作者:赵桂范 林乐川 杨娜
:j m|) Y)X58_En 一、前言
y:zo/#34 |uE_aFQs 快速成型技术是20世纪80年代后期发展起来的一项高新技术[1]。它不仅在制造原理上与传统方法全然不同,更重要的是在目前制造策略以市场响应速度为第一的方针状况下,可以缩短市场开发周期,降低开发成本,提高企业的竞争力。
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快速成型技术具有以下优点:(1)技术集成度高,整个生产过程数字化;(2)制造成本与产品的复杂程度无关;(3)产品的单价几乎与批量无关;(4)绿色的加工技术。以累加思想实现零件制作的快速成型技术是制造技术领域的一项重大突破,其理论、工艺的完善以及精度的提高等,对快速成型技术的普及和应用有着极其重要的影响。
TAu*lL(F .DkDMg1US 成型加工过程中,必须保证一定的制作精度和表面质量,影响制件精度的因素是多方面的[2]。对成型加工精度的影响因素及改进措施的研究,对快速成型技术的发展和普及应用具有重要的意义[3,4]。本文试验所采用的快速成型设备是AFS快速成型机。
4c_F>Jw[ @tLoU% 二、数据处理误差
8Bnw//_pT V6ioQx=K# 2.1格式转换误差
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bu ;Q.g[[J/p CAD模型的STL格式转换即是用三角形面片逼近实际模型表面,转换为所谓的事实上的标准文件格式。STL文件的精度等级不同,所产生的转换误差也不同。STL文件的精度是指用STL格式拟合最大允许误差。实际上,如果原几何模型完全由直边组成,则STL格式拟合绝对准确,没有任何误差;否则,存在拟合误差。例如同一个圆分别使用4个及6个三角形的STL格式表示,如图1所示。
由此可见,精度要求越高,三角形面片的数目越多,它所表示的模型与实际模型就越逼近,但与此同时,STL文件数据量也将剧增,加大了后续数据处理的运算量。另外,三角形面片也会随精度提高而变小,在模型的细节部位会出现大量极为细小的三角形面片,增大数据处理的难度。而且在数据处理过程中常常产生致命的错误。因此,较好的方法是根据工艺条件和制件的精度要求选择适当的STL格式精度。
9/k?Lv !u#o"e<qh 2.1 分层切片误差
s=nE'/q1| q[3b i!Q 将CAD模型进行STL转换后,接着便要对其进行分层处理。分层是用一簇平行平面沿某一设定方向与STL模型求截交线得到轮廓信息。以半径为 的球体为例,如图2a所示,从中截出特定的一段,设其STL格式为图2b所示,这时其顶面和底面是距球心高度分别为h1 、 h2的两个圆,设其半径分别r1 、r2 。
如果分层平面位于顶面或底面之间,设其距球心高度为h,所在平面实际轮廓圆的半径为r,此时分层所得到的多边形将不是半径为r的圆的内接多边形,而是半径为r’的圆的内接多边形。r或r’的大小分别表示为:
所以,为了减少或消除数据处理产生的误差,开发能直接从CAD模型获取成型机能接受的轮廓信息的软件迫在眉睫。
pPG@_9qf +C)auzY7N 三、设备误差
PHa#;6!5 ~;;_POm 3.1 托板 方向运动误差
N2_ =^s7 Fq5);sX= 托板 方向运动误差直接影响堆积过程中层厚精度,最终导致Z方向产生尺寸误差,而托板在垂直面内的运动直线度误差,宏观上产生制件的形状、位置误差,微观上导致粗糙度值增大。因此,托板 方向系统要选用精密导轨、滚珠丝杠、伺服控制系统来提高 方向的运动精度。
}m<)$.x|P Te#wU e-| 3.2 X-Y方向同步带变形误差
qpl "j- 2r~ Nh]( X-Y扫描系统采用X-Y二维运动工作台,由步进电机驱动齿形同步带并带动光头运动。在定位时,由于同步带的变形,会影响定位的精度,常用的方法是通过设定位置补偿系数来减小其影响。为了考察其影响结果,我们在AFS快速成型机上加工制件,分别在采用补偿系数和未采用补偿系数两种情况下作了实验。
G\H@lFh ?mt$c6- 下表即为采用补偿系数和未采用补偿系数时所测得的制件的实际尺寸值,制件的名义尺寸分别为2,5,10,15,20,25mm,所使用的光斑补偿直径分别为1.0mm和1.1mm。
表1 制件尺寸数据(mm)
GSW{h[Op 7}r!%<^ 注:表中带有+号表明设定了同步带变形补偿值,其中同步带的X方向的补偿系数为1.017,Y方向的补偿系数为1.022。
将上表中的制件误差用图形表示更加直观,如图3所示,将制件的名义尺寸用水平轴表示,制件的尺寸偏差用垂直轴表示,根据以上实验数据做图如下:
从图3可以看出,在相同光斑补偿直径的情况下,考虑同步带变形补偿系数所得到的制件尺寸精度要高些。在这几种情况下使用1.1mm的光斑补偿直径并设定相应的补偿系数,制件的精度最高。
*3<m<<>U 3.3 X-Y方向扫描运动误差
_+8$=k2nM 扫描过程中,X-Y工作台存在以下问题:
6iFd[<.*j (1)运动惯性力的影响 工作台在开始扫描阶段以恒定的加速度 从静止状态提高到设定扫描速度 ;在制动阶段,工作台以- 的加速度降低为静止状态,如图4所示。在一般情况下,工作台能很快地进入扫描状态,以速度 扫描,在临近另一个边缘处,速度逐渐降低为0。工作台在启动和制动阶段,存在一定的惯性,使得工作台在制件边缘部分将超出设计尺寸的范围,导致制件的尺寸有所增加。
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