CN114454035A - 一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形装置，包括固定底座、龙门吊、增材模块、磨削减材模块、复合工作平台等，固定底座包括内底座、上底座，上底座相对于内底座可旋转，龙门吊立柱固定于上底座上，复合工作平台设置于内底座处；装置还包括位于龙门吊横梁下方的、且相对于龙门吊横梁可旋转的联动横梁；增材模块和磨削减材模块安装于联动横梁下部并相对于联动横梁可水平移动；复合工作平台包括旋转工作台和平移工作台，分别相对于内底座可旋转移动和水平移动。本发明具有结构紧凑等优点。

Description

一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形方法及装置

技术领域

本发明涉及桌面型激光加工设备领域，尤其涉及一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形方法及装置。

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***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***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。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，提供一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形方法及装置，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***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：

一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形装置，包括固定底座、龙门吊、增材模块、磨削减材模块、复合工作平台，龙门吊包括龙门吊横梁和龙门吊立柱，所述龙门吊横梁位于复合工作平台上方，所述龙门吊立柱位于龙门吊横梁两端，所述增材模块、磨削减材模块分别对复合工作平台上的零件进行增材加工和减材加工；

复合工作平台包括旋转平台组件和平移平台组件，所述旋转平台组件包括第一底座、第一驱动机构和旋转工作台，所述旋转工作台安装于第一底座上，所述第一驱动机构用于驱动旋转工作台相对于第一底座旋转；

所述平移平台组件包括第二驱动机构和平移工作台，所述平移工作台安装于内底座上方，所述第二驱动机构用于驱动平移工作台相对于内底座平移，所述旋转平台组件位于平移工作台上，所述平移工作台平移时带动旋转平台组件平移；

所述龙门吊横梁内设有第三驱动机构，所述增材模块和磨削减材模块安装于龙门吊横梁下部并在第三驱动机构的驱动下相对于龙门吊横梁同步水平移动；

所述固定底座包括内底座、上底座和下底座，所述内底座、上底座位于下底座上，所述上底座套设于内底座外侧，所述固定底座内设有第四驱动机构，所述上底座在第四驱动机构的驱动下相对于内底座旋转，所述龙门吊立柱固定于上底座上，所述复合工作平台设置于内底座处。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第二驱动机构包括固定于内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，内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。

所述第一驱动机构包括连接轴承和第一驱动电机，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***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，所述第一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。

所述下底座包括内凸台和与内凸台间隔设置的外凸缘，所述外凸缘与内凸台之间的空间为容纳空间，在所述上底座底部内侧设有内齿轮，所述内齿轮和第四驱动机构位于容纳空间内，所述第四驱动机构包括第四驱动电机和连接于第四驱动电机输出端的第四驱动齿轮，所述第四驱动齿轮和内齿轮啮合传动。

所述龙门吊立柱内安装有第五驱动机构，所述第五驱动机构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复合工作平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多轴心及轴心可变零构件的快速成形装置的加工方法，包括以下步骤：

将工件放置于复合工作平台上，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，改变复合工作平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；

所述改变复合工作平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：开启第一驱动机构驱动旋转工作台旋转；

方式B：开启第二驱动机构驱动平移工作台水平移动；

方式C：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D：开启第四驱动机构驱动上底座旋转带动龙门吊横梁旋转；

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第五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、本发明通过龙门吊横梁的旋转运动，复合工作平台中旋转工作台的旋转运动，复合工作平台中下工作台的水平运动，龙门吊横梁的上下移动，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和回转体零件等，尤其是零件上具有多个轴心并且轴心位置不重合的零构件，可实现快速加工成型；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，第一驱动机构和第二驱动机构布置于内底座下方，一方面将，第一驱动机构和第二驱动机构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，通过复合工作平台的独立单轴向运动，结合龙门吊横梁的旋转运动，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***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***的密封结构。用于驱动旋转工作台的第一驱动机构和用于驱动平移工作台的和第二驱动机构等传动***放置在底座下，并且X向滚珠丝杠与其相应的X向条形孔错位设置，即便磨屑进入到条形孔内向下掉落，也不影响X向滚珠丝杠或Y向滚珠丝杠的传动，延长了传动零件的使用寿命。

