毕业设计（论文）-熔融沉积快速原型机的设计.doc

济南大学毕业设计第一章 前言快速成型技术作为基于离散、堆积原理的崭新的加工方法，它与传统的加工机床和工具制造产品的方法不同，无需多道工序，可以一次快速成型。其中基于高聚物材料的熔融挤压快速原型技术更因其材料性能的优越性和低廉的成本而倍受工业制造业的重视。1.1选题背景1.1.1国内外研究现状快速原型制造技术（Rapide Prototyping）是当今世界上发展最快的制造技术，该技术由最初的发展期步入成熟期，虽然其发展速度有所减缓，但近年来RP新工艺、新装备仍是最活跃的领域。RP制造的主流工艺有：美国3D SYSTEM的立体光刻(SLA)，美国Helisys的分层实体制造(LOM)，德国ESO的选择性激光烧结(SLS)，美国Stratasys的熔融堆积成形(FDM)，美国MIT-Z的三维打印(3-DP)。其中对RP发展具有里程碑意义的3D SYSTEM公司，已由最初的SLA-l发展到最新SLA-5000System、SLA-7000 System，ViperTM Pro SLA system，目前SLA的精度可以达到25m。我国最早在RP技术方面开展工作的高校有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重，其中清华大学以FDM和LOM为主，西安交通大学则是SLA，北京隆源自动成形系统有限公司为SLS，而华中理工大学主要为LOM。清华大学于1992 年引进了SLA2250光固化成形设备，成立了激光快速成型中心，从此该校在RP 成形理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究开发工作。1.1.2选题的目的及意义作为基于离散、堆积原理的崭新的加工方法，快速成型技术与传统的机床加工和工具制造有明显的不同，是制造业的一次创新，是制造技术的一次飞跃。快速成型技术逐渐得到了工业界的重视，渗透到更多的领域，取得越来越多的应用成果。快速成型制造技术中，熔融沉积是以材料累加的方法制造工件的先进制造技术。它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成于一体，利用材料逐层迭加累积成型的原理来制造产品。熔融沉积快速成型制造技术特别适合于形状复杂、精细的零件加工，生产柔性化很高，技术高度集成，设计制造不需专门的工装夹具和模具，大大缩短了新产品的试制时间，零件的复杂程度和生产批量与制造成本无关。从以上内容可知，快速原型技术虽然不同于传统加工方法，而且发展较晚，但是因其特殊的加工性能和成性特点正在逐步的完善和推广，有很大的研究价值。1.2熔融沉积造型技术（FDM）简介熔融沉积技术（Fused Deposition Modeling）是快速原型技术的重要组成之一，其成型的方法是：首先系统将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制喷嘴移动轨迹的几何信息；运作时FDM加热头把热塑材料（如聚脂塑料、ABS塑料、蜡等）加工到临界状态，在微机控制下喷嘴沿着CAD确定的平面几何信息数据运动并同时挤出半流动的材料，沉积固化成精确的实际零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层并同样固化，且与已固化层牢固地连接在一起；如此反复，由下而上形成一个三维实体。其原理如图1.1所示：成型件支撑板喷头图1.1 FDM工艺原理如上图所示，FDM成型系统是通过融融堆积逐层成型出工件的，所以要有成型支撑板；成型材料是通过熔融后挤出成型，所以要有加热装置和喷头；材料需能够源源不断地用于熔融和挤出，而且要方便送入喷头，所以选择原材料为丝状，成型系统中须有送丝机构；在逐层成型工件的过程中，每个层面的任意一点都要有材料填充，喷头要运动到每个层面的任一位置，所以要有运动机构。综上所述，FDM成型系统主要由支撑板、送丝机构、运动及其控制机构、加热装置、喷头构成。成型过程中，丝状成型材料在喷头中被加热到高于熔点，呈半流体，然后喷头中挤压出来；喷头受水平分层的数据信息控制，在XY平面作联动扫描，按照成型件的截面轮廓作轨迹填充运动，运动中喷出的熔融材料很快凝固，并与先前层黏结在一起；一层成型完后，支撑板沿Z轴向下移动一个层厚度，打印下一层。如此循环往复，直至整个零件成型完毕。