立體光固化造型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)_機(jī)械儀表_工程科技_專業(yè)資料

1、目目 錄錄1 緒論.1快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介 .1快速成型精度概述 .3立體光固造型 SLA 技術(shù)原理 .51.4 立體光固造型 SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平.6立體光固造型 SLA 應(yīng)用領(lǐng)域 .61.6 本次設(shè)計(jì)的主要工作.62 XY 方向設(shè)計(jì)計(jì)算.9設(shè)計(jì)任務(wù) .92.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定.102.3 絲杠的選型及計(jì)算.112.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算.152.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇.163 Z 方向設(shè)計(jì)計(jì)算.213.1 Z 方向工作臺(tái)設(shè)計(jì).213.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定.223.3 絲杠的選型及計(jì)算.233.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇.274 刮刀系統(tǒng)設(shè)計(jì).304.1 刮板的選擇.304.2 刮板的材料

2、和移動(dòng)速度對(duì)涂層質(zhì)量的影響.315 設(shè)計(jì)的改革.325.1 XY 掃描系統(tǒng)及 Z 方向工作臺(tái).325.2 刮刀機(jī)構(gòu).325.3 溫控系統(tǒng).32總結(jié).33致 謝.34參考文獻(xiàn).35附 錄.361 1 緒論緒論快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介快速原型技術(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 ,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

3、(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. RPM 的基本構(gòu)思任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標(biāo)方向迭加而成 ,因此可利用分層切片軟件 ,將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的 CAD 三維實(shí)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(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段 ,逐層有選擇地固化液體(或粘結(jié)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(mater

4、ial remove)概念 ,先利用 CAD 技術(shù)作出零件的三維圖形 ,然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析(有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等) ,再經(jīng)動(dòng)態(tài)仿真之后 ,通過 CAM 的一個(gè)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(jī)床上加工成形.快速原型制造技術(shù) 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(diǎn)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

5、用率極高;2、突破了零件幾何形狀復(fù)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(shí)體;3、越過了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實(shí)現(xiàn)了 CAD/ CAM 的無縫連接;4、RPM 系統(tǒng)是辦公室運(yùn)作環(huán)境 ,真正變成圖形工作站的外設(shè)。由于 RPM 可以快速、自動(dòng)、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(duì)于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、控制風(fēng)險(xiǎn)、提高企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力 ,都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義. 幾種典型的快速原型技術(shù)1、立體光固造型 SLAStero Lightgraphy Apparatus 又稱

6、激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置. 2、 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) ,切片厚度 0.050.50mm。3、 選擇性激光燒結(jié) SLS選擇性激

7、光燒結(jié) Selected Laser Sintering 的生產(chǎn)過程與 SLA 類似 ,用 CO2 紅外激光對(duì)金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達(dá)到燒結(jié)溫度 ,最后燒結(jié)出由金屬或塑料制成的立體結(jié)構(gòu).4、 融積成型技術(shù) FDM融積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機(jī)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(dòng)軌跡的幾何信息.運(yùn)作時(shí) ,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(jī)控制下 ,噴嘴沿著 CAD 確定的平

8、面幾何信息數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)并同時(shí)擠出半流動(dòng)的材料 ,沉積固化成精確的實(shí)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(fù) ,由下而上形成一個(gè)三維實(shí)體.FDM 的制作精度目前可達(dá) ,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(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

9、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 SGCSolid - 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 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 508 508 356

10、mm ,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 1/21/3. 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)比幾種典型成型工藝的比較

11、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 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。制件誤差的產(chǎn)生原因見圖 1-1 所示：光固化成型由三個(gè)環(huán)節(jié)組成:前處理、快速成型加工和后處理。這三個(gè)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(huì)影響到最終成型零件的精度?？焖俪尚偷木葹闄C(jī)械精度和制件精度。目前影響快速成型最終

12、精度的主要原因由于下幾個(gè)方面:1、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。在對(duì)三維 CAD 模型分層切片前，需作實(shí)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(jiǎn)單，便于后續(xù)的分層處理。STL 格式中每個(gè)三角面片只用四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向矢量，而整個(gè) 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(huì)導(dǎo)致誤差:A: 從本質(zhì)上看，三角面的組合，不可能完全表達(dá)實(shí)際表面，

13、所以，誤差無法避免;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;C: 另外，在進(jìn)行 ST L 格式轉(zhuǎn)換時(shí)，有時(shí)會(huì)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(jī)器誤差Z 方向運(yùn)動(dòng)誤差XY 掃描誤差圖層誤差液位波動(dòng)引起誤差多光譜造成誤差參數(shù)補(bǔ)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(jī)成型系統(tǒng)的工作誤差按照