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***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是装置的结构示意图。

图2是移除外罩后装置的结构示意图。

图3是固定底座及复合工作平台的结构示意图。

图4是固定底座及复合工作平台的俯视图。

图5是图4中A-A线剖视图。

图6是第一底座的结构示意图。

图7是第一底座的半剖主视图。

图8是旋转工作台的半剖主视图。

图9是第一底座、旋转工作台及其驱动机构的结构示意图。

图10是第一底座、旋转工作台及其驱动机构的主视图。

图11是图10中B-B线的剖视图。

图12是平移工作台及其驱动机构的结构示意图。

图13是平移工作台及其驱动机构的结构示意图(另一视角，移除平板)。

图14是固定底座的俯视图。

图15是图14中C-C线剖视图。

图16是上底座及其驱动机构的结构示意图。

图17是上底座的结构示意图。

图18是下底座的结构示意图。

图19是下底座的俯视图。

图20是图19中D-D线剖视图。

图21是平移工作台的结构示意图。

图22是龙门吊横梁及送料机构的结构示意图(移除其中一龙门吊立柱)

图23是龙门吊立柱中第五驱动机构的结构示意图。

图24是第三驱动机构及增减材模块的结构示意图。

图25是龙门吊横梁内结构示意图。

图26是磨削减材模块的结构示意图。

图27是磨削减材模块的结构示意图(移除砂轮立柱)。

图28是增材模块的结构示意图。

图29是其他实施例装置的结构示意图。

图30是本发明能一次性加工出的零件结构示意图。

图31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、内底座；1011、X向条形孔；102、下底板；103、上底座；1031、滚轮支撑件；1032、内齿轮；1033、上盖；104、下底座；1041、内凸台；1042、外凸缘；10421、滑动轨道；105、滑动滚轮；2、外罩；3、第四驱动机构；301、第四驱动齿轮；302、第四驱动电机；4、龙门吊；41、龙门吊横梁；411、横梁盖；412、横梁壳体；413、支撑板；414、安装腔；42、龙门吊立柱；5、旋转工作台；501、下回转杆；502、上圆台盖；5021、上半槽；100、支撑定位块；6、平移工作台；601、平板；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、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、滑动滚珠；10、第一底座；1001、回转孔；1002、圆凸台；10021、下半槽；15、第一驱动机构；1511、连接轴承；1512、轴承挡板；1513、从动轮；1514、主动轮；1515、第一驱动电机；17、第二驱动机构；171、第二伺服电机；172、输入齿轮；173、输出齿轮；174、X向滚珠丝杠；22、第三驱动机构；221、第三驱动电机；222、第三支撑座；223、第三水平滚珠丝杠；23、送料机构；26、定料机构；261、小辊筒；262、小辊筒支架；50、第五驱动机构；5001、第五驱动电机；5002、Z向滚珠丝杠；5003、丝杠连接件；5004、滚珠丝杠支撑座。

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。

如图1至28所示，本发明的一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形装置，包括固定底座1、龙门吊4、增材模块7、磨削减材模块8、复合工作平台，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位于复合工作平台上方，龙门吊立柱42位于龙门吊横梁41两端，增材模块7、磨削减材模块8分别对复合工作平台上的零件进行增材加工和减材加工；

固定底座1包括内底座101、上底座103和下底座104，内底座101、上底座103位于下底座104上，上底座103套设于内底座101外侧，固定底座1内设有第四驱动机构3，上底座103在第四驱动机构3的驱动下相对于内底座101旋转，龙门吊立柱42固定于上底座103上，复合工作平台设置于内底座101处；

龙门吊横梁41内设有第三驱动机构22，增材模块7和磨削减材模块8安装于龙门吊横梁41下部并在第三驱动机构22的驱动下相对于龙门吊横梁41同步水平移动；

如图3至11所示，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10、第一驱动机构15和旋转工作台5，旋转工作台5安装于第一底座10上，第一驱动机构15用于驱动旋转工作台5相对于第一底座10旋转；

