基于數(shù)控加工中心的LOM快速成型裝置數(shù)字樣機設(shè)計（機械結(jié)構(gòu)設(shè)計）

大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 1 頁 總共 44 頁畢業(yè)設(shè)計說明書基于數(shù)控加工中心的 LOM 快速成型裝置數(shù)字樣機設(shè)計（機械結(jié)構(gòu)設(shè)計）學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 2 頁 總共 44 頁摘要：本文對快速成型技術(shù)以及LOM技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用背景、研究現(xiàn)狀等做了簡單的介紹，還有對本課題需要解決的問題、擬用的解決方法做了簡單的稱述。其中主要是介紹了LOM快速成型裝置中的收料及送料結(jié)構(gòu)、熱壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程以及激光切割結(jié)構(gòu)的選用，還介紹了各個結(jié)構(gòu)中主要零件的功用以及結(jié)構(gòu)尺寸。對主要零件也進行了一定的強度校核，也簡單對MV-610加工中心做了介紹，并合理的把LOM快速成型裝置與加工中心結(jié)合在了一起。通過此次設(shè)計，更好的合理利用了加工中心，并使LOM技術(shù)也得到了靈活的運用。關(guān)鍵詞：LOM快速成型，基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)用大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 3 頁 總共 44 頁Abstract: this paper LOM technology rapid prototyping technology and the relevant applications such as background, the research present situation is further introduced, and the problems need to be solved in this project, employs solution made simple sounding. Mainly introduces the LOM rapid prototyping device feeding structure, hot pressing charge and structure design of process and laser cutting structure, also introduced the selection of the main parts of each structure function and structure size. On the main parts in some extent, simple also strength check on MV - 610 processing center, were introduced and reasonable put LOM rapid prototyping device and processing center organic unifies in together. Through the design, can better reasonable use processing center, and make LOM technology got flexible use. Keywords: LOM rapid prototyping, basic structure and application 目錄1 引言 11.1 快速成型技術(shù)簡述 .11.1.1 快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景 11.1.2 快速成型技術(shù)分類 2大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 4 頁 總共 44 頁1.1.3 快速成型技術(shù)的應(yīng)用概況 31.2 LOM 快速成型技術(shù) 41.2.1 LOM 快速原型技術(shù)背景 41.2.2 LOM 加工原理 51.2.3 LOM 快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 61.2.4 本課題需解決的問題 .72 總體方案的設(shè)計 82.1 總體方案的確定 82.1.1 MV-610 加工中心的相關(guān)參數(shù) .82.1.2 LOM 快速成型裝置的確定 82.1.3 LOM 快速成型裝置的空間分布 92.2 總體結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài) .102.2.1 LOM 快速成型裝置中各個機構(gòu)的運動情況 .102.2.2 LOM 快速成型裝置動作過程 .112.2.3 LOM 快速成型裝置電機 .113 快速成型中主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計 .113.1 原材料存儲及送進機構(gòu)的設(shè)計 .123.1.1 原材料存儲及送進機構(gòu)的總體布局 .123.1.2 