1271-隔振系統(tǒng)實驗臺總體方案設計

1271-隔振系統(tǒng)實驗臺總體方案設計,系統(tǒng),實驗,試驗,總體,整體,方案設計 南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 1 -實體自由成型制造與快速原型制造1．1 實體自由成形制造方法可以用幾種制造方法將 CAD 信息轉換為原型物體。自 1987 年以來，又出現(xiàn)了幾種新的技術來完成這一轉換。就在 1987 年，3D 系統(tǒng)公司(3D Systems Inc．)推出了立體光刻(SLA)這一技術。在隨后的 5 年里，又出現(xiàn)了幾種與之相競爭的技術。這一組新技術一般通稱為實體自由成形制造(solid freeform fabrication，SFF)。正如大多數(shù)新技術都要經(jīng)歷第 2 章所描述的市場接納 S 形曲線一樣，實體自由成形制造領域經(jīng)歷了相當長的廣告宣傳階段。其他用來描述實體自由成形制造這一技術的詞匯還包括：·需求中的零件(part on demand)；·從藝術到零件(from art to part)；·桌面上制造(desktop manufacturing)；·快速成形(rapid prototyping)。在撰寫本書時，專門從事原型制造的公司已將立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(SI。S)、熔融沉積制造(FDM)和分層實體制造(LOM)用于日常商業(yè)活動中。以玉米淀粉、塑料和陶瓷為材料的三維印刷(3DP)也正進入商業(yè)應用。還有幾種原型制造方法雖具有潛力，但并沒有以盈利目的被第三方普遍采用。鑄造是一個特例，它仍然被用于單件原型制造。另外，當用立體光刻做好模具后，采用鑄造進行 10～500 批量范圍的生產(chǎn)仍然非常經(jīng)濟。機加工也用于單件或幾件批量的原型制造。1．1．1 實體自由成形制造與快速成形技術總結用于日常商業(yè)性活動的包括：·立體光刻；·選擇性激光燒結；·分層實體制造；·熔融沉積制造。處于研究與開發(fā)階段的包括：·以玉米淀粉、塑料和陶瓷為材料的三維印刷；·以塑料為材料并由機加工來銑平的三維印刷；·實體磨削固化(SGC，與 SLA 類似)；·形狀沉積制造(SDM，分層疊加與分層遞減的結合)。非實體自由成形制造(傳統(tǒng)方法)包括：南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 2 -·機加工；·鑄造?？巳R斯勒汽車公司于 20 世紀 90 年代初所作的比較研究表明，SLA 技術比與其競爭的非傳統(tǒng)原型制造方法，在成本上和精度上要領先(此項研究沒有包括對機加工和鑄造工藝的評價)。本章對有關技術進行描述后，將附加圖表來對它們的成本與精度進行比較。近10 年來，SLA 已進一步證明了它是應用最多的實體自由成形制造技術，特別是在鑄造和注塑成形時用它來制作模具。在撰寫本書時，SLS、FDM 和 LOM 是繼 SLA 后最常見的技術。1．1．2 實體自由成形制造的發(fā)展歷史20 世紀 70 年代末，米得(Mead)和康韋((20nway)奠定了超大規(guī)模集成電路(VLSI)的快速成形基礎口“。于是，電路的設計者們開始采用 5 種二維模式進行設計。這些模式定義了金屬氧化物半導體(MOS)晶片上的三層疊式互連及各層之間通過孔隙的互連。當俯視電路芯片時(無論用來制作這些芯片的具體工藝和掩膜層數(shù)如何)，這些模式均可用來描述各種線路走勢與通孔的實際幾何圖形(見文獻[36])。受以上分層電路成功的設計方法的激勵，20 世紀 70 年代以來，數(shù)家公司對分層制造機械零件進行了嘗試。另外，到 80 年代中葉，幾項美國政府的研究也對成立“機械領域的金屬氧化物半導體執(zhí)行服務機構(MOSIS)”的可能性進行了分析。于是，一提到機械領域的 M()SIS 的前景，人們就往往將它與上文列出的制造工藝聯(lián)系起來。第一種商用 SFF 技術——SLA——是伴隨著將 CAD 物體表示成STL。(STereoLithography)文檔格式“．STL。 ”的出現(xiàn)而產(chǎn)生的。 “．STL”文檔是 CAD格式的種變形，它適用于造型時的分層操作和后續(xù)的實際 SLA、FDM 或 SLS 機器上的激光掃描軌跡。