耐∪斯 耐斯合模机·飞模好帮手 模具制造技术 电话:0769-227070297传真:0769-22708240 Http://www.nicemachine.net E-mail: nice @nicemachine net 柔性化多功能快速成型机的研制 深圳大学机电与控制工程学院￠东深圳518060李伟荣伍晓宇丁磊 固高科技深圳有限公司 嘀要】介绍了一种用运动控制卡控制的七轴多功能快速成型机的研制,包括机械部分、控 制部分和软件部分。这种快速成型机可以实现四轴联动并能用于各种不同材料的成形研究, 在高校实验室、各种研究所的研究工作中能得到广泛应用。 关键词:快速成型机:运动控制卡;四轴联动 The Development of a Flexible and multi-Function Rapid Prototyping Machine System Abstract This paper mainly introduced the development of a rapid prototyping machine which 品 combined seven axis PC-based controller. The development included the mechanical design, the ontrol system and the software. The machine can work with four axis coordinated and be applied to rapid prototyping with different materials. It can be widely applied in the laboratories and all the institute's research work Key words: rapid prototyping machine: motion controller; four axis coordinated 生产标准及订造 引言 成型复杂的零部件或模具,不需要任何工装,节约了 快速成型技术是采用逐点或逐层成型方法,一次制造费用,缩短了制造周期,实现了三维制造及其可届 模钢 胚 图5为本文加工策略和传统的加工方法的比较。设定为9mm,槽宽设定为15mm。本文加工策略的时拿 考虑到摆线槽切可以切削深度较大,将摆线槽切深度间是3mi5,而传统加工策略为42mi+7,可见加 工时间节约了21% 5结束语 临界区域预加工策略可以有效避免高速加工中菊 图4切削层关键区域的提取 切削载荷的突变,保证高速加工的顺利进行。该加工 策略的合理运用,可以将高速加工的应用范围扩展到/ax 粗加工领域,显著提高了高速机床设备的利用率。盟 6参考文献 ]杨庆东.现代模具制造的高速加工技术工具技术 2005,9) [2]张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用[M]机械工 业出版社,2002 3]徐强.高速切削加工技术及其相关技术发展概况J机械 (b) 工程师,2000,9) 5加工策略对比 4]艾兴等.高速切削加工技术[M国防工业出版社,2003 高效加工策略路径b—传统区域清楚刀具路径 《模具制造》2008年第10期 o1994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
《模具制造》２００8 年第 10 期 · · 耐 斯 合 模 机·飞 模 好 帮 手 电话：0769-22707029/7 传真：0769-22708240 Http：//www.nicemachine.net E-mail：nice@nicemachine.net 地 址： 广 东 省 东 莞 市 大 朗 镇 高 英 村 高 英 路118 号 电 话: 0769-83316878 传 真:0769-83317023 东 莞 明 利 钢 材 模 具 制 品 有 限 公 司 代 理 各 国 优 质 合 金 工 具 钢、 红 铜 及 铍 铜 生 产 标 准 及 订 造 模 胚、 模 胚 零 配 图 5 为本文加工策略和传统的加工方法的比较。 件 考虑到摆线槽切可以切削深度较大，将摆线槽切深度 设定为 9mm，槽宽设定为 15mm。