本科毕业论文---选择性激光烧结成型设备铺粉装置的设计.doc

1 绪论1.1 激光选区烧结快速成型原理及应用选择性激光烧结(Selective lasers sintering，简称SLS)技术是九十年代初RP技术中发展起来的又一种全新的原型制作方法，它以各种粉末材料(如石蜡、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金属等粉材)为加工对象。SLS烧结设备，主要由扫描器、铺粉机构、激光源、预热装置和计算机控制系统等部分组成。它采用具有动态聚焦功能的振镜扫描结构，因此，其扫描速度较其它种类的快速成形系统有相当程度的提高，最高扫描速度由具体的动态扫描系统确定，一般烧结速度可达2m/s，故成形效率更高。SLS系统基本上采用开环的Z轴位置控制结构，即不必实时测量零件的实际高度；与LOM（分层物体制造Laminated Object Manufacturing）中的送纸、收纸结构功能类似，SLS系统采用了自动铺粉机构完成材料准备。另外，由于加工材料的要求，系统应具有对材料的预热功能，非接触式测量环境温度，通过温度传感器或者专门的测温仪检测温度。激光烧结成形过程为：首先在工作台面上均匀地铺上一层很薄（0.08mm0.3mm)的热敏粉末，辅助加热装置将其预热到粉末材料熔点(粘结剂的软化温度)以下的温度，在这个均匀的粉末层面上，计算机在经过数据处理得到零件的CAD实体模型的二维剖面后，再控制激光按照设计零件的当前层截面信息进行选择性烧结，被烧结粉末固化在一起形成零件的实体部分。然后，在计算机的控制下，工作平台降低一定的高度，铺粉机构铺设一层很薄的粉末，激光束开始新一层的扫描烧结，层厚一般控制在0.080.30mm范围内。系统不断重复这一过程，直到层加堆积成三维实体零件。烧结过程结束后，去除未被烧结的松散粉末，就得到了坯件，将此坯件进行二次烧结或浸渍等后处理，便可得到最终所需零件。原理如图1-1： 图1-1 SLS技术快速成型系统的工作原理选择性激光烧结技术具有以下特点:(1) 材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙、塑料、金属、陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS可根据不同的用途选择不同的材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型(或芯)，用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件。(2) SLS技术不需特殊支撑、多余材料易于清理、适合原型及功能零件的制造等优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到100%。(3) 工艺过程简单。与其它原型制作工艺(如SLA,LOM等)不同，SLS成形无须研究专门的废料清除工艺。(4) 具有广阔的应用前景。SLS可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。从目前国内外SLS技术的研究情况来看，覆膜砂、石蜡粉以及塑料粉这三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研究阶段，陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。1.2 SLS技术及设备铺粉装置的现状及其现有设备的缺陷1.2.1 国际上SLS技术及设备的发展情况自从70年代末80年代初，美国3M公司、日本名古屋研究所和美国UVP公司分别提出了基于有选择地逐层固化光敏聚合物的原理制造三维实体的快速成形概念以来，涌现出许多新的方法。目前的快速成形的方法不再仅仅是立体平版印刷（SLA) 、分层物体制造(LOM) 、选择性激光烧结( SLS) 、熔融沉积制造( FDM) 等四种，还出现了如立体打印、金属沉积、喷墨等等方法。同时，新的快速成形机构也不断涌现。