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1、中文题目：基于LOM技术的快速原型机的机械设计外文题目：THE DESIGN OF RAPID PROTOTYING MACHINE BASED ON LOM毕业设计（论文）共 57页（其中：外文文献及译文 25 页）图纸共 5 张完成日期2009年 6月 答辩日期2009年 6月摘要快速成型(Rap id Prototyping,RP)技术是20世纪80年代后期发展起来的先进制造技术之一。它涉及CAD/CAM技术、数据处理技术、材料技术、CNC技术、测试传感器技术、激光技术和计算机软件技术等,是各种高技术的综合应用。快速成型技术能快速地将任意复杂形状的产品零件的计算机辅助设计模型(CAD模型
2、)转换为物理模型、零件原形甚至零件,无需采用专用工具和工装;能自动、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,从而可以直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货以及企业的决策等,从而大大提高了新产品开发的一次成功率,缩短了产品研制周期。目前,比较成熟的快速成型工艺方法已达十余种,得到广泛应用的主要有如下几种:光固化成型技术(SLA)、分层实体制造技术(LOM)、激光选区烧结技术(SLS)、熔融沉积技术(FDM)等快速成型技术。其中,由于LOM技术的制造原型精度高,成型件质量高、成本低的特点,特别适合于中、大型制件的快速成型。LOM技术作为一种快速、
3、高效及低成本的RP系统在汽车、航空航天、通信电子领域及日用消费品、制鞋、运动器械等行业得到广泛的应用。关键词：快速成型；流行；成熟；高效AbstractionRapid Prototyping (Rap id Prototyp ing, RP) technology is the late 20th century, 80 developed one of advanced manufacturing technology. It involves the CAD / CAM technology, data processing technology, materials technolog
4、y, CNC technologies to test the sensor technology, laser technology and computer software technology, is a comprehensive application of various high-tech. Rapid Prototyping Technology can quickly arbitrary products of complex shape parts of computer-aided design model (CAD model) into a physical mod
5、el, prototype parts or even spare parts, without the use of special tools and equipment; can automatically direct, rapid and accurate manner design idea into a prototype of a certain function or directly manufacture parts, and thus new products can be directly used for design verification, functiona
6、l verification, the appearance of verification, engineering analysis, market orders, as well as corporate decision-making, thereby greatly improving the development of new products in a success rate and shorten the product development cycle. At present, the more mature methods of rapid prototyping t
