Устройство для моделирования и изготовления объемных тел

Устройство для моделирования и изготовления объемных тел состоит из компьютера, который работает с математическими моделями, контроллера, который получает информацию о координатах, и исполнительного органа, которым управляет контроллер. Исполнительный орган (стенд производства) содержит рабочий стол, который состоит из станины (рамы) и смонтированной над ней площадки, которая имеет жесткую конструкцию, на которой размещены в определенном порядке и закреплены исполнительные устройства (позиционные линейные электроприводы - актуаторы), имеющие обратную связь в виде датчиков положения Холла, а состояние актуаторов определяется контроллерами, которые выполняют команды компьютера.

Полезная модель относится к механическим устройствам для моделирования и физического воспроизведения шаблона с последующим изготовлением матриц для формовки изделия или частей объемного изделия. Существуют различные устройства подобного назначения. Известен способ быстрого прототипирования - послойное (аддитивное) создание физического объекта, который точно соответствует виртуальной 3D математической модели. При этом все элементы создаваемого объекта точка за точкой последовательно оказываются размещенными согласно заданным программным обеспечением координатам. Моделирование 3D принтерами имеет массу преимуществ и идеально для создания предметов малых форм из определенных материалов, но на сегодня оборудование и материалы очень дорогостоящи и данный способ не решает техническую задачу моделирования относительно крупных объектов.Известно устройство для изготовления трёхмерных объектов, патент US 5 121 329 (B22F 3/115; B22F 3/00; В29С 41/36; В29С 41/34; В29С 67/00; G05B 19/4097; G05B 19/4099; G05B 19/41; G06F 015/46), дата выдачи 09 июня 1992 г.).Данное устройство для изготовления трёхмерных физических объектов заранее определённой формы посредством последовательно наносимых множественных слоев затвердевающего материала на элементе-основе желаемым образом, включает в себя: подвижную головку, имеющую устройство-канал, соединённый с дозирующим выпускным отверстием на одном конце, вследствие чего упомянутое дозирующее выпускное отверстие содержит наконечник с соплом, подвод застывающего при заданной температуре материала и устройство для приведения этого материала в жидкое состояние внутри вышеупомянутого устройства-канала, элемент-основу, расположенный вплотную, работающий близко к вышеупомянутой распыляющей головке, и механические устройства для перемещения вышеупомянутой распыляющей головки и вышеупомянутого элемента-основы друг относительно друга в трёх измерениях вдоль осей "X," "Y," и "Z" в прямоугольной системе координат в заранее определённой последовательности и заранее определённым образом, а также для смещения упомянутой распыляющей головки на заданное увеличивающееся расстояние относительно элемента-основы и, как следствие, относительно каждого последующего слоя, отложенного прежде, для начала формирования каждого последующего слоя для формирования множества слоев указанного материала заранее заданной толщины, которые нарастают один на одном последовательно, как затвердевают после выхода из указанного сопла, и средство для дозировки выбрасываемого в виде тока жидкости вышеупомянутого материала из вышеупомянутой форсунки с заранее определённой интенсивностью на вышеупомянутый элемент-основу для формирования вышеупомянутого трёхмерного объекта в то время, как вышеназванные распыляющая головка и элемент-основа перемещаются друг относительно друга.

Однако известное устройство имеет следующие недостатки:

Сложное устройство подготовки, подачи и использования затвердевающегоматериала для получения трёхмерных физических объектов.

Длительный процесс последовательного наращивания множества слоев приполучении объекта.

Невозможность корректировки формы полученного объекта после затвердеванияслагающего его материала.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленной полезной модели и принятым в качестве прототипа является устройство «Computer automated

1

UA 80998 U

manufacturing process and system», номер патента US 4 665 492 (B29C 41/36; B29C41/34; B29C 67/00; G05B 19/41; G06F 015/46), дата выдачи 12 мая 1987, состоящее из компьютерной системы, которая состоит из компьютера, работающего с математическими моделями, машинного контроллера, который получает информацию о координатах и исполнительного органа, которым управляет контроллер.