平移平台组件包括第二驱动机构17和平移工作台6，平移工作台6安装于内底座101上方，第二驱动机构17用于驱动平移工作台6相对于内底座101平移，旋转平台组件位于平移工作台6上，平移工作台6平移时带动旋转平台组件平移。

如图12-13所示，第二驱动机构17包括固定于内底座101下部的第二伺服电机171和至少一个X向滚珠丝杠174，平移工作台6包括下平板601和位于下平板601下方的多个连接板602，内底座101设有供连接板602穿过的X向条形孔1011，连接板602的下部与X向滚珠丝杠174连接，至少一X向滚珠丝杠174由第二伺服电机171驱动，连接板602下部的X向滚珠丝杠174与连接板602相对应的X向条形孔1011错位设置。

如图21所示，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174连接，第二伺服电机171与其中一个X向滚珠丝杠174的一端连接并驱动X向滚珠丝杠174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174一侧设有限位孔60221，限位孔60221与X向滚珠丝杠174凹凸配合连接。本实施例中，共有三个X向滚珠丝杠174，位于中间的X向滚珠丝杠174与第二伺服电机171连接并由第二伺服电机171驱动，为主动件，位于两侧的X向滚珠丝杠174为从动件，起一定的支撑作用。本实施例中，第二伺服电机171输出端直接驱动X向滚珠丝杠174。在其他实施例中，第二伺服电机171输出端连接有齿轮，X向滚珠丝杠174端部设有齿轮，通过齿轮与齿轮配合实现传动。

X向滚珠丝杠174通过支撑定位块100固定于内底座101下方。本实施例中，支撑定位块100为橡胶材料制备而成。

第二驱动机构17包括输入齿轮172和输出齿轮173，输入齿轮172位于第二伺服电机171的输出端，输出齿轮173位于X向滚珠丝杠174上，输入齿轮172和输出齿轮173啮合传动。

如图5至11所示，第一驱动机构15包括连接轴承1511和第一驱动电机1515，第一底座10的上表面开设有回转孔1001，回转孔1001周向外侧设有圆凸台1002；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1002上，下回转杆501***回转孔1001内，连接轴承1511内圈套设于下回转杆501外壁，连接轴承1511外圈与回转孔1001侧壁连接配合，第一驱动电机1515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10下方的传动空间，通过上圆台盖502和圆凸台1002的***式交叉错位的配合方式，实现密封性分隔，通过不干涉***部件运动的传动***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。

第一驱动机构15还包括从动轮1513和主动轮1514，从动轮1513固定于下回转杆501的下端，第一驱动电机1515驱动主动轮1514旋转，主动轮1514与从动轮1513啮合传动，从动轮1513带动旋转工作台5旋转。上圆台盖502的驱动部分的主动轮1514和从动轮1513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10中心位置，第一底座10包括上表面和设置于上表面外侧下方的侧面，从动轮1513、主动轮1514、第一驱动电机1515安装于第一底座10上表面和侧面围成的空间内，即从动轮1513、主动轮1514、第一驱动电机1515安装于第一底座10上表面下方，从动轮1513位为盘形锥齿轮，主动轮1514为锥齿轮，第一驱动电机1515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1511和从动轮1513之间设有轴承挡板1512，轴承挡板1512固定在第一底座10上。

上圆台盖502下底面周向设有上半槽5021，圆凸台1002上表面周向设有下半槽10021，上半槽5021和下半槽10021相配合组成滚珠滑动用轨道，轨道内设有多个滑动滚珠9。上圆台盖502和圆凸台1002的相对转动，采用滑动滚珠9在轨道内滑动实现低运动阻力配合。

本实施例中，轨道的内圆侧比外圆侧略低，并且轨道与滑动滚珠9啮合，圆凸台1002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。

下底座104包括内凸台1041和与内凸台1041间隔设置的外凸缘1042，外凸缘1042与内凸台1041之间的空间为容纳空间，在上底座103底部内侧设有内齿轮1032，内齿轮1032和第四驱动机构3位于容纳空间内，第四驱动机构3包括第四驱动电机302和连接于第四驱动电机302输出端的第四驱动齿轮301，第四驱动齿轮301和内齿轮1032啮合传动。

