一种机床的制作方法

本申请涉及一种机床或其他类型的机器，用于通过处理头将能量源和介质中的至少一种输送到工件上。特别地，但非排他地，机床可以被称为混合机床。特别地，但非排他地，本申请还涉及一种装置和一种使用该装置进行混合制造的方法。

混合制造是指将增材制造和数控加工结合起来的制造方法。

背景技术：

在过去，机床能够通过所谓的加工从工件上去除材料，这种机床包括通常由计算机控制或计算机数控(cnc)的铣床等。

如发明人提交的先前应用程序中所述，例如wo2014/013247和wo2015/189600，可以被称为“机床”的传统数控铣床仅用于材料去除操作，例如铣削、钻孔、磨削、拉削等。cnc铣床还可以执行某些类型的测量，例如使用接触式触摸探针或非接触式扫描仪进行局部测量。

随着技术的发展，现在可以使用这样的机器来执行其他功能，例如其他形式的材料去除(超声波、激光等)、焊接和材料沉积(例如激光沉积、硬面、定向能量源沉积、增材制造等)。

增材制造是指通过添加材料来制造、修改或修复工件或其至少一部分的技术。增材制造通常由独立运行的3d打印机执行。在其他情况下，增材制造通过专用的增材制造系统或通过机器人、机床、装配线或类似物的沉积来进行。

申请人已经意识到，可以在机床环境中应用增材制造技术以获得很大的益处。

增材制造技术和传统减材制造技术的组合被称为混合制造。

现有技术中，提供了能够安装到现有机床上的处理头的装置，例如多轴cnc铣床。然而，这种现有技术处理头并不像期望中的那样方便。

机床增材制造技术的改进促进了“混合制造”的引入。如wo2014/013247和wo2015/189600中所述，适合于增材制造的各种能量源可以集成机床。常见的能量源是激光，如wo2014/013247的优选实施例中所示。如wo2014/013247中所述，激光能量源和给料介质的输送是通过发明一种可对接的传输能量源或介质的管道和处理头上相应的接收能量源和/或介质的管道实现的。wo2014/013247的优选实施例对于各种处理方法是理想的，尤其是提供视线激光能量源输送。

已经了解，处理头上描述的可对接的管道以及与其对应的管道是复杂且昂贵的部件。安装这种对接系统所需的努力对于通常由金属制成的高价值部件的基于激光的定向能量源沉积是合理的，但是人们已经意识到，这些部件由于成本等原因可能不适合与处理头的某些组合一起使用，包括需要使用某些类型的检查头部和其他类型的增材制造技术。

wo2015127272披露了使用机床的增材制造工艺的方法和装置，并且可以包括控制处理头的方向以控制制造能量源射束，进料粉末喷嘴或两者的切向角。可以控制非圆形能量源射束的方向以使能量源射束更均匀地分布在工具路径的宽度上。作为替代地，可以控制进料粉末喷嘴的方向以朝向与束靶间隔开的粉末靶投射。

us9446475披露了一种用于超声波增材制造过程的系统，包括铣床等和焊接组件。铣床包括用于接收铣削工具的轴，轴能够沿z轴方向移动；铣床还包括位于轴的下方的工作台，工作台能够在x轴方向和y轴方向上移动。焊接组件安装在铣床的轴上，包括超声焊接头部；铣床还包括锥形工具柄，用于将焊接组件连接到轴上；铣床还包括设置在超声波焊头部和轴之间的独立的配合套环，其中配合套环可以将超声波增材制造过程中的推力负载从超声波焊接头部转移到轴的z轴而不损坏机器的轴或其它部件。

技术实现要素：

根据本申请的第一方面，提供了一种机床，能够通过处理头将能量源和介质中的至少一种输送至工件，以进行材料添加、检测或数据收集，其中，机床具有用于收容处理头的夹紧机构，机床包括带有第一管道的停止块，第一管道用于传输能量源和介质中的至少一种，处理头包括能够与停止块配接的止转臂和连接器，处理头包括能够与第一管道配接的第二管道。

在一些实施例中，机床是多轴机床。

在一些实施例中，所述介质或所述能量源是从所述管道第二管道传输至所述处理头。在一些实施例中，处理头的介质或能量源应用于工件。在一些实施例中，介质或能量源通过处理头的处理组件应用于工件。在一些实施例中，处理组件是与工件邻接的。处理组件可以包括应用头或者可以包括应用点。

在一些实施例中，停止块固定到机床上并且是不可移动的。在一些实施例中，停止块设置有位于主轴上或靠近主轴的管道。在一个实施例中，所述停止块与所述机床一起设置。在一些实施例中，停止块可以设置在机床的轴、轴壳体、z轴铸件或其他结构中，从而提供一种能够使用具有止转臂和/或连接器的处理头方法。在一些实施例中，轴可包括轴体的外部，其在使用中不旋转。轴壳可包括盖或包围轴的其他部分。在其他实施例中，停止块可以集成到包围或至少部分环绕主轴的套管或金属片盖中。

现有技术中，cnc机床上使用停止块的技术是存在的。通常，当希望防止外壳或整个加工或铣削头部移动时，使用这种停止块，特别是用于防止处理头的一部分的旋转运动。

在一些实施例中，在机床上提供一个块，该块包括至少一个孔，用于接收从处理头延伸的止转臂。止转臂可包括停止臂，还可包括柱塞或可替代的机械延伸部。柱塞可以由诸如钢的固体材料制造，其尺寸的设置可使柱塞能够抵抗任何旋转运动和施加于柱塞上的力。

在一些实施例中，停止块管道可以设置成与处理头上的管道配接。在一些实施例中，停止块管道可以设置在停止块的孔周围。在一些实施例中，处理头上的管道可以设置在止动臂或柱塞上。在一些实施例中，可以在柱塞附近提供管道。

