CN1272169C - 刀切型纸层叠快速成形机 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种低成本纸质产品原型、模型的快速分层制作设备。以具有自适应转向能力的刀具作为纸张材料的逐层切割工具，由刀具装置、刀具控制器及其步进电机驱动的XY运动机构组成，设备切割系统具有成本低廉、无需控制刀具切向、制作质量高、不产生切割烟雾等优点。利用一个精密开关和由步进电机控制的工作台运动构成了高度测量系统，根据步进电机转动步数就可换算出制作高度并决定分层，提高了制件高度方向的制作精度。该机构结构简单、抗干扰能力强、成本低。

Description

刀切型纸层叠快速成形机

技术领域

本发明涉及一种快速成形设备，特别涉及一种纸质产品原型、模型的刀切型纸层叠快速成形制作设备。该设备具体实现了快速成形技术领域中的分层实体制造技术。

背景技术

分层实体制造技术是一种依靠纸张材料逐层堆积直接从三维CAD模型获得实际物理模型的快速原型技术。用分层实体技术制作模型时，首先要取得待加工件的三维CAD模型，然后对三维模型分层或对加工中实时分层得到逐层制作数据。具体制作时，成形机根据上述分层数据逐层铺纸、粘接和切割当前层轮廓，最终制作出包含了制件的制作块，经手工剥离废料后取出制作模型。

分层实体制造技术由于其原理简单、实现方便、采用的原材料价格便宜，因而国内外已有多家厂商生产相关设备。这些设备以带热熔胶的纸张作为加工材料，以激光或刀具作为切割手段。代表性的产品有：

美国Helisys公司的LOM-1015plus快速成形机，如机械制造系统工程国家重点实验室(座落于西安交通大学工程院内的)中的实物产品，设备采用CO2激光器作为纸张材料切割手段，通过纸张材料的逐层粘接、切割过程制作模型。该设备包括一个由激光器及其光路系统组成的激光切割系统，实现纸张材料的具体切割工作；由收纸卷、导向辊组和原料卷组成送纸机构，通过电机带动收纸卷和原料纸卷输送纸带；由热压辊组成的热压机构，完成纸张的热压粘接，工作台承载层叠材料及制作块。由于激光及其光路系统成本高，因而设备造价昂贵，并且必须有专门的抽排机构将激光切割产生的烟雾排出室外。

另外一种纸叠层快速成形机采用激光切割纸张材料制作模型，该设备也是依靠激光切割卷筒纸材料，其送纸机构是在送纸端和收纸端各设一个步进电机，并有纸的防跑偏、防起皱装置。该设备的加热粘合装置由预热灯、红外加热板、预热室、压力可调钢制加热加压辊和压力可调的橡胶加压辊构成；设备中的打滑装置由运动轮、摩擦轮、弹簧、调节器、接近开关、接收器及控制器构成。该设备实现了纸层之间粘合牢固，实现无张力送收纸(详见CN96239772.5、CN96119609.2)。

清华大学研究的大型分层实体制造系统的设备整体结构与前两种类似，但采用了双激光扫描并行加工方式(郭永红.大型分层实体制造工艺研究[D]北京：清华大学机械工程学院，2001.博士学位论文)

日本Kira公司的产品( http：//www.kiracorp.co.jp/EG/pro/rp/top.html查阅日期：2002-6-26)，采用计算机控制的刀具进行材料切割，刀具依靠XY运动定位系统驱动。与激光切割相比，刀具成本低且切割不会产生烟雾。为避免刀具压力造成裁纸不利，系统直接使用了固定尺寸规格的纸张材料，通过一种类似打印机的送纸机构将材料送入加工位置。在纸张粘接时，系统采用热压板实现对纸张的热压粘接。由于热压板面积大，因而其散热较大，成形机内温度较高。

