机械设计第五章

1、第五章第五章快速成型设备快速成型设备 快速成型设备的研究与开发是快速成型制造技术的重要部分，各快速成型设备的研究与开发是快速成型制造技术的重要部分，各种快速成型设备可以说是相应的快速成型技术方法以及相关材料等研种快速成型设备可以说是相应的快速成型技术方法以及相关材料等研究成果的集中体现，快速成型设备系统的先进程度是衡量快速成型技究成果的集中体现，快速成型设备系统的先进程度是衡量快速成型技术发展水平的标志。术发展水平的标志。随着随着19881988年年3D Systems3D Systems公司推出第一台快速成公司推出第一台快速成型商品化设备型商品化设备SLA250SLA250以来以来，世界范围

2、内相继推出了和快速成型方法对，世界范围内相继推出了和快速成型方法对应的多种商品化设备和实验室阶段的设备。和快速成型技术方法一样，应的多种商品化设备和实验室阶段的设备。和快速成型技术方法一样，目前，商品化比较成熟的设备系统有目前，商品化比较成熟的设备系统有光固化成型设备系统光固化成型设备系统、叠层实体叠层实体制造设备系统制造设备系统、熔融沉积制造设备系统熔融沉积制造设备系统以及以及选择性激光烧结成型系统选择性激光烧结成型系统等。上述这些比较成熟的商品化设备系统的销售量平均以等。上述这些比较成熟的商品化设备系统的销售量平均以5050左右的左右的速度在逐年递增，标志着快速成型技术的应用速度在逐年递增

3、，标志着快速成型技术的应用正处于繁荣发展的阶段正处于繁荣发展的阶段。 概概 述述一、光固化快速成型制造设备一、光固化快速成型制造设备 2020世纪世纪7070年代末到年代末到8080年代初期，美国年代初期，美国3M3M公司的公司的Alan J. Hebert(1978)Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男日本的小玉秀男(1980)(1980)、美国、美国UVPUVP公司的公司的Charles W. Hull(1982)Charles W. Hull(1982)和日本的和日本的丸谷洋二丸谷洋二(1983)(1983)，在不同的地点各自独立地提出了，在不同的地点各自独立地提出了

4、RPRP的概念，即利用连续的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles HullCharles Hull在在UVPUVP的继续支持下，的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1SLA-1的完整系统。同年，的完整系统。同年，Charles Charles HullHull和和UVPUVP的股东们一起建立了的股东们一起建立了3D Systems3D Systems公司，并于公司，并于19881988年首次推出年首次推出SLA-250SLA-250机型，机型，如图所示。如图所示。 目前，研究光固化成

5、型设备的单位有目前，研究光固化成型设备的单位有美国美国的的3D Systems3D Systems公司公司、AaroflexAaroflex公司，公司，德国的德国的EOSEOS公司公司、F&SF&S公司，公司，日本的日本的SONY/D-MECSONY/D-MEC公司公司、Teijin SeikiTeijin Seiki公司、公司、Denken EngieeringDenken Engieering公司、公司、MeikoMeiko公司、公司、UnipidUnipid公司、公司、NTT DATA&CMETNTT DATA&CMET公司，公司，以色列的以色列的CubitalCubital公司公司以及

6、以及国内的西安交通大国内的西安交通大学、上海联泰科技有限公司等学、上海联泰科技有限公司等。 在上述研究在上述研究SLA设备的众多公司中，美国设备的众多公司中，美国3D Systems公司的公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大。技术在国际市场上占的比例最大。3D Systems公司在继公司在继1988年推出第一台商品化设备年推出第一台商品化设备SLA250以来，又于以来，又于1997年推出了年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三种机型，在光固化成型设备技三种机型，在光固化成型设备技术方面有了长足的进步。术方面有了长足的进步。其中，其中，SLA3500和和SLA5000使用

7、半导体激使用半导体激励的固体激光器，扫描速度分别达到励的固体激光器，扫描速度分别达到2.54m/sec和和5m/sec，成层厚，成层厚最小可达最小可达0.05mm。此外，还采用了一种称之为。此外，还采用了一种称之为Zephyer recoating system的新技术，该技术是在每一成层上，用一种真空吸附式刮板的新技术，该技术是在每一成层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层在该层上涂一层0.050.1mm的待固化树脂，使成形时间平均缩短了的待固化树脂，使成形时间平均缩短了20%。该公司于。该公司于1999年推出年推出SLA7000机型。机型。SLA7000与与SLA5000机型相比，成体积

8、虽然大致相同，但其扫描速度却达机型相比，成体积虽然大致相同，但其扫描速度却达9.52m/sec，平均成型速度提高了平均成型速度提高了4倍，成层厚最小可达倍，成层厚最小可达0.025mm，精度提高了，精度提高了一倍。一倍。3D Systems公司最新推出的机型是公司最新推出的机型是Vipersi2SLA。 3D Systems公司的SLA-3500机型 3D Systems公司的SLA-5000机型 3D Systems公司的SLA-7000机型 3D Systems公司的Vipersi2SLA机型 国内西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的国内西安交通大学在光固化成型技术、

9、设备、材料等方面进行了大量的研究工作，推出了自行研制与开发的研究工作，推出了自行研制与开发的SPSSPS、LPSLPS、和、和CPSCPS三种机型，每种机型三种机型，每种机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600SPS600和和LPS600LPS600成型机如图所示。成型机如图所示。西安交通大学SPS600成型机 西安交通大学LPS600成型机 西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征 该成型机激光器、扫描与光聚焦系统两关键部件从国外引进，扫描速度该成型机激光器、扫

