立体光固化造型机机械系统设计

立体光固化造型机机械系统 目 录1 绪论................................................................................................................ 2 1.1 快速原型技术简介 ................................................................................. 1 1.2 快速成型精度概述 ................................................................................. 3 1.3 立体光固造型 SLA 技术原理 ................................................................. 5 1.4 立体光固造型 SLA 国内外现有技术水平 ............................................ 6 1.5 立体光固造型 SLA 应用领域 ................................................................. 6 1.6 本次设计的主要工 作 ............................................................................ 62 XY 方向设计计 算........................................................................................... 9 2.1 设计任务 ................................................................................................. 9 2.2 脉冲当量和传动比的确定 .................................................................. 10 2.3 丝杠的选型及计算 .............................................................................. 11 2.4 导轨的选型及计算 .............................................................................. 15 2.5 步进电机的选择 .................................................................................. 163 Z 方向设计计算........................................................................................... 21 3.1 Z 方向工作台设计 ............................................................................... 21 3.2 脉冲当量和传动比的确定 .................................................................. 22 3.3 丝杠的选型及计 算 .............................................................................. 23 3.4 步进电机的选择 .................................................................................. 274 刮刀系统设计.............................................................................................. 30 4.1 刮板的选择 .......................................................................................... 30 4.2 刮板的和移动速度对涂层质量的影响 ...................................... 315 设计的改 革.................................................................................................. 32 5.1 XY 扫描系统及 Z 方向工作台 ............................................................. 32 5.2 刮刀机 构 .............................................................................................. 32 5.3 温控系统 .............................................................................................. 32总 结.................................................................................................................. 33致 谢.......................................................................... 错误～未定义书签。 