到1998年，全世界共有331家快速成形服务机构，27家咨询机构，51家教育与科研机构。其中研究SLS工艺的有DTM公司和EOS公司。公司与公司之间的竞争日趋激烈，促使快速成形技术不断得到提高，不断得到应用，原型制造速度不断提高，各种新的加工材料不断出现，快速成形设备的品种规格不断齐全，制件精度越来越高，成形尺寸越来越稳定，快速成形软件功能越来越强大、完善，操作更加简便，性能更加稳定。随着快速成形技术的发展，就SLS成形设备的发展来说，主要表现在以下几个方面:(1) 操作更简单，功能更完善。例如，与烧结站2000相比，DTM公司的烧结站2500plus的人机界面更友好、功能更强大。(2) 加工速度越来越快，实现了真正意义上的“快速成形”。(3) 出现了概念机，并成为快速成形系统的一个发展方向，如1998年3D公司推出的Actual的一种改进机型(热喷实体打印机)。(4) 出现了RP系统专业化的思想，即针对某些特殊用途而开发的RP系统产品。如Stratasys公司开发的MedModeler，主要用于一些医院和医学单位。1.2.2 国内SLS技术及设备的发展情况自九十年代初在国家科技部、国家自然科学基金委员会和部分地方政府与科委的支持下，首先在华中科技大学(原华中理工大学)、清华大学、西安交通大学、北京隆源有限公司等一些高等学府和高新技术开发公司开展了成形理论、工艺方法、设备、软件、材料等配套技术的研究。目前，主要有华中科技大学和北京隆源公司这两家单位从事SLS设备的研究，并且已经研制成功了几种基于SLS工艺的RP设备，目前正在研制基于其他工艺的RP设备。如华中科技大学开发研制的HRPS- I、HRPS-II和HRPS-IIA型SLS设备已成功的实现了产品的商品化，具体设备如图1-2所示： 图1-2 选择性激光烧结成型设备对于SLS设备的现状来说，国外的SLS快速成形系统和成形材料的价格非常昂贵，运行费用和制件成本高.而华中科技大学自1991年开展快速成形技术研究以来，将目标定位于在保证高可靠和高性能的前提下，研究和开发能大幅度降低成本的快速成形技术，通过技术创新，现已开发出的SLS的HRP-IRA型快速成形系统，成本大幅度降低了，且在控制、软件、材料和快速制模方面取得了较大进展。在应用上，受传统思想、市场机制和市场需求的影响，快速成形在国内的推广受到了很大的阻力。但随着改革的进一步深入，快速成形的应用已出现了蓬勃发展的局面。如深圳殷华模具开发有限公司开展的快速原型和快速制模服务引起了很大的反响。在技术上，与国外的差距仍然很明显，主要表现在以下方面:(1) 材料性能与国外相差很大，国内许多快速成形材料都依赖于进口。(2) 工艺研究不深入，快速原型件存在诸多缺陷。(3) 设备的系统性，可靠性及自动化程度与国外仍有一定差距，使得我国的快速成形设备的市场竞争力不强 。(4) 就快速成形理论的研究不足，基本上是照搬国外的，没有形成属于自己的理论研究。当然，经过我国科研工作者们的不懈努力以及我国巨大的市场潜力，快速成形技术在国内的前景是十分美好的。1.3 本设计的目的、内容及现实意义1.3.1 本设计的目的和意义为了发展我校的快速成形制造系统，以适应快速成型在我校的应用，支撑其他科研项目的顺利进行，所以对本校快速成型实验室的现有激光烧结快速成型设备进行改进和设计，以使其能够实现自动化，满足实验室的需要。1.3.2 本设计的主要内容和本文的主要工作1.3.2.1 本设计的主要内容(1) 制件的精度问题制件的精度问题是任何一种商品化设备必须考虑的问题。影响SLS制件精度的主要因素有铺粉装置的机构因素，材料的收缩性能，环境温度，扫描路径以及铺粉厚度的影响等。本文主要从铺粉装置的机构因素，环境温度，扫描路径以及铺粉厚度出发等几个方面进行探讨，以此提高制件的精度。(2) SLS设备铺粉机构的设计优化由华中科技大学开发研制的HRPS- I型粉末烧结系统采用的是与LOM设备相同的激光扫描控制系统，送粉机构采用两缸送粉，铺粉采用辊子在前进时同时自转进行铺粉压实，这样它的铺粉效率就很低，而且在压实过程中容易使已经烧结部分产生偏移。为了改进这一缺点，本设计采用三缸送粉结构，该系统结构紧凑，并且增加了一些控制元器件，使得整个系统的运行更加稳定可靠，制件的精度进一步提高。