一种模块化增减材制造装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种模块化增减材制造装置及方法。
背景技术
増材制造技术经过几十年的发展，凭借其快速、灵活、低成本等优势在制造复杂结构零件方面相对于传统加工方式展现出了巨大优势。制造周期短、高度自动化、材料消耗少等优点很好地弥补了传统制造工艺的不足，使得这项技术得到了越来越广泛的应用。然而增材制造工艺由于粉末的尺度、激光聚焦光斑尺寸、以及离散化分层技术的影响，所生产的金属零件其的几何尺寸精度和表面光洁度都不太理想，使得成形零件外形及尺寸无法直接应用，尤其是非粉末床近净成形类增材制造。而传统的数控加工技术具有高精度、高表面质量等特点，能够弥补上述问题。因此，在增材制造方法完成零件成型后往往需要利用车削、铣削、磨削等减材制造方法铣去加工余量或抛光表面，以达到零件所需的表面质量与尺寸精度。欲实现高精度的增材制造，常将增材制造技术、切削加工与三坐标测量系统相结合，这样将充分发挥增减材两种技术各自的优势，增材与减材加工技术的有效结合将具有广阔的应用前景。
传统的先增材制造成型再减材机加处理的过程中，为保证成型件精度，需要多次进行三坐标精度测量，这大大降低了生产加工效率并且增加了操作的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种模块化增减材制造装置及方法，通过模块化加工系统与模块化运输系统，能实现加工单元的快速拼装，同时将多个加工单元的系统化集成，可以实现增材、减材、检测等加工方式规模化工艺应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种模块化增减材制造装置，包括模块化运输系统、模块化加工系统；
所述模块化运输系统、模块化加工系统均包括：运输导轨模块和工作平台，所述工作平台能够沿运输导轨模块进行移动；多个运输导轨模块能够依次连接成一体；
所述模块化运输系统还包括上下料机器人，所述上下料机器人安装在所述模块化运输系统中的工作平台上；
所述模块化加工系统还包括三坐标直线导轨模块，所述三坐标直线导轨模块设置在所述模块化加工系统中的运输导轨模块的一端的上方。
所述运输导轨模块包括两个平行的导轨，在每个导轨上安装有滑块；
在两个导轨之间安装有底板；在所述底板上设置有与所述导轨长度相同且平行的传动齿条和拖链；
在两个导轨的一端、底板的一端均设有凸块，在两个导轨的另一端、底板的另一端均设有凹槽；所述传动齿条、拖链从凹槽的底端一直延伸到凸块的前端；
一个运输导轨模块上的导轨上的凸块、底板上的凸块能够分别插入到另一个运输导轨模块上的导轨上的凹槽、底板上的凹槽中，将两个运输导轨模块连接成一体，同时两个运输导轨模块上的传动齿条、拖链也能够分别连接成一体。
所述工作平台的下端面的两侧分别安装在两个所述滑块上；
在所述工作平台的下端面的中部安装有传动电机、直角减速器和传动齿轮；
所述传动齿轮的中心轴线垂直于水平面，并且能够与所述齿条咬合；
传动电机带动传动齿轮旋转时，传动齿轮沿齿条进行移动，从而带动工作平台沿导轨移动；
在所述模块化运输系统中的工作平台的上端面上固定安装有多个定位销；
在加工基板的下端面上开有多个定位销安装孔，工作平台上的定位销能够分别插入到加工基板上的定位销安装孔内；
在所述模块化运输系统中的工作平台上固定安装有多个调平电机；所述调平电机的输出轴直接顶住所述加工基板的下端面。
所述的坐标直线导轨模块包括X轴直线导轨、Y轴直线导轨、Z轴直线导轨；
在所述模块化加工系统中的运输导轨模块的两侧分别设置有与水平面垂直的多个立柱；在每一侧的立柱的上端设置有一个Y轴直线导轨，两侧的Y轴直线导轨均与所述模块化加工系统中的运输导轨模块的导轨平行；
所述X轴直线导轨的两端分别安装在两侧的Y轴直线导轨上，并能够沿Y轴直线导轨移动；
所述Z轴直线导轨安装在所述X轴直线导轨上，并能够沿X轴直线导轨移动；在所述Z轴直线导轨上设置有加工主轴，所述加工主轴能够沿Z轴直线轨道进行垂直于水平面方向的移动；在所述加工主轴的一侧安装有位移传感器。
进一步的，在所述模块化运输系统的运输导轨模块上设有一个上下料工位；在所述上下料工位的两侧分别安装有一个上下料工位位置传感器；
两个上下料工位位置传感器设置在一个导轨的同一侧；
在所述模块化加工系统的运输导轨模块上设有工位一和工位二；
所述工位一位于所述三坐标直线导轨模块的正下方；在所述工位一的两侧分别安装有一个工位一位置传感器，两个工位一位置传感器设置在一个导轨的同一侧；
所述工位二位于所述工位一的正前方；在所述工位二的两侧分别安装有一个工位二位置传感器，两个工位二位置传感器设置在一个导轨的同一侧；
