1、第五章第五章快速成型設備快速成型設備 快速成型設備的研究與開發是快速成型制造技術的重要部分，各快速成型設備的研究與開發是快速成型制造技術的重要部分，各種快速成型設備可以說是相應的快速成型技術方法以及相關材料等研種快速成型設備可以說是相應的快速成型技術方法以及相關材料等研究成果的集中體現，快速成型設備系統的先進程度是衡量快速成型技究成果的集中體現，快速成型設備系統的先進程度是衡量快速成型技術發展水平的標志。術發展水平的標志。隨著隨著19881988年年3D Systems3D Systems公司推出第一臺快速成公司推出第一臺快速成型商品化設備型商品化設備SLA250SLA250以來以來，世界范圍

2、內相繼推出了和快速成型方法對，世界范圍內相繼推出了和快速成型方法對應的多種商品化設備和實驗室階段的設備。和快速成型技術方法一樣，應的多種商品化設備和實驗室階段的設備。和快速成型技術方法一樣，目前，商品化比較成熟的設備系統有目前，商品化比較成熟的設備系統有光固化成型設備系統光固化成型設備系統、疊層實體疊層實體制造設備系統制造設備系統、熔融沉積制造設備系統熔融沉積制造設備系統以及以及選擇性激光燒結成型系統選擇性激光燒結成型系統等。上述這些比較成熟的商品化設備系統的銷售量平均以等。上述這些比較成熟的商品化設備系統的銷售量平均以5050左右的左右的速度在逐年遞增，標志著快速成型技術的應用速度在逐年遞增

3、，標志著快速成型技術的應用正處于繁榮發展的階段正處于繁榮發展的階段。 概概 述述一、光固化快速成型制造設備一、光固化快速成型制造設備 2020世紀世紀7070年代末到年代末到8080年代初期，美國年代初期，美國3M3M公司的公司的Alan J. Hebert(1978)Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男日本的小玉秀男(1980)(1980)、美國、美國UVPUVP公司的公司的Charles W. Hull(1982)Charles W. Hull(1982)和日本的和日本的丸谷洋二丸谷洋二(1983)(1983)，在不同的地點各自獨立地提出了，在不同的地點各自獨立地提出了

4、RPRP的概念，即利用連續的概念，即利用連續層的選區固化產生三維實體的新思想。層的選區固化產生三維實體的新思想。Charles HullCharles Hull在在UVPUVP的繼續支持下，的繼續支持下，完成了一個能自動建造零件的稱之為完成了一個能自動建造零件的稱之為SLA-1SLA-1的完整系統。同年，的完整系統。同年，Charles Charles HullHull和和UVPUVP的股東們一起建立了的股東們一起建立了3D Systems3D Systems公司，并于公司，并于19881988年首次推出年首次推出SLA-250SLA-250機型，機型，如圖所示。如圖所示。 目前，研究光固化成

5、型設備的單位有目前，研究光固化成型設備的單位有美國美國的的3D Systems3D Systems公司公司、AaroflexAaroflex公司，公司，德國的德國的EOSEOS公司公司、F&SF&S公司，公司，日本的日本的SONY/D-MECSONY/D-MEC公司公司、Teijin SeikiTeijin Seiki公司、公司、Denken EngieeringDenken Engieering公司、公司、MeikoMeiko公司、公司、UnipidUnipid公司、公司、NTT DATA&CMETNTT DATA&CMET公司，公司，以色列的以色列的CubitalCubital公司公司以及

6、以及國內的西安交通大國內的西安交通大學、上海聯泰科技有限公司等學、上海聯泰科技有限公司等。 在上述研究在上述研究SLA設備的眾多公司中，美國設備的眾多公司中，美國3D Systems公司的公司的SLA技術在國際市場上占的比例最大。技術在國際市場上占的比例最大。3D Systems公司在繼公司在繼1988年推出第一臺商品化設備年推出第一臺商品化設備SLA250以來，又于以來，又于1997年推出了年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三種機型，在光固化成型設備技三種機型，在光固化成型設備技術方面有了長足的進步。術方面有了長足的進步。其中，其中，SLA3500和和SLA5000使用

7、半導體激使用半導體激勵的固體激光器，掃描速度分別達到勵的固體激光器，掃描速度分別達到2.54m/sec和和5m/sec，成層厚，成層厚最小可達最小可達0.05mm。此外，還采用了一種稱之為。此外，還采用了一種稱之為Zephyer recoating system的新技術，該技術是在每一成層上，用一種真空吸附式刮板的新技術，該技術是在每一成層上，用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層在該層上涂一層0.050.1mm的待固化樹脂，使成形時間平均縮短了的待固化樹脂，使成形時間平均縮短了20%。該公司于。該公司于1999年推出年推出SLA7000機型。機型。SLA7000與與SLA5000機型相比，成體積

8、雖然大致相同，但其掃描速度卻達機型相比，成體積雖然大致相同，但其掃描速度卻達9.52m/sec，平均成型速度提高了平均成型速度提高了4倍，成層厚最小可達倍，成層厚最小可達0.025mm，精度提高了，精度提高了一倍。一倍。3D Systems公司最新推出的機型是公司最新推出的機型是Vipersi2SLA。 3D Systems公司的SLA-3500機型 3D Systems公司的SLA-5000機型 3D Systems公司的SLA-7000機型 3D Systems公司的Vipersi2SLA機型 國內西安交通大學在光固化成型技術、設備、材料等方面進行了大量的國內西安交通大學在光固化成型技術、

9、設備、材料等方面進行了大量的研究工作，推出了自行研制與開發的研究工作，推出了自行研制與開發的SPSSPS、LPSLPS、和、和CPSCPS三種機型，每種機型三種機型，每種機型有不同的規格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中有不同的規格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600SPS600和和LPS600LPS600成型機如圖所示。成型機如圖所示。西安交通大學SPS600成型機 西安交通大學LPS600成型機 西安交通大學光固化成型機主要性能指標與技術特征西安交通大學光固化成型機主要性能指標與技術特征 該成型機激光器、掃描與光聚焦系統兩關鍵部件從國外引進，掃描速度該成型機激光器、掃