如图18至20所示，下底座104包括内凸台1041和与内凸台1041间隔设置的外凸缘1042，外凸缘1042与内凸台1041之间的空间为容纳空间，内凸台1041的高度低于外凸缘1042的高度，外凸缘1042内侧壁上设有滑动轨道10421。本实施例中，上底座103呈圆环状，在上底座103底部内侧设有内齿轮1032，内齿轮1032和第四驱动机构3位于容纳空间内，第四驱动机构3包括第四驱动电机302和连接于第四驱动电机302输出端的第四驱动齿轮301，第四驱动齿轮301由第四驱动电机302驱动，第四驱动齿轮301和内齿轮1032啮合传动，实现上底座103相对于下底座104的旋转运动。

在上底座103外侧壁上设有滚轮支撑件1031，滚轮支撑件1031用于支撑滑动滚轮105，滑动滚轮105在滑动轨道10421上滑动，在上底座103上部设有上盖1033，上盖1033盖设在外凸缘1042上，将滑动滚轮105与滑动轨道10421与外界分隔开来，防止磨屑进入到滑动轨道10421内。

固定底座1还包括下底板102，下底板102位于内底座101和内凸台1041之间，一方面将容纳空间内的第四驱动机构3等机构与内底座101下部的第二伺服电机171等装置分隔并密封，另一方面为内底座101提供支撑。

本发明将第二伺服电机171、X向滚珠丝杠174等零部件运动设置在内底座101下部，将质量集中在内底座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；通过复合双层工作台的独立运动，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***的设计；再者，X向滚珠丝杠174与连接板602相对应的X向条形孔1011错位设置，当磨削时，即便磨屑掉入X向条形孔1011时，随着X向条形孔1011向下掉落，而不会影响用于传动的X向滚珠丝杠174的运动，延长了本发明传动零件的使用寿命。

如图22-23所示，龙门吊立柱42内安装有第五驱动机构50，第五驱动机构50用于驱动龙门吊横梁41上下移动。第五驱动机构50包括第五驱动电机5001和多个Z向滚珠丝杠5002、丝杠连接件5003，其中一Z向滚珠丝杠5002由第五驱动电机5001驱动旋转，丝杠连接件5003一端与龙门吊横梁41连接固定，另一端与Z向滚珠丝杠5002套接并由Z向滚珠丝杠5002带动沿Z向运动，Z向滚珠丝杠5002两端设有用于将Z向滚珠丝杠5002固定在龙门吊立柱42内的滚珠丝杠支撑座5004。

通过龙门吊立柱42内的第五驱动电机5001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5003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，第五驱动机构50位于龙门吊立柱42上半部分，第五驱动电机5001为伺服电机，分别驱动两根Z向滚珠丝杠5002。在龙门吊立柱42上半部分开设有立柱内孔，第五驱动机构50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5003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5002错位设置，防止磨屑直接进入前槽影响第五驱动机构50的传动。立柱内孔由水平设置的隔离板分隔成两部分，一部分容纳第五驱动电机5001，另一部分容纳第五驱动机构50的其他重要零件。在其他实施例中，第五驱动电机5001输出端连接有齿轮，Z向滚珠丝杠5002一端也有齿轮，通过齿轮配合传动。

如图24、25所示，第三驱动机构22包括第三驱动电机221、第三支撑座222和第三水平滚珠丝杠223，第三驱动电机221驱动第三水平滚珠丝杠223转动，第三水平滚珠丝杠223通过第三支撑座222支撑于龙门吊横梁41内，增材模块7、磨削减材模块8上部分别与第三水平滚珠丝杠223连接配合。

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22。当启动第三驱动电机221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22包括一第三水平滚珠丝杠223，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水平滚珠丝杠223上，第三水平滚珠丝杠223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)。第三驱动电机221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。当第三驱动电机221正转，水平丝杠上的两水平丝杠螺母就会逐渐靠近；当第三驱动电机221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内通过第三驱动电机221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。