本文加工策略的时 间是 33min51s，而传统加工策略为 42min47s，可见加 工时间节约了 21％。 5 结束语 临界区域预加工策略可以有效避免高速加工中 切削载荷的突变，保证高速加工的顺利进行。该加工 策略的合理运用，可以将高速加工的应用范围扩展到 粗加工领域，显著提高了高速机床设备的利用率。 6 参考文献 [1] 杨庆东. 现代模具制造的高速加工技术[J]. 工具技术， 2005，（9） [2] 张伯霖，杨庆东，陈长年. 高速切削技术及应用[M]. 机械工 业出版社，2002. [3] 徐强. 高速切削加工技术及其相关技术发展概况[J]. 机械 工程师，2000，（3） [4] 艾兴等. 高速切削加工技术[M]. 国防工业出版社，2003. （a） （b） 图 5 加工策略对比 a——高效加工策略路径 b——传统区域清楚刀具路径 图 4 切削层关键区域的提取 柔性化多功能快速成型机的研制 深圳大学机电与控制工程学院（广东深圳 518060） 李伟荣 伍晓宇 丁 磊 固高科技深圳有限公司 杨 春 【摘要】介绍了一种用运动控制卡控制的七轴多功能快速成型机的研制，包括机械部分、控 制部分和软件部分。这种快速成型机可以实现四轴联动并能用于各种不同材料的成形研究， 在高校实验室、各种研究所的研究工作中能得到广泛应用。 关键词：快速成型机；运动控制卡；四轴联动 The Development of a Flexible and Multi-Function Rapid Prototyping Machine System 【Abstract】This paper mainly introduced the development of a rapid prototyping machine which combined seven axis PC-based controller. The development included the mechanical design, the control system and the software. The machine can work with four axis coordinated and be applied to rapid prototyping with different materials. It can be widely applied in the college laboratories and all the institute's research work. Key words: rapid prototyping machine；motion controller；four axis coordinated 1 引言 快速成型技术是采用逐点或逐层成型方法，一次 成型复杂的零部件或模具，不需要任何工装，节约了 制造费用，缩短了制造周期，实现了三维制造及其可 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ·模具制造技术· 73
D断 耐斯合模机·飞模好帮手 电话:0769-227070297传真:0769-22708240 Http://www.nicemachine.netE-mail:nice@nicemachine.net 模具制造技术 视化,有利于设计人员、制造人员和用户之间的信息含X、Y、Z3个运动轴,两个运动缸作缸和供料 交流 缸),还有铺粉装置。各个轴都装有限位开关。 随着快速成型技术的不断发展,快速成型机越来 零件3D模供料缸铺粉装根据切片一层成型完 越向着多功能、柔性化的方向发展。这就需要机器能型的切片和上升一置进行三维扫描成,工作缸下 够足够地智能和能应用于各种成型材料的成型实验数据处理个层厚」铺粉」[成型 降一个层距 中,这样才能最大化的整合资源、利用机器。但传统的 快速成型机的开发都着重应用于一种材料的成型,比 结束 完成? 如材料为石膏粉的三维打印机、激光快速成型机、用 ABS填积的三维打印机等等。这些都只能用于一种成 图2工作流程图 玉型材料的研究柔性化程度不够 机 我们研制的快速成型机包括机械部分、控制部分 械 和软件部分。