7、echnology has reached more than ten species have been widely used mainly in the following categories: light-cured Prototyping (SLA), laminated object manufacturing (LOM), selective laser sintering (SLS), Fused Deposition technology (FDM) rapid prototyping technology and so on. Which, as the LOM tech
8、nology to create a prototype high-precision molding pieces of high quality, low cost, especially suitable for medium and large parts of the rapid prototyping. LOM technology as a fast, efficient and low-cost RP systems in the automotive, aerospace, communications and electronics goods, footwear, spo
9、rts equipment, such as a wide range of industry applications.Keywords: rapid prototyping; popular; mature and efficient目录前言11 概论21.1 快速原型的发展21.2 现行快速成型的几种方式21.3 研究的应用价值和意义32 LOM技术的比较优势及其应用前景62.1 LOM技术的基本原理62.2 目前LOM技术在推广应用方面的比较优势62.2.1 LOM技术在成形空间大小方面的优势72.2.2 LOM技术在原材料成本方面的优势72.2.3 LOM技术在成形工艺加工效率方面的
10、优势82.3 LOM技术的应用概况83 快速成型机结构设计93.1 LOM快速成型机工作原理简介93.2 LOM快速成型机结构93.3 LOM零件的选取103.3.1 激光器及冷却系统103.3.2 光路系统的设计103.3.3 螺旋传动的选择123.3.4 同步带传动的选择123.3.5 激光头传动关系的选择133.3.6 铺纸电机的选择133.3.7 进给丝杠的选择143.3.8 X Y向导轨与导轨电机的选择164 LOM快速成型的控制系统185 LOM快速成型件精度的影响因素及改进措施205.1 提高精度的必要性205.2 影响LOM型快速成型件精度的因素205.2.1 模型前处理造成的
11、误差205.2.2 成型过程中的误差215.2.3 后处理过程中产生的误差215.3 提高LOM型制件进度的措施226 LOM系统测试236.1 LOM制件热变形测试的必要性236.2 LOM制件热变形分析236.3 热熔胶的粘结力236.3.1 测试方法236.3.2 影响因素246.4 废料的剥离性能246.4.1 定义及影响因素246.4.2 废料剥离性能的测试试样及方法257 外形及其辅助装置268 经济可行性分析289 结论30致谢31参考文献32附录A 译文33附录B 外文文献43前言 快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期发展起来的一项高新制造
