先进制造技术实验指导书(诉法).doc

逆向工程技术

实验指导书

福建工程学院机电及自动化工程系

2013年7月

实验1 三坐标测量机测量实验

—、实验要点
1.了解三坐标测量机的原理、组成及各部分的作用；
2.熟悉三坐标测量机的主要技术规格；
3.观察三坐标测量机的工作过程，了解三坐标测量机测量软件LKDMIS的基本使用。
4.学习平行度、垂直度等位置公差或形状公差的测量方法：
二、实验目的
1.正确描述三坐标测量机的原理、组成及各部分的作用；
2.了解三坐标测量机测量软件LKDMIS的基本使用。
三、实验设备
三坐标测量机：三坐标测量机是一种高效、新颖的精密测量仪器。它广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、航空工业等各领域。
应用三坐标测量机可对直线坐标、平面坐标以及空间三维尺寸进行测量，可以测量球体直径、球心坐标、曲线曲面轮廓、各种角度关系以及凸轮、叶片等复杂零件的几何尺寸和形状位置误差。
三坐标测量机测量精度高，速度快，软件功能强大，是测量行业不可或缺的高级仪器。
四、三坐标测量机的组成及工作原理
1. 三坐标测量机的组成
图1 三坐标测量机的组成
1. 工作台 2. 移动桥架 3. 中央滑架
4. Z轴 5. 测头 6. 电子系统
三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。
    （1）机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图1所示结构中，X向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y向导轨系统，Z向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。
（2）电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。

2. 三坐标测量机的工作原理
三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图2所示，要测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。
五、实验步骤
图2 坐标测量原理
检测25中心O1与25中心O2的中心距。实验步骤如下：
1.将试件1放在测量平台上。
建立工件测量坐标系：将坐标系的三个轴的方向和坐标原点建立在零件上，用于一些同类零件的程序控制自动测量。
在试件上分别测量一个平面、一条直线、一个点。约束试件的六个自由度。在同一Z轴高度上，分别测量两个圆，手动采点8个，并且报告两个圆的的直径尺寸。
移动测针到被测圆弧面上方，手动采点若干个(分析为什么采点个数不同而造成结果也不同？)。
2．两个圆的中心距离
将试件1放在测量平台上。建立工件测量坐标系：在试件上分别测量一个平面、一条直线、一个点。约束试件的六个自由度。测量两个圆的中心矩。
报告两个圆的中心距离。
六、实验结果
填好如下表格
1．
项目
圆直径测量值
中心距测量值
25(01)

25(02)

2．
项目
25(01)圆直径
测量值
25(02)
3点

8点

25(02)圆的圆柱度

七、实验报告要求
1．写出实验目的、实验设备、实验的步骤及实验结果。
2．对测量结果进行分析。
3. 三坐标测量机应用于什么样的场合？测量原理如何？

实验2 快速原型机加工实验

—、实验要点
1.了解快速原型设备的组成及各部分的作用；
2.熟悉快速原型设备的主要技术规格；
3.观察快速原型设备的工作过程，了解其工作原理。
二、实验目的
1.正确描述快速原型设备的组成及各部分的作用；
2.了解快速原型设备的主要技术参数的设定；
3.了解SLS方法的工作原理。
三、实验设备
AFS-320MZ/Q自动成型机由机械主体部分、光学系统和控制系统三部分组成。
（1）机械主体部分由机架、工作平台、铺粉机械、活塞缸、集料箱、加热灯和通风除尘装置组成。工作平台用于安装铺粉机构和活塞缸。铺粉机构的作用是将成型粉料铺平，由两根密封式导轨、铺粉车驱动电机（步进电机）、联轴器、铺粉小车和铺粉车罩组成。活塞缸由缸体、活塞、密封圈、精密滚珠丝杠、步进电机等组成，其中一个用于储备成型粉料和供料，称为料缸；另一个用于成型烧结，称为成型缸，两缸结构相同。集料箱用于收集成型过程中多铺的粉料及卸料。加热灯安装在滑动导轨上，其作用是将成型缸表面的粉均匀加热，以节省激光能量及减少成型过程中由于受热不均匀所产生的变形。通风除尘装置由通风管路和滤尘箱组成，用于排除工作过程中产生的粉尘和烟雾。
成型机的运动部件有：两个活塞缸中的活塞通过精密滚珠丝杆做上下往复运动；铺粉小车通过两根直线导轨做直线往复运动；铺粉辊沿铺粉方向做逆时针转动。直线导轨和滚珠丝杠上均装有限位装置，使这些运动部件的运动限制在行程范围之内。

