1、1 緒論1.1 激光選區燒結快速成型原理及應用選擇性激光燒結(Selective lasers sintering，簡稱SLS)技術是九十年代初RP技術中發展起來的又一種全新的原型制作方法，它以各種粉末材料(如石蠟、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金屬等粉材)為加工對象。SLS燒結設備，主要由掃描器、鋪粉機構、激光源、預熱裝置和計算機控制系統等部分組成。它采用具有動態聚焦功能的振鏡掃描結構，因此，其掃描速度較其它種類的快速成形系統有相當程度的提高，最高掃描速度由具體的動態掃描系統確定，一般燒結速度可達2m/s，故成形效率更高。SLS系統基本上采用開環的Z軸位置控制結構，即不必實時測量零件的實際高度；

2、與LOM（分層物體制造Laminated Object Manufacturing）中的送紙、收紙結構功能類似，SLS系統采用了自動鋪粉機構完成材料準備。另外，由于加工材料的要求，系統應具有對材料的預熱功能，非接觸式測量環境溫度，通過溫度傳感器或者專門的測溫儀檢測溫度。激光燒結成形過程為：首先在工作臺面上均勻地鋪上一層很?。?.08mm0.3mm)的熱敏粉末，輔助加熱裝置將其預熱到粉末材料熔點(粘結劑的軟化溫度)以下的溫度，在這個均勻的粉末層面上，計算機在經過數據處理得到零件的CAD實體模型的二維剖面后，再控制激光按照設計零件的當前層截面信息進行選擇性燒結，被燒結粉末固化在一起形成零件的實體部

3、分。然后，在計算機的控制下，工作平臺降低一定的高度，鋪粉機構鋪設一層很薄的粉末，激光束開始新一層的掃描燒結，層厚一般控制在0.080.30mm范圍內。系統不斷重復這一過程，直到層加堆積成三維實體零件。燒結過程結束后，去除未被燒結的松散粉末，就得到了坯件，將此坯件進行二次燒結或浸漬等后處理，便可得到最終所需零件。原理如圖1-1： 圖1-1 SLS技術快速成型系統的工作原理選擇性激光燒結技術具有以下特點:(1) 材料選擇廣泛。其工藝材料選擇廣泛，如尼龍、塑料、金屬、陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作為加工材料。SLS可根據不同的用途選擇不同的材料，如用覆膜砂燒結精密鑄造用砂型(或芯)，用石蠟粉或塑

4、料粉燒結熔模鑄造用的母模，用陶瓷粉燒結陶瓷模殼，或用金屬粉直接成形金屬模具或零件。(2) SLS技術不需特殊支撐、多余材料易于清理、適合原型及功能零件的制造等優點，而且材料可以重復使用，材料利用率高，粉末材料的利用率幾乎可以達到100%。(3) 工藝過程簡單。與其它原型制作工藝(如SLA,LOM等)不同，SLS成形無須研究專門的廢料清除工藝。(4) 具有廣闊的應用前景。SLS可以直接成形金屬或陶瓷制件，而快速原型與快速制模技術相結合是快速成形技術應用的一個主要方面。從目前國內外SLS技術的研究情況來看，覆膜砂、石蠟粉以及塑料粉這三種材料的激光燒結技術的研究比較成熟，已經有商品化的設備推向市場。

5、金屬粉末的激光燒結技術也逐漸成熟，而陶瓷粉末的激光燒結技術尚處在研究階段，陶瓷粉末的激光燒結技術屬當今激光燒結技術的研究前沿和技術難點。1.2 SLS技術及設備鋪粉裝置的現狀及其現有設備的缺陷1.2.1 國際上SLS技術及設備的發展情況自從70年代末80年代初，美國3M公司、日本名古屋研究所和美國UVP公司分別提出了基于有選擇地逐層固化光敏聚合物的原理制造三維實體的快速成形概念以來，涌現出許多新的方法。目前的快速成形的方法不再僅僅是立體平版印刷（SLA) 、分層物體制造(LOM) 、選擇性激光燒結( SLS) 、熔融沉積制造( FDM) 等四種，還出現了如立體打印、金屬沉積、噴墨等等方法。同時

6、，新的快速成形機構也不斷涌現。到1998年，全世界共有331家快速成形服務機構，27家咨詢機構，51家教育與科研機構。其中研究SLS工藝的有DTM公司和EOS公司。公司與公司之間的競爭日趨激烈，促使快速成形技術不斷得到提高，不斷得到應用，原型制造速度不斷提高，各種新的加工材料不斷出現，快速成形設備的品種規格不斷齊全，制件精度越來越高，成形尺寸越來越穩定，快速成形軟件功能越來越強大、完善，操作更加簡便，性能更加穩定。隨著快速成形技術的發展，就SLS成形設備的發展來說，主要表現在以下幾個方面:(1) 操作更簡單，功能更完善。例如，與燒結站2000相比，DTM公司的燒結站2500plus的人機界面更

7、友好、功能更強大。(2) 加工速度越來越快，實現了真正意義上的“快速成形”。(3) 出現了概念機，并成為快速成形系統的一個發展方向，如1998年3D公司推出的Actual的一種改進機型(熱噴實體打印機)。(4) 出現了RP系統專業化的思想，即針對某些特殊用途而開發的RP系統產品。如Stratasys公司開發的MedModeler，主要用于一些醫院和醫學單位。1.2.2 國內SLS技術及設備的發展情況自九十年代初在國家科技部、國家自然科學基金委員會和部分地方政府與科委的支持下，首先在華中科技大學(原華中理工大學)、清華大學、西安交通大學、北京隆源有限公司等一些高等學府和高新技術開發公司開展了成形

