機械畢業(yè)設計（論文）光敏樹脂液相固化成型機床設計【全套圖紙】

1、 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書題 目： 光敏樹脂液相固化成型機床設計 專 業(yè)： 機械設計與制造及其自動化 學 號： 2010963018 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2014年5月29號 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）任務書全套圖紙，加153893706論文（設計）題目： 光敏樹脂液相固化成型機床設計 學號： 2010963018 姓名： 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 本次畢業(yè)設計主要內(nèi)容包括了以下幾個方面。第一、水平方向移動機構(gòu)設計；第二、Z方向移動機構(gòu)設計；第三、刮刀機構(gòu)設計；第四、機械結(jié)構(gòu)的設計計算；第五、PLC控制系統(tǒng)。 基本要

2、求如下：第一、了解機械產(chǎn)品的生產(chǎn)組織方式、典型零件的加工工藝、零件結(jié)構(gòu)及公差對加工、裝配以及工作性能的影響等。第二、根據(jù)選定的方案進行零件的選型、結(jié)構(gòu)計算和壽命計算。第三、繪制總裝配圖和部分零件圖。第四、編寫設計說明書包括3000字左右的外文翻譯等。第五、刻制成光盤 二、重點研究的問題 光敏樹脂液相固化成型機床設計主要是機械結(jié)構(gòu)方案的設計、機械結(jié)構(gòu)的設計計算和PLC控制系統(tǒng)的設計，使其達到對距離、速度、方向控制的目的并使結(jié)果具有可靠性、可行性、有效性以及對其進行計算并且校核和畫圖。以及對工作臺的整體功能進行評估使其達到設計要求，工作需要。 三、進度安排序號各階段完成的內(nèi)容完成時間1查閱資料、調(diào)

3、研三月初2開題報告、制訂設計方案 三月中3開始進行設計運算 三月末4畫CAD圖四月初5修改CAD圖，寫說明書四月末6寫出正式稿 五月初7答辯五月中四、應收集的資料及主要參考文獻 1王瑞金. 特種加工.機械工業(yè)出版社，2008. 2濮良貴. 紀名剛. 機械設計M. 北京:高等教育出版社，2006. 3王運贛. 快速成型技術.第一版，武漢：華中科技大學出版社，1999 4白基成. 特種加工技術M.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學出版社.2006 5王運贛. 快速成形技術M.武漢：華中科技大學出版社，1999 6朱林泉. 快速成型制造技術.北京國防工業(yè)出版社,2003 7吳幼軍， 郵華興.

4、 激光光固化快速成型用光敏樹脂的研制.塑料科技，2003 8張建民. 機電一體化系統(tǒng)設計.第三版.高等教育出版社 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 2010963018 姓名 專業(yè) 機械設計與制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 光敏樹脂液相固化成型機床設計 評價項目評 價 內(nèi) 容選題1.符合機械專業(yè)培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度適中；3.與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合，跟上時代的步伐。能力1.具有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.有綜合運用知識的能力；3.具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.具備一定的外文與計算機應

5、用能力；5.有經(jīng)濟分析能力。論文（設計）質(zhì)量1.立論正確，論述充分，結(jié)構(gòu)嚴謹合理；實驗正確，設計、計算、分析處理科學；技術用語準確，符號統(tǒng)一，圖表圖紙完備、整潔、正確，引文規(guī)范；2.文字通順，有觀點提煉，綜合概括能力較強；3.有理論價值或?qū)嶋H應用價值，有創(chuàng)新之處。綜合評 價 選題符合教學計劃要求，具有綜合訓練的目的，具有文獻查閱的能力和計算機應用能力，立論正確，論述充分，分析處理正確，有應用價值，同意進行答辯。評閱人： 2014年5月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 2010963018 姓名： 專業(yè)： 機械設計與制造及其自動化三班 畢業(yè)論文（設計說明書） 42 頁 圖

6、 表 7 張論文（設計）題目： 光敏樹脂液相固化成型機床設計 內(nèi)容提要：根據(jù)老師給的題目，選擇合適的方案：完成SLA整體結(jié)構(gòu)的計算和設計；水平和Z方向移動機構(gòu)設計；對關鍵部位進行強度和壽命的校核：用CAD進行畫圖。設計中通過聯(lián)軸器把軸和步進電機連接起來帶動帶輪轉(zhuǎn)動從而使刮板進行水平方向的來回移動。而Z方向升降臺的運動通過聯(lián)軸器把滾珠絲桿和步進電機連接起來使其上下運動，然而都要有導軌讓其能水平方向和Z方向移動。根據(jù)原來計算出部分零件行行強度和壽命的校核，根據(jù)步進電機的型號選出聯(lián)軸器，然后在軸的設計和計算，滾珠絲桿的設計和計算，帶輪的設計和計算，導軌的設計與計算，還有刮板的設計與計算。使其能正常工

