【正文】 ............................................................. 40 本章小結(jié) ................................................................................................................... 40 結(jié)論 ..................................................................................................................................... 41 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 42 致 謝 ................................................................................................................................. 44 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒 論 本文主要針對(duì)立體激光固化造型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2, Z axis lifting mechanism。 XY 方向的平面掃描運(yùn)動(dòng)和刮刀的水平運(yùn)動(dòng)采用精密滾珠絲杠傳動(dòng)，使其在行程較長(zhǎng)時(shí)不出現(xiàn)抖動(dòng)，有利于保證掃描精度，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。由此，本論文針對(duì)光固化成型機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括： XY 掃描機(jī)構(gòu)； Z 軸升降機(jī)構(gòu)； 刮刀機(jī)構(gòu)，并且對(duì)其 中的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。 關(guān)鍵詞 ：立體激光固化；掃描機(jī)構(gòu)；快速成型；傳動(dòng) 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III Abstract Since the mid1980s, Stereolithography technology development and application of more extensive and indepth, light curing machine demand is also growing. Thus, this thesis light curing machine mechanical structure has been designed. Including: 1, XY scanning mechanism。 Rapid Prototyping 。 快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介 快速成型制造技術(shù) (Rapid Prototype)，簡(jiǎn)稱 RP，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要分支。它是基于一種全新的制造概念 —— 增材加工法?？焖僭椭圃旒夹g(shù) RP 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(zhǎng)而不是去掉材料的制造過程”，其制造過程的主要特點(diǎn)是： 新的加工概念。 幾種典型的快速成型技術(shù) 立體激光固化成型 SLA Stero Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置。 LOM 工藝只需在片材上切割出零件的截面輪廓，而不用掃描整個(gè)截面。 選擇性激光粉末燒結(jié)成型 SLS 選擇性激光粉末燒結(jié)成型（ Selected Laser Sintering）工藝又稱為選區(qū)激光燒結(jié)，由美國的克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的 于 1989 年研制成功。 SLS 工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 面 廣，不僅能制造塑料材料，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件。 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(dòng)軌跡的幾何信息。 ，連續(xù)堆積范圍 ～，它允許材料以不同的顏色出現(xiàn)。此系統(tǒng)能檢測(cè)自己的印刷缺陷，不需要圖紙，就可完成全部加工。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 CuSn 或青銅 — 鎳粉兩相粉末，采用激光局部熔化低熔點(diǎn)粉末來制造模具。每一環(huán)節(jié)中存在的誤差都會(huì)影響到最終成型零件的精度。 STL 格式中每個(gè)三角面片只用四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向矢量，而整個(gè) CAD 模型就是這樣一組矢量的集合， STL 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(huì)導(dǎo)致誤差 : 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； STL 公式化時(shí)，數(shù)據(jù)的沉余量太大，致使所需計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)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；另外，在進(jìn)行 ST L格式轉(zhuǎn)換時(shí)，有時(shí)會(huì)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。在這個(gè)過程中，伴有加熱作用，這些因素會(huì)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(huì)造成零件在加工過程中的變形。 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。另外一種是殘留液態(tài)樹脂的固化引起工件的變形。它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。成型開始時(shí)，工作平臺(tái)在液面下一個(gè)確切的深度，液面始終處于激光的焦點(diǎn)平面內(nèi)，聚焦后的光斑在液面上按照計(jì)算機(jī)的指令逐點(diǎn)掃描即逐點(diǎn)固化。自從 20 世紀(jì) 80 年代中期 SLA 光固化成型技術(shù)發(fā)展以來，到 90 年代后期，在快 速成型的發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了十幾種不同的快速成型技術(shù)。 目前研究 SLA 方法比較深入的公司有美國的 3DSystem公司，德國的 EOS 公司、Famp。此外，國外的許多公司，大學(xué)也開發(fā)了商業(yè)制造系統(tǒng)并商用化，但并未產(chǎn)生任何的大的商業(yè)沖擊。 本次設(shè)計(jì)的主要工作 主要設(shè)計(jì)任務(wù) XY 方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； Z 方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； 刮刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； 整機(jī)總裝配圖設(shè)計(jì)； 主要技術(shù)參數(shù) 成型空間： 300 300 250mm； 激光頭最大運(yùn)行速度： 80mm/s； 激光頭定位精度： ； 上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線導(dǎo)軌軸等的總重量：約 15kg； 最大成型件重量：約為 15kg； 固化深度 /托盤的層間下降距離： 。