1.3.2.2 本文的主要工作快速成形技术是一项包括精密机械学、CAD、计算机、激光、控制技术和材料科学等诸多学科领域的一门综合学科，因而它的研究内容广泛而复杂。课题的主要研究内容和本文的主要工作如下:全文分为5章，各章内容如下:第1章 绪论，主要介绍了课题的技术背景、理论、意义及本文的主要工作。第2章 铺粉装置对激光选区烧结成型的影响规律分析，主要从铺粉装置的机构因素，环境温度，扫描路径以及铺粉厚度出发进行探讨，以此提高制件的精度。第3章 铺粉装置的设计，通过现有激光烧结设备，并根据机构所要实现的动作进行机构设计和机构选型，达到提高设备工作效率和自动化的目的。第4章 控制部分的的设计，对所设计机构进行必要的控制设计和控制器件的选型，并且对一些控制机构进行方向性的描述。第5章 本装置的创新之处及其缺陷，对全文做一个回顾和总结，说明所设计机构的优缺点，并对以后改进此设备进行了展望。1.4 本章小结本章首先简要介绍了快速成形技术的原理、特点及应用，然后介绍了国内外的研究现状和发展趋势，并指出了国内在该研究领域内与国际先进水平之间的差距，最后介绍了本设计的目的、意义及主要研究内容。2 铺粉装置对激光选区烧结成型的影响规律分析选择性激光烧结方法，其零件的加工精度较低。在零件制造过程中， 采用合理的加工工艺，对提高烧结制件精度、避免烧结缺陷是非常重要的。本章分析和研究了激光烧结过程中影响零件精度的几个因素，并提出了一些解决措施。2.1 提升装置对成型件的影响分析提升装置对烧结成型的影响主要来自于步进电机和滚珠丝杠，其中以步进电机影响为最大。步进电机的精度通常是指静态步距角误差和静态步距角积累误差。步进电机通过影响整个装置的铺粉厚度来影响成型件。激光烧结即每层烧结的厚度取决于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程，其计算如下： (2-1)上式中：为步进电机步距角；为滚珠丝杠导程。从以上公式中可以看出步进电机的步距角累计误差越大，铺粉厚度越薄。因此，成型件烧结完成后的尺寸会相应小于所设计外形尺寸。2.2 铺粉装置对成型件的影响分析铺粉装置对成型件的影响主要来自于铺粉辊的影响，通过对现有设备的工作过程分析，铺粉辊对制件的精度影响主要来自两个方面。首先，最主要的是当辊筒自左向右运动时，由于粉末与底层已经烧结好的工件之间存在摩擦力，很可能会使已烧结好的工件部分向辊筒运动方向发生偏移，从而破坏了制件的烧结精度。具体情况如图2-1所示： 图2-1 SLS技术快速成型系统的工作原理其次，当辊筒进行铺粉运动时，粘在辊筒上面的粉末会随着辊筒的运动被抛洒在已经铺好粉末的工作区，破坏粉末的均匀性。为了解决上述问题，所以采用推板进行推粉，此时推板的设计应该和工作台有一定的间隙，防止已烧结件的偏移，接着再用辊筒进行压实。而为了解决抛洒粉末问题，可在辊筒上开一螺旋槽，进行抛洒方向的干预。2.3 密封装置对成型件的影响分析由于有些材料在烧结时容易被氧化，所以必须设计密封保护装置，并在工作时候通以保护气（如N2、CO2），防止材料被氧化。如果保护氛围不好，那么易被氧化材料在有氧条件下，会在激光的烧结下燃烧起来，导致制件的力学性能和表面质量下降，更可能引起烧结过程的失败。所以设备配备密封装置是非常重要的，特别是对于容易氧化的材料。2.4 激光振镜参数的影响影响制件精度的激光特性参数主要有激光功率、扫描速度、扫描间距、激光振镜的开关延时等参数。这些参数之间都存在着相互的制约关系。当扫描速度较快，输出功率较低时，粉末材料的受热温度就会很低，由于被照射的粉末受热不够，粘结不牢固，制件很容易分裂，尺寸也会放大；反之，当扫描速度较低，输出功率较高，粉末材料的温度也就越高，受照射粉末会在扫描方向上发生收缩，从而引起扫描烧结直线的弯曲变形。至于变形的方向则由扫描间距来决定，当扫描间距大于激光光斑直径时，扫描烧结直线的变形方向将变为向侧面翘曲，反之，其变形方向为向上翘曲。在一层粉末扫描完成后，可以看见边界翘曲现象，样件成型后，轮廓有明显的翘曲。实验表明，扫描速度越慢，激光输出功率越大，其翘曲现象越明显。