УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ И 3D ОБРАБОТКИ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для резки полимерных, например, из пенополиуретана, латекса и других эластичных и пористых материалов, предназначенных для использования в строительном и мебельном производстве в качестве отделочных и декоративных изделий.
Известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ (А.С. №1666314 МПК В29С 37/00, B26F 3/12), содержащее кронштейн П-образной формы, на котором расположены с возможностью перемещения по нему держатели с прикрепленными к ним посредством клемм концами нагреваемой электрическим током режущей струны, которой придают различную фиксированную форму дуги.
Недостатком данного способа является то, что профиль изделий имеет только форму петли и устройство не позволяет производить различные сложные профили изделий.
Известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ ПЛАСТМАСС ТИПА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА (патент РФ №381550 МПК В29С 27/10), обеспечивающее резку материала под разными углами. Устройство содержит шарнирный параллелограмм, стороны которого составлены из стержней и рычагов. Концы рычагов, выходящие за параллелограмм, служат для установки роликов, на которые натянута режущая проволока. Параллелограмм смонтирован на столе, две половины которого выполнены с возможностью складывания вокруг стержня для установки плоскости параллелограмма под различными углами к плоскости стола. Для осуществления резания материала под разными углами режущая проволока укреплена на боковых планках шарнирного параллелограмма, выступающих над его верхней планкой, укрепленной на столе. При этом стол снабжен зажимами, обеспечивающими возможность поворота верхней планки вокруг ее оси.
Недостатком данного устройства является низкая производительность из-за перемещении струны в одну сторону вручную и невозможности использования в линии непрерывного изготовления как листов пенопласта, так и трубчатых изделий.
Наиболее близким является УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) (патент РФ №2289504 МПК B26F 3/12, B26D 1/547, B26D 1/553), которое содержит основание, на противоположных сторонах которого закреплены горизонтальные направляющие, по которым перемещаются каретки. На каретках установлены вертикальные направляющие, соединенные вверху верхней балкой и образующие вместе с вертикальными направляющими портал. На вертикальных направляющих расположены каретки, на которых через пружины и изоляторы закреплены концы режущей проволоки. В верхней части основания расположен поворотный стол для установки и поворота заготовки. Каретки горизонтальных направляющих приводятся в движение двигателем через систему тросов. Каретки вертикальных направляющих приводятся в движение вторым двигателем также через систему тросов. Поворотный стол приводится в движение собственным индивидуальным двигателем. На вертикальных направляющих может быть расположена одна пара и более подвижных кареток с установкой соответственно одной или нескольких режущих проволок. Электронный блок управления содержит схему формирования напряжений для управления всеми двигателями, схему регулировки нагрева режущей проволоки, схему интерфейса для обеспечения связи с персональным компьютером и блок питания.
В описанных устройствах режущим инструментом является нагретая электрическим током натянутая струна. Обработка фигурных поверхностей достигается за счет перемещения нагретой струны в двух или трех координатах по компьютерной программе. Однако в данных устройствах ограничены возможности изготовления различных рельефных объектов, а также прямолинейных поверхностей. Натянутая и нагретая струна в процессе обработки прогибается от усилий резания. Существенным недостатком является и то, что в случае попадания в пенополистирол каких-либо включений струны рвутся. Недостатком является также усложненность конструкции.
Задачей заявляемого технического решения является создание устройства, предназначенного для раскроя и обработки термопластичных материалов, в частности, эластичных и пористых материалов с возможностью трехмерной обработки материала и изготовления сложных декоративных форм.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и создании компактного устройства с возможностью движения режущего инструмента во всех направлениях; с высокой точностью резки и производительностью при изготовлении изделий сложной формы.
Поставленная задача решается тем, что устройство для резки и 3D обработки термопластичных материалов, содержащее установленное на опорах основание; направляющие; нагреваемый режущий инструмент, установленный с возможностью движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях; каретку, установленную с возможностью перемещения; блок управления, согласно заявляемому техническому решению, содержит два подвижных вала, установленных на двух парах направляющих, расположенных на опорах над основанием в одной горизонтальной плоскости, но на разных уровнях, попарно параллельно - одна пара по оси X, другая пара - по оси Y; два подвижных вала установлены перпендикулярно друг к другу с возможностью движения одного вала - по оси X, а другого - по оси Y; каретка размещена на пересечении двух подвижных валов и снабжена дополнительным валом, установленным по оси Z с возможностью движения вверх, вниз и вокруг своей оси, а также двумя электродвигателями; нагреваемый режущий инструмент выполнен в виде корпуса-изолятора и прикрепленной к нему проволоки и установлен в нижней части дополнительного вала с возможностью вращения вокруг своей оси. При этом два подвижных вала соединены с роликовыми механизмами, установленными на направляющих.
