疊層式物體制造快速成型機機械系統(tǒng)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計論文AbstractThe shifts in manufacturing paradigms have come incontinuous 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 quality

2、and costs of goods，especially goods with short life-cycles.A more recent focused process in the manufacturing environment is Rapid Prototyping. Rapid Prototypingcontributions to the quality，cost and products time-to-market is becoming an increasingly competitive edge for thesuccessful manufacturers

3、of products.I believe and hope that this technology can bring bothconvince and economic profit to the producing，make a contribution to the development of the industry.畢業(yè)設(shè)計論文摘要過去十年中，制造領(lǐng)域中的創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，如我們所知，及時庫存控制、靈敏制造、外協(xié)承包、物流的規(guī)劃于統(tǒng)籌是一些著名的新技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用極大地改善了產(chǎn)品的品質(zhì)，降低了制造成本，尤其對更新?lián)Q代的產(chǎn)品更有意義。 而近年來，快速成形則是制造領(lǐng)域中倍受矚目的一

4、種新工藝，它以其優(yōu)良的產(chǎn)品品質(zhì)、低廉的制造成本，以及加速產(chǎn)品進入市場等特色，日益成為成功制造廠商的競爭優(yōu)勢。我相信，同時也希望這項技術(shù)能給生產(chǎn)帶來方便和經(jīng)濟效益，為民族工業(yè)的發(fā)展貢獻一分微薄之力。畢業(yè)設(shè)計論文目錄第一章 緒論(4)11 概述(4)12 快速成形的原理(4)13 快速成形的特性(5)14 快速成形的歷史和發(fā)展(6)第二章 LOM型快速成形機設(shè)計(8)21 概述(8)22 激光切割系統(tǒng)的設(shè)計和計算（10）23 可升降工作臺的設(shè)計和計算（21）24 原材料存儲及送進機構(gòu)的設(shè)計和計算（35）25 熱粘壓機構(gòu)的設(shè)計和計算（37）第三章 硬件控制電路設(shè)計（44）第四章 計算機軟件配置 （4

5、5）第五章 快速成形的效益和應(yīng)用（46） 總結(jié)與感謝 （48） 主要參考文獻（49）畢業(yè)設(shè)計論文第一章 緒論1.1 概述眾所周知，制造業(yè)是一個國家的立國之本。20世紀下半葉以來，隨著科學技術(shù)迅速發(fā)展，制造業(yè)正在經(jīng)歷一場深刻的革命。產(chǎn)品的競爭越來越激烈，產(chǎn)品更新周期越來越短?？涨凹ち业氖袌龈偁幤仁怪圃鞓I(yè)必須以更快的速度設(shè)計、制造出性能價格比高并能滿足人們要求的產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品快速開發(fā)的技術(shù)和手段成為了企業(yè)的核心競爭力。在這種形式下，傳統(tǒng)的大批量、剛性的生產(chǎn)方式及其制造技術(shù)已不再適應(yīng)要求，于是先進制造技術(shù)就成為世界范圍內(nèi)的研究熱點，涌現(xiàn)出了計算機集成制造、敏捷制造、并行工程、智能制造等先進的生產(chǎn)管

6、理模式和凈近成形、激光加工、快速成形等先進的成形概念和技術(shù)。 產(chǎn)生于20世紀80年代的快速成形技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分。該技術(shù)是基于離散堆積成形原理，集成了計算機、數(shù)控、激光、新材料等技術(shù)發(fā)展起來的，與60年代的數(shù)控技術(shù)一樣對制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響?？焖俪尚谓?jīng)過十多年的發(fā)展，目前已有幾十種工藝及相應(yīng)的商品化設(shè)備。在這一領(lǐng)域，美國一直處于領(lǐng)先地位，各種新工藝大都在美國最新出現(xiàn)，研究、開發(fā)的工藝種類也最多。其次在歐洲、日本發(fā)展規(guī)律也很快。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，20世紀90年代初開始涉足，經(jīng)過幾年的努力，在快速成形工藝研究、成形設(shè)備開發(fā)、數(shù)據(jù)處理及控制軟件、新材料的研發(fā)等方面都做了大量

7、卓有成效的工作，趕上了世界發(fā)展的步伐，并有新的創(chuàng)新。.2 快速成形的原理快速成形是80年代末期開始商品化的一種高新造技術(shù)它有不同的英文名稱，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，常常簡稱為RP。快速成形將計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機數(shù)字控制（CNC）、激光、精密伺服驅(qū)動系統(tǒng)和新材料等先進技術(shù)集于一體?？焖俪尚渭夹g(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動，快速制造任意復雜形狀的三位物理實體的技術(shù)。其核心是由CAD模型直接驅(qū)動。首先

8、由CAD軟件設(shè)計出所需要零 4畢業(yè)設(shè)計論文件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型，即數(shù)字模型或電子模型；然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)則將模型離散為一系列有序的單元，通常在向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M行離散（習慣稱之為分層或切片），把三維電子模型變成一系列的二維層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇合適的加工參數(shù)自動生成數(shù)控代碼；最后由成形機接受控制指令制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，最終得到一個三維物理實體。這種將一個復雜物理實體所需的三維加工離散成一系列二維層片的加工，是一種降維制造的思想，大大降低了加工的難度，并且成形過程的難度與待成形的物理實體的形狀和結(jié)構(gòu)的復雜程度無關(guān)。快速成形由以下五個

