本發(fā)明涉及一種大型橋式龍門混合加工機床及其加工方法，其執(zhí)行機構可以實現(xiàn)增材制造，也可以實現(xiàn)減材加工，同時具有在機檢測功能，屬于先進制造裝備領域。

背景技術：

模具可分為鑄造模、鍛造模、壓鑄模、沖壓模等非塑膠模具，以及塑膠模具，由于模具制造的多樣性、復雜性和適用性，模具工業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分。而模具制造設備是裝備制造工業(yè)的重量分支，國家也明確提出了加大裝備工業(yè)的開發(fā)力度，推進關鍵設備國產化的重要方針。模具工業(yè)屬于高新技術產業(yè)化的重要領域，高精度模具同樣進入高新技術產業(yè)類別，相關生產高精度模具的企業(yè)，列入高新技術企業(yè)。模具的開發(fā)和制造水平的提高，還有賴于采用數(shù)控精密高效加工設備。

近年來，我國模具行業(yè)快速發(fā)展，部分細分領域如汽車制造業(yè)、it制造業(yè)的發(fā)展，拉動了中國模具行業(yè)的迅速壯大，模具檔次逐步提高，裝備提升能力較好。一方面，用信息技術帶動和提升模具工業(yè)的制造技術水平，是推動模具工業(yè)技術進步的關鍵環(huán)節(jié)。cad/cae/cam技術在模具工業(yè)中的應用，快速原型制造技術的應用，使模具的設計制造技術發(fā)生了重大變革。逆向工程、并行工程、敏捷制造、虛擬技術等先進制造技術在模具工業(yè)中的應用，也要與電子信息等高新技術嫁接，實現(xiàn)高新技術產業(yè)化。另一方面，隨著工業(yè)體系發(fā)展的進一步完善，大型模具等非傳統(tǒng)產品的需求亦越來越廣泛，如風電葉片模具、游艇底座，超大型輪胎等等制造等，該類大型模具因為體積非常大，長度可達到100m以上，制造周期比較長，對于裝備的要求也非常高。終端客戶的產品的生產周期就難以控制，制造成本增加，影響行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

隨著新型裝備制造行業(yè)的發(fā)展，滿足增減材制造，并實現(xiàn)在線測量，亟需開發(fā)一種大型橋式龍門混合加工機床，有效開發(fā)新型的模具并實現(xiàn)快速響應。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為一種大型橋式龍門混合加工機床及其加工方法，基于增材制造、減材制造和在機測量方法，形成混合機構單元，結合龍門加工設備基本結構情況而開發(fā)一種新型加工裝備。在一個機床上，通過更換不同的執(zhí)行單元，調用內嵌的可重構軟件工具包，采用指定的工藝實施方案，在整個產品的加工工序范圍內實現(xiàn)加工，最終達成客戶的需求。

一種大型橋式龍門混合加工機床，包括：基礎(1)、工作走廊(2)、床身(3)、x軸進給系統(tǒng)(4)、橫梁(5)、y軸進給系統(tǒng)(8)、溜板(7)、方滑枕(11)、z軸進給系統(tǒng)(12)、c軸進給系統(tǒng)、a軸進給系統(tǒng)、執(zhí)行機構接口(13)和執(zhí)行單元庫(15)，床身(3)設置在基礎(1)上，基礎(1)兩側設有工作走廊(2)，x軸進給系統(tǒng)(4)設置在床身(3)上，x軸進給系統(tǒng)(4)上設有橫梁(5)，橫梁(5)上設有溜板(7)，上方滑枕(11)和z軸進給系統(tǒng)(12)設置在溜板(7)上，執(zhí)行單元庫(15)設置在基礎(1)上，x軸進給系統(tǒng)(4)、y軸進給系統(tǒng)(8)和z軸進給系統(tǒng)(12)分別與x軸運動拖鏈(6)、y軸運動拖鏈(9)和z軸運動拖鏈(10)相連，方滑枕(11)底部設有執(zhí)行機構接口(13)，方滑枕(11)連接c軸進給系統(tǒng)和a軸進給系統(tǒng)。

所述執(zhí)行單元庫(15)中包括減材制造單元(14)、增材制造單元(16)、在機測量單元(17)，通過機構的運動需求，可以與執(zhí)行機構接口(13)進行安裝，滿足加工的需求。

