快速成型机的设计说明书

本本科科毕毕业业设设计计 第 页 共 页 目 录 1 绪论 1 1 1 选择性激光烧结概述 1 1 1 1 选择性激光烧结技术的发展 1 1 1 2 选择性激光烧结的工艺原理 2 1 1 3 选择性激光烧结的工艺特点 2 1 2 SLS 快速成型技术的特点及应用 3 1 2 1 选择性激光烧结技术具的特点 3 1 2 2 选择性激光烧结的主要应用 3 1 3 国内外现状快速成型技术的现状 3 1 3 1 国内的发展现状 3 1 3 2 国外 RP 技术的最新发展 4 1 4 快速成型技术的发展趋势 5 2 方案选择 6 2 1 设计的目的和要求 6 2 1 1 设计的目的 6 2 1 2 本毕业设计课题任务的内容和要求 7 2 1 3 对本毕业设计课题成果的要求 7 2 2 机械部分设计 8 2 2 1 机械结构传动装置设计 8 2 2 2 整体布局示意图 9 2 3 电气部分设计 9 3 设计计算 11 3 1 铺粉机构的设计 11 3 1 1 小车速度的确定 11 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 页 共 页 3 1 2 小车铺粉过程的受力分析 12 3 1 3 同步带轮的设计 14 3 2 缸体部分设计 15 3 2 1 缸体的设计 15 3 2 2 滚珠丝杠副的计算 18 3 2 3 蜗轮蜗杆的计算 20 4 电气部分设计 22 4 1 控制系统整体设计 22 4 2 步进电机简介 23 4 2 1 感应子式步进电机 24 4 2 2 步进电机的静态指标术语 24 4 2 3 步进电机动态指标及术语 24 4 2 4 步进电机驱动控制系统组成理论简介 25 4 3 控制系统设计 27 4 3 1 工控机的简介 27 4 3 2 工控机的设计 29 4 3 3 工控机的选择 30 4 4 固态继电器 31 4 5 温度控制卡 32 4 6 检测原件的选择 32 4 6 1 传感器的选择 32 4 6 2 光电传感器的选择 34 4 6 3 行程开关 34 结束语 36 致谢 37 参考文献 38 本本科科毕毕业业设设计计 第 1 页 共 39 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 选择性激光烧结概述选择性激光烧结概述 1 1 1 选择性激光烧结技术的发展 1986年美国Texas大学的研究生Deckard提出了选择性激光烧结成型 Selective Laser Sintering SLS 的思想 并于1989获得了第一个SLS技术专利 这是一种用 红外激光作为热源来烧结粉末材料成型的快速成型技术 Rapid Prototyping RP 同其它快速成型技术一样 SLS技术采用离散 堆积成形的原理 借助于计算机辅助设 计与制造 将固体粉末材料直接成型为三维实体零件 不受成型零件形状复杂程度的 限制 不需任何工装模具 2 3 1992年美国DTM公司推出Sinterstation2000系列商品化SLS成型机 随后分别于 1996年 1998年推出了经过改进的SLS成机Sinterstation 2500和 Sinterstation2500plus 同时开发出多种烧结材料 可直接制造蜡模及塑料 陶瓷和 金属零件 DTM公司拥有多项SLS技术专利 无论是在成型设备还是在成型材料方面均 处于领先地位 该公司于2001年被3D公司收购 因此3D公司拥有了最先进的SLS技术 SLS技术在新产品的研制开发 模具制造 小批量产品的生产等方面均显示出广阔的应 用前景 现已成为技术最成熟 应用最广泛的快速成型技术之一 世界上另一个在SLS 技术方面占有重要地位的是德国的EOS公司 EOS公司成立于1989年 1994年EOS公司先 后推出了三个系列的SLS成型机 其中EOSINTP用于烧结热塑性塑料粉末 制造塑料功 能件及熔模铸造和真空铸造的原型 EOSINTM用于金属粉末的直接烧结 制造金属模具 和金属零件 EOSINTS用于直接烧结树脂砂 制造复杂的铸造砂型和砂芯 EOS公司对 这些成型设备的硬件和软件进行了不断的改进和升级 使得设备的成型速度更快 成 型精度更高 操作更方便 并能制造尺寸更大的烧结件 国内从1994年开始研究SLS技 术 引进了多台国外SLS成型机 北京隆源公司于1995年初研制成功第一台AFS激光快 速成型机 随后华中科技大学也研制出了HRPS系列的SLS成型机 这两家单位的SLS成 型设备均已产业化 国内研究SLS技术的还有南京航空航天大学 西北工业大学和中北 大学等单位 其中中北大学研制成功变长线扫描SLS设备 此外 目前国内还有多家企 业和高等院校在进行SLS技术的研究及应用工作 文献 11 列出了国内外生产激光选区 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 39 页 烧结设备的主要制造商及其烧结设备型号与主要性能参数 可以看出 按烧结用材料 的特性 SLS技术的发展可分为两个阶段 1 用SLS技术烧结低熔点的粉料来制造原型 目前的烧结设备和工艺大多处于这 一阶段 所用的材料是塑料 尼龙 覆膜金属粉 覆膜陶瓷粉及覆膜树脂砂 2 用SLS技术直接烧结金属等高熔点的粉料来制造零件 此方面 国内外设备 工艺 材料均不成熟 仍处于研究的初级阶段 1 1 2 选择性激光烧结的工艺原理 SLS工艺原理可参考文献 20 21 首先由CAD产生制件的三维模型 用分层切片软 件对其进行切片处理 获得各截面形状的信息参数 作为激光束进行二维扫描的轨迹 其次 将SLS成型机粉床上的粉末材料预热至材料熔融温度以下2 3 然后根据制 件几何形体各层截面的坐标数据 在计算机的控制下 