机电一体化系统设计基础专题报告陶瓷零件快速成型机AWord格式.docx

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1　陶瓷零件快速成型机工艺和特点

陶瓷零件快速成型机成型工艺包括CAD模型数据的获取和建立、层片模型NC代码的生成、石蜡支撑材料的制备与铺设、层片模型的成型铣削等。

具体的工艺如下:

先用三维造型软件在计算机中生成制件的三维实体模型,然后用分层软件对其进行分层处理,将三维实体模型分成厚度为0.1~2.0mm的一系列薄层,得到每层的形状,将料斗里的石蜡加热熔化,在铺料平台上铺设一层石蜡,并用刮平器刮平。

待石蜡冷却后由工控机发信号给数控设备,在凝固的蜡层上镂空每一层层片模型,雕刻下来的石蜡用鼓风机吹走。

然后主机发出指令,铺料料斗将熔好的含有石蜡的陶瓷粉浆料铺设在先前制备好的蜡板上,待浆料填平蜡板的凹处后,用热刮平器将蜡板薄层上多余的蜡料刮掉。

重复以上步骤,逐层累积得到原型,最后将坯体排蜡,烧结,得到陶瓷坯件。

该工艺降低了产品的生产成本,缩短了生产周期。

其技术工艺流程见图1。

该技术具有以下特点:

（1）不需要材料支撑。

支撑是去除/添加快速成型设备内部具有的,设备本

身的支撑结构和所有已经构建好的薄层为后续薄层提供支撑。

（2）使用的支撑材料———石蜡来源广泛而且便宜。

（3）能做出复杂几何形状的模型。

2机械部分设计

2.1组成及工作原理

本机由机架1、工作台水平运动装置8、铺料台升降装置16、铺料系统19、刻料系统4和计算机控制系统组成。

其结构如图2所示。

制作陶瓷零件时，首先利用分层软件对零件的三维实体模型进行分层切片处理，得到每个层面轮廓的二维信息。

快速成型机工作前，铺料平台上升到一定高度，在盛料仓内分别盛入陶瓷浆料和熔融的石蜡，并盖好料斗外壳上端开口，以防止石蜡挥发；

同时启动料仓内的搅拌装置和料斗外壳上的加热装置，以使陶瓷

浆料保持均匀并防止石蜡凝固。

在有凸形边缘的铺料台里预铺一层石蜡，待凝固后作为雕刻的基板。

然后通过铺料系统$%沿!

方向在铺料平台!

