基于數(shù)控加工中心的LOM快速成型裝置數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)（機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于數(shù)控加工中心的LOM快速成型裝置數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)（機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：摘要：本文對(duì)快速成型技術(shù)以及LOM技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用背景、研究現(xiàn)狀等做了簡(jiǎn)單的介紹，還有對(duì)本課題需要解決的問(wèn)題、擬用的解決方法做了簡(jiǎn)單的稱述。其中主要是介紹了LOM快速成型裝置中的收料及送料結(jié)構(gòu)、熱壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程以及激光切割結(jié)構(gòu)的選用，還介紹了各個(gè)結(jié)構(gòu)中主要零件的功用以及結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)主要零件也進(jìn)行了一定的強(qiáng)度校核，也簡(jiǎn)單對(duì)MV-610加工中心做了介紹，并合理的把LOM快速成型裝置與加工中心結(jié)合在了一起。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，更好的合理利用了加工中心，并使LOM技術(shù)也得到了靈活的運(yùn)用。關(guān)鍵詞：LOM快速成型，基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Abstract:thispaperLOMtechnologyrapidprototypingtechnologyandtherelevantapplicationssuchasbackground,theresearchpresentsituationisfurtherintroduced,andtheproblemsneedtobesolvedinthisproject,employssolutionmadesimplesounding.MainlyintroducestheLOMrapidprototypingdevicefeedingstructure,hotpressingchargeandstructuredesignofprocessandlasercuttingstructure,alsointroducedtheselectionofthemainpartsofeachstructurefunctionandstructuresize.Onthemainpartsinsomeextent,simplealsostrengthcheckonMV-610processingcenter,wereintroducedandreasonableputLOMrapidprototypingdeviceandprocessingcenterorganicunifiesintogether.Throughthedesign,canbetterreasonableuseprocessingcenter,andmakeLOMtechnologygotflexibleuse.Keywords:LOMrapidprototyping,basicstructureandapplication目錄TOC\o"1-3"\t"1級(jí),1,2級(jí),2,3級(jí),3"1引言 11.1快速成型技術(shù)簡(jiǎn)述 11.1.1快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景 11.1.2快速成型技術(shù)分類 21.1.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用概況 31.2LOM快速成型技術(shù) 41.2.1LOM快速原型技術(shù)背景 41.2.2LOM加工原理 51.2.3LOM快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 61.2.4本課題需解決的問(wèn)題 72總體方案的設(shè)計(jì) 82.1總體方案的確定 82.1.1MV-610加工中心的相關(guān)參數(shù) 82.1.2LOM快速成型裝置的確定 82.1.3LOM快速成型裝置的空間分布 92.2總體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 102.2.1LOM快速成型裝置中各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況 102.2.2LOM快速成型裝置動(dòng)作過(guò)程 112.2.3LOM快速成型裝置電機(jī) 113快速成型中主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 113.1原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 123.1.1原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的總體布局 123.1.2原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的支撐架結(jié)構(gòu) 133.1.3原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的送料與收料結(jié)構(gòu) 153.2熱壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 173.2.1熱壓機(jī)構(gòu)的總體布局 183.2.2熱壓機(jī)構(gòu)中的中心部分 183.2.3熱壓機(jī)構(gòu)中的溫控裝置 213.2.4熱壓機(jī)構(gòu)中的外部結(jié)構(gòu) 223.2.5熱壓機(jī)構(gòu)的熱壓滾筒外殼 253.3切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 283.3.1激光的研究背景 283.3.2激光器的種類 293.3.3CO2激光器的優(yōu)缺點(diǎn) 293.3.4二氧化碳激光器原理 303.3.5CO2激光器型號(hào)的確定 314主要零件的強(qiáng)度校核 314.1送料軸的強(qiáng)度校核 314.1.1送料軸的彎曲強(qiáng)度校核 314.1.2送料軸的危險(xiǎn)截面校核 325結(jié)論 35參考文獻(xiàn) 36致謝 381引言1.1快速成型技術(shù)簡(jiǎn)述快速原型制造（RapidPrototyping，簡(jiǎn)稱RP）技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期首先在美國(guó)產(chǎn)生并商品化，90年代在全球迅速發(fā)展起來(lái)的制造新技術(shù)。快速成型技術(shù)與50年代的數(shù)控技術(shù)和最近20年發(fā)展起來(lái)的特種加工技術(shù)一樣是一種全新的制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)群中的重要組成部分。它是一種基于離散堆積成型的數(shù)字化制造技術(shù)，集激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（CNC）、精密檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體的綜合高新技術(shù)。它能根據(jù)CAD模型（電子模型）自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想物轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，解決了快速對(duì)接問(wèn)題，有效地縮短了研發(fā)周期，滿足了當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)對(duì)新產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)和快速制造的要求［1］［2］?？焖俪尚团c制造技術(shù)經(jīng)過(guò)10多年的研究和開(kāi)發(fā)，取得了很大的成就，推出了系列商用RP／M系統(tǒng)。