激光3D打印機設計（含6張CAD圖紙）,激光,打印機,設計,CAD,圖紙 畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計題目： 激光3D打印機 畢業(yè)生姓名 ： 專業(yè) ： 學號 ： 指導教師 ： 所屬系（部） ： 二〇 年 月 I 前言 3Ｄ打印是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬 或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，3Ｄ打印通常采用數字技術材料打印機來實現。3D打印技術主要包括立體光刻造型技術、熔融沉積成型技術、選擇性激光燒結等，這些技術使得打印出的產品在精度及質量等方面有大幅 的提升，可以說3Ｄ打印為產品成型提供了整體解決方案。3Ｄ打印技術就是以逐層堆積材料的方式，獲得立體的實物。首先，通過掃描儀或電腦制圖軟件獲得需要打印物體的三維數據，然后將數據導人３Ｄ 打印機，用專用軟件進行分層處理，每一層形成二維圖形數據，然后專用軟件根據每一層的二維圖形數據進行線掃描或點打印路徑規(guī)劃和自動編程，形成打印機識別數控Ｇ碼程序，然后打印機啟動這些程序，進行逐點逐線逐面打印直到完成實物的成型?；舅悸肪褪窍葘⑻摂M數據離散化處理，然后 將離散數據用打印機變成實體。 I 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3D立體光固化成型機的機械結構進行了設計，包括：1、X-Y 掃描機構；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。X-Y 方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 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 III 目 錄 第1章 緒 論 - 4 - 1.1快速原型技術簡介 - 4 - 1.1.1幾種典型的快速成型技術 - 4 - 1.1.2各種成型方法簡介及對比 - 5 - 1.2快速成型精度概述 - 6 - 1、CAD模型的前處理造成的誤差 - 6 - 2、成型系統(tǒng)的工作誤差 - 7 - 3、成型過程中材料狀態(tài)引起的翹曲變形 - 7 - 4、成型之后環(huán)境度化引起的誤差 - 8 - 5、工件后處理造成誤差 - 8 - 1.3立體光固造型SLA技術原理 - 8 - 1.4 立體光固造型SLA國內外現有技術水平 - 9 - 1.5立體光固造型SLA應用領域 - 9 - 1.6 本次設計的主要工作 - 9 - 1.6.1 主要設計工作 - 10 - 1.6.2 設計參數 - 10 - 1.6.3 設計思路及主要問題 - 10 - 第2章 XY方向設計計算 - 11 - 2.1設計任務 - 12 - 2.1.1 設計參數 - 12 - 2.1.2 方案的分析、比較、論證 - 12 - 2.2 脈沖當量和傳動比的確定 - 13 - 2.2.1 脈沖當量的確定 - 13 - 2.2.2 傳動比的確定 - 13 - 2.2.3 確定步進電機步距角 - 13 - 2.3 絲杠的選型及計算 - 14 - 2.3.1 計算絲杠受力 - 14 - 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 - 14 - 2.4 導軌的選型及計算 - 18 - 2.4.1 初選導軌型號 - 18 - 2.4.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 - 18 - 2.5 步進電機的選擇 - 19 - 2.5.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 - 20 - 2.5.2 所需轉動力矩計算 - 21 - 2.6 本章小結 - 23 - 第3章 Z方向設計計算 - 24 - 3.1 Z方向工作臺設計 - 25 - 3.1.1設計任務 - 25 - 3.1.2 設計參數 - 25 - 3.1.3 方案的分析、比較、論證 - 25 - 3.2 脈沖當量和傳動比的確定 - 26 - 3.2.1 脈沖當量的確定 - 26 - 3.2.2 傳動比的確定 - 26 - 3.2.3 確定步進電機步距角 - 26 - 3.3 絲杠的選型及計算 - 27 - 3.3.1 計算絲杠受力 - 27 - 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 - 27 - 3.4 步進電機的選擇 - 30 - 3.4.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 - 30 - 3.4.2 所需轉動力矩計算 - 31 - 3.5本章小結 - 33 - 第4章 刮刀系統(tǒng)設計 - 34 - 4.1 刮板的選擇 - 35 - 4.2 刮板的材料和移動速度對涂層質量的影響 - 36 - 4.3 本章小結 - 37 - 結 論 - 38 - 附錄 - 38 - 外文 - 39 - 中文翻譯 - 53 - 致 謝 - 64 - 參考文獻 - 65 - - 3 - II 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。 1.1快速原型技術簡介 快速原型制造技術(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡稱 RPM ,是先進制造技術的重要分支.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 年來制造技術最重大進展之一.它建立在CAD/ CAM 技術、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 CAD與各種自由造型(Free Form Manufacturing)技術直接結合起來 ,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. 1.1.1幾種典型的快速成型技術 1、立體光固造型 SLA Stero Lightgraphy Apparatus又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置. 2、 疊層實體制造LOM 疊層實體制造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 ,激光器先按最底層的 CAD 三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.LOM 制作的零件不收縮、不變形 ,精度可達 ±0.1mm ,切片厚度 0.05～0.50mm。 3、 選擇性激光燒結 SLS 選擇性激光燒結 Selected Laser Sintering的生產過程與 SLA 類似 ,用 CO2 紅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 FDM 融積成型技術(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機的 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 噴嘴移動軌跡的幾何信息.