7、作，實現(xiàn)機床的正常運作。特點：（1）可以制成幾何形狀任意復雜的零件，而不受傳統(tǒng)機械加工方法中刀具無法達到某些型面的限制。（2）加工過程中無振動、噪聲和切削廢料。（3）成形過程中自動化程度高 指導教師評語 選題明確，方案合理，分析論證正確，圖紙規(guī)范，遵守校規(guī)校紀， 有較強的工作能力。指導教師： 2014年5月29日答辯簡要情況及評語答辯小組組長： 年 月 日答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日目 錄摘要1Abstract21 引言31.1 快速成型技術簡介31.2 論文的主要工作82 對于SLA的整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成分析10 2.1 系統(tǒng)組成113 光固化快速成型機的整體設計143.1 SL

8、A快速成型機的總體設計144 光固化快速成型機的機械部分選型計算184.1 涂覆機構(gòu)的選型設計與計算184.2 Z向工作臺的選型設計與計算224.3 液位控制部分選型設計與計算275 SLA快速成型機的電氣部分選型設計說明315.1 控制方式的選擇315.2 加熱裝置的選擇335.3 各種控制卡的選擇33結(jié)論35致謝37參考文獻38光敏樹脂液相固化成型機床設計摘要：以累加思想實現(xiàn)零件制作的快速成型技術（RP），是制造技術領域的一項重大突破，它可以自動、直接、快速、精確地將設計思想從CAD模型，物化為具有一定功能的原型或零件，進而實現(xiàn)對產(chǎn)品設計進行快速評價、修改及功能試驗，因此，這項技術能有效地

9、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。光固化成型技術（SLA）是最早商品化、應用最廣泛的RP技術，其理論、工藝的完善及價格的降低等，對于RP的普及應用，有著極其重要的影響。本文從SLA激光快速成型機的功能入手，先確定了SLA激光快速成型機的總體設計方案，然后分硬件和軟件兩個方面進行設計。硬件方面先進行初選型，然后計算，驗證；軟件方面從SLA激光快速成型機的制作原理入手進行了流程分析，從而確定了軟件系統(tǒng)的功能模塊。硬件又分為機械和電氣兩部分，機械部分主要有涂層機構(gòu)的設計選型計算、Z向工作臺的設計選型計算和液位控制部分設計選型計算；電氣部分涉及到控制方式的選擇，各種功能卡的選擇以及電氣原理圖的設計等等。關鍵詞: 快

10、速成型 SLA 光敏樹脂 激光技術 Liquid photosensitive resin curing machine designAbstract：The SL prototyping manufacturing technology in which fabricates parts with accumulate method, is a important breakthrough in manufacturing technology field. It can automatically, directly, rapidly and accurately change the d

11、esign thought of CAD prototype into real prototypes or parts which have certain function, and that achieve rapid estimation modification and functional test of parts design. Thereby, the technology can effectively shorten the period of research and development of products. The SL prototyping technol

12、ogy is a RP technology that commercialization is the earliest and application is the widest Perfect of its theory and tech as well as reduce of the price etc. have very important infection for the popularization and application of the RP technology.This article from the stereo lithography laser rapi

13、d prototyping machine function of the first laser to determine the SLA rapid prototyping machine design program, and then points both hardware and software design. Hardware, carry out a primary type, and then calculate, verify; software SLA laser rapid prototyping machine from the production flow an

14、alysis principle was to start to determine the functions of the software system modules. Hardware is divided into two parts, mechanical and electrical .Mechanical design of the main selection of coated body calculation, Z selection to the table design level control part of the design calculation and

15、 selection calculation; electrical parts involved in the choice of control mode various functional card selection and design of electrical schematics and so on.Keywords: Rapid Prototyping SLA photosensitive resin Laser Technology1 引言1.1 快速成型技術簡介1.1.1 快速成型技術綜述 20世紀80年代末、90年代初發(fā)展起來的快速成型（Rapid Prototypi

16、ng & Manufacturing：RPM/RP&M或RP，以下簡稱為RP）技術，是當前先進的產(chǎn)品開發(fā)與快速工具制造技術，其核心是基于數(shù)字化的新型成型技術。它突破了傳統(tǒng)的加工模式，不需要機械加工設備即可快速地制造形狀極為復雜的工件。作為與科學計算可視化和虛擬現(xiàn)實相匹配的新興技術，快速成型技術提供了一種可測量、可觸摸的手段，是設計者、制造者與用戶之間的新媒體?？焖俪尚图夹g綜合機械、電子、光學、材料等學科，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件/模具，有效地縮短了產(chǎn)品的研究開發(fā)周期?？焖俪尚图夹g對于制造業(yè)的模型、原型及成型件的制造方式正產(chǎn)生深

