需要購買對應 紙 咨詢 14951605 買對應的 紙 14951605 或 1304139763 摘 要 自 20 世紀 80 年代中期以來，光固化快速成型技術的發(fā)展與應用越來越廣 泛和深入，光固化成型機的需求也越來越大。由此，本論文針對 激光 固化成型機的機械結構進行了設計，包括： 1、 描機構； 2、 Z 軸升降機構； 3、刮刀機構，并且對其中的部分結構進行了改進。 向的平面掃描運動和 刮刀的水平運動由原來的精密同步帶傳動改成精密滾珠絲杠傳動，使其在行程 較長時不出現抖動，有利于保證掃描精度，運動穩(wěn)定。采用直線步進電機直接 連接滾珠絲杠，響應更加快速準確，同時因無中間部 件，使機械結構簡單化， 精度較高。 通過對立體激光固化造型機機械結構的設計，使得其運動和傳動更加合理 和平穩(wěn)，進而使其在生產過程中能夠更好的進行生產。 關鍵詞 ： 立體激光固化 ； 掃描機構 ； 快速成型 ； 傳動 ； 結構設計 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 買對應的 紙 14951605 或 1304139763 of of to to to of to Y to Z to by a Z to by is is to by to of up or of in in so it 龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘 要 . I . 1 章 緒 論 . 1 速原型技術簡介 . 1 基本構思 . 1 種典型的快速成型技術 . 2 種成型方法簡介及對比 . 3 速成型精度概述 . 3 體光固造型 術原理 . 5 體光固造型 內外現有技術水平 . 6 體光固造型 用領域 . 6 次設計的主要工作 . 7 要設計工作 . 7 計參數 . 7 計思路及主要問題 . 7 第 2 章 向設計計算 . 9 計任務 . 9 計參數 . 9 案的分析、比較、論證 . 9 沖當量和傳動比的確定 . 10 沖當量的確定 . 10 動比的確定 . 10 定步進電機步距角 . 10 杠的選型及計算 . 11 算絲杠受力 . 11 珠絲杠螺母副的選型和校核 . 11 軌的選型及計算 . 15 選導軌型號 . 15 算滾動導軌副的距離額定壽命 L . 16 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 進電機的選擇 . 16 動系統(tǒng)等效轉動 慣量計算 . 17 需轉動力矩計算 . 18 章小結 . 21 第 3 章 Z 方向設計計算 . 22 方向工作臺設計 . 22 計任務 . 22 計參數 . 22 案的分析、比較、論證 . 22 沖當量和傳動比的確定 . 23 沖當量的確定 . 23 動比的確定 . 23 定步進電機步距角 . 23 杠的選型及計算 . 24 算絲杠受力 . 24 珠絲杠螺母副的選型和校核 . 24 進電機的選擇 . 28 動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 . 28 需轉動力矩計算 . 29 章小結 . 31 第 4 章 刮刀系統(tǒng)設計 . 32 板的選擇 . 32 板的材料和移動速度對涂層質量的影響 . 33 章小結 . 34 第 5 章 制系統(tǒng) . 35 進電機的簡介 . 35 進電機的工作原理及特性 . 35 單介紹 . 35 大量實際應用而開發(fā)的特殊功能 . 35 絡和數據通信 . 35 它功能 . 36 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 制原則 . 36 制方法 . 36 程控制 . 36 給速度控制 . 37 給方向控制 . 37 章小結 . 37 結 論 . 38 參考文獻 . 39 致 謝 . 41 黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒 論 本文主要針對立體激光固化造型機機械結構設計。按照國家和行業(yè)相關標 準，機械傳動部分參照了機電一體化系統(tǒng)設計手冊。在設計過程中，力求使立體激光固化造型機的傳動及零部件結構簡單、運動穩(wěn)定、而且成本低廉、質量 可靠、可批量生產，并且促進立體激光固化造型機的普及與發(fā)展，同時為國內同 類機器的設計提供一定的參考。 速原型技術簡介 快速原型制造技術 (,簡稱 是先進制造技術的重要分支 0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 術、計算機控制技術、數控技術、檢測技術和材料科學的基礎之上 ,將計算機輔助設計 各種自由造型 (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品原型或直接制造零件 ,從而使產品設計開發(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 . 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 ,將計算機產生的 維實體模型處理成一系列薄截面層 ,并根據各截面層形成的二維數據 ,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 )念 ,先利用 術作出零件的三維圖形 ,然后對其進行數值分析 (有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等 ) ,再經動態(tài)仿真之后 ,通過 一個后處理 (塊仿真加工過程 ,所有的要求 均滿足之后 ,形成 件在數控機床上加工成形 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 . 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 程 ,實現了 黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 2 無縫連接 ; 4、 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 以快速、自動、精確地將 型轉化成為具有一定功能的產品原型或直接制造零件 ,因此它對于縮短產品的研發(fā)周期、控制風險、提高企業(yè)參與市場競爭的能力 ,都具有重要的現實意義 . 種典型的快速成 型技術 1、立體光固造型 稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷 裝置 . 2、 疊層實體制造 層實體制造 成形材料是熱敏感類箔材 (如紙等 ) ,激光器的作用變是切割 ,激光器先按最底層的 維實體模型的切片平面幾何信息數據 ,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 ,激光器按對應數據作輪廓切割 ,如此反復直至整個三維零件制作完成 作的零件不收縮、不變形 ,精度可達 切 片厚度 3、 選擇性激光燒結 擇性激光燒結 生產過程與 似 ,用 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 積成型技術 (制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機的 件將 型分為一層層極薄的截面 ,生成控制 嘴移動軌跡的幾何信息 ,熱頭把熱塑材料 (如聚脂塑料、 等 )加工到臨界狀態(tài) ,在微型機控制下 ,噴嘴沿著 定的平面幾何信息數據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 ,由下而上形成一個三維實體 制作精度目前可達 連續(xù)堆積范圍 它允許材料以不同的顏色出現 . 5、 其它快速原型制造技術 直接制模鑄造 源于三維印刷 (3D 速成型技術 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 ,黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 3 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 ,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 ,不需要圖紙 ,就可完成全部加工 . 光屏蔽 (即 以色列 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 . 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 ,切片厚度約為 司開發(fā)的 產品制作的最大工作尺寸為 508 508 356所用紫外光燈功率為 2每一層循環(huán)約化 90s. 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 (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 (,在取消聚合物粘結劑方面進行了嘗試 ,可利用 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 種成型方法簡介及對比 表 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 效率 設備 費用 高 優(yōu) 中等 中小件 較貴 很高 樹脂 較高 高 較貴 高 較差 簡單 中小件 便宜 較差 塑料 低 高 便宜 低 中等 復雜 中小件 較貴 很高 石蠟 較低 中等 較貴 低 較差 中等 中小件 較貴 很高 金屬 較低 較低 便宜 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 術的推廣和應用有很重要的影響。制件誤差的產生原因見圖 1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?？