【機(jī)械畢業(yè)設(shè)計】快速成型機(jī)設(shè)計【含全套CAD圖紙和WORD說明書】

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1、摘 要自 20 世紀(jì) 80 年代中期以來，快速成型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用越來越廣 泛和深入，光固化成型機(jī)的需求也越來越大。由此，本論文針對 cps250 型激光 快速成型機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，包括：1、X-Y 掃描機(jī)構(gòu)；2、Z 軸升降機(jī)構(gòu)； 3、刮刀機(jī)構(gòu)，并且對其中的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。X-Y 方向的平面掃描運(yùn)動和 刮刀的水平運(yùn)動由原來的精密同步帶傳動改成精密滾珠絲杠傳動，使其在行程 較長時不出現(xiàn)抖動，有利于保證掃描精度，運(yùn)動穩(wěn)定。采用直線步進(jìn)電機(jī)直接 連接滾珠絲杠，響應(yīng)更加快速準(zhǔn)確，同時因無中間部件，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單化， 精度較高。 通過對立體激光快速成型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使得其運(yùn)動和傳動更加合理

2、 和平穩(wěn)，進(jìn)而使其在生產(chǎn)過程中能夠更好的進(jìn)行生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：快速成型機(jī)；掃描機(jī)構(gòu)；快速成型；傳動；結(jié)構(gòu)設(shè)計IABSTRACTThis article specifically for three-dimensional modeling of light-cured structural design of mechanical systems. X-Y scanning normally used to screw drive. Through the motor rotation, with another even reached the screw shaft, through to

3、the X and Y to the two motors of rotation to achieve XY to scan; Z to the table, also by the screw and a rail. Z to the table by the extension units, columns, screw composition, its transmission is through the same motor rotation axis is to pass even reached the screw by screw to achieve the rotatio

4、n of the table move up or down. Through the three-dimensional modeling of light-cured in the design and mechanical systems, making their campaigns and drive more reasonable and stable, then in the production process so that it can better carry out production.Key word: SLA；Scanning agencies ；Rapid Pr

5、ototyping；Transmission；Structure design目 錄摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 緒 論 .11.1 快速原型技術(shù)簡介 .11.1.1 RPM 的基本構(gòu)思 .11.1.2 幾種典型的快速成型技術(shù) .21.1.3 各種成型方法簡介及對比 .31.2 快速成型精度概述 .31.3 快速成型機(jī) SLA 技術(shù)原理 .51.4 快速成型機(jī) SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平 .61.5 快速成型機(jī) SLA 應(yīng)用領(lǐng)域 .61.6 本次設(shè)計的主要工作 .71.6.1 主要設(shè)計工作 .71.6.2 設(shè)計參數(shù) .71.6.3 設(shè)計思路及主要問題 .7第 2 章 XY 方向

6、設(shè)計計算 .92.1 設(shè)計任務(wù) .92.1.1 設(shè)計參數(shù) .92.1.2 方案的分析、比較、論證 .92.2 脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 .102.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 .102.2.2 傳動比的確定 .102.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 .102.3 絲杠的選型及計算 .112.3.1 計算絲杠受力 .112.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 .112.4 導(dǎo)軌的選型及計算 .152.4.1 初選導(dǎo)軌型號 .152.4.2 計算滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命 .16L2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .162.5.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 .172.5.2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 .182.6 本章小結(jié) .2

7、1第 3 章 Z 方向設(shè)計計算 .223.1 Z 方向工作臺設(shè)計 .223.1.1 設(shè)計任務(wù) .223.1.2 設(shè)計參數(shù) .223.1.3 方案的分析、比較、論證 .223.2 脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 .233.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 .233.2.2 傳動比的確定 .233.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 .233.3 絲杠的選型及計算 .243.3.1 計算絲杠受力 .243.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 .243.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .283.4.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 .283.4.2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 .293.5 本章小結(jié) .31第 4 章 刮刀系統(tǒng)設(shè)計 .324.1 刮板

8、的選擇 .324.2 刮板的材料和移動速度對涂層質(zhì)量的影響 .334.3 本章小結(jié) .34第 5 章 PLC 控制系統(tǒng) .355.1 步進(jìn)電機(jī)的簡介 .355.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性 .355.3 PLC 簡單介紹 .355.3.1 為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能 .355.3.2 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信 .355.3.3 其它功能 .365.4 控制原則 .365.5 控制方法 .365.5.1 行程控制 .365.5.2 進(jìn)給速度控制 .375.5.3 進(jìn)給方向控制 .375.6 本章小結(jié) .37結(jié) 論 .38參考文獻(xiàn) .39致 謝 .410第 1 章 緒 論本文主要針對快速成型機(jī)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

9、設(shè)計。按照國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)，機(jī)械傳動部分參照了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊 。在設(shè)計過程中，力求使快速成型機(jī)的傳動及零部件結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動穩(wěn)定、而且成本低廉、質(zhì)量 可靠、可批量生產(chǎn)，并且促進(jìn)快速成型機(jī)的普及與發(fā)展，同時為國內(nèi)同 類機(jī)器的設(shè)計提供一定的參考。1.1 快速原型技術(shù)簡介快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡稱 RPM ,是先進(jìn)制造技術(shù)的重要分支.它是 80 年代后期起源于美國 ,后很快發(fā)展到歐洲和日本 ,可以說是近 20 年來制造技術(shù)最重大進(jìn)展之一.它建立在 CAD/ CAM 技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測技術(shù)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)之上 ,將