10、描与光聚焦系统两关键部件从国外引进，扫描速度SPS最大可达最大可达7m/s、LPS可达可达2m/s，精度达，精度达0.1mm；全范围扫描分辨率；全范围扫描分辨率达达3.6m，整机控制精度达，整机控制精度达50m，高于国外同类机器水平，保证了可靠性；，高于国外同类机器水平，保证了可靠性；扫描光斑直径扫描光斑直径=0.2mm，SPS激光寿命激光寿命5000h，LPS激光寿命激光寿命2000h，与，与国外水平相同。国外水平相同。 采用了采用了快速排序分层法快速排序分层法，大大加快分层速度，且具有对分层数据自动诊，大大加快分层速度，且具有对分层数据自动诊断和修复功能断和修复功能。 国际上创新的国际上创

11、新的YLSF成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。优于美国件制作质量。优于美国3D Systems公司的工艺方法；拐角误差采用自适应公司的工艺方法；拐角误差采用自适应延时控制，较少了轮廓误差的影响，此为国际首创。延时控制，较少了轮廓误差的影响，此为国际首创。 西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征 零件成型零件成型精度精度达达0.1mm(100mm)，与国外水平相同；，与国外水平相同；样件测试尺寸合格率达到美国样件测试尺寸合格率达到美国3D Systems公司公司SLA系列机

12、器的水平，高于系列机器的水平，高于日本日本CMET公司公司Soup型机器的水平型机器的水平。 不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首创；不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首创；且可以采用不同公司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和开放性。优于且可以采用不同公司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和开放性。优于美国美国3D Systems公司、日本公司、日本CMET公司的同类产品。公司的同类产品。 零件模型管理和成型数据生成软件在零件模型管理和成型数据生成软件在Windows95下自主开发、整机自制，下自主开发、整机自制，用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易

13、学性。而且三维用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易学性。而且三维STL模型的检模型的检视、分层过程与编辑、支撑结构的设计全部实现了图视化操作；而成型控视、分层过程与编辑、支撑结构的设计全部实现了图视化操作；而成型控制软件是在制软件是在DOS下开发，保证满足了控制的实时性要求，操作界面全部汉下开发，保证满足了控制的实时性要求，操作界面全部汉化和图视化。化和图视化。 上海联泰科技有限公司开发的光固化成型设备主要有RS-350H、RS-350S、RS-600H和RS-600S等机型。上海联泰公司开发的RS-600S光固化成型机 下面具体介绍下面具体介绍CPS-250CPS-250快速成型机快速成型

14、机 CPS CPS快速成型机采用普通紫外光源，通过光纤将经过一快速成型机采用普通紫外光源，通过光纤将经过一次聚焦后的普通紫外光导入透镜，经过二次聚焦后次聚焦后的普通紫外光导入透镜，经过二次聚焦后, ,照射在照射在树脂液面上。二次聚焦镜夹持在二维数控工作台上，实现树脂液面上。二次聚焦镜夹持在二维数控工作台上，实现xYxY二维扫描运动，配合二维扫描运动，配合z z轴升降运动，从而获得三维实体。轴升降运动，从而获得三维实体。CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机 整套设备分为两部分，整套设备分为两部分，即成型室部分和电器控即成型室部分和电器控制部分。安装时，两部制部分。安装时，两部分台为一

15、起保持设备的分台为一起保持设备的整体性，分体的结构便整体性，分体的结构便于包装和运输。于包装和运输。CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机1 1机械结构机械结构(1)Z(1)Z轴升降工作台轴升降工作台 z z轴升降工作台主要完成托板的升轴升降工作台主要完成托板的升降运动。在制作过程中，进行每一层降运动。在制作过程中，进行每一层的步进，而制作完成后，实现工作台的步进，而制作完成后，实现工作台快速提升出树脂液面，以方便零件的快速提升出树脂液面，以方便零件的取出。其运动形式采用步进电机驱动，取出。其运动形式采用步进电机驱动，丝杠传动，导轨导向的形式，以保证丝杠传动，导轨导向的形式，以保证z

16、 z向的运动精度。结构包括步进电机、向的运动精度。结构包括步进电机、滚珠丝杠副、导轨副、吊梁、托板、滚珠丝杠副、导轨副、吊梁、托板、立板。立板。z z轴升降工作台轴升降工作台CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机1 1机械结构机械结构X-YX-Y工作台结构示意图工作台结构示意图(2)xY(2)xY方向工作台方向工作台 x x、Y Y方向的规定：方向的规定：x x向为聚焦向为聚焦镜头在小导轨上的运动方向，即镜头在小导轨上的运动方向，即对操作者来讲是前后方向；对操作者来讲是前后方向；Y Y向为向为大导轨运动的方向，即对操作者大导轨运动的方向，即对操作者来看从左至右的方向。来看从左至右的方

17、向。 x x、Y Y方向工作台主要完成聚方向工作台主要完成聚焦镜头在液面上的二维精确扫描，焦镜头在液面上的二维精确扫描，实现每一层固化。采用步进电机实现每一层固化。采用步进电机驱动、精密同步带传动、精密导驱动、精密同步带传动、精密导轨导向的运动方式。轨导向的运动方式。 两方向传动的组成包括步进两方向传动的组成包括步进电机、导轨副、同步带、基板。电机、导轨副、同步带、基板。CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机1 1机械结构机械结构 (3)(3)树脂循环系统树脂循环系统 树脂循环系统的作用是保证在制作过程树脂循环系统的作用是保证在制作过程中树脂液面位置不变，以保证聚焦光斑大小中树脂液面

