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毕业设计冲压模具（一）快速成型技术研究102011134林晓勇机械工程系学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 梁红玉（教授）专 业： 指导教师： 二零一四年六月1诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日1 冲压模具（一）快速成型技术研究摘 要：快速成型技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。本文主要介绍快速成型技术的原理和特点，以及基于冲压模具的快速成型过程和三坐标测量机对快速成型零件的测量。关键字：快速成型，三坐标测量，冲压模具Stamping Die(one)Study On Rapid Prototyping TechnologyAbstract:Rapid prototyping technology is the nineties developed an advanced manufacturing technology, material deposition method is based on a high-tech manufacturing techniques. It combines mechanical engineering, CAD, reverse engineering, layered manufacturing technology, numerical control technology, materials science, laser technology in one, Automatic, direct, fast, accurate design ideas to transform the prototype has a certain function or directly in manufacturing parts, So as part prototyping, validation and other aspects of the new design concept provides a cost-effective means of achieving.This paper describes the principles of rapid prototyping technology and features, as well as stamping dies based on rapid prototyping process and coordinate measuring machine for rapid prototyping of parts.Keywords :Rapid Prototyping, CMM, Stamping dies1目 录1引言61.1.3快速成型技术的种类71.1.2快速成型技术的应用91.1.3快速成型技术发展方向101.1.4快速成型技术材料问题101.1.5快速成型技术工艺问题111.1.6快熟成型技术精度问题111.1.7快熟成型技术软件问题111.1.8快熟成型技术能源问题111.1.9快速成型技术应用领域问题121.2三坐标测量简介121.2.1三坐标测量机发展史121.2.2坐标测量机的精度评定标准131.2.3如何选择合适的坐标测量机141.2.4合理的测量精度151.2.5合理测量范围151.2.6合适的测量机类型151.2.7测量软件系统162凹凸模和弯曲模的快速成型加工182.1熔融沉积快速成型技术182.2熔融沉积工艺原理及过程192.2.1工艺原理192.2.2工艺过程202.3 FDM成型技术特点222.3.2 FDM成型技术的缺点222.4 FDM快速成型的系统组成242.4.1硬件系统242.4.3供料系统2512.5 FDM的成型材料262.5.1成型材料特点262.5.2主要材料262.6 FDM快速成型技术的支撑262.7成型过程影响因素分析272.8熔融沉积快速成型工作原理272.9凹凸模的快速成型过程283.1开机303.2测头设定303.3测头校验303.4建坐标系313.4.1校验合格后，手动建立工件坐标系323.4.2自动建立坐标系323.5工件测量33结论与感言34参考文献36致谢3711引言1.1快速成型技术简述 快速成形技术又称快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM）技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。1.1.1快速成型技术的特点 （1） 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；（2） 原型的复制性、互换性高；（3） 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；（4） 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；（5） 高度技术集成，可实现了设计制造一体化；1.1.2快速成型技术产生的背景 （1）随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发（快速设计和快速工模具）的能力（周期和成本）成为制造业全球竞争的实力基础。（2）制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。（3）从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。基本原理快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。1、从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。