基于数控加工中心的LOM快速成型装置数字样机设计（机械结构设计）

毕业设计说明书基于数控加工中心的LOM快速成型装置数字样机设计（机械结构设计）学生姓名：学号：学院：专业：机械设计制造及其自动化指导教师：摘要：本文对快速成型技术以及LOM技术的相关应用背景、研究现状等做了简单的介绍，还有对本课题需要解决的问题、拟用的解决方法做了简单的称述。其中主要是介绍了LOM快速成型装置中的收料及送料结构、热压结构的设计过程以及激光切割结构的选用，还介绍了各个结构中主要零件的功用以及结构尺寸。对主要零件也进行了一定的强度校核，也简单对MV-610加工中心做了介绍，并合理的把LOM快速成型装置与加工中心结合在了一起。通过此次设计，更好的合理利用了加工中心，并使LOM技术也得到了灵活的运用。关键词：LOM快速成型，基本结构，应用Abstract:thispaperLOMtechnologyrapidprototypingtechnologyandtherelevantapplicationssuchasbackground,theresearchpresentsituationisfurtherintroduced,andtheproblemsneedtobesolvedinthisproject,employssolutionmadesimplesounding.MainlyintroducestheLOMrapidprototypingdevicefeedingstructure,hotpressingchargeandstructuredesignofprocessandlasercuttingstructure,alsointroducedtheselectionofthemainpartsofeachstructurefunctionandstructuresize.Onthemainpartsinsomeextent,simplealsostrengthcheckonMV-610processingcenter,wereintroducedandreasonableputLOMrapidprototypingdeviceandprocessingcenterorganicunifiesintogether.Throughthedesign,canbetterreasonableuseprocessingcenter,andmakeLOMtechnologygotflexibleuse.Keywords:LOMrapidprototyping,basicstructureandapplication目录TOC\o"1-3"\t"1级,1,2级,2,3级,3"1引言 11.1快速成型技术简述 11.1.1快速成型技术的产生背景 11.1.2快速成型技术分类 21.1.3快速成型技术的应用概况 31.2LOM快速成型技术 41.2.1LOM快速原型技术背景 41.2.2LOM加工原理 51.2.3LOM快速原型系统的研究现状 61.2.4本课题需解决的问题 72总体方案的设计 82.1总体方案的确定 82.1.1MV-610加工中心的相关参数 82.1.2LOM快速成型装置的确定 82.1.3LOM快速成型装置的空间分布 92.2总体结构的运动状态 102.2.1LOM快速成型装置中各个机构的运动情况 102.2.2LOM快速成型装置动作过程 112.2.3LOM快速成型装置电机 113快速成型中主要结构的设计 113.1原材料存储及送进机构的设计 123.1.1原材料存储及送进机构的总体布局 123.1.2原材料存储及送进机构的支撑架结构 133.1.3原材料存储及送进机构的送料与收料结构 153.2热压机构的设计 173.2.1热压机构的总体布局 183.2.2热压机构中的中心部分 183.2.3热压机构中的温控装置 213.2.4热压机构中的外部结构 223.2.5热压机构的热压滚筒外壳 253.3切割机构的设计 283.3.1激光的研究背景 283.3.2激光器的种类 293.3.3CO2激光器的优缺点 293.3.4二氧化碳激光器原理 303.3.5CO2激光器型号的确定 314主要零件的强度校核 314.1送料轴的强度校核 314.1.1送料轴的弯曲强度校核 314.1.2送料轴的危险截面校核 325结论 35参考文献 36致谢 381引言1.1快速成型技术简述快速原型制造（RapidPrototyping，简称RP）技术，又称快速成型技术，是20世纪80年代后期首先在美国产生并商品化，90年代在全球迅速发展起来的制造新技术。快速成型技术与50年代的数控技术和最近20年发展起来的特种加工技术一样是一种全新的制造技术，是先进制造技术群中的重要组成部分。它是一种基于离散堆积成型的数字化制造技术，集激光技术、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控技术（CNC）、精密检测技术、精密机械、精密伺服驱动和新材料技术等先进技术于一体的综合高新技术。它能根据CAD模型（电子模型）自动、直接、快速、精确地将设计思想物转化为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条件下生成几乎任意复杂的零部件，解决了快速对接问题，有效地缩短了研发周期，满足了当今竞争日益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求［1］［2］。快速成型与制造技术经过10多年的研究和开发，取得了很大的成就，推出了系列商用RP／M系统。但现有RP／M技术主要以树脂、塑料、纸张等作造型材料，仅适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实际功能的机械零件。为此，功能零件的快速制造成为目前RP领域的研究热点之一[3]。