Устройство поясняется чертежами: на Фиг.1 представлена схема общего вида устройства, на Фиг 2 - вид каретки в разрезе, где позициями обозначены:
1 - основание станины,
2 - опоры станины,
3 - направляющие по оси X,
4 - направляющие по оси Y,
5 - вал, двигающийся по оси X,
6 - вал, двигающийся по оси Y,
7 - каретка,
8 - вал, двигающийся по оси Z,
9 - электродвигатель вала 5,
10 - электродвигатель вала 6,
11 - роликовый механизм,
12 - режущий инструмент,
13 - двигатели, встроенные в каретку 7.
Заявляемое устройство предназначено для раскроя и обработки термопластичных, эластичных, пористых материалов, например, пенополиуретана, латекса и т.п.для использования, прежде всего, в мебельном производстве.
Устройство содержит станину, выполненную в виде основания 1, закрепленного в нижней части вертикальных опор 2, и двух пар направляющих 3, 4, расположенных на разных уровнях в верхней части вертикальных опор 2 по оси X и по оси Y; два подвижных вала 5 и 6, соединенных с направляющими 3 и 4 с помощью роликовых механизмов 11 и снабженных электродвигателями 9 и 10; каретку 7 с двумя встроенными электродвигателями 13, размещенную на пересечении валов 5 и 6 и соединенную с ними посредством втулок; размещенный в каретке 7 дополнительный вал 8, в нижней части которого прикреплен с помощью зажима режущий инструмент 12. Режущий инструмент 12 состоит из жесткого корпуса-изолятора и прикрепленной к нему проволоки, к которой подключен электрический ток, подаваемый с блока управления, расположенного на основании 1 станины.
Основание 1 станины выполняет функцию столешницы для размещения обрабатываемого материала. Валы 5, 6 выполнены с возможностью перемещения над поверхностью основания 1 благодаря электродвигателям 9 и 10 и роликовым механизмам 11, установленным на направляющих 3 и 4. Во время движения валы 5 и 6 вращаются вокруг своей оси и могут двигаться вдоль направляющих 3 и 4 как с одинаковой, так и с разной скоростью. Таким образом, обеспечивается движение валов 5 и 6 вперед и назад (то есть, перпендикулярно собственным осям). На пересечении валов 5 и 6 расположена и соединена с ними посредством втулок каретка 7.
Каретка 7 выполнена с двумя встроенными электродвигателями 13 и с прикрепленным посредством втулок валом 8, расположенным перпендикулярно основанию станины, то есть, по оси Z. Один из двигателей обеспечивает движение вала 8 вокруг своей оси, а другой - для его движения вверх и вниз. Кроме того, вместе с движением валов 5 и 6 вал 8 может двигаться также вдоль осей X и Y. Таким образом, размещенный в нижней части вала 8 режущий инструмент 12 способен перемещаться по всем трем осям X, Y, Z и вращаться. Тем самым обеспечивается возможность трехмерной (3D) обработки материала.
В корпусе каретки 7 размещены электродвигатели: Первый электродвигатель вращает вал 8. На вал 8 посредством шлицевого соединения насажен шкив. Электродвигатель имеет ременную передачу со шкивом вала 8. Благодаря наличию шлицевого соединения вал 8 получает крутящий момент от электродвигателя и свободно, по шлицам может подниматься и опускаться. Второй электродвигатель поднимает и опускает вал 8, с помощью подвижной втулки, предназначенной для подъема и опускания вала. Втулка имеет два роликовых радиально-упорных (с коническими роликами) подшипника которые позволяют валу 8 свободно вращаться, но не позволяют двигаться вверх и вниз (независимо от втулки), т.к. на валу имеется выступ, в который упираются внутренние кольца подшипников. Для движения вверх и вниз втулка имеет жестко соединенную с ней зубчатую рейку. Зубчатая рейка имеет зубчатую передачу с электродвигателем, который, вращаясь, поднимает или опускает втулку, увлекая за собой вал 8.
Роликовые механизмы имеют по одному ведущему (верхнему) и по два пассивных (нижних) ролика и корпус. Ведущие ролики жестко соединены с валами и посредствам подшипников с корпусами роликовых механизмов. С одной стороны к корпусу механизма крепится электродвигатель, который вращает валы устройства. К корпусу в нижней части крепятся два пассивных ролика, которые твердо фиксируют вал на направляющих.
Режущий инструмент 12 состоит из корпуса-изолятора и металлической (стальной, нехромовой и т.п.) проволоки, жестко закрепленной на нем.
Высокая точность и трехмерная обработка обеспечена, в частности, местоположением двигателей, позволяющих не только поднимать и опускать режущий инструмент, но и производить его вращение, а также за счет высокой синхронности движения каретки, обеспечиваемой вращающимися валами 5 и 6.
