立體光固化造型機機械系統(tǒng)設計,立體光固化造型機機械系統(tǒng)設計,立體,光固化,造型機,機械,系統(tǒng),設計 一、快速原型技術簡介 快速原型制造技術(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡稱 RPM ,是先進制造技術的重要分支.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 年來制造技術最重大進展之一.它建立在CAD/ CAM 技術、計算機控制技術、數(shù)控技術、檢測技術和材料科學的基礎之上 ,將計算機輔助設計 CAD與各種自由造型(Free Form Manufacturing)技術直接結合起來 ,能以最快的速度將設計思想物化為具有一定結構功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,從而使產(chǎn)品設計開發(fā)可能進行快速評價、測試、改進 ,以完成設計制造過程 ,適應市場需求. 1 、RPM 的基本構思 任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標方向迭加而成 ,因此可利用分層切片軟件 ,將計算機產(chǎn)生的 CAD 三維實體模型處理成一系列薄截面層 ,并根據(jù)各截面層形成的二維數(shù)據(jù) ,用粘貼、熔結、聚合作用或化學反應等手段 ,逐層有選擇地固化液體(或粘結固體)材料 ,從而快速堆積制作出所要求形狀的零部件(或模型).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.快速原型制造技術 RPM 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“使材料生長而不是去掉材料的制造過程” ,其制造過程的主要特點是: (1) 新的加工概念. 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; (2) 突破了零件幾何形狀復雜程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或模型是具有一定功能的三維實體; (3) 越過了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實現(xiàn)了 CAD/ CAM 的無縫連接; (4) RPM 系統(tǒng)是辦公室運作環(huán)境 ,它真正變成了圖形工作站的外設 . 由于 RPM 可以快速、自動、精確地將 CAD 模型轉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. 2 、幾種典型的快速原型技術 2.1 　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. 2.2 　疊層實體制造LOM 疊層實體制造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 ,激光器先按最底層的 CAD 三維實體模型的切片平面幾何信息數(shù)據(jù) ,對于鋪在工作臺上的箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺下降一層高度 ,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 ,激光器按對應數(shù)據(jù)作輪廓切割 ,如此反復直至整個三維零件制作完成.LOM 制作的零件不收縮、不變形 ,精度可達 ±0.1mm ,切片厚度 0.05～0.50mm. 2.3 　選擇性激光燒結 SLS 選擇性激光燒結 Selected Laser Sintering的生產(chǎn)過程與 SLA 類似 ,用 CO2 紅外激光對金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達到燒結溫度 ,最后燒結出由金屬或塑料制成的立體結構. 2.4 　融積成型技術 FDM 融積成型技術(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機的 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 噴嘴移動軌跡的幾何信息.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.如此反復 ,由下而上形成一個三維實體.FDM 的制作精度目前可達 ±0.127mm ,連續(xù)堆積范圍 0.0254～0.508mm ,它允許材料以不同的顏色出現(xiàn). 2.5 　其它快速原型制造技術 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.其加工過程是先把 CAD 設計好的零件模型裝入模殼設計裝置 ,利用微型機繪制澆注模殼 ,產(chǎn)生一個達到規(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模殼最后加工 ,完成整個加工過程.此系統(tǒng)能檢測自己的印刷缺陷 ,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間固化整個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 ,其制作精度可達整體尺寸的 0.1 %,切片厚度約為 0.1～0.15mm ,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) 日本三菱化學最近推出的三菱化學快速制模系統(tǒng),可將原型直接轉換成模具 ,采用稱作“金屬補強樹脂制模(Metal Resin Moulding)復合料”,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. 奧斯丁的德克薩斯大學正在研究的高溫選擇激光燒結(HTSLS) ,在取消聚合物粘結劑方面進行了嘗試.結果表明 ,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粉末來制造模具. 3、各種成型方法簡介及對比 二、立體光固造型 SLA技術原理簡介 Stero Lightgraphy Apparatus又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置.SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對準備制造的零件進行三維實體造型設計 ,再由專門的計算機切片軟件CAD系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對表面形狀變化大和精度要求高的部分應切得薄些 ,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運動指令 ,在結合提升機構沿 Z坐標方向的間歇下降運動 ,形成整個零件的數(shù)控加工指令.指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體容器的液面之下 ,對應于 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上.然后 ,升降工作臺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在前一層已固化的樹脂上.如此反復“生長”,直至形成整個三維實體零件. 三、立體光固造型 SLA國內(nèi)外現(xiàn)有技術水平介紹 　 立體光固造型 SLA方法是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的一種快速成型方法.目前 ,研究SLA方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F&S 公司、CMET 公司、D - MEC 公司、Teijin Seiki 公司、Mitsui Zosen公司、西安交通大學等.美國 3D System公司的 SLA 技術在國際市場上占的比例最大 ,其設備自 1988 年推出 SLA - 250 機型以后 ,又于1997 年推出 SLA - 250HR,SLA - 3500 ,SLA - 5000三種機型 ,在技術上有了長足進步. 其中 ,SLA -3500和 SLA - 5000 使用半導體激勵的固體激光器 ,掃描速度分別達到2.54 m/ s和5m/ s,成型層厚最小可達 0. 