一种增减材复合制造设备的制作方法

本实用新型属于增材制造领域，具体涉及一种增减材复合制造设备。

背景技术：

增材制造技术是通过材料的有序累加或堆积形成三维实体，因其材料利用率高、可实现复杂零部件的一体化成形等优势，增材制造技术，尤其金属增材制造技术已步入了航空航天、核能、海洋工程、汽车工程等领域的工业应用阶段。

但是，金属增材制造技术主要通过高温液态金属(如激光金属沉积技术、电弧增材制造技术等)的熔池作为“基本点”，由点到线、到面再到体的过程，成型零件尺寸精度和表面质量偏低成为必然结果。

目前，提出的增减材的复合制造方法将两者优势相结合，既能成形各种复杂结构，又能保证产品表面质量与尺寸精度。

然而，现有的增减材的复合制造设备的增材和减材功能均在同一工位完成，同一工位执行增材和减材两个工艺过程存在以下问题：

对于易氧化材料，如钛合金、高温合金等，低水低氧的高纯度惰性气氛直接影响增材制造制件的材料性能。增材制造毛坯体进行减材时，为保证表面质量，常采用切削液冷却刀具和被加工面。而切削液含水量高，切削液的使用破坏了增材制造惰性气氛，气氛的重新构建耗时长，生产效率低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种增减材复合制造设备，采用增材工艺和减材工艺分区域进行，确保了增、减材气氛环境互不干扰，工位切换区实现了工件的自动切换，不仅提高了设备的加工效率，同时避免了工件切换对增材单元气氛环境的不良影响，提高了增材制造的工艺稳定性。

本实用新型的具体技术方案是：

本实用新型提供一种增减材复合制造设备，包括增材区、减材区以及工件切换区；

增材区包括第一密封舱、第一气氛调节系统以及设置在第一密封舱内用于对工件进行增材处理的增材单元；

减材区包括用于对工件进行减材处理的减材单元；减材单元位于空气环境中；

工件切换区包括第二密封舱、第二气氛调节系统以及设置在第二密封舱内的用于将工件在增材单元和减材单元之间相互传输的托盘式交换台；

第一气氛调节系统用于保持第一密封舱内的气氛环境始终处于惰性气体保护环境；第二气氛调节系统用于实现第二密封舱内的气氛环境在惰性气体保护环境和空气环境两种状态下快速切换；

第一密封舱和第二密封舱之间、第二密封舱与减材区之间均设置有密封舱门。

优选的，为了使得惰性气氛环境建立时间更短，进一步提高设备的工作效率，上述第一密封舱的容积大于第二密封舱的容积。

进一步地，为了提高设备的利用率，该设备还包括工件暂存区；工件暂存区包括至少一个暂存单元；第二密封舱与工件暂存区之间设置有密封舱门。

进一步地，所述托盘式交换台包括一级平移组件、旋转组件、升降组件、二级平移组件以及拾取组件；

一级平移组件采用齿轮-齿条啮合传动，结合滑块-导轨副，实现旋转组件、二级平移组件以及托盘组件的平移运动。其具体结构是：一级平移组件包括第一直线导轨副、第一齿条、第一齿轮、底座以及第一驱动电机；底座安装在第一直线导轨副的滑块上方，第一齿条与第一直线导轨副平行设置；底座的侧方设置第一驱动电机，第一驱动电机的输出端上安装第一齿轮，第一齿轮与第一齿条相啮合；

旋转组件采用齿轮-齿轮啮合传动，实现二级平移组件和托盘组件的旋转运动。其具体结构是：旋转组件包括推力轴承、旋转齿轮、上端齿盘、下端齿盘、转接法兰、导柱、第二驱动电机以及第二齿轮；

推力轴承固定在底座上方，旋转齿轮安装在推力轴承上；在旋转齿轮上方依次设置下端齿盘、上端齿盘以及转接法兰；下端齿盘、上端齿盘相接触的表面沿圆周方向均匀布置有定位齿(实际上上端齿盘和下端齿盘均为端面齿轮，通过两个端面齿轮的配合，确保了周向定位的精度)；导柱沿圆周方向均匀设置有多个，导柱的一端固定在转接法兰上，另一端依次穿过上端齿盘、下端齿盘以及旋转齿轮后向外延伸；