Конструкция устройства предусматривает возможность как автоматического, так и полуавтоматического управления. При полуавтоматическом режиме управление осуществляется с блока управления, расположенного на основании станины 1, посредством кнопок и регуляторов. Автоматический режим обеспечивается за счет соединения блока управления с компьютером.
Блок управления осуществляет управление всеми функциями станка. Внешне блок управления выглядит как массивный, металлический короб с множеством кнопок, регулировочных ручек и индикаторов состояния режимов станка. В блоке управления расположен мощный трансформатор и соединенный с ним регулировочный элемент (мощный, переменный резистор) для управления накалом раскаленной проволоки режущего инструмента, а также амперметр и вольтметр для контроля и управления накалом режущего инструмента. Также в блоке управления расположен модуль преобразования цифрового сигнала в аналоговый для управления функциями устройства при помощи компьютера. На внешней стороне блока управления расположены ручки регулирования скоростью вращения всех электродвигателей, индикаторы тока и напряжения для контроля состояния накала режущего инструмента, кнопки пуска/остановки электродвигателей, кнопки подачи/отключения накала режущего инструмента и разъем подключения компьютера.
Устройство работает следующим образом.
Для получения заданного профиля изделия, который задается блоком управления (при полуавтоматическом режиме) или программой компьютера (при автоматическом режиме), подаются на каждый электродвигатель соответствующие, изменяющиеся во времени, напряжения для осуществления движения валов 5, 6 и 8 в нужном направлении с заданной скоростью и ускорением.
Пример работы устройства по выполнению операции резки двенадцати конических отверстий. На основание станины укладывают обрабатываемый материал. В зажиме зажимают режущий инструмент. В специальном программном обеспечении компьютера создается чертеж и подается команда «пуск». Данные с компьютера поступают в блок управления станка, который в свою очередь включает и выключает (в зависимости от операции) электродвигатели валов 6, 5 и 8, тем самым задавая нужную траекторию движения режущего инструмента 12. Когда валы 6 и 5 и 8 подводят режущий инструмент в необходимое положение над поверхностью обрабатываемого материала, блок управления подает напряжение на режущий инструмент, накалив проволоку. Затем с помощью вала 8 раскаленный режущий инструмент 12 медленно погружается в поверхность обрабатываемого материала, разрезая его. Когда режущий инструмент углубляется на необходимую глубину, включается один из электродвигателей, расположенный в корпусе каретки 7 и предназначенный для вращения вала 8, который совершает поворот режущего инструмента на 360 градусов. Тем самым режущий инструмент вырезает в материале отверстие конической формы. После поворота на 360 градусов, напряжение режущего инструмента отключают, и под воздействием другого электродвигателя, расположенного в корпусе каретки 8 и предназначенного для подъема и опускания вала 8, вал 8 извлекает из поверхности материала режущий инструмент 12. Вслед за этим возобновляют работу валы 6, 5 и 8, и режущий инструмент 12 начинает движение над поверхностью материала до заданной, следующей точки. Таким образом, станок в автоматическом режиме производит 12 операций по резке конических отверстий.
Связанная с валами 5 и 6 каретка 7, перемещаясь по заданной программе, вызывает перемещение режущего инструмента 12 по траектории заданного профиля с заданной скоростью.
При выполнении операций декоративной обработки кромки: проволоке режущего инструмента 12 придают необходимую форму в зависимости от желаемого профиля (количество форм неограниченно), закрепляют в зажиме устройства и направляют по заданной траектории X, Y, Z с помощью электродвигателей валов 5, 6 и 8.
При выполнении криволинейного раскроя: подают напряжение на режущий инструмент 12, а также подают переменные по амплитуде и полярности напряжения на электродвигатели валов 5, 6 и 8. При осуществлении данной операции изменяются скорости и направление (по часовой стрелке и против нее) вращения якоря электродвигателей валов 5, 6 и 8. Электродвигатели, таким образом, ведут по заданной, криволинейной траектории режущий инструмент.
При выполнении операции прямолинейного раскроя подают напряжение на режущий инструмент (предназначенный для раскроя) и на один из двигателей валов 5 или 6 в зависимости от направления обработки, по оси X или Y.
При выполнении операции трехмерной обработки в ПО компьютера создают трехмерную фигуру, размещают заготовку на столе раскроя, в зажим устанавливают режущий инструмент, предназначенный для 3D обработки, и подают команду «пуск». Далее устройство производит автоматическое изготовление требуемой объемной фигуры. Благодаря возможности движения режущего инструмента по осям X, Y, Z и его вращения достигается высококачественная трехмерная обработка.
В результате раскаленная до нужной (в зависимости от операции) температуры режущая проволока нагревает окружающий воздух и бесконтактно осуществляет раскрой и/или фрезеровку материала, при этом материал испаряется. Такой способ обработки не нарушает структуру материала и не создает «корочку» на участках среза, и не изменяет его цвет. Тем самым раскроенный материал не изменяет своей структуры и внешнего вида после его обработки.