集增减材复合功能的机床结构设计＊

武滢 李进冬

（①沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；②云科智能制造（沈阳）有限公司,辽宁 沈阳 110141）

3D打印技术作为一种新兴的快速成形技术，能通过打印设备将特殊材料按照设计的3D模型以逐层打印的形式实现增材制造过程[1]。3D打印新型制造技术，避免了提前制造模具和制造过程中去除大量材料的工作，可以实现铸造或锻造无法实现的零件结构形式，是第三次工业革命的核心技术之一。但该技术不足之处是打印精度不够，对于有精度要求的环节，需要通过数控加工技术进行后续加工来保证产品关键部位的精度[2-3]。为了满足高端制造的需求,可以将3D打印的增材制造技术与数控机床的减材制造技术相结合,实现两种加工方式的互补，充分发挥两种制造技术的集成优势[4-6]。目前以德国DMG、日本Mazak等为代表的传统数控机床厂家已陆续推出集增减材功能的复合机床。

近年来，随着汽车、游艇和桥梁建筑等行业对中大型零部件的加工要求越来越高，3D打印加工机的加工尺寸也越来越大，其主体结构大多采用数控龙门机床的结构形式，如中国专利CN 201510 691737.7中[7]，采用的是在同一龙门架上通过双横梁龙门结构（如图1所示），将3D打印头和机械加工头分别布置于两套独立的横梁滑枕结构上，从而实现了3D打印与数控加工于一体的机床形式。

图1 3D打印与五轴联动龙门一体机示意图

但此种龙门机床在结构和控制形式上均过于复杂，使得该设备价格过高，设备生产周期过长。因此该产品在行业内的推广受到一定程度限制，令一些中小企业在设备投资规划时望而却步。

这里设计的可应用于大型龙门机床的单横梁结构上集成3D打印头和机械加工头的复合滑枕结构[8]，可解决上述难题。首先通过3D打印技术的增材功能实现工件的成形过程，再通过机械加工技术进行指定部位的切削加工，从而实现预定工件的一站式成形加工功能。将本结构设计方案应用于某增减材复合功能龙门机床上进行样机试制，并对实际功能应用效果进行了验证。

1 集增减材功能的复合滑枕结构

1.1 复合滑枕结构

集增减材功能的复合滑枕结构本身带有共同的Z向伺服控制轴，并通过复合转换结构实现两种功能头的工作过程的自动切换，从而实现将3D打印功能与机械加工功能复合为一体的机械结构。

主要结构示意图如图2所示，整套复合滑枕结构主体部分包括机械加工头1、3D打印头2，Z轴滑枕主体梁8、以及实现两种功能头转换的连接平台4等。其详细结构原理为，机械加工头1布置于滑枕主体梁8的下端。3D打印头2则布置于安装在滑枕主体梁8前端的自动转换结构的连接平台4上。自动转换结构主体为伺服驱动结构，由伺服电机6驱动丝杠5带动丝母运转，实现与丝母相连的连接平台4及固定于其上的3D打印头2的升降功能。转换结构的导向结构由两组直线导轨7实现，导轨7底部与滑枕主体梁8的侧面相连接，导轨的滑块与连接平台4相连，保证转换平台整体结构的刚性和精度（此部分结构细节如放大图A所示）。

图2 复合滑枕结构示意图

在安全方面，提供驱动力的伺服电机6带有自动抱闸功能，在突然掉电的情况下，能锁住传动丝杠5，起到安全保护的作用。同时，在自动转换结构的下端，配有缓冲撞停结构3（如图3所示），保证转换结构运行的安全性。

在转换结构工作时，如图3所示，3D打印头的管线包9会随着连接平台4和3D打印头2的升降动作运行较大的行程，因此设计了一套较长尺寸的管线包拉动弹簧10，其中一端固定在Z轴滑枕主体梁8前端上顶部，另一端连接在管线包9的下部，实现管线包9随切换结构连接平台4运行时的自动收缩功能。