所述執(zhí)行單元庫(15)包括執(zhí)行單元庫平臺(18)、執(zhí)行單元庫安裝平臺(19)、執(zhí)行單元庫縱向運動(20)和執(zhí)行單元庫橫向運動方向(21)，所述執(zhí)行單元庫平臺(18)上設有執(zhí)行單元庫縱向運動(20)和執(zhí)行單元庫橫向運動方向(21)，執(zhí)行單元庫安裝平臺(19)設置在執(zhí)行單元庫縱向運動(20)上。

所述床身(3)、橫梁(5)、溜板(7)和方滑枕(11)采用米漢納鑄鐵(也可用焊接件)安裝，鑄件內腔系蜂巢式復合排列結構，均經時效及二次回火處理，消除殘留內應力使材質穩(wěn)定，確保工件加工精度的穩(wěn)定及機床壽命。

所述x軸進給系統(tǒng)(4)通過可消隙的斜齒輪齒條驅動，滿足高精度移動要求；所述y軸進給系統(tǒng)(8)通過中心卸荷的三導軌結構，結合可消隙的斜齒輪齒條驅動，滿足不同執(zhí)行單元的運動需求；所述z軸進給系統(tǒng)12()通過2組直線導軌或者以上的直線導軌，結合滾珠絲杠，滿足不同執(zhí)行單元的運動需求。

所述執(zhí)行單元庫(15)是設備的執(zhí)行單元存儲庫。內部包括增材制造單元、測量系統(tǒng)單元以及其他減材單元。該類設備與執(zhí)行機構接口可進行接觸安裝并固定。

一種利用所述的大型橋式龍門混合加工機床進行加工的方法，其特征是包括以下步驟：

增材制造系統(tǒng)執(zhí)行單元運行的步驟：增材系統(tǒng)噴頭系統(tǒng)中配置螺桿泵，其驅動由伺服電機控制，可有效控制噴射微滴量與速度；注膠速度動態(tài)閉環(huán)可調；注膠速度由機床檢測系統(tǒng)統(tǒng)一控制，機床檢測系統(tǒng)對表面加工情況進行檢測，并與理論要求的曲面進行比較；在補噴膠階段，當檢測結果評估出產品的表面凸凹位置時，軟件發(fā)出注膠速度更改信號，注膠系統(tǒng)接收到該信號時，更改注膠速度以完成表面的加工；在加工原型面(22)基礎上，從加工起始點開始，按照路徑規(guī)劃，相繼在路徑規(guī)劃范圍內加工獲得尺寸要求的材料，遇到加工原型面(22)或者加工加工獲得面(23)則進行路徑的上調；依次直到某段封閉的路徑加工完。對于未加工的曲面，通過當前加工獲得面(23)和加工原型面(22)比較，再未加工部分進行路徑的重新規(guī)劃，進而通過增材制造系統(tǒng)單元進行進一步的加工；

測量系統(tǒng)執(zhí)行單元運行的步驟：采用激光測距裝置，對加工表面進行無接觸式測量，獲得的數(shù)據(jù)采用數(shù)字化技術展成曲面，進而實現(xiàn)曲面比較，指導增材制造及減材制造的工藝；

切削系統(tǒng)執(zhí)行單元運行的步驟：為滿足機床銑削主軸實現(xiàn)復雜葉片曲面銑削加工，在銑削滑枕上配置高精度五軸銑頭，可在笛卡爾坐標系中實現(xiàn)5軸聯(lián)動，滿足曲面的光順銑削；五軸數(shù)控加工時，采用球頭銑刀，適應性強、刀位規(guī)劃簡單,可以加工任意復雜曲面,但是加工性能較差,加工效率比較低。在加工平坦、敞口類曲面時，可以采用盤形銑刀進行五軸加工，不僅能改善切削性能,而且可以提高加工效率；通過調整圓環(huán)形銑刀的位姿,使得在刀觸點軌跡線附近的帶狀區(qū)域內刀具包絡曲面充分逼近理論設計曲面,從而顯著提高給定精度下的加工帶寬；安裝大直徑盤銑刀，在同等切削深度、同等進給速度情況下，基于優(yōu)化算法，提高加工效率5倍以上；對于局部曲率變化較大的曲面，通過自動更換球頭銑刀，實現(xiàn)精確加工。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用現(xiàn)代增材制造工藝和銑削工藝的復合，實現(xiàn)大型模具的高效與精密加工，其效率是傳統(tǒng)模具加工的10倍以上，成本僅為傳統(tǒng)工藝的30％，滿足定制化需求，符合未來智能化、柔性化需求，前景良好。替代傳統(tǒng)的鑄件模具，快速響應客戶需求，節(jié)約模具投資60％以上。

