選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備鋪粉裝置的設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備鋪粉裝置的設(shè)計(jì)_第2頁(yè)
選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備鋪粉裝置的設(shè)計(jì)_第3頁(yè)
選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備鋪粉裝置的設(shè)計(jì)_第4頁(yè)
選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備鋪粉裝置的設(shè)計(jì)_第5頁(yè)
已閱讀5頁(yè),還剩36頁(yè)未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1、1 緒論1.1 激光選區(qū)燒結(jié)快速成型原理及應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)(Selective lasers sintering,簡(jiǎn)稱SLS)技術(shù)是九十年代初RP技術(shù)中發(fā)展起來(lái)的又一種全新的原型制作方法,它以各種粉末材料(如石蠟、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金屬等粉材)為加工對(duì)象。SLS燒結(jié)設(shè)備,主要由掃描器、鋪粉機(jī)構(gòu)、激光源、預(yù)熱裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成。它采用具有動(dòng)態(tài)聚焦功能的振鏡掃描結(jié)構(gòu),因此,其掃描速度較其它種類的快速成形系統(tǒng)有相當(dāng)程度的提高,最高掃描速度由具體的動(dòng)態(tài)掃描系統(tǒng)確定,一般燒結(jié)速度可達(dá)2m/s,故成形效率更高。SLS系統(tǒng)基本上采用開(kāi)環(huán)的Z軸位置控制結(jié)構(gòu),即不必實(shí)時(shí)測(cè)量零件的實(shí)際高度;

2、與LOM(分層物體制造Laminated Object Manufacturing)中的送紙、收紙結(jié)構(gòu)功能類似,SLS系統(tǒng)采用了自動(dòng)鋪粉機(jī)構(gòu)完成材料準(zhǔn)備。另外,由于加工材料的要求,系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)材料的預(yù)熱功能,非接觸式測(cè)量環(huán)境溫度,通過(guò)溫度傳感器或者專門的測(cè)溫儀檢測(cè)溫度。激光燒結(jié)成形過(guò)程為:首先在工作臺(tái)面上均勻地鋪上一層很?。?.08mm0.3mm)的熱敏粉末,輔助加熱裝置將其預(yù)熱到粉末材料熔點(diǎn)(粘結(jié)劑的軟化溫度)以下的溫度,在這個(gè)均勻的粉末層面上,計(jì)算機(jī)在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到零件的CAD實(shí)體模型的二維剖面后,再控制激光按照設(shè)計(jì)零件的當(dāng)前層截面信息進(jìn)行選擇性燒結(jié),被燒結(jié)粉末固化在一起形成零件的實(shí)體部

3、分。然后,在計(jì)算機(jī)的控制下,工作平臺(tái)降低一定的高度,鋪粉機(jī)構(gòu)鋪設(shè)一層很薄的粉末,激光束開(kāi)始新一層的掃描燒結(jié),層厚一般控制在0.080.30mm范圍內(nèi)。系統(tǒng)不斷重復(fù)這一過(guò)程,直到層加堆積成三維實(shí)體零件。燒結(jié)過(guò)程結(jié)束后,去除未被燒結(jié)的松散粉末,就得到了坯件,將此坯件進(jìn)行二次燒結(jié)或浸漬等后處理,便可得到最終所需零件。原理如圖1-1: 圖1-1 SLS技術(shù)快速成型系統(tǒng)的工作原理選擇性激光燒結(jié)技術(shù)具有以下特點(diǎn):(1) 材料選擇廣泛。其工藝材料選擇廣泛,如尼龍、塑料、金屬、陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作為加工材料。SLS可根據(jù)不同的用途選擇不同的材料,如用覆膜砂燒結(jié)精密鑄造用砂型(或芯),用石蠟粉或塑

4、料粉燒結(jié)熔模鑄造用的母模,用陶瓷粉燒結(jié)陶瓷模殼,或用金屬粉直接成形金屬模具或零件。(2) SLS技術(shù)不需特殊支撐、多余材料易于清理、適合原型及功能零件的制造等優(yōu)點(diǎn),而且材料可以重復(fù)使用,材料利用率高,粉末材料的利用率幾乎可以達(dá)到100%。(3) 工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。與其它原型制作工藝(如SLA,LOM等)不同,SLS成形無(wú)須研究專門的廢料清除工藝。(4) 具有廣闊的應(yīng)用前景。SLS可以直接成形金屬或陶瓷制件,而快速原型與快速制模技術(shù)相結(jié)合是快速成形技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)主要方面。從目前國(guó)內(nèi)外SLS技術(shù)的研究情況來(lái)看,覆膜砂、石蠟粉以及塑料粉這三種材料的激光燒結(jié)技術(shù)的研究比較成熟,已經(jīng)有商品化的設(shè)備推向市場(chǎng)。

5、金屬粉末的激光燒結(jié)技術(shù)也逐漸成熟,而陶瓷粉末的激光燒結(jié)技術(shù)尚處在研究階段,陶瓷粉末的激光燒結(jié)技術(shù)屬當(dāng)今激光燒結(jié)技術(shù)的研究前沿和技術(shù)難點(diǎn)。1.2 SLS技術(shù)及設(shè)備鋪粉裝置的現(xiàn)狀及其現(xiàn)有設(shè)備的缺陷1.2.1 國(guó)際上SLS技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展情況自從70年代末80年代初,美國(guó)3M公司、日本名古屋研究所和美國(guó)UVP公司分別提出了基于有選擇地逐層固化光敏聚合物的原理制造三維實(shí)體的快速成形概念以來(lái),涌現(xiàn)出許多新的方法。目前的快速成形的方法不再僅僅是立體平版印刷(SLA) 、分層物體制造(LOM) 、選擇性激光燒結(jié)( SLS) 、熔融沉積制造( FDM) 等四種,還出現(xiàn)了如立體打印、金屬沉積、噴墨等等方法。同時(shí)

6、,新的快速成形機(jī)構(gòu)也不斷涌現(xiàn)。到1998年,全世界共有331家快速成形服務(wù)機(jī)構(gòu),27家咨詢機(jī)構(gòu),51家教育與科研機(jī)構(gòu)。其中研究SLS工藝的有DTM公司和EOS公司。公司與公司之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,促使快速成形技術(shù)不斷得到提高,不斷得到應(yīng)用,原型制造速度不斷提高,各種新的加工材料不斷出現(xiàn),快速成形設(shè)備的品種規(guī)格不斷齊全,制件精度越來(lái)越高,成形尺寸越來(lái)越穩(wěn)定,快速成形軟件功能越來(lái)越強(qiáng)大、完善,操作更加簡(jiǎn)便,性能更加穩(wěn)定。隨著快速成形技術(shù)的發(fā)展,就SLS成形設(shè)備的發(fā)展來(lái)說(shuō),主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1) 操作更簡(jiǎn)單,功能更完善。例如,與燒結(jié)站2000相比,DTM公司的燒結(jié)站2500plus的人機(jī)界面更

7、友好、功能更強(qiáng)大。(2) 加工速度越來(lái)越快,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“快速成形”。(3) 出現(xiàn)了概念機(jī),并成為快速成形系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向,如1998年3D公司推出的Actual的一種改進(jìn)機(jī)型(熱噴實(shí)體打印機(jī))。(4) 出現(xiàn)了RP系統(tǒng)專業(yè)化的思想,即針對(duì)某些特殊用途而開(kāi)發(fā)的RP系統(tǒng)產(chǎn)品。如Stratasys公司開(kāi)發(fā)的MedModeler,主要用于一些醫(yī)院和醫(yī)學(xué)單位。1.2.2 國(guó)內(nèi)SLS技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展情況自九十年代初在國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和部分地方政府與科委的支持下,首先在華中科技大學(xué)(原華中理工大學(xué))、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京隆源有限公司等一些高等學(xué)府和高新技術(shù)開(kāi)發(fā)公司開(kāi)展了成形