在经济全球化趋势正不断加强，各个领域的技术交流、经贸交流日益扩大，世界上发生的这些进步、变革与发展使当代制造业的生态环境、产业结构与发展模式等都发生了深刻变化，科学发展观对制造业提出了新的要求，我国制造业正面临着新的发展机遇与挑战。当前，制造业呈现如下发展趋势［4］：产品高科技化；顾客需求个性化、多样化；产品生命周期缩短，更新换代加速；生产、经营及市场全球化；1.1.1快速成型技术的产生背景市场的发展需求随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争愈演愈烈,产品更新换代加速,迫切需要采用先进的创新手段。用传统的方法制造物理原型时,通常需要使用多种机床设备和模具,既费时又费钱,快速成型(RP)技术的出现,可以在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下,实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造[5]技术的发展推动新技术的发展为快速成型技术的产生奠定了技术基础。信息技术、计算机技术的发展、CAD/CAM技术的发展、材料科学的发展、新材料的出现、激光技术的发展为快速成型技术的产生和发展奠定了技术基础。快速成型技术就是在这样的社会背景下，在80年代后期产生于美国，并迅速扩展到欧洲和日本。由于RP技术的成型原理突破了传统加工中的塑性成形（如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工等）和切削成形的工艺方法，可以在没有工装夹具或模具的条件下，迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体原型或零件，因此被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破［6］1.1.2快速成型技术分类RP技术的具体工艺不下30余种。根据其应用情况和商品化程度，最为典型的快速成型技术有以下四种。1）光固化成型（StereoLithographyApparatus，SLA）［7］光固化成型的原理是：将激光聚焦到液态光固化材料（如光固化树脂）表面、令其有规律地固化，由点到线到面完成一个层面的建造，而后升降平台移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层叠加成为一个三维实体。2）选区激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）［9］此技术采用激光对有很好密实度和平整度的粉末铺成的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘结，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或粘结成另一层并与前一层熔接或粘结，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉末直接熔化面连接；间接熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。粘结则是指将粉末采用粘结剂粘结。这里的粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉，以及金属粉如铁、钴、铬以及它们的合金。3）分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）［9］该技术采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘结在一起。这样层层叠加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘结剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其它材质基的箔材。4）熔融沉积制造（FusedDepositionModeling，FDM）FDM是指将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与第一个层面粘结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。1.1.3快速成型技术的应用概况根据不同的应用场合和需求，快速成型技术主要有以下几种应用：1）用于概念设计的原型。这种原型对精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快、精度适中、设备小巧、运行可靠、清洁、无噪音、操作方便。2）用于制造模具或其原型。模具原型要求材料适应特定模具的制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。3）用于制造功能零件。功能零件则要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从RP技术的发展历程来看，最初主要应用于原型制造，随着研究的深入，现在很多研究者都致力于研究快速制造金属零件。国际统计资料表明，原型中的四分之一被用来作为可视化的手段，用于评估设计、协助设计模具、沟通设计者与制造商及工程投标；四分之一被用来进行装配和性能测试；四分之一以上用于协助完成模具制造［10］。目前，快速成型技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军工制造、材料工程、玩具、医疗器械、人体器官模型、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了广泛的应用。如下图所示：

