一种大型桥式龙门混合加工机床及其加工方法与流程

本发明涉及一种大型桥式龙门混合加工机床及其加工方法，其执行机构可以实现增材制造，也可以实现减材加工，同时具有在机检测功能，属于先进制造装备领域。

背景技术：

模具可分为铸造模、锻造模、压铸模、冲压模等非塑胶模具，以及塑胶模具，由于模具制造的多样性、复杂性和适用性，模具工业是制造业的重要组成部分。而模具制造设备是装备制造工业的重量分支，国家也明确提出了加大装备工业的开发力度，推进关键设备国产化的重要方针。模具工业属于高新技术产业化的重要领域，高精度模具同样进入高新技术产业类别，相关生产高精度模具的企业，列入高新技术企业。模具的开发和制造水平的提高，还有赖于采用数控精密高效加工设备。

近年来，我国模具行业快速发展，部分细分领域如汽车制造业、it制造业的发展，拉动了中国模具行业的迅速壮大，模具档次逐步提高，装备提升能力较好。一方面，用信息技术带动和提升模具工业的制造技术水平，是推动模具工业技术进步的关键环节。cad/cae/cam技术在模具工业中的应用，快速原型制造技术的应用，使模具的设计制造技术发生了重大变革。逆向工程、并行工程、敏捷制造、虚拟技术等先进制造技术在模具工业中的应用，也要与电子信息等高新技术嫁接，实现高新技术产业化。另一方面，随着工业体系发展的进一步完善，大型模具等非传统产品的需求亦越来越广泛，如风电叶片模具、游艇底座，超大型轮胎等等制造等，该类大型模具因为体积非常大，长度可达到100m以上，制造周期比较长，对于装备的要求也非常高。终端客户的产品的生产周期就难以控制，制造成本增加，影响行业的创新发展。

随着新型装备制造行业的发展，满足增减材制造，并实现在线测量，亟需开发一种大型桥式龙门混合加工机床，有效开发新型的模具并实现快速响应。

技术实现要素：

本发明为一种大型桥式龙门混合加工机床及其加工方法，基于增材制造、减材制造和在机测量方法，形成混合机构单元，结合龙门加工设备基本结构情况而开发一种新型加工装备。在一个机床上，通过更换不同的执行单元，调用内嵌的可重构软件工具包，采用指定的工艺实施方案，在整个产品的加工工序范围内实现加工，最终达成客户的需求。

一种大型桥式龙门混合加工机床，包括：基础(1)、工作走廊(2)、床身(3)、x轴进给系统(4)、横梁(5)、y轴进给系统(8)、溜板(7)、方滑枕(11)、z轴进给系统(12)、c轴进给系统、a轴进给系统、执行机构接口(13)和执行单元库(15)，床身(3)设置在基础(1)上，基础(1)两侧设有工作走廊(2)，x轴进给系统(4)设置在床身(3)上，x轴进给系统(4)上设有横梁(5)，横梁(5)上设有溜板(7)，上方滑枕(11)和z轴进给系统(12)设置在溜板(7)上，执行单元库(15)设置在基础(1)上，x轴进给系统(4)、y轴进给系统(8)和z轴进给系统(12)分别与x轴运动拖链(6)、y轴运动拖链(9)和z轴运动拖链(10)相连，方滑枕(11)底部设有执行机构接口(13)，方滑枕(11)连接c轴进给系统和a轴进给系统。

所述执行单元库(15)中包括减材制造单元(14)、增材制造单元(16)、在机测量单元(17)，通过机构的运动需求，可以与执行机构接口(13)进行安装，满足加工的需求。

所述执行单元库(15)包括执行单元库平台(18)、执行单元库安装平台(19)、执行单元库纵向运动(20)和执行单元库横向运动方向(21)，所述执行单元库平台(18)上设有执行单元库纵向运动(20)和执行单元库横向运动方向(21)，执行单元库安装平台(19)设置在执行单元库纵向运动(20)上。

所述床身(3)、横梁(5)、溜板(7)和方滑枕(11)采用米汉纳铸铁(也可用焊接件)安装，铸件内腔系蜂巢式复合排列结构，均经时效及二次回火处理，消除残留内应力使材质稳定，确保工件加工精度的稳定及机床寿命。

