基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法及裝置的製作方法

2023-09-23 11:51:20 2

專利名稱：基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於消失模鑄造、廣告、藝術造型及裝飾裝潢領域的 泡沫塑料高分子材料產品的三維加工方法及其加工設備。
背景技術：
泡沫塑料高分子材料具有密度小、保溫隔熱性能好、硬度低、穩定性好、 成本低及易於成形等特點。在消失模鑄造、模具製造、廣告、藝術造型、建 築裝飾裝璜、電影戲劇道具及包裝領域的應用頗為廣泛。
目前根據泡沫塑料高分子材料產品的批量可以分為發泡成型和加工成型 兩大類。對於大批量製造採用金屬模具，在高溫高壓下發泡成型，成型的精 度亦高，但成型過程需要製作金屬模具，並且還需要相應的發泡設備。因此
發泡成型的投資巨大，極大限制了單件、小批量產品的生產和製作；而對於 單件或小批量產品，則主要採用常規的工具機加工或電熱絲手工切割泡沫板制 成。由於泡沬質地較軟，工具機加工時刀具及加工參數可變範圍小，易於發生 泡沫珠粒剝落的問題，常常增大了廢品率和加工工時。採用電熱絲手工加工， 加工精度及效率均很低，並且對加工人員的技術要求高，不適合標準化生產。 因此，泡沫高分子材料的快速製造問題，已成為限制其在消失模鑄造、廣告、 藝術造型及裝飾裝潢領域應用的瓶頸。
針對泡沫塑料高分子材料產品的加工技術，國內外進行了大量的研究工 作，申請了眾多專利。現對已有的泡沬高分子材料成形技術及設備專利的相 關內容引述如下
1.中國專利ZL03134410.0，公開了一種三維聚苯乙烯泡沫塑料模型的快 速成型方法及設備，該專利涉及點熱源氣化聚苯乙烯泡沫塑料，採用固定加 工方向的逐層氣化方法，實現泡沫塑料三維快速成形，但對於複雜的三維實
體還需要先分塊成形，再拼裝。其加工策略與設備結構也與本發明不同；
2. 中國專利CN88212774U，公開了一種熱鉬絲和加熱鉬刀具加工二維泡沬 塑料產品的設備，塑料塊的移動運動是通過手工進行的；
3. 中國專利ZL0320117245.X公開了一種CNC泡沫塑料切割機，刀具為電 熱絲，可以完成二維切割加工，但不具備其它成形功能；
4. 德國專利DE102004050867,公開了採用計算機控制的泡沬塑料合金熱 絲切割機，可以完成板材在水平和垂直方向不同輪廓的切割，但不具有其它 成形功能；
5. 日本專利JP1999-114899和JP2001-162597A公開了一種泡沫塑料模型 的數控加工技術和設備。該設備分別採用直線電熱絲和回形電熱棒作為泡沫 塑料的切割刀具，直線電熱絲用於模型的外形加工，回形電熱棒用於模型的 內腔加工，加工對象為泡沫塑料板或塊。由於將直線電熱絲作為切割刀具， 因此這兩項發明的加工技術及設備仍然屬於泡沫塑料的二維成形技術範疇。 但電熱絲兩端的固定機構可以獨立運動，電熱絲在加工過程中可以改變傾斜 角度，故加工出的二維模型兩個端面形狀可以不同，然而複雜形狀三維模型 仍無法使用該技術加工。

發明內容
針對上述所列專利中聚苯乙烯泡沫塑料成形過程中存在的不足，即二 維成形機速度快，但不具備三維成形功能；三維成形機雖具有三維形狀零件 成形功能，但只能沿一個方向累積"生長"，即下一層實體輪廓必須大於等於 其上層輪廓，加工的實體更像"浮雕"。特別對於複雜的三維實體還需要先分 塊成形，再拼裝，存在成形效率低，形狀精度誤差大等問題。本發明在專利 ZL03134410.0的基礎上，參考數控加工中心的原理，提出了一種基於柱坐標 的泡沫塑料三維快速成形方法及裝置。
