快速成型機(jī)設(shè)計(jì)【cps250型激光快速成型機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】

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畢業(yè)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)翻譯 院（系）名稱(chēng) 工學(xué)院機(jī)械系 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 王嚴(yán)嚴(yán) 指導(dǎo)教師 康紅偉 2012年 03 月 10 日 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯) 第 7 頁(yè) 高壓對(duì)輥成型機(jī)的設(shè)計(jì)及其新進(jìn)展 Ge ? Pasadena erg 德國(guó)魁角恩輥壓機(jī)制造公司 在現(xiàn)代工業(yè)中, 造粒, 即用細(xì)粉狀分散的物料, 通過(guò)加壓成型團(tuán)礦方法, 轉(zhuǎn)化為顆粒狀產(chǎn)品, 為此,要使用對(duì)輥成型機(jī)。工藝技術(shù)條件的改進(jìn), 設(shè)備尺寸的增大, 導(dǎo)致對(duì)輥成型機(jī)不斷進(jìn)步, 當(dāng)然其目的是為了使每條線的生產(chǎn)能力更大。 對(duì)輥成型機(jī)可用于成型、壓塊和顆粒的高壓破碎, 這種設(shè)備的給料裝置以及壓輥的表面將根據(jù)使用要求來(lái)設(shè)計(jì)。下面將介紹對(duì)輥成型機(jī)用于壓塊?? 造粒方面的應(yīng)用。 1 壓塊原理 壓塊是在一臺(tái)對(duì)輥成型機(jī)的壓輥間使細(xì)的固體顆粒增大粒度, 通過(guò)破碎和篩分使被壓成塊的物料制成所希望的粒度范圍, 細(xì)粒循環(huán)使用而過(guò)大的顆粒被重新破碎。當(dāng)然, 通過(guò)壓塊生產(chǎn)顆粒狀的產(chǎn)品（再加上儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)備）, 必須經(jīng)過(guò)對(duì)輥成型、破碎和篩分三個(gè)基本過(guò)程 （如圖1所示） 圖1 壓塊/造粒系統(tǒng)的簡(jiǎn)易流程圖 壓塊或造粒系統(tǒng)的核心是壓塊機(jī)（ 對(duì)輥成型機(jī)）。在該設(shè)備中給料被壓成堅(jiān)硬而密度大的料餅（ 圖）。顆?；a(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上取決于料餅的性質(zhì)。 圖2 兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的壓輥間被壓縮的物料示意圖 2 用于壓塊的對(duì)輥成型機(jī) 一臺(tái)對(duì)輥成型機(jī)可以分成以下幾個(gè)部件, 壓輥、軸承、用于支承壓輥的系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、承壓支架、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及液壓施壓系統(tǒng)。 圖3 是一臺(tái)典型的對(duì)輥成型機(jī)的水平剖面圖。兩個(gè)壓輥支承在可自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)的球面滾柱軸承上, 而該軸承安裝在機(jī)架上。傳動(dòng)齒輪通過(guò)安全聯(lián)軸器與齒輪減速器的輸人軸相連。通過(guò)齒輪減速器?? 電機(jī)速度被降到高壓輥的速度。在齒輪加速器中，兩個(gè)斜齒輪與兩個(gè)輸出軸同步。壓輥與帶有牙嵌式齒輪聯(lián)軸器的雙輸出軸齒輪減速器相連。壓輥的上表面（圖3中看不到）安裝著給料系統(tǒng)。沒(méi)有表示出來(lái)的還有提供給主要齒輪的潤(rùn)滑系統(tǒng)裝置，支架上的齒輪箱的滑斷面，聯(lián)軸器以及使壓輥在一起的液壓系統(tǒng)的施壓裝置。 2.1 壓輥 對(duì)輥成型機(jī)的最主要部分是壓輥本身。不同的設(shè)計(jì)方案均是可以的。首先, 壓輥由具有堅(jiān)工作表面的堅(jiān)固的鍛造件制成。表面堅(jiān)硬可使之適于選擇各種表面結(jié)構(gòu)用于生產(chǎn)高強(qiáng)度的餅。另外一種方式是,壓輥的輥芯可能是可更換的。這樣, 對(duì)輥本身易于進(jìn)行水冷。這種輥環(huán)的工作表面通常被加工成淺的球窩。最新設(shè)計(jì)的成型機(jī)采用了這種方式。因?yàn)? 通常由于給料的溫度較高, 為了避免在物料表面發(fā)生“ 熔融” , 或當(dāng)傳導(dǎo)給壓輥的溫度必須降下來(lái)以確保軸承低溫工作時(shí), 必須使輥環(huán)的表面得到冷卻。 圖3 一臺(tái)典型對(duì)輥成型機(jī)的剖面圖 堅(jiān)硬的壓輥的優(yōu)點(diǎn)是它可以取代簡(jiǎn)單的機(jī)器部件。當(dāng)壓輥表面嚴(yán)重磨損后, 可以在外徑規(guī)的范圍內(nèi)對(duì)表面進(jìn)行重新焊接?? 這樣可使設(shè)備始終保持高效運(yùn)行。當(dāng)然, 使用經(jīng)過(guò)預(yù)處理的部件可以確保由于人料傳給的熱而不致于使壓輥過(guò)熱。使用內(nèi)表面具有冷卻系統(tǒng)的熱套套筒（ 圖4） 將更經(jīng)濟(jì), 并要求使用更清潔的冷卻水。為了避免與輥芯接觸的處理不當(dāng)?shù)乃畬?duì)壓輥的腐蝕, 用一個(gè)冷卻裝置使冷卻水系統(tǒng)封閉起來(lái)是合適的。大多數(shù)設(shè)備采用的是淺的長(zhǎng)方形的可以搖動(dòng)的鐵箱, 以便于空氣的排出和確保料餅具有高而均勻的密度和強(qiáng)度。根據(jù)圖?? , 設(shè)備中選用齒輪聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是易于脫開(kāi)。在左邊, 在壓輥中心線的上邊所示的是聯(lián)軸器的一半已被移到左邊, 而壓輥被很容易的脫開(kāi)的情景（也可看支架的剖視圖）。 圖4 具有熱套筒和冷卻系統(tǒng)的壓塊機(jī)壓輥的剖面圖 2.2 軸承（壓輥的支撐裝置） 在現(xiàn)代大型的壓塊機(jī)中, 壓輥安裝在高效而體積小的、能自校準(zhǔn)的球面滾柱軸承上。這樣, 尤其在采用寬的壓輥時(shí), 可移動(dòng)的壓輥能隨給料的不均勻程度和給料的厚度（ 多少）自由調(diào)整。 為確保壓塊機(jī)更安全地工作, 正確選用適當(dāng)?shù)妮S承是至關(guān)重要的。最重要的考慮因素包括軸承的設(shè)計(jì)以及密封、冷卻和潤(rùn)滑。在軸承套內(nèi)軸承的受力及分布必須為最優(yōu)。這就要求進(jìn)行精確的計(jì)算。就象Koppern公司提供的最新型的壓塊機(jī)中, 軸承套的實(shí)際變形是采用有限元方法進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算后得出的。進(jìn)行這些計(jì)算的目的是為了使軸承套的變形量與軸承負(fù)荷的理論分布相一致（圖5）。 圖5能自校準(zhǔn)的球面滾柱軸承負(fù)載分布圖 如果需要的話, 冷卻系統(tǒng)將確保軸承低溫工作,并能改善潤(rùn)滑效果, 潤(rùn)滑脂低溫工作還能確保軸承在軸承套內(nèi)具有良好的密封性能。較高的負(fù)荷、低速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承要求采用特殊潤(rùn)滑脂, 它具有大約高達(dá)10-3/m2的粘度, 并加了一定的添加劑。 2.3 給料系統(tǒng) 給料系統(tǒng)位于壓塊機(jī)支架正對(duì)著壓輥輥隙的上邊。在給料為細(xì)粒和?? 或需要較大產(chǎn)量以及一些其它的特殊原因, 簡(jiǎn)單的重力給料滑槽可能不被采用, 在這些情況下, 螺旋給料是必須的。由于螺旋給料的特征是在螺距的中心及邊緣的給料量是不一樣的及螺距的幾何尺寸與輥隙面積的尺寸不同, 所采用的螺距的直徑受到限制。 為使壓輥機(jī)沿輥寬得到均勻的給料分布, 采用了多螺旋給料機(jī)。例如, 一臺(tái)生產(chǎn)能力為80~100t/h的壓塊機(jī), 要求其單輥的工作寬度在于1000~1200mm之間, 這樣就要求安裝多螺旋給料機(jī)。