本發(fā)明涉及增減材復(fù)合制造設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及多個(gè)電弧增材或激光熔化沉積增材和龍門銑復(fù)合制造大幅面復(fù)雜零部件設(shè)備。

背景技術(shù)：

電弧增材制造是利用電弧熱源將金屬絲材融化，并按照離散材料逐層堆積的原理來成型金屬零件。激光熔化沉積增材制造是應(yīng)用高功率激光束將金屬粉末熔化，也是按照離散材料逐層堆積的原理來成型金屬零件。

與傳統(tǒng)制造相比，增材制造技術(shù)是以材料逐點(diǎn)逐線逐面增加方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的堆積成形的工藝過程。與其它金屬增材制造相比，電弧增材制造技術(shù)設(shè)備成本低、成型效率高、材料利用率高、環(huán)境要求低，成型零件致密度高、冶金綜合性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

但是，電弧增材制造是以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方式進(jìn)行的，在成型過程中有液態(tài)熔池的存在，使得零件的邊緣形態(tài)和整體尺寸的控制比較困難，從而導(dǎo)致成形零件的尺寸精度和表面質(zhì)量較差。

另一方面，基于自動(dòng)送粉激光熔化沉積增材制造技術(shù)近年來發(fā)展也十分迅速。但是，該技術(shù)與電弧增材制造技術(shù)存在類似的問題，就是尺寸精度偏低。如何進(jìn)一步提高精度，也成為決定該技術(shù)能否大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

當(dāng)前，為解決以上問題，專利CN104384936、CN105414981、CN105290789等將電弧增材制造設(shè)備的末端集成到數(shù)控銑削主軸上去，以實(shí)現(xiàn)增減材的交替制造，能部分解決零部件的二次加工裝夾困難。但是，存在定位不準(zhǔn)確，成形零部件的尺寸精度和表面質(zhì)量較差。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部分零部件，刀具很難加工到位。德國DMG公司將激光熔化沉積技術(shù)與五軸數(shù)控銑床相結(jié)合，可以大幅度提高激光增材制造的精度，成果顯著。但是，所能夠適應(yīng)的金屬零部件尺寸相對(duì)較小。另外，專利(CN105574254)提出了一種用單臺(tái)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)增減材復(fù)合制造的方法，有效擴(kuò)展了成形零部件的尺寸大小，但是成形效率仍然偏低。

特別是對(duì)于大幅面復(fù)雜零部件的精加工，上述的增減材設(shè)備操作復(fù)雜，增材制造和銑削加工只能分開進(jìn)行，加工效率較低。同時(shí)，對(duì)增材制造設(shè)備的制造空間和自由度有很大的限制，另外由于受限于機(jī)器人本身的剛度不足，機(jī)器人的銑削精度和效率較低。所以，上述的增減材設(shè)備和方法很難滿足制造大幅面復(fù)雜零部件尺寸和復(fù)雜度的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備，旨在解決現(xiàn)有增材制造技術(shù)加工的零件尺寸精度和表面質(zhì)量差，以及大幅面復(fù)雜零部件的精加工難以進(jìn)行的問題。所適合的熱源既可以是電弧熔絲成形，也可以是基于自動(dòng)送粉的激光熔化成形。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種增減材復(fù)合制造設(shè)備，其特征在于，包它括床身，所述床身上安裝有多個(gè)用于增材制造的六自由度倒掛機(jī)器人和多軸聯(lián)動(dòng)龍門銑床；所述多個(gè)倒掛機(jī)器人分布在所述多軸聯(lián)動(dòng)龍門銑床的銑削頭周圍；多個(gè)所述倒掛機(jī)器人上設(shè)有增材設(shè)備；多個(gè)所述增材設(shè)備在工作平臺(tái)上進(jìn)行分區(qū)域協(xié)同增材制造；所述龍門銑床的銑削頭對(duì)單層或多層的毛坯體進(jìn)行精加工和修整，兩者交互或同時(shí)進(jìn)行直至完成整個(gè)零部件的生產(chǎn)制造；所述的多個(gè)倒掛機(jī)器人由共同的機(jī)器人控制器進(jìn)行協(xié)同控制，所述的機(jī)器人控制器和所述的增材設(shè)備中的控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)增材制造的自動(dòng)化，所述的機(jī)器人控制器和五軸聯(lián)動(dòng)龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，二者進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，根據(jù)所使用的熱源不同，增材設(shè)備可分為電弧增材制造設(shè)備和激光熔化沉積增材制造設(shè)備。

所述電弧增材設(shè)備包括焊機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)、焊槍和焊機(jī)控制器，所述焊槍安裝在多個(gè)所述倒掛機(jī)器人的末端法蘭盤上，送絲機(jī)構(gòu)用于為焊機(jī)提供焊料，自帶或外配的保護(hù)氣為焊接區(qū)域提供保護(hù)氣氛，焊機(jī)控制器用于進(jìn)行電弧增材制造工藝參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)保護(hù)氣的開關(guān)進(jìn)行控制，對(duì)焊機(jī)和送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