2、从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。1.1.3快速成型技术的种类 近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成形技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法。1.1.3.1光固化成形SLA（Stereo lithography Apparatus）工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。该工艺的特点是：原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。1.1.3.2分层实体制造LOM（Laminated Object Manufacturing）工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。1.1.3.3选择性激光烧结SLS（Selective Laser Sintering）工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结（零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料），被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。1.1.3.4熔融沉积成形FDM（Fused Deposition Manufacturing）工艺又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。除了上述4种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。1.1.2快速成型技术的应用不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面：（1）在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型（样件），这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。（2）在机械制造领域的应用。由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。（3）快速模具制造。传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。（4）在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。（5）在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。（6）在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验（即风洞实验）是设计性能先进的天地往返系统（即航天飞机）所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用RP技术，根据CAD模型，由RP设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。（7）在家电行业的应用目前，快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。1.1.3快速成型技术发展方向 从目前RP技术的研究和应用现状来看，快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几个方面：（1）开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。（2）提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。（3）改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。（4）开发快速成形的高性能RPM软件。提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失。（5）开发新的成形能源。（6）快速成形方法和工艺的改进和创新。直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又个热点。（7）进行快速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。（8）提高网络化服务的研究力度，实现远程控制。1.1.4快速成型技术材料问题成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：有利于快速精确的加工出成型；用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。1.1.5快速成型技术工艺问题快速成型的基础是分层叠加原理，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，正在研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。1.1.6快熟成型技术精度问题目前，快速成形件的精度一般处于0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标，把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成，优势互补，是改善快速成型精度的重要方法之一。