为获取良好的样件质量，扫描速度和激光输出功率应进行匹配，在实验基础上进行优化选择。表2-1列出了诸因素与制件精度之间的关系。表2-1 激光功率、扫描速度和扫描间距对制件精度的影响试验号功率（W）速度（mm/s）间距（mm）原型（mmmmmm）测试件(mmmmmm)1520000.072520825.6420.988.662510000.072520825.2220.328.2031020000.0725201025.1220.2010.1441010000.0725201025.1020.0610.0251525000.102520825.0220.048.0461510000.102520824.8620.027.9873010000.1025201024.6819.969.6283025000.1025201024.8820.049.80激光开关延时是指产生激光的电脉冲对指令的时间延时，延时的多少与扫描速度相关联。激光的开延时太短，扫描矢量的开始端会产生“过烧”；开延时太长，扫描矢量的开始端将不会烧结；关延时太短，扫描矢量的末端将不会烧结；关延时太长时，扫描矢量的末端将会“过烧”。同样，振镜的开关延时也会产生类似的影响，因而只有合适的延时参数才会产生均匀的扫描线，制件的精度才会高。研究表明，减小扫描间距可以减小制件表面的粗糙度，但减小扫描间距导致制件翘曲的趋向会增大。2.5 加工过程中温度场的影响在SLS系统中，预热温度是重要的工艺参数之一。粉末的预热温度直接决定了烧结深度和密度。如果预热温度太低，由于粉层冷却太快，熔化颗粒之间来不及充分润湿和互相扩散、流动，烧结体内留下大量空隙，导致烧结深度和密度大幅度下降，使成形件质量受到很大的影响。随着加热温度的提高，粉末材料导热性能变好(同时低熔点有机成分液相数增加，有利于其流动扩散和润湿，可以得到更好的层内烧结和层间烧结，使烧结深度和密度增加，从而提高成形质量)。但是，若预热温度太高，又会导致部分低熔点有机物的碳化和烧损，反而降低烧结深度和密度。为了提高制件的精度，在HRPS 系列设备上做了大量实验，总结出了几种有效的温度控制方式：（1） 模糊控制方式。将操作经验总结成控制规则，据此制造一个“模糊控制器”，来代替人对复杂的加工过程进行控制。在“模糊控制器中”写入温度差值及其变化率和相应的控制信息，也就是说，根据偏差和偏差变化率综合进行权衡和判断。从而保证系统控制的稳定性，减少超调量及振荡现象。实验表明这种方法可以明显提高制件的精度。（2） 基于零件切片的自适应控制，即用温度检测模块与温度控制两个功能模块组成一个闭环控制系统。温度检测利用热电偶或者红外测温仪采集微弱信号，并经温度数字仪放大，再传入A/ D转换板，然后进行数据处理及温度显示。温度控制模块则是把采集的数据分析和按一定的控制算法计算后得出控制量，由A/D转换板输出，通过控制可控硅的触发电压而控制加热管的输出功率，最终使加热能量变化，这种方法效果也很明显。2.6 扫描路径的影响目前扫描路径的生成主要有两种方法：一种是逐行扫描（如图2-2所示），每一段路径均互相平行，在边界线内往复扫描，也称为Z 字路径；另一种是轮廓环扫描（如图2-3所示），扫描路径由轮廓的一系列等距平行线构成，激光光斑就沿这些平行线逐层扫描。逐行扫描又有两种扫描方法，一种是单向扫描，扫描起始点在同一端，每条扫描线之间有很大的空跳，所以这种扫描方式很少被采用。另一种是双向扫描，就是相邻扫描线的起始点在不同的两端，这样可以减少空跳距离，但是这种方法需要频繁开关激光，必须很好的调节各种延时参数，不然很容易引起制件收缩变形。轮廓环扫描在连续不断的扫描过程中扫描线经常改变方向，使得收缩引起的内应力方向分散，减小了翘曲的可能，制件的表面均匀。但这种算法效率不高，影响了成型的效率。 图2-2 逐行扫描 图2-3 轮廓环扫描因此，现在大都采用连贯性逐行扫描。但是由于这种扫描方式本身的缺陷，必须对它的路径进行优化。用这种方式时，当遇到孔洞的层面时，还不可避免的会用到很多延时，这同样会出现以上提到的设置延时参数的问题，而且在分区交界处还会有粘结不紧密的问题。针对这些问题，通过在相邻扫描层面间采用变向扫描的方法来解决。