14、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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(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。在這個(gè)過程中，伴有加熱作用，這些因素會(huì)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(huì)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。4、成型之后環(huán)境

15、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。成型過程中殘留在工件內(nèi)的殘余應(yīng)力也可能由于時(shí)效的作用而部分消失而導(dǎo)致誤差。5、工件后處理造成誤差通常，成型后的工件需進(jìn)行打磨、拋光和表面涂鍍等后處理。如果后處理不當(dāng)，對(duì)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(shí)對(duì)表面質(zhì)量的影響。要求支撐的設(shè)計(jì)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(shí)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

16、精度。“生長”,直至形成整個(gè)三維實(shí)體零件.如圖 1-1 所示：1.41.4 立體光固造型立體光固造型 SLASLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平立體光固造型 SLA 方法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.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(xué)等.美國 3D System 公司的 SLA 技術(shù)在國際市場(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 19

17、97 年推出 SLA - 250HR,SLA - 3500 ,SLA - 5000 三種機(jī)型 ,在技術(shù)上有了長足進(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 2.54 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 0.050. 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

18、 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) 0.025 mm,精度提高了 1 倍.國內(nèi)對(duì) SLA 技術(shù)的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理論、控制技術(shù)、成型材料等多方面都進(jìn)行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果.目前西安交通大學(xué)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(shù)的成形機(jī)理、控制制件變形、提高制件精度等方面進(jìn)行了大量研究。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(fēng)洞中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析;此外美國 Dayton

19、 大學(xué)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. 1.61.6 本次設(shè)計(jì)的主要工作本次設(shè)計(jì)的主要工作 主要設(shè)計(jì)工作1、固化用激光掃描裝置設(shè)計(jì)；2、浸于樹脂液體中的升降托盤設(shè)計(jì)； 3、刮刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；4、整機(jī)總裝配圖設(shè)計(jì)；5、部分硬件控制電路的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)參數(shù)1、成型空間：400*400*300mm2、激光頭最大運(yùn)行速度：80mm/s;3、激光頭定位精度：4、上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線導(dǎo)軌軸等的總重量：約 10kg5、最大成型件重量：約為 10kg6、固化深度/托盤的層間下降距離：7、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 XY

20、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。1、X-Y 掃描系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 動(dòng)工作臺(tái)，它帶動(dòng)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(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)掃描頭作 X-Y 平面運(yùn)動(dòng)，掃描范圍為 400 x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。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)。掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線圓柱滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等組成。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)。為減少 X 方向負(fù)載的

21、質(zhì)量，連接板及電機(jī)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(yùn)動(dòng)的功能，它帶動(dòng)托板上下移動(dòng)。每固化一層，托板要下降 1 個(gè)層厚。它是實(shí)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(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)。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。 成形零件時(shí)，托板經(jīng)常做下降、提升運(yùn)動(dòng)，為了減少運(yùn)動(dòng)時(shí)與托板對(duì)液面的攪動(dòng)，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

22、，網(wǎng)孔大小、孔距設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)最小限度地阻礙液體流動(dòng)。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(duì)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(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。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(dòng)而達(dá)到液面平整的話，就會(huì)需要很長的時(shí)間，特別是在固化面積較大的零件時(shí)。刮平運(yùn)動(dòng)可以使液面盡快流平，提高涂層效率。 刮平過程包括兩個(gè)步驟:第一步托板下降較

23、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。第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，尚需等待一定的時(shí)間才能平整。等待時(shí)間的長短要根據(jù)樹脂的流動(dòng)性、零件尺寸的大小而定。2 2 XYXY 方向設(shè)計(jì)計(jì)算方向設(shè)計(jì)計(jì)算成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 工作臺(tái)，它帶動(dòng)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(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)掃描頭作 X-Y 平面運(yùn)動(dòng)，掃描范圍為 400 x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)

24、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)。掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等組成。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)。設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)任務(wù) 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A1 圖紙一張。要求重要剖面表達(dá)完整，向視表達(dá)完整，視圖適合標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計(jì)參數(shù)系統(tǒng)分辨率 31 10 mm由靜止到最大快進(jìn)速度過度時(shí)間 17ms19ms Pt工作臺(tái)行程 x 向 400mm y 向 400mm最大快進(jìn)速度 x 向和 y 向 80mm/s定位精度 mm005. 0 方案的分析、比較、論證