Компьютер создаёт файл с координатами, отображающими трёхмерную компьютерную модель объекта в трёхмерной системе координат. Файл с координатами передаётся и принимается контроллером, который контролирует серво-механизм. Серво-механизм, в свою очередь, контролирует подвижную эжектирующую головку, которая испускает поток частиц материала, которые благодаря толчку, либо притяжению, направляются в точку трёхмерного объекта с необходимыми координатами в трёхмерной координатной системе. Поток может состоять из выбрасываемых частиц или капелек, содержащих особое вещество, или может быть потоком, превращенного в частицы материала, уже находящегося в объёме камеры, притягиваемого к затравочному зерну, либо к точке с другими координатами.

Движением работающей головки, либо головок, под контролем компьютера в соответствии с информацией о координатах, представляющих модель, физический трёхмерный предмет или объект может быть автоматически сконструирован в соответствии с моделью, и может быть выстроен из затравочного зерна.

Анализ технических характеристик прототипа показал наличие ряда существенных недостатков.

Наличия в составе прототипа сложных механических приводов.

Материал, формирующий трёхмерные предметы, представляет собой жидкость.

Требуется время на отвердевание материала

малый объём пространства, в котором происходит моделирование

Затруднена корректировка формы готового изделия.

В основу полезной модели поставлена техническая задача: разработать комплекс оборудования для моделирования и последующего производства средне- и крупногабаритных изделий, имеющих объемные (преимущественно барельефные) формы.

оборудование должно обеспечить возможность создания математической моделизаданного объемного объекта (предмета);

оборудование должно обеспечить возможность использования созданных на другомоборудовании математических моделей заданных объемных объектов (предметов);

масштабировать и сводить в единую систему координат, необходимую для дальнейшей точной работы всех составляющих оборудования;

выделять необходимые для воспроизведения линии изгибов и плоскости;

проецировать (воспроизводить) на исполнительном аппарате, далее - стенде, выбранныедля работы элементы;

корректировать геометрию отдельных линий изгибов и плоскостей математической

2

UA 80998 U

модели, одновременно с этим изменяя геометрию проекции (физической модели будущего шаблона) на рабочей поверхности стенда, при этом иметь возможность корректировать на стенде физическую модель в ручном режиме, изменяя, как следствие, форму виртуальной математической модели, то есть, подавать сигналы через контроллеры на элементы исполнительного механизма для изменения его положения, после чего по схеме обратной связи получать адресные сигналы для автоматической корректировки элементов виртуальной математической модели;

получать в максимально короткие сроки на стенде шаблон, форму, (матрицу, отпечаток,оттиск как выпуклый, негативный так и вдавленный, позитивный) линии или плоскости срельефом или геометрией соответствующими виртуальной математической модели, в
заданном масштабе и с физическими свойствами, позволяющими использование его в
качестве матрицы для дальнейшей формовки;

предусмотреть комбинированное использование нескольких стендов для получения
шаблонов крупных или сложных форм. В последствии изготовленные элементы
соединяются в единое изделие;

как способы изготовления, так и материалы могут быть различными, в зависимости от
габаритов, назначения и других требований к изделию.

Поставленная техническая задача может быть осуществлена реализацией заявляемого «Устройства для моделирования и изготовления объемных тел», которое состоит из компьютера, снабжённого программным обеспечением, позволяющим формировать, изменять и сохранять математическую модель поверхности объекта в заданных масштабе и координатах, блока управления, состоящего из системы контроллеров, которые получают информацию о координатах, и исполнительных устройств - стендов управляемых контроллерами. Корректировка на стенде физической модели в ручном режиме с изменением, как следствие, формы виртуальной математической модели, может быть выполнена оператором при работе непосредственно с вышеназванным компьютером, либо посредством вынесенного пульта ручного управления.

Суть полезной модели поясняется чертежом, где изображена блок-схема устройства для изготовления объёмных тел. Как показано на блок-схеме, заявленное устройство содержит 3D сканер (1), компьютер (2), блок контроллеров (3), стенд моделирования (4), стенд производства (5), пульт ручного управления (6).

3D сканирование может использоваться как один из способов создания виртуальной математической модели объекта, форма которого подлежит дальнейшему производству.

Математическая модель может быть создана как с помощью сканера (1), так и оператором в одной из программ 3D моделирования, либо моделированием физической модели на стенде моделирования (4) оператором, использующим пульт ручного управления (6) с дальнейшим ее преобразованием в математическую, либо модель уже существует, и доставляется тем или иным обычно применяемым способом.