為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的 一種基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法，包括下述步驟 (1)根據零件形狀特徵，生成加工旋轉軸P，建立坐標原點O在旋轉軸
P上的柱坐標系統，將零件的直角坐標系CAD模型轉換成柱坐標系下的模型；
(2) 按照定角度或定厚度分層加工方式將零件的STL文件格式模型切分 生成多層加工輪廓數據；
(3) 根據定角度或定厚度切層輪廓數據，將泡沫塑料坯件夾持在過旋轉 軸P的坯料固定、旋轉機構上，利用計算機進行控制，通過電熱刀二維平面 運動和坯件繞旋轉軸運動相配合，定角度或定厚度逐層切割泡沫塑料， 一次 完成三維零件整體成形。
上述方法中，所述的定角度分層加工方式將零件的STL文件格式模型切 分生成多層加工輪廓數據的具體方法是以過零件旋轉軸線的平面與零件的 ST文件模型的三角面片相求交，得到第一個切層輪廓；在切層輪廓獲得後， 將模型繞旋轉軸線旋轉分層定角度e度，重複旋轉軸線的平面與STL文件模 型的三角面片求交過程，得到下一切層輪廓；如此重複n次，11=180/0,得到 零件的所有定角度切層輪廓數據。
所述定厚度分層加工方式將零件的STL文件格式模型切分生成多層加工 輪廓數據的具體方法是以一定層厚度d為間隔的一系列垂直於水平旋轉軸 的平面與零件的STL文件模型求交，得到一組平行的定厚度切層輪廓數據。
所述定角度逐層切割泡沬塑料的具體方法是
1) 豎直導軌隨水平滑動小車X向水平運動，固定支架帶動電熱刀Y向豎 直運動，使電熱刀在熱刀和旋轉軸構成的平面內沿切層輪廓路徑運動切割坯 料，完成一層輪廓的非接觸加工；
2) 當一層輪廓加工完畢，水平迴轉電機控制坯料旋轉一個分層角度e ，
3) 重複步驟1)，電熱刀進行下一層輪廓加工，如此重複，當坯料旋轉 360度後，零件即加工完畢。
所述定厚度逐層切割泡沫塑料的具體方法是
1) 固定支架帶動電熱刀Y方向豎直運動，同時水平迴轉電機控制坯料繞 旋轉軸P勻速旋轉，使電熱刀在垂直於水平旋轉軸的平面內沿切層輪廓路徑 運動切割坯料，完成一層輪廓的非接觸加工；
2) 當一層輪廓加工完畢，豎直導軌隨水平滑動小車X向水平移動一個層
厚d的距離；
3)重複步驟1)，電熱刀進行下一層輪廓加工，如此重複直到零件加工完畢。
一種實現上述方法的快速成形裝置，包括機架、電熱刀、計算機控制系 統和受其控制的電熱刀二維平面運動機構，其特徵在於，該裝置還包括一個 基於柱坐標系統的由一個計算機控制的坯料固定、旋轉機構，該坯料固定、 旋轉機構與電熱刀二維平面運動機構配合，實現對複雜三維泡沫塑料模型定 角度或定厚度分層加工。
上述方案中，所述坯料固定、旋轉機構包括設置在機架一側的水平迴轉 電機、尾架及尾架針盤，水平迴轉電機與尾架上的尾架頂針軸向之間形成加 工旋轉軸P，泡沫塑料坯件通過該旋轉軸裝夾於迴轉電機軸與尾架頂針之間。 所述二維平面運動機構包括分別設置在上、下導軌上的兩個水平滑動小 車，同邊的上下水平滑動小車連接豎直導軌，豎直導軌上連接裝有電熱刀的 固定支架，電熱刀水平運動是通過四個水平滑動小車內的水平驅動電機帶動
滑動小車及豎直導軌整體水平移動實現；電熱刀的豎直運動是通過下導軌兩 個水平滑動小車內的豎直驅動電機通過豎直同步齒輪帶帶動固定支架沿豎直 導軌上下移動實現。