所述上下料工位、工位一、工位二的尺寸均相同。
所述模块化增减材制造装置包括储料装置、工作部件；
所述模块化运输系统安装在所述模块化加工系统的正前方，所述模块化运输系统中的导轨与所述模块化加工系统中的导轨是垂直设置的；
所述上下料工位位于工位二的正前方；
所述储料装置设置在模块化运输系统的正前方；
所述工作部件安装在所述加工主轴上；所述工作部件为增材装置、减材装置或者检测装置。
本发明还提供了一种增减材制造单元，所述增减材制造单元包括三个模块化增减材制造装置；
在三个模块化加工系统的加工主轴上分别安装有增材装置、减材装置、检测装置；
三个模块化运输系统的运输导轨模块依次拼接形成运输系统，仅保留一个工作平台和一个上下料机器人；
所述运输系统中的三个上下料工位分别与安装有增材装置、减材装置、检测装置的模块化加工系统的工位二一一对应；
在每个上下料工位的正前方设置有储料装置。
本发明还提供了一种加工制造流水线，所述加工制造流水线包括进出料运输系统、多套所述增减材制造单元和/或多个所述模块化增减材制造装置；
所述进出料运输系统由多个模块化运输系统依次拼接而成；仅保留一个工作平台和一个上下料机器人；
在所述进出料运输系统的两侧分别布置有多套所述增减材制造单元和/或多个所述模块化增减材制造装置；相邻的增减材制造单元、模块化增减材制造装置的模块化运输系统依次拼接；各套所述增减材制造单元、各个模块化增减材制造装置的储料装置沿所述进出料运输系统的两侧依次排开；
所述进出料运输系统的上下料机器人能够伸入到其两侧的储料装置中进行抓取操作。
本发明还提供一种所述模块化增减材制造装置的使用方法，包括：
(1)模块化加工系统的工作平台运行到工位二，模块化运输系统的上下料机器人运行到上下料工位，抓取储料装置中的待加工的加工基板或带基板的零件，并放置在位于工位二的工作平台上；
(2)模块化加工系统的工作平台运行到工位一，通过加工主轴上的位移传感器检测基板的平面度，并通过工作平台上的调平电机对基板进行调平；
(3)安装在加工主轴上的工作部件进行工作；工作完毕后，模块化加工系统的工作平台运行到工位二；
(4)上下料机器人运行到上下料工位，抓取位于工位二上的加工完毕的加工基板或带基板的零件，并放置在储料装置中，完成本次工作。
本发明还提供一种所述增减材制造单元的使用方法如下：
如果是针对不同的零件同时进行增材制造、减材制造、零件检测，则将各个零件分别放置在对应的储料装置中，各个模块化增减材制造装置分别进行如权利要求9所述的步骤(1)到(4)的处理，完成零件的增材制造、减材制造或零件检测；
如果是对同一个零件依次进行增材制造、减材制造和零件检测，则进行如下处理：
(A1)将零件放置在安装有增材装置的模块化增减材制造装置对应的储料装置中；安装有增材装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位二，模块化运输系统的上下料机器人运行到上下料工位，抓取储料装置中的零件，并放置在位于工位二的工作平台上；
(A2)安装有增材装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位一，通过加工主轴上的位移传感器检测基板的平面度，并通过工作平台上的调平电机对基板进行调平；安装在加工主轴上的增材装置进行工作；工作完毕后，模块化加工系统的工作平台运行到工位二，然后上下料机器人将该零件移动到位于安装有减材装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上；
(A3)安装有减材装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位一，通过加工主轴上的位移传感器检测基板的平面度，并通过工作平台上的调平电机对基板进行调平；安装在加工主轴上的减材装置进行工作；工作完毕后，模块化加工系统的工作平台运行到工位二，然后上下料机器人将该零件移动到位于安装有检测装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上；
(A4)安装有检测装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位一，通过加工主轴上的位移传感器检测基板的平面度，并通过工作平台上的调平电机对基板进行调平；安装在加工主轴上的检测装置进行检测，如果检测合格，则转入步骤(A6)，如果检测不合格，则转入步骤(A5)；
