光敏树脂液相固化成型机床设计【7张CAD图纸和说明书】
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湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 光敏树脂液相固化成型机床设计 专 业： 机械设计与制造及其自动化 学 号： 2010963018 姓 名： 林海波 指导教师： 周里群 完成日期： 2014 年 5月 29号 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 光敏树脂液相固化成型机床设计 学号： 2010963018 姓名： 林海波 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师： 周里群 系主任： 刘伯希 一、主要内容及基本要求本次毕业设计主要内容包括了以下几个方面。第一、水平方向移动机构设计；第二、Z 方向移动机构设计；第三、刮刀机构设计；第四、机械结构的设计计算；第五、PLC控制系统。 基本要求如下：第一、了解机械产品的生产组织方式、典型零件的加工工艺、零件结构及公差对加工、装配以及工作性能的影响等。第二、根据选定的方案进行零件的选型、结构计算和寿命计算。第三、绘制总装配图和部分零件图。第四、编写设计说明书包括 3000字左右的外文翻译等。第五、刻制成光盘 二、重点研究的问题光敏树脂液相固化成型机床设计主要是机械结构方案的设计、机械结构的设计计算和 PLC控制系统的设计，使其达到对距离、速度、方向控制的目的并使结果具有可靠性、可行性、有效性以及对其进行计算并且校核和画图。以及对工作台的整体功能进行评估使其达到设计要求，工作需要。 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅资料、调研 三月初2 开题报告、制订设计方案 三月中3 开始进行设计运算 三月末4 画 CAD 图 四月初5 修改 CAD图，写说明书 四月末6 写出正式稿 五月初7 答辩 五月中四、应收集的资料及主要参考文献1王瑞金. 特种加工.机械工业出版社，2008. 2濮良贵. 纪名刚. 机械设计M. 北京:高等教育出版社，2006. 3王运赣. 快速成型技术.第一版，武汉：华中科技大学出版社，19994白基成. 特种加工技术M.黑龙江：哈尔滨工业大学出版社.20065王运赣. 快速成形技术M.武汉：华中科技大学出版社，19996朱林泉. 快速成型制造技术.北京国防工业出版社,2003 7吴幼军， 邮华兴. 激光光固化快速成型用光敏树脂的研制.塑料科技，20038张建民. 机电一体化系统设计.第三版.高等教育出版社 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2010963018 姓名 林海波 专业 机械设计与制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 光敏树脂液相固化成型机床设计 评价项目 评 价 内 容选题1.符合机械专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度适中；3.与生产、科研、社会等实际相结合，跟上时代的步伐。能力1.具有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.有综合运用知识的能力；3.具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.具备一定的外文与计算机应用能力；5.有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论正确，论述充分，结构严谨合理；实验正确，设计、计算、分析处理科学；技术用语准确，符号统一，图表图纸完备、整洁、正确，引文规范；2.文字通顺，有观点提炼，综合概括能力较强；3.有理论价值或实际应用价值，有创新之处。综合评价选题符合教学计划要求，具有综合训练的目的，具有文献查阅的能力和计算机应用能力，立论正确，论述充分，分析处理正确，有应用价值，同意进行答辩。评阅人： 2014 年 5 月 日 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号： 2010963018 姓名： 林海波 专业： 机械设计与制造及其自动化三班 毕业论文（设计说明书） 42 页 图 表 7 张论文（设计）题目： 光敏树脂液相固化成型机床设计 内容提要：根据老师给的题目，选择合适的方案：完成 SLA 整体结构的计算和设计；水平和Z方向移动机构设计；对关键部位进行强度和寿命的校核：用 CAD 进行画图。