CN106696250B - 一种光纤传感构件的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感构件的制备装置及方法，涉及快速成型设备技术领域。一种基于3D打印技术的光纤传感构件的制备装置，其采用双机械手的设计，能够实现一边制造物体一边铺设光纤；通过把光纤埋入待测实体从而形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量，从而避免塑性变形。该制备装置结构简单，操作方便，适用面广；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。一种光纤传感构件的制备方法，基于上述的光纤传感构件的制备装置，具备光纤传感构件的制备装置的特点。

Description

一种光纤传感构件的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及快速成型设备技术领域，具体而言，涉及一种光纤传感构件的制备装置及方法。

背景技术

3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称；其基本原理是叠层制造形成3D实体。实体通常由打印所需的耗材通过热熔机融化再冷却凝固形成，但是耗材的硬度与强度不高，导致做出的实体易损坏。

为了解决上述问题，目前一般采用将传感器安置于实体上，通过传感器实时监测打印件的形变程度。通常的作法是将传感器粘贴于实件表面。当被检测的实体发生形变时，粘贴传感器的胶体也会发生形变；但是其胶体的弹性模量与被检实体的不同，因而传感器的测量结果产生误差导致打印出来的实体的废品率还是较高。

发明内容

本发明实施例的目的之一在于提供一种基于3D打印技术的光纤传感构件的制备装置，其采用双机械手的设计，能够实现一边制造物体一边铺设光纤；通过把光纤埋入待测实体从而形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量，从而避免塑性变形。该制备装置结构简单，操作方便，适用面广；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

本发明实施例的目的之二在于提供一种光纤传感构件的制备方法，基于上述的光纤传感构件的制备装置，具备光纤传感构件的制备装置的特点。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光纤传感构件的制备装置，包括第一机械手、第二机械手与支承装置；支承装置包括具有支承面的底座以及设于支承面上的工作台；第一机械手与第二机械手相对设置于工作台的两侧；工作台远离支承面的端面为操作面。第一机械手具有相对的两端，其中一端可拆式地设有打印头组件；另一端与支承面可转动地连接，用于移动打印头组件在操作面上打印出3D构件。第二机械手具有相对的两端，其中一端可拆式地设有光纤铺设组件；光纤铺设组件包括铺设支座、固定件、铺设滚轴与光纤导轨；铺设滚轴通过滚轴支架设于铺设支座上；光纤导轨的两端分别连接于铺设滚轴与铺设支座；固定件具有相对的两端，其中一端与铺设支座可转动地连接，另一端与光纤可分离地配合；光纤沿着光纤导轨延伸直至缠绕于铺设滚轴，并与固定件配合；第二机械手的另一端与支承面可转动地连接，用于移动光纤铺设组件将光纤嵌入3D构件。

发明人发现：目前一般采用将传感器安置于实体上实现实时监测形变量，通常的作法是将传感器粘贴于实件表面。但是其粘贴所用的胶体的弹性模量与被检实体的不同，因而传感器的测量结果产生误差导致打印出来的实体的废品率较高。

旨在解决上述情况，发明人设计了一种光纤传感构件的制备装置，具备双机械手的操作方式，其第一机械手与第二机械手可活动地相对设置于工作台的两侧。第一机械手可拆式地设有打印头组件，用于在工作台的操作面上打印出3D构件；第二机械手可拆式地设有光纤铺设组件，用于将光纤嵌入3D构件。其光纤铺设组件包括铺设支座以及设于该铺设支座上的固定件、铺设滚轴与光纤导轨；其中铺设滚轴是通过滚轴支架设于铺设支座上；而光纤导轨的两端分别连接于铺设滚轴与铺设支座。固定件具有相对的两端，其中一端与铺设支座可转动地连接。当光纤沿着光纤导轨延伸直至缠绕于铺设滚轴，固定件的另一端用于与光纤可分离地配合。该制备装置结构简单，操作方便；通过把光纤埋入待测实体共同形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量，从而避免塑性变形；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

在本发明的一种实施方式中：

第一机械手与第二机械手均为四轴机械手，具有依次可转动连接的第一机械臂、第二机械臂与第三机械臂；第三机械臂连接有设于底座的第四电机，第四电机用于驱动第三机械臂围绕第四电机的轴线旋转；第二机械臂连接有第三电机，第三电机用于驱动第二机械臂围绕与第三机械臂连接的关节点旋转且与第三机械臂具有倾角；第一机械臂连接有第二电机，第二电机用于驱动第一机械臂围绕与第二机械臂连接的关节点旋转且与第二机械臂具有倾角；第一机械臂内部还设有第一电机，第一电机用于驱动第一机械臂围绕第二机械臂的轴线旋转。