(A5)如果是正超差，则上下料机器人将该零件移动到位于安装有减材装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上，然后返回步骤(A3)；如果是负超差，则上下料机器人将该零件移动到位于安装有增材装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上，然后返回步骤(A2)；
(A6)加工完毕，上下料机器人将该零件移动到储料装置中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设计模块化运输系统与加工系统，能实现增材制造、减材制造与零件检测等多个加工单元的快速拼装与转换，具备模块化、柔性化加工制造优势。
(2)本发明通过增材、减材、检测等加工单元的模块化集成，可实现增材制造全工艺生产，避免了传统增材制造过程中，零件多工位人工流转造成的加工制造效率低下等问题。
(3)本发明通过多个加工单元的系统化拼接集成，可实现大规模增减材制造一体化的流水线，可同时进行多个零件的增材、减材、检测等加工方式规模化工艺应用，极大的提高增材制造规模化加工能力与效率。
附图说明
图1是本发明提供的模块化运输系统俯视结构图；
图2是本发明提供的模块化运输系统左视结构剖面图；
图3是本发明提供的模块化加工系统俯视结构图；
图4是本发明提供的模块化加工系统正视结构图；
图5是本发明提供的模块化的加工制造单元；
图6是本发明提供的模块化、系统化的增减材制造单元；
图7是本发明提供的模块化、系统化的增减材加工制造流水线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1、图2所示，本发明提供了一种模块化增减材制造装置，包括模块化运输系统、模块化加工系统以及与其配套使用的储料装置、控制单元、增材装置、减材装置与检测装置。该装置通过模块化加工系统与模块化运输系统，能实现加工单元的快速拼装，同时多个加工单元的有效集成能够实现增材、减材、检测等加工方式同步化的工艺应用；而且，通过多个模块化的加工单元的系统化拼接集成，可实现大规模生产制造的流水线，可同时进行多个零件的增材、减材、检测等加工方式规模化工艺应用，极大地提高增材制造规模化的加工能力与效率。
所述模块化运输系统包括运输导轨模块1，安装在运输导轨模块1上的工作平台107，安装在工作平台107上的上下料机器人101。所述工作平台107能够沿运输导轨模块1往复移动。
优选地，所述运输导轨模块1包括：左右两个导轨111及安装在导轨上的滑块114，在左、右导轨111之间安装有底板120，在底板120上安装有与导轨111长度相等的传动齿条106，在齿条106旁边设置有与齿条具有相同长度的拖链105，所述拖链、传动齿条均与所述导轨111平行。
进一步的，在所述导轨111、所述底板120的一端均设有凸块112，在导轨111、所述底板120的另一端均设有凹槽113，可以实现多个运输导轨模块1的连续拼装，即将第一个运输导轨模块上的导轨、底板上的凸块分别插入到第二个运输导轨模块的导轨、底板上的凹槽中，实现两个运输导轨模块的连接，连接后的两个相邻运输导轨模块上的传动齿条也连接成一体，拖链是放置在底板上的，其一端随电机移动，安装时将两个相邻运输导轨模块上拖链连接成一体即可。
进一步的，在所述运输导轨模块1上设有一个上下料工位6。在其中一个导轨111的一侧安装有两个位置传感器104(如图5所示)，用于准确定位上下料工位6的位置。两个位置传感器分别位于上下料工位6的左、右两侧，当工作平台的左右两侧同时分别遮住两个位置传感器时，可以判定工作平台的位置是位于上下料工位6处。
在每个导轨111上连接有一个滑块114，滑块114能够沿导轨进行移动。所述工作平台107的下端面的两侧分别安装在两个滑块114上。在工作平台的下端面的中部安装有传动电机115、直角减速器116和传动齿轮117，所述传动齿轮的中心轴线垂直于水平面，并且能够与所述齿条咬合。所述传动电机115的输出轴与直角减速器116连接，所述直角减速器116的输出轴与传动齿轮117连接，工作时通过电机115带动传动齿轮117旋转，由于传动齿轮117与齿条咬合，因此传动齿轮沿齿条106进行移动，进而带动工作平台107沿导轨111运动。
与所述电机连接的线缆安装在所述拖链中的，随电机一起移动。
如图3、图4、图5所示，所述的模块化加工系统包括三坐标直线导轨模块2，安装在三坐标直线导轨模块2下方的运输导轨模块1，安装在运输导轨模块1上的工作平台107以及安装在工作平台107上的加工基板108，安装在导轨111一侧边的两个第二位置传感器102、两个第三位置传感器103。进一步的，在所述加工系统的运输导轨模块上设有两个工位，分别为工位一7和工位二8，其中，工位一7处于三坐标直线导轨模块2的正下方用于零件加工制造，工位二8处于工位一7的前方用于装卸加工基板与零件，所述的两个第一位置传感器102、两个第三位置传感器103分别用于准确定位工位一7与工位二8的位置。定位原理与上述的两个位置传感器104对上下料工位6的定位的原理相同。工位一、工位二、上下料工位的尺寸均相同。
