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经济型陶瓷零件快速成型机机械装置的设计


经济型陶瓷零件快速成型机机械装置的设计
高东强 郝大建 田振亚 姚素芬
( 陕西科技大学机电工程学院, 陕西 西安 !$%%"$ ) 摘

#

要: 分析和讨论了经济型陶瓷零件快速成型机的设计过程, 包括机械系统的设计、 控制系统的设计以及 传动装置的选择和计算。详细介绍了该设备的组成、 工作原理及主要结构。

该快速成型设备主要用 于陶瓷零件的快速成型, 成本较低, 成型的零件性能良好, 具有较好的推广价值。

关键词: 陶瓷零件

快速成型机

机械装置

设计

!"#$%& ’( )"*+,&$*,- !".$*" ’( /& 0*’&’1$*,23 ),*+$&" (’4 5"4,1$*# 3,46#
&’( )*+,-./+,,0’( )/1./+,23’4 567+8/ ,9’( :;<7+ ( :6//+=. >+.?7@A.B8 *< :C.7+C7 D 27C6+*E*,8 ,F.’ /+ !$%%"$ , G04) !"#$%&’$:26.A H/H7@ /+/E8I7A /+J J.AC;AA7A *+ B67 J7A.,+ H@*C7AA *< 7C*+*K.C/E LM K/C6.+7 <*@ C7@/K.CA H/@BA, .+CE;J.+, B67 J7A.,+ *< B67 K7C6/+.C/E A8AB7K,C*+B@*E A8AB7K /+J B67 C6**A7 /+J C/EC;E/B.*+ *< J@.?.+, J7?.C7N 3B 6/A .+B@*J;C7J B67 C*+AB.B;B.*+ ,B67 *H7@/B.*+/E H@.+C.HE7 /+J B67 C*+<.,;@/B.*+ *< B67 J7?.C7 J7B/.E7JE8N 26.A LM K/C6.+7 .A K/.+E8 ;A7J <*@ B67 @/H.J H@*B*B8H.+, /+J K/+;</CB;@.+, *< C7@/K.CA H/@BA,B67 C*AB *< B67 J7?.C7 .A E*ON ’+J B67 -;/E.B8 *< B67 H/@BA K/+;</CB;@7J P8 .B .A O7EEN :* .B 6/A 6.,67@ H*H;E/@.I/B.*+ ?/E;7N ()*+,%-#:G7@/K.CA M/@BA;LM Q/C6.+7;Q7C6/+.C/E )7?.C7;)7A.,+ 快速成型制造技术 ( L/H.J M@*B*B8H.+, /+J Q/+;R </CB;@.+,, LMQ) 是 "% 世纪 S% 年代后期迅速发展起来 的一种先进制造技术。它是将计算机技术、 数控技术、 G’) T G’Q、 检测技术、 激光技术和材料科学等先进技
[ $] 术集于一体的新技术 , 可以直接、 快速、 准确地将设

件的快速成型机主要有: 叠层成型机、 熔融堆积成型 机、 光敏固化成型机、 激光烧结成型机、 喷墨打印成型 机等。激光成型设备造价偏高, 而熔融堆积和喷墨打 印成型设备对陶瓷浆料的流动性和制件质量有双重要
[ "] 求, 不易控制 。陕西科技大学同信技术研究所提出

计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造出新产 品的样件、 模具、 或模型, 有效地缩短了产品的研发周 期, 是提高产品质量、 缩减产品成本、 提高市场竞争力 的有力工具, 必将成为 "$ 世纪制造业的重要组成部 分。 LMQ 技术经过十几年的发展, 在工艺、 设备、 材料 等方面已取得长足的进步。但由于该技术设备昂贵、 材料选择的局限性、 成型精度和质量不高等原因, 阻碍 了该技术的推广和普及。目前, 快速成型技术正向复 合成型、 降低成本、 简化工艺、 提高速度和精度的方向 发展。 陶瓷材料具有耐高温、 耐腐蚀、 强度高、 硬度大、 抗 氧化等优点。陶瓷材料的直接成型已经成为快速成型 技术的研究热点和发展方向之一。可用于制作陶瓷零

了层合速凝成型陶瓷零件的技术。以该技术为基础, 结合层合实体成型和熔融堆积成型的特点, 笔者所在 课题组设计出一种新的陶瓷零件快速成型设备, 以满 足陶瓷零件和石蜡的特性, 可达到成本低廉、 材料来源 广泛、 制件性能良好的目的。

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机械部分设计
[ /, 0] 组成及工作原理

本机由机架 $ 、 工作台水平运动装置 S 、 铺料台升 降装置 $U 、 铺料系统 $V 、 刻料系统 W 和计算机控制系 统组成。其结构如图 $ 所示。 制作陶瓷零件时, 首先利用分层软件对零件的三

( "%%%GXY ) , 陕西科技大学自选项目 ( 5F%Y Z "% ) # 陕西省自然科学基金项目

?# !" ?

