立体光固化造型机机电系统设计
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附录附录1Manufacturing Engineering in the Information andThe Roles of Engineers in ManufacturingIn the early 1980s, engineers thought that massive research would be needed to speed up product development. As it turns out, less research is actually needed because shortened product development cycles encourage engineers to use available technology. Developing a revolutionary technology for use in a new product is risky and prone to failure. Taking short steps is a safer and usually more successful approach to product development.Shorter product development cycles are also beneficial in an engineering world in which both capital and labor are global. People who can design and manufacture various products can be found anywhere in the world, but containing a new idea is hard. Geographic distance is no longer a barrier to others finding out about your development six months into the process. If you have got a short development cycles, the situation is not catastrophic, as long as you maintain you lead. But if you are in the midst of a six year development process and a competitor gets wind of you work, the project could be in more serious trouble. The idea that engineers need to create a new design to solve every problem is quickly becoming obsolete. The first step in the modern design process is to browse the Internet or other information systems to see if someone else has already designed a transmission, or a heat exchanger that is close to what you need. Through these information systems, you may discover that someone already has manufacturing drawings, numerical control tapes, and everything else required to manufacture your product. Engineers can then focus their professional competence on unsolved problems.In tackling such problems, the availability of workstations and access to the information highway dramatically enhance the capability of the engineering team and its productivity. These information age tools can give the team access to massive databases of material properties, standards, technologies, and successful designs. Such protested designs can be downloaded for direct use or quickly modified to meet specific needs. Remote manufacturing, in which product instructions are sent out over a network, is also possible. You could end up with a virtual company where you do not have to see any hardware. When the product is completed, you can direct the manufacturer to the drop-ship it to your customer. Periodic visits to the customer can be made to ensure that the product you designed is working according to the specifications. Although all of these developments wont apply equally to every company, the potential is there.Custom design used to be left to mall companies. Big companies sneered at itthey hated the idea of dealing with niche markets or small-volume custom solutions. “Here is my product,” one of the big companies would say. “This is the best we can make it you ought to like it. If you dont, these is smaller company down the street that will work on your problem. ” Today, nearly every market is a niche market, because customers are selective. If you ignore the potential for tailoring your product to specific customers needs, you will lose the major part of your market shareperhaps all of it. Since the niche markets are transient, your company needs to be in a position to respond to them quickly.The emergence of niche markets and design on demand has altered the way engineers conduct research. Today, research is commonly directed toward solving