螺旋成一定角度安裝在給料中心的兩邊, 在重力的作用下,物料進(jìn)人給料機(jī), 通過(guò)螺旋的螺距向下輸送, 迫使物料直接進(jìn)人壓輥間的輥隙（ 圖6） 圖6 螺旋給料機(jī)的示意圖 特別是在細(xì)粒物料壓實(shí)過(guò)程中, 物料中空氣的排出對(duì)于壓塊機(jī)的高效工作起著重要的作用,例如, 在鉀鹽的壓塊中, 散料的密度大約為1g/cm3，，而料餅的密度大約為2 g/cm3,，如果產(chǎn)量為100t/h，那么大約有50m3/h的空氣被排出, 這么大量的空氣必須能通過(guò)散料中的孔隙排出。由于散料中孔隙隨壓實(shí)過(guò)程而變小,因此, 這種物料的壓塊將變得更困難。 在壓輥輥隙間壓實(shí)成塊，由于物料緊緊地填滿了壓輥，向下移動(dòng)的物料中的空氣必須逆著物流向上溢出，如果不是這樣, 機(jī)器的顫動(dòng)將導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備的損。因此, 在設(shè)計(jì)時(shí)必須實(shí)現(xiàn)（1）允許空氣從給料器低部和輥面間排出：（2） 保證兩邊和壓輥的肩角的縫隙（ 圖7 ）。 圖7 壓塊機(jī)中空氣的溢出 研究表明, 如果輥寬不超過(guò)500 一600mm , 空氣僅僅能有效地從兩邊溢出, 這樣輥寬的極限也總是取決于散料的顆粒粒度分布或散料的透氣性。隨著輥寬的增大, 空氣可能被迫夾在輥隙間的物料中不能逸出而導(dǎo)致壓塊機(jī)負(fù)荷的進(jìn)一步增加。為避免出現(xiàn)這一問(wèn)題,對(duì)總寬度1000 一1200mm 的壓塊機(jī), 其總的工作寬度將被分成2個(gè)500 一600mm 的兩部分,每一部分設(shè)置兩個(gè)螺旋。為了使空氣能夠溢出, 所有?? 臺(tái)螺旋是相同的( 見(jiàn)圖4 ) , 為了滿足各種不同給料速度和設(shè)備生產(chǎn)能力的要求, 螺旋的速度必須能被分別調(diào)整。 2.4 承壓支架 在設(shè)計(jì)壓塊機(jī)的承壓支架時(shí), 必須使之能夠承受壓輥傳來(lái)的高壓和支承給料系統(tǒng), 通常采用雙支架。所謂的標(biāo)準(zhǔn)支架要求維修方便, 比如, 由于磨損或者檢修時(shí)必須將壓輥移開(kāi)。不僅如此, 象Koppern公司又發(fā)展了一種“ 鉸接” 支架( 圖8 ) , 這種支架易于移開(kāi)或更換壓輥。支架垂直部分的底端與水平部分的上面相連, 而垂直支架可以通過(guò)鉸接處放下, 在移開(kāi)一部分壓輥附件和浮輥端的液壓箱, 以及斷開(kāi)齒輪連軸器、潤(rùn)滑脂的管路、冷卻水的連接系統(tǒng)之后, 壓輥可以被拉出到一個(gè)易于用橋式吊車(chē)吊起的地方。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的支架, 更換一次壓輥可能化費(fèi)一周的時(shí)間,而使用鉸接式支架, 可能只需要1 一2 個(gè)班即可。為了使維修工作更方便, 設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)壓輥移開(kāi)裝置和一個(gè)提升橫桿, 二者均與壓輥的軸承箱相連。 圖8 鉸鏈?zhǔn)街Ъ艿氖疽鈭D 2.5 驅(qū)動(dòng)齒輪系 壓輥機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪系由兩個(gè)大型齒輪聯(lián)軸器, 包括同步斜齒輪在內(nèi)的減速器齒輪, 和在電機(jī)與齒輪箱輸人軸間的一個(gè)安全聯(lián)軸器組成。通常, 安全聯(lián)軸器是一個(gè)能自動(dòng)復(fù)位的機(jī)構(gòu), 它可以在通常工作時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的1.7~1.9倍范圍內(nèi)調(diào)整。減速齒輪包括兩部分：:減速器和同步轉(zhuǎn)矩分配齒輪, 一般情況下, 減速器的安全系數(shù)為?? , 而同步轉(zhuǎn)矩分配齒輪的安全系數(shù)為2。大型齒輪減速器裝有油冷卻和過(guò)濾裝置, 以確保設(shè)備能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 最主要的是, 同步齒輪和齒輪聯(lián)軸器的連接保證了提供給壓輥完全均勻的線速度。僅僅在沒(méi)有剪切力作用的情況下設(shè)備才能獲得較高的產(chǎn)量。 2.6 潤(rùn)滑 一個(gè)連續(xù)潤(rùn)滑系統(tǒng)能提供給主要齒輪和浮輥的滑面一種連續(xù)的、可靠的特殊潤(rùn)滑脂。為確保有效地工作, 潤(rùn)滑系統(tǒng)被監(jiān)控。大型機(jī)器往往也總是具有對(duì)齒輪聯(lián)軸器的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng), 這樣可使設(shè)備長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不必停車(chē)進(jìn)行潤(rùn)滑維修。 2.7 液壓施壓系統(tǒng) 液壓施壓系統(tǒng)用于提供給液壓箱壓力，改壓力迫使輥向被壓實(shí)的物料和固定輥靠近。為滿足特殊的工作需要，壓力的高低和大小可自由調(diào)整。壓力的梯度隨間距的變化而升高, 通過(guò)改變液壓儲(chǔ)能器中氮的分壓可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整壓力的梯度。在物料被壓人壓輥的間隙時(shí)液壓系統(tǒng)也用作安全裝置。一臺(tái)電控系統(tǒng)監(jiān)控它的功能。 3 最新進(jìn)展 Koppern 公司不斷地對(duì)輥壓塊機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。這些改進(jìn)的目的是為了進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量, 同時(shí)增加生產(chǎn)能力和優(yōu)化壓塊機(jī)的可靠性。 在壓輥的改進(jìn)中, 主要取得了兩方面的進(jìn)展： 一是具有完整軸頸和堅(jiān)固的承壓表面的鑄造壓輥。對(duì)于表面堅(jiān)硬的物料和它們的應(yīng)用, 進(jìn)一步改進(jìn)還在不斷的持續(xù)； 另一個(gè)是關(guān)于熱物料加工時(shí)帶有水冷套的壓輥。對(duì)損壞的壓輥和輥環(huán)的進(jìn)一步研究和分析說(shuō)明需要進(jìn)行安全設(shè)計(jì)?？梢钥隙ǖ氖? 帶有熱套的新的水冷壓輥, 其壽命與鑄造壓輥一樣長(zhǎng)。 如果設(shè)備得到精心維護(hù), 對(duì)軸承的各種計(jì)算, 己經(jīng)達(dá)到理論值與實(shí)際值相附的水平。 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 快速成型機(jī)設(shè)計(jì) 系部名稱(chēng)： 機(jī)電工程系 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08-4 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱(chēng)： 二○一二年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Stereo Light Curing Molding Machine Mechanical And Electrical System Design Candidate：Zhu jiliang Specialty： Mechanical engineering and automation Class：08-4 Supervisor：Lecturer. Guo shaowen Heilongjiang Institute of Technology 2012-06·Harbin I 快速成型機(jī)設(shè)計(jì) 摘 要 自 20 世紀(jì) 80 年代中期以來(lái)，快速成型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用越來(lái)越廣 泛和深入， 光固化成型機(jī)的需求也越來(lái)越大。