毕业设计（论文）-激光3D打印机设计说明书Word文档格式.doc
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立体激光固化；
扫描机构；
快速成型；
传动；
结构设计
ABSTRACT
Thisarticlespecificallyforthree-dimensionalmodelingoflight-curedstructuraldesignofmechanicalsystems.X-Yscanningnormallyusedtoscrewdrive.Throughthemotorrotation,withanotherevenreachedthescrewshaft,throughtotheXandYtothetwomotorsofrotationtoachieveXYtoscan;
Ztothetable,alsobythescrewandarail.Ztothetablebytheextensionunits,columns,screwcomposition,itstransmissionisthroughthesamemotorrotationaxisistopassevenreachedthescrewbyscrewtoachievetherotationofthetablemoveupordown.
Throughthethree-dimensionalmodelingoflight-curedinthedesignandmechanicalsystems,makingtheircampaignsanddrivemorereasonableandstable,thenintheproductionprocesssothatitcanbettercarryoutproduction.
Keyword:
SLA；
Scanningagencies；
RapidPrototyping；
Transmission；
Structuredesign
VII
目录
第1章绪论 -4-
1.1快速原型技术简介 -4-
1.1.1几种典型的快速成型技术 -4-
1.1.2各种成型方法简介及对比 -5-
1.2快速成型精度概述 -6-
1、CAD模型的前处理造成的误差 -6-
2、成型系统的工作误差 -7-
3、成型过程中材料状态引起的翘曲变形 -7-
4、成型之后环境度化引起的误差 -8-
5、工件后处理造成误差 -8-
1.3立体光固造型SLA技术原理 -8-
1.4立体光固造型SLA国内外现有技术水平 -9-
1.5立体光固造型SLA应用领域 -9-
1.6本次设计的主要工作 -9-
1.6.1主要设计工作 -10-
1.6.2设计参数 -10-
1.6.3设计思路及主要问题 -10-
第2章XY方向设计计算 -11-
2.1设计任务 -12-
2.1.1设计参数 -12-
2.1.2方案的分析、比较、论证 -12-
2.2脉冲当量和传动比的确定 -13-
2.2.1脉冲当量的确定 -13-
2.2.2传动比的确定 -13-
2.2.3确定步进电机步距角 -13-
2.3丝杠的选型及计算 -14-
2.3.1计算丝杠受力 -14-
2.3.2滚珠丝杠螺母副的选型和校核 -14-
2.4导轨的选型及计算 -18-
2.4.1初选导轨型号 -18-
2.4.2计算滚动导轨副的距离额定寿命 -18-
2.5步进电机的选择 -19-
2.5.1传动系统等效转动惯量计算 -20-
2.5.2所需转动力矩计算 -21-
2.6本章小结 -23-
第3章Z方向设计计算 -24-
3.1Z方向工作台设计 -25-
3.1.1设计任务 -25-
3.1.2设计参数 -25-
3.1.3方案的分析、比较、论证 -25-
3.2脉冲当量和传动比的确定 -26-
3.2.1脉冲当量的确定 -26-
3.2.2传动比的确定 -26-
3.2.3确定步进电机步距角 -26-
3.3丝杠的选型及计算 -27-
3.3.1计算丝杠受力 -27-
3.3.2滚珠丝杠螺母副的选型和校核 -27-
3.4步进电机的选择 -30-
3.4.1传动系统等效转动惯量计算 -30-
3.4.2所需转动力矩计算 -31-
3.5本章小结 -33-
第4章刮刀系统设计 -34-
4.1刮板的选择 -35-
4.2刮板的材料和移动速度对涂层质量的影响 -36-
4.3本章小结 -37-
结论 -38-
附录 -38-
外文 -39-
中文翻译 -53-
致谢 -64-
参考文献 -65-
-3-
II
第1章绪论
本文主要针对立体激光固化造型机机械结构设计。
按照国家和行业相关标准，机械传动部分参照了《机电一体化系统设计手册》。
在设计过程中，力求使立体激光固化造型机的传动及零部件结构简单、运动稳定、而且成本低廉、质量可靠、可批量生产，并且促进立体激光固化造型机的普及与发展，同时为国内同类机器的设计提供一定的参考。
1.1快速原型技术简介
快速原型制造技术（RapidPrototypeManufacturing）,简称RPM,是先进制造技术的重要分支.它是80年代后期起源于美国,后很快发展到欧洲和日本,可以说是近20年来制造技术最重大进展之一.它建立在CAD/CAM技术、计算机控制技术、数控技术、检测技术和材料科学的基础之上,将计算机辅助设计CAD与各种自由造型（FreeFormManufacturing）技术直接结合起来,能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构功能的产品原型或直接制造零件,从而使产品设计开发可能进行快速评价、测试、改进,以完成设计制造过程,适应市场需求.