设计中通过联轴器把轴和步进电机连接起来带动带轮转动从而使刮板进行水平方向的来回移动。而 Z 方向升降台的运动通过联轴器把滚珠丝杆和步进电机连接起来使其上下运动，然而都要有导轨让其能水平方向和 Z 方向移动。根据原来计算出部分零件行行强度和寿命的校核，根据步进电机的型号选出联轴器，然后在轴的设计和计算，滚珠丝杆的设计和计算，带轮的设计和计算，导轨的设计与计算，还有刮板的设计与计算。使其能正常工作，实现机床的正常运作。特点：（1）可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。（2）加工过程中无振动、噪声和切削废料。（3）成形过程中自动化程度高指导教师评语选题明确，方案合理，分析论证正确，图纸规范，遵守校规校纪，有较强的工作能力。指导教师： 2014 年 5 月 29 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日目 录摘要 .1Abstract.21 引言 .31.1 快速成型技术简介.31.2 论文的主要工作.82 对于 SLA的整体结构、系统组成分析.102.1 系统组成 .113 光固化快速成型机的整体设计.143.1 SLA快速成型机的总体设计.144 光固化快速成型机的机械部分选型计算.184.1 涂覆机构的选型设计与计算 .184.2 Z向工作台的选型设计与计算.224.3 液位控制部分选型设计与计算 .275 SLA快速成型机的电气部分选型设计说明 .315.1 控制方式的选择 .315.2 加热装置的选择 .335.3 各种控制卡的选择 .33结论.35致谢.37参考文献.38附录 翻译译文及原文.390光敏树脂液相固化成型机床设计摘要：以累加思想实现零件制作的快速成型技术（RP） ，是制造技术领域的一项重大突破，它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想从 CAD模型，物化为具有一定功能的原型或零件，进而实现对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，因此，这项技术能有效地缩短产品的研发周期。光固化成型技术（SLA）是最早商品化、应用最广泛的 RP技术，其理论、工艺的完善及价格的降低等，对于 RP的普及应用，有着极其重要的影响。本文从 SLA激光快速成型机的功能入手，先确定了 SLA激光快速成型机的总体设计方案，然后分硬件和软件两个方面进行设计。硬件方面先进行初选型，然后计算，验证；软件方面从 SLA激光快速成型机的制作原理入手进行了流程分析，从而确定了软件系统的功能模块。硬件又分为机械和电气两部分，机械部分主要有涂层机构的设计选型计算、Z 向工作台的设计选型计算和液位控制部分设计选型计算；电气部分涉及到控制方式的选择，各种功能卡的选择以及电气原理图的设计等等。关键词: 快速成型 SLA 光敏树脂 激光技术 1Liquid 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 design 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 technology 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 rapid 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 analysis 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 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 Technology21 引言1.1 快速成型技术简介1.1.1 快速成型技术综述20世纪 80年代末、90 年代初发展起来的快速成型（Rapid Prototyping & Manufacturing：RPM/RP&M 或 RP，以下简称为 RP）技术，是当前先进的产品开发与快速工具制造技术，其核心是基于数字化的新型成型技术。它突破了传统的加工模式，不需要机械加工设备即可快速地制造形状极为复杂的工件。作为与科学计算可视化和虚拟现实相匹配的新兴技术，快速成型技术提供了一种可测量、可触摸的手段，是设计者、制造者与用户之间的新媒体。