1、目目 錄錄1 緒論.11.1 快速原型技術(shù)簡介 .11.2 快速成型精度概述 .31.3 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理 .51.4 立體光固造型 SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平.61.5 立體光固造型 SLA 應(yīng)用領(lǐng)域 .61.6 本次設(shè)計的主要工作.62 XY 方向設(shè)計計算.92.1 設(shè)計任務(wù) .92.2 脈沖當(dāng)量和傳動比的確定.102.3 絲杠的選型及計算.112.4 導(dǎo)軌的選型及計算.152.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇.163 Z 方向設(shè)計計算.213.1 Z 方向工作臺設(shè)計.213.2 脈沖當(dāng)量和傳動比的確定.223.3 絲杠的選型及計算.233.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇.274 刮刀系統(tǒng)設(shè)計.304

2、.1 刮板的選擇.304.2 刮板的材料和移動速度對涂層質(zhì)量的影響.315 設(shè)計的改革.325.1 XY 掃描系統(tǒng)及 Z 方向工作臺.325.2 刮刀機(jī)構(gòu).325.3 溫控系統(tǒng).32總結(jié).33致 謝.34參考文獻(xiàn).35附 錄.361 1 緒論緒論1.11.1 快速原型技術(shù)簡介快速原型技術(shù)簡介快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡稱 RPM ,是先進(jìn)制造技術(shù)的重要分支.它是 80 年代后期起源于美國 ,后很快發(fā)展到歐洲和日本 ,可以說是近 20 年來制造技術(shù)最重大進(jìn)展之一.它建立在 CAD/ CAM 技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測技術(shù)和材料科學(xué)

3、的基礎(chǔ)之上 ,將計算機(jī)輔助設(shè)計 CAD 與各種自由造型(Free Form Manufacturing)技術(shù)直接結(jié)合起來 ,能以最快的速度將設(shè)計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,從而使產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)可能進(jìn)行快速評價、測試、改進(jìn) ,以完成設(shè)計制造過程 ,適應(yīng)市場需求. RPM 的基本構(gòu)思任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標(biāo)方向迭加而成 ,因此可利用分層切片軟件 ,將計算機(jī)產(chǎn)生的 CAD 三維實(shí)體模型處理成一系列薄截面層 ,并根據(jù)各截面層形成的二維數(shù)據(jù) ,用粘貼、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段 ,逐層有選擇地固化液體(或粘結(jié)固體)材料 ,從而快速堆積制作出所要求形狀的零部

4、件(或模型).傳統(tǒng)的制造方法是基于材料去除(material remove)概念 ,先利用 CAD 技術(shù)作出零件的三維圖形 ,然后對其進(jìn)行數(shù)值分析(有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等) ,再經(jīng)動態(tài)仿真之后 ,通過 CAM 的一個后處理(Post Process)模塊仿真加工過程 ,所有的要求均滿足之后 ,形成 NC 文件在數(shù)控機(jī)床上加工成形.快速原型制造技術(shù) RPM 突破了傳統(tǒng)加工中的金屬成型(如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工)和切削成形的工藝方法 ,是一種“使材料生長而不是去掉材料的制造過程” ,其制造過程的主要特點(diǎn)是:1、新的加工概念. RPM 是采用材料累加的概念 ,即所謂“讓材料生長而非去除”

5、,因此 ,加工過程無需刀具、模具和工裝夾具 ,且材料利用率極高;2、突破了零件幾何形狀復(fù)雜程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或模型是具有一定功能的三維實(shí)體;3、越過了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實(shí)現(xiàn)了 CAD/ CAM 的無縫連接;4、RPM 系統(tǒng)是辦公室運(yùn)作環(huán)境 ,真正變成圖形工作站的外設(shè)。由于 RPM 可以快速、自動、精確地將 CAD 模型轉(zhuǎn)化成為具有一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,因此它對于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、控制風(fēng)險、提高企業(yè)參與市場競爭的能力 ,都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義. 幾種典型的快速原型技術(shù)1、立體光固造型 SLASte