1.1.1几种典型的快速成型技术
1、立体光固造型SLA
SteroLightgraphyApparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置.
2、叠层实体制造LOM
叠层实体制造LaminatedObjectManufacturing的成形材料是热敏感类箔材（如纸等）,激光器的作用变是切割.成形开始时,激光器先按最底层的CAD三维实体模型的切片平面几何信息数据,对于铺在工作台上的箔材作轮廓切割,之后,工作台下降一层高度,重新送入一层（铺在底层之上）材料,并用加热辊滚压,与底层粘牢,激光器按对应数据作轮廓切割,如此反复直至整个三维零件制作完成.LOM制作的零件不收缩、不变形,精度可达±
0.1mm,切片厚度0.05～0.50mm。
3、选择性激光烧结SLS
选择性激光烧结SelectedLaserSintering的生产过程与SLA类似,用CO2红外激光对金属粉末或塑料粉末一层层地扫描加热使其达到烧结温度,最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构.
4、融积成型技术FDM
融积成型技术（FusedDepositionModeling）的制造过程是,首先通过系统随机的Quickslice和SupportWorks软件将CAD模型分为一层层极薄的截面,生成控制FDM喷嘴移动轨迹的几何信息.运作时,FDM加热头把热塑材料（如聚脂塑料、ABS塑料、蜡等）加工到临界状态,在微型机控制下,喷嘴沿着CAD确定的平面几何信息数据运动并同时挤出半流动的材料,沉积固化成精确的实际零件薄层,通过垂直升降系统降下新形成层并同样固化之,且与已固化层牢固地连接在一起.如此反复,由下而上形成一个三维实体.FDM的制作精度目前可达±
0.127mm,连续堆积范围0.0254～0.508mm,它允许材料以不同的颜色出现.
5、其它快速原型制造技术
直接制模铸造DSPC（DirectShellProductionCasting）来源于三维印刷（3DPrinting）快速成型技术.其加工过程是先把CAD设计好的零件模型装入模壳设计装置,利用微型机绘制浇注模壳,产生一个达到规定厚度,需要配有模芯的模壳组件的电子模型,然后将其输至模壳制造装置,由电子模型制成固体的三维陶瓷模壳.取走模壳处疏松的陶瓷粉,露出完成的模壳,采用熔模铸造的一般方法对模壳最后加工,完成整个加工过程.此系统能检测自己的印刷缺陷,不需要图纸,就可完成全部加工.
光屏蔽（即SGC—Solid-GroundCuring）由以色列Cubital公司开发,该工艺可以在同一时间固化整个一层的液体光聚合物.SGC工艺使用丙烯酸盐类光聚合物材料,其制作精度可达整体尺寸的0.1%,切片厚度约为0.1～0.15mm,Cubital公司开发的Solider5600型产品制作的最大工作尺寸为508×
508×
356mm,所用紫外光灯功率为2kW,每一层循环约化90s.
MRM（MitsubishiChemicalRapidMoulding）日本三菱化学最近推出的三菱化学快速制模系统,可将原型直接转换成模具,采用称作“金属补强树脂制模（MetalResinMoulding）复合料”,制模成本降低为传统制模的1/2,制模时间缩短了1/2～1/3.奥斯丁的德克萨斯大学正在研究的高温选择激光烧结（HTSLS）,在取消聚合物粘结剂方面进行了尝试.结果表明,可利用Cu-Sn或青铜—镍粉两相粉末,采用激光局部熔化低熔点粉末来制造模具
1.1.2各种成型方法简介及对比
表1.1几种典型成型工艺的比较
成型
工艺
原型
精度
表面
质量
复杂
程度
零件
大小
材料
价格
利用
率
常用
制造
成本
生产
效率
设备
费用
SLA
较高
优
中等
中小件
较贵
很高
树脂
高
LOM
较差
简单
便宜
塑料
低
SLS
较低
石蜡
HDM
金属
1.2快速成型精度概述
研究成型机的成型精度，提高成型精度，对于RP技术的推广和应用有很重要的影响。
制件误差的产生原因见图1-1所示：
光固化成型由三个环节组成:
前处理、快速成型加工和后处理。
这三个部分彼此相连，共同完成光固化快速成型过程。
每一环节中存在的误差都会影响到最终成型零件的精度。
快速成型的精度为机械精度和制件精度。
目前影响快速成型最终精度的主要原因由于下几个方面:
1、CAD模型的前处理造成的误差
目前，对于绝大多数快速成型系统而言，必须对工件的三维CAD模型进行STL格式化和切片等处理，以便得到一系列的截面轮廓。
在对三维CAD模型分层切片前，需作实体模型的近似处理，即用三角面片近似逼近处理表面，其输出的数据为STL文件格式，这种格式非常简单，便于后续的分层处理。