本發(fā)明的一種大型橋式龍門混合加工機床，包括增材制造、減材制造和在機測量方法，形成通過混合工藝方法實現(xiàn)加工的方案。該設備的主要結構特點：固定工作臺及床身、橫梁沿床身導軌前后運動、方滑枕隨橫梁上下移動、亦可沿橫梁左右移動；機床具有銑削、鉆削等功能。配備附件銑頭后可實現(xiàn)工件的一次裝夾，安裝五軸頭可五面加工，一機多用，提高了工件的加工質量和生產效率。

本發(fā)明采用一種大型橋式龍門混合加工機床，基于增材制造、減材制造和在機測量方法，組成增材制造單元、減材制造單元和在機測量單元，形成混合機構單元，結合龍門設備的結構特點，進而開發(fā)一種新型的龍門混合加工裝備。隨著模具行業(yè)的發(fā)展，大型模具等非傳統(tǒng)產品的需求亦越來越廣泛，如風電葉片模具、游艇底座，超大型輪胎等等制造等，該類大型模具因為體積非常大，長度可達到100m以上，相應的制造周期比較長，對于裝備的要求也非常高，對于最終客戶的影響則是產品生產周期比較長，制造成本非常高，限制了行業(yè)發(fā)展情況。本發(fā)明所開發(fā)的設備采用現(xiàn)代增材制造工藝和銑削工藝的復合，實現(xiàn)大型模具的高效與精密加工，其效率是傳統(tǒng)模具加工的10倍以上，成本僅為傳統(tǒng)工藝的30％，滿足定制化需求，實現(xiàn)產品創(chuàng)新，同時將3d打印與切削加工進行工藝復合，實現(xiàn)工藝創(chuàng)新，符合未來智能化、柔性化需求，前景良好。替代傳統(tǒng)的鑄件模具，快速響應客戶需求，節(jié)約模具投資60％以上。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明的結構示意圖。

圖2表示執(zhí)行單元庫示意圖。

圖3a表示減材制造單元接口示意圖。

圖3b表示增材制造單元接口示意圖。

圖3c表示在機測量單元接口示意圖。

圖4表示本發(fā)明采用增材制造的方法示意圖。

圖5表示本發(fā)明采用參考距離的在線測量方法示意圖。

圖6表示本發(fā)明采用小于參考距離的在線測量方法示意圖。

圖7表示本發(fā)明采用大于參考距離的在線測量方法示意圖。

圖中：1為基礎、2工作走廊、3為床身，4為x軸進給系統(tǒng)，5為橫梁，6為x軸運動拖鏈，7為溜板，8為y軸進給系統(tǒng)，9為y軸運動拖鏈，10為z軸運動拖鏈，11為方滑枕，12為z軸進給系統(tǒng)，13為執(zhí)行機構接口，14為減材制造單元，15為執(zhí)行單元庫，16為增材制造單元，17為在機測量單元，18為執(zhí)行單元庫平臺，19為執(zhí)行單元庫安裝平臺，20為執(zhí)行單元庫縱向運動，21為執(zhí)行單元庫橫向運動方向。22為加工原型面，23為加工獲得面。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明技術內容作說明

