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I 快速成型機設計 摘 要 自 20 世紀 80 年代中期以來，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 cps250 型激光 快速成型機的 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(xiàn)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。 通過對立體激光快速成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(chǎn)過程中能夠更好的進行生產(chǎn)。 關鍵詞：快速成型機；掃描機構；快速成型；傳動；結構設計 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 快速原型技術簡介 ....................................................................................................1 1.1.1 RPM 的基本構思 ..........................................................................................1 1.1.2 幾種典型的快速成型技術 ............................................................................2 1.1.3 各種成型方法簡介及對比 .............................................................................3 1.2 快速成型精度概述 ....................................................................................................3 1.3 快速成型機 SLA 技術原理 ......................................................................................5 1.4 快速成型機 SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術水平 ..................................................................6 1.5 快速成型機 SLA 應用領域 ......................................................................................6 1.6 本次設計的主要工作 ...............................................................................................7 1.6.1 主要設計工作 ................................................................................................7 1.6.2 設計參數(shù) ........................................................................................................7 1.6.3 設計思路及主要問題 ....................................................................................7 第 2 章 XY 方向設計計算 ................................................................................9 2.1 設計任務 ....................................................................................................................9 2.1.1 設計參數(shù) ........................................................................................................9 2.1.2 方案的分析、比較、論證 ............................................................................9 2.2 脈沖當量和傳動比的確定 .....................................................................................10 2.2.1 脈沖當量的確定 ..........................................................................................10 2.2.2 傳動比的確定 ..............................................................................................10 2.2.3 確定步進電機步距角 ..................................................................................10 2.3 絲杠的選型及計算 .................................................................................................11 2.3.1 計算絲杠受力 ..............................................................................................11 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 ..................................................................11 2.4 導軌的選型及計算 .................................................................................................15 2.4.1 初選導軌型號 ..............................................................................................15 2.4.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 ..........................................................16L 2.5 步進電機的選擇 .....................................................................................................16 2.5.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 ......................................................................17 2.5.2 所需轉動力矩計算 ......................................................................................18 2.6 本章小結 .................................................................................................................21 第 3 章 Z 方向設計計算 .................................................................................22 3.1 Z 方向工作臺設計 ..................................................................................................22 3.1.1 設計任務 .......................................................................................................22 3.1.2 設計參數(shù) ......................................................................................................22 3.1.3 方案的分析、比較、論證 ..........................................................................22 3.2 脈沖當量和傳動比的確定 .....................................................................................23 3.2.1 脈沖當量的確定 ..........................................................................................23 3.2.2 傳動比的確定 ..............................................................................................23 3.2.3 確定步進電機步距角 ..................................................................................23 3.3 絲杠的選型及計算 .................................................................................................24 3.3.1 計算絲杠受力 ..............................................................................................24 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 ..................................................................24 3.4 步進電機的選擇 .....................................................................................................28 3.4.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 ......................................................................28 3.4.2 所需轉動力矩計算 ......................................................................................29 3.5 本章小結 ..................................................................................................................31 第 4 章 刮刀系統(tǒng)設計 .....................................................................................32 4.1 刮板的選擇 .............................................................................................................32 4.2 刮板的材料和移動速度對涂層質量的影響 .........................................................33 4.3 本章小結 .................................................................................................................34 第 5 章 PLC 控制系統(tǒng) ....................................................................................35 5.1 步進電機的簡介 ......................................................................................................35 5.2 步進電機的工作原理及特性 ..................................................................................35 5.3 PLC 簡單介紹 ..........................................................................................................35 5.3.1 為大量實際應用而開發(fā)的特殊功能 ...........................................................35 5.3.2 網(wǎng)絡和數(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 進給速度控制 ..............................................................................................37 5.5.3 進給方向控制 ..............................................................................................37 5.6 本章小結 .................................................................................................................37 結 論 ...............................................................................................................38 參考文獻 ...........................................................................................................39 致 謝 ...............................................................................................................41 1 第 1 章 緒 論 本文主要針對快速成型機機機械結構設計。