图1运用LOM快速原型系统所制作薄壳件图2运用LOM快速原型系统所制作太极球图3运用LOM快速原型制作汽车零件图4运用LOM快速原型制作出形状复杂零件快速成型技术是目前先进制造技术中发展最为迅速的一种，在短短一、二十年的时间里，已经由最初的原理研究发展到大规模实际生产应用。目前已有10多种比较成熟的工艺方法用于原型零件的制造。RP技术在产品开发中的关键作用和重要意义在实际应用中得到了很好的印证，可以迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原型，可对设计的正确性、造型合理性、可装配性和干涉，进行具体的检验［11］。1.2LOM快速成型技术1.2.1LOM快速原型技术背景

随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争愈演愈烈,产品更新换代加速,迫切需要采用先进的创新手段。用传统的方法制造物理原型时,通常需要使用多种机床设备和模具,既费时又费钱,快速成型(RP)技术的出现,可以在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下,实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造，快速成形技术是在80年代后期率先由MichaelFeygin研发出LOM(laminatedobjectmanufacturing)快速原型技术，并由美国Helisys公司生产与销售，于2000年Helisys公司终止(cease)营运，并将LOM快速原型技术转让给cubictechnologies［12］。1.2.2LOM加工原理1）LOM加工原理快速成型技术集成了机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术及材料科学等领域的最新成果，它以材料的逐层堆积生产作为主要的实现手段，因而又被称为增材制造技术［13］。其基本原理是：在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后切片软件将三维CAD模型切成一定厚度的薄片，得到各层截面的轮廓信息，即将三维信息转换成一系列的二维信息，每片数据转换成数控加工命令，激光束选择性地切割一层层纸（或固化一层层的液态树脂；或烧结一层层的粉末材料；或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等），形成各截面轮廓并叠加成三维产品。该技术可自动而迅速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件。具有快速、精确、经济等优点，特别是该技术对零件的复杂程度没有限制［14］。2）LOM加工工艺过程LOM成型的一般工艺过程大致如下:(1)料带移动,使新的料带移到工件上方。(2)工作台往上升,同时热压辊移到工件上方,工件顶起新的料带,工作台停止移动,热压辊来回碾压新的薄材材料,将最上面一层的新材料与下面已成型的工件部分粘结起来,添加一新层。(3)系统根据工作台停止的位置,测出工件的高度,并反馈回计算机,计算机根据当前零件的加工高度,计算出三维实体模型的交截面［15］。(4)交截面的轮廓信息输入到控制系统中,控制CO2激光器沿截面轮廓切割。激光的功率设置在只能切透一层材料的功率值上。轮廓内、外面无用的材料用激光切成方形的网格,以便工艺完成后分离。(5)工作台向下移动,使刚切下的新层与料带分离。(6)料带移动一段比切割下的工件截面稍长一点的距离,并绕在复卷辊上。(7)重复上述过程,直到最后一层。分离掉无用碎片,得到三维实体。3）LOM快速原型系统的优缺点（1）优点主要有以下几个方面:eq\o\ac(○,1).原型件制作过程中，运用LOM快速原型系统所制作原型件之缩收以及热应力所导致之原型件几何形状变形等缺失，可以忽略。

eq\o\ac(○,2).LOM快速原型系统所使用之CO2雷射仅对原型件外形轮廓(outlineofshape)进行切割，LOM快速原型系统是为所有快速原型系统中效率最高的一种快速原型系统。

eq\o\ac(○,3).

LOM快速原型系统如与FDM快速原型系统相互比较，LOM快速原型系统建构原型件时不需要支撑(support)结构。

eq\o\ac(○,4).

LOM快速原型系统机台保养费用低廉。

eq\o\ac(○,5).

LOM快速原型系统可以制作大型、复杂与体积大原型件。（2）缺点主要有以下几个方面：

eq\o\ac(○,1).可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他种类之材料仍继续研发当中。

eq\o\ac(○,2).

所制作完成之快速原型件表面是粗糙的，必须经过后续加工，才可进行快速模具的应用。

eq\o\ac(○,3).

所制作完成之快速原型件很容易吸收外在水气，因此必须立即进行后处理，例如：上漆。

eq\o\ac(○,4).

很难制作出尺寸微细之原型件，此缺失受限于原型件必须剥离废料之后才可取出。

eq\o\ac(○,5).

