叠层式物体制造快速成型机机械系统设计

1、毕业设计论文Abstract The shifts in manufacturing paradigms have come in continuous spates in the last 10 yearsJust-in-Time inventory control，Lean Manufacturing，Material Resource Planning，Outsourcing，are some of the better known paradigms that we manufacturing tradesmen know have vastly improved the qualit

2、y and costs of goods，especially goods with short life-cycles. A more recent focused process in the manufacturing environment is Rapid Prototyping. Rapid Prototyping contributions to the quality，cost and products time-to-market is becoming an increasingly competitive edge for the successful manufactu

3、rers of products.I believe and hope that this technology can bring both convince and economic profit to the producing，make a contribution to the development of the industry.摘要 过去十年中，制造领域中的创新不断涌现，如我们所知，及时库存控制、灵敏制造、外协承包、物流的规划于统筹是一些著名的新技术。这些技术的应用极大地改善了产品的品质，降低了制造成本，尤其对更新换代的产品更有意义。 而近年来，快速成形则是制造领域中倍受瞩目的

4、一种新工艺，它以其优良的产品品质、低廉的制造成本，以及加速产品进入市场等特色，日益成为成功制造厂商的竞争优势。我相信，同时也希望这项技术能给生产带来方便和经济效益，为民族工业的发展贡献一分微薄之力。目录第一章 绪论(4)11 概述(4)12 快速成形的原理(4)13 快速成形的特性(5)14 快速成形的历史和发展(6)第二章 LOM型快速成形机设计(8)21 概述(8)22 激光切割系统的设计和计算（10）23 可升降工作台的设计和计算（21）24 原材料存储及送进机构的设计和计算（35）25 热粘压机构的设计和计算（37）第三章硬件控制电路设计（44）第四章 计算机软件配置 （45）第五章

5、快速成形的效益和应用（46）总结与感谢 （48）主要参考文献（49）第一章 绪论1.1 概述 众所周知，制造业是一个国家的立国之本。20世纪下半叶以来，随着科学技术迅速发展，制造业正在经历一场深刻的革命。产品的竞争越来越激烈，产品更新周期越来越短。空前激烈的市场竞争迫使制造业必须以更快的速度设计、制造出性能价格比高并能满足人们要求的产品。因此，产品快速开发的技术和手段成为了企业的核心竞争力。在这种形式下，传统的大批量、刚性的生产方式及其制造技术已不再适应要求，于是先进制造技术就成为世界范围内的研究热点，涌现出了计算机集成制造、敏捷制造、并行工程、智能制造等先进的生产管理模式和净近成形、激光加工

6、、快速成形等先进的成形概念和技术。产生于20世纪80年代的快速成形技术是先进制造技术的重要组成部分。该技术是基于离散堆积成形原理，集成了计算机、数控、激光、新材料等技术发展起来的，与60年代的数控技术一样对制造业产生了巨大的影响。快速成形经过十多年的发展，目前已有几十种工艺及相应的商品化设备。在这一领域，美国一直处于领先地位，各种新工艺大都在美国最新出现，研究、开发的工艺种类也最多。其次在欧洲、日本发展规律也很快。国内在该领域的研究起步较晚，20世纪90年代初开始涉足，经过几年的努力，在快速成形工艺研究、成形设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面都做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发

7、展的步伐，并有新的创新。.2 快速成形的原理快速成形是80年代末期开始商品化的一种高新造技术它有不同的英文名称，如Rapid Prototyping（快速原型制造、快速成型、快速成形）、Freeform Manufacturing（自由形式制造）、Additive Fabrication（添加式制造）等，常常简称为RP。快速成形将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动系统和新材料等先进技术集于一体。快速成形技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三位物理实体的技术。其核心是由CAD模型直接驱动。首先由CAD软件设计出所需要零件

8、的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规则将模型离散为一系列有序的单元，通常在向将其按一定厚度进行离散（习惯称之为分层或切片），把三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适的加工参数自动生成数控代码；最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，最终得到一个三维物理实体。这种将一个复杂物理实体所需的三维加工离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工的难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。快速成形由以下五个部分组成：（） CAD模型设计 主要是解决零