STL格式中每个三角面片只用四个数据项表示，即三个顶点坐标和一个法向矢量，而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合，STL公式化用许多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它会导致误差:
A:
从本质上看，三角面的组合，不可能完全表达实际表面，所以，误差无法避免;
B:
STL公式化时，数据的沉余量太大，致使所需计算机的存储量过大，从而难于选取更小、更多的小三角面，造近似结果与实际表面有更大的误差;
C:
另外，在进行STL格式转换时，有时会产生一些局部缺陷，例如，在表面曲率变化较大的分界处，可能出现据齿状小凹坑，从而造成误差。
制
件
误
差
数据处理误差
成型过程误差
后处理误差
分成切片产生误差
光斑变化误差
固化成型误差
机器误差
方向运动误差Z
XY扫描误差
图层误差
液位波动引起误差
多光谱造成误差
驱
动器
参数补偿误差
树脂收缩引起工件变型
残留液态树脂不均
匀收缩引起工件变型
CAD模型面误差
图1.1制件误差产生原因
2、成型系统的工作误差
CPS250成型机成型系统的工作误差按照组成可分为托板升降误差、X-Y扫描误差和树脂涂层误差。
托板升降误差指的是托板的运动精度，它直接影响层厚的精度;
X-Y扫描误差指的是X-Y平面扫描系统沿X,Y方向的运动精度，它影响成型零件的尺寸精度和表面光洁度。
3、成型过程中材料状态引起的翘曲变形
在光固化过程中，树脂由液态变为固态，此时单体分子发生聚合反应，分子之间距离改变，相应地造成体积收缩。
在这个过程中，伴有加热作用，这些因素会引起制件每层截面的尺寸变化，再加上相邻层间不规则约束，以由收缩而产生的应力会造成零件在加工过程中的变形。
如加工一悬臂零件（在悬臂部分不加支撑），可以很明显地看到由于树脂收缩而造成的变形。
4、成型之后环境度化引起的误差
从成型系统上取下已成型的工件之后，由于温度、湿度等环境状况的变化，工件会继续蠕变并导致误差。
成型过程中残留在工件内的残余应力也可能由于时效的作用而部分消失而导致误差。
5、工件后处理造成误差
通常，成型后的工件需进行打磨、抛光和表面涂镀等后处理。
如果后处理不当，对形状尺寸控制不严格，也可能导致误差。
后处理过程产生的误差可分为三种:
一是支撑去除时对表面质量的影响。
要求支撑的设计必须合理，不多不少。
另外一种是残留液态树脂的固化引起工件的变形。
因此在扫描成型时尽可能使残留树脂为零;
成型过程中工件内部的残余应力引起的蠕变也是影响精度的因素之一。
设法减小成型过程中的残余应力有利于提高零件的成型精度。
1.3立体光固造型SLA技术原理
SteroLightgraphyApparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。
它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。
这种液态材料在一定波长（λ=325nm）和功率（P=30mW）的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。
SLA的原理是由CAD系统对准备制造的零件进行三维实体造型设计,再由专门的计算机切片软件CAD系统的三维造型切割成若干薄层平面数据模型,但对表面形状变化大和精度要求高的部分应切得薄些,其他一般部位切得厚些.随后CAM软件再根据各薄层平面的X-Y运动指令,在结合提升机构沿Z坐标方向的间歇下降运动,形成整个零件的数控加工指令.指令输入SLA系统中,首先是工作台下降至液体容器的液面之下,对应于CAD模型最下一层切片的厚度处,根据该切片的X-Y平面几何数据,紫外光照射可固化的液态树脂（如环氧树脂,乙烯酸树脂或丙烯酸树脂）,在紫外光的作用下,因光聚合作用,第一层被固化在工作台上.然后,升降工作台下降至第二层切片厚度,激光器按照该层切片的平面几何数据扫描液面,使新一层液态树脂固化并紧紧粘长在前一层已固化的树脂上。
如此反复“生长”,直至形成整个三维实体零件.如图所示：
图1.2立体光固造型SLA技术原理图
1.4立体光固造型SLA国内外现有技术水平
立体光固造型SLA方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。
目前,研究SLA方法的有3DSystem公司、EOS公司、F&