particular problem. Although this situation is probably temporary, much uncommitted technology, developed at government expense or written off by major corporation, is available today at very low cost. Following modest modifications, such technology can often be used directly in product development, which allows many organizations to avoid the expense of an extensive research effort. Once the technology is free of major obstacles, the research effort can focus on overcoming the barriers to avoid the barriers to commercialization rather than on pursuing new and interesting, but undefined, alternatives.When viewed in this perspective, engineering research must focus primarily on removing the barriers to rapid commercialization of known technologies. Much of this effort must address quality and reliability concerns, which are foremost in the minds of todays consumers. Clearly, a reputation for poor quality is synonymous with bad business. Everything possibleincluding thorough inspection at the end of the manufacturing line and automatic replacement of defective productsmust be done to assure that the customer receives a properly functioning product.Central to the process of improving reliability and lowering costs is the intensive and widespread use of design software, which allows engineers to speed up every stage of the design process. Shortening each stage, however, may not sufficiently reduce the time required for the entire process. Therefore, attention must also be devoted to concurrent engineering software with shared databases that can be accessed by all members of the design team.Many engineers have as their function the designing of products that are to be brought into reality through the processing or fabrication of materials. In this capacity they are a key factor in the material selection-manufacturing procedure. A design engineer, better than any other person, should know what he or she wants a design to accomplish. He knows what assumptions he has made about service loads and requirements, what service environment the product must withstand, and what appearance he wants the final product to have. In order to meet these requirements he must select and specify the material(s) to be used. In most cases, in order to utilize the material and to enable the product to have the desired form, he knows that certain manufacturing processes will have to be employed. In many instances, the selection of a specific material may dictate what processing must be used. At the same time, when certain processes are to be used, the design may have to be modified in order for the process to be utilized effectively and economically. Certain dimensional tolerances can dictate the processing. In any case, in the sequence of converting the design into reality, such decisions must be made by someone. In most instances they can be made most effectively at the design stage, by the designer if he has a reasonably adequate knowledge concerning materials and manufacturing processes. Otherwise, decisions may be made that will detract from the effectiveness of the product, or the product may be needlessly costly. It is thus apparent that design engineers are a vital factor in the manufacturing process, and it is indeed a blessing to the company if they can design for producibilitythat is, for efficient production.Manufacturing engineers select and coordinate specific processes and equipment to be used, or supervise and manage their use. Some design special tooling that is used so that standard machines can be utilized in producing specific products. These