05 mm. 此外 ,還采用了一種稱之為Zephyer recoating system的新技術 ,該技術是在每一成型層上 ,用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.05～0. 1 mm 的待固化樹脂 ,使成型時間平均縮短了20 %.該公司于1999年推出的SLA - 7000機型與SLA - 5000 機型相比 成型體積雖然大致相同,但其掃描速度卻達9. 52m/ s,平均成型速度提高了4倍, 成型層厚最小可達0.025 mm,精度提高了1倍.國內(nèi)對 SLA 技術的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理論、控制技術、成型材料等多方面都進行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果.目前西安交通大學開發(fā)的LPS- 600A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產(chǎn)品. 國內(nèi)外研究者在SLA技術的成形機理、控制制件變形、提高制件精度等方面進行了大量研究。 四、sla應用領域 美國克萊斯勒公司(Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風洞中進行空氣動力學試驗分析;此外美國 Dayton 大學還利用 SLA 工藝研制了一種桌面成型系統(tǒng)專門用于人體軟組織器官模型的建造. 五、設計任務 1、固化用激光掃描裝置設計； 2、浸于樹脂液體中的升降托盤設計；（樹脂液面保持高度不變）； 3、排煙裝置設計； 4、刮刀機構設計； 5、整機總裝配圖設計； 6、部分硬件控制電路的設計。（可選） 六、設計參數(shù) 成型空間：400*400*300mm 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：0.1mm Z向定位精度：0.01mm 七、設計思路及注意問題 采用分塊設計的思路，機械結構主要分X——Y掃描系統(tǒng)，工作臺Z方向升降系統(tǒng)，刮刀機構，排煙系統(tǒng)等四部分。 (1) X-Y掃描系統(tǒng)的機械結構 成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的X-Y 動工作臺，它帶動光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結構為步進電機帶動滾珠絲杠驅動掃描頭作X-Y平面運動，掃描范圍為400x400mn，重復定位精度0. 005mn。為減輕質量，提高響應速度，選用鋁材進行設計，并選取大扭矩輸出的高頻響應電機。 掃描系統(tǒng)結構由計算機、X-Y掃描頭、聚焦鏡頭、直線矩形滾動導軌、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。為了減少由于Y方向采用側面驅動結構而造成的擺動，Y方向使用單側直線矩形滾動導軌，為減少X方向負載的質量，連接板及電機座采用鋁材。 2 Z軸升降系統(tǒng) 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。采用步進電機驅動，精密滾珠絲杠傳動及精密導軌導向結構。驅動電機采用混合式步進電機，配合細分驅動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實現(xiàn)高分辨率驅動，省去了中間齒輪級傳動，既減小了尺寸又減小了傳動誤差。軸升降系統(tǒng)如圖所示。 成形零件時，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)孔大小孔距設計要合理，既能使零件的基礎與其能牢固粘結，又要使托板升降運動時最小限度地阻礙液體流動。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 2m 不銹鋼板做成中空行管結構的形狀。 3、刮平系統(tǒng) 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。刮平系統(tǒng)的結構如圖所示。 4、排煙系統(tǒng) 排煙系統(tǒng)作為整體標準件直接選擇并安裝。 I 目 錄 1 緒論 .1 1.1 快速原型技術簡介 .1 1.2 快速成型精度概述 .3 1.3 立體光固造型 SLA 技術原理 .5 1.4 立體光固造型 SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術水平 .6 1.5 立體光固造型 SLA 應用領域 .6 1.6 本次設計的主要工作 .6 2 XY 方向設計計算 .9 2.1 設計任務 .9 2.2 脈沖當量和傳動比的確定 .10 2.3 絲杠的選型及計算 .11 2.4 導軌的選型及計算 .15 2.5 步進電機的選擇 .16 3 Z 方向設計計算 .21 3.1 Z 方向工作臺設計 .21 3.2 脈沖當量和傳動比的確定 .22 3.3 絲杠的選型及計算 .23 3.4 步進電機的選擇 .27 4 刮刀系統(tǒng)設計 .30 4.1 刮板的選擇 .30 4.2 刮板的材料和移動速度對涂層質量的影響 .31 5 設計的改革 .32 5.1 XY 掃描系 統(tǒng)及 Z 方向工作臺 .32 5.2 刮刀機構 .32 5.3 溫控系統(tǒng) .32 總結 .33 致 謝 .34 II 參考文獻 .35 附 錄 .36 本科畢業(yè)設計說明書 1 1 緒論 1.1 快速原型技術簡介 快速原型制造技術(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡稱 RPM ,是先 進制造技術的重要分支.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 年來制造技術最重大進展之一.它建立在 CAD/ CAM 技術、計算機控制技術、數(shù)控技術、檢測技術和材料科學的基礎 之上 ,將計算機輔助設計 CAD 與各種自由造型(Free Form Manufacturing) 技 術直接結合起來 ,能以最快的速度將設計思想物化為具有一定結構功能 的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,從而使產(chǎn)品設計開發(fā)可能進行快速評價、 測試、改進 ,以完成設計制造過程 ,適應市場需求. 1.1.1 RPM 的基本構思 任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標方向迭加而成 , 因此可利用分層切片軟件 ,將計算機產(chǎn)生的 CAD 三維實體模型處理成 一系列薄截面層 ,并根據(jù)各截面層形成的二維數(shù)據(jù) ,用粘貼、熔結、聚合 作用或化學反應等手段 ,逐層有選擇地固化液體(或粘結固體)材料 ,從而 快速堆積制作出所要求形狀的零部件(或模型).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.快速原型制造 技術 RPM 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“使材料生長而不是去掉材料的制造 過程” ,其制造過程的主要特點是: 1、新的加工概念. 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; 2、突破了零件幾何形狀復雜程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或 模型是具有一定功能的三維實體; 3、越過了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實現(xiàn)了 CAD/ CAM 的無縫連接; 4、RPM 系統(tǒng)是辦公室運作環(huán)境 ,真正變成圖形工作站的外設。由于 RPM 可以快速、自動、精確地將 CAD 模型轉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. 1.1.2 幾種典型的快速原型技術 1、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 第 1 章 緒論 2 體印刷裝置. 