经济型快速成形系统研究

作者：华北工学院 张吉堂 沈兴全 王爱玲

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... RP技术被认为是近20年来制造技术的一项重大突破，可与60年代的NC技术相媲美，这一先进制造技术一出现，就受到工业先进国家的高度重视，并站在21世纪全球竞争的战略高度来关心和支持这一技术。我国90年代初也进入这一领域，目前一些单位接近或已开发出商品化的RP系统并开始少量销售。但RP技术的推广应用的一个很大的问题是其设备价格昂贵，许多企业特别是中小企业根本无力购买。针对这种情况，笔者提出了的经济型的RP系统的概念和原理，并探讨了其系统组成及应用特点。 1　基本原理 RP系统成套设备价格昂贵的根本原因是因为它是将机械工程、CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、激光技术及新材料技术集于一体的一种高新技术产品。怎样降低RP系统的价格呢？笔者提出了模块化与取代化相接合的原则，将复杂的RP系统“解耦”成功能相对独立的几个模块，然后分析哪些模块是RP系统特有的，是无法取代的，哪些模块是可以用其它相同或相似的功能模块，不作或少作修改来取代，而且取代后RP设备的成本会有明显的降低。RP系统从功能上可以分为4部分:造型设计模块、切片处理模块、成形控制模块及成形装置模块。4个模块哪些是无法取代的呢？很明显切片处理模块的功能是，将一个零件的CAD三维模型处理成二维平面数据，是RP技术特有的，是无法取代的。而造型设计模块对已据有CAD三维造型应用基础（软硬件、人才）的用户，只要输出成形机要求的文件格式就可以了，无需新的投资。对无工作站或高档微机、CAD造型软件及三维造型能力的用户，为了降低采用RP技术的投资费用，也可以借助其它单位，如高等院校、科研院所的人才、计算机软硬件优势，通过计算机网络，如局域网、广域网、甚至公用电话网，来实现远程通讯把数据传输到成形机里。而成形控制模块和成形装置模块能够被取代吗？下面就这一问题展开讨论。 RP技术是一种直接用CAD模型驱动快速制造复杂形状的三维零件的先进制造技术，而CNC加工技术是一种计算机数字控制技术，它们都是用数字化信号控制执行部件完成预定的零件成形过程。而LOM、SLA、FDM、SLS等快速成形工艺方法的材料处理维数都是N＝2，即将一个零件的CAD三维模型进行离散化（降维）处理成二维平面，再由二维平面堆积成一个物理的三维实体。根据N＝2的条件，为确保其实现的运动控制系统的维数M＝2.5。而CNC机床若材料处理维数N＝2，为确保其实现的运动控制系统的维数也是M＝2.5。若N＝3，其运动控制系统的维数M＝5（若用空间平面来拟合自由曲面时，M＝3）［1，2］，所以一般的连续切削控制CNC机床都有2.5轴以上的联动功能。这说明从信息处理和运动控制的角度来看，具有2.5轴以上联动功能的CNC机床数控系统（这里所指的数控系统包括数控装置、可编程控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分）可以完成LOM、SLA、FDM、SLS等成形工艺的成形控制过程。因此RP系统的成形控制模块可以用企业现有的具有2.5轴以上联动功能CNC机床的控制系统来取代。快速成形装置模块是指完成某种快速成形工艺成形运动的运动部件，显然CNC机床原有的运动部件如X－Y－Z运动单元，也可作为快速成形装置模块中的必要组成部分，但还需研制与机床原有的运动部件有机集成的专用部件，才能完成快速成形运动。 综上所述，我们提出的经济型RP系统是指，以用户现有的具有2.5轴以上联动功能的CNC数控机床为基础，以现有的工作站或高档微机和三维CAD造型软件作造型设计模块，只配置切片处理模块和快速成形装置模块中的必要部件，来完成产品成形过程的快速成形系统。 2　系统组成 经济型RP系统的核心是以用户现有的CNC机床系统来代替RP系统的很大一部分功能，以达到降低RP设备投资费用的目的。下面以经济型分层实体制造（LOM）系统为例来具体讨论这种经济型RP系统的组成特点。 