8、理論、工藝方法、設備、軟件、材料等配套技術的研究。目前，主要有華中科技大學和北京隆源公司這兩家單位從事SLS設備的研究，并且已經研制成功了幾種基于SLS工藝的RP設備，目前正在研制基于其他工藝的RP設備。如華中科技大學開發研制的HRPS- I、HRPS-II和HRPS-IIA型SLS設備已成功的實現了產品的商品化，具體設備如圖1-2所示： 圖1-2 選擇性激光燒結成型設備對于SLS設備的現狀來說，國外的SLS快速成形系統和成形材料的價格非常昂貴，運行費用和制件成本高.而華中科技大學自1991年開展快速成形技術研究以來，將目標定位于在保證高可靠和高性能的前提下，研究和開發能大幅度降低成本的快速成

9、形技術，通過技術創新，現已開發出的SLS的HRP-IRA型快速成形系統，成本大幅度降低了，且在控制、軟件、材料和快速制模方面取得了較大進展。在應用上，受傳統思想、市場機制和市場需求的影響，快速成形在國內的推廣受到了很大的阻力。但隨著改革的進一步深入，快速成形的應用已出現了蓬勃發展的局面。如深圳殷華模具開發有限公司開展的快速原型和快速制模服務引起了很大的反響。在技術上，與國外的差距仍然很明顯，主要表現在以下方面:(1) 材料性能與國外相差很大，國內許多快速成形材料都依賴于進口。(2) 工藝研究不深入，快速原型件存在諸多缺陷。(3) 設備的系統性，可靠性及自動化程度與國外仍有一定差距，使得我國的快

10、速成形設備的市場競爭力不強 。(4) 就快速成形理論的研究不足，基本上是照搬國外的，沒有形成屬于自己的理論研究。當然，經過我國科研工作者們的不懈努力以及我國巨大的市場潛力，快速成形技術在國內的前景是十分美好的。1.3 本設計的目的、內容及現實意義1.3.1 本設計的目的和意義為了發展我校的快速成形制造系統，以適應快速成型在我校的應用，支撐其他科研項目的順利進行，所以對本?？焖俪尚蛯嶒炇业默F有激光燒結快速成型設備進行改進和設計，以使其能夠實現自動化，滿足實驗室的需要。1.3.2 本設計的主要內容和本文的主要工作1.3.2.1 本設計的主要內容(1) 制件的精度問題制件的精度問題是任何一種商品化設

11、備必須考慮的問題。影響SLS制件精度的主要因素有鋪粉裝置的機構因素，材料的收縮性能，環境溫度，掃描路徑以及鋪粉厚度的影響等。本文主要從鋪粉裝置的機構因素，環境溫度，掃描路徑以及鋪粉厚度出發等幾個方面進行探討，以此提高制件的精度。(2) SLS設備鋪粉機構的設計優化由華中科技大學開發研制的HRPS- I型粉末燒結系統采用的是與LOM設備相同的激光掃描控制系統，送粉機構采用兩缸送粉，鋪粉采用輥子在前進時同時自轉進行鋪粉壓實，這樣它的鋪粉效率就很低，而且在壓實過程中容易使已經燒結部分產生偏移。為了改進這一缺點，本設計采用三缸送粉結構，該系統結構緊湊，并且增加了一些控制元器件，使得整個系統的運行更加穩

12、定可靠，制件的精度進一步提高。1.3.2.2 本文的主要工作快速成形技術是一項包括精密機械學、CAD、計算機、激光、控制技術和材料科學等諸多學科領域的一門綜合學科，因而它的研究內容廣泛而復雜。課題的主要研究內容和本文的主要工作如下:全文分為5章，各章內容如下:第1章 緒論，主要介紹了課題的技術背景、理論、意義及本文的主要工作。第2章 鋪粉裝置對激光選區燒結成型的影響規律分析，主要從鋪粉裝置的機構因素，環境溫度，掃描路徑以及鋪粉厚度出發進行探討，以此提高制件的精度。第3章 鋪粉裝置的設計，通過現有激光燒結設備，并根據機構所要實現的動作進行機構設計和機構選型，達到提高設備工作效率和自動化的目的。第

13、4章 控制部分的的設計，對所設計機構進行必要的控制設計和控制器件的選型，并且對一些控制機構進行方向性的描述。第5章 本裝置的創新之處及其缺陷，對全文做一個回顧和總結，說明所設計機構的優缺點，并對以后改進此設備進行了展望。1.4 本章小結本章首先簡要介紹了快速成形技術的原理、特點及應用，然后介紹了國內外的研究現狀和發展趨勢，并指出了國內在該研究領域內與國際先進水平之間的差距，最后介紹了本設計的目的、意義及主要研究內容。2 鋪粉裝置對激光選區燒結成型的影響規律分析選擇性激光燒結方法，其零件的加工精度較低。在零件制造過程中， 采用合理的加工工藝，對提高燒結制件精度、避免燒結缺陷是非常重要的。本章分析

14、和研究了激光燒結過程中影響零件精度的幾個因素，并提出了一些解決措施。2.1 提升裝置對成型件的影響分析提升裝置對燒結成型的影響主要來自于步進電機和滾珠絲杠，其中以步進電機影響為最大。步進電機的精度通常是指靜態步距角誤差和靜態步距角積累誤差。步進電機通過影響整個裝置的鋪粉厚度來影響成型件。激光燒結即每層燒結的厚度取決于步進電機的步距角和滾珠絲杠的導程，其計算如下： (2-1)上式中：為步進電機步距角；為滾珠絲杠導程。從以上公式中可以看出步進電機的步距角累計誤差越大，鋪粉厚度越薄。因此，成型件燒結完成后的尺寸會相應小于所設計外形尺寸。2.2 鋪粉裝置對成型件的影響分析鋪粉裝置對成型件的影響主要來自