2、 疊層實體制造 LOM 疊層實體制造 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 ,激光器先按最底層 的 CAD 三維實體模型的切片平面幾何信息數(shù)據(jù) ,對于鋪在工作臺上的 箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺下降一層高度 ,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 ,激光器按對應數(shù)據(jù)作輪廓切割 , 如此反復直至整個三維零件制作完成.LOM 制作的零件不收縮、不變形 ,精 度可達 0.1mm ,切片厚度 0.050.50mm。 3、 選擇性激光燒結 SLS 選擇性激光燒結 Selected Laser Sintering 的生產(chǎn)過程與 SLA 類似 , 用 CO2 紅外激光對金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達到燒 結溫度 ,最后燒結出由金屬或塑料制成的立體結構. 4、 融積成型技術 FDM 融積成型技術(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系 統(tǒng)隨機的 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 噴嘴移動軌跡的幾何信息 .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 .如此反復 ,由下而 上形成一個三維實體.FDM 的制作精度目前可達 0.127mm ,連續(xù)堆積 范圍 0.02540.508mm ,它允許材料以不同的顏色出現(xiàn). 5、 其它快速原型制造技術 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.其加工過程是先把 CAD 設計好的零件模型 裝入模殼設計裝置 ,利用微型機繪制澆注模殼 ,產(chǎn)生一個達到規(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模殼最后加工 ,完成整個加工過程.此 系統(tǒng)能檢測自己的印刷缺陷 ,不需要圖紙 ,就可完成全部加工. 光屏蔽(即 SGCSolid - 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. SGC 工藝使用丙 烯酸鹽類光聚合物材料 ,其制作精度可達整體尺寸的 0.1 %,切片厚度約 為 0.10.15mm ,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) 日本三菱化學最近推出 本科畢業(yè)設計說明書 3 的三菱化學快速制模系統(tǒng),可將原型直接轉換成模具 ,采用稱作“金屬補 強樹脂制模(Metal Resin Moulding)復合料”,制模成本降低為傳統(tǒng)制模的 1/2 ,制模時間縮短了 1/21/3. 奧斯丁的德克薩斯大學正在研究的高溫選 擇激光燒結(HTSLS) ,在取消聚合物粘結劑方面進行了嘗試.結果表明 ,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粉末來 制造模具. 1.1.3 各種成型方法簡介及對比 幾種典型成型工藝的比較 成型 工藝 原型 精度 表面 質量 復雜 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 1.2 快速成型精度概述 研究成型機的成型精度，提高成型精度，對于 RP 技術的推廣和應 用有很重要的影響。制件誤差的產(chǎn)生原因見圖 1-1 所示： 光固化成型由三個環(huán)節(jié)組成:前處理、快速成型加工和后處理。 這三個部分彼此相連，共同完成光固化快速成型過程。每一環(huán)節(jié)中 存在的誤差都會影響到最終成型零件的精度。快速成型的精度為機械精 度和制件精度。 目前影響快速成型最終精度的主要原因由于下幾個方面: 1、CAD 模型的前處理造成的誤差 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 會導致誤差: A: 從本質上看，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; B: 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，造近似結果與實際表面有更 大的誤差; 第 1 章 緒論 4 C: 另外，在進行 ST L 格式轉換時，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。 制 件 誤 差 數(shù)據(jù)處理誤差 成型過程誤差 后處理誤差 分成切片產(chǎn)生誤差 光斑變 化誤差 固化成 型誤差 機器 誤差 Z 方向運動誤差 XY 掃描誤差 圖層誤差 液位波動引起誤差 多光譜造成誤差 參數(shù)補償誤差 樹脂收縮引起工件變型 殘留液態(tài)樹脂不均 勻收縮引起工件變型 CAD 模型面誤差 2、成型系統(tǒng)的工作誤差 CPS250 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、 X-Y 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;X-Y 掃描誤差指的是 X-Y 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。 3、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，分子之間距離改變，相應地造成體積收縮。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)生的應力會造成零件在加工過程中的變形。如 加工一懸臂零件 (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。 本科畢業(yè)設計說明書 5 4、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，工件會繼續(xù)蠕變并導致誤差。成型過程中殘留在工件內(nèi)的殘余 應力也可能由于時效的作用而部分消失而導致誤差。 5、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，對形狀尺寸控制不嚴格，也可能導致誤差。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量的影響。要求支撐的設 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 余應力引起的蠕變也是影響精度的因素之一。設法減小成型過程中的殘 余應力有利于提高零件的成型精度。 1.3 立體光固造型 SLA 技術原理 Stero Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立 體印刷裝置.SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對準備制造的零件進行三維實 體造型設計 ,再由專門的計算機切片軟件 CAD 系統(tǒng)的三維造型切割成若 干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對表面形狀變化大和精度要求高的部分應切得 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 運動指令 ,在結合提升機構沿 Z 坐標方向的間歇下降運動 ,形成整個 零件的數(shù)控加工指令.指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體 容器的液面之下 ,對應于 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 在工作臺上.然后 ,升降工作臺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在前 一層已固化的樹脂上.如此反復“生長”,直至形成整個三維實體零件.如 圖 1-1 所示： 第 1 章 緒論 6 1.4 立體光固造型 SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術水平 立體光固造型 SLA 方法是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應 用最廣泛的一種快速成型方法. 