上铺一层石蜡，此时陶瓷浆料仓下料口闭合，石蜡料仓下料口打开。

当料斗运动至另一端时，接近开关发出信号，控制料斗停止运动。

接着料斗返回起始位置，返回过程中料斗下料口全部闭合，当接近起始位置时另一接近开关发出信号，料斗停止。

待石蜡凝固后，由计算机发出指令控制刻刀在石蜡板上刻出零件截面形状，并由吹风装置吹走石蜡碎屑，清空镂空部分。

刻料时由计算机按照对零件实体模型分层编制出的程序控制铺料平台的水平运动和刻刀的运动。

刻完后由计算机控制刻刀的复位，并发出铺陶瓷浆料的指令，步骤与铺石蜡的步骤相同。

此时陶瓷浆料仓下料口打开，石蜡料仓下料口关闭。

在铺料过程中，刮板起到刮平层面和使陶瓷浆料充分填平的作用。

在刮平过程中，须控制刮板底的高度始终保持在所铺石蜡层上表面以下0.1~0.5mm，以充分刮去石蜡表层多余的陶瓷浆料，避免形成陶瓷夹层影响制件的质量。

刮平陶瓷浆料层后，由步进电动机驱动使铺料平台下降0.1~2mm。

重复以上操作步骤，逐层叠加，直至得到零件实体。

最后取出实体，进行排蜡和烧结，即可得到陶瓷零件。

该快速成型机的主要参数及性能指标如下：

最大加工范围（纵向-横向-竖向）：

210mm×

270mm×

230mm

2.2主要结构

（1）工作台水平运动装置

工作台水平运动装置2由步进电动机带动丝杠导轨机构实现，台面上安装铺料系统。

如图3所示。

（2）料斗

料斗由料斗外壳、盛料仓、刮平装置和加热装置组成，如图3所示。

搅拌装置由电动机1带动齿轮传动，使之与图3中的齿轮2啮合，带动搅拌辊转动实现搅拌运动，以使陶瓷浆料保持均匀，防止沉淀。

图3料斗外壳示意图图4盛料仓示意图

如图4所示，盛料仓的下料口为活页式，由电磁继电器控制其开合。

盛料仓通过两端外延挂钩4卡挂在料斗外壳壁上的凹槽处，铺料时，相应的盛料仓下料口打开，另一盛料仓下料口闭合。

料斗外壳两侧装有刮平装置，在每次铺料完成后刮平铺料层，去除余料并填实镂空部分。

为保证浆料的流动性，在料斗外壳装有加热板持续加热，使料斗及刮板的温度保持在石蜡的熔融温度，可使刮板在刮料过程中尽可能少发生粘连带料现象，从而保证刮板的清洁和铺料层的平整。

（3）刻料系统

刻料系统由主轴、刻刀、刻刀水平及竖直运动装置构成。

如图2所示，刻刀通过主轴的旋转完成刻料过程，刻刀的水平运动由步进电动机带动机身内的滚

珠丝杠导轨机构实现，竖直运动由步进电动机带动滚珠丝杠导轨机构实现，弹簧21起辅助限位作用。

（4）铺料系统

铺料机构主要由铺料台、料斗、刮平装置、加热装置、工作台水平运动装置、铺料台升降装置及搅拌装置（图2中未表示）等组成。

铺料台作为铺料机构固有的机械支撑其主要作用是在该平台上铺设石蜡和混有石蜡的陶瓷浆料,料斗7用来盛放石蜡和混有石蜡的陶瓷浆料,料斗底设有能够开合的出料口。

加热装置作用是通过温控仪控制加热器对料斗里的石蜡进行加热,并控制其温度,使石蜡保持熔融的状态,以利于熔融的石蜡能够流出出料口,在加热的同时,电机通过齿轮传动带动搅拌辊搅拌浆料,以防止沉淀。

工作台水平运动装置包括步进电机、丝杠、导轨等,其作用是通过步进电机的正反转带动丝杠控制料斗的水平运动铺设石蜡,而铺料台升降装置3用来控制铺料平台的升降,以利于下一层石蜡的铺设。

刮平装置用来刮平料斗刚铺设的石蜡,以防止蜡料的堆积,影响坯件的质量。

铺料机构工作流程为了使铺料机构内部各机构能协调运行,更好地实现铺料机构的PLC控制,分析铺料机构的动作是必需的.陶瓷零件快速成型机铺料系统的动作如下在系统的初始状态：

（1）料斗停在原位,刻刀及丝杠停转时,工作台复位,启动系统水平运动电机正转带动料斗左行并开始铺石蜡,同时加热并搅拌.

（2）石蜡铺到位,石蜡斗关闭,同时电机反转带动料斗回到原位.

（3）料斗回位,石蜡凝固30s.

（4）石蜡凝固完毕,电机正转带动刻刀下移并开始雕刻.

（5）雕刻完毕,电机反转带动刻刀上移.

（6）刻刀回位,同时水平电机正转带动料斗左行铺陶瓷

（7）陶瓷铺到位,陶瓷斗关闭,同时电机反转带动料斗回原位.

（8）料斗回原位,竖直电机正转带动工作台下降2mm.

（9）工作台下降到位,一次加工过程结束,此时系统处于初始状态.重复以上过程,直到坯件完整.然后烧结坯件,即可得制品.

2.3　PLC控制系统设计

2.3.1　设计流程图

由铺料机构的工艺要求可知,该PLC控制系统需满足以下控制要求:

（1）要求加热和搅拌在整个过程中一直进行,并且石蜡料斗和陶瓷料斗不能同时开合.

（2）水平电机第二次工作必须在刻刀回位后进行.

（3）水平电机匀速转动带动料斗平稳运行,以保证铺料均匀.

（4）当自动方式结束一个循环时,系统处于初始状态.在铺料机构工艺流程的基础上,设计了陶瓷零件快速成型机铺料机构动作流程图,如图2所示.