12、技术，按照其材料及工艺特点主要分为LOM(Laminated Object Manufacturing，又称分层实体制造) 工艺、SLA(Stereolithography Apparatus，又称立体光刻) 工艺、SLS(Selective Laser Sintering，又称选择性烧结) 工艺、FDM(Fused Depostion Modeling，又称熔融沉积制造) 工艺等几大类，在汽车、摩托车、家电、航空、医疗等行业获得了广泛的应用。 但是目前各种快速成型技术的应用都还存在一定的局限性，主要表现在直接制作的快速原型件与实际零件相比在材质、性能等方面还存在较大差异，往往不能用来进行装机
13、实测各种与强度、性能有关的数据。在产品覆盖件制作方面，LOM技术制作的纸质原型件虽然硬度很高但容易分层开裂，SLA工艺制作的光敏树脂原型件脆性较大，SLS工艺直接烧结塑料粉末制作的原型件性能较好但目前成本较高，FDM工艺在原型件的制作成本、支撑等方面也还不尽如人意。另外，试制件在一定数量上的要求往往也难以满足。快速成型技术在模具方面的应用导致了快速模具技术（Rapid Tooling，简称RT）的出现，并由快速成型技术的一个应用方向迅速发展成为一项相对独立的新兴技术。 1 概论1.1 快速原型的发展科学技术的快速发展不仅促进了经济的繁荣和社会的进步，而且丰富和发展了各学科。一方面不同的科学技术
14、之间的交叉和融合迅速产生技术的聚集，例如智能技术、传感技术、信息技术与机械科学的交叉正在产生智能结构科学；激光技术、材料技术、计算机辅助设计和制造集成了快速原型技术。另一方面，经济的发展和技术的进步又对科学技术提出了新的期望，譬如人们期望由微型机器人进入人体血管进行医疗作业；期望出现微型耳窝，植入聋耳内产生听力。这种聚集和期望可称之为学科前沿。学科前沿也可理解为已解决和未解决的科学之间的界域。机械工程学科的新领域几乎都是交叉学科，各项先进制造技术都是各种学科集成，他们的产生和发展离不开相关学科的发展，在此前提下，解决好技术集成的“接口”就成为各项先进制造技术的研究内容。“接口”问题就是学科前沿
15、的界域问题。HRP将激光技术、新材料技术、CAD/CAM集成起来，解决了激光对新材料的作用，CAD模型的切片处理以及满足“离散/堆积”成型工艺要求的包括数控技术、精密机械和光电子技术在内的一系列“接口”问题，从而形成一项先进的制造技术。反过来它的发展又丰富了相关技术的研究内容，从而促进了相关技术的发展。面向市场的集成技术工程化要求是多品种、变批量和市场响应，一次要求系统具有快速开发新产品的能力，而传统的产品开发方法费用高、周期长，企业必须采用新的产品开发手段才能在激烈的市场竞争中立于不败之地，在这种历史背景下，HRP也就应运而生。简而之，快速成型技术具有鲜明的时代特征。它于80年代后期兴起，起
16、源于美国，很快发展到日本，西欧和中国，是制造技术领域的一次重大突破，属于局部制造理论研究成果。1.2 现行快速成型的几种方式CNC(Computerized Numerical Control)数控设备加工原型是通过对三维数据进行编程、拆分，通过加工ABS/PMMA/尼龙等材料，直接生产所需的产品，特别是对大件产品的制作，可直接实现功能特点，适应范围广。1) SLA(Stereo Lithography Apparatus)激光固化光敏树脂是将激光聚集到液态光固化材料（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，而后升降移动一个层面厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，
17、再建造一个层面，由此层层迭加成为一个三维实体。该技术生产的产品精度高，可加工任意复杂的产品，但受到材料的性能能和成本的限制，该技术尤其适合制造精细、复杂的产品。2) SLS（Selective Laser Sintering）俗称粉末烧结，制作时，粉末被预热到稍低于其熔点温度，然后控制激光束来加热粉末，使其达到烧结温度，从而使之固化并于上一层粘结到一起。该技术对于金属件产品的开发具有很强的优势，可直接通过石蜡铸造得到复杂金属产品。3) FDM(Fused Deposition Modeling)熔融沉积成型是指将热熔性材料（ABS/尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二层
