一種多維力傳感器彈性體的3d打印加工方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于多維力傳感器加工領(lǐng)域，具體涉及一種多維力傳感器彈性體的加工方法。
[0002]【背景技術(shù)】多維力傳感器彈性體是傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)檢測力的核心部件，彈性體感知外界力產(chǎn)生變形，通過檢測變形量通過理論換算得到外界力的大小和方向。為了彈性體能夠更精確的感知外力，必須盡量使得彈性體材料質(zhì)地均勻，各向同性，不允許有局部材料性能不一；且傳感器結(jié)構(gòu)尺寸精度要求高，傳感器部件間不存在間隙，因此彈性體一體成型是最佳的選擇。
[0003]現(xiàn)有的多維力傳感器的彈性體的加工可采用多軸聯(lián)動加工中心加工，但加工成本大，費(fèi)時(shí)長，技術(shù)要求高，對于高度復(fù)雜傳感器彈性用體傳統(tǒng)切削加工方法則無從入手，因此大大限制了傳感器的發(fā)展。也可采用裝配式的方法，將整體拆分成多個(gè)模塊并單獨(dú)加工，再將各個(gè)模塊激光焊接或其他連接方式組合成整體，但在采用裝配式方法時(shí)，連接處必然會產(chǎn)生位移、摩擦，增大了非線性、滯后和重復(fù)性誤差，傳感器精度難以保證。所以，現(xiàn)有的彈性體加工方法適合于形狀規(guī)則，無曲面，無薄筋，無薄壁，較大尺寸的加工，對于具有薄壁、斜面、曲面等不規(guī)則形狀的高度復(fù)雜彈性體并不適合。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠加工多維力傳感器中高度復(fù)雜彈性體，并且加工精度高，效率快，省時(shí)省力的加工方法。
[0005]本發(fā)明主要針對高度復(fù)雜的多維力傳感器彈性體的加工方法，具體步驟如下:
[0006](I)根據(jù)多維力傳感器構(gòu)型理論采用三維軟件繪制出彈性體三維模型；
[0007](2)對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬傳感器標(biāo)定，確定彈性體三維模型；
[0008](3)將三維模型分割成Z向的一系列(若干個(gè))等厚的二維圖形，并轉(zhuǎn)化為打印機(jī)能識別的STL格式輸入3D打印機(jī)；
[0009](4)打印機(jī)按照每層厚度進(jìn)行刮刀鋪粉，激光頭按照模型每層的二維圖形進(jìn)行選擇性燒結(jié)，重復(fù)鋪粉、燒結(jié)，直至打印完成；
[0010](5)將打印件取出并進(jìn)行退火去應(yīng)力處理，表面噴丸處理，機(jī)械人工時(shí)效。
[0011]進(jìn)一步的，為減少打印以及去應(yīng)力處理時(shí)產(chǎn)生的微變形，提高彈性體形位精度，根據(jù)彈性體具體外形結(jié)構(gòu)，繪制出與三維模型匹配的三維支撐架模型，其與彈性體三維模型同時(shí)分割輸入3D打印機(jī)，打印件完成后，經(jīng)過退火去應(yīng)力處理，將支撐架部分去除，再進(jìn)行噴丸處理及人工時(shí)效。
[0012]所述3D打印機(jī)是市售常規(guī)產(chǎn)品，例如EOSINT M280 3D打印機(jī)。
[0013]所述繪制彈性體三維模型，一般采用SolidWorks、ProE, UG、Catia等三維軟件。
[0014]所述對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，一般采用Ansys等軟件結(jié)合MATLAB等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行應(yīng)力分析及虛擬標(biāo)定，以驗(yàn)證彈性體三維模型能否滿足精度、線性度、靈敏度、重復(fù)度等設(shè)計(jì)要求。
[0015]所述將三維模型分割成等厚的二維圖形一般采取與3D打印機(jī)配套的三維軟件，例如ProE、UG等。
[0016]所述鋪粉末可以采用鈦合金、鋁合金、合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼等多維力傳感器彈性體制作的材料。
[0017]所述3D打印機(jī)激光燒結(jié)時(shí)采用自身SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)按照三維模型進(jìn)行選擇性燒結(jié)。