2.3.2　控制系统实现

为了满足上述的工艺要求,该PLC控制系统有4台电机M1,M2,M3和M4,电机M1通过正反转来拖动料斗的前进和后退,电机M2通过正反转来控制刻刀的上下移动,M3和M4则分别用来控制工作台的升降和搅拌浆料.用左右位限位开关SQ1,SQ2和上下位限位开关SQ3,SQ4来作为料斗的左右行程和刻刀的上下行程极限位置.当按下启动按钮时,继电器线圈KM1接通,电机得电正转带动丝杠,通过丝杠带动料斗右行,当碰到限位开关SQ2,KM1断电,KM2接通,电机反转,料斗左行返回,直到压下左位限位开关SQ1,表明料斗完成一个行程回到原位.同理,当电机正转时带动刻刀下行,碰到刻刀下位限位开关SQ4时电机反转,刻刀返回,直至压下刻刀上位限位开关SQ3,刻刀完成一个行程.在这一过程中,雕刻过程由CNC系统控制,当雕刻完以后CNC系统发出指令,刻刀压下下位限位开关SQ4,刻刀上移。

图5陶瓷零件快速成型机铺料机构动作流程图

为了安全起见,对可能发生干涉的动作进行了互锁控制.如由于该系统要求加热和搅拌在整个过程中一直进行,并且石蜡料斗和陶瓷料斗不能同时开合,因此控制铺料料斗左右移动的电机正反转要进行互锁控制,控制工作台升降电机也要进行互锁控制等.为了使刚铺完的石蜡浆料能充分冷却,每次料斗铺完蜡料后使用定时器延时料斗的动作.为了使料斗里的浆料在工作过程中不致于冷却,使用加热器对料斗里的浆料进行加热,由加热器温控仪控制浆料温度在95℃左右.根据工作要求,系统中有开关量I/O点16个其中输入点7个,输出点9个.基于多方面的考虑

PLC选用SIMATICS7-200系列PLC.PLC外部接线图和I/O口接线图如图3和表1所示.在控制系统实现上,首先用三维造型软件生成需要制造的陶瓷零件的三维实体模型,然后用分层软件对三维软件进行分层切片处理,得到每一层的形状和厚度,并生成符合快速成型工艺特色的CNC数据信息,由主控计算机发出指令给CNC成型控制子系统,使刻刀在料斗铺设已凝固好的每一层石蜡上刻出该层形状.然后,主控计算机向PLC发出指令,由PLC控制铺料系统在镂空处填充成型材料,并对成型情况进行监控并进行运动参数的反馈,必要时对快速成型设备的运动状态进行干涉,重复累加之后烧结坯件,最终形成陶瓷制件.

图6外部接线图

3　控制系统硬件的组成

由陶瓷零件快速成型机的机械系统结构可知,系统需要控制的对象主要是雕刻系统和铺料系统的各轴运动,具体可分为雕刻系统X轴运动单元、Z轴运动单元、主轴运动单元、工作台Y轴运动单元,料斗左右水平运动单元（X1轴）,铺料平台升降运动单元（Y1轴）以及搅拌运动单元（C1轴）,一共7根轴。

基于对主控对象的考虑,本系统采用“PC+PMAC运动控制卡”开放式控制结构模式,即采用把PMAC多轴运动控制卡嵌入IPC,工控机作为上位机和系统平台,PMAC运动控制器作为下位机的并行双CPU开放式运动控制模式。

硬件部分主要由工控计算机、

变频器、交流伺服驱动器、交流伺服电机以及伺服信号中转板、I/O接口板等构成,控制系统结构原理图，如图3所示。

图7陶瓷零件快速成型机控制系统原理图

该控制系统为二级主从式分布控制结构,上位机选用艾讯工控机,CPU为PIII1·

0GHz,256MB内存。

操作系统选用Windows2000,下位机运动控制卡采用

美国DeltaTauDataSystem公司推出的PMAC2-PC多轴运动控制卡,借助于MotorolaDSP56000数字信号处理器,可同时控制1—8轴。

其具有计算能力高、实

时性好的优点,与一般的运动控制器相比,运算速度更快,效率更高,而且具有很强的开放性。

上位机通过标准ISA总线和运动控制卡实现数据通讯。

PMAC2-PC与伺服驱动器、电机以及变频器通过ACC-8S伺服信号中转板交换信息,因为ACC-8S伺服信号中转板是两轴输出板,而系统需要控制7根轴,故采用4块这种信号中转板。