由此，本論文針對(duì) cps250 型激光 快速成型機(jī)的 機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括：1、X-Y 掃描機(jī)構(gòu)；2、Z 軸升降機(jī)構(gòu)； 3、刮刀機(jī)構(gòu)， 并且對(duì)其中的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。X-Y 方向的平面掃描運(yùn)動(dòng)和 刮刀的水平運(yùn)動(dòng)由 原來(lái)的精密同步帶傳動(dòng)改成精密滾珠絲杠傳動(dòng)，使其在行程 較長(zhǎng)時(shí)不出現(xiàn)抖動(dòng)，有 利于保證掃描精度，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。采用直線步進(jìn)電機(jī)直接 連接滾珠絲杠，響應(yīng)更加快 速準(zhǔn)確，同時(shí)因無(wú)中間部件，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化， 精度較高。 通過(guò)對(duì)立體激光快速成型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得其運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)更加合理 和平 穩(wěn)，進(jìn)而使其在生產(chǎn)過(guò)程中能夠更好的進(jìn)行生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：快速成型機(jī)；掃描機(jī)構(gòu)；快速成型；傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) II ABSTRACT This 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 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 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 Prototyping；Transmission；Structure design 目 錄 摘 要 .............................................................................................................I ABSTRACT.......................................................................................................II 第 1 章 緒 論 .................................................................................................1 1.1 快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介 ....................................................................................................1 1.1.1 RPM 的基本構(gòu)思 ..........................................................................................1 1.1.2 幾種典型的快速成型技術(shù) ............................................................................2 1.1.3 各種成型方法簡(jiǎn)介及對(duì)比 .............................................................................3 1.2 快速成型精度概述 ....................................................................................................3 1.3 快速成型機(jī) SLA 技術(shù)原理 ......................................................................................5 1.4 快速成型機(jī) SLA 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平 ..................................................................6 1.5 快速成型機(jī) SLA 應(yīng)用領(lǐng)域 ......................................................................................6 1.6 本次設(shè)計(jì)的主要工作 ...............................................................................................7 1.6.1 主要設(shè)計(jì)工作 ................................................................................................7 1.6.2 設(shè)計(jì)參數(shù) ........................................................................................................7 1.6.3 設(shè)計(jì)思路及主要問(wèn)題 ....................................................................................7 第 2 章 XY 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 ................................................................................9 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) ....................................................................................................................9 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù) ........................................................................................................9 2.1.2 方案的分析、比較、論證 ............................................................................9 2.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .....................................................................................10 2.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 ..........................................................................................10 2.2.2 傳動(dòng)比的確定 ..............................................................................................10 2.