基于數(shù)控加工中心的LOM快速成型裝置

基于數(shù)控加工中心的LOM快速成型裝置,基于,數(shù)控加工中心,lom,快速,成型,裝置 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 1 引言 1.1 快速成型技術(shù)簡述 快速原型制造（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期首先在美國產(chǎn)生并商品化，90年代在全球迅速發(fā)展起來的制造新技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)與50年代的數(shù)控技術(shù)和最近20年發(fā)展起來的特種加工技術(shù)一樣是一種全新的制造技術(shù)，是先進制造技術(shù)群中的重要組成部分。它是一種基于離散堆積成型的數(shù)字化制造技術(shù)，集激光技術(shù)、計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機數(shù)控技術(shù)（CNC）、精密檢測技術(shù)、精密機械、精密伺服驅(qū)動和新材料技術(shù)等先進技術(shù)于一體的綜合高新技術(shù)。它能根據(jù)CAD模型（電子模型）自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想物轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，解決了快速對接問題，有效地縮短了研發(fā)周期，滿足了當(dāng)今競爭日益激烈的市場對新產(chǎn)品快速開發(fā)和快速制造的要求［1］［2］。 快速成型與制造技術(shù)經(jīng)過10多年的研究和開發(fā)，取得了很大的成就，推出了系列商用RP／M系統(tǒng)。但現(xiàn)有RP／M技術(shù)主要以樹脂、塑料、紙張等作造型材料，僅適合制造原型零件或功能原型零件，尚不能直接快速制造具有實際功能的機械零件。為此，功能零件的快速制造成為目前RP領(lǐng)域的研究熱點之一[3]。 在經(jīng)濟全球化趨勢正不斷加強，各個領(lǐng)域的技術(shù)交流、經(jīng)貿(mào)交流日益擴大，世界上發(fā)生的這些進步、變革與發(fā)展使當(dāng)代制造業(yè)的生態(tài)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展模式等都發(fā)生了深刻變化，科學(xué)發(fā)展觀對制造業(yè)提出了新的要求，我國制造業(yè)正面臨著新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。 當(dāng)前，制造業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢［4］：產(chǎn)品高科技化；顧客需求個性化、多樣化；產(chǎn)品生命周期縮短，更新?lián)Q代加速；生產(chǎn)、經(jīng)營及市場全球化； 1.1.1 快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景 1） 市場的發(fā)展需求 隨著全球市場一體化的形成,制造業(yè)的競爭愈演愈烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速,迫切需要采用先進的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時,通常需要使用多種機床設(shè)備和模具,既費時又費錢,快速成型(RP)技術(shù)的出現(xiàn),可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下,實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造[5] 2） 技術(shù)的發(fā)展推動 新技術(shù)的發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。信息技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展、CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展、材料科學(xué)的發(fā)展、新材料的出現(xiàn)、激光技術(shù)的發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 快速成型技術(shù)就是在這樣的社會背景下，在80年代后期產(chǎn)生于美國，并迅速擴展到歐洲和日本。由于RP技術(shù)的成型原理突破了傳統(tǒng)加工中的塑性成形（如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工等）和切削成形的工藝方法，可以在沒有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意復(fù)雜形狀又具有一定功能的三維實體原型或零件，因此被認為是近二十年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破［6］ 1.1.2 快速成型技術(shù)分類 RP技術(shù)的具體工藝不下30余種。根據(jù)其應(yīng)用情況和商品化程度，最為典型的快速成型技術(shù)有以下四種。 1）光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）［7］ 光固化成型的原理是：將激光聚焦到液態(tài)光固化材料（如光固化樹脂）表面、令其有規(guī)律地固化，由點到線到面完成一個層面的建造，而后升降平臺移動一個層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，再建造一個層面，由此層層疊加成為一個三維實體。 