6、ro Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置. 2、 疊層實(shí)體制造 LOM疊層實(shí)體制造 Laminated Object Manufacturing 的成形材料是熱敏感類箔材(如紙等) ,激光器的作用變是切割.成形開始時 ,激光器先按最底層的 CAD 三維實(shí)體模型的切片平面幾何信息數(shù)據(jù) ,對于鋪在工作臺上的箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺下降一層高度 ,重新送入一層(鋪在底層之上)材料 ,并用加熱輥滾壓 ,與底層粘牢 ,激光器按對應(yīng)數(shù)據(jù)作輪廓切割 ,如此反復(fù)直至整個三維零件制作完成.LOM 制作的零件不收縮、不變形 ,精度可達(dá) 0.1mm ,切

7、片厚度 0.050.50mm。3、 選擇性激光燒結(jié) SLS選擇性激光燒結(jié) Selected Laser Sintering 的生產(chǎn)過程與 SLA 類似 ,用 CO2 紅外激光對金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達(dá)到燒結(jié)溫度 ,最后燒結(jié)出由金屬或塑料制成的立體結(jié)構(gòu).4、 融積成型技術(shù) FDM融積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機(jī)的 Quick slice 和 SupportWorks 軟件將 CAD 模型分為一層層極薄的截面 ,生成控制 FDM 噴嘴移動軌跡的幾何信息.運(yùn)作時 ,FDM 加熱頭把熱塑材料(如聚脂塑料、ABS 塑料、蠟

8、等)加工到臨界狀態(tài) ,在微型機(jī)控制下 ,噴嘴沿著 CAD 確定的平面幾何信息數(shù)據(jù)運(yùn)動并同時擠出半流動的材料 ,沉積固化成精確的實(shí)際零件薄層 ,通過垂直升降系統(tǒng)降下新形成層并同樣固化之 ,且與已固化層牢固地連接在一起.如此反復(fù) ,由下而上形成一個三維實(shí)體.FDM 的制作精度目前可達(dá) 0.127mm ,連續(xù)堆積范圍 0.02540.508mm ,它允許材料以不同的顏色出現(xiàn).5、 其它快速原型制造技術(shù)直接制模鑄造 DSPC (Direct Shell Production Casting)來源于三維印刷(3D Printing)快速成型技術(shù).其加工過程是先把 CAD 設(shè)計好的零件模型裝入模殼設(shè)計裝置

9、 ,利用微型機(jī)繪制澆注模殼 ,產(chǎn)生一個達(dá)到規(guī)定厚度 ,需要配有模芯的模殼組件的電子模型 ,然后將其輸至模殼制造裝置 ,由電子模型制成固體的三維陶瓷模殼.取走模殼處疏松的陶瓷粉 ,露出完成的模殼 ,采用熔模鑄造的一般方法對模殼最后加工 ,完成整個加工過程.此系統(tǒng)能檢測自己的印刷缺陷 ,不需要圖紙 ,就可完成全部加工.光屏蔽(即 SGCSolid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開發(fā),該工藝可以在同一時間固化整個一層的液體光聚合物. SGC 工藝使用丙烯酸鹽類光聚合物材料 ,其制作精度可達(dá)整體尺寸的 0.1 %,切片厚度約為 0.10.15mm ,Cubital 公司

10、開發(fā)的 Solider5600 型產(chǎn)品制作的最大工作尺寸為 508 508 356mm ,所用紫外光燈功率為 2kW ,每一層循環(huán)約化 90s.MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding) 日本三菱化學(xué)最近推出的三菱化學(xué)快速制模系統(tǒng),可將原型直接轉(zhuǎn)換成模具 ,采用稱作“金屬補(bǔ)強(qiáng)樹脂制模(Metal Resin Moulding)復(fù)合料”,制模成本降低為傳統(tǒng)制模的 1/2 ,制模時間縮短了 1/21/3. 奧斯丁的德克薩斯大學(xué)正在研究的高溫選擇激光燒結(jié)(HTSLS) ,在取消聚合物粘結(jié)劑方面進(jìn)行了嘗試.結(jié)果表明 ,可利用 Cu - Sn 或青銅 鎳粉兩相粉末 ,