但現(xiàn)有RP／M技術(shù)主要以樹(shù)脂、塑料、紙張等作造型材料，僅適合制造原型零件或功能原型零件，尚不能直接快速制造具有實(shí)際功能的機(jī)械零件。為此，功能零件的快速制造成為目前RP領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3]。在經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)正不斷加強(qiáng)，各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)交流、經(jīng)貿(mào)交流日益擴(kuò)大，世界上發(fā)生的這些進(jìn)步、變革與發(fā)展使當(dāng)代制造業(yè)的生態(tài)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展模式等都發(fā)生了深刻變化，科學(xué)發(fā)展觀對(duì)制造業(yè)提出了新的要求，我國(guó)制造業(yè)正面臨著新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。當(dāng)前，制造業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)［4］：產(chǎn)品高科技化；顧客需求個(gè)性化、多樣化；產(chǎn)品生命周期縮短，更新?lián)Q代加速；生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)及市場(chǎng)全球化；1.1.1快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景市場(chǎng)的發(fā)展需求隨著全球市場(chǎng)一體化的形成,制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速,迫切需要采用先進(jìn)的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時(shí),通常需要使用多種機(jī)床設(shè)備和模具,既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián),快速成型(RP)技術(shù)的出現(xiàn),可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下,實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造[5]技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)新技術(shù)的發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展、材料科學(xué)的發(fā)展、新材料的出現(xiàn)、激光技術(shù)的發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?？焖俪尚图夹g(shù)就是在這樣的社會(huì)背景下，在80年代后期產(chǎn)生于美國(guó)，并迅速擴(kuò)展到歐洲和日本。由于RP技術(shù)的成型原理突破了傳統(tǒng)加工中的塑性成形（如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工等）和切削成形的工藝方法，可以在沒(méi)有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意復(fù)雜形狀又具有一定功能的三維實(shí)體原型或零件，因此被認(rèn)為是近二十年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破［6］1.1.2快速成型技術(shù)分類RP技術(shù)的具體工藝不下30余種。根據(jù)其應(yīng)用情況和商品化程度，最為典型的快速成型技術(shù)有以下四種。1）光固化成型（StereoLithographyApparatus，SLA）［7］光固化成型的原理是：將激光聚焦到液態(tài)光固化材料（如光固化樹(shù)脂）表面、令其有規(guī)律地固化，由點(diǎn)到線到面完成一個(gè)層面的建造，而后升降平臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，再建造一個(gè)層面，由此層層疊加成為一個(gè)三維實(shí)體。2）選區(qū)激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，SLS）［9］此技術(shù)采用激光對(duì)有很好密實(shí)度和平整度的粉末鋪成的層面，有選擇地直接或間接將粉末熔化或粘結(jié)，形成一個(gè)層面，鋪粉壓實(shí)，再熔結(jié)或粘結(jié)成另一層并與前一層熔接或粘結(jié)，如此層層疊加為一個(gè)三維實(shí)體。所謂直接熔結(jié)是將粉末直接熔化面連接；間接熔結(jié)是指僅熔化粉末表面的粘結(jié)涂層，以達(dá)到互相粘結(jié)的目的。粘結(jié)則是指將粉末采用粘結(jié)劑粘結(jié)。這里的粉末材料主要有蠟、聚碳酸脂、水洗砂等非金屬粉，以及金屬粉如鐵、鈷、鉻以及它們的合金。3）分層實(shí)體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）［9］該技術(shù)采用激光或刀具對(duì)箔材進(jìn)行切割。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。通過(guò)升降平臺(tái)的移動(dòng)和箔材的送給可以切割出新的層片并將其與先前的層片粘結(jié)在一起。這樣層層疊加后得到一個(gè)塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實(shí)體。這里所說(shuō)的箔材可以是涂覆紙（涂有粘結(jié)劑覆層的紙），涂覆陶瓷箔、金屬箔或其它材質(zhì)基的箔材。4）熔融沉積制造（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）FDM是指將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過(guò)加熱器熔化，擠壓噴出并堆積一個(gè)層面，然后將第二個(gè)層面用同樣的方法建造出來(lái)，并與第一個(gè)層面粘結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個(gè)三維實(shí)體。1.1.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用概況根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和需求，快速成型技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用：1）用于概念設(shè)計(jì)的原型。這種原型對(duì)精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快、精度適中、設(shè)備小巧、運(yùn)行可靠、清潔、無(wú)噪音、操作方便。2）用于制造模具或其原型。模具原型要求材料適應(yīng)特定模具的制造要求，如對(duì)于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。3）用于制造功能零件。功能零件則要求材料具有較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。從RP技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，最初主要應(yīng)用于原型制造，隨著研究的深入，現(xiàn)在很多研究者都致力于研究快速制造金屬零件。國(guó)際統(tǒng)計(jì)資料表明，原型中的四分之一被用來(lái)作為可視化的手段，用于評(píng)估設(shè)計(jì)、協(xié)助設(shè)計(jì)模具、溝通設(shè)計(jì)者與制造商及工程投標(biāo)；四分之一被用來(lái)進(jìn)行裝配和性能測(cè)試；四分之一以上用于協(xié)助完成模具制造［10］。目前，快速成型技術(shù)在模具、家用電器、汽車、航空航天、軍工制造、材料工程、玩具、醫(yī)療器械、人體器官模型、生物材料組織、考古、電影制作等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。如下圖所示：