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 ..................................................................................10 2.3 絲杠的選型及計(jì)算 .................................................................................................11 2.3.1 計(jì)算絲杠受力 ..............................................................................................11 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 ..................................................................11 2.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 .................................................................................................15 2.4.1 初選導(dǎo)軌型號(hào) ..............................................................................................15 2.4.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 ..........................................................16L 2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .....................................................................................................16 2.5.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 ......................................................................17 2.5.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 ......................................................................................18 2.6 本章小結(jié) .................................................................................................................21 第 3 章 Z 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................................................................22 3.1 Z 方向工作臺(tái)設(shè)計(jì) ..................................................................................................22 3.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) .......................................................................................................22 3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù) ......................................................................................................22 3.1.3 方案的分析、比較、論證 ..........................................................................22 3.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .....................................................................................23 3.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 ..........................................................................................23 3.2.2 傳動(dòng)比的確定 ..............................................................................................23 3.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 ..................................................................................23 3.3 絲杠的選型及計(jì)算 .................................................................................................24 3.3.1 計(jì)算絲杠受力 ..............................................................................................24 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 ..................................................................24 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .....................................................................................................28 3.4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 ......................................................................28 3.4.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 ......................................................................................29 3.5 本章小結(jié) ..................................................................................................................31 第 4 章 刮刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) .....................................................................................32 4.1 刮板的選擇 .............................................................................................................32 4.2 刮板的材料和移動(dòng)速度對(duì)涂層質(zhì)量的影響 .........................................................33 4.3 本章小結(jié) .................................................................................................................34 第 5 章 PLC 控制系統(tǒng) ....................................................................................35 5.1 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介 ......................................................................................................35 5.