激光以一定的扫描速度和能量 密度有选择地对材料粉末分层扫描 使粉末材料粘结化 一层烧结完成后 电机驱动 工作台 使粉末固化层下降一个层厚高度 用铺粉辊将新粉末材料均匀地铺放在前一 固化层上 再进行下一层扫描烧结 新的一层和前一层自然地烧结在一起 如此层层 叠加 最终生成所需要的三维实体制件 1 1 3 选择性激光烧结的工艺特点 SLS成型技术开辟了不用刀具 模具等迅速制作零件的途径 并为用传统方法不能 或难于制造的零件或模型提供了一种崭新的制造手段 SLS技术的特点如下 1 成型过程与零件复杂程度无关 是真正的自由制造 传统方法无法比拟 2 技术的高度集成 它是计算机技术 数控技术 激光技术与材料技术的综合集 成 可实现快速铸造 快速模具制造 3 生产周期短 产品的单价几乎与批量无关 从零件CAD到CAM完成只 需几小时到几十小时 特别适合于新产品的开发和小批量零件的快速生产 4 材料适应面广 不仅能制造塑料零件 还能制造陶瓷 蜡等材料的零件 特别 是可以制造金属零件 这使SLS工艺颇具吸引力 5 应用面广 由于成型材料的多样化 使得SLS适合于多种应用领域 如原型设 计验证 模具母模 精铸熔模 铸造型壳和型芯等 6 高精度 依赖于使用的材料种类和粒径 产品的几何形状和复杂程度 该工艺 一般能够达到工件整体范围内 0 05 2 5 mm的公差 当粉末粒径为0 1mm以下时 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 39 页 成型后的原型精度可达 1 2 1 21 2 SLSSLS 快速成型技术的特点及应用快速成型技术的特点及应用 1 2 1 选择性激光烧结技术具有以下特点 1 其工艺材料选择广泛 如尼龙 塑料 金属 陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物 均可作为加工材料 SLS 可根据不同的用途选择不同的材料 如用覆膜砂烧结精密铸造 用砂型 或芯 用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模 用陶瓷粉烧结陶瓷模壳 或用金属粉直接成形金属模具或零件 所以它的选材范围广 2 它不需特殊支撑 多 余材料易于清理 适合原型及功能零件的制造等优点 而且材料可以重复使用 材料 利用率高 粉末材料的利用率几乎可以达到 100 3 与其它原型制作工艺 如 SLA LOM 等 不同 SLS 成形无须研究专门的废料清除工艺 所以工艺过程简单 4 SLS 可以直接成形金属或陶瓷制件 而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术 应用的一个主要方面 从目前国内外 SLS 技术的研究情况来看 覆膜砂 石蜡粉以及 塑料粉这三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟 已经有商品化的设备推向市场 金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟 而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研究阶段 陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点 所以具有广阔 的应用前景 1 2 2 选择性激光烧结的主要应用 1 原型制作 SLS 系统能快速制造出任意难度的原型 设计人员可以直观地 评估所设计产品的造型效果 结构的合理性以及生产工艺的可行性 同时 原型有一 定的强韧性 可以进行装配实验 功能测试 这样快速成型技术的应用对改善产品设 计 加快研发进度 降低开发成本起到非常有效的作用 另外 SLS 除了做精度较高 的薄壁件外 更适合做厚壁件 中大件 原型件变形小 强度高 2 快速铸造 选区粉末烧结 SLS 技术有效地将快速成型技术和传统的铸造 工艺相结合 它包含快速熔模铸造与沙型铸造 1 31 3 国内外现状快速成型技术的现状国内外现状快速成型技术的现状 1 3 1 国内的发展现状 与快速成型设备的研究相比 我国快速成型材料及工艺的研究相对滞后 目前还处 在起步阶段 与国外相比存在较大差距 虽国内有多家研究开发单位对SLS 材料和工艺 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 39 页 进行了研究开发工作 但还没有专门的成型材料生产和销售单位 清华大学主要研究RP 方面的现代成型学理论和FDM工艺 并开展了基于SLA 工艺的金属模具的研究 华中科 技大学主要研究LOM 工艺 推出了HRP 和RPS 系列成型机和成型材料 西安交通大学 开发出LPS 和CPS 系列的光固化成型系统及相应树脂 中国科学院沈阳自动化研究所 研制开发出的具有自主知识产权的 纳米晶陶瓷材料 零件的快速成型工艺与设备 已经通过了国家863 计划的考核验收 北京化工大学针对目前成型机普遍采用的直角坐 标机构在加工旋转体薄壁零件时 轮廓易失真的现象 构思设计了极坐标机构快速成 型设备 另外 国内两家比较知名的RP 专业机构也研究并开发了实用的新技术并投入 市场 北京隆源自动成型有限公司开发研制的AFS 320 和AFS 450 系列激光快速成 型机已被广泛应用 北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司开发了FDM 工艺设备 MEM 系列 激光固化树脂RP 设备 AURO 350 分层实体RP 设备 SSM系列 另外 有关RP 技术的组织和学术活动也纷纷出现 如1997 年中国机械工程学会特种 加工分会成立了 快速成型技术委员会 