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1、摘要摘要 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
2、，进而使其在生产过程中能够更好的进行生产。关键词关键词: :立体激光固化 扫描机构 快速成型 传动IAbstractThis 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
3、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
4、 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 Prototy
5、ping TransmissionII目录目录摘要IAbstract.II目录III第 1 章 绪论11.1 快速原型技术简介 .11.1.1 RP 的基本构思.11.1.2 几种典型的快速成型技术 21.1.3 各种成型方法简介及对比31.2 快速成型精度概述 .41.3 立体激光固化成型（SLA）的成型原理 .51.4 SLA 的国内外发展现状61.5 本次设计的主要工作71.5.1 主要设计任务 71.5.2 主要技术参数 7第 2 章 机械结构的设计方案.82.1 X-Y 向扫描运动机构的设计82.2 Z 轴升降系统设计.92.3 刮刀系统的设计.10第 3 章 机械结构的设计计算.1
6、13.1 脉冲当量、传动比及步进电机步进角的确定.113.2 滚珠丝杠的选型与计算113.2.1 滚珠丝杠受力计算113.2.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核.133.3 导轨的选型及计算 .183.3.1 初选导轨的型号.183.3.2 计算滚动导轨副的距离寿命 L183.4 步进电机的选择.193.4.1 步进电机简介 193.4.2 传动系统等效转动惯量的计算.203.4.3 所需转动力矩的计算213.5 联轴器的选择.253.6 轴承寿命计算.253.6.1 X-Y 向深沟球轴承寿命计算： 25III3.6.2 Z 向深沟球轴承寿命计算：263.7 刮刀系统设计.273.7.1 刮板的选
7、择273.7.2 刮板的材料和移动速度对涂层质量的影响.28第 4 章 控制方式简介294.1 8051 芯片简介294.1.1 8051 的内部结构294.1.2 8051 引脚功能 .304.2 光栅尺位移传感器简介314.3 进给伺服系统.32结论.34致谢.35参考文献361第第 1 章章 绪论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
8、的参考。1.1 快速原型技术简介快速原型技术简介快速原型制造技术(Rapid Prototype)，简称 RP，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突破之一，对制造业的影响可以与 20 世纪 5060 年代的数控技术相比。快速成型技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术、及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。而以 RP 系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可
9、以实现零件的快速制造。它是基于一种全新的制造概念增材加工法。由于 CAD 技术和光机电控制技术的发展，这种新型的样件制造工艺就日益在生活中得到应用。1.1.1 RP 的基本构思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
10、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 RP 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
11、；3、越过了 CAPP(Computer Aided Process Planning)过程，实现了 CAD/ 2CAM 的无缝连接；4、RP 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几种典型的快速成型技术1、立体激光固化成型 SLAStero Lightgraphy Apparatus 又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。2、薄片分层叠加成型 LOM薄片分
12、层叠加成型（Laminated Object Manufacturing）工艺又称叠层实体制造或分层实体制造。LOM 工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成型材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用 CO2激光器（或刀）在计算机控制下按照 CAD 分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，是当前层与下面已成型的工件层粘接，从而堆积成型。LOM 工艺只需在片材上切割出零件的截面轮廓，而不用扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件，而且 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。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以 LOM
13、 工艺也无需添加支撑。3、选择性激光粉末烧结成型 SLS选择性激光粉末烧结成型（Selected Laser Sintering）工艺又称为选区激光烧结，由美国的克萨斯大学奥斯丁分校的 C.R.Dechard 于 1989 年研制成功。SLS 工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下逐渐堆积成型。此法采用 CO2激光器作能源，在工作台上均匀铺上一层很薄（0.1-0.2mm）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选性的进行烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，在进行打磨、烘干等处理便获得零件。SLS 工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料材料，还能制
14、造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件，这使 SLS 工艺颇具吸引力。另一特点是 SLS 工艺无需加支撑，因为米有被烧结的粉末起了支撑作用。因此可以烧结制造空心、多层镂空的纷杂零件。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3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
15、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，然后将其输至模壳
16、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 508508356mm，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