快速成型技术综合机械、电子、光学、材料等学科，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件/模具，有效地缩短了产品的研究开发周期。快速成型技术对于制造业的模型、原型及成型件的制造方式正产生深远的影响 。11.1.2 RP工作原理快速成型是通过计算机辅助设计（CAD）的三维模型输入到 RP设备上。在输入前计算机将软件转换为 STL格式（STL 文件实际上是所有市场上 RP系统数据输入采用的一种标准格式，其他输入格式也有使用）的文件，或者使用三维扫描仪通过对物体实体扫描后直接输入计算机处理，输入 RP设备。见图 1-1所示为 RP技术流程 。21.1.3 RP定义随着各种新型 RP的出现， “Rapid Prototyping”一词已无法充分表达出各种成型系统、成型材料及成型工艺等所包含的内容。因此，关于什么是“Rapid Prototyping”，目前有多种定义。Terry T.Wohlers 和美国制造工程师协会（SME）对 RP技术进行了定义：RP系统依据三维 CAD模型数据、CT（Computerized Tomography，计算机 X射线断层造影术）和 MRI（Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像）扫描数据和由三维实物数字化系统创建的数据，把所得数据分成一系列二维平面，又按相同序列沉积或固化出物理实体。3图 1-1 RP技术流程图清华大学颜永年教授等对 RP的描述为：RP 技术是基于离散/堆积成型原理的新型数字化成型技术，是在计算机的控制下，根据零件的 CAD模型，通过材料的精确堆积，制造原型或零件的。“Rapid Prototyping”在软件工程中是一种在开发较复杂软件前，先开发出具有基本功能的软件的方法。因此，该词已变的较为模糊和不明确，于是，有些文献用其他词语来表示其原来的含义，如：Free Form Fabrication、Solid Freeform Fabrication、Automated 构造 CAD 三维模型STL 文件输出切片分层处理激光源 喷射源SLA固化树脂层LOM切割纸SLS烧结粉末层3DP喷粘结剂层FDM喷涂热熔融材料层叠层堆积三维模型表面处理4Fabrication、Solid Imaging、Additive Manufacturing、Layered Manufacturing 等，但都因未得到如 RP那样被广泛认可而较少有人采用。此处对“Rapid Prototyping”分别从广义角度及狭义角度作如下定义。（1） 针对工程领域而言，其广义上的定义为：通过概念性的具备基本功能的模型快速表达出设计者意图的工程方法。（2） 针对制造技术而言，起狭义上的定义为：一种根据 CAD信息数据把成型材料层层叠加而制造原型的工艺过程。1.1.4 RP特点RP技术较之传统的诸多加工方法展示了一下的性。（1）可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。（2）大幅度缩短新产品的的开发成本和周期。一般地，采用 RP技术可减少产品开发成本 30%70%，减少开发时间 50%，甚至更少。如开发光学照相机机体采用 RP技术仅 35 天（从 CAD建模到原型制作）花费 6000美元，而用传统的方法则至少需一个月，花费约 3.6万美元。（3）曲面制造过程中，CAD 数据的转化（分层）可百分之百地全自动完成，而不靠数控切削加工中需要高级工程人员数天复杂的人工辅助劳动才能转化为完全的工艺数控代码。（4）不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，其加工效率亦远胜于数控加工。（5）属于非接触式加工，没有刀具、夹具的磨损和切削力所产生的影响。（6）加工过程中无振动、噪声和切削废料。（7）设备购置投资低于数控机床。1.1.5 RP技术应用1.1.5.1 RP应用范围快速成型技术已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域。艺术、建筑等领域的工作者也已开始使用 RP设备，越来越多的艺术家已经成为计算机工作者，即不再单纯地依靠以前的手工，而是由 RP设备来表达新的思路和创新。从广义上讲，这些应用均属于产品开发范畴。5快速模具制造（Rapid Tooling，RT）是快速成型技术应用的重要方面，无需任何专用工装和夹具，直接根据原型而将复杂的工具和型腔制造出来是 RT的最大优势。