原材料存儲及送進機構(gòu)的支撐架結(jié)構(gòu) .133.1.3 原材料存儲及送進機構(gòu)的送料與收料結(jié)構(gòu) .153.2 熱壓機構(gòu)的設(shè)計 .173.2.1 熱壓機構(gòu)的總體布局 .183.2.2 熱壓機構(gòu)中的中心部分 .183.2.3 熱壓機構(gòu)中的溫控裝置 .213.2.4 熱壓機構(gòu)中的外部結(jié)構(gòu) .223.2.5 熱壓機構(gòu)的熱壓滾筒外殼 .253.3 切割機構(gòu)的設(shè)計 .283.3.1 激光的研究背景 .283.3.2 激光器的種類 .29大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 5 頁 總共 44 頁3.3.3 CO2 激光器的優(yōu)缺點 .293.3.4 二氧化碳激光器原理 .303.3.5 CO2 激光器型號的確定 .314 主要零件的強度校核 .314.1 送料軸的強度校核 .314.1.1 送料軸的彎曲強度校核 .314.1.2 送料軸的危險截面校核 .325 結(jié)論 .35參考文獻 .36致 謝 381 引言 1.1 快速成型技術(shù)簡述快速原型制造（Rapid Prototyping，簡稱 RP）技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)，是 20 世紀 80 年代后期首先在美國產(chǎn)生并商品化，90 年代在全球迅速發(fā)展起來大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 6 頁 總共 44 頁的制造新技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)與 50 年代的數(shù)控技術(shù)和最近 20 年發(fā)展起來的特種加工技術(shù)一樣是一種全新的制造技術(shù)，是先進制造技術(shù)群中的重要組成部分。它是一種基于離散堆積成型的數(shù)字化制造技術(shù)，集激光技術(shù)、計算機輔助設(shè)計（CAD） 、計算機輔助制造（CAM） 、計算機數(shù)控技術(shù)（CNC） 、精密檢測技術(shù)、精密機械、精密伺服驅(qū)動和新材料技術(shù)等先進技術(shù)于一體的綜合高新技術(shù)。它能根據(jù) CAD 模型（電子模型）自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想物轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，解決了快速對接問題，有效地縮短了研發(fā)周期，滿足了當今競爭日益激烈的市場對新產(chǎn)品快速開發(fā)和快速制造的要求 1 2 ?？焖俪尚团c制造技術(shù)經(jīng)過 10 多年的研究和開發(fā)，取得了很大的成就，推出了系列商用 RPM 系統(tǒng)。但現(xiàn)有 RPM 技術(shù)主要以樹脂、塑料、紙張等作造型材料，僅適合制造原型零件或功能原型零件，尚不能直接快速制造具有實際功能的機械零件。為此，功能零件的快速制造成為目前 RP 領(lǐng)域的研究熱點之一 3。在經(jīng)濟全球化趨勢正不斷加強，各個領(lǐng)域的技術(shù)交流、經(jīng)貿(mào)交流日益擴大，世界上發(fā)生的這些進步、變革與發(fā)展使當代制造業(yè)的生態(tài)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展模式等都發(fā)生了深刻變化，科學(xué)發(fā)展觀對制造業(yè)提出了新的要求，我國制造業(yè)正面臨著新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。當前，制造業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢 4 ：產(chǎn)品高科技化；顧客需求個性化、多樣化；產(chǎn)品生命周期縮短，更新?lián)Q代加速；生產(chǎn)、經(jīng)營及市場全球化；1.1.1 快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景1） 市場的發(fā)展需求隨著全球市場一體化的形成,制造業(yè)的競爭愈演愈烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速,迫切需要采用先進的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時,通常需要使用多種機床設(shè)備和模具,既費時又費錢,快速成型(RP)技術(shù)的出現(xiàn),可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下,實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造 52） 技術(shù)的發(fā)展推動新技術(shù)的發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。