18、位置不变，以保证聚焦光斑大小恒定，该系统简单可靠。利用树脂恒定补充，恒定，该系统简单可靠。利用树脂恒定补充，动态溢流的原理保持树脂液面不变。动态溢流的原理保持树脂液面不变。 基本结构包括树脂内槽、树脂外槽、排基本结构包括树脂内槽、树脂外槽、排液口、液轮、直流电机，溢流槽。液口、液轮、直流电机，溢流槽。CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机2 2光学系统光学系统光学系统示意图光学系统示意图u光源采用紫外汞氙灯，光源采用紫外汞氙灯，u用椭球面反射罩实现第一次用椭球面反射罩实现第一次反射聚焦，聚焦后经光纤耦合反射聚焦，聚焦后经光纤耦合传导，传导，u再经透镜实现二次聚焦，再经透镜实现二次聚焦

19、，u最后将光照射到树脂液面上。最后将光照射到树脂液面上。光路原理如图所示。光路原理如图所示。CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机3 3工艺过程及操作步骤工艺过程及操作步骤 CAD CAD设计是进行快速成型的第一步，利用现有的商设计是进行快速成型的第一步，利用现有的商用用CADCAD软件进行软件进行CADCAD的造型，的造型， 然后通过标准的然后通过标准的STLSTL数据接口将数据传输到成型机数据接口将数据传输到成型机中，进行分层处理。中，进行分层处理。 一般情况下，分层可以在一台独立的计算机上进行，一般情况下，分层可以在一台独立的计算机上进行，然后传输到成型机中。然后传输到成型机中

20、。快速成型的制作流程快速成型的制作流程CAD设计设计分层处理分层处理工艺参数工艺参数确定确定成型制作成型制作后处理后处理CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机 1 1CPSCPS成型机的安装与调整成型机的安装与调整 紫外光快速成型机由成型室部分紫外光快速成型机由成型室部分( (左左) )与控制柜部分与控制柜部分( (右右) )组成组成, ,都带有方向轮，以方便移动和运输。都带有方向轮，以方便移动和运输。 CPS CPS成型机的安装不需要特殊的地基，但地面应比较平坦，成型机的安装不需要特殊的地基，但地面应比较平坦，以方便整机的调整。将成型机放安装位置，先粗调地脚螺栓，以方便整机的调整。

21、将成型机放安装位置，先粗调地脚螺栓，使脚轮脱离地面。将水平仪放在使脚轮脱离地面。将水平仪放在xYxY方向工作台基板上，松方向工作台基板上，松开地脚螺栓的锁紧螺母，用扳手卡住地脚螺栓上平行槽部分，开地脚螺栓的锁紧螺母，用扳手卡住地脚螺栓上平行槽部分，调节三个地脚螺栓，直至水平，然后拧紧锁紧螺母。将控制调节三个地脚螺栓，直至水平，然后拧紧锁紧螺母。将控制柜与执行部分并在一起，把电线接口相应一一连接。然后安柜与执行部分并在一起，把电线接口相应一一连接。然后安装紫外灯、聚光罩、光纤以及聚焦镜头。然后加入光敏树脂装紫外灯、聚光罩、光纤以及聚焦镜头。然后加入光敏树脂即可准备进行工作了。即可准备进行工作了。

22、 注意加入树脂时，两槽的液面以液轮能蘸到树脂为宜，注意加入树脂时，两槽的液面以液轮能蘸到树脂为宜，不要加得太满，不要将树脂溅到导轨上。不要加得太满，不要将树脂溅到导轨上。CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机 2 2开机制作开机制作 （1 1）机器操作步骤）机器操作步骤 1)1)打开总电源开关。打开总电源开关。 2)2)打开树脂加热器，树脂温度达到打开树脂加热器，树脂温度达到4040左右时，方能左右时，方能开始制作零件。加热过程需要开始制作零件。加热过程需要30min30min左右。左右。 3)3)打开伺服电源开关，打开伺服电源开关， 4 4）打开计算机，）打开计算机，5)5)树脂温

23、度合适后，打开光源开关，树脂温度合适后，打开光源开关，10min10min后光源稳定。后光源稳定。6 6）正常工作。）正常工作。常见故障及排除方法常见故障及排除方法CPS-250CPS-250快速成型机快速成型机CPSCPS成型机常见故随及排除方法成型机常见故随及排除方法二、叠层实体快速成型制造设备二、叠层实体快速成型制造设备 目前研究叠层实体制造成型（目前研究叠层实体制造成型（LOM）设备和工艺的单位有）设备和工艺的单位有美国的美国的Helisys公司公司、日本的日本的Kira公司公司、Sparx公司、公司、新加坡的新加坡的Kinergy公司公司以及以及国内的国内的华中科技大学和清华大学华中

24、科技大学和清华大学等。等。 其中其中Helisys公司的技术在国际市场上所占的比例最大。公司的技术在国际市场上所占的比例最大。1984年年Michael Feygin提出了分层实体制造（提出了分层实体制造（LOM）的方法，并于）的方法，并于1985年组建年组建Helisys公司，公司，1992年推出第一台商业机型年推出第一台商业机型LOM-1015（台面（台面3 8 0 m m 2 5 0 m m 3 5 0 m m ） 后 ， 又 于） 后 ， 又 于 1 9 9 6 年 推 出 台 面 达年 推 出 台 面 达815mm550mm508mm的的LOM-2030H机型，其成型时间比原来缩短机