11、采用激光局部熔化低熔點(diǎn)粉末來制造模具.各種成型方法簡介及對比幾種典型成型工藝的比較成型工藝原型精度表面質(zhì)量復(fù)雜程度零件大小材料價格利用率常用材料制造成本生產(chǎn)效率設(shè)備費(fèi)用SLA較高優(yōu)中等中小件較貴很高樹脂較高高較貴LOM較高較差簡單中小件便宜較差塑料低高便宜SLS較低中等復(fù)雜中小件較貴很高石蠟較低中等較貴HDM較低較差中等中小件較貴很高金屬較低較低便宜1.21.2 快速成型精度概述快速成型精度概述 研究成型機(jī)的成型精度，提高成型精度，對于 RP 技術(shù)的推廣和應(yīng)用有很重要的影響。制件誤差的產(chǎn)生原因見圖 1-1 所示：光固化成型由三個環(huán)節(jié)組成:前處理、快速成型加工和后處理。這三個部分彼此相連，共同完

12、成光固化快速成型過程。每一環(huán)節(jié)中存在的誤差都會影響到最終成型零件的精度。快速成型的精度為機(jī)械精度和制件精度。目前影響快速成型最終精度的主要原因由于下幾個方面:1、CAD 模型的前處理造成的誤差目前，對于絕大多數(shù)快速成型系統(tǒng)而言，必須對工件的三維 CAD 模型進(jìn)行 STL 格式化和切片等處理，以便得到一系列的截面輪廓。在對三維 CAD 模型分層切片前，需作實(shí)體模型的近似處理，即用三角面片近似逼近處理表面，其輸出的數(shù)據(jù)為 STL 文件格式，這種格式非常簡單，便于后續(xù)的分層處理。STL 格式中每個三角面片只用四個數(shù)據(jù)項表示，即三個頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個法向矢量，而整個 CAD 模型就是這樣一組矢量的集合，S

13、TL 公式化用許多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它會導(dǎo)致誤差:A: 從本質(zhì)上看，三角面的組合，不可能完全表達(dá)實(shí)際表面，所以，誤差無法避免;B: STL 公式化時，數(shù)據(jù)的沉余量太大，致使所需計算機(jī)的存儲量過大，從而難于選取更小、更多的小三角面，造近似結(jié)果與實(shí)際表面有更大的誤差;C: 另外，在進(jìn)行 ST L 格式轉(zhuǎn)換時，有時會產(chǎn)生一些局部缺陷，例如，在表面曲率變化較大的分界處，可能出現(xiàn)據(jù)齒狀小凹坑，從而造成誤差。制件誤差數(shù)據(jù)處理誤差成型過程誤差后處理誤差分成切片產(chǎn)生誤差光斑變化誤差固化成型誤差機(jī)器誤差Z 方向運(yùn)動誤差XY 掃描誤差圖層誤差液位波動引起誤差多光譜造成誤差參數(shù)補(bǔ)償誤差樹脂收縮

14、引起工件變型殘留液態(tài)樹脂不均勻收縮引起工件變型CAD 模型面誤差2、成型系統(tǒng)的工作誤差CPS250 成型機(jī)成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、X-Y 掃描誤差和樹脂涂層誤差。托板升降誤差指的是托板的運(yùn)動精度，它直接影響層厚的精度;X-Y 掃描誤差指的是 X-Y 平面掃描系統(tǒng)沿 X, Y方向的運(yùn)動精度，它影響成型零件的尺寸精度和表面光潔度。3、成型過程中材料狀態(tài)引起的翹曲變形在光固化過程中，樹脂由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，此時單體分子發(fā)生聚合反應(yīng)，分子之間距離改變，相應(yīng)地造成體積收縮。在這個過程中，伴有加熱作用，這些因素會引起制件每層截面的尺寸變化，再加上相鄰層間不規(guī)則約束，以由收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力會