该委员会作为我国唯一代表 出席了历届 GARPA 全球快速成型协会联盟 的高峰年会 2003 年6 月 基于西安交通大学承担的国 家863 计划项目 RP 2004 年3 月16 日至19 日在昆明召开了 第三届全国快速成型与快速制造学术会议 该会议每四年举行一次 2004 年11 月4 日至9 日在上海新国际博览中心举行的 第 六届上海国际工业博览会 上 多家国内知名的RP 技术企业参展 总之 我国的RP 工业正紧跟国际先进技术的步伐 迅速发展 3 1 3 2 国外RP 技术的最新发展 SLS 技术起源于美国德克萨斯大学澳斯汀分校 1986 年 该校学者Carl Deckard 在其论文中首次提出了SLS 工艺原理 并申请了专利 于1988 年研制成功了第一台 SLS成形机 随后由DTM 公司将其商业化 推出了SLS Model125 成形机 目前 DTM 公司与3D Systems 公司合并 成为全球影响力最大的公司 占有全球60 以上的市场 份额 随着RP 技术的不断发展 该领域的格局也随之变化 在开发应用方面 美国 日本以及欧洲走在世界的前列 近几年 对于比较成熟的各种成型技术 不管是成型 设备还是材料都有了不同程度的发展 1 SLA 从1999 年至今 3DSystems 公司相 继推出SLA7000 Viper HA SLA Viper SLA 等机型 尤其是最新的Viprer 系统 可 以同时实现整体和部分两种解决方案 2 LOM Helisys 公司研制出多种LOM工艺 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 5 页 共 39 页 用的成型材料 可制造用金属薄板制作的成型件 3 FDM Stratasys公司1999 年 推出使用热塑性塑料的Genisys 成型机 并开发出水溶性支撑材料 解决了复杂及小 型孔洞中的支撑材料难以去除的问题 近两年推出的TitanTM Prodigy PlusTM EDEN333TM FDM MaxumTM TripletsTM and FDM VantageTM 系列生产线 其设备尺寸 逐渐减少 适应了桌面化的发展趋势 4 SLS 3D Systems 新推出的Sinterstation HiQ system 具有改善工件质量的智能热控系统和更高的生产效率 DTM公司推出了 Sinterstation 系列成型机及多种成型材料 5 DPG 或3DP 美国的ZCorporation 与日本的RikenInstitute 于2000 年研制出基于喷墨打印技术的 能制作出彩色原型 件的RP 设备 同时 美国的Z Corporation正在推行一种名为ZP 250 的新材料 2004 年底 ZCorporation 还掀起了一场新热塑性粉末的开发热潮 这种材料不需要渗透就 能达到很高的强度 2004 年11 月 Stratasys 公司还公布了其最新研制的新合成材 料PC ABS 它是由polycarbonate PC 聚碳树脂 和ABS 合成 同时具有PC 的高 强度和ABS 的高弹性 6 1 41 4 快速成型技术的发展趋势快速成型技术的发展趋势 长期以来 不断有一些学者和专家对R P的发展持观望和怀疑态度 尤其是在1998 年受全球经济的不景气所影响 R P 工业出现缓慢增长甚至某些方面为负增长 对此 TerryWohlers 也中指出 R P工业将会在未来几年发生巨大的变化 主要体现在新技 术 新工艺及信息网络化等方面 1 开发概念模型机或台式机 目前 R P 技术向两个方向发展 工业化大型系统 用于制造高精度 高性能零 件 自动化的桌面小型系统 此类系统称为概念模型机或台式机 主要用于制造概念 原型 发达国家许多科研机构 如I B M 公司 及教育单位 中等职业学校甚至中小 学 已经开始购买此种小型RP 设备 并极有可能进入家庭 美国通用汽车公司也计划 为其每位工程师配备一台此类设备 采用桌面RP 系统制造的概念原型 可用于展示产品设计的整体概念 立体型态布 局安排 进行产品造型设计的宣传 作为产品的展示模型 投标模型等使用 2 开发新的成型能源 S L L O M S L S 等快速成型技术大多以激光作为能源 而激光系统 包括 激光器 冷却器 电源和外光路 的价格及维护费用昂贵 致使成型件的成本较高 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 6 页 共 39 页 于是许多RP 研究集中于新成型能源的开发 目前已有采用半导体激光器 紫外灯等低 廉能源代替昂贵激光器的RP 系统 也有相当多的系统不采用激光器而通过加热成型材 料堆积出成型件 3 开发性能优越的成型材料 R P 技术的进步依赖于新型快速成型材料的开发和新设备的研制 发展全新的RP 材料 特别是复合材料 如纳米材料 非均质材料 其它传统方法难以制作的复合材 料已是当前RP 成型材料研究的热点 目前国外RP 技术的研究重点是R P 成型材料的 研究开发及其应用 美国许多大学里进行R P 技术研究的科技人员多数来自材料和化 工专业 4 研究新的成型方法与工艺 在现有的基础上 拓宽RP 技术的应用 开展新的成型技术的探索 新的成型方法 层出不穷 如三维微结构制造 生物活性组织的工程化制造 激光三维内割技术 层 片曝光方式等 对于RP 微型制造的研究主要集中于 RP 微成型机理与方法 R P 系 统的精度控制 激光光斑尺寸的控制以及材料的成型特性等方面 目前制作的微零件 仅是概念模型 并不能称之为功能零件 更谈不上微机电系统 MEMS 要达到M E M S 还需克服很多的问题 如 随着尺寸的减小 表面积与体积之比相对增大 表面力 学 表面物理效应将起主导作用 微摩擦学 微热力学 微系统的设计 