在一些实施例中，机床可以用于处理工件。

在一些实施例中，夹紧机构容纳在轴的突出部分中，能够将处理头限制于轴上，当处理头连接到夹紧机构时，机床通常有一个轴穿过处理头，处理头在轴上移动。

在一些实施例中，处理头可包括用于将能量源引导到工件上的一个或多个引导机构。

在一些实施例中，对接管道可以用于连接到引导机构，并在使用中，将一种或多种介质提供给处理头以便于处理工件。

在一些实施例中，当处理头连接到夹紧机构并且止转臂连接到停止块时，对接管道能够将一种或多种介质供给给处理头。

在一些实施例中，机床还包括至少一个机构，用于将供应对接管道移入和/或移出与处理头对接管道的连接中，其中，当停止块管道和处理头管道时，介质可以供给给处理头。在一些实施例中，将处理头装载到夹紧机构中的运动也将使两个对接管道彼此连通，不过，这种方法需要一个或多个附加步骤的部分或全部驱动来实现。

在一些实施例中，附加步骤或“多阶段对接”允许使用连接器，其需要使用止转臂或其他方便的对齐方法(例如机器人或机架)以实现比管道接口的定位更精确的对齐，能够适用于这种方法的连接器的示例包括电连接器或分离或气连接器的水配件。在一些实施例中，附加步骤还可以用于移动或移除封盖，该封盖能够防止芯片、切屑、油、切削液和其他污染物污染管道连接器，例如电接口，当止转臂和柱塞之间的初始机械接口进入停止块时，附加步骤可通过任何方便的能量供应驱动，包括但不限于机械，气动或电动驱动。在一些实施例中，当与例如机器人或机架中的机械臂一起使用时，可能需要进行多个阶段，使得管道的各部分在不同的时间或按不同的顺序配接。

在一些实施例中，对接管道可以用于将能量源传输到处理头中。

在一些实施例中，当两个管道连接时通过处理头将能量源供给给对接管道，这种实施例允许能量源在管道连接时聚集，因此更方便。

在一些实施例中，停止块对接管道内具有输送管，所述停止块对接管道用于供应至少一种冷却介质，该冷却介质用于冷却处理头内的引导机构。在一些实施例中，在使用中，一些可加工的或易溶介质，由能量源和/或屏蔽介质处理。在一些实施例中，冷却介质，屏蔽介质和可处理介质中的任意一种可以简单地被称为介质。在一些实施例中，当连接了两个管道后，就能够在使用中方便地供应介质。

在一些实施例中，当将所选材料暴露于能量和/或温度时，需要提供惰性环境。在一些实施例中，这可以通过输送屏蔽气体(即屏蔽介质)来完成，例如通过处理头。在一些实施例中，可以在在机床周围的腔室内或机床的至少一部分内进行，因为其保持真空或替代的惰性环境。

在一些实施例中，停止块对接管道可以用于提供多种介质和/或能量供应。

在一些实施例中，还提供了一种对齐机构，用于使供应介质和能量源中的至少一种的管道与处理头对接管道的对齐。在一些实施例中，能量源通常需要精确对齐，以使它们在使用中正确地聚焦，因此需要提供一个对齐机构确保当两个管道连接时能量源正确对齐。在一些实施例中，从柱塞处进行延伸的销以及锁环来实现位于止转臂上或止转臂内的对接器的定向，当柱塞未连接到停止块时，该销保持其角度定向。

在一些实施例中，处理头可以有两个或以上止转臂。在一些实施例中，停止块可以围绕机床的一部分延伸，使得两个或以上止转臂可以配接单个停止块，或者，可以为一个或以上止转臂提供单独的停止块。在一些实施例中，各止转臂可围绕处理头以任何间隔隔开，例如，两个止转臂可以间隔180度。在一些实施例中，两个止转臂可以以更近的间隔隔开，使得它们可以足够紧凑以进入工具库。在一些实施例中，至少一个停止块可以包括一个停止块管道，能够连接到处理头管道。

在一些实施例中，对齐机构至少部分地为基本平坦的表面。

在一些实施例中，将用于引导传递到处理头的能量源聚焦到与使用中的处理头的纵轴对齐的区域上，这样的设置更方便，它可以使机床更容易编程，因为不需要考虑多个轴中的偏移，并且因为工作区域不需要考虑偏移，所以偏移更小。在一些实施例中，由于能量源的焦点偏离轴，因此处理对象所需的工作区域显著增加，因为需要进一步的平移来解释偏移。

在一些实施例中，具有停止块管道的机床可用于供给下列至少一种能量源：电、信号、热、电子束、电弧、等离子体、微波、脉泽、聚焦电磁辐射或声波(包括超声波)等。电磁辐射可以是例如以下任何一种：x射线、微波、紫外线、红外线辐射等。

在一些实施例中，在停止块管道和/或处理头管道或处理头内提供的引导机构可包括以下任何一种：一个或多个镜头、镜子、棱镜、衍射光栅、扩束器、空间光调制器、光学器件、电耦合机构、导电介质路径、感应耦合机构、光束转向部件、光束转向场发生器、微机电系统、微镜器件、屏蔽部件，例如包括同轴电缆的电磁干扰(emi)屏蔽等，如果处理头包括的组件更坚固且数量更少则更方便。

在一些实施例中，处理头可包括镜头和反射器。

在一些实施例中，机床可用于供应下列中的至少一种：金属、聚合物或陶瓷材料，通常为粉末或细丝形式；冷却或处理液；气体；处理液等。

在一些实施例中，机床的控制器用于使机床自动地或至少半自动地改变夹紧机构内的处理头。在一些实施例中，机床的术语控制器用于覆盖机床的内部控制器和网络或以其他方式耦合到机床的控制器。

在一些实施例中，通过止转臂上收容在停止块中的柱塞来控制处理头以实现将止转臂连接到停止块是众所周知的，这里将不再进一步描述。

在一些实施例中，术语“机床”已经与机器整体使用。已经描述了可互换的处理头，传统的铣削和处理头有时被称为加工刀具或工具，已经被称为处理头，如本申请中所披露的可替代的处理头，术语“处理头”用于处理工件，该工件可涉及到能量到工件的方向或介质和能量到工件的方向或工件上的介质的应用/沉积。

