【正文】 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 01? 。本設(shè)計(jì)中， p? ＝ 31 10 mm?? 傳動(dòng)比的確定 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。故本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的傳動(dòng)方式，中間沒有其他部件降低傳動(dòng)精度損失，使 運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)掃描頭作 XY平面運(yùn)動(dòng)，掃描范圍為 400x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長(zhǎng)，為避免托板 Z方向上下運(yùn)動(dòng)時(shí)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。每固化一層，托板要下降 1 個(gè)層厚。 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 10kg 最大成型件重量：約為 10kg 固化深度 /托盤的層間下降距離： Z 向定位精度： 設(shè)計(jì)思路及主要問題 采用分塊設(shè)計(jì)的思路，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分 X—— Y掃描系統(tǒng)， Z 方向工作臺(tái)升降系統(tǒng)，刮刀機(jī)構(gòu)等三部分。 SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)備制造的零件進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì) ,再由專門的計(jì)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(duì)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(dòng)指令 ,在結(jié)合提升機(jī)構(gòu)沿 Z 坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動(dòng) ,形成整個(gè)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(tái)下降至液體容器的液面之下 ,對(duì)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(tái)上 .然后 ,升降工作臺(tái)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(zhǎng)在前一層已固化的 樹脂上。要求支撐的設(shè)計(jì)必須合理，不多不少。 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(shí)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。 目前影響快速成型最終精度的主要原因由于下幾個(gè)方面 : CAD 模型的前處理造成的誤差 目前，對(duì)于絕大多數(shù)快速成型系統(tǒng)而言，必須對(duì)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。 快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介 快速原型制造技術(shù) (Rapid Prototype Manufacturing) ,簡(jiǎn)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(guó) ,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(jì)算機(jī)控 制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)之上 ,將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 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(jì)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(jì)開發(fā)可能進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、測(cè)試、改進(jìn) ,以完成設(shè)計(jì)制造過程 ,適應(yīng)市場(chǎng)需求 . 幾種典型的快速成型技術(shù) 立體光固造型 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 . 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(shí) ,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(duì)于鋪在工作臺(tái)上的箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺(tái)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(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作輪廓切割 ,如此反復(fù)直至整個(gè)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) 177。由此，本論文針對(duì)激光 3D 立體光固化成型機(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)。 3D打印技術(shù)主要包括立體光刻造型技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)等，這些技術(shù)使得打印出的產(chǎn)品在精度及質(zhì)量等方面有大幅 的提升，可以說 3Ｄ 打印為產(chǎn)品成型提供了整體解決方案。 通過對(duì)立體激光固化造型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得其運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)更加合理 和平穩(wěn)，進(jìn)而使其在生產(chǎn)過程中能夠更好的進(jìn)行生產(chǎn)。 ,連續(xù)堆積范圍 ～ ,它允許材料以不同的顏色出現(xiàn) . 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(jì)好的零件模型裝入模殼設(shè)計(jì)裝置 ,利用微型機(jī)繪制澆注模殼 ,產(chǎn)生一個(gè)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(duì)模殼最后加工 ,完成整個(gè)加工過程 .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 . 光屏蔽 (即 SGC— Solid Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開發(fā) ,該工藝可以在同一時(shí)間固化整個(gè)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 %,切片厚度約為 ～ ,Cubital 公司開發(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(shí)間縮短了 1/2～ 1/3. 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 ,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(jiǎn)介及對(duì)比 表 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(jià) 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(jiǎn)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 6 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(duì)于 RP 技術(shù)的推廣和應(yīng)用有很重要的影響。 B: 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 。 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(huì)繼續(xù)蠕變并導(dǎo)致誤差。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。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(guó) 3D System公司的 SLA 技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)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(zhǎng)足進(jìn)步 . 其中 ,SLA 3500 和 SLA 5000 使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器 ,掃描速度分別達(dá)到 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. 1 mm 的待固化樹脂 ,使成型時(shí)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 , 成型層厚最小可達(dá) mm,精度提高了 1 倍。為減輕質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，選用鋁材進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密滾珠絲杠傳動(dòng)及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。 刮平過程包括兩個(gè)步驟 :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(gè)層厚的位置。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)。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)。 因?yàn)?i ＝ 1， p? ＝ ，現(xiàn)取 0L ＝ 4mm，可得 b? ＝ 。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。其計(jì)算公式： mc FCK?＝ () 式中： mF 為滾珠絲杠的工作載荷（ N）； CK 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 CK =580N/ m? 。 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 初選導(dǎo)軌型號(hào) 導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，根據(jù)縱向最大動(dòng)載荷 C=1613N,橫向最大動(dòng)載荷 C＝，通過查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 P893，初選 3 條 導(dǎo)軌的型號(hào)都為 GTB16。 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。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳 動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問題。 X 向： 1 0 9 . 8 0 . 0 0 5 0 . 4 0 . 0 42 3 . 1 4 0 . 8 1fM m m? ? ?? ? ? ?? ? ? Y 向： 3 9 . 8 0 . 0 0 5 0 . 4 0 . 0 12 3 . 1 4 0 . 8 1fM m m? ? ?? ? ? ?? ? ? 附加摩擦力矩 ? ?2021012PLM i ????? () 式中： 0P 為滾珠絲杠預(yù)緊力， 0P = xF /3； 0? 為滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取 0? ＝ 。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī)，配合細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實(shí)現(xiàn)高分辨率驅(qū)動(dòng)，省去了中間齒輪級(jí)傳動(dòng)，既減小了尺寸又減小了傳動(dòng) 誤差。 B．在保證一定加工性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，以求降低成本。 微 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) Z 向 27 因?yàn)?i ＝ 1， p? ＝ ，現(xiàn)取 0L ＝ 4mm，可得 b? ＝ 。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。 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 所以， 1F 1 9 6 2 8 2 2 4F G N? ? ? ? ? 最大動(dòng)載荷 C 的計(jì)算和主要尺寸的初選 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷 C 可用下式計(jì)算： FfK Kn h ?? ?C () 式中： F — 滾珠絲杠副的軸向負(fù)荷（ N） 28 ?f 影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù)； ??????? wf kfafhft