信息技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展、CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展、材料科學(xué)的發(fā)展、新材料的出現(xiàn)、激光技術(shù)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 7 頁 總共 44 頁的發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。快速成型技術(shù)就是在這樣的社會背景下，在 80 年代后期產(chǎn)生于美國，并迅速擴展到歐洲和日本。由于 RP 技術(shù)的成型原理突破了傳統(tǒng)加工中的塑性成形（如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工等）和切削成形的工藝方法，可以在沒有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意復(fù)雜形狀又具有一定功能的三維實體原型或零件，因此被認為是近二十年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破 61.1.2 快速成型技術(shù)分類RP 技術(shù)的具體工藝不下 30 余種。根據(jù)其應(yīng)用情況和商品化程度，最為典型的快速成型技術(shù)有以下四種。1）光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA） 7光固化成型的原理是：將激光聚焦到液態(tài)光固化材料（如光固化樹脂）表面、令其有規(guī)律地固化，由點到線到面完成一個層面的建造，而后升降平臺移動一個層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，再建造一個層面，由此層層疊加成為一個三維實體。2）選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS） 9此技術(shù)采用激光對有很好密實度和平整度的粉末鋪成的層面，有選擇地直接或間接將粉末熔化或粘結(jié)，形成一個層面，鋪粉壓實，再熔結(jié)或粘結(jié)成另一層并與前一層熔接或粘結(jié)，如此層層疊加為一個三維實體。所謂直接熔結(jié)是將粉末直接熔化面連接；間接熔結(jié)是指僅熔化粉末表面的粘結(jié)涂層，以達到互相粘結(jié)的目的。粘結(jié)則是指將粉末采用粘結(jié)劑粘結(jié)。這里的粉末材料主要有蠟、聚碳酸脂、水洗砂等非金屬粉，以及金屬粉如鐵、鈷、鉻以及它們的合金。3）分層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM） 9該技術(shù)采用激光或刀具對箔材進行切割。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。通過升降平臺的移動和箔材的送給可以切割出新的層片并將其與先前的層片粘結(jié)在一起。這樣層層疊加后得到一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實體。這里所說的箔材可以是涂覆紙（涂有粘結(jié)劑覆層的紙） ，涂覆陶瓷箔、金屬箔或其它材質(zhì)基的箔材。4）熔融沉積制造（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 8 頁 總共 44 頁FDM 是指將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并堆積一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與第一個層面粘結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。1.1.3 快速成型技術(shù)的應(yīng)用概況根據(jù)不同的應(yīng)用場合和需求，快速成型技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用：1）用于概念設(shè)計的原型。這種原型對精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快、精度適中、設(shè)備小巧、運行可靠、清潔、無噪音、操作方便。2）用于制造模具或其原型。模具原型要求材料適應(yīng)特定模具的制造要求，如對于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。3）用于制造功能零件。功能零件則要求材料具有較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。從 RP 技術(shù)的發(fā)展歷程來看，最初主要應(yīng)用于原型制造，隨著研究的深入，現(xiàn)在很多研究者都致力于研究快速制造金屬零件。國際統(tǒng)計資料表明，原型中的四分之一被用來作為可視化的手段，用于評估設(shè)計、協(xié)助設(shè)計模具、溝通設(shè)計者與制造商及工程投標；四分之一被用來進行裝配和性能測試；四分之一以上用于協(xié)助完成模具制造 10 。目前，快速成型技術(shù)在模具、家用電器、汽車、航空航天、軍工制造、材料工程、玩具、醫(yī)療器械、人體器官模型、生物材料組織、考古、電影制作等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。