engineers must have a broad knowledge of machine and process capabilities and of materials, so that desired operations can be done effectively and efficiently without overloading or damaging machines and without adversely affecting the materials being processed. These manufacturing engineers also play an important role in manufacturing. A relatively small group of engineers design the machines and equipment used in manufacturing. They obviously are design engineers and, relative to their products, they have the same concerns of the interrelationship of design, materials, and manufacturing processes. However, they have an even greater concern regarding the properties of the materials that their machines are going to process and the inter reaction of the materials and the machines. Still another group of engineersthe materials engineersdevote their major efforts toward developing new and better materials. They, too, must be concerned with how these materials can be processed and with the effects the processing will have on the properties of the materials. Although their roles may be quite different, it is apparent that a large proportion of engineers must concern themselves with the interrelationship between materials and manufacturing processes.Low-cost manufacture does not just happen. There is a close and interdependent relationship between the design of a product, selection of materials, selection of processes and equipment, and tooling selection and design. Each of these steps must be carefully considered, planned, and coordinated before manufacturing starts. This lead time, particularly for complicated products, may take months, even years, and the expenditure of large amount of money may be involved. Typically, the lead time for a completely new model of an automobile is about 2 years, for a modern aircraft it may be 4 years. With the advent of computers are machines that can be controlled by either tapes made by computers or by the computers themselves, we are entering a new era of production planning. The integration of the design function and the manufacturing function the computer is called CAD/CAM (computer aided design/computer aided manufacturing). The design is used to determine the manufacturing process planning and the programming information for the manufacturing process themselves. Detailed drawings can also be made from the central data base used for the design and manufacture, and programs can be generated to make the parts as needed. In addition, extensive computer aided testing and inspection (CATI) of the manufactured parts is taking place. There is no doubt that this trend will continue at ever-accelerating rates as computers become cheaper and smaller. As we move more fully into the Information Age success will require that the engineer possess some unique knowledge of and experience in both the development and the management of technology. Success will require broad knowledge and skills as well as expertise in some key technologies and disciplines;it also require a keen awareness of the social and economic factors at work in the marketplace. Increasingly, in the future, routine problems will not justify heavy engineering expenditures, and engineers will be expected to work cooperatively in solving more challenging, more demanding problems in substantially less time. We have begun a new phase in the practice of engineer. It offers great promise and excitement as more and more problem-solving capability is placed in the hands of the computerized and wired engineer. To assure success, the capability of our tools and the unquenched thirst for better products and systems must be matched by the joy of creation that marks all great engineering endeavors. Mechanical engineering is a great profession, and it will become even greater as we make the most of the opportunities offered by the Information Age.