而且由于工作環(huán)境影響，同步帶壽命較低，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作后同步帶的傳動(dòng)精度下降，不利于產(chǎn)品的推廣使用。 XY 方向掃描進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)考慮以下幾點(diǎn)： 工作臺(tái)應(yīng)具有沿縱向和橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、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)。 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。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)?？梢允拐麢C(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度提高。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。 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。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 。刮平運(yùn)動(dòng)可以使液面盡快流平，提高涂層效率。等待時(shí)間的長(zhǎng)短要根據(jù)樹脂的流動(dòng)性、零件尺寸的大小而定。 當(dāng) i =1 時(shí)，可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。 由于其步距角很小，所以將采用有細(xì)分電路的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。采用了滾珠絲杠，所受的摩擦力也不大，所以扭矩可以不進(jìn)行校核。 最大工作載荷的計(jì)算： 本設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)最大載荷應(yīng)該是導(dǎo)軌摩擦力與加減速慣性力的總和。 選取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)。39。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 公式 中： 1? 為在工作 載荷作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（ mm）； mF為絲杠的工作載荷 (N)； L 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度 (mm)； E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E＝ 410 MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（ 2mm ）；“＋”號(hào)用于拉伸，“ ”號(hào)用于壓縮。其沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 計(jì)算公式為： cmc KF?? （ ） 見 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P841。 因?yàn)椋?X 向： mcx ???? 9 3 1 ????? Y 向： mcy ???? ????? 取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 m? (《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P752)，加上絲杠副的總變形量 m? 、 m? ，可以滿足機(jī)床的定位精度 。本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用一端軸向固定一端游動(dòng)，即 1f ＝ 2； 1K 為安全系數(shù)，取 1K =1/3。 ??????? wf kfafhftff tf 為溫度系數(shù)， 工作溫度小于 125， tf =； hf 為硬度系數(shù)， 硬度大于 58HRC，hf =； af 為精度系數(shù)， 精度等級(jí)取三級(jí)， af =； wf 為負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊平沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)， wf =； kf 為可靠性系數(shù)，可靠度 98%， kf =； aC 滾珠絲杠副的額定動(dòng)負(fù)荷（ N）； C 滾珠絲杠副的計(jì)算動(dòng)負(fù)荷（ N）； hL 各類機(jī)械所用的滾珠絲杠的推薦壽命 , hL 取 15000h。 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 ? 為： )( ???? ?tg tg＝ 式中： ? 為絲杠螺旋升角， ? 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) f ＝ ～，其摩擦角約等于 39。 m?? 330336 41 ??? ?? 絲杠與螺母間的接觸變形量 2? 2? 的大小 計(jì)算： mC ?? 8 03 3 6 ?? 因?yàn)椋? m???? ????? 取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 m? ，加上絲杠副的總變形量 m? ，可以滿足機(jī)床的定位精度的 。 4 4 942 4 28 4 33 .1 10 ( )64 64dJm? ??? ? ? ? NF K 7 3 1 0 2 29112 ???????? ? 臨界載荷 KF 遠(yuǎn)大于絲杠工作載荷 mF =336N，因此滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等?；旌鲜讲?進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載 ,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。 XY向等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 sJ 的折算。 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 GJ 可按公式 進(jìn)行計(jì)算： MLJG 20)2( ?? （ ） 見 《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 P346。 XY向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 XY 向有關(guān) M 的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下： 加速力矩 2m a xm a x 2 1060a nM J J t?? ???? ? ? （ ） maxmax 360bpvn ??? （ ） 公式 和公式 中： ?J 為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ? 為電機(jī)最大角加速度；maxn 為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速； t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間； maxv 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度； b? 為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角； p? 為