图5 AFS-320MZ/Q自动成型机光学系统
（2）光学系统如图5所示，用于生成激光并控制其运动，最终对粉末材料进行选区烧结。光学系统主要部件有激光器、扫射镜、扩束聚焦系统、扫描器、窗口、光束合成器和指示光源等。
（3）控制系统是一个由计算机控制的开环控制系统。其原理是：计算机一方面控制铺粉装置进行铺粉，将成型粉料均匀地铺在烧结表面上，另一方面控制激光器和扫描器动作，使激光束在工作平面上不断扫描。完成一层的烧结后，成型缸活塞下降一定高度，料缸上升一定高度，铺粉装置进行铺粉，系统进行新一层的烧结。不断重复上述过程，直至完成整个零件的加工。
铺粉装置含有四台步进电机（两台用于驱动料缸和活塞缸的上下运动、另两台分别用于驱动铺粉小车的水平运动和滚轮转动），系统通过AT6400卡对各个步进电机进行控制。
四、工作流程
RP技术的工作原理是：根据零件的三维CAD实体模型，利用专业切片软件对其进行切片处理，得到模型每层截面的轮廓，再在快速原型设备中用激光或其它方法将材料进行逐层成型，从而形成零件的原型。RP技术的工作原理可简单地概括为数据离散、材料堆积。由于RP技术是将复杂三维实体通过切片转换为二维来加工的，因此通常又称为层加工（Layer Manufacturing）。RP技术打破了传统的制造模式，利用离散／堆积的原理，由CAD模型直接驱动，快速完成任意复杂形状的原型和零件。
SLS（选择性激光烧结）成型技术的工作原理如6所示。在成型时，铺
图6 SLS成型技术的工作原理
粉装置先在成型缸中铺上一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓信息，对制件实体部分所在的区域进行扫描，使粉末的温度升高并达到熔点，粉末颗粒被熔化而相互粘结，激光束不断扫描直至完成一层截面的成型。在该层中，非烧结区的粉末未被激光扫描，因此仍然是松散的粉末，这些松散的粉末可作为工件和下一层粉末的支撑。完成一层的成型后，成型缸下降一个截面层的高度，同时料缸上升一定的高度，进行下一层的铺粉和扫描烧结，如此循环，最终完成整个制件的成型。
选择性激光烧结具有成型材料类型多、成型工艺简单、成型成本较低等特点。从成型原理上说，SLS成型方法可适用于任何粉末材料，是目前成型材料种类最多的一种快速原型技术。目前在实际应用中，工艺较成熟的成型材料有石蜡和塑料，陶瓷、金属等成型材料由于熔点较高，尚处理研究阶段。在AFS-320MZ/Q自动成型机上，其工作流程如图7所示。

1. 零件造型、生成STL文件
应用CAD/CAM软件完成零件的三维实体造型，并通过数据接口输出STL文件。应该注意的是：进行零件造型时，最终必需用实体模型来表达。
2. 零件切片、生成CLI文件
由于RP工艺是按一层一层截面轮廓进行加工的，因此加工前必须在三维模型上沿成形高度方向每隔一定的间距进行切片处理，以便提取截面的轮廓。可以说，零件切片是快速原型技术中的重要环节。目前常用的切片软件有Magic RP、等。下面以Magic RP 6.2为例简要介绍切片软件的使用（图8为Magic RP6.2软件的用户界面）。
（1）打开文件：在下拉菜单中点击File→Load Part（或按Ctrl+L），选择需要打开的STL文件。
（2）零件修复：打开文件后，首先要对零件进行修复，检查其是否存在缺陷。按F9，系统弹出零件属性对话框，若对话框中“Bad Edges”或“Bad Contours”不为零，则说明零件存在缺陷，需要进行修复。
图7 SLS快速原型技术的工作流程
在图9a所示对话框中点击Automatic标签，系统显示图9b所示页面。点击“Do All”选项，系统对零件进行修复计算。修复结束后，再查看零件属性，若“Bad Edges”或“Bad Contours”为零，则说明零件已没有错误；若仍不为零，则需修改参数，再次进行修复。不断重复上述操作，直至“Bad Edges”或“Bad Contours”为零为止。
（3）零件编辑：通常包括形状编辑和位置编辑。形状编辑有零件比例缩放、实体布尔运算等，位置编辑有零件回零、移动、旋转等。
（4）零件切片：在下拉菜单中点击Slicer→选择Slice All或Slice Selected对所有零件或所选零件进行切片，设置切片参数后（如图10所示），点击对话框“OK”选项，系统对零件进行切片，切片结果一般为CLI文件。
注意：如果对多个零件进行切片，在切片前需先选取所有零件，然后对其进行合并，完成合并操作后再进行切片。
图8 Magic RP 6.2用户界面

（a） （b）
图9 零件修复

图10 零件切片参数设置

3. 数据校核、输出AFI文件
运行Arps软件，打开刚生成的CLI文件，系统自动对该文件进行数据校核。调入文件后，在下拉菜单中点击文件（F）→输出AFI文件，设置有关参数（如图11所示），完成AFI的输出。
4. 工艺设置、完成原型制作
SLS加工工艺参数包括激光功率、激光束扫描速度、扫描间距、环境温度、层厚、储料桶的粉末预热温度、粉层预热温度、铺粉棍速度等，这些参数应根据成型材料的特性，结合实际加工条件综合考虑。有些参数的设置在零件切片或输出AFI文件时已完成（如层厚、扫描间距等），其余参数一般在工控机上设置。
图11 输出AFI文件参数设置
当作好有关准备工作后，便可以开始加工：
打开AFSWin软件，系统将自动打开激光器、扫描器和冷却器；
将料缸和成型缸的粉料铺平；
检查料缸的余料高度是否超过需料高度；
将激光器的功率调节至20%~25%（需根据具体情况而定）；
移动加热器至成型缸上方，按下加热器按钮，开始粉料加热（一般加热温度设置为92℃~96℃）；
点击“加工”命令，系统开始加工。
注意：在加工过程中，需根据加工情况对激光器功率和设置温度进行适当的调节。
5.制件后置处理
由于粉末密度较小，烧结好的制件较脆，而且表面不够光滑。为了提高制件强度和表面粗糙度等，一般需进行后处理。后处理包括零件清理（清粉、去除多余结构）、固化处理（浸蜡、涂刷树脂）、烘干、抛光、装配等。
五、实验报告要求
1．写出实验目的、实验设备、实验的步骤。
2．叙述基于SLS技术原型件制作的工艺流程并记录成型工艺参数。
3. 切片的间距的大小对成形件的精度和生产率会产生怎样的影响？
4. 你认为快速原型制造方法的应用前景怎样？