9、件的几何造型，因此需有较强的实体造型或曲面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。目前，大多数CAD商业软件配有STL数据接口，如Pro/Engineer，UG，CADKEY，Strim100，SolidWorks，AtuoCAD系列等。（） 向离散化这是一个分层过程，它将CAD模型在向上分解成一系列具有一定厚度的薄层，厚度通常在之间。 离散化破坏了零件在向上的连续性，使之在向上产生了“台阶”。但从理论上讲，只要将分层厚度定得合理，就能满足零件的加工精度要求。（） 层面信息处理为控制成形机对层面的加工轨迹，必须把层面的几何形状信息转化成控制成形机运动的数控代码。（） 层面加工与粘接成形机根

10、据控制指令进行二维扫描。同时进行层与层的粘接。（） 层层堆积当一层制造完毕后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再加工新的一层，如此反复进行直至整个原型加工完成。对完成的原型进行后处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。快速成形彻底的摆脱了传统的“去除”加工法部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的增长加工方法用一层层的小毛坯逐层叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和模具，只需传统加工方法1030的工时和2035的成本，就能直接制造出产品样品和模型。由于快速成形具有上述突出的优势，所以近些年来发展规律迅速，已成为

11、现代制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（Concurrent Engineering，简称CE）的必不可少的手段。1.3 快速成形的特性快速成形在成形概念上以离散堆积成形为知道思想；在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为目标。因此，只有在计算机技术和数控技术高度发展的今天，才有可能产生快速成形技术。CAD技术实现了零件的曲面和实体造型，能够进行精确的离散运算和复杂的数据转换。先进的数控技术为高速精确的二维扫描提供了必要的基础，这是精确高效堆积材料的前提。而材料科学的发展则为快速成形技术奠定了坚实的基础，材料技术的每一项技术带来新的发展机遇。目前快速成形技术中材料的转移形式是自由添加、

12、去除、添加和去除相结合等多种形式，构成三维物理实体的每一层片，一般为2.5维层片，即侧壁为直壁的层片，目前也出现了由三维层片构成的实体工艺,相信在不久的将来,这种技术将形成规模应用。 快速成形技术的重要特征是：（） 高度柔性，成形过程无需专用工具和夹具，可以制造任何复杂形状的三维实体；（） CAD模型直接驱动，CAD/CAM一体化，无须人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；（） 成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适合成形材料为非均质并具有功能梯度或空隙度要求的原型；（） 成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；（） 技术的高度集成性，快速成形是计算机、数控、激光、新材料等技术的高度

13、集成。1.4 快速成形的历史和发展 从历史上看，很早以前就有“增长”制造原理，例如，1892年，J.E.Blanther在他的美国专利（473901）中，曾建议用分层制造法制成地形图。这种方法的原理是，将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上,然后按轮廓线切割蜡片并将其粘接在一起，熨平表面，从而得到三维的地形图。1902年，Carlo Baese在他的美国专利（774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术“立体平板印刷术”（StereLithography）的初始设想。1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘接成三维地形图的方法。50

14、年代之后，出现了几百个有关快速成形技术的专利。其中，Zang(1964)、Richard Meyer(1970)和Gaskin(1973) 等又提出了用一系列轮廓片形成三维地形图模型的新方法。Paul Dimatteo在他的1976年的美国专利（3932923）中，进一步明确提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转换成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割使这些薄片成形，再用螺钉、销钉等将一系列薄片连接成三维物体，这些设想与现代另一种快速成形技术物体分层制造（Laminated Object Manufacturing）的原理极为相似。1979年，日本东京大学的Nakagawa教授开始采用分层制造技术制作实

15、际的模具，如落料模、压力机成形模和注塑模。 上述早期的专利虽然提出了一些快速成形的基本原理，但还很不完善，更没有实现快速成形机械及其使用原材料的商品化。80年代末之后，快速成形技术有了根本的发展，出现的专利更多，仅在1986-1998年期间，注册的美国专利就有274个。这首先是Charles W Hull 在他1986年的美国专利（#4575330）中，提出了一个用激光照射液态光敏树脂，从而分层制造三维体的现代快速成形机的方案。随后，美国的3D Systems公司据此专利，于1988年生产出了第一台现代快速成形机SLA-250(液态光敏树脂选择性固化成形机)，开创了快速成形技术发展的新纪元。在