运用LOM快速原型件于铸造应用时，燃烧原型件的时间必须注意空气流通。

eq\o\ac(○,6).运用LOM快速原型系统制作原型件时，有部分的材料是浪费的。1.2.3LOM快速原型系统的研究现状1）LOM快速原型系统的研究现状由于大多数机械零件是由金属制造的，因此直接利用金属板材作造型材料的分层实体制造(Laminatedobjectmanufacturing一简称LOM)是实现金属功能零件快速制造的有效方法之一．Obikawa用0.2mm厚、两面涂覆低熔点合金的薄钢板作造型材料，采用LOM方法快速制造金属零件；山崎则用0.5mm厚的薄钢板作造型材料快速制造车体模具．但是现阶段用金属板材作造型材料的LOM在技术上尚存在许多应解决的课题：（1)分层材料的堆积成形精度问题．显然，分层板厚度越薄，成形精度越高．现有商用化的LOM技术，一般以纸张、树脂板等作造型材料，其分层板厚度仅为0.05mm～0.10mm．而用金属板材作造型材料时，从造型强度与效率考虑，现有分层板厚度为0.2mm～0.5mm，直接采用现有LOM方法，则造型精度差．（2)金属板材的连接问题．现有低熔点合金粘接法、螺栓紧固加电弧焊接法，以及热扩散焊接等工艺方法，在金属板材的连接工艺上虽然各有长短但均未获得满意的效果．针对这种情况，笔者提出了基于数控机床分层快速成型金属功能零件．2）LOM快速原型系统的研究意义在制造业竞争日趋激烈，产品更新换代的速度逐渐加快的今天，企业要想在激烈的竞争中立于不败之地，必须根据市场需求更快、更好地生产出市场所需的新产品，并且能够根据市场的变化迅速地作出调整，以期达到产品的最大经济效益和社会效益，并使企业始终处于同行业之前列。在这种形势下，如何缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本，已成为企业发展所要解决的首要问题。产品开发能力的强弱直接关系到一个企业在市场上的竞争力，关系到一个企业的生命，用传统的制造方法和手段，设计周期长，制造成本高，很难满足瞬息万变的市场发展，必将在竞争中处于劣势。由于快速成形技术在产品研制、开发中所特有的先进性，独特性，因此广泛应用于制造业中的各个领域[15]。这种基于数控机床的快速成型工艺国内外还未见过，分析表明，以现有的数控设备为依托，只要发挥中小企业的技术人员的潜力，开发必要的软件是完全有可能在机床上实现金属零件的分层制造，为我国的制造业服务，加快RP技术的推广,而LOM系统作为比较流行的RP系统之一有其独特的优点,其应用领域和应用途径日益广泛,必将给制造业带来巨大的效益。1.2.4本课题需解决的问题经济型分层实体制造(LOM)系统是指：以用户现有的具有2.5轴以上联动功能的CNC数控机床为基础，以高档微机和三维CAD造型软件作造型设计模块，只配置切片处理模块和快速成型装置模块中的必要部件来完成产品成型过程的快速成型系统。经济型分层实体制造(LOM)快速成型装置就是上面所说成型装置模块，它包括X－Y－Z运动单元（主轴箱、工作台）、原材料存储及送进机构、热压机构、专用刀具切割机构等。X－Y－Z运动单元是CNC机床已有的,而原材料存储及送进机构、热压机构、专用刀具切割机构等等是需要专门研究设计。本课题主要就是对原材料存储及送进机构、热压机构、专用刀具切割机构这三个结构进行设计。2总体方案的设计2.1总体方案的确定2.1.1MV-610加工中心的相关参数MV-610加工中心的参数表项目单位MV-610X轴行程mm610Y轴行程mm410Z轴行程mm460工作台面积mm770×410主轴转速rpm10,000主轴马达规格KW7.5切削进给率mm/min10,000三轴快速位移m/min30(线轨)控制器三菱/FANUC2.1.2LOM快速成型装置的确定1）原材料存储及送进机构由一个步进电机、一个储料轴和两个薄壁钢管套、两个导向杆、一个余料轴、四个轴承座以及所必须的相应的支撑、轴承和螺栓等组成。2)热压机构一种方案：运用热压辊主要由橡胶滚子、电热丝、温控开关、密封垫、氧化镁粉末、刀架、还有一些轴承、轴承座、销、螺栓等组成。另一种方案：运用热压板由整块热扎钢板制成中间有蒸汽通道可以通过热压蒸汽或热压油来进行加热两种方案进行相比较，其中热压辊压力均匀但效率低，而压力板效率高但压力不均匀。由于热压机构在这里是作为一个特殊的刀具放在刀具库中的，所以最后确定用热压辊作为热压结构。3）专用刀具切割机构采用现有的CO2激光器进行切割。