17、遠的影響。1.1.2 RP工作原理 快速成型是通過計算機輔助設計（CAD）的三維模型輸入到RP設備上。在輸入前計算機將軟件轉(zhuǎn)換為STL格式（STL文件實際上是所有市場上RP系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入采用的一種標準格式，其他輸入格式也有使用）的文件，或者使用三維掃描儀通過對物體實體掃描后直接輸入計算機處理，輸入RP設備。見圖1-1所示為RP技術流程。1.1.3 RP定義隨著各種新型RP的出現(xiàn)，“Rapid Prototyping”一詞已無法充分表達出各種成型系統(tǒng)、成型材料及成型工藝等所包含的內(nèi)容。因此，關于什么是“Rapid Prototyping”，目前有多種定義。Terry T.Wohlers和美國制造工

18、程師協(xié)會（SME）對RP技術進行了定義：RP系統(tǒng)依據(jù)三維CAD模型數(shù)據(jù)、CT（Computerized Tomography，計算機X射線斷層造影術）和MRI（Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像）掃描數(shù)據(jù)和由三維實物數(shù)字化系統(tǒng)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，把所得數(shù)據(jù)分成一系列二維平面，又按相同序列沉積或固化出物理實體。構(gòu)造CAD三維模型STL文件輸出切片分層處理噴射源激光源FDM噴涂熱熔融材料層3DP噴粘結(jié)劑層SLS燒結(jié)粉末層LOM切割紙SLA固化樹脂層疊層堆積三維模型表面處理圖1-1 RP技術流程圖清華大學顏永年教授等對RP的描述為：RP技術是基于離散/堆積成型原理的新型數(shù)字化

19、成型技術，是在計算機的控制下，根據(jù)零件的CAD模型，通過材料的精確堆積，制造原型或零件的。“Rapid Prototyping”在軟件工程中是一種在開發(fā)較復雜軟件前，先開發(fā)出具有基本功能的軟件的方法。因此，該詞已變的較為模糊和不明確，于是，有些文獻用其他詞語來表示其原來的含義，如：Free Form Fabrication、Solid Freeform Fabrication、Automated Fabrication、Solid Imaging、Additive Manufacturing、Layered Manufacturing等，但都因未得到如RP那樣被廣泛認可而較少有人采用。此處對“

20、Rapid Prototyping”分別從廣義角度及狹義角度作如下定義。（1） 針對工程領域而言，其廣義上的定義為：通過概念性的具備基本功能的模型快速表達出設計者意圖的工程方法。（2） 針對制造技術而言，起狹義上的定義為：一種根據(jù)CAD信息數(shù)據(jù)把成型材料層層疊加而制造原型的工藝過程。1.1.4 RP特點RP技術較之傳統(tǒng)的諸多加工方法展示了一下的性。（1）可以制成幾何形狀任意復雜的零件，而不受傳統(tǒng)機械加工方法中刀具無法達到某些型面的限制。（2）大幅度縮短新產(chǎn)品的的開發(fā)成本和周期。一般地，采用RP技術可減少產(chǎn)品開發(fā)成本30%70%，減少開發(fā)時間50%，甚至更少。如開發(fā)光學照相機機體采用RP技術僅3

21、5天（從CAD建模到原型制作）花費6000美元，而用傳統(tǒng)的方法則至少需一個月，花費約3.6萬美元。（3）曲面制造過程中，CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化（分層）可百分之百地全自動完成，而不靠數(shù)控切削加工中需要高級工程人員數(shù)天復雜的人工輔助勞動才能轉(zhuǎn)化為完全的工藝數(shù)控代碼。（4）不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產(chǎn)準備工作。任意復雜零件的加工只需在一臺設備上完成，其加工效率亦遠勝于數(shù)控加工。（5）屬于非接觸式加工，沒有刀具、夾具的磨損和切削力所產(chǎn)生的影響。（6）加工過程中無振動、噪聲和切削廢料。（7）設備購置投資低于數(shù)控機床。1.1.5 RP技術應用1.1.5.1 RP應用范圍快速成型技術已經(jīng)廣泛應用于家電、汽車、航空

22、航天、船舶、工業(yè)設計、醫(yī)療等領域。藝術、建筑等領域的工作者也已開始使用RP設備，越來越多的藝術家已經(jīng)成為計算機工作者，即不再單純地依靠以前的手工，而是由RP設備來表達新的思路和創(chuàng)新。從廣義上講，這些應用均屬于產(chǎn)品開發(fā)范疇。快速模具制造（Rapid Tooling，RT）是快速成型技術應用的重要方面，無需任何專用工裝和夾具，直接根據(jù)原型而將復雜的工具和型腔制造出來是RT的最大優(yōu)勢。一般來說，采用RT技術制造模具的時間和成本約為傳統(tǒng)技術的1/3.根據(jù)14個RP設備供應商和43個RP服務商提供的數(shù)據(jù)，RP的應用范圍如下：所有模型的近41%用于裝配和功能性零件，約27用于工程、工具制造、報價和投標，約