一般来说，采用 RT技术制造模具的时间和成本约为传统技术的 1/3.根据 14个 RP设备供应商和 43个 RP服务商提供的数据，RP 的应用范围如下：所有模型的近 41%用于装配和功能性零件，约 27用于工程、工具制造、报价和投标，约23%用于原型模具、金属铸造及模芯制造。随着 RP技术本身的发展和完善，其应用将不断拓展。1.1.5.2 产品开发产品开发过程中，需要做多个产品模型作为测试之用，比如造型设计评估、功能测试、组装测试及安全测试等，RP 在这些方面的优势将非常明显。因设计工程师只需在三维 CAD图上做出修改，便能及时制造出样品，做进一步测试。1.1.5.3 医疗卫生领域RP技术也常用于外科手术。病人在接受手术前需进行 CT扫描或 MRI等检查。以往医生们都是观看平面的扫描结果来计划手术，判断难免有误差。有了 RP的帮助，医生可观看病人的立体模型来决定如何进行手术，甚至用 RP进行模拟手术，增加手术的可靠性。1.1.5.4 艺术创作随着计算机技术的发展，新一代的艺术家及设计师，不一定整天埋头于工作间，亲手造出艺术作品来。他们现在可以安坐家中，用 CAD软件创造出心目中的艺术品，然后再以 RP技术把艺术品一次性制作出来。1.1.6 RP的发展趋势RP是面向产业界的高新综合技术，它无疑将继续获得越来越广泛的应用。国外有人预测：RP 技术将成为一种一般性的加工方法。这一技术在我国许多行业也有巨大的潜在市场。在目前来看，RP 技术最突出的问题是，所制原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行成本较高，零件精度低，表面粗糙度高，成型材料仍然有限。因此从上述 RP技术的发展现状来看，未来几年的趋势主要如下。（1）提高 RP系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构，选用性能价格比高、寿命长的元器件，使系统更简洁，操作更方便，可靠性更高，速度更快。开发不同档次、不同用途的机型亦是 RP系统发展的一个方面。例如：一方面开发高精度、高6性能的机型，以满足对制件尺寸、形状和表面质量要求更高或有特殊要求的用户；另一方面，开发专门用于检验设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。（2）提高数据处理纛和精度，研究开发用 CAD原始数据直接切片方法，减少数据处理量以及由 STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。（3）研究开发成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。将现有的材料，特别是功能材料进行改造或预处理，使之适合于 RP技术的工艺要求，从RP特点出发，结合各种应用要求，发展全新的 RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制造的符合材料等。降低 RP材料的成本，发展新的更便宜的材料。（4）开发新的成型能源。目前的主流成型技术中，SLA、LOM 和 SLS均以激光作为能源，而激光系（包括激光器、冷却器、电源和外光路）的价格及维护费昂贵，传输效率（输出激光能量/输入电能）较低，影响制件的成本。新成型能源方面的研究也是RP技术的一个重要方面。（5）研究开发新的成型方法。在过去的 10年中，许多研究者开发出了十几种成型方法，基本上都基于立体平面化离散堆积的思路。这种方法还存在着许多不足，今后有可能研究集“堆积” “切削”于一体的快速原型方法，即 RP与 CNC机床和其他传统的加工方式相结合，以提高制件的性能和精度，降低生产成本。还可能从 RP原理延伸，产生一些新的快速原型方法。（6）继续研究快速制模(RT)和快速制造（RM）技术。一方面研究开发 RP制件的表面处理技术，提高表面质量和耐久性；另一方面研究开发与注塑技术、精度铸造技术相结合的新途径和新工艺，快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。（7）在应用方面,通过对现有 RP系统的改进和新材料的开发，使之能够经济地上产出直接可用的模具、工业产品和民用消耗品；制造出人工器官，用于治疗疾病。（8）向大型制造与微型制造进军。分析各大公司的产品系列可以发现，原型的制造尺寸呈增大的趋势。