Вышеуказанные способы создания математической модели могут применяться, в зависимости от задач, либо комплексно, либо по отдельности.

Компьютер (2) имеет достаточную вычислительную мощность, оснащён выбранной

3

UA 80998 U

программой трёхмерного моделирования с возможностью сохранения математической модели в одном из форматов, и созданным программным обеспечением, управляющим работой всей системы в комплексе.

Блок управления исполнительными механизмами, далее - блок контроллеров (3) представляет собой систему сопряженных с компьютером (2) и каждым из исполнительных механизмов стендов (4 и 5) контроллеров, преобразующих адресные сигналы программного обеспечения или команды оператора, поданные при помощи компьютера (2), либо с пульта ручного управления (6) в электрические сигналы управления отдельным исполнительным механизмом для осуществления движения в заданную точку позиционирования. Для управления в ручном режиме оператор переключает автоматическое управление контроллерами на ручное управление.

Стенд моделирования (4) содержит рабочий стол, состоящий из станины (рамы) и смонтированной над ней площадки, имеющей жесткую конструкцию, на которой размещены в определённом порядке и закреплены исполнительные устройства, позиционные линейные электроприводы - актуаторы, имеющие требуемую длину рабочего хода штока, достаточный запас прочности по нагрузке и обратную связь в виде датчиков положения Холла. Над актуаторами горизонтально располагается (прикрепляется к каждому актуатору) структура, формирующая рабочую поверхность. Она может быть выполнена в виде: а) листа из материала, обладающего способностью растягиваться и деформироваться под воздействием актуаторов, в то же время сохраняющего достаточную прочность для предотвращения разрывов, б) наконечников актуаторов определённой, заранее рассчитанной длины, имеющих в сечении форму равносторонних треугольников, квадратов или правильных шестигранников, закрепленных на конце каждого актуатора и плотно прилегающих друг к другу (находясь в одной плоскости, образующих поверхность, выполненную плотно прилегающими друг к другу равносторонними треугольниками, квадратами, либо гексагонами) и создающих при движении актуаторов изменение вышеуказанной поверхности. Проекции мест крепления актуаторов к рабочей поверхности на стороне, обратной стороне крепления, являются точками позиционирования. В этих точках размещены мини-датчики касания или давления.

Стенд производства (5) идентичен стенду моделирования (4) за исключением того, что его рабочая поверхность не имеет мини-датчиков касания или давления, и он может являться составной частью производственного оборудования, например, использоваться в качестве матрицы в оборудовании для вакуумной формовки.

Пульт ручного управления (6) представляет собой сенсорный экран, сопряженный с работой всех составных частей оборудования через компьютер (2). Программное обеспечение позволяет оператору на вышеуказанном экране наблюдать и выделять конкретную контрольную точку (актуатор) и в ручном режиме регулировать ее положение до нужной величины.

Оборудование с помощью соответствующего программного обеспечения решает задачу определения координат поверхности виртуальной математической модели относительно виртуальной базовой площадки в виртуальных контрольных точках и формирования сигналов управления для исполнительных механизмов, имеющих расположение на стенде производства (5), аналогичное расположению виртуальных контрольных точек, стенд производства (5), в свою очередь, имеет геометрию, аналогичную виртуальной базовой

UA 80998 U

площадке. Занятие каждым из множества исполнительных механизмов точек позиционирования, соответствующих координатам контрольных точек виртуальной математической модели решает задачу физического воспроизведения рельефа плоскости объекта на рабочей поверхности стенда производства (5). Другая задача оборудования, оснащённого соответствующим программным обеспечением - иметь возможность получать информацию об изменении координат в точках позиционирования при коррекции математической модели оператором посредством пульта ручного управления (6) и последующей коррекции физической модели на стендах. А также получать сигналы датчиков положения и давления, обрабатывать и визуально отображать их на экране монитора компьютера (2).

Заявленная полезная модель работает следующим образом

Вариант 1 (без применения стенда моделирования (4) на одной базовой площадке)

Производится выбор объекта, создание его математической модели одним из вышеуказанных способов. Задаются размеры изготавливаемого изделия.