10、描與光聚焦系統兩關鍵部件從國外引進，掃描速度SPS最大可達最大可達7m/s、LPS可達可達2m/s，精度達，精度達0.1mm；全范圍掃描分辨率；全范圍掃描分辨率達達3.6m，整機控制精度達，整機控制精度達50m，高于國外同類機器水平，保證了可靠性；，高于國外同類機器水平，保證了可靠性；掃描光斑直徑掃描光斑直徑=0.2mm，SPS激光壽命激光壽命5000h，LPS激光壽命激光壽命2000h，與，與國外水平相同。國外水平相同。 采用了采用了快速排序分層法快速排序分層法，大大加快分層速度，且具有對分層數據自動診，大大加快分層速度，且具有對分層數據自動診斷和修復功能斷和修復功能。 國際上創新的國際上創

11、新的YLSF成型工藝，大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型成型工藝，大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型件制作質量。優于美國件制作質量。優于美國3D Systems公司的工藝方法；拐角誤差采用自適應公司的工藝方法；拐角誤差采用自適應延時控制，較少了輪廓誤差的影響，此為國際首創。延時控制，較少了輪廓誤差的影響，此為國際首創。 西安交通大學光固化成型機主要性能指標與技術特征西安交通大學光固化成型機主要性能指標與技術特征 零件成型零件成型精度精度達達0.1mm(100mm)，與國外水平相同；，與國外水平相同；樣件測試尺寸合格率達到美國樣件測試尺寸合格率達到美國3D Systems公司公司SLA系列機

12、器的水平，高于系列機器的水平，高于日本日本CMET公司公司Soup型機器的水平型機器的水平。 不同材料與結構，可調整回流量，從而改善涂層質量，此為國際首創；不同材料與結構，可調整回流量，從而改善涂層質量，此為國際首創；且可以采用不同公司、不同牌號的樹脂，有良好的兼容性和開放性。優于且可以采用不同公司、不同牌號的樹脂，有良好的兼容性和開放性。優于美國美國3D Systems公司、日本公司、日本CMET公司的同類產品。公司的同類產品。 零件模型管理和成型數據生成軟件在零件模型管理和成型數據生成軟件在Windows95下自主開發、整機自制，下自主開發、整機自制，用戶界面全部漢化，具有優異的交互性和易

13、學性。而且三維用戶界面全部漢化，具有優異的交互性和易學性。而且三維STL模型的檢模型的檢視、分層過程與編輯、支撐結構的設計全部實現了圖視化操作；而成型控視、分層過程與編輯、支撐結構的設計全部實現了圖視化操作；而成型控制軟件是在制軟件是在DOS下開發，保證滿足了控制的實時性要求，操作界面全部漢下開發，保證滿足了控制的實時性要求，操作界面全部漢化和圖視化。化和圖視化。 上海聯泰科技有限公司開發的光固化成型設備主要有RS-350H、RS-350S、RS-600H和RS-600S等機型。上海聯泰公司開發的RS-600S光固化成型機 下面具體介紹下面具體介紹CPS-250CPS-250快速成型機快速成型

14、機 CPS CPS快速成型機采用普通紫外光源，通過光纖將經過一快速成型機采用普通紫外光源，通過光纖將經過一次聚焦后的普通紫外光導入透鏡，經過二次聚焦后次聚焦后的普通紫外光導入透鏡，經過二次聚焦后, ,照射在照射在樹脂液面上。二次聚焦鏡夾持在二維數控工作臺上，實現樹脂液面上。二次聚焦鏡夾持在二維數控工作臺上，實現xYxY二維掃描運動，配合二維掃描運動，配合z z軸升降運動，從而獲得三維實體。軸升降運動，從而獲得三維實體。CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機 整套設備分為兩部分，整套設備分為兩部分，即成型室部分和電器控即成型室部分和電器控制部分。安裝時，兩部制部分。安裝時，兩部分臺為一

15、起保持設備的分臺為一起保持設備的整體性，分體的結構便整體性，分體的結構便于包裝和運輸。于包裝和運輸。CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機1 1機械結構機械結構(1)Z(1)Z軸升降工作臺軸升降工作臺 z z軸升降工作臺主要完成托板的升軸升降工作臺主要完成托板的升降運動。在制作過程中，進行每一層降運動。在制作過程中，進行每一層的步進，而制作完成后，實現工作臺的步進，而制作完成后，實現工作臺快速提升出樹脂液面，以方便零件的快速提升出樹脂液面，以方便零件的取出。其運動形式采用步進電機驅動，取出。其運動形式采用步進電機驅動，絲杠傳動，導軌導向的形式，以保證絲杠傳動，導軌導向的形式，以保證z

16、 z向的運動精度。結構包括步進電機、向的運動精度。結構包括步進電機、滾珠絲杠副、導軌副、吊梁、托板、滾珠絲杠副、導軌副、吊梁、托板、立板。立板。z z軸升降工作臺軸升降工作臺CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機1 1機械結構機械結構X-YX-Y工作臺結構示意圖工作臺結構示意圖(2)xY(2)xY方向工作臺方向工作臺 x x、Y Y方向的規定：方向的規定：x x向為聚焦向為聚焦鏡頭在小導軌上的運動方向，即鏡頭在小導軌上的運動方向，即對操作者來講是前后方向；對操作者來講是前后方向；Y Y向為向為大導軌運動的方向，即對操作者大導軌運動的方向，即對操作者來看從左至右的方向。來看從左至右的方

17、向。 x x、Y Y方向工作臺主要完成聚方向工作臺主要完成聚焦鏡頭在液面上的二維精確掃描，焦鏡頭在液面上的二維精確掃描，實現每一層固化。采用步進電機實現每一層固化。采用步進電機驅動、精密同步帶傳動、精密導驅動、精密同步帶傳動、精密導軌導向的運動方式。軌導向的運動方式。 兩方向傳動的組成包括步進兩方向傳動的組成包括步進電機、導軌副、同步帶、基板。電機、導軌副、同步帶、基板。CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機1 1機械結構機械結構 (3)(3)樹脂循環系統樹脂循環系統 樹脂循環系統的作用是保證在制作過程樹脂循環系統的作用是保證在制作過程中樹脂液面位置不變，以保證聚焦光斑大小中樹脂液面