第二驱动电机设置在底座的侧方，第二驱动电机的输出端安装第二齿轮，第二齿轮与旋转齿轮相啮合；

升降组件采用液压缸-活塞，实现二级平移组件和托盘组件的升降动作。其具体结构是：升降组件包括液压缸、撞块；所述底座中心位置设置有安装液压缸的空腔，所述旋转齿轮、上端齿盘、下端齿盘的中心位置均开设有中心通孔；撞块的一端固定在转接法兰上，另一端插装在转接法兰的中心通孔内；液压缸固定在所述空腔内，且液压缸的活塞杆依次穿过旋转齿轮、下端齿盘以及上端齿盘与所述撞块接触；

二级平移组件包括导轨架、第二直线导轨副、滚珠丝杠副以及第三驱动电机；

导轨架固定在转接法兰上，第二直线导轨副以及滚珠丝杠副固定在导轨架上，第三驱动电机驱动滚珠丝杠副，从而带动第二直线导轨副的滑块移动；

拾取组件包括夹具定位托盘以及叉盘；叉盘安装在第二直线导轨副的滑块上，叉盘上开设有U字形缺口，夹具定位托盘放置在叉盘上且位于U字形缺口上方。

进一步地，上述第一气氛调节系统包括惰性气体源、循环管道、排气管道、过滤器、风机、净化柱、压力传感器、水含量传感器以及氧含量传感器；

压力传感器、水含量传感器以及氧含量传感器安装在第一密封舱上；惰性气体源与第一密封舱连通；循环管道的两端均与第一密封舱连通，在循环管道上沿着气体的流向依次设置有过滤器、风机以及净化柱；排气管道一端与第一密封舱连接，另一端与外界环境连通；

所述第二气氛调节系统和第一气氛调节系统的结构相同。

其工作原理是：当需要的气氛环境为惰性气体环境时需两步：第一步，关闭循环管道的气体出/入口，打开排气管道，惰性气体源向第一密封舱或第二密封舱内注入惰性气体，直至压力传感器、水含量传感器以及氧含量传感器所显示数据达到初级惰性气体环境，关闭排气管道和惰性气体源；第二步，打开循环管道的气体出/入口，打开风机，密封舱内惰性气体环境开始循环，经过净化柱净化，直至压力传感器、水含量传感器以及氧含量传感器所显示数据达到完全惰性气体环境。

当需要的气氛环境为空气环境时：打开排气管道，外界空气与第一密封舱或第二密封舱内惰性气体对流扩散，直至压力传感器、水含量传感器以及氧含量传感器所显示数据达到所需的空气环境。

进一步地，上述增材单元包括数控加工中心、激光熔覆头、定位底盘以及定位锥；所述激光熔覆头安装在数控加工中心的滑枕上，定位底盘安装在数控加工中心的工作台上，定位锥安装在定位底盘上；激光熔覆头选用同轴送粉喷头或光内送粉喷头。

进一步地，上述减材单元包括数控加工中心、工件检测头、定位底盘以及定位锥；定位底盘安装在数控加工中心的工作台上，定位锥安装在定位底盘上；工件检测头用检测工件是否满足要求。

进一步地，上述暂存单元包括支撑架以及设置在支撑架上方的托盘组件，托盘组件包括定位底盘、定位锥以及夹具定位托盘；定位底盘固定安装在所述支撑架上，夹具定位托盘位于定位底盘上方且通过定位锥进行连接和定位。

进一步地，上述减材单元内设有排屑装置与冷却装置，所述增材单元内设有用于金属粉末回收的粉末回收装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型通过设置密封舱门将增材区、减材区以及工位切换区进行相互隔离，从而使得增材工艺和减材工艺完全独立工作，相互之间不受影响，避免减材切削液对增材惰性环境的影响，确保了工件的增材工艺质量稳定性。