由于大型模具的制造难度和 RPM在模具制造方面的优势，可以预测将来的 RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此形成鲜明对比的将是RPM向微型领域的进军，SL 的一个重要发展方向是微米印刷（Microlithography） 、制造微米零件（Microscale Parts） 。7（9）RPM 行业标准化，并且与真个产品制造体系相融合。RP 技术经过十几年的发展，设备与材料两方面都有了长足的进步，但目前由于该技术的成本高，加以制件的精度、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，暂时阻碍了 RP技术的推广普及。此外，近年来，CNC 切削机床亦在大步向前发展，一方面，价格大幅度下降；另一方面，高速、高精的 CNC机床问世，制件时间缩短，精度及表面质量提高。因此，不少企业使用 CNC切削机床快速制造金属或非金属模具及零件，向 RP技术提出了新的挑战，但是在成型复杂、中空的零件方面，CNC 切削机床是不能取代 RP技术的。这种直接从概念设计迅速转为产品的设计生产模式，必然是 21世纪的制造技术的主流。随着技术的进步，RP技术还会大踏步地向前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基本技术和装备 。21.2 论文的主要工作1.2.1 设计的目的完成 SLA快速成型机总体设计、缸体部件设计和电气原理图设计，该设备主要用于零件和功能模型的快速成型制造。由于通过本毕业设计，我们应该在综合应用所学知识方面得到较大的锻炼，基本具备独立设计机电一体化专用设备的能力。特别是在围绕课题开展调查研究、深刻理解和解决实际问题、用图纸、说明书等形式正确表达设计思想等方面的能力有明显提高。1.2.2 本毕业设计课题的内容和要求1.2.2.1 本毕业设计的主要内容SLA快速成型机的总体设计以及与专业相关的外文资料翻译。1.2.2.2 技术要求（1） SLA快速成型机总体设计，包括确定机械部件总体尺寸，系统控制方式的选定等。（2）SLA 快速成型机缸体系统的设计，要求网板运动速度可调。（3）控制系统软件分析设计。（4）网板的最小位移量是 0.01mm。（5）最大成型尺寸是 600 x 600mm。81.2.2.3 工作要求：（1）了解机械产品的生产组织方式、典型零件的加工工艺、零件结构及公差对加工、装配以及工作性能的影响等。（2）根据选定的方案进行零件的选型、结构计算和寿命计算。（3）绘制总装配图和部分零件图。（4）编写设计说明书。要求包含文献综述、方案选择、问题解决方法、计算过程等。（5）刻制成光盘92 对于 SLA的整体结构、系统组成分析鉴于对 SLA成型机的分析，对于实现 SLA加工流程，同时充分保证 SLA控制系统的加工精度，提出如下的硬件结构（如图 2-1所示） 。结构主要由计算机控制系统、液面控制系统、扫描系统、加热系统和功率检测系统组成。震镜工控机刮板电机工作台电机液槽升降电机激光器激光功率仪步进电机加热控制器液位传感器白金热电偶液槽PTC 热电阻图 2-1 硬件结构示意图102.1系统组成2.1.1激光器的选择由光固化过程可知，对光源的选择，主要取决于光敏剂对不同频率的光子的吸收。由于大部分光敏剂在紫外区的光吸收系数较大，一般很低的光能量密度就可使树脂固化，所以应采用输出在紫外波段的光源。用于固化的光波波长、输出功率及工作状态时有效和精确的零件制造的基本参数。通常根据光敏树脂固化的特性要求，光源的光波波长范围为 250nm350nm，光波输出功率大于 40mW，工作状态为连续波得紫外光源。目前可适用的紫外光源有以下几种：（1）HeCd 激光器氦镉激光器是一种低功率激光，以氦气和镉蒸气的复合气体作为工作物质，通过镉的电离化过程，使中性氦原子和镉原子激活，生成可见和紫外激光射线，输出功率通常为 15mW50mW，采取一定的措施可输出波长分别为 441.6nm和 325nm的激光，激光器寿命为 2000h左右。（2）氩离子激光器（Ar +）氩离子激光器是另一种低功率激光光源，它用氩气作为工作物质，输出功率为100mW500mW，输出波长为 351nm365nm，该激光是双重电离化氩气状态下获得的。激光束光斑直径一般为 0.05nm3.00nm，激光位置精度可达 0.008nm，重复精度可达0.13mm。生成这种光线的激活过程需要较高的管路电流和螺线管磁场强度以生成高能量电子。（3）Nd：YOV 固体激光器4固体激光器的工作物质是掺杂激活离子于绝缘晶体或玻璃中，它它具有激光形成的阀值低，输出功率大，结构紧凑，牢固可靠的特点。目前二极管泵浦的 Nd：YOV 四4倍频激光器，输出波长 266nm，输出功率可大于 800mW。