CN204020010U - 一种光固化快速成型的液位检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光固化快速成型的液位检测装置，包括树脂槽和其中的工作平台，集成传感器和控制器，集成传感器中设有激光发射器、入射会聚透镜、反射会聚透镜和CMOS接收器，所述激光发射器在入射会聚透镜上方，CMOS接收器在反射会聚透镜上方，所述CMOS接收器与控制器相连接；所述树脂槽上架设有固定架，固定架上安装有第一升降装置和第二升降装置，第一升降装置与工作平台相连接，第二升降装置与一平衡块相连接，所述平衡块可进入树脂槽的树脂中，所述控制器控制第一升降装置和第二升降装置。本实用新型提高了光固化快速成型中液位检测精度和检测时的响应速度，不仅保证了液面的恒定，还提高了固化成型产品的表面质量和表面精度。

Description

一种光固化快速成型的液位检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种光固化快速成型领域，尤其涉及一种光固化快速成型的液位检测装置。

背景技术

光固化快速成型(Stereolithography)，俗称SLA，光固化快速成型的原理是利用液态光敏树脂在紫外激光的照射下吸收光能，然后发生光聚合反应而成型零件。激光在计算机的控制下逐层扫描树脂使其固化成型，其基本过程如下：首先，将树脂槽中可上下移动的工作平台移动到树脂液面下，激光在工作平台上面扫描固化出第一层；接着，工作平台下降一层(一个预设位移量)，控制平衡块使树脂的液位保持不变，涂层工艺使得刚固化的一层上铺涂上一薄层树脂；激光在上面扫描固化出第二层，并与上一层粘结在一起，如此依次固化出模型的各个截面，直至制作出整个产品模型。

光固化快速成型机时工作时，树脂槽液位始终保持恒定，液位恒定的作用有二：其一是保证激光到液面的距离不变，始终处于焦平面上，其二是保证每一层铺涂的树脂层厚一致。在工作时液位会产生变化，引起液位变化的原因有很多，主要有树脂的热胀冷缩、蒸发，树脂固化的体积收缩，工作平台升降引起树脂槽容积的变化等。由于光固化成型机加工时的分层厚度一般是0.01mm～0.5mm，甚至更小，故保证精确的层厚，是提高制作精度的重要手段；而为了保证层厚精度，首先要保证液位位置的恒定，液位位置的恒定是靠传感器检测进而通过平衡块进行调节。现有技术中所使用传感器是非均匀、非线性的，其会造成采样频率低，测试系统存在小幅的滞后，不能实现液位的实时检测，进而影响液位检测精度的问题。此外现有技术中的传感器对不同树脂也会有不同的效果，例如对透明状的光敏树脂，由于散射光强度很弱，无法测得液位信号。综合以上，无论从检测精度还是对不同树脂的适应性来看，现有技术都存在一些不足之处，这会影响产品的加工质量。所以如何提高液位的测量精度，提高产品质量成为本领域亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种光固化快速成型的液位检测装置，可以提高树脂液位的检测精度，提高产品质量，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种光固化快速成型的液位检测装置，包括树脂槽，所述树脂槽中设有树脂，所述树脂槽中设有可升降的工作平台，还包括集成传感器和控制器，所述集成传感器中设有激光发射器、入射会聚透镜、反射会聚透镜和CMOS接收器，所述激光发射器在入射会聚透镜上方，CMOS接收器在反射会聚透镜上方，激光发射器射出的激光通过入射会聚透镜射在树脂槽中的树脂液面上，然后通过反射会聚透镜反射到CMOS接收器上，所述CMOS接收器与控制器相连接；所述树脂槽上架设有固定架，所述固定架上安装有第一升降装置和第二升降装置，第一升降装置与工作平台相连接，第二升降装置与一平衡块相连接，所述平衡块可进入树脂中，所述控制器控制第一升降装置和第二升降装置带动工作平台和平衡块上下运动。

优选地，所述工作平台上均匀设有多个通孔。

优选地，所述第一升降装置和第二升降装置结构相同，均包括电机、导轨、滑块和丝杠，所述电机和导轨安装在固定架上，丝杠与电机连接，所述滑块在丝杠上并且与导轨滑动配合，所述第一升降装置上的滑块与工作平台相连接，所述第二升降装置上的滑块与平衡块相连接，所述控制器控制电机工作。

优选地，所述激光发射器为半导体激光发射器。

优选地，所述反射会聚透镜和CMOS接收器之间设有滤光片。

如上所述，本实用新型一种光固化快速成型的液位检测装置，具有以下有益效果：

(1)本实用新型提高了光固化快速成型中液位检测精度，且提高了液位检测的响应速度，进而保证了液面的恒定；另外，本实用新型保证了在光固化快速成型工艺过程中的每层的精度，能实现更小层厚的固化成型，最终能够提高固化成型产品的表面质量和表面精度。