制造 测试 等 5 集成化 生物科学 信息科学 纳米科学 制造科学和管理科学是21 世纪的5 个主流科学 与其相关的五大技术及其产业将改变世界 制造科学与其它科学交叉是其发展趋势 R P 与生物科学交叉的生物制造 与信息科学交叉的远程制造 与纳米科学交叉的微机 电系统等都为RP 技术提供了发展空间 并行工程 CE 虚拟技术 VT 快速模具 RT 反求工程 VR 快速成型 RP 网络 Internet Intranet 相结合而组成 的快速反应集成制造系统 将为R P 的发展提供用力的技术支持 7 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 7 页 共 39 页 2 2 方案选择方案选择 2 12 1 设计的目的和要求设计的目的和要求 2 1 1 设计的目的 1 设计 SLS 快速成型机的整体部分和缸体部分设计 主要用于单件小批零件和 功能模型的快速成型制造 2 通过毕业设计 锻炼我们应用所学知识解决生产中实际存在的问题 能够独 立或者和同学合作设计一些实际应用的产品 以提高自己的设计能力 同时毕业设计 也是对我们在大学四年中所学知识一次最后的彻底的检验 3 提高应用手册标准以及编写文件等资料的能力 2 1 2 本毕业设计课题任务的内容和要求 1 SLS 快速成型机的总体设计 包括机械 电气和软件三部分 2 SLS 快速成型机缸体部件设计并拆画零件图 3 控制系统软件分析设计 4 成型缸和料缸的最小位移量是 0 01mm 5 最大成型尺寸是 450 450mm 2 1 3 对本毕业设计课题成果的要求 1 SLS 快速成型机总体结构装配图 A0 图纸 1 张 2 SLS 快速成型机缸体部件图 A0 图纸 1 张 3 SLS 快速成型机硬件电路图 A0 图纸 1 张 4 程序框图 1 张 5 编写 2 万字的设计计算说明书 2 22 2 机械部分的设计机械部分的设计 机械部分的设计主要包括机械结构传动装置和机床的整体布局设 2 2 1 机械结构传动装置设计 传动装置是大多数机床的主要组成部分 实践证明 传动装置在整台机床的质量 和成本都占很大的比例 机器的工作性能和运转费用也在很大的程度上决定于传动装 置的优劣 因此传动方案的选择是机械设计的重点 在这次成型机的设计中电机到执行部件的传动装置可采取的几种方案 齿轮传动 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 8 页 共 39 页 普通 V 带传动 同步带传动 链传动 丝杠螺母副 蜗轮蜗杆传动 下面将以上几种 传动方案进行比较 齿轮传动的承载能力和速度范围大 传动比恒定 外廓尺寸小 工作可靠 效率 高 寿命长 制造安装精度要求高 噪声大 成本较高 齿轮齿条传动常用于行程较 大的大型机床上 可以得到较大的传动比 易得到高速直线运动 刚度及机械效率也 高 但传动不够平稳 传动精度不高 普通 V 带传动的承载能力较小 传递相同转矩时结构尺寸较其他传动形式大 但 传动平稳 能缓冲振动 噪声小 经济性好 同步带传动可保证准确的传动比 优点是传动适用的速度范围广 传动比大 效 率高 可达 98 预紧力较小 轴和轴承上受的载荷较小 单位长度质量小 故允许 较高的线速度 但制造和安装精度要求较高 中心距要求严格 链传动属于带有中间挠性件的啮合传动 在两根平行轴间只能用于同向回转的传 动 运动是不能保持恒定的瞬时传动比 磨损后易发生跳齿 工作时有噪声 不宜在 载荷变化很大和急速反向的传动中应用 丝杠螺母副传动中 滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦 摩擦损失小 传动效率高 可达 0 90 0 96 丝杠与螺母预紧后 可以完全消除间隙 提高了传动刚度 摩擦阻力 小 几乎与速度无关 能保证运动平稳 不易发生低速爬行现象 不能自锁 有可逆 性 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构 由于蜗杆的齿 是连续不断的螺旋齿 它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐推出啮合的 同时啮合的齿 对有较多 故冲击载荷小 传动平稳 噪声低 综合比较几种传动方案最后选择同步带传动适合并能满足步进电机和铺粉小车之 间的连接需要 因此减速传动装置选择同步带传动 从电机到活塞缸的传动需要经减速装置 在减速传动中选择蜗轮蜗杆减速 运动 较平稳 考虑到滚珠丝杠传动的特点 满足电机与缸体间的传递 故减速后经滚珠丝 杠传递到活塞缸 机床的整体布局设计要根据设计要求中能烧结的最大零件尺寸 重量 形状以及 传动关系 位移 速度 加速度 时间等一系列参数进行设计 最后得到一个能满足 设计要求并且成型机各个部件间相对位置关系协调合理的结果造型 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 9 页 共 39 页 机械结构的主要组成有机架 工作平台 铺粉机构 两个活塞缸 集料箱 加热 灯 通风除尘设备 小集料箱 激光室 电气柜 2 2 1 整体布局示意图 传动装置基本确定后 在进行整体设计的考虑 首先根据重量和刚度的要求选取 机架为铝合金框架式结构 用于支撑设备的其他部分 机架下安有四个地脚螺栓 用 于调整设备的水平 同时安有四个脚轮 便于搬运 其原理较简单 其原理结构简图 如图 1 两个缸的结构相同 位于工作平台下方支撑架上 集料箱位于成型缸的左边下料 口的下方 小集料箱位于料缸的右边下料口的下方 电气柜位于主机的右下紧靠着小 集料箱 加热灯位于成型室上方的加热框内 可以左右拖动 方便取出工件 通风除 尘设备位于成型室的左上方 