CN101387881A - 基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法及装置 - Google Patents

基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于柱坐标的泡沫塑料材料三维快速成形方法及装置,根据零件形状特征,生成加工旋转轴,建立坐标原点在旋转轴上的柱坐标系统,将零件的直角坐标系CAD模型转换成柱坐标系下的模型;再将零件STL文件格式的柱坐标系下模型按照定角度或定厚度切层形成特定的多层切层轮廓数据;在计算机控制下,通过本发明快速成形装置,按照切层加工路径控制热刀平面二维运动和泡沫塑料坯件的绕旋转轴运动,逐层非接触气化切割,最终一次整体成形三维零件。本发明使得单件或小批量的复杂形状泡沫塑料零件制造成本大大降低、加工精度和效率得到提高。

Description

基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法及装置
技术领域
本发明涉及一种应用于消失模铸造、广告、艺术造型及装饰装潢领域的 泡沫塑料高分子材料产品的三维加工方法及其加工设备。
背景技术
泡沫塑料高分子材料具有密度小、保温隔热性能好、硬度低、稳定性好、 成本低及易于成形等特点。在消失模铸造、模具制造、广告、艺术造型、建 筑装饰装璜、电影戏剧道具及包装领域的应用颇为广泛。
目前根据泡沫塑料高分子材料产品的批量可以分为发泡成型和加工成型 两大类。对于大批量制造采用金属模具,在高温高压下发泡成型,成型的精 度亦高,但成型过程需要制作金属模具,并且还需要相应的发泡设备。因此
发泡成型的投资巨大,极大限制了单件、小批量产品的生产和制作;而对于 单件或小批量产品,则主要采用常规的机床加工或电热丝手工切割泡沫板制 成。由于泡沬质地较软,机床加工时刀具及加工参数可变范围小,易于发生 泡沫珠粒剥落的问题,常常增大了废品率和加工工时。采用电热丝手工加工, 加工精度及效率均很低,并且对加工人员的技术要求高,不适合标准化生产。 因此,泡沫高分子材料的快速制造问题,已成为限制其在消失模铸造、广告、 艺术造型及装饰装潢领域应用的瓶颈。
针对泡沫塑料高分子材料产品的加工技术,国内外进行了大量的研究工 作,申请了众多专利。现对已有的泡沬高分子材料成形技术及设备专利的相 关内容引述如下:
1.中国专利ZL03134410.0,公开了一种三维聚苯乙烯泡沫塑料模型的快 速成型方法及设备,该专利涉及点热源气化聚苯乙烯泡沫塑料,采用固定加 工方向的逐层气化方法,实现泡沫塑料三维快速成形,但对于复杂的三维实
体还需要先分块成形,再拼装。其加工策略与设备结构也与本发明不同;
2. 中国专利CN88212774U,公开了一种热钼丝和加热钼刀具加工二维泡沬 塑料产品的设备,塑料块的移动运动是通过手工进行的;
3. 中国专利ZL0320117245.X公开了一种CNC泡沫塑料切割机,刀具为电 热丝,可以完成二维切割加工,但不具备其它成形功能;
4. 德国专利DE102004050867,公开了采用计算机控制的泡沬塑料合金热 丝切割机,可以完成板材在水平和垂直方向不同轮廓的切割,但不具有其它 成形功能;
5. 日本专利JP1999-114899和JP2001-162597A公开了一种泡沫塑料模型 的数控加工技术和设备。该设备分别采用直线电热丝和回形电热棒作为泡沫 塑料的切割刀具,直线电热丝用于模型的外形加工,回形电热棒用于模型的 内腔加工,加工对象为泡沫塑料板或块。由于将直线电热丝作为切割刀具, 因此这两项发明的加工技术及设备仍然属于泡沫塑料的二维成形技术范畴。 但电热丝两端的固定机构可以独立运动,电热丝在加工过程中可以改变倾斜 角度,故加工出的二维模型两个端面形状可以不同,然而复杂形状三维模型 仍无法使用该技术加工。
发明内容
针对上述所列专利中聚苯乙烯泡沫塑料成形过程中存在的不足,即:二 维成形机速度快,但不具备三维成形功能;三维成形机虽具有三维形状零件 成形功能,但只能沿一个方向累积"生长",即下一层实体轮廓必须大于等于 其上层轮廓,加工的实体更像"浮雕"。特别对于复杂的三维实体还需要先分 块成形,再拼装,存在成形效率低,形状精度误差大等问题。本发明在专利 ZL03134410.0的基础上,参考数控加工中心的原理,提出了一种基于柱坐标 的泡沫塑料三维快速成形方法及装置。