它能用于各种材料的成型实验研究,目 东 前已经利用机器完成了对激光烧结环氧树脂成型实 验、激光烧结覆膜砂成型实验,石膏粉末滴水硬化成 Yz轴运动方向 轴运动方向 轴粉装置 ↑|供料缸 公型实验的研究 2机器总体功能 图3机械部分和运动简图 快速成型都是用如PoE、 Solid works之类的三维 机械部分运动简图如图3所示。X、Y、Z3轴联动 软件画出零件模型,然后再对模型切片转化为SL文可以完成各种复杂的成型轨迹。 件。再逐层对零件进行成型。实验整个工艺过程包括 工作缸和供料缸采用倒挂的方式挂在工作平台 塔到cAD模型的建立及数据处理、铺粉、层成型以及后处上并设计成有圆角过渡的四方体,可以上下两个方向 带理等。图1所示为快速成型机的整体框架。 平稳运动。铺粉装置用一块光滑下面切了30°倒角的 图2是快速成型流程图。对零件三维图进行切钢板和滚轮组成。滚轮接在钢板后面。这样在刮粉的 高片、数据处理后机器供料缸上升由铺粉装置将粉末在同时也把粉末辗平。达到了很好的铺粉效果。 工作缸上均匀铺上一层,计算机根据切片模型的数据32快速成型机的控制部分 控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末 快速成型机采用PC机加运动控制卡的方式控 材料来形成零件的一个层面。完成一层成型工作后工制。总共有7个步进电机采用了两块四轴控制卡并联 a作缸下降一个层厚供料缸上升一个层厚,铺粉装置铺控制,优点是两块卡互不干涉可以独立运动 上新粉。计算机再控制激光束再扫描烧结新层。如此 控制卡采用固高科技的GE-400-SC控制卡,利用 循环往复直到最后一层成型完毕 主机的PCI插槽和电脑主机通讯。如图4是控制系统 PC机 的连接图。控制卡通过端子板与电机驱动器和限位开 控制卡1控制卡2 关通讯。这样就实现了由电脑对电机和限位的控制。 对于步进电机运动控制器提供两种不同的控制信号: 电机驱动器 正脉冲/负脉冲、脉冲+方向。 在控制步进电机时,控制模式为开环控制,不需 X、YZ工作缸、供料 要编码器的反馈信号。控制方式是每个轴相对独立控 三轴缸、铺粉系统 制。通过控制卡驱动电机可以实现单轴运动或同一卡 图1快速成型机的整体框架 上的多轴联动。每个轴的控制方式基本相同。控制卡 3快速成型机的设计 通过端子板和电机驱动器通讯。电机通过联轴器接到 3.1快速成型机的机械部分 工作台上使转动变成平动,为了限定工作台的运动范 快速成型机的机械结构部分如图3所示。主要包围及防止工作台运动行程过大脱离导轨,所以要加限 《模具制造》2008年第10期 o1994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
· · 《模具制造》２００8 年第 10 期 耐 斯 合 模 机·飞 模 好 帮 手 电话：0769-22707029/7 传真：0769-22708240 Http：//www.nicemachine.net E-mail：nice@nicemachine.net 地 址： 广 东 省 东 莞 市 大 朗 镇 高 英 村 高 英 路128 号 电 话： 0769-83118946 传 真： 0769-83119736 环 球 工 业 机 械︵ 东 莞 ︶有 限 公 司 专 利 设 计 多 功 能 深 孔 钻 床、 合 模 机、 数 控 铣 床 为 模 具 及 机 械 行 业 带 来 更 高 效 率 视化，有利于设计人员、制造人员和用户之间的信息 交流。 随着快速成型技术的不断发展，快速成型机越来 越向着多功能、柔性化的方向发展。这就需要机器能 够足够地智能和能应用于各种成型材料的成型实验 中，这样才能最大化的整合资源、利用机器。但传统的 快速成型机的开发都着重应用于一种材料的成型，比 如材料为石膏粉的三维打印机、激光快速成型机、用 ABS 填积的三维打印机等等。这些都只能用于一种成 型材料的研究，柔性化程度不够。 我们研制的快速成型机包括机械部分、控制部分 和软件部分。它能用于各种材料的成型实验研究，目 前已经利用机器完成了对激光烧结环氧树脂成型实 验、激光烧结覆膜砂成型实验，石膏粉末滴水硬化成 型实验的研究。 2 机器总体功能 快速成型都是用如 Pro/E、SolidWorks 之类的三维 软件画出零件模型，然后再对模型切片转化为 STL 文 件。再逐层对零件进行成型。