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性 ..................................................................................35 5.3 PLC 簡(jiǎn)單介紹 ..........................................................................................................35 5.3.1 為大量實(shí)際應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的特殊功能 ...........................................................35 5.3.2 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信 ...........................................................................................35 5.3.3 其它功能 .......................................................................................................36 5.4 控制原則 .................................................................................................................36 5.5 控制方法 ..................................................................................................................36 5.5.1 行程控制 ......................................................................................................36 5.5.2 進(jìn)給速度控制 ..............................................................................................37 5.5.3 進(jìn)給方向控制 ..............................................................................................37 5.6 本章小結(jié) .................................................................................................................37 結(jié) 論 ...............................................................................................................38 參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................39 致 謝 ...............................................................................................................41 1 第 1 章 緒 論 本文主要針對(duì)快速成型機(jī)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照國(guó)家和行業(yè)相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)，機(jī)械傳 動(dòng)部分參照了《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求使快速成型機(jī)的傳 動(dòng)及零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、而且成本低廉、質(zhì)量 可靠、可批量生產(chǎn)，并且促 進(jìn)快速成型機(jī)的普及與發(fā)展，同時(shí)為國(guó)內(nèi)同 類(lèi)機(jī)器的設(shè)計(jì)提供一定的參考。 1.1 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(chēng) 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(guó) ,后很快發(fā)展到歐洲和日本 ,可以說(shuō)是近 20 年來(lái)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(Free Form Manufacturing)技術(shù)直接結(jié)合起來(lái) ,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(kāi)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(guò)程 ,適應(yīng)市場(chǎng)需求. 1.1.1 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(material 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(guò) CAM 的一個(gè)后處理(Post Process)模塊仿真加工過(guò)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(zhǎng)而不是去掉材料的制造過(guò)程” ,其制造過(guò)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(zhǎng)而非去除” ,因此 ,加工過(guò)程無(wú)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(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(guò)了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過(guò)程 ,實(shí)現(xiàn)了 CAD/ CAM 的 無(wú)縫連接; 2 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. 1.1.2 幾種典型的快速成型技術(shù) 1、立體光固造型 SLA Stero Lightgraphy Apparatus 又稱(chēng)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(lèi)箔材 (如紙 等) ,激光器的作用變是切割.成形開(kāi)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) ±0.1mm ,切片厚度 0.05～0.50mm。 