专利名称：一种移动式振镜装置的制作方法
技术领域：
本发明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，一般在士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1.2X1. ail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 X 380 X 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1.4X0. 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
本发明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。本发明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
3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。本发明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。本发明通过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。
图1为本发明实施例1的立体示意图；图2为本发明实施例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为本发明实施例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发明进一步说明。如图1、图2所示，本发明的实施例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 —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。本发明的实施例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. 0X416. 94X1032. 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 X 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V1J2和V3，其中心分别为Op A和03。根据\、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S” S2和S3O所以整个振镜扫描机构的动作为(O1, S1)，(O2，S2)，(03, S3)的系列运动。(2)读取Op 02、O3的坐标(X1, Y0)、(X2, Y0)、(X3, Y0)，控制系统控制χ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02，按照确定的扫描动作&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0。，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，本发明的实施例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 —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. 50X 1275. 36X361. 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
5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450X450mm的正方形区域，根据切片的轮廓范围，可以分为区域 \、\、…、V8,其中心分别为OpOy…、08。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Si、S2、···、&。所以整个振镜扫描机构的动作为(OnS1)A(^S2),…， (O8，S8)的系列运动。(2)扫描动作确定之后，软件根据(O1, S1)，(02, S2)，…，(0n, 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O^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XJi置，然后安装在横梁上的Υ向伺服电机运动，通过Υ向同步带传动，使振镜扫描机构移动到Yl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Si。当Sia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A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&。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(03，S3)至(08，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0。，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。
权利要求
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。
全文摘要
一种移动式振镜装置，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。本发明包括底板、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。本发明扩大了成形空间，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。
文档编号B23K26/08GK102430860SQ20111032438
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者史玉升, 文世峰, 赵晓, 魏青松 申请人:华中科技大学