激光快速成型机光头支撑控制架设计

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1 绪论

1.1 课题的背景及目的

RP技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。在工业发达国家，

企业在新产品研发过程中采用RP技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前，市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力，迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时，积极采用先进的创新手段。RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用RP技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，非常有利于优化产品设计，从而大大提高新产品开发的一次成功率，提高产品的市场竞争力，缩短研发周期，降低研发成本。快速原型制造技术的成立为本市企业应用RP技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。

RP技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。 1.2 RP技术的分类 1.2.1 SLA快速成形

SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过 数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 ， 使表面特定区域内的一层树脂固化后， 当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后 升降台下降一定距离 ， 固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而

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成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。 1.2.2 SLS快速成形

选择性激光烧结(以下简称SLS)技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl ckard于1989年提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。

与其它快速成型(RP)方法相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS

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的应用越来越广泛。 1.2.3 LOM快速成形

分层实体制造（ LOM——Laminated Object Manufacturing）法，LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。 LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。该方法的特点是原材料价格便宜、成本低。 1.2.4 FDM快速成形

熔积成型（FDM——Fused Deposition Modeling）法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该方法污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。 1.3 激光快速成型机光头控制价设计的方案确定

经过对市场上的产品调查研究，结合本设计的要求主要设计激光快速成型机光头控制架的结构。通过在实验室考察得知，此种快速成型机种类样式繁多，经过和指导老师交流，研究决定对SF960激光雕刻机进行设计。 1.4 激光雕刻机的加工特点

激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大综合性能。通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工要求调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化。随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸似地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程。因此激光雕刻机在加工时具

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有以下特点：

1、自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。

2、产品的尺寸精度高，一致性好。雕刻过程是由计算机控制完成的，可以达到很高的精度和表面质量；批量加工时，产品的一致性好，这对于小模具行业十分重要。 3、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面，改善了雕刻表面质量，提高了雕刻效率。 1.5 激光加工及数控激光雕刻机的适用范围

激光加工的主要参数是激光的功率密度，激光的波长和输出的脉宽，激光照在工件上的时间及工件对能量的吸收等。只要对主要参数进行合理选用，激光可以进行多种类型的加工。如对材料的表面热处理、焊接、切割、打孔、雕刻及微细加工等。而数控激光雕刻机的加工对象有机板、布料、纸、皮革、橡胶、厚纸板、密集版、发泡棉、美耐皿、玻璃、塑胶，以及其它非金属。数控激光雕刻机加工技术已广泛用于机械工业、电子工业、国防和人民生活等许多领域]。

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2 总体方案设计

总体方案设计是激光雕刻机机架设计的前提和基础，是雕刻机机架具体内容的设计的指导思想。总体方案有了明确、清晰的思路，才能设计出满足设计要求的激光雕刻机的机架。因此，在机架的详细说明书进行之前，一定要对机架做一个合理的总体设计。机架的总体设计要遵循机架设计的准则和要求。 2.1机架设计的准则与要求 2.1.1 机架设计准则

机架是机器（或仪表）中支撑零件的统称。例如底座、床身、车架、桥架等。在机架的设计中，应该遵循强度刚度稳定性准则。同时还需要满足工况要求，美观，等其他（如散热，防腐蚀）要求。 2.1.2 机架设计的一般要求

在机架满足设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境。考虑下列各项要求，并有所偏重。

(1) 机架的重量轻,材料选择合适,成本低。 (2) 结构合理,便与制造。

(3) 结构应使机架上的零部件安装,调整,修理和更换都方便。

(4) 结构设计合理,工艺性好,还应使机架本身的内应力小,有温度变化引起的变形应力小。

(5) 抗震性能好。

(6) 耐腐蚀,使机架结构在服务期限内尽量少修理。 (7) 有导轨的机架要求导轨面受力合理,耐磨性良好。 2.2 激光雕刻机的机械部分结构

机械结构作为雕刻机的硬件部分，对雕刻机的加工过程、刻字效果有着重要的影响。

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