圖1運(yùn)用LOM快速原型系統(tǒng)所制作薄殼件圖2運(yùn)用LOM快速原型系統(tǒng)所制作太極球圖3運(yùn)用LOM快速原型制作汽車零件圖4運(yùn)用LOM快速原型制作出形狀復(fù)雜零件快速成型技術(shù)是目前先進(jìn)制造技術(shù)中發(fā)展最為迅速的一種，在短短一、二十年的時(shí)間里，已經(jīng)由最初的原理研究發(fā)展到大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。目前已有10多種比較成熟的工藝方法用于原型零件的制造。RP技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義在實(shí)際應(yīng)用中得到了很好的印證，可以迅速地將示于計(jì)算機(jī)屏幕上的設(shè)計(jì)變?yōu)榭蛇M(jìn)一步評(píng)估的實(shí)物。根據(jù)原型，可對(duì)設(shè)計(jì)的正確性、造型合理性、可裝配性和干涉，進(jìn)行具體的檢驗(yàn)［11］。1.2LOM快速成型技術(shù)1.2.1LOM快速原型技術(shù)背景

隨著全球市場(chǎng)一體化的形成,制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速,迫切需要采用先進(jìn)的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時(shí),通常需要使用多種機(jī)床設(shè)備和模具,既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián),快速成型(RP)技術(shù)的出現(xiàn),可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下,實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造，快速成形技術(shù)是在80年代后期率先由MichaelFeygin研發(fā)出LOM(laminatedobjectmanufacturing)快速原型技術(shù)，并由美國(guó)Helisys公司生產(chǎn)與銷售，于2000年Helisys公司終止(cease)營(yíng)運(yùn)，并將LOM快速原型技術(shù)轉(zhuǎn)讓給cubictechnologies［12］。1.2.2LOM加工原理1）LOM加工原理快速成型技術(shù)集成了機(jī)械工程、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果，它以材料的逐層堆積生產(chǎn)作為主要的實(shí)現(xiàn)手段，因而又被稱為增材制造技術(shù)［13］。其基本原理是：在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD模型，然后切片軟件將三維CAD模型切成一定厚度的薄片，得到各層截面的輪廓信息，即將三維信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維信息，每片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工命令，激光束選擇性地切割一層層紙（或固化一層層的液態(tài)樹(shù)脂；或燒結(jié)一層層的粉末材料；或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等），形成各截面輪廓并疊加成三維產(chǎn)品。該技術(shù)可自動(dòng)而迅速地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件。具有快速、精確、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，特別是該技術(shù)對(duì)零件的復(fù)雜程度沒(méi)有限制［14］。2）LOM加工工藝過(guò)程LOM成型的一般工藝過(guò)程大致如下:(1)料帶移動(dòng),使新的料帶移到工件上方。(2)工作臺(tái)往上升,同時(shí)熱壓輥移到工件上方,工件頂起新的料帶,工作臺(tái)停止移動(dòng),熱壓輥來(lái)回碾壓新的薄材材料,將最上面一層的新材料與下面已成型的工件部分粘結(jié)起來(lái),添加一新層。(3)系統(tǒng)根據(jù)工作臺(tái)停止的位置,測(cè)出工件的高度,并反饋回計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)前零件的加工高度,計(jì)算出三維實(shí)體模型的交截面［15］。(4)交截面的輪廓信息輸入到控制系統(tǒng)中,控制CO2激光器沿截面輪廓切割。激光的功率設(shè)置在只能切透一層材料的功率值上。輪廓內(nèi)、外面無(wú)用的材料用激光切成方形的網(wǎng)格,以便工藝完成后分離。(5)工作臺(tái)向下移動(dòng),使剛切下的新層與料帶分離。(6)料帶移動(dòng)一段比切割下的工件截面稍長(zhǎng)一點(diǎn)的距離,并繞在復(fù)卷輥上。(7)重復(fù)上述過(guò)程,直到最后一層。分離掉無(wú)用碎片,得到三維實(shí)體。3）LOM快速原型系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:eq\o\ac(○,1).原型件制作過(guò)程中，運(yùn)用LOM快速原型系統(tǒng)所制作原型件之縮收以及熱應(yīng)力所導(dǎo)致之原型件幾何形狀變形等缺失，可以忽略。

eq\o\ac(○,2).LOM快速原型系統(tǒng)所使用之CO2雷射僅對(duì)原型件外形輪廓(outlineofshape)進(jìn)行切割，LOM快速原型系統(tǒng)是為所有快速原型系統(tǒng)中效率最高的一種快速原型系統(tǒng)。

eq\o\ac(○,3).

LOM快速原型系統(tǒng)如與FDM快速原型系統(tǒng)相互比較，LOM快速原型系統(tǒng)建構(gòu)原型件時(shí)不需要支撐(support)結(jié)構(gòu)。

eq\o\ac(○,4).

LOM快速原型系統(tǒng)機(jī)臺(tái)保養(yǎng)費(fèi)用低廉。

eq\o\ac(○,5).

LOM快速原型系統(tǒng)可以制作大型、復(fù)雜與體積大原型件。（2）缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

eq\o\ac(○,1).可實(shí)際應(yīng)用的原材料種類較少，盡管可選用若干原材料，例如紙、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是紙，其他種類之材料仍繼續(xù)研發(fā)當(dāng)中。

eq\o\ac(○,2).

所制作完成之快速原型件表面是粗糙的，必須經(jīng)過(guò)后續(xù)加工，才可進(jìn)行快速模具的應(yīng)用。

eq\o\ac(○,3).

所制作完成之快速原型件很容易吸收外在水氣，因此必須立即進(jìn)行后處理，例如：上漆。

eq\o\ac(○,4).

很難制作出尺寸微細(xì)之原型件，此缺失受限于原型件必須剝離廢料之后才可取出。

eq\o\ac(○,5).

