CN202271101U - 移动式振镜装置 - Google Patents
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Abstract
移动式振镜装置,属于激光快速成形系统,克服现有振镜扫描机构固定工作方式成形空间有限的不足,同时避免采用多振镜扫描机构增加硬件成本和复杂度的问题。本实用新型包括底板、导轨、横梁、X向同步带、X向同步带轮和X向伺服电机,底板上导轨旁边固定X向同步带轮和X向伺服电机,与导轨垂直的横梁通过X向滑块与两条导轨滑动配合,横梁一端固定在X向同步带上;横梁上固定振镜扫描机构,或者横梁上固定有Y向同步带轮和Y向伺服电机,振镜扫描机构通过Y向滑块与横梁滑动配合,Y向滑块一端固定在Y向同步带上。本实用新型扩大了成形空间,降低硬件成本,降低控制、软件、工艺的复杂性,适用于大尺寸复杂零件的制造。
Description
技术领域
本实用新型属于激光快速成形系统,具体涉及一种移动式振镜装置。
背景技术
快速成形技术是在上世纪80年代出现的快速原型制造技术的基础上发展起来的,其中以选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术为代表的快速成形技术使用激光作为能量源,利用三维CAD的数据,对分层切片区域进行扫描,烧结该区域内的材料,然后不断循环,层层堆积成形出制件。激光相干性好、能量集中,激光光斑温度极高,可以部分熔化或完全熔化高分子、金属或陶瓷粉末,实现粉末颗粒之间的烧结或凝固结合,相对于其他快速成形方法可以成形广泛的材料,因而使用激光作为能量源广泛应用于快速成形技术中。
目前,在激光快速成形系统中,包括XY直线导轨式和振镜扫描式两种扫描方式。XY直线导轨式扫描方式,通过在XY方向移动激光头实现扫描,此种方式由于移动惯量较大,扫描速度较低,稳定性较差,一般用于工艺研究为目的的成形系统中;振镜扫描式通过振镜扫描机构实现,振镜扫描机构主要由扫描电机、反射镜片以及伺服驱动单元组成,可以进行高速精确扫描,扫描速度可达1米/秒甚至更高,广泛应用于各种产品化的成形机。
振镜扫描机构广泛采用固定工作方式,其中扫描电机的机械偏转角度有限,一般在±20°以内,反射镜片粘接在扫描电机的转轴上,通过扫描电机的旋转带动反射镜的偏转来实现激光束的偏转,扫描的区域有限,又由于成形工艺对激光能量大小有要求,只有在一定扫描范围内才能良好成形,其成形空间有限。华中科技大学快速制造中心课题组研发的1.2×1.2m工作台面的SLS装备为世界最大工作台面的单振镜扫描机构快速成形系统,可用于蜡模和砂型(芯)制造;国外德国EOS公司的EOSINT P 800设备工作台面为730×380×540mm,可用于金属和陶瓷零件的制造。这些设备是目前世界上新进的大台面单振镜快速成形系统,但仍难满足更大尺寸零件的制造需求。
采用多振镜扫描机构实现多路能量束协同工作,通过多个成形区域的协同叠加效果,可扩大成形台面。华中科技大学快速制造中心开发的双振镜扫描机构SLS快速成形系统,将工作台面扩大到1.4×0.7m。但是,核心光学器件振镜式激光扫描系统属于快速成形装备中技术含量高、成本昂贵的部分。多振镜扫描机构的使用一方面使硬件成本大大增加,另一方面也增加了硬件控制、软件工艺等环节的复杂度,一定程度上降低了系统的工作稳定性,限制了该技术在制造大尺寸复杂零件方向的应用。
发明内容
本实用新型提供一种移动式振镜装置,克服现有振镜扫描机构固定工作方式成形空间有限的不足,同时避免采用多振镜扫描机构增加硬件成本和复杂度的问题。
本实用新型的一种移动式振镜装置,包括底板、导轨、横梁、X向同步带、X向同步带轮和X向伺服电机,所述底板中部开有矩形窗口,两条导轨平行固定于矩形窗口的一对对边上,底板上一条导轨旁边固定有X向同步带轮和X向伺服电机,X向同步带与导轨平行,由X向同步带轮和X向伺服电机轴张紧,所述横梁与导轨垂直,横梁通过X向滑块与两条导轨滑动配合,横梁一端固定在X向同步带上;其特征在于:
所述横梁上具有振镜扫描机构,所述振镜扫描机构包括α反射镜、β反射镜、α扫描电机、β扫描电机以及伺服驱动单元,α、β扫描电机的转轴空间方向互相正交,α、β反射镜分别粘接在α、β扫描电机的转轴上,伺服驱动单元接受指令,驱动α、β扫描电机。
所述的移动式振镜装置,其特征在于:
所述横梁上固定有Y向同步带轮和Y向伺服电机,Y向同步带与横梁平行,由Y向同步带轮和Y向伺服电机轴张紧,所述振镜扫描机构通过Y向滑块与横梁滑动配合,Y向滑块一端固定在Y向同步带上。
本实用新型在横梁上固定振镜扫描机构,通过X向伺服电机带动横梁沿导轨方向运动,从而实现振镜扫描机构在成形平面X方向上的精确移动;进一步可在横梁上安装Y向滑块和Y向伺服电机,将振镜扫描机构固定在Y向滑块上,通过软件控制Y向伺服电机的转动,实现振镜扫描机构沿横梁移动,实现在成形平面XY两个方向的精确移动。
振镜式快速成形系统是基于零件切片信息进行加工的。首先通过软件设定振镜的扫描范围,为了简化扫描过程,扫描范围设置为正方形。当切片的轮廓尺寸未超过扫描范围时,振镜扫描机构不移动,直接根据切片信息进行加工;当切片的轮廓尺寸超过了扫描范围时,将切片分为若干区域,将振镜扫描机构依次移动到这些区域的中心位置上方,一个区域扫描完之后进行下一个区域的扫描。最后,一层加工完成之后,振镜扫描机构回到原位,根据之前设置进行下一层的加工,直至整个零件加工完成。
本实用新型通过X向伺服电机或者X向和Y向伺服电机带动振镜扫描机构整体移动,可以实现振镜扫描机构在XY方向的精确运动,根据零件的具体尺寸信息,灵活可变的确定振镜扫描机构的移动距离;相对于现有固定式振镜扫描机构扩大了成形空间,可达到与多个固定振镜扫描机构协同工作相同的成形空间,降低硬件成本,同时其控制、软件、工艺的复杂性接近于单固定振镜扫描机构,降低制造大尺寸复杂零件的成本和复杂性;适用于大尺寸零件的批量生产。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的立体示意图;
图2为本实用新型实施例1的俯视图;
图3为振镜扫描机构示意图;
图4为复杂箱体零件实体示意图;
图5为复杂箱体零件300mm高度截面切片信息和加工分区示意图;
图6为本实用新型实施例2的俯视图;
图7为涡轮盘零件示意图;
图8为涡轮盘零件150mm高度截面切片信息和加工分区示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
如图1、图2所示,本实用新型的实施例1包括底板7、导轨5、横梁2、X向同步带3、X向同步带轮1和X向伺服电机4,所述底板7中部开有矩形窗口,两条导轨5平行固定于矩形窗口的一对对边上,底板7上一条导轨旁边固定有X向同步带轮1和X向伺服电机4,X向同步带3与导轨5平行,由X向同步带轮1和X向伺服电机轴张紧,所述横梁2与导轨5垂直,横梁2通过X向滑块8与两条导轨滑动配合,横梁2一端固定在X向同步带3上;所述横梁2上固定有振镜扫描机构6。
伺服电机4受软件控制转动,带动同步带轮转动,同步带3随带轮一起运动,横梁2通过螺钉与同步带3固定在一起,因此在同步带的带动下,沿着导轨5运动,实现振镜扫描机构在X方向的运动。通过此种方式可以实现振镜扫描机构沿沿单方向的运动,适应于长宽比比较大的零件的加工。
如图3所示,振镜扫描机构6包括α反射镜10、β反射镜12、α扫描电机9、β扫描电机11以及伺服驱动单元,α、β扫描电机的转轴空间方向互相正交,α、β反射镜分别粘接在α、β扫描电机的转轴上,伺服驱动单元接受指令,驱动α、β扫描电机,通过α扫描电机9和β扫描电机11协调转动,带动连接在其转动轴上的α反射镜镜片10和β反射镜镜片12反射激光,实现工作面上的图形扫描。本实用新型的实施例1、2中,直接采用德国SCANLAB公司的POWER SCAN33振镜扫描机构。
如图4所示,待加工复杂箱体零件的轮廓尺寸为1290.0×416.94×1032.33mm。现有加工金属的快速成形设备加工范围为450mm,此零件不能使用固定振镜快速成形系统一次加工完成。根据零件的结构和加工工艺参数,可以使用实施例1进行加工制造。该零件300mm高度处的切片图形和加工分区情况如图5所示。
(1)快速成形软件读入零件的STL文件,将加工区域范围设为450×450mm的正方形区域,设置好其他加工工艺参数。如图7,根据切片的轮廓范围,分为区域V1、V2和V3,其中心分别为O1、O2和O3。根据V1、V2和V3的切片信息和加工工艺确定振镜扫描机构的扫描动作为S1、S2和S3。所以整个振镜扫描机构的动作为(O1,S1),(O2,S2),(O3,S3)的系列运动。
