一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统及方法与流程

本发明属于快速成形设备的铺粉机构的运动精度补偿技术领域，具体涉及一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统及方法。

背景技术：

快速成形技术中以粉末为原料，通过选区沉积/烧结/熔化工艺进行零件的快速成形技术是目前快速制造领域研究的热点，现有的选区烧结技术是通过分层扫描的方式完成零件的加工过程。在加工过程中，每加工完一层，铺粉工作台下降一定的距离，送粉器送出一定量的粉末再由铺粉机构将其铺平，然后对该层粉末进行烧结处理，不断重复这一过程，最终完成加工。铺粉工作台的运动精度，决定了铺粉层的厚度和粉末层密度的大小，直接影响烧结件的密度，从而影响烧结件的物理性能、收缩和翘曲变形以及棱角清晰度。加工过程中铺粉过程的好坏影响制件的质量，甚至加工过程能否继续进行。

现有的铺粉工作台进行换向运动时，由于铺粉机构中电机在正反转时，导致铺粉机构中轴承会产生游隙，造成的精度下降。经过反复测量，这种游隙只会出现在换向后的第一次上升或下井动作中，同方向连续的上升或下降的运动精度较为准确。因此，现如今缺少一种结构简单、成本低、设计合理、运动精度高的用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统及方法，通过铺粉工作台进行换向运动产生的游隙进行补偿及校准，实现铺覆出均匀、无缺陷且具有较高密度的粉末层。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统，其设计新颖合理，通过采集光轴升降驱动机构升降过程中转向产生的升降游隙值，采用控制主机对其进行校准并控制电机模块精确的转动，进而提高粉层升降工作台的运动精度，实现铺覆出均匀、无缺陷且具有较高密度的粉末层，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统，其特征在于：包括安装在快速成形设备底板上的铺粉装置和用于控制补偿所述铺粉装置升降的控制主机，所述铺粉装置包括垂直穿过快速成形设备底板且与快速成形设备底板滑动配合的光轴、水平设置在光轴顶端且用于为待成形工件铺设粉层的粉层升降工作台和设置在光轴底端且用于安装光轴升降驱动机构的安装板，所述光轴升降驱动机构由穿过安装板抵接在快速成形设备底板底部的丝杠、与丝杠滑动配合的丝杠螺母、带动丝杠螺母旋转的皮带轮和与皮带轮传动连接且用于驱动皮带轮转动的电机模块组成，所述丝杠螺母嵌入在安装板内且与安装板固定连接，粉层升降工作台的底部安装有用于测量所述光轴升降驱动机构升降过程中转向产生的升降游隙值、以及粉层升降工作台的底面和快速成形设备底板的顶面之间距离的光学测距仪，光学测距仪的信号输出端与控制主机的输入端相接，电机模块由控制主机控制。

上述的一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统，其特征在于：所述电机模块固定安装在安装板的一侧。

上述的一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统，其特征在于：所述快速成形设备底板的底部安装有底板固定板，光轴垂直穿过底板固定板。

上述的一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统，其特征在于：所述控制主机上连接有存储器和显示器，控制主机为计算机或plc控制器。

上述的一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统，其特征在于：所述光学测距仪为红外线测距仪，所述红外线测距仪的红外线发射端与快速成形设备底板垂直。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单，设计合理，可提高成形过程中每一次铺粉层的均匀性、可靠性的快速成形设备的铺粉精度补偿的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、获取光轴升降驱动机构的升降游隙值：采用控制主机设置粉层升降工作台上升或下降的标准步进单元距离δ，通过控制主机控制电机模块正反转，带动粉层升降工作台上下反复运动，当光轴升降驱动机构带动粉层升降工作台由下降转上升时，采用光学测距仪获取粉层升降工作台的下转上步进单元实测距离ε1，根据公式δ1＝δ-ε1，获取光轴升降驱动机构所产生的上升游隙值δ1；

当光轴升降驱动机构带动粉层升降工作台由上升转下降时，采用光学测距仪获取粉层升降工作台的上转下步进单元实测距离ε2，根据公式δ2＝δ-ε2，获取光轴升降驱动机构所产生的下降游隙值δ2；