（4）远紫外汞氙灯远紫外汞氙灯属于气体放电光源，灯一经启动就可立即辐射出强烈的连续光谱，其辐射光谱在远紫外区比较丰富。在 250nm350nm之间辐射出的紫外线同光敏树脂有着良好的匹配性，可用于固化树脂。这种光源结构简单，运行可靠，输出功率适中。为了更好的对激光器进行选择，将以上激光器列表进行简单分析，如下表 2-2所11示性能光源波长（nm） 功率（mW） 寿命（h） 工作状态 光束质量 运行成本HeCd 325 40 2000 多模CW 高 较高Ar+激光器 351-364 400 2000 多模CW 高 较高Nd:YOV4 266 100-1000 5000 单模CW 高 稍高紫外汞氙灯 250-350 20*300 CW 稍差 极低表2-2 几种紫外光源*指到达光敏树脂液面的光功率，CW代表连续波2.1.2激光束扫描装置 数字控制的激光束扫描装置也有两种形式：一种是电流计驱动式的扫描镜方式，最高扫描速度达 15m/s，适合于制造尺寸较小的原型件；另一种是 X-Y绘图仪方式，激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直，适合于制造大尺寸的原型件。具体的选择在设计过程中根据实际情况来选择。2.1.3 光敏树脂 SLA工艺的成形材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸树脂等。要求 SLA树脂在一定频率的单色光照射下迅速固化，并具有较小的临界曝光和较大的固化穿透深度。为保证原型精度，固化时树脂的收缩率要小，并应保证固化后的原型有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时毒性要小。自由基型光敏树脂是最早应用于 SLA的树脂，这种树脂的优点是具有很高的光响应性，黏度低、成本不高，基本满足快速成型的要求。其缺点是由于表层氧的阻聚作用，使得成形精度较低，同时，该类树脂收缩较大（约 8%） ，成形零件翘曲变形较大，尤其对于具有大平面结构的工件，制作精度不是很高。阳离子型光敏树脂属于第二代树脂，其优点是收缩小、黏度极低、不受氧阻聚，但其缺点是容易受碱和湿气的影响，且固化速度较丙烯酸酯慢得多。阳离子型光敏树脂的主要成分为环氧化合物。用于 SLA工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。12由于以上两类树脂各有优缺点，从而出现了集自由基和阳离子树脂各自优点的混杂性光敏树脂，它比前两种更为优越，因此在这里我们选择这种复合光敏树脂材料 【12】 。2.1.4液槽 盛装液态光敏树脂的液槽，应该采用不锈钢制作，这样可以避免液槽被腐蚀和生锈的问题出现。其尺寸大小取决于成型系统设计的最大尺寸原型件或零件，在这里我们主要设计 600mm的 SLA成型机。升降工作台选择步进电机控制，最小步距应在0.02mm以下，在 225nm位移的工作范围内位置精度为0.05mm，来保证生产零件的精度。刮平器保证新一层的光敏树脂能够迅速、均匀地涂覆在已固化层上，保持每一层厚度的一致性，从而提高原型件的精度。2.1.5控制系统控制系统主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成。激光能光束反射镜扫描驱动器、X-Y 扫描系统、工作台 Z方向上下移动和刮刀的往复移动都由控制软件来控制。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点： 1） 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。 2） 机箱内有专用底板，底板上有 PCI和 ISA插槽。 3） 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。 4） 要求具有连续长时间工作能力。 5) 一般采用便于安装的标准机箱（4U 标准机箱较为常见） 注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。由以上工控机的特点，我们可以确定选择工控机来作为 SLA成型机的控制系统。133 光固化快速成型机的整体设计3.1 SLA快速成型机的总体设计3.1.1 SLA快速成型机的工作原理光固化快速成型系统的原理如图 2所示容器中盛满液态光敏树脂，它在紫外光束的照射下能够快速固化。