10、計算機(jī)輔助設(shè)計 CAD 與各種自由造型(Free Form Manufacturing)技術(shù)直接結(jié)合起來 ,能以最快的速度將設(shè)計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,從而使產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)可能進(jìn)行快速評價、測試、改進(jìn) ,以完成設(shè)計制造過程 ,適應(yīng)市場需求.1.1.1 RPM 的基本構(gòu)思任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標(biāo)方向迭加而成 ,因此可利用分層切片軟件 ,將計算機(jī)產(chǎn)生的 CAD 三維實體模型處理成一系列薄截面層 ,并根據(jù)各截面層形成的二維數(shù)據(jù) ,用粘貼、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段 ,逐層有選擇地固化液體( 或粘結(jié)固體) 材料 ,從而快速堆積制作出所要求形狀的零部件

11、 (或模型).傳統(tǒng)的制造方法是基于材料去除(material remove)概念 ,先利用 CAD 技術(shù)作出零件的三維圖形 ,然后對其進(jìn)行數(shù)值分析(有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等) ,再經(jīng)動態(tài)仿真之后 ,通過 CAM 的一個后處理(Post Process)模塊仿真加工過程 ,所有的要求均滿足之后 ,形成 NC 文件在數(shù)控機(jī)床上加工成形.快速原型制造技術(shù) RPM 突破了傳統(tǒng)加工中的金屬成型( 如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工)和切削成形的工藝方法 ,是一種“使材料生長而不是去掉材料的制造過程” ,其制造過程的主要特點(diǎn)是:1、新的加工概念. RPM 是采用材料累加的概念 ,即所謂“讓材料生長而非去除

12、”,因此 ,加工過程無需刀具、模具和工裝夾具 ,且材料利用率極高;2、突破了零件幾何形狀復(fù)雜程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或模型是具有一定功能的三維實體;3、越過了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實現(xiàn)了 CAD/ CAM 的無縫連接;14、RPM 系統(tǒng)是辦公室運(yùn)作環(huán)境 ,真正變成圖形工作站的外設(shè)。由于 RPM 可以快速、自動、精確地將 CAD 模型轉(zhuǎn)化成為具有一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,因此它對于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、控制風(fēng)險、提高企業(yè)參與市場競爭的能力 ,都具有重要的現(xiàn)實意義.1.1.2 幾種典型的快速成型技術(shù)1、立體光固造型

13、 SLAStero Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置 . 2、 疊層實體制造 LOM疊層實體制造 Laminated Object Manufacturing 的成形材料是熱敏感類箔材 (如紙等) ,激光器的作用變是切割.成形開始時 ,激光器先按最底層的 CAD 三維實體模型的切片平面幾何信息數(shù)據(jù) ,對于鋪在工作臺上的箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺下降一層高度 ,重新送入一層(鋪在底層之上)材料 ,并用加熱輥滾壓 ,與底層粘牢 ,激光器按對應(yīng)數(shù)據(jù)作輪廓切割 ,如此反復(fù)直至整個三維零件制作完成.LOM 制作的零件不收縮、不變形 ,精度可達(dá)

14、 0.1mm ,切片厚度 0.050.50mm。3、 選擇性激光燒結(jié) SLS選擇性激光燒結(jié) Selected Laser Sintering 的生產(chǎn)過程與 SLA 類似 ,用 CO2 紅外激光對金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達(dá)到燒結(jié)溫度 ,最后燒結(jié)出由金屬或塑料制成的立體結(jié)構(gòu).4、 融積成型技術(shù) FDM融積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機(jī)的 Quick slice 和 SupportWorks 軟件將 CAD 模型分為一層層極薄的截面 ,生成控制 FDM 噴嘴移動軌跡的幾何信息.運(yùn)作時 ,FDM 加熱頭把熱塑材料 (如聚脂塑

15、料、ABS塑料、蠟等)加工到臨界狀態(tài) ,在微型機(jī)控制下 ,噴嘴沿著 CAD 確定的平面幾何信息數(shù)據(jù)運(yùn)動并同時擠出半流動的材料 ,沉積固化成精確的實際零件薄層 ,通過垂直升降系統(tǒng)降下新形成層并同樣固化之 ,且與已固化層牢固地連接在一起.如此反復(fù) ,由下而上形成一個三維實體.FDM 的制作精度目前可達(dá) 0.127mm ,連續(xù)堆積范圍 0.02540.508mm ,它允許材料以不同的顏色出現(xiàn).5、 其它快速原型制造技術(shù)直接制模鑄造 DSPC (Direct Shell Production Casting)來源于三維印刷(3D Printing)快速成型技術(shù).其加工過程是先把 CAD 設(shè)計好的零件模

16、型裝入模殼設(shè)計裝置 ,利用微型機(jī)繪制澆注模殼 ,產(chǎn)生一個達(dá)到規(guī)定厚度 ,需要配有模芯的模殼組件的電子模型 ,然后將其輸至模殼制造裝置 ,由電子模型制成固體的三維陶瓷模殼.取走模殼處疏松的陶2瓷粉 ,露出完成的模殼 ,采用熔模鑄造的一般方法對模殼最后加工 ,完成整個加工過程.此系統(tǒng)能檢測自己的印刷缺陷 ,不需要圖紙 ,就可完成全部加工.光屏蔽(即 SGCSolid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開發(fā),該工藝可以在同一時間固化整個一層的液體光聚合物. SGC 工藝使用丙烯酸鹽類光聚合物材料 ,其制作精度可達(dá)整體尺寸的 0.1 %,切片厚度約為 0.10.15mm ,