1.1.7快熟成型技术软件问题目前，快速成型系统使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的，就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件，而这种数据表示方法存在不少缺陷，如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失，还有由于平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成形精度，目前，应着力开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法，即：不进行STL格式文件转换，直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各个截面轮廓，或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速成型系统，从而减少三角面近似产生的误差，提高成形精度和速度。1.1.8快熟成型技术能源问题当前快速成型技术所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。1.1.9快速成型技术应用领域问题目前快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发，主要作用是缩短开发周期，尽快取得市场反馈的效果。由于快速成型技术的巨大吸引力，现在，不仅工业界对其十分重视，而且许多其他的行业都纷纷致力于它的应用和推广，在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后。可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用，形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。1.2三坐标测量简介三坐标测量机即三次元，又称为三坐标测量仪或三坐标量床。它是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器。三坐标测量机的测量功能包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。1.2.1三坐标测量机发展史三坐标测量机的发展可划分为三代：第一代：世界上第一台测量机是英国的FERRANTI公司于1959年研制成功的。当时的测量方式是测头接触工件后，靠脚踏板来记录当前坐标值，然后使用计算器来计算元素间的位置关系。1964年，瑞士SIP公司开始使用软件来计算两点间的距离，开始了利用软件进行测量数据计算的时代。70年代初，德国ZEISS公司使用计算机辅助工件坐标系代替机械对准，从此测量机具备了对工件基本几何元素尺寸、形位公差的检测功能。第二代：随着计算机的飞速发展，测量机技术进入了CNC控制机时代，完成了复杂机械零件的测量和空间自由曲线曲面的测量，测量模式增加和完善了自学习功能，改善了人机界面，使用专门测量语言，提高了测量程序的开发效率。第三代：从90年代开始，随着工业制造行业向集成化、柔性化和信息化发展，产品的设计、制造和检测趋向一体化，这就对作为检测设备的三坐标测量机提出了更高的要求，从而提出了第三代测量机的概念。其特点是：1、具有与外界设备通讯的功能；2、具有与CAD系统直接对话的标准数据协议格式；3、硬件电路趋于集成化，并以计算机扩展卡的形式成为计算机的大型外部设备。1.2.2 坐标测量机的精度评定标准坐标测量机的精度评定标准：ISO103601994年，ISO10360国际标准坐标测量机的验收、检测和复检检测开始实施。这个标准说明了坐标测量机性能检测的基本步骤。中国目前实行的测量机国家标准GB/T16857.2-1997坐标计量学第二部分：坐标测量机的性能测定便等同于ISO相应标准。ISO10360在主标题“产品几何量技术规范(GPS)坐标测量机(CMM)的验收检测和复检检测”下，共分以下六个部分第1部分：词汇；第2部分：测量线性尺寸的坐标测量机；第3部分：配置转台轴线为第四轴的坐标测量机；第4部分：扫描测量型坐标测量机；第5部分：多探针探测系统的坐标测量机；第6部分：计算高斯辅助要素的误差评定。ISO标准主要包含三个主要参数：长度测量最大允许示值误差(MPEE)、最大允许探测误差(MPEP)；对于扫描测量，采用最大允许扫描探测误差(MPETHP)。在进行测量机的采购之前，用户需要熟悉有关测量机的验收标准。以下是关于ISO10360的简要介绍：ISO10360-1(2000)“词汇”该标准的第一部分定义了所有与坐标测量机相关的词汇定义。例如：探测系统或标准球。ISO10360-2(2001)“测量线性尺寸的坐标测量机”(MPEE)和最大允许探测误差(MPEP)。长度测量最大允许示值误差MPEE：在测量空间的任意7种不同的方位，测量一组5种尺寸的量块，每种量块长度分别测量3次所有测量结果必须在规定的MPEE值范围内。最大允许探测误差(MPEP)：25点测量精密标准球，探测点分布均匀。最大允许探测误差MPEP值为所有测量半径的最大值。ISO10360-3(2000)“配置转台轴线为第四轴的坐标测量机”对于配备了转台的测量机来说，测量机的测量误差在这部分进行了定义。主要包含三个指标：径向四轴误差(FR)、切向四轴误差(FT)、轴向四轴误差(FA)。ISO10360-4(2003)“扫描测量型坐标测量机”这个部分适用于具有连续扫描功能的坐标测量机。它描述了在扫描模式下的测量误差。大多数测量机制造商定义了在THP情况下的空间扫描探测误差。在THP之外，标准还定义了在THN、TLP和TLN情况下的扫描探测误差。最大允许扫描探测误差(MPETHP)：沿标准球上4条确定的路径进行扫描。最大允许扫描探测误差MPETHP值为所有扫描半径的最大差值。注：THP的说明必须包括总的测量时间，例如：THP=1.5um（扫描时间是72秒）THP说明了沿已知路径在密度最大的点上的扫描特性。ISO10360-4进一步说明了：TLP:沿已知路径，以低密度点的方式扫描。THN:沿未知路径，以高密度点的方式扫描。TLN:沿未知路径，以低密度点的方式扫描。1.2.3 如何选择合适的坐标测量机随着现代技术的不断发展，对品质和精度的要求越来越高。在精密检测和产品质量控制、新品开发、工艺流程控制、模具制造、提升企业效率和品质手段方面，坐标测量机正发挥着不可替代的作用。