25、圖 2-1 成型機(jī) X-Y 掃描系統(tǒng)如上圖 2-1 所示，為西安交通大學(xué)開發(fā)的 cps250 成型機(jī) XY 掃描系統(tǒng)，其掃描范圍為 250mmx250mm，運(yùn)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精密同步帶的方式，其傳動(dòng)較為平穩(wěn)，傳動(dòng)件質(zhì)量比較小，運(yùn)動(dòng)特性好。但工作行程較短，本設(shè)計(jì)掃描范圍 400mmX400mm,行程較長，若采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精密同步帶的傳動(dòng)方式，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)掃描的精度不利。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，使運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。1、XY 方向掃描進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)考慮以下幾點(diǎn)：A工作臺(tái)應(yīng)具有沿縱向和橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、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

26、工性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，以求降低成本。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)。C 縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們各自由各的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、波紋管、絲杠螺母副組成。D 為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)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(dòng)剛度和消除間隙。E 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。2、進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如下頁圖 2-2 所示：微機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器功率放大功率放大步進(jìn)電 機(jī)步進(jìn)電 機(jī)X 向Y 向波紋管波紋管圖 2-2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖2.22.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 脈沖當(dāng)量的確定脈沖當(dāng)量即系統(tǒng)分辨

27、率。本設(shè)計(jì)中，pp31 10 mm為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（Ncm） ；fM 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （Ncm） 。0M有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：M1、加速力矩2maxmax21060anMJJt 見經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) P346maxmax360bpvn式中：為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電機(jī)最大角加速度；J為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動(dòng)部件從maxn靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間，為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速maxv度；為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量。bp maxmax1000 0.09250 /min3600.001 360bpvnr

28、22maxmax22 3.14 2501024.5510535.326060 0.012anMJcmt2、空載摩擦力矩 見經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 02fGf LMiP346式中：為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；G為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；f 傳動(dòng)降速比；i為傳動(dòng)系數(shù)總效率，取0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。0L20 9.8 0.005 0.30.062 3.14 0.8 1fMcm3、附加摩擦力矩 見經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) P3462000012P LMi式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力，=/3；0P0PxF為滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取0.9。0020224 0.31 0.91.96 3.14 0.8 1Mcm所以，步進(jìn)電

29、機(jī)所需空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩：max0535.320.06 1.9537.28afMMMMcm步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩 M，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩關(guān)系如下：qM0.4qMM 所以，qM13.34cmN m為滿足最小步距角要求，查表知步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩與步進(jìn)maxjM電機(jī)啟動(dòng)力矩的關(guān)系為： maxqjMM查經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)表 7-2 P347 得0.866。所以，max15.5jMm綜合考慮查表選擇 57BYGH306 型步進(jìn)電機(jī)如圖 3-3 所示：外型尺寸及參數(shù)如表 3-1 所示：電機(jī)型號(hào)相數(shù)步距角最大靜轉(zhuǎn)距電壓電流分配方式57BYGH1014)(3 V1.3 A雙項(xiàng)四拍4 4 刮刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)刮刀

30、系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.14.1 刮板的選擇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(dòng)而達(dá)到液面平整的話，就會(huì)需要很長的時(shí)間，特別是在固化面積較大的零件時(shí)。刮平運(yùn)動(dòng)可以使液面盡快流平，提高涂層效率。刮平過程包括兩個(gè)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(gè)層厚的位置。2、第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，尚需等待一定的時(shí)間才能平整。等待時(shí)間的長短要根據(jù)樹脂的流動(dòng)性、零件尺寸的大小而定。如果

31、使用粘性大的樹脂，這種裝置是必不可少的。由于樹脂對(duì)刮板的粘附作用，刮板刮過之后，液面的實(shí)際位置要比刮板底面所在的位置低。同時(shí)，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(dǎo)致刮板前面的樹脂向后流動(dòng)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(yīng)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(huì)形成不同的涂層質(zhì)量，刮板的形狀可以設(shè)計(jì)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(duì)于刃口形狀的刮板，要求刃口側(cè)面的光潔度越高越好。刃口式刮板的優(yōu)點(diǎn)是:由于刮平時(shí)刮板底面與