在本发明的一种实施方式中：

打印头组件设于第一机械臂远离第二机械臂的一端端部；打印头组件包括喷头、散热器、热熔器与耗材进料器；耗材进料器设有第五电机与齿轮件，第五电机与齿轮件配合用于将耗材挤压进入热熔器；喷头与热熔器相连用于将融化的耗材喷出；散热器设于喷头处。

在本发明的一种实施方式中：

散热器包括至少一个散热风扇，散热风扇还设有对准喷头的出风口；耗材进料器与热熔器之间还设有散热片。

在本发明的一种实施方式中：

光纤铺设组件还包括光纤卷筒，光纤卷筒设于铺设支座远离铺设滚轴的端面上。

在本发明的一种实施方式中：

光纤卷筒还设有弹性件，弹性件与缠绕于光纤卷筒的光纤连接。

在本发明的一种实施方式中：

铺设支座与光纤导轨的连接处还设有用于固定光纤的第一固定环；工作台上还设有固定光纤的第二固定环。

在本发明的一种实施方式中：

第一机械手与第二机械手分别位于操作面的一条对角线的两端。

在本发明的一种实施方式中：

操作面上还铺设有热床。

一种光纤传感构件的制备方法，包括如下步骤：

S1：热熔器和热床开始预热，直到喷头和热床的温度达到预定温度时，开始打印工作；

S2：喷头通过第一机械臂对准热床并调整好距离；耗材进料器通过第五电机将打印所需的耗材挤压进入热熔器，并通过齿轮件共同施压将融化的耗材通过喷头喷出；喷头与第一机械手共同配合在热床上移动开始逐层打印出3D构件；

S3：当打印过程进行到需要光纤铺设层面时，喷头按照光纤铺设轨迹弯曲次数，将光纤铺设层面分成多个区域；每弯曲一次分成两个区域，构成容纳光纤的光纤槽与光纤铺设口；然后喷头退出操作面的工作区域，光纤铺设组件通过第二机械手移动到操作面上方开始铺设光纤工作；光纤从光纤卷筒拉出，穿过第一固定环沿着光纤导轨缠绕于光纤滚轴上后，固定件将光纤固定按压进光纤槽；铺设好的光纤远离光纤卷筒的一端穿过工作台上的第二固定环，第二机械手带动光纤铺设组件退出操作面的工作区域，并向工作台的下方移动以保持光纤的紧绷状态；喷头继续开始打印工作，在光纤铺设层面上继续逐层打印直至打印结束。

本发明的实施例具有以下有益效果：

本发明的实施例提供的一种基于3D打印技术的光纤传感构件的制备装置，其采用双机械手的设计，能够实现一边制造物体一边铺设光纤；通过把光纤埋入待测实体共同形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量从而避免塑性变形。该制备装置结构简单，操作方便，适用面广；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

本发明的实施例提供的一种光纤传感构件的制备方法，基于上述的光纤传感构件的制备装置，具备光纤传感构件的制备装置的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中光纤传感构件的制备装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中打印头组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中打印头组件内部的结构示意图；

图4为本发明实施例中光纤铺设组件的结构示意图。

图标：100-光纤传感构件的制备装置；10-支承装置；101-底座；102-支承面；103-工作台；104-操作面；105-第二固定环；106-热床；20-第一机械手；30-第二机械手；201-第一机械臂；202-第二机械臂；203-第三机械臂；204-第四电机；40-打印头组件；401-喷头；402-散热器；403-热熔器；404-耗材进料器；405-耗材管；406-第五电机；407-齿轮件；408-出风口；409-散热片；50-光纤铺设组件；501-铺设支座；502-固定件；503-铺设滚轴；504-光纤导轨；505-滚轴支架；506-光纤卷筒；507-弹性件；508-第一固定环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种基于3D打印的光纤铺设装置的具体结构，其包括支承装置10、第一机械手20与第二机械手30。