9、部分組成：（） CAD模型設(shè)計 主要是解決零件的幾何造型，因此需有較強的實體造型或曲面造型功能，并與后續(xù)的軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口。目前，大多數(shù)CAD商業(yè)軟件配有STL數(shù)據(jù)接口，如Pro/Engineer，UG，CADKEY，Strim100，SolidWorks，AtuoCAD系列等。（） 向離散化 這是一個分層過程，它將CAD模型在向上分解成一系列具有一定厚度的薄層，厚度通常在0.05 0.3mm之間。 離散化破壞了零件在向上的連續(xù)性，使之在向上產(chǎn)生了“臺階”。但從理論上講，只要將分層厚度定得合理，就能滿足零件的加工精度要求。（） 層面信息處理 為控制成形機對層面的加工軌跡，必須把層面的幾何

10、形狀信息轉(zhuǎn)化成控制成形機運動的數(shù)控代碼。（） 層面加工與粘接 成形機根據(jù)控制指令進行二維掃描。同時進行層與層的粘接。（） 層層堆積 當一層制造完畢后，成形機工作臺面下降一個層厚的距離，再加工新的一層，如此反復進行直至整個原型加工完成。對完成的原型進行后處理，如深度固化、去除支撐、修磨、著色等，使之達到要求。快速成形徹底的擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件，而采用全新的增長加工方法用一層層的小毛坯逐層疊加成大工件，將復雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合，因此，它不必采用傳統(tǒng)的加工機床和模具，只需傳統(tǒng)加工方法1030的工時和2035的成本，就能直接制造出產(chǎn)品樣品

11、和模型。由于快速成形具有上述突出的優(yōu)勢，所以近些年來發(fā)展規(guī)律迅速，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)中的一項支柱技術(shù)，是實現(xiàn)并行工程（Concurrent Engineering，簡稱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離散堆積成形為知道思想；在控制上以計算機和數(shù)控為基礎(chǔ)，以最大柔性為目標。因此，只有在計算機技術(shù)和數(shù)控技術(shù)高度發(fā)展的今天，才有可能產(chǎn)生快速成形技術(shù)。CAD技術(shù)實現(xiàn)了零件的曲面和實體造型，能夠進行精確的離散運算和復雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。先進的數(shù)控技術(shù)為高速精 5畢業(yè)設(shè)計論文確的二維掃描提供了必要的基礎(chǔ)，這是精確高效堆積材料的前提。而材料科學的發(fā)展則為快速成形技術(shù)奠定了堅實的

12、基礎(chǔ)，材料技術(shù)的每一項技術(shù)帶來新的發(fā)展機遇。目前快速成形技術(shù)中材料的轉(zhuǎn)移形式是自由添加、去除、添加和去除相結(jié)合等多種形式，構(gòu)成三維物理實體的每一層片，一般為2.5維層片，即側(cè)壁為直壁的層片，目前也出現(xiàn)了由三維層片構(gòu)成的實體工藝,相信在不久的將來,這種技術(shù)將形成規(guī)模應(yīng)用?？焖俪尚渭夹g(shù)的重要特征是：（） 高度柔性，成形過程無需專用工具和夾具，可以制造任何復雜形狀的三維實體；（） CAD模型直接驅(qū)動，CAD/CAM一體化，無須人員干預(yù)或較少干預(yù)，是一種自動化的成形過程；（） 成形過程中信息過程和材料過程的一體化，適合成形材料為非均質(zhì)并具有功能梯度或空隙度要求的原型；（） 成形的快速性，適合現(xiàn)代激烈競

13、爭的產(chǎn)品市場；（） 技術(shù)的高度集成性，快速成形是計算機、數(shù)控、激光、新材料等技術(shù)的高度集成。1.4 快速成形的歷史和發(fā)展從歷史上看，很早以前就有“增長”制造原理，例如，1892年，J.E.Blanther在他的美國專利（473901）中，曾建議用分層制造法制成地形圖。這種方法的原理是，將地形圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上,然后按輪廓線切割蠟片并將其粘接在一起，熨平表面，從而得到三維的地形圖。1902年，Carlo Baese在他的美國專利（774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這是現(xiàn)代第一種快速成形技術(shù)“立體平板印刷術(shù)”（StereLithography）的初始設(shè)想。1940年

14、，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘接成三維地形圖的方法。50年代之后，出現(xiàn)了幾百個有關(guān)快速成形技術(shù)的專利。其中，Zang(1964)、Richard Meyer(1970)和Gaskin(1973) 等又提出了用一系列輪廓片形成三維地形圖模型的新方法。Paul Dimatteo在他的1976年的美國專利（3932923）中，進一步明確提出，先用輪廓跟蹤器將三維物體轉(zhuǎn)換成許多二維輪廓薄片，然后用激光切割使這些薄片成形，再用螺釘、銷釘?shù)葘⒁幌盗斜∑B接成三維物體，這些設(shè)想與現(xiàn)代另一種快速成形技術(shù)物體分層制造（Laminated Object Manufacturing）的原

15、理極為相似。1979年，日本東京大學的Nakagawa教授開始采用分層制造技術(shù)制作實際的模具，如落料模、壓力機成形模和注塑模。上述早期的專利雖然提出了一些快速成形的基本原理，但還很不完善，更沒有實現(xiàn)快速成形機械及其使用原材料的商品化。80年代末之后，快速成形技術(shù)有了根本的發(fā)展，出現(xiàn)的專利更多，僅在1986-1998年期間，注冊的美國專利就有274個。這首先是Charles W Hull 在他1986年的美國專利（#4575330）中，提出了一個用激光照射液態(tài)光敏樹脂，從而分層制造三維體的現(xiàn)代快速成 6畢業(yè)設(shè)計論文形機的方案。隨后，美國的3D Systems公司據(jù)此專利，于1988年生產(chǎn)出了第一