運(yùn)用LOM快速原型件于鑄造應(yīng)用時(shí)，燃燒原型件的時(shí)間必須注意空氣流通。

eq\o\ac(○,6).運(yùn)用LOM快速原型系統(tǒng)制作原型件時(shí)，有部分的材料是浪費(fèi)的。1.2.3LOM快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1）LOM快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀由于大多數(shù)機(jī)械零件是由金屬制造的，因此直接利用金屬板材作造型材料的分層實(shí)體制造(Laminatedobjectmanufacturing一簡(jiǎn)稱LOM)是實(shí)現(xiàn)金屬功能零件快速制造的有效方法之一．Obikawa用0.2mm厚、兩面涂覆低熔點(diǎn)合金的薄鋼板作造型材料，采用LOM方法快速制造金屬零件；山崎則用0.5mm厚的薄鋼板作造型材料快速制造車體模具．但是現(xiàn)階段用金屬板材作造型材料的LOM在技術(shù)上尚存在許多應(yīng)解決的課題：（1)分層材料的堆積成形精度問(wèn)題．顯然，分層板厚度越薄，成形精度越高．現(xiàn)有商用化的LOM技術(shù)，一般以紙張、樹(shù)脂板等作造型材料，其分層板厚度僅為0.05mm～0.10mm．而用金屬板材作造型材料時(shí)，從造型強(qiáng)度與效率考慮，現(xiàn)有分層板厚度為0.2mm～0.5mm，直接采用現(xiàn)有LOM方法，則造型精度差．（2)金屬板材的連接問(wèn)題．現(xiàn)有低熔點(diǎn)合金粘接法、螺栓緊固加電弧焊接法，以及熱擴(kuò)散焊接等工藝方法，在金屬板材的連接工藝上雖然各有長(zhǎng)短但均未獲得滿意的效果．針對(duì)這種情況，筆者提出了基于數(shù)控機(jī)床分層快速成型金屬功能零件．2）LOM快速原型系統(tǒng)的研究意義在制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度逐漸加快的今天，企業(yè)要想在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，必須根據(jù)市場(chǎng)需求更快、更好地生產(chǎn)出市場(chǎng)所需的新產(chǎn)品，并且能夠根據(jù)市場(chǎng)的變化迅速地作出調(diào)整，以期達(dá)到產(chǎn)品的最大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并使企業(yè)始終處于同行業(yè)之前列。在這種形勢(shì)下，如何縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，已成為企業(yè)發(fā)展所要解決的首要問(wèn)題。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系到一個(gè)企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)系到一個(gè)企業(yè)的生命，用傳統(tǒng)的制造方法和手段，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高，很難滿足瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)發(fā)展，必將在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。由于快速成形技術(shù)在產(chǎn)品研制、開(kāi)發(fā)中所特有的先進(jìn)性，獨(dú)特性，因此廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域[15]。這種基于數(shù)控機(jī)床的快速成型工藝國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)過(guò)，分析表明，以現(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備為依托，只要發(fā)揮中小企業(yè)的技術(shù)人員的潛力，開(kāi)發(fā)必要的軟件是完全有可能在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)金屬零件的分層制造，為我國(guó)的制造業(yè)服務(wù)，加快RP技術(shù)的推廣,而LOM系統(tǒng)作為比較流行的RP系統(tǒng)之一有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用途徑日益廣泛,必將給制造業(yè)帶來(lái)巨大的效益。1.2.4本課題需解決的問(wèn)題經(jīng)濟(jì)型分層實(shí)體制造(LOM)系統(tǒng)是指：以用戶現(xiàn)有的具有2.5軸以上聯(lián)動(dòng)功能的CNC數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，以高檔微機(jī)和三維CAD造型軟件作造型設(shè)計(jì)模塊，只配置切片處理模塊和快速成型裝置模塊中的必要部件來(lái)完成產(chǎn)品成型過(guò)程的快速成型系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型分層實(shí)體制造(LOM)快速成型裝置就是上面所說(shuō)成型裝置模塊，它包括X－Y－Z運(yùn)動(dòng)單元（主軸箱、工作臺(tái)）、原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱壓機(jī)構(gòu)、專用刀具切割機(jī)構(gòu)等。X－Y－Z運(yùn)動(dòng)單元是CNC機(jī)床已有的,而原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱壓機(jī)構(gòu)、專用刀具切割機(jī)構(gòu)等等是需要專門(mén)研究設(shè)計(jì)。本課題主要就是對(duì)原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱壓機(jī)構(gòu)、專用刀具切割機(jī)構(gòu)這三個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2總體方案的設(shè)計(jì)2.1總體方案的確定2.1.1MV-610加工中心的相關(guān)參數(shù)MV-610加工中心的參數(shù)表項(xiàng)目單位MV-610X軸行程mm610Y軸行程mm410Z軸行程mm460工作臺(tái)面積mm770×410主軸轉(zhuǎn)速rpm10,000主軸馬達(dá)規(guī)格KW7.5切削進(jìn)給率mm/min10,000三軸快速位移m/min30(線軌)控制器三菱/FANUC2.1.2LOM快速成型裝置的確定1）原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)、一個(gè)儲(chǔ)料軸和兩個(gè)薄壁鋼管套、兩個(gè)導(dǎo)向桿、一個(gè)余料軸、四個(gè)軸承座以及所必須的相應(yīng)的支撐、軸承和螺栓等組成。2)熱壓機(jī)構(gòu)一種方案：運(yùn)用熱壓輥主要由橡膠滾子、電熱絲、溫控開(kāi)關(guān)、密封墊、氧化鎂粉末、刀架、還有一些軸承、軸承座、銷、螺栓等組成。