在一些实施例中，存在几种形式的停止块和止转臂，其可应用于要求保护的本申请。

在一些实施例中，停止块可能有多个管道。在一些实施例中，一些管道可能是固定的。在一些实施例中，一个或多个的管道可以移动。

在一些实施例中，每个管道可以从广泛的连接器组合中选择。在一些实施例中，管道可包括用于信号电压、传感器反馈、电源和载流能力的电连接器。在一些实施例中，管道可包括向工件施加高电压的装置，例如，管道可以提供高电压，使得处理头可以利用焊接弧来处理工件。

在一些实施例中，管道还可包括一个或多个的介质输送管或管线，该介质可选自气体；液体；蒸气；雾；气溶胶。

在一些实施例中，介质可选自固体形式，例如粉末、线、丸、箔和固体形式的原料。

在一些实施例中，辅助介质也可以通过停止块管道和处理头管道供给给工件，这种介质可以用于包括冷却、屏蔽或调节过程的水和空气配件。

在一些实施例中，可以对处理头和对接管道进行进一步修改。在一些实施例中，止转臂还包括定位环，所述定位环能够至少部分地包围处理头设置。在一些实施例中，定位环包括冷却装置。

在一些实施例中，处理头包括一个套环。在一些实施例中，套环包括用于预热聚合物挤出头的支架。

已经认识到，根据本申请并具有环绕套环(如本领域已知的那样，当柱塞没有啮合在停止块中时，它可以与用于保持头部朝向的时钟环或轴环相同)的机床可以设计有特征，用于通过循环或泵送空气为头部或工件提供冷却。另外，在处理打印期间携带用于冷却或屏蔽的气体或液体的通道也:可以设置在轴环中。

在一些实施例中，使用该停止块在cnc机床中进行材料沉积的一个特殊优点是它为混合加工开辟了可能性。例如，代替需要加热床将初始层粘附到基板上，可以使用铣削或钻孔刀具通过cnc机床在基板中制造凹槽或孔。在形成一个或多个凹槽或孔之后，具有沉积系统的处理头可将材料注入空隙中，从而实现新沉积物与基板的机械结合，从而使新沉积的工件表面的其余部分得以建立或继续，甚至在沉积后加工新沉积的工件表面时，只需要很少的或在某些情况下不需要任何额外的工作支撑装置。后一种意思是，工作支撑可根据需要沉积出来。

在一些实施例中，根据配备有停止块的cnc机器的混合特性，在相同的机床中沉积材料和铣刀的能力提供了新的工件处理的顺序。在一些实施例中，混合cnc机器可以用于电线嵌入，这可以通过沉积形成工件或其一部分的材料来实现。在一些实施例中，燕尾榫刀具或其他类型的刀具可以铣削通道，并可以将线放入或咬入槽中，取决于材料的刚度和相对于线厚度的公差。在一些实施例中，线可以通过停止块进给，或者在直线度最重要的情况下，它可以通过轴的中心轴供给。

在一些实施例中，通过轴的供给线或其他合适的原料或辅助介质在轴上间隔了一定距离，在该距离处使线材或其它原料变直。在一些实施例中，原料接近工件的法向表面。

在一些实施例中，能量可以通过停止块上的供应管道传递到处理头。在一些实施例中，原料可以从不同的位置和方向(例如上面给出的线实例)传输到处理头。一方面能够方便能量通过停止块进行供给一方面需要介质从另一个方向进给，使得能量和原料仅在原料接近工件时相互接触，这是沉积头带来的有利效果。

在一些实施例中提供了一种配套组件，包括处理头和与所述处理头配接的停止块；所述处理头包括止转臂和第二管道；所述停止块包括与所述第二管道配接的第一管道；配套组件还包括夹紧机构，所述处理头还能够与所述夹紧机构配接。

在一些实施例中，处理头对接管道能够配接，在使用中，将一种或多种介质供给给处理头以处理工件。

在一些实施例中，处理头的止转臂可借助于从止转臂延伸并可收容在停止块中的孔中的柱塞连接到停止块。

在一些实施例中，停止块对接管道能够将能量源供给给处理头管道中并且优选地通过处理头应用于工件。

在一些实施例中，处理头对接管道能够供应冷却介质和能量源可处理介质中的至少一种，冷却介质用于冷却处理头内的引导机构，能量源可处理介质用于在使用中被能量源处理。在一些实施例中，本申请所述的其他流体和/或介质也可以在两个管道之间传输。

在一些实施例中，除了处理头内的引导机构之外，还可以提供另外的引导机构，其可以与供应停止块对接管道相连接。

在一些实施例中，能量引导机构中的至少一个能够使得能量源可处理介质在处理头内选择性地被熔化。

在一些实施例中，配套组件可以包括多个处理头，每个处理头聚焦的能量源不同于该配套组件内的其他处理头。例如，第一处理头可设置成熔化处理头内的能量源可处理介质。第二处理头可以提供用于应用在工件上的介质。其他处理头可用于执行其他增材或减材制造、测量或扫描工件。

在一些实施例中，这种新的对接方法可以使用一系列处理头。在一些实施例中，处理头可用于材料沉积、操纵或检测。与该可对接的管道一起使用的增材制造包括stmf42标准化的任何已知的七个增材制造系列。在一些实施例中，这种新的对接方法可以很容易地加以调整，以便与其他方法或处理头的类型一起使用。在一些实施例中，新的对接系统可以包括检测头部，例如涡流检测、超声检测、激光扫描、3d扫描、摄影测量、光学测量、硬度测量、显微镜、照相机、磁性、电容传感器等。

在一些实施例中，通过从柱塞处进行延伸的销以及锁环来实现位于止转臂上火止转臂内的对接器的定向，当柱塞未连接到停止块时，能够保持其角度定向。当处理头装载到轴中时，它是保持近似对齐，当柱塞与停止块配接时，它实现其最终对齐。在一些实施例中，对一些介质类型提供了方便的对齐机构，该对齐机构用于将供应对接管道与处理头对接管道对齐。对于解耦的液体配件和其他介质或能量配件，这可能是必要的。