25、型，其成型时间比原来缩短了了30%，如图所示。，如图所示。 Helisys公司除原有的公司除原有的LPH、LPS和和LPF三个系列纸材品种以外，还开三个系列纸材品种以外，还开发了塑料和复合材料品种。发了塑料和复合材料品种。Helisys公司在软件方面开发了面向公司在软件方面开发了面向Windows NT4.0的的LOMSlice软件包新版本，增加了软件包新版本，增加了STL可视化、纠错、布尔操作等可视化、纠错、布尔操作等功能，故障报警更完善。功能，故障报警更完善。 国内华中科技大学研制的国内华中科技大学研制的HRP系列薄材叠层快速成形系统（如图所示）系列薄材叠层快速成形系统（如图所示）无论在硬

26、件还是在软件方面都有自己独特的特点。无论在硬件还是在软件方面都有自己独特的特点。 华中科技大学华中科技大学LOM成型机主要性能指标与技术特征成型机主要性能指标与技术特征 X-Y扫描单元采用交流伺服驱动和滚珠丝杆传动，升降工作台为扫描单元采用交流伺服驱动和滚珠丝杆传动，升降工作台为4柱导向柱导向和双滚珠丝杆传动（专利），保证了系统的高精、高速和平稳传动；和双滚珠丝杆传动（专利），保证了系统的高精、高速和平稳传动； 无拉力叠层材料送进系统（专利），送进可靠，速度高，材料利用率高；无拉力叠层材料送进系统（专利），送进可靠，速度高，材料利用率高； 抽风排烟装置采用随动式吹风和强力抽排烟装置（专利），能

27、及时充分抽风排烟装置采用随动式吹风和强力抽排烟装置（专利），能及时充分地排出烟尘，防止烟尘污染；地排出烟尘，防止烟尘污染； 采用国际著名的美国公司采用国际著名的美国公司COCO2 2激光器，稳定性好，可靠性高，模式好，寿激光器，稳定性好，可靠性高，模式好，寿命长，功率稳定，切割质量好，并且可更换气体，具有较高的性能价格比，命长，功率稳定，切割质量好，并且可更换气体，具有较高的性能价格比，并配以全封闭恒温水循环冷却系统并配以全封闭恒温水循环冷却系统。 独立开发的功能强大的独立开发的功能强大的HRP2001软件，具有易于操作的友好图形用户软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的模块化结构，国

28、际标准输入输出接口，具有以下功能：界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口，具有以下功能： STL文件识别及重新编码；文件识别及重新编码； 独有的容错及数据过滤切片技术，大幅度提高工作效率；独有的容错及数据过滤切片技术，大幅度提高工作效率； STLSTL文件可视化，具有旋转、平移、缩放等图形变换功能；文件可视化，具有旋转、平移、缩放等图形变换功能； 原型制作实时动态仿真原型制作实时动态仿真； 独有的变网格划分技术独有的变网格划分技术； 数据拟合，速度规划，速度预测，高速插补控制，任意组合曲线的高速、高精连续加工，数据拟合，速度规划，速度预测，高速插补控制，任意组合曲线的高速、高精连续加工

29、，为该公司独有的技术；为该公司独有的技术； 激光能量随切割速度适时控制，保证了切割深度和线度均匀，切割质量好；激光能量随切割速度适时控制，保证了切割深度和线度均匀，切割质量好； 激光光斑直径随内外轮廓自动补偿，提高了制件的精度；激光光斑直径随内外轮廓自动补偿，提高了制件的精度； 系统故障诊断，故障自动停机。系统故障诊断，故障自动停机。 清华大学也研究并推出了清华大学也研究并推出了LOM快速成型设备快速成型设备SSM-500与与SSM-1600。其。其中中SSM-1600设备是世界上最大的快速成型设备，可成型零件的最大尺寸为设备是世界上最大的快速成型设备，可成型零件的最大尺寸为1600mm800

30、mm700mm，适用于制造大规模的快速原型。该设备具有，适用于制造大规模的快速原型。该设备具有大尺寸，高精度，高效率，高可靠性的显著技术特点。该设备与精密铸造等大尺寸，高精度，高效率，高可靠性的显著技术特点。该设备与精密铸造等技术结合可用于制造大型的快速模具。其主要技术特点为：技术结合可用于制造大型的快速模具。其主要技术特点为： 先进的分区并行加工方式（国家专利）；先进的分区并行加工方式（国家专利）； 快速板式热压装置（国家专利）；快速板式热压装置（国家专利）； 无张力快速供纸技术（国家专利）；无张力快速供纸技术（国家专利）； 机床式高稳定性铸铁床身机床式高稳定性铸铁床身；高精度、高可靠性的运

31、动系统，控制系统；高精度、高可靠性的运动系统，控制系统； 高性能激光系统及光学系统。高性能激光系统及光学系统。 SSM800SSM800快速成型制造系统快速成型制造系统 SSM800SSM800快速成型制造系统是实现快速成型制造系统是实现LOMLOM工艺的国产工艺的国产设备，它采用二氧化碳激光器在数控系统控制下切割设备，它采用二氧化碳激光器在数控系统控制下切割涂覆纸，通过热压层层粘接成型。涂覆纸，通过热压层层粘接成型。设备结构简介设备结构简介 1 1 机械结构机械结构 SSM800SSM800快速成型制造系统的机械快速成型制造系统的机械结构如图所示，它主要由以下几部分组结构如图所示，它主要由以