18、位置不變，以保證聚焦光斑大小恒定，該系統簡單可靠。利用樹脂恒定補充，恒定，該系統簡單可靠。利用樹脂恒定補充，動態溢流的原理保持樹脂液面不變。動態溢流的原理保持樹脂液面不變。 基本結構包括樹脂內槽、樹脂外槽、排基本結構包括樹脂內槽、樹脂外槽、排液口、液輪、直流電機，溢流槽。液口、液輪、直流電機，溢流槽。CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機2 2光學系統光學系統光學系統示意圖光學系統示意圖u光源采用紫外汞氙燈，光源采用紫外汞氙燈，u用橢球面反射罩實現第一次用橢球面反射罩實現第一次反射聚焦，聚焦后經光纖耦合反射聚焦，聚焦后經光纖耦合傳導，傳導，u再經透鏡實現二次聚焦，再經透鏡實現二次聚焦

19、，u最后將光照射到樹脂液面上。最后將光照射到樹脂液面上。光路原理如圖所示。光路原理如圖所示。CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機3 3工藝過程及操作步驟工藝過程及操作步驟 CAD CAD設計是進行快速成型的第一步，利用現有的商設計是進行快速成型的第一步，利用現有的商用用CADCAD軟件進行軟件進行CADCAD的造型，的造型， 然后通過標準的然后通過標準的STLSTL數據接口將數據傳輸到成型機數據接口將數據傳輸到成型機中，進行分層處理。中，進行分層處理。 一般情況下，分層可以在一臺獨立的計算機上進行，一般情況下，分層可以在一臺獨立的計算機上進行，然后傳輸到成型機中。然后傳輸到成型機中

20、。快速成型的制作流程快速成型的制作流程CAD設計設計分層處理分層處理工藝參數工藝參數確定確定成型制作成型制作后處理后處理CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機 1 1CPSCPS成型機的安裝與調整成型機的安裝與調整 紫外光快速成型機由成型室部分紫外光快速成型機由成型室部分( (左左) )與控制柜部分與控制柜部分( (右右) )組成組成, ,都帶有方向輪，以方便移動和運輸。都帶有方向輪，以方便移動和運輸。 CPS CPS成型機的安裝不需要特殊的地基，但地面應比較平坦，成型機的安裝不需要特殊的地基，但地面應比較平坦，以方便整機的調整。將成型機放安裝位置，先粗調地腳螺栓，以方便整機的調整。

21、將成型機放安裝位置，先粗調地腳螺栓，使腳輪脫離地面。將水平儀放在使腳輪脫離地面。將水平儀放在xYxY方向工作臺基板上，松方向工作臺基板上，松開地腳螺栓的鎖緊螺母，用扳手卡住地腳螺栓上平行槽部分，開地腳螺栓的鎖緊螺母，用扳手卡住地腳螺栓上平行槽部分，調節三個地腳螺栓，直至水平，然后擰緊鎖緊螺母。將控制調節三個地腳螺栓，直至水平，然后擰緊鎖緊螺母。將控制柜與執行部分并在一起，把電線接口相應一一連接。然后安柜與執行部分并在一起，把電線接口相應一一連接。然后安裝紫外燈、聚光罩、光纖以及聚焦鏡頭。然后加入光敏樹脂裝紫外燈、聚光罩、光纖以及聚焦鏡頭。然后加入光敏樹脂即可準備進行工作了。即可準備進行工作了。

22、 注意加入樹脂時，兩槽的液面以液輪能蘸到樹脂為宜，注意加入樹脂時，兩槽的液面以液輪能蘸到樹脂為宜，不要加得太滿，不要將樹脂濺到導軌上。不要加得太滿，不要將樹脂濺到導軌上。CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機 2 2開機制作開機制作 （1 1）機器操作步驟）機器操作步驟 1)1)打開總電源開關。打開總電源開關。 2)2)打開樹脂加熱器，樹脂溫度達到打開樹脂加熱器，樹脂溫度達到4040左右時，方能左右時，方能開始制作零件。加熱過程需要開始制作零件。加熱過程需要30min30min左右。左右。 3)3)打開伺服電源開關，打開伺服電源開關， 4 4）打開計算機，）打開計算機，5)5)樹脂溫

23、度合適后，打開光源開關，樹脂溫度合適后，打開光源開關，10min10min后光源穩定。后光源穩定。6 6）正常工作。）正常工作。常見故障及排除方法常見故障及排除方法CPS-250CPS-250快速成型機快速成型機CPSCPS成型機常見故隨及排除方法成型機常見故隨及排除方法二、疊層實體快速成型制造設備二、疊層實體快速成型制造設備 目前研究疊層實體制造成型（目前研究疊層實體制造成型（LOM）設備和工藝的單位有）設備和工藝的單位有美國的美國的Helisys公司公司、日本的日本的Kira公司公司、Sparx公司、公司、新加坡的新加坡的Kinergy公司公司以及以及國內的國內的華中科技大學和清華大學華中

24、科技大學和清華大學等。等。 其中其中Helisys公司的技術在國際市場上所占的比例最大。公司的技術在國際市場上所占的比例最大。1984年年Michael Feygin提出了分層實體制造（提出了分層實體制造（LOM）的方法，并于）的方法，并于1985年組建年組建Helisys公司，公司，1992年推出第一臺商業機型年推出第一臺商業機型LOM-1015（臺面（臺面3 8 0 m m 2 5 0 m m 3 5 0 m m ） 后 ， 又 于） 后 ， 又 于 1 9 9 6 年 推 出 臺 面 達年 推 出 臺 面 達815mm550mm508mm的的LOM-2030H機型，其成型時間比原來縮短機