在一些实施例中，提供了一种将处理头连接到机床的方法，处理头具有止转臂、连接器以及第二管道，该方法包括：a)提供一种机床，机床包括具有供应管道的停止块；b)机床从储存位置选择处理头并将处理头插入机床的夹紧机构；c)移动止转臂和连接器与停止块配接；d)移动处理头管道的第二管道与停止块的第一管道配接；其中，停止块的供应管道与处理头的第二管道的配接提供一个通道，通道能够将一种或多种介质提供给处理头。

在一些实施例中，该方法可以另外包括反向方式替换机床的存储区域内的处理头。

在一些实施例中，还可以提供处理头管道与停止块对接管道和机床之间的电连接、光连接和机械连接的连接。这种连接为过程监测传感器和设备提供连接。这种传感器可以包括图像记录装置、照明、触摸探针、3d表面和体积扫描仪、传感器，例如氧传感器和热传感器或照相机等。在一些实施例中，温度传感器可用于监测正在进行处理的工件的温度。过程监测传感器或测量设备可以包括处理头的一部分，管道的一部分用于连接到其上的一个或以上介质和/或除了处理头和管道之外。在一些实施例中，可以提供过程监测传感器作为单独的头，除了任何处理头和处理头之外，其可以被认为是检测头。

在一些实施例中，可以监测一个或多个熔池的温度。在一些实施例中，可以在沉积材料的地方形成熔池。在一些实施例中，介质可以应用于工件或朝向工件的方向传输，由能量源的应用熔化，因此，可以将介质视为能量源可处理介质。

在一些实施例中，介质可以以熔融状态沉积。

在一些实施例中，介质被提供给处理头。在一些实施例中，可以将两种或以上的介质提供给处理头。例如，介质可以包括替代颜色或替代介质。在一些实施例中，第一介质可包括建筑材料，第二介质可包括支撑材料。当工件完成后，支撑材料可以是可移除的。如果提供至少两种介质，则该工具能够选择性地使用介质。

在一些实施例中，介质可包括聚合物材料。在一些实施例中，介质可选自金属、非金属、聚合物、陶瓷、粘土或介电材料。介质可以以下列任何形式提供：粉末或颗粒形式；细丝、棒、箔、板或线、呈半液态或全液态。或者，介质可以液体、乳液、气体、气溶胶、浆液或糊状物形式提供或悬浮在其中。

在一些实施例中，介质可包含聚合物细丝。通常，这种细丝可以通过能量源加热到一定温度，使得介质可以以可控的方式进给、引导、挤出、喷射或以其他方式沉积。或者，可以从介质容器向处理头供应流体介质。介质可以被能量源加热，直到储存器中的所有介质都是流体并且可以以可控的方式分配或以其他方式排出。在一些实施例中，介质还可以包括导电、半导电和介电材料，使得在形成工件期间可以铺设电路。在一些实施例中，介质可以从储存器朝向处理头的沉积尖端传递，在介质离开沉积尖端之前，能量源可以应用于介质。这可能适用于介质是细丝或金属丝的形式的实施例中，介质可以通过机械进给机构(例如辊子)通过处理头进给。在一些实施例中，可能介质相对较硬，直到介质沉积，可以在介质离开沉积尖端之前或在介质离开沉积尖端之后施加力。在一些实施例中，材料可先沉积在工件的表面上，然后暴露于能量源中。

在一些实施例中，包括夹紧组件和应用组件之间的主体部分，主体部分包括与主体部分连接的止转臂和设置在止转臂上的对接管道，对接管道能够在使用时与机床上的供应管道配接，对接管道能够把能量源和介质中的至少一种材料在应用于工件之前将其从供应管道输送至处理头。

在一些实施例中，处理头还包括用于压实材料的压板，压板使用摇摆运动进行压实。

在一些实施例中，提供了对接接口能够通过处理头传输能量源和介质中的至少一种以进行增材制造或检测，其中支撑结构包括：供应管道，能够传输能量源和介质中的至少一种；供应管道，能够传输能量源和介质中的至少一种；夹紧机构，用于收容处理头；第一接合部；其中处理头可以被夹紧机构收容，并进一步包括：处理头管道，用于从供应管道中接收能量源和介质中的至少一种；第二接合部，能够与第一接合部可选择地配接；对接过程中，初始运动能够使所述第一接合部和所述第二接合部对齐，附加运动能够使所述供应管道和所述处理头管道之间连通。

在一些实施例中，第一接合部可能是供应管道的一部分，第二接合部可能是处理头管道的一部分。

在一些实施例中，夹紧机构可包括机械接收部分，用于接收处理头管道的至少一部分。

在一些实施例中，当第一接合部与第二接合部配接后，在某些情况下通过机械运动，附加运动可在处理头管道和供应管道之间提供进一步的连接。

在一些实施例中，附加步骤或“多阶段对接”允许使用连接器，其需要使用简单的配接机构以比管道接口的定位更高的精度对齐。在一些实施例中，多阶段对接可以使用连接器，连接器在对接过程中可能会在受力过程中损坏或发生偏差。在一些实施例中，当建立了部之间的初始机械式接口后，附加阶段可以通过任何方便的能量源供应来驱动，包括但不限于气动或电动驱动。

在一些实施例中，第一管道和第二管道均设置有用于避免污染的封盖，当第一管道和第二管道完全连接时，封盖被打开或移除。

在一些实施例中，封盖可以与任何上述实施例连接器使用。其中存在精细的连接器的实施例中，封盖可能是特别需要的，以便在加工或存储区域中不会暴露于潜在的污染物。在一些实施例中，封盖也可以用于辅助微调，以使得能够在处理头管道和供应管道之间建立连接。