维实体模型进行分层切片处理, 得到每个层面轮廓的 二维信息。快速成型机工作前, 铺料平台上升到一定 高度, 在盛料仓内分别盛入陶瓷浆料和熔融的石蜡, 并 盖好料斗外壳上端开口, 以防止石蜡挥发; 同时启动料 仓内的搅拌装置和料斗外壳上的加热装置, 以使陶瓷 浆料保持均匀并防止石蜡凝固。在有凸形边缘的铺料 台里预铺一层石蜡, 待凝固后作为雕刻的基板。然后 通过铺料系统 $% 沿 ! 方向在铺料平台 ! 上铺一层石 蜡, 此时陶瓷浆料仓下料口闭合, 石蜡料仓下料口打 开。当料斗运动至另一端时, 接近开关发出信号, 控制 料斗停止运动。接着料斗返回起始位置, 返回过程中 料斗下料口全部闭合, 当接近起始位置时另一接近开 关发出信号, 料斗停止。待石蜡凝固后, 由计算机发出 指令控制刻刀在石蜡板上刻出零件截面形状, 并由吹 风装置吹走石蜡碎屑, 清空镂空部分。刻料时由计算 机按照对零件实体模型分层编制出的程序控制铺料平 台的水平运动和刻刀的运动。刻完后由计算机控制刻 刀的复位, 并发出铺陶瓷浆料的指令, 步骤与铺石蜡的 步骤相同。此时陶瓷浆料仓下料口打开, 石蜡料仓下 料口关闭。在铺料过程中, 刮板起到刮平层面和使陶 瓷浆料充分填平的作用。在刮平过程中, 须控制刮板 底的高度始终保持在所铺石蜡层上表面以下 &’ $ ( &’ ) **, 以充分刮去石蜡表层多余的陶瓷浆料, 避免 形成陶瓷夹层影响制件的质量。刮平陶瓷浆料层后, 由步进电动机驱动使铺料平台下降 &’ $ ( + **。重复 以上操作步骤, 逐层叠加, 直至得到零件实体。最后取 出实体, 进行排蜡和烧结, 即可得到陶瓷零件。

+!& ** - +"& ** 主轴电动机功率: .& / 主轴转速: & ( . &&& 0 1 *23 铺料时料斗的水平进给速度: 4 ( . ** 1 5; &, $ ( + ** 1 5; 铺料台下降速度: 脉冲当量: &, &$ ** 1 脉冲; 石蜡层的凝固时间: "& 5; 加热板的加热温度: %) ( $&& 6 , 恒温。 !, # 主要结构 ($) 工作台水平运动装置 工作台水平运动装置 7 由步进电动机带动丝杠导 轨机构实现, 台面上安装铺料系统。如图 $ 所示。 (+) 铺料系统 铺料系统在工作台之上, 由铺料台 ! 、 料斗 $$ 、 刮 板 $& 、 加热装置 $4 及搅拌装置组成。铺料台 ! 由步 进电动机 $7 带动丝杠 $! 驱动, 实现竖直方向的运动。 为了避免底层石蜡在刮料时由于受刮板切向力作用而 与铺料台面发生滑移, 将铺料台边缘设计成凸形。铺 料前先将铺料台里铺满石蜡, 待凝固后再开始铺第一 层石蜡, 利用石蜡自身结合力强的特点解决这一问题。 为了充分利用竖直方向的空间, 使该装置工作时在竖 直方向可以适合主轴各种高度要求而不与刻料系统发 生碰撞, 将驱动铺料台 " 向运动的步进电动机和丝杠 偏置安装。铺料系统通过步进电动机 $) 带动丝杠 $+ 在导轨 $" 、 +$ 上实现 # 向运动。导轨两端分别装有接 近开关, 以控制料斗的最大行程。 (") 料斗 料斗由料斗外壳、 盛料仓、 刮平装置和加热装置组 成, 如图 + 所示。搅拌装置由电动机 $ 带动齿轮 + 传 动, 使之与图 " 中的齿轮 $ 啮合, 带动搅拌辊 + 转动, 实现搅拌运动, 以使陶瓷浆料保持均匀, 防止沉淀。