32、下几部分组成：成：设备本体；设备本体；x x、Y Y扫描机构扫描机构; ;z z轴升降机构；轴升降机构；走纸机构；走纸机构；激光系统。激光系统。2 2电气控制电气控制(1)硬件控制原理硬件控制原理控制系统主要由数控和温控两部分组成，同时兼有一些辅助系统，例如测高、断控制系统主要由数控和温控两部分组成，同时兼有一些辅助系统，例如测高、断纸检测等。如图所示。纸检测等。如图所示。在系统中在系统中PC总线的总线的586工控机通过数控卡对工控机通过数控卡对完成平面扫描的完成平面扫描的x、Y电机和工作台升降的电机和工作台升降的z电机进行控制，另外数控卡发出的控制信号电机进行控制，另外数控卡发出的控制信号在

33、多路转换器通过工控机在多路转换器通过工控机IO 发出的转换发出的转换控制信号进行选通，分别去控制送纸电机和控制信号进行选通，分别去控制送纸电机和激光器控制系统。计算机通过激光器控制系统。计算机通过12位位AD卡卡进行测高控制。同时使用计数卡上的计数功进行测高控制。同时使用计数卡上的计数功能用作断纸检测控制。能用作断纸检测控制。 运动控制卡：美国公司的运动控制卡：美国公司的PMAC为为PC总总线卡式线卡式4轴伺服电机控制器，主要完成对轴伺服电机控制器，主要完成对x、Y、z及走纸等轴的运动控制。计算机将预及走纸等轴的运动控制。计算机将预先产生的先产生的Nc代码通过代码通过Pc总线传送给运动控总线传

34、送给运动控制卡后，由该卡对扫描、升降等运动进行实制卡后，由该卡对扫描、升降等运动进行实时控制。时控制。 AD卡卡：Pc6330提供提供8路路12位位A/D转换口，主要用于接受并转换位移传感转换口，主要用于接受并转换位移传感器的测量值。器的测量值。 温控卡温控卡：FUJI温控表是一种内置温控表是一种内置CPU的智能温度控制表的智能温度控制表,用于控制温度单元的用于控制温度单元的温度。温度。 计数卡计数卡：PCL836计数卡提供计数卡提供1路计数器接口，主要用于接受并转换断纸检测路计数器接口，主要用于接受并转换断纸检测编码器的测量值。编码器的测量值。 (2)各主要单元电气控制原理各主要单元电气控制

35、原理 1)x、Y、Z运动单元运动单元 SSM800的的x、Y、z运动单元用美国公司的运动控制卡运动单元用美国公司的运动控制卡PMAC的其中三轴控的其中三轴控制，其中制，其中x和和Y运动单元由伺服控制器、运动单元由伺服控制器、AC伺服驱动器、伺服驱动器、AC伺服电机和传动导向伺服电机和传动导向机构四部分构成，电机上有编码器反馈，属于半闭环控制系统。机构四部分构成，电机上有编码器反馈，属于半闭环控制系统。z运动单元由步进运动单元由步进控制器控制器(Acc8D转换转换)、Dc步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部分构成，步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部分构成，开环控制系统。开环控制系统。 PM

36、AC为为4轴伺服电机控制器。接口板实际上可以认为也是其中一部分，其上轴伺服电机控制器。接口板实际上可以认为也是其中一部分，其上可连出伺服控制信号反馈信号，限位开关信号等，可连出伺服控制信号反馈信号，限位开关信号等，Acc8D为为vF(伏频伏频)转转换卡换卡,其上产生控制步进电机的脉冲信号。其上产生控制步进电机的脉冲信号。 传动与导向机构采用滚珠丝杠和滑动导轨，具有较高的精度和刚度。传动与导向机构采用滚珠丝杠和滑动导轨，具有较高的精度和刚度。 计算机根据分层路径信息，按计算机根据分层路径信息，按PNAC代码集产生控制代码，然后通过代码集产生控制代码，然后通过Pc总线将总线将NC代码化给代码化给P

37、MAC，控制卡本身具有数据存储能力，因此每次既可以只传一条命，控制卡本身具有数据存储能力，因此每次既可以只传一条命令，也可传一组命令令，也可传一组命令(如命令文件如命令文件)。 2)辅助运动单元辅助运动单元 辅助运动单元用运动控制卡的第四轴控制，为了切换不同的运动控制，用电子开关进行切换控制，其中走纸运动单元由步进控制器(Acc8D转换)、Dc步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部分构成开环控制系统。激光控制采用了激光功率和扫描速度匹配的原则。 3)温度单元温度单元 温度单元由温控器、传感器、加热元件和加热电源组成。用来控制热压板温度。 PUJI温控表是一种内置CPU智能温度控制器具有PID自

38、整定功能。测量精度在1以内。采用的输入类型为PT100热电阻，输出类型为固态继电器. 4)计数单元计数单元 计数单元由计数卡、编码器和相应接口电路组成，对于监控计算机来说，计数单元相当于计算机的一个外设，相应地占用几个地址端口。 5)AD单元单元 AD单元由AD卡、放大器和位移传感器电路组成，对于监控计算机来说，A/D单元也相当于计算机的一个外设，相应地占用几个地址端口.控制软件操作界面控制软件操作界面CLI窗口，窗口，Nc窗口，调试窗口窗口，调试窗口1CLI窗口窗口CLI模型，设定参数，坐标变换等模型，设定参数，坐标变换等功能。功能。 浏览浏览CLI模型；模型；CLI模型模型2D显示显示时，