如何选用适合的测量系统，并产生较高的经济效益和使用价值，是广大用户关心的重要课题。下面介绍坐标测量机系统选购注意事项。制造业中的质量目标在于将零件的生产与设计要求保持一致。建立和保持制造流程一致性最为有效的方法是准确地测量工件尺寸。获得尺寸信息后，分析和反馈数据到生产过程中，使之成为持续提高产品质量的有效工具。坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，因为它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟，并快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息。选择一台适当的机器能够满足工厂持久的使用，需要考察的关键在于：1.2.4合理的测量精度首要的是精度指标应满足要求。选用时可根据被测工件要求的检测精度与测量机给定的测量不确定度相对比，在一般测量中，测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/31/5。对于精密测量及复杂的形位测量要求更高，为被测尺寸公差带的1/51/8。尤其重要的是重复精度必须满足要求，因为系统误差可以通过一定方法补偿，而重复精度是由测量机本身决定的。好的坐标测量系统不仅要精度高，更重要的是精度能够保持稳定。测量复杂零件时，测头角度及测杆的改变会带来微小误差，建议用户选用精度（包括重复精度）高一些的测量系统，以便能满足企业未来的发展需要。1.2.5合理测量范围测量范围是选择测量机时的基本参数。选择测量范围时，应考虑以下三个方面。工件所需测量的部分，不一定是整个工件。如要测量的部位位于工件的某个局部，除了测量机的测量范围要能覆盖被测部位之外，还要考虑整个工件能否在机台上安置。一般应根据工件大小选择测量机的测量范围。Z轴行程与Z向空间高度的关系。Z轴行程是Z轴的测量范围，而Z向空间高度是工件能放得下的高度，另外要考虑Z轴加装上测头系统后所能测量的空间。测杆变化问题。有的测头上有星形探针，这些探针在测量时往往要超出工件的被测部分。一般工件尺寸为l时，要求测量范围L=l+2C，C为探针或所需加长杆的长度。因此测量范围等于工件被测的最大尺寸再加上两倍的探针长度。1.2.6合适的测量机类型测量机按自动化程度分为手动（或机动）与CNC（自动）两大类。选用时，应根据检测对象的批量大小、自动化程度、产品特点及使用频率和效率来权衡。1.2.7测量软件系统先进的测量系统要求测量软件既具有更专业化的强大测量功能，又能够使用方便、易于操作、而且可满足一些特殊测量任务的需要。测量软件系统的选择应考虑的要素：便于操作和使用（例如全中文的操作界面，更便捷的操作方式）。能满足复杂形状零件和复杂的曲面测量。图形化及灵活的测量输出报告功能，同时具备多种数据输出格式。自动特征识别功能。脱机测量/编程功能。虚拟仿真测量，路径规划与防碰撞功能。可视化的图形分析功能和最佳拟合评价能力。CAD的功能，可实现CAD数模的自动测量。完善的形位公差评价能力。未知几何量的扫描功能。扫描三维数据点云动态显示、直观、形象。逆向工程的能力。测头系统的动态配置与可视化操作。智能化的编程能力。支持各种选项装置。特殊应用及支持能力。1.2.8功能齐全的测座系统测座系统是测量机上重要的测量部件。它不仅直接影响测量精度，也是决定测量机功能和测量效率的重要因素。有自动和手动测座系统，一般根据产品的实际测量要求来确定。1.2.9控制系统控制系统一般不为大家所关注，但在坐标测量系统中具有非常重要的中枢控制作用，其好坏决定着整个系统的功能及运动特性。数据的传输也影响到测量系统的效率及稳定性。另外，控制系统是否支持后续功能的扩展性也非常重要。1.2.9符合要求的测量效率测量机的运行速度与采样速度既是测量效率的重要指标，同时也是机台性能的重要参考，与自动化生产的要求密切相关。用于生产线或柔性加工线上的测量机，检测效率必须满足生产节拍的要求。在可接受不确定度水平上采集点的数量，确定了测量机的工作效率。一些测量机能够在一分钟内采集超过100个数据点，而可以达到非常好的测量精度。总之：测量机能够为现代制造业提供保证，因为它可取代平面的测量工具、固定的或定制的量规，以及精密的手工测量工具。在为过程控制提供尺寸数据的同时，测量机还可提供入厂产品检验、机床的校验、客户质量认证、量规检验、加工试验以及优化机床设置等附加性能。对于固定资产的投入有许多要考虑的因素，但一但考虑到提高了生产效率、降低了成本并将生产纳入了控制，测量机对工厂的质量控制是最好的选择。1.2.10工作原理任何形状都是由三维空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为三维空间点的测量，因此精确地进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间范围内，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。在测量领域中，光栅尺及以后的容栅、磁栅、激光干涉仪的出现，革命性地把尺寸信息数字化，不但可以进行数字显示，而且为几何量测量的计算机处理和控制打下基础。三坐标测量仪可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统(如光学尺)经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能测量的仪器”。三坐标测量仪的测量功能应包括尺寸精度测量、定位精度测量、几何精度测量及轮廓精度测量等。1.2.11应用领域三坐标测量仪主要用于机械、航空航天、汽车零部件、五金、模具等行业的轮廓和表面形状尺寸、角度及位置、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面测量，也可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。1.2.12三坐标操作步骤1、测头校验测头校验是三坐标测量机进行工件测量的三坐标测量第一步，也是很重要的一步。