2）選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）［9］ 此技術(shù)采用激光對有很好密實度和平整度的粉末鋪成的層面，有選擇地直接或間接將粉末熔化或粘結(jié)，形成一個層面，鋪粉壓實，再熔結(jié)或粘結(jié)成另一層并與前一層熔接或粘結(jié)，如此層層疊加為一個三維實體。所謂直接熔結(jié)是將粉末直接熔化面連接；間接熔結(jié)是指僅熔化粉末表面的粘結(jié)涂層，以達到互相粘結(jié)的目的。粘結(jié)則是指將粉末采用粘結(jié)劑粘結(jié)。這里的粉末材料主要有蠟、聚碳酸脂、水洗砂等非金屬粉，以及金屬粉如鐵、鈷、鉻以及它們的合金。 3）分層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）［9］ 該技術(shù)采用激光或刀具對箔材進行切割。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。通過升降平臺的移動和箔材的送給可以切割出新的層片并將其與先前的層片粘結(jié)在一起。這樣層層疊加后得到一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實體。這里所說的箔材可以是涂覆紙（涂有粘結(jié)劑覆層的紙），涂覆陶瓷箔、金屬箔或其它材質(zhì)基的箔材。 4）熔融沉積制造（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM） FDM是指將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并堆積一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與第一個層面粘結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。 1.1.3 快速成型技術(shù)的應(yīng)用概況 根據(jù)不同的應(yīng)用場合和需求，快速成型技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用： 1）用于概念設(shè)計的原型。這種原型對精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快、精度適中、設(shè)備小巧、運行可靠、清潔、無噪音、操作方便。 2）用于制造模具或其原型。模具原型要求材料適應(yīng)特定模具的制造要求，如對于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。 3）用于制造功能零件。功能零件則要求材料具有較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。從RP技術(shù)的發(fā)展歷程來看，最初主要應(yīng)用于原型制造，隨著研究的深入，現(xiàn)在很多研究者都致力于研究快速制造金屬零件。國際統(tǒng)計資料表明，原型中的四分之一被用來作為可視化的手段，用于評估設(shè)計、協(xié)助設(shè)計模具、溝通設(shè)計者與制造商及工程投標(biāo)；四分之一被用來進行裝配和性能測試；四分之一以上用于協(xié)助完成模具制造［10］。 目前，快速成型技術(shù)在模具、家用電器、汽車、航空航天、軍工制造、材料工程、玩具、醫(yī)療器械、人體器官模型、生物材料組織、考古、電影制作等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。如下圖所示： ?圖1 運用 LOM 快速原型系統(tǒng)所制作薄殼件 圖2 運用 LOM 快速原型系統(tǒng)所制作太極球 圖3運用 LOM 快速原型制作汽車零件 圖4運用 LOM 快速原型制作出形狀復(fù)雜零件 快速成型技術(shù)是目前先進制造技術(shù)中發(fā)展最為迅速的一種，在短短一、二十年的時間里，已經(jīng)由最初的原理研究發(fā)展到大規(guī)模實際生產(chǎn)應(yīng)用。目前已有10多種比較成熟的工藝方法用于原型零件的制造。RP技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義在實際應(yīng)用中得到了很好的印證，可以迅速地將示于計算機屏幕上的設(shè)計變?yōu)榭蛇M一步評估的實物。根據(jù)原型，可對設(shè)計的正確性、造型合理性、可裝配性和干涉，進行具體的檢驗［11］。 1.2 LOM快速成型技術(shù) 1.2.1 LOM快速原型技術(shù)背景 ??隨著全球市場一體化的形成,制造業(yè)的競爭愈演愈烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速,迫切需要采用先進的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時,通常需要使用多種機床設(shè)備和模具,既費時又費錢,快速成型(RP)技術(shù)的出現(xiàn),可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下,實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造，快速成形技術(shù)是在80年代后期率先由Michael Feygin研發(fā)出LOM(laminatedobject manufacturing)快速原型技術(shù)，并由美國Helisys公司生產(chǎn)與銷售，于2000年Helisys公司終止(cease) 營運，并將LOM快速原型技術(shù)轉(zhuǎn)讓給cubic technologies［12］。 