15、造成零件在加工過程中的變形。如加工一懸臂零件 (在懸臂部分不加支撐)，可以很明顯地看到由于樹脂收縮而造成的變形。4、成型之后環(huán)境度化引起的誤差從成型系統(tǒng)上取下已成型的工件之后，由于溫度、濕度等環(huán)境狀況的變化，工件會繼續(xù)蠕變并導(dǎo)致誤差。成型過程中殘留在工件內(nèi)的殘余應(yīng)力也可能由于時效的作用而部分消失而導(dǎo)致誤差。5、工件后處理造成誤差通常，成型后的工件需進(jìn)行打磨、拋光和表面涂鍍等后處理。如果后處理不當(dāng)，對形狀尺寸控制不嚴(yán)格，也可能導(dǎo)致誤差。后處理過程產(chǎn)生的誤差可分為三種:一是支撐去除時對表面質(zhì)量的影響。要求支撐的設(shè)計必須合理，不多不少。另外一種是殘留液態(tài)樹脂的固化引起工件的變形。因此在掃描成型時盡可

16、能使殘留樹脂為零;成型過程中工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的蠕變也是影響精度的因素之一。設(shè)法減小成型過程中的殘余應(yīng)力有利于提高零件的成型精度。1.31.3 立體光固造型立體光固造型 SLASLA 技術(shù)原理技術(shù)原理Stero Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置.SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對準(zhǔn)備制造的零件進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計 ,再由專門的計算機(jī)切片軟件 CAD 系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)切得薄些 ,其他一般部位切得厚些.隨后 CAM 軟件再根據(jù)各薄層平面的 X - Y 運(yùn)動指令 ,在結(jié)合提升

17、機(jī)構(gòu)沿 Z 坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動 ,形成整個零件的數(shù)控加工指令.指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體容器的液面之下 ,對應(yīng)于 CAD 模型最下一層切片的厚度處 ,根據(jù)該切片的 X- Y 平面幾何數(shù)據(jù) ,紫外光照射可固化的液態(tài)樹脂(如環(huán)氧樹脂 ,乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂) ,在紫外光的作用下 ,因光聚合作用 ,第一層被固化在工作臺上.然后 ,升降工作臺下降至第二層切片厚度 ,激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描液面 ,使新一層液態(tài)樹脂固化并緊緊粘長在前一層已固化的樹脂上.如此反復(fù)“生長”,直至形成整個三維實(shí)體零件.如圖 1-1 所示：1.41.4 立體光固造型立體光固造型 SLAS

18、LA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平立體光固造型 SLA 方法是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型方法.目前 ,研究 SLA 方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F&S 公司、CMET 公司、D - MEC 公司、Teijin Seiki 公司、Mitsui Zosen 公司、西安交通大學(xué)等.美國 3D System 公司的 SLA 技術(shù)在國際市場上占的比例最大 ,其設(shè)備自 1988 年推出 SLA - 250 機(jī)型以后 ,又于 1997 年推出 SLA - 250HR,SLA - 3500 ,SLA - 5000 三種機(jī)型 ,在技術(shù)上有了長

19、足進(jìn)步. 其中 ,SLA -3500 和 SLA - 5000 使用半導(dǎo)體激勵的固體激光器 ,掃描速度分別達(dá)到 2.54 m/ s 和 5m/ s,成型層厚最小可達(dá) 0. 05 mm. 此外 ,還采用了一種稱之為 Zephyer recoating system 的新技術(shù) ,該技術(shù)是在每一成型層上 ,用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層 0.050. 1 mm 的待固化樹脂 ,使成型時間平均縮短了 20 %.該公司于 1999 年推出的 SLA - 7000 機(jī)型與 SLA - 5000 機(jī)型相比 成型體積雖然大致相同,但其掃描速度卻達(dá) 9. 52m/ s,平均成型速度提高了 4 倍, 成型層厚