16、臺現(xiàn)代快速成形機SLA-250(液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成形機)，開創(chuàng)了快速成形技術(shù)發(fā)展的新紀元。在此后的10年內(nèi)，涌現(xiàn)了10多種不同形式的快速成形技術(shù)和相應(yīng)的快速成形機，如薄形材料選擇性切割（LOM）、絲狀材料選擇性熔覆（FDM）和粉末材料選擇性燒結(jié)（SLS）等，并且在工業(yè)、醫(yī)療及其它領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。到1980年為止，全世界已擁有快速成形機4259臺快速成形制造公司約27個，用快速成形機對外服務(wù)的機構(gòu)331個。不僅如此，還派生出一個全新的領(lǐng)域快速模具制造（Rapid Tooling）,從而使快速成形技術(shù)為現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的支柱技術(shù)。我國自90年代以來也展開了相應(yīng)的快速成形技術(shù)的研究和應(yīng)

17、用。有幾家公司引進了國外的RPM系統(tǒng)。清華大學、華中理工大學、西安交通大學、南京航空航天大學等幾所高等院校及北京隆源自動化有限公司均開展了快速成形技術(shù)的研究和開發(fā)，并開始有產(chǎn)品問世。例如，現(xiàn)已研制出的樣機或系統(tǒng)有：華中理工大學基于分層制造方法（LOM）HRP的系統(tǒng)、隆源公司基于選擇性激光燒結(jié)（SLS）RPS的系統(tǒng)。1995年11月召開了中國第一屆快速成形技術(shù)（RPM）學術(shù)及技術(shù)展示會，1997國家科委專門召集了國內(nèi)有關(guān)RPM研究和應(yīng)用單位，共同探討了在我國推廣RPM應(yīng)用的戰(zhàn)略。由于各國十分重視快速成形技術(shù)，每年都有一批研究成果問世，十分復雜的零部件已能用快速成形技術(shù)制造出來，企業(yè)應(yīng)用該技術(shù)所取

18、得的效益十分明顯。RPM設(shè)備的需求量日益增大。畢業(yè)設(shè)計論文第二章 LOM型快速成型機設(shè)計2.1概述目前所研制的快速成型系統(tǒng)的系統(tǒng)的原理和工作方法均有很大不同，而且分類的方法亦有多種?，F(xiàn)在，已有多種商品化的快速成形技術(shù)和快速成形機，其中最典型的有如下幾種：（） 液態(tài)光敏聚合物選擇性固化（StereoLithography Apparat , 簡稱為SLA或SL，直譯名為“立體平板印刷設(shè)備”）；（） 薄形材料選擇性切割（Laminated Object Manufacturing，簡稱為LOM，直譯名為“分層物體制造”）；（） 絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Modeling

19、，簡稱為FDM，直譯名為“熔積成形”）；（）粉末材料選擇性燒結(jié)（Selected Laser sintering，簡稱SLS，直譯名為“選擇性激光燒結(jié)”）；（5） 粉末性材料選擇性粘結(jié)；（）噴墨式三維打印等。其差別主要在于薄片所采用的原材料類型，由原材料構(gòu)成截面輪廓的方式，以及截面層與層之間的連接方式。分層實體制造（LOM）工藝又稱疊層實體制造或薄形材料選擇性切割，由美國的Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功，并推出產(chǎn)品化的機器。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，用二氧化碳激光器（或刀）在計算機控制下切割片材，然后通

20、過熱壓輥熱壓，使當前層與下面已成形的工件粘接，從而堆積成型。LOM型快速成形機是由計算機、原材料、熱碾壓機構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺、機架和數(shù)控系統(tǒng)等組成。其中計算機用于接受和存儲工件的三維模型，沿模型的高度方向提取一系列的橫截面輪廓線，發(fā)出控制指令。原材料存儲及送進機構(gòu)將存于其中的原材料（如底面有熱熔膠和添加劑的紙），逐步送至工作臺的上方。熱粘壓機構(gòu)將一層層材料粘合在一起。激光切割系統(tǒng)按照計算機提供的橫截面輪廓線，逐一在工作臺上方的材料上切割出輪廓線，并將無輪廓線區(qū)切割成小方網(wǎng)格，這是為了在成形之后能剔除廢料。網(wǎng)格的大小據(jù)被成形件的形狀復雜程度選定，網(wǎng)格愈小，愈容易剔除廢料，但花費的時間

21、較長，否則反之?？缮倒ぷ髋_支撐正在成形的工件，并在每層成形之后，降低一個材料厚度（通常為0.10.2mm），以便送進、粘合和切割新的一層材料。數(shù)控系 8畢業(yè)設(shè)計論文統(tǒng)執(zhí)行計算機發(fā)出的指令，使一段段的材料逐步送至工作臺的上方，然后粘合、切割，最終形成三維工件。機架是整個機器的支撐。其系統(tǒng)見下圖：快速成形機原理圖在LOM快速成形機上，截面輪廓被切割和疊合后所成的制品如下圖。其中，所需的工件被廢料小方格包圍，剔除這些小方格之后，便可得到三維工件。 9畢業(yè)設(shè)計論文LOM工藝中的成型材料涉及三個方面的問題， 即紙、熱熔膠、和涂布工藝。紙材料的選取、熱熔膠的配置即涂布工藝的研究均要從保證最終成形零件的質(zhì)

22、量出發(fā)，同時要考慮成本。2.2 激光切割系統(tǒng)的設(shè)計和計算激光切割系統(tǒng)是由co2激光器、外光路、切割頭、XY工作臺、直流伺m；服電機等組成。其中，激光器的輸出功率為25-50W；發(fā)射波長為106008850cm; 電輸入功率為0.3-0.6kW；冷卻方式為空氣冷卻；激光頭尺寸：源尺寸：202030cm。外光路由2個反光鏡和1個聚焦鏡組成，它能保證焦距穩(wěn)定，切割光斑的直徑為0.1-0.2mm。配上激光切割速度與切割功率的自動匹配控制后，光束能恰好切透正在成形的一層材料，而不會損傷已成形的下一層截面輪廓。激光切割頭由兩臺直流伺服電機驅(qū)動，能在XY平面上作高速、精密掃描運動。XY工作臺由精密滾珠絲杠傳