15、于鋪粉輥的影響，通過對現有設備的工作過程分析，鋪粉輥對制件的精度影響主要來自兩個方面。首先，最主要的是當輥筒自左向右運動時，由于粉末與底層已經燒結好的工件之間存在摩擦力，很可能會使已燒結好的工件部分向輥筒運動方向發生偏移，從而破壞了制件的燒結精度。具體情況如圖2-1所示： 圖2-1 SLS技術快速成型系統的工作原理其次，當輥筒進行鋪粉運動時，粘在輥筒上面的粉末會隨著輥筒的運動被拋灑在已經鋪好粉末的工作區，破壞粉末的均勻性。為了解決上述問題，所以采用推板進行推粉，此時推板的設計應該和工作臺有一定的間隙，防止已燒結件的偏移，接著再用輥筒進行壓實。而為了解決拋灑粉末問題，可在輥筒上開一螺旋槽，進行拋

16、灑方向的干預。2.3 密封裝置對成型件的影響分析由于有些材料在燒結時容易被氧化，所以必須設計密封保護裝置，并在工作時候通以保護氣（如N2、CO2），防止材料被氧化。如果保護氛圍不好，那么易被氧化材料在有氧條件下，會在激光的燒結下燃燒起來，導致制件的力學性能和表面質量下降，更可能引起燒結過程的失敗。所以設備配備密封裝置是非常重要的，特別是對于容易氧化的材料。2.4 激光振鏡參數的影響影響制件精度的激光特性參數主要有激光功率、掃描速度、掃描間距、激光振鏡的開關延時等參數。這些參數之間都存在著相互的制約關系。當掃描速度較快，輸出功率較低時，粉末材料的受熱溫度就會很低，由于被照射的粉末受熱不夠，粘結不

17、牢固，制件很容易分裂，尺寸也會放大；反之，當掃描速度較低，輸出功率較高，粉末材料的溫度也就越高，受照射粉末會在掃描方向上發生收縮，從而引起掃描燒結直線的彎曲變形。至于變形的方向則由掃描間距來決定，當掃描間距大于激光光斑直徑時，掃描燒結直線的變形方向將變為向側面翹曲，反之，其變形方向為向上翹曲。在一層粉末掃描完成后，可以看見邊界翹曲現象，樣件成型后，輪廓有明顯的翹曲。實驗表明，掃描速度越慢，激光輸出功率越大，其翹曲現象越明顯。為獲取良好的樣件質量，掃描速度和激光輸出功率應進行匹配，在實驗基礎上進行優化選擇。表2-1列出了諸因素與制件精度之間的關系。表2-1 激光功率、掃描速度和掃描間距對制件精度

18、的影響試驗號功率（W）速度（mm/s）間距（mm）原型（mmmmmm）測試件(mmmmmm)1520000.072520825.6420.988.662510000.072520825.2220.328.2031020000.0725201025.1220.2010.1441010000.0725201025.1020.0610.0251525000.102520825.0220.048.0461510000.102520824.8620.027.9873010000.1025201024.6819.969.6283025000.1025201024.8820.049.80激光開關延時是指產生

19、激光的電脈沖對指令的時間延時，延時的多少與掃描速度相關聯。激光的開延時太短，掃描矢量的開始端會產生“過燒”；開延時太長，掃描矢量的開始端將不會燒結；關延時太短，掃描矢量的末端將不會燒結；關延時太長時，掃描矢量的末端將會“過燒”。同樣，振鏡的開關延時也會產生類似的影響，因而只有合適的延時參數才會產生均勻的掃描線，制件的精度才會高。研究表明，減小掃描間距可以減小制件表面的粗糙度，但減小掃描間距導致制件翹曲的趨向會增大。2.5 加工過程中溫度場的影響在SLS系統中，預熱溫度是重要的工藝參數之一。粉末的預熱溫度直接決定了燒結深度和密度。如果預熱溫度太低，由于粉層冷卻太快，熔化顆粒之間來不及充分潤濕和互

20、相擴散、流動，燒結體內留下大量空隙，導致燒結深度和密度大幅度下降，使成形件質量受到很大的影響。隨著加熱溫度的提高，粉末材料導熱性能變好(同時低熔點有機成分液相數增加，有利于其流動擴散和潤濕，可以得到更好的層內燒結和層間燒結，使燒結深度和密度增加，從而提高成形質量)。但是，若預熱溫度太高，又會導致部分低熔點有機物的碳化和燒損，反而降低燒結深度和密度。為了提高制件的精度，在HRPS 系列設備上做了大量實驗，總結出了幾種有效的溫度控制方式：（1） 模糊控制方式。將操作經驗總結成控制規則，據此制造一個“模糊控制器”，來代替人對復雜的加工過程進行控制。在“模糊控制器中”寫入溫度差值及其變化率和相應的控制

21、信息，也就是說，根據偏差和偏差變化率綜合進行權衡和判斷。從而保證系統控制的穩定性，減少超調量及振蕩現象。實驗表明這種方法可以明顯提高制件的精度。（2） 基于零件切片的自適應控制，即用溫度檢測模塊與溫度控制兩個功能模塊組成一個閉環控制系統。溫度檢測利用熱電偶或者紅外測溫儀采集微弱信號，并經溫度數字儀放大，再傳入A/ D轉換板，然后進行數據處理及溫度顯示。溫度控制模塊則是把采集的數據分析和按一定的控制算法計算后得出控制量，由A/D轉換板輸出，通過控制可控硅的觸發電壓而控制加熱管的輸出功率，最終使加熱能量變化，這種方法效果也很明顯。2.6 掃描路徑的影響目前掃描路徑的生成主要有兩種方法：一種是逐行掃