(2)本实用新型对透明树脂和非透明树脂等多种材料的液位能实现高精度液位检测，满足了能够使用多种不同材料固化成型的需求。

(3)本实用新型还具有非常好的再现性，其精度能达到0.005μm级别，同时本实用新型的高线性能达到±0.02％，反应速度能达到392kHz。

附图说明

图1为本实用新型正视图。

图2为本实用新型结构图。

图3为本实用新型中集成传感器结构示意图。

图4为本实用新型的原理图。

图5为本实用新型的控制原理图。

图6为本实用新型采用激光斜射式的光路图。

图7为本实用新型采用激光直射式的光路图。

图中：1   树脂槽            2   工作平台

      21  通孔              3   集成传感器

      31  激光发射器        32  入射会聚透镜

      33  反射会聚透镜      34  CMOS接收器

      35  滤光片            4   固定架

      51  第一升降装置      52  第二升降装置

      61  电机              62  导轨

      63  滑块              64  丝杠

      7   平衡块

具体实施方式

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1-图3所示为本实用新型一种光固化快速成型的液位检测装置，包括树脂槽1，所述树脂槽1中设有树脂，所述树脂槽1中设有可升降的工作平台2，本装置还包括集成传感器3和控制器。如图3所示，所述集成传感器3中设有激光发射器31、入射会聚透镜32、反射会聚透镜33和CMOS接收器34，所述激光发射器31在入射会聚透镜32上方，CMOS接收器34在反射会聚透镜33上方，激光发射器31射出的激光通过入射会聚透镜32射在树脂槽1中的树脂液面上，然后通过反射会聚透镜33反射到CMOS接收器34上，所述CMOS接收器34与控制器相连接。所述树脂槽1上架设有固定架4，所述固定架4上安装有第一升降装置51和第二升降装置52，第一升降装置51与工作平台2相连接，第二升降装置52与一平衡块7相连接，所述平衡块7可进入树脂中，所述控制器控制第一升降装置51和第二升降装置52带动工作平台2和平衡块7上下运动，所述控制器可以是工业控制机或PLC等装置。如图4所示为本实用新型的工作原理图，本实用新型可以采用直射式光路，也可采用斜射式光路。

在工作时，因为工作平台2是在树脂液面以下，所以如图2所示，为了减小工作平台2在上下移动中所受到的阻力，所述工作平台2上均匀设有多个通孔21。

本实施例中所述的第一升降装置51和第二升降装置52可以有多种结构形式，例如齿轮-齿条结构，齿轮固定在固定架4上，齿条连接工作平台2和平衡块7，齿轮转动带动工作平台2和平衡块7上下运动。在本实施例中所述第一升降装置51和第二升降装置52是结构相同的螺母-丝杠结构，其包括电机61、导轨62、滑块63和丝杠64，所述电机61和导轨62安装在固定架4上，丝杠64与电机61连接，所述滑块63在丝杠64上并且与导轨62滑动配合，所述第一升降装置51上的滑块63与工作平台2相连接，所述第二升降装置52上的滑块63与平衡块7相连接，通过平衡块7的升降保证液面的高度是恒定的。所述控制器控制电机61工作。

在本实施例中，所述激光发射器31为半导体激光发射器，并且所述激光发射器31为高频调制激光，这大大提高了响应精度，根据目标物的反射率对激光功率实施最佳化，当液面反射高时，激光功率变弱；当液面反射低时，功率变强。

在本实施例中，所述反射会聚透镜33和CMOS接收器34之间设有滤光片35，通过滤光片35对不同波段的光进行选择过滤。

光固化成型要求保证树脂液位高度不变，所以要预设一个目标液位高度，并最终能稳定的获得这个高度；而由于加工过程中，液面会波动(上升或下降)，这就需要及时控制并调节来保证液位恒定。如图5所示为本实用新型的控制原理图，结合图2，在工作前要把预设的液位高度输入到控制器中，控制器能控制电机61运动，电机61通过丝杠64，将旋转运动转换成直线运动进而带动平衡块7上升或下降，但是平衡块7不会完全进入到树脂中。所述的CMOS接收器34是一个反馈器，通过对实际树脂液位的实时测量，将测量数据反馈到控制器中，控制器与输入的目标液位进行比较，将位移信号转换成电信号输出，进而控制电机61运动，驱动平衡块7升降，根据浮力原理，平衡块7下降后增大了在树脂中的体积，也就能够保证液位的高度一直在预设高度，保证工作稳定进行。

如图6或图7所示，保证光固化快速成型中液位恒定的调节原理是：液位的参考面(预设液位高度面)和实际面分别反射过来的光投影到CMOS接收器34上会形成一个位移差x，此时对应的液位高度差为y，y越大则x越大，y与x之间有明显的对应关系，故能通过检测的x值得到y的值，进而通过控制图2中所示的平衡块7对液位高度进行调节。

在实际工作时根据树脂的不同，工作方式略有差别，当树脂槽1中为透明树脂时，漫反射较弱，更多的是镜面反射，所以采用激光斜射式的方法，其光路图如图6所示，其中激光发射器31发出的光束与法线夹角为γ，反射光束AA’与法线夹角为α，CMOS接收器34与AA’的夹角为β，入射光点到反射会聚透镜33光心距离AO即物距为l₁，光通过反射会聚透镜33在CMOS接收器34成像距离OA’即像距为l₂,随参考面移动距离y，光斑在CMOS接收器34上移动距离为x，反射会聚透镜33焦距为f。过B、B’分别作A’A、AA’延长线的垂线，垂足为C、D。由图可知：