8、理論、工藝方法、設(shè)備、軟件、材料等配套技術(shù)的研究。目前,主要有華中科技大學(xué)和北京隆源公司這兩家單位從事SLS設(shè)備的研究,并且已經(jīng)研制成功了幾種基于SLS工藝的RP設(shè)備,目前正在研制基于其他工藝的RP設(shè)備。如華中科技大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的HRPS- I、HRPS-II和HRPS-IIA型SLS設(shè)備已成功的實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的商品化,具體設(shè)備如圖1-2所示: 圖1-2 選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備對(duì)于SLS設(shè)備的現(xiàn)狀來(lái)說(shuō),國(guó)外的SLS快速成形系統(tǒng)和成形材料的價(jià)格非常昂貴,運(yùn)行費(fèi)用和制件成本高.而華中科技大學(xué)自1991年開(kāi)展快速成形技術(shù)研究以來(lái),將目標(biāo)定位于在保證高可靠和高性能的前提下,研究和開(kāi)發(fā)能大幅度降低成本的快速成

9、形技術(shù),通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出的SLS的HRP-IRA型快速成形系統(tǒng),成本大幅度降低了,且在控制、軟件、材料和快速制模方面取得了較大進(jìn)展。在應(yīng)用上,受傳統(tǒng)思想、市場(chǎng)機(jī)制和市場(chǎng)需求的影響,快速成形在國(guó)內(nèi)的推廣受到了很大的阻力。但隨著改革的進(jìn)一步深入,快速成形的應(yīng)用已出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的局面。如深圳殷華模具開(kāi)發(fā)有限公司開(kāi)展的快速原型和快速制模服務(wù)引起了很大的反響。在技術(shù)上,與國(guó)外的差距仍然很明顯,主要表現(xiàn)在以下方面:(1) 材料性能與國(guó)外相差很大,國(guó)內(nèi)許多快速成形材料都依賴于進(jìn)口。(2) 工藝研究不深入,快速原型件存在諸多缺陷。(3) 設(shè)備的系統(tǒng)性,可靠性及自動(dòng)化程度與國(guó)外仍有一定差距,使得我國(guó)的快

10、速成形設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng) 。(4) 就快速成形理論的研究不足,基本上是照搬國(guó)外的,沒(méi)有形成屬于自己的理論研究。當(dāng)然,經(jīng)過(guò)我國(guó)科研工作者們的不懈努力以及我國(guó)巨大的市場(chǎng)潛力,快速成形技術(shù)在國(guó)內(nèi)的前景是十分美好的。1.3 本設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容及現(xiàn)實(shí)意義1.3.1 本設(shè)計(jì)的目的和意義為了發(fā)展我校的快速成形制造系統(tǒng),以適應(yīng)快速成型在我校的應(yīng)用,支撐其他科研項(xiàng)目的順利進(jìn)行,所以對(duì)本??焖俪尚蛯?shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有激光燒結(jié)快速成型設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì),以使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化,滿足實(shí)驗(yàn)室的需要。1.3.2 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和本文的主要工作1.3.2.1 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容(1) 制件的精度問(wèn)題制件的精度問(wèn)題是任何一種商品化設(shè)

11、備必須考慮的問(wèn)題。影響SLS制件精度的主要因素有鋪粉裝置的機(jī)構(gòu)因素,材料的收縮性能,環(huán)境溫度,掃描路徑以及鋪粉厚度的影響等。本文主要從鋪粉裝置的機(jī)構(gòu)因素,環(huán)境溫度,掃描路徑以及鋪粉厚度出發(fā)等幾個(gè)方面進(jìn)行探討,以此提高制件的精度。(2) SLS設(shè)備鋪粉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化由華中科技大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的HRPS- I型粉末燒結(jié)系統(tǒng)采用的是與LOM設(shè)備相同的激光掃描控制系統(tǒng),送粉機(jī)構(gòu)采用兩缸送粉,鋪粉采用輥?zhàn)釉谇斑M(jìn)時(shí)同時(shí)自轉(zhuǎn)進(jìn)行鋪粉壓實(shí),這樣它的鋪粉效率就很低,而且在壓實(shí)過(guò)程中容易使已經(jīng)燒結(jié)部分產(chǎn)生偏移。為了改進(jìn)這一缺點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用三缸送粉結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,并且增加了一些控制元器件,使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)

12、定可靠,制件的精度進(jìn)一步提高。1.3.2.2 本文的主要工作快速成形技術(shù)是一項(xiàng)包括精密機(jī)械學(xué)、CAD、計(jì)算機(jī)、激光、控制技術(shù)和材料科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域的一門綜合學(xué)科,因而它的研究?jī)?nèi)容廣泛而復(fù)雜。課題的主要研究?jī)?nèi)容和本文的主要工作如下:全文分為5章,各章內(nèi)容如下:第1章 緒論,主要介紹了課題的技術(shù)背景、理論、意義及本文的主要工作。第2章 鋪粉裝置對(duì)激光選區(qū)燒結(jié)成型的影響規(guī)律分析,主要從鋪粉裝置的機(jī)構(gòu)因素,環(huán)境溫度,掃描路徑以及鋪粉厚度出發(fā)進(jìn)行探討,以此提高制件的精度。第3章 鋪粉裝置的設(shè)計(jì),通過(guò)現(xiàn)有激光燒結(jié)設(shè)備,并根據(jù)機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)選型,達(dá)到提高設(shè)備工作效率和自動(dòng)化的目的。第

13、4章 控制部分的的設(shè)計(jì),對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的控制設(shè)計(jì)和控制器件的選型,并且對(duì)一些控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向性的描述。第5章 本裝置的創(chuàng)新之處及其缺陷,對(duì)全文做一個(gè)回顧和總結(jié),說(shuō)明所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)以后改進(jìn)此設(shè)備進(jìn)行了展望。1.4 本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)要介紹了快速成形技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用,然后介紹了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),并指出了國(guó)內(nèi)在該研究領(lǐng)域內(nèi)與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距,最后介紹了本設(shè)計(jì)的目的、意義及主要研究?jī)?nèi)容。2 鋪粉裝置對(duì)激光選區(qū)燒結(jié)成型的影響規(guī)律分析選擇性激光燒結(jié)方法,其零件的加工精度較低。在零件制造過(guò)程中, 采用合理的加工工藝,對(duì)提高燒結(jié)制件精度、避免燒結(jié)缺陷是非常重要的。本章分析

14、和研究了激光燒結(jié)過(guò)程中影響零件精度的幾個(gè)因素,并提出了一些解決措施。2.1 提升裝置對(duì)成型件的影響分析提升裝置對(duì)燒結(jié)成型的影響主要來(lái)自于步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠,其中以步進(jìn)電機(jī)影響為最大。步進(jìn)電機(jī)的精度通常是指靜態(tài)步距角誤差和靜態(tài)步距角積累誤差。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)影響整個(gè)裝置的鋪粉厚度來(lái)影響成型件。激光燒結(jié)即每層燒結(jié)的厚度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距角和滾珠絲杠的導(dǎo)程,其計(jì)算如下: (2-1)上式中:為步進(jìn)電機(jī)步距角;為滾珠絲杠導(dǎo)程。從以上公式中可以看出步進(jìn)電機(jī)的步距角累計(jì)誤差越大,鋪粉厚度越薄。因此,成型件燒結(jié)完成后的尺寸會(huì)相應(yīng)小于所設(shè)計(jì)外形尺寸。2.2 鋪粉裝置對(duì)成型件的影響分析鋪粉裝置對(duì)成型件的影響主要來(lái)自