目前的熔融沉积工艺中，为了使成型速度不会太慢，同时提高成型精度，每层厚度选择范围0.020.25mm。FDM工艺的关键是保持半流动的熔融材料刚好在凝固点之上，通常是高于熔点12度。因为FDM快速熔融堆积成型技术的自身原理特点，其对成型材料有较高的要求。主要有：熔融温度低、黏度低、黏结性好、收缩率小。在当今的FDM工艺中通常选择聚碳酸酯、铸造蜡丝等。加工铸造模型时，用蜡丝成型的模具可直接用于失蜡铸造。本篇论文设计的快速原型机为了能够一次成型所需工件，采用ABS工程塑料作为成型材料。实测结果表明ABS的流变行为为非牛顿性，粘度对剪切速率比对温度更为敏感；ABS有一定的吸水性，在成型加工以前，应在7080温度下烘干4小时以上，以保证材料的含水量低于0.1%；材料为无定型聚合物，收缩率小，成型度好。1.3快速成型技术的发展趋势快速成型技术作为一种新型的加工技术，以其独特的加工性能正在逐渐地被推广应用，而因为该技术的不成熟和巨大的可发展空间，正在被更加深入地研究。目前，快速成型技术发展方向趋势主要有：（1）新型加工材料和相应工艺的研究。快速成型技术生产的工件材料和工件的性能都比较固定，而对工件高强度、多功能和后加工性能的要求逐渐在提高。扩大成型材料的范围，改进加工工艺是目前快速成型技术发展的一个趋势，近年来例如陶瓷等作为成型材料的研究正在逐步开展。（2）提高成型精度。在快速成型过程中，材料、软件片层处理精度、系统误差和原理误差等都影响着成型工件的精度。目前，快速成型机的制造精度在x-y平面约为0.08mm，在Z方向的精度要更低。为了解决这个问题，目前主要通过改进激光光源系统和提高电机控制系统来提高制品的精度和表面质量。（3）提高技术工艺的集成化。目前的快速原型机比较独立，工艺单一，而集成之后的设备可以完成多种快速制造技术，提高功能性，适用于加工多种材料，提高了设备的通用性，降低了设备采购成本。（4）结合其他技术，。快速成型技术结合计算机网络远程制造技术、CAX、反求工程等，可以实现设计和制造过程的统一和协调，设计和制造的信息交流高度集成，提高加工效率。（5）快速成型技术的标准化。目前，快速成型技术的工艺方法在许多方面缺乏统一的规范和标准，标准化的研究有利于快速成型技术的推广和应用。第二章 快速原型机整体和各部件的设计本章依据熔融沉积的成型原理及成型机的工作方式设计快速原型机。根据成型系统的各部分组成及其作用，本文将成型机划分成三大部分：机械系统，控制系统和三维图形片层分析系统。下面依据设计指标和设计的原理对各组成部分进行具体分析和整体设计。2.1快速成型机的设计指标及参数本篇论文设计的熔融沉积快速原型机最大加工尺寸XYZ为250250300（mm），由步进电机驱动进给，单片机控制，成型精度为0.5mm以内。2.2快速成型机机械系统结构整体设计熔融沉积快速成型技术成型原理是在微机控制下喷嘴沿着CAD确定的平面几何信息数据运动并同时挤出半流动的材料，沉积固化成精确的实际零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层并同样固化，且与已固化层牢固地连接在一起，如此反复，由下而上形成一个三维实体。在成型过程中，机械运动有：喷头的水平运动、喷头竖直方向运动、丝状原材料的运输运动。于是成型机的机械结构设计就分为三个部分：（1）喷头的XY水平坐标轴联动机构。为了实现喷头的水平运动，快速成型机采用XY轴联动的十字坐标轴机构。喷头安装在X轴上，可以沿X轴横向移动；X轴安装在Y轴上，连同喷头可以沿Y轴纵向移动。（2）支撑板的Z轴方向竖直运动。为了方便材料的成型，提高工件的尺寸加工精度，逐层成型的层移运动不采用喷头的竖直运动，而是使支撑板作Z轴方向运动。当一层的材料成型结束后，支撑板向下移动一个层厚，固定，在进行下一层的成型。这样的设计减少了喷头的Z轴的运动，可以简化机构，提高加工的效率；支撑板单独做Z轴的竖直运动，能够保证运动精度，提高成型的尺寸精度。（3）喷头的丝料传送机构。在工件成型过程中，熔融材料不断堆积成型，这就需要原材料的不间断供应。成型机的原材料选用丝状ABS工程塑料，采用滚轮进行丝料的传送，用一对滚轮夹持丝料，通过滚轮的旋转，利用摩擦力将丝料推向加热腔，丝料在加热腔内被加热熔融。未熔融的材料丝被推入加热腔过程中，如同活塞一样将腔内的熔融材料从喷头挤出，凝固后成型成工件。2.3快速成型机控制系统整体设计成型机的机械结构主要有喷头的水平运动机构、支撑板的竖直运动机构和送丝机构三部分组成。