激光室位于成型室的上方 用来安装激光扫描器 具体 的整体结构装配见总装配图 2 32 3 电气部分设计电气部分设计 电气部分是整个成型机的核心 相当于人的神经中枢 电气部分的设计也相当的 重要 在控制中常用的控制系统有工控机 单片机 PLC 可编程控制器 各种控制方法 的特点如下 1 铺粉滚筒 2 聚焦镜 3 悬臂 4 工件 5 余料收集箱 6 烧结缸 7 活塞 8 滚珠丝杠 9 步进电机 10 供粉缸 图 1 结构原理简图 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 10 页 共 39 页 1 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 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 2 单片机是应工业测控系统数字化 智能化的迫切要求而提出的 片内存储器容 量较小 可靠性好 其高速操作基本在片内进行 程序指令及常数 表格固化在 ROM 中不易破坏 控制能力强 一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件 不具备自 开发的能力 只放置有用户调试好的应用程序 常用于小型智能单元 或大型系统 3 PLC 具有很好的柔性控制程序可变 具有高度可靠性 适用于工业环境 功能 完善 现在的 PLC 具有数字量和模拟量输入 输出 逻辑和算术运算 定时 计数 顺 序控制 等功能 易于掌握 便于维修 价格低廉 另外 PLC 不需要专用的机房 为 工业现场的大量直接应用提供了方便 常用于工业现场 过程控制 在成型机的控制系统中选用工控机作为控制机 由于其良好的显示效果 可以直 接看到零件的图形 其上的 PCI 和 ISA 插槽可以直接插相应的控制卡 使控制系统比 较简单 可靠 为保证运动的可靠 在小车运动的极限位置装上行程开关 在缸体升 降的极限位置 也装上行程开关 确保运动的可靠性 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 11 页 共 39 页 3 3 设计计算设计计算 3 13 1 铺粉机构的设计铺粉机构的设计 铺粉机构的作用是将成型缸的粉料铺平 它由两根直线导轨 铺粉车驱动电机 步 进电机 减速器 联轴器 铺粉小车和铺粉车罩组成 3 1 1 小车速度的确定 根据本次设计的要求最大成型尺寸 450 450mm 据此拟定成型室的空间长度为 1100mm 设定小车需要在 2 秒内完成一次铺粉过程 小车的行程是 2200mm 小车在这 个过程中要经过加速 匀速 减速三个速度变换的过程 当速度在减速到零时 停止几 秒后再反向加速 加速到一定速度时再匀速 然后在碰到行程开关时减速复位的运动 过程 小车运动示意图如图 2 图 2 小车运动示意图 根据上述条件假设小车铺粉过程中 一个行程的加速时间 t1与减速时间 t3相等 即 t1 t3 0 2 小车匀速运动时间为 6 92 02 0105 031 tttt 设定小车加减速运动时的加速度大小相等即 根据加速度公式可得 t v 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 12 页 共 39 页 又因为行程距离 所以1 196 0 2 02 0 2 21 2 1 aatatats 56 0 a 2 sm matss0112 0 2 056 0 5 05 0 22 1 21 3 1 2 小车铺粉过程的受力分析 小车来回运动的情况是相同的 现在研究小车铺粉的运动 做以下分析 小车在 前进时各阶段所受的力分别如下 a 加速阶段 在小车刚启动的时候 受到自身重力 G 粉料的阻力 F1 导轨的阻力 F2 电机的 推力 F3 小车惯性力 F 支持力 F4 设小车前进的方向为正方向 则在加速阶段 小车的受力如下图 3 图 3 加速阶段小车受力分析 b 匀速阶段 在小车匀速运动的时候 小车受到自身重力 G 粉料的阻力 F1 导轨的阻力 F2 电机的推力 F3 支持力 F4 在此阶段 小车处于匀速平衡状态 不受惯性力 其受力 v G F1F2 F F3 F4 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 13 页 共 39 页 情况如下图 4 所示 c 减速阶段 小车减速的时候 受到自身的重力 G 粉料的阻力 F1 导轨的阻力 F2 小车的惯 性力 F 电机的推力 F3 此时的惯性力与小车的运动方向相同 受力如下图 5 图 5 小车减速阶段的受力分析 现在的加工中 一般铺粉的厚度为 0 21mm 在铺粉的过程中 铺第一层时厚度较 大 在机床的设计过程中 为了保证机床的可靠性 取小车铺粉的最大厚度为 5cm 粉 v v F4 F1F2 F3 G 图 4 匀速阶段小车受力分析 F4 F1 F2 F3 F G 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 14 页 共 39 页 料的密度为 0 5g cm3小车与粉料的摩擦系数为 1 0 04 小车与导轨的摩擦系数 为 2 0 5 则小车在铺粉过程中 每次最多推动的粉料的体积为 3 54545cmV 所以每次最多推动的粉料的质量为 kggvm063 5 5 5062545455 0maxmax 所以小车每次铺粉推动的粉料的重量为 NgmG6125 498 9063 5 maxmax NGF98 1 6125 4904 0 11 设铺粉小车质量为 则小车受导轨的阻力为 对以上的三种情况进行分析可得 小车在初始阶段即加速阶段 需要的推力最大 最大的推力为 NamMFFF12 