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摘要：根据激光分形烧结快速成形要求其扫描过程中无反向间隙和高分辨率的要求，设计并研制出了由钢丝绳牵引驱动的二维扫描工作台、铺粉装置、激光器、计算机控制系统组成的激光分形扫描快速成形系统。
关键词：激光分形扫描；二维数控；钢丝绳
1、引 言
快速原型/零件制造(RPM)，简称快速成形，是90年代出现的一项高技术，它给工业带来的影响完全可以同数控技术产生的影响媲美。
国外在快速成形技术的研究上，着重探讨工艺方法本身，如光敏固化成形、选择性激光烧结、熔化沉积制造等等；国内不少高校开展了快速成形的探讨，也着重在工艺技术研究上，如清华大学研究光敏固化成形，南京航空航天大学研究金属粉末烧结，华中理工大学材料学院研究纸粘结成形等，取得了可喜的成果。
目前，快速成形技术最为突出的问题是所制造的零件的物理性能较差，另外零件的精度低及表面精糙度高也是亟待解决的问题。由于三维实体是用二维的制造方法制作出一系列的薄切片，再依次堆叠成三维的实体，我们深入分析了快速成形的机理，认为生成2D薄层过程中的扫描路径对产生上述问题具有重要的影响，因为目前快速成形系统中采用的加工路径是线扫描路径，即把加工面看成是线的集合，这样扫描线之间的残留误差使2D薄层的表面凹凸不平，不仅影响了薄层之间的堆叠强度，而且影响材料生成过程的物理性能，从而产生较大的收缩及材料结构的不均匀性等等，降低了零件的工程实用性能。
分形几何是本世纪有重大影响的科研成果之一。按分形曲线生成的扫描路径，则可认为是若干小平面嵌套而成，是分形的集合，而不是线的集合。按分形曲线路径所制造的2D薄层，将使薄层表面平整，材料结构均匀，生长过程更完善，局部的性能优化即可相似地推广到整体，薄层之间的堆叠强度可大为提高，可以获得稳定可靠的物理性能，提高制造精度[1]。
我们将利用分形路径扫描作为技术关键，研制相应的机构及关键技术，目标是使系统生成的实体在精度及物理性能上达到实用的水平，使之能直接用作机械零件。
为实现分形路径扫描，要求扫描系统能在x、y方向频繁地改变方向，这一方面要求扫描系统无反向间隙，另一方面又要求扫描系统具有高的分辨率、高的定位精度。因此本系统基于以上两点为设计目标。同时为制造出实用的零件，我们采用激光烧结金属粉末作为工艺方法。
激光粉末烧结快速成形在加工过程中必须实现以下几个动作：（1）激光束的扫描；(2)自动铺粉；(3)激光烧结。因此本系统由扫描工作台、铺粉装置、激光器、激光光路、控制计算机等组成。
2、系统组成
系统整体构成,如图1示。激光扫描系统是通过2D工作台来实现的。考虑到工作台在X-Y方向运动时精度要求为0.02mm，以及运动时的准确性，故采用钢丝绳驱动来消除传动时的间隙。 （图片）
图1 系统整体构成
1.扫描工作台 2.铺粉装置 3.工作缸体
4.驱动齿轮 5.驱动电机 6.激光光路系统
7.CO2激光器 8.控制计算机 9.激光电源 2D钢丝绳驱动的工作台由2个步进电机驱动，用以驱动2维扫描系统。步进电机选用55BF009型，其步距角为0.9°/步。在2D扫描系统中要求X-Y方向的灵敏度、定位精度高，并要求牵引力小、移动轻便，为此选择高精度的直线滚动导轨，重复定位误差为0.1～0.2μm；摩擦系数为0.025～0.005，实现分形路径扫描，完成零件片层的烧结。
3、关键部件
3.1 钢丝绳与直线滚动导轨组成的二维工作台
2D工作台常采用丝杠螺母副传动，而本装置选用了钢丝绳、直线滚动导轨。钢丝绳的驱动是为了消除间隙，其中包括传动间隙、反向间隙。钢丝绳在电机轴的联接轴上绕转,利用钢丝绳与轴之间的摩擦力来驱动激光头的运动。选用0.8mm钢丝绳，具有良好的柔性。为防止长时间传动后钢丝绳发生松弛，加设了钢丝绳张紧装置。Y方向运动选用两根直线滚动导轨，X方向选用一根直线动导轨，重量轻，精度高。
钢丝绳牵引和直线滚动导轨组成二维数控扫描系统，如图2所示。（图片）
图2 钢丝绳驱动的二维工作台
1.直线滚动导轨副A 2.连接板A 3.直线滚动导轨副B
4.钢丝绳 5.支撑板A 6.驱动轴A 7.直线滚动导轨副C
8.支撑板B 9.驱动轴B 10.钢丝绳滚轮 11.支撑板C 扫描系统分形路径复杂, 要求分辨率高，要求在一个步进电机脉冲内，工作台运动0.02mm。工作台运动分辨率由步进电机的步距角、降速比、驱动轴的直径、钢丝绳的直径所决定。经过计算，该工作台的设计分辨率为0.02mm。