成型的具体过程为：丝料由送丝机构推入喷头的加热腔，熔融并挤出；材料挤出之后喷头的水平运动机构带动喷头运动，挤出的材料在运动过程中均匀地铺在上一层材料表面，并迅速凝固成工件新的一层；一层完成之后，支撑板在竖直运动机构的带动下向下运动一个层厚，接着喷头再进行下一层的成型。在整个的成型过程中，丝料的送入必须保证加热腔内的材料已经融化而且能够挤出，送丝速度必须与材料的熔融速率相匹配，过快会使熔融物料反向流动从加料口冒出，过慢则会使材料从喷嘴间断流出；熔融材料挤出后，在上一层工件表面凝固，由喷头的运动实现材料的均匀成型，因为材料的挤出速度一定，而挤出的材料凝固的时间也一定，则喷头水平运动的速度必须与材料挤出速度相匹配，过快会使材料成型不均匀，过慢会导致材料在喷嘴处堵塞；一层成型完成后，支撑板须立即向下运动一个层厚，为下一层成型做准备。由以上的分析可知，送丝机构、喷头水平运动机构和支撑板竖直方向运动机构的运动相互关联，必须同时控制多个运动使它们联动。本篇论文设计采用步进电机驱动、单片机控制，选用MCS8031单片机实现多轴联动差补控制。2.4快速成型机三维图形片层分析系统整体设计快速成型技术与传统加工技术的最主要区别在于加工成型的快速性，并且能够一次成型而无需多道工序。熔融沉积快速原型技术的成型原理是逐层堆积，所以在成型之前必须对工件进行片层分析。本篇论文设计的快速原型机为了能够实现快速成型，设计了与成型机相配套的片层分析和数据处理软件系统，可以分析STL格式下的三维图形，并分析数据供成型机读取，实现三维设计设计与实体加工一体化。第3章 快速原型机的机械设计本章根据前面部分章节的熔融沉积快速原型机的理论和运动分析，详细设计了成型机的三部分运动机械机构和整体的结构，实现了基本的运动，满足成型机的成型要求。3.1喷头的X-Y水平坐标轴联动机构设计由上文分析可知，喷头的X-Y水平坐标轴联动机构的作用是实现喷头的水平运动来实现一个层面的成型。本文所设计的最大加工（成型）尺寸XYZ为250250300（mm），因此设计喷头的最大行程为XY=400400（mm），X、Y轴的长度为450450（mm）。本篇论文先行设计喷头水平位移联动机构和喷头的水平移动速度，然后再由此确定送丝机构、送丝速度、加热腔功率和喷嘴的尺寸等。3.1.1传动方式的选择为了达到快速成型的目的，根据ABS工程塑料的熔融温度和熔融、凝固速率，确定成型机的成型速度，即喷头的水平移动速度为6m/min。与传统的加工工艺相比，成型机的成型速度远大于加工的进给速度，甚至大于一般刀具的快速移动速度。由此可知成型机的成型速度很高，属于高速加工运动；成型机最主要的成型机构为喷头，喷头的主要结构包括加热器、喷嘴、送丝轮和其他温度控制器等电子元件，其质量远小于传统加工中的刀具和道具固定机构，属于轻量化机械运动；因此本文设计的成型机不采用传统的丝杠进给，为了适应高速运动而采用皮带传动。皮带传动适合轻量化高速运动，而且结构简单，传动平稳，非常适符合型机的要求。但是由于皮带自身的缺陷，传动过程会有弹性滑动，主动轮的线速度大于带的速度，而从动轮的线速度小于带速，、之间有滑动率： （3-1）其中 （3-2） （3-3）式中、分别为主动轮与从动轮的转速，r/min。由上式可得带传动的平均传动比为 （3-4）由式（3-4）可知，皮带弹性滑动会导致传动比不精确。而成型机成型过程中，为了保证成型工件的精度，必须使传动比精确，成型过程有频繁的往复运动，更是对带传动的精确性提出了更高的要求。为了达到以上的要求，本篇论文选用齿形带作为传动带。齿形带为一种特殊的平带，平带内侧设置节距相等的40梯形凸部，带轮上均匀分布着轮齿，可以和带啮合。因此带与带轮进行传动时不会产生滑移和变速，最大限度地降低了皮带弹性滑动对传动的影响，因此齿形带又称为同步带。齿形带与带轮的结构如图3.1所示：图3.1 齿形带结构示意图3.1.2 X-Y轴水平导轨及带轮的结构设计为了方便带轮的传动，本文设计了X-Y轴圆柱形滑动导轨，带轮拖动喷头货或导轨滑动，实现喷头在水平面的移动。具体结构设计如下：（1） X轴导轨。喷头安装在X轴导轨上，可以沿着导轨滑动，为了保证喷头的定位和移动稳定，X轴导轨有两个，在同一竖直面上下平行布置；喷头与部分齿形带用螺钉夹紧固定，齿形带的两个带轮固定在X轴的两端，右边为主动轮，与电机相连，电机带动带轮转动，拖动与带相连的喷头沿着圆柱形导轨在x方向滑动。（2） Y轴导轨。