17、Cubital 公司開發(fā)的 Solider5600 型產(chǎn)品制作的最大工作尺寸為 508 508 356mm ,所用紫外光燈功率為 2kW ,每一層循環(huán)約化 90s.MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding) 日本三菱化學(xué)最近推出的三菱化學(xué)快速制模系統(tǒng),可將原型直接轉(zhuǎn)換成模具 ,采用稱作“金屬補(bǔ)強(qiáng)樹脂制模(Metal Resin Moulding)復(fù)合料”,制模成本降低為傳統(tǒng)制模的 1/2 ,制模時間縮短了 1/21/3. 奧斯丁的德克薩斯大學(xué)正在研究的高溫選擇激光燒結(jié)(HTSLS) ,在取消聚合物粘結(jié)劑方面進(jìn)行了嘗試.結(jié)果表明 ,可利用 Cu - Sn 或青

18、銅 鎳粉兩相粉末 ,采用激光局部熔化低熔點(diǎn)粉末來制造模具1.1.3 各種成型方法簡介及對比表 1.1 幾種典型成型工藝的比較成型工藝原型精度表面質(zhì)量復(fù)雜程度零件大小材料價格利用率常用材料制造成本生產(chǎn)效率設(shè)備費(fèi)用SLA 較高 優(yōu) 中等 中小件 較貴 很高 樹脂 較高 高 較貴LOM 較高 較差 簡單 中小件 便宜 較差 塑料 低 高 便宜SLS 較低 中等 復(fù)雜 中小件 較貴 很高 石蠟 較低 中等 較貴HDM 較低 較差 中等 中小件 較貴 很高 金屬 較低 較低 便宜1.2 快速成型精度概述 研究成型機(jī)的成型精度，提高成型精度，對于 RP 技術(shù)的推廣和應(yīng)用有很重要的影響。制件誤差的產(chǎn)生原因見

19、圖 1-1 所示：光固化成型由三個環(huán)節(jié)組成:前處理、快速成型加工和后處理。這三個部分彼此相連，共同完成光固化快速成型過程。每一環(huán)節(jié)中存在的誤差都會影響到最終成型零件的精度。快速成型的精度為機(jī)械精度和制件精度。目前影響快速成型最終精度的主要原因由于下幾個方面:1、CAD 模型的前處理造成的誤差目前，對于絕大多數(shù)快速成型系統(tǒng)而言，必須對工件的三維 CAD 模型進(jìn)行 STL格式化和切片等處理，以便得到一系列的截面輪廓。在對三維 CAD 模型分層切片前，需作實體模型的近似處理，即用三角面片近似逼近處理表面，其輸出的數(shù)據(jù)為 STL3文件格式，這種格式非常簡單，便于后續(xù)的分層處理。STL 格式中每個三角面

20、片只用四個數(shù)據(jù)項表示，即三個頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個法向矢量，而整個 CAD 模型就是這樣一組矢量的集合，STL 公式化用許多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它會導(dǎo)致誤差:A: 從本質(zhì)上看，三角面的組合，不可能完全表達(dá)實際表面，所以，誤差無法避免;B: STL 公式化時，數(shù)據(jù)的沉余量太大，致使所需計算機(jī)的存儲量過大，從而難于選取更小、更多的小三角面，造近似結(jié)果與實際表面有更大的誤差;C: 另外，在進(jìn)行 ST L 格式轉(zhuǎn)換時，有時會產(chǎn)生一些局部缺陷，例如，在表面曲率變化較大的分界處，可能出現(xiàn)據(jù)齒狀小凹坑，從而造成誤差。制件誤差數(shù)據(jù)處理誤差成型過程誤差后處理誤差分成切片產(chǎn)生誤差光斑變化誤差固化成型誤

21、差機(jī)器誤差方向運(yùn)動誤差 ZXY 掃描誤差圖層誤差液位波動引起誤差多光譜造成誤差驅(qū)動器參數(shù)補(bǔ)償誤差樹脂收縮引起工件變型殘留液態(tài)樹脂不均勻收縮引起工件變型CAD 模型面誤差 圖 1.1 制件誤差產(chǎn)生原因2、成型系統(tǒng)的工作誤差CPS250 成型機(jī)成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、X-Y 掃描誤差和樹脂涂層誤差。托板升降誤差指的是托板的運(yùn)動精度，它直接影響層厚的精度;4X-Y 掃描誤差指的是 X-Y 平面掃描系統(tǒng)沿 X, Y 方向的運(yùn)動精度，它影響成型零件的尺寸精度和表面光潔度。3、成型過程中材料狀態(tài)引起的翹曲變形在光固化過程中，樹脂由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，此時單體分子發(fā)生聚合反應(yīng)，分子之間距離改

22、變，相應(yīng)地造成體積收縮。在這個過程中，伴有加熱作用，這些因素會引起制件每層截面的尺寸變化，再加上相鄰層間不規(guī)則約束，以由收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力會造成零件在加工過程中的變形。如加工一懸臂零件 (在懸臂部分不加支撐)，可以很明顯地看到由于樹脂收縮而造成的變形。4、成型之后環(huán)境度化引起的誤差從成型系統(tǒng)上取下已成型的工件之后，由于溫度、濕度等環(huán)境狀況的變化，工件會繼續(xù)蠕變并導(dǎo)致誤差。成型過程中殘留在工件內(nèi)的殘余應(yīng)力也可能由于時效的作用而部分消失而導(dǎo)致誤差。5、工件后處理造成誤差通常，成型后的工件需進(jìn)行打磨、拋光和表面涂鍍等后處理。如果后處理不當(dāng)，對形狀尺寸控制不嚴(yán)格，也可能導(dǎo)致誤差。后處理過程產(chǎn)生的誤差可分