所谓变向扫描，就是在完成一个层面的添充扫描后，下一层的扫描线方向旋转一个角度（一般为90度），这样可以避免相邻层面的局部的烧结缺陷不至于重合，使得工件的内部组织结构合理，力学性能更优。2.7 烧结层厚对精度的影响烧结层厚对制件的精度和表面光度影响很大，一般认为层厚越小精度越高，零件的表面光洁度也越高；这在烧结斜面、曲面等形状的零件时最为明显。但当切片层厚太薄时，层片之间很容易产生翘曲变形，并且切片层厚越薄制件的烧结时间越长。建议设置每层高度为0.1mm。2.8 本章小结从以上的分析和研究中可以看出，影响SLS 制件精度的因素很多，包括SLS 设备的性能和精度、激光特性参数、预热温度、烧结扫描路径的选择以及烧结层数的设置等等，这些都会引起制件的烧结精度和变形。当然还有其他一些影响因素没有提到，比如说烧结材料的性能等。为了获得更高的制件精度，还必须不断地对现有设备的铺粉装置部分进行优化，在激光参数的设置上找出更好的选择，以及对扫描路径找出更好的控制部分，这还需要我们做大量的工作。3 铺粉装置的设计3.1 铺粉机构选型及论证3.1.1 采用步进电机作为送粉缸和成型缸的驱动装置步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的驱动器，它具有独特的优点：步距值不易因为电气、负载、环境等条件的变化而变化，使用开环控制或者半闭环控制就能进行良好的定位控制；起制动、正反转、变速等控制方便；价格便宜，可靠性高等；并且步进电机与单片机技术相结合、使其优点得到充分发挥。基于以上原因，再结合本装置的特点，所以选用步进电机对铺粉厚度进行控制。3.1.2 采用滚珠丝杠模块作为送粉缸和成型缸的传动装置滚珠丝杠精度高，摩擦阻力小，是工具机和精密机械上最常使用的传动元件。其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 滚珠丝杠有如下特点： (1) 与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面效果显著。 (2) 高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度和湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 (3) 微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。(4) 无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 (5) 实现高速进给滚珠丝杠由于运动效率高、发热小。所以可实现高速进给(运动)。基于以上原因，所以选择滚珠丝杠作为送粉缸和成型缸的传动机构。3.1.3 采用气动装置作为铺粉装置的驱动装置(1) 气压传动系统的介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。且气源的获取比较容易，在当今的工厂里，压缩空气输送管路像电气配线一样比比皆是。这是气压传动系统成本低的一个主要因素。(2) 气压传动的工作介质粘度很小，仅为油液的百分之一，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。不像液压传动那样在每台机器附近要设置一个动力源，因此使用方便。(3) 气压传动工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强辐射、振动等恶劣工作环境下，仍能可靠地工作。(4) 气压传动有较好的自保持能力。即使气源停止工作，或气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力。而液压传动要维持一定的压力，需要有能源工作或加蓄能器。(5) 气压传动在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，并不易发生过热现象。