目前 ,研究 SLA 方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F此外美國 Dayton 大學還利用 SLA 工藝研制了一種桌面成型系統(tǒng)專門用于人體軟組織器官模型的建造. 本科畢業(yè)設計說明書 7 1.6 本次設計的主要工作 1.6.1 主要設計工作 1、固化用激光掃描裝置設計； 2、浸于樹脂液體中的升降托盤設計； 3、刮刀機構設計； 4、整機總裝配圖設計； 5、部分硬件控制電路的設計。 1.6.2 設計參數(shù) 1、成型空間：400*400*300mm 2、激光頭最大運行速度：80mm/s; 3、激光頭定位精度：0.005mm 4、上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線導軌軸等的總重量：約 10kg 5、最大成型件重量：約為 10kg 6、固化深度/托盤的層間下降距離：0.1mm 7、Z 向定位精度：0.01mm 1.6.3 設計思路及主要問題 采用分塊設計的思路，機械結構主要分 XY 掃描系統(tǒng)， Z 方向 工作臺升降系統(tǒng)，刮刀機構等三部分。 1、X-Y 掃描系統(tǒng)的機械結構 成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 動工作臺，它帶動光纖和聚焦 鏡完成零件的二維掃描成型。其結構為步進電機帶動滾珠絲杠驅動掃描 頭作 X-Y 平面運動，掃描范圍為 400 x400mn，重復定位精度 0. 005mn。 為減輕質量，提高響應速度，選用鋁材進行設計，并選取大扭矩輸出的 高頻響應電機。 掃描系統(tǒng)結構由計算機、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線圓柱滾動導 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 方向負載的質量，連接板及電機座采用鋁材。 第 1 章 緒論 8 2、Z 軸升降系統(tǒng) 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。采用步進電機驅動， 精密滾珠絲杠傳動及精密導軌導向結構。驅動電機采用混合式步進電機， 配合細分驅動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實現(xiàn)高分辨率驅動，省去了中 間齒輪級傳動，既減小了尺寸又減小了傳動誤差。 成形零件時，托板經(jīng)常做下降、提升運動，為了減少運動時與托板 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、孔距設計要合理，既能使零件的基礎與其能牢固粘 結，又要使托板升降運動時最小限度地阻礙液體流動。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 2m 不銹鋼板做成中空行管結構的形狀。 3、刮平系統(tǒng) 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。 本科畢業(yè)設計說明書 9 2 XY 方向設計計算 成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 工作臺，它帶動光纖和聚焦鏡 完成零件的二維掃描成型。其結構為步進電機帶動滾珠絲杠驅動掃描頭 作 X-Y 平面運動，掃描范圍為 400 x400mn，重復定位精度 0. 005mn。為 減輕質量，提高響應速度，選用鋁材進行設計，并選取大扭矩輸出的高 頻響應電機。 掃描系統(tǒng)結構由計算機、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線滾動導軌、 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。 2.1 設計任務 機械結構裝配圖，A1 圖紙一張。要求重要剖面表達完整，向視表達 完整，視圖適合標準。 2.1.2 設計參數(shù) 系統(tǒng)分辨率 310m 由靜止到最大快進速度過度時間 17ms19ms Pt 工作臺行程 x 向 400mm y 向 400mm 最大快進速度 x 向和 y 向 80mm/s 定位精度 05. 2.1.3 方案的分析、比較、論證 第 2 章 XY 方向設計計算 10 圖 2-1 成型機 X-Y 掃描系統(tǒng) 如上圖 2-1 所示，為西安交通大學開發(fā)的 cps250 成型機 XY 掃描 系 統(tǒng)，其掃描范圍為 250mmx250mm，運動方式采用步進電機驅動高精密同 步帶的方式，其傳動較為平穩(wěn)，傳動件質量比較小，運動特性好。但工 作行程較短，本設計掃描范圍 400mmX400mm,行程較長，若采用步進電 機驅動高精密同步帶的傳動方式，會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，對掃描的精度不利。 故本次設計采用步進電機驅動滾珠絲杠的傳動方式，使運動較為平穩(wěn)。 1、XY 方向掃描進給系統(tǒng)的總體方案設計考慮以下幾點： A工作臺應具有沿縱向和橫向往復運動、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)。 B在保證一定加工性能的前提下，結構應簡單，以求降低成本。 因此進給伺服統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 C 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。 D 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，并應有預緊裝置，以提高傳動 剛度和消除間隙。 E 為減少導軌的摩擦阻力，選用滾動直線導軌。 2、進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如下頁圖 2-2 所示： 微 機 驅 動 器 驅 動 器 功 率 放 大 功 率 放 大 步進電 機 步進電 機 X 向 Y 向 波紋管 波紋管 圖 2-2 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 本科畢業(yè)設計說明書 11 2.2 脈沖當量和傳動比的確定 2.2.1 脈沖當量的確定 脈沖當量 即系統(tǒng)分辨率。本設計中， pp310m 2.2.2 傳動比的確定 當 1 時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結構，提高i 精度。因此本設計中取 1。i 2.2.3 確定步進電機步距角 根據(jù)公式 pbLi360 其中 為傳動比， 為電機步距角，b 為滾珠絲杠導程，0 為脈沖當量。p 因為 1， 0.001mm，現(xiàn)取 4mm，可得 0.09 o。由于其i 0Lb 步距角很小，所以將采用有細分電路的驅動結構。 2.3 絲杠的選型及計算 2.3.1 計算絲杠受力 由于工作臺質量較小，且只承擔傳動作用，不承受任何切削力，故 本設計中只考慮導軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時的慣性力。 1、導軌摩擦力的計算 根據(jù)摩擦力計算公式： f=mg X 向：工作拖板質量 =10kg 采用滾動導軌，=0.005xm =109.80.005=0.49Ngfx Y 向：取激光頭及移動部件質量為 =3kg =0.005y =39.80.005=0.147Nfy 2、工作臺慣性力的計算 第 2 章 XY 方向設計計算 12 取平均加速時間 t=18ms,由于系統(tǒng)最大移動速度 =80 ，經(jīng)計maxVs 算得，系統(tǒng)加速度 a= 24.ms = =104.4=44N1Fax = =34.4=13.2N2y 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 由于轉速較大，滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)其使用壽命選 擇絲杠的基本尺寸并較核其承載能力是否超過額定動載荷。 