附录2信息时代的机械工程及工程师在机械行业的应用在80年代初期,工程师们曾经认为要加快产品的研制开发,必须进行大量的研发工作。结果是实际上只进行了较少的研究工作,这是因为产品开发周期的缩短,促使工程师们尽可能的利用现有的技术。研制开发一种创新性的技术并将其应用在新产品上,是有风险的,并且易于招致失败。在产品开发过程中采用较少的步骤是一种安全的和易于成功的方法。对于资金和人力都处于全球性环境中的工程界而言,缩短产品研制开发周期也是有益的。能够设计和制造各种产品的人可以在世界各地找到.但是,具有创新思想的人则比较难找。对于你已经进行了6个月的研制开发工作,地理上的距离已经不是其他人发现它的障碍。如果你的研制周期较短,只要你仍然保持领先,这种情况并怒会造成严重后果。但是如果你正处于一个长达6年的研制开发过程的中期,一个竞争对手了解你的研究工作的一些信息,这个项目将面临比较大的麻烦。工程师们在解决任何问题时都需要进行新的设计,这种观念很快就过时了。在现代设计中的第一步是浏览因特网或者其他信息系统,看其他人是否设计了一种类似于你所需要的产品,诸如传动装置或者换热气等。通过这些信息系统,你可能发现有些人已经有了制造图纸,数控纸带和制造你的产品所需要的其他所有东西。这样,工程师们就可以把他们的职业技能集中在上尉解决的问题上。在解决这类问题时,利用工作站和进入信息高速公路可以大大增强工程小组的能力和效率。这些信息时代的工具可以使工作小组利用大规模的数据库.数据库中有材料性能,标准,技术和成功的设计方案等信息。这些经过验证的设计可以通过下载直接应用,或者通过对其进行快速,简单的改进来满足特定的要求。将产品的技术要求通过网络送出去的远程制造也是可行的。你可以建立一个没有任何加工设备的虚拟公司。你可以指示制造商,在产品加工完成后,将其直接送给你的客户。定期访问你的客户可以保证你设计的产品按照设计要求进行工作.尽管这些研发方式不可能对每个公司都完全适用,但这种可能性是存在的。过去客户设计的产品通常是由小公司来制造。大公司不屑于制造这种产品,他们讨厌与特殊定向产品市场,或者是客户设计的小批量产品打交道。 “这就是我们的产品”,一家大公司这样说:“这是我们能够制造出来的最好产品,你应该喜欢它.如果你不喜欢,顺这条街走有一家小公司,它会按你的要求去做。”今天,因为顾客们有较大的选择余地,几乎所有的市场都是特殊定向产品市场。如果你不能使你的产品满足某些特定客户的要求,你将失掉你的市场份额中的一大部分,或者失掉全部份额.由于这些定向产品市场是经常变化的,你的公司应该对市场的变化作出快速的反应。定向产品市场和根据客户要求进行设计这种现象的出现改变了工程师研究工作的方式。今天,研究工作通常是针对解决特定问题进行的.现在许多由政府资助或者由大公司出资开发的技术可以在非常低的成本下被自由使用,尽管这种情况可能是暂时的.在对这些技术进行适当改进后,他们通常能够被直接用于产品开发,这使得许多公司可以节省昂贵的研究经费.在主要的技术障碍被克服后,研究工作应该主要致力于产品的商品化方面,而不是开发新的,有趣的,不确定的替换产品。采用上述观点看问题,工程研究应该致力于消除将已知技术快速商品化的障碍.工作的重点是产品的质量和可靠性,这些在当今的顾客的头脑中是很重要的。很明显一个质量差的声誉是一个不好的企业的同义词。企业应该进最大的努力来保证顾客得到合格的产品,这个努力包括在生产线的终端对产品进行严格的检验和自动更换有缺陷的产品。研究工作应该着重考虑诸如可靠性等因素对成本带来的益处。当可靠性提高时,制造成本和系统的最低成本将会降低。如果在生产线的终端产生了30的废品,这不仅会浪费金钱,也会给你的竞争对手创造一个利用你的想法制造产品,并将其销售给你的客户的良机。提高可靠性和降低成本这个过程的关键是深入,广泛的地利用设计软件。设计软件可以使工程师加快每一阶段的设计工作。然而,仅仅缩短每一阶段的设计时间,可能不会显著地缩短整个设计过程的时间。因而,必须致力于采用并行工程软件,这样可以使所有设计组的成员都能使用共同的数据库。许多工程师的职责是进行产品设计,而产品是通过对材料的加工制造而生产出来的。设计工程师在材料选择,制造方法等方面起着关键的作用。一个设计工程师应该比其他的人更清楚地知道他的设计需要达到什么目的。他知道他对使用荷载和使用要求所做的假设,产品的使用环境,产品应该具有的外观形貌。为了满足这些要求,他必须选择和规定所使用的材料。通常,为了利用材料并使产品具有所期望的形状,设计工程师知道应该采用哪写制造方法。在许多情况下,选择了某种特定材料就可能意味着已经确定了某种必须采用的加工方法。总之,在将设计转变为产品的过程中,必须有人作出这些决定。在大多数情况下,如果设计人员在材料加工方面具有足够的知识,他会在设计阶段作出最为合理的决定。否则,作出的决定可能会降低产品的性能,或者使产品变得过于昂贵。显然,设计工程师是制造过程中的关键任务,如果他们能够进行面向生产(即可以进行高效率生产)的设计,就会给公司带来效益。制造工程师们选择和调整所采用的加工方法和设备,或者监督和管理这些加工方法和设备的使用。一些工程师进行专用装备的设计,以使通用机床能够被用来生产特定的产品。这些工程师们在机床,工艺能力和材料方面必须句用广泛的知识,以使机器在没有过载和损坏,而且对被加工材料没有不良影响的情况下,更为有效地完成所需要的加工工序。这些制造工程师们在制造业中也起到重要作用。少数工程师们设计在制造业中使用的机床和设备。显然,他们上设计工程师。而且对于他们的产品而言,他们同样关心设计,材料,和制造方法之间的相互关系。然而,他们更多地关心他们所设计的机床将要加工的材料的性能和机床与材料之间的相互作用。还有另外一些工程师,即材料工程师,他们致力于研制新型的和更好的材料,他们也应该关心这些材料的加工方法和加工对材料性能的影响。尽管工程师们所起的作用可能会有很大差别,但是,大部分工程师们都必须考虑材料与制造工艺之间的相互关系。低成本制造并不是自动产生的。在产品设计,材料选择,加工工艺装备选择和设计之间都有着非常密切的相互依赖关系。这些步骤中的每一个都必须在开始制造前仔细的加以考虑,规划和协调。这种从产品设计到实际生产的准备工作,特别是对于复杂产品,可能需要数月甚至数年的时间,并且可能花费很多钱。典型的例子有,对于一种全新的汽车,从设计到投产所需要的时间大约为2年,而一种现代化飞机则可能需要4年。随着计算机和由计算机产生的纸带与计算机本身控制机器的出现,我们进入了一个生产计划的新时代。采用计算机将产品的设计功能与制造集成,被称为CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)。这种设计被用来制定加工工艺规程和提供加工过程本身的编程信息。可以根据提供设计与制造用的中心数据库内的信息绘制零件图,需要时可以生成加工这些零件时使用的程序。此外,对加工后零件的计算机辅助试验与检验也得到了广泛的应用。随着计算机价格的降低和性能的提高,这种趋势将毫无疑问地得到不断加速的发展。随着我们步入信息时代,要取得成功,工程师们在技术开发和技术管理方面都应该具有一些独特的知识和经验。成功的工程师们不但应该具有宽广的知识和技能,而且还应该是某些关键技术或学科的专家,他们还应该在社会因素和经济因素对市场的影响方面有敏锐的洞察能力。将来,花在解决日常工程问题上的费用将会减少,工程师们将会在一些更富挑战性,更亟待解决的问题上协同工作,大大缩短解决这些问题所需的时间。我们已经开始了工程实践的新阶段。计算机和网络使工程师们具有了越来越强的解决问题的能力,这也给他们的工作带来了很大的希望和喜悦。为了确保成功,我们所使用的工具的性能和对更好的产品与系统的不断追求应该与标志着在工程方面所有巨大努力的创新工作所带来的喜悦相适应。