1、毕业设计论文1AbstractThe shifts in manufacturing paradigms have come in continuous spates in the last 10 yearsJust-in-Time inventory control，Lean Manufacturing，Material Resource Planning，Outsourcing，are some of the better known paradigms that we manufacturing tradesmen know have vastly improved the qualit
2、y and costs of goods，especially goods with short life-cycles.A more recent focused process in the manufacturing environment is Rapid Prototyping. Rapid Prototyping contributions to the quality，cost and products time-to-market is becoming an increasingly competitive edge for the successful manufactur
3、ers of products.I believe and hope that this technology can bring both convince and economic profit to the producing，make a contribution to the development of the industry.毕业设计论文2摘要过去十年中，制造领域中的创新不断涌现，如我们所知，及时库存控制、灵敏制造、外协承包、物流的规划于统筹是一些著名的新技术。这些技术的应用极大地改善了产品的品质，降低了制造成本，尤其对更新换代的产品更有意义。而近年来，快速成形则是制造领域中倍
4、受瞩目的一种新工艺，它以其优良的产品品质、低廉的制造成本，以及加速产品进入市场等特色，日益成为成功制造厂商的竞争优势。我相信，同时也希望这项技术能给生产带来方便和经济效益，为民族工业的发展贡献一分微薄之力。毕业设计论文3目录第一章 绪论(4)11 概述(4)12 快速成形的原理(4)13 快速成形的特性(5)14 快速成形的历史和发展(6)第二章 LOM 型快速成形机设计 (8)21 概述(8)22 激光切割系统的设计和计算（10）23 可升降工作台的设计和计算（21）24 原材料存储及送进机构的设计和计算（35）25 热粘压机构的设计和计算（37）第三章 硬件控制电路设计（44）第四章 计算
5、机软件配置 （45 ）第五章 快速成形的效益和应毕业设计论文4用（46）总结与感谢 （48）主要参考文献（49）第一章 绪论1.1 概述众所周知，制造业是一个国家的立国之本。20 世纪下半叶以来，随着科学技术迅速发展，制造业正在经历一场深刻的革命。产品的竞争越来越激烈，产品更新周期越来越短。空前激烈的市场竞争迫使制造业必须以更快的速度设计、制造出性能价格比高并能满足人们要求的产品。因此，产品快速开发的技术和手段成为了企业的核心竞争力。在这种形式下，传统的大批量、刚性的生产方式及其制造技术已不再适应要求，于是先进制造技术就成为世界范围内的研究热点，涌现出了计算机集成制造、敏捷制造、并行工程、智能
6、制造等先进的生产管理模式和净近成形、激光加工、快速成形等先进的成形概念和技术。产生于 20 世纪 80 年代的快速成形技术是先进制造技术的重要组成部分。该技术是基于离散堆积成形原理，集成了计算机、数控、激光、新材料等技术发展起来的，与 60 年代的数控技术一样对制造业产生了巨大的影响。毕业设计论文5快速成形经过十多年的发展，目前已有几十种工艺及相应的商品化设备。在这一领域，美国一直处于领先地位，各种新工艺大都在美国最新出现，研究、开发的工艺种类也最多。其次在欧洲、日本发展规律也很快。国内在该领域的研究起步较晚，20 世纪 90 年代初开始涉足，经过几年的努力，在快速成形工艺研究、成形设备开发、
7、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面都做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发展的步伐，并有新的创新。.2 快速成形的原理快速成形是 80 年代末期开始商品化的一种高新造技术它有不同的英文名称，如 Rapid Prototyping（快速原型制造、快速成型、快速成形） 、Freeform Manufacturing（自由形式制造） 、Additive Fabrication（添加式制造）等，常常简称为 RP。快速成形将计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助制造（CAM） 、计算机数字控制（CNC） 、激光、精密伺服驱动系统和新材料等先进技术集于一体。快速成形技术是由 CAD 模型直接驱动，快速制
8、造任意复杂形状的三位物理实体的技术。其核心是由 CAD 模型直接驱动。首先由 CAD 软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规则将模型离散为一系列有序的单元，通常在向将其按一定厚度进行离散（习惯称之为分层或切片） ，把三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适的加工参数自动生成数控代码；最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，最终得到一个三维物理实体。这种将一个复杂物理实体所需的三维加工离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工的难度，并且成形过程的难度