Оператор формирует виртуальную базовую площадку, лежащую в одной плоскости (будущее основание изделия или его составной части) и размещает над ней виртуальную математическую модель всей плоскости предмета, учитывая при этом технические возможности исполнительных механизмов - длину хода штока актуаторов и заданную максимальную высоту будущего изделия. Затем оператор размещает в плоскости базовой площадки проекцию исполнительного аппарата - стенда производства (5) с аналогичными его физическому прототипу геометрией, количеством и порядком размещения точек позиционирования, масштабирует и при необходимости разделяет математическую модель поверхности предмета на требуемое количество составных частей в соответствии с габаритными данными стенда (5) и поставленными задачами последующего производства. В этом случае оператор размещает над виртуальной проекцией стенда выбранную для работы часть математической модели поверхности изделия. После сведения в единую систему координат (по двум горизонтальным осям) виртуальной проекции стенда и выбранной части математической модели, программное обеспечение измеряет высоту от контрольных точек на базовой поверхности до соответствующих им точек на поверхности математической модели (третья ось). В исходном положении все актуаторы занимают «нулевое» положение и рабочая поверхность является ровной. Измерив расстояния и получив тем самым требуемые для позиционирования координаты контрольных точек, программное обеспечение выдает адресные сигналы, пропорциональные измеренным расстояниям, на блок контроллеров, как сигналы рассогласования. Контроллеры, в свою очередь, адресно выдают электрические сигналы управления актуаторами, которые, отработав их, выдвигают свои рабочие штоки в точки позиционирования и останавливаются в этом положении. Датчики положения актуаторов сигнализируют на мониторе компьютера (2) об их исправности и занятии ими требуемого положения.

Оператор имеет возможность визуально оценить качество сформированной физической модели в выбранном масштабе и при необходимости скорректировать детали или вернуться в исходное положение и выбрать другой масштаб.

Пример 1

Вариант примера работы заявленного устройства:

1. Имеем стенд (5) с размерами рабочей поверхности бООхбООмм. Прототипом

5

UA 80998 U

исполнительного механизма выберем гибридный линейный актуатор Haydon в исполнении External (винт сквозь корпус) с размерами корпуса 28x28 мм., ходом рабочего штока 250 мм. и усилием 60 Н. Актуаторы расположены 20-ю рядами по 20 штук в одном ряду, расстояние между центрами рабочих штоков 30 мм.

Имеем объемную математическую модель одной стороны определенной монеты,
диаметром оригинала 60 мм. и максимальной высотой четко выраженной рельефной
структуры 1,0 мм.

Имеем указанный на блок-схеме комплект оборудования, за исключением стенда
моделирования (4).

4.Ставим задачу: изготовить барельеф, точно воспроизводящий предмет (монету), математической моделью которого мы располагаем, в заданном размере 6000x6000 мм. и высотой рельефа 100 мм, т.е. получить изображение увеличенного в 100 раз предмета.

Размещение актуаторов в определенном порядке на стенде является базовой системой координат, которая учтена программным обеспечением, и под виртуальную проекцию которой оператор подводит большую или меньшую область математической модели, таким образом, изменяя масштаб будущей формы (слепка).

В приведённом примере оператор виртуально помещает созданное при помощи математической модели изображение предмета (монеты) в квадрат, который делит сеткой на равные 10x10=100 долей также в форме квадрата, то есть, в форме стенда, увеличивая изображение на мониторе до удобных для работы размеров. Каждая из 100 частей математической модели поочередно приводится в единую систему координат с базовыми контрольными точками актуаторов, которых в приведённом примере мы имеем 400 шт.

Наложив на базовую «сетку» математическую модель с рельефным изображением, мы получим то, что каждой из контрольных точек (актуаторов) будет соответствовать своя точка позиционирования. Программное обеспечение и система контроллеров решает конечную задачу занятием каждым из 400 актуаторов физической позиции в соответствии с заданными координатами точек в виртуальной математической модели.

Каждая из 100 полученных форм, последовательно смоделированных и воспроизведенных на стенде, может быть реализована (изготовлена) из различных материалов, имеющих свойства принимать заданную форму с последующим отвердением и различными способами, после чего могут быть соединены в единое изделие.

Для получения изделия, высота элементов которого превышает технические возможности стенда производства (5) по длине рабочего хода актуаторов, моделирование производится на базовых плоскостях, располагающихся в форме пирамиды, группы пирамид либо многогранника, элементы которых моделируются дополнительно и монтируются как каркас.