机械工程是一个伟大的行业,在我们尽可能多地利用了信息时代所提供的机遇后,它将变得更加伟大。I 立体光固化造型机机电系统设计 摘 要 自 20 世纪 80 年代中期以来,光固化快速成型技术的发展与应用越来越广 泛 和深入,光固化成型机的需求也越来越大。由此,本论文针对 cps250 型激光 固化 成型机的机械结构进行了设计,包括:1、X-Y 扫描机构;2、Z 轴升降机构; 3、 刮刀机构,并且对其中的部分结构进行了改进。X-Y 方向的平面扫描运动和 刮刀的 水平运动由原来的精密同步带传动改成精密滚珠丝杠传动,使其在行程 较长时不出 现抖动,有利于保证扫描精度,运动稳定。采用直线步进电机直接 连接滚珠丝杠, 响应更加快速准确,同时因无中间部件,使机械结构简单化, 精度较高。 通过对立体激光固化造型机机械结构的设计,使得其运动和传动更加合理 和平 稳,进而使其在生产过程中能够更好的进行生产。 关键词:立体激光固化;扫描机构;快速成型;传动;结构设计 II ABSTRACT This article specifically for three-dimensional modeling of light-cured structural design of mechanical systems. X-Y scanning normally used to screw drive. Through the motor rotation, with another even reached the screw shaft, through to the X and Y to the two motors of rotation to achieve XY to scan; Z to the table, also by the screw and a rail. Z to the table by the extension units, columns, screw composition, its transmission is through the same motor rotation axis is to pass even reached the screw by screw to achieve the rotation of the table move up or down. Through the three-dimensional modeling of light-cured in the design and mechanical systems, making their campaigns and drive more reasonable and stable, then in the production process so that it can better carry out production. Key word: SLA;Scanning agencies ;Rapid Prototyping;Transmission;Structure design 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 绪 论 .1 1.1 快速原型技术简介 .1 1.1.1 RPM 的基本构思 .1 1.1.2 几种典型的快速成型技术 .2 1.1.3 各种成型方法简介及对比 .3 1.2 快速成型精度概述 .3 1.3 立体光固造型 SLA 技术原理 .5 1.4 立体光固造型 SLA 国内外现有技术水平 .6 1.5 立体光固造型 SLA 应用领域 .6 1.6 本次设计的主要工作 .7 1.6.1 主要设计工作 .7 1.6.2 设计参数 .7 1.6.3 设计思路及主要问题 .7 第 2 章 XY 方向设计计算 .9 2.1 设计任务 .9 2.1.1 设计参数 .9 2.1.2 方案的分析、比较、论证 .9 2.2 脉冲当量和传动比的确定 .10 2.2.1 脉冲当量的确定 .10 2.2.2 传动比的确定 .10 2.2.3 确定步进电机步距角 .10 2.3 丝杠的选型及计算 .11 2.3.1 计算丝杠受力 .11 2.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 .11 2.4 导轨的选型及计算 .15 2.4.1 初选导轨型号 .15 2.4.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命 L.16 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2.5 步进电机的选择 .16 2.5.1 传动系统等效转动惯量计算 .17 2.5.2 所需转动力矩计算 .18 2.6 本章小结 .21 第 3 章 Z 方向设计计算 .22 3.1 Z 方向工作台设计 .22 3.1.1 设计任务 .22 3.1.2 设计参数 .22 3.1.3 方案的分析、比较、论证 .22 3.2 脉冲当量和传动比的确定 .23 3.2.1 脉冲当量的确定 .23 3.2.2 传动比的确定 .23 3.2.3 确定步进电机步距角 .23 3.3 丝杠的选型及计算 .24 3.3.1 计算丝杠受力 .24 3.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 .24 3.4 步进电机的选择 .28 3.4.1 传动系统等效转动惯量计算 .28 3.4.2 所需转动力矩计算 .29 3.5 本章小结 .31 第 4 章 刮刀系统设计 .32 4.1 刮板的选择 .32 4.2 刮板的材料和移动速度对涂层质量的影响 .33 4.3 本章小结 .34 第 5 章 PLC 控制系统 .35 5.1 步进电机的简介 .35 5.2 步进电机的工作原理及特性 .35 5.3 PLC 简单介绍 .35 5.3.1 为大量实际应用而开发的特殊功能 .35 5.3.2 网络和数据通信 .35 5.3.3 其它功能 .36 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5.4 控制原则 .36 5.5 控制方法 .36 5.5.1 行程控制 .36 5.5.2 进给速度控制 .37 5.5.3 进给方向控制 .37 5.6 本章小结 .37 结 论 .38 参考文献 .39 致 谢 .41 黑龙江工程学院本科毕业设计 1 第 1 章 绪 论 本文主要针对立体激光固化造型机机械结构设计。按照国家和行业相关标 准, 机械传动部分参照了机电一体化系统设计手册 。在设计过程中,力求使立体激光 固化造型机的传动及零部件结构简单、运动稳定、而且成本低廉、质量 可靠、可批 量生产,并且促进立体激光固化造型机的普及与发展,同时为国内同 类机器的设计 提供一定的参考。 1.1 快速原型技术简介 快速原型制造技术(Rapid Prototype Manufacturing) ,简称 RPM ,是先进制造技术的 重要分支.它是 80 年代后期起源于美国 ,后很快发展到欧洲和日本 ,可以说是近 20 年来制造技术最重大进展之一.它建立在 CAD/ CAM 技术、计算机控制技术、数控技 术、检测技术和材料科学的基础之上 ,将计算机辅助设计 CAD 与各种自由造型(Free Form Manufacturing)技术直接结合起来 ,能以最快的速度将设计思想物化为具有一定 结构功能的产品原型或直接制造零件 ,从而使产品设计开发可能进行快速评价、测试、 改进 ,以完成设计制造过程 ,适应市场需求. 1.1.1 RPM 的基本构思 任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成 ,因此可利用分 层切片软件 ,将计算机产生的 CAD 三维实体模型处理成一系列薄截面层 ,并根据各 截面层形成的二维数据 ,用粘贴、熔结、聚合作用或化学反应等手段 ,逐层有选择地 固化液体( 或粘结固体) 材料 ,从而快速堆积制作出所要求形状的零部件 (或模型).传统 的制造方法是基于材料去除(material remove)概念 ,先利用 CAD 技术作出零件的三维 图形 ,然后对其进行数值分析(有限元分析、模态分析、热分析等) ,再经动态仿真之后 ,通 过 CAM 的一个后处理(Post Process)模块仿真加工过程 ,所有的要求均满足之后 ,形 成 NC 文件在数控机床上加工成形.