(6) 气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力一般不宜大于1040kN，仅适用于小功率场合，在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。(7) 气压传动动作速度和反应快。液压油在管道中流动速度为15m/s，而气体流速可以大于10m/s，甚至接近声速。因此在0.020.03s内即可以达到所要求的工作压力和速度。3.1.4 采用直线导轨作为铺粉装置的传动装置直线导轨摩擦阻力小，机械运动灵活。它有以下的特点：(1) 定位精度高，重现性佳直线导轨为滚动运动方式，摩擦系数特别小，尤其静摩擦力与动摩擦力的差距很小，即使在微量进给时也不会有空转打滑的现象，解析能力与重现性最佳，因此可以实现m级的定位精度。(2) 低摩擦阻力，可长时间维持精度直线导轨的滚动摩擦力可减小至滑动导轨摩擦阻力的1/201/40，尤其润滑结构简单，使得润滑容易，效果优良；摩擦接触面的磨耗最低，因此可以长时间维持行走精度。 (3) 可承受四方向的高负荷能力几何力学结构的最佳设计，可同时承受径向、反径向与横方向的负荷，并保持行走精度，同时可轻易藉由施于预压与滑块数量，就可以提高起性能与负荷能力。(4) 适合高速化之应用由于摩擦阻力小的特性，导轨对设备的驱动力需求低，节省能源，运动磨耗小，温升效应低，可同时实现机械小型化与高速化需求。(5) 组装容易并具互换之特性直线导轨的安装只要在铣削或研磨加工的安装面上，以一定的组装步骤，即能重现直线导轨的加工密度，可降低传统铲花加工的时间与成本；并且其可互换之特性，可以将滑块任意配装在同型号的滑轨上，同时又保持相同的顺畅度与精密度，机台组装最容易，维修保养最简单、容易。3.1.5 密封装置为防止加工材料在烧结时被氧化，在工作台上方装置密封箱。这样本装置的适用范围会更广，适用材料的范围更宽。本装置的总体结构简图如图3-1所示： 图3-1 机构简图3.2 送粉缸及成型缸的设计3.2.1 步进电机的选型步进电机具有步距角不易变化、起动制动、正反转、变速等控制方便、简单的特点，所以本装置选择用步进电机作为驱动。在选择步进电机时首先考虑的是步进电机的类型，其次才是具体品种的选择。（1） 确定步进电机的类型由于本装置要求提升装置精度高，动态响应快。所以选择混合型步进电机。（2） 确定脉冲当量根据装置的加工精度要求，选择步进电机的脉冲当量为0.01mm。（3） 步进电机步距角的选择选择步进电机的步距角为0.9。（4） 步进电机最大静态转矩（ ）的确定1) 转动惯量计算在旋转运动中，物体的转动惯量J对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷，必须计算物体的转动惯量和角加速度，然后得惯性力矩:T (3-1)物体的转动惯量为： (3-2)式中： 为体积元；为物体密度；为体积元与转轴的距离,单位：。则： (3-3)其中：为长度，=252mm；为直径，=10mm；为不锈钢密度，=。将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量，滚珠丝杠传动机构与公式如下： (3-4)式中：为可动部分总重量（Kg）；为丝杠螺距（mm）； GL：减速比（无单位）。 所以，按照设计要求，将铺粉厚度设为0.1mm。步进电机去步距角为的混合型，即400转转一周；选丝杠螺距为4mm，则步进电机每个脉冲丝杠走0.01mm。每次铺粉需10个脉冲。其中:钛粉密度= 送粉缸体积为： (3-5)则 由上式计算得 =2） 加速度计算若要控制系统定位准确，物体运动必须有加减速过程，V-S图像如3-2所示： 图3-2 步进电机加减速过程示意图混合式步进电机的加速时间为0.5s (3-6)3） 步进电机的力矩计算 = 107.78 (3-7)其中： 为系统外力折算到电机上的力矩；为传动系统的效率，取0.9。取安全系数为1.2。则： T=129.33 综上由手册查得：选取步进电机的类型为MT35ST361004A（单伸轴）3.2.2 步进电机与丝杠连接处联轴器的选型（1） 联轴器类型的选择由于所连接的两轴的直径不同，所以选择变径联轴器。