20、最小可達(dá) 0.025 mm,精度提高了 1 倍.國內(nèi)對 SLA 技術(shù)的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理論、控制技術(shù)、成型材料等多方面都進(jìn)行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果.目前西安交通大學(xué)開發(fā)的 LPS- 600A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產(chǎn)品. 國內(nèi)外研究者在 SLA 技術(shù)的成形機(jī)理、控制制件變形、提高制件精度等方面進(jìn)行了大量研究。1.51.5 立體光固造型立體光固造型 SLASLA 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域美國克萊斯勒公司(Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動力學(xué)試驗分析;此外美國 Dayton 大學(xué)還利用 SLA 工藝研制了一種桌面

21、成型系統(tǒng)專門用于人體軟組織器官模型的建造. 1.61.6 本次設(shè)計的主要工作本次設(shè)計的主要工作 主要設(shè)計工作1、固化用激光掃描裝置設(shè)計；2、浸于樹脂液體中的升降托盤設(shè)計； 3、刮刀機(jī)構(gòu)設(shè)計；4、整機(jī)總裝配圖設(shè)計；5、部分硬件控制電路的設(shè)計。 設(shè)計參數(shù)1、成型空間：400*400*300mm2、激光頭最大運(yùn)行速度：80mm/s;3、激光頭定位精度：0.005mm4、上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線導(dǎo)軌軸等的總重量：約 10kg5、最大成型件重量：約為 10kg6、固化深度/托盤的層間下降距離：0.1mm7、Z 向定位精度：0.01mm 設(shè)計思路及主要問題采用分塊設(shè)計的思路，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分 XY 掃描

22、系統(tǒng)， Z 方向工作臺升降系統(tǒng)，刮刀機(jī)構(gòu)等三部分。1、X-Y 掃描系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 動工作臺，它帶動光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠驅(qū)動掃描頭作 X-Y 平面運(yùn)動，掃描范圍為 400 x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，選用鋁材進(jìn)行設(shè)計，并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計算機(jī)、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線圓柱滾動導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等組成。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、力矩大、低頻特性好、運(yùn)行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，X, Y 方向都采用了這種電機(jī)。為減少 X 方向負(fù)載的質(zhì)量

23、，連接板及電機(jī)座采用鋁材。2、Z 軸升降系統(tǒng)Z 軸升降系統(tǒng)完成零件支撐及在 Z 軸方向運(yùn)動的功能，它帶動托板上下移動。每固化一層，托板要下降 1 個層厚。它是實(shí)現(xiàn)零件堆積的主要過程，必須保證其定位精度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度、表面光潔度以及層與層之間的粘接性能。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，精密滾珠絲杠傳動及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。驅(qū)動電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī)，配合細(xì)分驅(qū)動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實(shí)現(xiàn)高分辨率驅(qū)動，省去了中間齒輪級傳動，既減小了尺寸又減小了傳動誤差。 成形零件時，托板經(jīng)常做下降、提升運(yùn)動，為了減少運(yùn)動時與托板對液面的攪動，并且便于成型后的零件從托板上取下，需將托板加工成篩網(wǎng)狀，網(wǎng)

24、孔大小、孔距設(shè)計要合理，既能使零件的基礎(chǔ)與其能牢固粘結(jié)，又要使托板升降運(yùn)動時最小限度地阻礙液體流動。此外，考慮到樹脂有一定的酸性作用，所以浸泡在樹脂內(nèi)的材料全部選用鋁合金或不銹鋼材料，一方面防腐;另一方面防止普通鋼和鑄鐵對樹脂的致凝作用。由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長，為避免托板 Z 方向上下運(yùn)動時造成吊梁扭曲變形，吊梁采用 2m 不銹鋼板做成中空行管結(jié)構(gòu)的形狀。3、刮平系統(tǒng)由于樹脂的粘性及固化樹脂的表面張力作用，如僅僅依賴樹脂的流動而達(dá)到液面平整的話，就會需要很長的時間，特別是在固化面積較大的零件時。刮平運(yùn)動可以使液面盡快流平，提高涂層效率。 刮平過程包括兩個步驟:第一步托板下降較大的