18、面用同样的方法建造出来，并于前一层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。该技术非常适合小型功能原型零件的制造。4) LOM（Laminated Object Manufacturing）叠层实体制造是采用激光会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状物。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层面并将其与先前的层面粘结在一起，这样层层迭加后得到下一个块状物，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快速原型（RP）技术以其在较短时间内，直接由CAD三维数据模型加工出三维实体原型，大大缩短新产品的设计周期，提高超频质量，降低
19、投资成本，增强产品的市场响应能力和竞争能力等，越来越受到人们的关注，并得到越来越广泛的应用。为了使这项新兴技术在我国广大加工企业、科研院所推广应用，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学、北京隆源公司等，于90年代初期便致力于RP技术的研究开发，以及系统、材料的固化、工程化工作。经过数年的努力，已有长足的进展，国产化的RP系统已逐渐进入国内市场。其中，薄材叠层HRP系统以其优良的性能价格比备受用户的亲昧，并已初具国际竞争力。近几年，在两次快速原型系统国际招标采购竞争中中标。1.3 研究的应用价值和意义快速原型制造技术作为一项极具生命力的新型先进制造技术，在新产品开发、单件或小批
20、量产品制作等领域已显示出突出的优势，近年在技术水平和应用领域等方面均得到了迅速的发展。展望该技术的进一步走向，其发展目标应为实现各类产品或零部件的快速、低成本、直接成型。为此，进一步的研究课题可有如下几个方面:1) 产品信息采集与处理方面在CAD三维构型功能上，以现有三维CAD模型构建技术为基础，进一步应将原型的三维造型构建与原型材料的成分、组织、性能分析相结合，形成原型的几何造型与物理性态的构建、分析为一体的CAD综合构型模块。在三维CAD模型构建的思路上，除源自设计人员的构思外，同时融入反求技术，能对已有产品的构型、材料等信息进行快速、准确地采掘，为国内外新产品的剖析与改进，拓展本企业的新
21、产品开发思路提供参考。在三维构型数据的离散化处理上，建立更加科学、兼容性与交换性好的国际化的标准数据格式，探索更有效的三维原型数据离散模式。 2) 原型材料方面原型材料是决定快速原型制造技术发展的基本要素之一。目前应用较多的原型材料及其形态有液态树脂类、金属或陶瓷粉末类、纸塑或金属薄层类等，存在材料成本高、成型过程工艺要求高、制成原型的表面质量与内在性能还欠理想等不足。进一步的研究课题包括成本与成型性能更好的新材料开发、可以直接制造最终产品或部件的新材料开发、适宜快速原型制造技术的新的材料形态研究、特定形态原型材料的低成本制备技术、造型材料新的成型工艺探索等。 3) 原型制造采用的能源方面快速
22、原型制造过程是材料、能源、精细运动控制的有机结合。当前主要的快速原型制造技术所采用的能源有光能(立体印刷成型、选域激光烧结、掩膜光刻等)、热能(熔融沉积造型、焊接成型技术等)、化学能(三维喷涂粘结等)、机械能(数控加工等)。在能源密度、能源控制的精细性(包括能源本身的精细性，如激光光斑的大小;能源运动控制机构的精度等)、原型加工质量等方面均需进一步提高。 4) 新的原型制造思想研究方面当前的快速原型制造技术基本为材料添加的思路，按原型的三维构型，逐层叠加，制作出原型。另外一种更理想的原型制造思路为生物生长型制造，即借鉴生物生长的原理与方法，通过基因型生长信息控制机制，控制生长元自行形成具有特定
23、构型与性能的实体，把信息过程和物理过程有机结合，实现以全息生长元为基础的智能材料自生生长，建立智能制造的新模式。 5) 经济、高效的快速原型制造系统研究方面经济性是该技术普及的关键，高效是该制造模式与传统模式相竞争的基础。现有的快速原型制造系统在这两方面还有一定不足，尤其是经济性方面，一套中等档次的快速原型制造系统目前市场价约在100万元(人民币)左右，这对大量急需先进新产品开发装备的中小企业还难以承受。在确保功能的前提下，通过材料、能源、运动机构、制造模式的创新，推出适用、实用的低成本系统，是国内快速原型制造系统研究的主要课题之一。6) 拓展快速原型制造技术的应用领域方面当前该技术主要是应用