电机模块带动粉层升降工作台上升或下降一次为一个标准步进单元距离δ；

步骤二、控制光轴升降驱动机构的上升路径，过程如下：

步骤201、光轴升降驱动机构上升初始化：设定光轴升降驱动机构上升之前的状态为光轴升降驱动机构下降停止状态；

步骤202、光轴升降驱动机构上升补偿：根据公式δ1＝δ+δ1+q1，设置光轴升降驱动机构上升的初始步进距离δ1，其中，δ1用来克服光轴升降驱动机构由步骤201中的下降状态转上升状态时带来的上升游隙，q1为光轴升降驱动机构的上升补偿阈值且q1为常数；

步骤203、光轴升降驱动机构下降校准：根据公式δ2＝δ1-δ2-q2，获取光轴升降驱动机构的实际步进距离δ2，其中，δ2用来克服光轴升降驱动机构由步骤202中的上升状态转下降状态时带来的下降游隙，q2为光轴升降驱动机构克服所述上升补偿阈值的下降校准阈值且q2为常数；

步骤三、设置粉层升降工作台的升降工作距离：采用控制主机控制粉层升降工作台的上升工作距离nδ，采用控制主机控制粉层升降工作台的下降工作距离mδ，其中，n和m均为不小于0的整数；

步骤四、粉层升降工作台的升降控制：当粉层升降工作台执行上升动作时，通过控制主机控制光轴升降驱动机构，循环步骤二；当粉层升降工作台执行下降动作时，通过控制主机控制光轴升降驱动机构，粉层升降工作台以标准步进单元距离δ逐步下降。

上述的方法，其特征在于：所述控制主机为计算机或plc控制器，所述光学测距仪为红外线测距仪，所述红外线测距仪的红外线发射端与快速成形设备底板垂直。

上述的方法，其特征在于：所述δ1+q1＝δ2+q2，0.5δ<q1<δ，0.5δ<q2<δ。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的铺粉精度补偿系统，通过设置光学测距仪采集光轴升降驱动机构升降过程中转向产生的升降游隙值，采用控制主机对其进行校准并控制电机模块精确的转动，进而提高粉层升降工作台的运动精度，实现铺覆出均匀、无缺陷且具有较高密度的粉末层。

2、本发明采用的铺粉精度补偿系统，通过设置穿过快速成形设备底板的光轴，光轴与快速成形设备底板的滑动配合限定了粉层升降工作台的运动轨迹和运动方向，避免了光轴的倾斜变形，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明采用的铺粉精度补偿方法，步骤简单，通过以下降状态结束光轴升降驱动机构上升过程，并对粉层升降工作台的上升距离进行了校准，确保了粉层升降工作台上升的运动精度；当进行光轴升降驱动机构下降动作时，由于光轴升降驱动机构前一次无论是上升状态还是下降状态，均是以下降状态结束，因此，在执行光轴升降驱动机构下降动作时，粉层升降工作台均未改变运动方向，不存在进行粉层升降工作台的换向运动，进而可实现同方向连续的准确的下降，减少了光轴升降驱动机构上升转下降的校准，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，通过以下降状态结束光轴升降驱动机构上升过程，减少了光轴升降驱动机构上升转下降的校准，提高粉层升降工作台的运行精度和可靠性，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的铺粉装置与快速成形设备底板的安装结构示意图。

图2为本发明采用的铺粉装置的电路原理框图。

图3为本发明方法的流程框图。

附图标记说明:

1—快速成形设备底板；2—光轴；3—粉层升降工作台；

4—光学测距仪；5—电机模块；6—丝杠螺母；

7—皮带轮；8—丝杠；9—底板固定板；

10—控制主机；11—存储器；12—显示器；

13—安装板。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明所述的一种用于快速成形设备的铺粉精度补偿系统，包括安装在快速成形设备底板1上的铺粉装置和用于控制补偿所述铺粉装置升降的控制主机10，所述铺粉装置包括垂直穿过快速成形设备底板1且与快速成形设备底板1滑动配合的光轴2、水平设置在光轴2顶端且用于为待成形工件铺设粉层的粉层升降工作台3和设置在光轴2底端且用于安装光轴升降驱动机构的安装板13，所述光轴升降驱动机构由穿过安装板13抵接在快速成形设备底板1底部的丝杠8、与丝杠8滑动配合的丝杠螺母6、带动丝杠螺母6旋转的皮带轮7和与皮带轮7传动连接且用于驱动皮带轮7转动的电机模块5组成，所述丝杠螺母6嵌入在安装板13内且与安装板13固定连接，粉层升降工作台3的底部安装有用于测量所述光轴升降驱动机构升降过程中转向产生的升降游隙值、以及粉层升降工作台3的底面和快速成形设备底板1的顶面之间距离的光学测距仪4，光学测距仪4的信号输出端与控制主机10的输入端相接，电机模块5由控制主机10控制。