2.1　机械系统 经济型RP系统的机械部分就是上面所说成形装置模块，它包括X－Y－Z运动单元（主轴箱、工作台）、原材料存储及送进机构、热压机构、激光切割机构或专用刀具切割机构等。X－Y－Z运动单元是CNC机床已有的，而原材料存储及送进机构、热压机构、激光切割机构或专用刀具切割机构等需要专门研制。RP技术自产生以来，其成形工艺方法已发展了分层实体制造、光固化成形、粉末烧结成形、熔积成形和气相沉积成形等10多种，而数控机床的品种也很多，研究分析RP技术，各种常见工艺方法和各种CNC机床的可能组合方式及各种组合方式，怎样尽可能地利用原机床的运动部件，以简化成形装置模块，降低经济型RP系统的投资费用，是研究开发经济型RP设备的关键技术之一。例如经济型LOM系统若在立式加工中心机床上开发，切割机构就要与主轴相固联，而原材料存储及送进机构、热压机构需安装在机床工作台上等。 2.2　控制系统 成形机的轮廓扫描借用了数控机床控制系统的软硬件资源，而原材料存储及送进机构、热压机构的运动控制需专门的软硬件来实现，且必须与CNC数控系统相互协调。 2.3　软件系统 软件系统包括几何建模和信息处理两部分。几何建模软件与一般的RP系统要求完全相同。对切片处理软件有两类:一是将CAD三维造型文件处理成STL文件格式，然后切片处理成快速成形设备所需的输入数据。二是直接从CAD文件中切出一系列层片轮廓数据，作为成形机的输入数据［3］。而经济型RP系统的成形控制模块是机床数控系统，机床数控系统能接受的文件格式是NC代码，因此我们只能采用CAD直接切片处理的方法，来产生准确的切片轮廓数据，以便自动编程用。另外，需要指出的是，自动编程及后置处理所生成的NC代码必须包含有，与控制原材料存储及送进机构、热压机构运动的，单板机相协调的控制信号，以满足机床数控装置与单板机协同工作的需要。 2.4　通讯系统 用微机作为三维CAD造型及自动编程模块，微机可直接通过R232C或R422口与机床及成形装置通讯;用工作站作为三维CAD造型及自动编程模块，可通过局域网实现与微机的通讯，再通过串行口实现与机床及成形装置的通讯，对有MAP接口的机床，可直接与工作站进行信息传输;当三维CAD造型及自动编程模块与数控机床、成形装置远距离相隔时，还可利用广域网、局域网及公用电话网通过调制解调的方式，来实现远程通讯。 3　经济型RP系统的特点与社会经济意义 经济型RP系统的特色与创新之处在于，本系统利用现有的2.5轴以上联动功能的数控机床作成形控制模块，而且尽可能地利用原机床的运动部件来构造成形装置模块，使控制精度大大超过现有的快速成形设备；利用CAD直接法去提取快速成形系统所需要的驱动数据作为快速成形系统的基础数据，并利用数控机床的编程语言作为控制语言;本系统可通过计算机网络如局域网、广域网、甚至公用电话网来实现远程通讯，这大大方便了许多不具备配套的数控机床、工作站或高档微机等设备和产品设计能力的用户，也为厂校、厂所联合创造了条件。 这种经济型的RP系统的研究与开发，国内外还未见过，国内外的研究机构或开发商一种是研究开发完整的快速成形系统，但它们的市场价格昂贵。另一种是研究开发概念制模机以降低其市场价格，目前国外已有商品化的设备，但这种概念制模机，以降低原型的制造精度为代价，来达到降低成本的目的，同时这些产品的工艺都是基于喷射成形，喷粘接剂和喷（挤）热塑性材料，这也使其使用范围受到很大的限制［4］。我们研究的经济型RP系统（以LOM系统为例）其市场售价估计是非经济型系统的5%，比概念制模机的成本也低得多，且其数控机床还可进行数控加工，提高了设备利用率。更为重要的是这种经济型RP系统的开发将降低RP技术的应用难度，将大大加快RP技术的推广，因为它在CAD造型及数控自动编程上与CNC机床的工作过程是完全相同的，而CNC机床在我国企业中的占有率和CNC技术的普及程度与RP技术相比要高得多。因此经济型RP技术的研究开发，非常适合我国的国情，为快速成形技术在我国制造企业的广泛应用开辟了新的途径。目前我们在山西省青年科学基金的资助下，正在进行经济型分层实体制造（LOM）系统的研究开发工作，已取得阶段性成果。(end)

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