24、于新产品的开发方面，目的是缩短开发周期，探询用户与市场反应。进一步可通过生物医学领域的计算机辅助断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、三维B超等反求技术手段的有机融入，实现对现有产品的快速仿制、剖析、改进。此外，通过开发新的原型材料与成型工艺，最终实现产品及零部件直接、快速、经济地制造等。2 LOM技术的比较优势及其应用前景快速成形技术(英文缩写RPT)20世纪80年代后期出现的一项新型现代制造技术。它将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，是先进制造技术的重要组成部分。近年来，快速成形技术发展十分迅猛，从工艺
25、和设备角度来看，已开发出的新型工艺方法多达十几种，并已在家电、汽车、玩具、轻工、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、电影制作、工业造型、雕刻、首饰、三维地图等行业得到越来越多的应用。通过比较分层实体制造(LOM)技术与其它技术选择性激光烧结(S SLS)、熔化沉积制造(FDM)、立体平板印刷(SLA)在原材料成本、可适应的工件尺寸及成形效率等方面的比较优势，展现LOM技术的广泛应用前景。2.1 LOM技术的基本原理快速成形技术从成形工艺角度来看，是采用离散堆积的工艺原理; 最小成形单位可以是点、线或面，显然最小成形单位越大，成形效率越高(最小成形单位太大会使成形精度降低)。LOM技术是美国
26、Helisys 公司于1991年研制成功的一种快速原型制造技术，采用的最小成形单位就是面。LOM法制造制件(或样品)分以下2步。1) 叠加生成制成块。其基本成形原理是根据计算机上构成的产品三维设计模型分层切片，将废料部分切割成网格，激光束据此切割背面带粘胶的纸，依次叠加形成LOM制成块(成形过程中，所需的制件被废料包围)2) 脱模过程。先将制成块从系统中取出，然后把周边架子移去会现出成正方体的多余物料，很容易便能分离正方体余料和本身模型，去除余料可得到LOM制件。2.2 目前LOM技术在推广应用方面的比较优势 表2-1汇集了LOM技术与SLA、SLS和FDM技术在设备、原材料、成形机理、主要特
27、点及其工艺区别等各方面的对比;通过进一步深入的分析对比可以总结出LOM技术的比较优势。表2-1 LOM技术的比较优势Table 2-1 Advantage of LOM with otherSLAFDMSLSLOM成形头激光或紫外光喷头激光激光加工工艺立体平板印刷熔化沉积制造选择性分层实体制造原材料类型光敏树脂，光敏树脂+陶瓷石蜡热塑性塑料、金属(陶瓷)石蜡，酚醛树脂塑料、金属等粉末状物质专用纸、塑胶、金属带、陶瓷带或复合材料材料形态液态或液态+粉末熔融态(线材)(小颗粒) 固体粉末(易切割的) 薄片材料成品原型产品原型多为单件生产产品原型多为单件生产产品原型多为单件生产产品原型多为单件生产成
28、形机理一层层液体固化一层层喷射固化一层层烧结一层层粘接反应形式光聚合反应冷却固化烧结冷却粘接作用主要特点及性能设备昂贵，原材料贵，加工成本高、激光器寿命短维护费用高，适合用于小件、精密件的制造自动加支撑，操作难度小，但制造速度慢; 制造硬度高，但韧性稍差，不致密有空隙; 精度中等制件强度好，韧性好，即可做样件，也可做蜡模，制造价格适中，运行成本低;精度中等适用于制造大型实心样件，直接成形铸造木模，效率高突出优点分辨率高、精度高、表面质量好原材料适用性好、成本较低原材料应用范围广加工速度快，成本低2.2.1 LOM技术在成形空间大小方面的优势各种类型的快速成形系统“加工”的工件最大尺寸都不能超过
