【正文】 NamF y ???? 彎矩圖和扭矩圖 X 向滾珠絲杠 由于絲杠采用滾珠絲杠，并且所受的力不大，當激光器移動到絲杠中間位置時所f受的彎矩最大。 滾珠絲杠的選型與計算 滾珠絲杠受力計 由于工作臺質(zhì)量較小，且只承擔傳動作用，不承受任何切削力，故本設(shè)計中只考慮導(dǎo)軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時的慣性力。 因為 i ＝ 1， p? ＝ ，現(xiàn)取 0L ＝ 4mm，可得 b? ＝ ? 。因此本設(shè)計中傳動比取 i =1。本設(shè)計中， mmp 3101 ???? 。與西安交通大學推出的 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 。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。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。 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。另一方面防止普通鋼和鑄鐵對樹脂的致凝作用。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。 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)。 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。 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)。它是實現(xiàn)零件堆積的主要過程，必須保證其定位精度。 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。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。為減少 X 方向負載的質(zhì)量，連接板及電機座采用鋁材。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。 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。 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。 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。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。 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。當行程較長時容易發(fā)生同步帶抖動，使傳動不平穩(wěn)，影響成型精度。 沈陽航空航天大學畢業(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。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。 國內(nèi)的西安交通大學推出了 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。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。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，中國科學研究院沈陽自動化所等。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，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)。 沈陽航空航天大學畢業(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。當一層掃描完成后未被照射的地方仍是液態(tài)樹 脂。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。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)。 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。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。要求支撐的設(shè)計必須合理，不多不少。如果后處理不當，對形狀尺寸控制不嚴格，也可能導(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。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。 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。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?？焖俪尚偷木葹闄C械精度和制件精度。這三個部分彼此相連，共同完成光固化快速成型過程。 各種成型方法簡介及對比 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 價格 利用 率 常用 材料 制造 成本 生產(chǎn) 效率 設(shè)備 費用 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 快速成型精度概述 研究與提高成型機的成型精度，對于 RP 技術(shù)的推廣和應(yīng)用有很重要的影響。 MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding)日本三菱化學最近推出的三菱化學快速制模系統(tǒng)，可將原型直接轉(zhuǎn)換成模具，采用稱作“金屬補強樹脂制模 (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 1/2～ 1/3。 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間固化整個一層的液體光 聚合物。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。 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)。 FDM 的制作精度目前可達177。運作時， FDM 加熱頭把熱塑材料 (如聚脂塑料、 ABS 塑料、蠟等 )加工到臨界狀態(tài)，在微型機控制下，噴嘴沿著 CAD 確定的平面幾何信息數(shù)據(jù)運動并同時擠出半流動的材料，沉積固化成精確的實際零件薄層，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。因此可以燒結(jié)制造空心、多層鏤空的紛雜零件。特別是可以直接制造金屬零件，這使 SLS 工藝頗具吸引力。全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，在進行打磨、烘干等處理便獲得零件。 SLS 工藝是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下逐漸堆積成型。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以 LOM 工藝也無需添加支撐。因此易于制造大型、實體零件，而且 LOM 制作的零件不收縮、不變形，精度可達177。加工時，用 CO2 激光器（或刀）在計算機控制下按照 CAD分層模型軌跡切割片材，然后通過熱壓輥熱壓，是當前層與下面已成型的工件層粘接，從而堆積成型。 薄片分層疊加成型 LOM 薄片分層疊加成型（ Laminated Object Manufacturing）工藝又稱疊層實體制造或分層實體制造。 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、控制風險、提高企業(yè)參與市場競爭的能力，都具有重要的現(xiàn)實意義。 RPM 是采用材料累加的概念，即所謂“讓材料生長而非去除” ,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 。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)控機床上加工成形。由于 CAD 技術(shù)和光機電控制技術(shù)的發(fā)展，這種新型的樣件制造工藝就日益在生活中得到應(yīng)用。而以RP 系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來并已成熟的快速工裝模具制造、快速精鑄技術(shù)則可以實現(xiàn)零件的快速制造。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)最重大突破之一，對制造業(yè)的影響可以與 20 世紀 50～ 60 年代的數(shù)控技術(shù)相比。在設(shè)計過程中，力求使立體激光固化造型機的傳動及零部件結(jié)構(gòu)簡單、運動穩(wěn) 定、而且成本低廉、質(zhì)量可靠、可批量生產(chǎn)，并且促進立體激光固化造型機的普及與發(fā)展，同時為國內(nèi)同類機器的設(shè)計提供一定的參考。 Transmission 目 錄 摘 要 ...................................................................................................................................II 目 錄 ................................................................................................................................. IV 1 緒 論 .................................................................................................................................. 1 快速原型技術(shù)簡介 ..................................................................................................... 1 RP 的基本構(gòu)思 ..................................................................................................... 1 幾種典型的快速成型技術(shù) ..................