sla设备的机械系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

sla设备的机械系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 : 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； 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；另外，在进行 ST L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。 成型系统的工作误差 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、 XY 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； XY 扫描误差指的是 XY 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。 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。 如加工一个悬臂零件 (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。 成型之后环境温变化化引起的误差 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。 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。 立体激光固化成型（ SLA）的成型原理 Stero Lightgraphy Apparatus 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（  =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。 图 为 SLA 的工作原理图。 液槽中盛满液相光敏树脂，激光束在偏转镜作用下，在液体表面上扫描，扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制，光点扫描到的地方，液体就固化。 成型开始时，工作平台在液面下一个确切的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，聚焦后的光斑在液面上按照计算机的指令逐点扫描即逐点固化。 当一层扫描完成后未被照射的地方仍是液态树 脂。 然后升降台带动平台下降一层高度（约 ），已成形的层面上又布满一层液态树脂，刮平器将粘度较大的光敏树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复，直直整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 7 图 SLA 工作原理图 SLA 的国内外发展现状 SLA 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。 自从 20 世纪 80 年代中期 SLA 光固化成型技术发展以来，到 90 年代后期，在快 速成型的发展历程中，出现了十几种不同的快速成型技术。 目前，美国在该技术领域一直处于领先地位，日本和欧洲等工业发达国家都投入了大量资金进行研究与开发。 日本紧跟美国迅速开展了光固化快速成型技术的研究， 1988 年三菱商社研制出与 SLA 相似的光照成型系统，称为紫外激光扫描立体生成法（ Short For So1id Object Ultraviolet Laser Plotter，简称 SOU）。 西欧各国发展快速成型技术比美国和日本晚一些，但是很快推出了自己的快速成型系统，例如德国的 StereosEosin 系统；以色列 的 Cubical Solider 系统等。 目前研究 SLA 方法比较深入的公司有美国的 3DSystem公司，德国的 EOS 公司、Famp。 S 公司，日本的 CMET 公司、 DMEC 公司以及 Teijin Seiki公司， Mitsui Zosen 公司，和我国的西安交通大学，中国科学研究院沈阳自动化所等。 其中该技术的开拓者是美国的 3D System 公司，其制造系统统称 Stereolithography Apparatus，简称 SLA 系统，其 SLA 系列产品独占鳌头并形成垄断市场。 其设备自 1988 年推出 SLA250 机型以后， 又于 1997 年推出 SLA— 250HR、 SLA— 3500、 SLA— 5000 三种机型， 1999 年又推出了 SLA— 7000，随后又推出了 Viper SLA 系统，在技术上有了长足的进步。 此外，国外的许多公司，大学也开发了商业制造系统并商用化，但并未产生任何的大的商业冲击。 国内的西安交通大学推出了 LPS、 SPS 和 CPS 系列的 SLA 成型机和相应的光敏树脂， SPS 的扫描速度最大可达 7 m/s、 LPS 的扫描速度可达 2 m/s，最大成型空间可达 600mmX600mmX500mm。 该产品的涂层系统针对不同的材料与结构，可调整 回流量，从而有效的改善涂层的质量；采用了矢量扫描路径优化方法，省去 AOM，降低了成本；采用的 YLSF 成型工艺大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型制造质量。 另外， CPS 成型机才用了紫外灯作为成型光源，设备价格低，运行费用也极低，是一种经济型设备。 本次设计的主要工作 主要设计任务 XY 方向移动机构设计； Z 方向移动机构设计； 刮刀机构设计； 整机总装配图设计； 主要技术参数 成型空间： 300 300 250mm； 激光头最大运行速度： 80mm/s； 激光头定位精度： ； 上拖板、激光聚焦系统以及直线导轨轴等的总重量：约 15kg； 最大成型件重量：约为 15kg； 固化深度 /托盘的层间下降距离：。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 9 2 机械结构的设计方案 本论文采用分块设计的思路，把立体激光固化造型机的机械结构分为 X— Y 扫描系统， Z 方向工作台升降系统，刮刀机构等三部分进行设计计算。 XY向扫描运动机构的设计 图 cps250 成型机的 XY 扫描系统 如上图 所示，为西安交通大学开发的 cps250 成型机 XY 扫描系统，其扫描范围为 250mm 250mm，运动方式采用步进电机驱动高精密同步带的方式，当行程较短时，其传动较为平稳，传动件质量比较小，运动特性好。 当行程较长时容易发生同步带抖动，使传动不平稳，影响成型精度。 而且由于工作环境影响，同步带寿命较低，同时长时间工作后同步带的传动精度下降，不利于产品的推广使用。 本论文设计的机械系统的 XY 扫描范围为 300mm 300mm,行程相对较长，若采用步进电机驱动高精密同步带的传动方式，运行不稳定 ，对扫描的精度不利。 故本设计对其传动系统进行改进，采用步进电机驱动滚珠丝杠的传动方式，如此，在工作行程较长的情况下，其运动稳定，不易受工作环境影响，能够长时间使用，同时采用闭环控制，传动精度较高。 放弃传统 的旋转电机加滚珠丝杠的 传动 方式 ，采用步进电机直接通过联轴器连接滚珠丝杠，中间没有其他部件，降低传动精度的损失，使之更适合批量生产，能够促进机器的推广。 XY 方向扫描进给系统的总体方案设计考虑以下几点： 工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。 考虑到对激光固化 成型机机械系统的运动精度要求较高，应保证一定加工性能，因此进给伺服统采用步进电机闭环控制系统，利用反馈控制运动精度。 纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的步进电动机、波纹管、丝杠螺母副组成。 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。 为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。 本论文设计的成型机的扫描系统采用高精度的 XY 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 XY平面运动，扫描范围为 300 300mm，重复定位精度。 扫描系统结构由计算机、 XY 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。 与西安交通大学推出的 cps250 成型机相比，本设计的传动方式放弃了传统的旋转电机加滚珠丝杠的方式，而改用在实现直线运动下，各方面性能都更有优势的直线步进电机。 直线步进电机具有简单的机械结 构，最小的运动部件速度范围宽，从微米 /秒到超过 10m/s ，加速度高，推力最大可达负载的 20G 比率，运动平滑，无需维护的电机，没有任何内部的运动部件。 可以使整机的结构简单，精度提高。 Z轴升降系统设计 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。 Z 方向扫描进给系统的总体方案设计应考虑因素 : 工作台应具有沿纵向往复运动 、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 11 2.、考虑到对激光固化成型机机械系统的运动精度要求较高，应保证一定加工性能，因此进给伺服统采用步进电机闭环控制系统，利用反馈控制运动精度。 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。 为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。 本论文设计的 Z 轴升降系统采用步进电机驱动，精密滚珠丝杠传动及精密导轨导向的结构。 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。 制造零件时，托板经常作下降、提升运动，为了减少运动时对液面的搅动，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，本设计中取孔距 5mm，孔径 3mm。 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 2mm 不锈钢板做成中空行管结构的形状。 Z轴升降系统如图 所示： 图 Z 轴升降系统 刮刀系统的设计 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。 与西安交通大学推出的 cps250 成型机相比，本设计 在机械结构方面，可以将刮板设计成模块化结构，如同车床的刀具，可以根据不同的树脂很方便地更换刮板，有利于提高成型精度。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 13 3 机械结构的设计计 算 脉冲当量、传动比及步进电机步进角的确定 脉冲当量即 p 系统分辨率。 本设计中， mmp 3101 。 当 i =1 时，可使步进电机直接与丝杠联接，有利于简化结构，提高精度。 因此本设计中传动比取 i =1。