如下圖所示：圖 1 運用 LOM 快速原型系統(tǒng)所制作薄殼件 圖 2 運用 LOM 快速原型系統(tǒng)所制作太極球大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 9 頁 總共 44 頁圖 3 運用 LOM 快速原型制作汽車零件 圖 4 運用 LOM 快速原型制作出形狀復(fù)雜零件快速成型技術(shù)是目前先進制造技術(shù)中發(fā)展最為迅速的一種，在短短一、二十年的時間里，已經(jīng)由最初的原理研究發(fā)展到大規(guī)模實際生產(chǎn)應(yīng)用。目前已有 10多種比較成熟的工藝方法用于原型零件的制造。RP 技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義在實際應(yīng)用中得到了很好的印證，可以迅速地將示于計算機屏幕上的設(shè)計變?yōu)榭蛇M一步評估的實物。根據(jù)原型，可對設(shè)計的正確性、造型合理性、可裝配性和干涉，進行具體的檢驗 11 。1.2 LOM 快速成型技術(shù)1.2.1 LOM 快速原型技術(shù)背景隨著全球市場一體化的形成,制造業(yè)的競爭愈演愈烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速,迫切需要采用先進的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時,通常需要使用多種機床設(shè)備和模具,既費時又費錢,快速成型(RP)技術(shù)的出現(xiàn),可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下,實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造，快速成形技術(shù)是在 80 年代后期率先由 Michael Feygin 研發(fā)出LOM(laminatedobject manufacturing)快速原型技術(shù)，并由美國 Helisys 公司生產(chǎn)與銷售，于 2000 年 Helisys 公司終止(cease) 營運，并將 LOM 快速原型技術(shù)轉(zhuǎn)讓給 cubic technologies12 。1.2.2 LOM 加工原理大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 10 頁 總共 44 頁1）LOM加工原理快速成型技術(shù)集成了機械工程、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果，它以材料的逐層堆積生產(chǎn)作為主要的實現(xiàn)手段，因而又被稱為增材制造技術(shù) 13 。其基本原理是：在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后切片軟件將三維CAD模型切成一定厚度的薄片，得到各層截面的輪廓信息，即將三維信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維信息，每片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工命令，激光束選擇性地切割一層層紙（或固化一層層的液態(tài)樹脂；或燒結(jié)一層層的粉末材料；或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等） ，形成各截面輪廓并疊加成三維產(chǎn)品。該技術(shù)可自動而迅速地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件。具有快速、精確、經(jīng)濟等優(yōu)點，特別是該技術(shù)對零件的復(fù)雜程度沒有限制 14 。2）LOM 加工工藝過程LOM成型的一般工藝過程大致如下:(1) 料帶移動,使新的料帶移到工件上方。(2) 工作臺往上升,同時熱壓輥移到工件上方,工件頂起新的料帶,工作臺停止移動,熱壓輥來回碾壓新的薄材材料,將最上面一層的新材料與下面已成型的工件部分粘結(jié)起來,添加一新層。(3) 系統(tǒng)根據(jù)工作臺停止的位置,測出工件的高度,并反饋回計算機,計算機根據(jù)當前零件的加工高度,計算出三維實體模型的交截面 15 。(4) 交截面的輪廓信息輸入到控制系統(tǒng)中,控制CO2 激光器沿截面輪廓切割。激光的功率設(shè)置在只能切透一層材料的功率值上。輪廓內(nèi)、外面無用的材料用激光切成方形的網(wǎng)格,以便工藝完成后分離。(5) 工作臺向下移動,使剛切下的新層與料帶分離。(6) 料帶移動一段比切割下的工件截面稍長一點的距離,并繞在復(fù)卷輥上。(7) 重復(fù)上述過程,直到最后一層。分離掉無用碎片,得到三維實體。3）LOM快速原型系統(tǒng)的優(yōu)缺點（1）優(yōu)點主要有以下幾個方面:. 原型件制作過程中，運用 LOM 快速原型系統(tǒng)所制作原型件之縮收以 1及熱應(yīng)力所導(dǎo)致之原型件幾何形狀變形等缺失，可以忽略。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 11 頁 總共 44 頁. LOM 快速原型系統(tǒng)所使用之 CO2 雷射僅對原型件外形輪廓(outline 2of shape)進行切割， LOM 快速原型系統(tǒng)是為所有快速原型系統(tǒng)中效率最高的一種快速原型系統(tǒng)。. LOM 快速原型系統(tǒng)如與 FDM 快速原型系統(tǒng)相互比較，LOM 快速原型系 3統(tǒng)建構(gòu)原型件時不需要支撐(support)結(jié)構(gòu)。. LOM 快速原型系統(tǒng)機臺保養(yǎng)費用低廉。 