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1、摘 要自20 世纪 80 年代中期以来，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 快速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。 通过对立体激光快速成型机机械结构的设计，使得其运动和传动更加合理
2、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：快速成型机；扫描机构；快速成型；传动；结构设计ABSTRACTThis 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 th
3、e 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
4、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 Proto
5、typing；Transmission；Structure design目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1快速原型技术简介11.1.1 RPM 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31.3快速成型机SLA技术原理51.4 快速成型机SLA国内外现有技术水平61.5快速成型机SLA应用领域61.6 本次设计的主要工作71.6.1 主要设计工作71.6.2 设计参数71.6.3 设计思路及主要问题7第2章 XY方向设计计算92.1设计任务92.1.1 设计参数92.1.2 方案的分析、比较、论证92.2 脉冲
6、当量和传动比的确定102.2.1 脉冲当量的确定102.2.2 传动比的确定102.2.3 确定步进电机步距角102.3 丝杠的选型及计算112.3.1 计算丝杠受力112.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核112.4 导轨的选型及计算152.4.1 初选导轨型号152.4.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命162.5 步进电机的选择162.5.1 传动系统等效转动惯量计算172.5.2 所需转动力矩计算182.6 本章小结21第3章 Z方向设计计算223.1 Z方向工作台设计223.1.1设计任务223.1.2 设计参数223.1.3 方案的分析、比较、论证223.2 脉冲当量和传动比的确定2
7、33.2.1 脉冲当量的确定233.2.2 传动比的确定233.2.3 确定步进电机步距角233.3 丝杠的选型及计算243.3.1 计算丝杠受力243.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核243.4 步进电机的选择283.4.1 传动系统等效转动惯量计算283.4.2 所需转动力矩计算293.5本章小结31第4章 刮刀系统设计324.1 刮板的选择324.2 刮板的材料和移动速度对涂层质量的影响334.3 本章小结34第5章 PLC控制系统355.1步进电机的简介355.2步进电机的工作原理及特性355.3 PLC简单介绍355.3.1为大量实际应用而开发的特殊功能355.3.2网络和数据通信
8、355.3.3其它功能365.4 控制原则365.5控制方法365.5.1 行程控制365.5.2 进给速度控制375.5.3 进给方向控制375.6 本章小结37结 论38参考文献39致 谢41第1章 绪 论本文主要针对快速成型机机机械结构设计。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，力求使快速成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，并且促进快速成型机的普及与发展，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
9、 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
10、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
11、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
12、、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 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、 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
13、 ,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
14、,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
15、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