支承装置10包括具有支承面102的底座101以及设于支承面102上的工作台103；其工作台103位于支承面102的中心处且通过螺栓或其他固定件502与支承面102固定连接。工作台103远离支承面102的端面为操作面104；该操作面104平行于支承面102且在该操作面104还铺设有热床106。在工作台103靠近侧壁的边上还设有第二固定环105。为了方便加工制造，底座101与工作台103的形状可以为矩形、圆形等；在本实施例中，底座101与工作台103均为矩形，且工作台103的长度方向上的两端与底座101相对的两端延伸方向一致。

第一机械手20与第二机械手30设于支承面102上且相对位于工作台103的两侧；为了增大第一机械手20与第二机械手30的操作空间且防止彼此之间相互碰撞；在本实施例中，第一机械手20与第二机械手30分别位于操作面104的一条对角线的两端。

第一机械手20与第二机械手30均为四轴机械手，具有依次可转动连接的第一机械臂201、第二机械臂202与第三机械臂203，这种结构设计可以让四轴机械手的手臂部分在几何平面内作自由运动；即可以相对于操作面104作复杂运动。基于实现四轴运动需要作为驱动源的四个伺服电机，分别为第一电机、第二电机、第三电机与第四电机204。

其中第四电机204设于底座101且与第三机械臂203传动连接，用于驱动第三机械臂203以支承面102为参考水平面围绕第四电机204的轴线旋转；在本实施例中，第三机械臂203垂直于支承面102。其中第三电机与第二机械臂202传动连接，用于驱动第二机械臂202围绕与第三机械臂203连接的关节点，且以第三机械臂203垂直于支承面102所在的平面为参考面上旋转；第二机械臂202在旋转过程中与第三机械臂203具有可变倾角。其中第二电机与第一机械臂201传动连接，用于驱动第一机械臂201围绕与第二机械臂202连接的关节点旋转；第一机械臂201在旋转过程中与第二机械臂202具有可变倾角。其中第一电机设于第一机械臂201内部，用于驱动第一机械臂201围绕第二机械臂202的轴线旋转。在本实施例中，为了优化视觉效果与节约空间，将第二电机与第三电机均设于作为最长端第三机械臂203的机壳内；在其他具体实施例，上述电机可以放置于其他位置。

上述关于发明人的双机械手的设计，是为了实现一边制造物体一边铺设光纤的目的。将打印头组件40与光纤铺设组件50分别设于上述的第一机械手20与第二机械手30；在本实施例中，打印头组件40设于第一机械手20的第一机械臂201上，用于在操作面104上打印出3D构件；光纤铺设组件50设于第二机械手30的第一机械臂201上，用于将光纤嵌入3D构件；如此便可制造出一个具有光纤传感功能的构件。

请参照图2所示的打印头组件40的具体结构图；打印头组件40为块状结构，具有作为载体的支架。在支架的外表处至少设有一个散热器402，以保证散热充分。在本实施例中，散热器402为散热风扇，用于降低打印头组件40的温度。作为核心部件的打印喷头401设于支架的下端，其喷头401垂直于支架表面且呈倒锥状用于对准操作面104。为了进一步优化散热效果，在喷头401处还设有一个小型的散热风扇，该风扇具有一个正对于喷头401的出风口408；其作用在于不仅降低了喷头401的的温度，而且还加快了从喷头401喷出的耗材凝固进而加快打印速度。

再参照图2结合图3，图3示出了打印头组件40内部设有的热熔器403、耗材管405与耗材进料器404。设于喷头401上方依次设有用于加热耗材的热熔器403与耗材进料器404。其耗材管405与喷头401连通，是输送耗材的通道；而耗材进料器404就是作为输送耗材的动力源，通过能提供一定扭力的第五电机406进行辅助进料。为了达到更高效的进料效果，除了在耗材管405的一侧设有第五电机406的转子；另外在耗材管405相对的另一侧设有配有弹簧的齿轮件407；通过上述第五电机406的转子与齿轮件407的配合同步挤压耗材管405，将耗材压向喷头401。其中最靠近喷头401上方的是热熔器403，其作用在于将耗材融化；然后通过后面的耗材进料器404继续往前挤压，就可以让已融化的呈液态的耗材通过喷头401挤出来了；从而在操作面104上打印出3D构件。需要说明的是，在喷头401与热熔器403之间设有散热片409，其作用在于避免金属良好的导热性将上方待进的耗材提早融化，从而导致无法进料。