在一些实施例中，一种处理头与支撑结构的连接方法，处理头包括处理头管道，支撑结构包括供应管道，所述处理头能够供应能量源和介质中的至少一种，以进行增材制造或检测该方法包括：a)将处理头插入支撑结构的夹紧机构中；b)在初始运动过程中，将支撑结构的第一接合部与处理头的相应的第二接合部配接；c)配接第一接合部和第二部配接后，在附加运动过程中，移动处理头管道，使其与供应管道连接；其中供应管道和处理头管道的连接能够提供一个通道，通道能够将一种或多种介质输送至处理头。

在一些实施例中，将处理头管道移动到与供应管道连接是附加运动。本领域普通技术人员将理解，对接和夹紧的各种阶段的顺序可以根据需要改变。

本领域技术人员将理解，本申请的这个方面可以用于任何接口对接系统，但是它特别适用于机床或机器人中的应用，其适于在工件上进行增材制造和cnc加工或检查工件。

在一些实施例中，“多阶段对接”允许使用连接器，其需要使用简单的配接机构以比管道接口的定位更高的精度对齐。在一些实施例中，当建立了部之间的初始机械式接口后，附加运动可以通过任何方便的能量源供应来驱动，包括但不限于气动或电动驱动。

在一些实施例中，附加运动或“多阶段对接”允许使用连接器，其需要使用止转臂或其他方便的对齐方法(例如机器人或机架)以比管道接口的定位更精确的对齐。在一些实施例中，适用于上述方法的连接器的示例包括电连接器或水配件，特别是去耦或气连接器的水配件。在一些实施例中，多级对接还可以适应性地移动或移除封盖，该封盖防止芯片、切屑、油、切削液和其他污染物污染管道连接器，例如电接口。在一些实施例中，例如与机器人臂一起使用，可能需要具有多个阶段，使得管道的各部分在不同的时间或顺序配接。这种多阶段对接可以显着降低用作支撑的机床、机械臂、机架、打印机等的刚度要求因为不需要克服多个连接器的配接力以实现供应和处理头管道的配接。在单阶段对接过程中，应用于支撑或机械臂的力可能是实质性的，增加支撑或机械臂的刚度要求显著高于使处理头相对于工件移动所需的刚度要求。此外，在对接期间，由于处理头相对于供应管道的移动和对接过程中涉及的力，可能会对支架或机械臂施加更大的载荷。在一些实施例中，为了承受单阶段对接，这种增加的刚度和力要求可显著增加支撑或机械臂的成本。

在一些实施例中，可能需要使用连接器，该连接器比通常使用的其它界面更加精细或对力或位置准确性更敏感。理想的是，当界面的位置通过第一阶段大致对齐后，稍后或最终连接可以通过一些微调以及后面的对接阶段来进行最终连接。在一些实施例中，在夹紧机构中的部之间进行粗略对齐，这样就存在粗略的配接。当初始运动完成后，夹紧机构可以以附加运动驱动，使得供应管道移动到与处理头管道更好地对齐。在一些实施例中，初始运动可以移动处理头的一部分与管道供应之间的配接，实现误差大约为1mm-20mm的粗略配接。在一些实施例中，附加运动使供应或处理头管道的之间的配接误差小于1mm的距离，通常降低到仅大约为25微米。当完成更高精度的对齐时，那么在初始夹具配接过程中可能由于对齐不当或潜在的侧向力而损坏的水管件或其他连接器就可以移动到彼此之间的流体连通中对齐。在一些实施例中，这种配件或连接器可以具有大约5mm-15mm的最终配接行程，已经满足轴向对齐。

在一些实施例中，可以通过在供应和处理头管道之一上使用锥形销来实现粗略对齐，所述锥形销与供应和处理头管道中的另一个中的孔配接并配合，用于引导供应和处理管道进入更高精度的对齐，因为孔中的锥形销的配接增加。应当理解，销上的引导角可以使得相对长的配接距离成为可能。当销保持较短时，可能会从管道接口突出的连接器可能由于未对齐而损坏，之后销的较小或非锥形部分的配接实现了对于所述连接器的足够的对齐准确性。

在一些实施例中，夹紧机构可以是锥形的销，可以将连接器定位在供应管道或处理头管道之一内。在一些实施例中，连接器可以在初始夹紧运动期间完全收缩到供应管道或处理头管道内。在一些实施例中，销在孔中的配接包括初始夹紧运动。当销沿着孔行进并且销或销上的引导角度使得供应和处理头管道更精确地对齐时，执行附加运动。当实现了精确对齐时，就可以将连接器移动到配接位置。在一些实施例中，附加运动与初始夹紧运动的方向相同。

在一些实施例中，一个管道上的凸起部可以设置成与另一个管道上的孔配接。在一些实施例中，初始夹紧运动可以在第一方向上执行。在一些实施例中，附加运动可以在横向于第一运动的方向上执行。在一些实施例中，当完成附加运动时，连接器可以移动到配接和流体连通中。

加以必要的变更支撑件可以是机床的一部分或机器人的一部分，对机器人系统的应用具有特别的实用性，因为多级对接的优点之一是减少了初始夹紧运动中负载和施加的力，这对机器人和轻型数控机床来说可能是特别适合的应用。机器人系统可能不具有在单个动作中实现对接所需的刚度，强度和准确性。

本领域技术人员将理解，本申请的上述方面引入了各种特征，将进一步理解，本申请的一个方面的特征在加以必要的变更后可以适用于其他方面。

附图说明

本申请将通过示例性实施例进行进一步描述。这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。附图未按比例绘制。这些实施例是非限制性的示例性实施例，在这些实施例中，各图中相同的编号表示相似的结构，其中：