29、成形空间的最大范围。由于LOM系统使用的纸基原材料有较好的粘接性能和相应的力学性能，可将超过RP设备限制范围的大工件优化分块，使每个分块制件的尺寸均保持在RP设备的成形空间之内，分别制造每个分块，然后把它们粘接在一起，合成所需大小的工件即LOM技术适合制造较大的工件。2.2.2 LOM技术在原材料成本方面的优势每种类型的系统都对其成形材料有特殊的要求，比如:LOM要求易切割的片材，SLS要求颗粒较小的粉材，SLA技术要求可光固化的液体材料，FDM要求可熔融的线材。这些成形原材料不仅在种类和性能上有差异，而且在价格上也有较大的不同。常用快速成形系统在原材料成本方面:FDM和SLA的材料价格较昂贵
30、，SLS的材料价格适中，LOM的材料价格最便宜。2.2.3 LOM技术在成形工艺加工效率方面的优势根据离散堆积的工艺原理，最小成形单位越大，成形效率越高。而最小成形单位可以是点、线或面，其大小直接影响快速成形的加工效率2.3 LOM技术的应用概况近年来随着快速成形技术的飞速发展，LOM技术的推广应用也越来越广泛，大致可以归纳为8个方面。表2-2 LOM技术的特点Table 2-2 Features of LOM应用特点直接熔模铸造因LOM模型不会膨胀，所以不会把陶瓷外壳弄裂，特别适合用于熔模铸造过程中。非直接熔模铸造LOM模型可作低价硬模具，用来制造小至中量蜡版给熔模铸造过程使用。硅胶模具因L
31、OM模型不会有相位改变和抵抗收缩，所以特别适合于制造精密硅胶模具。与传统的母模制造方式相比具有制造柔性大、效率高、质量好、成本低的显著优势，故符合当今多品种、小批量且快速响应市场的制造业需要，为液体硅橡胶真空注型制模技术注入了新的活力。喷涂金属模塑LOM模型的准确和稳定性，可用来制造喷涂金属模作注塑模具。真空吸塑LOM模型的持久和刚性，可承受高温和高压，特别适合用作真空吸塑用途。模具制造LOM可直接制造各种模具，纸模腔只须涂上脱模剂并注满原料后，便可制造出Polyure thane，epoxy或Wax等样版。坚固的复合材料，更可承受高压及高温，适合用来直接制造塑胶注塑模具。砂型铸造因LOM过程
32、只须经过每一横截面的周边，加上便宜的LOM原料，所以特别适合制造庞大的实心固体模型来应用于砂型铸造中。石膏铸造LOM模型的尺寸稳定且精密度高，所以特别适合用于石膏铸造中，而纸原料性质与木制原料很近似，因此可运用传统木工打磨方法来得到极光滑的铸造表面。由此可见，LOM技术的基本原理虽简单，但制造过程涉及到计算机造型、激光应用、精密机械转动、控制和材料等众多领域的相关技术，所以，LOM技术本身不仅可以在显著缩短新产品开发的周期，加快产品升级换代，改良产品设计，提高产品质量，降低生产成本，提升产品的竞争力，更好地满足客户不断变化的需求等方面发挥其比较优势。加强推广和进一步拓展LOM技术的应用领域，对
33、促进相关技术的快速发展同样具有非常重要的意义。3 快速成型机结构设计3.1 LOM快速成型机工作原理简介分层实体制造采用专用滚筒纸，由加热辊筒使纸张加热联接，然后用激光将纸切断，待加热辊筒自动离开后，再由计算机控制的激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对纸进行切割，逐步得到各个轮廓，激光将纸张裁切成层面要求形状，并将其粘结形成快速原型。分层实体制造的工作原理1) 加热辊筒对单面覆胶纸加热研磨以便与下层粘连，之后加热辊筒自动离开；2) 激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对纸进行切割，得到截面轮廓；3) 成型件外部的纸部分切割成交叉格以便成型后去除这些废料；4) 切纸完毕后，工作台下移，新的纸张再被
34、滚到工作平面上；5) 一旦新的纸张到位，平台就复位到之前位置下的一个层高位置；6) 重复之前的工作，直到整个模型成型。分层实体制造的特点：1) 使用胶纸作为成型材料；2) 低成本：原材料易于获得；3) 大尺寸：由于无须进行化学反应，所以成型件尺寸可以制得很大；4) Z向精度比SLA和SLS要低；5) 纸张上有交叉格，便于成型后去除模型周边的废料；6) 成型后的模型需密封保存以免吸潮；7) 模型有类木纹的纹理3.2 LOM快速成型机结构LOM快速原型机结构如图所示，由机床框架、滚筒、工作台、激光头丝杠、加热滚筒、齿形皮带、激光头、工作台上下运动丝杠、加热滚筒传动皮带、X-Y轴伺服电机等组成。1-
