导向光轴和X向同步带连接，所述X向电机的输出轴与所述X向同步带传动连接；所述Y轴进给单元还设有Y向导轨滑块组件以及Y向电机和Y向同步带，其中所述Y向滑块位于所述Y向导轨上，并同时与Y向导向光轴和Y向同步带连接，所述Y向电机的输出轴与所述Y向同步带传动连接。

9.根据权利要求6所述的复合加工设备，其特征在于，所述Z轴进给单元包括Z向电机、丝杠和丝杠螺母，其中，所述丝杠沿Z轴方向设置，并且所述丝杠的下端与所述Z向电机的输出轴连接，所述丝杠的上端穿过所述丝杠螺母，所述丝杠与所述丝杠螺母进行螺纹连接，所述丝杠螺母与所述打印平台固定连接。

10.根据权利要求6所述的复合加工设备，其特征在于，该复合加工设备还设有多个夹具头；多个所述夹具头分布在所述打印平台的上表面，均指向所述打印平台的中心方向，并且可以沿所述打印平台的上表面进行往复移动。

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