固定支架包括架體及架體兩側的圓鋼導軌，圓鋼導軌上設有滑架，電熱刀 安裝在滑架上，架體一端設有輔助步進電機通過同步帶輪和同步帶使電熱刀 可沿圓鋼導軌移動，用於輔助加工具有輪廓重疊的特殊三維模型。
本發明裝置的特點是
1、 採用門式冷擠壓鋁合金型材構成的框架結構形式，三個方向分別由四
根支撐梁組成，直接採用螺紋連接方式固定框架；運動導軌則利用鋼元，鑲 嵌於框架槽中。
2、 釆用超靜定結構設計熱刀的二維平面運動機構在水平方向運動，採
用四臺步進電機(兩兩獨立)，通過由四對滾動軸承組成的滑動小車、同步齒
輪及齒輪傳送帶，在運動導軌上完成；在豎直方向上，採用兩臺步進電機， 直接由同步齒輪及齒輪傳送帶完成運動。
3、 安裝在水平針盤後一臺電機直接帶動泡沫塑料材料繞旋轉軸轉動，與 電熱刀配合完成任意形狀三維泡沫塑料零件的成形。
4、 自主開發的數據準備及加工控制軟體自動生成加工、成形路徑，自動 完成模型成形加工過程。
本發明借鑑數控加工中心的原理，結合了快速成形技術和電熱刀具非接觸 氣化切割理論，可實現聚苯乙烯泡沫塑料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)泡沫塑 料、聚丙烯(EPP)泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等材料的快 速成形。本發明使得單件或小批量的複雜形狀泡沫塑料材料零件製造成本大 大降低、加工精度和效率得到提高。


圖l是本發明裝置結構圖。
圖2是圖1中電熱刀固定支架結構圖。
圖l、圖2中涉及的標記分別表示1.機架，2.迴轉電機，3.電熱刀 固定支架，4.電熱刀，5.水平同步齒輪帶，6.水平滑動小車(內裝水平運 動電機)，7.水平上導軌，8.豎直同步齒輪帶，9.豎直導軌，10.尾架針 盤，11.尾架，12.水平下導軌，13.水平同步齒輪帶，14.轉盤，15.轉盤 電機，16.水平滑動小車(內裝水平、豎直運動電機)，17.輔助步進電機， 18.同步帶輪，19.同步帶，20.滑架，21.同步帶輪，22.圓鋼導軌，23. 坯件。
圖3是圖1裝置的計算機控制系統原理圖。
圖4是本發明定角度分層加工模式的坯件示意圖。
圖5是本發明定厚度分層加工模式的坯件示意圖。
圖6是圖4的俯視圖。
圖7是圖5的俯視圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的實施方式作進一步詳細說明。
參見圖1、圖2、圖3，本發明泡沬塑料三維快速成形設備由電熱刀的二 維平面運動機構；坯料固定、旋轉機構；輔助豎直旋轉機構；電熱刀具和計 算機控制系統(圖3)組成。
計算機控制六臺步進電機驅動的二維(x、 y)平面運動加工機構；由迴轉 電機2驅動的可旋轉坯料23固定機構實現坯料的轉動，與上述二維平面運動 配合，構成計算機控制下的電熱刀三維定角度或定厚度分層加工模式；加工 裝置還設有電熱刀溫度控制模塊，實現在加工過程中刀具溫度恆定，電熱刀 具及溫控部分的結構及工作原理參見本發明申請人的中國專利 ZL03134410.0。
二維平面運動機構由安裝在上導軌7上的兩個水平滑動小車6，安裝在下 導軌12上的兩個水平滑動小車16，豎直導軌9，水平同步齒輪帶5、 13，豎 直同步齒輪帶8，裝有電熱刀4的固定支架3組成，且豎直導軌安裝在同邊的 上下水平滑動小車上。電熱刀水平運動是通過水平滑動小車內的步進電機帶 動滑動小車及豎直導軌整體水平移動實現。電熱刀的豎直運動是水平滑動小 車16內的另一個步進電機通過同步齒輪帶8帶動電熱刀的固定支架3沿豎直 導軌9上下移動實現。