16、此后的10年内，涌现了10多种不同形式的快速成形技术和相应的快速成形机，如薄形材料选择性切割（LOM）、丝状材料选择性熔覆（FDM）和粉末材料选择性烧结（SLS）等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。到1980年为止，全世界已拥有快速成形机4259台快速成形制造公司约27个，用快速成形机对外服务的机构331个。不仅如此，还派生出一个全新的领域快速模具制造（Rapid Tooling）,从而使快速成形技术为现代制造业必不可少的支柱技术。 我国自90年代以来也展开了相应的快速成形技术的研究和应用。有几家公司引进了国外的RPM系统。清华大学、华中理工大学、西安交通大学、南京航空航天大学等几

17、所高等院校及北京隆源自动化有限公司均开展了快速成形技术的研究和开发，并开始有产品问世。例如，现已研制出的样机或系统有：华中理工大学基于分层制造方法（LOM）HRP的系统、隆源公司基于选择性激光烧结（SLS）RPS的系统。1995年11月召开了中国第一届快速成形技术（RPM）学术及技术展示会，1997国家科委专门召集了国内有关RPM研究和应用单位，共同探讨了在我国推广RPM应用的战略。 由于各国十分重视快速成形技术，每年都有一批研究成果问世，十分复杂的零部件已能用快速成形技术制造出来，企业应用该技术所取得的效益十分明显。RPM设备的需求量日益增大。第二章LOM型快速成型机设计2.1概述目前所研制

18、的快速成型系统的系统的原理和工作方法均有很大不同，而且分类的方法亦有多种。现在，已有多种商品化的快速成形技术和快速成形机，其中最典型的有如下几种：（） 液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithography Apparat , 简称为SLA或SL，直译名为“立体平板印刷设备”）；（） 薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称为LOM，直译名为“分层物体制造”）；（） 丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling，简称为FDM，直译名为“熔积成形”）；（）粉末材料选择性烧结（Selected Laser sinteri

19、ng，简称SLS，直译名为“选择性激光烧结”）；（5） 粉末性材料选择性粘结；（）喷墨式三维打印等。其差别主要在于薄片所采用的原材料类型，由原材料构成截面轮廓的方式，以及截面层与层之间的连接方式。分层实体制造（LOM）工艺又称叠层实体制造或薄形材料选择性切割，由美国的Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功，并推出产品化的机器。 LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用二氧化碳激光器（或刀）在计算机控制下切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件粘接，从而堆积成型。LOM型快速成形机是由计算机、原材料、热碾压机

20、构、激光切割系统、可升降工作台、机架和数控系统等组成。其中计算机用于接受和存储工件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送进机构将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸），逐步送至工作台的上方。热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提供的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓线区切割成小方网格，这是为了在成形之后能剔除废料。网格的大小据被成形件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。可升降工作台支撑正在成形的工件，并在每层成形之后，降低一个材料厚度（通常为0.10.2mm

21、），以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件。机架是整个机器的支撑。其系统见下图： 快速成形机原理图在LOM快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如下图。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。LOM工艺中的成型材料涉及三个方面的问题， 即纸、热熔胶、和涂布工艺。纸材料的选取、热熔胶的配置即涂布工艺的研究均要从保证最终成形零件的质量出发，同时要考虑成本。2.2 激光切割系统的设计和计算 激光切割系统是由激光器、外光路、切割头、XY工作台、直流伺服电机等组成。其中，

22、激光器的输出功率为；发射波长为；输入功率为；冷却方式为空气冷却；激光头尺寸： 电源尺寸：。外光路由2个反光镜和1个聚焦镜组成，它能保证焦距稳定，切割光斑的直径为。配上激光切割速度与切割功率的自动匹配控制后，光束能恰好切透正在成形的一层材料，而不会损伤已成形的下一层截面轮廓。激光切割头由两台直流伺服电机驱动，能在XY平面上作高速、精密扫描运动。XY工作台由精密滚珠丝杠传动，用精密直线导轨导向，重复定位精度为。 主要技术参数： 成形空间： 激光头最大切割速度： 激光头定位精度：2.2.1 选择激光器当采用激光器切割薄型材料成形时，所需激光的功率可按下式确定：式中：材料的厚度（通常为，常用的纸厚左右