1、最大工作載荷的計算 本設計中，工作臺最大載荷應該是導軌摩擦力與加減速慣性力的總 和 所以， X 向： x1F40.9.4xfN Y 向： y23173y 2、最大動載荷 的計算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動載荷 可用下式計算： 見機電一體化系統(tǒng)設計手冊式（2.8-11）hnKFf P829 式中：F 滾珠絲杠副的軸向負荷（N） -影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù)；f 285.01.3.095.wfkahtf 為溫度系數(shù) 工作溫度小于 125， =0.95tf tf 為硬度系數(shù) 硬度大于 58HRC， =1.0h h 為精度系數(shù) 精度等級取三級， =1.0af af 為負荷性質系數(shù) 無沖擊平穩(wěn)運轉， =1.1w w 為可靠性系數(shù) 可靠度 98%， =0.33kf kf -滾珠絲杠副的額定動負荷（N）aC -滾珠絲杠副的計算動負荷（N） 本科畢業(yè)設計說明書 13 -各類機械所用的滾珠絲杠的推薦壽命, 取 15000hhL hL -壽命系數(shù),K1.3)50(hL -轉速系數(shù)，n .nK 經(jīng)計算得： X 向 C=1613N Y 向 C=483.9N 查機電一體化系統(tǒng)設計手冊P770, 本設計選內(nèi)循環(huán)浮動返回器 雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副 FFZ1604,其參數(shù)如下：W16m4D239C01ao公 稱 直 徑 d基 本 導 程滾 珠 直 徑 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，額 定 動 載 荷 6額 定 靜 載 荷 選取絲杠精度等級為 1 級。 3、傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 為 )(tg 式中： 為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) 0.0030.005,f 其摩擦角約等于 。01 所以， 96.0)3()(tgt 4、定位精度驗算 滾珠絲杠副的軸向剛度會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動平穩(wěn)性。 由于軸向剛度不足引起的軸向變形量一般不應大于機床定位精度的一半。 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。滾珠絲杠的扭轉變形較小，對縱向變形的影響更 小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計，只要 滾珠絲杠支承的剛度設計得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考 慮。 第 2 章 XY 方向設計計算 14 A絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 見機電一體化系統(tǒng)設計手冊 P841EALFm1 式中： 為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm） ； 為絲杠的工作載荷(N)； 為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)； E 為材料彈性模量，對鋼 E20.610 4MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“”號用于拉伸， “”號用于壓縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW2mm，螺 紋 滾 道 曲 率 半 徑 0.52.1.04WRm滾 珠 直 徑 wm0.7(/).7(.2/).8we偏 心 距 1d16839e螺 桿 小 徑 2221.4Ad.15.4滾 珠 絲 桿 按 內(nèi) 徑 確 定 的 截 面 積 其中， 為絲杠公稱直徑。 為絲杠底徑。m1 取 X 向進給的絲杠長度 L550mm，Y 向進給的絲杠長度 L550mm。 所以，X 向： 14.950263.2m 7 Y 向： .1 B絲杠與螺母間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關，即與滾珠總數(shù)量有關，與滾珠絲杠 長度無關。其計算公式： 見機電一體化系統(tǒng)設計手冊P841mcFCK 式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N） ； 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 =580N/ 。CKm 所以，X 向： CX4.90.8m5 本科畢業(yè)設計說明書 15 Y 向： C13.470.2m58 絲杠的總的變形量 應小于允許的變形量。一般 不應大于 機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因為，X 向： 12.8.3 . Y 向： 0024 取絲杠精度等級為 1 級，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 (機電m 一體化系統(tǒng)設計手冊P752)，加上絲杠副的總變形量 0.83 、0.24 ，可以滿足機床的定位精度 0.01/400 的要求。m 5、壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使 絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 KF 見機電一體化系統(tǒng)設計手冊公式（2.8- 2110KfEJFL 15）P830 式中： J 為絲杠軸最小截面慣性矩 ，對絲杠圓截面 ， （d 24()m46J 為絲杠底徑， ） ；201.wdD L 為絲杠最大工作長度（m） ； E 為材料的拉、壓彈性模量，對鋼 E2.110 11Pa； 為絲杠支承方式系數(shù)。本設計中，絲杠為長絲杠，故支承方式1f 選用一端軸向固定一端游動，即 2；1f 為安全系數(shù)，取 =1/31K1K 。 449423.06.70()6dJ m 所以： 212. 16.23KF 臨界載荷 遠大于絲杠工作載荷 （ =44.49N, =13.347N） ，mFxmyF 因此滾珠絲杠不會失穩(wěn)。 2.4 導軌的選型及計算 2.4.1 初選導軌型號 導軌為直線滾動導軌，根據(jù)縱向最大動載荷 C=1613N,橫向最大動載 第 2 章 XY 方向設計計算 16 荷 C483.9N，通過查機電一體化系統(tǒng)設計手冊表 2.9-38 P893， 初選 3 條導軌的型號都為 GTB16。其參數(shù)如下：1650ml， 2.4.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 L 滾動導軌副的距離額定壽命可用下列公式計算： 滾動體為球時 見機電一體化設計手冊公 350aTCWfLF 式（6.3-1）P6-134 式中： 為滾動導軌副的距離額定壽命（km） ； 為額定載荷（N） ，從機電一體化設計手冊表 2-10 查aC 得 8820N； 為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過 1000C 時， 1；Tf Tf 為接觸系數(shù)，每根導軌條上裝二個滑塊時 0.81；C 為載荷/速度系數(shù)，無外部沖擊或振動的低速運轉場合Wf 時， 1.2。min/v15Wf 為每個滑塊的工作載荷（N） 。F X 向： 4.9/1.2 Y 向： 37m 所以，X 向： 39820.857.10km51L Y 向： 39.1.63.472 均大于滾動導軌的期望壽命，滿足設計要求，初選的滾動導軌副可采L 用。 2.5 步進電機的選擇 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器 接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的 角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？?