一种用于增减材的复合加工机床

1.本发明属于加工制造机床领域，具体涉及一种用于增减材的复合加工机床。


背景技术：

2.电弧熔丝增材制造技术非常适用于大型、复杂金属构件的一体化制造以及零件缺陷修复工作。尤其在远洋等封闭环境下，备件的一体化制造和零件的缺陷修复能够直接支撑舰船的航行安全和任务执行能力。这种环境也对支撑电弧熔丝工艺的设备母机提出了“增减材一体化、大工作空间、小占地面积、高抗震性”的要求。现阶段对于增减材一体化的方案主要有以下几种：
3.采用机器人的方案：采用一个通用的六轴工业机械臂搭载焊枪和电主轴来执行增减材制造任务，缺点在于机械臂精度低、刚度差、抗震性能一般；还有采用机床的方案：一般通过改造五轴加工机床得到，缺点在于可加工空间较小，若想使用此种方案加工大型零件(尺寸大于1.5m)，则机床自身占地面积往往需要超过3m，高度超过2m，无法达到实际舰船装载需求；并且由于机床加工安装，在不同方位进行加工调整过程中，加工效率低，需要重复定位再加工，从而降低了加工精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于增减材的复合加工机床，以克服现有增减材设备占用空间大，在有限空间内加工过程中加工效率低，加工精度、刚度低的问题。
5.一种用于增减材的复合加工机床，包括竖向机械臂支撑梁，竖向机械臂支撑梁上设置有能够在竖向机械臂支撑梁上上下移动的机械臂，机械臂的端部设置有夹持部，夹持部上可拆卸安装有减材末端执行器或增材末端执行器，竖向机械臂支撑梁的一侧设置有加工件安装转台，加工件安装转台上端安装有用于放置待加工工件的增减材基板，机械臂上安装的减材末端执行器或增材末端执行器能够作用于增减材基板上的待加工工件上。
6.优选的，机械臂通过滑台可滑动设置于竖向机械臂支撑梁上，机械臂固定于滑台上；竖向机械臂支撑梁一侧设置有导向柱，滑台的一侧设置有导向槽，滑台的导向槽与竖向机械臂支撑梁一侧的导向柱配合，竖向机械臂支撑梁上固定有传动丝杠，滑台一侧设置有与传动丝杠啮合的螺纹孔，传动丝杠的一端连接驱动装置。
7.优选的，包括两个平行设置的竖向机械臂支撑梁，其中一个竖向机械臂支撑梁的机械臂上安装减材末端执行器，另一个竖向机械臂支撑梁的机械臂上安装增材末端执行器，加工件安装转台设置于两个竖向机械臂支撑梁之间。
8.优选的，两个平行设置的竖向机械臂支撑梁上端设置有机械臂支撑横梁，机械臂支撑横梁的两端分别与两个竖向机械臂支撑梁的上端固定连接。
9.优选的，机械臂支撑横梁的两端设置卡槽，竖向机械臂支撑梁的上端设置有用于与机械臂支撑横梁端部卡槽卡接的卡接部，机械臂支撑横梁两端的卡槽和竖向机械臂支撑梁上的卡接部可通过设置定位销孔，利用定位销对机械臂支撑横梁和竖向机械臂支撑梁进
行定位固定。
10.优选的，加工件安装转台安装于底部支座上，底部支座的两端分别与两个竖向机械臂支撑梁的下端固定连接。
11.优选的，底部支座的两端设置有插接口，竖向机械臂支撑梁的下端插接于底部支座端部的插接口内，通过紧固螺栓进行紧固。
12.优选的，底部支座的中部为空腔结构，底部支座中部的空腔结构内设置有用于驱动加工件安装转台转动的驱动装置。
13.优选的，驱动电机采用伺服电机。
14.优选的，底部支座中部的空腔结构内设置有转轴支座，加工件安装转台的下端设置有转动轴，转动轴的端部设置于转轴支座中，转动轴与转轴支座之间设置有转动轴承，转动轴上固定有蜗轮，驱动电机的输出轴上固定有与转动轴上的蜗轮啮合的蜗杆。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