23、，经特殊处理的卷材厚度为） 烧割材料所需的比热 激光光斑的直径 激光束的移动速度 激光发送系统的透明度 材料的吸收系数按上式计算，可以粗略选用全封闭激光器，冷却器（以上是参照多家著名LOM成形机制造公司的产品做的选择）。同时，为了获得稳定的切割品质，应使激光器功率与激光束的移动速度（即切割速度）V的比值保持恒定，即必须实现激光功率与移动速度的自动跟踪，即在成形过程中，不断检测激光束的移动速度，并根据该值与来自动调整激光的输出功率。2.2.2 X-Y向滚珠丝杠的选择由于电动机布局等的考虑，将X向滚珠丝杠放在Y向滚珠丝杠之下，而且丝杠所受到的载荷主要是滚珠丝杠副所受的摩擦力（重力由导轨部分来抵消，

24、其它力暂时忽略不计）。由于X方向的丝杠带动的部件重量较Y向大，故所选用的丝杠型号以X向为基准。Y向丝杠的选用过程同X向。计算X向滚珠丝杠的有关数据：经初步估算，上拖板、Y向滚珠丝杠及螺母副、直线导轨轴和激光头及安装座等的重量约为。工作台滚动导轨摩擦系数为（机床设计手册第3卷P122，86年12月版），由于激光器的最大切割速度，相当于，显然滑动导轨不能符合要求，因为它只适合速度相对不高（导轨移动的相对速度）的情况；同时，静压导轨（不管是液体静压导轨，还是气体静压导轨）的结构复杂，需要多加一部分管路和沟槽以及动力设备，会大大增加机床的复杂程度，同时增大了产品的成本；采用滚动导轨，摩擦系数小，而且几

25、乎与运动速度无关，中等尺寸部件的摩擦力一般为，而且低速无爬行，精度满足要求，且寿命长（10年），精度保持性高。类比用于坐标镗床工作台的滚动导轨，数控机床等高精度机床中，这种导轨副的摩擦系数如下表：导轨材料摩擦系数淬火钢铸铁为提高X、Y向传动系统的刚度，丝杠两端采用固定支承（F-F），每个轴承座内安装一个滚针和一对推力组合轴承（详见机电一体化手册）。由于本机床要求的定位精度为，且工作台的最大行程为，移动最大速度为；同时，设丝杠寿命，工作可靠性；滚珠丝杠副的传动效率可达(电P730)，传动可逆性好，效率与正传动几乎相同。依据以上的这些设计参数，可得：1丝杠载荷：（电P837）对于采用三角形或综合导

26、轨的机床，滚珠丝杠副的轴向载荷可以近似使用以下公式计算（考虑颠覆力矩影响的实验系数）；（导轨上的摩擦系数）；（移动部件的重量）所以，导轨摩擦力 快速移动载荷为导轨摩擦力丝杠移动部件轴向载荷总载荷（P838）以上为丝杠副的轴向载荷计算。工作台最大速度：2.电机转速（最大）从机电一体化手册中查取。2.丝杠导程滚珠丝杠导程：（电P738，计算见P838）工作台最大速度3.初选滚珠丝杠（1）计算动负荷寿命系数: 转速系数:查表，选用两端固定（F-F）, 可提高X、Y向传动系统的刚度，每个轴承座内安装一个滚针和一对推力组合轴承（详见机电一体化手册）。适用于高速、高精度、高刚度的丝杠。影响滚珠丝杠副寿命的

27、综合系数(电P829)（2）当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速）下工作时，应按其使用寿命选择基本尺寸，并校核其承载能力是否超过额定动负荷。由表查得 温度系数 （工作温度小于） 硬度系数 （P731） 精度系数 （精度等级4级）（P749） 可靠性系数 负荷性质系数 （P827）滚珠丝杠副的轴向负荷（P829）以上是在较高速和定工作负荷的情况下，滚珠丝杠副的运用方法。（3）滚珠丝杠副的型号由表，选用FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号为：FFZD2505额定负荷预紧力为符合要求。4.丝杠螺纹部分长度 支承距离应大于 取6005.临界转速校核高速运转的丝杠有可能发生共振，需要校核