本实施例中，所述电机模块5固定安装在安装板13的一侧。

需要说明的是，快速成形设备底板1水平安装作为快速成形设备各个部件的安装基础，垂直穿过快速成形设备底板1的光轴2的设置一是为了安装粉层升降工作台3并保证粉层升降工作台3的水平安装，二是为了带动粉层升降工作台3上下升降；实际使用中，光轴2的采用4个，4个光轴2的设置保证了光轴2与快速成形设备底板1的滑动配合不变形，限定了粉层升降工作台3的垂直升降的运动轨迹和运动方向；安装板13的设置一是为了安装光轴升降驱动机构，二是限定了粉层升降工作台3的最大运行路径，确定铺粉装置的大小；丝杠8的设置为了提供光轴升降驱动机构的滑动轨道，丝杠螺母6的转动实现了光轴升降驱动机构的滑动，实际使用中，安装板13上开设有与丝杠螺母6固定连接的螺母孔，实现丝杠螺母6与安装板13固定为一体，电机模块5固定安装在安装板13的一侧是为了不阻碍丝杠螺母6在丝杠8的长度方向滑动，另外，当丝杠螺母6滑动时，带动安装板13跟着滑动，进而带动整个光轴升降驱动机构以及粉层升降工作台3同步上下滑动。

光学测距仪4的设置是为了采集光轴升降驱动机构升降过程中转向产生的升降游隙值，采用控制主机10对其进行校准并控制电机模块5精确的转动，另外，光学测距仪4的设置是为了采集粉层升降工作台3的底面和快速成形设备底板1的顶面之间距离，对校准后的光轴升降驱动机构进行验证，实现全面的精度补偿控制，进而提高粉层升降工作台的运动精度，实现铺覆出均匀、无缺陷且具有较高密度的粉末层。

本实施例中，所述快速成形设备底板1的底部安装有底板固定板9，光轴2垂直穿过底板固定板9。

底板固定板9的设置是为了加固快速成形设备底板1的支撑作用，光轴2垂直穿过底板固定板9与光轴2垂直穿过快速成形设备底板1共同实现了对光轴2的定向，保证了光轴2滑动不变形。

本实施例中，所述控制主机10上连接有存储器11和显示器12，控制主机10为计算机或plc控制器。

存储器11可将光学测距仪4采集的数据存储起来，便于控制主机10调用，显示器12的设置是为了实时查看粉层升降工作台的运动状态，显示粉层升降工作台的运动精度数据，直观有效。

本实施例中，所述光学测距仪4为红外线测距仪，所述红外线测距仪的红外线发射端与快速成形设备底板1垂直。

红外线测距仪的红外线发射端与快速成形设备底板1垂直是为了保证光学测距仪4采集的数据精度高，误差小，数据有效。

如图3所示的一种快速成形设备的铺粉精度补偿的方法，包括以下步骤：

步骤一、获取光轴升降驱动机构的升降游隙值：采用控制主机10设置粉层升降工作台3上升或下降的标准步进单元距离δ，通过控制主机10控制电机模块5正反转，带动粉层升降工作台3上下反复运动，当光轴升降驱动机构带动粉层升降工作台3由下降转上升时，采用光学测距仪4获取粉层升降工作台3的下转上步进单元实测距离ε1，根据公式δ1＝δ-ε1，获取光轴升降驱动机构所产生的上升游隙值δ1；

当光轴升降驱动机构带动粉层升降工作台3由上升转下降时，采用光学测距仪4获取粉层升降工作台3的上转下步进单元实测距离ε2，根据公式δ2＝δ-ε2，获取光轴升降驱动机构所产生的下降游隙值δ2；

需要说明的是，当光轴升降驱动机构带动粉层升降工作台3由下降转上升时，由于光轴升降驱动机构存在游隙，导致光轴升降驱动机构上升的距离不能达到预期的标准步进单元距离δ，采用光学测距仪4测量实际上升的下转上步进单元实测距离ε1，进而得到粉层升降工作台3由下降转上升时的上升游隙值δ1；同理，当光轴升降驱动机构带动粉层升降工作台3由上升转下降时，由于光轴升降驱动机构存在游隙，导致光轴升降驱动机构下降的距离不能达到预期的标准步进单元距离δ，采用光学测距仪4测量实际下降的上转下步进单元实测距离ε2，进而得到粉层升降工作台3由上升转下降时的下降游隙值δ2。