15、于鋪粉輥的影響,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的工作過(guò)程分析,鋪粉輥對(duì)制件的精度影響主要來(lái)自兩個(gè)方面。首先,最主要的是當(dāng)輥筒自左向右運(yùn)動(dòng)時(shí),由于粉末與底層已經(jīng)燒結(jié)好的工件之間存在摩擦力,很可能會(huì)使已燒結(jié)好的工件部分向輥筒運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏移,從而破壞了制件的燒結(jié)精度。具體情況如圖2-1所示: 圖2-1 SLS技術(shù)快速成型系統(tǒng)的工作原理其次,當(dāng)輥筒進(jìn)行鋪粉運(yùn)動(dòng)時(shí),粘在輥筒上面的粉末會(huì)隨著輥筒的運(yùn)動(dòng)被拋灑在已經(jīng)鋪好粉末的工作區(qū),破壞粉末的均勻性。為了解決上述問(wèn)題,所以采用推板進(jìn)行推粉,此時(shí)推板的設(shè)計(jì)應(yīng)該和工作臺(tái)有一定的間隙,防止已燒結(jié)件的偏移,接著再用輥筒進(jìn)行壓實(shí)。而為了解決拋灑粉末問(wèn)題,可在輥筒上開(kāi)一螺旋槽,進(jìn)行拋

16、灑方向的干預(yù)。2.3 密封裝置對(duì)成型件的影響分析由于有些材料在燒結(jié)時(shí)容易被氧化,所以必須設(shè)計(jì)密封保護(hù)裝置,并在工作時(shí)候通以保護(hù)氣(如N2、CO2),防止材料被氧化。如果保護(hù)氛圍不好,那么易被氧化材料在有氧條件下,會(huì)在激光的燒結(jié)下燃燒起來(lái),導(dǎo)致制件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量下降,更可能引起燒結(jié)過(guò)程的失敗。所以設(shè)備配備密封裝置是非常重要的,特別是對(duì)于容易氧化的材料。2.4 激光振鏡參數(shù)的影響影響制件精度的激光特性參數(shù)主要有激光功率、掃描速度、掃描間距、激光振鏡的開(kāi)關(guān)延時(shí)等參數(shù)。這些參數(shù)之間都存在著相互的制約關(guān)系。當(dāng)掃描速度較快,輸出功率較低時(shí),粉末材料的受熱溫度就會(huì)很低,由于被照射的粉末受熱不夠,粘結(jié)不

17、牢固,制件很容易分裂,尺寸也會(huì)放大;反之,當(dāng)掃描速度較低,輸出功率較高,粉末材料的溫度也就越高,受照射粉末會(huì)在掃描方向上發(fā)生收縮,從而引起掃描燒結(jié)直線的彎曲變形。至于變形的方向則由掃描間距來(lái)決定,當(dāng)掃描間距大于激光光斑直徑時(shí),掃描燒結(jié)直線的變形方向?qū)⒆優(yōu)橄騻?cè)面翹曲,反之,其變形方向?yàn)橄蛏下N曲。在一層粉末掃描完成后,可以看見(jiàn)邊界翹曲現(xiàn)象,樣件成型后,輪廓有明顯的翹曲。實(shí)驗(yàn)表明,掃描速度越慢,激光輸出功率越大,其翹曲現(xiàn)象越明顯。為獲取良好的樣件質(zhì)量,掃描速度和激光輸出功率應(yīng)進(jìn)行匹配,在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化選擇。表2-1列出了諸因素與制件精度之間的關(guān)系。表2-1 激光功率、掃描速度和掃描間距對(duì)制件精度

18、的影響試驗(yàn)號(hào)功率(W)速度(mm/s)間距(mm)原型(mmmmmm)測(cè)試件(mmmmmm)1520000.072520825.6420.988.662510000.072520825.2220.328.2031020000.0725201025.1220.2010.1441010000.0725201025.1020.0610.0251525000.102520825.0220.048.0461510000.102520824.8620.027.9873010000.1025201024.6819.969.6283025000.1025201024.8820.049.80激光開(kāi)關(guān)延時(shí)是指產(chǎn)生

19、激光的電脈沖對(duì)指令的時(shí)間延時(shí),延時(shí)的多少與掃描速度相關(guān)聯(lián)。激光的開(kāi)延時(shí)太短,掃描矢量的開(kāi)始端會(huì)產(chǎn)生“過(guò)燒”;開(kāi)延時(shí)太長(zhǎng),掃描矢量的開(kāi)始端將不會(huì)燒結(jié);關(guān)延時(shí)太短,掃描矢量的末端將不會(huì)燒結(jié);關(guān)延時(shí)太長(zhǎng)時(shí),掃描矢量的末端將會(huì)“過(guò)燒”。同樣,振鏡的開(kāi)關(guān)延時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似的影響,因而只有合適的延時(shí)參數(shù)才會(huì)產(chǎn)生均勻的掃描線,制件的精度才會(huì)高。研究表明,減小掃描間距可以減小制件表面的粗糙度,但減小掃描間距導(dǎo)致制件翹曲的趨向會(huì)增大。2.5 加工過(guò)程中溫度場(chǎng)的影響在SLS系統(tǒng)中,預(yù)熱溫度是重要的工藝參數(shù)之一。粉末的預(yù)熱溫度直接決定了燒結(jié)深度和密度。如果預(yù)熱溫度太低,由于粉層冷卻太快,熔化顆粒之間來(lái)不及充分潤(rùn)濕和互

20、相擴(kuò)散、流動(dòng),燒結(jié)體內(nèi)留下大量空隙,導(dǎo)致燒結(jié)深度和密度大幅度下降,使成形件質(zhì)量受到很大的影響。隨著加熱溫度的提高,粉末材料導(dǎo)熱性能變好(同時(shí)低熔點(diǎn)有機(jī)成分液相數(shù)增加,有利于其流動(dòng)擴(kuò)散和潤(rùn)濕,可以得到更好的層內(nèi)燒結(jié)和層間燒結(jié),使燒結(jié)深度和密度增加,從而提高成形質(zhì)量)。但是,若預(yù)熱溫度太高,又會(huì)導(dǎo)致部分低熔點(diǎn)有機(jī)物的碳化和燒損,反而降低燒結(jié)深度和密度。為了提高制件的精度,在HRPS 系列設(shè)備上做了大量實(shí)驗(yàn),總結(jié)出了幾種有效的溫度控制方式:(1) 模糊控制方式。將操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成控制規(guī)則,據(jù)此制造一個(gè)“模糊控制器”,來(lái)代替人對(duì)復(fù)雜的加工過(guò)程進(jìn)行控制。在“模糊控制器中”寫(xiě)入溫度差值及其變化率和相應(yīng)的控制