在本实施例中，耗材为常见的ABS塑料与PLA塑料，均具有高强度、韧性好、重量低且表面光滑等优点；在其他具体实施例中，耗材的材料不限于上述。

请参照图4，图4为光纤铺设组件50的具体结构；其包括铺设支座501、固定件502、弹性件507、光纤卷筒506、铺设滚轴503与光纤导轨504。

铺设支座501上远离第一机械臂201的端面上设有用于固定铺设滚轴503的滚轴支架505，铺设滚轴503与滚轴支架505可转动地连接。光纤导轨504的两端分别延伸至铺设滚轴503与铺设支座501，且在光纤导轨504与铺设支座501的连接处还设有第一固定环508。光纤卷筒506设于铺设支座501的内部，光纤从光纤卷筒506拉出，从铺设支座501的表面伸出再穿过第一固定环508，并沿着光纤导轨504直至绕铺设滚轴503一圈拉出。固定件502具有相对的两端，其中一端与铺设支座501可转动地连接；另一端与光纤可分离地配合，其作用在于：光纤从铺设滚轴503拉出时并与3D构件的表面接触时，固定件502远离铺设支座501的一端用于向光纤施加一定的压力，将光纤嵌入3D构件内。

为了让光纤保持一定的张紧力且防止光纤从光纤卷筒506内拉出过多，在靠近光纤卷筒506处还设置有弹性件507。该弹性件507配设有与之弹性连接的旋转杆，该旋转杆其中的一端可旋转地连接，另一端设有扣环。光纤穿过扣环并外延伸时，会拉动旋转杆旋转，进而拉伸与旋转杆连接的弹性件507；弹性件507在拉伸过程中会克服本身的弹性力，反向作用于旋转杆让其往与原本的旋转方向相反的方向上旋转。需要说明的是，为了控制光纤从光纤卷筒506拉出的速度，在本实施例中，光纤卷筒506的外周面上设有带有一定摩擦阻力的防滑贴膜等阻尼件；在其他具体实施例中，也可以在光纤卷筒506相对的两端设有弹簧等弹性部件。

综上，本发明的实施例提供的一种光纤传感构件的制备装置100，其采用双机械手的设计，能够实现一边制造物体一边铺设光纤；通过把光纤埋入待测的3D构件从而形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量从而避免塑性变形。该制备装置结构简单，操作方便，适用面广；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

本发明的实施例还提供一种光纤传感构件的制备方法，基于上述的光纤传感构件的制备装置100，具备光纤传感构件的制备装置100的特点。包括如下步骤：

S1：热熔器403和热床106开始预热，直到喷头401和热床106的温度达到预定温度时，开始打印工作；

S2：喷头401通过第一机械臂201对准热床106并调整好距离；耗材进料器404通过第五电机406将打印所需的耗材挤压进入热熔器403，并通过齿轮件407共同施压将融化的耗材通过喷头401喷出；喷头401与第一机械手20共同配合在热床106上移动开始逐层打印出3D构件；

S3：当打印过程进行到需要光纤铺设层面时，喷头401按照光纤铺设轨迹弯曲次数，将光纤铺设层面分成多个区域；每弯曲一次分成两个区域，构成容纳光纤的光纤槽与光纤铺设口；然后喷头401退出操作面104的工作区域，光纤铺设组件50通过第二机械手30移动到操作面104上方开始铺设光纤工作；光纤从光纤卷筒506拉出，穿过第一固定环508沿着光纤导轨504缠绕于光纤滚轴上后，固定件502将光纤固定按压进光纤槽；铺设好的光纤远离光纤卷筒506的一端穿过工作台103上的第二固定环105，第二机械手30带动光纤铺设组件50退出操作面104的工作区域，并向工作台103的下方移动以保持光纤的紧绷状态；喷头401继续开始打印工作，在光纤铺设层面上继续逐层打印直至打印结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤传感构件的制备装置，其特征在于：

包括第一机械手、第二机械手与支承装置；所述支承装置包括具有支承面的底座以及设于所述支承面上的工作台；所述第一机械手与所述第二机械手相对设置于所述工作台的两侧；所述工作台远离所述支承面的端面为操作面；