电机模块5带动粉层升降工作台3上升或下降一次为一个标准步进单元距离δ；

需要说明的是，标准步进单元距离δ为控制主机10设置的粉层升降工作台3上升或下降一次的距离，也是粉层升降工作台3一次上升或下降预期达到的距离。

所述控制主机10为计算机或plc控制器，所述光学测距仪4为红外线测距仪，所述红外线测距仪的红外线发射端与快速成形设备底板1垂直。

步骤二、控制光轴升降驱动机构的上升路径，过程如下：

步骤201、光轴升降驱动机构上升初始化：设定光轴升降驱动机构上升之前的状态为光轴升降驱动机构下降停止状态；

针对光轴升降驱动机构每进行一次上升动作，均采用相同的上升过程，保持光轴升降驱动机构每上升一次均以下降结束，一是为了保证光轴升降驱动机构每上升一次的动作均相同，便于循环往复工作，减少粉层升降工作台3实际上升或实际下降距离存在误差的可能性，消除光轴升降驱动机构游隙的产生；二是为了给光轴升降驱动机构下降动作产生连续下降的基础，由于游隙只会出现在换向后的第一次上升或下降动作中，同方向连续的上升或下降的运动精度较为准确，因此，光轴升降驱动机构下降时便不会产生换向，设计巧妙；需要说明的是，实际应用中，采用同样的道理，也可以控制光轴升降驱动机构的下降路径，设定光轴升降驱动机构下降之前的状态为光轴升降驱动机构上升停止状态，使用效果好。

步骤202、光轴升降驱动机构上升补偿：根据公式δ1＝δ+δ1+q1，设置光轴升降驱动机构上升的初始步进距离δ1，其中，δ1用来克服光轴升降驱动机构由步骤201中的下降状态转上升状态时带来的上升游隙，q1为光轴升降驱动机构的上升补偿阈值且q1为常数；

步骤203、光轴升降驱动机构下降校准：根据公式δ2＝δ1-δ2-q2，获取光轴升降驱动机构的实际步进距离δ2，其中，δ2用来克服光轴升降驱动机构由步骤202中的上升状态转下降状态时带来的下降游隙，q2为光轴升降驱动机构克服所述上升补偿阈值的下降校准阈值且q2为常数；

本实施例中，所述δ1+q1＝δ2+q2，0.5δ<q1<δ，0.5δ<q2<δ。

需要说明的是，针对相对精度要求较高的铺粉机构，光轴升降驱动机构的上升补偿阈值q1和光轴升降驱动机构的下降校准阈值q2均为与标准步进单元距离δ相近的距离，保证粉层升降工作台3上升或下降的精度，所述δ1+q1＝δ2+q2是为了保证光轴升降驱动机构的实际步进距离δ2与标准步进单元距离δ相等，保证粉层升降工作台3稳定的上升或下降，克服光轴升降驱动机构产生的游隙。

步骤三、设置粉层升降工作台的升降工作距离：采用控制主机10控制粉层升降工作台3的上升工作距离nδ，采用控制主机10控制粉层升降工作台3的下降工作距离mδ，其中，n和m均为不小于0的整数；

步骤四、粉层升降工作台的升降控制：当粉层升降工作台3执行上升动作时，通过控制主机10控制光轴升降驱动机构，循环步骤二；当粉层升降工作台3执行下降动作时，通过控制主机10控制光轴升降驱动机构，粉层升降工作台3以标准步进单元距离δ逐步下降。

实现粉层升降工作台3的上升工作距离nδ，即连续循环步骤二中光轴升降驱动机构的上升路径n次，实现粉层升降工作台3的下降工作距离mδ，通过控制主机10控制光轴升降驱动机构，粉层升降工作台3以标准步进单元距离δ逐步直接下降m次，完成同方向连续运动。

需要说明的是，通过以下降状态结束光轴升降驱动机构上升过程，并对粉层升降工作台3的上升距离进行了校准，确保了粉层升降工作台3上升的运动精度；当进行光轴升降驱动机构下降动作时，由于光轴升降驱动机构前一次无论是上升状态还是下降状态，均是以下降状态结束，因此，在执行光轴升降驱动机构下降动作时，粉层升降工作台3均未改变运动方向，不存在进行粉层升降工作台3的换向运动，进而可直接实现同方向连续的准确的下降，减少了光轴升降驱动机构上升转下降的校准，使用效果好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。