3、 選擇性激光燒結(jié) SLS 選擇性激光燒結(jié) Selected Laser Sintering 的生產(chǎn)過(guò)程與 SLA 類(lèi)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(guò)程是 ,首先通過(guò)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(guò)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) ±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). 5、 其它快速原型制造技術(shù) 直接制模鑄造 DSPC (Direct Shell Production Casting)來(lái)源于三維印刷(3D Printing) 快速成型技術(shù).其加工過(guò)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 3 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(guò) 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 SGC—Solid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開(kāi)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(lèi)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 0.1～0.15mm ,Cubital 公司開(kāi)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(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(chēng)作“金屬補(bǔ)強(qiáng)樹(shù)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 1/2～1/3. 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(lái)制造模具 1.1.3 各種成型方法簡(jiǎn)介及對(duì)比 表 1.1 幾種典型成型工藝的比較 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(shù)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 1.2 快速成型精度概述 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(jiàn)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(guò)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 4 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，所以，誤差無(wú)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(guò)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(guò)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 方向運(yùn)動(dòng)誤差 Z 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 驅(qū) 動(dòng)器 參數(shù)補(bǔ)償誤差 樹(shù)脂收縮引起工件變型 殘留液態(tài)樹(shù)脂不均 勻收縮引起工件變型 CAD 模型面誤差 圖 1.1 制件誤差產(chǎn)生原因 2、成型系統(tǒng)的工作誤差 CPS250 成型機(jī)成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、X-Y 掃描誤 差和樹(shù)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; 5 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(guò)程中材料狀態(tài)引起的翹曲變形 在光固化過(guò)程中，樹(shù)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(guò)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(guò)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(shù)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(huì)繼續(xù)蠕變并導(dǎo)致誤差。成型過(guò)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(guò)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(shù)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(shù)脂為零;成型 過(guò)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(guò)程 中的殘余應(yīng)力有利于提高零件的成型精度。 1.3 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理 Stero Lightgraphy Apparatus 又稱(chēng)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(shù)脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)（λ=325nm ） 和功率（P=30mW ）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對(duì)分子質(zhì)量急劇增 大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)備制造的零件進(jìn) 行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì) ,再由專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)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(duì)表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)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(yùn)動(dòng)指令 ,在結(jié)合提升機(jī)構(gòu) 沿 Z 坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動(dòng) ,形成整個(gè)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(tái)下降至液體容器的液面之下 ,對(duì)應(yīng)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(shù)脂(如環(huán)氧樹(shù)脂 ,乙烯 酸樹(shù)脂或丙烯酸樹(shù)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(tái)上. 然后 ,升降工作臺(tái)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 6 液面 ,使新一層液態(tài)樹(shù)脂固化并緊緊粘長(zhǎng)在前一層已固化的樹(shù)脂上。如此反復(fù)“生長(zhǎng)” ,直至形成整個(gè)三維實(shí)體零件.如圖所示： 圖 1.2 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理圖 1.4 立體光固造型 SLA 國(guó)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此外美國(guó) Dayton 大學(xué)還利用 SLA 工藝研制了一種桌 面成型系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于人體軟組織器官模型的建造。 