在测头校验的过程中，我们要做的是根据工件形状、尺寸选择合适的测头、测针，现在主流的测头测针都是雷尼绍的，在测量软件中会有匹配。选好后，我们还要进行校准，以达到测量所要求的精度。2、建坐标系建立工件的坐标系，如果有工件的模型的话，也要建模型坐标系，然后把工件坐标系与模型坐标系拟合。建坐标系三个要素是：一要确定一个基准平面，二要确定一个平面轴线，即X轴或者Y轴，三要确定一个点，作为坐标原点。3、工件测量坐标系建好后就可以进行正常的测量了，工件测量大体分为一下步骤：首先,对工件进行分析，对工具的基本元素进行测量。点、线、面、圆、圆柱、圆锥等。然后，就是根据工件的形状，用基元素进行形状的公差分析最后，根据要求输出检测报告。2凹凸模和弯曲模的快速成型加工2.1熔融沉积快速成型技术熔融沉积成型（Fused Desposition Modeling,FDM）又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿X方向移动，而工作台可沿Y方向移动。如果热熔材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台安预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。2.2熔融沉积工艺原理及过程2.2.1工艺原理FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。如图所示，加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型FDM设备采用了双喷头。一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。 2.2.2工艺过程FDM快速成型的过程包括:设计三维CAD模型、CAD模型的近似处理、对STL文件进行分层处理、造型、后处理。如图所示。1 设计CAD三维模型 根据冲压模具课程设计书中的凹凸模和弯曲模的尺寸数据，用Pro/E软件绘制出凹凸模和弯曲模的三维CAD视图。2 三维模型的近似处理 将所绘制的三维CAD文件在Pro/E软件下转化为STL格式，并保存在在相应的位置。3 STL文件的分层处理 由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。所以必须将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。片层的厚度范围通常在0.0250.762之间。4 造型 产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制作。将STL格式的文件转入到相应的软件，通过快速成型机使凹凸模和弯曲模零件成型。5 后处理 快速成型的后处理主要是对成型进行表面处理。去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使成型精度、表面粗糙度等达到要求。但是，成型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏成型表面的情况，从而影响成型的表面品质。于是，1999年STratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。目前，我国自行研发FDM工艺还无法做到这一点，成型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。2.3 FDM成型技术特点2.3.1 FDM成型技术的优点1由于采用了热融挤压头的专利技术，使整个系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用。2成型速度快。用熔融沉积方法生产出来的产品，不需要 SLA 中的刮板再加工这一道工序。系统校准为自动控制。3用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。4可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。5原村料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。6原材料利用率高，且材料寿俞长。7支撑去除简单无需化学清洗，分离容易。2.3.2 FDM成型技术的缺点1成型件的表面有较明显的条纹。2沿成型轴垂直方向的强度比较弱。3需要设计与制作支撑结构。4需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。5原材料价格昂贵。FDM工艺选用材料与其他几种快速原型工艺选用材料的比较指标SLALOMSLSFDM成型速度较快快较慢较慢原型精度高较高较低较低制造成本较高低较低较低复杂程度复杂简单复杂中等零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料热固性光敏树脂等纸、金属箔、塑料薄膜等石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等2.4 FDM快速成型的系统组成2.4.1硬件系统2.4.1.1机械系统1机械系统由运动、喷头、成形室、材料室、等单元组成，多采用模块化设计，各个单元相互独立。2运动单元只完成扫描和喷头的升降动作，且运动单元的精度决定了整机的运动精度。3加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。4成形室用来把丝状材料加热到熔融态，材料室用来储存FDM用的材料。2.4.1.2控制系统由控制柜与电源柜组成，用来控制喷头的运动以及成形室的温度。2.4.2软件系统软件系统由几何建模和信息处理组成。2.4.2.1几何建模几何建模单元是设计人员借助三维软件，如Pro/E，UG等，来完成实体模型的构造，并以STL格式输出模型的几何信息。2.4.2.2信息处理1信息处理单元主要完成STL文件处理、截面层文件生成、填充计算，数控代码生成和对成形系统的控制。2如果根据STL文件判断出成形过程需要支撑的话，先由计算机设计出支撑结构并生成支撑，然后对STL格式文件分层切片，最后根据每一层的填充路径，将信息输给成形系统完成模型的成形。