1.2.2 LOM加工原理 1）LOM加工原理 快速成型技術(shù)集成了機械工程、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果，它以材料的逐層堆積生產(chǎn)作為主要的實現(xiàn)手段，因而又被稱為增材制造技術(shù)［13］。其基本原理是：在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后切片軟件將三維CAD模型切成一定厚度的薄片，得到各層截面的輪廓信息，即將三維信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維信息，每片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工命令，激光束選擇性地切割一層層紙（或固化一層層的液態(tài)樹脂；或燒結(jié)一層層的粉末材料；或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等），形成各截面輪廓并疊加成三維產(chǎn)品。該技術(shù)可自動而迅速地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件。具有快速、精確、經(jīng)濟等優(yōu)點，特別是該技術(shù)對零件的復(fù)雜程度沒有限制［14］。 2）LOM加工工藝過程 LOM成型的一般工藝過程大致如下: (1) 料帶移動,使新的料帶移到工件上方。 (2) 工作臺往上升,同時熱壓輥移到工件上方,工件頂起新的料帶,工作臺停止移動,熱壓輥來回碾壓新的薄材材料,將最上面一層的新材料與下面已成型的工件部分粘結(jié)起來,添加一新層。 (3) 系統(tǒng)根據(jù)工作臺停止的位置,測出工件的高度,并反饋回計算機,計算機根據(jù)當(dāng)前零件的加工高度,計算出三維實體模型的交截面［15］。 (4) 交截面的輪廓信息輸入到控制系統(tǒng)中,控制CO2 激光器沿截面輪廓切割。激光的功率設(shè)置在只能切透一層材料的功率值上。輪廓內(nèi)、外面無用的材料用激光切成方形的網(wǎng)格,以便工藝完成后分離。 (5) 工作臺向下移動,使剛切下的新層與料帶分離。 (6) 料帶移動一段比切割下的工件截面稍長一點的距離,并繞在復(fù)卷輥上。 (7) 重復(fù)上述過程,直到最后一層。分離掉無用碎片,得到三維實體。 3）LOM快速原型系統(tǒng)的優(yōu)缺點 （1）優(yōu)點主要有以下幾個方面: . 原型件制作過程中，運用LOM快速原型系統(tǒng)所制作原型件之縮收以及熱應(yīng)力所導(dǎo)致之原型件幾何形狀變形等缺失，可以忽略。 ?? . LOM快速原型系統(tǒng)所使用之CO2雷射僅對原型件外形輪廓(outline of shape)進行切割， LOM快速原型系統(tǒng)是為所有快速原型系統(tǒng)中效率最高的一種快速原型系統(tǒng)。 ?? .?LOM快速原型系統(tǒng)如與FDM快速原型系統(tǒng)相互比較，LOM快速原型系統(tǒng)建構(gòu)原型件時不需要支撐(support)結(jié)構(gòu)。 ?? .?LOM快速原型系統(tǒng)機臺保養(yǎng)費用低廉。 ? ?.?LOM快速原型系統(tǒng)可以制作大型、復(fù)雜與體積大原型件。 （2）缺點主要有以下幾個方面： ?? .可實際應(yīng)用的原材料種類較少，盡管可選用若干原材料，例如紙、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是紙，其他種類之材料仍繼續(xù)研發(fā)當(dāng)中。 ?? .?所制作完成之快速原型件表面是粗糙的，必須經(jīng)過后續(xù)加工，才可進行快速模具的應(yīng)用。 ?? .?所制作完成之快速原型件很容易吸收外在水氣，因此必須立即進行后處理，例如：上漆。 ?? .?很難制作出尺寸微細之原型件，此缺失受限于原型件必須剝離廢料之后才可取出。?? .?運用LOM快速原型件于鑄造應(yīng)用時，燃燒原型件的時間必須注意空氣流通。 ? ? . 運用LOM快速原型系統(tǒng)制作原型件時，有部分的材料是浪費的。 1.2.3 LOM快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 1） LOM快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 由于大多數(shù)機械零件是由金屬制造的，因此直接利用金屬板材作造型材料的分層實體制造(Laminated object manufacturing一簡稱LOM)是實現(xiàn)金屬功能零件快速制造的有效方法之一．Obikawa用0.2 mm厚、兩面涂覆低熔點合金的薄鋼板作造型材料，采用LOM方法快速制造金屬零件；山崎則用0.5 mm厚的薄鋼板作造型材料快速制造車體模具．但是現(xiàn)階段用金屬板材作造型材料的LOM在技術(shù)上尚存在許多應(yīng)解決的課題： （1)分層材料的堆積成形精度問題．顯然，分層板厚度越薄，成形精度越高．現(xiàn)有商用化的LOM技術(shù)，一般以紙張、樹脂板等作造型材料，其分層板厚度僅為0.05 mm～0.10 mm．而用金屬板材作造型材料時，從造型強度與效率考慮，現(xiàn)有分層板厚度為0.2 mm～0.5 mm，直接采用現(xiàn)有LOM方法，則造型精度差． （2)金屬板材的連接問題．現(xiàn)有低熔點合金粘接法、螺栓緊固加電弧焊接法，以及熱擴散焊接等工藝方法，在金屬板材的連接工藝上雖然各有長短但均未獲得滿意的效果．針對這種情況，筆者提出了基于數(shù)控機床分層快速成型金屬功能零件． 