23、23%用于原型模具、金屬鑄造及模芯制造。隨著RP技術本身的發(fā)展和完善，其應用將不斷拓展。1.1.5.2 產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品開發(fā)過程中，需要做多個產(chǎn)品模型作為測試之用，比如造型設計評估、功能測試、組裝測試及安全測試等，RP在這些方面的優(yōu)勢將非常明顯。因設計工程師只需在三維CAD圖上做出修改，便能及時制造出樣品，做進一步測試。1.1.5.3 醫(yī)療衛(wèi)生領域RP技術也常用于外科手術。病人在接受手術前需進行CT掃描或MRI等檢查。以往醫(yī)生們都是觀看平面的掃描結(jié)果來計劃手術，判斷難免有誤差。有了RP的幫助，醫(yī)生可觀看病人的立體模型來決定如何進行手術，甚至用RP進行模擬手術，增加手術的可靠性。1.1.5.4 藝術

24、創(chuàng)作隨著計算機技術的發(fā)展，新一代的藝術家及設計師，不一定整天埋頭于工作間，親手造出藝術作品來。他們現(xiàn)在可以安坐家中，用CAD軟件創(chuàng)造出心目中的藝術品，然后再以RP技術把藝術品一次性制作出來。1.1.6 RP的發(fā)展趨勢RP是面向產(chǎn)業(yè)界的高新綜合技術，它無疑將繼續(xù)獲得越來越廣泛的應用。國外有人預測：RP技術將成為一種一般性的加工方法。這一技術在我國許多行業(yè)也有巨大的潛在市場。在目前來看，RP技術最突出的問題是，所制原型零件的物理性能較差，成型機的價格較高，運行成本較高，零件精度低，表面粗糙度高，成型材料仍然有限。因此從上述RP技術的發(fā)展現(xiàn)狀來看，未來幾年的趨勢主要如下。（1）提高RP系統(tǒng)的速度、控

25、制精度和可靠性，優(yōu)化設備結(jié)構(gòu)，選用性能價格比高、壽命長的元器件，使系統(tǒng)更簡潔，操作更方便，可靠性更高，速度更快。開發(fā)不同檔次、不同用途的機型亦是RP系統(tǒng)發(fā)展的一個方面。例如：一方面開發(fā)高精度、高性能的機型，以滿足對制件尺寸、形狀和表面質(zhì)量要求更高或有特殊要求的用戶；另一方面，開發(fā)專門用于檢驗設計、模擬制品可視化，而對尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求不高的概念機。（2）提高數(shù)據(jù)處理纛和精度，研究開發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片方法，減少數(shù)據(jù)處理量以及由STL格式轉(zhuǎn)換過程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真。（3）研究開發(fā)成本低、易成型、變形小、強度高、耐久及無污染的成型材料。將現(xiàn)有的材料，特別是功能材料進行

26、改造或預處理，使之適合于RP技術的工藝要求，從RP特點出發(fā)，結(jié)合各種應用要求，發(fā)展全新的RP材料，特別是復合材料，例如納米材料、非均質(zhì)材料、其他方法難以制造的符合材料等。降低RP材料的成本，發(fā)展新的更便宜的材料。（4）開發(fā)新的成型能源。目前的主流成型技術中，SLA、LOM和SLS均以激光作為能源，而激光系（包括激光器、冷卻器、電源和外光路）的價格及維護費昂貴，傳輸效率（輸出激光能量/輸入電能）較低，影響制件的成本。新成型能源方面的研究也是RP技術的一個重要方面。（5）研究開發(fā)新的成型方法。在過去的10年中，許多研究者開發(fā)出了十幾種成型方法，基本上都基于立體平面化離散堆積的思路。這種方法還存在著

27、許多不足，今后有可能研究集“堆積”“切削”于一體的快速原型方法，即RP與CNC機床和其他傳統(tǒng)的加工方式相結(jié)合，以提高制件的性能和精度，降低生產(chǎn)成本。還可能從RP原理延伸，產(chǎn)生一些新的快速原型方法。（6）繼續(xù)研究快速制模(RT)和快速制造（RM）技術。一方面研究開發(fā)RP制件的表面處理技術，提高表面質(zhì)量和耐久性；另一方面研究開發(fā)與注塑技術、精度鑄造技術相結(jié)合的新途徑和新工藝，快速經(jīng)濟地制造金屬模具、金屬零件和塑料件。（7）在應用方面,通過對現(xiàn)有RP系統(tǒng)的改進和新材料的開發(fā)，使之能夠經(jīng)濟地上產(chǎn)出直接可用的模具、工業(yè)產(chǎn)品和民用消耗品；制造出人工器官，用于治療疾病。（8）向大型制造與微型制造進軍。分析各