23、為三種:一是支撐去除時對表面質(zhì)量的影響。要求支撐的設(shè)計必須合理，不多不少。另外一種是殘留液態(tài)樹脂的固化引起工件的變形。因此在掃描成型時盡可能使殘留樹脂為零;成型過程中工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的蠕變也是影響精度的因素之一。設(shè)法減小成型過程中的殘余應(yīng)力有利于提高零件的成型精度。1.3 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理Stero Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置。它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（=325nm ）和功率（P=30mW ）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對分子質(zhì)量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)

24、。SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對準(zhǔn)備制造的零件進(jìn)行三維實體造型設(shè)計 ,再由專門的計算機(jī)切片軟件 CAD 系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)切得薄些 ,其他一般部位切得厚些.隨后 CAM 軟件再根據(jù)各薄層平面的 X - Y 運(yùn)動指令 ,在結(jié)合提升機(jī)構(gòu)沿 Z 坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動 ,形成整個零件的數(shù)控加工指令 .指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體容器的液面之下 ,對應(yīng)于 CAD 模型最下一層切片的厚度處 ,根據(jù)該切片的 X- Y 平面幾何數(shù)據(jù) ,紫外光照射可固化的液態(tài)樹脂(如環(huán)氧樹脂 ,乙烯5酸樹脂或丙烯酸樹脂) ,在紫外光的作

25、用下 ,因光聚合作用 ,第一層被固化在工作臺上.然后 ,升降工作臺下降至第二層切片厚度 ,激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描液面 ,使新一層液態(tài)樹脂固化并緊緊粘長在前一層已固化的樹脂上。如此反復(fù)“生長”,直至形成整個三維實體零件.如圖所示： 圖 1.2 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理圖1.4 立體光固造型 SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平立體光固造型 SLA 方法是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型方法。目前 ,研究 SLA 方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F&S 公司、CMET 公司、D - MEC 公司、Teijin Seiki 公司、Mitsui Z

26、osen 公司、西安交通大學(xué)等.美國 3D System 公司的 SLA 技術(shù)在國際市場上占的比例最大 ,其設(shè)備自 1988 年推出 SLA - 250 機(jī)型以后 ,又于 1997 年推出 SLA - 250HR,SLA - 3500 ,SLA - 5000 三種機(jī)型 ,在技術(shù)上有了長足進(jìn)步. 其中 ,SLA -3500 和 SLA - 5000 使用半導(dǎo)體激勵的固體激光器 ,掃描速度分別達(dá)到 2.54 m/ s 和 5m/ s,成型層厚最小可達(dá) 0. 05 mm. 此外 ,還采用了一種稱之為 Zephyer recoating system 的新技術(shù) ,該技術(shù)是在每一成型層上 ,用一種真空吸

27、附式刮板在該層上涂一層 0.050. 1 mm 的待固化樹脂 ,使成型時間平均縮短了 20 %.該公司于 1999 年推出的 SLA - 7000 機(jī)型與 SLA - 5000 機(jī)型相比 成型體積雖然大致相同,但其掃描速度卻達(dá) 9. 52m/ s,平均成型速度提高了 4 倍, 成型層厚最小可達(dá) 0.025 mm,精度提高了 1 倍。國內(nèi)對 SLA 技術(shù)的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理論、控制技術(shù)、成型材料等多方面都進(jìn)行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果.目前西安交通大學(xué)開發(fā)的 LPS- 600A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產(chǎn)品. 國內(nèi)外研究者在 SLA 技術(shù)的成形機(jī)理、控制制件

28、變形、提高制件精度等方面進(jìn)行了大量研究。1.5 立體光固造型 SLA 應(yīng)用領(lǐng)域美國克萊斯勒公司(Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風(fēng)洞6中進(jìn)行空氣動力學(xué)試驗分析;此外美國 Dayton 大學(xué)還利用 SLA 工藝研制了一種桌面成型系統(tǒng)專門用于人體軟組織器官模型的建造。1.6 本次設(shè)計的主要工作1.6.1 主要設(shè)計工作1、固化用激光掃描裝置設(shè)計；2、浸于樹脂液體中的升降托盤設(shè)計； 3、刮刀機(jī)構(gòu)設(shè)計；4、整機(jī)總裝配圖設(shè)計；5、部分硬件控制電路的設(shè)計。1.6.2 設(shè)計參數(shù)1、成型空間：400*400*300mm2、激光頭最大運(yùn)行速度：80mm/s;3、激光頭定位精度：0

29、.005mm4、上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線導(dǎo)軌軸等的總重量：約 10kg5、最大成型件重量：約為 10kg6、固化深度/托盤的層間下降距離：0.1mm7、Z 向定位精度：0.01mm1.6.3 設(shè)計思路及主要問題采用分塊設(shè)計的思路，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分 XY 掃描系統(tǒng)， Z 方向工作臺升降系統(tǒng)，刮刀機(jī)構(gòu)等三部分。1、X-Y 掃描系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 動工作臺，它帶動光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠驅(qū)動掃描頭作 X-Y 平面運(yùn)動，掃描范圍為 400 x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，選用鋁材進(jìn)行設(shè)計，

30、并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計算機(jī)、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線圓柱滾動導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等組成。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、力矩大、低頻特性好、運(yùn)行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，X, Y 方向都采用了這種電機(jī)。為減少 X 方向負(fù)載的質(zhì)量，連接板及電機(jī)座采用鋁材。2、Z 軸升降系統(tǒng)Z 軸升降系統(tǒng)完成零件支撐及在 Z 軸方向運(yùn)動的功能，它帶動托板上下移動。每固化一層，托板要下降 1 個層厚。它是實現(xiàn)零件堆積的主要過程，必須保證其定位精7度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度、表面光潔度以及層與層之間的粘接性能。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，精密滾珠絲杠傳動及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。驅(qū)動