如图 " 所示, 盛料仓的下料口 " 为活页式, 由电磁 !, " 主要参数及性能指标 该快速成型机的主要参数及性能指标如下: 最大加工范围 ( 纵向 - 横向 - 竖向) : +$& ** 继电器控制其开合。盛料仓通过两端外延挂钩 4 卡挂 在料斗外壳壁上的凹槽处, 铺料时, 相应的盛料仓下料 口打开, 另一盛料仓下料口闭合。
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料斗外壳两侧装有刮平装置, 在每次铺料完成后 刮平铺料层, 去除余料并填实镂空部分。为保证浆料 的流动性, 在料斗外壳装有加热板持续加热, 使料斗及 刮板的温度保持在石蜡的熔融温度, 可使刮板在刮料 过程中尽可能少发生粘连带料现象, 从而保证刮板的 清洁和铺料层的平整。 (" ) 刻料系统 刻料系统由主轴、 刻刀、 刻刀水平及竖直运动装置 构成。如图 $ 所示, 刻刀通过主轴的旋转完成刻料过 程, 刻刀的水平运动由步进电动机 % 带动机身内的滚 珠丝杠导轨机构实现, 竖直运动由步进电动机 & 带动 滚珠丝杠导轨机构实现, 弹簧 ’ 起辅助限位作用。

丝杠的转动惯量: &’ 1 & ’ $" !# " : ! ’ 8 : $2 ; & ) (1 &’ &’ : $ ’ 8 " : &" 1 2 ’ ’!& ’ 34?<5’ 总转动惯量: & 1 &$ = &’ 1 2 ’ &’" 34?<5’ (’) 力矩计算 力矩计算有两项内容, 一是计算伺服系统快速空 载启动时所需力矩; 二是计算伺服系统在最大切削负 载条件下所需力矩。得到计算结果后, 就可以根据初 选电动机的动态特性判断初选电动机是否能满足快速 空载启动和正常工作时所需的力矩要求。 伺服系统快速空载启动时所需力矩 * + * ,5>? = * - . *2 式中: * ,5>? 为快速空载启动时折算到电动机轴上的加 速度力矩; * - 为折算到电动机轴上的摩擦力矩; *2 为 由于丝杠预紧所引起, 折算到电动机轴上的附加摩擦 力矩。 计算得: * ,5>? 1 & ,5>? ?/ 0 $ ’ 2’ 0 $2 1’ + % ’ 2@ .?<5 # -?"?2 0 $2 1’ + & ’ %8 .?<5 ’ !$ % ( 其中 - + 2 ’ 2A , $ + 2’ 8)

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计算机控制系统
快速成型系统主要可以分为数据处理和成型执行

两大部分。数据处理部分完成由三维 ()* 模型到加 工轨迹的离散过程, 由高性能计算机处理。成型执行 部分根据离散化后的信息实现加工过程的执行和控
[ %] 制, 由数控 +,- 设备来完成 。

该装置通过计算机内配置的专用 ()* 软件生成 并由计算机把 符合快速成型工艺特色的 (.( 信息, (.( 信息自动传递至控制器中, 再由控制器将这些信 息转化成能驱动步进电动机的信号, 机床根据接收到 的信号指令控制执行部件的进给速度、 方向和位移。 铺料系统的控制选用 ,/( 可编程控制, 工作台水平运 动可通过安装在两端的无触点限位开关限定其运动范 围, 限位开关可以根据加工要求调整位置。