25、深度并稍作停頓，這一過程是為了克服液態(tài)樹脂與固化層面的表面張力，使樹脂充分覆蓋已固化的一層，然后上升至比上一層低一個層厚的位置。第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動，其作用是把涂敷在零件表面的多余樹脂刮掉。刮平后，樹脂液面并不是完全平整，仍存在著一些波動，尚需等待一定的時間才能平整。等待時間的長短要根據(jù)樹脂的流動性、零件尺寸的大小而定。2 2 XYXY 方向設(shè)計計算方向設(shè)計計算成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 工作臺，它帶動光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠驅(qū)動掃描頭作 X-Y 平面運(yùn)動，掃描范圍為 400 x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，

26、提高響應(yīng)速度，選用鋁材進(jìn)行設(shè)計，并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計算機(jī)、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線滾動導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等組成。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、力矩大、低頻特性好、運(yùn)行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，X, Y 方向都采用了這種電機(jī)。2.12.1 設(shè)計設(shè)計任務(wù)任務(wù) 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A1 圖紙一張。要求重要剖面表達(dá)完整，向視表達(dá)完整，視圖適合標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計參數(shù)系統(tǒng)分辨率 31 10 mm由靜止到最大快進(jìn)速度過度時間 17ms19ms Pt工作臺行程 x 向 400mm y 向 400mm最大快進(jìn)速度 x 向和 y 向 80mm/s定位精度 mm005. 0 方案的分析、

27、比較、論證圖 2-1 成型機(jī) X-Y 掃描系統(tǒng)如上圖 2-1 所示，為西安交通大學(xué)開發(fā)的 cps250 成型機(jī) XY 掃描系統(tǒng)，其掃描范圍為 250mmx250mm，運(yùn)動方式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動高精密同步帶的方式，其傳動較為平穩(wěn)，傳動件質(zhì)量比較小，運(yùn)動特性好。但工作行程較短，本設(shè)計掃描范圍 400mmX400mm,行程較長，若采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動高精密同步帶的傳動方式，會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，對掃描的精度不利。故本次設(shè)計采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠的傳動方式，使運(yùn)動較為平穩(wěn)。1、XY 方向掃描進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案設(shè)計考慮以下幾點(diǎn)：A工作臺應(yīng)具有沿縱向和橫向往復(fù)運(yùn)動、暫停等功能，因此數(shù)控控制系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。B在

28、保證一定加工性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，以求降低成本。因此進(jìn)給伺服統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。C 縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動鏈，它們各自由各的步進(jìn)電動機(jī)、波紋管、絲杠螺母副組成。D 為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊裝置，以提高傳動剛度和消除間隙。E 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動直線導(dǎo)軌。2、進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如下頁圖 2-2 所示：微機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動器功率放大功率放大步進(jìn)電 機(jī)步進(jìn)電 機(jī)X 向Y 向波紋管波紋管圖 2-2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖2.22.2 脈沖當(dāng)量和傳動比的確定脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 脈沖當(dāng)量的確定脈沖當(dāng)量

29、即系統(tǒng)分辨率。本設(shè)計中，pp31 10 mm為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（Ncm） ；fM 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （Ncm） 。0M有關(guān)的各項力矩值計算如下：M1、加速力矩2maxmax21060anMJJt 見經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計 P346maxmax360bpvn式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為電機(jī)最大角加速度；J為與運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動部件從maxn靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間，為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速maxv度；為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量。bp maxmax1000 0.09250 /min3600.001 360