2）LOM快速原型系統(tǒng)的研究意義 在制造業(yè)競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度逐漸加快的今天，企業(yè)要想在激烈的競爭中立于不敗之地，必須根據(jù)市場需求更快、更好地生產(chǎn)出市場所需的新產(chǎn)品，并且能夠根據(jù)市場的變化迅速地作出調(diào)整，以期達到產(chǎn)品的最大經(jīng)濟效益和社會效益，并使企業(yè)始終處于同行業(yè)之前列。在這種形勢下，如何縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，已成為企業(yè)發(fā)展所要解決的首要問題。 產(chǎn)品開發(fā)能力的強弱直接關(guān)系到一個企業(yè)在市場上的競爭力，關(guān)系到一個企業(yè)的生命 ，用傳統(tǒng)的制造方法和手段，設(shè)計周期長，制造成本高，很難滿足瞬息萬變的市場發(fā)展，必將在競爭中處于劣勢。由于快速成形技術(shù)在產(chǎn)品研制、開發(fā)中所特有的先進性，獨特性，因此廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中的各個領(lǐng)域[15]。 這種基于數(shù)控機床的快速成型工藝國內(nèi)外還未見過，分析表明，以現(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備為依托，只要發(fā)揮中小企業(yè)的技術(shù)人員的潛力，開發(fā)必要的軟件是完全有可能在機床上實現(xiàn)金屬零件的分層制造，為我國的制造業(yè)服務(wù)，加快RP技術(shù)的推廣,而LOM系統(tǒng)作為比較流行的 RP系統(tǒng)之一有其獨特的優(yōu)點,其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用途徑日益廣泛,必將給制造業(yè)帶來巨大的效益。 1.2.4 本課題需解決的問題 經(jīng)濟型分層實體制造 (LOM)系統(tǒng)是指：以用戶現(xiàn)有的具有2.5軸以上聯(lián)動功能的CNC數(shù)控機床為基礎(chǔ)，以高檔微機和三維CAD造型軟件作造型設(shè)計模塊，只配置切片處理模塊和快速成型裝置模塊中的必要部件來完成產(chǎn)品成型過程的快速成型系統(tǒng)。 經(jīng)濟型分層實體制造 (LOM)快速成型裝置就是上面所說成型裝置模塊，它包括X－Y－Z運動單元（主軸箱、工作臺）、原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、專用刀具切割機構(gòu)等。X－Y－Z運動單元是CNC機床已有的,而原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、專用刀具切割機構(gòu)等等是需要專門研究設(shè)計。 本課題主要就是對原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、專用刀具切割機構(gòu)這三個結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 2 總體方案的設(shè)計 2.1 總體方案的確定 2.1.1 MV-610加工中心的相關(guān)參數(shù) MV-610加工中心的參數(shù)表 項目 單位 MV-610 X軸行程 mm 610 Y軸行程 mm 410 Z軸行程 mm 460 工作臺面積 mm 770×410 主軸轉(zhuǎn)速 rpm 10,000 主軸馬達規(guī)格 KW 7.5 切削進給率 mm/min 10,000 三軸快速位移 m/min 30(線軌) 控制器 三菱/FANUC 2.1.2 LOM快速成型裝置的確定 1）原材料存儲及送進機構(gòu) 由一個步進電機、一個儲料軸和兩個薄壁鋼管套、兩個導(dǎo)向桿、一個余料軸、四個軸承座以及所必須的相應(yīng)的支撐、軸承 和螺栓等組成。 2) 熱壓機構(gòu) 一種方案：運用熱壓輥 主要由橡膠滾子、電熱絲、溫控開關(guān)、密封墊、氧化鎂粉末、刀架、還有一些軸承、軸承座、銷、螺栓等組成。 另一種方案：運用熱壓板 由整塊熱扎鋼板制成中間有蒸汽通道 可以通過熱壓蒸汽或熱壓油來進行加熱 兩種方案進行相比較，其中熱壓輥壓力均勻但效率低，而壓力板效率高但壓力不均勻。由于熱壓機構(gòu)在這里是作為一個特殊的刀具放在刀具庫中的，所以最后確定用熱壓輥作為熱壓結(jié)構(gòu)。 3） 專用刀具切割機構(gòu) 采用現(xiàn)有的CO2激光器進行切割。CO2激光器選用型號為EDC40，功率為40W，長度為700mm，直徑為50mm。 4） 切割粘壓工作臺 就直接利用原來的加工中心的工作臺。但是大家都知道加工中心的工作臺上開有T 型槽，我們直接利用其來進行切紙工作，T 型槽會帶來一些加工上的不便，我們剛開始先不進行加工，先在工作臺上粘壓一定厚度的紙，因為這種涂覆紙粘壓后的強度很好，相當(dāng)于木質(zhì)材料的強度，加之加工時的切削力并不是很大，所以在以后的加工中不會有問題。這樣做會大大降低制造費用。 2.1.3 LOM快速成型裝置的空間分布 1)總體方案簡圖如下圖1-1所示 圖5 總體方案簡圖 2.)總體方案裝配圖如下圖所示 圖6 總體方案裝配圖 2.2 總體結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài) 2.2.1 LOM快速成型裝置中各個機構(gòu)的運動情況 1)原材料存儲及送進機構(gòu) 加工用涂覆紙紙卷直接套于儲料軸上，紙頭經(jīng)兩個導(dǎo)桿至余料軸，通過套筒將紙頭夾緊并定位；步進電機裝在余料軸的一端，在一層輪廓加工完之后步進電機卷過一定長度，每次卷過的紙的長度為一個紙制件的長度，這一動作通過程序來實現(xiàn)；紙的張緊是通過步進電機的準(zhǔn)確停止，還有慢的旋轉(zhuǎn)速度和在熱粘壓時工作臺的移動方向來實現(xiàn)的。 