CN104353834B - 快速成型设备及其温度校准装置 - Google Patents

Abstract

一种快速成型设备及其温度校准装置，其中温度校准装置在黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度，控制单元接收红外传感器探测的温度数据并根据该数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，当黑体辐射源运动到第二预设位置时，第二限位开关发出触发信号，控制单元接收到第二限位开关的触发信号时，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动。本发明的温度校准装置提高了红外传感器探测快速成型设备工作平面温度的校准精度。

Description

快速成型设备及其温度校准装置

技术领域

本发明属于快速成型制造领域，具体涉及一种快速成型设备及其温度校准装置。

背景技术

快速成型技术（RapidPrototyping，简称RP）是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接CAD模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，自二十世纪八十年代末发展至今，己成为现代先进制造技术中的一项支柱技术。选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，简称SLS）是近年来发展最为迅速的快速成型技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光对三维实体的截面进行逐层扫描完成原型制造，不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，应用范围广。选择性激光烧结工艺的基本过程是：送粉装置将一定量粉末送至工作台面，铺粉装置将一层粉末材料平铺在成型缸已成型零件的上表面，加热装置将粉末加热至设定的粉末烧结温度，振镜控制激光器按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末的温度升至熔化点，粉末熔化烧结并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉装置又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。

由于SLS设备是一台热机器，烧结材料具备较高的热敏感度，温度变化与控制是影响SLS成型质量的关键因素之一。为了保证整个烧结过程的实时温度控制，通过红外传感器实时反馈回来的温度数据，及时调整加热装置的输出，保证新铺的粉层及时加热升温以及粉层加热到达后不会出现热过冲。但由于红外传感器存在零漂问题，也就是随着温度的升高，红外传感器的测量会出现漂移，由此导致测量温度出现误差，造成烧结工件的翘曲变形。

目前，虽然出现过利用黑体来校正红外传感器的技术，但黑体辐射源设置在选择性激光烧结设备的铺粉装置上，铺粉动作的运动使得红外传感器在运动中采集数据，这样会造成采集的数据存在误差；而且铺粉装置的运动也导致了工作腔体内气流产生，从而影响了校准精度。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术存在的问题，提供一种精度高，结构紧凑的快速成型设备及其温度校准装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种快速成型设备的温度校准装置，包括支撑机构、驱动机构、控制单元、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关，所述支撑机构设置在工作腔上，所述驱动机构、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关均设置在支撑机构上，所述驱动机构驱动黑体辐射源运动，当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度，控制单元接收红外传感器探测的温度数据并根据该数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，当黑体辐射源运动到第二预设位置时，第二限位开关发出触发信号，控制单元接收到第二限位开关的触发信号时，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动。

优选地，所述温度校准装置还包括第一限位板和第二限位板，所述第一限位板用于限制黑体辐射源在第一预设位置继续运动，所述第二预设位置用于限制黑体辐射源在第二预设位置继续运动。

优选地，所述控制单元根据红外传感器采集的数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准具体包括：

当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度；

控制单元接收红外传感器探测的温度数据并记录，当记录的数据达到N个时，求N个数据的平均值，其中N≥2；

将上述平均值与黑体辐射源自身测得的温度值进行比较，并根据比较得到的差值对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准。