如圖1至圖7，實施例一。

一種大型橋式龍門混合加工機床，包括：基礎(1)、工作走廊(2)、床身(3)、x軸進給系統(tǒng)(4)、橫梁(5)、y軸進給系統(tǒng)(8)、溜板(7)、方滑枕(11)、z軸進給系統(tǒng)(12)、c軸進給系統(tǒng)、a軸進給系統(tǒng)、執(zhí)行機構接口(13)和執(zhí)行單元庫(15)，床身(3)設置在基礎(1)上，基礎(1)兩側設有工作走廊(2)，x軸進給系統(tǒng)(4)設置在床身(3)上，x軸進給系統(tǒng)(4)上設有橫梁(5)，橫梁(5)上設有溜板(7)，上方滑枕(11)和z軸進給系統(tǒng)(12)設置在溜板(7)上，執(zhí)行單元庫(15)設置在基礎(1)上，x軸進給系統(tǒng)(4)、y軸進給系統(tǒng)(8)和z軸進給系統(tǒng)(12)分別與x軸運動拖鏈(6)、y軸運動拖鏈(9)和z軸運動拖鏈(10)相連，方滑枕(11)底部設有執(zhí)行機構接口(13)，方滑枕(11)連接c軸進給系統(tǒng)和a軸進給系統(tǒng)。

所述執(zhí)行單元庫(15)中包括減材制造單元(14)、增材制造單元(16)、在機測量單元(17)，通過機構的運動需求，可以與執(zhí)行機構接口(13)進行安裝，滿足加工的需求。

所述執(zhí)行單元庫(15)包括執(zhí)行單元庫平臺(18)、執(zhí)行單元庫安裝平臺(19)、執(zhí)行單元庫縱向運動(20)和執(zhí)行單元庫橫向運動方向(21)，所述執(zhí)行單元庫平臺(18)上設有執(zhí)行單元庫縱向運動(20)和執(zhí)行單元庫橫向運動方向(21)，執(zhí)行單元庫安裝平臺(19)設置在執(zhí)行單元庫縱向運動(20)上。

所述床身(3)、橫梁(5)、溜板(7)和方滑枕(11)采用米漢納鑄鐵(也可用焊接件)安裝，鑄件內腔系蜂巢式復合排列結構，均經時效及二次回火處理，消除殘留內應力使材質穩(wěn)定，確保工件加工精度的穩(wěn)定及機床壽命。

所述x軸進給系統(tǒng)(4)通過可消隙的斜齒輪齒條驅動，滿足高精度移動要求；所述y軸進給系統(tǒng)(8)通過中心卸荷的三導軌結構，結合可消隙的斜齒輪齒條驅動，滿足不同執(zhí)行單元的運動需求；所述z軸進給系統(tǒng)12()通過2組直線導軌或者以上的直線導軌，結合滾珠絲杠，滿足不同執(zhí)行單元的運動需求。

所述執(zhí)行單元庫(15)是設備的執(zhí)行單元存儲庫。內部包括增材制造單元、測量系統(tǒng)單元以及其他減材單元。該類設備與執(zhí)行機構接口可進行接觸安裝并固定。

實施例二。

一種利用所述的大型橋式龍門混合加工機床進行加工的方法，其特征是包括以下步驟：

增材制造系統(tǒng)執(zhí)行單元運行的步驟：增材系統(tǒng)噴頭系統(tǒng)中配置螺桿泵，其驅動由伺服電機控制，可有效控制噴射微滴量與速度；注膠速度動態(tài)閉環(huán)可調；注膠速度由機床檢測系統(tǒng)統(tǒng)一控制，機床檢測系統(tǒng)對表面加工情況進行檢測，并與理論要求的曲面進行比較；在補噴膠階段，當檢測結果評估出產品的表面凸凹位置時，軟件發(fā)出注膠速度更改信號，注膠系統(tǒng)接收到該信號時，更改注膠速度以完成表面的加工；在加工原型面(22)基礎上，從加工起始點開始，按照路徑規(guī)劃，相繼在路徑規(guī)劃范圍內加工獲得尺寸要求的材料，遇到加工原型面(22)或者加工加工獲得面(23)則進行路徑的上調；依次直到某段封閉的路徑加工完。對于未加工的曲面，通過當前加工獲得面(23)和加工原型面(22)比較，再未加工部分進行路徑的重新規(guī)劃，進而通過增材制造系統(tǒng)單元進行進一步的加工；

測量系統(tǒng)執(zhí)行單元運行的步驟：采用激光測距裝置，對加工表面進行無接觸式測量，獲得的數(shù)據(jù)采用數(shù)字化技術展成曲面，進而實現(xiàn)曲面比較，指導增材制造及減材制造的工藝；