22、描（如圖2-2所示），每一段路徑均互相平行，在邊界線內往復掃描，也稱為Z 字路徑；另一種是輪廓環掃描（如圖2-3所示），掃描路徑由輪廓的一系列等距平行線構成，激光光斑就沿這些平行線逐層掃描。逐行掃描又有兩種掃描方法，一種是單向掃描，掃描起始點在同一端，每條掃描線之間有很大的空跳，所以這種掃描方式很少被采用。另一種是雙向掃描，就是相鄰掃描線的起始點在不同的兩端，這樣可以減少空跳距離，但是這種方法需要頻繁開關激光，必須很好的調節各種延時參數，不然很容易引起制件收縮變形。輪廓環掃描在連續不斷的掃描過程中掃描線經常改變方向，使得收縮引起的內應力方向分散，減小了翹曲的可能，制件的表面均勻。但這種算法效率

23、不高，影響了成型的效率。 圖2-2 逐行掃描 圖2-3 輪廓環掃描因此，現在大都采用連貫性逐行掃描。但是由于這種掃描方式本身的缺陷，必須對它的路徑進行優化。用這種方式時，當遇到孔洞的層面時，還不可避免的會用到很多延時，這同樣會出現以上提到的設置延時參數的問題，而且在分區交界處還會有粘結不緊密的問題。針對這些問題，通過在相鄰掃描層面間采用變向掃描的方法來解決。所謂變向掃描，就是在完成一個層面的添充掃描后，下一層的掃描線方向旋轉一個角度（一般為90度），這樣可以避免相鄰層面的局部的燒結缺陷不至于重合，使得工件的內部組織結構合理，力學性能更優。2.7 燒結層厚對精度的影響燒結層厚對制件的精度和表面光

24、度影響很大，一般認為層厚越小精度越高，零件的表面光潔度也越高；這在燒結斜面、曲面等形狀的零件時最為明顯。但當切片層厚太薄時，層片之間很容易產生翹曲變形，并且切片層厚越薄制件的燒結時間越長。建議設置每層高度為0.1mm。2.8 本章小結從以上的分析和研究中可以看出，影響SLS 制件精度的因素很多，包括SLS 設備的性能和精度、激光特性參數、預熱溫度、燒結掃描路徑的選擇以及燒結層數的設置等等，這些都會引起制件的燒結精度和變形。當然還有其他一些影響因素沒有提到，比如說燒結材料的性能等。為了獲得更高的制件精度，還必須不斷地對現有設備的鋪粉裝置部分進行優化，在激光參數的設置上找出更好的選擇，以及對掃描路

25、徑找出更好的控制部分，這還需要我們做大量的工作。3 鋪粉裝置的設計3.1 鋪粉機構選型及論證3.1.1 采用步進電機作為送粉缸和成型缸的驅動裝置步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的驅動器，它具有獨特的優點：步距值不易因為電氣、負載、環境等條件的變化而變化，使用開環控制或者半閉環控制就能進行良好的定位控制；起制動、正反轉、變速等控制方便；價格便宜，可靠性高等；并且步進電機與單片機技術相結合、使其優點得到充分發揮。基于以上原因，再結合本裝置的特點，所以選用步進電機對鋪粉厚度進行控制。3.1.2 采用滾珠絲杠模塊作為送粉缸和成型缸的傳動裝置滾珠絲杠精度高，摩擦阻力小，是工具機和精密機械

26、上最常使用的傳動元件。其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 滾珠絲杠有如下特點：   (1) 與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面效果顯著。 (2) 高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面,對溫度和濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質管理

27、體制使精度得以充分保證。 (3) 微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。(4) 無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 (5) 實現高速進給滾珠絲杠由于運動效率高、發熱小。所以可實現高速進給(運動)?；谝陨显?，所以選擇滾珠絲杠作為送粉缸和成型缸的傳動機構。3.1.3 采用氣動裝置作為鋪粉裝置的驅動裝置(1) 氣壓傳動系統的介質是空氣，它取之不盡用之不竭，用后的空氣可以排到

28、大氣中去，不會污染環境。且氣源的獲取比較容易，在當今的工廠里，壓縮空氣輸送管路像電氣配線一樣比比皆是。這是氣壓傳動系統成本低的一個主要因素。(2) 氣壓傳動的工作介質粘度很小，僅為油液的百分之一，所以流動阻力很小，壓力損失小，便于集中供氣和遠距離輸送。不像液壓傳動那樣在每臺機器附近要設置一個動力源，因此使用方便。(3) 氣壓傳動工作環境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強輻射、振動等惡劣工作環境下，仍能可靠地工作。(4) 氣壓傳動有較好的自保持能力。即使氣源停止工作，或氣閥關閉，氣壓傳動系統仍可維持一個穩定壓力。而液壓傳動要維持一定的壓力，需要有能源工作或加蓄能器。(5) 氣壓傳動在一定的超負載

29、工況下運行也能保證系統安全工作，并不易發生過熱現象。(6) 氣壓傳動系統的工作壓力低，因此氣壓傳動裝置的推力一般不宜大于1040kN，僅適用于小功率場合，在相同輸出力的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置尺寸大。(7) 氣壓傳動動作速度和反應快。液壓油在管道中流動速度為15m/s，而氣體流速可以大于10m/s，甚至接近聲速。因此在0.020.03s內即可以達到所要求的工作壓力和速度。3.1.4 采用直線導軌作為鋪粉裝置的傳動裝置直線導軌摩擦阻力小，機械運動靈活。它有以下的特點：(1) 定位精度高，重現性佳直線導軌為滾動運動方式，摩擦系數特別小，尤其靜摩擦力與動摩擦力的差距很小，即使在微量進給時也