所述激光熔化沉積增材設(shè)備包括激光器、激光器控制器、同軸送粉噴嘴和送粉器，所述同軸送粉噴嘴安裝在多個(gè)所述倒掛機(jī)器人的末端法蘭盤上；送粉器用于為增材設(shè)備提供金屬粉末，自帶或外配的保護(hù)氣為熔化區(qū)域提供保護(hù)氣氛，激光器控制器用于進(jìn)行激光器參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)對(duì)保護(hù)氣的開關(guān)進(jìn)行控制。

進(jìn)一步地，所述的多個(gè)倒掛機(jī)器人由共同的控制器進(jìn)行協(xié)同控制，多個(gè)機(jī)器人可以根據(jù)零件不同的特征進(jìn)行分工，根據(jù)工作任務(wù)和特征的復(fù)雜程度，合理規(guī)劃各個(gè)機(jī)器人的成形軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作的最大效率；所述的機(jī)器人控制器和所述的焊機(jī)控制器(激光器控制器)進(jìn)行通信，共同實(shí)現(xiàn)增材制造，每個(gè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)的焊機(jī)控制器(激光器控制器)根據(jù)所分配的零件特征段進(jìn)行設(shè)定各自的工藝參數(shù)和材料，可滿足不同工藝參數(shù)同時(shí)工作，不同材料的同時(shí)復(fù)合成形，實(shí)現(xiàn)增材制造的靈活化制造；所述的機(jī)器人控制器和龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，二者根據(jù)已成形毛坯的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合制造設(shè)備的高效率、高精度工作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備，利用多個(gè)增材制造倒掛機(jī)器人分區(qū)域逐層協(xié)同制造后，利用龍門銑床的銑削頭對(duì)多個(gè)單層或多層毛坯體進(jìn)行銑削加工，循環(huán)重復(fù)直至零部件加工完畢，該增減材復(fù)合制造設(shè)備將傳統(tǒng)的以銑削為主的去除式精密加工與以增材制造為主的增量制造工藝集成為一體，既能克服單純的增材制造技術(shù)在尺寸精度和表面質(zhì)量等方面的缺陷，也可以克服銑削加工對(duì)零部件復(fù)雜程度等方面的制約，這樣，則不需要對(duì)加工后的零件進(jìn)行二次加工，避免后期加工裝夾困難、加工誤差大、加工時(shí)零件出現(xiàn)變形以及難以加工的問題，為增材制造技術(shù)的應(yīng)用帶來了更加廣闊的應(yīng)用空間，為航空航天產(chǎn)業(yè)核心精密零部件的生產(chǎn)制造提供新的方法和手段；且針對(duì)超大幅面的零件，則可以充分利用多個(gè)增材制造設(shè)備進(jìn)行分區(qū)域協(xié)同加工，再利用龍門銑床對(duì)形成的多個(gè)單層或多層毛坯體進(jìn)行精加工等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意結(jié)構(gòu)零部件的高精度、高效率成型。

與現(xiàn)有的增減材復(fù)合制造設(shè)備相比，本發(fā)明提供的一種大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備，對(duì)于大幅面或超大幅面的復(fù)雜零部件的制造，所述的增材設(shè)備可以更靈活地和龍門銑床進(jìn)行協(xié)同配合或獨(dú)立工作，設(shè)備控制操作方便；同時(shí)，可根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)，增材制造設(shè)備可以分區(qū)域同時(shí)進(jìn)行加工，極大的提高了加工效率；多個(gè)所述的倒掛機(jī)器人也能充分發(fā)揮增材制造設(shè)備的靈活性和可擴(kuò)展性，滿足大幅面尤其是超大幅面的復(fù)雜零部件尺寸和復(fù)雜度的制造要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備單柱三梁雙機(jī)器人結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備的電弧增材制造組的組成示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備三柱三梁雙機(jī)器人結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備三柱三梁四機(jī)器人結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備單柱三梁四機(jī)器人結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備帶成形腔室結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的電弧增材制造設(shè)備單柱單梁雙機(jī)器人結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的電弧增材制造設(shè)備單柱雙梁雙機(jī)器人結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的電弧增材制造設(shè)備單柱三梁四機(jī)器人結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例中大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備的激光熔化沉積增材制造組的組成示意圖；

圖中，1-工作平臺(tái)、2-床身、3-銑削頭、4-電弧增材制造組、5-機(jī)器人控制器、6-焊機(jī)、7-焊機(jī)控制器、8-送絲機(jī)構(gòu)、9-保護(hù)氣、10-倒掛機(jī)器人、11-焊槍、12-成形腔室、13-激光器、14-激光器控制器、15-同軸送粉噴嘴、16-送粉器