28、大公司的產(chǎn)品系列可以發(fā)現(xiàn)，原型的制造尺寸呈增大的趨勢。由于大型模具的制造難度和RPM在模具制造方面的優(yōu)勢，可以預測將來的RPM市場將有一定比例為大型原型制造所占據(jù)。與此形成鮮明對比的將是RPM向微型領域的進軍，SL的一個重要發(fā)展方向是微米印刷（Microlithography）、制造微米零件（Microscale Parts）。（9）RPM行業(yè)標準化，并且與真?zhèn)€產(chǎn)品制造體系相融合。RP技術經(jīng)過十幾年的發(fā)展，設備與材料兩方面都有了長足的進步，但目前由于該技術的成本高，加以制件的精度、強度和耐久性能還不能滿足用戶的要求，暫時阻礙了RP技術的推廣普及。此外，近年來，CNC切削機床亦在大步向前發(fā)展，一

29、方面，價格大幅度下降；另一方面，高速、高精的CNC機床問世，制件時間縮短，精度及表面質(zhì)量提高。因此，不少企業(yè)使用CNC切削機床快速制造金屬或非金屬模具及零件，向RP技術提出了新的挑戰(zhàn)，但是在成型復雜、中空的零件方面，CNC切削機床是不能取代RP技術的。這種直接從概念設計迅速轉(zhuǎn)為產(chǎn)品的設計生產(chǎn)模式，必然是21世紀的制造技術的主流。隨著技術的進步，RP技術還會大踏步地向前發(fā)展，并將成為許多設計公司、制造公司、研究機構(gòu)和教育機構(gòu)等的基本技術和裝備。1.2 論文的主要工作1.2.1 設計的目的完成SLA快速成型機總體設計、缸體部件設計和電氣原理圖設計，該設備主要用于零件和功能模型的快速成型制造。由于通

30、過本畢業(yè)設計，我們應該在綜合應用所學知識方面得到較大的鍛煉，基本具備獨立設計機電一體化專用設備的能力。特別是在圍繞課題開展調(diào)查研究、深刻理解和解決實際問題、用圖紙、說明書等形式正確表達設計思想等方面的能力有明顯提高。1.2.2 本畢業(yè)設計課題的內(nèi)容和要求1.2.2.1 本畢業(yè)設計的主要內(nèi)容SLA快速成型機的總體設計以及與專業(yè)相關的外文資料翻譯。1.2.2.2 技術要求（1） SLA快速成型機總體設計，包括確定機械部件總體尺寸，系統(tǒng)控制方式的選定等。（2）SLA快速成型機缸體系統(tǒng)的設計，要求網(wǎng)板運動速度可調(diào)。（3）控制系統(tǒng)軟件分析設計。（4）網(wǎng)板的最小位移量是0.01mm。（5）最大成型尺寸是6

31、00 x 600mm。1.2.2.3 工作要求：（1）了解機械產(chǎn)品的生產(chǎn)組織方式、典型零件的加工工藝、零件結(jié)構(gòu)及公差對加工、裝配以及工作性能的影響等。（2）根據(jù)選定的方案進行零件的選型、結(jié)構(gòu)計算和壽命計算。（3）繪制總裝配圖和部分零件圖。（4）編寫設計說明書。要求包含文獻綜述、方案選擇、問題解決方法、計算過程等。（5）刻制成光盤2 對于SLA的整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成分析鑒于對SLA成型機的分析，對于實現(xiàn)SLA加工流程，同時充分保證SLA控制系統(tǒng)的加工精度，提出如下的硬件結(jié)構(gòu)（如圖2-1所示）。結(jié)構(gòu)主要由計算機控制系統(tǒng)、液面控制系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和功率檢測系統(tǒng)組成。震鏡工控機刮板電機工作臺電機

32、液槽升降電機激光器激光功率儀步進電機加熱控制器液位傳感器白金熱電偶液槽PTC熱電阻圖2-1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖2.1系統(tǒng)組成2.1.1激光器的選擇由光固化過程可知，對光源的選擇，主要取決于光敏劑對不同頻率的光子的吸收。由于大部分光敏劑在紫外區(qū)的光吸收系數(shù)較大，一般很低的光能量密度就可使樹脂固化，所以應采用輸出在紫外波段的光源。用于固化的光波波長、輸出功率及工作狀態(tài)時有效和精確的零件制造的基本參數(shù)。通常根據(jù)光敏樹脂固化的特性要求，光源的光波波長范圍為250nm350nm，光波輸出功率大于40mW，工作狀態(tài)為連續(xù)波得紫外光源。目前可適用的紫外光源有以下幾種：（1）HeCd激光器氦鎘激光器是一種低功率激

33、光，以氦氣和鎘蒸氣的復合氣體作為工作物質(zhì)，通過鎘的電離化過程，使中性氦原子和鎘原子激活，生成可見和紫外激光射線，輸出功率通常為15mW50mW，采取一定的措施可輸出波長分別為441.6nm和325nm的激光，激光器壽命為2000h左右。（2）氬離子激光器（Ar+）氬離子激光器是另一種低功率激光光源，它用氬氣作為工作物質(zhì)，輸出功率為100mW500mW，輸出波長為351nm365nm，該激光是雙重電離化氬氣狀態(tài)下獲得的。激光束光斑直徑一般為0.05nm3.00nm，激光位置精度可達0.008nm，重復精度可達0.13mm。生成這種光線的激活過程需要較高的管路電流和螺線管磁場強度以生成高能量電子。