（2） 联轴器的校核由于装置启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按照轴上的最大转矩作为计算转矩。计算转矩按照下式计算： (3-8)式中：T为公称转矩，单位,为工况系数，本装置取1.3。经计算：（3） 确定联轴器的型号 根据计算转矩及以下公式 (3-9)所以，选择联轴器型号为GTB1。3.2.3 提升装置（滚珠丝杠）的选型由装置产品手册选择型号为SHTC灵活型，本系统的特别之处是设计了自由滑动长度，在短短两底块的基础上，形成滑动。两者之间的距离可以很容易被调整，以适应特定的应用要求。更特别的是本系统可以垂直应用与悬臂负荷。3.2.4 送粉缸和成型缸的设计送粉缸机成型缸装置如图3-3所示，其中左右两缸是送粉缸筒，中间是成型缸筒，因为送粉缸上升的高度和成型缸下降的高度相同，为了铺满成型缸，所以设计的送粉缸尺寸比成型缸尺寸大。烧结开始第一层后，成型缸筒内活塞下降距离，送粉缸筒（左）内活塞上升距离，送粉缸筒（右）内活塞不动，铺粉辊筒自左向右推粉运动，将粉末均匀的铺在烧结区，进行第一层烧结；当第一层烧结完毕后，成型缸筒内活塞再下降距离，送粉缸筒（左）内活塞上升距离，送粉缸筒（左）内活塞不动，铺粉滚筒自右向左推粉运动，将粉末均匀的铺在烧结区，进行第二层烧结。以此过程不断进行烧结，直至模型烧结完毕。活塞的上升和下降有步进电机进行驱动，为了使上升和下降的位移更加精确，又由步进电机驱动滚珠丝杠模块来带动活塞运动。图3-3 送粉缸和成型缸在装置中的位置简图送粉缸和成型缸的设计形式一样，不同的是两者之间的筒径的尺寸，所以下面以送粉缸进行说明两缸的设计。送粉缸缸筒有两部分组成，一部分是法兰，另一部分是缸筒。这样设计主要是为了便于加工，降低成本。如图3-4所示为成型缸和其法兰盘：A图3-4 送粉缸（左）和法兰盘（右）里 本结构还在活塞杆和活塞连接处运用了十字连结，使用此结构的目的主要是为了防止活塞在活塞缸中由于摩擦力太大使活塞卡在送粉缸中使机构无法运动，此十字联结的适用增加了活塞杆和活塞连接处的自由度，有效的解决了这个问题。十字联结的具体结构如图3-5所示： 图3-5 十字联结示意图活塞和缸筒壁之间有一定的配合间隙，间隙太大则导致粉末从间隙漏过，间隙太小则加工成本高，且活塞比较容易被卡住。为了解决这一问题，在活塞上压一层毛毡起到密封的作用，这样活塞与筒壁之间的间隙可以选的比较大点，减低加工难度，同时也不会发生漏粉和活塞卡住的现象。激光烧结即每层烧结的厚度取决于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程，其计算如下： (3-10)上式中：为步进电机步距角；p为滚珠丝杠导程。3.3 铺粉装置的的设计3.3.1 总体装置的设计本装置选用气动装置的原因一是因为气动装置清洁，在密封状况下不会污染环境；二是因为气动装置可以满足本系统的要求，实现所需要的动作要求；更重要的是为了在这次毕业设计中得到全方位的训练。本装置的铺粉系统采用气动驱动铺粉辊，铺粉辊通过支撑架固定在滚动导轨副上，通过导轨副来回移动进行铺粉动作。铺粉装置示意图如图3-6所示：图3-6 铺粉装置示意图支持架1及推板2在气动装置3的拖动下可以来回移动，铺粉辊筒4固定在支持架1上，推板2也固定在支持架1上，铺粉滚筒用密度比较大的材料做成，可以在摩擦力的作用下自由转动，起到一个对所铺粉末压实的作用。支持架上自带双向推板，可以完成推粉的任务。同时推板可以进行通过调节装置5上下调节，来调整所预留粉末的厚度，以此作为进行压实的基础。铺粉时，气动装置推动支持架推粉运动，而铺粉辊在自重的作用下再进行压实，这样烧结出来的产品质量才会好。3.3.2 气缸的选择3.3.2.1 气缸的类型的选择根据本系统所要实现的动作要求及气缸的工作特性，选择固定式双作用活塞式气缸。3.3.2.2 气缸的主要尺寸及其结构的设计（1） 气缸直径的设计由制件的尺寸及要求得所要求的行程为又有公式 (3-11)其中:为气缸行程；为气缸直径。计算得气缸直径：=100mm。