[0018]本發(fā)明取代了傳統(tǒng)機(jī)械切削加工多維力傳感器彈性體方式，提出了一種利用高精度3D打印技術(shù)來加工體積小，有薄壁，有薄筋，有彈性球鉸，有斜面，有曲面等不規(guī)則形狀的高度復(fù)雜彈性體方法，同時(shí)保證彈性體材料的質(zhì)地均勻，無應(yīng)力殘余的特性，為彈性體的加工另拓了新思路。本發(fā)明的提出打破了只能由切削去除材料的加工方法加工多維力傳感器彈性體的思路，極大加速了多維力傳感器的研宄開發(fā)進(jìn)程，驟減了其制作成本，彌補(bǔ)了無法制作高度復(fù)雜彈性體的空缺。
[0019]【附圖說明】圖1為本發(fā)明實(shí)施例的主要工藝流程簡圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的彈性體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的支撐架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]【具體實(shí)施方式】下面就結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明
[0023]應(yīng)用實(shí)例
[0024]本實(shí)施例是以加工如圖2所示的多維力傳感器彈性體為例，如圖2所示，該彈性體包括外環(huán)1、走線密封用耳2、分支桿3、內(nèi)環(huán)4以及連接通孔5，所述彈性體外環(huán)的內(nèi)部具有與其同軸的內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間具有8根一端與外環(huán)的內(nèi)圓周面連接，另一端與內(nèi)環(huán)外圓周面連接的分支桿，所述分支桿均通過彈性球鉸與內(nèi)環(huán)、外環(huán)相接，分支桿的中心線不與所述內(nèi)環(huán)或外環(huán)的軸線相交，并且分支桿的中心線不平行于水平面；所述外環(huán)內(nèi)具有端部突出其圓周面的走線密封用耳，該走線密封用耳的突出部具有曲面，綜上，綜上，這種彈性體是典型的有薄筋、有復(fù)雜曲面、局部尺寸微細(xì)，機(jī)械切削極難加工的工件。
[0025]所述加工圖2所示的彈性體的方法如下，如圖1所示:
[0026](I)首先根據(jù)Stewart理論建造多維力傳感器構(gòu)型理論，用SolidWorks三維軟件繪制出圖2所示的彈性體三維模型；
[0027](2)將彈性體三維模型導(dǎo)至Ansys軟件，結(jié)合MATLAB軟件模擬標(biāo)定過程，進(jìn)行應(yīng)力分析，初步驗(yàn)證彈性體構(gòu)型能夠滿足精度、線性度、靈敏度、重復(fù)度等設(shè)計(jì)要求；
[0028](3)根據(jù)三維模型的結(jié)構(gòu)，制作與之匹配的支撐架模型，如圖3所示，支撐架具有一個(gè)與彈性體外環(huán)的內(nèi)徑及外徑均相同的外支撐環(huán)6，該外支撐環(huán)的內(nèi)部具有一個(gè)與彈性體內(nèi)環(huán)的內(nèi)徑及外徑均相同的內(nèi)支撐環(huán)7，所述外支撐環(huán)與內(nèi)支撐環(huán)之間具有8個(gè)分別與彈性體的分支桿對應(yīng)的內(nèi)支撐塊8，所述彈性體的外環(huán)下端面與外支撐環(huán)的上端面相接以實(shí)現(xiàn)對外環(huán)的支撐，所述彈性體的內(nèi)環(huán)下端面與內(nèi)支撐環(huán)的上端面相接以實(shí)現(xiàn)對內(nèi)環(huán)的支撐，所述彈性體的每個(gè)分支桿的下端面與其對應(yīng)下部的內(nèi)支撐塊的上端面相接以實(shí)現(xiàn)對分支桿的支撐。
[0029](4)將彈性體與支撐架的結(jié)合在一起的三維模型沿Z向切割呈均為0.05mm厚的若干個(gè)二維圖形，并轉(zhuǎn)化為打印機(jī)能識別的STL格式輸入EOSINT M280 3D打印機(jī)，首先由計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備最底層的二維圖形，打印機(jī)參數(shù):打印掃描速度為5m/s，掃描間距為0.09mm，激光功率為400W，鋪粉末采用鈦合金粉末，粒度為100—1000目，最底層打印完畢后，打印機(jī)控制刮刀鋪下一層鈦合金粉末，激光頭在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)最底層二維圖形的界面輪廓信息對實(shí)心部分粉末進(jìn)行選擇性燒結(jié)，及時(shí)將粉末燒結(jié)成型，同時(shí)計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備好下一層二維圖形，燒結(jié)完畢后，打印機(jī)工作臺下降一層粉末的高度，刮刀再一次鋪粉，激光頭根據(jù)二維圖形的界面輪廓信息繼續(xù)選擇性燒結(jié)，與之前層融合，重復(fù)鋪粉燒結(jié)直至打印完成；