34、（3）Nd：YOV固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)是摻雜激活離子于絕緣晶體或玻璃中，它它具有激光形成的閥值低，輸出功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠的特點。目前二極管泵浦的Nd：YOV四倍頻激光器，輸出波長266nm，輸出功率可大于800mW。（4）遠紫外汞氙燈遠紫外汞氙燈屬于氣體放電光源，燈一經(jīng)啟動就可立即輻射出強烈的連續(xù)光譜，其輻射光譜在遠紫外區(qū)比較豐富。在250nm350nm之間輻射出的紫外線同光敏樹脂有著良好的匹配性，可用于固化樹脂。這種光源結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，輸出功率適中。為了更好的對激光器進行選擇，將以上激光器列表進行簡單分析，如下表2-2所示性能波長（nm）功率（mW）壽命（h）工作狀態(tài)光

35、束質(zhì)量運行成本光源HeCd325402000多模CW高較高Ar+激光器351-3644002000多模CW高較高Nd:YOV4266100-1000>5000單模CW高稍高紫外汞氙燈250-350>20>300CW稍差極低表2-2 幾種紫外光源*指到達光敏樹脂液面的光功率，CW代表連續(xù)波2.1.2激光束掃描裝置 數(shù)字控制的激光束掃描裝置也有兩種形式：一種是電流計驅(qū)動式的掃描鏡方式，最高掃描速度達15m/s，適合于制造尺寸較小的原型件；另一種是X-Y繪圖儀方式，激光束在整個掃描過程中與樹脂表面垂直，適合于制造大尺寸的原型件。具體的選擇在設計過程中根據(jù)實際情況來選擇。2.1.3

36、光敏樹脂 SLA工藝的成形材料是液態(tài)光敏樹脂，如環(huán)氧樹脂、乙烯酸樹脂、丙烯酸樹脂等。要求SLA樹脂在一定頻率的單色光照射下迅速固化，并具有較小的臨界曝光和較大的固化穿透深度。為保證原型精度，固化時樹脂的收縮率要小，并應保證固化后的原型有足夠的強度和良好的表面粗糙度，且成形時毒性要小。自由基型光敏樹脂是最早應用于SLA的樹脂，這種樹脂的優(yōu)點是具有很高的光響應性，黏度低、成本不高，基本滿足快速成型的要求。其缺點是由于表層氧的阻聚作用，使得成形精度較低，同時，該類樹脂收縮較大（約8%），成形零件翹曲變形較大，尤其對于具有大平面結(jié)構(gòu)的工件，制作精度不是很高。陽離子型光敏樹脂屬于第二代樹脂，其優(yōu)點是收縮

37、小、黏度極低、不受氧阻聚，但其缺點是容易受堿和濕氣的影響，且固化速度較丙烯酸酯慢得多。陽離子型光敏樹脂的主要成分為環(huán)氧化合物。用于SLA工藝的陽離子型齊聚物和活性稀釋劑通常為環(huán)氧樹脂和乙烯基醚。由于以上兩類樹脂各有優(yōu)缺點，從而出現(xiàn)了集自由基和陽離子樹脂各自優(yōu)點的混雜性光敏樹脂，它比前兩種更為優(yōu)越，因此在這里我們選擇這種復合光敏樹脂材料【12】。2.1.4液槽 盛裝液態(tài)光敏樹脂的液槽，應該采用不銹鋼制作，這樣可以避免液槽被腐蝕和生銹的問題出現(xiàn)。其尺寸大小取決于成型系統(tǒng)設計的最大尺寸原型件或零件，在這里我們主要設計600mm的SLA成型機。升降工作臺選擇步進電機控制，最小步距應在0.02mm以下，

38、在225nm位移的工作范圍內(nèi)位置精度為±0.05mm，來保證生產(chǎn)零件的精度。刮平器保證新一層的光敏樹脂能夠迅速、均勻地涂覆在已固化層上，保持每一層厚度的一致性，從而提高原型件的精度。2.1.5控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要由工控機、分層處理軟件和控制軟件等組成。激光能光束反射鏡掃描驅(qū)動器、X-Y掃描系統(tǒng)、工作臺Z方向上下移動和刮刀的往復移動都由控制軟件來控制。工控機通俗的說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設計的計算機，而工業(yè)現(xiàn)場一般具有強烈的震動，灰塵特別多，另有很高的電磁場力干擾等特點，且一般工廠均是連續(xù)作業(yè)即一年中一般沒有休息。因此，工控機與普通計算機相比必須具有以下特點： 1） 機箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有