35、计算机；2-激光器；3-热粘压机构；4-工作台；5-纸图3-1 LOM快速成型机结构原理图Figure 3-1 formation organization schematic diagram3.3 LOM零件的选取3.3.1 激光器及冷却系统激光器由二氧化碳激光管，激光电源，控制器及外光路组成，它能提供加工所需能量。冷却装置由可调恒温水冷却器及外管路组成，用于冷却激光器，以提高激光能量稳定性。在本系统中采用二氧化碳连续激光器，30W，波长为10.6m。激光的强度可通过输入电压来调节，从而能调节激光器的输出功率。激光采用高压直流电源。在工作过程中，激光需要频繁地开关，由于扫描速度很高，因此开关
36、速度影响到扫描精度。为保证0.01mm的扫描精度，要求开关动作时间小于0.02ms。在激光电源输出端采用高频电子开关，其响应频率为50KHz，能实现0.02ms的开关动作要求。3.3.2 光路系统的设计叠层实体制造是采用激光会刀具对箔材进行切割。激光束的精密控制是成型的关键。叠层实体制造机的光路系统如图所示：图3-2 光路系统Figure 3-2 the system of rays光路系统的主要组成部件有：激光器、反射镜、扩束聚焦系统、扫描器、光束合成器、指示光源。激光器激光器系统采用美国Synard公司生产的48-5型CO2激光器，最大输出功率为50W。该激光器是全金属射频激励型机构，其特
37、点是结构紧凑，输出稳定，可靠性高，易于控制。激光的控制分为输出功率的大小的控制和开关的控制，控制信号为5kHz的TTL电平方波。将控制信号与一门控信号相与后加在激光器上，通过门信号控制激光的开关。当门控信号为1时，有激光输出，平均功率由控制信号的占空比决定。当门控信号为0时，无激光输出。激光器在工作过程中有很大一部分能量变成热能，因而要通过通水冷却，水温在18-25摄氏度。激光器的冷却水由一台循环水制冷机提供。反射镜反射镜为20mm的镀金反射镜，它的作用是将激光导入扩束聚焦系统。反射镜架上装有2个调整螺钉，调整反射镜的水平角和俯仰角，是光束恰好位于扫描器反射镜的中央。扩束聚焦系统为了能得到较小
38、聚焦光斑，让光束先扩束，在聚焦。这样能是光斑更细。扩束聚焦系统由扩束镜、聚焦镜1和聚焦镜2及镜筒组成。这三片镜子装在一个同心性很好的镜筒上，适当的调整三者之间的相对位置，可使光束较好聚焦在加工表面。扫描器扫描器由三个相互垂直的反射镜反射镜组成。每个反射镜有一个振动电机驱动，激光束先入射到X镜，从X镜反射到Y镜，再由Y镜反射到加工表面，电机驱动反射镜的振动，同时激光束在有效的视场内扫描。X镜和Y镜分别驱使光点在X方向和Y方向扫描，扫描角度通过微机接口进行数控，这样可使光点精密定位在视场内任意位置。扫描振镜的全扫描角(光学角)为40，视场的线性范围要由扫描半径确定，光点的定位精度可达到全视场的1/
39、65535。指示光源由于加工用的激光束是不可见光，这样不便于调试和操作。用一个可见光束与激光束合成在一起，可在调试时清晰看见激光光路，便于各光学元件的定心和调整。光束合成器光束合成器通过特殊的镀膜技术，具有对激光束高透，对指示光高反射的特性，因而可将两束光合成为一束，从此以后，在光路中有两束光在同一条路径上传输，指示光的位置指示着激光束的位置。3.3.3 螺旋传动的选择螺旋按螺纹摩擦状态可分为：活动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋三类。我们用了螺旋曲线来模拟丝杠，将带有螺旋曲线的丝杠用销钉连接在机械框架上，再将工作台用滑动杆的运动副连接在丝杠上，电动机的转动带动丝杠的转动，从而使工作台沿螺旋曲线上下运
40、动。3.3.4 同步带传动的选择同步带亦称为同步齿形带传动，它由梯形同步带与由齿带轮组成，有时也附加了张紧轮。它是带传动的改进和发展，从摩擦传动改为啮合传动，避免了打滑，常用做较精密的传动。该传动具有的特点：1）传动较精密2）预张紧力小，轮轴及轴承上所承受的符合亦相对减少3）同步带可用符合材料制作4）传动轮中心距要求较严、安装精度要求较高5）同步带为预制件，已趋于标准化，由专业厂生产同步带所传递的线速度可达40m/s。在运动仿真时，我们用同样工作原理的齿轮副运动关系代替，从而简化了机械结构的复杂程度，有利于在仿真分析时得到比较准确的、理想的结果。3.3.5 激光头传动关系的选择激光头有沿着工作