2)熱粘壓機構(gòu) 熱粘壓機構(gòu)在這里是作為一個特殊的刀具放在刀具庫中的。這樣一來，熱粘壓時只需通過程序換一次刀即可，很方便，不僅充分利用了加工中心自身所具有的裝置，而且不需要升降工作臺。這個特殊的刀具在刀庫中的位置應(yīng)與用來切割涂覆紙的刀具在刀庫中的位置是相鄰的，這樣放置的目的是使在換刀的過程中刀庫轉(zhuǎn)過的角度為最小，以節(jié)約加工時間，提高生產(chǎn)效率。粘壓時主軸帶動熱壓滾沿加工中心Z軸方向向下運動，主軸不能旋轉(zhuǎn)，當(dāng)熱壓滾到達加工紙面且具有一定壓力時，加工中心工作臺連同制件一起沿X方向運動來完成粘壓工作。熱粘壓時粘壓的工作壓力通過裝在刀桿上的壓力傳感器來控制。熱粘壓時的粘壓溫度是通過溫控開關(guān)來實現(xiàn)。加熱鋁筒中裝有水，通過熱水器來對水進行加熱。由于紙上的膠是在40度左右就可以化開，所以選擇溫控開關(guān)的切斷溫度為65-75度，當(dāng)在這個溫度范圍時溫控開關(guān)會自動斷開，低于這個溫度會自動接通。還有一點要注意的是，在熱粘壓刀具的安裝是要注意電線的布置問題，應(yīng)根據(jù)實際情況來完成布線，以免在加工過程中出現(xiàn)電線纏繞，拉斷等現(xiàn)象而發(fā)生危險。 3)二氧化碳激光器 二氧化碳激光器也是作為刀具放入刀庫中，只是在Z軸方向運動，在切割時是通過工作臺的X、Y方向上運動，進行切割動作，二氧化碳激光器本身是不在X、Y方向上運動。 2.2.2 LOM快速成型裝置動作過程 快速成型裝置的動作過程簡述如下： （1） 送料步進電機帶動余料軸轉(zhuǎn)過一個切片所需要的紙的長度。 （2） 主軸帶著熱壓裝置沿Z方向向下運動，到達紙制件頂面時停止Z向運動。向下運動的時，加熱系統(tǒng)將加熱筒的溫度達到熱粘壓要求的溫度。 （3） 主軸帶著熱壓裝置沿X或 Y方向進行熱壓。 （4） 熱壓完畢后。主軸快速運動到換刀點。 （5） 把熱壓裝置放回刀庫，取出切割刀具。 （6） 主軸快速運動到工作起點，進行切割運動。 （7） 切割完畢，主軸快速返回換刀點，把切割刀具放回刀庫，再取出熱壓裝置，同時，步進電機轉(zhuǎn)過一個切片所需紙的長度，為下一層片的切割作好準(zhǔn)備。 2.2.3 LOM快速成型裝置電機 由于LOM快速成型裝置的運行速度低，要求的動力也小，所以選用了小功率的步進電機，其型號為56BYG250E-0601，尺寸為56×56×111，相數(shù)為2，保持轉(zhuǎn)矩為2.5（N.m），轉(zhuǎn)動慣量為750(g.cm2)，重量為1.5Kg。 3 快速成型中主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3.1 原材料存儲及送進機構(gòu)的設(shè)計 3.1.1 原材料存儲及送進機構(gòu)的總體布局 根據(jù)MV-610加工中心的工作臺的面積S=770mmx410mm，可確定滾筒的基本長度以及紙的寬度，其中是由兩部分支撐架和送料與收料結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)紙的層數(shù)，可以估算出紙的大概重量，再根據(jù)紙的重量可以初步定出滾筒兩邊支撐軸的直徑，如下圖6所示 圖7 原材料存儲及送進機構(gòu) 由于要利用加工中心的X、Y 、Z軸的移動來進行切紙動作，所以原材料存儲及送進機構(gòu)整體是固定于工作臺上。如下圖7所示 圖8 原材料存儲及送進機構(gòu)與加工中心工作臺的配合 3.1.2 原材料存儲及送進機構(gòu)的支撐架結(jié)構(gòu) 支撐架的高度是由所做的模型擬定出來，主要作用是用來把紙?zhí)岣咭欢ǖ木嚯x，為做模型提供一定的空間，結(jié)構(gòu)如下圖8所示 圖9 支撐架結(jié)構(gòu)圖 具體各個零件的尺寸如下圖9、圖10、圖11所示 圖10 薄壁管 薄壁管的長度是在工作臺寬度的基礎(chǔ)上增加了65mm，只是為了跟好的對紙進行傳遞，增加薄壁管的目的就是為了使紙與圓柱體得滑動摩擦變?yōu)榕c薄壁管的滾動摩擦，其中壁厚為1mm 圖11 支撐體 支撐體的高度是由一般模型的高度和加工中心的高度擬定為500mm，其中底座是M8螺紋孔，左右可以調(diào)距離為6mm。 圖12 圓柱體 圓柱體的長度是在薄壁管的基礎(chǔ)上增加了5mm，左右各留2.5mm，為了薄壁管在滾動時不被左右的支撐體卡住。 3.1.3 原材料存儲及送進機構(gòu)的送料與收料結(jié)構(gòu) 送料與收料的滾筒尺寸是由紙的寬度來確定，整體結(jié)構(gòu)如下圖12所示 圖13 送料與收料結(jié)構(gòu) 其中送料與收料結(jié)構(gòu)是由滾筒、軸承、軸承座等組成，如下圖13所示 圖14 送料與收料結(jié)構(gòu)爆炸圖 送料與收料結(jié)構(gòu)中各個零件的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖15、圖16、圖17、圖18所示 圖15 軸承座 軸承座高度是由滾筒的最大直徑?jīng)Q定，其中底座上有M8的螺紋孔，前后可移動4mm，軸承座厚度取一般尺寸，定為15mm，最大孔徑為軸承的外徑尺寸42mm，其中孔徑為38mm的孔是為了擋住軸承的外圈，軸承底座為了更好的接觸支撐面，下面有2mm深的槽，長度為49mm。 圖16 收料滾筒 圖17 送料滾筒 其中送料滾筒與收料滾筒區(qū)別就是在收料滾筒有動力輸入端，其他沒有差異。 圖18 深溝球軸承 深溝球軸承外徑42mm，內(nèi)徑20mm，厚度為12mm。