39、較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。 2） 機箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽。 3） 機箱內(nèi)有專門電源，電源有較強的抗干擾能力。 4） 要求具有連續(xù)長時間工作能力。 5) 一般采用便于安裝的標準機箱（4U標準機箱較為常見） 注：除了以上的特點外，其余基本相同。另外，由于以上的專業(yè)特點，同層次的工控機在價格上要比普通計算機偏貴，但一般不會相差太多。由以上工控機的特點，我們可以確定選擇工控機來作為SLA成型機的控制系統(tǒng)。3 光固化快速成型機的整體設計3.1 SLA快速成型機的總體設計3.1.1 SLA快速成型機的工作原理光固化快速成型系統(tǒng)的原理如圖2所示容器中盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在紫外光束

40、的照射下能夠快速固化。加工從最底部開始，可升降工作臺處于液面下一個層厚的地方， 固體激光器發(fā)出的紫外激光束聚焦后，在計算機的控制下按零件分層截面信息，在液態(tài)光敏樹脂表面掃描，使掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化，形成制件的第一個固化層。然后工作臺下移一個層厚的高度，其上覆蓋新一層的液態(tài)樹脂，刮板將樹脂液面刮平，再進行第二層的掃描固化，新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復直至整個制件完成。之后對制件進行一些必要的后處理如用工業(yè)酒精清洗制件，把制件放在紫外烘箱中后固化等，完成整個制作過程。 圖3 光固化成型機（SLA）結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2 SLA快速成型機的系統(tǒng)組成3.1.1.1 SLA快速成型機的

41、控制系統(tǒng)設計（1）控制硬件控制硬件是指所有控制電路的總稱，控制系統(tǒng)硬件應該由工控機、控制卡、傳感器、電機及其驅(qū)動器組成。如圖3-1所示。快門控制光量控制紫外光源X、Y軸步進電機及掃描運動機構(gòu)Z軸步進電機及升降臺運動機構(gòu)步進電機控制卡Z軸環(huán)形分配器功率驅(qū)動器Y軸環(huán)形分配器功率驅(qū)動器X軸環(huán)形分配器功率驅(qū)動器PC總線工控機圖3-1 SLA控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 工控機系統(tǒng)控制系統(tǒng)一般有主從控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)兩種組織形式。主從式控制系統(tǒng)將控制任務分解為數(shù)據(jù)處理和成型執(zhí)行兩大部分。分別由上、下位機來完成。上位機負責整個系統(tǒng)的綜合管理、人機交互、狀態(tài)信息處理、故障診斷、切片數(shù)據(jù)計算、插補等；下位機負責位置閉

42、環(huán)控制及位置的信息反饋等。上層主控機一般配置較高，而下層子機的配置相對較低。整個控制系統(tǒng)的設計帶有分布式控制系統(tǒng)的特征。集中式控制系統(tǒng)只擁有一臺計算機，在完成數(shù)據(jù)處理的同時，還具有控制硬件完成加工的功能。由于控制系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量一般比較大，因此它要求微機的整體性能較高，軟件要具有多任務處理能力，實時性要好。在光固化臺式快速成型系統(tǒng)中，為了降低成本，我們在硬件實現(xiàn)上采用的是集中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但在快速成型系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)上，我們加入了層片(CLI)文件及掃描加工路徑(SMP)文件作為可選的中間文件，這樣用戶既可以用快速成型控制機完成從建CAD模型到生成成型加工數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)處理任務，也可以通過上

43、述任一層次的中間文件而在其它更高性能計算機上完成部分或全部數(shù)據(jù)處理任務，再由成型機控制軟件載入并進行成型加工。由于在硬件的配置方式上采用了集中式控制方式，控制系統(tǒng)與上面的計算機系統(tǒng)是分不開的。控制系統(tǒng)還包括接口卡、功放驅(qū)動板、步進電機及各信號采集轉(zhuǎn)換電路等。 光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)主要包括兩大部分：紫外光源和光束傳輸及聚焦部分。選用的紫外光源(BHG-250)內(nèi)部集成了紫外燈、橢球面反射鏡、光柵和快門。另外它提供了一個D-SUB25的遙控連結(jié)器插座，可與計算機并口相連，以方便對開/關燈、切換快門和光量調(diào)整的控制。其主要技術參數(shù)如下： 能量：365nm處大于4000mw/cm2輸入電壓：AC220,5

44、0Hz/60Hz功率：約314mW冷卻方式：強制空冷 遠程遙控電壓：DC 524V 光纖傳輸具有不受空間限制、效率高、易控制的特點。由于紫外光輻射對人體有較強的危害，采用封閉傳輸?shù)陌踩员扔瞄_放式光路傳輸相對要高。因此本系統(tǒng)光路部分采用的是與BHG-250紫外光輻射裝置相配套的準直、聚焦的光纖傳輸系統(tǒng)。 機械傳動及執(zhí)行系統(tǒng)機械傳動及執(zhí)行系統(tǒng)主要有Z向滾珠絲杠/螺母副、升降臺等。（2）控制軟件快速成型系統(tǒng)的軟件是指從CAD造型軟件直至驅(qū)動數(shù)控加工所用軟件的總稱。軟件系統(tǒng)的設計思路由快速成型加工的整個工藝過程來決定?？刂栖浖钦麄€快速成型軟件的重要組成部分，主要功用就是完成從切片處理之后的所有工藝