25、型，其成型時間比原來縮短了了30%，如圖所示。，如圖所示。 Helisys公司除原有的公司除原有的LPH、LPS和和LPF三個系列紙材品種以外，還開三個系列紙材品種以外，還開發了塑料和復合材料品種。發了塑料和復合材料品種。Helisys公司在軟件方面開發了面向公司在軟件方面開發了面向Windows NT4.0的的LOMSlice軟件包新版本，增加了軟件包新版本，增加了STL可視化、糾錯、布爾操作等可視化、糾錯、布爾操作等功能，故障報警更完善。功能，故障報警更完善。 國內華中科技大學研制的國內華中科技大學研制的HRP系列薄材疊層快速成形系統（如圖所示）系列薄材疊層快速成形系統（如圖所示）無論在硬

26、件還是在軟件方面都有自己獨特的特點。無論在硬件還是在軟件方面都有自己獨特的特點。 華中科技大學華中科技大學LOM成型機主要性能指標與技術特征成型機主要性能指標與技術特征 X-Y掃描單元采用交流伺服驅動和滾珠絲桿傳動，升降工作臺為掃描單元采用交流伺服驅動和滾珠絲桿傳動，升降工作臺為4柱導向柱導向和雙滾珠絲桿傳動（專利），保證了系統的高精、高速和平穩傳動；和雙滾珠絲桿傳動（專利），保證了系統的高精、高速和平穩傳動； 無拉力疊層材料送進系統（專利），送進可靠，速度高，材料利用率高；無拉力疊層材料送進系統（專利），送進可靠，速度高，材料利用率高； 抽風排煙裝置采用隨動式吹風和強力抽排煙裝置（專利），能

27、及時充分抽風排煙裝置采用隨動式吹風和強力抽排煙裝置（專利），能及時充分地排出煙塵，防止煙塵污染；地排出煙塵，防止煙塵污染； 采用國際著名的美國公司采用國際著名的美國公司COCO2 2激光器，穩定性好，可靠性高，模式好，壽激光器，穩定性好，可靠性高，模式好，壽命長，功率穩定，切割質量好，并且可更換氣體，具有較高的性能價格比，命長，功率穩定，切割質量好，并且可更換氣體，具有較高的性能價格比，并配以全封閉恒溫水循環冷卻系統并配以全封閉恒溫水循環冷卻系統。 獨立開發的功能強大的獨立開發的功能強大的HRP2001軟件，具有易于操作的友好圖形用戶軟件，具有易于操作的友好圖形用戶界面，開放式的模塊化結構，國

28、際標準輸入輸出接口，具有以下功能：界面，開放式的模塊化結構，國際標準輸入輸出接口，具有以下功能： STL文件識別及重新編碼；文件識別及重新編碼； 獨有的容錯及數據過濾切片技術，大幅度提高工作效率；獨有的容錯及數據過濾切片技術，大幅度提高工作效率； STLSTL文件可視化，具有旋轉、平移、縮放等圖形變換功能；文件可視化，具有旋轉、平移、縮放等圖形變換功能； 原型制作實時動態仿真原型制作實時動態仿真； 獨有的變網格劃分技術獨有的變網格劃分技術； 數據擬合，速度規劃，速度預測，高速插補控制，任意組合曲線的高速、高精連續加工，數據擬合，速度規劃，速度預測，高速插補控制，任意組合曲線的高速、高精連續加工

29、，為該公司獨有的技術；為該公司獨有的技術； 激光能量隨切割速度適時控制，保證了切割深度和線度均勻，切割質量好；激光能量隨切割速度適時控制，保證了切割深度和線度均勻，切割質量好； 激光光斑直徑隨內外輪廓自動補償，提高了制件的精度；激光光斑直徑隨內外輪廓自動補償，提高了制件的精度； 系統故障診斷，故障自動停機。系統故障診斷，故障自動停機。 清華大學也研究并推出了清華大學也研究并推出了LOM快速成型設備快速成型設備SSM-500與與SSM-1600。其。其中中SSM-1600設備是世界上最大的快速成型設備，可成型零件的最大尺寸為設備是世界上最大的快速成型設備，可成型零件的最大尺寸為1600mm800

30、mm700mm，適用于制造大規模的快速原型。該設備具有，適用于制造大規模的快速原型。該設備具有大尺寸，高精度，高效率，高可靠性的顯著技術特點。該設備與精密鑄造等大尺寸，高精度，高效率，高可靠性的顯著技術特點。該設備與精密鑄造等技術結合可用于制造大型的快速模具。其主要技術特點為：技術結合可用于制造大型的快速模具。其主要技術特點為： 先進的分區并行加工方式（國家專利）；先進的分區并行加工方式（國家專利）； 快速板式熱壓裝置（國家專利）；快速板式熱壓裝置（國家專利）； 無張力快速供紙技術（國家專利）；無張力快速供紙技術（國家專利）； 機床式高穩定性鑄鐵床身機床式高穩定性鑄鐵床身；高精度、高可靠性的運

31、動系統，控制系統；高精度、高可靠性的運動系統，控制系統； 高性能激光系統及光學系統。高性能激光系統及光學系統。 SSM800SSM800快速成型制造系統快速成型制造系統 SSM800SSM800快速成型制造系統是實現快速成型制造系統是實現LOMLOM工藝的國產工藝的國產設備，它采用二氧化碳激光器在數控系統控制下切割設備，它采用二氧化碳激光器在數控系統控制下切割涂覆紙，通過熱壓層層粘接成型。涂覆紙，通過熱壓層層粘接成型。設備結構簡介設備結構簡介 1 1 機械結構機械結構 SSM800SSM800快速成型制造系統的機械快速成型制造系統的機械結構如圖所示，它主要由以下幾部分組結構如圖所示，它主要由以