所述的三坐标直线导轨模块2为具有X轴201、Y轴202、Z轴203传动的直线导轨，所述的三坐标直线导轨模块2安装在立柱204上，所述立柱204包括左侧立柱和右侧立柱，左侧立柱和右侧立柱分别包括多根与水平面垂直的立柱，在左侧立柱、右侧立柱的上端分别安装有一个所述Y轴202，Y轴202与位于三坐标直线导轨模块2下方的运动导轨模块中的导轨平行；所述X轴201的两端分别安装在两个Y轴202上，并能够沿Y轴202移动，所述Z轴203安装在所述X轴201上，并能够沿X轴201移动，在所述Z轴203上设置有滑块，加工主轴直接安装在Z轴的滑块上即可，加工主轴能沿Z轴203上下移动，在所述加工主轴旁边安装有位移传感器(采用现有设备上通用的位移传感器即可)。
同样，在X轴201的上方设置有拖链，用于安装与Z轴连接的线缆，在左侧立柱的上方设置有拖链，用于安装与X轴连接的线缆。
为了配合加工基板108的安装，在所述模块化运输系统中的工作平台107的上端面上固定安装有多个定位销109，定位销的数量可以根据实际情况确定，例如可以采用三个定位销109，呈三角形分布在工作平台上。在所述加工基板的下端面上开有定位销安装孔，将加工基板放置到工作平台上时，定位销分别插入到定位销安装孔内就可以将所述加工基板108安装在工作平台107上。在每个定位销109的旁边固定安装有一个调平电机110，调平电机110的输出轴直接顶住所述加工基板108的下端面，实现对加工基板108的平面精度的调节。如果定位销的数量多于3个，并不一定要在每个定位销旁都安装调平电机，只要至少三个调平电机即可，调平电机形成三角形的三个顶端实现定位。
所述的一种模块化增减材制造装置，将模块化运输系统安装在模块化加工系统正前方，模块化运输系统中的轨道与模块化加工系统中的轨道是垂直设置的，所述上下料工位6与工位二8对齐，即上下料工位位于工位二的正前方。所述储料装置4放置在模块化运输系统1的正前方，用于储存所述加工基板和加工后带基板的零件。所述的控制单元3用于控制运输系统与加工系统的协调工作。所述的加工主轴5上可以安装工作部件，所述工作部件为所述增材装置501，减材装置502或检测装置503，从而实现增材、减材、检测等加工应用。增材装置501，减材装置502或检测装置503直接采用现有的市售成品即可，将其直接安装到加工主轴5上即可。
该装置正常工作时的使用方法如下：
(1)加工系统的工作平台107运行到工位二8，运输系统的上下料机器人101运行到上下料工位6，抓取储料装置4中的待加工的加工基板或带加工基板的零件，并放置在位于工位二8的工作平台107上；
(2)加工系统的工作平台107运行到工位一7，通过加工主轴5上的位移传感器205检测加工基板108的平面度(利用位移传感器检测平面度采用现有技术即可实现，在此不再赘述。)，并通过工作平台107上的三个调平电机110对加工基板108进行调平；
(3)安装在加工主轴5上的增材装置501或减材装置502或检测装置503进行工作。工作完毕后，工作平台107运行到工位二8；
(4)上下料机器人101运行到上下料工位6，抓取工位二8上的加工完毕的加工基板或带加工基板的零件，并放置在储料装置4中，完成本次工作。加工前是正方形的加工基板，加工完后加工基板和加工的零件是连接在一起的。
本实用新型还提供了一种集增材制造、减材制造、零件检测功能为一体的增减材制造单元，如图6所示，具体如下：
采用三套模块化增减材制造装置，即三套模块化加工系统与模块化运输系统，在三个模块化加工系统的加工主轴5上分别安装增材装置501、减材装置502与检测装置503。
三个模块化运输系统的导轨拼接成运输系统131，即将三个运输导轨模块1前后拼接而成，但只保留一个工作平台107与上下料机器人101。该运输系统中的三个上下料工位分别与安装增材装置501、减材装置502、检测装置503的模块化加工系统的工位二8对应，同时配备有对应每个上下料工位的储料装置4。
具体工作过程如下：
将待加工的加工基板或带基板的零件放置在储料装置4中，对需要增材制造、减材制造与零件检测的待加工的加工基板或带基板的零件通过上下料机器人101放置在各个模块化加工系统的工位二8上，再由工位二8运输至工位一7，完成相应的加工处理工作。