另一種方案：運(yùn)用熱壓板由整塊熱扎鋼板制成中間有蒸汽通道可以通過(guò)熱壓蒸汽或熱壓油來(lái)進(jìn)行加熱兩種方案進(jìn)行相比較，其中熱壓輥壓力均勻但效率低，而壓力板效率高但壓力不均勻。由于熱壓機(jī)構(gòu)在這里是作為一個(gè)特殊的刀具放在刀具庫(kù)中的，所以最后確定用熱壓輥?zhàn)鳛闊釅航Y(jié)構(gòu)。3）專用刀具切割機(jī)構(gòu)采用現(xiàn)有的CO2激光器進(jìn)行切割。CO2激光器選用型號(hào)為EDC40，功率為40W，長(zhǎng)度為700mm，直徑為50mm。4）切割粘壓工作臺(tái)就直接利用原來(lái)的加工中心的工作臺(tái)。但是大家都知道加工中心的工作臺(tái)上開(kāi)有T型槽，我們直接利用其來(lái)進(jìn)行切紙工作，T型槽會(huì)帶來(lái)一些加工上的不便，我們剛開(kāi)始先不進(jìn)行加工，先在工作臺(tái)上粘壓一定厚度的紙，因?yàn)檫@種涂覆紙粘壓后的強(qiáng)度很好，相當(dāng)于木質(zhì)材料的強(qiáng)度，加之加工時(shí)的切削力并不是很大，所以在以后的加工中不會(huì)有問(wèn)題。這樣做會(huì)大大降低制造費(fèi)用。2.1.3LOM快速成型裝置的空間分布1)總體方案簡(jiǎn)圖如下圖1-1所示圖5總體方案簡(jiǎn)圖2.)總體方案裝配圖如下圖所示圖6總體方案裝配圖2.2總體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2.2.1LOM快速成型裝置中各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況1)原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)加工用涂覆紙紙卷直接套于儲(chǔ)料軸上，紙頭經(jīng)兩個(gè)導(dǎo)桿至余料軸，通過(guò)套筒將紙頭夾緊并定位；步進(jìn)電機(jī)裝在余料軸的一端，在一層輪廓加工完之后步進(jìn)電機(jī)卷過(guò)一定長(zhǎng)度，每次卷過(guò)的紙的長(zhǎng)度為一個(gè)紙制件的長(zhǎng)度，這一動(dòng)作通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)；紙的張緊是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確停止，還有慢的旋轉(zhuǎn)速度和在熱粘壓時(shí)工作臺(tái)的移動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2)熱粘壓機(jī)構(gòu)熱粘壓機(jī)構(gòu)在這里是作為一個(gè)特殊的刀具放在刀具庫(kù)中的。這樣一來(lái)，熱粘壓時(shí)只需通過(guò)程序換一次刀即可，很方便，不僅充分利用了加工中心自身所具有的裝置，而且不需要升降工作臺(tái)。這個(gè)特殊的刀具在刀庫(kù)中的位置應(yīng)與用來(lái)切割涂覆紙的刀具在刀庫(kù)中的位置是相鄰的，這樣放置的目的是使在換刀的過(guò)程中刀庫(kù)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為最小，以節(jié)約加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。粘壓時(shí)主軸帶動(dòng)熱壓滾沿加工中心Z軸方向向下運(yùn)動(dòng)，主軸不能旋轉(zhuǎn)，當(dāng)熱壓滾到達(dá)加工紙面且具有一定壓力時(shí)，加工中心工作臺(tái)連同制件一起沿X方向運(yùn)動(dòng)來(lái)完成粘壓工作。熱粘壓時(shí)粘壓的工作壓力通過(guò)裝在刀桿上的壓力傳感器來(lái)控制。熱粘壓時(shí)的粘壓溫度是通過(guò)溫控開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。加熱鋁筒中裝有水，通過(guò)熱水器來(lái)對(duì)水進(jìn)行加熱。由于紙上的膠是在40度左右就可以化開(kāi)，所以選擇溫控開(kāi)關(guān)的切斷溫度為65-75度，當(dāng)在這個(gè)溫度范圍時(shí)溫控開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，低于這個(gè)溫度會(huì)自動(dòng)接通。還有一點(diǎn)要注意的是，在熱粘壓刀具的安裝是要注意電線的布置問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)完成布線，以免在加工過(guò)程中出現(xiàn)電線纏繞，拉斷等現(xiàn)象而發(fā)生危險(xiǎn)。3)二氧化碳激光器二氧化碳激光器也是作為刀具放入刀庫(kù)中，只是在Z軸方向運(yùn)動(dòng)，在切割時(shí)是通過(guò)工作臺(tái)的X、Y方向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行切割動(dòng)作，二氧化碳激光器本身是不在X、Y方向上運(yùn)動(dòng)。2.2.2LOM快速成型裝置動(dòng)作過(guò)程快速成型裝置的動(dòng)作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：（1）送料步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)余料軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)切片所需要的紙的長(zhǎng)度。（2）主軸帶著熱壓裝置沿Z方向向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)紙制件頂面時(shí)停止Z向運(yùn)動(dòng)。向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)，加熱系統(tǒng)將加熱筒的溫度達(dá)到熱粘壓要求的溫度。（3）主軸帶著熱壓裝置沿X或Y方向進(jìn)行熱壓。（4）熱壓完畢后。主軸快速運(yùn)動(dòng)到換刀點(diǎn)。（5）把熱壓裝置放回刀庫(kù)，取出切割刀具。（6）主軸快速運(yùn)動(dòng)到工作起點(diǎn)，進(jìn)行切割運(yùn)動(dòng)。（7）切割完畢，主軸快速返回?fù)Q刀點(diǎn)，把切割刀具放回刀庫(kù)，再取出熱壓裝置，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)切片所需紙的長(zhǎng)度，為下一層片的切割作好準(zhǔn)備。2.2.3LOM快速成型裝置電機(jī)由于LOM快速成型裝置的運(yùn)行速度低，要求的動(dòng)力也小，所以選用了小功率的步進(jìn)電機(jī)，其型號(hào)為56BYG250E-0601，尺寸為56×56×111，相數(shù)為2，保持轉(zhuǎn)矩為2.5（N.m），轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為750(g.cm2)，重量為1.5Kg。