X轴导轨连同喷头共同安装在Y轴导轨上，Y轴导轨有两根，支撑X轴的两端，在同一水平面平行布置。为了能够精确拖动X轴导轨，保证喷头Y轴方向移动的准确性，采用单电机驱动、双带轮拖动：两个带轮安装在同一根传动轴的两端，所拖动的两根齿形带分别与X轴导轨用螺钉夹紧固定，电机运转，带动带轮转动，拖动齿形带和与齿形带固定的X轴导轨沿Y轴滑动。因为两个带轮安装在同一根转轴上，转速相同，当选用两个带轮的尺寸、型号相同时，就可以保证X轴导轨两端的运动速度相同和喷头Y轴方向的移动精度。综上所述，X-Y轴水平导轨的结构如图3.2所示：zyx Y轴导轨 齿形带(X) X轴导轨 喷头架 Y轴导轨 电机 齿形带(Y) 图3.2 X-Y轴水平导轨的结构图3.1.3 X-Y轴联动机构的设计计算熔融沉积快速原型技术的成型原理是，通过挤出半流体熔融料的沉积而逐层成型。成型过程中，喷头与成型板和成型件非接触，喷头移动不会有走刀抗力，电机带动带轮运转主要克服在导轨上滑动产生的滑动摩擦力。由以上的结构设计，导轨为圆柱形，长度XY=450450（mm）。为了保证喷头的移动精度、导轨的强度和刚度，选择导轨直径=16mm，采用脂润滑，摩擦系数f=0.15。喷头与导轨的运动为高速轻量化运动，Y轴导轨支撑喷头和X轴导轨，阻力最大。现以Y轴为对象，计算齿形带型号与尺寸。Y 轴的支撑重量为50N，为了保证其正常运行，选择步进电机最大功率=400W转速n=750r/min。从科技出版社的机械设计制图手册中查询带轮的相关图表数据，计算如下：（1）设计功率的计算。设计功率 式中 过载荷系数，查表11.80取=1.2； 使用惰轮补偿系数，查表11.81取=0； 加速补偿系数，查表11.82取=0。代入数据 W（2）选择带型。由手册图11.64选择带型为XL，其节距p=5.08mm。（3）带轮齿数与外径。本机型使用的带轮为等速传动，两个带轮的尺寸相同，由表11.83选择带轮齿数，计算外径、，mm由续表11.79，计算带轮标准外径 t轮齿节线深度，查表11.79得t=0.25；代入得 mm（4）带长L和轴间距C。式中 C轴间距，由Y向加工尺寸为250初步确定C=500mm；代入得 mm查表11.78确定齿形带带长L=1066.8mm，代号255。由带长计算轴间距Cmm（5） 带宽B。皮带速度 m/s齿形带离心力 式中 齿形带单位宽度重量，查表11.84得=0.67N/m；代入 N齿形带每单位宽度的传动功率 式中 带的单位宽度许用张力，查表11.84得=0.182KN；代入 Kw带宽系数 查图11.65可知带宽公称宽度B=12.70mm，代号050。（6） 带轮。带轮标准外径mm，由带宽B=12.70mm确定带轮齿宽W=B+4.8=12.7+4.8=17.5mm，凸缘直径mm。（7）轴间距离调整范围。查表11.86得：内侧最小调整范围=3mm，外侧最小调整范围=3mm。通过以上的设计计算，确定了Y轴传动的导轨及齿形带参数。而由第2节X-Y 水平坐标轴联动机构的结构设计可知，X轴的齿形带拖动装置只需要带动喷头作水平方向的滑动，载荷比Y轴传动小很多。为了方便原型机设计和制造，X轴与Y轴选择相同形式参数的齿形带。综上所述，本文设计的熔融沉积快速原型机水平联动机构的尺寸参数为：表3.1 X-Y水平联动机构的尺寸参数项目名称X轴参数Y轴参数导轨长度（mm）450450导轨直径（mm）1616齿形带带型XL带长（mm）1066.81066.8带宽（mm）12.7012.70带轮标准外径（mm）2022.14带轮齿宽（mm）17.5017.50带轮凸缘外径（mm）26.428.543.2 Z轴支撑板的传动机构设计在快速成型过程中，支撑板起到了工作台的作用，它不仅是工件成型的起始面，也在加工中支撑着整个成型工件，并通过向下精确的运动使得喷头能够均匀地成型每个层厚。支撑板在喷头水平运动挤出材料时时，要防止上下的位置变动，保持稳定；在一层成型完成后，支撑板向下竖直移动的尺寸要精确，恰好达到一个层厚。为了满足以上的要求，原型机的支撑板采用滚珠丝杠传动：滚珠丝杠传动精度高，自锁性好，能够保证支撑板移动的精度和静止时的稳定性。3.2.1 Z轴传动的结构设计本文设计的快速原型机支撑板采用单丝杠双导轨传动，丝杠与竖直布置，通过轴承固定在成型机箱体上，螺母副固定在支撑板上，丝杠螺母副所在的竖着平面内左右对称布置两根圆柱形滑动导轨。