1、 黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 页 1 绪论 1.1 课题的背景及目的 RP 技术是九十年代 世界先进制造技术 和新产品研发手段。在工业发达国家，企业在新产品研发过程中采用 RP 技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前，市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力，迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时，积极采用先进的创新手段。 RP 技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用 RP技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，非常有
2、利于优化产品设计，从而大大提高新产品开发的一次成功率，提高产品的市场竞争力，缩短研发周期，降低研发成本。快速原型制造技术的成立为本市企业应 用 RP 技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。 RP 技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系 统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国
3、机械工业发展的必由之路。 1.2 RP技术的分类 1.2.1 SLA 快速成形 SLA 是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程是，首先通过 CAD 设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过 数控 装置控制的扫描器，按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 ， 使表面特定区域内的一层树脂固化后， 当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后 升降台下降一定距离 ， 固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而黄河科技学院
4、毕业设计说明书 第 2 页 成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。 SLA 技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用 SLA 原型模代替熔模精密铸造中的蜡模 。 SLA 技术成形速度较 快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。 1.2.2 SLS 快速成形 选择性激光烧结 (以下简称 SLS)技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 Carl ckard 于 1989 年提出的。后美国 DTM 公司于 1992 年推
5、出了该工艺的商业化生产设备 Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和 DTM 公司在 SLS 领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。 德国 的 EOS 公司在这一领域也做了很多研究 工作，并开发了相应的系列成型设备。 选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括 CAD 模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。 整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞 (送粉活塞 )上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞 (工作活塞 )上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二
6、维扫描 轨迹 ，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉 .控制激光束 再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。 与其它快速成型 (RP)方法相比， SLS 最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS 的成型材料。目前，可成功进行 SLS 成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合
7、粉末材料。由于 SLS 成型材料品种多、用料节省、 成型件性能分布广泛、适合多种用途以及 SLS 无需设计和制造复杂的支撑系统，所以 SLS黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页 的应用越来越广泛。 1.2.3 LOM 快速成形 分层实体制造（ LOM Laminated Object Manufacturing）法， LOM 又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切
8、割，这 样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。 LOM 常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。该方法的特点是原材料价格便宜、成本低。 1.2.4 FDM 快速成形 熔积成型（ FDM Fused Deposition Modeling）法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1 ），在计算机的控制下，喷头作 x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层 截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该