采用激光切割时，一套激光切割系统，包括激光器及其光路系统的价格在数万至十万元人民币，成本极高。由于切割是靠材料燃烧气化产生切割割缝，因而制件表面发黑、粗糙。切割时材料燃烧会产生大量烟雾，因此这类设备都增加了额外的抽排机构以将烟雾排出室外，增加了环境污染。此外对激光切割控制也相对复杂。

现有分层实体制造设备的纸张材料厚度检测机构由于纸张材料厚度波动和热熔胶薄厚的误差，分层实体制造制件的高度方向误差较大。为了消除因材料薄厚、热压辊压力造成的制件高度误差，一种是采用制作补偿方法，即首先通过试验取得工艺条件下的制作补偿数据，加工时每制作一定层数后增减一个补偿层，以消除高度方向的误差积累。这种方法受工艺条件、环境因素和材料影响，补偿数据有误差，制作精度有限；另一种方法是实时测高，根据制作层的实测高度决定当前层的分层数据，避免高度误差。目前采用这种方法的测高机构以线性位移传感器为高度检测元件，计算机根据检测数据换算出实际高度，这种机构结构复杂、成本较高、对环境和检测电路的要求严格。

发明内容

本发明的目的是设计一种由计算机控制的机械传动型式的分层实体制造设备，该设备使用机械刀具切割系统、实时检测系统和单边送纸系统，克服了激光切割系统的高成本及对环境的污染，同时也克服了在热压时，成形机内温度较高的缺点，使操作简化并易于维护。本发明是为了实现一种低成本、易操作的刀切型纸质产品原型、模型的快速分层制作设备。

本发明的目的通过以下技术方案完成的：一种刀切型纸层叠快速成形机，包括由计算机控制的工作台运动系统、纸张运送系统及刀具切割系统，并设置有制件高度测量系统。

所述工作台运动系统是由工作平台、传动导轨、丝杠以及电机构成，导轨设置在工作平台的下方并与传动丝杠相配合，传动丝杠与电机连接，工作平台由电机通过丝杠驱动，计算机通过电机控制卡、电机驱动器与电机控制信号端相连，决定电机起、停和运转。

所述纸张运送系统由驱动辊组、由若干个辊子组成的导纸辊组、放置在纸卷支架上的纸带原料卷及热压辊构成，以上装置均设置在工作平台的进纸一侧；驱动辊组设置为上下两个辊子对辊并驱动纸张自动送进，热压辊由步进电机及同步齿形带驱动，导纸辊组与驱动辊组和纸带原料卷共同组成“之”字形状立体放置，各辊组安装在各自的轴承支架上，形成张紧装置，控制纸带行进路径，导纸辊组由至少两个以上的辊子组成。

所述刀具切割系统是由计算机控制的机械传动装置，该装置包括刀具控制器、刀具伸出臂、刀具装置、驱动滑块及固定导轨，刀具控制器安装在驱动滑块的垂直面上，在刀具控制器垂直面上设置有一与之垂直并装有刀具装置的刀具伸出臂，驱动滑块与固定导轨滑动连接，刀具装置由磁铁、刀座、轴承、刻刀及刀座外套组成，磁铁装在刀座外套的底座内中间，刀座套装在磁铁上和刀座外套的内壁上，在刀座外套内壁下端和刀座下端分别装有轴承、刻刀安装在轴承及刀座中，刻刀的刀尖伸出刀座外套外一个略高于纸厚h值的长度。该刀具切割系统还包括由步进电机驱动的二维XY运动机构，刀具控制器由Y轴驱动，切割系统Y轴包括步进电机、传动丝杠和导轨，步进电机和传动丝杠相连，传动丝杠和导轨相配合；切割系统X轴，包括步进电机、传动丝杠及导轨，步进电机和传动丝杠相连，传动丝杠和导轨相配合；上述的XY运动机构也可由步进电机和精密滚珠丝杠螺母副以及相应的导轨组成。控制系统包括工业控制计算机、带有I/O端口的电机控制卡、步进电机及其驱动器以及相关驱动电路，计算机的控制信号经控制卡、电机驱动器控制步进电机驱动丝杠或同步齿形带，带动刀具完成轮廓插补切割，计算机发出的切割抬刀、落刀控制信号亦由I/O端口输出，直接与刀具控制器(22)相连。