運作時 ,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) ,在微型機控制下 ,噴嘴沿著 CAD 確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.如此反復 ,由下而上形成一個三維實體.FDM 的制作精度目前可達 ±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. 5、 其它快速原型制造技術 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.其加工過程是先把 CAD 設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 ,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模殼最后加工 ,完成整個加工過程.此系統(tǒng)能檢測自己的印刷缺陷 ,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. SGC工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 0.1 %,切片厚度約為 0.1～0.15mm ,Cubital 公司開發(fā)的 Solider5600 型產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(Metal Resin Moulding)復合料”,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(HTSLS) ,在取消聚合物粘結劑方面進行了嘗試.結果表明 ,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粉末來制造模具 1.1.2各種成型方法簡介及對比 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 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 簡單 中小件 便宜 較差 塑料 低 高 便宜 SLS 較低 中等 復雜 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 研究成型機的成型精度，提高成型精度，對于RP技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1-1所示： 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、CAD模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CAD模型進行 STL格式化和切片等處理，以便得到一系列的截面輪廓。在對三維CAD模型分層切片前，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STL文件格式，這種格式非常簡單，便于后續(xù)的分層處理。STL格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: STL公式化時，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ST L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。 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 XY掃描誤差 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 CAD模型面誤差 圖1.1 制件誤差產生原因 2、成型系統(tǒng)的工作誤差 CPS250成型機成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、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動精度，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。 1.3立體光固造型SLA技術原理 Stero Lightgraphy Apparatus又稱激光立體造型、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（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，相對分子質量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉變成固態(tài)。SLA 的原理是由 CAD 系統(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CAD系統(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.隨后 CAM軟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.指令輸入SLA系統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體容器的液面之下 ,對應于 CAD 模型最下一層切片的厚度處 ,根據該切片的 X- Y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.然后 ,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.如圖所示： 圖1.2 立體光固造型SLA技術原理圖 1.4 立體光固造型SLA國內外現有技術水平 立體光固造型 SLA方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、西安交通大學等.美國 3D System公司的 SLA 技術在國際市場上占的比例最大 ,其設備自 1988 年推出 SLA - 250 機型以后 ,又于1997 年推出 SLA - 250HR,SLA - 3500 ,SLA - 5000三種機型 ,在技術上有了長足進步. 其中 ,SLA -3500和 SLA - 5000 使用半導體激勵的固體激光器 ,掃描速度分別達到2.54 m/ s和5m/ s,成型層厚最小可達 0. 05 mm. 此外 ,還采用了一種稱之為Zephyer recoating system的新技術 ,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0.05～0. 1 mm 的待固化樹脂 ,使成型時間平均縮短了20 %.該公司于1999年推出的SLA - 7000機型與SLA - 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, 成型層厚最小可達0.025 mm,精度提高了1倍。 國內對 SLA 技術的研究始于 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.目前西安交通大學開發(fā)的LPS- 600A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產品. 