9、方法污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。 1.3 激光快速成型机光头控制价设计的方案确定 经过对市场上的产品调查研究，结合本设计的要求主要设计激光快速成型机光头控制架的结构。通过在实验室考察得知，此种快速成型机种类样式繁多，经过和指导老师交流，研究决定对 SF960 激光雕刻机进行设计。 1.4 激光雕刻机的加工特点 激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有高亮度 、 高方向性 、 高单色性和高相干性四大综合性能。通过光学 系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工要求调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化。随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的
10、金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸似地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程。因此激光雕刻机在加工时具黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页 有以下特点： 1、自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。 2、产品的尺寸精度高，一致性好。雕刻过程是由计算机控制完成的，可以达到很高的精度和表 面质量；批量加工时，产品的一致性好，这对于小模具行业十分重要。 3、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面，改善了雕刻表面质量，提高了雕刻效率。 1.5 激光加工及数控激光
11、雕刻机的适用范围 激光加工的主要参数是激光的功率密度，激光的波长和输出的脉宽，激光照在工件上的时间及工件对能量的吸收等。只要对主要参数进行合理选用，激光可以进行多种类型的加工。如对材料的表面热处理 、 焊接 、 切割 、 打孔 、 雕刻及微细加工等。而数控激光雕刻机的加工对象有机板 、 布料 、 纸 、 皮革 、 橡胶 、 厚纸板 、 密集版 、 发泡棉 、 美耐皿 、 玻璃 、 塑胶，以及其它非金属。数控激光雕刻机加工技术已广泛用于机械工业 、 电子工业 、 国防和人民生活等许多领域 。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页 2 总体方案设计 总体方案设计是激光雕刻机机架设计的前提和基础，
12、是雕刻机机架具体内容的设计的指导思想。总体方案有了明确、清晰的思路，才能设计出满足设计要求的激光雕刻机的机架。因此，在机架的详细说明书进行之前，一定要对机架做一个合理的总体设计。机架的总体设计要遵循机架设计的准则和要求。 2.1 机架设计的准则与要求 2.1.1 机架设计准则 机架是机器（或仪表）中支撑零件的统称。例如底座、床身、车架、桥架等。在机架的设计中，应该遵循强度刚度稳定性准则。同时还需要满足工况要求，美观，等其他（如散热，防腐蚀）要求。 2.1.2 机架设计的一般要求 在机架满足设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境。考虑下列各项要求，并有所偏重。 (1) 机架的重量轻
13、,材料选择合适 ,成本低。 (2) 结构合理 ,便与制造。 (3) 结构应使机架上的零部件安装 ,调整 ,修理和更换都方便。 (4) 结构设计合理 ,工艺性好 ,还应使机架本身的内应力小 ,有温度 变化引起的变形应力小。 (5) 抗震性能好。 (6) 耐腐蚀 ,使机架结构在服务期限内尽量少修理。 (7) 有导轨的机架要求导轨面受力合理 ,耐磨性良好。 2.2 激光雕刻机的机械部分结构 机械结构作为雕刻机的硬件部分，对雕刻机的加工过程、刻字效果有着重要的影响。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页 雕刻机的机械几何结构由以下几部分组成： （ 1） 底座部分 作为刻机整体的基础，承担整个机体的重
14、量，要求稳定坚固。底座有地下的四只脚与地面接触； （ 2） 工作台部分 工作台部分由工作台、 Y 方向的丝杠和导轨以及支架组成 。工作台作为雕刻工作时承载雕刻物体的部件，雕刻时 Y 方向的运动由丝杠驱动，导轨导向； （ 3） 横梁部分 横梁由 X方向的丝杠和导轨以及支架组成。横梁承载机头的重量，在结构仿真和运动中是重要的分析对象； （ 4） 机头部分 2.3 机架的总体设计 根据机架设计准则、要求及其结构组成和教师老师的指导，拟定激光雕刻机机架总体设计方案：该方案中，机架主要有三个直线导轨副、一个横梁、两个步进电机及两个同步带系统组成。其中两个直线导轨副相互平行，作为一组位于下面；另一导轨副在
15、横梁之上，横梁架在两平行的导轨副的 滑块上，由一个步进电动机驱动，从而控制 X 向运动，另一步进电动机驱动横梁在平行导轨上做直线运动，从而实现 Y 向运动，运动所需的动力由同步带系统传递。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页 3 导轨副的设计 3.1 导轨支撑架的设计 激光雕刻机在加工过程中不承受外部载荷，因此没有显著的机械力的作用，支撑架的受力来自导轨、横梁及其上附件的重力，所以支撑架得受力很小。考虑到机架设计中重量轻，材料选择合适，成本低，便于制造和更换要求， 所以选用矩形冷弯空心型钢作为导轨支撑架。根据五金手册 7，选择矩形冷弯空心型钢的支撑架，其尺寸为 40 30（ H B）、壁厚