所述x轴进给系统(4)通过可消隙的斜齿轮齿条驱动，满足高精度移动要求；所述y轴进给系统(8)通过中心卸荷的三导轨结构，结合可消隙的斜齿轮齿条驱动，满足不同执行单元的运动需求；所述z轴进给系统12()通过2组直线导轨或者以上的直线导轨，结合滚珠丝杠，满足不同执行单元的运动需求。

所述执行单元库(15)是设备的执行单元存储库。内部包括增材制造单元、测量系统单元以及其他减材单元。该类设备与执行机构接口可进行接触安装并固定。

一种利用所述的大型桥式龙门混合加工机床进行加工的方法，其特征是包括以下步骤：

增材制造系统执行单元运行的步骤：增材系统喷头系统中配置螺杆泵，其驱动由伺服电机控制，可有效控制喷射微滴量与速度；注胶速度动态闭环可调；注胶速度由机床检测系统统一控制，机床检测系统对表面加工情况进行检测，并与理论要求的曲面进行比较；在补喷胶阶段，当检测结果评估出产品的表面凸凹位置时，软件发出注胶速度更改信号，注胶系统接收到该信号时，更改注胶速度以完成表面的加工；在加工原型面(22)基础上，从加工起始点开始，按照路径规划，相继在路径规划范围内加工获得尺寸要求的材料，遇到加工原型面(22)或者加工加工获得面(23)则进行路径的上调；依次直到某段封闭的路径加工完。对于未加工的曲面，通过当前加工获得面(23)和加工原型面(22)比较，再未加工部分进行路径的重新规划，进而通过增材制造系统单元进行进一步的加工；

测量系统执行单元运行的步骤：采用激光测距装置，对加工表面进行无接触式测量，获得的数据采用数字化技术展成曲面，进而实现曲面比较，指导增材制造及减材制造的工艺；

切削系统执行单元运行的步骤：为满足机床铣削主轴实现复杂叶片曲面铣削加工，在铣削滑枕上配置高精度五轴铣头，可在笛卡尔坐标系中实现5轴联动，满足曲面的光顺铣削；五轴数控加工时，采用球头铣刀，适应性强、刀位规划简单,可以加工任意复杂曲面,但是加工性能较差,加工效率比较低。在加工平坦、敞口类曲面时，可以采用盘形铣刀进行五轴加工，不仅能改善切削性能,而且可以提高加工效率；通过调整圆环形铣刀的位姿,使得在刀触点轨迹线附近的带状区域内刀具包络曲面充分逼近理论设计曲面,从而显著提高给定精度下的加工带宽；安装大直径盘铣刀，在同等切削深度、同等进给速度情况下，基于优化算法，提高加工效率5倍以上；对于局部曲率变化较大的曲面，通过自动更换球头铣刀，实现精确加工。

本发明的有益效果是：

本发明采用现代增材制造工艺和铣削工艺的复合，实现大型模具的高效与精密加工，其效率是传统模具加工的10倍以上，成本仅为传统工艺的30％，满足定制化需求，符合未来智能化、柔性化需求，前景良好。替代传统的铸件模具，快速响应客户需求，节约模具投资60％以上。

本发明的一种大型桥式龙门混合加工机床，包括增材制造、减材制造和在机测量方法，形成通过混合工艺方法实现加工的方案。该设备的主要结构特点：固定工作台及床身、横梁沿床身导轨前后运动、方滑枕随横梁上下移动、亦可沿横梁左右移动；机床具有铣削、钻削等功能。配备附件铣头后可实现工件的一次装夹，安装五轴头可五面加工，一机多用，提高了工件的加工质量和生产效率。

本发明采用一种大型桥式龙门混合加工机床，基于增材制造、减材制造和在机测量方法，组成增材制造单元、减材制造单元和在机测量单元，形成混合机构单元，结合龙门设备的结构特点，进而开发一种新型的龙门混合加工装备。随着模具行业的发展，大型模具等非传统产品的需求亦越来越广泛，如风电叶片模具、游艇底座，超大型轮胎等等制造等，该类大型模具因为体积非常大，长度可达到100m以上，相应的制造周期比较长，对于装备的要求也非常高，对于最终客户的影响则是产品生产周期比较长，制造成本非常高，限制了行业发展情况。本发明所开发的设备采用现代增材制造工艺和铣削工艺的复合，实现大型模具的高效与精密加工，其效率是传统模具加工的10倍以上，成本仅为传统工艺的30％，满足定制化需求，实现产品创新，同时将3d打印与切削加工进行工艺复合，实现工艺创新，符合未来智能化、柔性化需求，前景良好。替代传统的铸件模具，快速响应客户需求，节约模具投资60％以上。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图2表示执行单元库示意图。