足球是圓的嗎?回答取決于你測量的準確程度。名義上，它是一個完美的圓球體，但仔細觀察起來，它是由大約 20 多塊六邊形塊和一些五邊形塊縫合而組成的曲面體。所以它實際上是對數(shù)學上圓球體的一種近似。類似地， “．STL”文件用來對 CAD 模型中的邊界曲面進行近似，將原曲面分割成相互連接的小三角形，通常稱為分割鑲嵌(tessellation)。每一塊三角形由三個頂點的x、y、z 坐標來表示，三個頂點的先后順序符合右手法則，即從物體外部看，以逆時針方向定出這些頂點。同時，對每個三角塊的法向也做了規(guī)定。這些分割鑲嵌的小表面儲存南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 3 -在一個“．STL”文件中。這樣形成的可能包含多至 20 萬個三角塊的文件通過 Internet送往快速成形車間的機器。圖 4.1 一個“.STL”文件表示的是一個分割鑲嵌后的物體。 （a）圖顯示由許多表面面片表示的隱形眼鏡盒。該“.STL”文件所表示的物體隨后被分層，接著用激光掃描來硬化零件（由Lee Weiss 教授提供） 。如圖 4．1 所示，這種分割鑲嵌的 CAD 模型隨后被分割成類似于一疊撲克牌的層次。對于 3D 系統(tǒng)公司的機器而言，這種文件被稱為 SLI 文件或分層文件。盡管其他快速成形方法使用相似的技術，但它們的細節(jié)和命名卻各有不同。如果對于一個假想的足球來說，這樣的每一層都應該是一個圓形。但是由于使用這種分割鑲嵌的方法，每一層都不是一個完美的圓形。由于這種分層技術沿三角塊邊界分割，因此，每一層圓實際是由一個多邊形近似形成的，邊的多少則取決于分割鑲嵌所要求的精確程度。對于 SLA 機器而言，首先用激光器固化每層的邊界，然后再填充邊界內(nèi)部。每層的厚度和填充方式則通常隨機器生產(chǎn)商的不同和用戶的選擇而有所不同。特別是對于 SLA 和SLS 機器而言，通常要進行一些逐步嘗試才能探索出最令人滿意的結果。這個問題將在稍后幾節(jié)進一步探討。目前， “．STI。 ”格式已成為 SFF 的標準文件交換格式。但在很多情況下，此格式也存在一些不足。首先，由于采用分割鑲嵌，文件所占容量很大。其次，它存在著一些冗余度。例如，一方面每塊小三角形都按逆時針方向給出其三個頂點的坐標，以便用右手南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 4 -法則判斷其法向。但同時，習慣上每塊小三角形的法向矢量也同時由 STI，另外保存。有時這兩者會出現(xiàn)一些不一致性，而且目前還沒有較好的方法來解決這一問題。正如文獻[32]所述， “．STI。 ”沒有表達模型的拓撲結構和連接性，給修補文件中的一些常見錯誤帶來困難，例如，間隙、滲透和額外面片，以及法向不一致。此時，人們不能不去設法猜測設計人員的原意。于是，一些更通常的數(shù)據(jù)交換格式有時也用于 SFF中，包括 ACIS 和 IGES。然而，正如文獻[38]所述，在 SFF 中采用這些格式也存在某些問題。因此，目前對文件交換語言進行改善的研究正在進行。1．2 可供快速成形選用的鑄造方法1．2．1 簡介一些經(jīng)典的制造工藝教科書，如文獻[11]、[17]、[24]及[43]，對各種鑄造工藝有較詳細地介紹，例如：·失蠟鑄造；·陶瓷模鑄造；·殼型鑄造；·傳統(tǒng)翻砂鑄造；·壓模鑄造。為避免重復以上教科書中的內(nèi)容，本節(jié)著重介紹快速成形服務廠商所應用的鑄造方法。應用這種方法制造原型的批量以 50～500 較為典型。最主要的市場考慮是鑄造經(jīng)濟且周期短。然而，如果公差要求較嚴，鑄造出的樣件也許不能成為最終產(chǎn)品。視具體鑄造方法而言，其公差范圍可以達到從失蠟鑄造的士 75pm 至普通砂模鑄造的±375pm(另參見第2 章)。1．2．2 普通失蠟鑄造正如第 1 章所述，基本的鑄造方法是許多世紀以前朝鮮和埃及的藝術家所發(fā)明的。失蠟鑄造由以下工序構成(如圖 4．16 所示)：(a～c)用于工程或藝術品的蠟模型；(d～f)將蠟模不斷浸于陶瓷漿中以獲得一定厚度的包殼；(g)將此陶瓷材料包裹的蠟模加熱，將蠟熔化并從底部的孔流出形成空殼；(h)把空殼的孔堵住，將金屬熔液從空殼上部澆入；(i)待金屬固化后，打碎外殼，取出鑄件；(j)清理、去毛刺、拋光及其他后置處理。