[0030](6)取出打印件，在650—800°C保溫I—10h，去應(yīng)力退火以消除材料內(nèi)應(yīng)力，再將支撐架去除，利用噴丸機(jī)對彈性體表面進(jìn)行噴丸處理提高表面質(zhì)量，用振動臺對彈性體進(jìn)行頻率為35Hz，振動加速度為10g，時(shí)間為20min的人工時(shí)效，以釋放材料的殘余應(yīng)力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多維力傳感器彈性體的3D打印加工方法，其特征是: (1)根據(jù)多維力傳感器構(gòu)型理論采用三維繪圖軟件繪制出彈性體三維模型； (2)對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬傳感器標(biāo)定，確定彈性體三維模型； (3)將三維模型分割成Z向的一系列等厚的二維圖形，并轉(zhuǎn)化為打印機(jī)能識別的STL格式輸入3D打印機(jī)； (4)打印機(jī)按照每層厚度進(jìn)行刮刀鋪粉，激光頭按照模型二維圖形進(jìn)行選擇性燒結(jié)，重復(fù)鋪粉、燒結(jié)，直至打印完成； (5)將打印件取出并進(jìn)行退火去應(yīng)力處理，表面噴丸處理，機(jī)械人工時(shí)效。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多維力傳感器彈性體的3D打印加工方法，其特征是:步驟(2)完成后，可根據(jù)彈性體具體外形結(jié)構(gòu)，繪制出與三維模型匹配的三維支撐架模型，其與彈性體三維模型同時(shí)分割輸入3D打印機(jī)，打印件完成后，經(jīng)過退火去應(yīng)力處理，將支撐架部分去除，再進(jìn)行噴丸處理及人工時(shí)效。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多維力傳感器彈性體的3D打印加工方法，其特征是:所述3D打印機(jī)為EOSINT M2803D打印機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多維力傳感器彈性體的3D打印加工方法，其特征是:所述繪制彈性體三維模型，可采用SolidWorks、ProE> UG、Catia中的任意一種三維繪圖軟件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多維力傳感器彈性體的3D打印加工方法，其特征是:所述對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，采用Ansys軟件結(jié)合MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行應(yīng)力分析及虛擬標(biāo)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多維力傳感器彈性體的3D打印加工方法，其特征是:所述鋪粉末可采用鈦合金、鋁合金、合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼中的任意一種作為多維力傳感器彈性體制作的材料。
【專利摘要】一種多維力傳感器彈性體的3D打印加工方法，根據(jù)多維力傳感器構(gòu)型理論采用三維繪圖軟件繪制出彈性體三維模型；對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，確定彈性體三維模型；將三維模型分割成Z向的一系列等厚的二維圖形，并轉(zhuǎn)化為打印機(jī)能識別的STL格式輸入3D打印機(jī)；打印機(jī)按照每層厚度進(jìn)行刮刀鋪粉，激光頭按照模型二維圖形進(jìn)行選擇性燒結(jié)，重復(fù)鋪粉、燒結(jié)，直至打印完成；將打印件取出并進(jìn)行退火去應(yīng)力處理，表面噴丸處理，機(jī)械人工時(shí)效。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有能夠?qū)崿F(xiàn)高度復(fù)雜彈性體的加工，并且加工精度高，效率快等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】B22F3-105
【公開號】CN104625060
【申請?zhí)枴緾N201510032627
【發(fā)明人】姚建濤, 向喜梅, 崔朋肖, 許允斗, 趙永生
【申請人】燕山大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月22日