实验整个工艺过程包括 CAD 模型的建立及数据处理、铺粉、层成型以及后处 理等。图 1 所示为快速成型机的整体框架。 图 2 是快速成型流程图。对零件三维图进行切 片、数据处理后机器供料缸上升,由铺粉装置将粉末在 工作缸上均匀铺上一层, 计算机根据切片模型的数据 控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末 材料来形成零件的一个层面。完成一层成型工作后,工 作缸下降一个层厚,供料缸上升一个层厚，铺粉装置铺 上新粉。计算机再控制激光束再扫描烧结新层。如此 循环往复直到最后一层成型完毕。 图 1 快速成型机的整体框架 3 快速成型机的设计 3.1 快速成型机的机械部分 快速成型机的机械结构部分如图 3 所示。主要包 含 X、Y、Z 3 个运动轴，两个运动缸 （工作缸和供料 缸），还有铺粉装置。各个轴都装有限位开关。 图 2 工作流程图 图 3 机械部分和运动简图 机械部分运动简图如图 3 所示。X、Y、Z 3 轴联动 可以完成各种复杂的成型轨迹。 工作缸和供料缸采用倒挂的方式挂在工作平台 上并设计成有圆角过渡的四方体, 可以上下两个方向 平稳运动。铺粉装置用一块光滑下面切了 30°倒角的 钢板和滚轮组成。滚轮接在钢板后面。这样在刮粉的 同时也把粉末辗平。达到了很好的铺粉效果。 3.2 快速成型机的控制部分 快速成型机采用 PC 机加运动控制卡的方式控 制。总共有 7 个步进电机,采用了两块四轴控制卡并联 控制。优点是两块卡互不干涉可以独立运动。 控制卡采用固高科技的 GE-400-SG 控制卡,利用 主机的 PCI 插槽和电脑主机通讯。如图 4 是控制系统 的连接图。控制卡通过端子板与电机驱动器和限位开 关通讯。这样就实现了由电脑对电机和限位的控制。 对于步进电机,运动控制器提供两种不同的控制信号： 正脉冲/负脉冲、脉冲+方向。 在控制步进电机时，控制模式为开环控制，不需 要编码器的反馈信号。控制方式是每个轴相对独立控 制。通过控制卡驱动电机可以实现单轴运动或同一卡 上的多轴联动。每个轴的控制方式基本相同。控制卡 通过端子板和电机驱动器通讯。电机通过联轴器接到 工作台上使转动变成平动, 为了限定工作台的运动范 围及防止工作台运动行程过大脱离导轨, 所以要加限 ·模具制造技术· 74
耐∪斯 耐斯合模机·飞模好帮手 模具制造技术 电话:0769-227070297传真:0769-22708240 Http://www.nicemachine.net E-mail: nice @nicemachine net 位开关。限位开关接到端子板上相对应轴的接线口上。6和图7分别是对环氧树脂和覆膜沙烧结的制件。再 动控制器 次验证了机器的开放性和柔性化程序。 图6激光烧结环氧树脂制件图7激光烧结覆膜沙制件套 5结束语 图4控制系统的连接图 快速成型机的3D设计图纸如图8所示,实物如材 3.3快速成型机的软件部分 图9所示。已经用机器完成了了对石膏粉成型实验、 快速成型机的软件采用VC++60编写。主要包环氧树脂成型实验和覆膜砂成型实验的研究。从实验 括各轴的微调测试、多轴插补测试、圆弧插补测试和中可以总结出机器足够柔性化并且控制稳定可靠,快 成型工作区。软件通过VC+调用DLL文件,实现对速成型机的研制对以下几个方面具有重要作用 公 卡的运动控制 4)为各种快速成型实验提供了实验平台。 软件中设有状态监测区来对各轴状态的读取、判 2)方便对影响成型质量的各种参数比如:激光生 断、处理及对限位触发情况的显示等等。软件中根据功率、扫描速度、材料配比、成型层厚等)进行研究。标 丝杆中的螺距、电机驱动器中的分频设置电机转 8)方便用于教学方面和科研方面。机器的开放 圈所对应的脉冲数)把脉冲速度每秒中发的脉冲性和柔性化使得在教学中可以互动,在科研中可以进交 数)、脉冲距离转化为毫米为单位的速度和距离,这样行多种材料研究。 方便成型操作和定义坐标点。 模钢 软件成型界面如图5所示。根据三维模型的STL 胚 格式进行数据切片和处理,然后根据处理好的数据进 行成型操作,这样可以实现各种复杂轨迹的运动。图5 右边显示区能显示当前层的成型轨迹。 ==日口口口口口 传 图8快速成型机的3D设计图图9快速成型机实物图 6参考文献 Chua Chee Kai原著.郭启全,郑正元翻译.