專利名稱：基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型為一種采用新型光源的小體積、低成本的光造型裝置，尤其是一種用紫外半導(dǎo)體光源的光造型裝置。
背景技術(shù)：
本裝置應(yīng)用的成型工藝為快速成型技術(shù)中的光造型(SL，或稱光固化、立體光刻等)工藝，目前的光造型設(shè)備一般使用以下幾種光源1.紫外激光器一般為He-Cd、Ar+、N2等紫外激光器，這類激光器由于體積過大、價格太高、壽命較短，一般為2000小時左右，而導(dǎo)致使用這種激光器的光造型系統(tǒng)體積大、價格高、零件制造成本及系統(tǒng)運行費用昂貴。
2.普通紫外燈一般為汞燈、氙燈燈普通紫外燈，這類光源雖然價格較紫外激光器低，但其體積仍然較大，壽命很短，一般為150小時，發(fā)熱量大，最終得到的加工用光斑尺寸較大，一般大于0.5mm，因此，導(dǎo)致使用這種光源的光造型系統(tǒng)體積較大、零件制造精度低、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。
3.可見光半導(dǎo)體激光器目前僅有日本AUTOSTRADE公司于2001年推出的E-DARTS光造型系統(tǒng)采用了波長為680nm的半導(dǎo)體激光器，該種光源體積小，價格低，但與其相匹配的光敏樹脂不穩(wěn)定，固化速度較低。
目前尚未出現(xiàn)采用紫外半導(dǎo)體光源(紫外二極管或紫外半導(dǎo)體激光器)作為光源的光造型系統(tǒng)，國內(nèi)無相同專利。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實用新型的目的是為解決目前光造型系統(tǒng)體積大、成本高、系統(tǒng)運行成本高的缺點，提供一種體積小、成本低、系統(tǒng)運行成本極低的基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置。
技術(shù)方案本實用新型的基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置，由步進電機、控制面板、光源及其聚焦裝置、光源控制電路以及機械部分所組成，該裝置中，光源控制電路由與主控制計算機光耦接口單元電路、光源驅(qū)動電路、光源裝置、溫控電路、電池、電池充電和電量測試電路、接口單元電源電路等部分組成；其中，主控制計算機光耦接口單元電路的輸入端分別接接口單元電源電路和主控制計算機，主控制計算機光耦接口單元電路的輸出端接光源驅(qū)動電路，光源驅(qū)動電路的輸出端接光源裝置，光源裝置還與溫控電路相接；電池充電和電量測試電路接電池，電池接光源驅(qū)動電路向其供電。
主控制計算機光耦接口單元電路由驅(qū)動繼電器和驅(qū)動光電耦合器所組成，在驅(qū)動繼電器中，步進電機控制卡接光電耦合器“G1”的輸出端；在驅(qū)動光電耦合器中步進電機控制卡接光電耦合器“G2”的輸出端，光電耦合器“G3”的輸出端為驅(qū)動光電耦合器的輸出端。
光源驅(qū)動電路由穩(wěn)壓電路“A8”光電耦合器“A4”晶體管“A21”二極管“A22、A23、A24”組成，光電耦合器“A4”的輸出端分兩路，一路通過二極管“A22”接晶體管“A21”的集電極，由晶體管“A21”的發(fā)射極輸出，另一路通過二極管“A24”輸出。該電路由控制器電路“A47”、看門狗電路“U11”、半導(dǎo)體制冷片“A51A”所組成，控制器電路“A47”的“P17”端接半導(dǎo)體制冷片“A51A”控制器電路“A47”的“INT1、RESET”端接看門狗電路“U11”。
軟件部分一套該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制軟件實現(xiàn)了三維CAD模型的讀入、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)糾錯、切片分層、工藝參數(shù)設(shè)置、電機控制、光源控制等功能。
控制部分二個步進電機控制卡，四個步進電機及其驅(qū)動器，控制面板及其驅(qū)動電路，接口板。在選擇步進電機及其驅(qū)動器、控制卡的基礎(chǔ)上，設(shè)計了操作面板的控制電路、光源控制電路等。