23、動，用精密直線導軌導向，重復定位精度為10m。主要技術(shù)參數(shù)：成形空間：370270300mm激光頭最大切割速度：500mm/s激光頭定位精度：+0.01-0.01mm畢業(yè)設(shè)計論文2.2.1 選擇激光器當采用激光器切割薄型材料成形時，所需激光的功率可按下式確定：Pc=hVdQ/A式中：h材料的厚度（通常為0.10.2mm，常用的紙厚0.13mm左右，經(jīng)特殊處理的卷材厚度為0.050.5mm）Q燒割材料所需的比熱d激光光斑的直徑(0.10.2mm)V激光束的移動速度V激光發(fā)送系統(tǒng)的透明度A材料的吸收系數(shù)按上式計算，可以粗略選用50WCO2全封閉激光器，1625W冷卻器（以上是參照多家著名LOM成形

24、機制造公司的產(chǎn)品做的選擇）。同時，為了獲得穩(wěn)定的切割品質(zhì)，應(yīng)使激光器功率Pc與激光束的移動速度（即切割速度）V的比值保持恒定，即PcQ=hd=B(常數(shù)) VA必須實現(xiàn)激光功率Pc與移動速度V的自動跟蹤，即在成形過程中，不斷檢測激光束的移動速度V(t)，并根據(jù)該值與Pc(t)=BV(t)來自動調(diào)整激光的輸出功率。2.2.2 X-Y向滾珠絲杠的選擇由于電動機布局等的考慮，將X向滾珠絲杠放在Y向滾珠絲杠之下，而且絲杠所受到的載荷主要是滾珠絲杠副所受的摩擦力（重力由導軌部分來抵消，其它力暫時忽略不計）。由于X方向的絲杠帶動的部件重量較Y向大，故所選用的絲杠型號以X向為基準。Y向絲杠的選用過程同X向。計

25、算X向滾珠絲杠的有關(guān)數(shù)據(jù)：經(jīng)初步估算，上拖板、Y向滾珠絲杠及螺母副、直線導軌軸和激光頭及安裝座等的重量約為20kg。工作臺滾動導軌摩擦系數(shù)為0.0025（機床設(shè)計手冊第3卷P122，86年12月版），由于激光器的最大切割速度500mm/s，相當于30m/min，顯然滑動 11畢業(yè)設(shè)計論文導軌不能符合要求，因為它只適合速度相對不高（導軌移動的相對速度V10m/min）的情況；同時，靜壓導軌（不管是液體靜壓導軌，還是氣體靜壓導軌）的結(jié)構(gòu)復雜，需要多加一部分管路和溝槽以及動力設(shè)備，會大大增加機床的復雜程度，同時增大了產(chǎn)品的成本；采用滾動導軌，摩擦系數(shù)小，而且?guī)缀跖c運動速度無關(guān)，中等尺寸部件的摩擦力一

26、般為25kgf，而且低速無爬行，精度滿足要求，且壽命長（10年），精度保持性高。類比用于坐標鏜床工作臺的滾動導軌，數(shù)控機床等高精度機床中，這種導軌副的摩擦系數(shù)如下表：為提高X、Y向傳動系統(tǒng)的剛度，絲杠兩端采用固定支承（F-F），每個軸承座內(nèi)安裝一個滾針和一對推力組合軸承（詳見機電一體化手冊）。由于本機床要求的定位精度為0.10.2m，且工作臺的最大行程為370mm，移動最大速度為500m/s（=30m/min）；同時，設(shè)絲杠壽命15000Lh/h，工作可靠性96%；滾珠絲杠副的傳動效率可達85%98%(電P730)，傳動可逆性好，效率與正傳動幾乎相同。依據(jù)以上的這些設(shè)計參數(shù)，可得：1絲杠載荷：

27、（電P837）對于采用三角形或綜合導軌的機床，滾珠絲杠副的軸向載荷可以近似使用以下公式計算Fa=KFX+'(FZ+G)NK=1.15（考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)）；'=0.150.18（導軌上的摩擦系數(shù)）；G=mg=209.8=196N（移動部件的重量）FX,FZ的切削分力為0所以，F(xiàn)a=1.150+0.18(0+196)=35.28N導軌摩擦力F=mg=0.0025209.8=0.49N快速移動載荷為0.490N.畢業(yè)設(shè)計論文導軌摩擦力絲杠移動部件軸向載荷總載荷（P838）F總=35.26+0.49=35.77N以上為絲杠副的軸向載荷計算。工作臺最大速度：Vmax=500mm

28、/s=50060=30000mm/min=30m/min.2.電機轉(zhuǎn)速（最大）從機電一體化手冊中查取。2.絲杠導程Ph滾珠絲杠導程：（電P738，計算見P838）工作臺最大速度Vmax=30000mm/minPh=30000=5mm 60003.初選滾珠絲杠（1）計算動負荷Caj=KhFa Knf1L壽命系數(shù):Kh=(h)3 Lh=15000h 500150003Kh=（）3.1 50033.3333.33轉(zhuǎn)速系數(shù):Kn=()=()=0.177 n6000查表，選用兩端固定（F-F）, 可提高X、Y向傳動系統(tǒng)的剛度，每個軸承座內(nèi)安裝一個滾針和一對推力組合軸承（詳見機電一體化手冊）。適用于高速、