焖俪尚偷木葹闄C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、 型的前處理造成的誤差 目前，對于絕大多數快速成型系統(tǒng)而言，必須對工件的三維 型進行 便得到一系列的截面輪廓。在對三維 型分層切片前，黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 4 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，其輸出的數據為 件格式，這種格式非常簡單，便于后續(xù)的分層處理。 式中每個三角面片只用四個數據項表示，即三個頂點坐標和一個法向矢量，而整個 型就是這樣一組矢量的集合， 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: 式化時，數據的沉余量太大，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 ; C: 另外，在進行 格式轉換時，有時會產生一些局部缺陷 ，例如，在表面曲率變化較大的分界處，可能出現據齒狀小凹坑，從而造成誤差。圖 件誤差產生原因 2、成型系統(tǒng)的工作誤差 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、 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制 件 誤 差 數據處理誤差 成型過程誤差 后處理誤差 分成切片產生誤差 光斑變化誤差 固化成型誤差 機器誤差 方向運動誤差 Z 描誤差 圖層誤差 液位波動引起誤差 多光譜造成誤 差 驅 動器 參數補償誤差 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 黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 5 度 ;描誤差指的是 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。 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。 體光固造型 術原理 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（ =325功率（ P=30紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，相對分子質量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉變成固態(tài)。 原理是由 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 統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數據模型 ,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 件再 根據各薄層平面的 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 ,形成整個零件的數控加工指令 統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體容器的液面之下 ,對應于 型最下一層切片的厚度處 ,根據該切片的 平面幾何數據 ,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 ,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據掃描黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 6 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 圖 體光固造型 體光固造型 內外現有技術水平 立體光固造型 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 法的有 3D 司、 司、 F&S 公司、 司、 D - 司、 司、 司、西安交通大學等 3D 司的 術在國際市場上 占的比例最大 ,其設備自 1988 年推出 250 機型以后 ,又于 1997 年推出 250 3500 , 5000 三種機型 ,在技術上有了長足進步 . 其中 ,3500 和 5000 使用半導體激勵的固體激光器 ,掃描速度分別達到 m/ s 和 5m/ s,成型層厚最小可達 0. 05 此外 ,還采用了一種稱之為 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. 1 待固化樹脂 ,使成型時間平均縮短了 20 %999 年推出的 7000 機型與 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 , 度提高了 1 倍 。 國內對 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 00A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產品 . 國 內外研究者在 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。 體光固造型 用領域 美國克萊斯勒公司 (用 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 學還利用 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 。 黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 7 次設計的主要工作 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。 計參數 1、成型空間： 400*400*300、激光頭最大運行速度： 80mm/s; 3、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 10、最大成型件重量：約為 10、固化深度 /托盤的層間下降距離： 、 Z 向定位精度： 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 X Y 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、 描系統(tǒng)的機械結構 成型機的掃描系統(tǒng)采 用高精度的 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 面運動，掃描范圍為 400復定位精度 0. 005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、 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。 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。驅動電機采用黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 8 混合式步進電機，配合細分驅 動電路，與滾珠絲杠直接聯接實現高分辨率驅動，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狀，網孔大小、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樹脂的流動性、零件尺寸的大小而定。 黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 9 第 2 章 向設計計算 成 型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的 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 面運動，掃描范圍為 400復定位精度 0. 005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、 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。 計任務 機械結構裝配圖 ， 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。 計參數 統(tǒng)分辨率 31 10 由靜止到最大快進速度過度時間 1719工作臺行程 x 向 400mm y 向 400大快進速度 x 向和 y 向 80mm/s 定位精度 案的分析、比較、論證 西安交通大學開發(fā)的 型機 描系 統(tǒng)，其掃描范圍為 250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 400程較長，若采用步進電機驅動高精密同步帶的傳動方式，會出現抖動現象，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 ， 中間沒有其他部件降低傳動精度損失，使運動較為平穩(wěn)。 1、 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，因此數控控制系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 黑龍江工程學院本科畢業(yè)設計 10 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 示： 沖當量和傳動比的確定 沖當量的確定 脈沖當量p