Также имеется возможность делить математическую модель не только на квадраты, но и на другие, удобные для дальнейшей транспортировки и монтажа геометрические формы, которые занимают габариты, не превышающие габаритов стенда производства (5)-прямоугольники, ромбы, правильные шестигранники, формы идущие при монтаже «в зацеп», один из примеров такого соединения - соединение элементов головоломки типа puzzle.

UA 80998 U

В результате получаем устройство для изготовления шаблона, либо формы, по которой производится изготовление отдельных элементов изделия - объёмного объекта в необходимом масштабе.

Вариант 2 с применением стенда моделирования (4) на двух базовых площадках.

1 .Имеем стенды моделирования (4) в количестве двух единиц, каждый из которых идентичен размерами и комплектацией стенду производства (5), приведенному выше в «варианте 1», дополнительно оснащенных мини-датчиками давления, как указанно в описании стенда моделирования (4).

2.Имеем идентичный стенд производства (5), являющийся частью оборудования для формовки, и комплект приведенного в блок - схеме оборудования.

3. Ставим задачи: 1) Создать трехмерную математическую модель предмета для сидения, учитывая требования к эргономике сидения, индивидуальные физические параметры и анатомические особенности конкретного человека, далее - заказчика.

2) Изготовить основание предмета для сидения (сиденье и спинка), соответствующее по форме математической модели и в соответствии с заданным масштабом.

Решение первой задачи (создание модели) проводится в два этапа: предварительный и

конечный. На предварительном этапе один стенд моделирования (4) располагается в

горизонтальном положении так, чтобы рабочая поверхность находилась на высоте,

соответствующей физическим параметрам заказчика и требований к эргономике сидения

(ноги согнуты под прямым углом и твердо стоят на полу и т.д.). Предварительную

(черновую) математическую модель сиденья можно получить либо с помощью 3D сканера

либо путем правильной (в соответствии с эргономикой) посадки заказчика на рабочую

поверхность стенда. При этом датчики давления фиксируют задействованные контрольные точки, а оператор с помощью программного обеспечения определяет общую

нагрузку, распределяет давление на вышеуказанные точки, соблюдая баланс (75 %

нагрузки приходятся на 20-25 см кв. области седалищных бугров и т. д.). Так как датчики

давления работают в постоянном режиме и выдают адресные сигналы, а задействованные

контрольные точки (и соответствующие им актуаторы) занимают определяемое

программным обеспечением положение, при котором показания датчиков примут

заданные величины и вся система исполнительных механизмов занимает

соответствующее положение и фиксируется. При необходимости производится

визуальный осмотр, и отдельные участки корректируются с помощью пульта ручного

управления (6). При удовлетворительной для клиента форме сиденья производится

сканирование области спины с созданием «чернового» варианта математической модели

спинки. Со стороны спины устанавливается под определенным углом к плоскости сиденья

и на небольшом расстоянии второй стенд моделирования (4). При создании

математической модели спинки (в качестве примера), он может быть оснащен, в отличие

от первого, не датчиками давления, а датчиками касания. После принятия клиентом

ровного положения, все актуаторы по команде оператора начинают движение, и продолжают его до момента касания клиента в области спины с учётом его анатомических

особенностей. Оператором определяется рабочая зона, и актуаторы, соответствующие точки которых находятся вне рабочей зоны, отключаются, а все актуаторы в рабочей зоне

продолжают движение до момента касания, после чего полученное положение

фиксируется. На конечном (чистовом) этапе оператор по указаниям клиента, либо сам

клиент (предварительно ознакомленный с правилами пользования) с помощью сенсорного

экрана пульта ручного управления (6) управляет положением конкретных актуаторов, то

8

UA 80998 U

есть моделирует одновременно «примеряя» будущую основу предмета для сидения до удовлетворительного результата. Математическая модель в конечном виде может быть получена как с помощью 3D сканера, так и посредством получения адресных сигналов от датчиков положения актуаторов и создана в компьютерной программе по контрольным точкам позиционирования в заданной системе координат. Создается файл, в котором хранится данная математическая модель в одном из форматов, этот файл тем или иным обычно применяемым способом доставляется к месту дальнейшего использования.