光學(xué)部分兩種類型的紫外半導(dǎo)體光源及其聚焦裝置(包括兩種類型的光源，一為波長小于400nm的紫外二極管，一為波長小于400nm的紫外半導(dǎo)體激光器)，光源控制電路。實現(xiàn)了紫外二極管和紫外半導(dǎo)體激光器的計算機控制、電量檢測和自動充電等功能。
機械部分箱體，樹脂槽，X方向立柱及其導(dǎo)軌，Y方向立柱及其導(dǎo)軌，光源夾持架及其導(dǎo)軌，拖板，基板，立柱及其導(dǎo)軌，底座。設(shè)計了X、Y、Z方向的運動機構(gòu)、光源夾持架的運動機構(gòu)、機箱、二次固化室、樹脂槽、基板、拖板等。
有益效果本發(fā)明具有以下優(yōu)點體積小由于采用體積非常小的光源，設(shè)計了緊湊的機身，系統(tǒng)體積僅為當前一般光造型系統(tǒng)的1/2至1/8，可放置于辦公室環(huán)境中。成本低研制的以紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件為光源的光學(xué)系統(tǒng)的成本低廉，以紫外二極管為光源的光學(xué)系統(tǒng)的成本不到一般紫外激光器價格的1/30(國內(nèi)的激光器)，更遠低于國外的紫外激光器價格，以紫外半導(dǎo)體激光器為光源的光學(xué)系統(tǒng)的成本不到一般紫外激光器的1/3。此外，采用了能實現(xiàn)半閉環(huán)控制的步進電機、驅(qū)動器及其控制卡，因此，該系統(tǒng)的成本大幅度降低，僅為當前一般光造型系統(tǒng)的1/3至1/20。
運行成本及維護成本低本系統(tǒng)所用的兩類光源壽命均大于10000小時，遠大于目前所有的光造型系統(tǒng)所用的光源壽命，且成本非常低廉；并且針對此兩類光源開發(fā)了與其匹配的高性能光敏樹脂，目前尚無此類光敏樹脂出現(xiàn)；此外，本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定；因此整個系統(tǒng)的運行成本及維護成本很低。
加工過程自動化只需把三維CAD模型輸入給計算機數(shù)據(jù)處理及控制軟件，經(jīng)過簡單的參數(shù)之后，即可全自動地完成原型的加工過程。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中有X向步進電機1、機箱2、樹脂槽3、X向立柱及其導(dǎo)軌4、控制面板5、Y方向立柱及其導(dǎo)軌6、Y向步進電機7、步進電機8、紫外半導(dǎo)體光源及其聚焦裝置9、光源夾持架及其導(dǎo)軌10、光源控制電路11、控制面板驅(qū)動電路12、步進電機驅(qū)動器13、Z向步進電機14、拖板15、基板16、立柱及其導(dǎo)軌17、計算機軟件18、步進電機控制卡19、接口卡20、底座21、二次固化室22。
圖2是光源控制電路11的電路框圖。其中有與主控制計算機光耦接口單元111、光源驅(qū)動電路112、光源裝置113、溫控電路114、電池115、電池充電和電量測試電路116、接口單元電源電路117。
圖3是與主控制計算機光耦接口單元電路111的電路原理圖。其中圖3a是驅(qū)動繼電器的電原理圖；圖3b是驅(qū)動光電耦合器的電原理圖。
圖4是光源驅(qū)動電路112的電路原理圖。
圖5是光源的溫控電路114的電路原理圖。
圖6是電池充電和電量測試電路116的電路原理圖。
圖7是接口單元電源電路117的電路原理圖。
圖8是控制面板電路的電路原理圖。
具體實施方式
本實用新型的基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置，由步進電機、控制面板、光源及其聚焦裝置、光源控制電路以及機械部分所組成，其中，光源裝置113為紫外半導(dǎo)體光源，波長小于400nm的半導(dǎo)體二極管及半導(dǎo)體激光器均可使用本光源控制電路11；電池115為7.2V、1300mah的鋰電池。以選用375nm的紫外二極管做為光源為例，介紹本系統(tǒng)的實現(xiàn)過程(以其它波長的二極管或半導(dǎo)體激光器等為光源的系統(tǒng)實現(xiàn)的過程相同)。
1.光源控制電路光源控制電路主要由與主控制計算機光耦接口單元電路111、光源驅(qū)動電路112、光源裝置113、溫控電路114、電池115、電池充電和電量測試電路116、接口單元電源電路117等部分組成。