29、高精度、高剛度的絲杠。影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù)(電P829)（2）f111=ftfhfafK fw當滾珠絲杠副在較高轉(zhuǎn)速（一般轉(zhuǎn)速n>1000r/min）下工作時，應(yīng)按其使用壽命選擇基本尺寸，并校核其承載能力是否超過額定動負荷。由表查得溫度系數(shù) ft=1（工作溫度小于100）畢業(yè)設(shè)計論文硬度系數(shù) fh=1(HRC5862)（P731）精度系數(shù) fa=1.0（精度等級>4級）（P749）可靠性系數(shù) fK=0.53負荷性質(zhì)系數(shù) fW=1（P827）f=1110.53=0.53 1滾珠絲杠副的軸向負荷Fa=F總=35.77（P829） Caj=3.135.77=1182.038N 0

30、.1770.53以上是在較高速和定工作負荷的情況下，滾珠絲杠副的運用方法。（3）滾珠絲杠副的型號由表，選用FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，型號為：FFZD2505額定負荷Ca=11KN>Caj=1.18KN.預(yù)緊力為F =0.25Caj=0.2511=2750N>Fa符合要求。4.絲杠螺紋部分長度lu=工作臺最大行程（370mm）+螺母長度（86mm）+兩端余程（40mm）=370+86+240=536mm支承距離l應(yīng)大于lul=lu+2軸承長 取6005.臨界轉(zhuǎn)速校核f22d2nc=2(r/min) Lc高速運轉(zhuǎn)的絲杠有可能發(fā)生共振，需要校核臨界轉(zhuǎn)速，不發(fā)生共

31、振的最高轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速，以nc表示。絲杠支承方式系數(shù) f2=4.730絲杠螺紋底徑： d2d -1.2DW25-1.23.5=20.8mm=0.0208m 14畢業(yè)設(shè)計論文臨界轉(zhuǎn)速計算長度Lc=370+86600-536+40+=485mm=0.485m 224.7320.0208nc=9900=19585.62>>nmax 0.4852所以，非常符合要求。6.壓桿穩(wěn)定性校核：兩端固定支承，絲杠不受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性。7.預(yù)拉伸計算（設(shè)溫升為3.5，工作前均衡溫度場）（1）溫升引起的伸長量ttt.t.lu線膨脹系數(shù)t=1110-6l/ C絲杠溫升t，一般取35C螺紋有紋長度

32、lut=1110-63.5536mm=0.02064mm21m（2）絲杠全長伸長量tZtZ=1110-63.5600=0.0231mm23m（3）預(yù)拉力FtFt='tAElu110-6=0.02082.11011=6397N 0.5368.軸承選擇（1）軸端結(jié)構(gòu)由表，采用E型和F型軸端（電P810）（2）軸承型號由德國INA公司生產(chǎn)的輕系列滾針和推力滾子組合軸承，其型號為ZARN2052TN型畢業(yè)設(shè)計論文主要尺寸和參數(shù)：（詳細資料參照機電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊楊黎明，1997年1月版）9.定位精度校核（1）絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移smax=Fl0.6F(0.635.77)106=10

33、6=0.0752m 4AE40.020822.110114（2）絲杠與螺母間的接觸變形Fc=Kc由表，查得FFZD2505滾珠絲杠副的接觸剛度Kc=910N/m所以，快移時接觸變形量c=F35.77=0.0393m Kc910由于采用的是組合軸承，故軸承的接觸變形可忽略不計。（3）絲杠系列的總位移=smax+c=0.0752+0.0393=0.1145m由于smax發(fā)生在螺母處于絲杠中部處，而c與螺母位置無關(guān)。所以，以上求得的位移均為0.1145/300mm。（4）定位精度查表，取絲杠等級為2級的絲杠任意300mm行程內(nèi)行程公差為8m。加m，可以滿足點位控制精度±0.01/300的要

34、求。上快移時的總位移為0.1145總結(jié)：根據(jù)計算結(jié)果可選用絲杠副型號為FFZD2005-5-1/536370，兩端支承為E、F型的支承方式，軸承選用型號為ZARN2052TN型組合軸承。畢業(yè)設(shè)計論文2.2.3 伺服電機的選擇參數(shù)：估算工作臺重量為M=20kg；工作臺移動速度Vmax=500mm/s；摩擦系數(shù)為0.0025；聯(lián)軸器效率為99%；進給絲杠長為L=600mm；進給絲杠直徑為D=25mm；絲杠導程P=5mm。1計算絲杠轉(zhuǎn)速nL=1000Vmax10000.560=6000r/min P52折算到電動機上的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)電動機額定轉(zhuǎn)速nM=6000r/min，傳動比為i=1，則工作臺的GD：

35、 2VL2 GDL=M1 nM進給絲杠的GD 230-62=2 =5.0710N.M 3.146000222GDLkg.M2/ML=0.000849.80.65=5.3510-3NM22=0.00084聯(lián)軸器的GD22-42GDL3=0.259.80.01=2.4510NM 2總的GDLM=5.610NM計算所需的穩(wěn)定功率 2-32mVL0.00252030103P0=0.248W 6120612099%計算所需的加速功率GD2L.MnM5.610-36000Pa=9.44W 33356ta10356ta10(GD2M+GD2LM)nM其中：ta=0.01s 365(MMS-ML)計算穩(wěn)定運行

36、力矩畢業(yè)設(shè)計論文MML=mVL0.00252030=4.0210-5Nm 2nM23.14600099%試初選用小慣量直流伺服電機其主要參數(shù)為3選用另一種方法驗證：'負載功率pL=FV=FaV=35.77N0.5m/s=17.885W設(shè)選用聯(lián)軸器的傳遞效率為99，則PM99%=P'L所需電機功率為PM=18.07W又PM=TLWM電機轉(zhuǎn)速M=電機轉(zhuǎn)矩TL=2n23.146000=r/min=628rad/s 6060PMM=18.07=0.0288Nm 628又TMTL=0.0288Nm所列參數(shù)如下TM=28.810-3NmPM=18.07WnM=6000r/min綜上，選擇小