國內外研究者在SLA技術的成形機理、控制制件變形、提高制件精度等方面進行了大量研究。 1.5立體光固造型SLA應用領域 美國克萊斯勒公司(Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風洞中進行空氣動力學試驗分析;此外美國 Dayton 大學還利用 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。 1.6 本次設計的主要工作 1.6.1 主要設計工作 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； 1.6.2 設計參數 1、成型空間：400*400*300mm 2、激光頭最大運行速度：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/托盤的層間下降距離：0.1mm 7、Z向定位精度：0.01mm 1.6.3 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、X-Y掃描系統(tǒng)的機械結構 成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的X-Y 動工作臺，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X-Y平面運動，掃描范圍為400x400mn，重復定位精度0. 005mn。為減輕質量，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、X-Y掃描頭、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。 - 68 - 第2章 XY方向設計計算 成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的X-Y 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X-Y平面運動，掃描范圍為400x400mn，重復定位精度0. 005mn。為減輕質量，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、X-Y掃描頭、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。 2.1設計任務 機械結構裝配圖，A1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。 2.1.1 設計參數 統(tǒng)分辨率 由靜止到最大快進速度過度時間 17ms～19ms 工作臺行程 x向 400mm y向 400mm 最大快進速度 x向和y向 80mm/s 定位精度 2.1.2 方案的分析、比較、論證 西安交通大學開發(fā)的cps250成型機XY掃描系統(tǒng)，其掃描范圍為250mmx250mm，運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400mmX400mm,行程較長，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、XY方向掃描進給系統(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)。 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2.1所示： 微 機 驅動器 驅動器 功率放大 功率放大 步 進 電 機 步 進 電 機 X向 Y向 波紋管 波紋管 圖2.1 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 2.2 脈沖當量和傳動比的確定 2.2.1 脈沖當量的確定 脈沖當量即系統(tǒng)分辨率。本設計中，＝ 2.2.2 傳動比的確定 當＝1時，可使步進電機直接與絲杠聯接，有利于簡化結構，提高精度。因此本設計中?。?。 2.2.3 確定步進電機步距角 根據公式 (2.1) 其中 為傳動比， 為電機步距角， 為滾珠絲杠導程， 為脈沖當量。 因為＝1，＝0.001mm，現?。?mm，可得＝0.09o。由于其步距角很小，所以將采用有細分電路的驅動結構。 2.3 絲杠的選型及計算 2.3.1 計算絲杠受力 由于工作臺質量較小，且只承擔傳動作用，不承受任何切削力，故本設計中只考慮導軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時的慣性力。 1、導軌摩擦力的計算 根據摩擦力計算公式： f=mgμ (2.2) X向：工作拖板質量=10kg 采用滾動導軌，μ=0.005 =10×9.8×0.005=0.49N Y向：取激光頭及移動部件質量為=3kg μ=0.005 =3×9.8×0.005=0.147N 2、工作臺慣性力的計算 取平均加速時間t=18ms,由于系統(tǒng)最大移動速度=80，經計算得，系統(tǒng)加速度a= ==10×4.4=44N ==3×4.4=13.2N 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 由于轉速較大，滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據其使用壽命選擇絲杠的基本尺寸并較核其承載能力是否超過額定動載荷。 1、最大工作載荷的計算 本設計中，工作臺最大載荷應該是導軌摩擦力與加減速慣性力的總和 所以， X向： Y向： 2、最大動載荷的計算和主要尺寸的初選 滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算： (2.3) 式中：F —滾珠絲杠副的軸向負荷（N） --影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數； 為溫度系數 工作溫度小于125，=0.95 為硬度系數 硬度大于58HRC，=1.0 為精度系數 精度等級取三級，=1.0 為負荷性質系數 無沖擊平穩(wěn)運轉，=1.1 為可靠性系數 可靠度98%， =0.33 --滾珠絲杠副的額定動負荷（N） --滾珠絲杠副的計算動負荷（N） --各類機械所用的滾珠絲杠的推薦壽命,取15000h --壽命系數, --轉速系數， 經計算得： X向 C=1613N Y向C=483.9N 查《機電一體化系統(tǒng)設計手冊》P770, 本設計選內循環(huán)浮動返回器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副FFZ1604,其參數如下： 選取絲杠精度等級為1級。 3、傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 (2.4) 式中：為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數＝0.003～0.005, 其摩擦角約等于。 所以， 4、定位精度驗算 滾珠絲杠副的軸向剛度會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動平穩(wěn)性。由于軸向剛度不足引起的軸向變形量一般不應大于機床定位精度的一半。