32、下幾部分組成：成：設備本體；設備本體；x x、Y Y掃描機構掃描機構; ;z z軸升降機構；軸升降機構；走紙機構；走紙機構；激光系統。激光系統。2 2電氣控制電氣控制(1)硬件控制原理硬件控制原理控制系統主要由數控和溫控兩部分組成，同時兼有一些輔助系統，例如測高、斷控制系統主要由數控和溫控兩部分組成，同時兼有一些輔助系統，例如測高、斷紙檢測等。如圖所示。紙檢測等。如圖所示。在系統中在系統中PC總線的總線的586工控機通過數控卡對工控機通過數控卡對完成平面掃描的完成平面掃描的x、Y電機和工作臺升降的電機和工作臺升降的z電機進行控制，另外數控卡發出的控制信號電機進行控制，另外數控卡發出的控制信號在

33、多路轉換器通過工控機在多路轉換器通過工控機IO 發出的轉換發出的轉換控制信號進行選通，分別去控制送紙電機和控制信號進行選通，分別去控制送紙電機和激光器控制系統。計算機通過激光器控制系統。計算機通過12位位AD卡卡進行測高控制。同時使用計數卡上的計數功進行測高控制。同時使用計數卡上的計數功能用作斷紙檢測控制。能用作斷紙檢測控制。 運動控制卡：美國公司的運動控制卡：美國公司的PMAC為為PC總總線卡式線卡式4軸伺服電機控制器，主要完成對軸伺服電機控制器，主要完成對x、Y、z及走紙等軸的運動控制。計算機將預及走紙等軸的運動控制。計算機將預先產生的先產生的Nc代碼通過代碼通過Pc總線傳送給運動控總線傳

34、送給運動控制卡后，由該卡對掃描、升降等運動進行實制卡后，由該卡對掃描、升降等運動進行實時控制。時控制。 AD卡卡：Pc6330提供提供8路路12位位A/D轉換口，主要用于接受并轉換位移傳感轉換口，主要用于接受并轉換位移傳感器的測量值。器的測量值。 溫控卡溫控卡：FUJI溫控表是一種內置溫控表是一種內置CPU的智能溫度控制表的智能溫度控制表,用于控制溫度單元的用于控制溫度單元的溫度。溫度。 計數卡計數卡：PCL836計數卡提供計數卡提供1路計數器接口，主要用于接受并轉換斷紙檢測路計數器接口，主要用于接受并轉換斷紙檢測編碼器的測量值。編碼器的測量值。 (2)各主要單元電氣控制原理各主要單元電氣控制

35、原理 1)x、Y、Z運動單元運動單元 SSM800的的x、Y、z運動單元用美國公司的運動控制卡運動單元用美國公司的運動控制卡PMAC的其中三軸控的其中三軸控制，其中制，其中x和和Y運動單元由伺服控制器、運動單元由伺服控制器、AC伺服驅動器、伺服驅動器、AC伺服電機和傳動導向伺服電機和傳動導向機構四部分構成，電機上有編碼器反饋，屬于半閉環控制系統。機構四部分構成，電機上有編碼器反饋，屬于半閉環控制系統。z運動單元由步進運動單元由步進控制器控制器(Acc8D轉換轉換)、Dc步進驅動器、步進電機和傳動導向機構四部分構成，步進驅動器、步進電機和傳動導向機構四部分構成，開環控制系統。開環控制系統。 PM

36、AC為為4軸伺服電機控制器。接口板實際上可以認為也是其中一部分，其上軸伺服電機控制器。接口板實際上可以認為也是其中一部分，其上可連出伺服控制信號反饋信號，限位開關信號等，可連出伺服控制信號反饋信號，限位開關信號等，Acc8D為為vF(伏頻伏頻)轉轉換卡換卡,其上產生控制步進電機的脈沖信號。其上產生控制步進電機的脈沖信號。 傳動與導向機構采用滾珠絲杠和滑動導軌，具有較高的精度和剛度。傳動與導向機構采用滾珠絲杠和滑動導軌，具有較高的精度和剛度。 計算機根據分層路徑信息，按計算機根據分層路徑信息，按PNAC代碼集產生控制代碼，然后通過代碼集產生控制代碼，然后通過Pc總線將總線將NC代碼化給代碼化給P

37、MAC，控制卡本身具有數據存儲能力，因此每次既可以只傳一條命，控制卡本身具有數據存儲能力，因此每次既可以只傳一條命令，也可傳一組命令令，也可傳一組命令(如命令文件如命令文件)。 2)輔助運動單元輔助運動單元 輔助運動單元用運動控制卡的第四軸控制，為了切換不同的運動控制，用電子開關進行切換控制，其中走紙運動單元由步進控制器(Acc8D轉換)、Dc步進驅動器、步進電機和傳動導向機構四部分構成開環控制系統。激光控制采用了激光功率和掃描速度匹配的原則。 3)溫度單元溫度單元 溫度單元由溫控器、傳感器、加熱元件和加熱電源組成。用來控制熱壓板溫度。 PUJI溫控表是一種內置CPU智能溫度控制器具有PID自

38、整定功能。測量精度在1以內。采用的輸入類型為PT100熱電阻，輸出類型為固態繼電器. 4)計數單元計數單元 計數單元由計數卡、編碼器和相應接口電路組成，對于監控計算機來說，計數單元相當于計算機的一個外設，相應地占用幾個地址端口。 5)AD單元單元 AD單元由AD卡、放大器和位移傳感器電路組成，對于監控計算機來說，A/D單元也相當于計算機的一個外設，相應地占用幾個地址端口.控制軟件操作界面控制軟件操作界面CLI窗口，窗口，Nc窗口，調試窗口窗口，調試窗口1CLI窗口窗口CLI模型，設定參數，坐標變換等模型，設定參數，坐標變換等功能。功能。 瀏覽瀏覽CLI模型；模型；CLI模型模型2D顯示顯示時，