4. LOM 快速原型系統(tǒng)可以制作大型、復(fù)雜與體積大原型件。 5（2）缺點主要有以下幾個方面：.可實際應(yīng)用的原材料種類較少，盡管可選用若干原材料，例如紙、塑 1料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是紙，其他種類之材料仍繼續(xù)研發(fā)當中。. 所制作完成之快速原型件表面是粗糙的，必須經(jīng)過后續(xù)加工，才可 2進行快速模具的應(yīng)用。. 所制作完成之快速原型件很容易吸收外在水氣，因此必須立即進行 3后處理，例如：上漆。. 很難制作出尺寸微細之原型件，此缺失受限于原型件必須剝離廢料 4之后才可取出。 . 運用 LOM 快速原型件于鑄造應(yīng)用時，燃燒原型件的時間必須注意空 5氣流通。. 運用 LOM 快速原型系統(tǒng)制作原型件時，有部分的材料是浪費的。 61.2.3 LOM 快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1） LOM快速原型系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀由于大多數(shù)機械零件是由金屬制造的，因此直接利用金屬板材作造型材料的分層實體制造(Laminated object manufacturing一簡稱LOM)是實現(xiàn)金屬功能零件快速制造的有效方法之一Obikawa用0.2 mm厚、兩面涂覆低熔點合金的薄鋼板作造型材料，采用LOM方法快速制造金屬零件；山崎則用0.5 mm厚的薄鋼板作造型材料快速制造車體模具但是現(xiàn)階段用金屬板材作造型材料的LOM在技術(shù)上尚存在許多應(yīng)解決的課題：（1)分層材料的堆積成形精度問題顯然，分層板厚度越薄，成形精度越大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 12 頁 總共 44 頁高現(xiàn)有商用化的LOM技術(shù)，一般以紙張、樹脂板等作造型材料，其分層板厚度僅為0.05 mm0.10 mm而用金屬板材作造型材料時，從造型強度與效率考慮，現(xiàn)有分層板厚度為0.2 mm0.5 mm，直接采用現(xiàn)有LOM方法，則造型精度差（2)金屬板材的連接問題現(xiàn)有低熔點合金粘接法、螺栓緊固加電弧焊接法，以及熱擴散焊接等工藝方法，在金屬板材的連接工藝上雖然各有長短但均未獲得滿意的效果針對這種情況，筆者提出了基于數(shù)控機床分層快速成型金屬功能零件2）LOM快速原型系統(tǒng)的研究意義在制造業(yè)競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度逐漸加快的今天，企業(yè)要想在激烈的競爭中立于不敗之地，必須根據(jù)市場需求更快、更好地生產(chǎn)出市場所需的新產(chǎn)品，并且能夠根據(jù)市場的變化迅速地作出調(diào)整，以期達到產(chǎn)品的最大經(jīng)濟效益和社會效益，并使企業(yè)始終處于同行業(yè)之前列。在這種形勢下，如何縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，已成為企業(yè)發(fā)展所要解決的首要問題。產(chǎn)品開發(fā)能力的強弱直接關(guān)系到一個企業(yè)在市場上的競爭力，關(guān)系到一個企業(yè)的生命 ，用傳統(tǒng)的制造方法和手段，設(shè)計周期長，制造成本高，很難滿足瞬息萬變的市場發(fā)展，必將在競爭中處于劣勢。由于快速成形技術(shù)在產(chǎn)品研制、開發(fā)中所特有的先進性，獨特性，因此廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中的各個領(lǐng)域 15。這種基于數(shù)控機床的快速成型工藝國內(nèi)外還未見過，分析表明，以現(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備為依托，只要發(fā)揮中小企業(yè)的技術(shù)人員的潛力，開發(fā)必要的軟件是完全有可能在機床上實現(xiàn)金屬零件的分層制造，為我國的制造業(yè)服務(wù)，加快 RP 技術(shù)的推廣,而 LOM 系統(tǒng)作為比較流行的 RP 系統(tǒng)之一有其獨特的優(yōu)點,其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用途徑日益廣泛,必將給制造業(yè)帶來巨大的效益。1.2.4 本課題需解決的問題經(jīng)濟型分層實體制造 (LOM)系統(tǒng)是指：以用戶現(xiàn)有的具有 2.5 軸以上聯(lián)動功能的 CNC 數(shù)控機床為基礎(chǔ)，以高檔微機和三維 CAD 造型軟件作造型設(shè)計模塊，只配置切片處理模塊和快速成型裝置模塊中的必要部件來完成產(chǎn)品成型過程的快速成型系統(tǒng)。經(jīng)濟型分層實體制造 (LOM)快速成型裝置就是上面所說成型裝置模塊，它大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 13 頁 總共 44 頁包括 XYZ 運動單元（主軸箱、工作臺） 、原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、專用刀具切割機構(gòu)等。