30、不會有空轉打滑的現象，解析能力與重現性最佳，因此可以實現m級的定位精度。(2) 低摩擦阻力，可長時間維持精度直線導軌的滾動摩擦力可減小至滑動導軌摩擦阻力的1/201/40，尤其潤滑結構簡單，使得潤滑容易，效果優良；摩擦接觸面的磨耗最低，因此可以長時間維持行走精度。 (3) 可承受四方向的高負荷能力幾何力學結構的最佳設計，可同時承受徑向、反徑向與橫方向的負荷，并保持行走精度，同時可輕易藉由施于預壓與滑塊數量，就可以提高起性能與負荷能力。(4) 適合高速化之應用由于摩擦阻力小的特性，導軌對設備的驅動力需求低，節省能源，運動磨耗小，溫升效應低，可同時實現機械小型化與高速化需求。(5) 組裝容易并具互

31、換之特性直線導軌的安裝只要在銑削或研磨加工的安裝面上，以一定的組裝步驟，即能重現直線導軌的加工密度，可降低傳統鏟花加工的時間與成本；并且其可互換之特性，可以將滑塊任意配裝在同型號的滑軌上，同時又保持相同的順暢度與精密度，機臺組裝最容易，維修保養最簡單、容易。3.1.5 密封裝置為防止加工材料在燒結時被氧化，在工作臺上方裝置密封箱。這樣本裝置的適用范圍會更廣，適用材料的范圍更寬。本裝置的總體結構簡圖如圖3-1所示： 圖3-1 機構簡圖3.2 送粉缸及成型缸的設計3.2.1 步進電機的選型步進電機具有步距角不易變化、起動制動、正反轉、變速等控制方便、簡單的特點，所以本裝置選擇用步進電機作為驅動。在

32、選擇步進電機時首先考慮的是步進電機的類型，其次才是具體品種的選擇。（1） 確定步進電機的類型由于本裝置要求提升裝置精度高，動態響應快。所以選擇混合型步進電機。（2） 確定脈沖當量根據裝置的加工精度要求，選擇步進電機的脈沖當量為0.01mm。（3） 步進電機步距角的選擇選擇步進電機的步距角為0.9°。（4） 步進電機最大靜態轉矩（ ）的確定1) 轉動慣量計算在旋轉運動中，物體的轉動慣量J對應于直線運動中的物體質量。要計算系統在加速過程中產生的動態載荷，必須計算物體的轉動慣量和角加速度，然后得慣性力矩:T (3-1)物體的轉動慣量為： (3-2)式中： 為體積元；為物體密度；為體積元與轉

33、軸的距離,單位：。則： (3-3)其中：為長度，=252mm；為直徑，=10mm；為不銹鋼密度，=。將負載質量換算成電機輸出軸上的轉動慣量，滾珠絲杠傳動機構與公式如下： (3-4)式中：為可動部分總重量（Kg）；為絲杠螺距（mm）； GL：減速比（無單位）。 所以，按照設計要求，將鋪粉厚度設為0.1mm。步進電機去步距角為的混合型，即400轉轉一周；選絲杠螺距為4mm，則步進電機每個脈沖絲杠走0.01mm。每次鋪粉需10個脈沖。其中:鈦粉密度= 送粉缸體積為： (3-5)則 由上式計算得 =2） 加速度計算若要控制系統定位準確，物體運動必須有加減速過程，V-S圖像如3-2所示： 圖3-2 步進

34、電機加減速過程示意圖混合式步進電機的加速時間為0.5s (3-6)3） 步進電機的力矩計算 = 107.78 (3-7)其中： 為系統外力折算到電機上的力矩；為傳動系統的效率，取0.9。取安全系數為1.2。則： T=129.33 綜上由手冊查得：選取步進電機的類型為MT35ST361004A（單伸軸）3.2.2 步進電機與絲杠連接處聯軸器的選型（1） 聯軸器類型的選擇由于所連接的兩軸的直徑不同，所以選擇變徑聯軸器。（2） 聯軸器的校核由于裝置啟動時的動載荷和運轉中可能出現的過載現象，所以應當按照軸上的最大轉矩作為計算轉矩。計算轉矩按照下式計算： (3-8)式中：T為公稱轉矩，單位,為工況系數，

35、本裝置取1.3。經計算：（3） 確定聯軸器的型號 根據計算轉矩及以下公式 (3-9)所以，選擇聯軸器型號為GTB1。3.2.3 提升裝置（滾珠絲杠）的選型由裝置產品手冊選擇型號為SHTC靈活型，本系統的特別之處是設計了自由滑動長度，在短短兩底塊的基礎上，形成滑動。兩者之間的距離可以很容易被調整，以適應特定的應用要求。更特別的是本系統可以垂直應用與懸臂負荷。3.2.4 送粉缸和成型缸的設計送粉缸機成型缸裝置如圖3-3所示，其中左右兩缸是送粉缸筒，中間是成型缸筒，因為送粉缸上升的高度和成型缸下降的高度相同，為了鋪滿成型缸，所以設計的送粉缸尺寸比成型缸尺寸大。燒結開始第一層后，成型缸筒內活塞下降距離

36、，送粉缸筒（左）內活塞上升距離，送粉缸筒（右）內活塞不動，鋪粉輥筒自左向右推粉運動，將粉末均勻的鋪在燒結區，進行第一層燒結；當第一層燒結完畢后，成型缸筒內活塞再下降距離，送粉缸筒（左）內活塞上升距離，送粉缸筒（左）內活塞不動，鋪粉滾筒自右向左推粉運動，將粉末均勻的鋪在燒結區，進行第二層燒結。以此過程不斷進行燒結，直至模型燒結完畢。活塞的上升和下降有步進電機進行驅動，為了使上升和下降的位移更加精確，又由步進電機驅動滾珠絲杠模塊來帶動活塞運動。圖3-3 送粉缸和成型缸在裝置中的位置簡圖送粉缸和成型缸的設計形式一樣，不同的是兩者之間的筒徑的尺寸，所以下面以送粉缸進行說明兩缸的設計。送粉缸缸筒有兩部分