所述的制件高度测量系统由开关、开关触点、开关信号线、安装板、热压辊横梁及测量纸张构成，热压辊横梁由步进电机驱动，带动开关和热压辊运动，在热压辊横梁的右下方通过弹簧连接有热压辊以及在其左边设置有安装板，安装板28的左下方设置有开关，其左下方设置有开关触点，开关触点位于测量纸张h1高度的上方，开关信号线从开关引出，由开关和步进电机控制的工作平台构成制作高度的实时检测机构，其借助步进电机控制工作台运动，开关信号直接与计算机相连，计算机根据信号变化确定驱动工作台运动的步进电机已转动的步数，确定铺纸前后工作台行进的距离差，转换出纸张厚度和制作高度。

本发明与现有技术相比，其有益效果是，主要从刀具切割系统、送纸系统和制件实时测高系统三方面进行了改进，由于用计算机控制的刀具切割取代了激光切割，避免了切割烟雾，从而免除了烟雾抽排机构，设备及其运行成本得以极大地降低；采用单侧放置送纸系统，由于使用了导辊组张紧装置，在切割时纸张平展无皱折，比激光切割节约纸张；实时测高机构成本低廉、结构紧凑、可靠性和抗干扰能力强。

附图说明

图1是成形机设备的结构示意图；

图2是测高系统示意图；

图3是刀具切割系统示意图；

图4是刀具装置的安装示意图；

图5是计算机控制程序框图。

具体实施方式

参照图1，本发明的刀切型纸层叠快速成形机，由工作台运动系统、纸张运送系统及机械刀具切割系统组成。

其中工作台运动系统由工作平台4、传动导轨2、传动丝杠3以及电机1组成，导轨2设置在工作平台4的下方并与传动丝杠3相配合，传动丝杠3与电机1连接；工作台4提供了制作平台，它由与步进电机1相连的丝杠3及传动导轨2驱动。本发明的纸张运送系统是由驱动辊组16、导纸辊组18、纸带原料卷19、纸卷支架20及热压辊15组成，以上装置均设置在工作平台4的进纸一侧；其中驱动辊组16设置为上下两个辊子对辊并驱动纸张实现纸张的自动送进；热压辊将纸张材料热压粘接在前一制件上，热压辊15由步进电机5及同步齿形带6驱动；导纸辊组18由若干个辊子组成，并与驱动辊组16和纸带原料卷19共同组成“之”字形状立体放置，各辊组安装在各自的轴承支架上，形成张紧装置，控制纸带17行进路径和影响纸带的张力和消除纸带冲击；纸带原料卷19放置在纸卷支架20上。纸带原料卷19上的纸带17由送纸机构驱动辊组16带动并在热压辊15的辊压下通过工作平台4的台面，其“之”字形立体放置结构在运送纸张时将纸张拉紧。

该成形机还设置有高度测量系统，由开关30、开关触点31、开关信号线27、安装板28、热压辊横梁29及测量纸张32组成，热压辊横梁由步进电机驱动，带动开关和热压辊运动，实现纸张测量及热压粘接。在热压辊横梁29的右下方通过弹簧连接有热压辊15以及在其左边设置有安装板28，，以把开关固定在热压辊横梁或XY运动结构上。在安装板28的左下方设置有开关30，在开关30的左下方设置有开关触点31，开关触点31位于测量纸张32一h1高度的上方，开关信号线27从开关30引出。由开关30和步进电机1控制的工作台4构成制作高度的实时检测机构，实时测高机构由一个精密开关30组成，具体检测时借助步进电机1控制工作台4运动，开关信号27直接与计算机相连，计算机根据信号变化确定驱动工作台运动的步进电机已转动的步数，确定铺纸前后工作台行进的距离差，转换出纸张厚度和制作高度。实时测高机构中的检测开关可以选择精密限位开关。开关动作点的精度限制在±0.01mm以内。开关通过安装板固定在热压辊的横梁上，开关触点位置应比热压辊的底面稍高，以免热压辊碾压纸张时开关触点接触到纸面。开关由热压辊横梁带动沿热压辊运动路径移动直至到达预期的检测位置，可多点测量以消除测量误差。工作台由步进电机通过精密滚珠丝杠驱动，计算机通过电机控制卡、步进电机驱动器与步进电机控制信号端相连，决定电机起、停和运转。为了减少热压辊温度对开关影响，开关的安装板应当能够隔热。