37、慣量直流伺服電機其主要參數(shù)如下：畢業(yè)設(shè)計論文SZ系列電磁式直流伺服電動機，具有體積小，重量輕，伺服性能好，力學指標高等優(yōu)點，廣泛用于自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，亦可作驅(qū)動元件。（P152） SZ系列電動機是數(shù)控機床和其它數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。具有體積小，重量輕，承受過載能力強，起動轉(zhuǎn)矩大，反應(yīng)快等優(yōu)點。檢測元件可采用脈沖編碼器或測速發(fā)電機。同時，所選用的伺服電機應(yīng)滿足以下條件：22GDLM3GDMPa+P 電動機額定輸出功率0(12)Pa+P0=9.44+0.248=9.688滿足條件，試選電機合適。根據(jù)已知條件，電機所受的載荷較小，故X、Y的支承連接部分可選用薄膜聯(lián)軸器。（薄膜聯(lián)軸器詳見

38、機械設(shè)計手冊第一卷）薄膜聯(lián)軸器是利用中間接頭與兩組圓形膜片聯(lián)接，膜孔與撥盤聯(lián)結(jié)，撥盤與主、從動端軸聯(lián)結(jié)的圓形膜片聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)簡單，主要用于傳遞運動，具有補償兩軸相對偏移的性能，有較高的扭轉(zhuǎn)剛度，適用小功率的控制系統(tǒng)和精密機械傳動機構(gòu)。ML型薄膜聯(lián)軸器機構(gòu)見下圖：畢業(yè)設(shè)計論文ML型薄膜聯(lián)軸器的基本參數(shù)及主要尺寸（SJ 2127-82）：2.2.4 Y向滾珠絲杠的選擇因為X向滾珠絲杠在Y向絲杠之下，而且絲杠受到的力主要是滾珠絲杠副所受的摩擦力，故所選的絲杠以X向絲杠為計算機基準。上拖板、激光聚焦鏡、直線導軌軸和激光頭等的總重量設(shè)為20kg。工件臺滾動導軌摩擦系數(shù)取為0.06，絲杠兩端為固定支承（F

39、-F），每個軸承座安裝一個滾針和推力滾子組合軸承。定位精度為±0.01/400mm，工作臺最大行程為270mm移動最大速度為500mm/s，絲杠壽命15000h，工作可靠性為96%。伺服電機的選擇：可用的參數(shù)：工作臺重量為M=20kg；工作臺移動速度Vmax=500mm/s；摩擦系數(shù)=0.0025；聯(lián)軸器效率=99%；進給絲杠常為L=650mm；進給絲杠直徑為D=25mm；絲杠導程為P=5mm。以下計算同上。計算結(jié)果接近，所以，X向和Y向選用相同的絲杠、軸承、軸承座等一系列的零部件。畢業(yè)設(shè)計論文2.3可升降工作臺的實際和計算2.3.1 Z向滾珠絲杠及步進電機的選擇可升降工作臺由步進電

40、機經(jīng)精密滾珠絲杠驅(qū)動，用精密直線滾珠導軌導向，從而能在高度方向上作快速、精密的直線往復運動。由于快速成形系統(tǒng)的可升降工作臺和所要制作的工作比較重，因此，在它們的可升降工作臺中設(shè)有重量平衡裝置，以便降低伺服電機的驅(qū)動功率，并使工作臺運動平穩(wěn)。估算平臺和工件重量：平臺上的紙材的體積V1=37027030010-90.03m3紙材的密度 11.3103kg/m3最大成形件的重量約為 m1=1V140kg工作升降平臺的材質(zhì)為硬鋁，密度較小，2=2.8103kg/m3，體積約為V2=0.001377+0.001944+0.0034992=0.0068202m3，質(zhì)量約為m220kg，再加上其它附件，工作

41、臺的總質(zhì)量約為MM=40+20+10=70kg工作臺后側(cè)有導軌，采用滑動摩擦，摩擦系數(shù)為0.06；絲杠兩端為固定支承，定位精度為±0.01/300mm1絲杠載荷（1）導軌摩擦力F=NN為緊力（導軌反力）N=F1+F2+F3+F4由簡化的力學模型可得1N45=709.83602 N=10976NF=N=0.06(5407+9372)=886.75N（2）滾珠絲杠副的軸向載荷計算對于采用燕尾形導軌的機床畢業(yè)設(shè)計論文滾珠絲杠副的軸向載荷為FaFa=KFX+'(FY+FZ+G)K=1.4(考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)),'=0.（導軌上的摩擦系數(shù)）2FX=0FY=0FZ=F1+

42、F2+F1'+F2'=2F1-2F3cos=5407-5376=31NFa=0+0.2(709.8+31)=123.48N設(shè)FZ=0F總=F+Fa=886.75+129.06=1015.812絲杠導程工作臺最大速度設(shè)為Vmax=100mm/s=0.160=6m/min=6000mm/min由于是精密傳動，每次且傳動的間距較小為0.050.5mm之間，故取絲杠的導軌為5mm，則絲杠最大轉(zhuǎn)速nmax=3初選滾珠絲杠（1）計算動負荷 6000=1200r/min 5Caj=KhFa 要求使用壽命為15000h Knf11L15003)=3.1 壽命系數(shù) Kh=(h)3=(500500