快速原型制造技术 RPM 突破了传统加工中的金 属成型( 如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工)和切削成形的工艺方法 ,是一种“使材料生 长而不是去掉材料的制造过程” ,其制造过程的主要特点是: 1、新的加工概念. RPM 是采用材料累加的概念 ,即所谓“让材料生长而非去除” ,因此 ,加工过程无需刀具、模具和工装夹具 ,且材料利用率极高; 2、突破了零件几何形状复杂程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或模型是具有 一定功能的三维实体; 3、越过了 CAPP(Computer Aided Process Planning)过程 ,实现了 CAD/ CAM 的 黑龙江工程学院本科毕业设计 2 无缝连接; 4、RPM 系统是办公室运作环境 ,真正变成图形工作站的外设。由于 RPM 可以 快速、自动、精确地将 CAD 模型转化成为具有一定功能的产品原型或直接制造零 件 ,因此它对于缩短产品的研发周期、控制风险、提高企业参与市场竞争的能力 ,都 具有重要的现实意义. 1.1.2 几种典型的快速成型技术 1、立体光固造型 SLA Stero Lightgraphy Apparatus 又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置 . 2、 叠层实体制造 LOM 叠层实体制造 Laminated Object Manufacturing 的成形材料是热敏感类箔材 (如纸 等) ,激光器的作用变是切割.成形开始时 ,激光器先按最底层的 CAD 三维实体模型的 切片平面几何信息数据 ,对于铺在工作台上的箔材作轮廓切割 ,之后 ,工作台下降一 层高度 ,重新送入一层(铺在底层之上)材料 ,并用加热辊滚压 ,与底层粘牢 ,激光器按 对应数据作轮廓切割 ,如此反复直至整个三维零件制作完成.LOM 制作的零件不收缩、 不变形 ,精度可达 0.1mm ,切片厚度 0.050.50mm。 3、 选择性激光烧结 SLS 选择性激光烧结 Selected Laser Sintering 的生产过程与 SLA 类似 ,用 CO2 红外 激光对金属粉末或塑料粉末一层层地扫描加热使其达到烧结温度 ,最后烧结出由金属 或塑料制成的立体结构. 4、 融积成型技术 FDM 融积成型技术(Fused Deposition Modeling)的制造过程是 ,首先通过系统随机的 Quick slice 和 SupportWorks 软件将 CAD 模型分为一层层极薄的截面 ,生成控制 FDM 喷嘴移动轨迹的几何信息.运作时 ,FDM 加热头把热塑材料 (如聚脂塑料、ABS 塑料、蜡等)加工到临界状态 ,在微型机控制下 ,喷嘴沿着 CAD 确定的平面几何信息 数据运动并同时挤出半流动的材料 ,沉积固化成精确的实际零件薄层 ,通过垂直升降 系统降下新形成层并同样固化之 ,且与已固化层牢固地连接在一起.如此反复 ,由下而 上形成一个三维实体.FDM 的制作精度目前可达 0.127mm ,连续堆积范围 0.02540.508mm ,它允许材料以不同的颜色出现. 5、 其它快速原型制造技术 直接制模铸造 DSPC (Direct Shell Production Casting)来源于三维印刷(3D Printing) 快速成型技术.其加工过程是先把 CAD 设计好的零件模型装入模壳设计装置 ,利用 微型机绘制浇注模壳 ,产生一个达到规定厚度 ,需要配有模芯的模壳组件的电子模型 ,然 黑龙江工程学院本科毕业设计 3 后将其输至模壳制造装置 ,由电子模型制成固体的三维陶瓷模壳.取走模壳处疏松的陶 瓷粉 ,露出完成的模壳 ,采用熔模铸造的一般方法对模壳最后加工 ,完成整个加工过 程.此系统能检测自己的印刷缺陷 ,不需要图纸 ,就可完成全部加工. 光屏蔽(即 SGCSolid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司开发,该工艺可以 在同一时间固化整个一层的液体光聚合物. SGC 工艺使用丙烯酸盐类光聚合物材料 , 其制作精度可达整体尺寸的 0.1 %,切片厚度约为 0.10.15mm ,Cubital 公司开发的 Solider5600 型产品制作的最大工作尺寸为 508 508 356mm ,所用紫外光灯功率为 2kW ,每一层循环约化 90s. MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding) 日本三菱化学最近推出的三菱化学快 速制模系统,可将原型直接转换成模具 ,采用称作“金属补强树脂制模(Metal Resin Moulding)复合料”,制模成本降低为传统制模的 1/2 ,制模时间缩短了 1/21/3. 奥斯 丁的德克萨斯大学正在研究的高温选择激光烧结(HTSLS) ,在取消聚合物粘结剂方面 进行了尝试.结果表明 ,可利用 Cu - Sn 或青铜 镍粉两相粉末 ,采用激光局部熔化 低熔点粉末来制造模具 1.1.3 各种成型方法简介及对比 表 1.1 几种典型成型工艺的比较 成型 工艺 原型 精度 表面 质量 复杂 程度 零件 大小 材料 价格 利用 率 常用 材料 制造 成本 生产 效率 设备 费用 SLA 较高 优 中等 中小件 较贵 很高 树脂 较高 高 较贵 LOM 较高 较差 简单 中小件 便宜 较差 塑料 低 高 便宜 SLS 较低 中等 复杂 中小件 较贵 很高 石蜡 较低 中等 较贵 HDM 较低 较差 中等 中小件 较贵 很高 金属 较低 较低 便宜 1.2 快速成型精度概述 研究成型机的成型精度,提高成型精度,对于 RP 技术的推广和应用有很重要 的影响。制件误差的产生原因见图 1-1 所示: 光固化成型由三个环节组成:前处理、快速成型加工和后处理。 这三个部分彼此相连,共同完成光固化快速成型过程。每一环节中存在的误差都 会影响到最终成型零件的精度。快速成型的精度为机械精度和制件精度。 目前影响快速成型最终精度的主要原因由于下几个方面: 1、CAD 模型的前处理造成的误差 目前,对于绝大多数快速成型系统而言,必须对工件的三维 CAD 模型进行 STL 格式化和切片等处理,以便得到一系列的截面轮廓。在对三维 CAD 模型分层切片前, 黑龙江工程学院本科毕业设计 4 需作实体模型的近似处理,即用三角面片近似逼近处理表面,其输出的数据为 STL 文件格式,这种格式非常简单,便于后续的分层处理。STL 格式中每个三角面片只用 四个数据项表示,即三个顶点坐标和一个法向矢量,而整个 CAD 模型就是这样一组 矢量的集合,STL 公式化用许多小三角面去逼近模型的表面,由于以下原因,它会导 致误差: A: 从本质上看,三角面的组合,不可能完全表达实际表面,所以,误差无法避 免; B: STL 公式化时,数据的沉余量太大,致使所需计算机的存储量过大,从而难 于选取更小、更多的小三角面,造近似结果与实际表面有更大的误差; C: 另外,在进行 ST L 格式转换时,有时会产生一些局部缺陷,例如,在表面曲 率变化较大的分界处,可能出现据齿状小凹坑,从而造成误差。 制 件 误 差 数据处理误差 成型过程误差 后处理误差 分成切片产生误差 光斑变化误差 固化成型误差 机器误差 方向运动误差 Z XY 扫描误差 图层误差 液位波动引起误差 多光谱造成误差 驱 动器 参数补偿误差 树脂收缩引起工件变型 残留液态树脂不均 匀收缩引起工件变型 CAD 模型面误差 图 1.1 制件误差产生原因 2、成型系统的工作误差 CPS250 成型机成型系统的工作误差按照组成可分为托板升降误差、X-Y 扫描误 黑龙江工程学院本科毕业设计 5 差和树脂涂层误差。托板升降误差指的是托板的运动精度,它直接影响层厚的精度; X-Y 扫描误差指的是 X-Y 平面扫描系统沿 X, Y 方向的运动精度,它影响成型零件的 尺寸精度和表面光洁度。 3、成型过程中材料状态引起的翘曲变形 在光固化过程中,树脂由液态变为固态,此时单体分子发生聚合反应,分子之间 距离改变,相应地造成体积收缩。在这个过程中,伴有加热作用,这些因素会引起制 件每层截面的尺寸变化,再加上相邻层间不规则约束,以由收缩而产生的应力会造成 零件在加工过程中的变形。