16.本发明提供了一种用于增减材的复合加工机床，包括竖向机械臂支撑梁，竖向机械臂支撑梁上设置有能够在竖向机械臂支撑梁上上下移动的机械臂，机械臂的端部设置有夹持部，夹持部上可拆卸安装有增材末端执行器或减材末端执行器，增材末端执行器或减材末端执行器能够在竖向机械臂支撑梁的控制下，在竖向机械臂支撑梁的控制区域内进行移动并进行增材或减材操作，利用固定于机械臂上的增材末端执行器在安装增减材基板上任意点进行打印形成增材初步零件制备，本技术采用单机械臂配合加工件安装转台结构，能够在加工件安装转台上方的加工空间内实现任意位置零件的全姿态加工，避免了机床直线移动单元占用空间大的问题。此外，采用机械臂和加工件安装转台相配合的方式，能够减少机械臂的串联关节数，从而提高机械臂的精度和刚度。利用增减材末端执行器的可更换性，避免零件重定位导致的精度降低的问题。
17.优选的，利用机械臂支撑横梁对两个竖向机械臂支撑梁进行横向的支撑，以提高整体复合加工机床的稳定性。
18.机械臂支撑横梁两端的卡槽和竖向机械臂支撑梁上的卡接部可通过设置定位销孔，利用定位销对机械臂支撑横梁和竖向机械臂支撑梁进行定位固定，采用定位销进行定位安装，方便简单，拆卸维修方便。
19.利用驱动电机上的蜗杆与转动轴上的蜗轮啮合驱动，能够实现加工件安装转台转动角度的精准控制，同时能够避免加工件安装转台因工件加工过程中受力而产生的转动，确保了加工过程的精准度。
附图说明
20.图1为本发明实施例中用于增减材的复合加工机床主体结构示意图。
21.图2为本发明实施例中用于增减材的复合加工机床双竖向机械臂支撑梁安装结构示意图。
22.图中，1、底部支座；2、竖向机械臂支撑梁；3、机械臂支撑横梁；4、机械臂；5、减材末端执行器；7、增材末端执行器；8、加工件安装转台；6.1、传动丝杠；6.2、滑台；6.3、第一机械臂；6.4、第二机械臂；6.5、第三机械臂。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
24.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
25.如图1所示，本发明提供一种用于增减材的复合加工机床，包括竖向机械臂支撑梁2，竖向机械臂支撑梁2上设置有能够在竖向机械臂支撑梁2上上下移动的机械臂4，机械臂4的端部设置有夹持部，夹持部上可拆卸安装有减材末端执行器或增材末端执行器，减材末端执行器或增材末端执行器能够在竖向机械臂支撑梁2的控制下，在竖向机械臂支撑梁2的控制区域内进行移动并进行增材或减材操作，在竖向机械臂支撑梁2的一侧设置有加工件安装转台8，加工件安装转台8上端安装有增减材基板，增减材基板上用于放置待加工工件。加工件安装转台8上用于放置待加工工件的区域为竖向机械臂支撑梁2的控制区域。安装增减材基板固定于加工件安装转台8上，能够随加工件安装转台8转动，加工件安装转台8位于竖向机械臂支撑梁2的一侧，固定于机械臂4上的增材末端执行器在安装增减材基板上任意点进行打印形成增材初步零件制备，然后在机械臂4上更换减材末端执行器，对增材成型的初步零件进行减材加工，使其达到加工精度，本技术采用单机械臂配合加工件安装转台8结构，能够在加工件安装转台8上方的加工空间内实现任意位置零件的加工，从而能够确保零件加工的精度，并且避免了机床加工夹持占用空间大的问题，而且采用机械臂4和加工件安装转台8，能够减少机械臂4空间转动方位的自由度，从而确保机械臂4的精度，利用加工件安装转台8代替机械臂4的一个转动自由度，避免零件重定位加工导致的精度降低的问题。