3.2 铺粉装置
铺粉装置由工作活塞、送粉活塞、两个工作缸体、铺粉轮、驱动装置组成，如图3示。步进电机驱动齿轮,每加工完一层后,工作活塞下降,送粉活塞上升，然后铺粉滚轮来自动实现铺粉。该滚轮在两平行的齿带之间架设，由步进电机驱动，滚轮完成两个功能: (1)铺粉；(2)压紧。（图片）
图3 铺粉装置结构示意图
1.送粉缸体 2.送粉缸 3.送粉活塞 4.从动齿轮
5.工作缸 6.丝杠 7.挡板 8.主动齿轮 9.步进电机 在设计中要求活塞的运动分辨率高，定位精度好，同时考虑到实验装置结构的紧凑性，因此选用齿轮螺纹副来实现活塞的直线运动。此时由电机轴上的一个齿轮驱动两边丝杠的运动，齿轮作转动,丝杠作直线运动，实现零件Z方向的生长。
3.3 计算机控制系统
总体构成,如图4所示，这是一种主从式结构。系统采用PC-586工控机作为主机，用MCS-51单片机作为从机。将从机做成接口卡置入主机内。 用PC586工控主机进行数控编程,然后将数控加工文件处理成一定格式并通过PC总线以并行通讯方式传递到下层的MCS-51单片机中。由单片机完成X-Y步进电机进行轨迹的插补，以及Z方向的生长、铺粉装置的自动进行和CO2激光器电源开关的控制。（图片）
图4 计算机硬件组成及其控制对象 3.4 CO2激光器
选择连续式CO2激光器，波长为10.6μm。激光的强度可通过输入电压来调节，从而能调节激光器的输出功率。
激光采用高压直流电源。在烧结过程中，激光需要频繁地开关，由于扫描速度很高，因此开关速度影响到扫描精度。为保证0.01mm的扫描精度，要求开关动作时间小于0.02ms，在激光电源输出端采用高频电子开关，其响应频率为50kHz，能实现0.02ms的开关动作要求。
3.5 2D驱动光路
光路如图5所示。本系统的光路由两片反射镜、一片凸透镜组成。这些镜片装设在可调节的镜架上。镜架可调节用于保证光路的平行以及激光束与被加工粉末层的垂直,同时使激光束具有可调焦性。（图片）
图5 CO2激光器光路 4、实验验证
4.1 前进精度
本文设计的扫描系统在X、Y方向的分辨率为0.02mm。通过百分表来测验，试验结果，表1，2示。表1 X方向位移数据（10-2mm）
| 步 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | | 位移 | 2.0 | 4.0 | 5.9 | 7.9 | 9.8 | 11.8 | | 步 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | | 位移 | 13.7 | 15.6 | 17.4 | 19.4 | 21.2 | 23.3 |
表2 Y方向位移数据（10-2mm）
| 步 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | | 位移 | 1.8 | 3.1 | 5.1 | 6.6 | 8.2 | 10.0 | | 步 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | | 位移 | 12.0 | 13.8 | 15.8 | 17.2 | 19.2 | 21.2 |
X方向平均每走一步的位移为0.019mm; Y方向平均每走一步的位移为0.018mm。该结果符合设计要求。
4.2 反向间隙
采用钢丝绳牵引的原因主要是为了消除反向间隙。反向间隙实验的结果：
X方向向前走一步后，接着向后走，通过比较前后两次的位移，即可判断反向间隙，当X方向向前走一步的位移为0.021mm，返回的位移为0.020mm。这里存在着0.001mm的间隙，但是当连续走时，重复定位精度基本上无误差。当连续走150步后，接着反向走150步，位移基本为零。Y方向反向间隙与X方向差不多，基本上被消除。
通过实验测试表明，该实验装置X方向的分辨率上达到0.018mm，Y方向的分辨率上达到0.019mm，反向间隙基本消除，满足分形扫描路径的要求。
1/6/2005
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