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文档简介

快速成型技术和并联机床的功用比较快速成型快速成型的基本原理:快速自动成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称,它集成了CAD技术、数控技术。激光技术和材料技术等现代科技成果:是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同,快速成型从零件的CAD几何模型出发,通过软件分层离散和数控成型系统,用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。快速自动成型技术问世不到十年,已实现了相当大的市场,发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段,与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。人们用其长避共短,效益非凡。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起,快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段,在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件,将其转换成STL文件格式,再用一软件从STL文件 切(Slice)出设定厚度的一系列的片层,或者直接从CAD文件切出一系列的片层,这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后,将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去,类似于计算机向打印机传递打印信息,用材料添加法依次将每一层做出来并同时连结各层,直到完成整个零件。因此,快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型体信息通过材料逐层添加法直接制造出来,而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点:(1)产品制造过程几乎与零件的复杂性无关,可实现自由制造(Free FormFabrication),这是传统方法无法比拟的。(2)产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。(3)由于采用非接触加工的方式,没有工具更换和磨损之类的问题,可做到无人值守,无需机加工方面的专门知识就可操作。(4)无切割、噪音和振动等,有利于环保。(5)整个生产过程数字化,与CAD模型具有直接的关联,零件可大可小,所见即所得,可随时修改,随时制造。(6)与传统方法结合,可实现快速铸造,快速模具制造,小批量零件生产等功能,为传统制造方法注入新的活力。设备构成:Z310PLUSZPrinter 310 Plus 可在几个小时之内直接从计算机数据创建实体模型,而不需要几天时间。该系统作业速度快、通用性强而且操作简单,允许工程师创建多种概念模型和功能测试部件,不仅快捷而且成本低。该系统特别适用于办公环境或教育院校,可向产品开发人员提供使用三维成型机的便利性。ZPrinter 310 Plus 精巧的设计和直观用户界面,使其成为了一种理想的入门级快速原型制作系统。另外,该设备的多功能性使用户能够为初期阶段的概念评定和测试、已确定外观的彩色部件和铸造模型快速制作部件。 型号ZPrinter310Plus作业能力203 x 254 x 203 毫米(8 x 10 x 8 英寸)层厚0.089 - 0.203 毫米(0.0035-0.008 英寸)彩色- - -机身尺寸74 x 86 x 109 厘米(29 x 34 x 43 英寸)机身净重115 公斤 (255 磅)打印文件格式STL材料选项高性能复合材料、弹性伸缩材料、高弹性材料、直接铸造材料、熔模铸造材料几种常见快速成型方式:光固化立体造型(SLStereolithography)该技术以光敏树脂为原料,将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕,移动工作台,在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此重复直到整个零件原型制造完毕。SL法是第一个投入商业应用的RP技术。目前全球销售的SL设备约占RP设备总数的70左右。 这种方法的特点是精度高、表面质量好。原材料利用率将近100,能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如手饰、工艺品等)的零件。分层物件制造(LOMLaminated Object Manufacturing)LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起,位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据,用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓,然后新的一层纸再叠加在上面,通过热压装置和下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割,这样反复逐层切割一粘合一切割直至整个零件模型制作完成。选择性激光烧结(SLSSe1ected Laser Sintering)该法采用CO2激光器作能源,目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄(100200)的粉未,激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前,成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶段。熔融沉积造型(FDMFused Deposition Modeling)FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上(通常控制在比熔点高1左右)。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料(丝材直径一般在1.5mm以上)从喷头中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在00250762mm,一层叠一层最后形成整个零件模型。快速成形技术针对不同的成形材料和应用途径有许多工艺实现形式,它们各有特点。一些工艺还处在实验室研究阶段,目前成熟的商业化工艺主要有以下4种:光固化成形技术、迭层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积制造。下面主要对这四种方法的共性问题和非共性问题进行简单讨论。