31、電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī)，配合細(xì)分驅(qū)動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實現(xiàn)高分辨率驅(qū)動，省去了中間齒輪級傳動，既減小了尺寸又減小了傳動誤差。 成形零件時，托板經(jīng)常做下降、提升運(yùn)動，為了減少運(yùn)動時與托板對液面的攪動，并且便于成型后的零件從托板上取下，需將托板加工成篩網(wǎng)狀，網(wǎng)孔大小、孔距設(shè)計要合理，既能使零件的基礎(chǔ)與其能牢固粘結(jié)，又要使托板升降運(yùn)動時最小限度地阻礙液體流動。此外，考慮到樹脂有一定的酸性作用，所以浸泡在樹脂內(nèi)的材料全部選用鋁合金或不銹鋼材料，一方面防腐;另一方面防止普通鋼和鑄鐵對樹脂的致凝作用。由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長，為避免托板 Z 方向上下運(yùn)動時造成吊梁扭曲變形，吊梁采用 2m

32、 不銹鋼板做成中空行管結(jié)構(gòu)的形狀。3、刮平系統(tǒng)由于樹脂的粘性及固化樹脂的表面張力作用，如僅僅依賴樹脂的流動而達(dá)到液面平整的話，就會需要很長的時間，特別是在固化面積較大的零件時。刮平運(yùn)動可以使液面盡快流平，提高涂層效率。 刮平過程包括兩個步驟:第一步托板下降較大的深度并稍作停頓，這一過程是為了克服液態(tài)樹脂與固化層面的表面張力，使樹脂充分覆蓋已固化的一層，然后上升至比上一層低一個層厚的位置。第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動，其作用是把涂敷在零件表面的多余樹脂刮掉。刮平后，樹脂液面并不是完全平整，仍存在著一些波動，尚需等待一定的時間才能平整。等待時間的長短要根據(jù)樹脂的流動性、零件尺寸的大小而定。8B絲

33、杠與螺母間的接觸變形量 2該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。其計算公式： (2.6)mcFCK式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N） ；mF為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 =580N/ 。CK所以，X 向： X4.90.85 Y 向： C13.7.2m 絲杠的總的變形量 應(yīng)小于允許的變形量。一般 不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系21 統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。因為，X 向： 120.8.3 .75Y 向： 04m 取絲杠精度等級為 1 級，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 ，加上絲杠副的總變m形量 0.83 、0.24 ，可以滿足機(jī)床的定位精度 0.01/400 的要求。m5、壓桿穩(wěn)

34、定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 KF (2.7)2110KfEJL式中： J 為絲杠軸最小截面慣性矩 ，對絲杠圓截面 ， （d 2為絲杠4()m46J底徑， ） ；201.wdDL 為絲杠最大工作長度（m） ；E 為材料的拉、壓彈性模量，對鋼 E2.110 11Pa；為絲杠支承方式系數(shù)。本設(shè)計中，1f9絲杠為長絲杠，故支承方式選用一端軸向固定一端游動，即 2；1f為安全系數(shù)，取 =1/31K1K。449423.06.70()6dJ m所以：2192.16.23KF臨界載荷 遠(yuǎn)大于絲杠工作載荷 （ =44.

35、49N, =13.347N） ，因此滾珠絲mFxmyF杠不會失穩(wěn)。2.4 導(dǎo)軌的選型及計算2.4.1 初選導(dǎo)軌型號導(dǎo)軌為直線滾動導(dǎo)軌，根據(jù)縱向最大動載荷 C=1613N,橫向最大動載荷C483.9N ，通過查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊 表 2.9-38 P893，初選 3 條導(dǎo)軌的型號都為 GTB16。其參數(shù)如下：1650ml，2.4.2 計算滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命 L滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計算：滾動體為球時 (2.8)350aTCWfLF式中： 為滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km） ；L為額定載荷（N） ，從機(jī)電一體化設(shè)計手冊 表 2-10 查得 8820N；aC aC為溫度系數(shù)，

36、當(dāng)工作溫度不超過 1000C 時， 1；Tf Tf為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個滑塊時 0.81；C為載荷/速度系數(shù)，無外部沖擊或振動的低速運(yùn)轉(zhuǎn)場合 時，Wf min5v1.2。為每個滑塊的工作載荷（N） 。FX 向： /4.9/1.2m10Y 向： 13.47mF所以，X 向： 39820.85.10km1LY 向： 39820.1.857.610k13.47均大于滾動導(dǎo)軌的期望壽命，滿足設(shè)計要求，初選的滾動導(dǎo)軌副可采用。L2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”) ，它

37、的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM） 、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或 15 度； 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路

38、由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)：1、 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%，且不累積。 2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外

39、表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。 11 3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4、步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。5、步進(jìn)電機(jī)相對普通電機(jī)來說，他可以實現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號。但是步進(jìn)電機(jī)不適合使用在長時間同方向運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，容易燒壞產(chǎn)品，即使用時通常都是短距離頻繁動作較佳。 2.5.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)

40、是轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機(jī)軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。本設(shè)計需要對絲杠,工作臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的計算。1、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 的折算SJ滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： (2.9)407.81SmDL其中 為絲杠公稱直徑（cm ）, mD為絲杠有效行程（mm）0L4 27.81.60.4SJkgc2、工作臺質(zhì)量 的折算GJ工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣 GJ可按下式進(jìn)行計算： (2.10)MLJG20)(式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm）

41、 ；0L為工作臺質(zhì)量（kg） 。M12所以，X 向：22 20.4()10.43GLJMkgcm Y 向：22 20.().3、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量 計算JX 向： 22.04.08SGJkgcmY 向： 152.5.2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩可按下式計算： (2.11)max0fM式中： 為空載啟動力矩（Ncm） ；為空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加maxM速力矩（Ncm ） ；為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（Ncm） ；f 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（N cm） 。0有關(guān)