2、本实用新型通过设置带有气氛调节系统和托盘式交换台的工位切换区，托盘式交换台实现了工件在各个区域之间的自动切换，同时，工位切换区的密封舱容积小于增材区的容积，对工位切换区采用气氛调节系统，不仅惰性气氛环境建立的时间更短，作业效率提高，而且提高了增材区工艺环境的稳定性。

3、本实用新型的增材单元、减材单元以及暂存单元上均设置有定位底盘和定位锥的结构，通过定位锥使得夹具定位托盘与各个工位的定位底盘进行定位，确保工件在各个区域内的工件坐标系一致。

4、本实用新型的托盘式交换台结构可以进行水平、垂直、旋转运动，并且采用叉盘结构对工件进行拾取，目的是为了提高设备的适应性，确保了针对体积较大、质量较大的工件施工时设备的可靠性。

5、本实用新型的托盘式交换台中的采用了上端齿盘和下端齿盘(两个端面齿轮)，确保了周向方向的定位准确性。

附图说明

图1为本实用新型增减材设备的整体原理框图；

图2为本实用新型增减材设备去掉第一密封舱、第二密封舱后的整体结构示意图；

图3为图2中增材单元的X向视图；

图4为图2中增材单元的Y向视图；

图5为图2中减材单元的V向视图；

图6为图2中减材单元的U向视图；

图7为托盘式交换台整体结构立体示意图；

图8为托盘式交换台俯视图；

图9为图8的侧视图；

图10为图8的A-A剖视图；

图11为托盘组件的等轴测视图；

图12为托盘组件的正视图；

图13为第一气氛调节系统和第二气氛调节系统的结构原理图。

附图标记如下：

01-增材区、011-第一密封舱、012第一气氛调节系统、02-工件切换区、021-第二密封舱、022-第二气氛调节系统、03-减材区、04-工件暂存区、05-密封舱门；

1-增材单元；101-Y轴床身；102-定位底盘；103-Z轴立柱；104-A轴分度头；105-Z轴滑枕；106-B/C轴转摆摇篮；107-激光熔覆头；

2-托盘式交换台；

21-一级平移组件、211-第一直线导轨副、212-第一齿条、213-第一齿轮、214-底座、215第一驱动电机；

22-旋转组件、221-推力轴承、222-旋转齿轮、223-上端齿盘、224-下端齿盘、225-转接法兰、226-导柱、227-第二驱动电机、228-第二齿轮；

23-升降组件、231-液压缸、232-撞块；

24-二级平移组件、241-导轨架、242-第二直线导轨副、243-滚珠丝杠幅、244-第三驱动电机；

25-拾取组件；251-夹具定位托盘、252-叉盘；

3-减材单元；

301-V轴床身；302-定位底盘；303-W轴立柱；304-W轴滑枕；305-电主轴；306-E/F轴转摆摇篮；

4-暂存单元；41-托盘组件；411-定位锥；

0011-惰性气体源、0012-循环管道、0013-排气管道、0014-过滤器、0015-风机、0016-净化柱、0017-压力传感器、0018-水含量传感器、0019-氧含量传感器。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的描述。

参见图1，一种增减材复合制造设备的基本框架主要包括增材区01、减材区03、工件切换区02以及工件暂存区04；

增材区01包括第一密封舱011、第一气氛调节系统012以及设置在第一密封舱内的用于对工件进行增材处理的增材单元1；

减材区03包括用于对工件进行减材处理的减材单元3；减材单元3位于空气环境中；

工件切换区02包括第二密封舱021、第二气氛调节系统022、设置在第三密封舱内的用于将工件在增材单元1和减材单元3之间相互传输的托盘式交换台2；

第一气氛调节系统用于保持第一密封舱011内的气氛环境始终处于惰性气体保护环境；第二气氛调节系统用于实现第二密封舱021内的气氛环境在惰性气体保护环境和空气环境两种状态下快速切换；

工件暂存区04包括至少一个暂存单元4；

第一密封舱011和第二密封舱021之间、第二密封舱021与减材区03之间以及第二密封舱021与工件暂存区04之间均设置有密封舱门05，用于实现各个区域之间的隔离。

其实际的工作过程是：

【1】布局规划：

根据但不限于如图1所示的各个区域的布放形式，必要时可增加其他区域备用，为保证构成复合制造设备的最小系统，系统清单至少需要包括增材区、减材区、工件切换区以及暂存区；