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1、圖2、圖3所示，為本發(fā)明提供了一種較佳的實(shí)施例一。

本實(shí)施例提供的增減材復(fù)合制造設(shè)備，復(fù)合了電弧增材制造及龍門銑削加工，其可以用于成型各種零件，如航空航天制造工業(yè)所需的零件等。

大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備包括一個(gè)床身2，床身上安裝有多個(gè)用于電弧增材制造的六自由度倒掛機(jī)器人10和五軸聯(lián)動(dòng)龍門銑床，多個(gè)倒掛機(jī)器人10分布在龍門銑床的銑削頭3周圍；倒掛機(jī)器人10上設(shè)有焊槍11；焊槍11在工作平臺(tái)上進(jìn)行單層或多層電弧增材制造。龍門銑床銑削頭3對(duì)已完成的單層或多層毛坯體進(jìn)行精加工和修整，工作平臺(tái)1完成毛坯體兩個(gè)區(qū)域的來回運(yùn)動(dòng)以及自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

電弧增材設(shè)備是現(xiàn)有技術(shù)，包括焊機(jī)、焊機(jī)控制器、送絲機(jī)構(gòu)、保護(hù)氣、焊槍，所述焊槍安裝在多個(gè)所述倒掛機(jī)器人的末端法蘭盤上；焊機(jī)控制器進(jìn)行電弧增材制造工藝參數(shù)的設(shè)定，如送絲速度、弧長修正、脈沖修正、焊接模式的選擇等，同時(shí)對(duì)保護(hù)氣的開關(guān)進(jìn)行控制，對(duì)焊機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

倒掛機(jī)器人10的數(shù)量依據(jù)設(shè)備所要加工的范圍和倒掛機(jī)器人10的臂長來確定，倒掛機(jī)器人10以銑削頭為中心，按兩邊對(duì)稱分布或根據(jù)工件要求非對(duì)稱分布來確定安裝位置，四個(gè)機(jī)器人的安裝結(jié)構(gòu)還要考慮支撐梁結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生干涉，其分布位置是兩個(gè)機(jī)器人和銑削頭位于同一個(gè)梁上，另兩個(gè)機(jī)器人分別位于另外兩個(gè)梁上，如圖4、圖5所示。

機(jī)器人控制器9進(jìn)行協(xié)同控制兩個(gè)倒掛機(jī)器人10，兩個(gè)機(jī)器人根據(jù)零件不同的特征進(jìn)行分工，根據(jù)所分配的工作任務(wù)及特征的復(fù)雜程度，合理規(guī)劃各個(gè)機(jī)器人的成形軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作的最大效率；機(jī)器人控制器5和焊機(jī)控制器7進(jìn)行通信，共同實(shí)現(xiàn)電弧增材制造，每個(gè)機(jī)器人10對(duì)應(yīng)的焊機(jī)控制器7根據(jù)所分配的零件特征段進(jìn)行設(shè)定不同的工藝參數(shù)和材料，可滿足不同工藝參數(shù)同時(shí)工作，不同材料的同時(shí)復(fù)合成形，實(shí)現(xiàn)電弧增材制造的靈活化制造；所述的機(jī)器人控制器5和龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，并根據(jù)已成形毛坯的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合制造設(shè)備的高效率、高精度工作；已成形的毛坯位置的改變可通過工作平臺(tái)1的來回和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際加工過程中，其具體操作過程如下：

1)、將金屬基板固定在工作平臺(tái)1上，根據(jù)零件不同的特征和所需的工作量，兩個(gè)六自由度倒掛機(jī)器人10進(jìn)行分工，按照各自的加工要求編寫機(jī)器人程序，據(jù)所分配的工作任務(wù)及特征的復(fù)雜程度，合理規(guī)劃各個(gè)機(jī)器人的成形軌跡，同時(shí)對(duì)兩個(gè)機(jī)器人的工作區(qū)域設(shè)定安全區(qū)域，避免兩個(gè)機(jī)器人干涉；焊機(jī)控制器7根據(jù)對(duì)應(yīng)的機(jī)器人10所分配的零件特征段進(jìn)行設(shè)定各自的工藝參數(shù)和材料，機(jī)器人控制器5和焊機(jī)控制器7建立通信，六自由度倒掛機(jī)器人10和焊槍11進(jìn)行協(xié)同在工作平臺(tái)1上進(jìn)行電弧增材制造，形成單層或多層的毛坯體后，機(jī)器人控制器5給龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送加工指令，同時(shí)測(cè)量毛坯體各個(gè)指定位置的溫度，同時(shí)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)。