39、時，PAGEDOWN,PAGEUP兩鍵用兩鍵用來放大，縮小模型。上、下、左、來放大，縮小模型。上、下、左、右四鍵可以在右四鍵可以在CLI窗口中平移窗口中平移CLI模模型。在型。在CLI窗口中按住鼠標左鍵，窗口中按住鼠標左鍵，然后拖動然后拖動,也可平移也可平移CLI模型。模型。CLI窗口中有兩個標尺條用來顯窗口中有兩個標尺條用來顯示示CLI模型的坐標。用戶可以在模型的坐標。用戶可以在CLI顯示設置中設定是否顯示該標尺。顯示設置中設定是否顯示該標尺。窗口底部顯示總層數和當前層數。窗口底部顯示總層數和當前層數。(1)文件菜單文件菜單(2)實用工具菜單實用工具菜單(3)參數設置菜單參數設置菜單 1）設

40、備參數設置）設備參數設置 如果是第一次運行該軟件，用戶應根據設備的參數填寫該對話框中的各選項。對話框中各參數的意義如下： ： 指指定軸在PMnc卡上的電機號。 ：指各軸的脈沖比例，表示多少個編碼器脈沖等于指定軸的1mm位移。 ：該選項設定xY軸是否使用軟限位，一般均應使用，后面的參數 為正負限位的值應根據電機的安裝情況確定。 ：該選項為電機是否要用IO量來控制其的選通。 ：設定PMAC卡的IO地址。 ：設定有關圓卡的參數。 ：IO卡的IO地址。 ：不用。2)工藝參數設置工藝參數設置運動速度運動速度 設定該工藝中激光頭運動速度，單位為mm/s。 輪廓：設定掃描輪病時的運動速度。 網格：設定掃描網

41、格時的運動速度。 邊框：設定掃描邊框時的運動速度。 空程：設定非掃描路徑段的運動速度。 網格功率比例：以掃描輪廓運動速度為1進行比例設置，從而改變激光切割的功率和速度比率。 邊框功率比例：同上。路徑參數路徑參數 加速時間：設定激光頭運動路徑中的加減速時間，單位為ms。 最大夾角：設定該工藝中可以連續運動的兩條直線段之間角度的最大變化值。工作臺參數工作臺參數 運動速度：工作臺的運動速度，單位為mm/s。 下降距離：每加工完成一層后，工作臺下降的距離熱壓參數熱壓參數 走紙距離：即每層加工所需送料長度(如圖430)。 走紙速度：送紙的速度，單位為mm/s。 熱壓速度：熱壓扳壓過的速度單位為mm/s。

42、 膠紙厚度：實測紙厚因整值，缺省設置為0.1mm激光功率匹配激光功率匹配 最大功率：缺省設置為35W。 匹配速度：缺省設置為600mm/s。 基底基底 層數：自動加工的基底層數 網格間距：基底的網格間距 其他參數其他參數 測高零位讀數：工作臺零位時測高傳感器讀數。 紙卷半徑：每次重裝新紙卷后需實測其半徑。 (1)查看菜單查看菜單 查看菜單，缺省情況下主工具欄和狀態欄已被選中。點擊測高器讀數項彈出對話框，顯示當前測高傳感器讀數。 (2)數控系統菜單數控系統菜單在Nc窗口中，造型的第一步就是初始化數控系統，然后應按照工藝要求一步步進行操作，造型過程中應嚴格按操作步驟進行，以免造成事故。1)數控初始

43、化2)溫控上電3)工作臺初始化4）載入）載入PMAC文件文件5)控制面板控制面板6)控制面板控制面板2 彈出控制面板圖，在大的矩形區域內，鼠標左鍵點擊其中任意一點，激光頭運動別相應位置。對話框右側的滾動條控制z軸的升降。拖動滾動條上的小方塊可以設定z軸的運動速度，共有10,20,30,40mm/s、四檔。點擊滾動條上、下側的小三角，可以讓Z軸以當前速度運動0.005s。如果按住該三角不放、則Z軸作連續運動。7)造型造型(3)程序文件菜單程序文件菜單 (4)制造基礎層菜單制造基礎層菜單 制造基礎層菜單如圖44l所示。以完成基礎層中單獨一層進行加工。 熱壓：進行熱壓。 切邊框；切割別原型的邊框。

44、走紙熱壓：走紙，然后進行熱壓。 分段切紙：工藝上分段切紙。3調試窗口調試窗口 本窗口為熟悉PMAC數控卡和控制系統的用戶調試設備所提供的PMAC命令發送窗門。在本窗口中，用戶可以直接向數控卡發送可接受的任何命令并回顯PMAC卡的返回字符串。SSM800制造系統的工藝過程制造系統的工藝過程1)做好加工準備，手工打好基底，工作臺初始化，工作臺下降送紙收紙，使新的紙帶移到工件上方2)工作臺往上升,同時熱壓板移到工件上方3)熱壓板來回碾壓新層，特最上面的一層紙帶與下面的工件粘接起來，添加一層新層；4)測高，系統根據工作臺停止的位量，測出工件的高度，并反饋回計算機5)生成當前層數控文件，計算機根據當前零

45、件的加工高度，計算出三維形體模型的交截面6）將數控文件輸入到控制系統中，控制C02激光沿截面輪廓切割。激光的功率設置在只能切透一層材料的功率值上。輪廓外面的材料用激光切成方形的網格，以便在工藝完成后分離7)工作臺向下移動，使剛切割的新層與紙帶分離操作注意事項及故障分析操作注意事項及故障分析 1設置電機設置電機I變量變量(1)電路檢查(2)檢查I變量2設備調整設備調整()激光調整激光調整1)同軸光路的調整同軸光路的調整 C02激光不可見，所以在調整飛行光路以前需要用HeNe激光指示，C02激光通過半透半反鏡完全透射，調整HeNe激光使其通過全反鏡反射到半透半反鏡，再次反射后與C02激光完全重合而

46、成為同軸光路。2)飛行光路的調整飛行光路的調整 同軸光路調整完畢后，可以關閉C02激光，僅以HeNe激光指示飛行光路，調整其余全反鏡，最終使光斑位于聚焦鏡正中，并保證X/Y軸運動時光斑位置保持不變。3)功率檢測功率檢測 光路調整完畢后，用功率計測量激光在每面鏡片上的損失，若發現損失過大就應更換鏡片或重新調整光路。 為防止振動或人為原因使鏡片偏轉，在確認光路不做調整的情況下，可用紅油漆 或厭氧膠緊固調整螺釘。4)固定固定(2)三個平面的調整三個平面的調整 對聚焦平面、熱壓平面、測高平面的調整合稱為三個平面的調整，其結果將對切縫寬度、紙的粘聯情況、測高傳感器的使用壽命產生直接影響。(3)軟件調整軟

