专利名称：快速成形系统的制作方法
技术领域：
本发明属于制造技术领域，特别涉及一种用于无模制造的快速成形系统。
背景技术：
快速成形技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动 技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的一项先进的制造技术。 快速成形系统可以在无需任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设 计(CAD)数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。其成型过程主要为首先建立目标 件的三维计算机辅助设计(CAD 3D)模型，然后对该实体模型在计算机内进行模拟切片分 层，沿同一方向(比如Z轴)将CAD实体模型离散为一片片很薄的平行平面；把这些薄平面 的数据信息传输给快速成形系统中的工作执行部件，将所用的成型原材料有规律地一层层 复现原来的薄平面，并层层堆积形成实际的三维实体，最后经过处理成为实际零件。因此， 快速成形系统的推广应用可以大大縮短新产品研制周期、确保新产品上市时间，降低开发 成本、节省了大量的开模费用，提高开发质量。 根据零件的复杂程度，单件零件在成型室内的造型时间一般小于7天。在造型的 过程中，成型室内的工作状态不可见，除非打开成型室舱门对其内部进行观察，而打开成型 室舱门会带来成型温度的损失、对造型中的零件带来影响，还有可能导致人身危险，因此工 作状态下即成型室封闭状态下，操作人员无法准确获知成型室内的工作状态更无法及时处 理实时产生的各种问题，影响了产品的质量和制成成品速度。
发明内容
为解决现有技术中快速成形系统在造型过程中成型室呈封闭状态致使无法获知
成型室内状态更无法及时处理实时产生的问题的缺陷，本发明提供一种快速成形系统，该
快速成形系统加装有监控装置，可以在造型过程中对成型室内部状态进行监视以便及时处
理实时产生的各种问题。 技术方案 快速成形系统，包括相连接的成型设备和控制装置，所述成型设备包括有成型室、
成型室内部的工作台和用于零件造型的执行部件，所述控制装置用于处理待造型零件的图
形文件、设置加工参数、控制所述成型设备进行零件造型，其特征在于，所述快速成形系统
还包括有监控装置，所述监控装置包括有设置在所述成型设备上的用于观测成型室内部状
态的观测单元和位于成型室外用于显示该观测单元观测到的图像的显示单元。 所述观测单元包括设置在所述执行部件上朝向所述工作台的用于承载造型零件
的表面的一级摄像头。 所述执行部件包括用于挤出原材料的喷头，所述一级摄像头设置在该喷头上。
所述观测单元还包括在所述成型室的左侧和/或右侧和/或后侧和/或上面和/ 或前侧和/或所述工作台上朝向所述工作台的用于承载造型零件的表面的二级摄像头。
所述监控装置还包括分别与所述观测单元和所述控制装置相连的检测单元，用于 根据控制装置中设置的加工参数对观测单元观测到的图像进行分析，并将分析结果是否为 正常状态传输给所述控制装置，所述控制装置根据分析结果控制所述成型设备进行零件造 型。 所述检测单元包括静态检测单元和动态检测单元，分别用于静态图像和动态图像 的检测。 所述静态检测单元用于造型开始前对成型室内部状态的检测，所述动态检测单元 用于造型开始后对成型室内部状态的检测。 所述动态检测单元包括模型状态检测子单元、成型精度检测子单元、喷头状态检 测子单元和扫描路径检测子单元，所述模型状态检测子单元根据二级摄像头观测到的图像 对造型中的零件状态进行检测，所述成型精度检测子单元根据一级摄像头观测到的图像对 造型中的零件的成型精度进行检测，所述喷头状态检测子单元根据二级摄像头观测到的图 像对喷头的出料状态进行检测，所述扫描路径检测子单元根据一级摄像头观测到的图像对 喷头的移动路径进行检测。 所述动态检测单元还包括记录子单元，用于记录一级摄像头和/或二级摄像头观 测到的动态图像。 所述动态检测单元还包括动态拾取点子单元，用于恢复造型时根据一级摄像头观
测到的图像计算本次造型的初始点，并将初始点信息传输给所述控制装置，所述控制装置