43、33.3333.33)=()=0.30 轉(zhuǎn)速系數(shù) Kn=(n120022 11畢業(yè)設(shè)計論文由表查得，選用兩端固定（F-F），使用于高速、高精度、高剛度。f影響滾珠絲杠副壽命得綜合系數(shù)f=ftfhfafk fW由表查得： 溫度系數(shù) ft=1 (工作溫度小于100)硬度系數(shù) fh=1精度系數(shù) fa=1（選擇3級精度）負荷性質(zhì)系數(shù) fw=1 （無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)）可靠性系數(shù) fk=0.53 （可靠度取96）綜合系數(shù) f=1110.53=0.53 1Fa=F總1015.81NCaj=3.11015.8119.8kN 0.30.53以上是在低速（行程非常短，可以認為是靜態(tài)的移動）和定工作負荷得情況下，滾珠絲

44、杠副得選用。（2）初選滾珠絲杠副得型號由表查得，需用FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠，型號為FFZD2505。額定靜載荷Ca=27kNCaj=2.93kN預(yù)緊力為 F =0.25Ca=0.2511=2750NFa符合要求4絲杠螺紋部分長度畢業(yè)設(shè)計論文lu=工作臺最大行程（300mm）+螺母長度（86mm）+兩端余量（40mm）=300+86+80=466mm470mm5支承距離l支承跨距l(xiāng)應(yīng)大于lu，取其為l=540mm4導軌的材料于熱處理a) 對導軌材料的要求（詳見p177）b) 導軌幅材料的匹配。導軌摩擦幅應(yīng)盡量由異種材料相配組成，如果選用相同的材料，也應(yīng)采用不同熱處理工藝

45、或不同的硬度。在直線運動的導軌副中，較長的一條導軌（通常是不動導軌）用較耐磨的和較硬的材料制造，這是因為：（1）長導軌在全長上磨損不均勻，而且磨損后不能用調(diào)整的辦法來補償，對加工精度影響較大；畢業(yè)設(shè)計論文（2）短導軌耐磨性較低，使用中誤差會較快地消除，且便于刮研，減少修理過程中的勞動量；（3）長導軌通常是外露地，容易受到意外的損傷。采用鑄鐵為動導軌，淬火鑄鐵為固定導軌，相對壽命通常為23。鑄鐵是一種應(yīng)用最廣泛的導軌材料，易于鑄造，切削加工性好，成本低，由良好的耐磨性和減振性。通常以HT20-40或HT30-54作為固定導軌，如立柱。而相應(yīng)以HT15-33或HT20-40作為相配的動導軌。本次使

46、用的固定導軌表面進行了火焰淬火，淬硬層深度24mm，硬度HRC4550。除此之外，導軌表面還需要噴涂一定厚度的熱塑性材料，如聚乙烯等，它們與鑄鐵對磨時，摩擦系數(shù)很小，其本身的耐磨性也比鑄鐵高2倍以上；對鑄鐵導軌能起到明顯的保護作用。2.4原材料存儲及送進機構(gòu)的設(shè)計與計算該機構(gòu)由原材料存儲輥，送料夾緊輥、兩根導向輥、余料輥、直流電動機、摩擦輪和材料撕裂報警器組成。卷狀材料套在原材料存儲輥上。材料的一端經(jīng)送料夾緊輥、兩根導向輥、材料撕裂報警器粘于余料輥上。余料輥的輥芯與送料直流電動機的軸芯相連。摩擦輪固定在原材料存儲輥的軸心上，其外圓與一帶彈簧的制動塊相接觸產(chǎn)生一定的摩擦阻力矩，以便保證材料始終處

47、于張緊狀態(tài)。送料時，送料直流電動機沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)一定角度，克服加在摩擦輪上的阻力矩，帶動材料向左前進一定的距離。此距離等于所需的每層材料的送進量，它由成形件的最大左、右尺寸和兩項相鄰切割輪廓之間的搭邊確定。當某種原因偶然造成材料撕斷時，材料撕斷報警器會立即發(fā)生音響信號，并停止送料直流電機的轉(zhuǎn)動及后續(xù)工作循環(huán)。上述機構(gòu)中采用的原材料是高性能的紙，紙的底面涂有熱熔膠和改性添加劑。當熱軋輥被加熱到210250，并輾壓紙材時，能使紙上的膠熔化并產(chǎn)生粘性。加入添加劑的作用是改善紙和成形件的性能，使其具有優(yōu)良的粘性、機械強度、硬度和拋光性、較小的收縮率、較高的工作溫度和易于剔除廢料。實踐證明，這類紙堅如

48、硬木，能承受高達200的溫度，粘結(jié)后不易開裂；同時，只需輕輕振動制品中的方塊形廢料小碎片，并用普通小刀剔除，就能方便地使嵌在工件中的廢料與工件分離。例如用其中的一種紙成型的工件有很好的彈性，表面光滑，如同塑料，產(chǎn)品最小壁厚可達0.3-0.5mm。一原材料存儲及送進機構(gòu)的參數(shù)常用的紙厚為0.13mm左右，材料厚度通常為0.10.2mm。已知：成形空間為370270300mm，Z向最大高度為300mm，設(shè)紙厚為3000.13mm的紙材經(jīng)過熱粘壓后，變成了0.1mm。Z向最大需疊加=30000.1畢業(yè)設(shè)計論文層。設(shè)置每次走紙長度為380mm，則紙卷總長為3000380mm=1140m。D 假設(shè)各層紙

49、之間的間隙極小，認為可以忽略。則根據(jù)體積相等原理可得：紙卷直徑，B紙卷寬度為300mm。D23010-3211400.131027010=()-()27010-3 22-3-34D=0.4355m紙卷直徑設(shè)為 D0.45m 0.1482=(D2-910-4)若需要設(shè)計的快速成形機可使用的紙張的厚度變化范圍為0.050.5mm，可調(diào)節(jié)，則可以假設(shè)每層紙材的厚度為x，所得的紙卷的直徑范圍為一個定值。計算過程如下：30038010-3x10-3=(D2-910-4) ax40.1452D=(+910-4)2m a1a是每種材料受熱粘壓后的厚度與原先厚度的比值，可見紙卷的直徑函數(shù)是一個無因次式，只隨比

