集增減材復(fù)合功能的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊

武瀅 李進(jìn)冬

（①沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；②云科智能制造（沈陽）有限公司,遼寧 沈陽 110141）

3D打印技術(shù)作為一種新興的快速成形技術(shù)，能通過打印設(shè)備將特殊材料按照設(shè)計(jì)的3D模型以逐層打印的形式實(shí)現(xiàn)增材制造過程[1]。3D打印新型制造技術(shù)，避免了提前制造模具和制造過程中去除大量材料的工作，可以實(shí)現(xiàn)鑄造或鍛造無法實(shí)現(xiàn)的零件結(jié)構(gòu)形式，是第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一。但該技術(shù)不足之處是打印精度不夠，對(duì)于有精度要求的環(huán)節(jié)，需要通過數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行后續(xù)加工來保證產(chǎn)品關(guān)鍵部位的精度[2-3]。為了滿足高端制造的需求,可以將3D打印的增材制造技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的減材制造技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)兩種加工方式的互補(bǔ)，充分發(fā)揮兩種制造技術(shù)的集成優(yōu)勢(shì)[4-6]。目前以德國(guó)DMG、日本Mazak等為代表的傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床廠家已陸續(xù)推出集增減材功能的復(fù)合機(jī)床。

近年來，隨著汽車、游艇和橋梁建筑等行業(yè)對(duì)中大型零部件的加工要求越來越高，3D打印加工機(jī)的加工尺寸也越來越大，其主體結(jié)構(gòu)大多采用數(shù)控龍門機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式，如中國(guó)專利CN 201510 691737.7中[7]，采用的是在同一龍門架上通過雙橫梁龍門結(jié)構(gòu)（如圖1所示），將3D打印頭和機(jī)械加工頭分別布置于兩套獨(dú)立的橫梁滑枕結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)了3D打印與數(shù)控加工于一體的機(jī)床形式。

圖1 3D打印與五軸聯(lián)動(dòng)龍門一體機(jī)示意圖

但此種龍門機(jī)床在結(jié)構(gòu)和控制形式上均過于復(fù)雜，使得該設(shè)備價(jià)格過高，設(shè)備生產(chǎn)周期過長(zhǎng)。因此該產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)的推廣受到一定程度限制，令一些中小企業(yè)在設(shè)備投資規(guī)劃時(shí)望而卻步。

這里設(shè)計(jì)的可應(yīng)用于大型龍門機(jī)床的單橫梁結(jié)構(gòu)上集成3D打印頭和機(jī)械加工頭的復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)[8]，可解決上述難題。首先通過3D打印技術(shù)的增材功能實(shí)現(xiàn)工件的成形過程，再通過機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行指定部位的切削加工，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定工件的一站式成形加工功能。將本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于某增減材復(fù)合功能龍門機(jī)床上進(jìn)行樣機(jī)試制，并對(duì)實(shí)際功能應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 集增減材功能的復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)

1.1 復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)

集增減材功能的復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)本身帶有共同的Z向伺服控制軸，并通過復(fù)合轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種功能頭的工作過程的自動(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)將3D打印功能與機(jī)械加工功能復(fù)合為一體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，整套復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)主體部分包括機(jī)械加工頭1、3D打印頭2，Z軸滑枕主體梁8、以及實(shí)現(xiàn)兩種功能頭轉(zhuǎn)換的連接平臺(tái)4等。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)原理為，機(jī)械加工頭1布置于滑枕主體梁8的下端。3D打印頭2則布置于安裝在滑枕主體梁8前端的自動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的連接平臺(tái)4上。自動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)主體為伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由伺服電機(jī)6驅(qū)動(dòng)絲杠5帶動(dòng)絲母運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)與絲母相連的連接平臺(tái)4及固定于其上的3D打印頭2的升降功能。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由兩組直線導(dǎo)軌7實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)軌7底部與滑枕主體梁8的側(cè)面相連接，導(dǎo)軌的滑塊與連接平臺(tái)4相連，保證轉(zhuǎn)換平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的剛性和精度（此部分結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如放大圖A所示）。

圖2 復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)示意圖

在安全方面，提供驅(qū)動(dòng)力的伺服電機(jī)6帶有自動(dòng)抱閘功能，在突然掉電的情況下，能鎖住傳動(dòng)絲杠5，起到安全保護(hù)的作用。同時(shí)，在自動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的下端，配有緩沖撞停結(jié)構(gòu)3（如圖3所示），保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全性。

在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)工作時(shí)，如圖3所示，3D打印頭的管線包9會(huì)隨著連接平臺(tái)4和3D打印頭2的升降動(dòng)作運(yùn)行較大的行程，因此設(shè)計(jì)了一套較長(zhǎng)尺寸的管線包拉動(dòng)彈簧10，其中一端固定在Z軸滑枕主體梁8前端上頂部，另一端連接在管線包9的下部，實(shí)現(xiàn)管線包9隨切換結(jié)構(gòu)連接平臺(tái)4運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)收縮功能。