26.如图1所示，在本发明的一个实施例中，采用一个竖向机械臂支撑梁2结构，利用机械臂4的端部设置的夹持部可更换的夹持减材末端执行器或增材末端执行器，能够大大减小加工的空间占地，特别是在舰船装载空间有限的情况下，能够实现增减材的加工，实用性强，同时配合加工件安装转台8与机械臂4实现多空间自由度的加工，不需要多次装夹即可完成增减材的加工成型，能够确保加工的精度。
27.在本发明另一个实施例中，采用双机械臂结构进行增减材的加工，大大提高加工的效率以及设备的整体刚度，具体的：通过设置两个平行设置的竖向机械臂支撑梁2，其中一个竖向机械臂支撑梁2的机械臂4上安装减材末端执行器5，另一个竖向机械臂支撑梁2的机械臂4上安装增材末端执行器7，两个竖向机械臂支撑梁2安装的机械臂4上的减材末端执行器5和增材末端执行器7相向设置，加工件安装转台8设置于两个竖向机械臂支撑梁2之间，两个竖向机械臂支撑梁2上的减材末端执行器5和增材末端执行器7均能够在加工件安
装转台8上方的工件加工空间内加工处理；工件加工空间是指加工件安装转台8上可放置最大加工零件的空间。
28.实施例
29.双机械臂结构进行增减材的加工，在两个平行设置的竖向机械臂支撑梁2上端设置有机械臂支撑横梁3，机械臂支撑横梁3的两端分别与两个竖向机械臂支撑梁2的上端固定连接，利用机械臂支撑横梁3对两个竖向机械臂支撑梁2进行横向的支撑，以提高整体复合加工机床的稳定性。
30.机械臂支撑横梁3采用镂空结构，既能达到高强度的要求，又能减轻整体设备的重量，机械臂支撑横梁3的两端设置卡槽，竖向机械臂支撑梁2的上端设置有用于与机械臂支撑横梁3端部卡槽卡接的卡接部，机械臂支撑横梁3两端的卡槽和竖向机械臂支撑梁2上的卡接部可通过设置定位销孔，利用定位销对机械臂支撑横梁3和竖向机械臂支撑梁2进行定位固定，采用定位销进行定位安装，方便简单，拆卸维修方便。并且不需要大型的拆卸设备介入，降低了设别维护成本以及难度，可大大降低工作人员的劳动强度。
31.加工件安装转台8安装于底部支座1上，底部支座1的两端分别与两个竖向机械臂支撑梁2的下端固定连接，配合两个竖向机械臂支撑梁2的上端连接的机械臂支撑横梁3，形成一个矩形框架结构，大大提高了整体设备的稳定性。
32.底部支座1的两端设置有插接口，竖向机械臂支撑梁2的下端插接于底部支座1端部的插接口内，通过紧固螺栓进行紧固，便于维护拆卸。底部支座1的中部为空腔结构，底部支座1中部的空腔结构内设置驱动装置，用于驱动加工件安装转台8转动；底部支座1中部的空腔结构内设置的驱动装置可采用驱动电机直接驱动加工件安装转台8转动，驱动电机采用伺服电机，能够控制加工件安装转台8的正向转动和反向转动。
33.为了提高加工件安装转台8的转动稳定性以及避免加工过程中加工件安装转台8受加工力的作用转动，确保加工件安装转台8在工件加工过程中的稳定性，底部支座1中部的空腔结构内设置有转轴支座，加工件安装转台8的下端设置有转动轴，转动轴的端部设置于转轴支座中，转动轴与转轴支座之间设置有转动轴承，以减小加工件安装转台8与底部支座1之间的摩擦力；转动轴上固定有蜗轮，驱动电机固定于加工件安装转台8的空腔结构内，驱动电机的输出轴上固定有与转动轴上的蜗轮啮合的蜗杆，利用驱动电机上的蜗杆与转动轴上的蜗轮啮合驱动，能够实现加工件安装转台8转动角度的精准控制，同时能够避免加工件安装转台8因工件加工过程中受力而产生的转动，确保了加工过程的精准度。
34.同时，为了确保加工件安装转台8在底部支座1上整体转动平稳，在底部支座1上设置有一圈转动滚珠，加工件安装转台8的底部与底部支座1上的转动滚珠接触。