3快速成型中主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1.1原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的總體布局根據(jù)MV-610加工中心的工作臺(tái)的面積S=770mmx410mm，可確定滾筒的基本長(zhǎng)度以及紙的寬度，其中是由兩部分支撐架和送料與收料結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)紙的層數(shù)，可以估算出紙的大概重量，再根據(jù)紙的重量可以初步定出滾筒兩邊支撐軸的直徑，如下圖6所示圖7原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)由于要利用加工中心的X、Y、Z軸的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行切紙動(dòng)作，所以原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)整體是固定于工作臺(tái)上。如下圖7所示圖8原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)與加工中心工作臺(tái)的配合3.1.2原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的支撐架結(jié)構(gòu)支撐架的高度是由所做的模型擬定出來(lái)，主要作用是用來(lái)把紙?zhí)岣咭欢ǖ木嚯x，為做模型提供一定的空間，結(jié)構(gòu)如下圖8所示圖9支撐架結(jié)構(gòu)圖具體各個(gè)零件的尺寸如下圖9、圖10、圖11所示圖10薄壁管薄壁管的長(zhǎng)度是在工作臺(tái)寬度的基礎(chǔ)上增加了65mm，只是為了跟好的對(duì)紙進(jìn)行傳遞，增加薄壁管的目的就是為了使紙與圓柱體得滑動(dòng)摩擦變?yōu)榕c薄壁管的滾動(dòng)摩擦，其中壁厚為1mm圖11支撐體支撐體的高度是由一般模型的高度和加工中心的高度擬定為500mm，其中底座是M8螺紋孔，左右可以調(diào)距離為6mm。圖12圓柱體圓柱體的長(zhǎng)度是在薄壁管的基礎(chǔ)上增加了5mm，左右各留2.5mm，為了薄壁管在滾動(dòng)時(shí)不被左右的支撐體卡住。3.1.3原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的送料與收料結(jié)構(gòu)送料與收料的滾筒尺寸是由紙的寬度來(lái)確定，整體結(jié)構(gòu)如下圖12所示圖13送料與收料結(jié)構(gòu)其中送料與收料結(jié)構(gòu)是由滾筒、軸承、軸承座等組成，如下圖13所示圖14送料與收料結(jié)構(gòu)爆炸圖送料與收料結(jié)構(gòu)中各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖15、圖16、圖17、圖18所示圖15軸承座軸承座高度是由滾筒的最大直徑?jīng)Q定，其中底座上有M8的螺紋孔，前后可移動(dòng)4mm，軸承座厚度取一般尺寸，定為15mm，最大孔徑為軸承的外徑尺寸42mm，其中孔徑為38mm的孔是為了擋住軸承的外圈，軸承底座為了更好的接觸支撐面，下面有2mm深的槽，長(zhǎng)度為49mm。圖16收料滾筒圖17送料滾筒其中送料滾筒與收料滾筒區(qū)別就是在收料滾筒有動(dòng)力輸入端，其他沒(méi)有差異。圖18深溝球軸承深溝球軸承外徑42mm，內(nèi)徑20mm，厚度為12mm。型號(hào)為6004-2Z3.2熱壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.2.1熱壓機(jī)構(gòu)的總體布局熱壓機(jī)構(gòu)總體尺寸是由紙的寬度決定，總體是設(shè)計(jì)為刀具模式放入刀庫(kù)中，總體布局如下圖18所示圖19熱壓總體機(jī)構(gòu)熱壓機(jī)構(gòu)總體是由電熱絲、溫控開(kāi)關(guān)、密封圈、氧化鎂粉末、軸承，刀架、刀柄等組成。爆炸圖如下圖19所示圖20熱壓機(jī)構(gòu)爆炸圖3.2.2熱壓機(jī)構(gòu)中的中心部分熱壓機(jī)構(gòu)的中心部分也就是中間核心部件，包括電熱絲、薄壁鋼管密封擋圈等，在電熱絲與薄壁鋼管之間用氧化鎂粉末隔開(kāi)，一方面是由于氧化鎂粉末不導(dǎo)電，所以可以防止電熱絲與鋼管通電，另一方面是由于氧化鎂粉末導(dǎo)熱性能好，可以把電熱絲上的熱量及時(shí)的傳遞到鋼管再傳給外部液體?？傮w如下圖20所示圖21熱壓機(jī)構(gòu)中的中心部分具體各個(gè)零部件的尺寸與結(jié)構(gòu)如下圖21、圖22、圖23所示圖22電熱絲電熱絲中間部分是沒(méi)有絕緣層的，兩邊的絕緣層和密封擋圈是為了把氧化鎂粉末與外界隔開(kāi)，同時(shí)也可以使熱量向里面?zhèn)鬟f，一般電熱絲直徑為0.5mm，加上一層橡膠皮初定直徑為2mm，總長(zhǎng)度是比薄壁鋼管稍長(zhǎng)，自由定長(zhǎng)度，無(wú)橡膠皮的電熱絲長(zhǎng)度是小于鋼管的長(zhǎng)度與密封擋圈2倍長(zhǎng)度的差。圖23密封擋圈密封擋圈的內(nèi)徑是和電熱絲的橡膠皮外徑相同，外徑是跟薄壁鋼管相同，長(zhǎng)度是比橡膠皮短，初定為55mm。圖24薄壁鋼管薄壁鋼管的主要作用就是使得電熱絲與外部的液體隔開(kāi)，同時(shí)是為了使氧化鎂粉末圍繞在電熱絲的周圍，使得電熱絲的熱量能夠很均勻的散出去。3.2.3熱壓機(jī)構(gòu)中的溫控裝置1）溫控開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)熱壓機(jī)構(gòu)中的溫度控制，是通過(guò)溫控開(kāi)關(guān)來(lái)控制，由于紙上的膠是在40℃融化，所以選用的溫控開(kāi)關(guān)的型號(hào)為KSD9700-2,類型:金屬膨脹式,開(kāi)關(guān)類型:常閉,工作電壓:250V,過(guò)載電流:5A,動(dòng)作溫度:65-75（）,壽命:10000（次）,品牌:FSJY。溫控開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示圖25溫控開(kāi)關(guān)2）溫控開(kāi)關(guān)的原理溫控開(kāi)關(guān)也叫溫控器有多種型式其原理如下：蒸氣壓力式：波紋管的動(dòng)作作用于彈簧，彈簧的彈力是由控制板上的旋鈕所控制的，毛細(xì)管放在空調(diào)機(jī)的室內(nèi)吸入空氣的風(fēng)口處，對(duì)室內(nèi)循環(huán)回風(fēng)的溫度起反應(yīng)。當(dāng)室溫上升至調(diào)定的溫度時(shí)，毛細(xì)管和波紋管中的感溫劑氣體膨脹，使波紋管伸長(zhǎng)并克服彈簧的彈力把開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通，此時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)制冷，直到室溫又降至設(shè)定的溫度時(shí)，感溫包氣體收縮，波紋管收縮與彈簧一起動(dòng)作，將開(kāi)關(guān)置于斷開(kāi)位置，使壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)電路切斷。以此反復(fù)動(dòng)作，從而達(dá)到控制房間溫度的目的。電子式溫度控制器：電子式溫度控制器（電阻式）是采用電阻感溫的方法來(lái)測(cè)量的，一般采用白金絲、銅絲、鎢絲以及半導(dǎo)體（熱敏電阻等）為測(cè)溫電阻，這些電阻各有其優(yōu)確點(diǎn)。