为达到以上目的,本发明是采取如下技术方案予以实现的: 一种基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法,包括下述步骤: (1)根据零件形状特征,生成加工旋转轴P,建立坐标原点O在旋转轴
P上的柱坐标系统,将零件的直角坐标系CAD模型转换成柱坐标系下的模型;
(2) 按照定角度或定厚度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切分 生成多层加工轮廓数据;
(3) 根据定角度或定厚度切层轮廓数据,将泡沫塑料坯件夹持在过旋转 轴P的坯料固定、旋转机构上,利用计算机进行控制,通过电热刀二维平面 运动和坯件绕旋转轴运动相配合,定角度或定厚度逐层切割泡沫塑料, 一次 完成三维零件整体成形。
上述方法中,所述的定角度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切 分生成多层加工轮廓数据的具体方法是:以过零件旋转轴线的平面与零件的 ST文件模型的三角面片相求交,得到第一个切层轮廓;在切层轮廓获得后, 将模型绕旋转轴线旋转分层定角度e度,重复旋转轴线的平面与STL文件模 型的三角面片求交过程,得到下一切层轮廓;如此重复n次,11=180/0,得到 零件的所有定角度切层轮廓数据。
所述定厚度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切分生成多层加工 轮廓数据的具体方法是:以一定层厚度d为间隔的一系列垂直于水平旋转轴 的平面与零件的STL文件模型求交,得到一组平行的定厚度切层轮廓数据。
所述定角度逐层切割泡沬塑料的具体方法是:
1) 竖直导轨随水平滑动小车X向水平运动,固定支架带动电热刀Y向竖 直运动,使电热刀在热刀和旋转轴构成的平面内沿切层轮廓路径运动切割坯 料,完成一层轮廓的非接触加工;
2) 当一层轮廓加工完毕,水平回转电机控制坯料旋转一个分层角度e ,•
3) 重复步骤1),电热刀进行下一层轮廓加工,如此重复,当坯料旋转 360度后,零件即加工完毕。
所述定厚度逐层切割泡沫塑料的具体方法是:
1) 固定支架带动电热刀Y方向竖直运动,同时水平回转电机控制坯料绕 旋转轴P匀速旋转,使电热刀在垂直于水平旋转轴的平面内沿切层轮廓路径 运动切割坯料,完成一层轮廓的非接触加工;
2) 当一层轮廓加工完毕,竖直导轨随水平滑动小车X向水平移动一个层
厚d的距离;
3)重复步骤1),电热刀进行下一层轮廓加工,如此重复直到零件加工完毕。
一种实现上述方法的快速成形装置,包括机架、电热刀、计算机控制系 统和受其控制的电热刀二维平面运动机构,其特征在于,该装置还包括一个 基于柱坐标系统的由一个计算机控制的坯料固定、旋转机构,该坯料固定、 旋转机构与电热刀二维平面运动机构配合,实现对复杂三维泡沫塑料模型定 角度或定厚度分层加工。
上述方案中,所述坯料固定、旋转机构包括设置在机架一侧的水平回转 电机、尾架及尾架针盘,水平回转电机与尾架上的尾架顶针轴向之间形成加 工旋转轴P,泡沫塑料坯件通过该旋转轴装夹于回转电机轴与尾架顶针之间。 所述二维平面运动机构包括分别设置在上、下导轨上的两个水平滑动小 车,同边的上下水平滑动小车连接竖直导轨,竖直导轨上连接装有电热刀的 固定支架,电热刀水平运动是通过四个水平滑动小车内的水平驱动电机带动
滑动小车及竖直导轨整体水平移动实现;电热刀的竖直运动是通过下导轨两 个水平滑动小车内的竖直驱动电机通过竖直同步齿轮带带动固定支架沿竖直 导轨上下移动实现。
固定支架包括架体及架体两侧的圆钢导轨,圆钢导轨上设有滑架,电热刀 安装在滑架上,架体一端设有辅助步进电机通过同步带轮和同步带使电热刀 可沿圆钢导轨移动,用于辅助加工具有轮廓重叠的特殊三维模型。
本发明装置的特点是:
1、 采用门式冷挤压铝合金型材构成的框架结构形式,三个方向分别由四
根支撑梁组成,直接采用螺纹连接方式固定框架;运动导轨则利用钢元,镶 嵌于框架槽中。
2、 釆用超静定结构设计热刀的二维平面运动机构:在水平方向运动,采