30、bpvnr22maxmax22 3.14 2501024.5510535.326060 0.012anMJcmt2、空載摩擦力矩 見經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計 02fGf LMiP346式中：為運(yùn)動部件的總重量；G為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；f 傳動降速比；i為傳動系數(shù)總效率，取0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。0L20 9.8 0.005 0.30.062 3.14 0.8 1fMcm3、附加摩擦力矩 見經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計 P3462000012P LMi式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力，=/3；0P0PxF為滾珠絲杠預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)取0.9。0020224 0.31 0.91.96 3.14 0.8 1Mcm所

31、以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動所需轉(zhuǎn)矩：max0535.320.06 1.9537.28afMMMMcm步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 M，步進(jìn)電機(jī)啟動力矩關(guān)系如下：qM0.4qMM 所以，=1343.2qM13.34cmN m為滿足最小步距角要求，查表知步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩與步進(jìn)maxjM電機(jī)啟動力矩的關(guān)系為： maxqjMM查經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計表 7-2 P347 得0.866。所以，max15.5jMm綜合考慮查表選擇 57BYGH306 型步進(jìn)電機(jī)如圖 3-3 所示：外型尺寸及參數(shù)如表 3-1 所示：電機(jī)型號相數(shù)步距角最大靜轉(zhuǎn)距電壓電流分配方式57BYGH10140.9)(16 N.m3 V

32、1.3 A雙項四拍4 4 刮刀系統(tǒng)設(shè)計刮刀系統(tǒng)設(shè)計4.14.1 刮板的選擇刮板的選擇由于樹脂的粘性及固化樹脂的表面張力作用，如僅僅依賴樹脂的流動而達(dá)到液面平整的話，就會需要很長的時間，特別是在固化面積較大的零件時。刮平運(yùn)動可以使液面盡快流平，提高涂層效率。刮平過程包括兩個步驟:1、第一步托板下降較大的深度并稍作停頓，這一過程是為了克服液態(tài)樹脂與固化層面的表面張力，使樹脂充分覆蓋已固化的一層，然后上升至比上一層低一個層厚的位置。2、第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動，其作用是把涂敷在零件表面的多余樹脂刮掉。刮平后，樹脂液面并不是完全平整，仍存在著一些波動，尚需等待一定的時間才能平整。等待時間的長短要

33、根據(jù)樹脂的流動性、零件尺寸的大小而定。如果使用粘性大的樹脂，這種裝置是必不可少的。由于樹脂對刮板的粘附作用，刮板刮過之后，液面的實(shí)際位置要比刮板底面所在的位置低。同時，刮板刮走多余的樹脂，刮板前面的樹脂由于堆積而造成刮板前后液面存在高度差，導(dǎo)致刮板前面的樹脂向后流動的回流現(xiàn)象，影響層厚精度和液面的平整。為此必須采取相應(yīng)措施，來提高液面的位置精度和層厚精度。不同的刮板形狀會形成不同的涂層質(zhì)量，刮板的形狀可以設(shè)計成多樣，但哪種最合適還取決于樹脂的粘性。一般講，圖 a 所示的刃口式刮板比較適合粘性稍大的樹脂，圖 b 所示的燕尾式刮板適合中等粘度的樹脂。對于刃口形狀的刮板，要求刃口側(cè)面的光潔度越高越好

34、。刃口式刮板的優(yōu)點(diǎn)是:由于刮平時刮板底面與液面的實(shí)際接觸面積很小，近似為線接觸。因此，刮板移動時對樹脂的帶動作用較小;較高的光潔度使樹脂不致過多地粘在刃口表面上，以盡量避免往復(fù)運(yùn)動時破壞己修平的液面。燕尾式刮板與液面是面接觸，對于流動性較好的樹脂，可以較好地阻止刮板前后由于高度差引起的回流。同時燕尾槽結(jié)構(gòu)可以暫時儲存多余的樹脂，對液面有微量地補(bǔ)償修平作用。故本設(shè)計中采用燕尾槽截面形狀的刮板。4.24.2 刮板的材料和移動速度對涂層質(zhì)量的影響刮板的材料和移動速度對涂層質(zhì)量的影響刮板在液面上移動時，樹脂被帶動的實(shí)質(zhì)是固液兩相之間的吸附作用，減小二者的吸附作用，就能減少刮板移動時帶走的樹脂量。根據(jù)固