以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時 可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速 本科畢業(yè)設計說明書 17 的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤 差(精度為 100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR） 、永磁式步進電 機（PM） 、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度 或 15 度； 反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料 制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相 和五相：兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種 步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。 步進電機的一些特點： 1、 一般步進電機的精度為步進角的 3-5%，且不累積。 2、步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力下降 乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料 的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚 至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80-90 度完全正 常。 3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢； 頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的 增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4、步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴 有嘯叫聲。 2.5.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)是轉動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。 由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件 轉動慣量向電機軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸 上的總轉動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。本設計需要對絲杠,工作臺 進行轉動慣量的計算。 1、滾珠絲杠轉動慣量 的折算SJ 滾珠絲杠轉動慣量： 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 P346 407.81SmJDL 其中 為絲杠公稱直徑（cm）, 第 2 章 XY 方向設計計算 18 為絲杠有效行程（mm）0L4 27.81.60.4SJkgcm 2、工作臺質量 的折算G 工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣 GJ 可按下式進行計算： 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 P346MLJG20)( 式中， 為絲杠導程（cm） ； 為工作臺質量（kg） 。 所以，X 向： 22 20.4()10.43GJ kgcm Y 向： .LM 3、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量 計算J X 向： 22.04.08SGJkgcm Y 向： 15 2.5.2 所需轉動力矩計算 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電 機所需空載啟動力矩可按下式計算： 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 max0fM P343 式中： 為空載啟動力矩（Ncm） ； 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折ax 算到電機軸上的加速力矩（Ncm） ； 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（Ncm） ；f 為由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩0 （Ncm） 。 有關 的各項力矩值計算如下：M 1、加速力矩 2maxmax106nJt 本科畢業(yè)設計說明書 19 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 P346max360bpvn 式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量； 為電機最大角加速度；J 為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；t 為運動部件從max 靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間， 為運動部件最大快進速maxv 度； 為初選步進電機的步距角； 為脈沖當量。bpmax480.9120/in36.36bpvnr X 向： 2 2axmax .40. 145.08MJ cmt Y 向： 2 2maxax 3.1.053.866nt 2、空載摩擦力矩 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 P3460fGLMi 式中： 為運動部件的總重量； 為導軌摩擦系數(shù)；f 為傳動降速比；i 為傳動系數(shù)總效率，取 0.8； 為滾珠絲杠的基本導程。0L X 向： 19.805.40231fMcm Y 向： .f 3、附加摩擦力矩 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 2001PLi P346 式中： 為滾珠絲杠預緊力， = /3；0 0PxF 為滾珠絲杠預緊時的傳動效率，現(xiàn)取 0.9。0 第 2 章 XY 方向設計計算 20 X 向： 204.901.90.56638Mcm Y 向： 17. 所以，步進電機所需空載啟動轉矩： X 向： max0145.0.5614.8f c Y 向： 3823f m 步進電機所需空載啟動所需轉矩 M，步進電機啟動力矩 關系如下：qM0.4q 所以，X 向： =364.215 3.64cmN Y 向： =358.355q58 為滿足最小步距角要求，查表知步進電機最大靜轉矩 與步進maxjM 電機啟動力矩的關系為： maxqjM 查經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計表 7-2 P347 得 0.866。所以， X 向： a4.2j Y 向： x13j 綜合考慮，查表選擇 57BYGH101 型步進電機，如圖 2-3、2-4 所示： 圖 2-3 本科畢業(yè)設計說明書 21 圖 2-4 外型尺寸及參數(shù)如表 2-1 所示： 電機型號 相數(shù) 步距角 最大靜轉距 電壓 電流 分配方式 57BYGH101 4 0.9 )(4.9(N.m) 3 V 1.3 A 雙項四拍 3 Z 方向設計計算 3.1 Z 方向工作臺設計 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。采用步進 電機驅動，精密滾珠絲杠傳動 及精密導軌導向結構。驅動電 機采用混合式步進電機，配合 細分驅動電路，與滾珠絲杠直 接聯(lián)接實現(xiàn)高分辨率驅動，省 去了中間齒輪級傳動，既減小 了尺寸又減小了傳動誤差。軸 升降系統(tǒng)如圖 3-1 所示。 成形零件時，托板經(jīng)常作 圖 3-1 軸 升 降 系 統(tǒng) 第 3 章 Z 方向設計計算 22 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)孔大小孔距設計要合理， 既能使零件的基礎與其能牢固粘結，又要使托板升降運動時最小限度地 阻礙液體流動，本設計中取孔距 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構的形狀。 