各單元電路說明如下·與主控制計算機光耦接口單元電路111
采用步進電機控制卡來實現(xiàn)對光源驅(qū)動電路的控制，將步進電機控制卡安裝在主控制計算機的主機PCI插槽里，外接接口與驅(qū)動電路相連，從而向驅(qū)動電路輸出控制信號。步進電機控制卡控制信號采用光耦隔離傳輸，機內(nèi)步進電機控制卡接口如圖3。
圖3中24DCV為12V至24V的直流電壓，在恒流/壓驅(qū)動電路中光耦接收步進電機控制卡輸出的控制信號，從而進一步驅(qū)動后面的電路，實現(xiàn)對紫外半導(dǎo)體光源的控制。
·光源驅(qū)動電路112與一般驅(qū)動電路不同的是選用電池為唯一驅(qū)動能源，對提高光源使用的可靠性、穩(wěn)定性、延長光源的壽命具有重要意義。其中光源A22和A24表示了恒流、恒壓兩種工作放式。電池115采用7.2V、1300mah的鋰電池，重量輕，容量大，與鉛酸電池相比，更符合系統(tǒng)的低重量、小容積、低熱量設(shè)計要求。光源驅(qū)動電路如圖4所示。
·溫控電路114為防止光源在工作過程中溫升過高，損壞光源，在已有的導(dǎo)體自然散熱的基礎(chǔ)上增加了半導(dǎo)體制冷裝置，圖5中，有半導(dǎo)體制冷片A51；溫度傳感器采用DALLAS公司的DS1280B，該器件為單線傳感器，測量精度為0.5度，穩(wěn)定度高，一致性好，操作放便，控制器電路A47(CPU89C2051)根據(jù)測量的溫度值開關(guān)半導(dǎo)體制冷裝置。U11(MAX813)為看門狗電路。溫控電路如圖5所示。
·電池充電和電量測試電路116測試電路中采用了線性光耦4N35，該光耦(A26)具有較寬的線性范圍。指示燈A34-A37顯示電池的容量。充電電路為大電流(200ma)、恒流充電放式，充電速度快，延長電池壽命。電池充電和電量測試電路如圖6所示。
·接口單元電源電路117接口單元電源電路輸入220V交流，輸出15V直流。電路采用電容器A9、A10直接從220V交流取電，從而省去了一個變壓器，滿足系統(tǒng)的低重量、小容積、低熱量的設(shè)計要求。該電路如圖7所示。
該裝置中，光源控制電路由與主控制計算機光耦接口單元電路111、光源驅(qū)動電路112、光源裝置113、溫控電路114、電池115、電池充電和電量測試電路116、接口單元電源電路117等部分組成；其中，主控制計算機光耦接口單元電路111的輸入端分別接接口單元電源電路117，光源裝置113還與溫控電路114相接；電池充電和電量測試電路116接電池115，電池115接光源驅(qū)動電路112向其供電。主控制計算機光耦接口單元電路111由驅(qū)動繼電器和驅(qū)動光電耦合器所組成，在驅(qū)動繼電器中，步進電機控制卡接光電耦合器“G1”的輸出端；在驅(qū)動光電耦合器中步進電機控制卡接光電耦合器“G2”的輸出端，光電耦合器“G3”的輸出端為驅(qū)動光電耦合器的輸出端。
光源驅(qū)動電路112由穩(wěn)壓電路“A8”光電耦合器“A4”晶體管“A21”二極管“A22、A23、A24”組成，光電耦合器“A4”的輸出端分兩路，一路通過二極管“A22”接晶體管“A21”的集電極，由晶體管“A21”的發(fā)射極輸出，另一路通過二極管“A24”輸出。
該電路由控制器電路“A47”、看門狗電路“U11”、半導(dǎo)體制冷片“A51A”所組成，控制器電路“A47”的“P17”端接半導(dǎo)體制冷片“A51A”控制器電路“A47”的“INT1、RESET”端接看門狗電路“U11”。
2.控制面板的電路設(shè)計說明整個面板上共有12個按鍵，3個指示燈，顏色為淺灰色調(diào)。
控制面板電路(如圖8)主要由鍵盤電路(KEY BOARD)、串口通訊接口、繼電器控制組構(gòu)成。
其中，鍵盤電路為3*4的矩陣，從A43(89C51)的P1口讀入。U11(MAX813)為看門狗電路。
U9(MAX202)為232串口通訊接口，將部分鍵盤值發(fā)送給主計算機。
繼電器控制組主要控制EMERGENCY-STOP、HEATER、POWERON/OFF、LAMP ON/OFF。
電源+5V由開關(guān)電源提供。
