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經(jīng)濟型快速成形系統(tǒng)研究

時間:2011-05-21 08:35:31 來源:未知
 RP技術(shù)被認為是近20年來制造技術(shù)的一項重大突破，可與60年代的NC技術(shù)相媲美，這一先進制造技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)先進國家的高度重視，并站在21世紀全球競爭的戰(zhàn)略高度來關(guān)心和支持這一技術(shù)。我國90年代初也進入這一領(lǐng)域，目前一些單位接近或已開發(fā)出商品化的RP系統(tǒng)并開始少量銷售。但RP技術(shù)的推廣應(yīng)用的一個很大的問題是其設(shè)備價格昂貴，許多企業(yè)特別是中小企業(yè)根本無力購買。針對這種情況，筆者提出了的經(jīng)濟型的RP系統(tǒng)的概念和原理，并探討了其系統(tǒng)組成及應(yīng)用特點。

1　基本原理

   RP系統(tǒng)成套設(shè)備價格昂貴的根本原因是因為它是將機械工程、CAD、CAM、CNC、精密伺服驅(qū)動、激光技術(shù)及新材料技術(shù)集于一體的一種高新技術(shù)產(chǎn)品。怎樣降低RP系統(tǒng)的價格呢？筆者提出了模塊化與取代化相接合的原則，將復(fù)雜的RP系統(tǒng)“解耦”成功能相對獨立的幾個模塊，然后分析哪些模塊是RP系統(tǒng)特有的，是無法取代的，哪些模塊是可以用其它相同或相似的功能模塊，不作或少作修改來取代，而且取代后RP設(shè)備的成本會有明顯的降低。RP系統(tǒng)從功能上可以分為4部分:造型設(shè)計模塊、切片處理模塊、成形控制模塊及成形裝置模塊。4個模塊哪些是無法取代的呢？很明顯切片處理模塊的功能是，將一個零件的CAD三維模型處理成二維平面數(shù)據(jù)，是RP技術(shù)特有的，是無法取代的。而造型設(shè)計模塊對已據(jù)有CAD三維造型應(yīng)用基礎(chǔ)（軟硬件、人才）的用戶，只要輸出成形機要求的文件格式就可以了，無需新的投資。對無工作站或高檔微機、CAD造型軟件及三維造型能力的用戶，為了降低采用RP技術(shù)的投資費用，也可以借助其它單位，如高等院校、科研院所的人才、計算機軟硬件優(yōu)勢，通過計算機網(wǎng)絡(luò)，如局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、甚至公用電話網(wǎng)，來實現(xiàn)遠程通訊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)匠尚螜C里。而成形控制模塊和成形裝置模塊能夠被取代嗎？下面就這一問題展開討論。

RP技術(shù)是一種直接用CAD模型驅(qū)動快速制造復(fù)雜形狀的三維零件的先進制造技術(shù)，而CNC加工技術(shù)是一種計算機數(shù)字控制技術(shù)，它們都是用數(shù)字化信號控制執(zhí)行部件完成預(yù)定的零件成形過程。而LOM、SLA、FDM、SLS等快速成形工藝方法的材料處理維數(shù)都是N＝2，即將一個零件的CAD三維模型進行離散化（降維）處理成二維平面，再由二維平面堆積成一個物理的三維實體。根據(jù)N＝2的條件，為確保其實現(xiàn)的運動控制系統(tǒng)的維數(shù)M＝2.5。而CNC機床若材料處理維數(shù)N＝2，為確保其實現(xiàn)的運動控制系統(tǒng)的維數(shù)也是M＝2.5。若N＝3，其運動控制系統(tǒng)的維數(shù)M＝5（若用空間平面來擬合自由曲面時，M＝3）［1，2］，所以一般的連續(xù)切削控制CNC機床都有2.5軸以上的聯(lián)動功能。這說明從信息處理和運動控制的角度來看，具有2.5軸以上聯(lián)動功能的CNC機床數(shù)控系統(tǒng)（這里所指的數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動及進給驅(qū)動裝置等部分）可以完成LOM、SLA、FDM、SLS等成形工藝的成形控制過程。因此RP系統(tǒng)的成形控制模塊可以用企業(yè)現(xiàn)有的具有2.5軸以上聯(lián)動功能CNC機床的控制系統(tǒng)來取代。快速成形裝置模塊是指完成某種快速成形工藝成形運動的運動部件，顯然CNC機床原有的運動部件如X－Y－Z運動單元，也可作為快速成形裝置模塊中的必要組成部分，但還需研制與機床原有的運動部件有機集成的專用部件，才能完成快速成形運動。

綜上所述，我們提出的經(jīng)濟型RP系統(tǒng)是指，以用戶現(xiàn)有的具有2.5軸以上聯(lián)動功能的CNC數(shù)控機床為基礎(chǔ)，以現(xiàn)有的工作站或高檔微機和三維CAD造型軟件作造型設(shè)計模塊，只配置切片處理模塊和快速成形裝置模塊中的必要部件，來完成產(chǎn)品成形過程的快速成形系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)組成

經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的核心是以用戶現(xiàn)有的CNC機床系統(tǒng)來代替RP系統(tǒng)的很大一部分功能，以達到降低RP設(shè)備投資費用的目的。下面以經(jīng)濟型分層實體制造（LOM）系統(tǒng)為例來具體討論這種經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的組成特點。 #p#分頁標題#e#

2.1　機械系統(tǒng)