支撑板的整体结构如图3.3： 支撑板 圆形导轨 丝杠 支撑板 圆形导轨 滚珠丝杠螺母副图3.3 支撑板传动系统结构图 3.2.2 滚珠丝杠的设计计算由以上Z轴结构设计可知，丝杠与导轨均竖直布置，丝杠传动主要克服工作台和成型件的重力。工作台质量为3kg，工件的最大尺寸为250250300（mm），ABS工程塑料的密度为，最大成型质量为kg。（1） 进给率牵引力。有工作台和成型件的质量，得丝杠进给的牵引力N（2） 最大动载荷C。L丝杠寿命，单位；支撑板的位移要确保精度，而不必要求传动速度，根据经验设计，丝杆的转速固定为n=100r/min；原型机设计寿命为10年，每年工作300天，每天工作3小时寿命为T=103003=9000h；L=60nT/=54；运转系数，取=1.2；代入 得 N（3）丝杠选型。由上述计算可知，丝杠的载荷比传统的加工工艺小很多。本篇论文设计的快速原型机的成型精度为0.5mm，滚珠丝杠导程选为=2mm。为了适应高精度、轻量化的传动，选择HIWIN系列滚珠丝杠，这类丝杠体积小、重量轻、高精度、高刚度，符合支撑板传动的要求。查询HIWIN系列滚珠丝杠的选型手册，确定丝杠的参数为：型号KK50，丝杠导程2mm，名义直径12mm，长度500mm。3.3 喷头及送丝机构的设计X-Y水平坐标轴联动机构带动喷头作水平位移，Z轴支撑板的丝杠传动机构确保了成型的层厚及精度，送丝机构要求能够在成型过程中均与准确地将熔融材料挤出。丝料的传送要与成型速度和材料的熔融、凝固性能相匹配。3.3.1 成型材料的选择原型机成型过程中，原材料首先在喷头内被加热熔化，然后喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，挤出后熔融材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。从原料到工件，材料经历了从固态到熔融态，再从熔融态到凝结固化的相变过程，所以快速原型技术一般选择热塑性材料。热塑性材料的聚合物在温度变化时，材料的形变特征是连续的，如图3.4所示：高温分解粘流态高弹态玻璃态 高温低温图3.4 材料的温度-形变示意图当温度低于时，聚合物处于玻璃态下，材料呈现为刚硬的固体；当温度在与之间时聚合物处于高弹态，材料呈现类橡胶性质，而且在靠近一侧，聚合物的粘性很大；当温度达到或高于聚合物的粘流温度(无定型聚合物)时，聚合物处于粘流态，材料呈现为高粘性熔体或液体；当温度升高到聚合物的分解温度附近时，将引起聚合物高温分解，会使成型工件的物理机械性能降低和导致外观不良等。本文设计的快速原型机为了方便材料的传送，将其制成直径2mm的细丝状，熔融的材料靠后续丝料的自挤压方式挤出，因此要求具有足够的抗弯强度。用于熔融沉积成型的热塑性丝料的性能要求有：（1） 适当的熔融温度区间。熔融温度区间是指材料保持粘流态的温度范围，即 到之间的温度区间。材料具有适当的熔融温度区间，能够使设定温度处的材料既能达到合适的粘度区间，又能远离氧化分解临界温度。如果熔融温度区间太小，融融点与氧化点相隔太近，将使成形温度的控制变得极为困难。（2） 良好的机械性能。材料做成丝状，则进料方式要求料丝具有较好的抗压强度、抗弯强度和抗拉强度，这样在丝料传送过程中才不会发生断丝和弯曲现象，另外材料还应具有较好的柔韧性，不会在弯曲时轻易的折断。为了提高机械性能，制造丝状材料要求表面光滑、直径均匀、内部密实，无中空、表面疙瘩等缺陷，另外在性能上要求柔韧性好，所以应对常温下呈脆性的原材料改性，提高其柔韧性。（3） 适当的熔融粘度和良好的流动性。热塑性材料在熔融粘流态下呈现为高粘性熔体，为了使材料能从喷嘴中顺利挤出，所用材料在高温熔融时应具有较好的流动性，这就要求材料有适当的熔融粘度。在实际成型过程中发现，聚合物熔体在加热腔中的挤出过程中粘度过大会产生较大的阻力，甚至造成喷嘴阻塞，导致成型失败；反之，当粘度太小，流动性太好，材料经喷嘴挤出的细丝将呈“流滴”形态，丝径大幅度变小，当分层厚度较大时，喷嘴将逐渐远离堆积面，同样造成成型过程失败。（4） 较低的体积收缩率。是指材料温度升高膨胀和温度降低收缩时的体积变化率。成形材料在液固相变时的体积收缩会使熔融沉积成型件产生内应力、使零件变形，甚至导致层间剥离和零件翘曲以至成形失败。所以，材料的体积收缩率越小越好。（5） 吸湿性。熔融沉积快速原型技术成型工件的过程中，都必须将材料加热融化。这就要求材料必须保持干燥，因为如果材料有太高的湿度，加热后水气化产生的气泡会混在材料中，影响成型工件的质量，甚至造成喷嘴的阻塞。