本科毕业设计(论文)通过答辩参考文献.......................................................................................................... 34附 录.......................................................................................................... 35 II 本科毕业设计(论文)通过答辩1 绪论1.1 快速原型技术简介 快速原型制造技术Rapid Prototype Manufacturing 简称 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 CAPPComputer 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、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 几种典型的快速原型技术 1、立体光固造型 SLA Stero Lightgraphy Apparatus 又称激光立体造型、激光立体光刻或立体 1 本科毕业设计(论文)通过答辩印刷装置.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 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 0.05,0.50mm。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 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 0.0254,0.508mm 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 SGC—Solid - 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0.1,0.15mm Cubital 公司开发的 Solider5600 型产品制作的最大工作尺寸为 508 ×508 ×356mm 所用紫外光 灯功率为 2kW 每一层循环约化90s. MRMMitsubishi Chemical Rapid Moulding 日本三菱化学最近推出 2 本科毕业设计(论文)通过答辩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 1/2,1/3. 奥斯丁的德克萨斯大学正在研究的高温选择激光烧结HTSLS 在取消聚合物粘结剂方面进行了尝试.结果表明 可利用 Cu - Sn 或青铜 —镍粉两相粉末 采用激光局部熔化低熔点粉末来制造模具.1.1.3 各种成型方法简介及对比 几种典型成型工艺的比较 成型 原型 表面 复杂 零件 材料 利用 常用 制造 生产 设备 工艺 精度 质量 程度 大小 价格 率 材料 成本 效率 费用 SLA 较高 优 中等 中小件 较贵 很高 树脂 较高 高 较贵 LOM 较高 较差 简单 中小件 便宜 较差 塑料 低 高 便宜 SLS 较低 中等 复杂 中小件 较贵 很高 石蜡 较低 中等 较贵 HDM 较低 较差 中等 中小件 较贵 很高 金属 较低 较低 便宜1.2 快速成型精度概述 研究成型机的成型精度，提高成型精度，对于 RP 技术的推广和应用有很重要的影响。制件误差的产生原因见图 1-1 所示: 光固化成型由三个环节组成:前处理、快速成型加工和后处理。 这三个部分彼此相连，共同完成光固化快速成型过程。每一环节中存在的误差都会影响到最终成型零件的精度。 快速成型的精度为机械精度和制件精度。 目前影响快速成型最终精度的主要原因由于下几个方面: 1、CAD 模型的前处理造成的误差 目前，对于绝大多数快速成型系统而言，必须对工件的三维 CAD 模型进行 STL 化和切片等处理，以便得到一系列的截面轮廓。在对三维CAD 模型分层切片前，需作实体模型的近似处理，即用三角面片近似逼近处理表面，其输出的数据为 STL 文件格式，这种格式非常简单，便于后续的分层处理。STL 格式中每个三角面片只用四个数据项表示，即三个顶点坐标和一个法向矢量，而整个 CAD 模型就是这样一组矢量的集合，STL 公式化用许多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它会导致误差: A: 从本质上看，三角面的组合，不可能完全表达实际表面，所以，误差无法避免 B: STL 公式化时，数据的沉余量太大，致使所需计算机的存储量过大，从而难于选取更小、更多的小三角面，造近似结果与实际表面有更大的误差 C: 另外，在进行 ST L 格式转换时，有时会产生一些局部缺陷，例如， 3 本科毕业设计(论文)通过答辩在表面曲率变化较大的分界处，可能出现据齿状小凹坑，从而造成误差。 CAD 模型面误差 数据处理误差 分成切片产生误 Z 方向运动误差 机器 XY 扫描误差 误差 图层误差 制 件 成型过程误差 光斑变 液位波动引起误差 误 化误差 差 多光谱造成误差 参数补偿误差 固化成 型误差 树脂收缩引起工件变型 后处理误差 残留液态树脂不均 匀收缩引起工件变型 2、成型系统的工作误差 CPS250 成型机成型系统的工作误差按照组成可分为托板升降误差、X-Y 扫描误差和树脂涂层误差。托板升降误差指的是托板的运动精度，它直接影响层厚的精度X-Y 扫描误差指的是 X-Y 平面扫描系统沿 X Y 方向的运动精度，它影响成型零件的尺寸精度和表面光洁度。 3、成型过程中材料状态引起的翘曲变形 在光固化过程中，树脂由液态变为固态，此时单体分子发生聚合反应，分子之间距离改变， 相应地造成体积收缩。在这个过程中，伴有加热作用，这些因素会引起制件每层截面的尺寸变化，再加上相邻层间不规则约束，以由收缩而产生的应力会造成零件在加工过程中的变形。 如加工一悬臂零件 在悬臂部分不加支撑，可以很明显地看到由于树脂收缩而造成的变形。 4、成型之后环境度化引起的误差 从成型系统上取下已成型的 工件之后，由于温度、湿度等环境状况的 4 本科毕业设计(论文)通过答辩变化，工件会继续蠕变并导致误差。