加工从最底部开始，可升降工作台处于液面下一个层厚的地方， 固体激光器发出的紫外激光束聚焦后，在计算机的控制下按零件分层截面信息，在液态光敏树脂表面扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成制件的第一个固化层。然后工作台下移一个层厚的高度，其上覆盖新一层的液态树脂，刮板将树脂液面刮平，再进行第二层的扫描固化，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个制件完成。之后对制件进行一些必要的后处理如用工业酒精清洗制件，把制件放在紫外烘箱中后固化等，完成整个制作过程 。3图 3 光固化成型机（SLA）结构示意图143.1.2 SLA快速成型机的系统组成3.1.1.1 SLA快速成型机的控制系统设计（1）控制硬件控制硬件是指所有控制电路的总称，控制系统硬件应该由工控机、控制卡、传感器、电机及其驱动器组成。如图 3-1所示。图 3-1 SLA控制系统硬件结构 工控机系统控制系统一般有主从控制系统和集中控制系统两种组织形式。主从式控制系统将控制任务分解为数据处理和成型执行两大部分。分别由上、下位机来完成。上位机负责整个系统的综合管理、人机交互、状态信息处理、故障诊断、切片数据计算、插补等；下位机负责位置闭环控制及位置的信息反馈等。上层主控机一般配置较高，而下层子机的配置相对较低。整个控制系统的设计带有分布式控制系统的特征。集中式控制系统只拥有一台计算机，在完成数据处理的同时，还具有控制硬件完成加工的功能。由于控制系统要处理的数据量一般比较大，因此它要求微机的整体性能较高，软件要具有多任务处理能力，实时性要好。PC 总线 步进电机控制卡工控机X 轴环形分配器Y 轴环形分配器功率驱动器Z 轴环形分配器功率驱动器功率驱动器X、Y 轴步进电机及扫描运动机构Z 轴步进电机及升降台运动机构紫外光源快门控制光量控制15在光固化台式快速成型系统中，为了降低成本，我们在硬件实现上采用的是集中控制系统的结构，但在快速成型系统的软件实现上，我们加入了层片(CLI)文件及扫描加工路径(SMP)文件作为可选的中间文件，这样用户既可以用快速成型控制机完成从建CAD模型到生成成型加工数据的所有数据处理任务，也可以通过上述任一层次的中间文件而在其它更高性能计算机上完成部分或全部数据处理任务，再由成型机控制软件载入并进行成型加工。由于在硬件的配置方式上采用了集中式控制方式，控制系统与上面的计算机系统是分不开的。控制系统还包括接口卡、功放驱动板、步进电机及各信号采集转换电路等。 光学系统光学系统主要包括两大部分：紫外光源和光束传输及聚焦部分。选用的紫外光源(BHG-250)内部集成了紫外灯、椭球面反射镜、光栅和快门。另外它提供了一个 D-SUB25的遥控连结器插座，可与计算机并口相连，以方便对开/关灯、切换快门和光量调整的控制。其主要技术参数如下： 光纤传输具有不受空间限制、效率高、易控制的特点。由于紫外光辐射对人体有较强的危害，采用封闭传输的安全性比用开放式光路传输相对要高。因此本系统光路部分采用的是与 BHG-250紫外光辐射装置相配套的准直、聚焦的光纤传输系统。 机械传动及执行系统机械传动及执行系统主要有 Z向滚珠丝杠/螺母副、升降台等。（2）控制软件快速成型系统的软件是指从 CAD造型软件直至驱动数控加工所用软件的总称。软件系统的设计思路由快速成型加工的整个工艺过程来决定。控制软件是整个快速成型能量：365nm 处大于 4000mw/cm2输入电压：AC220,50Hz/60Hz功率：约 314mW冷却方式：强制空冷远程遥控电压：DC 524V16软件的重要组成部分，主要功用就是完成从切片处理之后的所有工艺数据处理和加工控制任务。控制软件的功能模块如图 3-2所示，其中用户界面主要对程序和用户间的信息交互进行总体控制和管理，完成包括图形、状态显示，信息查询等功能；文件加载模块主是针对各种不同的文件类型(包括 STL，CLI，SMP 文件)进行不同的载入处理；扫描工艺处理主要是对层片文件进行处理而生成扫描加工路径，包括歧点处理、内外轮廓识别、工艺补偿、扫描和路径规划等步骤；成型加工模块主要是按扫描加工路径和设定的加工参数生成控制数据并发送给硬件控制模块，完成成型加工过程；仿真模块则是通过对成型过程的仿真，对己生成的扫描加工路径、工艺和加工参数的设置进行检验。