32、液面的實(shí)際接觸面積很小，近似為線接觸。因此，刮板移動(dòng)時(shí)對(duì)樹脂的帶動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)破壞己修平的液面。燕尾式刮板與液面是面接觸，對(duì)于流動(dòng)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(shí)燕尾槽結(jié)構(gòu)可以暫時(shí)儲(chǔ)存多余的樹脂，對(duì)液面有微量地補(bǔ)償修平作用。故本設(shè)計(jì)中采用燕尾槽截面形狀的刮板。4.24.2 刮板的材料和移動(dòng)速度對(duì)涂層質(zhì)量的影響刮板的材料和移動(dòng)速度對(duì)涂層質(zhì)量的影響刮板在液面上移動(dòng)時(shí)，樹脂被帶動(dòng)的實(shí)質(zhì)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(dòng)時(shí)帶走的樹脂量。根據(jù)固液兩相之間的浸潤機(jī)理可知，刮板應(yīng)該選用表面

33、張力值較小的材料，如金屬鋁、有機(jī)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(huì)帶動(dòng)己成形部分，影響位置精度，同時(shí)液面的修平效果不好。為方便零件的采購與安裝，刮刀機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(duì)刮平速度的不同要求，選取速度可控的伺服電機(jī)。電機(jī)型號(hào)及主要參數(shù)為下表 4-1 所示：伺服電機(jī)型號(hào)伺服電機(jī)型號(hào)技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)單位單位40CB005C-2DE6E40CB005C-2DE6E額定輸出功率W50額定轉(zhuǎn)矩瞬間最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速rpm3000最高轉(zhuǎn)速rpm3600電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量額定相電流A瞬間最大相電流A電樞繞阻相電感mH重量kg編碼器P/R2500

34、適配驅(qū)動(dòng)器 GS0020A表 4-1 電機(jī)型號(hào)及主要參數(shù)5 5 設(shè)計(jì)的改革設(shè)計(jì)的改革 5.15.1 XYXY 掃描系統(tǒng)及掃描系統(tǒng)及 Z Z 方向工作臺(tái)方向工作臺(tái) 傳動(dòng)方式可以放棄傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠的方式，而改用在實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)下，各方面性能都更有優(yōu)勢(shì)的直線步進(jìn)電機(jī)。直線步進(jìn)電機(jī)具有簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，最小的運(yùn)動(dòng)部件速度范圍寬，從微米/秒到超過10 米/秒 ，加速度高，推力最大可達(dá)負(fù)載的 20G 比率，運(yùn)動(dòng)平滑，無需維護(hù)的電機(jī)，沒有任何內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件。可以使整機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度提高。5.25.2 刮刀機(jī)構(gòu)刮刀機(jī)構(gòu) 在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，可以將刮板設(shè)計(jì)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

35、便地更換刮板，有利于提高成型精度。5.35.3 溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng) 為了個(gè)更好的保持樹脂的流動(dòng)性，可在成型室內(nèi)加裝溫度控制裝置，以保持成型室溫度恒定?？偨Y(jié)總結(jié)本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)該成型系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行，其中涉及固化激光掃描裝置、浸于樹脂液體中的升降系統(tǒng)、刮刀機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)加長既有的 SLA 成型機(jī) XY 掃描系統(tǒng)工作行程，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的傳動(dòng)方式，減少抖動(dòng)，提高掃描精度；采用浸于樹脂液體中的升降系統(tǒng)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；采用細(xì)分電路的驅(qū)動(dòng)裝置，其定位精度更高；刮刀機(jī)構(gòu)采用速度可調(diào)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并采用截面為燕尾型的刮刀，滿足不同黏度樹脂以及不同截面大小的要求，提高成型精度

36、。計(jì)算機(jī)繪圖是本次設(shè)計(jì)中的另一項(xiàng)主要內(nèi)容，通過熟練繪制計(jì)算機(jī)圖紙，我已基本掌握了 AutoCAD 繪圖軟件繪圖方法并學(xué)到了一些繪圖技巧。另外，通過對(duì)設(shè)計(jì)說明書的擬定和編寫，又進(jìn)一步熟練了 word 軟件的應(yīng)用，動(dòng)手能力得到了鍛煉和加強(qiáng)。本設(shè)計(jì),讓我把在大學(xué)所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)從理論運(yùn)用到了實(shí)際操作中，通過實(shí)踐，進(jìn)一步的鞏固了我的專業(yè)知識(shí)。同時(shí)也讓我對(duì)自己也有了更深一點(diǎn)的了解，讓我看到了在某些方面的不足，使我自己以后能更好的完善自我。在設(shè)計(jì)的過程中，也接觸了不少其他新知識(shí)，新內(nèi)容，比如接口技術(shù)等，讓自己學(xué)到了不少的東西。總之，這個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)我來說意義深遠(yuǎn)，是我大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一個(gè)總結(jié)！由于本人水平有限，編寫的時(shí)間也比較倉促，其中難免有疏漏和不當(dāng)之處，敬請(qǐng)