根据初始点信息控制所述成型设备从初始点开始进行本次的零件恢复造型。 所述监控装置还包括与所述检测单元相连的报警单元，用于检测单元得到的分析
结果为非正常状态时报警。 技术效果 本发明提供一种加装有监控装置的快速成形系统，该监控装置包括有设置在所述 成型设备上的用于观测成型室内部状态的观测单元和位于成型室外用于显示该观测单元 观测到的图像的显示单元。监控装置对快速成形系统的监控是在不打开成型室舱门的前提 下进行的，避免了对人身安全的影响，避免了开关舱门对造型零件的影响，同时避免了成型 室内温度的损失。操作人员通过显示单元对观测图像的观察，能对快速成形系统的内部状 态进行实时监控，及时发现异常情况进行纠正、避免损失。 观测单元可以为设置在执行部件上朝向工作台的用于承载造型零件的表面的一 级摄像头，该一级摄像头与执行部件随动、对造型中的零件进行摄像。当执行部件包括用于 挤出原材料的喷头时，该一级摄像头设置在该喷头上，与喷头随动的同时对造型中的零件 进行近距离、高清晰摄像。 观测单元还包括在成型室的左侧和/或右侧和/或后侧和/或上面和/或前侧和
/或所述工作台上朝向所述工作台的用于承载造型零件的表面的二级摄像头，从不同角度、
整体上观测成型室内的工作台、执行部件和造型中的零件的状态、保证观测结果的可靠性。 监控装置还包括检测单元，根据控制装置中已设置好的各种加工参数对观测单元
观测到的图像进行分析，并将分析结果是否为正常状态传输给控制装置，控制装置根据分
析结果控制成型设备进行零件造型，以达到自动处理造型过程中的非正常状态。 检测单元包括对静态图像进行检测的静态检测单元和对动态图像进行检测的动
4态检测单元。静态检测单元用于造型开始前对成型室内工作台和执行部件的检测，比如工 作台上是否清洁、设备的X、Y、Z轴是否归零等。动态检测单元用于造型开始后对成型室内 部工作台、执行部件和造型中的零件的检测。进一步地，动态检测单元包括模型状态检测 子单元、成型精度检测子单元、喷头状态检测子单元和扫描路径检测子单元，所述模型状态 检测子单元根据二级摄像头观测到的图像对造型中的零件状态是否正常进行检测，并把是 否正常的分析结果传输给控制装置；所述成型精度检测子单元根据一级摄像头观测到的图 像对造型中的零件的成型精度进行检测，并把成型精度是否合格的分析结果传输给控制装 置；所述喷头状态检测子单元根据二级摄像头观测到的图像对喷头挤出原材料的状态进行 检测，并把喷头出料流量是否正常的分析结果传输给控制装置；所述扫描路径检测子单元 根据一级摄像头观测到的图像对喷头的移动路径进行检测，并把扫描路径是否正常的分析 结果传输给控制装置。 动态检测单元还包括记录子单元，用于记录一级摄像头和/或二级摄像头观测到 的动态图像，对造型过程的记录，可以用作技术备份，供日后查找分析。 所述监控装置还包括与所述检测单元相连的报警单元，用于检测单元得到的分析 结果为非正常状态时报警，以便提醒操作人员。
图1为本发明快速成形系统的部分结构示意图； 图2为本发明快速成形系统的监控装置中检测单元的结构框图。
附图标记示例如下 1-成型室，11-舱门，2-工作台，3-喷头，41-第一摄像头，42-第二摄像头，43-第 三摄像头，44-第四摄像头，45-第五摄像头，46-第六摄像头，5-检测单元，51-静态检测单 元，52-动态检测单元，521-模型状态检测子单元，522-成型精度检测子单元，523-喷头状 态检测子单元，524-扫描路径检测子单元，525-记录子单元。
具体实施例方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。 参考图l，为本发明快速成形系统的部分结构示意图，包括成型室l，成型室的前 侧为舱门11、成型室内设置有工作台2、成型室内还设置有执行部件、该执行部件包括用于 挤出原材料的喷头3。在成型室内分布有6个摄像头，分别为在喷头3上朝向工作台2的 上表面设置的第一摄像头41 ( 一级摄像头)，在成型室的左侧、右侧、后侧和上面朝向工作 台上待造型零件位置设置的第二到第五摄像头42_45( 二级摄像头)，在工作台2前侧朝向 待造型零件位置设置的第六摄像头46( 二级摄像头)，当然，根据实际情况还可以在其他位 置增设摄像头，比如在舱门11上设置摄像头，舱门关闭时，该摄像头朝向工作台上的造型 零件。