用四台步进电机(两两独立),通过由四对滚动轴承组成的滑动小车、同步齿
轮及齿轮传送带,在运动导轨上完成;在竖直方向上,采用两台步进电机, 直接由同步齿轮及齿轮传送带完成运动。
3、 安装在水平针盘后一台电机直接带动泡沫塑料材料绕旋转轴转动,与 电热刀配合完成任意形状三维泡沫塑料零件的成形。
4、 自主开发的数据准备及加工控制软件自动生成加工、成形路径,自动 完成模型成形加工过程。
本发明借鉴数控加工中心的原理,结合了快速成形技术和电热刀具非接触 气化切割理论,可实现聚苯乙烯泡沫塑料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)泡沫塑 料、聚丙烯(EPP)泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等材料的快 速成形。本发明使得单件或小批量的复杂形状泡沫塑料材料零件制造成本大 大降低、加工精度和效率得到提高。
附图说明
图l是本发明装置结构图。
图2是图1中电热刀固定支架结构图。
图l、图2中涉及的标记分别表示:1.机架,2.回转电机,3.电热刀 固定支架,4.电热刀,5.水平同步齿轮带,6.水平滑动小车(内装水平运 动电机),7.水平上导轨,8.竖直同步齿轮带,9.竖直导轨,10.尾架针 盘,11.尾架,12.水平下导轨,13.水平同步齿轮带,14.转盘,15.转盘 电机,16.水平滑动小车(内装水平、竖直运动电机),17.辅助步进电机, 18.同步带轮,19.同步带,20.滑架,21.同步带轮,22.圆钢导轨,23. 坯件。
图3是图1装置的计算机控制系统原理图。
图4是本发明定角度分层加工模式的坯件示意图。
图5是本发明定厚度分层加工模式的坯件示意图。
图6是图4的俯视图。
图7是图5的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。
参见图1、图2、图3,本发明泡沬塑料三维快速成形设备由电热刀的二 维平面运动机构;坯料固定、旋转机构;辅助竖直旋转机构;电热刀具和计 算机控制系统(图3)组成。
计算机控制六台步进电机驱动的二维(x、 y)平面运动加工机构;由回转 电机2驱动的可旋转坯料23固定机构实现坯料的转动,与上述二维平面运动 配合,构成计算机控制下的电热刀三维定角度或定厚度分层加工模式;加工 装置还设有电热刀温度控制模块,实现在加工过程中刀具温度恒定,电热刀 具及温控部分的结构及工作原理参见本发明申请人的中国专利 ZL03134410.0。
二维平面运动机构由安装在上导轨7上的两个水平滑动小车6,安装在下 导轨12上的两个水平滑动小车16,竖直导轨9,水平同步齿轮带5、 13,竖 直同步齿轮带8,装有电热刀4的固定支架3组成,且竖直导轨安装在同边的 上下水平滑动小车上。电热刀水平运动是通过水平滑动小车内的步进电机带 动滑动小车及竖直导轨整体水平移动实现。电热刀的竖直运动是水平滑动小 车16内的另一个步进电机通过同步齿轮带8带动电热刀的固定支架3沿竖直 导轨9上下移动实现。
坯料固定、旋转机构由水平旋转电机2,尾架11和尾架针盘10组成。水 平回转电机2和安装于尾架11上的尾架顶针10配合,将泡沬塑料坯件23装 夹于其上。回转电机2直接带动坯件转动。
辅助竖直旋转机构由竖直转盘14和竖直转盘电机15组成,主要用于坯件 23的粗加工。
固定支架3包括架体及架体两侧的圆钢导轨22:电热刀4安装在一个滑 架20上,滑架20通过轴承卡在圆钢导轨22上。架体一端设有步进电机17 通过同步带轮18、 21和同步带19使电热刀4可沿圆钢导轨22移动,用于辅 助加工具有轮廓重叠的特殊三维模型。
如图l、图3所示,本发明基于柱坐标的泡沬塑料三维快速成形方法,包 括下述步骤:
第一,首先使用CAD软件建立产品的直角坐标系下三维CAD模型,通过
CAD软件接口输出零件的STL格式文件。
第二、根据零件形状特征,生成加工旋转轴P,建立坐标原点o在旋转轴 上的柱坐标系统,将零件的直角坐标系CAD模型转换成柱坐标系下的模型。
第三、再由图1图2的成形装置加工数据准备软件,按照定角度或定厚 度分层加工策略将零件的STL文件格式模型切分生成多层加工轮廓数据。
第四、设备控制系统通过步进电机根据每层加工轮廓数据,带动恒温电 热刀,利用泡沫塑料材料易气化的特点,非接触气化切割泡沫塑料坯料。