$\frac{\stackrel{\‾}{B^{,}D}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{BC}}}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{OD}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OC}}}=\frac{l_2-\stackrel{\‾}{D{A}^{\′}}}{l_1+\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}---\left(2.1\right)$

其中 $\stackrel{\‾}{B^{\′}D}=x\sin \mathrm{\β},$ $\stackrel{\‾}{\mathrm{BC}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{BA}}\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ}),$ $\stackrel{\‾}{D{A}^{\′}}=x\cos \mathrm{\β},$ $\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{BA}}\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})$

因为

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BA}}=\frac{y}{\cos \mathrm{\γ}}---\left(2.2\right)$

将上述公式带入(2.1)式有:

$\frac{x\sin \mathrm{\β}}{\frac{y}{\cos \mathrm{\γ}}\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}=\frac{l_2-x\cos \mathrm{\β}}{l_1+\frac{y}{\cos \mathrm{\γ}}\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}---\left(2.3\right)$

由透镜成像公式当入射光点在参考面上时，u＝l₁，v＝l₂，则

将上式代入(2.3)可推出：

$y=\frac{x(l_1-f)\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}}{f\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\stackrel{\‾}{+}x(1-\frac{f}{l_1})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ}+\mathrm{\β})}---\left(2.4\right)$

当实际面在参考面下使取“-”，在参考面上时取“+”。其中l₁、l₂、α、β、γ、f在系统光路确定后，都是已知的，只要求出CMOS接收器34上的位移x,物体移动的距离y就可以确定，然后控制平衡块7调整液位高度。

当树脂槽1中为不透明树脂时，主要依靠漫反射，所以一般采用激光直射式的方法，如图7所示为直射式光路图，当γ＝0，(2.4)式为

$y=\frac{x(l_1-f)\sin \mathrm{\β}}{f\sin \mathrm{\α}\stackrel{\‾}{+}x(1-\frac{f}{l_1})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

其计算方法和原理斜射式相同，进而得到需要移动的距离y，然后通过上述控制方法调节液位高度即可。

本实用新型中集成传感器3测量精度高的原理是：CMOS接受器34是线性图像的传感器方式进行测距(光斑移动距离x)，目前在树脂槽液位检测分辨率最低可达到0.5μm，精度最高可达量程的±0.02％，完全满足系统高精度的要求。此外，由于CMOS接收器34测量光斑的峰值位置不受间接反射光的影响，所以不会产生误差，也就保证了高测量精度。

综上所述，本实用新型一种光固化快速成型的液位检测装置，能够提高光固化成型中的液位检测精度，提高液位检测的相应速度，进而提高光固化快速成型产品的表面质量和表面精度。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。

上述实施方式仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。本实用新型还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，可对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种光固化快速成型的液位检测装置，包括树脂槽(1)，所述树脂槽(1)中设有树脂，所述树脂槽(1)中设有可升降的工作平台(2)，其特征在于：还包括集成传感器(3)和控制器，所述集成传感器(3)中设有激光发射器(31)、入射会聚透镜(32)、反射会聚透镜(33)和CMOS接收器(34)，所述激光发射器(31)在入射会聚透镜(32)上方，CMOS接收器(34)在反射会聚透镜(33)上方，激光发射器(31)射出的激光通过入射会聚透镜(32)射在树脂槽(1)中的树脂液面上，然后通过反射会聚透镜(33)反射到CMOS接收器(34)上，所述CMOS接收器(34)与控制器相连接；所述树脂槽(1)上架设有固定架(4)，所述固定架(4)上安装有第一升降装置(51)和第二升降装置(52)，第一升降装置(51)与工作平台(2)相连接，第二升降装置(52)与一平衡块(7)相连接，所述平衡块(7)可进入树脂中，所述控制器控制第一升降装置(51)和第二升降装置(52)带动工作平台(2)和平衡块(7)上下运动。

2.根据权利要求1所述的一种光固化快速成型的液位检测装置，其特征在于：所述工作平台(2)上均匀设有多个通孔(21)。

3.根据权利要求1所述的一种光固化快速成型的液位检测装置，其特征在于：所述第一升降装置(51)和第二升降装置(52)结构相同，均包括电机(61)、导轨(62)、滑块(63)和丝杠(64)，所述电机(61)和导轨(62)安装在固定架(4)上，丝杠(64)与电机(61)连接，所述滑块(63)在丝杠(64)上并且与导轨(62)滑动配合，所述第一升降装置(51)上的滑块(63)与工作平台(2)相连接，所述第二升降装置(52)上的滑块(63)与平衡块(7)相连接，所述控制器控制电机(61)工作。

4.根据权利要求1所述的一种光固化快速成型的液位检测装置，其特征在于：所述激光发射器(31)为半导体激光发射器。

5.根据权利要求1所述的一种光固化快速成型的液位检测装置，其特征在于：所述反射会聚透镜(33)和CMOS接收器(34)之间设有滤光片(35)。