41、台导轨的运动，这个运动也时依靠丝杠的螺旋运动来传递动力的。此外，激光头还有垂直于导轨方向的运动，同理，我们也用了丝杠来传动运动关系。这样可以得到十分精确的传动关系。另外这种传动容易实现，只要用电动机给丝杠一个旋转运动，很容易就可以将其转化成激光头的直线运动。在垂直的两个方向上就可以实现二维平面的各种运动关系，实现对各种二维截面的激光加工。在加上工作台的上下运动，整体就可以实现三维结构的加工。3.3.6 铺纸电机的选择初选M24141S型号步进电机1) 等效负载转矩的计算满载物料时的负载转矩 (3-1)摩擦系数折算重量导程，传动比滚动丝杆传动效率取摩擦系数，导程，传动比为，滚动丝杆传动效率。代入
42、上式得：2) 初选步进电动机型号根据满载时负载转距，初步选定电动型号为M24141S型号步进电机。该电动机的最大静扭距，转子转动惯量为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为： 空载时起动时间计算（）M24141S步进电动机的最小加、减速度时间为1秒3) 带惯性负载的最大起动频率的计算电动机空载起动频率4) 带惯性负载的最大转速5) 负载时起动时间该电机带惯性负载时能够起动以上计算，选该型号步进电动机，无论是起动性能，还是工作行进给速度都能满足设计要求。因此对烧结缸的电机和带动铺粉滚轮的电机计算方法同理。M24141S都能满足二种要求。3.3.7 进给丝杠的选择滚珠丝杠主要分为定位
43、用（P型）和传动用（T型）两种。进行Z轴的物料进给，要求很高的精度，因此，需要定位型P型。P型能够实现精确定位而且根据旋转角度和导程间接测量轴向行程，丝杠副是无间隙的。1) 当量载荷计算由于载荷在与之间量周期性变化时，载荷按下列公式计算： (3-2) (3-3) 2) 额定动载荷计算 (3-4) 式中：精度系数可靠性系数载荷性质系数预期工作距离，km根据机械设计手册，本设计选取精度系数为0.9，可靠系数为0.33，载荷性系数为1.1。带入式2-6得： 当预加载荷最大，即= (3-5) 预加载荷系数，查机械设计手册，选6.7 由于，因此，额定动载荷的预期值为841.45N3) 估算滚珠丝杠底径
44、(3-6) (3-7)式中：支撑方式系数，一端固定另一端自由或游动时为0.078，两端固定或铰支时取0.039.导轨静摩擦力导轨静摩擦因数L滚珠丝杠两轴承支点间距离，常取1.1行程+（1014）滚珠允许最大的轴向变形，将数值代入式3-6,3-7得：根据机械设计手册确定滚珠螺母为内循环式，再根据导程、额定动载荷计算、滚珠丝杠底径在机械设计手册中选择规格代号为16053，其丝杠底径为12.9mm，螺母长度83mm，动载荷为7.4kN，静载荷为16.7kN，刚度400。都满足设计要求。3.3.8 X Y向导轨与导轨电机的选择该实验装置X方向的运动精度达到0.018mm，Y方向的运动精度达到0.019
45、mm反向间隙基本消除，满足分形扫描路径的要求。系统中用步进电动机驱动工作平台的运动，步进电动机的步距角为0.9，电动机到转动轴的传动比i为0.5，钢丝绳的直径为d=2mm，驱动轴的直径D=9.39mm，丝杠螺纹导程为4mm，根据以上参数，可以计算出工作台X向和Y向的脉冲当量P为: (3-8)根据物料进给电机及铺纸滚轮电机的计算方法及其公式，计算得出选用55BF009二相四拍步进电动机，其步距角为0.9该电动机的最大静扭距=3.9N.M，转子转动惯量，能够完全满足其强度要求。钢丝绳的选用直径为2mm。这个脉冲当量小于机床要求所能达到的精度0.025mm，因此符合设计要求。4 LOM快速成型的控制系统叠层实体制造机的控制系统式一个由计算机中的开环系统。其基本过程是计算机先控制铺纸机构，将箔材均匀的铺在烧结面上，然后控制激光器和扫描器，是激光束在切割面上扫描，然后，烧结面下降一端微小的距离，完成一次烧结过程。不断重复上述过程完成逐层叠加，最终形成三维立体结构。控制系统总体机构如图2所示，这是主从式结构。图4-1 控制系统机构图Figure 4-1 control system orga