本发明的刀具切割系统是由计算机控制的机械传动装置，由刀具控制器22、刀具伸出臂23、刀具装置24、驱动滑块25及固定导轨26组成。刀具控制器22安装在驱动滑块25的垂直面上，在刀具控制器22的垂直面上设置有一与之垂直并装有刀具装置24的刀具伸出臂23，驱动滑块25与固定导轨26滑动连接。其中刀具装置24由磁铁33、刀座34、轴承35、刻刀36及刀座外套37组成，磁铁33装在刀座外套37的底座内中间，刀座37套装在磁铁33上和刀座外套37的内壁上、在刀座外套37内壁的下端和刀座34的下端分别装有轴承35、刻刀36安装在轴承35及刀座34中，刻刀36的刀尖伸出刀座外套37外一个略高于纸厚h值的长度。刀具切割系统由步进电机驱动的二维XY运动机构组成，刀具控制器由Y轴驱动。切割时，计算机根据待加工的平面轮廓数据，控制XY运动机构的电机驱动刀具差补切割轮廓数据，控制XY运动机构的电机驱动刀具差补切割出期望的当前层轮廓。刀具控制器的伸出臂夹持刀具外套，并控制刀压和刀具的抬刀、落刀动作。XY运动机构可以采用步进电机和精密滚珠丝杠螺母副以及相应的导轨组成。由于刀具切割力不大，因此加工范围不大时也可将滚珠丝杠螺母副改成同步齿型带，以进一步降低系统成本。控制系统包括工业控制计算机、带有I/O端口的电机控制卡、步进电机及其驱动器以及相关驱动电路。计算机的控制信号经控制卡、电机驱动器控制步进电机驱动丝杠或同步齿形带，带动刀具完成轮廓插补切割。计算机发出的切割抬刀、落刀控制信号亦由I/O端口输出，直接与刀具控制器相连。

参照图2的测高系统示意图，在热压辊横梁29的右下方通过弹簧连接有热压辊15以及在其左边设置有安装板28，在安装板28的左下方设置有开关30，在开关30的左下方设置有开关触点31，开关触点31位于测量纸张32有一h1的高度，开关信号线27从开关30引出。由开关30和步进电机1控制的工作台4构成制作高度的实时检测机构，实时测高机构由一个精密开关30组成，具体检测时借助步进电机1驱动工作台4运动，开关信号27直接与计算机相连，测量系统根据电机运动的脉冲数进行h0-h1的高度转换。

参照图3的刀具切割系统示意图，本发明的刀具切割系统是一种机械传动装置，由刀具控制器22、刀具伸出臂23、刀具装置24、驱动滑块25及固定导轨26组成。刀具控制器22安装在驱动滑块25的垂直面上，在刀具控制器22的垂直面上设置有一与之垂直并装有刀具装置24的刀具伸出臂23，驱动滑块25与固定导轨26滑动连接。纸张切割由刀具装置24、刀具控制器22并通过步进电机9和11驱动下来完成。其中切割系统Y轴，包括步进电机11、传动丝杠13和导轨8，步进电机11和传动丝杠13相连，传动丝杠13和导轨8相配合；切割系统X轴，包括步进电机9、传动丝杠10及导轨7，步进电机9和传动丝杠10相连，传动丝杠10和导轨7相配合；刀具控制器22直接由切割系统Y轴驱动；切割时，计算机根据待加工的平面轮廓数据控制XY运动机构电机1，驱动安装在刀具控制器22伸出臂上的刀具装置24，差补切割出期望的当前层轮廓。由于刀尖能够自动跟踪轴心运动轨迹，因此采用这种装置无需控制切割方向，刀具具有自适应改变切割方向的能力。刀具控制器22的伸出臂23夹持刀具，并控制刀压和刀具的抬刀、落刀动作。