该单元可针对同一零件，通过加工工位的不断变换，先进行增材制造，然后对增材制造的表面进行减材制造，最后对加工完的零件进行检测，若合格则加工完毕，若不合格，则对于正超差部分继续进行减材制造，然后进行检测直至合格。对于负超差部分继续进行缺损部分增材制造修复，然后再减材制造直至检测合格，具体包括：
(A1)将零件放置在安装有增材装置的模块化增减材制造装置对应的储料装置中；安装有增材装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位二，模块化运输系统的上下料机器人运行到上下料工位，抓取储料装置中的零件，并放置在位于工位二的工作平台上；
(A2)安装有增材装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位一，通过加工主轴上的位移传感器检测基板的平面度，并通过工作平台上的调平电机对基板进行调平；安装在加工主轴上的增材装置进行工作；工作完毕后，模块化加工系统的工作平台运行到工位二，然后上下料机器人将该零件移动到位于安装有减材装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上；
(A3)安装有减材装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位一，通过加工主轴上的位移传感器检测基板的平面度，并通过工作平台上的调平电机对基板进行调平；安装在加工主轴上的减材装置进行工作；工作完毕后，模块化加工系统的工作平台运行到工位二，然后上下料机器人将该零件移动到位于安装有检测装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上；
(A4)安装有检测装置的模块化增减材制造装置的模块化加工系统的工作平台运行到工位一，通过加工主轴上的位移传感器检测基板的平面度，并通过工作平台上的调平电机对基板进行调平；安装在加工主轴上的检测装置进行检测，如果检测合格，则转入步骤(A6)，如果检测不合格，则转入步骤(A5)；
(A5)如果是正超差，则上下料机器人将该零件移动到位于安装有减材装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上，然后返回步骤(A3)；如果是负超差，则上下料机器人将该零件移动到位于安装有增材装置的模块化增减材制造装置的工位二的工作平台上，然后返回步骤(A2)；
(A6)加工完毕，上下料机器人将该零件移动到储料装置中。
该单元也可针对不同零件同时进行增材制造、减材制造与零件检测工序，因为每个装置的加工时间都不短，不一定同时完工，所以用一个上下料机器人足够完成所有上下料工作。
如果是针对不同的零件同时进行增材制造、减材制造、零件检测，则将各个零件分别放置在对应的储料装置中，各个模块化增减材制造装置分别进行步骤(1)到(4)的处理，完成零件的增材制造、减材制造或零件检测；
如图7所示，本发明还提供了一种集增材制造、减材制造、零件检测功能为一体的加工制造流水线，具体如下：
(1)采用多套模块化加工系统与模块化运输系统形成多个增减材制造单元、模块化增减材制造装置拼接而成的加工制造流水线，该流水线左右对称布置增减材制造单元。增材装置、减材装置、检测装置不用1:1:1配置，应根据实际加工制造需求进行合理比例配比，因为增材过程加工时间长，检测过程工作时间非常短，为了最大化地使所有装置一直处于工作状态，系统中可以设置很少的检测装置，而多配套些增材装置，增材装置、减材装置、检测装置的数量根据加工制造需求进行配比即可，例如可以采用一个增减材制造单元加上三个安装有增材装置的模块化增减材制造装置组成一个系统。图7所示的是采用四个增减材制造单元构成的系统。
(2)该流水线中间部分通过多个模块化运输导轨系统前后拼装，安装成一条由多套运输导轨系统拼接而成的进出料运输系统132，只需保留一个工作平台与上下料机器人，用于系统化加工过程中储料装置中物料的来回运输与最终的进出料。
综上所述，为了提高成型效率，提高零件精度，并使得增材制造技术真正应用于实际工业领域，本发明将增材制造工艺、减材机加工艺、三坐标零件检测结合到一套系统中，既能保证金属零件成型过程中拥有较好的表面精度，也可实现零件的内孔和中空等难加工部位在增材制造的过程中进行铣削抛光等操作，从而极大地提高了增材制造技术在生产加工精密零件的适用性。同时对增材制造设备、减材制造设备与三坐标检测设备进行模块化系统化的设计，能快速高效的组装成满足加工工艺要求的一体化设备，也可组装成集各个功能为一体的加工制造流水线，从而满足增材制造日益规模化、敏捷化、柔性化生产需求。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