Вторая задача (изготовление предмета) решается аналогично первому примеру, за исключением того, что заданный масштаб не изменяется, то есть математическая модель не делится оператором на участки. Допустим то, что стенд производства (5) является составной частью оборудования для вакуумной формовки и занимает положение матрицы (исходной формы, имеющей защиту от перегрева). Оператор на мониторе компьютера (2) размещает выбранную математическую модель сиденья в плоскости и координатах, соответствующих плоскости и контрольным точкам актуаторов стенда производства (5). Комплекс оборудования воспроизводит на указанном стенде физическую форму, соответствующую математической модели, а оборудование для вакуумной формовки по указанной форме производит из выбранного листового материала требуемое изделие. После чего все вышеуказанные действия выполняются с математической моделью спинки предмета для сидения.

В результате осуществления заявленного технического решения получаем

комплекс оборудования для моделирования и последующего производства средне- и крупногабаритных изделий, имеющих объемные (преимущественно барельефные) формы, которое:

обеспечивает возможность создания математической модели заданного объемного
объекта (предмета)

обеспечивает возможность использования созданных на другом оборудовании
математических моделей заданных объемных объектов (предметов)

-позволяет масштабировать и сводить в единую систему координат, необходимую для дальнейшей точной работы всех составляющих оборудования;

-позволяет выделять необходимые для воспроизведения линии изгибов и плоскости;

-позволяет проецировать (воспроизводить) на исполнительном аппарате, далее - стенде, выбранные для работы элементы;

-позволяет корректировать геометрию отдельных линий изгибов и плоскостей математической модели, одновременно с этим изменяя геометрию проекции (физической модели будущего шаблона) на рабочей поверхности стенда.

позволяет корректировать на стенде физическую модель в ручном режиме, изменяя, как
следствие, форму виртуальной математической модели.

позволяет получать в максимально короткие сроки на стенде шаблон, форму, (матрицу,
отпечаток, оттиск как выпуклый, негативный так и вдавленный, позитивный) линии или
плоскости с рельефом или геометрией соответствующими виртуальной математической

9

UA 80998 U

модели, в заданном масштабе и с физическими свойствами, позволяющими использование его в качестве матрицы для дальнейшей формовки.

- позволяет комбинированное использование нескольких стендов для получения шаблонов крупных или сложных форм.

Формула полезной модели

1. Устройство для моделирования и изготовления объёмных тел, состоящее из компьютера, работающего с математическими моделями, контроллера, который получает информацию о координатах, и исполнительного органа, которым управляет контроллер, отличающееся тем, что исполнительный орган (стенд производства) содержит рабочий стол, состоящий из станины (рамы) и смонтированной над ней площадки, имеющей жесткую конструкцию, на которой размещены в определённом порядке и закреплены исполнительные устройства (позиционные линейные электроприводы - актуаторы), имеющие обратную связь в виде датчиков положения Холла, а состояние актуаторов определяется контроллерами, выполняющими команды компьютера.

2. Устройство для моделирования и изготовления объёмных тел по п. 1, отличающееся тем, что над актуаторами горизонтально располагается (прикрепляется к каждому актуатору) лист из материала, обладающего способностью растягиваться и деформироваться под воздействием актуаторов.

3. Устройство для моделирования и изготовления объёмных тел по п. 1, отличающееся тем, что на конце каждого актуатора закреплены наконечники определённой, заранее рассчитанной длины.

4. Устройство для моделирования и изготовления объёмных тел по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит стенд моделирования, состоящий из станины (рамы) и смонтированной над ней площадки, имеющей жесткую конструкцию, на которой размещены в определённом порядке и закреплены исполнительные устройства (позиционные линейные электроприводы - актуаторы), имеющие обратную связь в виде датчиков положения Холла, а состояние актуаторов определяется контроллерами, выполняющими команды компьютера, оснащенными датчиками касания или давления.

5. Устройство для моделирования и изготовления объёмных тел по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит пульт ручного управления, принимающий информацию от компьютера, работающего с математическими моделями, и воспринимающий и передающий компьютеру, работающему с математическими моделями, команды оператора.

6. Устройство для моделирования и изготовления объёмных тел по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит сканирующее устройство.

РИСУНКИ