21、信息,也就是說(shuō),根據(jù)偏差和偏差變化率綜合進(jìn)行權(quán)衡和判斷。從而保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性,減少超調(diào)量及振蕩現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明這種方法可以明顯提高制件的精度。(2) 基于零件切片的自適應(yīng)控制,即用溫度檢測(cè)模塊與溫度控制兩個(gè)功能模塊組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度檢測(cè)利用熱電偶或者紅外測(cè)溫儀采集微弱信號(hào),并經(jīng)溫度數(shù)字儀放大,再傳入A/ D轉(zhuǎn)換板,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及溫度顯示。溫度控制模塊則是把采集的數(shù)據(jù)分析和按一定的控制算法計(jì)算后得出控制量,由A/D轉(zhuǎn)換板輸出,通過(guò)控制可控硅的觸發(fā)電壓而控制加熱管的輸出功率,最終使加熱能量變化,這種方法效果也很明顯。2.6 掃描路徑的影響目前掃描路徑的生成主要有兩種方法:一種是逐行掃

22、描(如圖2-2所示),每一段路徑均互相平行,在邊界線內(nèi)往復(fù)掃描,也稱為Z 字路徑;另一種是輪廓環(huán)掃描(如圖2-3所示),掃描路徑由輪廓的一系列等距平行線構(gòu)成,激光光斑就沿這些平行線逐層掃描。逐行掃描又有兩種掃描方法,一種是單向掃描,掃描起始點(diǎn)在同一端,每條掃描線之間有很大的空跳,所以這種掃描方式很少被采用。另一種是雙向掃描,就是相鄰掃描線的起始點(diǎn)在不同的兩端,這樣可以減少空跳距離,但是這種方法需要頻繁開(kāi)關(guān)激光,必須很好的調(diào)節(jié)各種延時(shí)參數(shù),不然很容易引起制件收縮變形。輪廓環(huán)掃描在連續(xù)不斷的掃描過(guò)程中掃描線經(jīng)常改變方向,使得收縮引起的內(nèi)應(yīng)力方向分散,減小了翹曲的可能,制件的表面均勻。但這種算法效率

23、不高,影響了成型的效率。 圖2-2 逐行掃描 圖2-3 輪廓環(huán)掃描因此,現(xiàn)在大都采用連貫性逐行掃描。但是由于這種掃描方式本身的缺陷,必須對(duì)它的路徑進(jìn)行優(yōu)化。用這種方式時(shí),當(dāng)遇到孔洞的層面時(shí),還不可避免的會(huì)用到很多延時(shí),這同樣會(huì)出現(xiàn)以上提到的設(shè)置延時(shí)參數(shù)的問(wèn)題,而且在分區(qū)交界處還會(huì)有粘結(jié)不緊密的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,通過(guò)在相鄰掃描層面間采用變向掃描的方法來(lái)解決。所謂變向掃描,就是在完成一個(gè)層面的添充掃描后,下一層的掃描線方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度(一般為90度),這樣可以避免相鄰層面的局部的燒結(jié)缺陷不至于重合,使得工件的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)合理,力學(xué)性能更優(yōu)。2.7 燒結(jié)層厚對(duì)精度的影響燒結(jié)層厚對(duì)制件的精度和表面光

24、度影響很大,一般認(rèn)為層厚越小精度越高,零件的表面光潔度也越高;這在燒結(jié)斜面、曲面等形狀的零件時(shí)最為明顯。但當(dāng)切片層厚太薄時(shí),層片之間很容易產(chǎn)生翹曲變形,并且切片層厚越薄制件的燒結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。建議設(shè)置每層高度為0.1mm。2.8 本章小結(jié)從以上的分析和研究中可以看出,影響SLS 制件精度的因素很多,包括SLS 設(shè)備的性能和精度、激光特性參數(shù)、預(yù)熱溫度、燒結(jié)掃描路徑的選擇以及燒結(jié)層數(shù)的設(shè)置等等,這些都會(huì)引起制件的燒結(jié)精度和變形。當(dāng)然還有其他一些影響因素沒(méi)有提到,比如說(shuō)燒結(jié)材料的性能等。為了獲得更高的制件精度,還必須不斷地對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的鋪粉裝置部分進(jìn)行優(yōu)化,在激光參數(shù)的設(shè)置上找出更好的選擇,以及對(duì)掃描路

25、徑找出更好的控制部分,這還需要我們做大量的工作。3 鋪粉裝置的設(shè)計(jì)3.1 鋪粉機(jī)構(gòu)選型及論證3.1.1 采用步進(jìn)電機(jī)作為送粉缸和成型缸的驅(qū)動(dòng)裝置步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的驅(qū)動(dòng)器,它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):步距值不易因?yàn)殡姎?、?fù)載、環(huán)境等條件的變化而變化,使用開(kāi)環(huán)控制或者半閉環(huán)控制就能進(jìn)行良好的定位控制;起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、變速等控制方便;價(jià)格便宜,可靠性高等;并且步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合、使其優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮?;谝陨显颍俳Y(jié)合本裝置的特點(diǎn),所以選用步進(jìn)電機(jī)對(duì)鋪粉厚度進(jìn)行控制。3.1.2 采用滾珠絲杠模塊作為送粉缸和成型缸的傳動(dòng)裝置滾珠絲杠精度高,摩擦阻力小,是工具機(jī)和精密機(jī)械

26、上最常使用的傳動(dòng)元件。其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng),或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力,同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。 滾珠絲杠有如下特點(diǎn):   (1) 與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面效果顯著。 (2) 高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的,特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度和濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理

27、體制使精度得以充分保證。 (3) 微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。(4) 無(wú)側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。 (5) 實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小。所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))?;谝陨显?,所以選擇滾珠絲杠作為送粉缸和成型缸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。3.1.3 采用氣動(dòng)裝置作為鋪粉裝置的驅(qū)動(dòng)裝置(1) 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的介質(zhì)是空氣,它取之不盡用之不竭,用后的空氣可以排到

28、大氣中去,不會(huì)污染環(huán)境。且氣源的獲取比較容易,在當(dāng)今的工廠里,壓縮空氣輸送管路像電氣配線一樣比比皆是。這是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)成本低的一個(gè)主要因素。(2) 氣壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)粘度很小,僅為油液的百分之一,所以流動(dòng)阻力很小,壓力損失小,便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。不像液壓傳動(dòng)那樣在每臺(tái)機(jī)器附近要設(shè)置一個(gè)動(dòng)力源,因此使用方便。(3) 氣壓傳動(dòng)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境下,仍能可靠地工作。(4) 氣壓傳動(dòng)有較好的自保持能力。即使氣源停止工作,或氣閥關(guān)閉,氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)仍可維持一個(gè)穩(wěn)定壓力。而液壓傳動(dòng)要維持一定的壓力,需要有能源工作或加蓄能器。(5) 氣壓傳動(dòng)在一定的超負(fù)載

29、工況下運(yùn)行也能保證系統(tǒng)安全工作,并不易發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。(6) 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力低,因此氣壓傳動(dòng)裝置的推力一般不宜大于1040kN,僅適用于小功率場(chǎng)合,在相同輸出力的情況下,氣壓傳動(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置尺寸大。(7) 氣壓傳動(dòng)動(dòng)作速度和反應(yīng)快。液壓油在管道中流動(dòng)速度為15m/s,而氣體流速可以大于10m/s,甚至接近聲速。因此在0.020.03s內(nèi)即可以達(dá)到所要求的工作壓力和速度。3.1.4 采用直線導(dǎo)軌作為鋪粉裝置的傳動(dòng)裝置直線導(dǎo)軌摩擦阻力小,機(jī)械運(yùn)動(dòng)靈活。它有以下的特點(diǎn):(1) 定位精度高,重現(xiàn)性佳直線導(dǎo)軌為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式,摩擦系數(shù)特別小,尤其靜摩擦力與動(dòng)摩擦力的差距很小,即使在微量進(jìn)給時(shí)也