为了保证精度,全部选用日本Panasonic公司生产的伺服驱动器和伺服电机,电机上带有编码器反馈,从而形成半闭环控制系统（图8）。

ACC-34A扩展接口板是一个32路输出、32路输入的接线板,成型机的控制面板、其它辅助单元和I/O信号可以方便地通过I/O接口板ACC-34A实现与运动控制卡的连接,该控制系统采用2块ACC-34A接口板。

图8　进给轴控制系统结构图

刻刀雕刻成型系统的执行机构由交流伺服电机驱动器、交流伺服电机、主轴电机和传动导向机构以及主轴组成,通过伺服信号中转板将运动控制卡的模拟电压速度控制信号转换成雕刻机构的机械运动,实现在铺设好的凝固的石蜡层上雕刻出CAD模型的每一层模型形状。

交流伺服电机驱动器、交流伺服电机、铺料平台升降机构、浆料搅拌机构以及料斗水平运动机构组成铺料系统的执行机构,通过ACC-8S伺服信号中转板将运动控制卡发出的指令转换成控制伺服步进电机的脉宽调制信号（PWM信号）,从而控制铺料机构完成石蜡和陶瓷浆料的铺设。

4　控制系统软件的结构设计

在控制系统实现上,首先用三维造型软件生成需要制造的陶瓷零件的三维实体模型,然后用分层软件对三维软件进行分层切片处理,得到每一层的形状和厚度,并按PMAC代码集生成符合快速成型工艺特色的CNC数据信息,由ISA总线把NC代码传递给运动控制卡,运动控制卡发出模拟电压速度控制信号给雕刻控制执行机构控制刻刀在料斗铺设已凝固好的每一层石蜡上刻出该层形状。

然后,主控计算机通过伏频转换卡向步进电机驱动器发出指令,控制铺料系统执行机构在镂空处填充成型材料,并对成型情况进行监控和运动参数的反馈,必要时对快速成型设备的运动状态进行干涉,重复累加之后烧结坯件,最终形成陶瓷制件。

本系统软件由上位机软件和下位机软件组成,采用模块化设计结构。

Windows具有操作界面友好、开发程序可移植性好的特点,在Windows环境中采用VisualC++6.0开发上位机软件,上位机软件主要起到管理系统的作用,负责人机交互、用户信息管理、数据处理、通讯控制、图形显示、动态仿真、系统状态检测等。

图9所示为控制系统上位机软件结构。

图9控制系统上位机软件结构

（1）用户信息管理模块。

该模块主要用来实现片层数据处理以及图形编辑处理功能,设定铺料平台

升降速度、料斗运行速度等参数。

（2）系统参数模块。

用来完成PMAC的设置,使其运动控制模块实现各轴的运动控制,进而完成石

蜡层的雕刻、料斗铺料、工作台升降等动作,刀具参数设置子模块用来根据工艺要求完成刀具参数的设定。

（3）控制管理模块。

在上位机控制软件中主要利用双CPU通讯,一方面把CAD模型的层片加工信息下载到PMAC2-PC,并生成控制指令,另一方面又获取执行机构的运动状态并在上位机中显示。

根据不同的成型工艺,设置不同参数,实现实时监控加工。

（4）加工轨迹动态显示模块。

该模块主要用于加工过程中的CAD三维模型加工显示、加工过程中层面显示和铺料运动显示。

该模块可以实时地显示加工进度和加工轨迹。

下位机软件是基于PMAC,采用PMAC支持的类BASIC语言开发的,主要包括铺料控制模块、雕刻控制模块、命令执行模块、数据采集模块、运动插补模块等。

其主要实现的功能:

4从通讯口接受命令控制成型机铺料机构的铺料动作和雕刻动作的执行;

4数据采集功能,采集成型机的状态参数并发送给上位机;

4实现运动插补功能;

4实现伺服驱动和主轴驱动功能。

5　结束语

陶瓷零件快速成型技术是快速原型制造技术的重要发展方向之一，由于其起步较晚，目前适用于陶瓷零件快速成型的专用设备并不多见。

本设计提出了一种新的陶瓷零件快速成型设备，经实验验证，本设备基本上达到了设计的总体要求。

该快速成型机的机械装置体积小、重量轻、结构紧凑，刚度、传动精度和选取的步进电动机均达到了使用要求，而且能够满足设备及工艺成本低廉，制件质量良好、强度较高的性能要求，与其他快速成型设备相比，在性能相仿的情况下具有较大的价格优势。