16、 t=2、圆角半径 R=3。支撑架截面形状如图 3.1 所示。 图 3.1 支撑架截面图 3.2 导轨副的选择 当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。 导轨副是由两根相互接 触、并能作相对运动的导轨组成。在工作时，一根导轨固定，也叫做固定（支撑）导轨，另一根导轨相对于固定导轨做直线或回转运功，叫做动导轨（运动导轨在上，固定导轨在下）。一根导轨较短、一根导轨较长（通常将长导轨作为固定导轨）。 导轨按运动轨迹分为直线运动导轨和圆周运动导轨，按导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动导轨
17、和滚动导轨。 滚动导轨 是 在承导件和运动件之间放入一些滚动体（滚珠、黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页 滚柱或滚针）， 使相配的两个导轨面不直接接触的导轨，称为滚动导轨。滚动导轨的特点是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系 数差别小，低速时不易出现 “爬行 “现象，故运动均匀平稳。因此，滚动导轨在要求微量移动和精确定位的设备上，获得日益广泛的运用。 直线滚动导轨是滚动导轨中常用的一种，其最大优点是摩擦因数小，动静摩擦因数差很小，因此，运动轻便灵活，移动精度和定位精度高，运动所需功率小，摩擦发热小、磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好。 3.3 导轨副的设计 3
18、.3.1 导轨设计的要求 1、 一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。 2、 运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀， 低速时应无爬行现象。 3、 良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 4、 足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。 5、 温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。 6、 结构工艺性好。在保证导轨
19、其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，降低成本。 3.3.2 导 轨的选择 根据上面所说的导轨的特点以及设计要求，在本次设计中， 选用直线滚动导轨副。所以选用 南京哈宁轴承制造有限公司 生产的 GGB16AA 型四方向等载荷直线滚动导轨副，滚动体为球面滚子，内径 16，外径 47，厚度 58。结构如图 3.2所示。 图 3.2 GGB16AA 型四方向等载荷滚动直线导轨 黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页 直线滚动导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封盖及挡板组成。它的工作原理是：当导轨与滑块作相对运动时，钢球沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条
20、滚道滚道，在滑块端部钢球又通过返向器进入反向孔后在进入滚道，钢球就这样进行周而复始的滚动运动，返向器两端装有防尘密封装置，可以有效的防止灰尘、屑末进入滑块内部。它的优点是： 1.摩擦系数小，定位精度高。 2.降低机床造价，并大幅度节约电力。 3.可提高机床的运动速度。 4.可维持机床的高精度。因此满足设计要求。 3.4 导轨材料的选择及热处理 导轨按材料分为： 1 铸铁导轨、 2 钢导轨、 3 有色金属导轨、 4 塑料导轨。为了使导轨具有良好的耐磨性、较小的摩擦系数以及加工时产生较小的内应力。因此选用铸铁导轨来提高使用寿命，获得较高的尺寸精度。选用的导轨材料为 HT200。 铸铁导轨可进行表面
21、淬火以提高其耐磨性，导轨表面的淬火加热方法有：感应加热和火焰加热等。感应加热有高频加热（淬硬层 1.5 3mm）和中频加热（淬硬层 2 3mm）两种，火焰加热的淬硬层较深，但热变形较大。所以选用中频加热，淬硬深度为 2mm，硬度 220HBS，感应淬火后进行磨削加工。 3.5 导轨额定寿命的计算 根据公式公式： KPCf ffffL aw acth 3)( 其中 maxFP （受力最大滑块所受的载荷） （ 1） 计算 maxF 根据机械设计手册 6表 9.3-49 设左右两侧导轨的受力分别为 1F 2F、 当滑块位于横梁的中间时，左右两平型导轨的受力相等，此时： 50)0100(21)(212
22、1 FGFF N 当滑块位于横梁最右端时，右侧的平行导轨承载大部分重量 ,取 1001F N maxF ； （ 2） 计算额定寿命 根据公式： 50)( 3 PCf ffffL aw acth（ 1） 其中： L 额定寿命（ km）； 黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页 aC 额定动载荷（ kN）；查表 9.3-516，aC =6.07KN； P 受力最大滑块所受的载荷（ kN） P=0.1kN； hf 滚动硬度系数，通常取 0.1hf ； tf 温度系数，查表 9.3-456， 0.1tf ； cf 接触系数，查表 9.3-466， 81.0cf ； af 精度系数，查表 9.3-47
23、6， 0.1af ； wf 载荷系数，查表 9.3-486， 1.1wf ； 将上面的系数带入式（ 1）： 50)( PCf ffffL aw acth = 50)1.0 07.61.1 81.0111( 3 km=446573km （ 3） 计算额定时间 按式 9.3-166 1 7 7 2 1 1606035.02 104 4 6 5 7 3602 1033 nLLL ahh 式中 hL 寿命时间（ h）； L 额定寿命（ km）； aL 行程长度（ m） , aL =0.35m； n 每分钟往复次数， n =60； 按年工作日 360 天，每天工作 16 个小时，预计寿命年限为： 8.3016360177211 L 计算寿命满足使用要求