图3a表示减材制造单元接口示意图。

图3b表示增材制造单元接口示意图。

图3c表示在机测量单元接口示意图。

图4表示本发明采用增材制造的方法示意图。

图5表示本发明采用参考距离的在线测量方法示意图。

图6表示本发明采用小于参考距离的在线测量方法示意图。

图7表示本发明采用大于参考距离的在线测量方法示意图。

图中：1为基础、2工作走廊、3为床身，4为x轴进给系统，5为横梁，6为x轴运动拖链，7为溜板，8为y轴进给系统，9为y轴运动拖链，10为z轴运动拖链，11为方滑枕，12为z轴进给系统，13为执行机构接口，14为减材制造单元，15为执行单元库，16为增材制造单元，17为在机测量单元，18为执行单元库平台，19为执行单元库安装平台，20为执行单元库纵向运动，21为执行单元库横向运动方向。22为加工原型面，23为加工获得面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术内容作说明

如图1至图7，实施例一。

一种大型桥式龙门混合加工机床，包括：基础(1)、工作走廊(2)、床身(3)、x轴进给系统(4)、横梁(5)、y轴进给系统(8)、溜板(7)、方滑枕(11)、z轴进给系统(12)、c轴进给系统、a轴进给系统、执行机构接口(13)和执行单元库(15)，床身(3)设置在基础(1)上，基础(1)两侧设有工作走廊(2)，x轴进给系统(4)设置在床身(3)上，x轴进给系统(4)上设有横梁(5)，横梁(5)上设有溜板(7)，上方滑枕(11)和z轴进给系统(12)设置在溜板(7)上，执行单元库(15)设置在基础(1)上，x轴进给系统(4)、y轴进给系统(8)和z轴进给系统(12)分别与x轴运动拖链(6)、y轴运动拖链(9)和z轴运动拖链(10)相连，方滑枕(11)底部设有执行机构接口(13)，方滑枕(11)连接c轴进给系统和a轴进给系统。

所述执行单元库(15)中包括减材制造单元(14)、增材制造单元(16)、在机测量单元(17)，通过机构的运动需求，可以与执行机构接口(13)进行安装，满足加工的需求。

所述执行单元库(15)包括执行单元库平台(18)、执行单元库安装平台(19)、执行单元库纵向运动(20)和执行单元库横向运动方向(21)，所述执行单元库平台(18)上设有执行单元库纵向运动(20)和执行单元库横向运动方向(21)，执行单元库安装平台(19)设置在执行单元库纵向运动(20)上。

所述床身(3)、横梁(5)、溜板(7)和方滑枕(11)采用米汉纳铸铁(也可用焊接件)安装，铸件内腔系蜂巢式复合排列结构，均经时效及二次回火处理，消除残留内应力使材质稳定，确保工件加工精度的稳定及机床寿命。

所述x轴进给系统(4)通过可消隙的斜齿轮齿条驱动，满足高精度移动要求；所述y轴进给系统(8)通过中心卸荷的三导轨结构，结合可消隙的斜齿轮齿条驱动，满足不同执行单元的运动需求；所述z轴进给系统12()通过2组直线导轨或者以上的直线导轨，结合滚珠丝杠，满足不同执行单元的运动需求。