（2） 气缸缸筒的设计1） 汽缸筒的长度设计有公式： (3-12)其中：为气缸的行程；为气缸中活塞的宽度。计算得： 取=500mm。2） 气缸筒的壁厚气缸筒的壁厚可利用薄壁圆筒的强度计算公式来确定： (3-13)上式中：为气缸工作压力（）； 为气缸内径（）；为气缸材料的需用拉应力（）； ；为缸体材料的抗拉强度；为安全系数，一般取6：8；C是未来考虑到刚度，加工制造，腐蚀等要求所加的余量。由气动手册查得：材料为45钢的气缸=120。又由上知D=100mm，所以得壁厚=8mm。3) 气缸进排气口直径气缸进排气口直径的大小，直接决定了气缸进气速度，也决定了活塞的运行速度。应加以重视，直径的确定可根据空气流经排气口的速度来计算，一般取=1025，因而有以下公式： (3-14) 经计算，得：=15mm(3) 活塞的结构设计活塞的功用是将压缩空气的压力能转变为机械能。由于活塞要频繁往复运动，又要间隔两腔空气，因此就要保证其耐磨和密封。目前多采用铸铁活塞及O型或Y型密封圈实现密封。本装置采用O型密封圈实现密封。活塞的外径即是气缸的内径，二者的配合精度，一般多采用配合，活塞表面粗糙度=0.8 。活塞的宽度取决于密封圈的排数，一般多采用双排密封圈。本活塞的宽度为10mm。活塞杆的作用是将活塞转换出的机械能以机械力的形式推动负载运动。按照液压与气动传动表131，由活塞缸的直径选择得活塞杆的直径取。另外，为了防止气缸在行程末端时，活塞以很大的速度撞击端盖，引起气缸震动和损坏，采用带有缓冲装置的缓冲气缸。综合上面的计算尺寸及其功能，由气动手册查得选用气缸的型号为JB100500G(脚架式)。3.3.2.3 气缸电磁阀的选择气源三联件根据上面计算出来的进口要求压力选择型号为QFLJWBL15，其进口压力为0.4MP。并根据气缸所要实现的动作特点及要求，电控阀采用双电控二位五通换向阀，型号为QFLJWBL15。3.3.3 滚动导轨副的设计选择为了达到铺粉辊来回铺粉的功用，本系统选择滚动导轨副来实现这个动作。因为THK公司的HR型具有自动调节能力，即使两轴的平行度和水平度较差，也能吸收误差，从而得到高精度，平滑稳定的直线运动。并且它还可以以各种各样的姿势使用。所以选择THK个公司的LM滚动导轨副，具体型号选择HR1123，尺寸如所附零件图。3.3.4 铺粉辊子及其推板的设计铺粉装置示意图如图所示，滚动导轨副在气动装置的拖动下可以来回移动，铺粉辊筒及推板固定在滚动导轨副上。铺粉时，滑动导轨副在气动装置的带动下运动，前推板进行推粉，而质量较重的辊子主要进行所铺粉末的压实，由于铺粉辊子自传可能抛撒已铺粉末，所以，后推板再对压实粉末进行最后整理，当所铺粉末烧结完成后，后推板变前推板，前推板变后推板，继续进行铺粉。如此反复。铺粉装置的设计好坏对铺粉的均匀性起着决定性的作用，而铺粉的均匀性又直接影响着烧结的质量，铺粉装置的设计存在着以下几个关键方面：（1） 辊子转动时自带粉末的处理尽管推板在辊筒压实之前已经把粉末基本上自带一小部分粉末，然后在离心力的作用下抛撒在已经铺均匀了，但是辊筒在压实的时候还是会压实过的地方，示意图如图3-7所示： 图3-7 铺粉辊筒转向示意图为了解决这个问题，本系统设计了双向推板，一方面双向推板可以实现双向铺粉的要求，节省了效率；另一方面，双向推板可以解决这个问题，当铺粉辊筒抛撒粉末时，后面的推板可以把抛撒的粉末推走，使铺粉均匀，从而给烧结提供一个好的前提。下面是辊子的受力分析：图3-8 铺粉辊筒转动时粉末受力示意图如果辊筒只发生纯滚动，辊筒与粉末接触点处的相对速度可以认为是零，这时粉末只受到如图3-8所示的正压力F的作用，其分力推动粉末向前运动，分力对粉末起到压实的作用。如果远大于，则有可能辊筒直接从粉末上碾过而不能起到铺粉的作用。在这种情况下设计了双推板装置，可以预先达到铺粉的作用，而辊筒的作用是压实，可以实现。（2） 辊子半径的设计辊筒的作用是压实，所以辊筒的质量要尽可能的大，这样才能大，压实的效果才能好。为了达到这个目的，一方面可以使制作辊筒的材料的密度相对大些；另一方面，可以使辊筒的半径尽可能的大。（3） 辊子表面的设计辊筒表面的粗糙度直接影响铺粉后压实后粉末的表面质量。辊筒表面过于粗糙时会使已铺好粉末的烧