型號為6004-2Z 3.2 熱壓機構(gòu)的設(shè)計 3.2.1 熱壓機構(gòu)的總體布局 熱壓機構(gòu)總體尺寸是由紙的寬度決定，總體是設(shè)計為刀具模式放入刀庫中，總體布局如下圖18所示 圖19 熱壓總體機構(gòu) 熱壓機構(gòu)總體是由電熱絲、溫控開關(guān)、密封圈、氧化鎂粉末、軸承，刀架、刀柄等組成。爆炸圖如下圖19所示 圖20 熱壓機構(gòu)爆炸圖 3.2.2 熱壓機構(gòu)中的中心部分 熱壓機構(gòu)的中心部分也就是中間核心部件，包括電熱絲、薄壁鋼管密封擋圈等，在電熱絲與薄壁鋼管之間用氧化鎂粉末隔開，一方面是由于氧化鎂粉末不導(dǎo)電，所以可以防止電熱絲與鋼管通電，另一方面是由于氧化鎂粉末導(dǎo)熱性能好，可以把電熱絲上的熱量及時的傳遞到鋼管再傳給外部液體?？傮w如下圖20所示 圖21 熱壓機構(gòu)中的中心部分 具體各個零部件的尺寸與結(jié)構(gòu)如下圖21、圖22、圖23所示 圖22 電熱絲 電熱絲中間部分是沒有絕緣層的，兩邊的絕緣層和密封擋圈是為了把氧化鎂粉末與外界隔開，同時也可以使熱量向里面?zhèn)鬟f，一般電熱絲直徑為0.5mm，加上一層橡膠皮初定直徑為2mm，總長度是比薄壁鋼管稍長，自由定長度，無橡膠皮的電熱絲長度是小于鋼管的長度與密封擋圈2倍長度的差。 圖23 密封擋圈 密封擋圈的內(nèi)徑是和電熱絲的橡膠皮外徑相同，外徑是跟薄壁鋼管相同，長度是比橡膠皮短，初定為55mm。 圖24 薄壁鋼管 薄壁鋼管的主要作用就是使得電熱絲與外部的液體隔開，同時是為了使氧化鎂粉末圍繞在電熱絲的周圍，使得電熱絲的熱量能夠很均勻的散出去。 3.2.3 熱壓機構(gòu)中的溫控裝置 1）溫控開關(guān)結(jié)構(gòu) 熱壓機構(gòu)中的溫度控制，是通過溫控開關(guān)來控制，由于紙上的膠是在40℃融化，所以選用的溫控開關(guān)的型號為KSD9700-2,類型:金屬膨脹式,開關(guān)類型:常閉, 工作電壓:250V, 過載電流:5A, 動作溫度:65-75（）, 壽命: 10000（次）, 品牌: FSJY。溫控開關(guān)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 圖25溫控開關(guān) 2）溫控開關(guān)的原理 溫控開關(guān)也叫溫控器有多種型式其原理如下： 蒸氣壓力式： 波紋管的動作作用于彈簧，彈簧的彈力是由控制板上的旋鈕所控制的，毛細管放在空調(diào)機的室內(nèi)吸入空氣的風(fēng)口處，對室內(nèi)循環(huán)回風(fēng)的溫度起反應(yīng)。當(dāng)室溫上升至調(diào)定的溫度時，毛細管和波紋管中的感溫劑氣體膨脹，使波紋管伸長并克服彈簧的彈力把開關(guān)觸點接通，此時壓縮機運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)制冷，直到室溫又降至設(shè)定的溫度時，感溫包氣體收縮，波紋管收縮與彈簧一起動作，將開關(guān)置于斷開位置，使壓縮機的電動機電路切斷。以此反復(fù)動作，從而達到控制房間溫度的目的。 電子式溫度控制器： 電子式溫度控制器（電阻式）是采用電阻感溫的方法來測量的，一般采用白金絲、銅絲、鎢絲以及半導(dǎo)體（熱敏電阻等）為測溫電阻，這些電阻各有其優(yōu)確點。家用空調(diào)的傳感器大都是以熱敏電阻式。 金屬膨脹式溫控器： 根據(jù)物體熱漲冷縮原理。熱漲冷縮是物體的共性，但不同物體其熱漲冷縮的程度不一樣。雙金片的兩面是不同物質(zhì)的導(dǎo)體，在變化的溫度下由于漲縮程度不一樣而使雙金片彎曲，碰到設(shè)定的觸點或開關(guān)，使設(shè)定的電路（保護）開始工作。 其中本課題選用的是最后一種金屬膨脹式溫控器，它具有工作溫度性能固定，不需調(diào)整、干脆、動作可靠、不拉弧、使用壽命長、精度高、體積小、量輕、可靠性高、無線電干擾少等特點。 3.2.4 熱壓機構(gòu)中的外部結(jié)構(gòu) 外部刀架結(jié)構(gòu)主要包括刀柄、銷、螺母、螺栓、軸承座、刀架等組成。總體結(jié)構(gòu)圖顯示了各個零件的裝配關(guān)系如下圖所示 圖26 外部刀架結(jié)構(gòu) 加熱輥外部結(jié)構(gòu)爆炸圖顯示出了各個零件如下圖所示 圖27 加熱輥外部結(jié)構(gòu)爆炸圖 其中主要零件圖結(jié)構(gòu)和尺寸如下圖所示 圖28 支架 支架上部的圓盤是為了與刀柄進行連接，上面打有M8螺紋孔是為了固定刀柄，左右兩邊結(jié)構(gòu)是為了連接軸承座，其中有直徑為10mm的孔，是為了通過銷來連接軸承座與支架。 圖29 刀柄 刀柄是根據(jù)MV-610加工中心型號為DIN 69871 簡稱JT40，尺寸如下圖 圖30 刀柄尺寸 刀柄下部連接一圓盤，是為了與支架連接，上面通有直徑為9mm的孔。 圖31 銷 銷直徑為10mm與支架采用過贏配合，與軸承座是可以相對轉(zhuǎn)動的。 圖32 軸承座 大孔直徑跟軸承外徑相同為42mm，大孔深度12mm，其中直徑為38mm的孔是為了軸承定位，上端開有直徑為10mm的孔與銷連接。 3.2.5熱壓機構(gòu)的熱壓滾筒外殼 1）熱壓機構(gòu)的熱壓滾筒部分總體裝配關(guān)系如下圖所示 圖33 熱壓滾筒 圖34 滾筒爆炸圖 上圖是總體裝配圖關(guān)系的爆炸圖，其中軸承座是由螺母固定，其中由于軸承座的孔的外徑大于螺母，所以在中間添加了墊片，是為了更好的固定軸承座，右邊有溫控開關(guān)和密封墊。 2）其中重要零件的三維圖如下圖所示 圖35 熱壓滾筒 在熱壓滾筒的外邊套一層橡膠皮，中間長度是跟紙得寬度一樣，也是410mm，在外邊上留有臺階用來擋軸承內(nèi)圈，其中中間留有一定的空間用來裝液體，邊上留有裝溫控開關(guān)的方孔。 圖36 螺母和墊片 上圖中的螺母是六角薄螺母 A級和B級M20[GB／T 6172．1-2000],厚度為10mm，墊片為平墊圈 C級24×4[GB／T 95-2002]。 