坯料固定、旋轉機構由水平旋轉電機2，尾架11和尾架針盤10組成。水 平迴轉電機2和安裝於尾架11上的尾架頂針10配合，將泡沬塑料坯件23裝 夾於其上。迴轉電機2直接帶動坯件轉動。
輔助豎直旋轉機構由豎直轉盤14和豎直轉盤電機15組成，主要用於坯件 23的粗加工。
固定支架3包括架體及架體兩側的圓鋼導軌22:電熱刀4安裝在一個滑 架20上，滑架20通過軸承卡在圓鋼導軌22上。架體一端設有步進電機17 通過同步帶輪18、 21和同步帶19使電熱刀4可沿圓鋼導軌22移動，用於輔 助加工具有輪廓重疊的特殊三維模型。
如圖l、圖3所示，本發明基於柱坐標的泡沬塑料三維快速成形方法，包 括下述步驟
第一，首先使用CAD軟體建立產品的直角坐標系下三維CAD模型，通過
CAD軟體接口輸出零件的STL格式文件。
第二、根據零件形狀特徵，生成加工旋轉軸P，建立坐標原點o在旋轉軸 上的柱坐標系統，將零件的直角坐標系CAD模型轉換成柱坐標系下的模型。
第三、再由圖1圖2的成形裝置加工數據準備軟體，按照定角度或定厚 度分層加工策略將零件的STL文件格式模型切分生成多層加工輪廓數據。
第四、設備控制系統通過步進電機根據每層加工輪廓數據，帶動恆溫電 熱刀，利用泡沫塑料材料易氣化的特點，非接觸氣化切割泡沫塑料坯料。
第五、根據模型形狀特徵不同，恆溫電熱刀在非接觸氣化切割泡沫塑料 坯料時，可採用定角度或定厚度分層加工模式進行逐層加工，完成任意複雜 三維模型的一次整體快速成形。
本發明實際工作時，根據模型的形狀特徵可以採用定角度或定厚度模式逐 層加工，以獲得最佳的模型形狀和尺寸精度。兩種加工模式如圖4-圖7所示。
圖4、圖6是本發明的定角度分層加工模式示意圖。圖中每條虛線為代表 一層加工輪廓路徑。定角度分層加工的具體實施過程為-
(1) 首先以過零件旋轉軸線的平面與零件的STL文件模型的三角面片相 求交，得到第一個切層輪廓。在切層輪廓獲得後，將模型繞旋轉軸線P旋轉 分層角度e度，重複旋轉軸線的平面與STL文件模型的三角面片求交過程， 得到下一切層輪廓。如此重複n次，n=180/6 ,得到零件的所有定角度切層輪 廓數據。
(2) 在滑動小車6， 16內的四隻水平電機控制下，豎直導軌9水平運動， 滑動小車16內的兩個豎直電機控制固定支架3豎直運動，使電熱刀4在熱刀 和旋轉軸構成的平面內沿切層輪廓路徑運動切割坯料，完成一層輪廓的非接 觸加工。
(3) 當一層輪廓加工完畢，水平迴轉電機2控制坯料旋轉一個分層角度
(4) 重複步驟(2)，電熱刀進行下一層輪廓加工，如此重複，當坯料旋 轉完成360度時，零件也就加工完畢了。
圖5、圖7是本發明的定厚度分層加工示意圖。圖中每條虛線為代表一層
加工輪廓路徑。定厚度分層加工的具體實施過程為
(1) 首先以一定層厚度d為間隔的一系列垂直於水平旋轉軸P的平面與
零件的STL文件模型求交，得到一組平行的定厚度切層輪廓數據。
(2) 在滑動小車16內的兩個豎直電機控制固定支架3豎直運動，帶動 電熱刀4上下運動，同時水平迴轉電機2控制坯料旋轉以勻速度旋轉，使電 熱刀4在垂直於水平旋轉軸的平面內沿切層輪廓路徑運動切割坯料，完成一 層輪廓的非接觸加工。
(3) 當一層輪廓加工完畢，在滑動小車6， 16內的四隻水平運動電機帶 動導軌9水平移動一個層厚d的距離。