50、值a的變化而變化。紙卷的總重量為：D2d2M=V=1.310(-)0.270 4430.4520.032=1.3103.14(-)0.2756kg 443二原料存儲及送進機構(gòu)電機的選擇原材料（紙帶）送進的時候，要求紙帶受力平緩，防止拉斷，故電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)當適當慢一些，且沖擊變化小。設(shè)：最大走紙速度為Vmax=60mm/s=0.0660m/min=3.6m/minV=Dn紙帶的小徑為 d=30mm已知：紙卷的最大直徑為 D=0.45m畢業(yè)設(shè)計論文則：平均直徑為0.45+0.03=0.24m 2V3.6=5.73r/min6r/min 平均帶速=D0.2設(shè)：需要將紙帶從送料夾緊輥中拉出平均拉力為1k

51、gf，約為10N，拉動時加速度為50m/s。已知紙卷平均直徑0.24m，則所需轉(zhuǎn)矩 2T=Fr=10N0.12m=1.2Nm所需功率P=T=1.22n=2.40.1=7.536W若采用轉(zhuǎn)速r/min的力矩電機SYL-1.5,同時選用n約為800XB1-32型通用諧波齒輪減速器（傳動比i=100），則收料軸最終的平均轉(zhuǎn)速為n=800r/min=8r/min 100所以，選擇這種電機和減速器基本符合要求。2.5熱粘壓機構(gòu)的設(shè)計和計算該機構(gòu)由步進電機、齒形皮帶、發(fā)熱管、熱壓輥、溫控器及高度檢測器(Z向使用伺服電機時才使用)等零部件組成。步進電機的動力經(jīng)齒形皮帶驅(qū)動熱輾 27畢業(yè)設(shè)計論文壓輥，使其能在

52、工作臺上方作左右往復運動。熱壓輥內(nèi)裝有大功率發(fā)熱元件即發(fā)熱管，以便使熱輾壓輥快速升溫，通常工作時被加熱到210-250C。溫控器包括溫度傳感器（熱電偶或紅外溫度傳感器）和顯示、控制儀，它能檢測熱壓輥的溫度并使其保持在設(shè)定值，溫度設(shè)定值根據(jù)所采用材料的粘結(jié)溫度而定。高度檢測器固定在熱壓輥的支架上，它的測量分辨率為2m。當熱壓輥對工作臺上方的紙進行熱壓時，高度檢測器能精確地測量正在成形的制件的實際高度，并將數(shù)據(jù)及時反饋至計算機，然后根據(jù)此高度對產(chǎn)品的三維模型進行切片處理，得到與上述高度完全對應(yīng)的截面輪廓，從而較好地保證成形件在高度方向的輪廓形狀和尺寸精度。高度檢測器選用超聲波距離傳感器。超聲波距離

53、傳感器由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，是利用壓電效應(yīng)制成的。其主要參數(shù)有：中心頻率、靈敏度、帶寬、發(fā)射角、電阻和電容等。本系統(tǒng)選用中心頻率為40kHZ、靈敏度為-60dB、帶寬為4kHZ、發(fā)射角為80、工作溫度為-20-+80C、聲壓118dB的EFR-RSB40K2型超聲波傳感器。超聲波距離傳感器的檢測方式有脈沖回波式以及頻率調(diào)制連續(xù)波式（FM-CW）兩種。在脈沖回轉(zhuǎn)式中，先將超聲波用脈沖調(diào)制后發(fā)射，根據(jù)經(jīng)被測物體反射回來的回波延遲時間t，計算出被測物體的距離R。假設(shè)空氣中的聲速為V，由下式求出被測物體與傳感器間的距離R：R=Vt/2m。同時，溫度的變化對聲速有一定的影響。如果溫度為TC，則聲速由下式

54、求出，即V=331.5+0.607Tm/sFM-CW方式是采用連續(xù)對超聲波信號進行調(diào)制，將由被測物體反射延遲t時間后得到的接收波信號與發(fā)射波信號相乘，反取出其中的低頻信號，就可以得到與距離R成正比的差頻fr信號。假設(shè)調(diào)制信號的頻率為fm，調(diào)制頻率的帶寬為f，則由下式求出被測物體的距離R：R=該系統(tǒng)的主要參數(shù)： frVm 4fmf滾筒直徑D=40mm；畢業(yè)設(shè)計論文滾筒長度L=300mm；齒形皮帶的密度=2.810-3kg/cm3；摩擦力F=117.6N=12kgf；分辨率l=0.01mm；熱粘壓速度V=80mm/s=0.0860=4.8m/min 設(shè)帶輪直徑為50mm，則轉(zhuǎn)速n1=加速度 V0.0860=30.6r/min D3.140.05ac=5g=49mm/s2；電動機的驅(qū)動頻率f=1000Vmax10004.8=8000HZ； 60l600.01根據(jù)以上述數(shù)據(jù)可選用五相雙五拍式BF系列反應(yīng)步進電機，步距角為2，其型號為90BF2-5,且選用XB1型通用諧波齒輪減速器，其型號為XB1-32。具體計算同上一節(jié)，故略。同步帶傳動計算同步帶傳動，電動機型號為90BF2-5，額定功率為300W，傳動比u=1,整天工作（24h）。1功率計算：（1）工作情況系數(shù) KA=1.701.1=1.87（載荷變化小，工作時