图3 缓冲撞停结构示意图

1.2 复合滑枕结构功能切换

复合滑枕结构的机械加工头和3D打印头的两种对应工作状态切换如图4所示。其主要切换工作原理为，图4a中3D打印头处于工作状态，即3D打印头2要比机加工五轴头1低出安全距离尺寸S1，该尺寸是根据3D产品的形状设定数据进行确定的，以保证在3D打印时不发生干涉问题。图4b为加工五轴头1处于工作状态的情况，3D打印头2提升至与五轴头之间的安全距离为S2时，可以保证不影响加工五轴头1的工作空间干涉要求。

图4 复合滑枕结构行程图

根据以上两种功能头的切换原理，该结构可以满足预定要求的两种功能头工作状态的自动切换，并实现预定工件的实际加工状态。

2 应用复合滑枕结构的龙门机床结构设计

针对某桥梁建筑行业的增减材复合结构的设计要求，设计一套3D打印和机械加工功能集成于一体的大型龙门机床。该机床采用第1节提出的复合滑枕结构，主体为双侧加高轨道的桥式龙门机床结构，采用双驱动式结构，实现3D打印头和机械加工头两种模块集成于一套动横梁结构的滑枕部件上，该龙门机床结构示意图如图5所示。其主要设计参数如表1所示。

图5 一体式龙门机床示意图

表1 集增减材复合功能的龙门机床设计参数

图5中X轴为双驱控制结构。X1轴和X2轴的运动控制部件均为双套伺服电机连接高精度减速机，布置于横梁立柱下部的连接板上。实现X轴的整体高定位精度的运行控制（如图6所示）。

图6 X轴双驱电机结构图

Y轴同样也为双驱动控制结构，其控制部件均为双套伺服电机连接高精度减速机结构，布置于Y轴滑板上，用来实现Y轴的高定位精度的运动控制功能（如图7所示）。

图7 Y轴双驱电机结构图

Z轴即为第1节设计的复合滑枕结构，由Z1轴机械加工头部分运动控制和Z2轴3D打印头部分的运动控制组成，由数控系统根据动作要求实现3D打印功能和机械加工功能的控制。如图8所示。

图8 Z1、Z2轴电机结构图

3 样机试制简介

本文设计的集成3D打印头和机械加工头的复合滑枕结构，在某集增减材复合功能的龙门机床上进行了实际应用验证。按照表1中的主体参数进行设计，对大型桥梁主体结构部件进行了增材生产，并对其主体结构关键部位进行了减材加工。

图9为某集成3D打印头和机械加工头的复合滑枕结构样机在实际测试现场的实物照片。通过样机试制及测试结果显示，所设计龙门机床的结构满足实际生产的功能要求，从而验证了本文所述集增减材复合功能机床的结构设计的合理性。

图9 龙门机床样机整体图

图10为按照本文思路和设计参数投产的样机局部复合滑枕结构现场实物放大图，样机验证该结构满足实际测试应用要求。

图10 复合滑枕结构应用图

图11为实际3D打印并经过机械加工的打印测试样件的局部成品图。此成品样件验证了龙门机床的实际工作效果，最终验证了本文结构设计思路的成熟性和实用性。

图11 经3D打印和机械加工的样件局部成品图

4 结语

设计了集增减材于一体的复合功能龙门机床。在对该机床设计方案进行理论分析的基础上，在样机上完成了大型桥梁主体结构等部件的增材生产，并针对需要加工的桥梁主体结构关键部位，完成了减材加工的功能验证，实现了样机增减材一体化功能结构的实际生产测试验证。样机验证结果表明：

（1）提出的集增减材于一体的复合功能龙门机床结构，可实现3D打印增材功能和切削加工的减材功能的完美结合，该结构设计合理。

（2）此种结构可在不影响主体功能的前提下，大幅度地缩减机床主体功能部件的组成数量，节省了一半的伺服进给轴传动部件及电机传动部件的费用，降低了设备整体运行控制的复杂度，极大地提高了产品性价比。

（3）缩短了产品调试和加工周期，提高设备的市场竞争力。本文设计的集增减材功能于一体的复合机床，为产品设计和制造提供更大的创新和扩展空间，为智能制造领域发展新增一套有力利器。