快速成型实训说明书杨帅.docx
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快速成型实训说明书杨帅
成绩
西南科技大学城市学院
CityCollegeofSouthwestUniversityOfScienceandTechnology
快速成型实训设计说明书
2013～2014学年第2学期
设计题目：
挖掘机的快速成型
题目类别：
课程实训
指导教师：
高旭芳
专业班级：
机制1103
姓名：
杨帅
学号：
201140187
日期：
2014.5.28
机电工程系
第一章任务选择与简介
1.1确定任务
经过课堂上的分组，老师分配的任务为挖掘机的快速成型设计，根据要求结合设计的方便性，所设计的挖掘机应符合现代工艺大体需求。
经过组成员的讨论后确定设计方向。
任务：
挖掘机快速成型。
1.2挖掘机的资料
1.2.1定义
挖掘机，又称挖掘机械（excavatingmachinery），是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。
第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。
挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。
从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，其正确的选型也就显得更为重要。
1.2.2构成
常见的挖掘机结构包括，动力装置，工作装置，回转机构，操纵机构，传动机构，行走机构和辅助设施等。
从外观上看，挖掘机由工作装置，上部转台，行走机构三部分组成。
1.2.3分类
常见挖掘机的分类：
挖掘机分类一：
常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种。
其中电动挖掘机主要应用在高原缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。
挖掘机分类二：
按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机。
挖掘机分类三：
按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。
机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。
挖掘机分类四：
按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别
挖掘机分类五：
按照铲斗来分，挖掘机又可以分为正铲挖掘机和反铲挖掘机。
正铲挖掘机多用于挖掘地表以上的物料，反铲挖掘机多用于挖掘地表以下的物料。
实际举例：
1、反铲挖掘机——反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。
可以用于停机作业面以下的挖掘，基本作业方式有：
沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、保持一定角度挖掘、超深沟挖掘和沟坡挖掘等。
如图1-1所示：
图1-1反铲挖掘机
2、正铲挖掘机——正铲挖掘机的铲土动作形式。
其特点是“前进向上，强制切土”。
正铲挖掘力大，能开挖停机面以上的土，宜用于开挖高度大于2m的干燥基坑，但须设置上下坡道。
正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，可开挖含水量不大于27%的一至三类土，且与自卸汽车配合完成整个挖掘运输作业，还可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。
正铲挖土机的开挖方式根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种：
正向挖土，侧向卸土；正向挖土，反向卸土。
如图1-2所示：
图1-2正铲挖掘机
1.2.4发展方向
1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。
2）迅速发展全液压挖掘机
3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。
4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。
5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。
6）进一步改进液压系统。
7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。
8）更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。
1.3分组情况
经过组上的讨论最后决定采用反铲挖掘机的外形作为设计参考，各部分零件的分组如下表1-1所示：
杨帅
挖掘机底盘，尺寸设计时要考虑局部强度要求
曹安康
底盘传动轮胎（四个），加轴连接，考虑配合
吴伏军
铲斗，中空部分厚度要略大于打印最低要求
肖乾成
车厢，考虑节省材料，设计成多部分拼装式
范悦
后壁油缸及活塞（两个）
吴召科
前臂油缸及活塞（两个）
魏正福
各部件之间的连杆、销
金鑫
前臂，孔洞连接强度足够
杨璐
后臂，孔洞连接强度足够
表1-1分组列表
分好组后，各个组员根据分配的要求，在统一尺寸后，采用三维软件，设计出自己的那部分形状，再经过多次校正修改后，将各部分零件组装成整体，外形外观再作小部分的修改，经老师检查后即可打印！
第二章UG造型
2.1UG简介
UG（UnigraphicsNX）是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。
UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。
主要功能：
1、工业设计——NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。
利用NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。
2、产品设计——NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。
NX具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。
NX优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。
3、NC加工——UGNX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UGNX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：
如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。
该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。
该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。
UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。
UGNX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2～5轴或更多轴的铣削加工、2～4轴的车削加工和电火花线切割。
4、模具设计——MoldWizard（注塑模向导）是基于NX开发的，针对注塑模具设计的专业模块，模块中配有常用的模架库和标准件，用户可以根据自己的需要方便的进行调整用，还可以进行标准件的自我开发，很大程度上提高了模具设计效率。
MoldWizard（注塑模向导）模块提供了整个模具设计流程，包括产品装载、排位布局、分型、模架加载、浇注系统、冷却系统以及工程制图等。
整个设计过程非常直观、快捷，它的应用设计让普通设计者也能完成一些中、高难度的模具设计。
本次设计所采用的是UG8.0版本软件。
2.2零件分析及UG造型
2.2.1零件的结构分析
根据任务要求，我所要画的部件为挖掘机模型的底盘，在结合前文所提及的挖掘机资料和自身想法相融合后，决定了模型底盘的大体结构。
参照反铲挖掘机的图片图样，大体结构相似，而由于在3D打印机上所打印的模型尺寸较小，要考虑强度要求，所以将图片中的履带传动改为轮轴传动。
设计过程中所涉及到的尺寸都是经讨论后统一的尺寸，其中的配合、精度都符合要求！
在经过详细的构思与尺寸计算后，底盘的长宽高定为112mm、75mm、22.5mm，接着就进入UG的造型。
2.2.2UG的造型
1.打开UG软件，点击新建——模型——确定之后，进入新建的窗口，在如图2-1所示的界面进行模型的创作：
图2-1UG初始界面
2.首先要画出底盘的两边支撑架，操作为插入——设计特征——拉伸，之后进入曲线绘图界面，画出支撑架的截面曲线再拉伸，即可完成绘制。
重复步骤共画出两个支撑架，如下图所示：
图2-2支撑架的拉伸
图2-3支撑架
3.支撑架画好之后，需要将其连接起来，所以接下来画连接结构,参考图片画出如图2-4所示的连接：
图2-4支撑架连接
4.图2-4所画的连接与箱体不能进行旋转动作，所以需要改进其结构，使之能配合箱体一起做旋转运动，经拉伸操作处理后，得到下图的结构式样：
图2-5改进后的连接
5.整体结构画完后，需导出二维图，图形（详细见文件夹中CAD图）如下：
图2-6二维图
第三章快速成型
3.1快速成型简介
快速成型技术又称快速原型制造（RapidPrototypingManufacturing，简称RPM）技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。
它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。
即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。
3.2特点及发展
特点：
（1）制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；
（2）原型的复制性、互换性高；
（3）制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；
（4）加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；
（5）高度技术集成，可实现了设计制造一体化；
发展方向：
（1）开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。
（2）提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。
（3）改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。
（4）开发快速成形的高性能RPM软件。
提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失。
（5）开发新的成形能源。
（6）快速成形方法和工艺的改进和创新。
直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又—个热点。
（7）进行快速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。
（8）提高网络化服务的研究力度，实现远程控制。
3.3熔融沉积制造（FDM）
3.3.1实验的主要仪器设备—S-250FDM双喷头快速成型系统。
主要技术指标：
1.系统运行环境：
WindowsXP、Windows2000；
2.分层软件：
ModelWizard；
3.输入格式：
STL文件格式；
4.分层软件性能：
分层控制一体化软件：
5.具备一定的打印功能；
6.成型厚度（Z轴）：
0.2-0.4mm（可自主调节）；
7.成型精度：
±0.2/100mm；
8.成形空间：
150mm×200mm×250mm;
9.成型室：
成型室温度在50℃以上，运动系统（电机等）在成型室外；
10.喷头系统：
双喷头（双丝材成型系统）
11.成型材料与支撑材料为不同性能的ABS塑料丝材；
3.3.2数据准备
1、STL数据格式的处理：
由于我们设计的是在三维软件里，但三维数据模型不能直接导入ModelWizard软件，在ModelWizard里无法打开，所以必须得进行格式的转换，将三维图型格式转化为STL文件如下图3-1：
图3-1STL的转化
2.载入STL文件：
在桌面上双击ModelWizard图标，进入数据处理软件系统。
在主菜单当中点击载入，载入STL文件。
再选择模型——自动布局使模型进入成形空间，如下图3-2所示：
3.分层参数设置：
将参数集设置为set3,其他保持默认数值，如下图3-3所示：
4.预设支撑：
单击工具——预设辅助支撑——预设支撑根据自己想法加入预设支撑，将预设支撑调整到最佳状态，如下图3-4所示：
3.3.3制造原型
1.设备调试工作：
将ModelWizard软件与打印设备连接并进行初始化，完毕之后进行调试，打开温控使温度上升至240℃、210℃、60℃，接着主副喷头调试，最后检查材料是否够用，并按实际材料量来调整，如下图3-5所示：
2、原型制作:
调试完毕后，将数据载入成型设备，设备开始运行加工，加工完成后取出模型，清理工作台及成型室，待下次使用，模型如下图3-6所示：
3.3.4模型的后处理
打印好的模型存在一些缺陷，要将其作一些后处理，如增强预处理、表面涂覆、表面抛光、表面喷涂等，是模型更能表现其体征。
第四章实验的总结和体会
在实验过程中，通过老师的讲解及自己的实际操作练习，对快速原型技术以及快速原型设备有了更为全面地理解，对此种快速原型工艺有了更为具体深入地了解，发现成型时的精度控制对最后的产品效果有很大影响，并且深刻认识到快速原型技术在未来广阔的应用前景，在以后的生产生活中肯定会被大力推广应用，总的来说，快速成型的实验过程还是过的挺艰苦的，每打印一个部件都要在打印机旁守上几个小时，可是当打完所有的部件，将他们组装起来拼成一个完整的模型后也会欣喜，觉得所有的付出都是值得的，自己倾力倾为的东西总是带有点自豪感，而且在实验过程中，对自身的锻炼也让自己在动手、组织、沟通方面学到了很多东西，非常感谢老师的教导和组员们的配合！
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