如加工一悬臂零件 (在悬臂部分不加支撑),可以很明显 地看到由于树脂收缩而造成的变形。 4、成型之后环境度化引起的误差 从成型系统上取下已成型的工件之后,由于温度、湿度等环境状况的变化,工件 会继续蠕变并导致误差。成型过程中残留在工件内的残余应力也可能由于时效的作用 而部分消失而导致误差。 5、工件后处理造成误差 通常,成型后的工件需进行打磨、抛光和表面涂镀等后处理。如果后处理不当, 对形状尺寸控制不严格,也可能导致误差。后处理过程产生的误差可分为三种:一是 支撑去除时对表面质量的影响。要求支撑的设计必须合理,不多不少。另外一种是残 留液态树脂的固化引起工件的变形。因此在扫描成型时尽可能使残留树脂为零;成型 过程中工件内部的残余应力引起的蠕变也是影响精度的因素之一。设法减小成型过程 中的残余应力有利于提高零件的成型精度。 1.3 立体光固造型 SLA 技术原理 Stero Lightgraphy Apparatus 又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。 它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长(=325nm ) 和功率(P=30mW )的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应,相对分子质量急剧增 大,材料也就从液态转变成固态。SLA 的原理是由 CAD 系统对准备制造的零件进 行三维实体造型设计 ,再由专门的计算机切片软件 CAD 系统的三维造型切割成若干 薄层平面数据模型 ,但对表面形状变化大和精度要求高的部分应切得薄些 ,其他一般 部位切得厚些.随后 CAM 软件再根据各薄层平面的 X - Y 运动指令 ,在结合提升机构 沿 Z 坐标方向的间歇下降运动 ,形成整个零件的数控加工指令 .指令输入 SLA 系统中 ,首 先是工作台下降至液体容器的液面之下 ,对应于 CAD 模型最下一层切片的厚度处 , 根据该切片的 X- Y 平面几何数据 ,紫外光照射可固化的液态树脂(如环氧树脂 ,乙烯 酸树脂或丙烯酸树脂) ,在紫外光的作用下 ,因光聚合作用 ,第一层被固化在工作台上. 黑龙江工程学院本科毕业设计 6 然后 ,升降工作台下降至第二层切片厚度 ,激光器按照该层切片的平面几何数据扫描 液面 ,使新一层液态树脂固化并紧紧粘长在前一层已固化的树脂上。如此反复“生长” ,直至形成整个三维实体零件.如图所示: 图 1.2 立体光固造型 SLA 技术原理图 1.4 立体光固造型 SLA 国内外现有技术水平 立体光固造型 SLA 方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的 一种快速成型方法。 目前 ,研究 SLA 方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F此外美国 Dayton 大学还利用 SLA 工艺研制了一种桌 黑龙江工程学院本科毕业设计 7 面成型系统专门用于人体软组织器官模型的建造。 1.6 本次设计的主要工作 1.6.1 主要设计工作 1、固化用激光扫描装置设计; 2、浸于树脂液体中的升降托盘设计; 3、刮刀机构设计; 4、整机总装配图设计; 5、部分硬件控制电路的设计。 1.6.2 设计参数 1、成型空间:400*400*300mm 2、激光头最大运行速度:80mm/s; 3、激光头定位精度:0.005mm 4、上拖板、激光聚焦系统以及直线导轨轴等的总重量:约 10kg 5、最大成型件重量:约为 10kg 6、固化深度/托盘的层间下降距离:0.1mm 7、Z 向定位精度:0.01mm 1.6.3 设计思路及主要问题 采用分块设计的思路,机械结构主要分 XY 扫描系统, Z 方向工作台升降 系统,刮刀机构等三部分。 1、X-Y 扫描系统的机械结构 成型机的扫描系统采用高精度的 X-Y 动工作台,它带动光纤和聚焦镜完成零件 的二维扫描成型。其结构为步进电机带动滚珠丝杠驱动扫描头作 X-Y 平面运动,扫 描范围为 400 x400mn,重复定位精度 0. 005mn。为减轻质量,提高响应速度,选用铝 材进行设计,并选取大扭矩输出的高频响应电机。 扫描系统结构由计算机、X-Y 扫描头、聚焦镜头、直线圆柱滚动导轨、滚珠丝杠、 步进电机等组成。由于混合式步进电机具有体积小、力矩大、低频特性好、运行噪音 小、失电自锁等优点,X, Y 方向都采用了这种电机。为减少 X 方向负载的质量,连 接板及电机座采用铝材。 2、Z 轴升降系统 Z 轴升降系统完成零件支撑及在 Z 轴方向运动的功能,它带动托板上下移动。每 固化一层,托板要下降 1 个层厚。它是实现零件堆积的主要过程,必须保证其定位精 度。定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度、表面光洁度以及层与层之间的粘 黑龙江工程学院本科毕业设计 8 接性能。采用步进电机驱动,精密滚珠丝杠传动及精密导轨导向结构。驱动电机采用 混合式步进电机,配合细分驱动电路,与滚珠丝杠直接联接实现高分辨率驱动,省去 了中间齿轮级传动,既减小了尺寸又减小了传动误差。 成形零件时,托板经常做下降、提升运动,为了减少运动时与托板对液面的搅动, 并且便于成型后的零件从托板上取下,需将托板加工成筛网状,网孔大小、孔距设计 要合理,既能使零件的基础与其能牢固粘结,又要使托板升降运动时最小限度地阻碍 液体流动。此外,考虑到树脂有一定的酸性作用,所以浸泡在树脂内的材料全部选用 铝合金或不锈钢材料,一方面防腐;另一方面防止普通钢和铸铁对树脂的致凝作用。 由于在正常工作在状态下,吊梁悬臂较长,为避免托板 Z 方向上下运动时造成吊梁 扭曲变形,吊梁采用 2m 不锈钢板做成中空行管结构的形状。 3、刮平系统 由于树脂的粘性及固化树脂的表面张力作用,如仅仅依赖树脂的流动而达到液面 平整的话,就会需要很长的时间,特别是在固化面积较大的零件时。刮平运动可以使 液面尽快流平,提高涂层效率。 刮平过程包括两个步骤:第一步托板下降较大的深度并稍作停顿,这一过程是为 了克服液态树脂与固化层面的表面张力,使树脂充分覆盖已固化的一层,然后上升至 比上一层低一个层厚的位置。第二步刮板按设定次数作刮平运动,其作用是把涂敷在 零件表面的多余树脂刮掉。刮平后,树脂液面并不是完全平整,仍存在着一些波动, 尚需等待一定的时间才能平整。等待时间的长短要根据树脂的流动性、零件尺寸的大 小而定。 黑龙江工程学院本科毕业设计 9 第 2 章 XY 方向设计计算 成型机的扫描系统采用高精度的 X-Y 工作台,它带动光纤和聚焦镜完成零件的 二维扫描成型。其结构为步进电机带动滚珠丝杠驱动扫描头作 X-Y 平面运动,扫描 范围为 400 x400mn,重复定位精度 0. 005mn。为减轻质量,提高响应速度,选用铝材 进行设计,并选取大扭矩输出的高频响应电机。 扫描系统结构由计算机、X-Y 扫描头、聚焦镜头、直线滚动导轨、滚珠丝杠、步 进电机等组成。由于混合式步进电机具有体积小、力矩大、低频特性好、运行噪音小、 失电自锁等优点,X, Y 方向都采用了这种电机。 2.1 设计任务 机械结构装配图,A1 图纸一张。要求重要剖面表达完整,向视表达完整, 视图适合标准。 2.1.1 设计参数 统分辨率 310m 由静止到最大快进速度过度时间 17ms19ms Pt 工作台行程 x 向 400mm y 向 400mm 最大快进速度 x 向和 y 向 80mm/s 定位精度 m05. 2.1.2 方案的分析、比较、论证 西安交通大学开发的 cps250 成型机 XY 扫描系统,其扫描范围为 250mmx250mm, 运动方式采用步进电机驱动高精密同步带的方式,其传动较为平稳,传动件质量比较 小,运动特性好。但工作行程较短,本设计扫描范围 400mmX400mm,行程较长,若采 用步进电机驱动高精密同步带的传动方式,会出现抖动现象,对扫描的精度不利。故 本次设计采用步进电机驱动滚珠丝杠的传动方式,中间没有其他部件降低传动精度损 失,使运动较为平稳。 1、XY 方向扫描进给系统的总体方案设计考虑以下几点: A工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能,因此数控控制系统采用 连续控制系统。 