家用空調(diào)的傳感器大都是以熱敏電阻式。金屬膨脹式溫控器：根據(jù)物體熱漲冷縮原理。熱漲冷縮是物體的共性，但不同物體其熱漲冷縮的程度不一樣。雙金片的兩面是不同物質(zhì)的導(dǎo)體，在變化的溫度下由于漲縮程度不一樣而使雙金片彎曲，碰到設(shè)定的觸點(diǎn)或開(kāi)關(guān)，使設(shè)定的電路（保護(hù)）開(kāi)始工作。其中本課題選用的是最后一種金屬膨脹式溫控器，它具有工作溫度性能固定，不需調(diào)整、干脆、動(dòng)作可靠、不拉弧、使用壽命長(zhǎng)、精度高、體積小、量輕、可靠性高、無(wú)線電干擾少等特點(diǎn)。3.2.4熱壓機(jī)構(gòu)中的外部結(jié)構(gòu)外部刀架結(jié)構(gòu)主要包括刀柄、銷、螺母、螺栓、軸承座、刀架等組成?？傮w結(jié)構(gòu)圖顯示了各個(gè)零件的裝配關(guān)系如下圖所示圖26外部刀架結(jié)構(gòu)加熱輥外部結(jié)構(gòu)爆炸圖顯示出了各個(gè)零件如下圖所示圖27加熱輥外部結(jié)構(gòu)爆炸圖其中主要零件圖結(jié)構(gòu)和尺寸如下圖所示圖28支架支架上部的圓盤(pán)是為了與刀柄進(jìn)行連接，上面打有M8螺紋孔是為了固定刀柄，左右兩邊結(jié)構(gòu)是為了連接軸承座，其中有直徑為10mm的孔，是為了通過(guò)銷來(lái)連接軸承座與支架。圖29刀柄刀柄是根據(jù)MV-610加工中心型號(hào)為DIN69871簡(jiǎn)稱JT40，尺寸如下圖圖30刀柄尺寸刀柄下部連接一圓盤(pán)，是為了與支架連接，上面通有直徑為9mm的孔。圖31銷銷直徑為10mm與支架采用過(guò)贏配合，與軸承座是可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的。圖32軸承座大孔直徑跟軸承外徑相同為42mm，大孔深度12mm，其中直徑為38mm的孔是為了軸承定位，上端開(kāi)有直徑為10mm的孔與銷連接。3.2.5熱壓機(jī)構(gòu)的熱壓滾筒外殼1）熱壓機(jī)構(gòu)的熱壓滾筒部分總體裝配關(guān)系如下圖所示圖33熱壓滾筒圖34滾筒爆炸圖上圖是總體裝配圖關(guān)系的爆炸圖，其中軸承座是由螺母固定，其中由于軸承座的孔的外徑大于螺母，所以在中間添加了墊片，是為了更好的固定軸承座，右邊有溫控開(kāi)關(guān)和密封墊。2）其中重要零件的三維圖如下圖所示圖35熱壓滾筒在熱壓滾筒的外邊套一層橡膠皮，中間長(zhǎng)度是跟紙得寬度一樣，也是410mm，在外邊上留有臺(tái)階用來(lái)?yè)踺S承內(nèi)圈，其中中間留有一定的空間用來(lái)裝液體，邊上留有裝溫控開(kāi)關(guān)的方孔。圖36螺母和墊片上圖中的螺母是六角薄螺母A級(jí)和B級(jí)M20[GB／T6172．1-2000],厚度為10mm，墊片為平墊圈C級(jí)24×4[GB／T95-2002]。圖37密封圈上圖密封圈外部與熱壓輥是過(guò)贏配合，是為了防止液體從熱壓輥端部流出，內(nèi)部與薄壁鋼管過(guò)贏配合，也是為了防止液體流出。上圖深溝球軸承外徑42mm，內(nèi)徑20mm，厚度為12mm。型號(hào)為6004-2Z3.3切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.3.1激光的研究背景激光的最初的中文名叫做“鐳射”或“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞。意思是"通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光［17］。激光產(chǎn)生的三個(gè)條件如下：(1)有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；(2)有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；(3)有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性［18］。3.3.2激光器的種類激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式等幾個(gè)方面進(jìn)行分類介紹。(1)按工作物質(zhì)分類根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體（晶體和玻璃）激光器；②氣體激光器，而進(jìn)一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機(jī)熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物溶液；④半導(dǎo)體激光器；⑤自由電子激光器。(2)按激勵(lì)方式分類①光泵式激光器；②電激勵(lì)式激光器；③化學(xué)激光器；④核泵浦激光器。(3)按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類由于激光器所采用的工作物質(zhì)、激勵(lì)方式以及應(yīng)用目的的不同，其運(yùn)轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應(yīng)有所不同，從而可區(qū)分為以下幾種主要的類型。①連續(xù)激光器；②單次脈沖激光器；③重復(fù)脈沖激光器；④調(diào)激光器；⑤鎖模激光器；⑥單模和穩(wěn)頻激光器；⑦可調(diào)諧激光器。3.3.3CO2激光器的優(yōu)缺點(diǎn)與其它激光器相比，CO2激光器有著以下優(yōu)缺點(diǎn)，如下：優(yōu)點(diǎn)：具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，CO2氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器?。?9］。缺點(diǎn)：CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過(guò)40％，這就是說(shuō)，將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。這些因素都會(huì)使激光器的輸出功率下降，甚至產(chǎn)生“溫度猝滅”［20］。3.3.4二氧化碳激光器原理CO2激光的激發(fā)過(guò)程，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮?dú)?，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體。加入的氦有兩個(gè)作用：一個(gè)是可以加速010能級(jí)熱弛預(yù)過(guò)程，因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空；另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)有效的傳熱。氮?dú)獾募尤胫饕贑O2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用［21］。CO2激光器的基本結(jié)構(gòu)CO2激光器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示圖38CO2激光器結(jié)構(gòu)上圖是為一種典型的CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。