47、件調整1)確定原點；2)使能正負限位；3)調整電機編碼器讀數；4)設定程序文件；5)修改拖掛熱壓板程序。3常見問題及解決方法(1)z向高度不準確1）檢查連軸器是否有松動;2)檢查測高傳感器讀數，用干分表測量平臺下降量，用以校對傳感器;3)檢查電機脈沖比例設置。(2)激光切割產生抖動 1)檢查光路是否有松動，鏡片松動后會在運動時產生振動，導致光路左右偏轉，反映在切縫上則為抖動。 2)可能是電機參數變化導致了運動性能的改變。聯系技術支持人員，檢查交流伺服電機的參數設置(在驅動器內)，參數如發生變化青對電機重新作PID調節。(3)激光失控 1)檢查激光的各部分電路連接是否正常； 2)檢查激光電源控制

48、器選擇開關是否撥在ANV檔； 3)供激光24v電源是否正常； 4)檢查數控卡I5變量是否為2，PLC和PLCC程序是否裝載入系統，系統是否初始化； 5)檢查激光GATE開關是否正常，能否在高低電平兩個狀態間切換。數控卡IO接口的M4控制GATE的高低電乎； 6)檢查數控卡到激光控制器的ANV輸出是否正常。將I400設為0，關閉所有PLC和PLCC程序，將數控卡IO接口的M3設為1，將數控卡M402分別設為0，16000，32000測量數控卡到激光控制器的ANV口是否有0 v，5v，10 v左右的輸出電壓。若沒有先檢查電路是否有斷路，再改變數整卡IO接口的M3連接的繼電器的常開常閉狀態； 7)若

49、以上都沒有問題，改變數控卡IO接口的M4連接的繼電器的常開常閉狀態。4安全與維護以機床行業標準設計制造的SSM800制造系統，其維護完全道照一般的數控機床標準。(1)設備對環境的要求(2)運轉安全措施(3)激光及光路系統的安全和維護(4)電源(5)潤滑和清潔三、選擇性激光燒結快速成型制造設備三、選擇性激光燒結快速成型制造設備 研究選擇性激光燒結（研究選擇性激光燒結（SLS）設備工藝的單位有美國的）設備工藝的單位有美國的DTM公司、公司、3D Systems公司、德國的公司、德國的EOS公司以及國內的北京隆源公司和華中科技公司以及國內的北京隆源公司和華中科技大學等。大學等。1986年，美國年，美

50、國Texas大學的研究生大學的研究生C. Deckard提出了選擇性激光燒結提出了選擇性激光燒結（SLS）的思想，稍后組建了）的思想，稍后組建了DTM公司，于公司，于1992年推出年推出SLS成型機。成型機。DTM公司于公司于1992年、年、1996年和年和1999年先后推出了年先后推出了Sinterstation 2000、2500和和2500Plus機型，如圖所示。其中機型，如圖所示。其中2500Plus機型的成體積比過去增機型的成體積比過去增加了加了10%，同時通過對加熱系統的優化，減少了輔助時間，提高了成型速，同時通過對加熱系統的優化，減少了輔助時間，提高了成型速度。度。 DTM公司的

51、Sinterstation2500機型 DTM公司的Sinterstation2500 Plus機型 華中科技大學的華中科技大學的HRPS-III激光粉末燒結系統激光粉末燒結系統 華中科技大學的華中科技大學的HRPS-IIIHRPS-III激光粉末燒結系統的特點：激光粉末燒結系統的特點： 掃描系統采用國際著名公司的振鏡式動態聚焦系統，具有高速度掃描系統采用國際著名公司的振鏡式動態聚焦系統，具有高速度（最大掃描速度為（最大掃描速度為4m/s）和高精度（激光定位精度小于）和高精度（激光定位精度小于50m）的）的特點；激光器采用美國特點；激光器采用美國CO2激光器，具有穩定性好、可靠性高、模式激光器

52、，具有穩定性好、可靠性高、模式好、壽命長、功率穩定、可更換氣體、性能價格比高等特點，并配以好、壽命長、功率穩定、可更換氣體、性能價格比高等特點，并配以全封閉恒溫水循環冷卻系統；新型送粉系統（專利）可使燒結輔助時全封閉恒溫水循環冷卻系統；新型送粉系統（專利）可使燒結輔助時間大大減少；排煙除塵系統能及時充分地排除煙塵，防止煙塵對燒結間大大減少；排煙除塵系統能及時充分地排除煙塵，防止煙塵對燒結過程和工作環境的影響；全封閉式的工作腔結構，可防止粉塵和高溫過程和工作環境的影響；全封閉式的工作腔結構，可防止粉塵和高溫對設備關鍵元器件的影響。對設備關鍵元器件的影響。 華中科技大學的華中科技大學的HRPS-I

53、IIHRPS-III激光粉末燒結系統的特點：激光粉末燒結系統的特點： 獨自開發的功能強大的獨自開發的功能強大的HRPS2002軟件，具有易于操作的友好圖形軟件，具有易于操作的友好圖形用戶界面，開放式的模塊化結構，國際標準輸入輸出接口，具有以下功用戶界面，開放式的模塊化結構，國際標準輸入輸出接口，具有以下功能：能： 切片模塊：具有切片模塊：具有HRPS-STL(基于基于STL文件文件)和和HRPS-PDSLice（基于直接（基于直接切片文件，由用戶選用）兩種模塊；切片文件，由用戶選用）兩種模塊； 數據處理：具有數據處理：具有STL文件識別及重新編碼，容錯及數據過濾切片，文件識別及重新編碼，容錯及