【2】检查：

按布局规划要求完成设备的布放，须根据上一步的系统清单核实各区域内零部件的完整性，检查并确保包括所有区域满足气密性的要求；

【3】工件加工；

【3.1】上料；

将待加工的工件放置在暂存单元4的托盘组件上；

【3.2】工件拾取；

打开第二密封舱021与工件暂存区04之间设置有密封舱门05，通过托盘式交换台2拾取待加工的工件从暂存单元4的托盘组件拾取至托盘式交换台2上，关闭第二密封舱021与工件暂存区04之间的密封舱门05；

【3.3】增材加工；

【3.3.1】打开第一密封舱011和第二密封舱021之间的密封舱门05，通过托盘式交换台2将待加工的工件转移至增材单元1工作台后，关闭第一密封舱011和第二密封舱021之间的密封舱门05；

【3.3.2】增材单元气氛调节；；

第一气氛调节系统工作，向第一密封舱011内充入惰性气体且净化循环，使得第一密封舱011内处于惰性气体环境；

【3.3.3】利用增材单元1对待加工的工件进行增材加工；

【3.4】工位切换区的一次气氛调节；

增材工艺结束，通过第二气氛调节系统调节第二密封舱021内的气体环境，使其与第一密封舱011中惰性气体环境相一致；

【3.5】工位切换

打开第一密封舱011和第二密封舱021之间的密封舱门05，通过托盘式交换台2将增材后的工件拾取至托盘式交换台2上，再次关闭第一密封舱011和第二密封舱021之间的密封舱门05；

【3.6】工位切换区的二次气氛调节；

通过第二气氛调节系统调节第二密封舱021内的环境，使其与空气环境相一致；

【3.7】减材工艺；

打开第二密封舱021与减材区03之间的密封舱门05，通过托盘式交换台2将托盘式交换台2上增材后的工件转移到减材单元3的工作台后，关闭第二密封舱021与减材区03之间的密封舱门，利用减材单元3对工件进行减材加工；

【3.8】检测工件是否满足要求，若工件的加工满足要求，则执行步骤【3.9】；

若工件的加工未满足要求，则重复执行步骤【3.7】直至工件满足要求后执行步骤【3.9】，或执行步骤【3.10】直至工件满足要求后执行步骤【3.9】；

【3.9】打开第二密封舱021与减材区03之间的密封舱门05，通过托盘式交换台2将减材单元3工作台上减材后的工件转移到暂存单元4的托盘组件上，加工完成；

【3.10】打开第二密封舱021与减材区03之间的密封舱门05，通过托盘式交换台2将减材单元3工作台上减材后的工件转移到托盘式交换台2上，关闭第二密封舱021与减材区03之间的密封舱门05；

通过第二气氛调节系统再次调节第二密封舱021内的气体环境，使其与第一密封舱011中惰性气体环境相一致；

打开第一密封舱011与第二密封舱021之间的密封舱门05，将减材后的工件转移到增材单元的工作台后，关闭打开第一密封舱011与第二密封舱021之间的密封舱门05，增材单元1对工件进行增材加工；

再执行步骤【3.4】至【3.7】直至工件满足要求后执行步骤【3.9】。

其中，上述基础方案中各个部件的具体结构如下：

增材单元1包括数控加工中心(数控加工中心一般采用摇篮加工中心，本实施例中选用六轴式摇篮加工中心)、激光熔覆头以及定位底盘，具体结构参见图2、图3和图4：Y轴床身101、Z轴立柱103、A轴分度头104、Z轴滑枕105、B/C轴转摆摇篮106、定位底盘102和激光熔覆头107(另外，增材单元1中设有金属粉末回收的粉末回收装置，激光熔覆头107选用同轴送粉喷头或光内送粉喷头。)；