CO2激光器是由CO2激光管，電源及泵浦，光學(xué)諧振腔組成。1）CO2激光管CO2激光管是激光機(jī)中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲(chǔ)氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細(xì)一般來(lái)說(shuō)對(duì)輸出功率沒(méi)有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)管長(zhǎng)而定［22］。在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，每米放電管長(zhǎng)度輸出的功率隨總長(zhǎng)度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩(wěn)定。放電管在兩端都與儲(chǔ)氣管連接，這樣就可使氣體在放電管中與儲(chǔ)氣管中循環(huán)流動(dòng)，放電管中的氣體隨時(shí)交換［23］。2）光學(xué)諧振腔CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英，經(jīng)加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長(zhǎng)10.6μm處的反射率達(dá)98.8％［24］，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料，因?yàn)槠胀ü鈱W(xué)玻璃對(duì)紅外光不透。就要求在全反射鏡的中心開(kāi)一小孔。再密封上一塊能透過(guò)10.6μm激光的紅外材料，以封閉氣體。這就使諧振腔內(nèi)激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。3）電源及泵浦封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。泵浦采用連續(xù)直流電源激發(fā)。激勵(lì)CO2激光器直流電源原理，直流電壓為把市內(nèi)的交流電壓，用變壓器提升，經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。3.3.5CO2激光器型號(hào)的確定由于切割紙需要的功率不大，所以選用了激光器為二氧化碳激光器其型號(hào)為EDC40，功率為40W，長(zhǎng)度為700mm，直徑為50mm。4主要零件的強(qiáng)度校核由于在整個(gè)結(jié)構(gòu)中受力都比較小，其中送料軸與收料軸只是受到很小的摩擦力，受到很小的扭矩，可以忽略不計(jì)，而紙的自重可能會(huì)使?jié)L筒彎曲，對(duì)彎曲強(qiáng)度需要進(jìn)行一定的校核。而支撐體也只是收到薄壁鋼管的摩擦力，也可以忽略不計(jì)。在熱壓結(jié)構(gòu)中，整體也只是在壓紙時(shí)受到很小的力，所以整個(gè)受力可以忽略不計(jì)。4.1送料軸的強(qiáng)度校核4.1.1送料軸的彎曲強(qiáng)度校核送料軸的二維圖如下圖所示圖39送料軸二維圖由于考慮啟動(dòng)、停車等影響，彎矩在軸截面上鎖引起的應(yīng)力可視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力。則其中：M為軸所受的彎矩，N·mmW為危險(xiǎn)截面抗扭截面系數(shù)()具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知=0.1x203=800mm3為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)許用彎曲應(yīng)力(MPa)具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知=240MPa其中送料軸主要受涂覆紙重力的影響，紙的密度ρ=0.751~0.950g/cm3，初步定為0.80g/cm3，可以估算紙的體積為V=1770.175cm3，則質(zhì)量m=ρ.V=1416.14g可以計(jì)算出M=1486.947N·mm4.1.2送料軸的危險(xiǎn)截面校核按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確計(jì)算：這種校核計(jì)算的實(shí)質(zhì)在于確定變應(yīng)力情況下軸的安全程度。在已知軸的外形、尺寸及載荷的基礎(chǔ)上，即可通過(guò)分析確定出一個(gè)或多個(gè)危險(xiǎn)截面（這時(shí)不僅要考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的大小，而且要考慮應(yīng)力集中和絕對(duì)尺寸等因素影響的程度），按照公式求出計(jì)算安全系數(shù)并應(yīng)使其稍大于或至少等于設(shè)計(jì)安全系數(shù)。公式如下：其中：為只考慮彎矩作用時(shí)的安全系數(shù)為只考慮扭矩作用時(shí)的安全系數(shù)[S]為按疲勞強(qiáng)度計(jì)算的許用安全系數(shù)：見(jiàn)下表[S]選取條件1.3-1.5載荷確定精確,材料性質(zhì)均勻1.5-1.8載荷確定不夠精確,材料性質(zhì)不夠均勻1.8-2.5載荷確定不精確,材料性質(zhì)均度較差僅有法向應(yīng)力時(shí)，應(yīng)滿足僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時(shí)，應(yīng)滿足式中對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限(MPa)，具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.1-1=240MPa對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限(MPa)，具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.1-1=140MPa為彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù),具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.3.5-7=2.62=1.61為表面質(zhì)量系數(shù),具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.3-8-10.=0.92為材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù),具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.3-13.=0.34=0.21為彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力(MPa)具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.3-12=2MPa=0MPa為轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力(MPa)由于只受法向應(yīng)力則S>該軸截面（安裝軸承處）是安全的。5結(jié)論本文主要