龙门吊横梁41包括横梁壳体412和横梁盖411，横梁壳体412内设有用于安装第三驱动机构22的安装腔414，安装腔414内垂直设有支撑板413用于支撑弹性联轴器。龙门吊横梁41上方设有送料机构23，送料机构23包括送料辊轮，送料辊轮两端支撑在龙门吊立柱42上，工作时送料辊轮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。

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22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22的第三水平滚珠丝杠223旋转方向相反，通过龙门吊横梁41内的第三驱动电机221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22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22同时驱动增材模块7、磨削减材模块8，两组第三驱动机构22降低了每根第三水平滚珠丝杠223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28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与第三水平滚珠丝杠223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，套设在第三水平滚珠丝杠223上，增材滑块74自第三水平滚珠丝杠223穿过龙门吊横梁41与激光接头73连接。

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28所示，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，送料机构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。

本发明通过龙门吊横梁41所执行的圆周运动，旋转工作台5的旋转运动，平移工作台6的平移运动，龙门吊横梁41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在龙门吊横梁41上的水平移动(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26和27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、两互相啮合传动的圆锥齿轮88和减材滑块89，减材滑块89与第三水平滚珠丝杠223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。

本实施例中，减材滑块89设有通孔，通孔内壁设有螺纹，套设在第三水平滚珠丝杠223外，减材滑块89自第三水平滚珠丝杠223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。

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，并将旋转工作台5、平移工作台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(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X向滚珠丝杠174的长度方向为X向，以垂直于复合工作平台上表面的方向为Z向(即龙门吊立柱42的长度方向)。

本发明的同步加工快速成形装置的加工方法，包括以下步骤：

本实施例的多轴心及轴心可变零构件的快速成形装置的加工方法，包括以下步骤：

将工件放置于复合工作平台上，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，改变复合工作平台上工件和增材模块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；

改变复合工作平台上工件和增材模块7、磨削减材模块8的相对位置包括以下方式：

方式A：开启第一驱动机构15驱动旋转工作台5旋转；

方式B：开启第二驱动机构17驱动平移工作台6水平移动；

方式C：开启第三驱动机构22驱动增材模块7和磨削减材模块8同步水平移动；

方式D：开启第四驱动机构3驱动上底座103旋转带动龙门吊横梁41旋转；

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。

本实施例中，向上移动增材模块7的具体步骤包括：开启龙门吊立柱42内的第五驱动机构50带动龙门吊横梁41向上移动。

本发明可一次性加工的管径可变、中心轴线可变的回转体零件，其外还加工复杂曲面回转体，尤其是具有多个轴心并且轴心位置不重合的零构件，典型零件如图30和31所示，其中图30(a)是某一典型零件的结构示意图，图30(b)是该典型零件的侧视图，图31(a)是另一典型零件的结构示意图，图31(b)是该另一典型零件的俯视图，图31(c)是该另一典型零件的剖视图。

实施例2

如图29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22驱动，龙门吊立柱42内设有两第五驱动机构20分别用于驱动龙门吊横梁41上下移动。

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)

1.一种多轴心及轴心可变零构件的快速成形装置，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)、复合工作平台，龙门吊(4)包括龙门吊横梁(41)和龙门吊立柱(42)，所述龙门吊横梁(41)位于复合工作平台上方，所述龙门吊立柱(42)位于龙门吊横梁(41)两端，所述增材模块(7)、磨削减材模块(8)分别对复合工作平台上的零件进行增材加工和减材加工；

复合工作平台包括旋转平台组件和平移平台组件，所述旋转平台组件包括第一底座(10)、第一驱动机构(15)和旋转工作台(5)，所述旋转工作台(5)安装于第一底座(10)上，所述第一驱动机构(15)用于驱动旋转工作台(5)相对于第一底座(10)旋转；