28、临界转速，不发生共振的最高转速称为临界转速，以表示。丝杠支承方式系数 丝杠螺纹底径： 临界转速计算长度所以，非常符合要求。6.压杆稳定性校核：两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性。7.预拉伸计算（设温升为，工作前均衡温度场）（1）温升引起的伸长量 线膨胀系数 丝杠温升，一般取 螺纹有纹长度（2）丝杠全长伸长量（3）预拉力8.轴承选择（1）轴端结构由表，采用E型和F型轴端（电P810）（2）轴承型号由德国INA公司生产的轻系列滚针和推力滚子组合轴承，其型号为ZARN2052TN型主要尺寸和参数：（详细资料参照机电一体化系统设计手册杨黎明，1997年1月版）9.定位精度校核（1）丝杠在拉

29、压载荷下的最大弹性位移 （2）丝杠与螺母间的接触变形由表，查得FFZD2505滚珠丝杠副的接触刚度 所以，快移时接触变形量由于采用的是组合轴承，故轴承的接触变形可忽略不计。（3）丝杠系列的总位移由于发生在螺母处于丝杠中部处，而与螺母位置无关。所以，以上求得的位移均为。（4）定位精度 查表，取丝杠等级为2级的丝杠任意行程内行程公差为。加上快移时的总位移为，可以满足点位控制精度的要求。总结：根据计算结果可选用丝杠副型号为，两端支承为型的支承方式，轴承选用型号为型组合轴承。2.2.3 伺服电机的选择参数：估算工作台重量为；工作台移动速度；摩擦系数为；联轴器效率为；进给丝杠长为；进给丝杠直径为；丝杠导

30、程。1计算丝杠转速2折算到电动机上的转动惯量设电动机额定转速，传动比为，则 工作台的： 进给丝杠的 联轴器的总的计算所需的稳定功率计算所需的加速功率其中：计算稳定运行力矩试初选用小惯量直流伺服电机其主要参数为型号转矩转速功率电压最大电流总长重量45SZ5539.2600025242.0/0.45112.70.533选用另一种方法验证：负载功率 设选用联轴器的传递效率为99，则 所需电机功率为 又电机转速电机转矩 又所列参数如下综上，选择小惯量直流伺服电机其主要参数如下：SZ系列电磁式直流伺服电机主要技术参数型号转矩转速功率电压最大电流总长重量45SZ5539.2600025242.0/0.45

31、112.70.53SZ系列电磁式直流伺服电动机，具有体积小，重量轻，伺服性能好，力学指标高等优点，广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件。（P152） SZ系列电动机是数控机床和其它数控装置伺服系统的执行元件。具有体积小，重量轻，承受过载能力强，起动转矩大，反应快等优点。检测元件可采用脉冲编码器或测速发电机。同时，所选用的伺服电机应满足以下条件： 满足条件，试选电机合适。根据已知条件，电机所受的载荷较小，故X、Y的支承连接部分可选用薄膜联轴器。（薄膜联轴器详见机械设计手册第一卷）薄膜联轴器是利用中间接头与两组圆形膜片联接，膜孔与拨盘联结，拨盘与主、从动端轴联结的圆形膜片联轴器，结构简

32、单，主要用于传递运动，具有补偿两轴相对偏移的性能，有较高的扭转刚度，适用小功率的控制系统和精密机械传动机构。ML型薄膜联轴器机构见下图：ML型薄膜联轴器的基本参数及主要尺寸（SJ 2127-82）：型号ML-20-03基本参数 转矩200孔径3H7外径20厚度0.15长度21 2.2.4 Y向滚珠丝杠的选择因为X向滚珠丝杠在Y向丝杠之下，而且丝杠受到的力主要是滚珠丝杠副所受的摩擦力，故所选的丝杠以X向丝杠为计算机基准。上拖板、激光聚焦镜、直线导轨轴和激光头等的总重量设为。工件台滚动导轨摩擦系数取为0.06，丝杠两端为固定支承（F-F），每个轴承座安装一个滚针和推力滚子组合轴承。定位精度为，工作