37、組成，一部分是法蘭，另一部分是缸筒。這樣設計主要是為了便于加工，降低成本。如圖3-4所示為成型缸和其法蘭盤：A圖3-4 送粉缸（左）和法蘭盤（右）里 本結構還在活塞桿和活塞連接處運用了十字連結，使用此結構的目的主要是為了防止活塞在活塞缸中由于摩擦力太大使活塞卡在送粉缸中使機構無法運動，此十字聯結的適用增加了活塞桿和活塞連接處的自由度，有效的解決了這個問題。十字聯結的具體結構如圖3-5所示： 圖3-5 十字聯結示意圖活塞和缸筒壁之間有一定的配合間隙，間隙太大則導致粉末從間隙漏過，間隙太小則加工成本高，且活塞比較容易被卡住。為了解決這一問題，在活塞上壓一層毛氈起到密封的作用，這樣活塞與筒壁之間的間

38、隙可以選的比較大點，減低加工難度，同時也不會發生漏粉和活塞卡住的現象。激光燒結即每層燒結的厚度取決于步進電機的步距角和滾珠絲杠的導程，其計算如下： (3-10)上式中：為步進電機步距角；p為滾珠絲杠導程。3.3 鋪粉裝置的的設計3.3.1 總體裝置的設計本裝置選用氣動裝置的原因一是因為氣動裝置清潔，在密封狀況下不會污染環境；二是因為氣動裝置可以滿足本系統的要求，實現所需要的動作要求；更重要的是為了在這次畢業設計中得到全方位的訓練。本裝置的鋪粉系統采用氣動驅動鋪粉輥，鋪粉輥通過支撐架固定在滾動導軌副上，通過導軌副來回移動進行鋪粉動作。鋪粉裝置示意圖如圖3-6所示：圖3-6 鋪粉裝置示意圖支持架1

39、及推板2在氣動裝置3的拖動下可以來回移動，鋪粉輥筒4固定在支持架1上，推板2也固定在支持架1上，鋪粉滾筒用密度比較大的材料做成，可以在摩擦力的作用下自由轉動，起到一個對所鋪粉末壓實的作用。支持架上自帶雙向推板，可以完成推粉的任務。同時推板可以進行通過調節裝置5上下調節，來調整所預留粉末的厚度，以此作為進行壓實的基礎。鋪粉時，氣動裝置推動支持架推粉運動，而鋪粉輥在自重的作用下再進行壓實，這樣燒結出來的產品質量才會好。3.3.2 氣缸的選擇3.3.2.1 氣缸的類型的選擇根據本系統所要實現的動作要求及氣缸的工作特性，選擇固定式雙作用活塞式氣缸。3.3.2.2 氣缸的主要尺寸及其結構的設計（1） 氣

40、缸直徑的設計由制件的尺寸及要求得所要求的行程為又有公式 (3-11)其中:為氣缸行程；為氣缸直徑。計算得氣缸直徑：=100mm。（2） 氣缸缸筒的設計1） 汽缸筒的長度設計有公式： (3-12)其中：為氣缸的行程；為氣缸中活塞的寬度。計算得： 取=500mm。2） 氣缸筒的壁厚氣缸筒的壁厚可利用薄壁圓筒的強度計算公式來確定： (3-13)上式中：為氣缸工作壓力（）； 為氣缸內徑（）；為氣缸材料的需用拉應力（）； ；為缸體材料的抗拉強度；為安全系數，一般取6：8；C是未來考慮到剛度，加工制造，腐蝕等要求所加的余量。由氣動手冊查得：材料為45鋼的氣缸=120。又由上知D=100mm，所以得壁厚=8

41、mm。3) 氣缸進排氣口直徑氣缸進排氣口直徑的大小，直接決定了氣缸進氣速度，也決定了活塞的運行速度。應加以重視，直徑的確定可根據空氣流經排氣口的速度來計算，一般取=1025，因而有以下公式： (3-14) 經計算，得：=15mm(3) 活塞的結構設計活塞的功用是將壓縮空氣的壓力能轉變為機械能。由于活塞要頻繁往復運動，又要間隔兩腔空氣，因此就要保證其耐磨和密封。目前多采用鑄鐵活塞及O型或Y型密封圈實現密封。本裝置采用O型密封圈實現密封?；钊耐鈴郊词菤飧椎膬葟?，二者的配合精度，一般多采用配合，活塞表面粗糙度=0.8 。活塞的寬度取決于密封圈的排數，一般多采用雙排密封圈。本活塞的寬度為10mm?；?/p>

42、塞桿的作用是將活塞轉換出的機械能以機械力的形式推動負載運動。按照液壓與氣動傳動表131，由活塞缸的直徑選擇得活塞桿的直徑取。另外，為了防止氣缸在行程末端時，活塞以很大的速度撞擊端蓋，引起氣缸震動和損壞，采用帶有緩沖裝置的緩沖氣缸。綜合上面的計算尺寸及其功能，由氣動手冊查得選用氣缸的型號為JB100500G(腳架式)。3.3.2.3 氣缸電磁閥的選擇氣源三聯件根據上面計算出來的進口要求壓力選擇型號為QFLJWBL15，其進口壓力為0.4MP。并根據氣缸所要實現的動作特點及要求，電控閥采用雙電控二位五通換向閥，型號為QFLJWBL15。3.3.3 滾動導軌副的設計選擇為了達到鋪粉輥來回鋪粉的功用，