圖37 密封圈 上圖密封圈外部與熱壓輥是過贏配合，是為了防止液體從熱壓輥端部流出，內(nèi)部與薄壁鋼管過贏配合，也是為了防止液體流出。 上圖深溝球軸承外徑42mm，內(nèi)徑20mm，厚度為12mm。型號為6004-2Z 3.3 切割機構(gòu)的設(shè)計 3.3.1 激光的研究背景 激光的最初的中文名叫做“鐳射”或“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發(fā)射光擴大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光［17］。 激光產(chǎn)生的三個條件如下： (1) 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)； (2) 有外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； (3) 有光學(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性［18］。 3.3.2 激光器的種類 激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質(zhì)、激勵方式、運轉(zhuǎn)方式等幾個方面進行分類介紹。 (1)按工作物質(zhì)分類 根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體（晶體和玻璃）激光器；②氣體激光器，而進一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液；④半導(dǎo)體激光器；⑤自由電子激光器。 (2)按激勵方式分類 ①光泵式激光器；②電激勵式激光器；③化學(xué)激光器；④核泵浦激光器。 (3)按運轉(zhuǎn)方式分類 由于激光器所采用的工作物質(zhì)、激勵方式以及應(yīng)用目的的不同，其運轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應(yīng)有所不同，從而可區(qū)分為以下幾種主要的類型。①連續(xù)激光器；②單次脈沖激光器；③重復(fù)脈沖激光器；④調(diào)激光器；⑤鎖模激光器；⑥單模和穩(wěn)頻激光器；⑦可調(diào)諧激光器。 3.3.3 CO2激光器的優(yōu)缺點 與其它激光器相比，CO2激光器有著以下優(yōu)缺點，如下： 優(yōu)點：具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，CO2氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器?。?9］。 缺點：CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過40％，這就是說，將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。這些因素都會使激光器的輸出功率下降，甚至產(chǎn)生“溫度猝滅”［20］。 3.3.4 二氧化碳激光器原理 CO2激光的激發(fā)過程，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入的氦有兩個作用：一個是可以加速010能級熱弛預(yù)過程，因此有利于激光能級100及020的抽空；另一個是實現(xiàn)有效的傳熱。氮氣的加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用［21］。 CO2激光器的基本結(jié)構(gòu) CO2激光器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖38 CO2激光器結(jié)構(gòu) 上圖是為一種典型的CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 CO2激光器是由CO2激光管，電源及泵浦，光學(xué)諧振腔組成。 1） CO2激光管 CO2激光管是激光機中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細一般來說對輸出功率沒有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)管長而定［22］。在一定的長度范圍內(nèi)，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩(wěn)定。放電管在兩端都與儲氣管連接，這樣就可使氣體在放電管中與儲氣管中循環(huán)流動，放電管中的氣體隨時交換［23］。 2） 光學(xué)諧振腔 CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英，經(jīng)加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長10.6μm處的反射率達98.8％［24］，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料，因為普通光學(xué)玻璃對紅外光不透。就要求在全反射鏡的中心開一小孔。再密封上一塊能透過10.6μm激光的紅外材料，以封閉氣體。這就使諧振腔內(nèi)激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。 3）電源及泵浦 封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。 泵浦采用連續(xù)直流電源激發(fā)。激勵CO2激光器直流電源原理，直流電壓為把市內(nèi)的交流電壓，用變壓器提升，經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。 