XYZ 運動單元是 CNC 機床已有的,而原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、專用刀具切割機構(gòu)等等是需要專門研究設(shè)計。本課題主要就是對原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、專用刀具切割機構(gòu)這三個結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。2 總體方案的設(shè)計2.1 總體方案的確定2.1.1 MV-610 加工中心的相關(guān)參數(shù)MV-610加工中心的參數(shù)表項目 單位 MV-610X 軸行程 mm 610Y 軸行程 mm 410Z 軸行程 mm 460工作臺面積 mm 770×410主軸轉(zhuǎn)速 rpm 10,000主軸馬達規(guī)格 KW 7.5切削進給率 mm/min 10,000三軸快速位移 m/min 30(線軌)控制器 三菱/FANUC2.1.2 LOM 快速成型裝置的確定1）原材料存儲及送進機構(gòu) 由一個步進電機、一個儲料軸和兩個薄壁鋼管套、兩個導(dǎo)向桿、一個余料軸、四個軸承座以及所必須的相應(yīng)的支撐、軸承 和螺栓等組成。2) 熱壓機構(gòu)一種方案：運用熱壓輥 主要由橡膠滾子、電熱絲、溫控開關(guān)、密封墊、氧化鎂粉末、刀架、還有一些軸承、軸承座、銷、螺栓等組成。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 14 頁 總共 44 頁另一種方案：運用熱壓板 由整塊熱扎鋼板制成中間有蒸汽通道 可以通過熱壓蒸汽或熱壓油來進行加熱兩種方案進行相比較，其中熱壓輥壓力均勻但效率低，而壓力板效率高但壓力不均勻。由于熱壓機構(gòu)在這里是作為一個特殊的刀具放在刀具庫中的，所以最后確定用熱壓輥作為熱壓結(jié)構(gòu)。3） 專用刀具切割機構(gòu)采用現(xiàn)有的CO 2激光器進行切割。CO 2激光器選用型號為EDC40，功率為40W，長度為700mm，直徑為50mm。4） 切割粘壓工作臺就直接利用原來的加工中心的工作臺。但是大家都知道加工中心的工作臺上開有T 型槽，我們直接利用其來進行切紙工作，T 型槽會帶來一些加工上的不便，我們剛開始先不進行加工，先在工作臺上粘壓一定厚度的紙，因為這種涂覆紙粘壓后的強度很好，相當于木質(zhì)材料的強度，加之加工時的切削力并不是很大，所以在以后的加工中不會有問題。這樣做會大大降低制造費用。2.1.3 LOM 快速成型裝置的空間分布1)總體方案簡圖如下圖1-1所示圖5 總體方案簡圖2.)總體方案裝配圖如下圖所示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 15 頁 總共 44 頁圖6 總體方案裝配圖2.2 總體結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)2.2.1 LOM 快速成型裝置中各個機構(gòu)的運動情況1)原材料存儲及送進機構(gòu)加工用涂覆紙紙卷直接套于儲料軸上，紙頭經(jīng)兩個導(dǎo)桿至余料軸，通過套筒將紙頭夾緊并定位；步進電機裝在余料軸的一端，在一層輪廓加工完之后步進電機卷過一定長度，每次卷過的紙的長度為一個紙制件的長度，這一動作通過程序來實現(xiàn)；紙的張緊是通過步進電機的準確停止，還有慢的旋轉(zhuǎn)速度和在熱粘壓時工作臺的移動方向來實現(xiàn)的。2)熱粘壓機構(gòu)熱粘壓機構(gòu)在這里是作為一個特殊的刀具放在刀具庫中的。這樣一來，熱粘壓時只需通過程序換一次刀即可，很方便，不僅充分利用了加工中心自身所具有的裝置，而且不需要升降工作臺。這個特殊的刀具在刀庫中的位置應(yīng)與用來切割涂覆紙的刀具在刀庫中的位置是相鄰的，這樣放置的目的是使在換刀的過程中刀庫轉(zhuǎn)過的角度為最小，以節(jié)約加工時間，提高生產(chǎn)效率。粘壓時主軸帶大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 16 頁 總共 44 頁動熱壓滾沿加工中心Z軸方向向下運動，主軸不能旋轉(zhuǎn)，當熱壓滾到達加工紙面且具有一定壓力時，加工中心工作臺連同制件一起沿X方向運動來完成粘壓工作。熱粘壓時粘壓的工作壓力通過裝在刀桿上的壓力傳感器來控制。熱粘壓時的粘壓溫度是通過溫控開關(guān)來實現(xiàn)。加熱鋁筒中裝有水，通過熱水器來對水進行加熱。由于紙上的膠是在40度左右就可以化開，所以選擇溫控開關(guān)的切斷溫度為65-75度，當在這個溫度范圍時溫控開關(guān)會自動斷開，低于這個溫度會自動接通。還有一點要注意的是，在熱粘壓刀具的安裝是要注意電線的布置問題，應(yīng)根據(jù)實際情況來完成布線，以免在加工過程中出現(xiàn)電線纏繞，拉斷等現(xiàn)象而發(fā)生危險。3)二氧化碳激光器二氧化碳激光器也是作為刀具放入刀庫中，只是在Z軸方向運動，在切割時是通過工作臺的X、Y方向上運動，進行切割動作，二氧化碳激光器本身是不在X、Y方向上運動。2.2.2 LOM 快速成型裝置動作過程快速成型裝置的動作過程簡述如下：（1） 送料步進電機帶動余料軸轉(zhuǎn)過一個切片所需要的紙的長度。（2） 主軸帶著熱壓裝置沿 Z 方向向下運動，到達紙制件頂面時停止 Z 向運動。向下運動的時，加熱系統(tǒng)將加熱筒的溫度達到熱粘壓要求的溫度。