30、不會(huì)有空轉(zhuǎn)打滑的現(xiàn)象,解析能力與重現(xiàn)性最佳,因此可以實(shí)現(xiàn)m級(jí)的定位精度。(2) 低摩擦阻力,可長(zhǎng)時(shí)間維持精度直線導(dǎo)軌的滾動(dòng)摩擦力可減小至滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力的1/201/40,尤其潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使得潤(rùn)滑容易,效果優(yōu)良;摩擦接觸面的磨耗最低,因此可以長(zhǎng)時(shí)間維持行走精度。 (3) 可承受四方向的高負(fù)荷能力幾何力學(xué)結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì),可同時(shí)承受徑向、反徑向與橫方向的負(fù)荷,并保持行走精度,同時(shí)可輕易藉由施于預(yù)壓與滑塊數(shù)量,就可以提高起性能與負(fù)荷能力。(4) 適合高速化之應(yīng)用由于摩擦阻力小的特性,導(dǎo)軌對(duì)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力需求低,節(jié)省能源,運(yùn)動(dòng)磨耗小,溫升效應(yīng)低,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械小型化與高速化需求。(5) 組裝容易并具互

31、換之特性直線導(dǎo)軌的安裝只要在銑削或研磨加工的安裝面上,以一定的組裝步驟,即能重現(xiàn)直線導(dǎo)軌的加工密度,可降低傳統(tǒng)鏟花加工的時(shí)間與成本;并且其可互換之特性,可以將滑塊任意配裝在同型號(hào)的滑軌上,同時(shí)又保持相同的順暢度與精密度,機(jī)臺(tái)組裝最容易,維修保養(yǎng)最簡(jiǎn)單、容易。3.1.5 密封裝置為防止加工材料在燒結(jié)時(shí)被氧化,在工作臺(tái)上方裝置密封箱。這樣本裝置的適用范圍會(huì)更廣,適用材料的范圍更寬。本裝置的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-1所示: 圖3-1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.2 送粉缸及成型缸的設(shè)計(jì)3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選型步進(jìn)電機(jī)具有步距角不易變化、起動(dòng)制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、變速等控制方便、簡(jiǎn)單的特點(diǎn),所以本裝置選擇用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。在

32、選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)首先考慮的是步進(jìn)電機(jī)的類型,其次才是具體品種的選擇。(1) 確定步進(jìn)電機(jī)的類型由于本裝置要求提升裝置精度高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。所以選擇混合型步進(jìn)電機(jī)。(2) 確定脈沖當(dāng)量根據(jù)裝置的加工精度要求,選擇步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量為0.01mm。(3) 步進(jìn)電機(jī)步距角的選擇選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.9°。(4) 步進(jìn)電機(jī)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩( )的確定1) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中,物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J對(duì)應(yīng)于直線運(yùn)動(dòng)中的物體質(zhì)量。要計(jì)算系統(tǒng)在加速過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷,必須計(jì)算物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度,然后得慣性力矩:T (3-1)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: (3-2)式中: 為體積元;為物體密度;為體積元與轉(zhuǎn)

33、軸的距離,單位:。則: (3-3)其中:為長(zhǎng)度,=252mm;為直徑,=10mm;為不銹鋼密度,=。將負(fù)載質(zhì)量換算成電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與公式如下: (3-4)式中:為可動(dòng)部分總重量(Kg);為絲杠螺距(mm); GL:減速比(無(wú)單位)。 所以,按照設(shè)計(jì)要求,將鋪粉厚度設(shè)為0.1mm。步進(jìn)電機(jī)去步距角為的混合型,即400轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一周;選絲杠螺距為4mm,則步進(jìn)電機(jī)每個(gè)脈沖絲杠走0.01mm。每次鋪粉需10個(gè)脈沖。其中:鈦粉密度= 送粉缸體積為: (3-5)則 由上式計(jì)算得 =2) 加速度計(jì)算若要控制系統(tǒng)定位準(zhǔn)確,物體運(yùn)動(dòng)必須有加減速過(guò)程,V-S圖像如3-2所示: 圖3-2 步進(jìn)

34、電機(jī)加減速過(guò)程示意圖混合式步進(jìn)電機(jī)的加速時(shí)間為0.5s (3-6)3) 步進(jìn)電機(jī)的力矩計(jì)算 = 107.78 (3-7)其中: 為系統(tǒng)外力折算到電機(jī)上的力矩;為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率,取0.9。取安全系數(shù)為1.2。則: T=129.33 綜上由手冊(cè)查得:選取步進(jìn)電機(jī)的類型為MT35ST361004A(單伸軸)3.2.2 步進(jìn)電機(jī)與絲杠連接處聯(lián)軸器的選型(1) 聯(lián)軸器類型的選擇由于所連接的兩軸的直徑不同,所以選擇變徑聯(lián)軸器。(2) 聯(lián)軸器的校核由于裝置啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過(guò)載現(xiàn)象,所以應(yīng)當(dāng)按照軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計(jì)算轉(zhuǎn)矩。計(jì)算轉(zhuǎn)矩按照下式計(jì)算: (3-8)式中:T為公稱轉(zhuǎn)矩,單位,為工況系數(shù),

35、本裝置取1.3。經(jīng)計(jì)算:(3) 確定聯(lián)軸器的型號(hào) 根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩及以下公式 (3-9)所以,選擇聯(lián)軸器型號(hào)為GTB1。3.2.3 提升裝置(滾珠絲杠)的選型由裝置產(chǎn)品手冊(cè)選擇型號(hào)為SHTC靈活型,本系統(tǒng)的特別之處是設(shè)計(jì)了自由滑動(dòng)長(zhǎng)度,在短短兩底塊的基礎(chǔ)上,形成滑動(dòng)。兩者之間的距離可以很容易被調(diào)整,以適應(yīng)特定的應(yīng)用要求。更特別的是本系統(tǒng)可以垂直應(yīng)用與懸臂負(fù)荷。3.2.4 送粉缸和成型缸的設(shè)計(jì)送粉缸機(jī)成型缸裝置如圖3-3所示,其中左右兩缸是送粉缸筒,中間是成型缸筒,因?yàn)樗头鄹咨仙母叨群统尚透紫陆档母叨认嗤?,為了鋪滿成型缸,所以設(shè)計(jì)的送粉缸尺寸比成型缸尺寸大。燒結(jié)開(kāi)始第一層后,成型缸筒內(nèi)活塞下降距離

36、,送粉缸筒(左)內(nèi)活塞上升距離,送粉缸筒(右)內(nèi)活塞不動(dòng),鋪粉輥筒自左向右推粉運(yùn)動(dòng),將粉末均勻的鋪在燒結(jié)區(qū),進(jìn)行第一層燒結(jié);當(dāng)?shù)谝粚訜Y(jié)完畢后,成型缸筒內(nèi)活塞再下降距離,送粉缸筒(左)內(nèi)活塞上升距離,送粉缸筒(左)內(nèi)活塞不動(dòng),鋪粉滾筒自右向左推粉運(yùn)動(dòng),將粉末均勻的鋪在燒結(jié)區(qū),進(jìn)行第二層燒結(jié)。以此過(guò)程不斷進(jìn)行燒結(jié),直至模型燒結(jié)完畢?;钊纳仙拖陆涤胁竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),為了使上升和下降的位移更加精確,又由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠模塊來(lái)帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。圖3-3 送粉缸和成型缸在裝置中的位置簡(jiǎn)圖送粉缸和成型缸的設(shè)計(jì)形式一樣,不同的是兩者之間的筒徑的尺寸,所以下面以送粉缸進(jìn)行說(shuō)明兩缸的設(shè)計(jì)。送粉缸缸筒有兩部分

