一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法与流程

一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法，属于光纤铺设技术领域。


背景技术：

2.3d打印技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术等先进技术以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料或医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。由于3d打印技术是依靠堆积原理来制造结构件，在堆积过程中内部偶尔会出现缺陷。而且在堆积过程中，若第一层材料冷却过快，则第二层材料与第一层材料就无法完全结合，整体结构的强度就会受到影响。与此同时随着我国3d打印技术的快速发展，3d打印技术已经广泛应用于医学治疗、房屋建筑、航空航天、汽车制造等领域，由于3d打印结构件的特殊性，对于结构件内部损伤的监测变得尤其重要。
3.为了解决上述问题，现有的方法一般将用于监测的传感器粘贴于3d打印结构件的表面，通过对结构件表面温度、应变的监测以及相关数据处理算法对结构件内部损伤进行监测。但是这种方法一方面存在较大的监测误差，另一方面结构件使用的时间较长时容易出现传感器脱落现象。近几年虽然也出现了在3d打印结构件内部铺设光纤的一些方法及设备，但是这些技术只实现了在二维平面内铺设光纤且结构复杂。而在实际的工程应用中往往需要对3d打印结构件进行多方向监测。如何在3d打印的同时进行光纤的三维铺设就成为了亟待解决的问题。过去的3d打印技术温度较高，往往会导致嵌入3d打印结构件内部的电子元件损坏，而随着光纤制造技术的发展，耐高温光纤可承受的温度越来越高，使得在3d打印结构件内部嵌入耐高温光纤成为可能。同时美国的fabrisonic公司提出了一种超声波增材制造(uam)技术实现了在低温环境下的3d打印，使得在打印结构件内部嵌入的电子器件不会损坏，也使得在3d打印结构件内部嵌入普通光纤成为可能。所以本发明利用光纤作为传感器埋入3d打印结构件监测内部损伤与缺陷，不仅精度得到了保证而且自动化程度较高，可以节约大量的人工成本与铺设时间。
4.发明人发现：目前很多3d打印结构件损伤检测或监测的方法都是在3d打印结构件表面粘贴传感器，通过对3d打印结构件表面的形变量、应力、应变等变化推测其内部缺陷或损伤，而现有的内埋光纤的技术也只能在水平方向上铺设光纤，对3d打印结构件无法实现竖直方向上的监测。


技术实现要素：

5.为了解决现有光纤铺设技术无法在竖直方向铺设光纤，导致信息采集不全的问题，本发明的主要目的是提供一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法，通过六自由度3d打印头与铺设光纤的机械手组件协同配合，能够实现在平面360
°
的范围内边打印结构件边在3d打印结构件内部铺设光纤，并能够在竖直平面内铺设单根光纤并预留部分光纤作
为熔接接头。通过本发明还能够将3d打印结构件变为智能结构件，实时监测打印过程中结构件的形变，提高打印的质量。同时通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3d打印结构件健康监测系统提供支撑。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
7.本发明公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置，包括外壳、光纤铺设旋转平台、位于光纤铺设旋转平台正上方的六自由度打印头、固定于光纤铺设旋转平台的光纤铺设机械组件和光纤收纳组件。
8.所述光纤铺设机械组件包括可升降的机械手组件、导轨平台、水平导轨、可伸缩的机械臂和两尖柔喙夹头。所述可升降的机械手组件主要由底座、伸缩机构、顶部三部分组成，底座固定在导轨平台上，通过伸缩机构将顶部升高。导轨平台沿水平导轨滑动；可伸缩的机械臂一端与顶部固定连接，另一端安装有两尖柔喙夹头。
9.所述光纤收纳组件包括安装于光纤收纳盒内部的光纤滚轴、位于光纤滚轴正前方的两尖柔喙夹头、光纤切割装置；所述光纤收纳组件还包括安装于光纤切割装置末端的光纤切割刀。