9、与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。快速成形由以下五个部分组成：（） CAD 模型设计 主要是解决零件的几何造型，因此需有较强的实体造型或曲面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。目前，大多数 CAD 商业软件配有 STL 数据接口，如Pro/Engineer，UG，CADKEY，Strim100，SolidWorks，AtuoCAD 系列等。（） 向离散化 这是一个分层过程，它将 CAD 模型在向上分解成一系列具有一定厚度的薄层，厚度通常在 之间。 离散化破m3.05坏了零件在向上的连续性，使之在向上产生了“台阶” 。但从理论上讲，只要将分层厚度定得合理，就能满足零件的加工精
10、度要求。（） 层面信息处理 为控制成形机对层面的加工轨迹，必须把层面的几何形状信息转化成控制成形机运动的数控代码。（） 层面加工与粘接 成形机根据控制指令进行二维扫描。同时进行层与层的粘接。（） 层层堆积 当一层制造完毕后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再加工新的一层，如此反复进行直至整个原型加工完成。对完成的原毕业设计论文6型进行后处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。快速成形彻底的摆脱了传统的“去除”加工法部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的增长加工方法用一层层的小毛坯逐层叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统
11、的加工机床和模具，只需传统加工方法 1030的工时和2035的成本，就能直接制造出产品样品和模型。由于快速成形具有上述突出的优势，所以近些年来发展规律迅速，已成为现代制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（Concurrent Engineering，简称 CE）的必不可少的手段。1.3 快速成形的特性快速成形在成形概念上以离散堆积成形为知道思想；在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为目标。因此，只有在计算机技术和数控技术高度发展的今天，才有可能产生快速成形技术。CAD 技术实现了零件的曲面和实体造型，能够进行精确的离散运算和复杂的数据转换。先进的数控技术为高速精确的二维扫描提供了必要的
12、基础，这是精确高效堆积材料的前提。而材料科学的发展则为快速成形技术奠定了坚实的基础，材料技术的每一项技术带来新的发展机遇。目前快速成形技术中材料的转移形式是自由添加、去除、添加和去除相结合等多种形式，构成三维物理实体的每一层片，一般为 2.5 维层片，即侧壁为直壁的层片，目前也出现了由三维层片构成的实体工艺,相信在不久的将来,这种技术将形成规模应用。快速成形技术的重要特征是：（） 高度柔性，成形过程无需专用工具和夹具，可以制造任何复杂形状的三维实体；（） CAD 模型直接驱动，CAD/CAM 一体化，无须人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；（） 成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适
13、合成形材料为非均质并具有功能梯度或空隙度要求的原型；（） 成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；（） 技术的高度集成性，快速成形是计算机、数控、激光、新材料等技术的高度集成。1.4 快速成形的历史和发展从历史上看，很早以前就有“增长”制造原理，例如，1892 年，毕业设计论文7J.E.Blanther 在他的美国专利（473901）中，曾建议用分层制造法制成地形图。这种方法的原理是，将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上,然后按轮廓线切割蜡片并将其粘接在一起，熨平表面，从而得到三维的地形图。1902年，Carlo Baese 在他的美国专利（774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原
14、理，这是现代第一种快速成形技术“立体平板印刷术”（StereLithography）的初始设想。1940 年，Perera 提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘接成三维地形图的方法。50 年代之后，出现了几百个有关快速成形技术的专利。其中，Zang(1964)、Richard Meyer(1970)和Gaskin(1973) 等又提出了用一系列轮廓片形成三维地形图模型的新方法。Paul Dimatteo 在他的 1976 年的美国专利（3932923）中，进一步明确提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转换成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割使这些薄片成形，再用螺钉、销钉等将一系列薄片连接成三维