第五、根据模型形状特征不同,恒温电热刀在非接触气化切割泡沫塑料 坯料时,可采用定角度或定厚度分层加工模式进行逐层加工,完成任意复杂 三维模型的一次整体快速成形。
本发明实际工作时,根据模型的形状特征可以采用定角度或定厚度模式逐 层加工,以获得最佳的模型形状和尺寸精度。两种加工模式如图4-图7所示。
图4、图6是本发明的定角度分层加工模式示意图。图中每条虚线为代表 一层加工轮廓路径。定角度分层加工的具体实施过程为-
(1) 首先以过零件旋转轴线的平面与零件的STL文件模型的三角面片相 求交,得到第一个切层轮廓。在切层轮廓获得后,将模型绕旋转轴线P旋转 分层角度e度,重复旋转轴线的平面与STL文件模型的三角面片求交过程, 得到下一切层轮廓。如此重复n次,n=180/6 ,得到零件的所有定角度切层轮 廓数据。
(2) 在滑动小车6, 16内的四只水平电机控制下,竖直导轨9水平运动, 滑动小车16内的两个竖直电机控制固定支架3竖直运动,使电热刀4在热刀 和旋转轴构成的平面内沿切层轮廓路径运动切割坯料,完成一层轮廓的非接 触加工。
(3) 当一层轮廓加工完毕,水平回转电机2控制坯料旋转一个分层角度
(4) 重复步骤(2),电热刀进行下一层轮廓加工,如此重复,当坯料旋 转完成360度时,零件也就加工完毕了。
图5、图7是本发明的定厚度分层加工示意图。图中每条虚线为代表一层
加工轮廓路径。定厚度分层加工的具体实施过程为:
(1) 首先以一定层厚度d为间隔的一系列垂直于水平旋转轴P的平面与
零件的STL文件模型求交,得到一组平行的定厚度切层轮廓数据。
(2) 在滑动小车16内的两个竖直电机控制固定支架3竖直运动,带动 电热刀4上下运动,同时水平回转电机2控制坯料旋转以匀速度旋转,使电 热刀4在垂直于水平旋转轴的平面内沿切层轮廓路径运动切割坯料,完成一 层轮廓的非接触加工。
(3) 当一层轮廓加工完毕,在滑动小车6, 16内的四只水平运动电机带 动导轨9水平移动一个层厚d的距离。
(4) 重复步骤(2),电热刀进行下一层轮廓加工,如此重复直到零件加 工完毕。
本发明属于先进制造技术的范畴,它可以自动而迅速地将设计思想物化 实体模型,具有诸多的优点:1)快速实现复杂三维实体泡沬塑料材料零件的 一次整体成形,无专利ZL03134410. 0的先分块加工再拼接步骤,成形效率和 精度远远高于普通逐层累积快速成形;2)根据零件尺寸形状特征,可灵活采 用定角度或定厚度分层加工模式,进一步保证三维复杂零件的加工精度;3) 采用了热刀气化加工方法,加工成本大大低于其它三维快速成形;4)由于 采用了非接触加工方法,成形时作用力几乎为零,使设备刚度要求降低,结 构更为简单;5)高度柔性:成形设备不必做任何改动和调整,只需修改零 件的CAD模型和其后续制作数据,即可快速成形出各种复杂的三维产品。6) 高度集成化、自动化:CAD数据转换成STL格式后,便可进行分层加工数据准 备工作,这些工作完成后就可开始加工,整个工作都由随成形机所带的集成 软件完成。同传统的数控加工方法相比,本发明克服了 CAD/CAM集成时CAPP 这个瓶颈问题,它用重复的二维扫描成形复杂的三维零件,避免了数控加工 复杂的编程等步骤,从而实现高度自动化和程序化。7)由于三维复杂泡沫塑 料高分子材料零件的加工成形成为可能,将大大拓展其的应用领域,特别是 可应用到艺术造型、广告装饰等方面,并大幅度降低制造成本。

Claims (9)

1、一种基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法,其特征在于,包括下述步骤:(1)根据零件形状特征,生成加工旋转轴P,建立坐标原点o在旋转轴P上的柱坐标系统,将零件的直角坐标系CAD模型转换成柱坐标系下的模型;(2)按照定角度或定厚度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切分生成多层加工轮廓数据;(3)根据定角度或定厚度切层轮廓数据,将泡沫塑料坯件夹持在过旋转轴P的坯料固定、旋转机构上,利用计算机进行控制,通过电热刀X、Y二维平面运动和坯件绕旋转轴P运动相配合,定角度或定厚度逐层切割泡沫塑料,一次完成三维零件整体成形。
