刀切型纸层叠快速成形机制造技术

本发明专利技术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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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
中的分层实体制造技术。
技术介绍
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公司产品。Helisys是最早生产分层实体制造设备的厂家，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。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。日本Kira公司的产品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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的目的通过以下技术方案完成的，整个成形机的运动由计算机控制，它从刀具切割系统、送纸系统和实时测高系统三方面进行改进。刀具切割系统能够降低设备成本，避免切割烟雾。当采用计算机控制刀具切割时，计算机根据待加工轮廓决定刀具切割方向，实时改变刀具的切向，完成对纸张的切割。将在工作台两侧放置的卷纸装置设计为一侧放置，增加了张紧装置，使纸张在热压和切割时平展无皱折。实时测高机构是利用计算机控制和记录步进电机的转动步数，由电机转动步数换算出铺纸前后开关动作点与工作台原始位置的距离差来测量制件高度的。本专利技术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，其运动由计算机控制，其中工作台运动系统由工作平台、传动导轨、丝杠以及电机组成。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；纸张运送系统由送纸机构及热压辊组成，送纸机构设置在热压辊及工作平台的一侧，纸带原料卷上的纸带由送纸机构驱动辊组带动并在热压辊的辊压下通过工作平台的台面，由若干个导辊行成张紧装置；该成形机还设置有高度测量系统，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组成，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，在安装板的左下方设置有开关，在开关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，开关信号线从开关上引出。本专利技术的纸张运送系统是由驱动辊组、导纸辊组、纸卷支架组成，以上装置均设置在工作平台的进纸一侧，其中驱动辊组设置为上下两个辊子对辊，导纸辊组由若干个辊子组成，并与驱动辊组和纸带原料卷共同组成“之”字形状立体放置并各自安装在自己的轴承支架上，形成张紧装置。纸带原料卷放置在纸卷支架上。本专利技术的刀具切割系统是一种机械传动装置，由刀具控制器、刀具伸出臂、刀具装置、驱动滑块及固定导轨组成，刀具控制器安装在驱动滑块的垂直面上，在刀具控制器的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部中间，刀座套装在磁铁上和刀座外套的内壁上、在刀座外套内壁的下端和刀座的下端分别装有轴承、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。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。具体实施例方式参照图1，本专利技术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。本专利技术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，形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刀切型纸层叠快速成形机，由工作台运动系统、纸张运送系统及激光刀具切割系统组成，其运动由计算机控制，其中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）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；纸张运送系统由纸带原料卷（１９）、热压辊（１５）及回收卷组成，纸带原料卷（１９）和回收卷分别设置在工作平台（４）的两侧，纸带原料卷（１９）上的纸带（１７）由回收卷带动通过工作平台（４）的台面；刀具切割系统包括有激光器或电机控制切割方向的刀具及定位装置，刀具装置（２４）在电机（９）和（１１）的驱动下完成切割工作。其特征在于：　　　　该成形机还设置有高度测量系统（２１），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）组成，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）左下方设置有开关触点（３１），开关触点（３１）位于测量纸张（３２）ｈ１的高度，开关信号线（２７）从开关（３０）引出；　　　　所说的纸张运送系统由驱动辊组（１６）、导纸辊组（１８）、纸卷支架（２０）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滚或平行安装对滚，导纸辊组（１８）安装在轴承支架上，纸带原料卷（１９）放置在纸卷支架（２０）上；　　　　所说的刀具切割系统由刀具控制器（２２）及其伸出臂（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，刀具控制器（２２）由驱动滑块（２５）驱动。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李涤尘，卢秉恒，丁玉成，洪军，余国兴，宋松辉，刘海斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]