(4) 重複步驟(2)，電熱刀進行下一層輪廓加工，如此重複直到零件加 工完畢。
本發明屬於先進位造技術的範疇，它可以自動而迅速地將設計思想物化 實體模型，具有諸多的優點1)快速實現複雜三維實體泡沬塑料材料零件的 一次整體成形，無專利ZL03134410. 0的先分塊加工再拼接步驟，成形效率和 精度遠遠高於普通逐層累積快速成形；2)根據零件尺寸形狀特徵，可靈活採 用定角度或定厚度分層加工模式，進一步保證三維複雜零件的加工精度；3) 採用了熱刀氣化加工方法，加工成本大大低於其它三維快速成形；4)由於 採用了非接觸加工方法，成形時作用力幾乎為零，使設備剛度要求降低，結 構更為簡單；5)高度柔性成形設備不必做任何改動和調整，只需修改零 件的CAD模型和其後續製作數據，即可快速成形出各種複雜的三維產品。6) 高度集成化、自動化CAD數據轉換成STL格式後，便可進行分層加工數據準 備工作，這些工作完成後就可開始加工，整個工作都由隨成形機所帶的集成 軟體完成。同傳統的數控加工方法相比，本發明克服了 CAD/CAM集成時CAPP 這個瓶頸問題，它用重複的二維掃描成形複雜的三維零件，避免了數控加工 複雜的編程等步驟，從而實現高度自動化和程序化。7)由於三維複雜泡沫塑 料高分子材料零件的加工成形成為可能，將大大拓展其的應用領域，特別是 可應用到藝術造型、廣告裝飾等方面，並大幅度降低製造成本。
權利要求
1、一種基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法，其特徵在於，包括下述步驟(1)根據零件形狀特徵，生成加工旋轉軸P，建立坐標原點o在旋轉軸P上的柱坐標系統，將零件的直角坐標系CAD模型轉換成柱坐標系下的模型；(2)按照定角度或定厚度分層加工方式將零件的STL文件格式模型切分生成多層加工輪廓數據；(3)根據定角度或定厚度切層輪廓數據，將泡沫塑料坯件夾持在過旋轉軸P的坯料固定、旋轉機構上，利用計算機進行控制，通過電熱刀X、Y二維平面運動和坯件繞旋轉軸P運動相配合，定角度或定厚度逐層切割泡沫塑料，一次完成三維零件整體成形。
2、 如權利要求1所述的基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法，其特 徵在於，所述的定角度分層加工方式將零件的STL文件格式模型切分生成多 層加工輪廓數據的具體方法是以過零件旋轉軸線的平面與零件的ST文件模 型的三角面片相求交，得到第一個切層輪廓；在切層輪廓獲得後，將模型繞 旋轉軸線旋轉分層定角度e度，重複旋轉軸線的平面與STL文件模型的三角 面片求交過程，得到下一切層輪廓；如此重複n次，n=180/0 ，得到零件的所 有定角度切層輪廓數據。
3、 如權利要求1所述的基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法，其特 徵在於，所述定厚度分層加工方式將零件的STL文件格式模型切分生成多層 加工輪廓數據的具體方法是以一定層厚度d為間隔的一系列垂直於水平旋 轉軸的平面與零件的STL文件模型求交，得到一組平行的定厚度切層輪廓數 據。
4、 如權利要求1或2所述的基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法，其特徵在於，所述定角度逐層切割泡沫塑料的具體方法是1)豎直導軌隨水平滑動小車X向水平運動，固定支架帶動電熱刀Y向豎 直運動，使電熱刀在熱刀和旋轉軸構成的平面內沿切層輪廓路徑運動切割坯 料，完成一層輪廓的非接觸加工；2) 當一層輪廓加工完畢，水平迴轉電機控制坯料旋轉一個分層角度9 ;3) 重複步驟1)，電熱刀進行下一層輪廓加工，如此重複，當坯料旋轉 360度後，零件即加工完畢。
