机械毕业设计_光敏树脂液相固化成型机床设计

1、 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： 2021963018 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2021年5月29号 湘潭大学兴湘学院毕业论文设计任务书全套图纸，加153893706论文设计题目： 光敏树脂液相固化成型机床设计 学号： 2021963018 姓名： 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及根本要求 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。 根本要求如下：

2、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、绘制总装配图和局部零件图。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，使其到达对距离、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到达设计要求，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

3、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辩论五月中四、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，2021. 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，1999 5王运赣.快速成形技术M.武汉：华中科技大学出版社，1999 6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，2003 8张建民. 机电一体化系统设计.第三版.高

4、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 2021963018 姓名 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 评价工程评 价 内 容选题1.符合机械专业培养目标，表达学科、专业特点和教学方案的根本要求，到达综合训练的目的；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

5、科学；技术用语准确，符号统一，图表图纸完备、整洁、正确，引文标准；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 选题符合教学方案要求，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，同意进行辩论。评阅人： 2021年5月 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文设计鉴定意见 学号： 2021963018 姓名： 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，选择适宜的方案：完成SLA整体结构

6、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。根据原来计算出局部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到达某些型面的限制。2加工过

7、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，图纸标准，遵守校规校纪， 有较强的工作能力。指导教师： 2021年5月29日辩论简要情况及评语辩论小组组长： 年 月 日辩论委员会意见辩论委员会主任： 年 月 日目 录摘要1Abstract21 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10 2.1 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局部选型计算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

8、算224.3 液位控制局部选型设计与计算275 SLA快速成型机的电气局部选型设计说明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

9、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局部，机械局部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局部设计选型计算；电气局部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 Liquid photosensitive resin curing machine designAbstr

10、act：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

11、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 applic

12、ation 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 r

13、apid 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

14、 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 contr

15、ol mode various functional card selection and design of electrical schematics and so on.Keywords: Rapid Prototyping SLA photosensitive resin Laser Technology1 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年代初开展起来的快速成型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

16、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。1.1.2 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R

17、P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。1.1.3 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、CTComputerized Tomography，计算机X射线断层造影术和MRIMagnetic Reso

18、nance Imaging，核磁共振成像扫描数据和由三维实物数字化系统创立的数据，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。构造CAD三维模型STL文件输出切片分层处理喷射源激光源FDM喷涂热熔融材料层3DP喷粘结剂层SLS烧结粉末层LOM切割纸SLA固化树脂层叠层堆积三维模型外表处理图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，先开发出具有根本功能的软

19、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 Fabrication、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：通过概念性的具备根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

20、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到达某些型面的限制。2大幅度缩短新产品的的开发本钱和周期。一般地，采用RP技术可减少产品开发本钱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，而用传统的方法那么至少需一个月，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

21、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。快速模具制造

22、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本钱约为传统技术的1/3.根据14个RP设备供给商和43个RP效劳商提供的数据，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技术本身的开展和完善，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，比方造型设计评估、功能测试、组装测试及平安测试等，RP在这些方面的优势将非常明

23、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方案手术，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开展，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的开展趋势RP是面向产业界的高新

24、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，运行本钱较高，零件精度低，外表粗糙度高，成型材料仍然有限。因此从上述RP技术的开展现状来看，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系统开展的一个方面。例如：一方面开发高精度、高性能的机型，以满足对制件尺寸、形状和外表质量要求

25、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、形状精度和外表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研究开发本钱低、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，开展全新的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材料的本钱，开展新的更廉价的材料。4开发新的成型能源。目前的主流成型技术

26、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，影响制件的本钱。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，根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缺乏，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，降低生产本钱。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制件的外表

27、处理技术，提高外表质量和耐久性；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系统的改良和新材料的开发，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。与此形成鲜明比照的将是RPM向微型领域的进军，SL的一个重要开展方向是微米印刷Microlithography、制造微米零