其中，设置在喷头3上的第一摄像头41与喷头3 —同移动，近距离对零件的造型面 进行摄影，实时获取造型面的动态图像。而第二至第六摄像头42-46分别安装在成型室的 五个方位，从五个不同角度观测成型室内造型状态，消除了视场死角，保证了观测结果的可靠性。上述的第一至第六摄像头41-46均与显示单元(图中未示出)相连接，通过显示单 元将成型室内部状态实时显示出来，操作人员可以在不干扰零件造型的前提下观测成型室 内部状态，及时发现异常情况并进行纠正，避免损失。 为了保证图像的质量，第一至第六摄像头41-46的帧数要大于30帧/秒，摄像头 焦距的选取要适合成型室内实际尺寸，当然可以靠加装透镜予以调节。考虑到温度对摄像 头的影响，可以将第二到第五摄像头42-45安装在成型室1外部，相应地在成型室1的侧 壁、顶壁的相应位置处安装透光材料。第一摄像头41和第六摄像头46由于要设置在成型 室1的内部，优选的情况下，对其加以隔热保护，比如加装隔热套。为进一步保证采集图像 的质量，成型室内还可以安装全封闭照明系统，充足的光线使得摄像头观测到的图像的色 彩逼真、细节清晰。 本发明的快速成形系统的监控装置除了包括上述的观测单元第一至第六摄像头 41-46、显示单元外，还包括有与观测单元和控制装置相连的检测单元5，检测单元5根据控 制装置中预定设置的各种加工参数对观测单元观测到的图像进行分析，并将分析结果是否 为正常状态传输给控制装置，控制装置根据分析结果继续控制成型设备。比如检测单元5 对观测到的图像进行分析后发现某一方面状态为非正常(即偏离预定加工参数)，则将某 一状态非正常的信息传输给控制装置，控制装置接收到该信息后控制执行部件停止造型、 处于等待状态；又如检测单元5对观测到的图像进行分析后发现某一方面状态为非正常 状态，偏离了预定加工参数，并计算得到偏离值，则将某一状态非正常的信息附加偏离值一 并传输给控制装置，控制装置接收到该信息后控制执行部件根据偏离值进行调整并继续造 型。 优选的情况下，如图2所示，为检测单元5的结构框图，检测单元5可以包括静态 检测单元51和动态检测单元52，分别用于对静态图像和动态图像的分析。静态检测单元51 用于造型开始前对成型室内部工作台和执行部件的检测，比如静态检测单元5对观测到的 静态图像分析后发现工作台上留有杂物，则将该工作台状态为非正常的信息传输给控制装 置，控制装置接收到工作台状态非正常的信息后控制执行装置处于等待状态，不进入造型 工序，等待人工参与调整；又如静态检测单元51对观测到的静态图像分析后发现设备初始 化后的原始工作参数与设定加工参数存在偏差，并计算得到偏离值，则将设备为非正常状 态的信息附加偏离值一并传输给控制装置，控制装置收到该信息后控制工作台和/或执行 部件根据偏离值调整工作台和/或执行部件的位置。动态检测单元52用于造型开始后对 成型室内部工作台、执行部件和造型中零件的检测。动态检测单元可以包括模型状态检测 子单元521、成型精度检测子单元522、喷头状态检测子单元523、扫描路径检测子单元524 和记录子单元525，其中模型状态检测子单元521根据二级摄像头(第二摄像头42至第六 摄像头46)观测到的图像对造型过程中零件状态进行检测，当对观测到的动态图像分析后 发现零件状态非正常时，则将该模型状态非正常的信息传输给控制装置，控制装置接收到 该信息后控制执行装置停止造型、处于等待状态，等待人工参与调节后继续造型，若模型状 态检测子单元521同时计算得到可以矫正该非正常状态的偏离值，则将该偏离值一并传输 给控制装置，控制装置便可根据该偏离值自动调整执行部件并继续造型，或者操作人员根 据该偏离值进行人工调节；成型精度检测子单元522根据一级摄像头(第一摄像头41)观 测到的图像对造型中的零件的成型精度进行检测，当对观测到的动态图像分析后发现成型精度不合格时，则将该成型精度不合格的信息传输给控制装置，控制装置接收到该信息后 控制执行装置停止加工、处于等待状态，等待人工参与调节后继续造型，若该成型精度检测 子单元522同时计算得到可以矫正该成型精度偏差的偏离值，则将该偏离值一并传输给控 制装置，控制装置便可根据该偏离值自动调整执行部件并继续造型，或者操作人员根据该 偏离值进行人工调节；喷头状态检测子单元523根据二级摄像头(第二摄像头42至第六 