3.1.1 設計任務 機械結構裝配圖，A0 圖紙一張。要求重要剖面表達完整，向視表達 完整，視圖適合標準。 3.1.2 設計參數(shù) 系統(tǒng)分辨率 310m 由靜止到最大快進速度過度時間 11ms13ms Pt 工作臺行程 300mm 最大快進速度 m/s60 定位精度 .1 3.1.3 方案的分析、比較、論證 1、Z 方向掃描進給系統(tǒng)的總體方案設計應考慮因素 A工作臺應具有沿縱向往復運動、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)。 B在保證一定加工性能的前提下，結構應簡單，以求降低成本。 因此進給伺服統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 C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，并應有預緊裝置，以提高傳動剛度和消除間隙。 D 為減少導軌的摩擦阻力，選用滾動直線導軌。 2、進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 本科畢業(yè)設計說明書 23 圖 3-2 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 3.2 脈沖當量和傳動比的確定 3.2.1 脈沖當量的確定 脈沖當量 即系統(tǒng)分辨率。本設計中， pp310m 3.2.2 傳動比的確定 當 1 時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結構，提高i 精度。因此本設計中取 1。i 3.2.3 確定步進電機步距角 根據(jù)公式 pbLi360 其中 為傳動比， 為電機步距角，b 為滾珠絲杠導程，0 為脈沖當量。p 因為 1， 0.001mm，現(xiàn)取 4mm，可得 0.09 o。由于其i 0Lb 步距角很小，所以將采用有細分電路的驅動結構。 3.3 絲杠的選型及計算 3.3.1 計算絲杠受力 由于工作臺質量較小，且只承擔傳動作用，不承受任何切削力，故 本設計中只考慮導軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時的慣性力。 1、移動件及最大成型件重量的計算 第 3 章 Z 方向設計計算 24 根據(jù)摩擦力計算公式： G=mg 移動部件質量 =10kg 最大成型件重量 =10kg1m2m =209.8=196N2()Gg 2、3.3.1.2 工作臺慣性力的計算 取平均加速時間 t=12ms,由于系統(tǒng)最大移動速度 = ，經(jīng)計maxV160s 算得，系統(tǒng)加速度 a= 21.4ms = =201.4=28NFa 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 由于轉速較大，滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)其使用壽命選 擇絲杠的基本尺寸并較核其承載能力是否超過額定動載荷。 1、最大工作載荷的計算 本設計中，工作臺最大載荷應該是導軌摩擦力與加減速慣性力的總 和 所以， 1F96284GN 2、最大動載荷 的計算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動載荷 可用下式計算： 見機電一體化系統(tǒng)設計手冊式（2.8-11）fKnh P829 式中： F 滾珠絲杠副的軸向負荷（N） -影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù)；f 285.01.3.095.wfkaht 為溫度系數(shù) 工作溫度小于 125， =0.95tf tf 為硬度系數(shù) 硬度大于 58HRC， =1.0h h 為精度系數(shù) 精度等級取三級， =1.0af af 本科畢業(yè)設計說明書 25 為負荷性質系數(shù) 無沖擊平穩(wěn)運轉， =1.1wf wf 為可靠性系數(shù) 可靠度 98%， =0.33k k -滾珠絲杠副的額定動負荷（N）aC -滾珠絲杠副的計算動負荷（N） -各類機械所用的滾珠絲杠的推薦壽命, 取 15000hhL hL -壽命系數(shù),K1.3)50(hL -轉速系數(shù)，n .nK 經(jīng)計算得： C=8122N 查機電一體化系統(tǒng)設計手冊P770, 本設計選內(nèi)循環(huán)浮動返回器 雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副 FFZ3204,其參數(shù)如下：W32m4D9C043ao公 稱 直 徑 d基 本 導 程滾 珠 直 徑 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，額 定 動 載 荷 1額 定 靜 載 荷 選取絲杠精度等級為一級。 3、傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 為 )(tg 式中： 為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) 0.0030.005,f 其摩擦角約等于 。01 所以， 96.0)3()(tgt 4、定位精度驗算 滾珠絲杠副的軸向剛度會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動平穩(wěn)性。 由于軸向剛度不足引起的軸向變形量一般不應大于機床定位精度的一半。 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 第 3 章 Z 方向設計計算 26 觸變形、絲杠的扭轉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。滾珠絲杠的扭轉變形較小，對縱向變形的影響更 小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計，只要 滾珠絲杠支承的剛度設計得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考 慮。 A絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 EALFm1 式中： 為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm） ；1 為絲杠的工作載荷(N)；m 為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)；L E 為材料彈性模量，對鋼 E20.610 4MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“”號用于拉伸， “”號用于壓縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW3 mm， 0.52.31.56WRm螺 紋 滾 道 曲 率 半 徑wm滾 珠 直 徑 .7(/).7(./2)0.4we偏 心 距 1d0489e螺 桿 小 徑 22213.Ad.65.m滾 珠 絲 桿 按 內(nèi) 徑 確 定 的 截 面 積 其中， 為絲杠公稱直徑。 為絲杠底徑。m 取絲杠長度 L420mm。 所以， 1420.658.m 9 B絲杠與螺母間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關，即與滾珠總數(shù)量有關，與滾珠絲杠 長度無關。其計算公式： 見機電一體化系統(tǒng)設計手冊P841mcFCK 式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N） ； 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 =580N/CKm 本科畢業(yè)設計說明書 27 所以， C240.39m58 絲杠的總的變形量 應小于允許的變形量。