3256 0 063 5 5 5 24798 1 max 小车需要的最大推力为 F3 32 12N 则小车运动的所需的功率 P0 根据得 小车运动所需的功率为 kwFvPw0044 0 1000124 0 44 351000 a 为 传动装置的总效率 其中 1 2分别是减速器 和同步带传动的效率 1 2 0 98 所以同步带轮的输入功率为 kwFvP0037 0 1000 112 0 12 321000 0 即电动机的功率为 0 0037kw 3 1 3 同步带轮的设计 同步带传动综合了带传动和链传动的优点 同步带通常是以钢丝绳或玻璃纤维绳 等为抗拉层 氯丁橡胶或聚氨酯橡胶为基体 工作面上带齿的环状带 工作时带的凸 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 15 页 共 39 页 齿与带轮外缘上的齿槽进行啮合传动 由于抗拉层承载后变形小 能保持同步带的周 节不变 故带与带轮间没有相对滑动 从而保证了准确的传动比 同步带传动的优点 a 无滑动 能保证固定的传动比 b 预紧力较小 轴和轴承 上所受载荷小 c 带的厚度小 单位长度的质量小 故允许的线速度较高 d 带的柔 性好 故选用带轮的直径可以较小 其主要缺点是安装时中心距要求严格 且价格要 求较高 小车的速度和同步齿形带的速度是一致的所以同步齿形带轮的线速度为 带速 v 0 112m s 初选小带轮齿数为 z1 14 模数 m 4 所以小带轮直径 d1 mz1 2 18 56mm 根据公式 v d1n1 60 1000 得小带轮的转速 n1 35 3r min 因为传动比为 1 所以大带轮的齿数和直径分别为 z2 14 d2 56mm 大带轮的转速 n2 35 3r min Pd Ka P 1 6 0 0037 0 00592kw Ka 工况系数 取轴向间距 a0 1450mm 带长 L0 2a0 d1 d2 2 d2 d1 2 4a0 3065 84mm 由 L0与 m 4 可取 Zb 290 Lp 3644 25 的同步带 根据需要将他的宽度切为 28mm 即带宽 bs 28mm 电机的输出转距为 Td 9550Pd n1 9550 0 00592 35 3 1 6N m 3 23 2 缸体部分设计缸体部分设计 缸体部分的传动是电机经过一个蜗轮蜗杆减速器后 由丝杠带动缸体做上下直线 移动 这部分的主要特点就是蜗轮与丝杠的螺母相连 从而带动滚珠丝杠的螺母转动 而 丝杠只是上下移动 不转动 3 2 1 缸体的设计 缸体的设计首先要对缸体进行手力分析 考虑最不理想的情况 也即缸体受力最 大的情况 当缸体装满粉料 从下端上升到顶端的过程 缸体的底板受到的力最大 缸体的底板受到的力为粉料的重力 G 粉料与缸体壁的摩擦力 F 受力图如下图 6 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 16 页 共 39 页 示 图 6 丝杠受力分析 托板在上升的过程中 经过加速 匀速 减速三个阶段 与小车的受力分析相似 在加速阶段受到的力最大 需要电机的推力最大 其中 G 为粉的重力与缸底板的重力 之和 F1为粉料与缸体壁的摩擦力 F2为惯性力 F 为电机推力 GFFFm 21 整缸粉的体积为 整缸粉的重力为 NvgG4908 91 05001 缸体底板的重量为 G2 100N 则有 G G1 G2 590N 取粉与缸体壁的摩擦力 1 Fm G F1 F2 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 17 页 共 39 页 缸体的惯性力 GF 2 由于加速度不大 所以惯性力较小 则缸体所需要的最大推力为 NGFFFm15725905904908 021 电机的选择 国内的标准型号有 70BYG 90BYG 130BYG 等由于缸体的上升速度不宜过快 以免影 响加工质量 可取上升速度 v 0 8mm s 由上升过程所用的功率应等于丝杠所提供的功率 则上升所消耗的功率为 P FmV升 FV 其中 F 为丝杠的圆周力 V 为圆周线速度 Fm为向上推力 V升为上升速度 有后面可知所选的丝杠的直径 d 32mm 且其线速度 v 0 02m s Fm 1572N V升 0 8mm s 则代入上式有 02 0 F108 01572 3 可得 F 62 88N 则其转矩为 T Fd 62 88 0 032 2 01NM 有余载计算中没考虑到其效率损失 所以其所选的转矩肯定比 2 01NM 大 根据转 矩可选取 70BYG2501 其最大转矩为 2 5N M 电机型号数据见下表 1 所示 表 1 90BYG250A 系列步进电机技术参数 参数型号 70BYG2501 相电流 A 步距角 o 保持转矩 N M 转子惯量 kg cm s2 空载启动频率 KHz 空载运行频率 KHz 电机重量 Kg 3 0 9 1 8 2 5 1 5 1200 20 2 8 3 2 2 滚珠丝杠副的计算 1 滚珠丝杆简介 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 18 页 共 39 页 近年来 越来越多的滚珠丝杆被用在各式各样的机床上 来满足设备高精度与高 性能的需求 滚珠丝杆已成为使用最广的传动元件之一 在CNC的机械中 使用滚珠丝 杆能增加其定位精度及延长其使用寿命 在传统机械上 滚珠丝杆也逐渐取代爱克姆 丝杆 滚珠丝杆通常搭配预压力来消除机器运转时的背隙 引起滚珠丝杆间隙过大的原因 1 无预压或预压不足 无预压的滚珠丝杆垂直放置时 螺帽会因本身的重量而造成转动下滑 无预压的 丝杆会有相当的背隙 因此只能用于较小操作阻力的机器 但主要的依据是其定位精 度没有太多的要求 