所以材料的吸湿性要低，而且应该干燥保存。综合考虑熔融沉积成型的热塑性丝料的性能要求，本文设计的快速原型机选用ABS工程塑料作为成型的原材料。ABS是三元的聚苯乙烯共聚物，有很高的机械强度，拉伸强度一般为3550MPa，屈服伸长率为2%4%，在14.1MPa压缩负荷下50温度下经24小时尺寸变化不超过0.21.7%，弯曲强度达28一70MPa；另外ABS无毒、不透水、有吸水率很低，成型后无结晶，收缩率很低，为0.40.9%；其熔融温度较低，且熔程较宽，一般在180到250；ABS的粘度适中，在熔融状态下流动性好，ABS的流变特性为非牛顿型，因此在成型加工时流动性对温度不敏感，成型温度较易控制。3.3.2 送丝机构的结构设计本文设计的原型机采用ABS工程塑料作为成型原料，制成直径=2mm的丝状。成型过程中，需要将熔融的材料挤出，克服流动阻力的动力来自料丝插入加料口的力量。由于ABS工程塑料熔化之后流动性能很好，因此快速原型机采用靠料丝进入加热腔产生的挤压力直接挤出物料，成为独特的料丝自加压式挤出。为了方便丝料的传送，采用摩擦轮机构传送丝料。如图3.5：丝料从动摩擦轮加热腔及喷嘴加热块固定螺纹孔主动摩擦轮图3.5 丝料传送结构图如图所示，丝料在两个摩擦轮的中间，摩擦轮为两个直径mm的小轮，通过一定的预紧力挤压着丝料，其中一个轮为主动轮，电机带动主动轮转动，通过摩擦力将丝料传送到加热腔，从动轮与主动轮同时转动，起到稳定丝料的传送方向和速度，两个带轮挤压丝料的部位设计成120的凹槽，使丝料的传送更加稳定。3.3.3 熔融沉积物料状态的分析及送丝机构参数的设计由图3.5可知，丝料在未进入加热腔之前为固态，在进入加热腔之后，丝料逐渐被加热融化。为了方便丝料进入加热腔，加料口与料丝之间有微小的间隙。从丝料进入加料口到熔融材料挤出，在加热腔的Z方向上，加热腔内部可分为不同的阶段，如图3.6：料丝与加料口的间隙加料段熔化段熔融段ZZ向为加料方向图3.6 加料系统内部分析图料丝进入加料口之后，在加热腔内收到加热块的加热，逐步升温。在温度达到料丝物料的软化点之前，料丝与加热腔之间有一段间隙不变的区域，称其加料段；随着料丝温度升高，物料熔融，形成一段料丝直径逐渐变细直到完全熔融的区域，称为熔化段；在物料被挤出口型之前，有一段完全由熔融物料充满机筒的区域，称为熔融段。要保证熔融材料能够自加压式挤出，必须要有加料段的固态丝料产生挤压力，加热腔内部必定会形成这三段区域。而各段区域的大小则决定于加热温度、加热区域、喷嘴长度和送丝速度。径向坐标mmABS丝料在加热腔内部熔化过程中，丝料的熔化状态与加热温度T、加热区域长度Z和丝料距加热壁的距离r都相关，如图3.7：=2501.T=270,2T=280,3.T=300轴向坐标mm图3.7 ABS熔融状态图由上图ABS的特性，设计加热温度300，喷嘴的加热腔长度为50mm，外径3.2mm，壁厚0.5mm，采用铜拉制管，以达到较好的热传导率。为了保证一定的加料段长度，喷嘴加热腔的长度比加热块的长度要大，如图3.3.1所示，加热腔上部高出加热块，因此设计加热块的高度为45mm；为了避免因轴向热传导产生加料段较大的温升，在喷头顶部安装一风扇以强制散热。成型过程中，丝料的传送速度要与成型速度、ABS熔化速率和加热温度相匹配。成型工件之前，需要将加热块预热，同时熔化已经进入加热腔的丝料。成型过程，丝料的熔化时间极短，可忽略不计，物料熔融三段区域基本固定。而送丝加料速度V满足： （3.5）A只与丝径和加热腔内径相关的常数；非牛顿表现粘度；由此式，经验设计送丝机构的饲料速度V=3mm/s，摩擦轮直径d=12mm，则主动轮电机转速 5r/min第4章 快速原型机控制及软件系统的设计熔融沉积快速原型机是台三维打印机，为了实现三维立体的成型，必须实现三轴联动的运动。前面已经设计完成了XYZ轴运动机构设计，本章将对三轴联动的控制及电路进行设计。4.1 运动控制及软件系统简介运动控制就是在机械运动过程中对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制，使其按照规定的运动参数（如速度、加速度参数等）和沿着预定的轨迹完成相应的动作。实际应用中，运动控制系统主要组成有：运动控制器、功率放大驱动器、步进电机、起反馈作用的传感器和一些传动机械系统部件。运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。