S公司、CMET公司、D-MEC公司、TeijinSeiki公司、MitsuiZosen公司、西安交通大学等.美国3DSystem公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大,其设备自1988年推出SLA-250机型以后,又于1997年推出SLA-250HR,SLA-3500,SLA-5000三种机型,在技术上有了长足进步.其中,SLA-3500和SLA-5000使用半导体激励的固体激光器,扫描速度分别达到2.54m/s和5m/s,成型层厚最小可达0.05mm.此外,还采用了一种称之为Zephyerrecoatingsystem的新技术,该技术是在每一成型层上,用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05～0.1mm的待固化树脂,使成型时间平均缩短了20%.该公司于1999年推出的SLA-7000机型与SLA-5000机型相比成型体积虽然大致相同,但其扫描速度却达9.52m/s,平均成型速度提高了4倍,成型层厚最小可达0.025mm,精度提高了1倍。
国内对SLA技术的研究始于90年代初,一些高校在其成型理论、控制技术、成型材料等多方面都进行了大量的研究工作,取得了显著成果.目前西安交通大学开发的LPS-600A型快速成型系统,已有商品化产品.国内外研究者在SLA技术的成形机理、控制制件变形、提高制件精度等方面进行了大量研究。
1.5立体光固造型SLA应用领域
美国克莱斯勒公司（Chrysler）就用SLA工艺制成了车体模型,将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析;
此外美国Dayton大学还利用SLA工艺研制了一种桌面成型系统专门用于人体软组织器官模型的建造。
1.6本次设计的主要工作
1.6.1主要设计工作
1、固化用激光扫描装置设计；
2、浸于树脂液体中的升降托盘设计；
3、刮刀机构设计；
4、整机总装配图设计；
1.6.2设计参数
1、成型空间：
400*400*300mm
2、激光头最大运行速度：
80mm/s;
3、激光头定位精度：
0.005mm
4、上拖板、激光聚焦系统以及直线导轨轴等的总重量：
约10kg
5、最大成型件重量：
约为10kg
6、固化深度/托盘的层间下降距离：
0.1mm
7、Z向定位精度：
0.01mm
1.6.3设计思路及主要问题
采用分块设计的思路，机械结构主要分X——Y扫描系统，Z方向工作台升降系统，刮刀机构等三部分。
1、X-Y扫描系统的机械结构
成型机的扫描系统采用高精度的X-Y动工作台，它带动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。
其结构为步进电机带动滚珠丝杠驱动扫描头作X-Y平面运动，扫描范围为400x400mn，重复定位精度0.005mn。
为减轻质量，提高响应速度，选用铝材进行设计，并选取大扭矩输出的高频响应电机。
扫描系统结构由计算机、X-Y扫描头、聚焦镜头、直线圆柱滚动导轨、滚珠丝杠、步进电机等组成。
由于混合式步进电机具有体积小、力矩大、低频特性好、运行噪音小、失电自锁等优点，X,Y方向都采用了这种电机。
为减少X方向负载的质量，连接板及电机座采用铝材。
2、Z轴升降系统
Z轴升降系统完成零件支撑及在Z轴方向运动的功能，它带动托板上下移动。
每固化一层，托板要下降1个层厚。
它是实现零件堆积的主要过程，必须保证其定位精度。
定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度、表面光洁度以及层与层之间的粘接性能。
采用步进电机驱动，精密滚珠丝杠传动及精密导轨导向结构。
驱动电机采用混合式步进电机，配合细分驱动电路，与滚珠丝杠直接联接实现高分辨率驱动，省去了中间齿轮级传动，既减小了尺寸又减小了传动误差。
成形零件时，托板经常做下降、提升运动，为了减少运动时与托板对液面的搅动，并且便于成型后的零件从托板上取下，需将托板加工成筛网状，网孔大小、孔距设计要合理，既能使零件的基础与其能牢固粘结，又要使托板升降运动时最小限度地阻碍液体流动。
此外，考虑到树脂有一定的酸性作用，所以浸泡在树脂内的材料全部选用铝合金或不锈钢材料，一方面防腐;
另一方面防止普通钢和铸铁对树脂的致凝作用。
由于在正常工作在状态下，吊梁悬臂较长，为避免托板Z方向上下运动时造成吊梁扭曲变形，吊梁采用2m不锈钢板做成中空行管结构的形状。
3、刮平系统
由于树脂的粘性及固化树脂的表面张力作用，如仅仅依赖树脂的流动而达到液面平整的话，就会需要很长的时间，特别是在固化面积较大的零件时。
刮平运动可以使液面尽快流平，提高涂层效率。
刮平过程包括两个步骤:
第一步托板下降较大的深度并稍作停顿，这一过程是为了克服液态树脂与固化层面的表面张力，使树脂充分覆盖已固化的一层，然后上升至比上一层低一个层厚的位置。
第二步刮板按设定次数作刮平运动，其作用是把涂敷在零件表面的多余树脂刮掉。
刮平后，树脂液面并不是完全平整，仍存在着一些波动，尚需等待一定的时间才能平整。
等待时间的长短要根据树脂的流动性、零件尺寸的大小而定。
-68-
第2章XY方向设计计算
成型机的扫描系统采用高精度的X-Y工作台，它
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