摄像头46)观测到的图像对喷头挤出原材料的状态进行检测，当对观测到的动态图像分析 后发现喷头挤出原材料的流量不符合要求时，则将该喷头状态非正常的信息传输给控制装 置，控制装置接收到该信息后控制喷头停止挤出原材料、处于等待状态，等待人工参与调节 喷头挤出流量后继续造型，若该喷头状态检测子单元523同时计算得到矫正该挤出原材料 流量的偏离值，则将该偏离值一并传输给控制装置，控制装置便可根据该偏离值自动调整 喷头的挤出流量并继续造型，或者操作人员根据该偏离值进行人工调节；扫描路径检测子 单元524根据一级摄像头(第一摄像头41)观测到的图像对喷头的路径进行检测，当对观 测到的动态图像(比如造型痕迹)分析后发现喷头移动路径偏离预定路径时，则将该喷头 路径为非正常状态的信息传输给控制装置，控制装置接收到该信息后控制喷头停止工作、 处于等待状态，等待人工参与调节喷头路径，若该扫描路径检测子单元计算得到矫正该喷 头路径的偏离值，则将该偏离值一并传输给控制装置，控制装置便可根据该偏离值自动调 整喷头路径继续造型，或者操作人员根据该偏离值进行人工调节；记录子单元525用于记 录一级摄像头和/或二级摄像头观测到的动态图像，对造型过程的记录，可以用作技术备 份，供日后查找分析。 上述动态检测单元52包括的5个子单元只是一种优选的方式，本领域技术人员应 当理解，根据工况的不同，可以选择其中某些子单元的组合，当然还可以增加利用图形信息 的具有其他功能的子单元，比如动态拾取点子单元，当进行恢复造型时(继续完成前次未 完成的造型)，根据一级摄像头(第一摄像头41)观测到的图像对零件的造型面进行分析， 计算本次造型初始点，并把该初始点的信息传输给控制装置，控制装置接收到该初始点的 信息后控制喷头3从初始点开始造型。 另外，还包括与检测单元5相连的报警单元，当检测单元得到的分析结果为非正 常状态时，报警单元发出报警，此时操作人员可以及时对异常状态进行纠正；若检测单元计 算得到偏离值，控制单元自动控制调整时，报警单元发出的报警也会提醒操作人员成型系 统正处于自调整状态，操作人员可以通过显示单元检测自调整过程，当系统的自调整出现 异常时，操作人员可以及时实施人工调整，以避免损失。 本实施例中的快速成形系统的工作过程举例如下开机启动快速成形系统，建立 控制装置与成型设备的连接、以及监控装置与成型设备的连接，监控装置中的检测单元5 的静态检测单元51开始对成型室内部进行摄像、并对观测到的静态图像进行分析，分析的 过程包括人工分析和自动分析，人工分析操作人员通过位于成型室1外部的显示单元判 断成型室内的状态是否正常，自动分析静态检测单元51根据观测到的图像自动判断成型 室内的状态是否正常，当人工分析结果为非正常状态时，操作人员进行人工调整，当自动分 析结果为非正常时，报警单元发出报警提示，同时将分析结果(或包含偏离值)传输给控制 装置，控制装置接收到非正常状态的信息后控制执行装置等待人工调节或者按照偏离值进 行自动调节。当静态检测单元51的分析结果为正常状态后，快速成形系统进行初始化，静
7态检测单元51对初始化后的成型室内部进行摄像，并对观测到的图像进行分析，当分析后 发现系统初始化后的设备原始工作参数与设定加工参数存在偏差，并计算得到偏离值，则 将设备为非正常状态的信息附加偏离值一并传输给控制装置，控制装置收到该信息后发出 报警提示，同时控制工作台和/或执行部件根据偏离值调整工作台和/或执行部件的位置。 当静态检测单元51对初始化后的系统的分析结果为正常状态后，控制装置控制成型设备 开始新造型或者恢复造型。开始新造型时，动态检测单元52的各个子单元模型状态检测 子单元521、成型精度检测子单元522、喷头状态检测子单元523、扫描路径检测子单元524 和记录子单元525根据一级和/或二级摄像头观测到的动态图像按照前述的方式对造型过 程进行检测直到造型结束。开始恢复造型时，动态拾取点子单元根据一级摄像头(第一摄 像头41)观测到的图像对零件的造型面进行分析，计算本次造型初始点，并把该初始点的 信息传输给控制装置，控制装置接收到该初始点的信息后控制喷头3从初始点开始造型， 开始恢复造型后，动态检测单元52的各个子单元模型状态检测子单元521、成型精度检测 子单元522、喷头状态检测子单元523、扫描路径检测子单元524和记录子单元525根据一 级和/或二级摄像头的观测到的动态图像按照前述的方式对造型过程进行检测直到造型 结束。
