1、e题 目 基于薄材叠层(LOM)快速成型机设计 学生姓名 ee 学号 ee 所在学院 机 械 工 程 学 院 专业班级 ee 指导教师 ee 完成地点 e 2009 年 6 月 1 日ee基于薄材叠层(LOM)快速成型机设计ee（ee）指导教师：ee摘要 快速成型技术属于先进制造技术，它以 CAD/CAM 技术、数控技术、材料科学等为基础，能够以较快的速度将计算机实体模型转化为具有一定结构功能的产品原型，或直接制造出零件。它也是制造领域中倍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。分层实体制造（LOM）技术是快速成型技
2、术之一。本文重点对分层实体制造设备进行了研究，并设计了相应的设备。所设计设备包括机械结构设计和控制系统设计两部分。在机械结构设计中，根据分层实体制造技术的工作原理，对设备各主要部分进行了设计，包括升降装置、热压辊、送纸及激光扫描等部分的设计，控制系统设计包括电气硬件设计和部分控制软件设计两部分。在电气硬件设计中，采用在工控机中插入 PCI 运动控制器，由运动控制器控制伺服电机的方式来实现设备各动作的驱动，设计了控制系统的硬件关系图和主要电路图。 关键词 快速成型；分层实体制造；设计；控制系统。eeRapid prototyping machine design based on laminat
3、ed object manufacturing(LOM) ee(ee)tutor :eeAbstract: Rapid Prototyping (RP) technology belongs to advanced manufacturing technology. It based on CAD/CAM, numerical control technology and material science etc. The RPtechnology can change the modeling made by computer into prototype with some functio
4、ns, or make part rapidly. Rapid Prototyping contributions to the quality，cost and products time-to-market is becoming an increasingly competitive edge for the successful manufacturers of products.Laminated Object Manufacturing (LOM) technology is one of the RP technologies. In this paper, LOM machin
5、e is studied and designed. Two main parts of the LOM machineis designed: mechanical part and control system. In the mechanical part design, based on the working principal of the LOM technology and scheme comparison, the main portions of the machine are designed, including lifting device, hot-press r
6、oller, paper transfer and laser scanning portion etc. In electric hardware design, by means of inserting PCI movement controllers in industrial personal computer and controlling the servomotors with movement controllers, the designed movement of the machine is carried out. The hardware topology diag
7、ram and main electric circuit are also designed. Keywords: Rapid prototyping； Laminated object manufacturing； Design； Control systeeeI目 录1.绪论 .11.1 概述 .11.2 快速成形的原理 .11.3 快速成形的特性 .31.4 快速成形的历史 .31.5 快速成形的发展趋势 .42.LOM 型快速成型机设计 .62.1 概述 .62.2 LOM 成型机机械系统总体设计 .72.2.1 LOM 成型机主要设计参数 .72.2.2 LOM 成型机需要的主要装
8、置 .72.2.3 LOM 成型机结构布局设计 .82.3 升降装置及工作台的设计 .82.3.1 导轨的选择与计算 .92.3.2 滚珠丝杠的选择与计算 .162.3.3 机械传动系统刚度和固有频率的计算 .172.4 热压辊部分的设计 .202.5 送纸部分的设计 .212.5.1 收纸辊部件的设计 .212.5.2 调偏机构的设计 .222.6 激光扫描部分的设计 .22eeII2.7 选择激光器 .232.8 其它部分设计 .242.8.1 缓冲装置 .242.8.2 机架 .243.控制系统的电气硬件设计和软件设计 .263.1 控制系统硬件的设计 .263.1.1 驱动装置的选择
9、.263.1.2 多功能运动卡的选择 .273.2 控制系统软件的设计 .323.2.1 基于 STEP 标准的 CAD 模型直接分层处理 .324.全文总结与展望 .344.1 本文总结 .344.2 展望 .34致谢 .35参考文献 .36ee第 1 页 共 36 页1.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
10、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。快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术是集精密机械、材料科学、计算机辅助设计、计算机数控加工等技术为一体的高新技术。快速成型技术的基本原理是:对于实际存在的任何一个零件，都可以将它看成是由许多厚度很小而且平行的二维平面沿这些平面的法线方向迭加而成。因此，对于用 CAD 软件创建的某零件的三维实体模型，可以先沿着某一方向按照一定的厚度将其分割成一
11、系列的平面几何信息，然后根据这些信息，通过熔结、化学反应或者是聚合作用等方式，逐层且有选择地固化液体材料或粘结固体材料，通过堆积的方式快速制作出对应的模型或零件。可以看出，利用快速成型技术，不需要通过传统的切削方法就能够制作出零件。 快速成型技术自 20 世纪 80 年代问世并得到应用以来，得到了迅速的发展。在航天航空、机械、汽车、电器、建筑以及医学等行业中，己广泛利用该技术进行产品概念设计的可视化、造型设计的评估、产品装配的检验以及快速模具制造等多个方面。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
12、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、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。1.2 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ee第 2 页 共 36 页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
13、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 Z 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
14、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：1）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。2）Z 向离散化 这是一个分层过程，它将 CA
15、D 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。 离散化破坏了零件在向上的m3.05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度要求。3）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。4）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。5）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
16、”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ee第 3 页 共 36 页速，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
17、。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：1）高度柔性，成形过
18、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；2）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；3）成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适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；4）成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；5）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 快速成形的历史从历史上看，很早以前就有“增长”制造原理，例如，1892 年，J.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,
19、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ee第 4 页 共 36 页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
20、 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
21、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（S
22、LS）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
23、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 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。1.5 快速成形的发展趋势快速成型技术在其未来发展的方向主要包括以下几个方面：1）提高快速成型系统的工作速度、控制精度以及可靠性ee第 5 页 共 36 页一方面
24、，要不断优化快速成型系统的结构，并且选用寿命长、性能价格比高的元器件，从而使系统的操作更简洁，可靠性更高、工作速度更快。另一方面，要根据用户的不同要求，所开发的设备具有不同的档次和不同的设备。例如：对于对制件的形状精度、尺寸精度和表面质量要求都很高、或者是有各种特殊要求的用户，应为他们开发精度很高、性能很好的快速成型设备。此外，还应专门开发一些用于模拟制品可视化、设计检验，但对制件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度要求并不是很高的概念机，以降低成本，扩大用户的范围。2）开发用于快速成型的新能源在当前的主流成形技术中，LOM 技术、SLA 技术和 SLS 技术均以激光作为能源。用于产生激光束的激光系统包括激光器、冷却器、电源以及外光路等，它们的价格昂贵，而且传输效率较低，所以制件的成本直接受激光系统的影响。因此，快速成型技术的重要研究方向之一是研究新的成形能源。3）研究开发快速成型新型成形材料从快速成型的工艺特点出发，结合各种应用要求，研发新的成型材料，特别是研发复合材料，如非均质材料、纳米材料、以及用其它方法难以制作的复合材料等。4）扩大快速成型技术的应用范围快速成型技术的应用范围在不断地扩大。通过对现有快速成型系统的不断改进，以及不断研发新的成型材料，可以使快速成型技术较为经济地制造出直接可以使用的模具、工业产品和民用消费品，如制造用于治疗疾病的人工器官等。