39、时，PAGEDOWN,PAGEUP两键用两键用来放大，缩小模型。上、下、左、来放大，缩小模型。上、下、左、右四键可以在右四键可以在CLI窗口中平移窗口中平移CLI模模型。在型。在CLI窗口中按住鼠标左键，窗口中按住鼠标左键，然后拖动然后拖动,也可平移也可平移CLI模型。模型。CLI窗口中有两个标尺条用来显窗口中有两个标尺条用来显示示CLI模型的坐标。用户可以在模型的坐标。用户可以在CLI显示设置中设定是否显示该标尺。显示设置中设定是否显示该标尺。窗口底部显示总层数和当前层数。窗口底部显示总层数和当前层数。(1)文件菜单文件菜单(2)实用工具菜单实用工具菜单(3)参数设置菜单参数设置菜单 1）设

40、备参数设置）设备参数设置 如果是第一次运行该软件，用户应根据设备的参数填写该对话框中的各选项。对话框中各参数的意义如下： ： 指指定轴在PMnc卡上的电机号。 ：指各轴的脉冲比例，表示多少个编码器脉冲等于指定轴的1mm位移。 ：该选项设定xY轴是否使用软限位，一般均应使用，后面的参数 为正负限位的值应根据电机的安装情况确定。 ：该选项为电机是否要用IO量来控制其的选通。 ：设定PMAC卡的IO地址。 ：设定有关圆卡的参数。 ：IO卡的IO地址。 ：不用。2)工艺参数设置工艺参数设置运动速度运动速度 设定该工艺中激光头运动速度，单位为mm/s。 轮廓：设定扫描轮病时的运动速度。 网格：设定扫描网

41、格时的运动速度。 边框：设定扫描边框时的运动速度。 空程：设定非扫描路径段的运动速度。 网格功率比例：以扫描轮廓运动速度为1进行比例设置，从而改变激光切割的功率和速度比率。 边框功率比例：同上。路径参数路径参数 加速时间：设定激光头运动路径中的加减速时间，单位为ms。 最大夹角：设定该工艺中可以连续运动的两条直线段之间角度的最大变化值。工作台参数工作台参数 运动速度：工作台的运动速度，单位为mm/s。 下降距离：每加工完成一层后，工作台下降的距离热压参数热压参数 走纸距离：即每层加工所需送料长度(如图430)。 走纸速度：送纸的速度，单位为mm/s。 热压速度：热压扳压过的速度单位为mm/s。

42、 胶纸厚度：实测纸厚因整值，缺省设置为0.1mm激光功率匹配激光功率匹配 最大功率：缺省设置为35W。 匹配速度：缺省设置为600mm/s。 基底基底 层数：自动加工的基底层数 网格间距：基底的网格间距 其他参数其他参数 测高零位读数：工作台零位时测高传感器读数。 纸卷半径：每次重装新纸卷后需实测其半径。 (1)查看菜单查看菜单 查看菜单，缺省情况下主工具栏和状态栏已被选中。点击测高器读数项弹出对话框，显示当前测高传感器读数。 (2)数控系统菜单数控系统菜单在Nc窗口中，造型的第一步就是初始化数控系统，然后应按照工艺要求一步步进行操作，造型过程中应严格按操作步骤进行，以免造成事故。1)数控初始

43、化2)温控上电3)工作台初始化4）载入）载入PMAC文件文件5)控制面板控制面板6)控制面板控制面板2 弹出控制面板图，在大的矩形区域内，鼠标左键点击其中任意一点，激光头运动别相应位置。对话框右侧的滚动条控制z轴的升降。拖动滚动条上的小方块可以设定z轴的运动速度，共有10,20,30,40mm/s、四档。点击滚动条上、下侧的小三角，可以让Z轴以当前速度运动0.005s。如果按住该三角不放、则Z轴作连续运动。7)造型造型(3)程序文件菜单程序文件菜单 (4)制造基础层菜单制造基础层菜单 制造基础层菜单如图44l所示。以完成基础层中单独一层进行加工。 热压：进行热压。 切边框；切割别原型的边框。

44、走纸热压：走纸，然后进行热压。 分段切纸：工艺上分段切纸。3调试窗口调试窗口 本窗口为熟悉PMAC数控卡和控制系统的用户调试设备所提供的PMAC命令发送窗门。在本窗口中，用户可以直接向数控卡发送可接受的任何命令并回显PMAC卡的返回字符串。SSM800制造系统的工艺过程制造系统的工艺过程1)做好加工准备，手工打好基底，工作台初始化，工作台下降送纸收纸，使新的纸带移到工件上方2)工作台往上升,同时热压板移到工件上方3)热压板来回碾压新层，特最上面的一层纸带与下面的工件粘接起来，添加一层新层；4)测高，系统根据工作台停止的位量，测出工件的高度，并反馈回计算机5)生成当前层数控文件，计算机根据当前零

45、件的加工高度，计算出三维形体模型的交截面6）将数控文件输入到控制系统中，控制C02激光沿截面轮廓切割。激光的功率设置在只能切透一层材料的功率值上。轮廓外面的材料用激光切成方形的网格，以便在工艺完成后分离7)工作台向下移动，使刚切割的新层与纸带分离操作注意事项及故障分析操作注意事项及故障分析 1设置电机设置电机I变量变量(1)电路检查(2)检查I变量2设备调整设备调整()激光调整激光调整1)同轴光路的调整同轴光路的调整 C02激光不可见，所以在调整飞行光路以前需要用HeNe激光指示，C02激光通过半透半反镜完全透射，调整HeNe激光使其通过全反镜反射到半透半反镜，再次反射后与C02激光完全重合而