圖3 緩沖撞停結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)功能切換

復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工頭和3D打印頭的兩種對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)切換如圖4所示。其主要切換工作原理為，圖4a中3D打印頭處于工作狀態(tài)，即3D打印頭2要比機(jī)加工五軸頭1低出安全距離尺寸S1，該尺寸是根據(jù)3D產(chǎn)品的形狀設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行確定的，以保證在3D打印時(shí)不發(fā)生干涉問題。圖4b為加工五軸頭1處于工作狀態(tài)的情況，3D打印頭2提升至與五軸頭之間的安全距離為S2時(shí)，可以保證不影響加工五軸頭1的工作空間干涉要求。

圖4 復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)行程圖

根據(jù)以上兩種功能頭的切換原理，該結(jié)構(gòu)可以滿足預(yù)定要求的兩種功能頭工作狀態(tài)的自動(dòng)切換，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定工件的實(shí)際加工狀態(tài)。

2 應(yīng)用復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)的龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)某橋梁建筑行業(yè)的增減材復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一套3D打印和機(jī)械加工功能集成于一體的大型龍門機(jī)床。該機(jī)床采用第1節(jié)提出的復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)，主體為雙側(cè)加高軌道的橋式龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用雙驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)3D打印頭和機(jī)械加工頭兩種模塊集成于一套動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)的滑枕部件上，該龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖5 一體式龍門機(jī)床示意圖

表1 集增減材復(fù)合功能的龍門機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5中X軸為雙驅(qū)控制結(jié)構(gòu)。X1軸和X2軸的運(yùn)動(dòng)控制部件均為雙套伺服電機(jī)連接高精度減速機(jī)，布置于橫梁立柱下部的連接板上。實(shí)現(xiàn)X軸的整體高定位精度的運(yùn)行控制（如圖6所示）。

圖6 X軸雙驅(qū)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Y軸同樣也為雙驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，其控制部件均為雙套伺服電機(jī)連接高精度減速機(jī)結(jié)構(gòu)，布置于Y軸滑板上，用來實(shí)現(xiàn)Y軸的高定位精度的運(yùn)動(dòng)控制功能（如圖7所示）。

圖7 Y軸雙驅(qū)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Z軸即為第1節(jié)設(shè)計(jì)的復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)，由Z1軸機(jī)械加工頭部分運(yùn)動(dòng)控制和Z2軸3D打印頭部分的運(yùn)動(dòng)控制組成，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)作要求實(shí)現(xiàn)3D打印功能和機(jī)械加工功能的控制。如圖8所示。

圖8 Z1、Z2軸電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 樣機(jī)試制簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)的集成3D打印頭和機(jī)械加工頭的復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)，在某集增減材復(fù)合功能的龍門機(jī)床上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。按照表1中的主體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)大型橋梁主體結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了增材生產(chǎn)，并對(duì)其主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行了減材加工。

圖9為某集成3D打印頭和機(jī)械加工頭的復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)樣機(jī)在實(shí)際測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)物照片。通過樣機(jī)試制及測(cè)試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)龍門機(jī)床的結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際生產(chǎn)的功能要求，從而驗(yàn)證了本文所述集增減材復(fù)合功能機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 龍門機(jī)床樣機(jī)整體圖

圖10為按照本文思路和設(shè)計(jì)參數(shù)投產(chǎn)的樣機(jī)局部復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物放大圖，樣機(jī)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際測(cè)試應(yīng)用要求。

圖10 復(fù)合滑枕結(jié)構(gòu)應(yīng)用圖

圖11為實(shí)際3D打印并經(jīng)過機(jī)械加工的打印測(cè)試樣件的局部成品圖。此成品樣件驗(yàn)證了龍門機(jī)床的實(shí)際工作效果，最終驗(yàn)證了本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路的成熟性和實(shí)用性。

圖11 經(jīng)3D打印和機(jī)械加工的樣件局部成品圖

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了集增減材于一體的復(fù)合功能龍門機(jī)床。在對(duì)該機(jī)床設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，在樣機(jī)上完成了大型橋梁主體結(jié)構(gòu)等部件的增材生產(chǎn)，并針對(duì)需要加工的橋梁主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，完成了減材加工的功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)增減材一體化功能結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試驗(yàn)證。樣機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明：

（1）提出的集增減材于一體的復(fù)合功能龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)3D打印增材功能和切削加工的減材功能的完美結(jié)合，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

（2）此種結(jié)構(gòu)可在不影響主體功能的前提下，大幅度地縮減機(jī)床主體功能部件的組成數(shù)量，節(jié)省了一半的伺服進(jìn)給軸傳動(dòng)部件及電機(jī)傳動(dòng)部件的費(fèi)用，降低了設(shè)備整體運(yùn)行控制的復(fù)雜度，極大地提高了產(chǎn)品性價(jià)比。

（3）縮短了產(chǎn)品調(diào)試和加工周期，提高設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文設(shè)計(jì)的集增減材功能于一體的復(fù)合機(jī)床，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造提供更大的創(chuàng)新和擴(kuò)展空間，為智能制造領(lǐng)域發(fā)展新增一套有力利器。