54、數據過濾切片，STL文文件可視化，原型制作實時動態仿真等功能；件可視化，原型制作實時動態仿真等功能； 工藝規劃：具有多種材料燒結工藝模塊（包括燒結參數、掃描方式和成工藝規劃：具有多種材料燒結工藝模塊（包括燒結參數、掃描方式和成型方向等）；型方向等）； 安全監控：設備和燒結過程故障自動診斷，故障自動停機保護。安全監控：設備和燒結過程故障自動診斷，故障自動停機保護。 AFS-450AFS-450成型系統成型系統( (北京隆源自動成型公司北京隆源自動成型公司) )成型過成型過程控制程控制14RP成型過程控制界面成型過程控制界面15AFS300激光快速成型機激光快速成型機 AFS300是實現是實現SL

55、S工藝的國產設備，它以粉末材料為原料，在每工藝的國產設備，它以粉末材料為原料，在每層的加工中，控制激光的點掃描對粉末進行選區燒結，以逐層累加的層的加工中，控制激光的點掃描對粉末進行選區燒結，以逐層累加的方式實現三維實體的加工成型。該激光成型機由機械系統、光學系統方式實現三維實體的加工成型。該激光成型機由機械系統、光學系統和計算機控制系統組成。機械系統和光學系統在計算機控制系統的控和計算機控制系統組成。機械系統和光學系統在計算機控制系統的控制下協調工作、自動地完成制件的加工成型。制下協調工作、自動地完成制件的加工成型。AFS300激光快速成型機設備結構簡介設備結構簡介1機械結構 機械結構主要由機

56、架、工作平臺、鋪粉機構、兩個活塞缸、集料箱、加熱燈和通風除塵裝置組成。(1)機架為方鋼框架式結構，用于支撐設備的其他部分。機架下安有4個地腳螺栓，用于調整設備的水平；同時安有4個腳輪，以便搬運。(2)工作平臺用于安裝鋪粉機構和活塞缸，同時作為它們的安裝基面。 (3)鋪粉機構的作用是不斷提供成型用的粉料并將粉鋪平，它由兩根直線密封式導軌、雙軸步進電機、聯鈾器、滾輪小車(滾輪支架)、滾輪、滾輪步進電機、滾輪傳動機構、刮粉片和小車面罩組成。 (4)兩個活塞缸其中一個用于儲備成型粉料和供料，稱為料缸；另一個用于成型燒結，稱為缸(又稱零件缸)。兩缸結構相同，主要由缸體、活塞、密封圈、精密滾珠絲杠、步進電

57、機等組成。(5)集料箱用于收集成型過程中多鋪的粉料和卸料。每次鋪粉過程料缸活塞的上升高度均高于成型缸的下降位移，成型缸鋪滿粉后多余的粉料通過下料口落入集料箱。(6)加熱燈的作用是將成型缸表面的粉末均勻加熱，一方面可以節省激光能量，另一方面減少成型過程中由于受熱不均勻產生的變形。 (7)通風除塵機構由風機、通風管路和濾塵箱組成，它的作用是排除工作過程中產生的粉塵和煙霧。 成型機的運動部件 兩個活塞缸中的活塞通過精密滾珠絲杠做上下往復運動，滾輪小車通過兩根直線導軌做直線往復運動，滾輪沿著推粉方向做反時針轉動。這些運動部件均由步進電機驅動和精確定位。直線導軌和該珠絲枉上均裝有限位開關，使運動限制在行

58、程之內。2光學系統 成型機的基本工藝過程是激光束對粉末材料的選區燒結，激光束的精密控制是成型的關鍵.成型機的光路系統如圖所示。AFS300主機結構示意圖主機結構示意圖1-機架；2-激光室；3-導軌；4-工作平臺；5-集料盒；6-鋪粉機構；7-通分到；8-料缸；9-加熱燈；10-成型鋼；11-排塵裝置；12-封板；13-絲杠；14-插板；15-集料箱；16-腳輪17-地腳螺栓；18-刮板光路的主要組成部件有：激光器、反射鏡、擴束聚焦系統、掃描器、光束合成器、指示光源。激光器激光器系統采用美國公司生產的485型C02激光器，最大輸出功率為50W.該激光器是全金屬射頻激勵型結構，其特點是結構緊湊，輸

59、出穩定，可靠性高，易于控制。 激光的控制分為輸出功率大小的控制和開關的控制，控制信號為5KHZ的TTL電平的方波。將控制信號與一門控信號相與后加在激光器上，通過門信號控制激光的開關。 當門控傳導為1時，有激光輸出，平均功率由控制信號的占空比決定。當門控信導為0時，無激光輸出。激光器在工作過程中有很大一部分能量變成熱能，因而要通水冷卻，水溫應在18至25。激光器的冷卻水由一臺循環水制冷機提供。 反射鏡反射鏡為20mm的鍍金反射鏡，它的作用是將激光導入擴束聚焦系統。反設鏡架上裝有兩個調整螺釘，可以調整反射鏡的水平角和俯仰角，使光束恰好位于掃描器反射鏡的中央。擴束聚焦系統擴束聚焦系統為了能得到較小的

60、聚焦光斑，讓光束先擴束，再聚焦。這樣能使光斑更細。擴束聚焦系統由擴束鏡、聚焦鏡l和聚焦鏡2以及鏡筒組成。這三片鏡子裝在一個同心性很好的鏡筒上，適當調整三者之間的相對位置，可使光束恰好聚焦在加工表面。 掃描器掃描器掃描器由兩個相互垂直的反射鏡組成。每個反射鏡有一個振動電機驅動，激光束先入射到x鏡，從x鏡反射到Y鏡，再由Y鏡反射到加工表面，電機驅動反射鏡振動，同時激光束在有效視場內掃描。 x鏡和Y鏡分別驅使光點在x方向和Y方向掃描掃描角度通過微機接口進行數控，這樣可使光點精密定位在視場內任一位置。掃描振鏡的全掃描角(光學角)為40，視場的線性范圍要由掃描半徑確定，光點的定位精度可達全視場的1655