【文章內(nèi)容簡介】 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， 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，它會導(dǎo)致誤差 : 從本質(zhì)上看，三角面的組合，不可能完全表達實際表面，所以，誤差無法避免； STL 公式化時，數(shù)據(jù)的沉余量太大，致使所需計算機的存儲量過大，從而難于選取更小、更多的小三角面，造近似結(jié)果與實際表面有更大的誤差；另外，在進行 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。 成型系統(tǒng)的工作誤差 成型機成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、 XY 掃描誤差和樹脂涂層誤差。托板升降誤差指的是托板的運動精度，它直接影響層厚的精度； XY 掃描誤差指的是 XY 平面掃描系統(tǒng)沿 X、 Y 方向的運動精度，它影響成型零件的尺寸精度和表面光潔度。 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)力會造成零件在加工過程中的變形。如加工一個懸臂零件 (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。 成型之后環(huán)境溫變化化引起的誤差 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。 工件后處理造成誤差 通常，成型后的工件需進行打磨、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。 立體激光固化成型（ SLA）的成型原理 Stero Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置。它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（ ? =325nm）和功率（ P=30mW）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對分子質(zhì)量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。 圖 為 SLA 的工作原理圖。液槽中盛滿液相光敏樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下，在液體表面上掃描，掃描的軌跡及激光的有無均由計算機控制，光點掃描到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確切的深度，液面始終處于激光的焦點平面內(nèi)，聚焦后的光斑在液面上按照計算機的指令逐點掃描即逐點固化。當(dāng)一層掃描完成后未被照射的地方仍是液態(tài)樹 脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度（約 ），已成形的層面上又布滿一層液態(tài)樹脂，刮平器將粘度較大的光敏樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)，直直整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 SLA 工作原理圖 SLA 的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 SLA 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。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，美國在該技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，日本和歐洲等工業(yè)發(fā)達國家都投入了大量資金進行研究與開發(fā)。日本緊跟美國迅速開展了光固化快速成型技術(shù)的研究， 1988 年三菱商社研制出與 SLA 相似的光照成型系統(tǒng)，稱為紫外激光掃描立體生成法（ Short For So1id Object Ultraviolet Laser Plotter，簡稱 SOU）。西歐各國發(fā)展快速成型技術(shù)比美國和日本晚一些，但是很快推出了自己的快速成型系統(tǒng)，例如德國的 StereosEosin 系統(tǒng)；以色列 的 Cubical Solider 系統(tǒng)等。 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。S 公司，日本的 CMET 公司、 DMEC 公司以及 Teijin Seiki公司， Mitsui Zosen 公司，和我國的西安交通大學(xué)，中國科學(xué)研究院沈陽自動化所等。其中該技術(shù)的開拓者是美國的 3D System 公司，其制造系統(tǒng)統(tǒng)稱 Stereolithography Apparatus，簡稱 SLA 系統(tǒng)，其 SLA 系列產(chǎn)品獨占鰲頭并形成壟斷市場。其設(shè)備自 1988 年推出 SLA250 機型以后， 又于 1997 年推出 SLA— 250HR、 SLA— 3500、 SLA— 5000 三種機型， 1999 年又推出了 SLA— 7000，隨后又推出了 Viper SLA 系統(tǒng)，在技術(shù)上有了長足的進步。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。 國內(nèi)的西安交通大學(xué)推出了 LPS、 SPS 和 CPS 系列的 SLA 成型機和相應(yīng)的光敏樹脂， SPS 的掃描速度最大可達 7 m/s、 LPS 的掃描速度可達 2 m/s，最大成型空間可達 600mmX600mmX500mm。該產(chǎn)品的涂層系統(tǒng)針對不同的材料與結(jié)構(gòu)，可調(diào)整 回流量，從而有效的改善涂層的質(zhì)量；采用了矢量掃描路徑優(yōu)化方法，省去 AOM，降低了成本；采用的 YLSF 成型工藝大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型制造質(zhì)量。另外， CPS 成型機才用了紫外燈作為成型光源，設(shè)備價格低，運行費用也極低，是一種經(jīng)濟型設(shè)備。 本次設(shè)計的主要工作 主要設(shè)計任務(wù) XY 方向移動機構(gòu)設(shè)計； Z 方向移動機構(gòu)設(shè)計； 刮刀機構(gòu)設(shè)計； 整機總裝配圖設(shè)計； 主要技術(shù)參數(shù) 成型空間： 300 300 250mm； 激光頭最大運行速度： 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： 。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 2 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案 本論文采用分塊設(shè)計的思路，把立體激光固化造型機的機械結(jié)構(gòu)分為 X— Y 掃描系統(tǒng)， Z 方向工作臺升降系統(tǒng)，刮刀機構(gòu)等三部分進行設(shè)計計算。 