其中，定位底盘102固定在B/C轴转摆摇篮106上，B/C轴转摆摇篮106安装在Y轴床身101的导轨上方，沿水平方向前后运动，X轴导轨安装在Z轴立柱103横梁上，Z轴滑枕可沿着X轴导轨，水平方向左右运动，A轴分度头104安装在Z轴滑枕105上，激光熔覆头107固定在A轴分度头104上(当数控加工中心为五轴式摇篮加工中心时，即就是没有安装A轴分度头104时，激光熔覆头就直接安装在Z轴滑枕105上)，激光送粉熔覆头107的轴线与A轴分度头104的轴线垂直，激光送粉熔覆头107可随A轴分度头绕A方向摆动实现分度；最终，X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴、C轴多轴联动进行增材堆积；

减材单元3包括数控加工中心(数控加工中心一般采用摇篮加工中心，本实施例中选用五轴式摇篮加工中心，其上设有排屑装置、冷却装置和刀库)、定位底盘以及安装在刀库内的工件检测头，工件检测头和刀具可自动切换；具体结构参见图2、图5和图6：减材单元3包括V轴床身301、W轴立柱303、W轴滑枕304、电主轴305、E/F轴转摆摇篮306和定位底盘102；

其中，定位底盘102固定在E/F轴转摆摇篮306上，E/F轴转摆摇篮306安装在V轴床身301的导轨上方，沿水平方向前后运动，U轴导轨安装在W轴立柱303的横梁上，W轴滑枕304可沿着U轴导轨，水平方向左右运动，电主轴305安装在W轴滑枕304上，方向竖直向下；最终，U轴、V轴、W轴、E轴、F轴多轴联动是实现了毛坯体的精加工和修整；

托盘式交换台2主要包括一级平移组件21、旋转组件22、升降组件23、二级平移组件24以及拾取组件25；

一级平移组件21带动旋转组件22、二级平移组件23以及拾取组件25在所述增材单元1和所述减材单元3之间往复移动；

旋转组件22带动二级平移组件24和拾取组件25做旋转运动；

二级平移组件24带动拾取组件25在增材单元、暂存单元4、减材单元3三者之间往复移动；

其具体结构参见图7至图10，

一级平移组件采用齿轮-齿条啮合传动，结合滑块-导轨副，实现旋转组件、二级平移组件以及托盘组件的平移运动。其具体结构是：一级平移组件21包括第一直线导轨副211、第一齿条212、第一齿轮213、底座214以及第一驱动电机215；底座214安装在第一直线导轨副211的滑块上方，第一齿条212与第一直线导轨副211平行设置；底座214的侧方设置第一驱动电机215，第一驱动电机215的输出端上安装第一齿轮213，第一齿轮213与第一齿条212相啮合；

旋转组件采用齿轮-齿轮啮合传动，实现二级平移组件和托盘组件的旋转运动。其具体结构是：旋转组件22包括推力轴承221、旋转齿轮222、上端齿盘223、下端齿盘224、转接法兰225、导柱226、第二驱动电机227以及第二齿轮228；

推力轴承221固定在底座214上方，旋转齿轮222安装在推力轴承221上；在旋转齿轮222上方依次设置下端齿盘223、上端齿盘224以及转接法兰225；下端齿盘223、上端齿盘224相接触的表面沿圆周方向均匀布置有定位齿(实际上上端齿盘和下端齿盘均为端面齿轮，通过两个端面齿轮的配合，确保了周向定位的精度)；导柱226沿圆周方向均匀设置有多个，导柱226的一端固定在转接法兰225上，另一端依次穿过上端齿盘224、下端齿盘223以及旋转齿轮222后向外延伸；

第二驱动电机227设置在底座214的侧方，第二驱动电机227的输出端安装第二齿轮228，第二齿轮228与旋转齿轮222相啮合；

升降组件采用液压缸-活塞，实现二级平移组件和托盘组件的升降动作。其具体结构是：升降组件23包括液压缸231、撞块232；底座214中心位置设置有安装液压缸231的空腔，旋转齿轮222、上端齿盘223、下端齿盘224以及转接法兰225的中心位置均开设有中心通孔；撞块232的一端固定在转接法兰225上，另一端插装在转接法兰225的中心通孔内；液压缸231固定在所述空腔内，且液压缸231的活塞杆依次穿过旋转齿轮222、下端齿盘223以及上端齿盘224与所述撞块232接触；