46、成为同轴光路。2)飞行光路的调整飞行光路的调整 同轴光路调整完毕后，可以关闭C02激光，仅以HeNe激光指示飞行光路，调整其余全反镜，最终使光斑位于聚焦镜正中，并保证X/Y轴运动时光斑位置保持不变。3)功率检测功率检测 光路调整完毕后，用功率计测量激光在每面镜片上的损失，若发现损失过大就应更换镜片或重新调整光路。 为防止振动或人为原因使镜片偏转，在确认光路不做调整的情况下，可用红油漆 或厌氧胶紧固调整螺钉。4)固定固定(2)三个平面的调整三个平面的调整 对聚焦平面、热压平面、测高平面的调整合称为三个平面的调整，其结果将对切缝宽度、纸的粘联情况、测高传感器的使用寿命产生直接影响。(3)软件调整软

47、件调整1)确定原点；2)使能正负限位；3)调整电机编码器读数；4)设定程序文件；5)修改拖挂热压板程序。3常见问题及解决方法(1)z向高度不准确1）检查连轴器是否有松动;2)检查测高传感器读数，用干分表测量平台下降量，用以校对传感器;3)检查电机脉冲比例设置。(2)激光切割产生抖动 1)检查光路是否有松动，镜片松动后会在运动时产生振动，导致光路左右偏转，反映在切缝上则为抖动。 2)可能是电机参数变化导致了运动性能的改变。联系技术支持人员，检查交流伺服电机的参数设置(在驱动器内)，参数如发生变化青对电机重新作PID调节。(3)激光失控 1)检查激光的各部分电路连接是否正常； 2)检查激光电源控制

48、器选择开关是否拨在ANV档； 3)供激光24v电源是否正常； 4)检查数控卡I5变量是否为2，PLC和PLCC程序是否装载入系统，系统是否初始化； 5)检查激光GATE开关是否正常，能否在高低电平两个状态间切换。数控卡IO接口的M4控制GATE的高低电乎； 6)检查数控卡到激光控制器的ANV输出是否正常。将I400设为0，关闭所有PLC和PLCC程序，将数控卡IO接口的M3设为1，将数控卡M402分别设为0，16000，32000测量数控卡到激光控制器的ANV口是否有0 v，5v，10 v左右的输出电压。若没有先检查电路是否有断路，再改变数整卡IO接口的M3连接的继电器的常开常闭状态； 7)若

49、以上都没有问题，改变数控卡IO接口的M4连接的继电器的常开常闭状态。4安全与维护以机床行业标准设计制造的SSM800制造系统，其维护完全道照一般的数控机床标准。(1)设备对环境的要求(2)运转安全措施(3)激光及光路系统的安全和维护(4)电源(5)润滑和清洁三、选择性激光烧结快速成型制造设备三、选择性激光烧结快速成型制造设备 研究选择性激光烧结（研究选择性激光烧结（SLS）设备工艺的单位有美国的）设备工艺的单位有美国的DTM公司、公司、3D Systems公司、德国的公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源公司和华中科技公司以及国内的北京隆源公司和华中科技大学等。大学等。1986年，美国年，美

50、国Texas大学的研究生大学的研究生C. Deckard提出了选择性激光烧结提出了选择性激光烧结（SLS）的思想，稍后组建了）的思想，稍后组建了DTM公司，于公司，于1992年推出年推出SLS成型机。成型机。DTM公司于公司于1992年、年、1996年和年和1999年先后推出了年先后推出了Sinterstation 2000、2500和和2500Plus机型，如图所示。其中机型，如图所示。其中2500Plus机型的成体积比过去增机型的成体积比过去增加了加了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。度。 DTM公司的

51、Sinterstation2500机型 DTM公司的Sinterstation2500 Plus机型 华中科技大学的华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统激光粉末烧结系统 华中科技大学的华中科技大学的HRPS-IIIHRPS-III激光粉末烧结系统的特点：激光粉末烧结系统的特点： 扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度（最大扫描速度为（最大扫描速度为4m/s）和高精度（激光定位精度小于）和高精度（激光定位精度小于50m）的）的特点；激光器采用美国特点；激光器采用美国CO2激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式激光器

52、，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以好、寿命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以全封闭恒温水循环冷却系统；新型送粉系统（专利）可使烧结辅助时全封闭恒温水循环冷却系统；新型送粉系统（专利）可使烧结辅助时间大大减少；排烟除尘系统能及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结间大大减少；排烟除尘系统能及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响；全封闭式的工作腔结构，可防止粉尘和高温过程和工作环境的影响；全封闭式的工作腔结构，可防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响。对设备关键元器件的影响。 华中科技大学的华中科技大学的HRPS-I

53、IIHRPS-III激光粉末烧结系统的特点：激光粉末烧结系统的特点： 独自开发的功能强大的独自开发的功能强大的HRPS2002软件，具有易于操作的友好图形软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口，具有以下功用户界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口，具有以下功能：能： 切片模块：具有切片模块：具有HRPS-STL(基于基于STL文件文件)和和HRPS-PDSLice（基于直接（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块；切片文件，由用户选用）两种模块； 数据处理：具有数据处理：具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，文件识别及重新编码，容错及