35、液兩相之間的浸潤機(jī)理可知，刮板應(yīng)該選用表面張力值較小的材料，如金屬鋁、有機(jī)物聚四氟乙烯等。刮板速度高，可以使刮板前的樹脂來不及回流，但是太高會帶動己成形部分，影響位置精度，同時液面的修平效果不好。為方便零件的采購與安裝，刮刀機(jī)構(gòu)的驅(qū)動所采用的方式以及零件的規(guī)格均與掃描系統(tǒng)相同，為滿足對刮平速度的不同要求，選取速度可控的伺服電機(jī)。電機(jī)型號及主要參數(shù)為下表 4-1 所示：伺服電機(jī)型號伺服電機(jī)型號技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)單位單位40CB005C-2DE6E40CB005C-2DE6E額定輸出功率W50額定轉(zhuǎn)矩N.m0.16瞬間最大轉(zhuǎn)矩N.m0.48額定轉(zhuǎn)速rpm3000最高轉(zhuǎn)速rpm3600電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量kg

36、.cm20.0429額定相電流A1.03瞬間最大相電流A3.09電樞繞阻相電感mH10.2重量kg0.58編碼器P/R2500適配驅(qū)動器 GS0020A表 4-1 電機(jī)型號及主要參數(shù)5 5 設(shè)計的改革設(shè)計的改革 5.15.1 XYXY 掃描系統(tǒng)及掃描系統(tǒng)及 Z Z 方向工作臺方向工作臺 傳動方式可以放棄傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠的方式，而改用在實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動下，各方面性能都更有優(yōu)勢的直線步進(jìn)電機(jī)。直線步進(jìn)電機(jī)具有簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，最小的運(yùn)動部件速度范圍寬，從微米/秒到超過10 米/秒 ，加速度高，推力最大可達(dá)負(fù)載的 20G 比率，運(yùn)動平滑，無需維護(hù)的電機(jī)，沒有任何內(nèi)部的運(yùn)動部件。可以使整機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單

37、，精度提高。5.25.2 刮刀機(jī)構(gòu)刮刀機(jī)構(gòu) 在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，可以將刮板設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，如同車床的刀具，可以根據(jù)不同的樹脂很方便地更換刮板，有利于提高成型精度。5.35.3 溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng) 為了個更好的保持樹脂的流動性，可在成型室內(nèi)加裝溫度控制裝置，以保持成型室溫度恒定。總結(jié)總結(jié)本次設(shè)計主要針對該成型系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行，其中涉及固化激光掃描裝置、浸于樹脂液體中的升降系統(tǒng)、刮刀機(jī)構(gòu)。本設(shè)計加長既有的 SLA 成型機(jī) XY 掃描系統(tǒng)工作行程，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠的傳動方式，減少抖動，提高掃描精度；采用浸于樹脂液體中的升降系統(tǒng)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，運(yùn)動平穩(wěn)；采用細(xì)分電路的驅(qū)動裝置，其定位精度更高；刮刀機(jī)構(gòu)采用速度可調(diào)的伺服電機(jī)驅(qū)動，并采用截面為燕尾型的刮刀，滿足不同黏度樹脂以及不同截面大小的要求，提高成型精度。計算機(jī)繪圖是本次設(shè)計中的另一項主要內(nèi)容，通過熟練繪制計算機(jī)圖紙，我已基本掌握了 AutoCAD 繪圖軟件繪圖方法并學(xué)到了一些繪圖技巧。另外，通過對設(shè)計說明書的擬定和編寫，又進(jìn)一步熟練了 word 軟件的應(yīng)用，動手能力得到了鍛煉和加強(qiáng)。本設(shè)計,讓我把在大學(xué)所學(xué)到的專業(yè)知識從理論運(yùn)用到了實(shí)際操作中，通過實(shí)