2、 如权利要求1所述的基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法,其特 征在于,所述的定角度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切分生成多 层加工轮廓数据的具体方法是:以过零件旋转轴线的平面与零件的ST文件模 型的三角面片相求交,得到第一个切层轮廓;在切层轮廓获得后,将模型绕 旋转轴线旋转分层定角度e度,重复旋转轴线的平面与STL文件模型的三角 面片求交过程,得到下一切层轮廓;如此重复n次,n=180/0 ,得到零件的所 有定角度切层轮廓数据。
3、 如权利要求1所述的基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法,其特 征在于,所述定厚度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切分生成多层 加工轮廓数据的具体方法是:以一定层厚度d为间隔的一系列垂直于水平旋 转轴的平面与零件的STL文件模型求交,得到一组平行的定厚度切层轮廓数 据。
4、 如权利要求1或2所述的基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法,其特征在于,所述定角度逐层切割泡沫塑料的具体方法是:1)竖直导轨随水平滑动小车X向水平运动,固定支架带动电热刀Y向竖 直运动,使电热刀在热刀和旋转轴构成的平面内沿切层轮廓路径运动切割坯 料,完成一层轮廓的非接触加工;2) 当一层轮廓加工完毕,水平回转电机控制坯料旋转一个分层角度9 ;3) 重复步骤1),电热刀进行下一层轮廓加工,如此重复,当坯料旋转 360度后,零件即加工完毕。
5、 如权利要求1或3所述的基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法, 其特征在于,所述定厚度逐层切割泡沫塑料的具体方法是:1) 固定支架带动电热刀Y方向竖直运动,同时水平回转电机控制坯料绕 旋转轴P匀速旋转,使电热刀在垂直于水平旋转轴的平面内沿切层轮廓路径 运动切割坯料,完成一层轮廓的非接触加工;2) 当一层轮廓加工完毕,竖直导轨随水平滑动小车X向水平移动一个层 厚d的距离;3) 重复步骤1),电热刀进行下一层轮廓加工,如此重复直到零件加工 完毕。
6、 一种实现权利要求1基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法的装 置,其特征在于,包括机架、电热刀、计算机控制系统和受其控制的电热刀 二维平面运动机构,其特征在于,该装置还包括一个基于柱坐标系统的由一 个计算机控制的坯料固定、旋转机构,该坯料固定、旋转机构与电热刀二维 平面运动机构配合,实现对复杂三维泡沬塑料模型定角度或定厚度分层加工。
7、 如权利要求6的一种实现权利要求1基于柱坐标的泡沬塑料三维快速 成形方法的装置,其特征在于,所述坯料固定、旋转机构包括设置在机架一 侧的水平回转电机、尾架及尾架针盘,水平回转电机与尾架上的尾架顶针轴 向之间形成加工旋转轴P,泡沫塑料坯件通过该旋转轴装夹于回转电机轴与 尾架顶针之间。
8、 如权利要求6的一种实现权利要求1基于柱坐标的泡沫塑料三维快速 成形方法的装置,其特征在于,所述二维^^面运动机构包括分别设置在上、 下导轨上的两个水平滑动小车,同边的上下水平滑动小车连接竖直导轨,竖 直导轨上连接装有电热刀的固定支架,电热刀水平运动是通过四个水平滑动 小车内的水平驱动电机带动滑动小车及竖直导轨整体水平移动实现;电热刀 的竖直运动是通过下导轨两个水平滑动小车内的竖直驱动电机通过竖直同步 齿轮带带动固定支架沿竖直导轨上下移动实现。
9、如权利要求6的一种实现权利要求1基于柱坐标的泡沫塑料三维快速 成形方法的装置,其特征在于,固定支架包括架体及架体两侧的圆钢导轨, 圆钢导轨上设有滑架,电热刀安装在滑架上,架体一端设有辅助步进电机通 过同步带轮和同步带使电热刀可沿圆钢导轨移动,用于辅助加工具有轮廓重 叠的特殊三维模型。
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