CO2激光器选用型号为EDC40，功率为40W，长度为700mm，直径为50mm。4）切割粘压工作台就直接利用原来的加工中心的工作台。但是大家都知道加工中心的工作台上开有T型槽，我们直接利用其来进行切纸工作，T型槽会带来一些加工上的不便，我们刚开始先不进行加工，先在工作台上粘压一定厚度的纸，因为这种涂覆纸粘压后的强度很好，相当于木质材料的强度，加之加工时的切削力并不是很大，所以在以后的加工中不会有问题。这样做会大大降低制造费用。2.1.3LOM快速成型装置的空间分布1)总体方案简图如下图1-1所示图5总体方案简图2.)总体方案装配图如下图所示图6总体方案装配图2.2总体结构的运动状态2.2.1LOM快速成型装置中各个机构的运动情况1)原材料存储及送进机构加工用涂覆纸纸卷直接套于储料轴上，纸头经两个导杆至余料轴，通过套筒将纸头夹紧并定位；步进电机装在余料轴的一端，在一层轮廓加工完之后步进电机卷过一定长度，每次卷过的纸的长度为一个纸制件的长度，这一动作通过程序来实现；纸的张紧是通过步进电机的准确停止，还有慢的旋转速度和在热粘压时工作台的移动方向来实现的。2)热粘压机构热粘压机构在这里是作为一个特殊的刀具放在刀具库中的。这样一来，热粘压时只需通过程序换一次刀即可，很方便，不仅充分利用了加工中心自身所具有的装置，而且不需要升降工作台。这个特殊的刀具在刀库中的位置应与用来切割涂覆纸的刀具在刀库中的位置是相邻的，这样放置的目的是使在换刀的过程中刀库转过的角度为最小，以节约加工时间，提高生产效率。粘压时主轴带动热压滚沿加工中心Z轴方向向下运动，主轴不能旋转，当热压滚到达加工纸面且具有一定压力时，加工中心工作台连同制件一起沿X方向运动来完成粘压工作。热粘压时粘压的工作压力通过装在刀杆上的压力传感器来控制。热粘压时的粘压温度是通过温控开关来实现。加热铝筒中装有水，通过热水器来对水进行加热。由于纸上的胶是在40度左右就可以化开，所以选择温控开关的切断温度为65-75度，当在这个温度范围时温控开关会自动断开，低于这个温度会自动接通。还有一点要注意的是，在热粘压刀具的安装是要注意电线的布置问题，应根据实际情况来完成布线，以免在加工过程中出现电线缠绕，拉断等现象而发生危险。3)二氧化碳激光器二氧化碳激光器也是作为刀具放入刀库中，只是在Z轴方向运动，在切割时是通过工作台的X、Y方向上运动，进行切割动作，二氧化碳激光器本身是不在X、Y方向上运动。2.2.2LOM快速成型装置动作过程快速成型装置的动作过程简述如下：（1）送料步进电机带动余料轴转过一个切片所需要的纸的长度。（2）主轴带着热压装置沿Z方向向下运动，到达纸制件顶面时停止Z向运动。向下运动的时，加热系统将加热筒的温度达到热粘压要求的温度。（3）主轴带着热压装置沿X或Y方向进行热压。（4）热压完毕后。主轴快速运动到换刀点。（5）把热压装置放回刀库，取出切割刀具。（6）主轴快速运动到工作起点，进行切割运动。（7）切割完毕，主轴快速返回换刀点，把切割刀具放回刀库，再取出热压装置，同时，步进电机转过一个切片所需纸的长度，为下一层片的切割作好准备。2.2.3LOM快速成型装置电机由于LOM快速成型装置的运行速度低，要求的动力也小，所以选用了小功率的步进电机，其型号为56BYG250E-0601，尺寸为56×56×111，相数为2，保持转矩为2.5（N.m），转动惯量为750(g.cm2)，重量为1.5Kg。3快速成型中主要结构的设计3.1原材料存储及送进机构的设计3.1.1原材料存储及送进机构的总体布局根据MV-610加工中心的工作台的面积S=770mmx410mm，可确定滚筒的基本长度以及纸的宽度，其中是由两部分支撑架和送料与收料结构组成，根据纸的层数，可以估算出纸的大概重量，再根据纸的重量可以初步定出滚筒两边支撑轴的直径，如下图6所示图7原材料存储及送进机构由于要利用加工中心的X、Y、Z轴的移动来进行切纸动作，所以原材料存储及送进机构整体是固定于工作台上。如下图7所示图8原材料存储及送进机构与加工中心工作台的配合3.1.2原材料存储及送进机构的支撑架结构支撑架的高度是由所做的模型拟定出来，主要作用是用来把纸提高一定的距离，为做模型提供一定的空间，结构如下图8所示图9支撑架结构图具体各个零件的尺寸如下图9、图10、图11所示图10薄壁管薄壁管的长度是在工作台宽度的基础上增加了65mm，只是为了跟好的对纸进行传递，增加薄壁管的目的就是为了使纸与圆柱体得滑动摩擦变为与薄壁管的滚动摩擦，其中壁厚为1mm图11支撑体支撑体的高度是由一般模型的高度和加工中心的高度拟定为500mm，其中底座是M8螺纹孔，左右可以调距离为6mm。