37、組成,一部分是法蘭,另一部分是缸筒。這樣設(shè)計(jì)主要是為了便于加工,降低成本。如圖3-4所示為成型缸和其法蘭盤:A圖3-4 送粉缸(左)和法蘭盤(右)里 本結(jié)構(gòu)還在活塞桿和活塞連接處運(yùn)用了十字連結(jié),使用此結(jié)構(gòu)的目的主要是為了防止活塞在活塞缸中由于摩擦力太大使活塞卡在送粉缸中使機(jī)構(gòu)無(wú)法運(yùn)動(dòng),此十字聯(lián)結(jié)的適用增加了活塞桿和活塞連接處的自由度,有效的解決了這個(gè)問(wèn)題。十字聯(lián)結(jié)的具體結(jié)構(gòu)如圖3-5所示: 圖3-5 十字聯(lián)結(jié)示意圖活塞和缸筒壁之間有一定的配合間隙,間隙太大則導(dǎo)致粉末從間隙漏過(guò),間隙太小則加工成本高,且活塞比較容易被卡住。為了解決這一問(wèn)題,在活塞上壓一層毛氈起到密封的作用,這樣活塞與筒壁之間的間

38、隙可以選的比較大點(diǎn),減低加工難度,同時(shí)也不會(huì)發(fā)生漏粉和活塞卡住的現(xiàn)象。激光燒結(jié)即每層燒結(jié)的厚度取決于步進(jìn)電機(jī)的步距角和滾珠絲杠的導(dǎo)程,其計(jì)算如下: (3-10)上式中:為步進(jìn)電機(jī)步距角;p為滾珠絲杠導(dǎo)程。3.3 鋪粉裝置的的設(shè)計(jì)3.3.1 總體裝置的設(shè)計(jì)本裝置選用氣動(dòng)裝置的原因一是因?yàn)闅鈩?dòng)裝置清潔,在密封狀況下不會(huì)污染環(huán)境;二是因?yàn)闅鈩?dòng)裝置可以滿足本系統(tǒng)的要求,實(shí)現(xiàn)所需要的動(dòng)作要求;更重要的是為了在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中得到全方位的訓(xùn)練。本裝置的鋪粉系統(tǒng)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)鋪粉輥,鋪粉輥通過(guò)支撐架固定在滾動(dòng)導(dǎo)軌副上,通過(guò)導(dǎo)軌副來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行鋪粉動(dòng)作。鋪粉裝置示意圖如圖3-6所示:圖3-6 鋪粉裝置示意圖支持架1

39、及推板2在氣動(dòng)裝置3的拖動(dòng)下可以來(lái)回移動(dòng),鋪粉輥筒4固定在支持架1上,推板2也固定在支持架1上,鋪粉滾筒用密度比較大的材料做成,可以在摩擦力的作用下自由轉(zhuǎn)動(dòng),起到一個(gè)對(duì)所鋪粉末壓實(shí)的作用。支持架上自帶雙向推板,可以完成推粉的任務(wù)。同時(shí)推板可以進(jìn)行通過(guò)調(diào)節(jié)裝置5上下調(diào)節(jié),來(lái)調(diào)整所預(yù)留粉末的厚度,以此作為進(jìn)行壓實(shí)的基礎(chǔ)。鋪粉時(shí),氣動(dòng)裝置推動(dòng)支持架推粉運(yùn)動(dòng),而鋪粉輥在自重的作用下再進(jìn)行壓實(shí),這樣燒結(jié)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量才會(huì)好。3.3.2 氣缸的選擇3.3.2.1 氣缸的類型的選擇根據(jù)本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作要求及氣缸的工作特性,選擇固定式雙作用活塞式氣缸。3.3.2.2 氣缸的主要尺寸及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(1) 氣

40、缸直徑的設(shè)計(jì)由制件的尺寸及要求得所要求的行程為又有公式 (3-11)其中:為氣缸行程;為氣缸直徑。計(jì)算得氣缸直徑:=100mm。(2) 氣缸缸筒的設(shè)計(jì)1) 汽缸筒的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)有公式: (3-12)其中:為氣缸的行程;為氣缸中活塞的寬度。計(jì)算得: 取=500mm。2) 氣缸筒的壁厚氣缸筒的壁厚可利用薄壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算公式來(lái)確定: (3-13)上式中:為氣缸工作壓力(); 為氣缸內(nèi)徑();為氣缸材料的需用拉應(yīng)力(); ;為缸體材料的抗拉強(qiáng)度;為安全系數(shù),一般取6:8;C是未來(lái)考慮到剛度,加工制造,腐蝕等要求所加的余量。由氣動(dòng)手冊(cè)查得:材料為45鋼的氣缸=120。又由上知D=100mm,所以得壁厚=8

41、mm。3) 氣缸進(jìn)排氣口直徑氣缸進(jìn)排氣口直徑的大小,直接決定了氣缸進(jìn)氣速度,也決定了活塞的運(yùn)行速度。應(yīng)加以重視,直徑的確定可根據(jù)空氣流經(jīng)排氣口的速度來(lái)計(jì)算,一般取=1025,因而有以下公式: (3-14) 經(jīng)計(jì)算,得:=15mm(3) 活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活塞的功用是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。由于活塞要頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng),又要間隔兩腔空氣,因此就要保證其耐磨和密封。目前多采用鑄鐵活塞及O型或Y型密封圈實(shí)現(xiàn)密封。本裝置采用O型密封圈實(shí)現(xiàn)密封。活塞的外徑即是氣缸的內(nèi)徑,二者的配合精度,一般多采用配合,活塞表面粗糙度=0.8 ?;钊膶挾热Q于密封圈的排數(shù),一般多采用雙排密封圈。本活塞的寬度為10mm。活

42、塞桿的作用是將活塞轉(zhuǎn)換出的機(jī)械能以機(jī)械力的形式推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。按照液壓與氣動(dòng)傳動(dòng)表131,由活塞缸的直徑選擇得活塞桿的直徑取。另外,為了防止氣缸在行程末端時(shí),活塞以很大的速度撞擊端蓋,引起氣缸震動(dòng)和損壞,采用帶有緩沖裝置的緩沖氣缸。綜合上面的計(jì)算尺寸及其功能,由氣動(dòng)手冊(cè)查得選用氣缸的型號(hào)為JB100500G(腳架式)。3.3.2.3 氣缸電磁閥的選擇氣源三聯(lián)件根據(jù)上面計(jì)算出來(lái)的進(jìn)口要求壓力選擇型號(hào)為QFLJWBL15,其進(jìn)口壓力為0.4MP。并根據(jù)氣缸所要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作特點(diǎn)及要求,電控閥采用雙電控二位五通換向閥,型號(hào)為QFLJWBL15。3.3.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)選擇為了達(dá)到鋪粉輥來(lái)回鋪粉的功用,