丝杠在不同的应用场所给出正确的预压量 并在出厂前调整好预 压 因此当您定购滚珠丝杆前请详述设备的操作情况 2 扭转位移太大 丝杆的细长比越小 刚性越高 细长比的界限一般在60以下 如果细长比太大 丝杆会因自重原因产生下垂 如果滚珠丝杆只以侧支撑 此种设计刚性较弱 应尽可 能避免 3 轴承选用不当 通常滚珠丝杆必须搭配斜角轴承 尤其是以高爪力角设计的轴承为较佳的选择 当滚珠丝杆承受轴向负载时 一般的深沟滚轴轴承会产生一定量的轴向间隙 因此深 沟滚珠轴承不适用于此 4 轴承安装不当 轴承的承靠面与锁定螺帽V形牙轴心的垂直度不佳 或两对应方向的锁定螺帽面平 行度不佳 会导致轴承的倾斜 因此螺帽肩部的锁定螺帽V形牙与轴承的承靠面必须同 时加工 才能确保垂直度 如果以研磨方式加工更好 5 螺帽座或轴承座刚性不足 如果螺帽座或轴承刚性不足 由于元件本身的重力就会引起丝杆变形 因此在设 计螺帽和轴承座时要使其刚度足够 保证丝杆的间隙不会过大 7 支撑座的表面平面度超差 不论结合元件的表面是研磨或铲花 只要其平面度超出公差范围 床台运动时位 置的重现性精度将较差 因此一部机器中 通常在支撑座与机器本体间以薄垫片来达 到调整的目的 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 19 页 共 39 页 为了调整间隙 滚珠丝杠的使用要预紧 轴承间隙的调整和预紧常采用双螺母预 紧的方法 其结构型式有垫片调隙式 螺纹调隙式和齿差调隙式 在这次的设计中采 用垫片调隙式 2 滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠副已经标准化 因此只需选择合适的型号即可 滚珠丝杠的负荷包括粉料的重力及摩擦引起的阻力 1 经查表和前述计算可以的出如下参数 查表得 使用寿命 T 15000h 初选丝杠螺距 t 4mm 且已经知道缸体下降的最大的 下降速度是 Vmax 0 8mm min 0 048m min 所以丝杠转速 min124048 010001000 max rtvn 取丝杠转速 n 12r min 所以转 8 1010150001260 6 L 2 额定动载荷 设计其精度为 3 级 可靠性为 90 则由 canw am ffnLFfC100 60 3 1 其中可查出精度系数 fa 1 可靠性系数 fc 1 荷性质系数 fw 1 2 且已知 F 1572N Lh 15000 n 12r min 上述数据代入公式后 可 得 查表 机械设计手册 取滚珠丝杠的直径 d0 32 选用滚珠丝杠螺母副型号为 3206 3 其额定负荷为 6766N 足够用 3 传动效率计算 将公称直径 d0 32mm 导程 Ph 4mm 代入 93 0 1027 2 27 2 tgtgtgtg 式中 丝杠螺纹升角 摩擦角 10 NCam 7 4169111000 150001260 15722 1 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 20 页 共 39 页 导程步距角脉冲当量传动比 360 4 刚度检验 滚珠丝杠受工作负荷 P 引起的导程 L0 的变化量 EA LF L N 其中 FN 1574 L 0 4cm 26 10 6 20cmNE 22 04 8cmRA 所以 cm EA LF L N 6 6 108 3 08 8 10 6 20 4 01574 丝杠因受扭矩引起的导程变化量很小 可忽略 所以导程总误差 72 0 5 2 2 6163 2 m aa 查表知 6 级精度的丝杠允许误差 13 m 中国机械设计手册卷 4 故刚度足够 所选丝杠符合要求 3 2 3 蜗轮蜗杆的计算 由公式 其中脉冲当量 0 001P 步距 角为 1 8 导程为 4mm 所以有 05 0 48 1 001 0 360 48 1 360 p i 在传动过程中蜗杆为主动 传动比为 i 20 考虑到蜗杆传递的功率不大 速度只 是中等 故蜗杆用 45 钢经调质处理 硬度 220 300HBS 蜗轮用铸造锡青铜 单头蜗杆传动的传动比大 但传递的效率较低 应增加蜗杆的头数 但蜗杆头数 太多 又给加工带来困难 在这里取蜗杆的头数 分度圆直径 d1 22 4mm 蜗杆 的轴面模数 m 2 5 蜗杆导程角 由式 计算得 12 58 蜗杆轴向齿形角 o 20 则蜗轮的齿数为 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 21 页 共 39 页 72 0 5 2 2 6163 2 m aa 蜗轮的分度圆直径为 根据实际需要 中心距 2 612 a21 dd 取 mma63 为了配凑中心距 采用变 位蜗杆传动 由式 计算得蜗轮变位系数为 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 22 页 共 39 页 4 4 电气部分设计电气部分设计 4 14 1 本设计的控制系统总体设计本设计的控制系统总体设计 成型机的控制系统是一个以计算机为核心 控制激光在粉末表面选区烧结 由机 械电气实现烧结区逐层叠加的一个系统 它由工控机 激光系统 运动部件 辅助部 件等组成 工控机除具备普通计算机的功能外 还具有抗电磁干扰 抗尘 抗震 长时间工 作可靠等特点 它担负着控制激光器将计算机图形文件转为粉末表面的扫描图形 控 制各运动部件等工作 激光器采用的是 10 6um 二氧化碳射频激光器 安装于成型室上部 功率控制信号 是由计算机内部的扫描器控制卡提供 扫描器 或称为振镜 是将固定的激光束转为动态扫描线的装置 其原理是由两 面振镜沿其转轴转动使入射激光发生组合偏转 它位于成型室上部 正对成型缸 