35.如图1所示，在本技术中，机械臂4通过滑台6.2可滑动设置于竖向机械臂支撑梁2上，机械臂4通过滑台6.2在竖向机械臂支撑梁2上能够上下移动，机械臂4固定于滑台6.2上；竖向机械臂支撑梁2一侧设置有导向柱，滑台6.2的一侧设置有导向槽，滑台6.2的导向槽与竖向机械臂支撑梁2一侧的导向柱配合，竖向机械臂支撑梁2一侧的导向柱对滑台6.2起到导向的作用，能够使滑台6.2沿竖向机械臂支撑梁2竖直滑动；竖向机械臂支撑梁2上固定有传动丝杠6.1，滑台6.2一侧设置有与传动丝杠6.1啮合的螺纹孔，利用传动丝杠6.1带动滑台6.2滑动，传动平稳，并且能够防止滑台6.2在自身重力作用下下滑。传动丝杠6.1的一端连接驱动装置，驱动装置采用驱动电机，驱动电机能够实现正反转，从而确保滑台6.2
能够上下移动。
36.竖向机械臂支撑梁2上设置双导向柱结构，进一步提高滑台6.2带动机械臂4上下滑动的平稳性。
37.在本技术的一个实施例中，底部支座1两端为镂空结构，以减轻整体设备的质量。
38.如图2所示，在本技术的一个实施例中，机械臂4上安装的增材末端执行器7采用电弧熔丝焊枪5，利用电弧熔丝焊枪5在加工件安装转台8上进行工件的增材制造加工；机械臂4采用三轴机械臂，如图1所示，机械臂4包括依次连接的第一机械臂6.3、第二机械臂6.4和第三机械臂6.5，第一机械臂6.3通过机械臂座固定于高滑台6.2上，第三机械臂6.5的端部设置夹持部，用于夹持固定减材末端执行器或增材末端执行器；本技术采用采用三轴机械臂，结构简单，占用空间小，同时配合。
39.安装有电弧熔丝焊枪5的机械臂4的三轴机械臂设置三个旋转关节，同时配合机械臂4在竖向机械臂支撑梁2上的滑动，以及加工件安装转台8的转动，可实现五个方位上的插补，使得电弧熔丝焊枪5可在转台上空的任意点以任意的焊枪轴线方向进行打印，从而在基板上打印出工件毛坯的一部分。
40.同理，机械臂4上安装的减材末端执行器采用高速电主轴7，高速电主轴7上设置有铣刀，安装有高速电主轴7的机械臂4的三轴机械臂设置三个旋转关节，同时配合机械臂4在竖向机械臂支撑梁2上的滑动，以及加工件安装转台8的转动，可实现五个方位上的插补，使得高速电主轴7可在加工件安装转台8上空的任意点以任意的刀具轴线方向进行铣削加工，从而对打印部分进行加工，使其满足精度和表面粗糙度要求。随后，不断重复以上两个步骤，直至工件最终加工成型。
41.在本技术一个实施例中，可以针对已成型零件基础上进行减材加工。本技术采用单机械臂配合加工件安装转台结构，能够在加工件安装转台上方的加工空间内实现任意位置零件的全姿态加工，避免了机床直线移动单元占用空间大的问题。此外，采用机械臂和加工件安装转台相配合的方式，能够减少机械臂的串联关节数，从而提高机械臂的精度和刚度。利用增减材末端执行器的可更换性，避免零件重定位导致的精度降低的问题。

技术特征：
1.一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，包括竖向机械臂支撑梁(2)，竖向机械臂支撑梁(2)上设置有能够在竖向机械臂支撑梁(2)上上下移动的机械臂(4)，机械臂(4)的端部设置有夹持部，夹持部上可拆卸安装有减材末端执行器或增材末端执行器，竖向机械臂支撑梁(2)的一侧设置有加工件安装转台(8)，加工件安装转台(8)上端安装有用于放置待加工工件的增减材基板，机械臂(4)上安装的减材末端执行器或增材末端执行器能够作用于增减材基板上的待加工工件上。2.根据权利要求1所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，机械臂(4)通过滑台(6.2)可滑动设置于竖向机械臂支撑梁(2)上，机械臂(4)固定于滑台(6.2)上；竖向机械臂支撑梁(2)一侧设置有导向柱，滑台(6.2)的一侧设置有导向槽，滑台(6.2)的导向槽与竖向机械臂支撑梁(2)一侧的导向柱配合，竖向机械臂支撑梁(2)上固定有传动丝杠(6.1)，滑台(6.2)一侧设置有与传动丝杠(6.1)啮合的螺纹孔，传动丝杠(6.1)的一端连接驱动装置。