优选地，所述温度校准装置还包括支撑座，所述支撑座具有一凹槽，所述黑体辐射源设置在凹槽内，所述驱动机构驱动支撑座运动，同时带动黑体辐射源一起运动。

优选地，所述第一预设位置设置在黑体辐射源完全遮挡红外传感器发射出红外光的位置，所述第二预设位置设置在黑体辐射源未遮挡红外传感器发射出红外光的位置。

优选地，所述黑体辐射源包括辐射体、加热器和热电阻，所述加热器的一面贴于辐射体，所述热电阻设置在辐射体内。

优选地，所述加热器的另一面贴有保温棉。

优选地，所述红外传感器发射出的红外光通过工作腔的窗口镜射入工作平面。

优选地，所述驱动机构包括电机和驱动轴，所述电机通过驱动轴驱动黑体辐射源和支撑座运动。

本发明的快速成型设备的温度校准装置，包括支撑机构、驱动机构、控制单元、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关，所述支撑机构设置在工作腔上，所述驱动机构、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关均设置在支撑机构上，所述驱动机构驱动黑体辐射源运动，当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度，控制单元接收红外传感器探测的温度数据并根据该数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，当黑体辐射源运动到第二预设位置时，第二限位开关发出触发信号，控制单元接收到第二限位开关的触发信号时，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，避免了现有技术中设置在铺粉装置的黑体辐射源，在其对红外传感器进行校准的过程中，铺粉动作的运动造成红外传感器在运动中采集的数据存在误差的弊端，本发明的快速成型设备的温度校准装置设置在工作腔上，且红外传感器在黑体辐射源停止时进行数据采集，从而提高了红外传感器探测快速成型设备工作平面温度的校准精度；另一方面，本发明通过将红外传感器和黑体辐射源均设置在支撑机构上，不仅提高了校准精度，而且整个温度校准装置结构更紧凑。

本发明的快速成型设备，通过具备上述温度校准装置，不仅提高了红外传感器探测的快速成型设备工作平面温度的校准精度，而且整个设备结构更紧凑。

附图说明

图1是本发明快速成型设备的温度校准装置提供的一实施例的结构图；

图2是图1温度校准装置的仰视图；

图3是图2的D-D剖视图。

图例说明：

1、支撑机构；2、电机；3、驱动轴；4、红外传感器；5、黑体辐射源；6、第一限位开关；7、第二限位开关；8、红外光；9、支撑座；10、第一限位板；11、第二限位板；51、辐射体；52、加热器；53、保温棉。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下将结合说明书附图和具体实施例做进一步详细说明。

为了避免现有技术中设置在铺粉装置上的黑体辐射源，在其对红外传感器进行校准的过程中，铺粉动作的运动造成红外传感器在运动中采集的数据存在误差的技术问题，本发明提供了一种校准精度高的快速成型设备的温度校准装置，该装置包括支撑机构、驱动机构、控制单元、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关，所述支撑机构设置在工作腔上，所述驱动机构、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关均设置在支撑机构上，所述驱动机构驱动黑体辐射源运动，当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度，控制单元接收红外传感器探测的温度数据并根据该数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，在此需说明的是，所述反向运动是指黑体辐射源与运动到第一预设位置前一时刻相反的方向运动；当黑体辐射源运动到第二预设位置时，第二限位开关发出触发信号，控制单元接收到第二限位开关的触发信号时，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，在此需说明的是，所述反向运动是指黑体辐射源与运动到第二预设位置前一时刻相反的方向运动。

可以理解的是，根据设计人员的要求，黑体辐射源运动到第二预设位置时可能停止一定时间，再在控制单元的控制下反向运动，当然，其停止时间也可能尽可能短，甚至忽略不计。另外，黑体辐射源每次对红外传感器校准结束时，其可停止在除第一预设位置外的任意位置，当然其可以停在第二预设位置；停止命令是控制单元需执行命令的优先级别，例如，当黑体辐射源运动到第二预设位置，此时如果控制单元同时接收到第二限位开关的触发信号或停止命令，此时控制单元将优先处理停止命令，控制黑体辐射源停止。

所述控制单元根据红外传感器采集的数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准具体包括：

当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度；

控制单元接收红外传感器探测的温度数据并记录，当记录的数据达到N个时，求N个数据的平均值，其中N≥2，N的取值设计人员可根据具体情况确定，例如N=10；

将上述平均值与黑体辐射源自身测得的温度值进行比较，并根据比较得到的差值对红外传感器探测的快速成型设备工作平面温度进行校准。

上述通过采用两次或两次的数据进行校准，使得本发明温度校准装置校准的更精确。

在此需说明的是，所述控制单元根据红外传感器采集的数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准还可以包括以下方式：

当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，控制单元接收红外传感器探测的温度数据并记录；

将记录的数据与黑体辐射源自身测得的温度值进行比较，并根据比较得到的差值对红外传感器探测的快速成型设备工作平面温度进行校准。

在本发明的具体实施中，所述第一预设位置设置在黑体辐射源完全遮挡红外传感器发射出红外光的位置，此时红外传感器不能探测工作平面内温度，所述第二预设位置设置在黑体辐射源未遮挡红外传感器发射出红外光的位置，此时红外传感器可正常探测工作平面内温度。