黑龙江工程学院本科毕业设计 10 B在保证一定加工性能的前提下,结构应简单,以求降低成本。因此进给伺服 统采用步进电机开环控制系统。 C 纵向和横向进给是两套独立的传动链,它们各自由各的步进电动机、波纹 管、丝杠螺母副组成。 D 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性,选用摩擦小、传动效率高的 滚珠丝杠螺母副,并应有预紧装置,以提高传动刚度和消除间隙。 E 为减少导轨的摩擦阻力,选用滚动直线导轨。 2、进给伺服系统总体方案方框图如下页图 2.1 所示: 2.2 脉冲当量和传动比的确定 2.2.1 脉冲当量的确定 脉冲当量 即系统分辨率。本设计中, pp310m 2.2.2 传动比的确定 当 1 时,可使步进电机直接与丝杠联接,有利于简化结构,提高精度。因此i 本设计中取 1。 2.2.3 确定步进电机步距角 根据公式 微 机 驱 动 器 驱 动 器 功 率 放 大 功 率 放 大 步 进 电 机 步 进 电 机 X 向 Y 向 波纹管 波纹管 图 2.1 进给伺服系统总体方案方框图 黑龙江工程学院本科毕业设计 11 (2.1)pbLi360 其中 为传动比,i 为电机步距角,b 为滚珠丝杠导程,0L 为脉冲当量。p 因为 1, 0.001mm,现取 4mm,可得 0.09 o。由于其步距角很小,ip0Lb 所以将采用有细分电路的驱动结构。 2.3 丝杠的选型及计算 2.3.1 计算丝杠受力 由于工作台质量较小,且只承担传动作用,不承受任何切削力,故本设计中只考 虑导轨摩擦力和系统加减速时的惯性力。 1、导轨摩擦力的计算 根据摩擦力计算公式: f=mg (2.2) X 向:工作拖板质量 =10kg 采用滚动导轨, =0.005xm =109.80.005=0.49Ngfx Y 向:取激光头及移动部件质量为 =3kg =0.005y =39.80.005=0.147Nfy 2、工作台惯性力的计算 取平均加速时间 t=18ms,由于系统最大移动速度 =80 ,经计算得,系统maxVs 加速度 a= 24.ms = =104.4=44N1Fax = =34.4=13.2N2y 2.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 由于转速较大,滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据其使用寿命选择丝杠的基本 黑龙江工程学院本科毕业设计 12 尺寸并较核其承载能力是否超过额定动载荷。 1、最大工作载荷的计算 本设计中,工作台最大载荷应该是导轨摩擦力与加减速惯性力的总和 所以, X 向: x1F40.9.4xfN Y 向: y23173y 2、最大动载荷 的计算和主要尺寸的初选C 滚珠丝杠最大动载荷 可用下式计算: (2.3)hnKFf 式中:F 滚珠丝杠副的轴向负荷( N) -影响滚珠丝杠副寿命的综合系数;f 285.01.3.095.wfkahtf 为温度系数 工作温度小于 125, =0.95tf tf 为硬度系数 硬度大于 58HRC, =1.0h h 为精度系数 精度等级取三级, =1.0af af 为负荷性质系数 无冲击平稳运转, =1.1w w 为可靠性系数 可靠度 98%, =0.33kf kf -滚珠丝杠副的额定动负荷(N)aC -滚珠丝杠副的计算动负荷(N) -各类机械所用的滚珠丝杠的推荐寿命, 取 15000hhL hL -寿命系数 ,hK1.3)50(hL -转速系数,n .nK 经计算得: 黑龙江工程学院本科毕业设计 13 X 向 C=1613N Y 向 C=483.9N 查机电一体化系统设计手册P770, 本设计选内循环浮动返回器双螺母垫片预 紧滚珠丝杠副 FFZ1604,其参数如下:W16m4D239C01ao公 称 直 径 d基 本 导 程滚 珠 直 径 ,丝 杠 螺 旋 升 角 ,额 定 动 载 荷 6额 定 静 载 荷 选取丝杠精度等级为 1 级。 3、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 为 (2.4)(tg 式中: 为丝杠螺旋升角, 为摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 0.0030.005,f 其摩擦角约等于 。01 所以, 96.0)13()(tgt 4、定位精度验算 滚珠丝杠副的轴向刚度会影响进给系统的定位精度和运动平稳性。由于轴向刚度 不足引起的轴向变形量一般不应大于机床定位精度的一半。滚珠丝杠副的轴向变形包 括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变 形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形较小,对 纵向变形的影响更小,可忽略不计。螺母座只要设计合理,其变形量也可忽略不计, 只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好,轴承的轴向接触变形在此也可以不予考虑。 A丝杠的拉压变形量 1 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量,其计算公式为 (2.5)EALFm1 式中: 为在工作载荷作用下丝杠1总长度上拉伸或压缩变形量(mm) ; 黑龙江工程学院本科毕业设计 14 为丝杠的工作载荷(N);mF 为滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm);L E 为材料弹性模量,对钢 E20.610 4MPa; A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积(mm 2) ;“ ”号用于拉伸, “”号用于压 缩。 根据滚珠直径 DW2mm,螺 纹 滚 道 曲 率 半 径 0.52.21.04WRm滚 珠 直 径 wm0.7(/).7(./).28we偏 心 距 1d2162081439meRm螺 杆 小 径 22.Ad.5.4滚 珠 丝 杆 按 内 径 确 定 的 截 面 积 其中, 为丝杠公称直径。 为丝杠底径。m1 取 X 向进给的丝杠长度 L550mm,Y 向进给的丝杠长度 L550mm。 所以,X 向: 14.950263.2m 7 Y 向: .1. B丝杠与螺母间的接触变形量 2 该变形量与滚珠列、圈数有关,即与滚珠总数量有关,与滚珠丝杠长度无关。其 计算公式: (2.6)mcFCK 式中: 为滚珠丝杠的工作载荷(N) ;mF 为丝杠副的接触刚度 ,查表取 =580N/ 。CK 所以,X 向: X4.90.85 Y 向: C13.7.2m 丝杠的总的变形量 应小于允许的变形量。一般 不应大于机床进给系21 黑龙江工程学院本科毕业设计 15 统规定的定位精度值的一半。 因为,X 向: 120.8.3m .75 Y 向: 04 取丝杠精度等级为 1 级,其有效工作行程内的误差为 6 ,加上丝杠副的总变 形量 0.83 、0.24 ,可以满足机床的定位精度 0.01/400 的要求。m 5、压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆,若轴向工作载荷过大,将使丝杠失去稳定 而产生纵向弯曲,即失稳。失稳时的临界载荷为 KF (2.7) 2110KfEJL 式中: J 为丝杠轴最小截面惯性矩 ,对丝杠圆截面 , (d 2为丝杠4()m46J 底径, ) ;201.wdD L 为丝杠最大工作长度(m) ; E 为材料的拉、压弹性模量,对钢 E2.110 11Pa; 为丝杠支承方式系数。本设计中,丝杠为长丝杠,故支承方式选用一端轴向固1f 定一端游动,即 2;1f 为安全系数,取 =1/31K1K 。 449423.06.70()6dJ m 所以: 2192.16.23KF 临界载荷 远大于丝杠工作载荷 ( =44.49N, =13.347N) ,因此滚珠丝mFxmyF 杠不会失稳。 2.4 导轨的选型及计算 2.4.1 初选导轨型号 导轨为直线滚动导轨,根据纵向最大动载荷 C=1613N,横向最大动载荷 黑龙江工
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