快速成型机需要实现三轴联动，运动控制器需要同步控制，及多个轴之间的运动协调控制。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。运动控制系统通常有开环控制和闭环控制两种形式，本文设计的快速原型机采用开环开环控制。如图4.1所示，为开环运动控制系统的典型构成。在开环控制系统中，系统的输出量对控制作用没有影响，既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统的输入端与输入量进行比较。步进驱动与控制器只是按照指令位置运动，不必对输出信号（即实际位置）进行测量。上位计算机运动控制器驱动器电机负载应用程序指令运动指令传动机构图4.1 开环控制系统快速原型机采用步进电机驱动喷头和支撑板的三轴联动，并以MCS8031单片机开环系统控制。单片机是一种集成的电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机的最初应用就是在工业中，有很强的运算和信号传输功能，特别是用于控制领域。步进电机是数字控制电机，其运动方式是将脉冲信号转换成电机的角位移信号，电机的转向、转速和停止的位置取决于脉冲信号的起始位置、频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，在非超载状态下，因为上述的线性关系，再加上只有周期性误差而无累积误差，步进电机非常适和用于单片机控制。4.2 控制系统的设计在当今的控制领域，微机和单片机技术的不断发展。控制系统、电机控制、数据采集等各个领域中，微机和单片机构成的主从式控制系统技术已经成为发展的主流。在通用电机控制、数据采集处理系统的设计中，微机和单片机有很强的优势，能够在传感器接收外界信号的同时，对信号进行转换、采集通信、计算处理、显示输出，甚至实时地反映传感器的信号变化并根据信号实时控制电机。在机电数控领域，采用单片机构成的检测控制系统，能够利用单片机价格低、功能强、抗干扰性能好等优点，同时与微机构成的系统配合，具有操作灵活的特点。FDM控制系统采用单片机控制，能实现步进电机精确的X-Y-Z位置控制、精确的旋转控制。整体的控制系统主要有：脉冲、方向信号输出模块；限位、原点开关信号输入模块；数字量输入输出模块。如图4.2：计算总线 地 址 译 码 器缓冲区数据总线运动控制器函数译码器 DI/O 模块光电隔离输出中断服务例程限位信号、原点信号输入数字量输入数字量输入光电隔离输出图4.2 运动控制结构图脉冲、方向信号输出模块用于控制步进电机的运动，是其核心模块，它控制步进电机的方向、速度、加速度、及位移量等；限位、原点开关量信号输入模块，用于接收极限位置以及原点信号，极限位置信号告诉系统确定运动工作的边缘位置，保证步进电机即使指令错误也不会造成事故，而原点信号确定机械原点，可以用来校准位置误差；而数字量输入输出模块用于用户定制的控制信息输出、状态信息输入，加强控制系统的功能，在软件系统的控制下，完成各种逻辑操作，使其更符合用户的控制要求。控制信号最终要用于电机的控制，必须接入电机驱动器与电机。步进电机是一种机电执行元件，它将数字式电脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）。其机械位移与输入数字脉冲有着严格的对应关系，即在运动工作过程中，一个脉冲信号可使步进电机前进一步，脉冲信号连续传输，步进电机的进步就连续组合，完成电机的连续转动。步进电机主要优点有：（1）因为是脉冲控制，控制性能好，位移量与脉冲数成正比，能快速方便地启动、反转和制动。速度与脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以在较宽的范围内调节速度。（2）步进电机无累积定位误差，每转一周因为有固定脉冲数，都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，长距离的运动步距误差不会长期积累，所以在开环控制中能够较精确地控制，误差较小。（3）步进电机的原理使得信号能在很少的中间环节内实现控制，数字控制数字信号经环形分配器和功率放大后可以直接控制步进电机，无需任何中间转换装置，控制更稳定。