28、件Microscale Parts。9RPM行业标准化，并且与真个产品制造体系相融合。RP技术经过十几年的开展，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本钱高，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开展，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，精度及外表质量提高。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，

29、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开展，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根本技术和装备。1.2 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，根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

30、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。2SLA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。1.2.2.3 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绘制总装配图和局部零件图。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2 对于

31、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。由于大局部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

32、件制造的根本参数。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：1HeCd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

33、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。3Nd：YOV固体激光器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拟丰富。在250nm350nm之间辐射出的紫外线同光敏

34、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所示性能波长nm功率mW寿命h工作状态光束质量运行本钱光源HeCd325402000多模CW高较高Ar+激光器351-3644002000多模CW高较高Nd:YOV4266100-10005000单模CW高稍高紫外汞氙灯250-35020300CW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

35、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外表垂直，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外表粗糙度，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、本钱不高，根本满足快速成型的要求。其缺点是由于表层氧的阻聚作用，

36、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。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，这样可以防止液槽被腐蚀和生锈的问

37、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。 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

38、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，其余根本相同。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。3 光固化快速成型机的整体设计3.1 SLA快速成型

39、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，在液态光敏树脂外表扫描，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

40、作过程。 图3 光固化成型机SLA结构示意图3.1.2 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。快门控制光量控制紫外光源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步进电机控制卡Z轴环形分配器功率驱动器Y轴环形分配器功率驱动器X轴环形分配器功率驱动器PC总线工控机图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局部。分别由上、下位

41、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应等。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拟大，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。在光固化台式快速成型系统中，为了降低本钱，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，我们参加了层片(CLI)文件及扫描加工路径(SMP)文件作为可

42、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局部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局部：紫外光源和光束传输及聚焦局部。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

43、换快门和光量调整的控制。其主要技术参数如下： 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 524V 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，采用封闭传输的平安性比用开放式光路传输相对要高。因此本系统光路局部采用的是与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

44、加工的整个工艺过程来决定。控制软件是整个快速成型软件的重要组成局部，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；仿真模块那么是通过对成型过

45、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。用户界面RP系统控制软件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图3-2 控制软件的根本结构4 光固化快速成型机的机械局部选型计算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=；其中a=，=ma=20.04=0.08N，W设计动力Pd=KPW2选择同步齿形带的型号和节距W，=12.5r/min，查机械设计实用手册，图53-15，选取带的型号为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

46、/min和XL型带，查带轮允许最小齿数表得最小许用齿数=10。带速V和安装尺寸允许时，尽可能选较大值。初定=204确定带轮节圆直径=5确定同步带的节线长度其中=0以a=760mm代入那么Lp=1570.8mm，选择最接近计算值的标准节线长Lp=1600.2mm。6计算同步带齿数=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=kW其中=50.17N；m单位长度质量，查表得到m=0.022kg/m；v线速度，v=0.02m/s 。根据以上数据得=kW2计算小带轮啮合齿数=ent=10=63确定实际所需带宽查表得到XL型带宽基准宽度其中啮合齿数系

47、数，=13、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=P3= P4=那么P1 =P2 =P3 =P4=33.75N，l0=2

48、0mm1导轨的选择3,公式：重量=厚度宽度长度密度值刮板的质量=70mm50mm477mm320mm50mm 925mm3=6.557.26 =13.81 kg 重力W=13.81 kg2=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导轨凸型及凹型栓槽轴直线滚珠衬套滚珠螺杆BNF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=135N2.0=2.54 N惯性力:2F= F惯性力F阻力外表张力小，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