15、物体，这些设想与现代另一种快速成形技术物体分层制造（Laminated Object Manufacturing）的原理极为相似。1979 年，日本东京大学的 Nakagawa 教授开始采用分层制造技术制作实际的模具，如落料模、压力机成形模和注塑模。上述早期的专利虽然提出了一些快速成形的基本原理，但还很不完善，更没有实现快速成形机械及其使用原材料的商品化。80 年代末之后，快速成形技术有了根本的发展，出现的专利更多，仅在 1986-1998 年期间，注册的美国专利就有 274 个。这首先是 Charles W Hull 在他 1986 年的美国专利（#4575330）中，提出了一个用激光照射液
16、态光敏树脂，从而分层制造三维体的现代快速成形机的方案。随后，美国的 3D Systems 公司据此专利，于 1988年生产出了第一台现代快速成形机SLA-250(液态光敏树脂选择性固化成形机)，开创了快速成形技术发展的新纪元。在此后的 10 年内，涌现了 10 多种不同形式的快速成形技术和相应的快速成形机，如薄形材料选择性切割（LOM） 、丝状材料选择性熔覆（FDM）和粉末材料选择性烧结（SLS）等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。到 1980 年为止，全世界已拥有快速成形机 4259 台快速成形制造公司约 27 个，用快速成形机对外服务的机构 331 个。不仅如此，还派生出一个全
17、新的领域快速模具制造（Rapid Tooling）,从而使快速成形技术为现代制造业必不可少的支柱技术。我国自 90 年代以来也展开了相应的快速成形技术的研究和应用。有几家公司引进了国外的 RPM 系统。清华大学、华中理工大学、西安交通大学、南京航空航天大学等几所高等院校及北京隆源自动化有限公司均开展了快速成形技术的研究和开发，并开始有产品问世。例如，现已研制出的样机或系统有：华中理工大学基于分层制造方法（LOM）HRP 的系统、隆源公司基于选择性激光烧结（SLS）RPS 的系统。1995 年 11 月召开了中国第一届快速成形技术（RPM）学术及技术展示会，1997 国家科委专门召集了国内有关
18、RPM 研究和应用单位，共同探讨了在我国推广 RPM 应用的战略。由于各国十分重视快速成形技术，每年都有一批研究成果问世，十分复杂的零部件已能用快速成形技术制造出来，企业应用该技术所取得的效益十分明显。RPM 设备的需求量日益增大。毕业设计论文8第二章 LOM 型快速成型机设计2.1 概述目前所研制的快速成型系统的系统的原理和工作方法均有很大不同，而且分类的方法亦有多种。现在，已有多种商品化的快速成形技术和快速成形机，其中最典型的有如下几种：（） 液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithography Apparat , 简称为 SLA 或 SL，直译名为 “立体平板印刷设备” ） ；（
19、） 薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称为LOM，直译名为“分层物体制造 ”） ；（） 丝状材料选择性熔覆（Fused 毕业设计论文9Deposition Modeling，简称为 FDM，直译名为“熔积成形” ） ；（）粉末材料选择性烧结（Selected Laser sintering，简称 SLS，直译名为“选择性激光烧结” ） ；（5） 粉末性材料选择性粘结；（）喷墨式三维打印等。其差别主要在于薄片所采用的原材料类型，由原材料构成截面轮廓的方式，以及截面层与层之间的连接方式。分层实体制造（LOM）工艺又称叠层实体制造或薄形材料选择性切割
20、，由美国的 Helisys 公司的 Michael Feygin 于 1986 年研制成功，并推出产品化的机器。LOM 工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用二氧化碳激光器（或刀）在计算机控制下切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件粘接，从而堆积成型。LOM 型快速成形机是由计算机、原材料、热碾压机构、激光切割系统、可升降工作台、机架和数控系统等组成。其中计算机用于接受和存储工件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送进机构将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸） ，逐步送至工作台的上方。
21、热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提供的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓线区切割成小方网格，这是为了在成形之后能剔除废料。网格的大小据被成形件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。可升降工作台支撑正在成形的工件，并在每层成形之后，降低一个材料厚度（通常为 0.10.2mm） ，以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件。机架是整个机器的支撑。其系统见下图： 毕业设计论文10快速成形机原理图在 LOM 快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如下图。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。