所述第一机械手具有相对的两端，其中一端可拆式地设有打印头组件；另一端与所述支承面可转动地连接，用于移动所述打印头组件在所述操作面上打印出3D构件；

所述第二机械手具有相对的两端，其中一端可拆式地设有光纤铺设组件；所述光纤铺设组件包括铺设支座、固定件、铺设滚轴与光纤导轨；所述铺设滚轴通过滚轴支架设于所述铺设支座上；所述光纤导轨的两端分别连接于所述铺设滚轴与所述铺设支座；所述固定件具有相对的两端，其中一端与所述铺设支座可转动地连接，另一端与光纤可分离地配合；所述光纤沿着所述光纤导轨延伸直至缠绕于所述铺设滚轴，并与所述固定件配合；所述第二机械手的另一端与所述支承面可转动地连接，用于移动所述光纤铺设组件将所述光纤嵌入所述3D构件。

2.根据权利要求1所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述第一机械手与所述第二机械手均为四轴机械手，具有依次可转动连接的第一机械臂、第二机械臂与第三机械臂；所述第三机械臂连接有设于所述底座的第四电机，所述第四电机用于驱动所述第三机械臂围绕所述第四电机的轴线旋转；所述第二机械臂连接有第三电机，所述第三电机用于驱动所述第二机械臂围绕与所述第三机械臂连接的关节点旋转，且所述第二机械臂与所述第三机械臂具有倾角；所述第一机械臂连接有第二电机，所述第二电机用于驱动所述第一机械臂围绕与所述第二机械臂连接的关节点旋转，且所述第一机械臂与所述第二机械臂具有倾角；所述第一机械臂内部还设有第一电机，所述第一电机用于驱动所述第一机械臂围绕所述第二机械臂的轴线旋转。

3.根据权利要求2所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述打印头组件设于所述第一机械臂远离所述第二机械臂的一端端部；所述打印头组件包括喷头、散热器、热熔器与耗材进料器；所述耗材进料器设有第五电机与齿轮件，所述第五电机与所述齿轮件配合用于将耗材挤压进入所述热熔器；所述喷头与所述热熔器相连用于将融化的所述耗材喷出；所述散热器设于所述喷头处。

4.根据权利要求3所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述散热器包括至少一个散热风扇，所述散热风扇还设有对准所述喷头的出风口；所述耗材进料器与所述热熔器之间还设有散热片。

5.根据权利要求1所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述光纤铺设组件还包括光纤卷筒，所述光纤卷筒设于所述铺设支座远离所述铺设滚轴的端面上。

6.根据权利要求5所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述光纤卷筒还设有弹性件，所述弹性件与缠绕于所述光纤卷筒的所述光纤连接。

7.根据权利要求6所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述铺设支座与所述光纤导轨的连接处还设有用于固定所述光纤的第一固定环；所述工作台上还设有固定所述光纤的第二固定环。

8.根据权利要求1所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述第一机械手与所述第二机械手分别位于所述操作面的的一条对角线的两端。

9.根据权利要求8所述的光纤传感构件的制备装置，其特征在于：所述操作面上还铺设有热床。

10.一种光纤传感构件的制备方法，包括如下步骤：

S1：热熔器和热床开始预热，直到喷头和所述热床的温度达到预定温度时，开始打印工作；

S2：所述喷头通过第一机械臂对准所述热床并调整好距离；耗材进料器通过第五电机将打印所需的耗材挤压进入所述热熔器，并通过齿轮件共同施压将融化的所述耗材通过所述喷头喷出；所述喷头与第一机械手共同配合在所述热床上移动开始逐层打印出3D构件；

S3：当打印过程进行到需要光纤铺设层面时，所述喷头按照光纤铺设轨迹弯曲次数，将所述光纤铺设层面分成多个区域；每弯曲一次分成两个区域，构成容纳光纤的光纤槽与光纤铺设口；然后所述喷头退出操作面的工作区域，光纤铺设组件通过第二机械手移动到所述操作面上方开始铺设光纤工作；光纤从光纤卷筒拉出，穿过第一固定环沿着光纤导轨缠绕于光纤滚轴上后，固定件将所述光纤固定按压进所述光纤槽；铺设好的所述光纤远离所述光纤卷筒的一端穿过工作台上的第二固定环，所述第二机械手带动所述光纤铺设组件退出所述操作面的工作区域，并向所述工作台的下方移动以保持所述光纤的紧绷状态；所述喷头继续开始打印工作，在所述光纤铺设层面上继续逐层打印直至打印结束。