10.所述光纤铺设机械组的两尖柔喙夹头将光纤从收纳装置中取出；光纤铺设旋转平台带动光纤铺设机械组转动，通过六自由度打印头，实现在平面360
°
的范围内边打印结构件边在3d打印结构件内部铺设光纤；通过所述可升降的机械手底座的伸缩机构将光纤升高，实现竖直方向上平面内光纤的铺设，在竖直方向上平面内铺设光纤后预留部分光纤作为熔接接头。
11.通过实时监测打印过程中结构件的形变，提高3d打印的质量。同时通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3d打印结构件健康监测系统提供支撑。
12.作为优选，所述的光纤铺设旋转平台与光纤铺设机械手所用的电机均为伺服电机；所述的光纤铺设旋转平台包含第一伺服电机与第二伺服电机，第一伺服电机用于驱动旋转平台在水平面转动，第二伺服电机用于驱动旋转平台在竖直方向升降；所述的光纤铺设机械组件内包含第三伺服电机、第四伺服电机与第五伺服电机，第三伺服电机安装于机械手底座用于驱动机械手在竖直方向上升降，第四伺服电机用于驱动机械手在导轨上水平移动，第五伺服电机用于驱动机械手伸长与收缩。
13.作为优选，所述的光纤收纳组件位于旋转平台上且与光纤铺设机械组件呈直角安装。
14.作为优选，散热系统包括安装于光纤收纳盒下部的散热风扇，同时在3d打印耗材进料器与热熔器之间还安装有散热片，用来实现在耗材融化过程中与打印过程中的散热，避免3d打印结构件的温度过高对光纤产生不利影响。
15.作为优选，光纤切割装置位于光纤滚轴前端，光纤切割刀由小型直流电机控制，实现对光纤的切割。
16.本发明公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设方法，基于所述一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置实现，包括如下步骤：
17.s1:通过计算机建立需要打印结构的模型，并生成打印程序；
18.s2:准备进行3d打印，光纤铺设旋转平台下降到最低处，光纤铺设机械手回到导轨的初始位置，避免阻碍打印；
19.s3:热熔器与热床开始预热，当打印喷头与热床达到预设温度时，开始进行3d打印；
20.34:六自由度打印头在控制组件的控制下，在工作面上移动，耗材进料器将所需要的耗材送入打印头，打印头将耗材喷出，进行第一层打印。每打印完一个平面后，六自由度机械臂带动打印头上升一个高度单位，开始打印下一层，同时散热装置工作，加速打印结构件散热；
21.s5:当打印头打印到需要铺设光纤的层面时，六自由度打印头停止喷出耗材，并回到打印前的初始位置，避免阻碍光纤铺设机械组件工作。光纤铺设旋转平台开始上升，当上升到需要铺设光纤的高度时停止并开始带动铺设机械手旋转。在平面铺设光纤时，机械手旋转到与光纤铺设方向垂直的位置时停止旋转，机械手开始沿水平导轨移动。机械手移动到光纤收纳组件前端时，两尖柔喙夹头夹取光纤。随后机械手沿水平导轨缓慢反向移动，将光纤拉出。在水平导轨上标记有开始施加光纤预应力的位置，当机械手回到此位置时，光纤切割装置的两尖柔喙夹头夹住光纤，机械手继续缓慢反向移动，对光纤施加预应力。当机械手回到水平导轨的初始位置时，预应力施加完成，旋转平台下降一个高度单位并带动机械手将光纤埋入结构件内部，达到预设时间后光纤切割装置的切割刀将光纤切断。当此打印层打印完成后，六自由度机械臂带动打印头上升一个高度单位，开始打印下一层，直至打印结束。
22.s6:当需要在竖直方向上铺设单根光纤时，机械手旋转到与光纤铺设方向水平投影垂直的位置时停止旋转，机械手开始沿水平导轨移动。机械手移动到光纤收纳组件前端时，两尖柔喙夹头夹取光纤。随后机械手沿水平导轨缓慢反向移动，将光纤拉出。当机械手回到水平导轨的初始位置时，机械手组件开始上升，当上升到预设高度时，机械手的机械臂伸长。在机械手的机械臂上标记有开始施加光纤预应力的位置，当伸长到预设位置时，机械手沿光纤铺设方向再次移动一段距离对光纤施加预应力。预应力施加完成后，铺设组件的各个部分固定不动，光纤将各个打印层分为2左右两个区域。六自由度3d打印头开始工作继续进行打印，当打印头遇到光纤时先在左侧的一个打印层进行打印，当左侧的一个层面打印完成后，六自由度机械臂带动打印头转移到右侧平面进行打印。当此打印层打印完成后，六自由度机械臂带动打印头上升一个高度单位，开始打印下一层。打印结束后六自由度打印头回到初始位置，达到预设时间后光纤切割装置的切割刀将光纤切断。