所述平移平台组件包括第二驱动机构(17)和平移工作台(6)，所述平移工作台(6)安装于内底座(101)上方，所述第二驱动机构(17)用于驱动平移工作台(6)相对于内底座(101)平移，所述旋转平台组件位于平移工作台(6)上，所述平移工作台(6)平移时带动旋转平台组件平移；

所述龙门吊横梁(41)内设有第三驱动机构(22)，所述增材模块(7)和磨削减材模块(8)安装于龙门吊横梁(41)下部并在第三驱动机构(22)的驱动下相对于龙门吊横梁(41)同步水平移动；

所述固定底座(1)包括内底座(101)、上底座(103)和下底座(104)，所述内底座(101)、上底座(103)位于下底座(104)上，所述上底座(103)套设于内底座(101)外侧，所述固定底座(1)内设有第四驱动机构(3)，所述上底座(103)在第四驱动机构(3)的驱动下相对于内底座(101)旋转，所述龙门吊立柱(42)固定于上底座(103)上，所述复合工作平台设置于内底座(101)处。

2.根据权利要求1所述的快速成形装置，其特征在于：所述第二驱动机构(17)包括固定于内底座(101)下部的第二伺服电机(171)和X向滚珠丝杠(174)，所述平移工作台(6)包括平板(601)和位于平板(601)下方的连接板(602)，内底座(101)设有供连接板(602)穿过的X向条形孔(1011)，连接板(602)的下部与X向滚珠丝杠(174)连接，第二伺服电机(171)驱动X向滚珠丝杠(174)带动连接板(602)沿X向移动，X向滚珠丝杠(174)与X向条形孔(1011)错位设置。

3.根据权利要求1所述的快速成形装置，其特征在于：所述第一驱动机构(15)包括连接轴承(1511)和第一驱动电机(1515)，所述第一底座(10)的上表面开设有回转孔(1001)，所述回转孔(1001)周向外侧设有圆凸台(1002)；

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(1002)上，所述下回转杆(501)***回转孔(1001)内，所述连接轴承(1511)内圈套设于下回转杆(501)外壁，所述连接轴承(1511)外圈与回转孔(1001)侧壁连接配合，所述第一驱动电机(1515)驱动下回转杆(501)旋转以带动上圆台盖(502)旋转。

4.根据权利要求3所述的快速成形装置，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(1002)上表面周向设有下半槽(10021)，所述上半槽(5021)和下半槽(10021)相配合组成滑动轨道，所述滑动轨道内设有多个滑动滚珠(9)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的快速成形装置，其特征在于：所述下底座(104)包括内凸台(1041)和与内凸台(1041)间隔设置的外凸缘(1042)，所述外凸缘(1042)与内凸台(1041)之间的空间为容纳空间，在所述上底座(103)底部内侧设有内齿轮(1032)，所述内齿轮(1032)和第四驱动机构(3)位于容纳空间内，所述第四驱动机构(3)包括第四驱动电机(302)和连接于第四驱动电机(302)输出端的第四驱动齿轮(301)，所述第四驱动齿轮(301)和内齿轮(1032)啮合传动。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的快速成形装置，其特征在于：所述龙门吊立柱(42)内安装有第五驱动机构(50)，所述第五驱动机构(50)用于驱动龙门吊横梁(41)上下移动。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的快速成形装置，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。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的快速成形装置，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复合工作平台上表面且与送丝头(72)的送丝方向呈夹角α，满足0＜α＜90°。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的多轴心及轴心可变零构件的快速成形装置的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

将工件放置于复合工作平台上，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，改变复合工作平台上工件和增材模块(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；

所述改变复合工作平台上工件和增材模块(7)、磨削减材模块(8)的相对位置包括以下方式：

方式A：开启第一驱动机构(15)驱动旋转工作台(5)旋转；

方式B：开启第二驱动机构(17)驱动平移工作台(6)水平移动；

方式C：开启第三驱动机构(22)驱动增材模块(7)和磨削减材模块(8)同步水平移动；

方式D：开启第四驱动机构(3)驱动上底座(103)旋转带动龙门吊横梁(41)旋转；

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。

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)内的第五驱动机构(50)带动龙门吊横梁(41)向上移动。

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