切削系統(tǒng)執(zhí)行單元運行的步驟：為滿足機床銑削主軸實現(xiàn)復雜葉片曲面銑削加工，在銑削滑枕上配置高精度五軸銑頭，可在笛卡爾坐標系中實現(xiàn)5軸聯(lián)動，滿足曲面的光順銑削；五軸數(shù)控加工時，采用球頭銑刀，適應性強、刀位規(guī)劃簡單,可以加工任意復雜曲面,但是加工性能較差,加工效率比較低。在加工平坦、敞口類曲面時，可以采用盤形銑刀進行五軸加工，不僅能改善切削性能,而且可以提高加工效率；通過調整圓環(huán)形銑刀的位姿,使得在刀觸點軌跡線附近的帶狀區(qū)域內刀具包絡曲面充分逼近理論設計曲面,從而顯著提高給定精度下的加工帶寬；安裝大直徑盤銑刀，在同等切削深度、同等進給速度情況下，基于優(yōu)化算法，提高加工效率5倍以上；對于局部曲率變化較大的曲面，通過自動更換球頭銑刀，實現(xiàn)精確加工。

一種大型橋式龍門混合加工機床，基于增材制造、減材制造和在機測量方法，形成增材制造單元、減材制造單元和在機測量單元，通過機構的整合組成混合機構單元，結合龍門加工設備基本結構情況而開發(fā)一種新型加工裝備。

增材制造系統(tǒng)執(zhí)行單元運行情況：增材系統(tǒng)噴頭系統(tǒng)中配置螺桿泵，其驅動由伺服電機控制，可有效控制噴射微滴量與速度。注膠速度動態(tài)閉環(huán)可調。注膠速度由機床檢測系統(tǒng)統(tǒng)一控制，機床檢測系統(tǒng)對表面加工情況進行檢測，并與理論要求的曲面進行比較。在補噴膠階段，當檢測結果評估出產品的表面凸凹位置時，軟件發(fā)出注膠速度更改信號，注膠系統(tǒng)接收到該信號時，更改注膠速度以完成表面的加工。

測量系統(tǒng)執(zhí)行單元運行情況：采用激光測距裝置，對加工表面進行無接觸式測量，獲得的數(shù)據(jù)采用數(shù)字化技術展成曲面，進而實現(xiàn)曲面比較，指導增材制造及減材制造的工藝。

切削系統(tǒng)執(zhí)行單元運行情況：為滿足機床銑削主軸實現(xiàn)復雜葉片曲面銑削加工，在銑削滑枕上配置高精度五軸銑頭，可在笛卡爾坐標系中實現(xiàn)5軸聯(lián)動，滿足曲面的光順銑削。

見圖5、圖6、圖7。圖5表示本發(fā)明采用參考距離的在線測量方法示意圖。圖6表示本發(fā)明采用小于參考距離(短距離)的在線測量方法示意圖。

圖7表示本發(fā)明采用大于參考距離(長距離)的在線測量方法示意圖。

采用激光測距裝置，通過半導體激光對加工被測表面進行無接觸式測量，感光元件通過聚焦鏡獲取經過被測表面的反射激光，與參考距離進行比對，可知是否大于或小于參考距離，獲得的數(shù)據(jù)采用數(shù)字化技術展成曲面，進而實現(xiàn)曲面比較，指導增材制造及減材制造的工藝。

五軸數(shù)控加工時，采用球頭銑刀，適應性強、刀位規(guī)劃簡單,可以加工任意復雜曲面,但是加工性能較差,加工效率比較低。在加工平坦、敞口類曲面時，可以采用盤形銑刀進行五軸加工，不僅能改善切削性能,而且可以提高加工效率。通過調整圓環(huán)形銑刀的位姿,使得在刀觸點軌跡線附近的帶狀區(qū)域內刀具包絡曲面充分逼近理論設計曲面,從而顯著提高給定精度下的加工帶寬。安裝大直徑盤銑刀，在同等切削深度、同等進給速度情況下，基于優(yōu)化算法，提高加工效率5倍以上。對于局部曲率變化較大的曲面，通過自動更換球頭銑刀，實現(xiàn)精確加工。

上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的構思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計構思前提下，本領域中普通工程技術人員對本發(fā)明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技術內容已經全部記載在權利要求書中。