图 3-2 控制软件的基本结构RP系统控制软件用户界面文件加载外部切片模块扫描工艺处理硬件控制模块仿真模块成型加工模块手动控制模块174 光固化快速成型机的机械部分选型计算4.1 涂覆机构的选型设计与计算4.1.1 同步齿形带的选型设计计算1、初步选型与计算（1）确定设计功率 PdP= ；max)(VFf其中 a= =0.04m/ ， =ma=20.04=0.08N， =0.1Ns5.0/22saFfF根据以上数据得到 P=4.5 W310设计动力 Pd=KP其中 K为工况系数，查机械设计实用手册表 5.3-107，选取 K=1.7根据以上数据得到 Pd=7.65 W310（2）选择同步齿形带的型号和节距根据 Pd=7.65 W， =12.5r/min，查机械设计实用手册，图 53-15，选取带31n的型号为 XL型，查表 5.3-108得到节距 Pb=5.080mm 。（3）选择带轮齿数由带轮转速 =12.5r/min和 XL型带，查带轮允许最小齿数表得最小许用齿数1n=10。带速 V和安装尺寸允许时，尽可能选较大值。minZ初定 =201（4）确定带轮节圆直径18= =32.34mm121ZPdb208.5（5）确定同步带的节线长度 pL180/)(2/)(cos21dda其中 =0（以 a=760mm代入）则 Lp=1570.8mm，选择最接近计算值的标d2in1准节线长 Lp=1600.2mm。（6）计算同步带齿数 bZ= =bZpPL31508.216m（7）确定传动中心距 a传动中心距初定为 a=760mm2、分析计算所选合理性（1）计算所选同步带基准额定功率 0P= （kW）0P)(2vmTa其中 许用工作拉力，查表 5.3-110得到 =50.17N；m单位长度质量，查表a aT得到 m=0.022kg/m；v线速度，v=0.02m/s 。根据以上数据得 = =1.003 kW0P1002.).2.7.5(310（2）计算小带轮啮合齿数 mZ=ent =10 =6mZ)(21211abmin（3）确定实际所需带宽 r14.ozdsoPKb查表得到 XL型带宽基准宽度 =9.5mmsob19其中 啮合齿数系数， =1zKzK根据以上数据，查表 5.3-90，选取带宽 9.5mm3、结果整理选用 XL型同步齿带可选同步带轮的规格为 12L；同步带规格为 660L。（轴间距的最小调整量：长度公差0.60mm，轴间距公差0.30mm，面向内侧的最小调整量 Ci=5mm，面向外侧的最小调整量 Cs=10mm。 ）4.1.2 导轨的选型设计计算对导轨的要求：（1）精确的导向精度（2）精度保持性好（3）结构简单，工艺性好，便于调益和维修（4）摩擦小初选直线滚动导轨，其摩擦因数很小，为 0.0030.005，且适合由低速转至高速的工作状态，可靠性和刚性都较高。卧式导轨受力分析如图 4-1。图 4-1 卧式导轨受力分析图 其中 P1= P2= 4W20l13l4W20l13l20P3= P4= 4W20l13l4W20l13l则 P1 =P2 =P3 =P4= =33.75N，l 0=20mm（1）导轨的选择可按一般钢铁密度，取 7.85g/cm3,公式：重量=厚度宽度长度密度值刮板的质量=70mm50mm477mm 7.85g/cm320mm50mm 21925mm7.85g/cm3=6.557.26 =13.81 kg 重力 W=13.81 kg9.8m/s2=135N摩擦阻力：导轨摩擦系数 查表 4-2表 4-2 导轨摩擦系数直线运动系统的种类 主要形式 摩擦系数 LM导轨 HSR.HR.SR.NSR.RSR 0.0030.004凸型及凹型栓槽轴 LBS.LBF.LT 0.0030.004直线滚珠衬套 LM.LME 0.0020.003滚珠螺杆 BNF 0.0030.004得其范围为 0.0030.004,取 =0.004。F阻力=Wf(f:密封阻力为 2.0)代入数据得 F阻力=Wf=0.004135N2.0=2.54 N惯性力:假定刮板在 0.5s内加速到 3m/min,则 a=0.25m/s2F惯性力=-ma=-13.810.25=3.4524NF= F惯性力F 阻力=3.4524N2.54 N=5.992N表面张力小，忽略不计。由于滑块受力点与两侧的同步齿形带作用于刮板上的作用点等高，故弯矩很小。选择导轨滑块的型号：RSR15VM4.1.3 电机的选型计算电机所承受的负载转矩 mNTfa 105.3.21056. 24mx 21对于开环控制，K 在 2.54 之间，这里取 3。mNT105.6105.3221 机步进电机转速： in/r5.3fn机步进电机校核：工作速度 ，与初选工作速度相近。s/2061maxDnV机电机对应的运行频率： Hzf 45.0ax 由矩频特性图知，在此频率下，电机输出转矩为 80Nm16.
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