*- +

由于所采用的是普通滑动丝杠, 故认为 *2 1 2 。 伺服系统快速空载启动时所需力矩为 * + * ,5>? = * - . *2 + 8 ’ @" .?<5 由于立铣刀加工的是石蜡材料, 切削力较小, 所以 折算到电动机轴上的切削负载力矩也较小, 系统在最 大切削负载条件下所需力矩应小于快速空载启动时的 力矩, 由此可知最大力矩 * 5>? 发生在快速启 动 情 况 * 5>? 1 87 @" .?<5 下, (&) 步进电动机的选择 为了使步进电动机正常运行 ( 不失步、 不越步) , 正常启动并满足对转速的要求, 启动力矩选取为 *B , 矩。 所以 * B 1 * (2 * 5>? 80 @" 1 1 1 ’$0 @ .?<5 2 ’ " 20 " 20 " * (2 2’ & 3 2’ %

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"0 #

传动装置的选择和计算
[ $, %] 步进电动机的选择

一般电动机的选择按以下步骤: 降速比的计算及 齿轮齿数的确定0转动惯量的计算0力矩计算0计算 电动机最高工作频率0确定电动机型号。 以确定 ! 方向的步进电动机为例, 其他两个步进 电动机可按同样的方法选择。 已知条件为: 拖动部分质量 " 1 %2 34, 时间常数 # 1 ’% 56, 丝杠螺距 $ 1 " 55, 脉冲当量 ! 1 27 2$ 55, 步距角 " 1 $7 89 , 传动比 % 1 $ ($) 转动惯量计算 拖动部分重量折算到电动机轴上的转动惯量: &$ 1 $82 : 2 ’ 2$ ! ?" 1 ( ( $82 & ’ $" : $ ’ 8 ) !" )
’ ;’ ’ ’

式中: * B 为电 动 机 启 动 力 矩; * (2 为 电 动 机 静 负 载 力

我们选用两相混合式步进电动机, 查表知 * B C * D5 1 27 !2! , 所以步进电动机的最大静转矩为 *B ’$0 @ 1 1 &20 %% .?<5 20 !2! 20 !2!

: %2 : $2

34?<5 1 20 2%2 ! 34?<5



* D5 1

其中 ( 为电动机每转在直线方向移动的距离。
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步进电动机最高工作频率为

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" $%& *() # # ()) ,() $ ) % )+ () !

艺成本低廉, 制件质量良好、 强度较高的性能要求, 与 其他快速成型设备相比, 在性能相仿的情况下具有较 大的价格优势。 参
+ : ( :+ ) : +: = +7 /%68 C /,DEF G 0? ;HIHJKL$H6M KN % 9K$LKO5MH OF5M%PJH NK3 3%L5Q L3KR MKMELH $%9S56568? TKF36%J KN C%MH35%JO U3K9HOO568 VH9S6KJK8E, :))+ , ++* : :A) B :A7 * 7 王秀峰, 江红涛, 孙勇等? 一种陶瓷零件的快速成型方法? 中国发明 专利, 专利号: <2:))"+))7+1!(? 7 , :))"? TF38H6 GM%$LNJ,,%K B <S5S W5F,GHK XKK 2%$? D%L5Q L3KMKMEL568 %6Q $%6FN%9MF3568 PE 8HJ9%OM568 KN $HM%JJ59 %6Q 9H3%$59 OJF335HO? C%MH35%JO G95H69H %6Q Y6856HH3568, :)): , Z**7 : +A! B +1: " ( ! A 李小林, 吴晓鸣, 田宗军等? 快速成型计算机控制系统? 机械设计与 制造工程, +111 , :A (+) : *: = *" 顾绳谷? 电动机及拖动基础? 北京: 机械工业出版社, :))7? 赵玉刚, 邢建国, 江世成? 数控工艺画雕刻机机械装置的设计? 机械 +111 (:) : (( = (1 设计与研究, 邓昭铭, 张莹? 机械设计基础? 北京: 高等教育出版社, :)))?

综合考虑, 选择 "!./0)1( 型步进电动机。该电 动机的技术参数如下: 最大静转距 & ’ !") 2 ? $$; 空 转动惯量 ( ’ +7" 8 ? 9$: ; 载启动转速 ’ ’ *() 3 4 $56; 驱动电压 " ’ ;< ( :7 = 7) )>。 !? "
[ #] 滚珠丝杠的设计计算







袁祁刚, 杨继 全? 快 速 成 型技 术 的 新 进 展? 金 属 成 型 工 艺, :))* , "