目前成熟的快速成形设备及其工作原理都基于分层制造的思想,其基本流程如下图:快速成形的基本思路是一致的,但不同的技术方法具有各自不同的特点,下面是目前比较成熟的四种快速成形方法的特点。 光固化快速成形(SL)的特点:(1)可以制造任意复杂形状的零件。 (2)精度是最高的。(3)价格贵。 (4)成形过程中的化学和物理变化使得尺寸精度不易保证,且会发生蠕变。(5)需要进行支撑设计。迭层实体制造(LOM)的特点:(1)激光切割。(2)零件交截面外的材料用打网格的办法使之成为小方块,便于去除。(3)成卷带料供材。(4)行程开关控制加工平面。(5)热压辊对最上面的新层进行碾压。(6)先热压、粘接,后切割,防止定位不准。选择性激光烧结(SLS)的特点:(1)制造工艺比较简单,不需支撑。(2)不仅大大简化设计制作过程,而且不会因去除支撑影响制件精度与表面质量。精度依赖于使用材料的种类、粒径、产品的几何形状和复杂程度。 (3)制造成本较低。(4)可制备复杂形状零件,但成型速度较慢。(5)可采用多种材料。熔融沉积制造(FDM)的特点:(1)工艺过程简单,实用,安全无污染。(2)精度较高,能满足原型制造的要求。(3)易维护,易操作,体积小,价格低。(4)材料广泛(陶瓷,石蜡,金属有机化合物等)。(5)桌面型RP设备之可行工艺,原型鲜艳色彩。(6)可实现曲面分层和自适应分层。根据不同成形技术的特点,总结各个成形技术在成形速度、成形精度、复杂程度、零件大小、应用材料方面情况如图8所示。SLLOMSLSFDM成形速度较快快较慢较慢成形精度较高较高较低较低制造成本较高低较低较低复杂程度中等中等复杂中等零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料热固性光敏树脂纸、金属箔、塑料薄膜石蜡、塑料、金属、陶瓷粉末等石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等并联机床结构并联机床(Parallel Machine Tools),又称并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools),也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的,是近年才出现的一种新概念机床,它是并联机器人机构与机床结合的产物,是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”,成为机床家族中最有生命力的新成员。 并联机床的特点 整体而言,传统的串联机构机床,是属于数学简单而机构复杂的机床,而相对的,并联机构机床则机构简单而数学复杂,整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算,因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念,抛弃了固定导轨的刀具导向方式,采用了多杆并联机构驱动,大大提高了机床的刚度,使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外,由于其进给速度的提高,从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点,在许多领域都得到了成功的应用,因此受到学术界的广泛关注。由并联、串联同时组成的混联式数控机床,不但具有并联机床的优点,而且在使用上更具实用价值。 随着高速切削的不断发展,传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈,而并联式平台便成为最佳的候选对象,而相对于串联式机床来说,并联式工作平台具有如下特点和优点: 结构简单、价格低。 机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少,主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成,这些通用组件可由专门厂家生产,因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多,容易组装和搬运。 结构刚度高。 由于采用了封闭性的结构(closed-loop structure)使其具有高刚性和高速化的优点,其结构负荷流线短,而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受,以材料力学的观点来说,在外力一定时,悬臂量的应力与变形都最大,两端插入(build-in)次之,再来是两端简支撑(simply-supported),其次是受压的二力结构,应力与变形都最小的是受张力的二力结构,故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。 加工速度高,惯性低。 如果结构所承受的力会改变方向,(介于张力与压力之间),两力构件将会是最节省材料的结构,而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动,因此机器很容易高速化,且拥有低惯性。 加工精度高。 由于其为多轴并联机构组成,六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用,因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象,甚至还有平均化效果(averaging effect);其拥有热对称性结构设计,因此热变形较小;故它具有高精度的优点。 多功能灵活性强。 由于该机床机构简单控制方便,较容易根据加工对象而将其设计成专用机床,同时也可以将之开发成通用机床,用以实现铣削、镗削、磨削等加工,还可以配备必要的测量工具把它组成测量机,以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景,在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。 使用寿命长。 由于受力结构合理,运动部件磨损小,且没有导轨,不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。 Stewart平台适合于模块化生产。 对于不同的机器加工范围,只需改变连杆长度和接点位置,维护也容易,无须进行机件的再制和调整,只需将新的机构参数输入。 变换座标系方便。 由于没有实体座标系,机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成,非常方便。 Stewart平台应用于机床与机器人时,可以降低静态误差(因为高刚性),以及动态误差(因为低惯量)。而Stewart平台的劣势在于其工作空间较小,且其在工作空间上有着奇异点的限制,而串联工作平台,控制器遇到奇异点时,将会计算出驱动装置无法达成的驱动命令而造成控制误差,但Stewart平台在奇异位置会失去支撑部分方向的力或力矩的能力,无法完成固定负载对象。 相关图片: 五轴联动并联机床 产品

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