2.4.3供料系统由马达驱动橡胶辊子，从而将丝料送入成形喷头。2.5 FDM的成型材料2.5.1成型材料特点FDM工艺对成形材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利的挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。2.5.2主要材料1主要为丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等的线材或丝材。在熔丝线材方面，主要材料是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料。2目前用于FDM的材料主要是美国Stratasys公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABS P400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABSi P500，医用）、消失模铸造蜡丝（ICW06 wax）、塑胶丝（Elastomer E20）。2.6 FDM快速成型技术的支撑 1设计支撑的原因：FDM成形中，每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构“支撑”，以保证成形过程的顺利实现。2 FDM技术提供两种类型的支撑：1. WaterWorks(水溶性支撑): 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。 2.Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑): 水溶性支撑的前身，由手工将支撑从工件表面剥离以移除。3 水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的移除，所以可以接近于细小的特征，因而用的更广泛。2.7成型过程影响因素分析1.材料性能的影响2.喷头温度和成型室温度的影响3.挤出速度的影响4.填充速度与挤出速度交互的影响5.分层厚度的影响6.成型时间的影响7.扫描方式的影响2.8熔融沉积快速成型工作原理2.9凹凸模的快速成型过程1.将凹凸模的Proe文件以STL格式保存。2将STL格式的文件载入到Aurora快速成型系统.3.自动布局4连接和初始化。5.调试并设置参数。6.按下一键打印开关开始打印。7加工成型。8.对其进行一些适当的处理为后面的三坐标测量做预备。3用三坐标测量机对模具零件的测量3.1开机开气源（0.4MPa）开三坐标测量仪控制柜开测量软件开机后，先按提示，使测量仪回零 选择“文件”“新建”创建新程序3.2测头设定类型tesastar-i测尖tip4by21mm将状态设为“JOG”，把测头置于安全位置，并安装测头校验精度球；选择A0B0角对测头精度进行校验，并查看校验结果；3.2测头校验1、确认测座安装方向与三坐标测量机坐标轴方向一致，如果拆卸了测座，要进行找正。2、测座固定牢靠，测头、测针的安装牢靠(安装应使用工具)，宝石球清洁、无破损，加长杆安装长度与测头或吸盘的负载能力协调。3、标准球与台面(或支撑)固定牢固，各连接关节紧固。球体无损伤，表面清洁。4、软件中三次元测座、测头、加长杆、测针设置正确(测杆长度输入正确)，测头使用位置定义正确。标准球直径输入正确(必须是校准证书或合格证中的真实值)，测头校正速度设置与测量时一致。5、单个测头位置校正，注意观察三次元测量仪测针直径和标准偏差，三坐标测量仪测针直径应与平时校正相近且重复性好，标准偏差尽量小，(测头前加长杆长时，直径小，偏差大)。6、多个三坐标测头位置校正时，除要观察以上结果外，还要用校正后的各个三次元测头位置测量标准球，观察球心坐标值的变化，数值应与示值误差或探测误差相近。7、使软件得到三次元测量仪测针宝石球的“等效直径”，自动进行“测头半径的补偿”。3.3建坐标系3.3.1校验合格后，手动建立工件坐标系（初建，采用“三二一原则”）（1）三维元素测定：平面手动测平面，手动在上平面测三点确定平面；建立坐标系A1，并将Z轴方向设定为所测定平面的方向（平面方向为其法向），将平面的当前坐标系下Z坐标设为坐标系的Z坐标零位置。（2）二维元素测定：直线手动测直线，在正平面测两点确定在工作平面中的投影直线；建立坐标系A2，并将坐标系X轴方向设为所测直线的方向（注意直线方向为先测点指向后测点），坐标系Y轴零位置设为当前坐标系中所测直线投影的Y值。（3）一维元素测定：点手动测点：选择零件左侧平面测一点以确定该点在工作平面中的投影点；建立坐标系A3，并将坐标系X轴零位置设定为所测点投影在当前坐标系下的X值。3.3.2自动建立坐标系（精建）先将测量方式改为DCC（自动）（1）三维元素测定：平面手动测平面，手动在上平面测三点以上确定平面；建立坐标系A4，并将Z轴方向设定为所测定平面的方向（平面方向为其法向），将平面的当前坐标系下Z坐标设为坐标系的Z坐标零位置。（2）二维元素测定：直线手动测直线，在正平面测两点以上确定在工作平面中的投影直线；建立坐标系A5，并将坐标系X轴方向设为所测直线的方向（注意直线方向为先测点指向后测点），坐标系Y轴零位置设为当前坐标系中所测直线投影的Y值。（3）一维元素测定：点 手动测点：选择零件左侧平面测一点以确定该点在工作平面中的投影点；建立坐标系A6，并将坐标系X轴零位置设定为所测点投影在当前坐标系下的X值。（4）移动坐标系 根据图纸坐标，手动测定36孔以确定孔的中心；建立坐标系A7，将坐标系的原点的X、Y位置移至孔中心。A7即为所需工件坐标系。注意：在程序自动运行时，精建坐标系将自动完成，测头移动将跟踪以上手动操作，在移动中必须设定足够的移动点以避开工件等障碍物。3.4工件测量1、自动测量元素（1）自动测量图a 10的通孔（2）自动测量图a 4R5内孔（3）自动测量图a 两侧外圆弧倒角（4）自动测量图a 两侧内圆弧倒角(5)自动测量图b的4R5内孔（6）自动测量图b 的两侧圆弧倒角（7）自动测量图b 的四条轮廓线