图4是刀具装置的安装示意图，刀具装置24由磁铁33、刀座34、轴承35、刻刀36及刀座外套37组成，磁铁33装在刀座34的底座上，刀座34与刀座外套37螺纹连接，在刀座外套37内壁的下端和刀座34的下端分别装有轴承35、刻刀36安装在轴承35及刀座34中。刻刀36径向通过精密滚珠轴承35支撑，锥形顶部与刀座34构成事实上的含油轴承并通过刀座34内的磁铁33引力使其轴向定位，整个结构保证了刻刀36可在刀座34内绕其轴线灵活转动。

图5是计算机控制程序框图，根据其程序框图，在制作开始前，计算机首先控制工作台由预定的工作位置上升直至开关动作，计算机读取到开关状态变化后，通过步进电机转动步数可以计算出开关动作点至工作台原点的距离h0，然后工作台退回到原点；命令送纸驱动电机正转输送纸带到台面上；进行热压动作，将热压辊运动一周热压粘接纸张；送纸驱动电机反转张紧纸带；进行裁纸动作，刀具将纸张从纸带中裁断分离；制作中，每当铺设一层纸张材料，令工作台上升直到纸面触动开关动作，然后计算机根据步进电机转动步数计算出开关动作点到纸面的距离h1，于是取得纸张厚度等于h0-h1；之后，工作台退回原点后再下降一层纸厚，此时纸张距离开关动作点为h0；修改分层高度的变量，进行分层，得到三维模型在其高度的截面；进行制作，由XY机构驱动刀具切割当前层；如未完成，则回到初始动作位置。用于三维CAD模型分层的高度变量增加一张纸厚，得到当前制作高度。分层软件以此高度进行分层处理，就能取得当前制作层的轮廓数据，实现了根据实测高度进行分层的目的。

本发明的积极效果是用计算机控制的刀具切割取代了激光切割，使设备及其运行成本得以极大地降低，并免除了烟雾抽排机构，提高了制件的表面质量。刀具的自适应转向能力避免了计算机对刀具切割方向的实时计算和控制，简化了刀具结构和成本。切割时无需对刀具切向进行控制，切割方向能够依靠刀具结构自适应改变，提高了制件质量。将刀具切割与激光切割所形成的0.1～0.2mm宽割缝相比，刀具切割的割缝尺寸由材料变形和刀具结构尺寸决定，因割缝尺寸造成的制件尺寸误差在0.003mm左右，远低于激光切割造成的尺寸误差。此外，刀具切割不产生烟雾，制件表面没有切割遗留的烧糊痕迹。

实时测高机构仅包含一个检测开关，它取代了价值较高的线性位移传感器和相应的信号调理放大电路，可直接为计算机采集、计算高度值，从而减少了资源占用，同时提高了信号的抗干扰能力。实时测高机构成本低廉、结构紧凑、可靠性和抗干扰能力强。

采用单侧放置送纸系统，由于使用了导辊组张紧装置，在切割时纸张平展无皱折，比激光切割节约纸张。

Claims (3)