每个振镜的转动位置也是由计算机通过其内部的扫描器控制卡控制振镜伺服电机 而实现的 将激光焦点汇聚于成型面是采用前聚焦方式 为解决球差 采用了动态聚 焦 具体光程是 激光器 合束镜 第一反射镜 第二反射镜 动态聚焦系统 扩束 聚焦系统 振镜 窗口镜 成型面 铺粉装置含有四台步进电机 计算机通过其内部的专用控制卡对各步进电机驱动器 进行控制 其中两台用于料缸和成型缸活塞的上下运动 第三台用于带动铺粉小车水 平运动 第四台用于铺粉小车的铺粉辊转动 电机驱动器配有专用电源 为检测 限 制各部件的运动 系统对前三台电机控制的运动部件各安装了两个检测开关 为保证烧结条件 通过计算机可设定激光功率和原料加热温度 系统中还包括照明 通风 激光指示光等辅助装置 各部件的供电控制是由计算机 AFS 界面内的控制按钮 控制的 其中 激光器键必须在冷却器和扫描器同时被打开时才能有效 设备刚启动 时工作状态灯全亮表示处于预工作状态 当激光器 冷却器 扫描器 电机 通风五 键均打开 工作状态灯为绿 表示处于正常工作状态 加工完毕设备自动关机 绿灯 闪亮 红灯灭表示加工完成 当加热装置因意外失控而超温时 系统会自动切断总电 源 零件加工完毕 设备除工控机外可实现自动关机 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 23 页 共 39 页 当系统出现异常 可按下键盘板上方的红色蘑菇头应急按钮 系统将全部断电 4 24 2 步进电机的简介步进电机的简介 步进电机作为执行元件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用于各种自动化 控制系统中 随着微电子和计算机技术的发展 步进电机的需求量与日俱增 在国民 经济的各个领域都有着重要的应用 上个世纪就出现了步进电动机 它是一种可以自由回转的电磁铁 动作原理和今 天的反应式步进电机没有什么大的区别 也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩 在上个世纪初 造船工艺发展很快 同时也使得步进电机的技术得到了长足的进步 到了八十年代后 由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现 步进电机的控制方式 更加灵活多样 原来的步进电机消耗大量元器件 而且一旦定型之后 要改变控制方 案就一定要重新设计电路 计算机则通过软件来控制步进电机 更好的挖掘出电机的 潜力 因此 用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势 也符合工业现代化 的发展趋势 步进电机和普通电机的不同之处是步进电机受脉冲信号的控制而改变起停 运动 快慢等 步进电机通过环形分配器和功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电 源 在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场 使转子步进式的转动 电机的转动与否由 脉冲的接通与否相关 电机转动的快慢与脉冲频率的高低相对应 转子旋转方向的改 变由脉冲方向的改变来实现 当然 步进电机的旋转同时还与相数 分配数 转子齿 数有关 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 电磁式步进电机 混合式步进电 机和单相式步进电机等 其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 定子上有 多相励磁绕组 利用磁导的变化产生转矩 反应式步进电机的应用十分的广泛 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比 结构上转子加有永磁体 以提 供软磁材料的工作点 而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗 能 因此该电机效率高 电流小 发热低 因永磁体的存在 该电机具有较强的反电 势 其自身阻尼作用比较好 使其在运转过程中比较平稳 噪音低 低频振动小 感 应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机 一个四相电机可以作四相运行 也可以作二相运行 必须采用双极电压驱动 而反应式电机则不能如此 例如 四相 八相运行 A AB B BC C CD D DA A 完全可以采用二相八拍运行方式 不难发现其条 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 24 页 共 39 页 件为一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致 小功率电机一般直接接为二相 而功率大一点的电机 为了方便使用 灵活改变电机的动态特点 往往将其外部接线 为八根引线 四相 这样使用时 既可以作四相电机使用 可以作二相电机绕组串联 或并联使用 在激光选择快速成型机的设计中 选择感应子式步进电机 4 2 1 感应子式步进电机 感应子式步进电机以相数可分为 二相电机 三相电机 四相电机 五相电机等 以机座号 电机外径 可分为 42BYG BYG 为感应子式步进电机代号 57BYG 86BYG 110BYG 国际标准 而像 70BYG 90BYG 130BYG 等均为国内标准 4 2 2 步进电机的静态指标术语 相数 产生不同对极 N S 磁场的激磁线圈对数 常用 m 表示 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示 或指电机转过 一个