49、的型号：RSR15VM4.1.3 电机的选型计算电机所承受的负载转矩对于开环控制，K在2.54之间，这里取3。步进电机转速：步进电机校核：工作速度 ，与初选工作速度相近。电机对应的运行频率：由矩频特性图知，在此频率下，电机输出转矩为80N10Nm最快空转移动时，电机运行频率校核：电机运行频率 启动频率计算:电机轴上的总转动惯量电动机转子的转动惯量：电机转轴不带任何负载时空载启动频率根据上式的计算并且电机为双出头步进电机，选择RORZE，型号为M29473D。4.2 Z向工作台的选型设计与计算根本组成包括：步进电机、滚珠丝杠、滚珠丝杠支座、导轨副、吊梁、托板、安装立板。4.2.1 丝杠的选型设计

50、计算升降台，网板，工件最大成型工件为10kg查机电课程设计表53-29，按矩形导轨计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1。滚珠丝杠的摩擦系数，Z向导轨上的摩擦力忽略不计。最大动载荷丝杠最大转速 工作时转速 设计该滚珠丝杠寿命 L=15000h丝杠的寿命系数 查机电课程设计表3-30，取载荷系数=1.1平稳或轻度冲击1.01.2滚道硬度为60HRC,取硬度系数，代入下式，求得最大动载荷：根据以上数据，选择THK LM SYSTEM 直线运动系列：BNFN25054.2.2 丝杠压杆失稳校核临界载荷：其中 ：丝杠支承系数，查机电课程设计，表3-34，取=1 ：压杆稳定平安系数，一般取2.54，垂直安装

51、时，取小值，取=3 ：滚珠丝杠两支承间距离，=550mm ：惯性矩， 根据以上计算，该丝杠不会失稳。4.2.2 导轨的选型设计计算1导轨的选择其中，：所受的负荷；：推力；：臂的长度；：所受的负荷径方向与反径方向；：所受的负荷水平方向作用于一个滑块上的负荷：=；=升降台、网板、工件估重为10kg,那么=10kgG=100N受力分析如图4-3所示。取350mm，取38mm那么= 静力矩的计算：=100N350mm =35Nm= =100N200mm=20Nm由以上计算数据选择导轨滑块型号为SR 30V,长1000mm。图4-3 导轨受力分析图2SR型LM导轨的寿命计算：L=其中 L:额定寿命，单位

52、kmC：根本动额定负荷Pc：计算负荷：温度系数，该直线运动的温度不高，所以取: 接触系数，取: 负荷系数，为11.5，这里取=1.5。=其中 ：寿命时间：行程长度：每分钟往返次数当滑块上各方向的负荷同时作用时，等效负荷可由下式计算：PE=XPLYPT其中 PE:反径向方向或水平方向的等效负荷PL：反径向方向负荷PT：水平方向负荷X、Y：等效系数验算Z轴导轨:由于PL/ PT那么PE=XPLYPT =1293. =L=105 kmLh=,由于Z轴每分钟往返次数很小，寿命时间的数量级到达109，满足要求。4.2.3 步进电机的选型设计计算计算步进电机转轴上的总转动惯量升降台、网板、工件估重为10k

53、g，初选升降台最大移动速度V=20mm/s，导程=5mm升降台、网板、工件的当量转动惯量：丝杠的转动惯量：其中 折合到电机轴上的转动惯量：计算电机轴上的等效负载转矩，包括快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩。即 1快速空载启动时折算到电机转矩上的最大加速转矩其中 ；一般在0.31s，这里取2移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦转矩其中 其中 为螺纹升角，取为滚动摩擦系数，取M为10kg，包括升降台、网板、最大成型工件。3滚珠丝杠预紧后折算到电机轴上的估计摩擦转矩其中 为滚珠丝杠上的预紧力为总传动效率

54、预紧后滚珠丝杠的传动效率未预紧时，一般取0.9，这里取由以上数据得步进电机的静转矩查机电技术手册，选择42BYG-131型步进电机，参数如下表4-4所示：表4-4 步进电机42BYG-131参数表名称参数名称参数相数4电阻75步距角电机重量电压72V定位转矩m最大静转矩47mNm分配方式双4拍空载启动频率500Hz外形尺寸4.3 液位控制局部选型设计与计算激光快速成型机要求树脂液面保持在固定位置不变。由于制作过程中树脂由液体变为固体，取出后，树脂内槽的树脂会减少，使液面降低；液面的不稳定会影响制件的精度。液位控制系统的作用是保持液面稳定不变。根本结构包括：补偿块、F轴、液位传感器等。4.3.1