43、本系統(tǒng)選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌副來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作。因?yàn)門HK公司的HR型具有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力,即使兩軸的平行度和水平度較差,也能吸收誤差,從而得到高精度,平滑穩(wěn)定的直線運(yùn)動(dòng)。并且它還可以以各種各樣的姿勢(shì)使用。所以選擇THK個(gè)公司的LM滾動(dòng)導(dǎo)軌副,具體型號(hào)選擇HR1123,尺寸如所附零件圖。3.3.4 鋪粉輥?zhàn)蛹捌渫瓢宓脑O(shè)計(jì)鋪粉裝置示意圖如圖所示,滾動(dòng)導(dǎo)軌副在氣動(dòng)裝置的拖動(dòng)下可以來(lái)回移動(dòng),鋪粉輥筒及推板固定在滾動(dòng)導(dǎo)軌副上。鋪粉時(shí),滑動(dòng)導(dǎo)軌副在氣動(dòng)裝置的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng),前推板進(jìn)行推粉,而質(zhì)量較重的輥?zhàn)又饕M(jìn)行所鋪粉末的壓實(shí),由于鋪粉輥?zhàn)幼詡骺赡軖伻鲆唁伔勰?,后推板再?duì)壓實(shí)粉末進(jìn)行最后整理,當(dāng)所鋪粉末燒結(jié)完成后,后

44、推板變前推板,前推板變后推板,繼續(xù)進(jìn)行鋪粉。如此反復(fù)。鋪粉裝置的設(shè)計(jì)好壞對(duì)鋪粉的均勻性起著決定性的作用,而鋪粉的均勻性又直接影響著燒結(jié)的質(zhì)量,鋪粉裝置的設(shè)計(jì)存在著以下幾個(gè)關(guān)鍵方面:(1) 輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)自帶粉末的處理盡管推板在輥筒壓實(shí)之前已經(jīng)把粉末基本上自帶一小部分粉末,然后在離心力的作用下拋撒在已經(jīng)鋪均勻了,但是輥筒在壓實(shí)的時(shí)候還是會(huì)壓實(shí)過(guò)的地方,示意圖如圖3-7所示: 圖3-7 鋪粉輥筒轉(zhuǎn)向示意圖為了解決這個(gè)問(wèn)題,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙向推板,一方面雙向推板可以實(shí)現(xiàn)雙向鋪粉的要求,節(jié)省了效率;另一方面,雙向推板可以解決這個(gè)問(wèn)題,當(dāng)鋪粉輥筒拋撒粉末時(shí),后面的推板可以把拋撒的粉末推走,使鋪粉均勻,從而給燒

45、結(jié)提供一個(gè)好的前提。下面是輥?zhàn)拥氖芰Ψ治觯簣D3-8 鋪粉輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)粉末受力示意圖如果輥筒只發(fā)生純滾動(dòng),輥筒與粉末接觸點(diǎn)處的相對(duì)速度可以認(rèn)為是零,這時(shí)粉末只受到如圖3-8所示的正壓力F的作用,其分力推動(dòng)粉末向前運(yùn)動(dòng),分力對(duì)粉末起到壓實(shí)的作用。如果遠(yuǎn)大于,則有可能輥筒直接從粉末上碾過(guò)而不能起到鋪粉的作用。在這種情況下設(shè)計(jì)了雙推板裝置,可以預(yù)先達(dá)到鋪粉的作用,而輥筒的作用是壓實(shí),可以實(shí)現(xiàn)。(2) 輥?zhàn)影霃降脑O(shè)計(jì)輥筒的作用是壓實(shí),所以輥筒的質(zhì)量要盡可能的大,這樣才能大,壓實(shí)的效果才能好。為了達(dá)到這個(gè)目的,一方面可以使制作輥筒的材料的密度相對(duì)大些;另一方面,可以使輥筒的半徑盡可能的大。(3) 輥?zhàn)颖砻娴?/p>

46、設(shè)計(jì)輥筒表面的粗糙度直接影響鋪粉后壓實(shí)后粉末的表面質(zhì)量。輥筒表面過(guò)于粗糙時(shí)會(huì)使已鋪好粉末的燒結(jié)區(qū)產(chǎn)生劃痕,影響鋪粉的均勻性。但當(dāng)輥筒的表面過(guò)于光滑,滾筒打滑,使得粉末同已燒結(jié)好的零件產(chǎn)生向后的偏移,影響燒結(jié)精度,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鋪粉的均勻性的不一樣。為了解決這一問(wèn)題,在輥筒上開(kāi)一螺旋槽,其截面形狀如圖所示,這樣鋪粉時(shí)螺旋槽既不會(huì)影響鋪粉的表面質(zhì)量,而且也不會(huì)打滑,從而提高燒結(jié)件的質(zhì)量和精度。示意圖如3-9: 圖3-9 鋪粉輥筒截面圖(4) 推板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)推板的功能是推粉,使粉末達(dá)到第一次鋪粉(第二次鋪粉由輥筒實(shí)現(xiàn))。所以設(shè)計(jì)為推板,又由于本裝置要求雙向都可以實(shí)現(xiàn)推粉功能,所以設(shè)計(jì)為雙向推板。同時(shí),

47、更重要的是要考慮推板所應(yīng)提升的高度,這是因?yàn)榧偃缤瓢宓南卤砻嬷苯优c工作臺(tái)接觸,那么輥?zhàn)泳突旧掀鸩坏阶饔昧?。所以,考慮此原因,必須使推板離工作臺(tái)有一定的距離,并且這個(gè)距離應(yīng)該可以調(diào)節(jié),因?yàn)槊糠N材料的密度是不一樣的,所以壓實(shí)的效果還要看推板給輥?zhàn)恿粝碌姆勰┖穸攘?。綜上所述,所以要把推板設(shè)計(jì)成具有調(diào)節(jié)高度功能,為了達(dá)到此效果,本設(shè)計(jì)用自動(dòng)調(diào)節(jié)螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。具體設(shè)計(jì)的推板如圖3-10所示:圖3-10 鋪粉推板簡(jiǎn)圖同時(shí),因?yàn)橥品垡欢ㄒ茲M成型缸,所以推板的設(shè)計(jì)寬度要比成型缸的直徑大一些。(5) 輥?zhàn)蛹艿脑O(shè)計(jì)為了降低加工難度,降低加工成本,所以輥?zhàn)蛹苡扇糠纸M成,分別是支撐軸1、軸承座2和推板連接架

48、3,4是是焊接螺釘,5是焊接螺栓,6是調(diào)節(jié)螺母。最后再組裝。輥?zhàn)蛹芙M裝示意圖如圖3-11所示:圖3-11 輥?zhàn)蛹苎b配示意圖3.4 密封裝置的設(shè)計(jì)在激光快速成型技術(shù)中,由于金屬粉末暴露在空氣中,金屬燒結(jié)粉末材料在高溫?zé)Y(jié)的條件下容易發(fā)生氧化。為了防止金屬粉末被氧化,采用氣氛保護(hù)裝置就就成為根本的解決方法,又為了使密封裝置即可以達(dá)到防止材料氧化的目的又可以對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行觀察的功用,密封裝置用改性有機(jī)玻璃板制成,改性有機(jī)玻璃的表面有按照尺寸設(shè)計(jì)的定位槽,這樣也有利于密封,其連接用特種膠水粘牢。保護(hù)氣氛圍的建立方式是想在工作腔中充入不活潑的氣體,通常是氨氣。保護(hù)性氣體的濃度維持在一定水平才能防止金屬粉

49、末早燒結(jié)是的高溫環(huán)境下產(chǎn)生氧化作用。本密封裝置采用改性有機(jī)玻璃作為材料,一方面改性有機(jī)玻璃容易實(shí)現(xiàn)密封,易于用特種膠進(jìn)行沾接;另一方面改性有機(jī)玻璃是透明的,可以對(duì)燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行直觀的觀察。本裝置主要由工作臺(tái)1,上板2,左板3,右板4,前板5,后板6以及右板上的門7組成。工作臺(tái)固定在機(jī)架上,工作臺(tái)上有成型缸口,兩個(gè)送粉缸口以及兩個(gè)殘粉收集口,具體設(shè)計(jì)如圖3-12,圖中由于視圖關(guān)系,看不見(jiàn)前板和后板。 圖3-12 密封裝置示意圖上板上有激光掃描窗口,激光就是通過(guò)此口對(duì)金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)的,所以燒結(jié)口的中心一定要與成型缸的中心同心;左板上設(shè)計(jì)有兩個(gè)口,氣缸的活塞桿就是通過(guò)此口推動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的,從而推動(dòng)