（3） 主軸帶著熱壓裝置沿 X 或 Y 方向進行熱壓。（4） 熱壓完畢后。主軸快速運動到換刀點。（5） 把熱壓裝置放回刀庫，取出切割刀具。（6） 主軸快速運動到工作起點，進行切割運動。（7） 切割完畢，主軸快速返回換刀點，把切割刀具放回刀庫，再取出熱壓裝置，同時，步進電機轉(zhuǎn)過一個切片所需紙的長度，為下一層片的切割作好準備。2.2.3 LOM 快速成型裝置電機由于 LOM 快速成型裝置的運行速度低，要求的動力也小，所以選用了小功率的步進電機，其型號為 56BYG250E-0601，尺寸為 56×56×111，相數(shù)為 2，保持轉(zhuǎn)矩為 2.5（N.m） ，轉(zhuǎn)動慣量為 750(g.cm2)，重量為 1.5Kg。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 17 頁 總共 44 頁3 快速成型中主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1 原材料存儲及送進機構(gòu)的設(shè)計3.1.1 原材料存儲及送進機構(gòu)的總體布局根據(jù)MV-610加工中心的工作臺的面積S=770mmx410mm，可確定滾筒的基本長度以及紙的寬度，其中是由兩部分支撐架和送料與收料結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)紙的層數(shù)，可以估算出紙的大概重量，再根據(jù)紙的重量可以初步定出滾筒兩邊支撐軸的直徑，如下圖6所示圖7 原材料存儲及送進機構(gòu)由于要利用加工中心的X、Y 、Z軸的移動來進行切紙動作，所以原材料存儲及送進機構(gòu)整體是固定于工作臺上。如下圖7所示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 18 頁 總共 44 頁圖8 原材料存儲及送進機構(gòu)與加工中心工作臺的配合3.1.2 原材料存儲及送進機構(gòu)的支撐架結(jié)構(gòu)支撐架的高度是由所做的模型擬定出來，主要作用是用來把紙?zhí)岣咭欢ǖ木嚯x，為做模型提供一定的空間，結(jié)構(gòu)如下圖8所示圖9 支撐架結(jié)構(gòu)圖具體各個零件的尺寸如下圖9、圖10、圖11所示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 19 頁 總共 44 頁圖10 薄壁管薄壁管的長度是在工作臺寬度的基礎(chǔ)上增加了65mm，只是為了跟好的對紙進行傳遞，增加薄壁管的目的就是為了使紙與圓柱體得滑動摩擦變?yōu)榕c薄壁管的滾動摩擦，其中壁厚為1mm圖11 支撐體支撐體的高度是由一般模型的高度和加工中心的高度擬定為500mm，其中底座是M8螺紋孔，左右可以調(diào)距離為6mm。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 20 頁 總共 44 頁圖12 圓柱體圓柱體的長度是在薄壁管的基礎(chǔ)上增加了5mm，左右各留2.5mm，為了薄壁管在滾動時不被左右的支撐體卡住。3.1.3 原材料存儲及送進機構(gòu)的送料與收料結(jié)構(gòu)送料與收料的滾筒尺寸是由紙的寬度來確定，整體結(jié)構(gòu)如下圖12所示圖13 送料與收料結(jié)構(gòu)其中送料與收料結(jié)構(gòu)是由滾筒、軸承、軸承座等組成，如下圖13所示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 21 頁 總共 44 頁圖14 送料與收料結(jié)構(gòu)爆炸圖送料與收料結(jié)構(gòu)中各個零件的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖15、圖16、圖17、圖18所示圖15 軸承座大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 22 頁 總共 44 頁軸承座高度是由滾筒的最大直徑?jīng)Q定，其中底座上有M8的螺紋孔，前后可移動4mm，軸承座厚度取一般尺寸，定為15mm，最大孔徑為軸承的外徑尺寸42mm，其中孔徑為38mm的孔是為了擋住軸承的外圈，軸承底座為了更好的接觸支撐面，下面有2mm深的槽，長度為49mm。圖16 收料滾筒圖17 送料滾筒其中送料滾筒與收料滾筒區(qū)別就是在收料滾筒有動力輸入端，其他沒有差異。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 23 頁 總共 44 頁圖18 深溝球軸承深溝球軸承外徑42mm，內(nèi)徑20mm，厚度為12mm。型號為6004-2Z3.2 熱壓機構(gòu)的設(shè)計3.2.1 熱壓機構(gòu)的總體布局熱壓機構(gòu)總體尺寸是由紙的寬度決定，總體是設(shè)計為刀具模式放入刀庫中，總體布局如下圖18所示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 24 頁 總共 44 頁圖19 熱壓總體機構(gòu)熱壓機構(gòu)總體是由電熱絲、溫控開關(guān)、密封圈、氧化鎂粉末、軸承，刀架、刀柄等組成。爆炸圖如下圖19所示圖20 熱壓機構(gòu)爆炸圖3.2.2 熱壓機構(gòu)中的中心部分熱壓機構(gòu)的中心部分也就是中間核心部件，包括電熱絲、薄壁鋼管密封擋圈等，在電熱絲與薄壁鋼管之間用氧化鎂粉末隔開，一方面是由于氧化鎂粉末不導(dǎo)電，所以可以防止電熱絲與鋼管通電，另一方面是由于氧化鎂粉末導(dǎo)熱性能好，可以把電熱絲上的熱量及時的傳遞到鋼管再傳給外部液體?？