43、本系統選擇滾動導軌副來實現這個動作。因為THK公司的HR型具有自動調節能力，即使兩軸的平行度和水平度較差，也能吸收誤差，從而得到高精度，平滑穩定的直線運動。并且它還可以以各種各樣的姿勢使用。所以選擇THK個公司的LM滾動導軌副，具體型號選擇HR1123，尺寸如所附零件圖。3.3.4 鋪粉輥子及其推板的設計鋪粉裝置示意圖如圖所示，滾動導軌副在氣動裝置的拖動下可以來回移動，鋪粉輥筒及推板固定在滾動導軌副上。鋪粉時，滑動導軌副在氣動裝置的帶動下運動，前推板進行推粉，而質量較重的輥子主要進行所鋪粉末的壓實，由于鋪粉輥子自傳可能拋撒已鋪粉末，所以，后推板再對壓實粉末進行最后整理，當所鋪粉末燒結完成后，后

44、推板變前推板，前推板變后推板，繼續進行鋪粉。如此反復。鋪粉裝置的設計好壞對鋪粉的均勻性起著決定性的作用，而鋪粉的均勻性又直接影響著燒結的質量，鋪粉裝置的設計存在著以下幾個關鍵方面：（1） 輥子轉動時自帶粉末的處理盡管推板在輥筒壓實之前已經把粉末基本上自帶一小部分粉末，然后在離心力的作用下拋撒在已經鋪均勻了，但是輥筒在壓實的時候還是會壓實過的地方，示意圖如圖3-7所示： 圖3-7 鋪粉輥筒轉向示意圖為了解決這個問題，本系統設計了雙向推板，一方面雙向推板可以實現雙向鋪粉的要求，節省了效率；另一方面，雙向推板可以解決這個問題，當鋪粉輥筒拋撒粉末時，后面的推板可以把拋撒的粉末推走，使鋪粉均勻，從而給燒

45、結提供一個好的前提。下面是輥子的受力分析：圖3-8 鋪粉輥筒轉動時粉末受力示意圖如果輥筒只發生純滾動，輥筒與粉末接觸點處的相對速度可以認為是零，這時粉末只受到如圖3-8所示的正壓力F的作用，其分力推動粉末向前運動，分力對粉末起到壓實的作用。如果遠大于，則有可能輥筒直接從粉末上碾過而不能起到鋪粉的作用。在這種情況下設計了雙推板裝置，可以預先達到鋪粉的作用，而輥筒的作用是壓實，可以實現。（2） 輥子半徑的設計輥筒的作用是壓實，所以輥筒的質量要盡可能的大，這樣才能大，壓實的效果才能好。為了達到這個目的，一方面可以使制作輥筒的材料的密度相對大些；另一方面，可以使輥筒的半徑盡可能的大。（3） 輥子表面的

46、設計輥筒表面的粗糙度直接影響鋪粉后壓實后粉末的表面質量。輥筒表面過于粗糙時會使已鋪好粉末的燒結區產生劃痕，影響鋪粉的均勻性。但當輥筒的表面過于光滑，滾筒打滑，使得粉末同已燒結好的零件產生向后的偏移，影響燒結精度，同時也會導致鋪粉的均勻性的不一樣。為了解決這一問題，在輥筒上開一螺旋槽，其截面形狀如圖所示，這樣鋪粉時螺旋槽既不會影響鋪粉的表面質量，而且也不會打滑，從而提高燒結件的質量和精度。示意圖如3-9： 圖3-9 鋪粉輥筒截面圖（4） 推板結構的設計推板的功能是推粉，使粉末達到第一次鋪粉（第二次鋪粉由輥筒實現）。所以設計為推板，又由于本裝置要求雙向都可以實現推粉功能，所以設計為雙向推板。同時，

47、更重要的是要考慮推板所應提升的高度，這是因為假如推板的下表面直接與工作臺接觸，那么輥子就基本上起不到作用了。所以，考慮此原因，必須使推板離工作臺有一定的距離，并且這個距離應該可以調節，因為每種材料的密度是不一樣的，所以壓實的效果還要看推板給輥子留下的粉末厚度了。綜上所述，所以要把推板設計成具有調節高度功能，為了達到此效果，本設計用自動調節螺母來實現此功能。具體設計的推板如圖3-10所示：圖3-10 鋪粉推板簡圖同時,因為推粉一定要推滿成型缸，所以推板的設計寬度要比成型缸的直徑大一些。（5） 輥子架的設計為了降低加工難度，降低加工成本，所以輥子架由三部分組成，分別是支撐軸1、軸承座2和推板連接架

48、3，4是是焊接螺釘，5是焊接螺栓，6是調節螺母。最后再組裝。輥子架組裝示意圖如圖3-11所示:圖3-11 輥子架裝配示意圖3.4 密封裝置的設計在激光快速成型技術中，由于金屬粉末暴露在空氣中，金屬燒結粉末材料在高溫燒結的條件下容易發生氧化。為了防止金屬粉末被氧化，采用氣氛保護裝置就就成為根本的解決方法，又為了使密封裝置即可以達到防止材料氧化的目的又可以對加工過程進行觀察的功用，密封裝置用改性有機玻璃板制成，改性有機玻璃的表面有按照尺寸設計的定位槽，這樣也有利于密封，其連接用特種膠水粘牢。保護氣氛圍的建立方式是想在工作腔中充入不活潑的氣體，通常是氨氣。保護性氣體的濃度維持在一定水平才能防止金屬粉