(2)读取O1、O2、O3的坐标(X1,Y0)、(X2,Y0)、(X3,Y0),控制系统控制X向伺服电机运动,将振镜扫描机构沿X方向移动至O1,按照确定的扫描动作S1运行。区域V1扫描完毕之后,振镜扫描机构沿X方向移动至O2,按照确定的扫描动作S2运行,完成区域V2的扫描。按照同样的过程,完成区域V3的扫描,这样一层切片的加工就完成了。
(3)振镜扫描机构恢复初始位置O0,读取下一层切片信息,重复上述(1)(2)中所述的动作,完成下一层加工。如此往复,直至加工完所有层,这样一次加工就完成了。
如图6所示,本实用新型的实施例2包括底板7、导轨5、横梁2、X向同步带3、X向同步带轮1和X向伺服电机4,横梁2上固定有Y向同步带轮16和Y向伺服电14,Y向同步带15与横梁2平行,由Y向同步带轮和Y向伺服电机轴张紧,所述振镜扫描机构6通过Y向滑块13与横梁滑动配合,Y向滑块13一端固定在Y向同步带上。
如图7所示,待加工涡轮盘零件的轮廓尺寸为1213.50×1275.36×361.17mm。现有加工金属的快速成形设备加工范围为450mm,可以通过实施例2进行加工制造。该零件150mm高度处的切片图形和加工分区情况如图8所示。
将原来的大尺寸成形面分割成若干区域,通过控制系统和机械结构将振镜扫描机构移动到相应区域的中心,对这些区域分别成形,最终得到一个大尺寸区域,实施例2的具体加工过程为:
(1)快速成形软件读入零件的STL文件,然后根据振镜扫描机构的可成形范围确定单个扫描区域的大小为450×450mm的正方形区域,根据切片的轮廓范围,可以分为区域V1、V2、…、V8,其中心分别为O1、O2、…、O8。根据各分区的切片信息和加工工艺确定振镜扫描机构的扫描动作为S1、S2、…、S8。所以整个振镜扫描机构的动作为(O1,S1),(O2,S2),…,(O8,S8)的系列运动。
(2)扫描动作确定之后,软件根据(O1,S1),(O2,S2),…,(On,Sn)信息来控制X向、Y向伺服电机和振镜扫描机构的动作。首先软件读取O1的坐标数据(X1,Y1),控制安装在导轨上的X向伺服电机运动,通过X向同步带传动,使横梁沿着导轨移动至X1位置,然后安装在横梁上的Y向伺服电机运动,通过Y向同步带传动,使振镜扫描机构移动到Y1位置。当振镜扫描机构移动到O1位置时,开始按照对应区域V1的切片信息进行扫描,振镜扫描机构的动作为S1。当S1动作结束后,软件控制X向、Y向伺服电机运动,实现振镜扫描机构从O1到O2的运动,振镜扫描机构开始按照此区域V2的切片信息进行扫描,振镜扫描机构执行动作S2。然后通过软件控制X向、Y向伺服电机和振镜扫描机构实现(O3,S3)至(O8,S8)的移动和扫描过程。这样就完成了一层切片的扫描过程。
(3)振镜扫描机构恢复原位O0,读取下一层切片信息,重复上述(1)(2)中所述的动作,完成下一层加工,如此往复,直至加工完所有层,这样一次加工就完成了。
Claims (2)
1.一种移动式振镜装置,包括底板、导轨、横梁、X向同步带、X向同步带轮和X向伺服电机,所述底板中部开有矩形窗口,两条导轨平行固定于矩形窗口的一对对边上,底板上一条导轨旁边固定有X向同步带轮和X向伺服电机,X向同步带与导轨平行,由X向同步带轮和X向伺服电机轴张紧,所述横梁与导轨垂直,横梁通过X向滑块与两条导轨滑动配合,横梁一端固定在X向同步带上;其特征在于:
所述横梁上具有振镜扫描机构,所述振镜扫描机构包括α反射镜、β反射镜、α扫描电机、β扫描电机以及伺服驱动单元,α、β扫描电机的转轴空间方向互相正交,α、β反射镜分别粘接在α、β扫描电机的转轴上,伺服驱动单元接受指令,驱动α、β扫描电机。
2.如权利要求1所述的移动式振镜装置,其特征在于:
所述横梁上固定有Y向同步带轮和Y向伺服电机,Y向同步带与横梁平行,由Y向同步带轮和Y向伺服电机轴张紧,所述振镜扫描机构通过Y向滑块与横梁滑动配合,Y向滑块一端固定在Y向同步带上。
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CN102430860A (zh) * | 2011-10-24 | 2012-05-02 | 华中科技大学 | 一种移动式振镜装置 |
CN110340527A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-10-18 | 西南交通大学 | 基于振镜激光的啮合接头薄板焊接方法 |
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