在本发明的具体实施中，所述黑体辐射源包括辐射体、加热器和热电阻，所述加热器的一面贴于辐射体，所述热电阻设置在辐射体内。优选地，所述加热器的另一面贴有保温棉。

在本发明的具体实施中，所述支撑机构的形状可根据设计人员的需求自由设计，例如可以为凸形、锥形，或其它形状。所述红外传感器发射出的红外光通过工作腔的窗口镜射入工作平面。

本发明的快速成型设备的温度校准装置，通过包括支撑机构、驱动机构、控制单元、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关，所述支撑机构设置在工作腔上，所述驱动机构、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关均设置在支撑机构上，所述驱动机构驱动黑体辐射源运动，当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度，控制单元接收红外传感器探测的温度数据并根据该数据对快速成型设备工作平面的温度进行校准，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，当黑体辐射源运动到第二预设位置时，第二限位开关发出触发信号，控制单元接收到第二限位开关的触发信号时，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，避免了现有技术中设置在铺粉装置的黑体辐射源，在其对红外传感器进行校准的过程中，铺粉动作的运动造成红外传感器在运动中采集的数据存在误差的弊端，本发明的快速成型设备的温度校准装置设置在工作腔上，且红外传感器在黑体辐射源停止时进行数据采集，从而提高了红外传感器探测快速成型设备工作平面温度的校准精度。

优选地，所述温度校准装置还包括支撑座，所述支撑座具有一凹槽，所述黑体辐射源设置在凹槽内，所述驱动机构驱动支撑座运动，同时带动黑体辐射源一起运动，这样不仅起到支撑黑体辐射源的作用，还大大减小了工作腔内环境温度对黑体辐射源的影响。具体实施中，所述驱动机构包括电机和驱动轴，所述电机通过驱动轴驱动黑体辐射源和支撑座运动。

作为本发明的一种优选方案，为了防止黑体辐射源由于运动惯性造成停止位置不够精确，以及第一限位开关和/或第二限位开关可能存在的瞬时感应灵敏度低的弊端，所述温度校准装置还包括第一限位板和第二限位板，所述第一限位板用于限制黑体辐射源在第一预设位置继续运动，所述第二预设位置用于限制黑体辐射源在第二预设位置继续运动，这样可确保黑体辐射源在设定位置处的运动状态更精确。

本发明还提供了一种快速成型设备，该快速成型设备通过包括上述任一实施例的温度校准装置，提高了红外传感器探测快速成型设备工作平面温度的校准精度。

为了让本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图详细叙述本发明提供的优选实施例。

图1是本发明快速成型设备的温度校准装置提供的一实施例的结构图，图2是图1温度校准装置的仰视图，图3是图2的D-D剖视图。如图1-图3所示，快速成型设备的温度校准装置包括支撑机构1、驱动机构、控制单元、红外传感器4、黑体辐射源5、第一限位开关6、第二限位开关7、支撑座9、第一限位板10和第二限位板11，所述支撑机构1设置在工作腔上，所述红外传感器4发射出的红外光8通过工作腔的窗口镜射入工作平面。所述驱动机构、红外传感器4、黑体辐射源5、第一限位开关6和第二限位开关均设置在支撑机构1上，所述驱动机构包括电机2和驱动轴3，所述黑体辐射源5包括辐射体51、加热器52、热电阻和保温棉53，所述加热器52的一面贴于辐射体51，所述加热器52的另一面贴有保温棉53，所述热电阻设置在辐射体51内。所述支撑座9具有一凹形槽，所述黑体辐射源5设置在凹槽内，所述驱动机构驱动支撑座9运动，同时带动黑体辐射源5相对运动。

首先对黑体辐射源5设定某一温度值，加热器52对黑体辐射源5加热，由热电阻读取其温度值反馈至控制单元，温度达到设定值后，控制加热器52的输出，使黑体辐射源5温度保持恒定。