33、台最大行程为移动最大速度为，丝杠寿命，工作可靠性为。伺服电机的选择：可用的参数：工作台重量为；工作台移动速度；摩擦系数；联轴器效率；进给丝杠常为；进给丝杠直径为；丝杠导程为。以下计算同上。计算结果接近，所以，X向和Y向选用相同的丝杠、轴承、轴承座等一系列的零部件。2.3可升降工作台的实际和计算2.3.1 Z向滚珠丝杠及步进电机的选择 可升降工作台由步进电机经精密滚珠丝杠驱动，用精密直线滚珠导轨导向，从而能在高度方向上作快速、精密的直线往复运动。由于快速成形系统的可升降工作台和所要制作的工作比较重，因此，在它们的可升降工作台中设有重量平衡装置，以便降低伺服电机的驱动功率，并使工作台运动平稳。估算

34、平台和工件重量：平台上的纸材的体积 纸材的密度 最大成形件的重量约为 工作升降平台的材质为硬铝，密度较小，体积约为，质量约为，再加上其它附件，工作台的总质量约为 工作台后侧有导轨，采用滑动摩擦，摩擦系数为；丝杠两端为固定支承，定位精度为 1丝杠载荷（1）导轨摩擦力为紧力（导轨反力）由简化的力学模型可得（2）滚珠丝杠副的轴向载荷计算 对于采用燕尾形导轨的机床滚珠丝杠副的轴向载荷为2丝杠导程 工作台最大速度设为 由于是精密传动，每次且传动的间距较小为之间，故取丝杠的导轨为，则 丝杠最大转速3初选滚珠丝杠 （1）计算动负荷 要求使用寿命为寿命系数 转速系数 由表查得，选用两端固定（F-F），使用于高

35、速、高精度、高刚度。影响滚珠丝杠副寿命得综合系数由表查得： 温度系数 (工作温度小于100) 硬度系数 精度系数 （选择3级精度） 负荷性质系数 （无冲击平稳运转） 可靠性系数 （可靠度取96）综合系数 以上是在低速（行程非常短，可以认为是静态的移动）和定工作负荷得情况下，滚珠丝杠副得选用。（2）初选滚珠丝杠副得型号由表查得，需用型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠，型号为。 额定静载荷 预紧力为 符合要求4丝杠螺纹部分长度5支承距离 支承跨距应大于，取其为 4导轨的材料于热处理a) 对导轨材料的要求（详见p177）b) 导轨幅材料的匹配。导轨摩擦幅应尽量由异种材料相配组成，如果选用相同的

36、材料，也应采用不同热处理工艺或不同的硬度。 在直线运动的导轨副中，较长的一条导轨（通常是不动导轨）用较耐磨的和较硬的材料制造，这是因为：（1）长导轨在全长上磨损不均匀，而且磨损后不能用调整的办法来补偿，对加工精度影响较大；（2）短导轨耐磨性较低，使用中误差会较快地消除，且便于刮研，减少修理过程中的劳动量；（3）长导轨通常是外露地，容易受到意外的损伤。 采用铸铁为动导轨，淬火铸铁为固定导轨，相对寿命通常为23。 铸铁是一种应用最广泛的导轨材料，易于铸造，切削加工性好，成本低，由良好的耐磨性和减振性。通常以或作为固定导轨，如立柱。而相应以或作为相配的动导轨。本次使用的固定导轨表面进行了火焰淬火，淬

37、硬层深度，硬度。除此之外，导轨表面还需要喷涂一定厚度的热塑性材料，如聚乙烯等，它们与铸铁对磨时，摩擦系数很小，其本身的耐磨性也比铸铁高2倍以上；对铸铁导轨能起到明显的保护作用。2.4原材料存储及送进机构的设计与计算该机构由原材料存储辊，送料夹紧辊、两根导向辊、余料辊、直流电动机、摩擦轮和材料撕裂报警器组成。卷状材料套在原材料存储辊上。材料的一端经送料夹紧辊、两根导向辊、材料撕裂报警器粘于余料辊上。余料辊的辊芯与送料直流电动机的轴芯相连。摩擦轮固定在原材料存储辊的轴心上，其外圆与一带弹簧的制动块相接触产生一定的摩擦阻力矩，以便保证材料始终处于张紧状态。送料时，送料直流电动机沿逆时针方向旋转一定角