基于以上步进电机的优点以及结合本快速原型机控制系统的要求，我们采用了Lakeside公司的步进电机及驱动器作为本控制系统的执行元件，其的驱动器的特点有：光隔输入，使得细分精度可选，精度高，最高可达256200步/圈的细分精度；电流控制技术为用双极性等角度恒力矩，可以产生更大的力矩。在实际使用中，常选用50200的细分精度，重复定位精度经实际测量在0.01mm左右，可以满足成型机控制系统的精度需要；驱动器在电机运动中电流波纹小，运动稳定，静止时电流自动减半，减少驱动器和电机的发热量，高速时力矩大。 4.3 软件系统的选择快速原型机的软件系统主要是三维图形的片层处理和数据传输及读取系统。原型机的三维源文件采用STL，它由一系列三角面片来近似CAD模型的表面轮廓得到，具有实现方便、格式简单的特点。STL文件分层过程是：分层系统从绘制的三维文件中提取几何拓扑信息，再在计算机内部重建CAD模型并用OpenGL图形库显示，用户可以清晰地了解图形结构，然后根据需要选择制作方向，根据零件尺寸要求选择分层厚度；之后系统自动对三维图形进行分层，成为通用的片层文件格式，直接输出到成型机，可以被快速原型系统接收和读取。对三维图形进行分层处理就是用一系列的分层平面剖切三维模型，从而获得三维实体的逐层的截面轮廓数据。在分层过程中，要保证各层数据的准确，就必须准确地计算分层平面与实体轮廓曲面的交集。采用几何法求解初等曲面、扫描曲面和和平面的交，根据平面与曲面的相对位置与角度，直接判断交线类型。如图4.3为信息提取：开 始读取STL文件，将数据段的各个实体存入数组取出CLOSED_SHELL实体的属性，返回其包含的ADVANCED_FACE实体的个数i=1in是结束否取出第i个ADVANCED_FACE实体的属性，并提取组成此实体的所有实体的几何与拓扑信息，存入数组中i=i+1图4.3 几何拓扑信息提取流程catalyst软件可以读入设计软件保存的STL格式的文件，用户根据需要确定成型方向、分层厚度等，运行软件可以自动生成支撑（如有需要）和各层的加工信息，生成加工路径。各层的数据分析结束后，可通过网络数据线传送至成型机，控制成型工件的成型。非常适合作为快速原型机的片层分析软件。另外catalyst可以清楚地显示加工时间、材料使用状态、系统状况等。Dimension也可以通过e-mail、传真、网络等随时报告机器的运行状况。第5章 基于Dimension SST 1200es型快速原型机的实例研究Dimension SST 1200es型快速原型机使用STL格式三维文件来制作CAD模型，统将CAD模型分为一层层极薄的截面，每层厚度最低可为0.023mm。STL格式三维文件制作模型包，包括其内部结构。在计算机控制下通过喷嘴挤出P430 ABS材料来制作高质量三维模型。有两种层厚分辨率可供选择，可以采用较快的速度来制作模型用于验证设计，也可选择较高分辨率以得到较好的表面质量。快速成型技术应用实例：（1）前期处理：首先完成所制作的模型三维设计，再次应注意尺寸和强度的之间的关系。对于Dimension SST 1200es型快速原型机，我们采用Solidworks三维绘图软件进行设计，设计如图5.1：图5.1 三维绘图三维设计图完成之后对其进行数据转换，主要是将SLD Part格式的三维图型转化为STL格式，并根据零件几何结构确定摆放方位、施加支撑和切片分层。如图9成型设备在进行数据转换时的界面：图5.2 三维数据分析及转换摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。如图5.3零件喷头与喷头套由于其纵向尺寸较小，而横向较长，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择横放。同时考虑到尽可能减小支撑的批次。摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。Dimension SST 1200es型快速原型机可以在模型摆放好后软件自动实现施加支撑。如此前期处理即完毕。（2）快速成型制作：快速成型制作是将制作数据传输到成型机中，快速成型出零件的过程是快速成型技术的核心。制作流程为：在原型制作前，需要提前启动Dimension SST 1200es型快速原型机，对ABS塑料进行预热。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止。（3）后处理： 零件制作完成后升出工作台，取出制作零件，在小扳手成型后需