3.3.5 CO2激光器型號的確定 由于切割紙需要的功率不大，所以選用了激光器為二氧化碳激光器其型號為EDC40，功率為40W，長度為700mm，直徑為50mm。 4 主要零件的強度校核 由于在整個結(jié)構(gòu)中受力都比較小，其中送料軸與收料軸只是受到很小的摩擦力，受到很小的扭矩，可以忽略不計，而紙的自重可能會使?jié)L筒彎曲，對彎曲強度需要進行一定的校核。而支撐體也只是收到薄壁鋼管的摩擦力，也可以忽略不計。在熱壓結(jié)構(gòu)中，整體也只是在壓紙時受到很小的力，所以整個受力可以忽略不計。 4.1 送料軸的強度校核 4.1.1 送料軸的彎曲強度校核 送料軸的二維圖如下圖所示 圖39 送料軸二維圖 由于考慮啟動、停車等影響，彎矩在軸截面上鎖引起的應(yīng)力可視為脈動循環(huán)變應(yīng)力。 則 其中： M 為軸所受的彎矩，N·mm W 為危險截面抗扭截面系數(shù)()具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊可知=0.1x203=800mm3 為脈動循環(huán)應(yīng)力時許用彎曲應(yīng)力(MPa)具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊可知 =240MPa 其中送料軸主要受涂覆紙重力的影響，紙的密度ρ=0.751~0.950g/cm3 ，初步定為0.80 g/cm3，可以估算紙的體積為V=1770.175 cm3，則質(zhì)量m=ρ.V=1416.14g 可以計算出M= 1486.947 N·mm 4.1.2 送料軸的危險截面校核 按疲勞強度條件進行精確計算： 這種校核計算的實質(zhì)在于確定變應(yīng)力情況下軸的安全程度。在已知軸的外形、尺寸及載荷的基礎(chǔ)上，即可通過分析確定出一個或多個危險截面（這時不僅要考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的大小，而且要考慮應(yīng)力集中和絕對尺寸等因素影響的程度），按照公式求出計算安全系數(shù)并應(yīng)使其稍大于或至少等于設(shè)計安全系數(shù)。 公式如下： 其中： 為只考慮彎矩作用時的安全系數(shù) 為只考慮扭矩作用時的安全系數(shù) [S]為按疲勞強度計算的許用安全系數(shù)：見下表 [S] 選 取 條 件 1.3-1.5 載荷確定精確,材料性質(zhì)均勻 1.5-1.8 載荷確定不夠精確,材料性質(zhì)不夠均勻 1.8-2.5 載荷確定不精確,材料性質(zhì)均度較差 僅有法向應(yīng)力時，應(yīng)滿足 僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時，應(yīng)滿足 式中 對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限(MPa)，具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊B19.1-1 =240 MPa 對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限(MPa)，具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊B19.1-1 =140 MPa 為彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù),具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊B19.3.5-7 =2.62 =1.61 為表面質(zhì)量系數(shù),具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊B19.3-8-10. =0.92 為材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù),具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊B19.3-13. =0.34 =0.21 為彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力(MPa)具體數(shù)值查機械設(shè)計手冊B19.3-12 =2 MPa =0 MPa 為轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力(MPa) 由于只受法向應(yīng)力則 S> 該軸截面（安裝軸承處）是安全的。 5 結(jié)論 本文主要是以用戶現(xiàn)有的具有2.5軸以上聯(lián)動功能的CNC數(shù)控機床為基礎(chǔ)，以高檔微機和三維CAD造型軟件作造型設(shè)計模塊，只配置切片處理模塊和快速成型裝置模塊中的必要部件來完成產(chǎn)品成型過程的快速成型系統(tǒng)。它的特點是對現(xiàn)有的加工中心再增加輔助的功能，使得對加工中心利用達到最大化。 1）對現(xiàn)有的快速成型技術(shù)進行了一定的了解后，在MV-610加工中心上增加了LOM快速成型裝置，使得MV-610加工中心也可以實現(xiàn)一定的模型制作。 2）對送料與收料結(jié)構(gòu)、熱壓結(jié)構(gòu)、切割機構(gòu)進行自行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得跟加工中心能夠有機的結(jié)合在一起。 參考文獻 [1] 黎明,雷源忠.現(xiàn)代制造科學(xué)展望 [J].中國機械工程, 2000(11). 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