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。滾珠絲杠的扭轉變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計，只要滾珠絲杠支承的剛度設計得好，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 滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 (2.5) 式中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）； 為絲杠的工作載荷(N)； 為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)； E為材料彈性模量，對鋼E＝20.6×104MPa； A為滾珠絲杠按內徑確定的截面積（mm2）；“＋”號用于拉伸，“—”號用于壓縮。 根據滾珠直徑DW＝2mm， 其中， 為絲杠公稱直徑。為絲杠底徑。 取X向進給的絲杠長度L＝550mm，Y向進給的絲杠長度L＝550mm。 所以，X向： Y向： B．絲杠與螺母間的接觸變形量 該變形量與滾珠列、圈數有關，即與滾珠總數量有關，與滾珠絲杠長度無關。其計算公式： (2.6) 式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N）； 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取=580N/。 所以，X向： Y向： 絲杠的總的變形量應小于允許的變形量。一般不應大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因為，X向： Y向： 取絲杠精度等級為1級，其有效工作行程內的誤差為6，加上絲杠副的總變形量0.83、0.24，可以滿足機床的定位精度0.01/400的要求。 5、壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 (2.7) 式中： J為絲杠軸最小截面慣性矩，對絲杠圓截面，（d2為絲杠底徑，）； L為絲杠最大工作長度（m）； E為材料的拉、壓彈性模量，對鋼E＝2.1×1011Pa； 為絲杠支承方式系數。本設計中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用一端軸向固定一端游動，即＝2； 為安全系數，取=1/3 。 所以： 臨界載荷遠大于絲杠工作載荷（=44.49N, =13.347N），因此滾珠絲杠不會失穩(wěn)。 2.4 導軌的選型及計算 2.4.1 初選導軌型號 導軌為直線滾動導軌，根據縱向最大動載荷C=1613N,橫向最大動載荷C＝483.9N，通過查《機電一體化系統(tǒng)設計手冊》表2.9-38 P893，初選3條導軌的型號都為GTB16。其參數如下： 2.4.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 滾動導軌副的距離額定壽命可用下列公式計算： 滾動體為球時 (2.8) 式中：為滾動導軌副的距離額定壽命（km）； 為額定載荷（N），從《機電一體化設計手冊》表2-10查得＝8820N； 為溫度系數，當工作溫度不超過1000C時，＝1； 為接觸系數，每根導軌條上裝二個滑塊時＝0.81； 為載荷/速度系數，無外部沖擊或振動的低速運轉場合時，＝1.2。 為每個滑塊的工作載荷（N）。 X向： Y向： 所以，X向： Y向： 均大于滾動導軌的期望壽命，滿足設計要求，初選的滾動導軌副可采用。 2.5 步進電機的選擇 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。 步進電機的一些特點： 1、 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 2、步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4、步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 5、步進電機相對普通電機來說，他可以實現開環(huán)控制，即通過驅動器信號輸入端輸入的脈沖數量和頻率實現步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號。但是步進電機不適合使用在長時間同方向運轉的情況，容易燒壞產品，即使用時通常都是短距離頻繁動作較佳。 2.5.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)是轉動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。本設計需要對絲杠,工作臺進行轉動慣量的計算。 1、滾珠絲杠轉動慣量的折算 滾珠絲杠轉動慣量： (2.9) 其中為絲杠公稱直徑（cm）, 為絲杠有效行程（mm） 2、工作臺質量的折算 工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣 可按下式進行計算： (2.10) 式中，為絲杠導程（cm）； 為工作臺質量（kg）。 所以，X向： Y向： 3、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 X向： Y向： 2.5.2 所需轉動力矩計算 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算： (2.11) 式中：為空載啟動力矩（N?cm）； 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N?cm）； 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N?cm）； 為由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩（N?cm）。 有關的各項力矩值計算如下： 1、加速力矩 (2.12) (2.13) 式中：為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量；為電機最大角加速度；為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度；為初選步進電機的步距角；為脈沖當量。 X向： Y向： 2、空載摩擦力矩 (2.14) 式中：為運動部件的總重量； 為導軌摩擦系數； 為傳動降速比； 為傳動系數總效率，取＝0.8； 為滾珠絲杠的基本導程。 X向： Y向： 3、附加摩擦力矩 (2.15) 式中：為滾珠絲杠預緊力，=/3； 為滾珠絲杠預緊時的傳動效率，現?。?.9。 X向： Y向： 所以，步進電機所需空載啟動轉矩： X向： Y向： 步進電機所需空載啟動所需轉矩M，步進電機啟動力矩關系如下： 所以，X向：=364.215 Y向：=358.355 為滿足最小步距角要求，查表知步進電機最大靜轉矩與步進電機啟動力矩的關系為： (2.16) 查《經濟型數控機床系統(tǒng)設計》表7-2 P347得＝0.866。