7 1.6 本次設(shè)計(jì)的主要工作 1.6.1 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(shù)脂液體中的升降托盤(pán)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)。 1.6.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 1、成型空間：400*400*300mm 2、激光頭最大運(yùn)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(dǎo)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(pán)的層間下降距離：0.1mm 7、Z 向定位精度：0.01mm 1.6.3 設(shè)計(jì)思路及主要問(wèn)題 采用分塊設(shè)計(jì)的思路，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分 X——Y 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(guò)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 8 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，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(shù)脂有一定的酸性作用，所以浸泡在樹(shù)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(shù)脂的致凝作用。 由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長(zhǎng)，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(shù)脂的粘性及固化樹(shù)脂的表面張力作用，如僅僅依賴(lài)樹(shù)脂的流動(dòng)而達(dá)到液面 平整的話，就會(huì)需要很長(zhǎng)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(guò)程包括兩個(gè)步驟:第一步托板下降較大的深度并稍作停頓，這一過(guò)程是為 了克服液態(tài)樹(shù)脂與固化層面的表面張力，使樹(shù)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(shù)脂刮掉。刮平后，樹(shù)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(zhǎng)短要根據(jù)樹(shù)脂的流動(dòng)性、零件尺寸的大 小而定。 9 第 2 章 XY 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)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)。 2.1 設(shè)計(jì)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)。 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 統(tǒng)分辨率 310m?? 由靜止到最大快進(jìn)速度過(guò)度時(shí)間 17ms～19ms 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 m05.? 2.1.2 方案的分析、比較、論證 西安交通大學(xué)開(kāi)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(zhǎng)，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，中間沒(méi)有其他部件降低傳動(dòng)精度損 失，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)。 10 B．在保證一定加工性能的前提下，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(kāi)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(yè)圖 2.1 所示： 2.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 2.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 脈沖當(dāng)量 即系統(tǒng)分辨率。本設(shè)計(jì)中， ＝p?p?310m?? 2.2.2 傳動(dòng)比的確定 當(dāng) ＝1 時(shí)，可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此i 本設(shè)計(jì)中取 ＝1。 2.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 根據(jù)公式 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 2.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 11 (2.1)pbLi??360? 其中 為傳動(dòng)比，i 為電機(jī)步距角，b? 為滾珠絲杠導(dǎo)程，0L 為脈沖當(dāng)量。p? 因?yàn)?＝1， ＝0.001mm ，現(xiàn)取 ＝4mm，可得 ＝0.09 o。由于其步距角很小，ip0Lb? 所以將采用有細(xì)分電路的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 2.3 絲杠的選型及計(jì)算 2.3.1 計(jì)算絲杠受力 由于工作臺(tái)質(zhì)量較小，且只承擔(dān)傳動(dòng)作用，不承受任何切削力，故本設(shè)計(jì)中只考 慮導(dǎo)軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時(shí)的慣性力。 1、導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算 根據(jù)摩擦力計(jì)算公式： f=mgμ (2.2) X 向：工作拖板質(zhì)量 =10kg 采用滾動(dòng)導(dǎo)軌， μ=0.005xm =10×9.8×0.005=0.49N?gfx? Y 向：取激光頭及移動(dòng)部件質(zhì)量為 =3kg μ=0.005y =3×9.8×0.005=0.147Nfy 2、工作臺(tái)慣性力的計(jì)算 取平均加速時(shí)間 t=18ms,由于系統(tǒng)最大移動(dòng)速度 =80 ，經(jīng)計(jì)算得，系統(tǒng)maxVs 加速度 a= 24.ms = =10×4.4=44N1Fax = =3×4.4=13.2N2y 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 由于轉(zhuǎn)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 12 尺寸并較核其承載能力是否超過(guò)額定動(dòng)載荷。 1、最大工作載荷的計(jì)算 本設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)最大載荷應(yīng)該是導(dǎo)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(dòng)載荷 的計(jì)算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷 可用下式計(jì)算： (2.3)hnKFf??? 