23.s7:当操作人员需要人工铺设光纤时，选择手动铺设模式，通过按钮控制光纤铺设机械组件进行光纤铺设。
24.作为优选，在打印完成后埋入结构件内部的光纤能够作为光纤传感器对结构进行健康监测，预测损伤的发生，提高结构件在使用过程中的安全性。
25.达到预设时间后光纤切割装置的切割刀将光纤切断，作为优选，5秒后光纤切割装置的切割刀将光纤切断。
26.有益效果：
27.1、本发明公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法，通过六自由度3d打印头与铺设光纤的机械手组件协同配合，能够实现在平面360
°
的范围内边打印结构件边在3d打印结构件内部铺设光纤，并能够在竖直平面内铺设单根光纤并预留部分光纤作为熔接接头。
28.2、本发明公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法，基于上述的旋转式光纤铺设装置，具备光纤铺设装置的特点，所述旋转式光纤铺设装置操作灵活简单，具有自动铺设与手动铺设两种模式。本发明将在水平与竖直方向上均具有伸缩功能的机械手组件置于旋转平台上，并结合六自由度3d打印喷头能够对整个3d打印结构件全方位进行光纤布设。
29.3、本发明公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法，通过六自由度打印头与光纤铺设机械组件协同工作，实现了在3d打印过程中进行二维与三维方向上的光纤铺设。
30.4、本发明公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法，通过将光纤埋入结构件内部从而成为一种智能结构，能够实时监测3d打印结构件内部的温度或应力应变的变化，实现对3d打印结构件内部损伤的监测，有效降低3d打印的废品率。在打印完成后埋入结构件内部的光纤可作为光纤传感器对结构进行健康监测，预测损伤的发生，提高结构件在使用过程中的安全性。
31.5、本发明公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置及方法，通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3d打印结构件健康监测系统提供支撑。
附图说明
32.为了更加清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
33.图1为本发明实施例中旋转式光纤铺设装置的结构示意图；
34.图2为本发明实施例中光纤铺设机械组件的结构示意图；
35.图3为本发明实施例中光纤收纳组件的结构示意图；
36.图4为本发明实施例中旋转式光纤铺设装置的主视图；
37.图5为本发明实施例中光纤铺设机械组件与光纤收纳组件安装位置示意图；
38.图6为本发明实施例中电缆布设支架圆形底座光纤铺设方向示意图；
39.图7为本发明实施例中电缆布设支架竖直结构内部光纤铺设方向示意图。
40.图标：1—桁架结构；2—3d打印工作平台；3—光纤铺设机械组件；4—光纤铺设旋转平台；5—六自由度打印头；6—光纤收纳组件；7—外壳壁板；8—可升降的机械手组件；9—导轨平台；10—水平导轨；11—可伸缩的机械臂；12—两尖柔喙夹头；13—光纤滚轴；14—两尖柔喙夹头；15—光纤切割装置；16—光纤切割刀；17—散热风扇。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例时本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.应注意到：一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
45.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.实施例1：
47.请参照图1，本实施例公开的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置，包括桁架结构1、3d打印工作平台2、光纤铺设机械组件3、光纤铺设旋转平台4、六自由度打印头5、光纤收纳组件6、外壳壁板7。