42、 的各項力矩值計算如下：M1、加速力矩 (2.12)2maxmax106nJt (2.13)a30bpvn式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量； 為電機(jī)最大角加速度； 為與運(yùn)動部件Jmaxn最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間， 為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度； 為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角； 為脈沖maxvbp當(dāng)量。 axm480.9120/min36.36bpnr13X 向： 2 2maxmax 3.14010.8145.668nMJ mt Y 向： 2 2axax .53.80t 2、空載摩擦力矩 (2.14)02fGLMi式中： 為運(yùn)動部件的總重量；G為導(dǎo)軌

43、摩擦系數(shù)；f為傳動降速比；i為傳動系數(shù)總效率，取 0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。0LX 向： 19.805.40231fMmY 向： .f3、附加摩擦力矩 (2.15)2001PLMi式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力， = /3； 0P0 xF為滾珠絲杠預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)取 0.9。0X 向： 204.91.9.56638MmY 向： 170. c所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動轉(zhuǎn)矩：X 向： max0145.0.5614.8fY 向： 3823fMm步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 M，步進(jìn)電機(jī)啟動力矩 關(guān)系如下：qM140.4qM所以，X 向： =364.215q36cmN Y 向： =358.355 .

44、58為滿足最小步距角要求，查表知步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 與步進(jìn)電機(jī)啟動力矩maxjM的關(guān)系為： (2.16)maxqjM查經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計表 7-2 P347 得 0.866。所以，X 向： max0.42jMY 向： 13j綜合考慮，查表選擇 57BYG096 型步進(jìn)電機(jī)，如圖 2.2、2.3 所示： 圖 2.2 步進(jìn)電機(jī)圖 2.3 步進(jìn)電機(jī)外形尺寸表 2-1 電機(jī)參數(shù)15電機(jī)型號 相數(shù) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)距 電壓 相電流 分配方式57BYG096 2 1.8 )(0.75(N.m) DC 24V 3 A 雙相四拍2.6 本章小結(jié)本章是主要針對 X-Y 掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計，首先要明確設(shè)計任務(wù)，然

45、后確定脈沖當(dāng)量和傳動比，絲杠及導(dǎo)軌的選型及相應(yīng)的計算，最后通過計算確定 X-Y 方向的驅(qū)動電機(jī)。3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核由于轉(zhuǎn)速較大，滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)其使用壽命選擇絲杠的基本尺寸并較核其承載能力是否超過額定動載荷。1、最大工作載荷的計算本設(shè)計中，工作臺最大載荷應(yīng)該是導(dǎo)軌摩擦力與加減速慣性力的總和所以， 1F96284GN2、最大動載荷 的計算和主要尺寸的初選C滾珠絲杠最大動載荷 可用下式計算： (3.3)FfKnh式中：F 滾珠絲杠副的軸向負(fù)荷（N）-影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù)；f 285.01.3.095.wfkahtf16為溫度系數(shù) 工作溫度小于 125，

46、=0.95tf tf為硬度系數(shù) 硬度大于 58HRC， =1.0h h為精度系數(shù) 精度等級取三級， =1.0af af為負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) 無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)， =1.1w w為可靠性系數(shù) 可靠度 98%， =0.33kf kf-滾珠絲杠副的額定動負(fù)荷（N）aC -滾珠絲杠副的計算動負(fù)荷（N）-各類機(jī)械所用的滾珠絲杠的推薦壽命, 取 15000hhL hL-壽命系數(shù),hK1.3)50(hL-轉(zhuǎn)速系數(shù)，n .).(3nK經(jīng)計算得： C=8122N 查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊P770, 本設(shè)計選內(nèi)循環(huán)浮動返回器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副 FFZ3204,其參數(shù)如下：W32m4D9C043ao公 稱 直 徑 d基

47、 本 導(dǎo) 程滾 珠 直 徑 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，額 定 動 載 荷 1額 定 靜 載 荷選取絲杠精度等級為一級。3、傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率 為 (3.4)(tg式中： 為絲杠螺旋升角，17為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) 0.0030.005,f其摩擦角約等于 。01所以， 96.0)13()(tgt 4、定位精度驗算滾珠絲杠副的軸向剛度會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和運(yùn)動平穩(wěn)性。由于軸向剛度不足引起的軸向變形量一般不應(yīng)大于機(jī)床定位精度的一半。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向

48、接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設(shè)計合理，其變形量也可忽略不計，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考慮。A絲杠的拉壓變形量 1滾珠絲杠應(yīng)計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 (3.5)EALFm1式中： 為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm） ；1為絲杠的工作載荷(N)；mF為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)；LE 為材料彈性模量，對鋼 E20.610 4MPa；A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“ ”號用于拉伸， “”號用于壓縮。根據(jù)滾珠直徑 DW3 mm ，0.52.31.56WRm螺

49、 紋 滾 道 曲 率 半 徑wm滾 珠 直 徑 .7(/).7(./2)0.4we偏 心 距 1d2320415689meRm螺 桿 小 徑1822213.4Ad8.965.m滾 珠 絲 桿 按 內(nèi) 徑 確 定 的 截 面 積 其中， 為絲杠公稱直徑。 為絲杠底徑。md 取絲杠長度 L420mm。所以， 1420.658.m 9B絲杠與螺母間的接觸變形量 2該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。其計算公式： (3.6)mcFCK式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N） ；mF為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 =580N/CKC所以， 240.3958 絲杠的總的變形量 應(yīng)小