38、度，克服加在摩擦轮上的阻力矩，带动材料向左前进一定的距离。此距离等于所需的每层材料的送进量，它由成形件的最大左、右尺寸和两项相邻切割轮廓之间的搭边确定。当某种原因偶然造成材料撕断时，材料撕断报警器会立即发生音响信号，并停止送料直流电机的转动及后续工作循环。上述机构中采用的原材料是高性能的纸，纸的底面涂有热熔胶和改性添加剂。当热轧辊被加热到210250，并辗压纸材时，能使纸上的胶熔化并产生粘性。加入添加剂的作用是改善纸和成形件的性能，使其具有优良的粘性、机械强度、硬度和抛光性、较小的收缩率、较高的工作温度和易于剔除废料。实践证明，这类纸坚如硬木，能承受高达200的温度，粘结后不易开裂；同时，只需

39、轻轻振动制品中的方块形废料小碎片，并用普通小刀剔除，就能方便地使嵌在工件中的废料与工件分离。例如用其中的一种纸成型的工件有很好的弹性，表面光滑，如同塑料，产品最小壁厚可达。一原材料存储及送进机构的参数 常用的纸厚为左右，材料厚度通常为。已知：成形空间为，向最大高度为，设纸厚为的纸材经过热粘压后，变成了。向最大需叠加层。设置每次走纸长度为，则纸卷总长为。 假设各层纸之间的间隙极小，认为可以忽略。则根据体积相等原理可得：纸卷直径，纸卷宽度为。纸卷直径设为 若需要设计的快速成形机可使用的纸张的厚度变化范围为，可调节，则可以假设每层纸材的厚度为，所得的纸卷的直径范围为一个定值。计算过程如下：是每种材料

40、受热粘压后的厚度与原先厚度的比值，可见纸卷的直径函数是一个无因次式，只随比值的变化而变化。 纸卷的总重量为：二原料存储及送进机构电机的选择 原材料（纸带）送进的时候，要求纸带受力平缓，防止拉断，故电机的转速应当适当慢一些，且冲击变化小。 设：最大走纸速度为 纸带的小径为 已知：纸卷的最大直径为 则：平均直径为 平均带速设：需要将纸带从送料夹紧辊中拉出平均拉力为，约为，拉动时加速度为。已知纸卷平均直径，则所需转矩所需功率若采用转速约为的力矩电机,同时选用型通用谐波齿轮减速器（传动比），则收料轴最终的平均转速为所以，选择这种电机和减速器基本符合要求。2.5热粘压机构的设计和计算 该机构由步进电机、

41、齿形皮带、发热管、热压辊、温控器及高度检测器(Z向使用伺服电机时才使用)等零部件组成。步进电机的动力经齿形皮带驱动热辗压辊，使其能在工作台上方作左右往复运动。热压辊内装有大功率发热元件即发热管，以便使热辗压辊快速升温，通常工作时被加热到。温控器包括温度传感器（热电偶或红外温度传感器）和显示、控制仪，它能检测热压辊的温度并使其保持在设定值，温度设定值根据所采用材料的粘结温度而定。高度检测器固定在热压辊的支架上，它的测量分辨率为。当热压辊对工作台上方的纸进行热压时，高度检测器能精确地测量正在成形的制件的实际高度，并将数据及时反馈至计算机，然后根据此高度对产品的三维模型进行切片处理，得到与上述高度完

42、全对应的截面轮廓，从而较好地保证成形件在高度方向的轮廓形状和尺寸精度。 高度检测器选用超声波距离传感器。超声波距离传感器由发射器和接收器构成，是利用压电效应制成的。其主要参数有：中心频率、灵敏度、带宽、发射角、电阻和电容等。本系统选用中心频率为、灵敏度为、带宽为、发射角为、工作温度为、声压的EFR-RSB40K2型超声波传感器。 超声波距离传感器的检测方式有脉冲回波式以及频率调制连续波式（FM-CW）两种。 在脉冲回转式中，先将超声波用脉冲调制后发射，根据经被测物体反射回来的回波延迟时间，计算出被测物体的距离。假设空气中的声速为，由下式求出被测物体与传感器间的距离：。 同时，温度的变化对声速有