本發(fā)明裝置的工作過程以圖1為例，以下介紹該裝置的工作過程三維CAD模型輸入給數(shù)據(jù)處理與控制軟件(1)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的控制信息通過步進電機(1，7)及其驅(qū)動器(13)控制X方向立柱及其導(dǎo)軌(4)和Y方向立柱及其導(dǎo)軌(6)進行平面掃描運動，運動的同時，帶動紫外半導(dǎo)體光源及其聚焦裝置(9)掃描盛在樹脂槽(3)中、位于基板(16)和拖板(15)上方的樹脂，光束掃描到地方即迅速固化，掃描完一層后，步進電機(14)及其驅(qū)動器(13)控制Z向立柱及其導(dǎo)軌(17)向下移動一層，待液態(tài)樹脂均勻覆蓋至剛加工的固化層之后開始固化下一層，如此層層固化，即可快速地加工出與三維CAD模型形狀相同的原型，之后，把剛加工的原型從拖板(15)上取出，放入二次固化室(22)進行充分固化。
加工原型時，為節(jié)省加工時間，每個層片開始加工時用精細光斑加工前幾個線條，之后計算機處理與控制軟件(1)通過步進電機(8)及其驅(qū)動器(13)控制光源夾持架及其導(dǎo)軌(10)上升，即用大光斑填充需固化區(qū)域。
權(quán)利要求1.一種基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置，由步進電機、控制面板、光源及其聚焦裝置、光源控制電路以及機械部分所組成，其特征在于該裝置中，光源控制電路由與主控制計算機光耦接口單元電路(111)、光源驅(qū)動電路(112)、光源裝置(113)、溫控電路(114)、電池(115)、電池充電和電量測試電路(116)、接口單元電源電路(117)等部分組成；其中，主控制計算機光耦接口單元電路(111)的輸入端分別接接口單元電源電路(117)和主控制計算機，主控制計算機光耦接口單元電路(111)的輸出端接光源驅(qū)動電路(112)，光源驅(qū)動電路(112)的輸出端接光源裝置(113)，光源裝置(113)還與溫控電路(114)相接；電池充電和電量測試電路(116)接電池(115)，電池(115)接光源驅(qū)動電路(112)向其供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置，其特征在于主控制計算機光耦接口單元電路(111)由驅(qū)動繼電器和驅(qū)動光電耦合器所組成，在驅(qū)動繼電器中，步進電機控制卡接光電耦合器“G1”的輸出端；在驅(qū)動光電耦合器中步進電機控制卡接光電耦合器“G2”的輸出端，光電耦合器“G3”的輸出端為驅(qū)動光電耦合器的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置，其特征在于光源驅(qū)動電路(112)由穩(wěn)壓電路“A8”光電耦合器“A4”晶體管“A21”二極管“A22、A23、A24”組成，光電耦合器“A4”的輸出端分兩路，一路通過二極管“A22”接晶體管“A21”的集電極，由晶體管“A21”的發(fā)射極輸出，另一路通過二極管“A24”輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置，其特征在于該電路由控制器電路“A47”、看門狗電路“U11”、半導(dǎo)體制冷片“A51A”所組成，控制器電路“A47”的“P17”端接半導(dǎo)體制冷片“A51A”控制器電路“A47”的“INT1、RESET”端接看門狗電路“U11”。
專利摘要基于紫外半導(dǎo)體光源的桌面光造型裝置采用新型光源的小體積、低成本的光造型裝置，由步進電機、控制面板、光源及其聚焦裝置、光源控制電路以及機械部分所組成，該裝置中，主控制計算機光耦接口單元電路(111)的輸入端分別接接口單元電源電路(117)和主控制計算機，主控制計算機光耦接口單元電路(111)的輸出端接光源驅(qū)動電路(112)，光源驅(qū)動電路(112)的輸出端接光源裝置(113)，光源裝置(113)還與溫控電路(114)相接；電池充電和電量測試電路(116)接電池(115)，電池(115)接光源驅(qū)動電路(112)向其供電。
文檔編號G06F3/00GK2720487SQ20042002783
公開日2005年8月24日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月10日
發(fā)明者楊繼全, 岳東, 朱珍瑛 申請人:南京師范大學(xué)