傮w如下圖20所示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 25 頁 總共 44 頁圖21 熱壓機構(gòu)中的中心部分具體各個零部件的尺寸與結(jié)構(gòu)如下圖21、圖22、圖23所示圖22 電熱絲電熱絲中間部分是沒有絕緣層的，兩邊的絕緣層和密封擋圈是為了把氧化鎂粉末與外界隔開，同時也可以使熱量向里面?zhèn)鬟f，一般電熱絲直徑為0.5mm，加上一層橡膠皮初定直徑為2mm，總長度是比薄壁鋼管稍長，自由定長度，無橡膠皮的電熱絲長度是小于鋼管的長度與密封擋圈2倍長度的差。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 26 頁 總共 44 頁圖23 密封擋圈密封擋圈的內(nèi)徑是和電熱絲的橡膠皮外徑相同，外徑是跟薄壁鋼管相同，長度是比橡膠皮短，初定為55mm。圖24 薄壁鋼管薄壁鋼管的主要作用就是使得電熱絲與外部的液體隔開，同時是為了使氧化鎂粉末圍繞在電熱絲的周圍，使得電熱絲的熱量能夠很均勻的散出去。3.2.3 熱壓機構(gòu)中的溫控裝置1）溫控開關(guān)結(jié)構(gòu)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 27 頁 總共 44 頁熱壓機構(gòu)中的溫度控制，是通過溫控開關(guān)來控制，由于紙上的膠是在 40融化，所以選用的溫控開關(guān)的型號為 KSD9700-2,類型:金屬膨脹式,開關(guān)類型:常閉, 工作電壓:250V, 過載電流:5A, 動作溫度:65-75（）, 壽命: 10000（次）, 品牌: FSJY。溫控開關(guān)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示圖 25 溫控開關(guān)2）溫控開關(guān)的原理溫控開關(guān)也叫溫控器有多種型式其原理如下：蒸氣壓力式：波紋管的動作作用于彈簧，彈簧的彈力是由控制板上的旋鈕所控制的，毛細管放在空調(diào)機的室內(nèi)吸入空氣的風口處，對室內(nèi)循環(huán)回風的溫度起反應(yīng)。當室溫上升至調(diào)定的溫度時，毛細管和波紋管中的感溫劑氣體膨脹，使波紋管伸長并克服彈簧的彈力把開關(guān)觸點接通，此時壓縮機運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)制冷，直到室溫又降至設(shè)定的溫度時，感溫包氣體收縮，波紋管收縮與彈簧一起動作，將開關(guān)置于斷開位置，使壓縮機的電動機電路切斷。以此反復(fù)動作，從而達到控制房間溫度的目的。 電子式溫度控制器：電子式溫度控制器（電阻式）是采用電阻感溫的方法來測量的，一般采用白金絲、銅絲、鎢絲以及半導(dǎo)體（熱敏電阻等）為測溫電阻，這些電阻各有其優(yōu)確點。家用空調(diào)的傳感器大都是以熱敏電阻式。 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 28 頁 總共 44 頁金屬膨脹式溫控器：根據(jù)物體熱漲冷縮原理。熱漲冷縮是物體的共性，但不同物體其熱漲冷縮的程度不一樣。雙金片的兩面是不同物質(zhì)的導(dǎo)體，在變化的溫度下由于漲縮程度不一樣而使雙金片彎曲，碰到設(shè)定的觸點或開關(guān)，使設(shè)定的電路（保護）開始工作。其中本課題選用的是最后一種金屬膨脹式溫控器，它具有工 作 溫 度 性 能 固定 ， 不 需 調(diào) 整 、 干 脆 、 動 作 可 靠 、 不 拉 弧 、 使 用 壽 命 長 、 精 度 高 、 體 積 小 、量 輕 、 可 靠 性 高 、 無 線 電 干 擾 少 等 特 點 。3.2.4 熱壓機構(gòu)中的外部結(jié)構(gòu)外 部 刀 架 結(jié) 構(gòu) 主 要 包 括 刀 柄 、 銷 、 螺 母 、 螺 栓 、 軸 承 座 、 刀 架 等 組 成 。 總體 結(jié) 構(gòu) 圖 顯 示 了 各 個 零 件 的 裝 配 關(guān) 系 如 下 圖 所 示圖 26 外 部 刀 架 結(jié) 構(gòu)加 熱 輥 外 部 結(jié) 構(gòu) 爆 炸 圖 顯 示 出 了 各 個 零 件 如 下 圖 所 示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 29 頁 總共 44 頁圖 27 加 熱 輥 外 部 結(jié) 構(gòu) 爆 炸 圖其 中 主 要 零 件 圖 結(jié) 構(gòu) 和 尺 寸 如 下 圖 所 示圖 28 支 架支 架 上 部 的 圓 盤 是 為 了 與 刀 柄 進 行 連 接 ， 上 面 打 有 M8螺 紋 孔 是 為 了 固 定刀 柄 ， 左 右 兩 邊 結(jié) 構(gòu) 是 為 了 連 接 軸 承 座 ， 其 中 有 直 徑 為 10mm的 孔 ， 是 為 了通 過 銷 來 連 接 軸 承 座 與 支 架 。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 30 頁 總共 44 頁圖 29 刀 柄刀 柄 是 根 據(jù) MV-610加 工 中 心 型 號 為 DIN 69871 簡稱J T40， 尺 寸 如 下 圖圖 30 刀 柄 尺 寸刀 柄 下 部 連 接 一 圓 盤 ， 是 為 了 與 支 架 連 接 ， 上 面 通 有 直 徑 為 9mm的 孔 。