一般 不應大于21 機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因為： 12.08 .6 取絲杠精度等級為 1 級，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 ，加上絲m 杠副的總變形量 1.08 ，可以滿足機床的定位精度的 0.01/300 要求。m 5、壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使 絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 為KF 見機電一體化系統(tǒng)設計手冊公 2110cfEJFKL 式（2.8-15）P830 式中： J 為絲杠軸最小截面慣性矩 ，對絲杠圓截面 ， （d 24()m46J 為絲杠底徑， ） ；201.wdD L 為絲杠最大工作長度（m） ； E 為材料的拉、壓彈性模量，對鋼 E2.110 11Pa； 為絲杠支承方式系數(shù)。本設計中，絲杠為長絲杠，故支承方式1f 選用一端軸向固定一端游動，即 2。1f 為安全系數(shù)，取 =1/31K1K 。 449423.0283.0()6dJ m 所以： 12. 15769KF 臨界載荷 遠大于絲杠工作載荷 =224N，因此滾珠絲杠不會失穩(wěn)。mF 3.4 步進電機的選擇 3.4.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)是轉動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。 由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件 轉動慣量向電機軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸 上的總轉動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。本設計需要對絲杠,工作臺 第 3 章 Z 方向設計計算 28 進行轉動慣量的計算。 1、滾珠絲杠轉動慣量 的折算SJ 滾珠絲杠轉動慣量： ；其中 為絲杠公稱直407.81mDLm 徑（cm）, 為絲杠有效行程（mm）0L4 27.813.20.5SJkgc 2、工作臺質量 的折算GJ 工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣 GJ 可按下式進行計算： ML20)( 式中， 為絲杠導程（cm） ；0L 為工作臺質量（kg） 。M 所以， 22 20.3()0.514GJ kgcm 3、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量 計算J224.50.5SGJkgc 3.4.2 所需轉動力矩計算 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電 機所需空載啟動力矩可按下式計算： 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計P343max0fM 式中： 為空載啟動力矩（Ncm） ； 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電ax 機軸上的加速力矩（Ncm） ； 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（Ncm） ；f 為由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 （Ncm） 。0 有關 的各項力矩值計算如下：M 1、加速力矩 2maxmax106nJt 本科畢業(yè)設計說明書 29 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 P346max360bpvn 式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量； 為電機最大角加速度；J 為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；t 為運動部件從max 靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間， 為運動部件最大快進速maxv 度； 為初選步進電機的步距角； 為脈沖當量。bp max10.9250/in36.36bpvnr2axax23.1450. 35.nMJ cmt 2、空載摩擦力矩 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 0fGLi P346 式中： 為運動部件的總重量； 為導軌摩擦系數(shù)；f 傳動降速比；i 為傳動系數(shù)總效率，取 0.8； 為滾珠絲杠的基本導程。0L29.805.30614fMcm 3、附加摩擦力矩 見經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計 P346200PLi 式中： 為滾珠絲杠預緊力， = /3；0PxF 為滾珠絲杠預緊時的傳動效率，現(xiàn)取 0.9。0 0224.31.9.68Mcm 所以，步進電機所需空載啟動所需轉矩： max05.061.537.28f c 步進電機所需空載啟動所需轉矩 M，步進電機啟動力矩 關系如下：qM.4q 第 3 章 Z 方向設計計算 30 所以， =1343.2qM1.4cmN 為滿足最小步距角要求，查表知步進電機最大靜轉矩 與步進maxjM 電機啟動力矩的關系為： maxqj 查經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計表 7-2 P347 得 0.866。所以，ax15.j 綜合考慮查表選擇 57BYGH306 型步進電機如圖 3-3 所示： 外型尺寸及參數(shù)如表 3-1 所示： 電機型號 相數(shù) 步距角 最大靜轉距 電壓 電流 分配方式 57BYGH101 4 0.9 )(16 N.m 3 V 1.3 A 雙項四拍 第 4 章 刮刀系統(tǒng)設計 30 4 刮刀系統(tǒng)設計 4.1 刮板的選擇 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: 1、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。 2、第二步刮板按設定次數(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。 如果使用粘性大的樹脂，這種裝置是必不可少的。由于樹脂對刮板 的粘附作用，刮板刮過之后，液面的實際位置要比刮板底面所在的位置 低。同時，刮板刮走多余的樹脂，刮板前面的樹脂由于堆積而造成刮板 前后液面存在高度差，導致刮板前面的樹脂向后流動的回流現(xiàn)象，影響 層厚精度和液面的平整。為此必須采取相應措施，來提高液面的位置精 度和層厚精度。 不同的刮板形狀會形成不同的涂層質量，刮板的形狀可以設計成多 樣，但哪種最合適還取決于樹脂的粘性。一般講，圖 a 所示的刃口式刮 板比較適合粘性稍大的樹脂，圖 b 所示的燕尾式刮板適合中等粘度的樹 脂。對于刃口形狀的刮板，要求刃口側面的光潔度越高越好。 刃口式刮板的優(yōu)點是:由于刮平時刮板底面與液面的實際接觸面積很 本科畢業(yè)設計說明書 31 小，近似為線接觸。因此，刮板移動時對樹脂的帶動作用較小;較高的光 潔度使樹脂不致過多地粘在刃口表面上，以盡量避免往復運動時破壞己 修平的液面。燕尾式刮板與液面是面接觸，對于流動性較好的樹脂，可 以較好地阻止刮板前后由于高度差引起的回流。同時燕尾槽結構可以暫 時儲存多余的樹脂，對液面有微量地補償修平作用。故本設計中采用燕 尾槽截面形狀的刮板。 4.2 刮板的材料和移動速度對涂層質量的影響 刮板在液面上移動時，樹脂被帶動的實質是固液兩相之間的吸附作 用，減小二者的吸附作用，就能減少刮板移動時帶走的樹脂量。根據(jù)固 液兩相之間的浸潤機理可知，刮板應該選用表面張力值較小的材料，如 金屬鋁、有機物聚四氟乙烯等。刮板速度高，可以使刮板前的樹脂來不 及回流，但是太高會帶動己成形部分，影響位置精度，同時液面的修平 效果不好。 為方便零件的采購與安裝，刮刀機構的驅動所采用的方式以及零件 的規(guī)格均與掃描系統(tǒng)相同，為滿足對刮平速度的不同要求，選取速度可 控的伺服電機。電機型號及主要參數(shù)為下表 4-1 所示： 伺服電機型號技術參數(shù) 單位 40CB005C-2DE6E 額定輸出功率 W 50 額定轉矩 N.m 0.16 瞬間最大