1、一种刀切型纸层叠快速成形机，包括由计算机控制的工作台运动系统、纸张运送系统及刀具切割系统，其特征是，它还包括制件高度测量系统(21)，所述工作台运动系统由工作平台(4)、传动导轨(2)、丝杠(3)以及电机(1)构成，导轨(2)设置在工作平台(4)的下方并与传动丝杠(3)相配合，传动丝杠(3)与电机(1)连接，工作平台(4)由电机(1)通过丝杠(3)驱动，计算机通过电机控制卡、电机驱动器与电机控制信号端相连；所述纸张运送系统由驱动辊组(16)、由若干个辊子组成的导纸辊组(18)、放置在纸卷支架(20)上的纸带原料卷(19)及热压辊(15)构成，以上装置均设置在工作平台(4)的进纸一侧；驱动辊组(16)设置为上下两个辊子对辊并驱动纸张自动送进，热压辊(15)由步进电机(5)及同步齿形带(6)驱动，各辊组安装在各自的轴承支架上，形成张紧装置，控制纸带(17)行进路径；所述刀具切割系统是由计算机控制的机械传动装置，该装置包括刀具控制器(22)、刀具伸出臂(23)、刀具装置(24)、驱动滑块(25)及固定导轨(26)，刀具控制器(22)安装在驱动滑块(25)的垂直面上，在刀具控制器(22)垂直面上设置有一与之垂直并装有刀具装置(24)的刀具伸出臂(23)，驱动滑块(25)与固定导轨(26)滑动连接，刀具装置(24)由磁铁(33)、刀座(34)、轴承(35)、刻刀(36)及刀座外套(37)组成，磁铁(33)装在刀座外套(37)的底座内中间，刀座(34)套装在磁铁(33)上和刀座外套(37)的内壁上，在刀座外套(37)内壁下端和刀座(34)下端分别装有轴承(35)、刻刀(36)安装在轴承(35)及刀座(34)中，刻刀(36)的刀尖伸出刀座外套(37)外；该刀具切割系统还包括由步进电机驱动的二维XY运动机构，刀具控制器(22)由Y轴驱动，切割系统Y轴包括步进电机(11)、传动丝杠(13)和导轨(8)，步进电机(11)和传动丝杠(13)相连，传动丝杠(13)和导轨(8)相配合；切割系统X轴，包括步进电机(9)、传动丝杠(10)及导轨(7)，步进电机(9)和传动丝杠(10)相连，传动丝杠(10)和导轨(7)相配合；控制系统包括工业控制计算机、带有I/O端口的电机控制卡、步进电机及其驱动器以及相关驱动电路，计算机的控制信号经控制卡、电机驱动器控制步进电机驱动丝杠或同步齿形带，带动刀具完成轮廓插补切割，计算机发出的切割抬刀、落刀控制信号亦由I/O端口输出，直接与刀具控制器(22)相连；所述的制件高度测量系统(21)由开关(30)、开关触点(31)、开关信号线(27)、安装板(28)、热压辊横梁(29)及测量纸张(32)构成，热压辊横梁由步进电机驱动，带动开关和热压辊运动，在热压辊横梁(29)的右下方通过弹簧连接有热压辊(15)以及在其左边设置有安装板(28)，安装板28的左下方设置有开关(30)，其左下方设置有开关触点(31)，开关触点(31)位于测量纸张(32)一h1高度的上方，开关信号线(27)从开关(30)引出，由开关(30)和步进电机(1)控制的工作平台(4)构成制作高度的实时检测机构，其借助步进电机(1)控制工作台(4)运动，开关信号(27)直接与计算机相连，计算机根据信号变化确定驱动工作台运动的步进电机已转动的步数，确定铺纸前后工作台行进的距离差，转换出纸张厚度和制作高度。

2、根据权利要求1所述的刀切型纸层叠快速成形机，其特征是，所述的刻刀(36)的刀尖伸出刀座外套(37)外一个略高于纸厚h值的长度。

3、根据权利要求1所述的刀切型纸层叠快速成形机，其特征是，所述的导纸辊组(18)由至少两个以上的辊子组成，并与驱动辊组(16)和纸带原料卷(19)共同组成“之”字形状立体放置。

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