下面仅举例说明本申请实施例的详细描述，其中：

图1是机床的示意图；

图2是现有技术中机床和对接头部的剖视示意图；

图3a是现有技术中处理头在连接到机床之前的示意图；

图3b是现有技术中处理头连接到机床后的的示意图。

图4是现有技术中关于停止块和处理头的示意图；

图5是将处理头连接到机床之前的示意图；

图6是将处理头连接到机床之后的示意图；

图7是具有多个介质供应的处理头的示意图；

图8是根据本申请的另一实施例的处理头的示意图，该处理头连接到机床上。

图9是处理头的另一实施例的示意图；

图10是处理头的另一实施例的示意图；

图11a是包含封盖的处理头的实施例的透视图。

图11b是图11a的实施例的侧视图；

图12是根据本申请另一方面的实施例的不同状态示意图；

图13是根据本申请另一实施例的示意图。

图14a和14b是现有技术连接的图示；

图15a至15d是根据本申请一些实施例中多阶段对接的连接状态示意图；

图16a至16d是根据本申请的一些实施例中多阶段对接的连接状态示意图。

具体实施方式

图1是根据本申请的一些实施例所示的示例性自动驾驶系统的示意图。在一些实施例中，机床100包括夹紧机构，保持在夹紧机构中的处理头102，处理头102用于加工工件104。在一些实施例中，机床100通常由控制器106控制，控制器106在处理头102处理工件104时控制处理头102的位置。

大多数机床100被设置成处理头102可以与其他处理头102互换，以便为当前的加工任务提供正确的处理头102。以铣床为实施例进行说明，提供的第一处理头可以用于粗加工，而提供的第二处理头可以用于精加工。

对应地，在一些实施例中，机床100还具有工具更换器，该工具更换器通常可以在控制器106的控制下更换机床100正在使用的处理头102来处理工件104。

图2示出了在先申请的wo2014/013247中披露的现有技术的处理头200，处理头200通过机床100的夹紧机构202连接到机床100，并且可以存储在处理头的存储器中，在一些实施例中，还可以利用工具更换器自动地连接到机床100。这里，工具更换器可以为机床当前未使用的处理头，加工头等提供存储位置。这里的讨论涉及夹紧机构202，在一些实施例中，夹紧机构202连接的轴是机床100的一部分。

在所描述的实施例中，处理头200用于将激光束206聚焦到工件104上。在其他实施例中，可以使用其他能量源代替激光。

在图2中，通过处理头200的示意图，可以看到反射器(例如镜子208)，用于将入射激光束210移动90度以入射到聚焦镜头212上，以产生聚焦激光束206。除了激光束和光学部件之外，处理头200还包含一个或多个管道以输送介质。对于该实例，介质可包括在运输流体内的聚合物和/或金属粉末，其设置成由能量源熔化。处理头被设置成使得介质通过处理头，然后进入到能量源中，使得在介质到达工件104之前它被熔化或至少半熔化。这样，处理头可以用于将材料沉积到工件上并提供沉积系统，该沉积系统可以例如用于修复部件。

在一些实施例中，机床(包括主轴)和夹紧机构202的纵轴线，由图2中的虚线xx表示。加工头(例如铣刀)安装于夹紧机构202时，将围绕轴线xx旋转。例如，在一些实施例中，能量源包括激光束206，激光束206聚焦在点或区域213上，以使得能够基本位于工件106的表面的轴线xx上。

在一些实施例中，在邻近于处理头200和夹紧机构202处，提供了供应单元214，供应单元包括能够收容各种部件的壳体。处理头200包括处理头对接管道201，供给单元214包括供给对接管道300，如图2所示，在图2所示的状态下，供给单元214与处理头200连接。

在一些实施例中，在供应单元214的顶部，具有能量源216，其在所描述的实施例中是激光器。激光器216产生光束，该光束穿过光束扩展器217被传输到供给单元214，其中，光束扩展器217包括第一和第二镜头218、220。扩束器217用于增加激光束的直径，以便在工件104上实现更好的聚焦并减少光学器件上的热负载。

在一些实施例中，供应单元214还包括另一个反射器222，用于改变激光器的光束的方向，使得光束垂直朝向处理头200，并被反射器208反射。镜头218、220和反射器222中的每一个可以被认为是供应单元214的引导机构。

在一些实施例中，供应单元214还用于供应各种介质224，当供应单元214连接到处理头214时，所述各种介质224通过管道供给给处理头200。

本领域技术人员将理解，供应单元214包括具有高成本的复杂部件，通常是相对大且笨重的部件。

图3a是现有技术中处理头在连接到机床之前的示意图。在一些实施例中，处理头300具有用于夹紧机床100的处理组件301和夹紧部件302。在图3a中，处理头未连接到机床。

图3b现有技术中处理头连接到机床后的的示意图。然后可以部署处理组件301以在工件104上操作。

图4示出了现有技术止转臂和停止块的示意图。在一些实施例中，处理头300具有夹紧机构302，用于夹在机床的轴上。处理头300还具有连接到处理头的止转臂304。在一些实施例中，止转臂304具有柱塞306，柱塞306用于可释放或可选择地连接到停止块308，该停止块308连接(未示出)到机床。止转臂和停止块的配接成使得处理头不随机床的主轴旋转而旋转。

图5是将处理头连接到机床之前的示意图，在一些实施例中，包括机床主体50和处理头300。机床主体50还包括连接到机床主体50的停止块390。停止块390上包括孔52。

在一些实施例中，处理头300包括处理组件301和夹紧部件302。夹紧部件被设置成由机床可释放地夹紧，如图6所示。在一些实施例中，处理头还包括止转臂391，柱塞392安装在止转臂391上。柱塞392用于可选择地收容在机床主体50上的停止块中的孔52中。

在一些实施例中，停止块390还包括供应管道490，其安装在停止块的邻近柱塞的一侧上。处理头还包括可对接的处理头管道491，其设置在止转臂的靠近柱塞的一侧上，能够与停止块上的供应管道490对接。图6示出了处理头夹紧在机床上的位置，止转臂和柱塞与停止块配接并且供应管道和处理头管道对接在一起。