50、于允許的變形量。一般 不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系21 統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。因為： 120.398m .6取絲杠精度等級為 1 級，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 ，加上絲杠副的總變m形量 1.08 ，可以滿足機(jī)床的定位精度的 0.01/300 要求。m5、壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 為KF (3.7)2110cfEJL式中： J 為絲杠軸最小截面慣性矩 ，對絲杠圓截面 ， （d 2 為絲杠底4()m46J徑， ） ；201.wdDL 為絲杠最大工作長度（m） ；19E 為材料的拉、壓彈性模量，對鋼 E

51、2.110 11Pa；為絲杠支承方式系數(shù)。本設(shè)計中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用一端軸向固1f定一端游動，即 2。1f為安全系數(shù)，取 =1/31K1K。449423.083.0()6dJ m所以：2192.150763KF臨界載荷 遠(yuǎn)大于絲杠工作載荷 =224N，因此滾珠絲杠不會失穩(wěn)。mF3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇3.4.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機(jī)軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。本設(shè)計需要對絲杠,工作臺進(jìn)行

52、轉(zhuǎn)動慣量的計算。1、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 的折算SJ滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： ；其中 為絲杠公稱直徑（cm）, 407.81mDLm為絲杠有效行程（mm）0L4 27.8103.24.5SJkgc2、工作臺質(zhì)量 的折算GJ工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣 GJ可按下式進(jìn)行計算： (3.8)MLJG20)(式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm） ；0L為工作臺質(zhì)量（kg） 。M20所以， 22 20.3()0.514GLJMkgcm3、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量 計算J224.50.5SGJkgc3.4.2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩可

53、按下式計算： (3.9)max0fM式中：為空載啟動力矩（Ncm） ；M為空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加max速力矩（Ncm ） ；為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（Ncm） ；f 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （N cm） 。0M有關(guān) 的各項力矩值計算如下：1、加速力矩 (3.10)2maxmax106nMJt (3.11)a30bpvn式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量； 為電機(jī)最大角加速度； 為與運(yùn)動部件Jmaxn最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間， 為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度； 為初選步進(jìn)電機(jī)的步

54、距角； 為脈沖maxvbp當(dāng)量。 axm10.9250/min36.36bpnr2maxax23.1450. 35.6nMJ mt 2、空載摩擦力矩21 (3.12)02fGLMi式中： 為運(yùn)動部件的總重量；G為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；f傳動降速比；i為傳動系數(shù)總效率，取 0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。0L29.805.30614fMm3、附加摩擦力矩 (3.13)2001PLMi式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力， = /3；0P0 xF為滾珠絲杠預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)取 0.9。02024.31.9.68Mm所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動所需轉(zhuǎn)矩： max05.061.537.28f步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 M

55、，步進(jìn)電機(jī)啟動力矩 關(guān)系如下：qM0.4qM所以， =1343.2 1.34Nm為滿足最小步距角要求，查表知步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 與步進(jìn)電機(jī)啟動力矩maxj的關(guān)系為： (3.14) maxqjM查經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計表 7-2 P347 得 0.866。所以，max1.5jM綜合考慮查表選擇 57BYGH401 型步進(jìn)電機(jī)如圖 3.2、3.3 所示：22圖 3.2 步進(jìn)電機(jī)圖 3.3 步進(jìn)電機(jī)尺寸圖表 3.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號 相數(shù) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)距 電壓 電流 分配方式57BYGH401 2 1.8 )(2.0 N.m DC24 V 3A 雙相四拍3.5 本章小結(jié)本章是主要針對 Z 軸

56、升降系統(tǒng)的設(shè)計，首先要明確設(shè)計任務(wù)，然后確定脈沖當(dāng)量和傳動比，絲杠及導(dǎo)軌的選型及相應(yīng)的計算，最后通過計算確定 Z 軸升降系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。23第 4 章 刮刀系統(tǒng)設(shè)計4.1 刮板的選擇由于樹脂的粘性及固化樹脂的表面張力作用，如僅僅依賴樹脂的流動而達(dá)到液面平整的話，就會需要很長的時間，特別是在固化面積較大的零件時。刮平運(yùn)動可以使液面盡快流平，提高涂層效率。刮平過程包括兩個步驟:1、第一步托板下降較大的深度并稍作停頓，這一過程是為了克服液態(tài)樹脂與固化層面的表面張力，使樹脂充分覆蓋已固化的一層，然后上升至比上一層低一個層厚的位置。2、第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動，其作用是把涂敷在零件表面的多余樹脂刮

57、掉。刮平后，樹脂液面并不是完全平整，仍存在著一些波動，尚需等待一定的時間才能平整。等待時間的長短要根據(jù)樹脂的流動性、零件尺寸的大小而定。如果使用粘性大的樹脂，這種裝置是必不可少的。由于樹脂對刮板的粘附作用，刮板刮過之后，液面的實際位置要比刮板底面所在的位置低。同時，刮板刮走多余的樹脂，刮板前面的樹脂由于堆積而造成刮板前后液面存在高度差，導(dǎo)致刮板前面的樹脂向后流動的回流現(xiàn)象，影響層厚精度和液面的平整。為此必須采取相應(yīng)措施，來提高液面的位置精度和層厚精度。不同的刮板形狀會形成不同的涂層質(zhì)量，刮板的形狀可以設(shè)計成多樣，但哪種最合適還取決于樹脂的粘性。一般講，圖（a）所示的刃口式刮板比較適合粘性稍大的