55、 浮块的选型设计计算设浮块的底面积为，液位槽的面积为S，F轴的变化量即，液面的变化量，根据=，并且=，=S 可以得出 =S，即=S/设浮块长为a，宽为b，a=2b，那么=2b。精确到0.01，假设S=10:1，那么要求精确到0.1,0.1=步距角导程，浮块的尺寸由此也确定为长宽=268mm134mm100mm由于浮块在树脂中受到浮力的作用，所以它的重力可以忽略不计。连接板100mm10mm350mm100mm100mm10mm150mm80mm40mm那么所受重力为930000mm4.3.2 丝杠的选型计算1选丝杠型号为BNFN 2005-5，其参数如下图95图4-5 丝杠BNFN 2005-

56、52验算：安装间距： =350mm固定侧轴承：自动调心滚珠轴承反面相配合钢珠直径5.556mm,钢珠的个数为15个，接触角度为15，预压量为300kg。使用滚珠丝杠型号为BNFN 2005-5：直径为20mm，根本静额定负荷为3560kgf。容许轴向负荷 挫曲负荷P=18660kgfI=103mm为了平安起见，挫曲负荷取上述计算值的50%。P=186600N0.5=9330kgf容许伸张负荷查表可知，当轴径为20mm时，容许伸张负荷为3200kgf根本静额定负荷从尺寸表可知，=3560kgf。以上三种负荷中的最小负荷为3200kgf，故容许轴向负荷为3200kgf。：静态平安系数；：根本静额定

57、负荷；：轴向负荷=查表知下限值为12，满足要求。容许回转数由于调整块是用于调节液面的，每次变化量很小，所以丝杠转速很小，满足容许回转数。寿命的计算回转寿命L:回转寿命：根本动额定载荷：轴向载荷：负荷系数查表可知在1.21.5之间，取=1.5。那么L=106=108rev寿命时间=：寿命时间n：每分钟的回转数由于每分钟的回转数特别小，所以寿命很长，满足要求。4.3.3 导轨的选型设计计算该导轨在任何方向上都不受力，主要起的是导向作用，所以选择THK LM连座单元SC型轴座SK型系列 SC 16UU，即可满足要求。4.3.4 步进电机的选型设计计算该电机主要用来驱动丝杠运动，丝杠带动浮块块上下移动

58、动。因为浮块是用来调整树脂液面的，所以速度很慢。选择步进电机需要进行以下计算：m其中 ：导轨摩擦折算至电机的转矩：丝杠的导程，这里=5：摩擦系数，这里取：传递效率，这里取步进电机的最大静力矩，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要满足，并留有余量。一般来说，应小于0.2 0.4) ，那么应大于0.00150.003 Nm。2步距角的计算因为树脂液面的变化量为0.01mm，又S=10:1，所以F轴的精度为0.1mm。由，求得根据以上计算数据，选取57BYG250B，二相混合式步进电机，其参数如下表4-6：表4-6 步进电机57BYG250B参数名称参数名称参数相电流4A空载运动频率

59、20kpps步距角电机重量保持转矩m驱动器电源输入DC80v130v 4A转子惯量cm驱动器型号Q2HB613空载启动频率5 SLA快速成型机的电气局部选型设计说明5.1 控制方式的选择 目前可以对设备实现控制功能的手段，有很多，比拟典型的有单片机控制、PLC控制、工控机控制等手段。 1单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器Microcontroller Unit，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器开展而来。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器Microcontroller Unit，常用英文字母的缩写MC

60、U表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器开展而来。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格廉价、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比方CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。单片机是靠程序运行的