毕业设计论文新型SLA激光固化快速成型机总体设计.docx

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1、1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年代初发展起来的快速成型（RaPidPrototyping&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

2、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川O1.1.2 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ST1格式（ST1文件实际上是所有市场上RP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IT所示为RP技术流程。1.1.3 RP定义随着各种新型RP的出现，RapidPrototyping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，

3、关于什么是“RapidPrOtotyPing”，目前有多种定义。TenyT.Woh1ers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、CT（ComputerizedTomography,计算机X射线断层造影术）和MRI（MagneticResonanceImaging,核磁共振成像）扫描数据和由三维实物数字化系统创建的数据，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。图ITRP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

4、，制造原型或零件的。“RapidPrototyping在软件工程中是一种在开发较复杂软件前，先开发出具有基本功能的软件的方法。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：FreeFormFabricationSo1idFreeformFabricationAutomatedFabrication、So1idImagingsAdditiveManufacturingN1ayeredManufacturing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“RapidPrototypingv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

5、义上的定义为：通过概念性的具备基本功能的模型快速表达出设计者意图的工程方法。1.1.1 制造技术而言，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达到某些型面的限制。（2）大幅度缩短新产品的的开发成本和周期。一般地，采用RP技术可减少产品开发成本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，而用传统的方法则至少需一个月，花费约3.6万美元。（3

6、）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1.1.5.1RP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

7、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(RaPidToo1ing,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成本约为传统技术的1/3.根据14个RP设备供应商和43个RP服务商提供的数据，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技术本身的发展和完善，其应用将不断拓展。1.1.5.2产品

8、开发产品开发过程中，需要做多个产品模型作为测试之用，如造型设计评估、功能测试、组装测试及安全测试等，RP在这些方面的优势将非常明显。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MR1等检查。以往医生们都是观看平面的扫描结果来计划手术，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发展，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

9、，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。1.1.6RP的发展趋势RP是面向产业界的高新综合技术，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。目前，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，运行成本较高，零件精度低，表面粗糙度高，成型材料仍然有限。因此从上述RP技术的发展现状来看，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

10、次、不同用途的机型亦是RP系统发展的一个方面。例如：一方面开发高精度、高性能的机型，以满足对制件尺寸、形状和表面质量要求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、形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。（2）提高数据处理靠和精度，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ST1格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。（3）研究开发成本低、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，发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米

11、材料、非均质材料、其他方法难以制造的符合材料等。降低RP材料的成本，发展新的更便宜的材料。（4）开发新的成型能源。目前的主流成型技术中，S1A、1OM和S1S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，影响制件的成本。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，基本上都基于立体平面化一离散一堆积的思路。这种方法还存在着许多不足，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

12、件的性能和精度，降低生产成本。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制件的表面处理技术，提高表面质量和耐久性；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系统的改进和新材料的开发，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

13、的RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此形成鲜明对比的将是RPM向微型领域的进军，S1的一个重要发展方向是微米印刷(Micro1ithography)、制造微米零件(Microsca1eParts)0(9)RPM行业标准化，并且与真个产品制造体系相融合。RP技术经过十几年的发展，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成本高，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发展，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，精度及表面质量提高。因此，不少企业使用CNC切

14、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，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发展，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基本技术和装备。1.2论文的主要工作1.2.1 设计的目的完成S1A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。通过本毕业设计，学生应该在综合应用所学知识方面得到较大的锻炼，基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

15、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S1A快速成型机的总体设计(包括机械、电气部分)以及与专业相关的外文资料翻译。1.3. 2.2技术要求(1)S1A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。(2)S1A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O.01mm。(5)最大成型尺寸是600X600mmo1.2.2.3工作要求：(1)毕业实习期间要求深入了解机械产品的生产组织方式、典型零件的

16、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。熟悉常用设备的性能。(2)深入研究激光快速成型的特点，提出一种最合理的设计方案。据选定的方案进行设计，绘制总装图、缸体机构装配图和部分零件图。(3)详细设计软件控制流程图。(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。2光固化快速成型机的整体设计2.1 S1A快速成型机的总体设计2.1.1 S1A快速成型机的工作原理光固化快速成型系统的原理如图2-2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，在液态光敏树脂表面扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成制件的第一