58、樹脂，圖（b）所示的燕尾式刮板適合中等粘度的樹脂。對于刃口形狀的刮板，要求刃口側(cè)面的光潔度越高越好。 (a) (b)圖 4.1 刮刀形狀比較24刃口式刮板的優(yōu)點(diǎn)是:由于刮平時刮板底面與液面的實際接觸面積很小，近似為線接觸。因此，刮板移動時對樹脂的帶動作用較小; 較高的光潔度使樹脂不致過多地粘在刃口表面上，以盡量避免往復(fù)運(yùn)動時破壞己修平的液面。燕尾式刮板與液面是面接觸，對于流動性較好的樹脂，可以較好地阻止刮板前后由于高度差引起的回流。同時燕尾槽結(jié)構(gòu)可以暫時儲存多余的樹脂，對液面有微量地補(bǔ)償修平作用。故本設(shè)計中采用燕尾槽截面形狀的刮板。4.2 刮板的材料和移動速度對涂層質(zhì)量的影響刮板在液面上移動時

59、，樹脂被帶動的實質(zhì)是固液兩相之間的吸附作用，減小二者的吸附作用，就能減少刮板移動時帶走的樹脂量。根據(jù)固液兩相之間的浸潤機(jī)理可知，刮板應(yīng)該選用表面張力值較小的材料，如金屬鋁、有機(jī)物聚四氟乙烯等。刮板速度高，可以使刮板前的樹脂來不及回流，但是太高會帶動己成形部分，影響位置精度，同時液面的修平效果不好。為方便零件的采購與安裝，刮刀機(jī)構(gòu)的驅(qū)動所采用的方式以及零件的規(guī)格均與掃描系統(tǒng)相同，均采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)綜合考慮，選擇 57BYG096 型步進(jìn)電機(jī)。如圖 4-2、4-3 所示圖 4.2 步進(jìn)電機(jī)圖 4.3 步進(jìn)電機(jī)尺寸圖25表 4.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號 相數(shù) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)距 電壓 電流 分配方式5

60、7BYG906 2 1.8 )(0.75 N.m DC24 V 3A 雙相四拍4.3 本章小結(jié)本章是主要針對刮刀系統(tǒng)的設(shè)計，首先要明確刮平過程包括兩個步驟以及他要完成的動作，通過比較不同的刮刀形狀會對不同的涂層質(zhì)量影響的大小來確定刮刀的形狀，然后根據(jù)刮刀的材料和移動速度對涂層質(zhì)量的影響來確定此結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)。26第 5 章 PLC 控制系統(tǒng)5.1 步進(jìn)電機(jī)的簡介步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角） ?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來

61、控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單5.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動

62、的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的 ;通過改變通電順序，從而達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。步進(jìn)電機(jī)的種類很多，按結(jié)構(gòu)可以分為反應(yīng)式、永磁式及混合式步進(jìn)電機(jī)三類，按相數(shù)分則可以分為單相、兩相和多相三種。5.3 PLC 簡單介紹FX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先進(jìn)的系列。由于 FX2n 系列具備如下特點(diǎn)：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。5.3.1 為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能1、開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要模擬 I/O，高速計數(shù)器

63、。2、定位控制達(dá)到 16 軸，脈沖串輸出或為 J 和 K 型熱電偶或 Pt 傳感器開發(fā)了溫度模塊。3、對每一個 FX2n 主單元可配置總計達(dá) 8 個特殊功能模塊。5.3.2 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信27連接到世界上最流行的開放式網(wǎng)絡(luò) CC-Link，Profibus Dp 和 DeviceNet 或者采用傳感器層次的網(wǎng)絡(luò)解決您的通信需要。5.3.3 其它功能 1、內(nèi)置式 24V 直流電源: 24V、400mA 直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件。2、快速斷開端子塊: 因為采用了優(yōu)良的可維護(hù)性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。3、時鐘功能和小時表功能: 在所有的 FX2NPLC 中都有實

64、時時鐘標(biāo)準(zhǔn)。時間設(shè)置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機(jī)器維護(hù)提供了有價值的信息。4、持續(xù)掃描功能: 為應(yīng)用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。5、輸入濾波器調(diào)節(jié)功能: 可以用輸入濾波器平整輸入信號（在基本單元中 x000到 x017） 。6、注解記錄功能: 元件注解可以記錄在程序寄存器中。7、在線程序編輯: 在線改變程序不會損失工作時間或停止生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。8、RUN/STOP 開關(guān): 面板上運(yùn)行 /停止開關(guān)易于操作。9、遠(yuǎn)程維護(hù): 遠(yuǎn)處的編程軟件可以通過調(diào)制解調(diào)器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數(shù)據(jù)10、密碼保護(hù): 使用一個八位數(shù)字密碼保護(hù)您的程序。 11、交流電源、24V 直流輸入類型5.4

65、 控制原則步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動頻率”;與此類似， “停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。而電機(jī)的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行變速控制。采用 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)，應(yīng)根據(jù)下式計算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進(jìn)而選擇 PLC 及其相應(yīng)的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定 PLC 高速脈沖輸出時需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定 PLC 的位寬。脈沖當(dāng)量=(步進(jìn)電機(jī)步距角 螺距 )/(360傳動速比);脈沖頻率上限=(移動速度步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù))/脈沖當(dāng)量;最大脈沖

66、數(shù)量=(移動距離 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù))/脈沖當(dāng)量。5.5 控制方法5.5.1 行程控制由步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特性可知步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個28數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定 PLC 輸出的脈沖個數(shù)： n= /d (5.1)LD式中 伺服機(jī)構(gòu)的位移量（mm）LDd 伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）5.5.2 進(jìn)給速度控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度,確定其 PLC 輸出的脈沖頻率: f= /60d (Hz) (5.2)fV式中 伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度(mm/min)fV5.5.3 進(jìn)給方向控制進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序為 A-AB-B-BC-C-CA-A時步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按 A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此可以通過 PLC 輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。5.6 本章小結(jié)通過 PLC 來