5、 如權利要求1或3所述的基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法， 其特徵在於，所述定厚度逐層切割泡沫塑料的具體方法是1) 固定支架帶動電熱刀Y方向豎直運動，同時水平迴轉電機控制坯料繞 旋轉軸P勻速旋轉，使電熱刀在垂直於水平旋轉軸的平面內沿切層輪廓路徑 運動切割坯料，完成一層輪廓的非接觸加工；2) 當一層輪廓加工完畢，豎直導軌隨水平滑動小車X向水平移動一個層 厚d的距離；3) 重複步驟1)，電熱刀進行下一層輪廓加工，如此重複直到零件加工 完畢。
6、 一種實現權利要求1基於柱坐標的泡沫塑料三維快速成形方法的裝 置，其特徵在於，包括機架、電熱刀、計算機控制系統和受其控制的電熱刀 二維平面運動機構，其特徵在於，該裝置還包括一個基於柱坐標系統的由一 個計算機控制的坯料固定、旋轉機構，該坯料固定、旋轉機構與電熱刀二維 平面運動機構配合，實現對複雜三維泡沬塑料模型定角度或定厚度分層加工。
7、 如權利要求6的一種實現權利要求1基於柱坐標的泡沬塑料三維快速 成形方法的裝置，其特徵在於，所述坯料固定、旋轉機構包括設置在機架一 側的水平迴轉電機、尾架及尾架針盤，水平迴轉電機與尾架上的尾架頂針軸 向之間形成加工旋轉軸P，泡沫塑料坯件通過該旋轉軸裝夾於迴轉電機軸與 尾架頂針之間。
8、 如權利要求6的一種實現權利要求1基於柱坐標的泡沫塑料三維快速 成形方法的裝置，其特徵在於，所述二維^^面運動機構包括分別設置在上、 下導軌上的兩個水平滑動小車，同邊的上下水平滑動小車連接豎直導軌，豎 直導軌上連接裝有電熱刀的固定支架，電熱刀水平運動是通過四個水平滑動 小車內的水平驅動電機帶動滑動小車及豎直導軌整體水平移動實現；電熱刀 的豎直運動是通過下導軌兩個水平滑動小車內的豎直驅動電機通過豎直同步 齒輪帶帶動固定支架沿豎直導軌上下移動實現。
9、如權利要求6的一種實現權利要求1基於柱坐標的泡沫塑料三維快速 成形方法的裝置，其特徵在於，固定支架包括架體及架體兩側的圓鋼導軌， 圓鋼導軌上設有滑架，電熱刀安裝在滑架上，架體一端設有輔助步進電機通 過同步帶輪和同步帶使電熱刀可沿圓鋼導軌移動，用於輔助加工具有輪廓重 疊的特殊三維模型。
全文摘要
本發明公開了一種基於柱坐標的泡沫塑料材料三維快速成形方法及裝置，根據零件形狀特徵，生成加工旋轉軸，建立坐標原點在旋轉軸上的柱坐標系統，將零件的直角坐標系CAD模型轉換成柱坐標系下的模型；再將零件STL文件格式的柱坐標系下模型按照定角度或定厚度切層形成特定的多層切層輪廓數據；在計算機控制下，通過本發明快速成形裝置，按照切層加工路徑控制熱刀平面二維運動和泡沫塑料坯件的繞旋轉軸運動，逐層非接觸氣化切割，最終一次整體成形三維零件。本發明使得單件或小批量的複雜形狀泡沫塑料零件製造成本大大降低、加工精度和效率得到提高。
文檔編號B26F3/06GK101387881SQ20081023189
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月27日 優先權日2008年10月27日
發明者葉慶光, 琨 孫, 亮 方, 蔡洪能, 嘉 趙 申請人:西安交通大學