图12圆柱体圆柱体的长度是在薄壁管的基础上增加了5mm，左右各留2.5mm，为了薄壁管在滚动时不被左右的支撑体卡住。3.1.3原材料存储及送进机构的送料与收料结构送料与收料的滚筒尺寸是由纸的宽度来确定，整体结构如下图12所示图13送料与收料结构其中送料与收料结构是由滚筒、轴承、轴承座等组成，如下图13所示图14送料与收料结构爆炸图送料与收料结构中各个零件的结构尺寸如下图15、图16、图17、图18所示图15轴承座轴承座高度是由滚筒的最大直径决定，其中底座上有M8的螺纹孔，前后可移动4mm，轴承座厚度取一般尺寸，定为15mm，最大孔径为轴承的外径尺寸42mm，其中孔径为38mm的孔是为了挡住轴承的外圈，轴承底座为了更好的接触支撑面，下面有2mm深的槽，长度为49mm。图16收料滚筒图17送料滚筒其中送料滚筒与收料滚筒区别就是在收料滚筒有动力输入端，其他没有差异。图18深沟球轴承深沟球轴承外径42mm，内径20mm，厚度为12mm。型号为6004-2Z3.2热压机构的设计3.2.1热压机构的总体布局热压机构总体尺寸是由纸的宽度决定，总体是设计为刀具模式放入刀库中，总体布局如下图18所示图19热压总体机构热压机构总体是由电热丝、温控开关、密封圈、氧化镁粉末、轴承，刀架、刀柄等组成。爆炸图如下图19所示图20热压机构爆炸图3.2.2热压机构中的中心部分热压机构的中心部分也就是中间核心部件，包括电热丝、薄壁钢管密封挡圈等，在电热丝与薄壁钢管之间用氧化镁粉末隔开，一方面是由于氧化镁粉末不导电，所以可以防止电热丝与钢管通电，另一方面是由于氧化镁粉末导热性能好，可以把电热丝上的热量及时的传递到钢管再传给外部液体。总体如下图20所示图21热压机构中的中心部分具体各个零部件的尺寸与结构如下图21、图22、图23所示图22电热丝电热丝中间部分是没有绝缘层的，两边的绝缘层和密封挡圈是为了把氧化镁粉末与外界隔开，同时也可以使热量向里面传递，一般电热丝直径为0.5mm，加上一层橡胶皮初定直径为2mm，总长度是比薄壁钢管稍长，自由定长度，无橡胶皮的电热丝长度是小于钢管的长度与密封挡圈2倍长度的差。图23密封挡圈密封挡圈的内径是和电热丝的橡胶皮外径相同，外径是跟薄壁钢管相同，长度是比橡胶皮短，初定为55mm。图24薄壁钢管薄壁钢管的主要作用就是使得电热丝与外部的液体隔开，同时是为了使氧化镁粉末围绕在电热丝的周围，使得电热丝的热量能够很均匀的散出去。3.2.3热压机构中的温控装置1）温控开关结构热压机构中的温度控制，是通过温控开关来控制，由于纸上的胶是在40℃融化，所以选用的温控开关的型号为KSD9700-2,类型:金属膨胀式,开关类型:常闭,工作电压:250V,过载电流:5A,动作温度:65-75（）,寿命:10000（次）,品牌:FSJY。温控开关结构图如下图所示图25温控开关2）温控开关的原理温控开关也叫温控器有多种型式其原理如下：蒸气压力式：波纹管的动作作用于弹簧，弹簧的弹力是由控制板上的旋钮所控制的，毛细管放在空调机的室内吸入空气的风口处，对室内循环回风的温度起反应。当室温上升至调定的温度时，毛细管和波纹管中的感温剂气体膨胀，使波纹管伸长并克服弹簧的弹力把开关触点接通，此时压缩机运转，系统制冷，直到室温又降至设定的温度时，感温包气体收缩，波纹管收缩与弹簧一起动作，将开关置于断开位置，使压缩机的电动机电路切断。以此反复动作，从而达到控制房间温度的目的。电子式温度控制器：电子式温度控制器（电阻式）是采用电阻感温的方法来测量的，一般采用白金丝、铜丝、钨丝以及半导体（热敏电阻等）为测温电阻，这些电阻各有其优确点。家用空调的传感器大都是以热敏电阻式。金属膨胀式温控器：根据物体热涨冷缩原理。热涨冷缩是物体的共性，但不同物体其热涨冷缩的程度不一样。双金片的两面是不同物质的导体，在变化的温度下由于涨缩程度不一样而使双金片弯曲，碰到设定的触点或开关，使设定的电路（保护）开始工作。其中本课题选用的是最后一种金属膨胀式温控器，它具有工作温度性能固定，不需调整、干脆、动作可靠、不拉弧、使用寿命长、精度高、体积小、量轻、可靠性高、无线电干扰少等特点。3.2.4热压机构中的外部结构外部刀架结构主要包括刀柄、销、螺母、螺栓、轴承座、刀架等组成。