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，力求使快速成型機的傳 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(chǎn)，并且促 進快速成型機的普及與發(fā)展，同時為國內(nèi)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(shù)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(chǎn)品原型或直接制造零件 ,從而使產(chǎn)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 RPM 的基本構思 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(chǎn)生的 CAD 三維實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、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).傳統(tǒng) 的制造方法是基于材料去除(material remove)概念 ,先利用 CAD 技術作出零件的三維 圖形 ,然后對其進行數(shù)值分析(有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等) ,再經(jīng)動態(tài)仿真之后 ,通 過 CAM 的一個后處理(Post Process)模塊仿真加工過程 ,所有的要求均滿足之后 ,形 成 NC 文件在數(shù)控機床上加工成形.快速原型制造技術 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. RPM 是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 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實現(xiàn)了 CAD/ CAM 的 無縫連接; 2 4、RPM 系統(tǒng)是辦公室運作環(huán)境 ,真正變成圖形工作站的外設。由于 RPM 可以 快速、自動、精確地將 CAD 模型轉化成為具有一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零 件 ,因此它對于縮短產(chǎn)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(xiàn)實意義. 1.1.2 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(shù)據(jù) ,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(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(xiàn). 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(chǎn)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 3 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(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 1.1.3 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(chǎn) 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(chǎn)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。快速成型的精度為機械精度和制件精度。 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(shù)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(shù)據(jù)為 STL 4 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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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(shù)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(chǎn)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; 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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(shù)據(jù)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(jù)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(shù)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(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(shù)據(jù)掃描 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.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(nèi)外現(xiàn)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。 7 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； 5、部分硬件控制電路的設計。 1.6.2 設計參數(shù) 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 400 x400mn，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(xiàn)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 8 混合式步進電機，配合細分驅動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實現(xiàn)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(jīng)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(wǎng)狀，網(wǎng)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(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(shù)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(jù)樹脂的流動性、零件尺寸的大 小而定。 9 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 400 x400mn，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(shù) 統(tǒng)分辨率 310m?? 由靜止到最大快進速度過度時間 17ms～19ms Pt 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 m05.? 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(xiàn)抖動現(xiàn)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(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： 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， ＝p?p?310m?? 2.2.2 傳動比的確定 當 ＝1 時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結構，提高精度。因此i 本設計中取 ＝1。 2.2.3 確定步進電機步距角 根據(jù)公式 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 11 (2.1)pbLi??360? 其中 為傳動比，i 為電機步距角，b? 為滾珠絲杠導程，0L 為脈沖當量。p? 因為 ＝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(jù)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=0.005xm =10×9.8×0.005=0.49N?gfx? Y 向：取激光頭及移動部件質量為 =3kg μ=0.005y =3×9.8×0.005=0.147Nfy 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(jīng)計算得，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： x1F40.9.4xfN??? Y 向： y23173y 2、最大動載荷 的計算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動載荷 可用下式計算： (2.3)hnKFf??? 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(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) 精度等級取三級， =1.0af af 為負荷性質系數(shù) 無沖擊平穩(wěn)運轉， =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負荷（N）aC --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 15000hhL hL --壽命系數(shù) ,hK1.3)50(?hL --轉速系數(shù)，n ..nK 經(jīng)計算得： 13 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(nèi)循環(huán)浮動返回器雙螺母墊片預 緊滾珠絲杠副 FFZ1604,其參數(shù)如下：W16m4D239C01ao??????公 稱 直 徑 d基 本 導 程滾 珠 直 徑 ＝ ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，額 定 動 載 荷 ＝ 6額 定 靜 載 荷 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))(???tg＝ 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(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 1? 滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 (2.5)EALFm?＝1 式中： 為在工作載荷作用下絲杠1?總長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度(mm)；L E 為材料彈性模量，對鋼 E＝20.6×10 4MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“＋ ”號用于拉伸， “—”號用于壓 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， 為絲杠公稱直徑。 為絲杠底徑。m1 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： 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，即與滾珠總數(shù)量有關，與滾珠絲杠長度無關。其 計算公式： (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 應小于允許的變形量。一般 不應大于機床進給系21?＋＝ ? 15 統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因為，X 向： 120.8.3m????＝ ＋ ＝ .75 Y 向： 04?＝ ＋ 取絲杠精度等級為 1 級，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 ，可以滿足機床的定位精度 0.01/400 的要求。m? 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(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 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 為絲杠最大工作長度（m） ； E 為材料的拉、壓彈性模量，對鋼 E＝2.1×10 11Pa； 為絲杠支承方式系數(shù)。本設計中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用一端軸向固1f 定一端游動，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 遠大于絲杠工作載荷 （ =44.49N, =13.347N） ，因此滾珠絲mFxmyF 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(jù)縱向最大動載荷 C=1613N,橫向最大動載荷 16 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(shù)如下：1650ml???， 2.4.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 L 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) 350aTCWfLF??????? 式中： 為滾動導軌副的距離額定壽命（km） ；L 為額定載荷（N） ，從《機電一體化設計手冊》 表 2-10 查得 ＝8820N；aC aC 為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過 1000C 時， ＝1；Tf Tf