43、一定的影响。如果温度为，则声速由下式求出，即FM-CW方式是采用连续对超声波信号进行调制，将由被测物体反射延迟时间后得到的接收波信号与发射波信号相乘，反取出其中的低频信号，就可以得到与距离成正比的差频信号。假设调制信号的频率为，调制频率的带宽为，则由下式求出被测物体的距离： 该系统的主要参数：滚筒直径；滚筒长度； 齿形皮带的密度； 摩擦力；分辨率； 热粘压速度设带轮直径为，则转速加速度 ；电动机的驱动频率； 根据以上述数据可选用五相双五拍式BF系列反应步进电机，步距角为，其型号为90BF2-5,且选用XB1型通用谐波齿轮减速器，其型号为XB1-32。具体计算同上一节，故略。同步带传动计算同步带

44、传动，电动机型号为90BF2-5，额定功率为，传动比整天工作（24h）。1功率计算：（1）工作情况系数 （载荷变化小，工作时间为24小时）。（2）计算功率 2选定带型和节距 根据传递功率约为和额定转速，由表可以选定带型为H型，由表查得带节距为（详见机电一体化系统设计手册P326）。3小齿轮齿数根据带型和额定转矩，由表查得，选4小带轮节圆直径 5小带轮外径 查表可得 6大带轮齿数 直径大带轮外径 7带速8初选轴间距 9带长及齿数 由表查得选用带长代号为900的H型同步带，其节线长为 ，带上的齿数。10实际轴间距11小齿轮啮合齿数 取整12基本额定功率：查表可知，基准宽带同步带的许用工作拉力和单位

45、长度上的质量： 故基本额定功率13带宽：由表查得 ，取由表查得，标准带宽应选带宽代号为150的H型带14作用在轴上的力：带的标号为15带轮机构和尺寸（1）带轮材料同步带带轮材料常采用灰铸铁、钢、铝合金和工程塑料等。其中，灰铸铁应用最广。当带轮速度时，采用；时，宜采用球墨铸铁或铸钢。小功率传动的带轮可采用铸铝或工程塑料。此次使用的带轮，需要传递的功率不大，选用铸铝为材料。（2）带轮直径由表查得 (3) 带轮宽度选用有单边挡圈的带轮，查表可知：带宽代号为150的带轮，基本尺寸为，带轮最小宽度。（4）带轮挡圈尺寸由表查得，带型为H的带轮挡圈得基本尺寸为：联轴器的选择1 联轴器类型的选择（机械设计手册

46、 第4卷 p294）（） 联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小，对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片式联轴器、齿式联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器。（） 两轴相对唯一的大小和方向，当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或在工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。2 弹性联轴器的概述（机械设计手册 第4卷 p29101）弹性联轴器除了能补偿两轴相对位移，降低对联轴器安装的精度对中要求外，更需要的是能够缓和冲击，改变轴系的自振频率，避免发生严重的危险性振动。 弹性联轴器利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴相对位移，因而可动元件之间的间隙小，特别适宜于需要经常起动和逆转的传动。 对弹性联轴器的要求有：（） 强度高，承载能力大，在有可能发生扭振和存在瞬时尖峰载荷的场合，要求联轴器的许用瞬时最大转矩为需用长期转矩的三倍以上。（） 弹性高，阻尼大，具有足够的减振能力，把冲击和振动产生的振幅降低到允许的范围以内。（） 具有足够的补偿性能，满足安装和工作的两轴发生相对位移的需要。（） 工作可靠，性能稳定；对橡胶弹性元件联轴器，还应具有耐热性，不易老化等特性。（） 结构简单，体积小，重量轻，装拆方便，维护简单，价格低廉。3 弹性联轴器的力学计算（略）综上所述，选择型薄膜联轴器，其主要的尺寸和特性参数如