采用极坐标机构的快速成型机

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1、采用极坐标机构的快速成型机

2、第1第10、引言快速原型即快速成型ＲＰ（ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ），指根据ＣＡＤ模型（电子模型）逐层完成实体原型的制造技术。它发展自20世纪80年代后期，是机械工程、ＣＡＤ、数控技术、激光技术及材料科学的技术集成，它可以自动而迅速地直接由ＣＡＤ模型制作三维实体，而不需要机械加工和任何模具。具体来说快速原型技术是把在ＣＡＤ系统上建立的三维实体模型离散化，在实体模型的高度方向上按几何形状变化分成不同厚度的薄层，用这些不同高度的层面信息来控制成型设备进行层面加工。将这些薄层堆积起来，便得到加工所需的三维造型。1、基于直角坐

3、标机构的快速原型机分析　　目前快速成型制造技术的具体工艺不下30余种，最为成熟的有4种［1］，即熔融沉积造型ＦＤＭ（ｆｕｓｅｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇ），立体印刷成型ＳＬＡ（ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｐｐａｒａｔｕｓ），层合实体制造ＬＯＭ（ｌａｍｉｎａｔｅｄｏｂｊｅｃｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ），选域激光烧结ＳＬＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）等。近年来所开发各种快速原型机，虽然所用工艺不同，但是其机械机构部分和分层软件原理却是大致相同。普通直角坐标机构的快速原型机在加工圆环薄壁零件时，存在着一些缺点。首先从

4、直角坐标机械机构看。拿我校所购买的美国Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司生产的双喷头ＦＤＭ为例，其运动由ＸＹＺ3个方向3个坐标实现。Ｚ方向实现零件的层面转换，依次加工零件各层。而在平面直角坐标下喷头的Ｘ和Ｙ向的移动而实现截面加工。利用直角坐标机构的快速原型机加工旋转体零件，在填充截面内部时，喷头的圆弧运动轨迹常用直线段代替。如图1所示，喷头的原始位置在Ｏ点，沿图中所示的轨迹运动，经Ａ点到Ｂ点开始吐料，然后沿ＢＣ—ＣＤ—ＤＥ—ＥＦ，直至加工完成整个截面。圆弧段ＢＣ在加工过程中是由直线段ＢＣ代替的，而且，图中看到的斜线段ＣＤ和ＥＦ实际上是垂直于Ｘ轴的。所以，这便带来零

5、件轮廓的失真现象。尤其是薄壁零件，其截面一般是圆环，而且内圆和外圆的半径相差不大。要想得到较为精确的零件，对快速原型设备的精度要求就很高。理论上讲，只要圆弧ＢＣ和垂线段ＣＤ足够短，也就是说，让喷头的直径足够小，控制Ｘ和Ｙ向运动的驱动机构足够精确（主要是控制喷嘴在Ｘ和Ｙ向同时运动），就可以还原出零件的真实轮廓。但是，这不仅对技术上提出了较高的要求，而且成本较高，价格昂贵。从根本上讲，喷头的直径还是存在的，所加工工件的轮廓依然是近似出来的。所以，在加工截面为圆环（内外圆半径相差不大）的薄壁零件时，采用ＸＹ直角坐标无法从根本上解决这一问题。其次，从普通快速原

6、型机的分层软件来看，快速原型制造软件技术的原理都是采用分层累加法，即用ＣＡＤ造型，生成ＳＴＬ文件，分层切片等步骤进行数据处理，借助计算机控制成型机完成材料的形体制造。大部分的分层软件都是在ＳＴＬ文件格式的基础上进行的，因此，要对模型进行表面网络化处理，用三角形平面片来近似原来的曲面或平面。此种文件格式进行分层，所得到的曲线是由若干小的线段连接而成。所以，在加工圆环薄壁零件时，经过分层所得到的层片边界是多边形而非圆形。以此作为加工迹线必然得不到截面真实形状。为了解决上述两种现象，文中提出了利用极坐标原理而设计快速原型机的思想，并且在此基础上提出了其分层软

7、件的技术解决方案。2、基于极坐标快速原型机的基本机构采用极坐标机构的快速原型机基本机构示意图如图2所示。电机1控制工作台的升降（ｚ向），由此而实现零件的逐层加工。由电机2控制喷嘴部分的旋转（控制转角θ），由电机3来控制喷嘴部分的径向运动（ｒ向）。和普通的直角坐标系的快速原型机相比，采用此种机构的快速成型机在加工旋转体薄壁零件的优势是显而易见的，主要表现在以下几个方面：ａ．喷头运动轨迹是真实的圆，而不再是近似的多边形。ｂ．加工时零件截面轮廓一次完成，从而缩短加工周期。ｃ．控制电机运转的参数只有所得截面的半径和旋转的角度，因而控制设计较为简单。ｄ．采用此种

8、机构研制开发简单，是一种经济型的小型快速原型机，适合教学研究使用。3、基于极坐标机构快速原型机的分层软件解决方案　　从ＣＡＤ到ＲＰ数据转换的方法有2种，一种是对ＳＴＬ文件进行分层处理。基于这种文件格式，要对模型进行表面网络化处理，用三角形平面片来近似原来的曲面或平面。ＳＴＬ文件记录每个三角形平面片的顶点坐标和法向矢量。由这两点可以看出，使用ＳＴＬ文件不仅数据量大，而且曲面的网格化近似降低了模型的精度。虽然目前ＳＴＬ格式文件已经成为事实上的工业标准，但由于它的上述缺点，寻求何种合适的数据格式（如ＩＧＥＳ，ＳＴＥＰ，ＣＦＬ等）作为ＣＡＤ和ＲＰ的接口是近年来

9、研究的热点［2］。另一种是在ＣＡＤ模型的基础上直接进行分层处理［3］，不但可以避免表面网格化所