3.根据权利要求1所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，包括两个平行设置的竖向机械臂支撑梁(2)，其中一个竖向机械臂支撑梁(2)的机械臂(4)上安装减材末端执行器(5)，另一个竖向机械臂支撑梁(2)的机械臂(4)上安装增材末端执行器(7)，加工件安装转台(8)设置于两个竖向机械臂支撑梁(2)之间。4.根据权利要求3所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，两个平行设置的竖向机械臂支撑梁(2)上端设置有机械臂支撑横梁(3)，机械臂支撑横梁(3)的两端分别与两个竖向机械臂支撑梁(2)的上端固定连接。5.根据权利要求4所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，机械臂支撑横梁(3)的两端设置卡槽，竖向机械臂支撑梁(2)的上端设置有用于与机械臂支撑横梁(3)端部卡槽卡接的卡接部，机械臂支撑横梁(3)两端的卡槽和竖向机械臂支撑梁(2)上的卡接部可通过设置定位销孔，利用定位销对机械臂支撑横梁(3)和竖向机械臂支撑梁(2)进行定位固定。6.根据权利要求3所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，加工件安装转台(8)安装于底部支座(1)上，底部支座(1)的两端分别与两个竖向机械臂支撑梁(2)的下端固定连接。7.根据权利要求6所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，底部支座(1)的两端设置有插接口，竖向机械臂支撑梁(2)的下端插接于底部支座(1)端部的插接口内，通过紧固螺栓进行紧固。8.根据权利要求6所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，底部支座(1)的中部为空腔结构，底部支座(1)中部的空腔结构内设置有用于驱动加工件安装转台(8)转动的驱动装置。9.根据权利要求8所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，驱动电机采用伺服电机。10.根据权利要求9所述的一种用于增减材的复合加工机床，其特征在于，底部支座(1)中部的空腔结构内设置有转轴支座，加工件安装转台(8)的下端设置有转动轴，转动轴的端部设置于转轴支座中，转动轴与转轴支座之间设置有转动轴承，转动轴上固定有蜗轮，驱动电机的输出轴上固定有与转动轴上的蜗轮啮合的蜗杆。

技术总结
本发明公开了一种用于增减材的复合加工机床，属于加工制造机床领域。通过在竖向机械臂支撑梁上设置有能够在竖向机械臂支撑梁上上下移动的机械臂，机械臂上可拆卸安装有增材末端执行器或减材末端执行器，能够在安装增减材基板上任意点进行打印形成增材初步零件制备，或在已成型零件基础上进行减材加工。本申请采用单机械臂配合加工件安装转台结构，能够在加工件安装转台上方的加工空间内实现任意位置零件的全姿态加工，避免了机床直线移动单元占用空间大的问题。此外，采用机械臂和加工件安装转台相配合的方式，能够减少机械臂的串联关节数，从而提高机械臂的精度和刚度。利用增减材末端执行器的可更换性，避免零件重定位导致的精度降低的问题。导致的精度降低的问题。导致的精度降低的问题。


技术研发人员：方学伟 王传彬 陈瑞凯 黎凯 卢秉恒
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/14