54、数据过滤切片，STL文文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能；件可视化，原型制作实时动态仿真等功能； 工艺规划：具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成工艺规划：具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）；型方向等）； 安全监控：设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护。安全监控：设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护。 AFS-450AFS-450成型系统成型系统( (北京隆源自动成型公司北京隆源自动成型公司) )成型过成型过程控制程控制14RP成型过程控制界面成型过程控制界面15AFS300激光快速成型机激光快速成型机 AFS300是实现是实现SL

55、S工艺的国产设备，它以粉末材料为原料，在每工艺的国产设备，它以粉末材料为原料，在每层的加工中，控制激光的点扫描对粉末进行选区烧结，以逐层累加的层的加工中，控制激光的点扫描对粉末进行选区烧结，以逐层累加的方式实现三维实体的加工成型。该激光成型机由机械系统、光学系统方式实现三维实体的加工成型。该激光成型机由机械系统、光学系统和计算机控制系统组成。机械系统和光学系统在计算机控制系统的控和计算机控制系统组成。机械系统和光学系统在计算机控制系统的控制下协调工作、自动地完成制件的加工成型。制下协调工作、自动地完成制件的加工成型。AFS300激光快速成型机设备结构简介设备结构简介1机械结构 机械结构主要由机

56、架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热灯和通风除尘装置组成。(1)机架为方钢框架式结构，用于支撑设备的其他部分。机架下安有4个地脚螺栓，用于调整设备的水平；同时安有4个脚轮，以便搬运。(2)工作平台用于安装铺粉机构和活塞缸，同时作为它们的安装基面。 (3)铺粉机构的作用是不断提供成型用的粉料并将粉铺平，它由两根直线密封式导轨、双轴步进电机、联铀器、滚轮小车(滚轮支架)、滚轮、滚轮步进电机、滚轮传动机构、刮粉片和小车面罩组成。 (4)两个活塞缸其中一个用于储备成型粉料和供料，称为料缸；另一个用于成型烧结，称为缸(又称零件缸)。两缸结构相同，主要由缸体、活塞、密封圈、精密滚珠丝杠、步进电

57、机等组成。(5)集料箱用于收集成型过程中多铺的粉料和卸料。每次铺粉过程料缸活塞的上升高度均高于成型缸的下降位移，成型缸铺满粉后多余的粉料通过下料口落入集料箱。(6)加热灯的作用是将成型缸表面的粉末均匀加热，一方面可以节省激光能量，另一方面减少成型过程中由于受热不均匀产生的变形。 (7)通风除尘机构由风机、通风管路和滤尘箱组成，它的作用是排除工作过程中产生的粉尘和烟雾。 成型机的运动部件 两个活塞缸中的活塞通过精密滚珠丝杠做上下往复运动，滚轮小车通过两根直线导轨做直线往复运动，滚轮沿着推粉方向做反时针转动。这些运动部件均由步进电机驱动和精确定位。直线导轨和该珠丝枉上均装有限位开关，使运动限制在行

58、程之内。2光学系统 成型机的基本工艺过程是激光束对粉末材料的选区烧结，激光束的精密控制是成型的关键.成型机的光路系统如图所示。AFS300主机结构示意图主机结构示意图1-机架；2-激光室；3-导轨；4-工作平台；5-集料盒；6-铺粉机构；7-通分到；8-料缸；9-加热灯；10-成型钢；11-排尘装置；12-封板；13-丝杠；14-插板；15-集料箱；16-脚轮17-地脚螺栓；18-刮板光路的主要组成部件有：激光器、反射镜、扩束聚焦系统、扫描器、光束合成器、指示光源。激光器激光器系统采用美国公司生产的485型C02激光器，最大输出功率为50W.该激光器是全金属射频激励型结构，其特点是结构紧凑，输

59、出稳定，可靠性高，易于控制。 激光的控制分为输出功率大小的控制和开关的控制，控制信号为5KHZ的TTL电平的方波。将控制信号与一门控信号相与后加在激光器上，通过门信号控制激光的开关。 当门控传导为1时，有激光输出，平均功率由控制信号的占空比决定。当门控信导为0时，无激光输出。激光器在工作过程中有很大一部分能量变成热能，因而要通水冷却，水温应在18至25。激光器的冷却水由一台循环水制冷机提供。 反射镜反射镜为20mm的镀金反射镜，它的作用是将激光导入扩束聚焦系统。反设镜架上装有两个调整螺钉，可以调整反射镜的水平角和俯仰角，使光束恰好位于扫描器反射镜的中央。扩束聚焦系统扩束聚焦系统为了能得到较小的

60、聚焦光斑，让光束先扩束，再聚焦。这样能使光斑更细。扩束聚焦系统由扩束镜、聚焦镜l和聚焦镜2以及镜筒组成。这三片镜子装在一个同心性很好的镜筒上，适当调整三者之间的相对位置，可使光束恰好聚焦在加工表面。 扫描器扫描器扫描器由两个相互垂直的反射镜组成。每个反射镜有一个振动电机驱动，激光束先入射到x镜，从x镜反射到Y镜，再由Y镜反射到加工表面，电机驱动反射镜振动，同时激光束在有效视场内扫描。 x镜和Y镜分别驱使光点在x方向和Y方向扫描扫描角度通过微机接口进行数控，这样可使光点精密定位在视场内任一位置。扫描振镜的全扫描角(光学角)为40，视场的线性范围要由扫描半径确定，光点的定位精度可达全视场的1655