式中：F —滾珠絲杠副的軸向負(fù)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(jí)取三級(jí)， =1.0af af 為負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) 無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)， =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(dòng)負(fù)荷（N）aC --滾珠絲杠副的計(jì)算動(dòng)負(fù)荷（N） --各類(lèi)機(jī)械所用的滾珠絲杠的推薦壽命, 取 15000hhL hL --壽命系數(shù) ,hK1.3)50(?hL --轉(zhuǎn)速系數(shù)，n ..nK 經(jīng)計(jì)算得： 13 X 向 C=1613N Y 向 C=483.9N 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》P770, 本設(shè)計(jì)選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母墊片預(yù) 緊滾珠絲杠副 FFZ1604,其參數(shù)如下：W16m4D239C01ao??????公 稱(chēng) 直 徑 d基 本 導(dǎo) 程滾 珠 直 徑 ＝ ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，額 定 動(dòng) 載 荷 ＝ 6額 定 靜 載 荷 選取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)。 3、傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為? (2.4))(???tg＝ 式中： 為絲杠螺旋升角，? 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) ＝0.003～0.005,?f 其摩擦角約等于 。01? 所以， 96.0)13()(?????tgt＝＝ ??? 4、定位精度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向剛度會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。由于軸向剛度 不足引起的軸向變形量一般不應(yīng)大于機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變形較小，對(duì) 縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì)， 只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)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(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量，其計(jì)算公式為 (2.5)EALFm?＝1 式中： 為在工作載荷作用下絲杠1?總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（mm） ； 14 為絲杠的工作載荷(N)；mF 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm)；L E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E＝20.6×10 4MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“＋ ”號(hào)用于拉伸， “—”號(hào)用于壓 縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW＝2mm，螺 紋 滾 道 曲 率 半 徑 0.52.21.04WRm???滾 珠 直 徑 wm0.7(/).7(./).28we??偏 心 距 1d2162081439meRm?????螺 桿 小 徑 22.Ad.5.4?滾 珠 絲 桿 按 內(nèi) 徑 確 定 的 截 面 積 ＝ 其中， 為絲杠公稱(chēng)直徑。 為絲杠底徑。m1 取 X 向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L＝550mm，Y 向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L＝550mm。 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(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其 計(jì)算公式： (2.6)mcFCK?＝ 式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N） ；mF 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 =580N/ 。CK? 所以，X 向： X4.90.85??＝ ＝ Y 向： C13.7.2m＝ ＝ 絲杠的總的變形量 應(yīng)小于允許的變形量。一般 不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系21?＋＝ ? 15 統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因?yàn)?，X 向： 120.8.3m????＝ ＋ ＝ .75 Y 向： 04?＝ ＋ 取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 ，加上絲杠副的總變 形量 0.83 、0.24 ，可以滿足機(jī)床的定位精度 0.01/400 的要求。m? 5、壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作載荷過(guò)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(shí)的臨界載荷為 KF (2.7) 2110KfEJL?? 式中： J 為絲杠軸最小截面慣性矩 ，對(duì)絲杠圓截面 ， （d 2為絲杠4()m46J?? 底徑， ） ；201.wdD?? L 為絲杠最大工作長(zhǎng)度（m） ； E 為材料的拉、壓彈性模量，對(duì)鋼 E＝2.1×10 11Pa； 為絲杠支承方式系數(shù)。本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用一端軸向固1f 定一端游動(dòng)，即 ＝2；1f 為安全系數(shù)，取 =1/31K1K 。 449423.06.70()6dJ m?????? 所以： 2192...16.23KF?? 臨界載荷 遠(yuǎn)大于絲杠工作載荷 （ =44.49N, =13.347N） ，因此滾珠絲mFxmyF 杠不會(huì)失穩(wěn)。 2.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 2.4.1 初選導(dǎo)軌型號(hào) 導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，根據(jù)縱向最大動(dòng)載荷 C=1613N,橫向最大動(dòng)載荷 16 C＝483.9N，通過(guò)查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 表 2.9-38 P893，初選 3 條導(dǎo)軌的 型號(hào)都為 GTB16。其參數(shù)如下：1650ml???， 2.4.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 L 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)算： 滾動(dòng)體為球時(shí) (2.8) 350aTCWfLF??????? 式中： 為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km） ；L 為額定載荷（N） ，從《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》 表 2-10 查得 ＝8820N；aC aC 為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò) 1000C 時(shí)， ＝1；Tf Tf