48.请参照图2，光纤铺设机械组件3包括可升降的机械手组件8、导轨平台9、水平导轨10、可伸缩的机械臂11以及两尖柔喙夹头12。其中可升降的机械手组件8、水平导轨平台9以及可伸缩的机械臂11由第三、第四与第五伺服电机驱动，根据输入的电压信号精确控制伺服电机输出轴的转动角度、转动圈数等。机械臂末端的两尖柔喙夹头12由气动控制，正压时夹头打开，负压时夹头加紧。由于柔喙夹头14自身的特点，在夹取光纤的过程中不会损坏光纤。
49.请参照图3，光纤收纳组件6包括光纤滚轴13、两尖柔喙夹头14、光纤切割装置15、光纤切割刀16、散热风扇17。光纤滚轴13表面缠绕有光纤，光纤铺设机械手在拉出光纤时，滚轴滚动将光纤送出。两尖柔喙夹头14同样由气动控制，正压时夹头打开，负压时夹头加紧，在对光纤施加预应力时将光纤夹紧，预应力施加完成后松开。光纤切割装置15包括两尖柔喙夹头14与光纤切割刀16，光纤切割刀由小型直流电机驱动，在光纤铺设完成后光纤切割刀闭合切断光纤。散热风扇17是此装置散热系统的一部分，在打印过程中对打印结构件吹风，加快结构件表面空气的流速，促进结构件散热。
50.请参照图4所示，旋转式光纤铺设装置的主视图，将六自由度打印头5与光纤铺设机械组件3的安装位置进行了展示。
51.请参照图5所示，光纤铺设机械组件与光纤收纳组件安装位置示意图，将光纤收纳组件6与光纤铺设机械组件3的安装位置进行了展示。
52.光纤铺设旋转平台4与光纤铺设机械手组件8所用的电机均为伺服电机，通过输入的电压信号可对伺服电机输出轴的旋转角度、旋转圈数等实现精确控制，提高3d打印的精度。光纤铺设旋转平台4包含第一伺服电机与第二伺服电机，第一伺服电机用于驱动旋转平台4在水平面转动，第二伺服电机用于驱动旋转平台4在竖直方向升降；光纤铺设机械组件3内包含第三伺服电机、第四伺服电机与第五伺服电机，第三伺服电机安装于机械手组件8用于驱动机械手在竖直方向上升降，第四伺服电机用于驱动机械手在导轨10上水平移动，第五伺服电机用于驱动机械手伸长与收缩。
53.六自由度3d打印喷头组件5机械臂中的关节由舵机构成，机械臂的底座能够在平
面内360
°
旋转。
54.夹取光纤的两尖柔喙夹头12与光纤切割装置的两尖柔喙夹头14采用气动控制，正压时夹头打开，负压时夹头加紧，实现光纤的夹取。光纤切割装置光纤切割刀16由小型直流电机控制，实现对光纤的切割。
55.散热系统包括安装于光纤收纳盒下部的散热风扇17，同时在3d打印耗材进料器与热熔器之间还安装有散热片，用来实现在耗材融化过程中与打印过程中的散热，避免3d打印结构件的温度过高对光纤产生不利影响。
56.光纤收纳组件6包括表面缠绕光纤的光纤滚轴，光纤收纳组件6位于旋转平台4上且与光纤铺设机械组件3呈直角安装。
57.3d打印平台2上铺设热床。
58.实施例2：
59.飞机的某些次承力部件，如发动机短舱、起落架舱、电缆布设支架等内部结构复杂，很难加工。而利用3d打印技术制造所述部件不但能够一次成型，还能够减轻结构重量。
60.在电缆布设支架的打印过程中不仅需要掌握其水平方向的应力应变，也需要对其竖直方向的应力应变进行监测。
61.请参照图6所示的电缆布设支架圆形底座光纤铺设方向示意图，对利用基于3d打印的旋转式光纤铺设装置打印电缆布设支架圆形底座并在水平面铺设光纤的过程进行说明。
62.首先在开始打印前确定需要在支架内部铺设光纤的位置，然后开始打印。当电缆布设支架的圆形底座打印完成一部分时，开始在圆形底座的水平面内铺设光纤。设定光纤铺设方向为由ab方向。机械手8旋转到与光纤铺设方向垂直的cd方向时停止旋转。机械手8沿水平导轨移动，当机械手8到达光纤收纳组件6前端时，两尖柔喙夹头12夹取光纤。随后机械手8沿水平导轨10缓慢反向移动，将光纤拉出。当机械手8回到水平导轨10的初始位置时，预应力施加完成，光纤铺设旋转平台4下降一个高度单位并带动机械手8将光纤埋入电缆布设支架底座内部，5秒后光纤切割装置15的切割刀16将光纤切断，完成ab方向的光纤铺设。
63.请参照图7所示的电缆布设支架竖直结构内部光纤铺设示意图，对利用基于3d打印的旋转式光纤铺设装置打印电缆布设支架竖直结构并在其内部铺设光纤的过程进行说明。