总体结构图显示了各个零件的装配关系如下图所示图26外部刀架结构加热辊外部结构爆炸图显示出了各个零件如下图所示图27加热辊外部结构爆炸图其中主要零件图结构和尺寸如下图所示图28支架支架上部的圆盘是为了与刀柄进行连接，上面打有M8螺纹孔是为了固定刀柄，左右两边结构是为了连接轴承座，其中有直径为10mm的孔，是为了通过销来连接轴承座与支架。图29刀柄刀柄是根据MV-610加工中心型号为DIN69871简称JT40，尺寸如下图图30刀柄尺寸刀柄下部连接一圆盘，是为了与支架连接，上面通有直径为9mm的孔。图31销销直径为10mm与支架采用过赢配合，与轴承座是可以相对转动的。图32轴承座大孔直径跟轴承外径相同为42mm，大孔深度12mm，其中直径为38mm的孔是为了轴承定位，上端开有直径为10mm的孔与销连接。3.2.5热压机构的热压滚筒外壳1）热压机构的热压滚筒部分总体装配关系如下图所示图33热压滚筒图34滚筒爆炸图上图是总体装配图关系的爆炸图，其中轴承座是由螺母固定，其中由于轴承座的孔的外径大于螺母，所以在中间添加了垫片，是为了更好的固定轴承座，右边有温控开关和密封垫。2）其中重要零件的三维图如下图所示图35热压滚筒在热压滚筒的外边套一层橡胶皮，中间长度是跟纸得宽度一样，也是410mm，在外边上留有台阶用来挡轴承内圈，其中中间留有一定的空间用来装液体，边上留有装温控开关的方孔。图36螺母和垫片上图中的螺母是六角薄螺母A级和B级M20[GB／T6172．1-2000],厚度为10mm，垫片为平垫圈C级24×4[GB／T95-2002]。图37密封圈上图密封圈外部与热压辊是过赢配合，是为了防止液体从热压辊端部流出，内部与薄壁钢管过赢配合，也是为了防止液体流出。上图深沟球轴承外径42mm，内径20mm，厚度为12mm。型号为6004-2Z3.3切割机构的设计3.3.1激光的研究背景激光的最初的中文名叫做“镭射”或“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光［17］。激光产生的三个条件如下：(1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；(2)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；(3)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性［18］。3.3.2激光器的种类激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式等几个方面进行分类介绍。(1)按工作物质分类根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器；②气体激光器，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。(2)按激励方式分类①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器；④核泵浦激光器。(3)按运转方式分类由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④调激光器；⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器。3.3.3CO2激光器的优缺点与其它激光器相比，CO2激光器有着以下优缺点，如下：优点：具有较好的方向性、单色性和较好的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此，CO2气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小［19］。缺点：CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40％，这就是说，将有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。这些因素都会使激光器的输出功率下降，甚至产生“温度猝灭”［20］。