所述执行单元库(15)是设备的执行单元存储库。内部包括增材制造单元、测量系统单元以及其他减材单元。该类设备与执行机构接口可进行接触安装并固定。

实施例二。

一种利用所述的大型桥式龙门混合加工机床进行加工的方法，其特征是包括以下步骤：

增材制造系统执行单元运行的步骤：增材系统喷头系统中配置螺杆泵，其驱动由伺服电机控制，可有效控制喷射微滴量与速度；注胶速度动态闭环可调；注胶速度由机床检测系统统一控制，机床检测系统对表面加工情况进行检测，并与理论要求的曲面进行比较；在补喷胶阶段，当检测结果评估出产品的表面凸凹位置时，软件发出注胶速度更改信号，注胶系统接收到该信号时，更改注胶速度以完成表面的加工；在加工原型面(22)基础上，从加工起始点开始，按照路径规划，相继在路径规划范围内加工获得尺寸要求的材料，遇到加工原型面(22)或者加工加工获得面(23)则进行路径的上调；依次直到某段封闭的路径加工完。对于未加工的曲面，通过当前加工获得面(23)和加工原型面(22)比较，再未加工部分进行路径的重新规划，进而通过增材制造系统单元进行进一步的加工；

测量系统执行单元运行的步骤：采用激光测距装置，对加工表面进行无接触式测量，获得的数据采用数字化技术展成曲面，进而实现曲面比较，指导增材制造及减材制造的工艺；

切削系统执行单元运行的步骤：为满足机床铣削主轴实现复杂叶片曲面铣削加工，在铣削滑枕上配置高精度五轴铣头，可在笛卡尔坐标系中实现5轴联动，满足曲面的光顺铣削；五轴数控加工时，采用球头铣刀，适应性强、刀位规划简单,可以加工任意复杂曲面,但是加工性能较差,加工效率比较低。在加工平坦、敞口类曲面时，可以采用盘形铣刀进行五轴加工，不仅能改善切削性能,而且可以提高加工效率；通过调整圆环形铣刀的位姿,使得在刀触点轨迹线附近的带状区域内刀具包络曲面充分逼近理论设计曲面,从而显著提高给定精度下的加工带宽；安装大直径盘铣刀，在同等切削深度、同等进给速度情况下，基于优化算法，提高加工效率5倍以上；对于局部曲率变化较大的曲面，通过自动更换球头铣刀，实现精确加工。

一种大型桥式龙门混合加工机床，基于增材制造、减材制造和在机测量方法，形成增材制造单元、减材制造单元和在机测量单元，通过机构的整合组成混合机构单元，结合龙门加工设备基本结构情况而开发一种新型加工装备。

增材制造系统执行单元运行情况：增材系统喷头系统中配置螺杆泵，其驱动由伺服电机控制，可有效控制喷射微滴量与速度。注胶速度动态闭环可调。注胶速度由机床检测系统统一控制，机床检测系统对表面加工情况进行检测，并与理论要求的曲面进行比较。在补喷胶阶段，当检测结果评估出产品的表面凸凹位置时，软件发出注胶速度更改信号，注胶系统接收到该信号时，更改注胶速度以完成表面的加工。

测量系统执行单元运行情况：采用激光测距装置，对加工表面进行无接触式测量，获得的数据采用数字化技术展成曲面，进而实现曲面比较，指导增材制造及减材制造的工艺。

切削系统执行单元运行情况：为满足机床铣削主轴实现复杂叶片曲面铣削加工，在铣削滑枕上配置高精度五轴铣头，可在笛卡尔坐标系中实现5轴联动，满足曲面的光顺铣削。

见图5、图6、图7。图5表示本发明采用参考距离的在线测量方法示意图。图6表示本发明采用小于参考距离(短距离)的在线测量方法示意图。

图7表示本发明采用大于参考距离(长距离)的在线测量方法示意图。

采用激光测距装置，通过半导体激光对加工被测表面进行无接触式测量，感光元件通过聚焦镜获取经过被测表面的反射激光，与参考距离进行比对，可知是否大于或小于参考距离，获得的数据采用数字化技术展成曲面，进而实现曲面比较，指导增材制造及减材制造的工艺。

五轴数控加工时，采用球头铣刀，适应性强、刀位规划简单,可以加工任意复杂曲面,但是加工性能较差,加工效率比较低。在加工平坦、敞口类曲面时，可以采用盘形铣刀进行五轴加工，不仅能改善切削性能,而且可以提高加工效率。通过调整圆环形铣刀的位姿,使得在刀触点轨迹线附近的带状区域内刀具包络曲面充分逼近理论设计曲面,从而显著提高给定精度下的加工带宽。安装大直径盘铣刀，在同等切削深度、同等进给速度情况下，基于优化算法，提高加工效率5倍以上。对于局部曲率变化较大的曲面，通过自动更换球头铣刀，实现精确加工。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。