64.设定光纤铺设方向为ef方向，光纤铺设方向在水平面上的投影为gh方向。机械手8旋转到与gh方向垂直的hi方向时停止旋转，机械手8沿水平导轨10移动。机械手8移动到光纤收纳组件6前端时，两尖柔喙夹头12夹取光纤。随后机械手8沿水平导轨10缓慢反向移动，将光纤拉出。当机械手8回到水平导轨10的初始位置时，机械手组件8开始上升，当上升到预设高度时，机械手8的机械臂伸长。当伸长到预设位置时，机械手8对光纤施加预应力。预应力施加完成后，铺设组件的各个部分固定不动，光纤将各个打印层分为2左右两个区域。六自由度3d打印头5开始工作继续进行打印，当打印头5遇到光纤时先在左侧的一个打印层进行打印，当左侧的一个层面打印完成后，六自由度机械臂带动打印头5转移到右侧平面进行打印。当此打印层打印完成后，六自由度机械臂带动打印头5上升一个高度单位，开始打印下一层。打印结束后六自由度打印头5回到初始位置，5秒后光纤切割装置15的切割刀16将光纤切断，完成竖直方向上的光纤铺设。
65.在光纤铺设完成后进行传感器接头的熔接，并将传感器与光纤解调仪连接。采集电缆布设支架内部的应力应变数据，通过数据分析判断电缆布设支架内部是否存在缺陷，实现打印过程中电缆布设支架内部应力应变的实时监测。保留熔接后的光纤传感器作为后续结构健康监测的传感器使用。
66.综上，本发明的实施例提供的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置，通过六自由度打印头5与光纤铺设机械组件3协同工作，可以在打印过程中直接检测结构件内部的应力应变的变化，能够有效降低3d打印的废品率；在打印完成后埋入结构件内部的光纤可作为光纤传感器对结构进行健康监测，预测损伤的发生，提高结构件在使用过程中的安全性。
67.本发明的实施例还提供一种基于3d打印的旋转式光纤铺设方法，基于上述的一种基于3d打印的旋转式光纤铺设装置实现，具备光纤铺设装置的特点，包括如下步骤：
68.s1:通过计算机建立需要打印结构的模型，并生成打印程序；
69.s2:准备进行3d打印，光纤铺设旋转平台4下降到最低处，光纤铺设机械手组件8回到导轨10的初始位置，避免阻碍打印；
70.s3:热熔器与热床开始预热，当打印喷头5与热床达到预设温度时，开始进行3d打印。
71.34:六自由度打印头5在控制组件的控制下，在工作面上移动，耗材进料器将所需要的耗材送入打印头，打印头将耗材喷出，进行第一层打印。每打印完一个平面后，六自由度机械臂带动打印头5上升一个高度单位，开始打印下一层，同时散热装置17工作，加速打印结构件散热；
72.s5:当打印头5打印到需要铺设光纤的层面时，六自由度打印头5停止喷出耗材，并回到打印前的初始位置，避免阻碍光纤铺设机械组件工作。光纤铺设旋转平台4开始上升，当上升到需要铺设光纤的高度时停止并开始带动铺设机械手组件8旋转。在平面铺设光纤时，机械手8旋转到与光纤铺设方向垂直的位置时停止旋转，机械手开始沿水平导轨10移动。机械手8移动到光纤收纳组件6前端时，两尖柔喙夹头12夹取光纤。随后机械手8沿水平导轨10缓慢反向移动，将光纤拉出。在水平导轨10上标记有开始施加光纤预应力的位置，当机械手8回到此位置时，光纤切割装置15的两尖柔喙夹头14夹住光纤，机械手8继续缓慢反向移动，对光纤施加预应力。当机械手8回到水平导轨10的初始位置时，预应力施加完成，旋转平台4下降一个高度单位并带动机械手8将光纤埋入结构件内部，5秒后光纤切割装置15的切割刀16将光纤切断。当此打印层打印完成后，六自由度机械臂带动打印头5上升一个高度单位，开始打印下一层，直至打印结束。
73.s6:当需要在竖直方向上铺设单根光纤时，机械手8旋转到与光纤铺设方向水平投影垂直的位置时停止旋转，机械手8开始沿水平导轨10移动。机械手8移动到光纤收纳组件6前端时，两尖柔喙夹头12夹取光纤。随后机械手8沿水平导轨10缓慢反向移动，将光纤拉出。当机械手8回到水平导轨10的初始位置时，机械手组件8开始上升，当上升到预设高度时，机械手8的机械臂伸长。在机械手8的机械臂上标记有开始施加光纤预应力的位置，当伸长到预设位置时，机械手8沿光纤铺设方向再次移动一段距离对光纤施加预应力。预应力施加完成后，光纤铺设组件3的各个部分固定不动，光纤将各个打印层分为2左右两个区域。六自由度3d打印头开始工作继续进行打印，当打印头遇到光纤时先在左侧的一个打印层进行打印，当左侧的一个层面打印完成后，六自由度机械臂带动打印头5转移到右侧平面进行打
印。当此打印层打印完成后，六自由度机械臂带动打印头5上升一个高度单位，开始打印下一层。打印结束后六自由度打印头5回到初始位置，5秒后光纤切割装置15的切割刀16将光纤切断。
74.s7:当操作人员需要人工铺设光纤时，可选择手动铺设模式，通过按钮控制光纤铺设机械组件3进行光纤铺设。
75.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。