以工作台水平运动所用丝杠为例进行设计计算, 铺料台升降运动所用丝杠的计算方法与此相同。 由计算可得已知条件为: 螺纹小径 )+ ’ +"@ " $$, 中径 ): ’ +A $$。
: 丝杠材料选用 7" 钢, 调质处理, " * ’ *() 2 4 $$ ,

, * B " )’ !: = +:) 2 4 $$: , 取 " + ’ +)) 2 4 "+ ’ "* ( $$: 。

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结语
陶瓷零件快速成型技术是快速原型制造技术的重

要发展方向之一, 由于其起步较晚, 目前适用于陶瓷零 件快速成型的专用设备并不多见。本设计提出了一种 新的陶瓷零件快速成型设备, 经实验验证, 本设备基本 上达到了设计的总体要求。该快速成型机的机械装置 体积小、 重量轻、 结构紧凑, 刚度、 传动精度和选取的步 进电动机均达到了使用要求, 而且能够满足设备及工

第一作者: 高东强, +1() 年生, 教授, 研究方向: 凸 轮、 异形件 <Z; 4 <ZC; 逆向工程; 快速成型等。 ( 编辑 孙德茂) # ( 收稿日期: :))! B +: B )A ) #
# 文章编号: A1:: 如果您想发表对本文的看法, 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! :)): : *1+ B *1( ME,U3K9HHQ568O KN MSH !MS [<VU,/K]KS%$%, ( 上接第 !+ 页) 到微器件的微塑性成形, 解决了常规微加工方法难以 成形三维复杂器件以及难成形材料难以成形的问题, 也解决了低成本和大批量生产微器件的问题。通过控 制激光的功率、 能量和光斑直径等参数可以直接控制 激光与工件材料之间的热作用, 达到精确控制工件的 温度分布和所需温度, 所以重复性好、 易实现自动化生 产。该系统能有效地对金属材料、 非晶体材料、 超塑性 材料及复合材料等多种材料进行微胀形、 微弯曲、 微拉 伸、 微挤压、 微压印、 微冲孔等多种微体积成形和微板 料成形, 容易实现微器件的微塑性成形。通过改变凸 凹模结构可以成形形状复杂的三维微小型零件, 而且 适于批量生产。 参
+ ++ ! A 1 +) ( 7 " 0H58H3 C,^JH56H3 C? C593KNK3$568? Z66%JO KN MSH <[DU,:))+ , ") (:) : 77" B 7(: D%_5I G C5OS3%? GFLH3LJ%OM59 NK3$568 KN $593K 9K$LK6H6MO? ‘G U%MH6M :))*? GLH95N59%M5K6 (("""!" , 王春举, 曲东升, 周健等? 精密微塑性成形系统的研制? 锻压技术, :))" (*) 刘新田? 表面工程? 开封: 河南大学出版社, :)))? 张永康? 激光加工技术? 北京: 化学工业出版社, :))7? 朱若谷, 陈本永, 郭斌? 激光应用技术? 北京: 国防工业出版社, :))(? X%68EF6,aF -SH6E568? CH%OF3H$H6M KN $%MH35%J $H9S%659%J L3KLH3R M5HO 56 $593KNK3$568? U3K9? GU[Y, :))( , (+71 : (+71*0 B (+71*W aF -SH6E568,X%68EF6? GM3%56 $H%OF3H$H6M KN NK5J $%MH35%J 56 $593K B $%9S56568 P%OHQ K6 9K$LFMH3 I5O5K6? U3K9? GU[Y, :))( , (+") : (+")*> B (+")*/

第一作者: 王匀, 男, +1!" 年生, 副教授, 博士后, 考 文 献 微 成 形 研 究, 主 持 国 家、 主要 从 事 <Z; 4 <ZY 4 <ZC、 省、 市厅级自然科学基金 7 项, 参加国家、 省部级项 A 项。获得省科技进步三等奖和二等奖, 完成 * 项项目 鉴定。发表论文 ") 余篇。 ( 编辑 徐洁兰) # ( 收稿日期: :))! B +: B +: ) #
# 文章编号: A1:+ 如果您想发表对本文的看法, 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

G%KMK$H /,[\%-%]5 ,? GFLH3LJ%OM59 P%9]\%3Q $593KH&M3FO5K6 KN $593KR L%3MO NK3 $593K B HJH9M3K B $H9S%659%J OEOMH$O? T KN C%MH3 U3K9HOO VH9S, :))) ( ++1 ) : *)! B *++

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