需要说明的是，供应管道可以相当于停止块管道或停止块对接管道。

应当理解，本领域技术人员能够想到将流体和介质供应到供应管道以及从处理头管道供应到处理头的处理部件。

在一些实施例中，处理头在控制器的控制下使用工具更换器或其他机构连接到机床100。控制工具更换器以将处理头的夹紧部件302移动到轴的突出部分的夹紧机构中。

在一些实施例中，夹紧部件302与机床100配接的运动还使柱塞392与停止块390中的孔52，停止块390的供应管道490与处理头的可对接的处理头管道491连通。

在图12所示的替代实施例中，第一对接步骤连接夹紧部件302和机床，并在柱塞392和孔之间建立初始且粗略的配合，如图12b所示。然后在第二对接步骤中使管道490,491进行流体连通。在一些实施例中，第二对接步骤可以通过能量源供应来驱动，所述驱动方式包括但不限于气动或电动驱动。第二对接步骤如图12c中所示，管道490和491更紧密地对齐和连接。

在一些实施例中，对接管道490、491中的至少一个可以包括封盖510，以在没有连接时防止管道进入管道490、491。在一些实施例中，封盖包括可在轨道514中移动的封闭件512，以将开口516进行关闭。本领域技术人员可以容易地设想上述封盖结构的替代方式。第二对接步骤还可以驱动封盖的移除。替代地，可以提供移除封盖的进一步步骤。带封盖的处理头如图11所示。

柱塞392和孔52提供了一种方便的粗略定位方法。应当理解，多阶段对接可以与具有粗略定位方法的任何对接管道一起使用，不限于停止块。

此外，尽管在实施例中描述了如下顺序：首先，夹紧部件302与夹紧机构202配接，以及柱塞392与停止块390配接。然后才移动处理头侧的管道491以与供应管道490配接。应理解，上述步骤的顺序可根据需要变化。在一些实施例中，移动供应管道490比处理头管道491更方便。

在图13中所示的另一实施例中，第一对接步骤包括处理头管道491和供应管道490的对齐，其可以通过处理头管道491朝向供应管道490的移动实现对齐。当上述两个管道连接时，附加对接运动使连接器600大致位于供应管道内，与处理头管道中的相应的连接器元件连接。在一些实施例中，附加对接运动可以通过气动或电气控制实现。

图14a是现有技术连接的示意图，其中在第一对接运动中使用诸如供应管道上的锥形销610之类的锥形元件，当其配接到处理头管道上的相应的孔611时，对齐供给管道和处理头管道。如图14所示，在一些实施例中，也不能够在确保足够精度的情况下进行快速地对齐，以避免连接器600碰撞到管道。

在本申请一些实施例的方法中，其中利用了多阶段对接如图15a至15d所示。在一些实施例中，连接器600保持可伸缩的在供应管道内，直到锥形销610完成粗略对齐，如图15c所示。当锥形销的引导角度的移动进入孔，随着附加运动的进行，供应管道和处理头管道进行更高精度的对齐。如图15d所示，当附加运动完成时，就实现了完全对齐。然后，可以执行最终的移动和配接以配接连接器，连接器600可以完全配接，并与处理头管道中的相应的连接器601流体连通。

需要说明的是，附加对接运动相当于前述实施例中的附加运动。

图14b是现有技术连接的示意图。在一些实施例中，利用夹紧机构的凸起部620实现对齐，该夹紧机构的凸起部620与相应的孔621配接。这允许使用粗略对齐来部分地配接夹具，如图14b所示。应当理解，如图14b的细节所示，连接器可能在处理头管道和供应管道之间没有完全对齐，在夹紧运动下可能发生损坏。

需要说明的是，加紧运动可以相当于前述实施例中的对接运动。

根据图16a至16d所示的多级对接步骤，凸起部620配接在孔621中。当初始夹紧运动被驱动后，处理头管道和供应管道粗略地配接，附加运动驱动以使管道以更高的精度对齐，如图16c所示。在该实施例中，附加运动的运动方向垂直于初始夹紧运动的运动方向。当如图16d所示对齐和夹紧时，在没有损坏风险的情况下，可以执行连接器600的附加配接。多级对接还允许支撑结构以粗略的方式在处理头管道和供应管道之间进行定位，当被夹紧时就可以通过很小的力准备配接更高的力连接器。

当连接器采用一些精密连接器时，例如电连接器或气体连接器或水连接器，可能特别需要使用多级对接。还应该理解多级对接的使用对于机器人系统或轻型cnc机器而言可能是特别有利的，因为轻型数控机床可能不具有必要的强度和刚度，进而无法在不危及精密连接器的情况下实现一次对接。

图7示出了一种材料处理头，在动力驱动下能够挤出加热的聚合物和从外部供应至处理头的介质，在一些实施例中，所述介质可能通过如上所述的管道。在该实施例中，处理头1150包括夹紧机构1152、第一沉积头1154以及第二沉积头1156。夹紧机构有时被称为工具夹持器，可以是iso40锥形或hsk63a或本领域已知的其他合适的工具夹持器类型。

所述处理头表示astmf2792标准所定义的“材料挤出”设备的一个实例。因此，沉积头1150用于将材料挤出到工件上。在一些实施例中，处理头还包括第一介质供应1158和第二介质供应1160。在该实施例中，介质供应包括第一通道和第二通道1162和1164，每个通道分别用于引导聚合物的第一料丝和第二料丝，所述第一料丝和第二料丝形成了具有介质供应装置1168、1170的介质。介质从介质供应装置供应到给第一通道和第二通道。介质供应装置设置成能够连接到管道，还可以从管道向处理头提供能量源，介质供应装置可以在前面附图中描述的管道基础上适应性修改后得到。料丝进给机构1166位于处理头中，将第一和第二细丝输送到相应的第一加热室1168和第二加热室1170。动力供应(如图1172所示，通常通过管道连接)向第一加热室和第二加热室提供能量源，在相应的室内，第一料丝和第二料丝被加热，然后半液体介质被供应到第一沉积头1154和第二沉积头1156。

可以理解的是，机床的刀架配置包括标准刀具和尺寸，例如iso40、cat40、bt40、hsk63a、capto6等。另外，落入所披露申请范围内的配置和尺寸包括用于机器人的末端执行器的其他尺寸和配置以及适配器板。