控制单元根据设计人员的需要定时控制电机2驱动黑体辐射源5运动，当黑体辐射源5运动到第一预设位置时，第一限位开关6发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关6的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源5停止运动，当黑体辐射源5停止运动时，红外传感器4探测黑体辐射源5的辐射温度，控制单元接收红外传感器4采集的数据并根据该数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准，在预设时间内完成温度数据的采集，之后控制驱动机构驱动黑体辐射源5反向运动，当黑体辐射源5运动到第二预设位置时，第二限位开关发出触发信号，控制单元接收到第二限位开关的触发信号时，控制驱动机构驱动黑体辐射源5反向运动。所述第一预设位置设置在黑体辐射源5完全遮挡红外传感器4发射出红外光8的位置，所述第二预设位置设置在黑体辐射源5未遮挡红外传感器4发射出红外光8的位置，所述第一限位板10用于限制黑体辐射源5在第一预设位置继续运动，所述第二预设位置用于限制黑体辐射源5在第二预设位置继续运动。

由上描述可知，黑体辐射源5在电机2的驱动下，在第一预设位置和第二预设位置之间进行往返运动，并通过以下方法实现红外传感器4探测的快速成型设备工作平面温度的校准：

当黑体辐射源5运动到第一预设位置时，第一限位开关6发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关6的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源5停止，当黑体辐射源5停止时，控制单元接收红外传感器4采集的数据并分别记录为T₁，T₂，……；

当记录的数据达到N个时，求N个数据的平均值T，其中N≥2，

T=〔T₁+T₂+……〕／N；

将上述平均值T与黑体辐射源5中热电阻测得的温度值T₀进行比较，并根据比较得到差值△T=T₀－T，由此可对红外传感器4探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准，例如，当红外传感器4探测的快速成型设备工作平面的温度为T_i，则其修正值应该为T_i－△T，从而实现了温度校准。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均应属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和修饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种快速成型设备的温度校准装置，其特征在于，包括支撑机构、驱动机构、控制单元、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关，所述支撑机构设置在工作腔上，所述驱动机构、红外传感器、黑体辐射源、第一限位开关和第二限位开关均设置在支撑机构上，所述驱动机构驱动黑体辐射源运动，当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度，控制单元接收红外传感器探测的温度数据并根据该数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动，当黑体辐射源运动到第二预设位置时，第二限位开关发出触发信号，控制单元接收到第二限位开关的触发信号时，控制驱动机构驱动黑体辐射源反向运动。

2.根据权利要求1所述的温度校准装置，其特征在于，所述温度校准装置还包括第一限位板和第二限位板，所述第一限位板用于限制黑体辐射源在第一预设位置继续运动，所述第二预设位置用于限制黑体辐射源在第二预设位置继续运动。

3.根据权利要求1或2所述的温度校准装置，其特征在于，所述控制单元根据红外传感器采集的黑体辐射源的温度数据对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准具体包括：

当黑体辐射源运动到第一预设位置时，第一限位开关发出触发信号，控制单元接收到第一限位开关的触发信号时，通过驱动机构控制黑体辐射源停止运动，当黑体辐射源停止运动时，红外传感器探测黑体辐射源的辐射温度；

控制单元接收红外传感器探测的温度数据并记录，当记录的数据达到N个时，求N个数据的平均值，其中N≥2；

将上述平均值与黑体辐射源自身测得的温度值进行比较，并根据比较得到的差值对红外传感器探测的快速成型设备工作平面的温度进行校准。

4.根据权利要求3所述的温度校准装置，其特征在于，所述温度校准装置还包括支撑座，所述支撑座具有一凹槽，所述黑体辐射源设置在凹槽内，所述驱动机构驱动支撑座运动，同时带动黑体辐射源一起运动。

5.根据权利要求4所述的温度校准装置，其特征在于，所述第一预设位置设置在黑体辐射源完全遮挡红外传感器发射出红外光的位置，所述第二预设位置设置在黑体辐射源未遮挡红外传感器发射出红外光的位置。

6.根据权利要求5所述的温度校准装置，其特征在于，所述黑体辐射源包括辐射体、加热器和热电阻，所述加热器的一面贴于辐射体，所述热电阻设置在辐射体内。

7.根据权利要求6所述的温度校准装置，其特征在于，所述加热器的另一面贴有保温棉。

8.根据权利要求7所述的温度校准装置，其特征在于，所述红外传感器发射出的红外光通过工作腔的窗口镜射入工作平面。

9.根据权利要求8所述的温度校准装置，其特征在于，所述驱动机构包括电机和驱动轴，所述电机通过驱动轴驱动黑体辐射源和支撑座运动。

10.一种快速成型设备，其特征在于，所述设备包括权利要求1-9任一项所述的温度校准装置。