所以， X向： Y向： 綜合考慮，查表選擇57BYG096型步進電機，如圖2.2、2.3所示： 圖2.2 步進電機 圖2.3 步進電機外形尺寸 表2-1 電機參數 電機型號 相數 步距角 最大靜轉距 電壓 相電流 分配方式 57BYG096 2 1.8 0.75(N.m) DC 24V 3 A 雙相四拍 2.6 本章小結 本章是主要針對X-Y掃描機構的設計，首先要明確設計任務，然后確定脈沖當量和傳動比，絲杠及導軌的選型及相應的計算，最后通過計算確定X-Y方向的驅動電機。 第3章 Z方向設計計算 3.1 Z方向工作臺設計 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，托板經常作下降、提升運動，為了減少運動時對液面的攪動，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，本設計中取孔距5mm，孔徑3mm。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 2mm 不銹鋼板做成中空行管結構的形狀。 3.1.1設計任務 機械結構裝配圖，A0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。 3.1.2 設計參數 系統(tǒng)分辨率 由靜止到最大快進速度過度時間 11ms～13ms 工作臺行程 300mm 最大快進速度 m/s 定位精度 3.1.3 方案的分析、比較、論證 1、Z方向掃描進給系統(tǒng)的總體方案設計應考慮因素 A．工作臺應具有沿縱向往復運動、暫停等功能，因此數控控制系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 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．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。 D． 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 Z向 微 機 驅 動 器 功率放大 步進 電機 圖3.1 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 3.2 脈沖當量和傳動比的確定 3.2.1 脈沖當量的確定 脈沖當量即系統(tǒng)分辨率。本設計中，＝ 3.2.2 傳動比的確定 當＝1時，可使步進電機直接與絲杠聯接，有利于簡化結構，提高精度。因此本設計中?。?。 3.2.3 確定步進電機步距角 根據公式 (3.1) 其中 為傳動比， 為電機步距角， 為滾珠絲杠導程， 為脈沖當量。 因為＝1，＝0.001mm，現?。?mm，可得＝0.09o。由于其步距角很小，所以將采用有細分電路的驅動結構。 3.3 絲杠的選型及計算 3.3.1 計算絲杠受力 由于工作臺質量較小，且只承擔傳動作用，不承受任何切削力，故本設計中只考慮導軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時的慣性力。 1、移動件及最大成型件重量的計算 根據摩擦力計算公式： G=mg (3.2) 移動部件質量=10kg 最大成型件重量 =10kg =20×9.8=196N 2、3.3.1.2 工作臺慣性力的計算 取平均加速時間t=12ms,由于系統(tǒng)最大移動速度=，經計算得，系統(tǒng)加速度a= ==20×1.4=28N 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 由于轉速較大，滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據其使用壽命選擇絲杠的基本尺寸并較核其承載能力是否超過額定動載荷。 1、最大工作載荷的計算 本設計中，工作臺最大載荷應該是導軌摩擦力與加減速慣性力的總和 所以， 2、最大動載荷的計算和主要尺寸的初選 滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算： (3.3) 式中： F —滾珠絲杠副的軸向負荷（N） --影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數； 為溫度系數 工作溫度小于125，=0.95 為硬度系數 硬度大于58HRC，=1.0 為精度系數 精度等級取三級，=1.0 為負荷性質系數 無沖擊平穩(wěn)運轉，=1.1 為可靠性系數 可靠度98%， =0.33 --滾珠絲杠副的額定動負荷（N） --滾珠絲杠副的計算動負荷（N） --各類機械所用的滾珠絲杠的推薦壽命,取15000h --壽命系數, --轉速系數， 經計算得： C=8122N 查《機電一體化系統(tǒng)設計手冊》P770, 本設計選內循環(huán)浮動返回器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副FFZ3204,其參數如下： 選取絲杠精度等級為一級。 3、傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 (3.4) 式中：為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數＝0.003～0.005, 其摩擦角約等于。 所以， 4、定位精度驗算 滾珠絲杠副的軸向剛度會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動平穩(wěn)性。由于軸向剛度不足引起的軸向變形量一般不應大于機床定位精度的一半。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。滾珠絲杠的扭轉變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計，只要滾珠絲杠支承的剛度設計得好，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 滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 (3.5) 式中： 為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）； 為絲杠的工作載荷(N)； 為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)； E為材料彈性模量，對鋼E＝20.6×104MPa； A為滾珠絲杠按內徑確定的截面積（mm2）；“＋”號用于拉伸，“—”號用于壓縮。 根據滾珠直徑DW＝3 mm， 其中， 為絲杠公稱直徑。為絲杠底徑。 取絲杠長度L＝420mm。 所以， B．絲杠與螺母間的接觸變形量 該變形量與滾珠列、圈數有關，即與滾珠總數量有關，與滾珠絲杠長度無關。其計算公式： (3.6) 式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N）； 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取=580N/ 所以， 絲杠的總的變形量應小于允許的變形量。一般不應大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因為： 取絲杠精度等級為1級，其有效工作行程內的誤差為6，加上絲杠副的總變形量1.08，可以滿足機床的定位精度的0.01/300要求。 5、壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的