2)、龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)接收到機(jī)器人控制器5發(fā)送的加工指令和毛體各點(diǎn)的溫度后，根據(jù)單層或多層毛坯體所要求的尺寸和表面精度以及毛坯的溫度變化規(guī)律進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)移動(dòng)工作臺(tái)，將已成形毛坯體移動(dòng)到龍門銑床銑削頭3的工作區(qū)域，然后等待毛坯體的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度線后，龍門銑床銑削頭3對(duì)單層或多層的毛坯體的輪廓進(jìn)行精加工，同時(shí)對(duì)毛坯體的上表面進(jìn)行修整，保證下一次電弧增材制造基準(zhǔn)面的準(zhǔn)確定位。待毛坯體所需的加工完成后，龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)給機(jī)器人控制器5發(fā)送下一步可以開始加工的指令。其中溫度線的設(shè)定依據(jù)材料的加工性能和刀具的壽命來確定。

3)、重復(fù)循環(huán)上述步驟1)及步驟2)，一直到最后零部件的加工完畢。

在加工大幅面零件時(shí)，上述的操作步驟1和步驟2也可以同步在不同的工作位置進(jìn)行，通過工作臺(tái)的來回和旋轉(zhuǎn)將已成形的毛坯體部分移動(dòng)到龍門銑床銑削頭3的工作區(qū)域，根據(jù)溫度線的控制實(shí)現(xiàn)增材制造和銑削加工有序高效的交接，充分利用材料在最佳溫度下的良好的加工精度和表面質(zhì)量，同時(shí)有效減少增材制造和銑削加工之間的等待時(shí)間。

如圖6所示，為本發(fā)明提供了一種較佳的實(shí)施例二。

本實(shí)施例的加工工藝同實(shí)施例一，在外圍增加了一個(gè)成形腔室，用于制造對(duì)加工環(huán)境要求苛刻的零部件，如易氧化的鈦合金、鎂鋁合金等。

如圖7、8、9所示，為本發(fā)明提供了一種較佳的實(shí)施例三。

本實(shí)施例的加工工藝同實(shí)施例一中的增材制造，用于單純的電弧增材制造。

如圖10所示，為本發(fā)明提供了一種較佳的實(shí)施例四。

本實(shí)施例提供的增減材復(fù)合制造設(shè)備，復(fù)合了激光熔化沉積增材制造及龍門銑削加工，其可以用于成型各種零件，如航空航天制造工業(yè)所需的零件等。

大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備包括一個(gè)床身2，床身上安裝有多個(gè)用于激光送粉增材制造的六自由度倒掛機(jī)器人10和五軸聯(lián)動(dòng)龍門銑床，多個(gè)倒掛機(jī)器人10分布在龍門銑床的銑削頭3周圍；倒掛機(jī)器人10上設(shè)有同軸送粉噴嘴15；同軸送粉噴嘴15在工作平臺(tái)上進(jìn)行單層或多層激光送粉增材制造。龍門銑床銑削頭3對(duì)已完成的單層或多層毛坯體進(jìn)行精加工和修整，工作平臺(tái)1完成毛坯體兩個(gè)區(qū)域的來回運(yùn)動(dòng)以及自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

激光送粉增材設(shè)備是現(xiàn)有技術(shù)，激光器、激光器控制器、同軸送粉噴嘴、送粉器、保護(hù)氣，同軸送粉噴嘴安裝在倒掛機(jī)器人的末端法蘭盤上；激光器控制器進(jìn)行激光器參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)對(duì)保護(hù)氣的開關(guān)進(jìn)行控制，對(duì)同軸送粉噴嘴、送粉器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

該增減材復(fù)合制造設(shè)備將傳統(tǒng)的以銑削為主的去除式精密加工與以增材制造為主的增量疊層制造工藝集成為一體，既能克服單純的增材制造技術(shù)在尺寸精度和表面質(zhì)量等方面的缺陷，也可以克服銑削加工對(duì)零部件復(fù)雜程度等方面的制約，這樣，則不需要對(duì)加工后的零件進(jìn)行二次加工，避免現(xiàn)時(shí)裝夾困難、加工誤差大、加工時(shí)零件出現(xiàn)變形以及難以加工的問題，為增材制造技術(shù)的應(yīng)用帶來了更加廣闊的應(yīng)用空間，為航空航天產(chǎn)業(yè)核心精密零部件的生產(chǎn)制造提供新的方法和手段。

另外，對(duì)于超大幅面的零件，則可以充分利用多個(gè)增材制造設(shè)備進(jìn)行分區(qū)域協(xié)同加工，再利用龍門銑床對(duì)形成的多個(gè)單層或多層毛坯體進(jìn)行精加工等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意大尺寸零部件的高精度、高效率成型。

對(duì)于本實(shí)施例提供的大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備，采用一個(gè)龍門銑削頭及多個(gè)增材設(shè)備，其中，增材設(shè)備可以是兩個(gè)，也可以是三個(gè)或四個(gè)等等。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。