經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的機械部分就是上面所說成形裝置模塊，它包括X－Y－Z運動單元（主軸箱、工作臺）、原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、激光切割機構(gòu)或?qū)Ｓ玫毒咔懈顧C構(gòu)等。X－Y－Z運動單元是CNC機床已有的，而原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、激光切割機構(gòu)或?qū)Ｓ玫毒咔懈顧C構(gòu)等需要專門研制。RP技術(shù)自產(chǎn)生以來，其成形工藝方法已發(fā)展了分層實體制造、光固化成形、粉末燒結(jié)成形、熔積成形和氣相沉積成形等10多種，而數(shù)控機床的品種也很多，研究分析RP技術(shù)，各種常見工藝方法和各種CNC機床的可能組合方式及各種組合方式，怎樣盡可能地利用原機床的運動部件，以簡化成形裝置模塊，降低經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的投資費用，是研究開發(fā)經(jīng)濟型RP設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。例如經(jīng)濟型LOM系統(tǒng)若在立式加工中心機床上開發(fā)，切割機構(gòu)就要與主軸相固聯(lián)，而原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)需安裝在機床工作臺上等。

2.2　控制系統(tǒng)

成形機的輪廓掃描借用了數(shù)控機床控制系統(tǒng)的軟硬件資源，而原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)的運動控制需專門的軟硬件來實現(xiàn)，且必須與CNC數(shù)控系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)。

2.3　軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括幾何建模和信息處理兩部分。幾何建模軟件與一般的RP系統(tǒng)要求完全相同。對切片處理軟件有兩類:一是將CAD三維造型文件處理成STL文件格式，然后切片處理成快速成形設(shè)備所需的輸入數(shù)據(jù)。二是直接從CAD文件中切出一系列層片輪廓數(shù)據(jù)，作為成形機的輸入數(shù)據(jù)［3］。而經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的成形控制模塊是機床數(shù)控系統(tǒng)，機床數(shù)控系統(tǒng)能接受的文件格式是NC代碼，因此我們只能采用CAD直接切片處理的方法，來產(chǎn)生準確的切片輪廓數(shù)據(jù)，以便自動編程用。另外，需要指出的是，自動編程及后置處理所生成的NC代碼必須包含有，與控制原材料存儲及送進機構(gòu)、熱壓機構(gòu)運動的，單板機相協(xié)調(diào)的控制信號，以滿足機床數(shù)控裝置與單板機協(xié)同工作的需要。

2.4　通訊系統(tǒng)

用微機作為三維CAD造型及自動編程模塊，微機可直接通過R232C或R422口與機床及成形裝置通訊;用工作站作為三維CAD造型及自動編程模塊，可通過局域網(wǎng)實現(xiàn)與微機的通訊，再通過串行口實現(xiàn)與機床及成形裝置的通訊，對有MAP接口的機床，可直接與工作站進行信息傳輸;當三維CAD造型及自動編程模塊與數(shù)控機床、成形裝置遠距離相隔時，還可利用廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)及公用電話網(wǎng)通過調(diào)制解調(diào)的方式，來實現(xiàn)遠程通訊。

3　經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的特點與社會經(jīng)濟意義

   經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的特色與創(chuàng)新之處在于，本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的2.5軸以上聯(lián)動功能的數(shù)控機床作成形控制模塊，而且盡可能地利用原機床的運動部件來構(gòu)造成形裝置模塊，使控制精度大大超過現(xiàn)有的快速成形設(shè)備；利用CAD直接法去提取快速成形系統(tǒng)所需要的驅(qū)動數(shù)據(jù)作為快速成形系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并利用數(shù)控機床的編程語言作為控制語言;本系統(tǒng)可通過計算機網(wǎng)絡(luò)如局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、甚至公用電話網(wǎng)來實現(xiàn)遠程通訊，這大大方便了許多不具備配套的數(shù)控機床、工作站或高檔微機等設(shè)備和產(chǎn)品設(shè)計能力的用戶，也為廠校、廠所聯(lián)合創(chuàng)造了條件。

這種經(jīng)濟型的RP系統(tǒng)的研究與開發(fā)，國內(nèi)外還未見過，國內(nèi)外的研究機構(gòu)或開發(fā)商一種是研究開發(fā)完整的快速成形系統(tǒng)，但它們的市場價格昂貴。另一種是研究開發(fā)概念制模機以降低其市場價格，目前國外已有商品化的設(shè)備，但這種概念制模機，以降低原型的制造精度為代價，來達到降低成本的目的，同時這些產(chǎn)品的工藝都是基于噴射成形，噴粘接劑和噴（擠）熱塑性材料，這也使其使用范圍受到很大的限制［4］。

我們研究的經(jīng)濟型RP系統(tǒng)（以LOM系統(tǒng)為例）其市場售價估計是非經(jīng)濟型系統(tǒng)的5%，比概念制模機的成本也低得多，且其數(shù)控機床還可進行數(shù)控加工，提高了設(shè)備利用率。更為重要的是這種經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的開發(fā)將降低RP技術(shù)的應(yīng)用難度，將大大加快RP技術(shù)的推廣，因為它在CAD造型及數(shù)控自動編程上與CNC機床的工作過程是完全相同的，而CNC機床在我國企業(yè)中的占有率和CNC技術(shù)的普及程度與RP技術(shù)相比要高得多。因此經(jīng)濟型RP技術(shù)的研究開發(fā)，非常適合我國的國情，為快速成形技術(shù)在我國制造企業(yè)的廣泛應(yīng)用開辟了新的途徑。目前我們在山西省青年科學基金的資助下，正在進行經(jīng)濟型分層實體制造（LOM）系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，已取得階段性成果。#p#分頁標題#e#