45、數(shù)據(jù)處理和加工控制任務。控制軟件的功能模塊如圖3-2所示，其中用戶界面主要對程序和用戶間的信息交互進行總體控制和管理，完成包括圖形、狀態(tài)顯示，信息查詢等功能；文件加載模塊主是針對各種不同的文件類型(包括STL，CLI，SMP文件)進行不同的載入處理；掃描工藝處理主要是對層片文件進行處理而生成掃描加工路徑，包括歧點處理、內(nèi)外輪廓識別、工藝補償、掃描和路徑規(guī)劃等步驟；成型加工模塊主要是按掃描加工路徑和設定的加工參數(shù)生成控制數(shù)據(jù)并發(fā)送給硬件控制模塊，完成成型加工過程；仿真模塊則是通過對成型過程的仿真，對己生成的掃描加工路徑、工藝和加工參數(shù)的設置進行檢驗。用戶界面RP系統(tǒng)控制軟件文件加載外部切片模塊掃

46、描工藝處理硬件控制模塊仿真模塊成型加工模塊手動控制模塊圖3-2 控制軟件的基本結(jié)構(gòu)4 光固化快速成型機的機械部分選型計算4.1 涂覆機構(gòu)的選型設計與計算4.1.1 同步齒形帶的選型設計計算1、初步選型與計算（1）確定設計功率PdP=；其中a=0.04m/，=m·a=2×0.04=0.08N，=0.1N根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到P=4.5×W設計動力Pd=K·P其中K為工況系數(shù)，查機械設計實用手冊表5.3-107，選取K=1.7根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到Pd=7.65×W（2）選擇同步齒形帶的型號和節(jié)距根據(jù)Pd=7.65×W，=12.5r/min，查機械設

47、計實用手冊，圖53-15，選取帶的型號為XL型，查表5.3-108得到節(jié)距Pb=5.080mm 。（3）選擇帶輪齒數(shù)由帶輪轉(zhuǎn)速=12.5r/min和XL型帶，查帶輪允許最小齒數(shù)表得最小許用齒數(shù)=10。帶速V和安裝尺寸允許時，盡可能選較大值。初定=20（4）確定帶輪節(jié)圓直徑=32.34mm（5）確定同步帶的節(jié)線長度其中=0°（以a=760mm代入）則Lp=1570.8mm，選擇最接近計算值的標準節(jié)線長Lp=1600.2mm。（6）計算同步帶齒數(shù)=（7）確定傳動中心距a傳動中心距初定為a=760mm2、分析計算所選合理性（1）計算所選同步帶基準額定功率=（kW）其中許用工作拉力，查表5.

48、3-110得到=50.17N；m單位長度質(zhì)量，查表得到m=0.022kg/m；v線速度，v=0.02m/s 。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得=1.003kW（2）計算小帶輪嚙合齒數(shù)=ent=10>=6（3）確定實際所需帶寬查表得到XL型帶寬基準寬度=9.5mm其中嚙合齒數(shù)系數(shù)，=1根據(jù)以上數(shù)據(jù)，查表5.3-90，選取帶寬9.5mm3、結(jié)果整理選用XL型同步齒帶可選同步帶輪的規(guī)格為12L；同步帶規(guī)格為660L。（軸間距的最小調(diào)整量：長度公差±0.60mm，軸間距公差±0.30mm，面向內(nèi)側(cè)的最小調(diào)整量Ci=5mm，面向外側(cè)的最小調(diào)整量Cs=10mm。）4.1.2 導軌的選型設計計算對導

49、軌的要求：（1）精確的導向精度（2）精度保持性好（3）結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，便于調(diào)益和維修（4）摩擦小初選直線滾動導軌，其摩擦因數(shù)很小，為0.0030.005，且適合由低速轉(zhuǎn)至高速的工作狀態(tài)，可靠性和剛性都較高。臥式導軌受力分析如圖4-1。圖4-1 臥式導軌受力分析圖 其中 P1=×× P2=××P3=×× P4=××則P1 =P2 =P3 =P4=33.75N，l0=20mm（1）導軌的選擇可按一般鋼鐵密度，取7.85g/cm3,公式：重量=厚度×寬度×長度×密度值刮板的質(zhì)量=70mm×50mm×477mm××7.85g/cm320mm×50mm× 925mm×7.85g/cm3=6.557.26 =13.81 kg 重力W=13.81 kg×9.8m/s2=135N摩擦阻力：導軌摩擦系數(shù)查表4-2表4-2 導軌摩擦系數(shù)直線運動系統(tǒng)的種類主要形式摩擦系數(shù)LM導軌HSR