图8中示出了根据本申请的机床的另一个例子。

图8是根据本申请的机床100处于对接状态包括机床主体50和处理头300。在一些实施例中，机床主体50包括设置在主体50的停止块390。

在一些实施例中，处理头300包括处理组件301和夹紧部件302。在一些实施例中，夹紧部件设置成由机床可释放地夹紧。在一些实施例中，处理头还包括止转臂391，柱塞安装在止转臂391上但在图8中不可见。

在一些实施例中，停止块390还包括供应管道490，其安装在停止块的邻近柱塞的一侧上。介质供应500连接到供应管道490。在一些实施例中，处理头还包括可停靠的管道491，其安装在靠近柱塞的止转臂上，能够与停止块上的供应管道490对接。图8是根据本申请的另一实施例的处理头的示意图。图8示出了加工头夹紧在机床上的位置，止转臂通过柱塞与停止块配接，进而实现供应管道和处理头管道对接在一起。

在一些实施例中，供给给处理头的介质依次通过止转臂、管道502进入处理头，然后通过处理头进入处理组件。

在一些实施例中，可以通过对接接口和止转臂供应介质和/或能量源。在一些实施例中，对接接口可以通过柱塞连接。在一些实施例中，能量源和介质可以设置成通过独立的区域传输，优选地是该独立的区域毗邻于停止块和止转臂。在一些实施例中，供给给处理头的介质可以在某些部分中穿过设置在止转臂和处理头之间的管道。

应当理解，使用停止块连接来支撑对接的两个管道的实施例提供了一种改进的设置，该设置特别适合于向处理头提供较轻的介质和较不敏感的能量源的情况。

在一些实施例中，本申请的机床可以用于在工件上沉积塑料材料。在一些实施例中，塑料介质可以被挤出的细丝或颗粒的形式，并通过如前所述的对接的两个管道供应到处理头，然后通过管道502进入处理头300。塑料材料在处理头中被加热，然后通过处理组件301沉积到工件104上。

该设置有利于使用较不复杂的部件并占据机床周围的较小空间，从而增加了灵活性。

图9是处理头的另一实施例的示意图。在一些实施例中，处理头300包括位于夹紧部件302和应用组件301中间的主体部分303。止转臂391连接到与夹紧部件相邻的主体部分的上部。对接管道491连接到止转臂391。该实施例中的对接管道设置成与处理头对接并向处理头传导能量源供应和介质供应，以将材料应用于工件104。

在一些实施例中，能量源是电能，在供给给处理头之前，电能依次通过对接管道491和止转臂391。在一些实施例中，电能用于加热介质以应用于工件。通过轴的旋转也提供机械运动，该轴带动夹紧部件302旋转，夹紧部件302又能够带动位于头部的主体内的螺钉旋转。加热区406围绕处理头的主体设置，以加热介质。

在一些实施例中，应用于工件的介质也通过对接管道491提供给处理头。在一些实施例中，可以从一系列合适的介质中选择介质。在一些实施例中，介质可以包括塑料颗粒400。在一些实施例中，塑料颗粒400被引导通过对接管道491和处理头之间的管道402。在一些实施例中，管道与处理头的主体中的内部腔室403连通。在一些实施例中，可以通过阿基米德螺旋404使介质连续朝向应用组件传输。当介质向下通过主体时，介质被加热区域中的电能加热，直到塑料颗粒完全熔化408并准备通过应用组件应用于工件。丝线、纤维或细丝410等形式的附加介质从管道供应到处理头。线410从管道连接到处理头的应用组件上的辊子412并应用于工件。根据需要，可以方便地使用刀片413或本技术中已知的其他切割设备来切割金属丝，纤维或细丝，以在沉积或用于精加工目的期间提供离散的长度。在一些实施例中，还包括刀片413，当介质被挤出时，刀片413以周期性地方式切割介质中的纤维。每次连续进给完成后，刀可以切断纤维。在其他实施例中，纤维被周期性地切碎以产生挤出材料的切碎纤维增强物。

此外，提供压实架或捣实板414压实新沉积的材料，以实现更平滑和更高密度的沉积。在一些实施例中，最好能够冷却捣实板，以使沉积材料对其的粘附最小化。在一些实施例中，捣实板也可以相对沉积的材料进行振动或往复运动。

图10是处理头的另一实施例的示意图，其示出了具有可移动压板424的头部的横截面。在一些实施例中，压板具有向被沉积的材料后面延伸的第一部分和与第一部分成非平行角度的第二部分，该第二部分向被沉积的材料前面延伸。在一些实施例中，当压板424从位置a变化到位置b时，压板424通过旋转或回弹的方式，向沉积材料提供压实。在一些实施例中，压板424的旋转轴425可以垂直于进给方向(如图所示)设置，或者可以采用其他的方向包括随机的方向对齐。

在一些实施例中，停止块390设置在机床50的主体50的侧面。在一些实施例中，停止块390可以连接到或集成在机床的其他部分中。例如，停止块390可以集成机器的轴、轴壳体、z轴铸件或其他结构。在一些实施例中，停止块390可以连接到机床的固定部分或与机床的固定部分集成，使得当止转臂391配接停止块时，可以防止处理头旋转。

在一些实施例中，处理头300具有单个止转臂391。在替代实施例中，处理头300也可包括两个止转臂391，两个止转臂围绕处理头300间隔180度设置。每个臂可以包括柱塞或其他连接器以配接停止块390。在一些实施例中，提供两个臂提供多个连接器，能够改善处理头300和机床之间的对齐。在一些实施例中，停止块390也可以围绕机床延伸，使得两个臂配接相同的停止块390。或者，可以在机床周围提供单独的停止块390。如上所述，停止块390和止转臂391中的一者或两者包括用于供应能量源的管道。在一些实施例中，止转臂391可以围绕处理头以任何间隔设置。此外，可以提供任何数量的止转臂391和停止块390。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于阅读此申请后的本领域的普通技术人员来说，上述发明披露仅作为示例，并不构成对本申请的限制。虽然此处并未明确说明，但本领域的普通技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。例如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特性。因此，应当强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或以上提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或以上实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或以上发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。然而，本申请的该方法不应被解释为反映所声称的待扫描对象物质需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。