49、末早燒結是的高溫環境下產生氧化作用。本密封裝置采用改性有機玻璃作為材料，一方面改性有機玻璃容易實現密封，易于用特種膠進行沾接；另一方面改性有機玻璃是透明的，可以對燒結過程進行直觀的觀察。本裝置主要由工作臺1，上板2，左板3，右板4，前板5，后板6以及右板上的門7組成。工作臺固定在機架上，工作臺上有成型缸口，兩個送粉缸口以及兩個殘粉收集口，具體設計如圖3-12，圖中由于視圖關系，看不見前板和后板。 圖3-12 密封裝置示意圖上板上有激光掃描窗口，激光就是通過此口對金屬粉末進行燒結的，所以燒結口的中心一定要與成型缸的中心同心；左板上設計有兩個口，氣缸的活塞桿就是通過此口推動滾動導軌運動的，從而推動

50、推板進行鋪粉，輥筒進行壓實的；右板上設計了一個門，這個門主要是用來加料和取出燒結件的，注意這個門的密封性一定要好，門的示意圖如圖3-13所示：圖3-13 密封箱上的門示意圖后板上設計有一個進氣口，主要是為了充入保護氣體，實現密封箱的保護氣氛圍，注意此進氣口盡量設計的開在后板下部靠近工作臺一側，因為這樣可以使的保護氣分布比較均勻；前板上設計有一個出氣口，此口是為了在充入保護氣時排出密封箱中的空氣，此口設計盡可能開在前板上部靠近上板一側，這樣也是為了使保護氣分布均勻。 3.5 殘粉收集裝置的設計由于送粉缸所提供的粉末材料在鋪粉過程中有殘留，為了使工作臺上不積累粉末，所以必須設計殘粉收集裝置，此裝置

51、上可以裝配上任何形狀的橡膠袋制品，非常方便。如圖3-14所示： 圖3-14 殘粉收集裝置示意圖3.6 機架的設計本裝置的機架主要材料為邊寬為50的熱軋等邊角鋼，主要工藝為焊接而成，部分地方還用到了邊寬為70的熱軋等邊角鋼。由于本裝置的重量不是很大，所以不需要對此進行受力分析。只要按形狀進行焊接即可。3.7 本章小結本章對選擇性激光燒結設備的鋪粉裝置部分進行了詳盡的設計，按照所學理論選擇了提升裝置部分的驅動器步進電機和鋪粉裝置部分的驅動器氣缸，并且重點設計了輥子部分和提升裝置活塞的部分以及密封裝置部分的門。4 控制部分的的設計4.1 總體設計4.1.1 總體方案 圖4-1 系統整體構成圖選擇性激

52、光快速成型系統SLS具有成型速度快，材料利用率高的優點。本套系統的控制部分主要由三個功能性模塊構成，即提升裝置控制模塊，氣動裝置控制模塊和輔助裝置控制模塊，并且這三個模塊之間相互聯系不多，基本上是獨立運作。提升裝置控制模塊包括工作平臺控制、送粉機構、成型機構等部分。氣動控制模塊包括氣動系統的控制，主要是對電磁閥的控制。輔助控制部分則包括溫度控制和各開關量的控制等部分。其系統整體構成如上圖4-1所示。具體動作協同運轉如下述:快速成形系統在燒結過程中，切片層厚度不變，每燒結完一層后工作平臺下沉設定的層厚高度，然后重新鋪粉。鋪粉輥左右交替運動，同時，鋪粉輥自轉，以維持鋪粉均勻與平整。 系統采用熱電偶

53、測量兩個送粉缸和紅外測溫儀檢測燒結腔的預熱溫度和加熱溫度，對于不同的燒結材料，可以選擇適當的預熱溫度，并由計算機實現三個缸的溫度的閉環控制，以達到對溫度的要求?？焖俪尚蜗到y的機械運動與溫度控制的原理如圖4-2所示，在控制計算機中除HC/2激光掃描控制板外，還安裝了三塊接口板PCL-818,PCL-839和6通道的D/A輸出DAC-7226。PCL-839用于控制3個步進電機的正反轉實現控制工作平臺和送粉缸的高度的目的，控制信號為脈沖輸出。同時，它還具有DI和DO的功能，DI主要處理鋪粉輥平移到左右極限和接近開關處時的輸入信號。DO主要輸出各個開關量的控制命令，如控制激光、振鏡、電磁閥的電源輸入

54、的繼電器的開與關。圖4-2 機械運動與溫度控制的原理圖要使整個系統正常運轉，必須合理的選擇所需的硬件組合，需要從各方面考慮，如:系統功率，系統的穩定性等等。其中硬件的選擇是根據設備的設計要求進行的。由于本套系統采用的是雙缸送粉裝置和工作缸掃描相結合的燒結機構，因此在缸體驅動、鋪粉輥的驅動部分、控制板的選擇、加熱裝置的選擇等方面都要通過嚴格的計算和選擇。4.1.2 工控板的選型選擇什么樣的工控板作為控制元器件要根據實際的需要。因此，在選擇工控板前必須先計算好有多少開關量，A/D轉換點數，D/A輸出控制以及具體要實現什么樣的功能等等。由于本套系統沒有采用以前的落粉裝置，而是采用三缸送粉裝置，它需要三個步進電機驅動。為此，選擇PCL-839三軸步進電機控制卡作為步進電機驅動元器件。另外，根據設計要求，需要的輸入信號有鋪粉輥的接近開關信號(2個)、限位開關信號(2個)以及為防止系統擴充需要的2個備用的輸入通道，共有6個輸入開關量;系統需要的輸出有激光電源開關、振鏡電源開關、鋪粉輥左右平移輸出、電磁閥開關以及備用的開關，共有14個輸出開關量，考慮到將來系統擴充需要，選擇的光隔離輸入和輸出控制板均為點數為16的PCL-782(輸入)和PCL-785(輸出)控制板。由于需要對系統的溫度和氧氣濃度進行檢測與控制，共需4個A/D轉換通道，4個D/A輸出通道，加上一個備用的通道，共需A/D, D