成型过程中残留在工件内的残余应力也可能由于时效的作用而部分消失而导致误差。 5、工件后处理造成误差 通常，成型后的工件需进行打磨、抛光和表面涂镀等后处理。如果后处理不当，对形状尺寸控制不严格，也可能导致误差。后处理过程产生的误差可分为三种:一是支撑去除时对表面质量的影响。要求支撑的设计必须合理，不多不少。另外一种是残留液态树脂的固化引起工件的变形。因此在扫描成型时尽可能使残留树脂为零成型过程中工件内部的残余应力引起的蠕变也是影响精度的因素之一。 设法减小成型过程中的残余应力有利于提高零件的成型精度。1.3 立体光固造型 SLA 技术原理 Stero Lightgraphy Apparatus 又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置.SLA 的原理是由 CAD 系统对准备制造的零件进行三维实体造型设计 再由专门的计算机切片软件 CAD 系统的三维造型切割成若干薄层平面数据模型 但对表面形状变化大和精度要求高的部分应切得薄些 其他一般部位切得厚些.随后 CAM 软件再根据各薄层平面的 X -Y 运动指令 在结合提升机构沿 Z 坐标方向的间歇下降运动 形成整个零件的数控加工指令.指令输入 SLA 系统中 首先是工作台下降至液体容器的液面之下 对应于 CAD 模型最下一层切片的厚度处 根据该切片的X- Y 平面几何数据 紫外光照射可固化的液态树脂如环氧树脂 乙烯酸树脂或丙烯酸树脂 在紫外光的作用下 因光聚合作用 第一层被固化在工作台上.然后 升降工作台下降至第二层切片厚度 激光器按照该层切片的平面几何数据扫描液面 使新一层液态树脂固化并紧紧粘长在前一层已固化的树脂上.如此反复 “生长” 直至形成整个三维实体零件.如图 1-1所示: 5 本科毕业设计(论文)通过答辩1.4 立体光固造型 SLA 国内外现有技术水平 立体光固造型 SLA 方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法. 目前 研究 SLA 方法的有 3D System 公司、EOS 公司、FampS 公司、CMET 公司、D - MEC 公司、Teijin Seiki 公司、Mitsui Zosen 公司、西安交通大学等.美国 3D System 公司的 SLA 技术在国际市场上占的比例最大 其设备自 1988 年推出 SLA - 250 机型以后 又于 1997 年推出SLA - 250HRSLA - 3500 SLA - 5000 三种机型 在技术上有了长足进步.其中 SLA -3500 和 SLA - 5000 使用半导体激励的固体激光器 扫描速度分别达到 2.54 m/ s 和 5m/ s成型层厚最小可达 0. 05 mm. 此外 还采用了一种称之为 Zephyer recoating system 的新技术 该技术是在每一成型层上 用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层 0.05,0. 1 mm 的待固化树脂 使成型时间平均缩短了 20 .该公司于 1999 年推出的 SLA - 7000 机型与 SLA - 5000 机型相比 成型体积虽然大致相同但其扫描速度却达 9.52m/ s平均成型速度提高了 4 倍 成型层厚最小可达 0.025 mm精度提高了 1 倍. 国内对 SLA 技术的研究始于 90 年代初 一些高校在其成型理论、控制技术、 成型材料等多方面都进行了大量的研究工作 取得了显著成果.目前西安交通大学开发的 LPS- 600A 型快速成型系统 已有商品化产品.国内外研究者在 SLA 技术的成形机理、控制制件变形、提高制件精度等方面进行了大量研究。1.5 立体光固造型 SLA 应用领域 美国克莱斯勒公司Chrysler就用 SLA 工艺制成了车体模型 将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析此外美国 Dayton 大学还利用SLA 工艺研制了一种桌面成型系统专门用于人体软组织器官模型的建造.1.6 本次设计的主要工作1.6.1 主要设计工作 1、固化用激光扫描装置设计; 2、浸于树脂液体中的升降托盘设计; 3、刮刀机构设计; 4、整机总装配图设计; 5、部分硬件控制电路的设计。1.6.2 设计参数 1、成型空间:400400300mm 2、激光头最大运行速度:80mm/s 3、激光头定位精度:0.005mm 4、上拖板、激光聚焦系统以及直线导轨轴等的总重量:约 10kg 6 本科毕业设计(论文)通过答辩 5、最大成型件重量:约为 10kg 6、固化深度/托盘的层间下降距离:0.1mm 7、Z 向定位精度:0.01mm1.6.3 设计思路及主要问题 采用分块设计的思路，机械结构主要分 X——Y 扫描系统， Z 方向工作台升降系统，刮刀机构等三部分。 1、X-Y 扫描系统的机械结构 成型机的扫描系统采用高精度的 X-Y 动工作台，它带动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。 其结构为步进电机带动滚珠丝杠驱动扫描头作 X-Y 平面运动，扫描范围为 400x400mn，重复定位精度 0. 005mn。为减轻质量，提高响应速度，选用铝材进行设计，并选取大扭矩输出的高频响应电机。 扫描系统结构由计算机、X-Y 扫描头、聚焦镜头、直线圆柱滚动导轨、滚珠丝杠、步进电机等组成。由于混合式步进电机具有体积小、力矩大、低频特性好、运行噪音小、失电自锁等优点，X Y 方向都采用了这种电机。为减少 X 方向负载的质量，连接板及电机座采用铝材。 2、Z 轴升降系统 Z 轴升降系统完成零件支撑及在 Z 轴方向运动的功能，它带动托板上下移动。每固化一层，托板要下降 1 个层厚。它是实现零件堆积的主要过程， 必须保证其定位精度。定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度、表面光洁度以及层与层之间的粘接性能。采用步进电机驱动，精密滚珠丝杠传动及精密导轨导向结构。驱动电机采用混合式步进电机，配合细分驱动电路， 与滚珠丝杠直接联接实现高分辨率驱动，省去了中间齿轮级传动，既减小了尺寸又减小了传动误差。 .