权利要求
快速成形系统，包括相连接的成型设备和控制装置，所述成型设备包括有成型室、成型室内部的工作台和用于零件造型的执行部件，所述控制装置用于处理待造型零件的图形文件、设置加工参数、控制所述成型设备进行零件造型，其特征在于，所述快速成形系统还包括有监控装置，所述监控装置包括有设置在所述成型设备上的用于观测成型室内部状态的观测单元和位于成型室外用于显示该观测单元观测到的图像的显示单元。
2. 根据权利要求1所述的快速成形系统，其特征在于，所述观测单元包括设置在所述 执行部件上朝向所述工作台的用于承载造型零件的表面的一级摄像头。
3. 根据权利要求2所述的快速成形系统，其特征在于，所述执行部件包括用于挤出原 材料的喷头，所述一级摄像头设置在该喷头上。
4. 根据权利要求3所述的快速成形系统，其特征在于，所述观测单元还包括在所述成 型室的左侧和/或右侧和/或后侧和/或上面和/或前侧和/或所述工作台上朝向所述工 作台的用于承载造型零件的表面的二级摄像头。
5. 根据权利要求4所述的快速成形系统，其特征在于，所述监控装置还包括分别与所 述观测单元和所述控制装置相连的检测单元，用于根据控制装置中设置的加工参数对观测 单元观测到的图像进行分析，并将分析结果是否为正常状态传输给所述控制装置，所述控 制装置根据分析结果控制所述成型设备进行零件造型。
6. 根据权利要求5所述的快速成形系统，其特征在于，所述检测单元包括静态检测单 元和动态检测单元，分别用于静态图像和动态图像的检测。
7. 根据权利要求6所述的快速成形系统，其特征在于，所述静态检测单元用于造型开 始前对成型室内部状态的检测，所述动态检测单元用于造型开始后对成型室内部状态的检
8. 根据权利要求7所述的快速成形系统，其特征在于，所述动态检测单元包括模型状 态检测子单元、成型精度检测子单元、喷头状态检测子单元和扫描路径检测子单元，所述模 型状态检测子单元根据二级摄像头观测到的图像对造型中的零件状态进行检测，所述成型 精度检测子单元根据一级摄像头观测到的图像对造型中的零件的成型精度进行检测，所述 喷头状态检测子单元根据二级摄像头观测到的图像对喷头的出料状态进行检测，所述扫描 路径检测子单元根据一级摄像头观测到的图像对喷头的移动路径进行检测。
9. 根据权利要求8所述的快速成形系统，其特征在于，所述动态检测单元还包括记录 子单元，用于记录一级摄像头和/或二级摄像头观测到的动态图像。
10. 根据权利要求8所述的快速成形系统，其特征在于，所述动态检测单元还包括动态 拾取点子单元，用于恢复造型时根据一级摄像头观测到的图像计算本次 造型的初始点，并 将初始点信息传输给所述控制装置，所述控制装置根据初始点信息控制所述成型设备从初 始点开始进行本次的零件恢复造型。
11. 根据权利要求5-10之一所述的快速成形系统，其特征在于，所述监控装置还包括 与所述检测单元相连的报警单元，用于检测单元得到的分析结果为非正常状态时报警。
全文摘要
为解决现有技术中快速成形系统在造型过程中，成型室呈封闭状态致使无法获知成型室内状态更无法及时处理实时产生的问题的缺陷，本发明提供一种快速成形系统，包括相连接的成型设备和控制装置，所述成型设备包括有成型室、成型室内部的工作台和用于零件造型的执行部件，所述控制装置用于处理待造型零件的图形文件、设置加工参数、控制所述成型设备进行零件造型，其特征在于，所述快速成形系统还包括有监控装置，所述监控装置包括有设置在所述成型设备上的用于观测成型室内部状态的观测单元和位于成型室外用于显示该观测单元观测到的图像的显示单元，该快速成形系统加装的监控装置，可以在造型过程中对成型室内部状态进行监视以便及时处理实时产生的各种问题。
文档编号G05B19/406GK101706655SQ20091024984
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者唐果林, 张定军, 张绪祺, 郭戈, 颜旭涛 申请人:北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司