二级平移组件24包括导轨架241、第二直线导轨副242、滚珠丝杠幅243以及第三驱动电机244；

导轨架241固定在转接法兰225上，第二直线导轨副242以及滚珠丝杠幅243固定在导轨架241上，第三驱动电机244驱动滚珠丝杠幅243，滚珠丝杠幅243，带动第二直线导轨副242的滑块移动；

拾取组件25包括夹具定位托盘251以及叉盘252；叉盘252安装在第二直线导轨副242的滑块上，叉盘252上开设有U字形缺口，夹具定位托盘254放置在叉盘252上且位于U字形缺口上方。

该托盘式交换平台整体的运动过程是：

1.拾取工件。首先，第一驱动电机215带动底座214在第一直线导轨副211上移动(即带动旋转组件、升降组件、二级平移组件以及拾取组件沿图2中的X方向移动)，其次第二驱动电机227带动旋转齿轮222、下端齿盘224、上端齿盘223、转接法兰225周向旋转(即带动升降组件、二级平移组件以及拾取组件周向旋转)，与需要作业的区域对齐，再次第三驱动电机244驱动滚珠丝杠幅243带动叉盘在第二直线导轨副242上移动(即带动拾取组件沿图2中X向或Y向移动)，最后液压缸的活塞杆向上移动，在撞块的带动下将上端齿盘、转接法兰向上顶起(即带动二级平移组件以及拾取组件沿图2中Z向移动)，上端齿盘与下端齿盘分离。

2.放置工件。首先，第一驱动电机215带动底座214在第一直线导轨副211上移动(即带动旋转组件、升降组件、二级平移组件、拾取组件以及工件沿图2中的X方向移动)，其次第二驱动电机227带动旋转齿轮222、下端齿盘223、上端齿盘224、转接法兰225周向旋转(即带动升降组件、二级平移组件拾取组件以及工件周向旋转)，与需要作业的区域对齐，再次第三驱动电机244驱动滚珠丝杠幅243带动叉盘在第二直线导轨副242上移动(即带动拾取组件及工件沿图2中X向或Y向移动)，最后液压缸231的活塞杆向下移动，上端齿盘224、转接法兰225向下回落(即带动二级平移组件、拾取组件以及工件沿图2中Z向移动)，定位底盘上的定位锥与工件下方的夹具定位托盘接触，完成定位。

需要强调的一点是：托盘式交换台也可以用关节机器人的结构进行替换，从而完成工件拾取和放置工作。

参见图11和图12，托盘组件41包括夹具定位托盘251、定位底盘102以及定位锥411；夹具定位托盘251上方安装待加工工件，在夹具定位托盘251与定位底盘102接触后，在重力作用下沿定位锥滑动，完成定位。

参见图13，第一气氛调节系统011和第二气氛调节系统012结构相同，均包括惰性气体源0011、循环管道0012、排气管道0013、过滤器0014、风机0015、净化柱0016、压力传感器0017、水含量传感器0018以及氧含量传感器0019；

压力传感器0017、水含量传感器0018以及氧含量传感器0019安装在第一密封舱011或第二密封舱021上；惰性气体源0011与第一密封舱011或第二密封舱021连通；循环管道0012的两端均与第一密封舱011或第二密封舱021连通，在循环管道0012上沿着气体的流向依次设置有过滤器0014、风机0015以及净化柱0016；排气管道0013一端与第一密封舱011或第二密封舱021连接，另一端与外界环境连通。

本实用新型具有相互气密分隔并易于切换的多个工位，实现了不同加工方式的物理隔离，工件的气氛保护相互独立，各加工方式的工艺条件分别得到了保证。

本实用新型的增材区的气氛保护在正常使用中维持恒定状态或按照需要的范围进行调整，避免了现有技术在气氛保护反复遭受破坏时带来的时间和材料的浪费问题，提升了工件的加工效率，设备与材料的利用率提高。

本实用新型的增材单元和减材单元的组合方式可实现增材、减材的一体化应用，实现了两种加工方式的并行工作，加工工件的时间、空间利用率大大提升。

本实用新型未进行限定和说明的装置或操作方法均为本领域的公知常识。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。