3.3.4二氧化碳激光器原理CO2激光的激发过程，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入的氦有两个作用：一个是可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空；另一个是实现有效的传热。氮气的加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用［21］。CO2激光器的基本结构CO2激光器的基本结构如下图所示图38CO2激光器结构上图是为一种典型的CO2激光器结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。CO2激光器是由CO2激光管，电源及泵浦，光学谐振腔组成。1）CO2激光管CO2激光管是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定［22］。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换［23］。2）光学谐振腔CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8％［24］，且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。3）电源及泵浦封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30～40mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。3.3.5CO2激光器型号的确定由于切割纸需要的功率不大，所以选用了激光器为二氧化碳激光器其型号为EDC40，功率为40W，长度为700mm，直径为50mm。4主要零件的强度校核由于在整个结构中受力都比较小，其中送料轴与收料轴只是受到很小的摩擦力，受到很小的扭矩，可以忽略不计，而纸的自重可能会使滚筒弯曲，对弯曲强度需要进行一定的校核。而支撑体也只是收到薄壁钢管的摩擦力，也可以忽略不计。在热压结构中，整体也只是在压纸时受到很小的力，所以整个受力可以忽略不计。4.1送料轴的强度校核4.1.1送料轴的弯曲强度校核送料轴的二维图如下图所示图39送料轴二维图由于考虑启动、停车等影响，弯矩在轴截面上锁引起的应力可视为脉动循环变应力。则其中：M为轴所受的弯矩，N·mmW为危险截面抗扭截面系数()具体数值查机械设计手册可知=0.1x203=800mm3为脉动循环应力时许用弯曲应力(MPa)具体数值查机械设计手册可知=240MPa其中送料轴主要受涂覆纸重力的影响，纸的密度ρ=0.751~0.950g/cm3，初步定为0.80g/cm3，可以估算纸的体积为V=1770.175cm3，则质量m=ρ.V=1416.14g可以计算出M=1486.947N·mm4.1.2送料轴的危险截面校核按疲劳强度条件进行精确计算：这种校核计算的实质在于确定变应力情况下轴的安全程度。在已知轴的外形、尺寸及载荷的基础上，即可通过分析确定出一个或多个危险截面（这时不仅要考虑弯曲应力和扭转切应力的大小，而且要考虑应力集中和绝对尺寸等因素影响的程度），按照公式求出计算安全系数并应使其稍大于或至少等于设计安全系数。公式如下：其中：为只考虑弯矩作用时的安全系数为只考虑扭矩作用时的安全系数[S]为按疲劳强度计算的许用安全系数：见下表[S]选取条件1.3-1.5载荷确定精确,材料性质均匀1.5-1.8载荷确定不够精确,材料性质不够均匀1.8-2.5载荷确定不精确,材料性质均度较差仅有法向应力时，应满足仅有扭转切应力时，应满足式中对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限(MPa)，具体数值查机械设计手册B19.1-1=240MPa对称循环应力下的材料扭转疲劳极限(MPa)，具体数值查机械设计手册B19.1-1=140MPa为弯曲和扭转时的有效应力集中系数,具体数值查机械设计手册B19.3.5-7=2.62=1.61为表面质量系数,具体数值查机械设计手册B19.3-8-10.=0.92为材料拉伸和扭转的平均应力折算系数,具体数值查机械设计手册B19.3-13.=0.34=0.21为弯曲应力的应力幅和平均应力(MPa)具体数值查机械设计手册B19.3-12=2MPa=0MPa为转应力的应力幅和平均应力(MPa)由于只受法向应力则S>该轴截面（安装轴承处）是安全的。5结论本文主要