50、推板進(jìn)行鋪粉,輥筒進(jìn)行壓實(shí)的;右板上設(shè)計(jì)了一個(gè)門,這個(gè)門主要是用來(lái)加料和取出燒結(jié)件的,注意這個(gè)門的密封性一定要好,門的示意圖如圖3-13所示:圖3-13 密封箱上的門示意圖后板上設(shè)計(jì)有一個(gè)進(jìn)氣口,主要是為了充入保護(hù)氣體,實(shí)現(xiàn)密封箱的保護(hù)氣氛圍,注意此進(jìn)氣口盡量設(shè)計(jì)的開(kāi)在后板下部靠近工作臺(tái)一側(cè),因?yàn)檫@樣可以使的保護(hù)氣分布比較均勻;前板上設(shè)計(jì)有一個(gè)出氣口,此口是為了在充入保護(hù)氣時(shí)排出密封箱中的空氣,此口設(shè)計(jì)盡可能開(kāi)在前板上部靠近上板一側(cè),這樣也是為了使保護(hù)氣分布均勻。 3.5 殘粉收集裝置的設(shè)計(jì)由于送粉缸所提供的粉末材料在鋪粉過(guò)程中有殘留,為了使工作臺(tái)上不積累粉末,所以必須設(shè)計(jì)殘粉收集裝置,此裝置

51、上可以裝配上任何形狀的橡膠袋制品,非常方便。如圖3-14所示: 圖3-14 殘粉收集裝置示意圖3.6 機(jī)架的設(shè)計(jì)本裝置的機(jī)架主要材料為邊寬為50的熱軋等邊角鋼,主要工藝為焊接而成,部分地方還用到了邊寬為70的熱軋等邊角鋼。由于本裝置的重量不是很大,所以不需要對(duì)此進(jìn)行受力分析。只要按形狀進(jìn)行焊接即可。3.7 本章小結(jié)本章對(duì)選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的鋪粉裝置部分進(jìn)行了詳盡的設(shè)計(jì),按照所學(xué)理論選擇了提升裝置部分的驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)和鋪粉裝置部分的驅(qū)動(dòng)器氣缸,并且重點(diǎn)設(shè)計(jì)了輥?zhàn)硬糠趾吞嵘b置活塞的部分以及密封裝置部分的門。4 控制部分的的設(shè)計(jì)4.1 總體設(shè)計(jì)4.1.1 總體方案 圖4-1 系統(tǒng)整體構(gòu)成圖選擇性激

52、光快速成型系統(tǒng)SLS具有成型速度快,材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)。本套系統(tǒng)的控制部分主要由三個(gè)功能性模塊構(gòu)成,即提升裝置控制模塊,氣動(dòng)裝置控制模塊和輔助裝置控制模塊,并且這三個(gè)模塊之間相互聯(lián)系不多,基本上是獨(dú)立運(yùn)作。提升裝置控制模塊包括工作平臺(tái)控制、送粉機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)等部分。氣動(dòng)控制模塊包括氣動(dòng)系統(tǒng)的控制,主要是對(duì)電磁閥的控制。輔助控制部分則包括溫度控制和各開(kāi)關(guān)量的控制等部分。其系統(tǒng)整體構(gòu)成如上圖4-1所示。具體動(dòng)作協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)如下述:快速成形系統(tǒng)在燒結(jié)過(guò)程中,切片層厚度不變,每燒結(jié)完一層后工作平臺(tái)下沉設(shè)定的層厚高度,然后重新鋪粉。鋪粉輥?zhàn)笥医惶孢\(yùn)動(dòng),同時(shí),鋪粉輥?zhàn)赞D(zhuǎn),以維持鋪粉均勻與平整。 系統(tǒng)采用熱電偶

53、測(cè)量?jī)蓚€(gè)送粉缸和紅外測(cè)溫儀檢測(cè)燒結(jié)腔的預(yù)熱溫度和加熱溫度,對(duì)于不同的燒結(jié)材料,可以選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度,并由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)缸的溫度的閉環(huán)控制,以達(dá)到對(duì)溫度的要求。快速成形系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與溫度控制的原理如圖4-2所示,在控制計(jì)算機(jī)中除HC/2激光掃描控制板外,還安裝了三塊接口板PCL-818,PCL-839和6通道的D/A輸出DAC-7226。PCL-839用于控制3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)控制工作平臺(tái)和送粉缸的高度的目的,控制信號(hào)為脈沖輸出。同時(shí),它還具有DI和DO的功能,DI主要處理鋪粉輥平移到左右極限和接近開(kāi)關(guān)處時(shí)的輸入信號(hào)。DO主要輸出各個(gè)開(kāi)關(guān)量的控制命令,如控制激光、振鏡、電磁閥的電源輸入

54、的繼電器的開(kāi)與關(guān)。圖4-2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)與溫度控制的原理圖要使整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),必須合理的選擇所需的硬件組合,需要從各方面考慮,如:系統(tǒng)功率,系統(tǒng)的穩(wěn)定性等等。其中硬件的選擇是根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行的。由于本套系統(tǒng)采用的是雙缸送粉裝置和工作缸掃描相結(jié)合的燒結(jié)機(jī)構(gòu),因此在缸體驅(qū)動(dòng)、鋪粉輥的驅(qū)動(dòng)部分、控制板的選擇、加熱裝置的選擇等方面都要通過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算和選擇。4.1.2 工控板的選型選擇什么樣的工控板作為控制元器件要根據(jù)實(shí)際的需要。因此,在選擇工控板前必須先計(jì)算好有多少開(kāi)關(guān)量,A/D轉(zhuǎn)換點(diǎn)數(shù),D/A輸出控制以及具體要實(shí)現(xiàn)什么樣的功能等等。由于本套系統(tǒng)沒(méi)有采用以前的落粉裝置,而是采用三缸送粉裝置,它需要三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為此,選擇PCL-839三軸步進(jìn)電機(jī)控制卡作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)元器件。另外,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,需要的輸入信號(hào)有鋪粉輥的接近開(kāi)關(guān)信號(hào)(2個(gè))、限位開(kāi)關(guān)信號(hào)(2個(gè))以及為防止系統(tǒng)擴(kuò)充需要的2個(gè)備用的輸入通道,共有6個(gè)輸入開(kāi)關(guān)量;系統(tǒng)需要的輸出有激光電源開(kāi)關(guān)、振鏡電源開(kāi)關(guān)、鋪粉輥?zhàn)笥移揭戚敵?、電磁閥開(kāi)關(guān)以及備用的開(kāi)關(guān),共有14個(gè)輸出開(kāi)關(guān)量,考慮到將來(lái)系統(tǒng)擴(kuò)充需要,選擇的光隔離輸入和輸出控制板均為點(diǎn)數(shù)為16的PCL-782(輸入)和PCL-785(輸出)控制板。由于需要對(duì)系統(tǒng)的溫度和氧氣濃度進(jìn)行檢測(cè)與控制,共需4個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道,4個(gè)D/A輸出通道,加上一個(gè)備用的通道,共需A/D, D

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論