XY向掃描運動機構(gòu)的設(shè)計 圖 cps250 成型機的 XY 掃描系統(tǒng) 如上圖 所示，為西安交通大學(xué)開發(fā)的 cps250 成型機 XY 掃描系統(tǒng)，其掃描范圍為 250mm 250mm，運動方式采用步進電機驅(qū)動高精密同步帶的方式，當(dāng)行程較短時，其傳動較為平穩(wěn)，傳動件質(zhì)量比較小，運動特性好。當(dāng)行程較長時容易發(fā)生同步帶抖動，使傳動不平穩(wěn)，影響成型精度。而且由于工作環(huán)境影響，同步帶壽命較低，同時長時間工作后同步帶的傳動精度下降，不利于產(chǎn)品的推廣使用。 本論文設(shè)計的機械系統(tǒng)的 XY 掃描范圍為 300mm 300mm,行程相對較長，若采用步進電機驅(qū)動高精密同步帶的傳動方式，運行不穩(wěn)定 ，對掃描的精度不利。故本設(shè)計對其傳動系統(tǒng)進行改進，采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠的傳動方式，如此，在工作行程較長的情況下，其運動穩(wěn)定，不易受工作環(huán)境影響，能夠長時間使用，同時采用閉環(huán)控制，傳動精度較高。放棄傳統(tǒng) 的旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠的 傳動 方式 ，采用步進電機直接通過聯(lián)軸器連接滾珠絲杠，中間沒有其他部件，降低傳動精度的損失，使之更適合批量生產(chǎn)，能夠促進機器的推廣。 XY 方向掃描進給系統(tǒng)的總體方案設(shè)計考慮以下幾點： 工作臺應(yīng)具有沿縱向和橫向往復(fù)運動、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)。 考慮到對激光固化 成型機機械系統(tǒng)的運動精度要求較高，應(yīng)保證一定加工性能，因此進給伺服統(tǒng)采用步進電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用反饋控制運動精度。 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們各自由各的步進電動機、波紋管、絲杠螺母副組成。 為了保證進給伺服系統(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。 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動直線導(dǎo)軌。 本論文設(shè)計的成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的 XY 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)為步進電機帶動滾珠絲杠驅(qū)動 掃描頭作 XY平面運動，掃描范圍為 300 300mm，重復(fù)定位精度 。掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計算機、 XY 掃描頭、聚焦鏡頭、直線圓柱滾動導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進電機等組成。由于混合式步進電機具有體積小、力矩大、低頻特性好、運行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點，X、 Y 方向都采用了這種電機。為減少 X 方向負(fù)載的質(zhì)量，連接板及電機座采用鋁材。與西安交通大學(xué)推出的 cps250 成型機相比，本設(shè)計的傳動方式放棄了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠的方式，而改用在實現(xiàn)直線運動下，各方面性能都更有優(yōu)勢的直線步進電機。直線步進電機具有簡單的機械結(jié) 構(gòu)，最小的運動部件速度范圍寬，從微米 /秒到超過 10m/s ，加速度高，推力最大可達負(fù)載的 20G 比率，運動平滑，無需維護的電機，沒有任何內(nèi)部的運動部件?？梢允拐麢C的結(jié)構(gòu)簡單，精度提高。 Z軸升降系統(tǒng)設(shè)計 Z 軸升降系統(tǒng)完成零件支撐及在 Z 軸方向運動的功能，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。 Z 方向掃描進給系統(tǒng)的總體方案設(shè)計應(yīng)考慮因素 : 工作臺應(yīng)具有沿縱向往復(fù)運動 、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)。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 2.、考慮到對激光固化成型機機械系統(tǒng)的運動精度要求較高，應(yīng)保證一定加工性能，因此進給伺服統(tǒng)采用步進電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用反饋控制運動精度。 為了保證進給伺服系統(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。 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動直線導(dǎo)軌。 本論文設(shè)計的 Z 軸升降系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動，精密滾珠絲杠傳動及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動電機采用混合式步進電機，配合細(xì)分驅(qū)動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實現(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。制造零件時，托板經(jīng)常作下降、提升運動，為了減少運動時對液面的攪動，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)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)，又要使托板升降運動時最小限度地阻礙液體流動，本設(shè)計中取孔距 5mm，孔徑 3mm。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 向上下運動時造成吊梁扭曲變形，吊梁采用 2mm 不銹鋼板做成中空行管結(jié)構(gòu)的形狀。 Z軸升降系統(tǒng)如圖 所示： 圖 Z 軸升降系統(tǒng) 刮刀系統(tǒng)的設(shè)計 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。與西安交通大學(xué)推出的 cps250 成型機相比，本設(shè)計 在機械結(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 。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計 算 脈沖當(dāng)量、傳動比及步進電機步進角的確定 脈沖當(dāng)量即 p? 系統(tǒng)分辨率。本設(shè)計中， mmp 3101 ???? 。 當(dāng) i =1 時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此本設(shè)計中傳動比取 i =1。