快速成型原理8粤 与应用[M台北:高立图书有限公司,2004 图5快速成型机软件成型页面 2]王运赣.快速成型技术[M武汉:华中理工大学出版社 1999 快速成型机制作的制件 [3] Ren C. Luo and Wei Zen Lee. The Development of a 在快速成型机的测试阶段完成了对环氧树脂和 Rapid Prototyping Machine System for Manufacturing Automation [J). International Conference on Robotics 覆膜沙的成型实验。并得到了质量较好的制件。如图 Automation Detroit. Michigan May 1999. OMM 《模具制造》2008年第10期 75 o1994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
《模具制造》２００8 年第 10 期 · · 耐 斯 合 模 机·飞 模 好 帮 手 电话：0769-22707029/7 传真：0769-22708240 Http：//www.nicemachine.net E-mail：nice@nicemachine.net 地 址： 广 东 省 东 莞 市 大 朗 镇 高 英 村 高 英 路118 号 电 话: 0769-83316878 传 真:0769-83317023 东 莞 明 利 钢 材 模 具 制 品 有 限 公 司 代 理 各 国 优 质 合 金 工 具 钢、 红 铜 及 铍 铜 生 产 标 准 及 订 造 模 胚、 模 胚 零 配 件 位开关。限位开关接到端子板上相对应轴的接线口上。 图 4 控制系统的连接图 3.3 快速成型机的软件部分 快速成型机的软件采用 VC++ 6.0 编写。主要包 括各轴的微调测试、多轴插补测试、圆弧插补测试和 成型工作区。软件通过 VC++调用 DLL 文件，实现对 卡的运动控制。 软件中设有状态监测区来对各轴状态的读取、判 断、处理及对限位触发情况的显示等等。软件中根据 丝杆中的螺距、电机驱动器中的分频设置（电机转一 圈所对应的脉冲数） 把脉冲速度 （每秒中发的脉冲 数）、脉冲距离转化为毫米为单位的速度和距离，这样 方便成型操作和定义坐标点。 软件成型界面如图 5 所示。根据三维模型的 STL 格式进行数据切片和处理，然后根据处理好的数据进 行成型操作，这样可以实现各种复杂轨迹的运动。图 5 右边显示区能显示当前层的成型轨迹。 图 5 快速成型机软件成型页面 4 快速成型机制作的制件 在快速成型机的测试阶段完成了对环氧树脂和 覆膜沙的成型实验。并得到了质量较好的制件。如图 6 和图 7 分别是对环氧树脂和覆膜沙烧结的制件。再 次验证了机器的开放性和柔性化程序。 图6 激光烧结环氧树脂制件 图 7 激光烧结覆膜沙制件 5 结束语 快速成型机的 3D 设计图纸如图 8 所示，实物如 图 9 所示。已经用机器完成了了对石膏粉成型实验、 环氧树脂成型实验和覆膜砂成型实验的研究。从实验 中可以总结出机器足够柔性化并且控制稳定可靠，快 速成型机的研制对以下几个方面具有重要作用： （1）为各种快速成型实验提供了实验平台。 （2）方便对影响成型质量的各种参数比（如：激光 功率、扫描速度、材料配比、成型层厚等）进行研究。 （3）方便用于教学方面和科研方面。机器的开放 性和柔性化使得在教学中可以互动，在科研中可以进 行多种材料研究。 图 8 快速成型机的 3D 设计图 图 9 快速成型机实物图 6 参考文献 [1] Chua Chee Kai 原著. 郭启全，郑正元翻译. 快速成型原理 与应用[M]. 台北：高立图书有限公司，2004. [2] 王运赣. 快速成型技术[M]. 武汉：华中理工大学出版社, 1999. [3] Ren C. Luo and Wei Zen Lee. The Development of a Rapid Prototyping Machine System for Manufacturing Automation [J]. International Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan May 1999. ·模具制造技术· 75