失蠟鑄造這一工藝在第二次世界大戰(zhàn)中用來制造飛機零部件時得到了很大的改進。今天，此方法已廣泛用于制造各種產(chǎn)品，如噴氣渦輪發(fā)動機葉片及高爾夫球桿的桿頭。圖4．16 的(a～f)示意了由注塑成形制作蠟模，再將許多蠟模粘接成樹狀結構，然后將此樹南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 5 -狀模浸入陶瓷溶液中而形成模具的過程。蠟模被交替沉浸于粗細不同的耐火材料粉漿里，先浸的細鋯砂粉篩號細至 250 號，而后浸的粗硅線石砂粉篩號粗至 30 號。帶有涂層的蠟模再浸到乙丙基硅酸鹽與酸固化液中。烘干是在氨氣容器中完成的。下一步則是將涂層烘干固化后的蠟模置于 150℃的密封式蒸汽爐中讓蠟熔化并流出，然后將空殼模具在 950℃：的火爐里燒烤 2h，最后將液態(tài)金屬如鋼或鋁澆注入模具內(nèi)。圖 4.16 失蠟鑄造工藝。上圖（a）至（c）形成模型陣列。 （d）至（f）圖顯示沙漿和沙粉形成鑄模外殼。 （g）至（j）圖表示鑄造過程（引自美國鋼鑄造者學會的文獻）總之，現(xiàn)代失蠟鑄造是鑄造工藝中精度最高的一種，這是因為作為母模的蠟模是通過精密機加工完成的?，F(xiàn)在，失蠟鑄造很容易達到±75um 的公差。同時，由于鑄造表面已經(jīng)很光滑，不經(jīng)后置處理即可使用。這種工藝的其他優(yōu)點包括：南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 6 -·如果蠟模表面已經(jīng)過手工拋光處理，則最后零件不存在分模線；·具有表面刻紋的蠟?？梢灾苯赢a(chǎn)生零件所需的表面特征，如高爾夫球桿頭表面的凹痕；·很容易用機器人使蠟模重復沉浸于粉漿這一過程自動化，從而降低成本； ·有些零件，如渦輪發(fā)動機的葉片，可以實現(xiàn)單向凝固，于是可在需要的方向獲得好的機械性能。1．2．3 陶瓷模鑄造前面介紹的失蠟鑄造的不足之處是每次要將蠟模熔化。陶瓷模鑄造的優(yōu)點為利用可重用的副母模來取代每次要被熔化的蠟模。這種新型鑄造方法的精度和成本很大程度取決于第 1 步中的母模制作。具體的五個步驟如下：·第 1 步，陽模：用 SI。A 或機加工制作最原始的母模?！さ?2 步，陰模：在陽模的周圍用高度穩(wěn)定的樹脂產(chǎn)生一層殼體。這層殼可以分開以提供一條分模線。·第 3 步，陽模：用以上生成的陰模殼和橡膠來制作可重用的副母模?！さ?4 步，陰模：在以上陽模的基礎上生成可破壞性的陶瓷模具?！さ?5 步，零件：澆注金屬溶液于以上制作的陶瓷模具內(nèi)，待金屬固化后打破陶瓷模具，取出鑄件并去掉澆注口及毛刺。SLA 可用來制作第 1 步中的原始母模，也可用數(shù)控加工來銑削青銅、黃銅或鋼材制作原始母模。雖然陶瓷模鑄造可從以上過程的第 3 步開始，但這樣有可能損壞原始母模，特別是在用 SLA 來制作原始母模的情況下。另外，從提高生產(chǎn)率的角度來講，通常在第3 步制作許多橡膠母模，所有這些橡膠模都可以從第 2 步的樹脂陰模獲得?？焖俪尚畏丈滔矚g用硬樹脂來制作第 2 步中的陰模，這是因為這種樹脂有較好的尺寸穩(wěn)定性。要注意的是，一般要準備兩個半邊的樹脂模，以便將該殼狀陰模沿分模線分開。一旦這種硬的樹脂模固化后，再在第 3 步中用膠糊狀橡膠填充其中，硬化后生成橡膠陽模。該橡膠陽?？稍谒€是軟化狀時從樹脂模里拔出，因此設計時不需要考慮拔模斜度的問題。這種橡膠材料對較簡陋鑄造車間而言較為理想。第 4 步中的陰模是由特定等級的氧化鋁砂粉與粘合劑(乙基硅酸鹽)和異丙基酒精溶液混合而形成的。這種砂粉液漿不斷澆到第 3 步的橡膠模上。一旦這層砂漿干固后，將兩個半干固的陰模(陶瓷模)合攏，然后將它們置入 950℃爐火中燒烤以增加其強度。接著即南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 7 -可將金屬鋁溶液澆注于其中，開始鑄造零件。待金屬熔液固化后，打破陶瓷模，清理和去除毛刺。盡管開模線會造成一些問題，但一般可獲得高至±125～±375um 的精度。1．2．4 殼模鑄造另一種高精度鑄造就是殼模鑄造(shell molding)。金屬母模先被加熱到200～240C，然后將大約 5～1 5mm 的一層砂粉噴涂于該熱金屬模表面。此砂漿拌有樹脂漿，以保證它緊貼在金屬型上。另外，以酚醛樹脂與六甲撐四胺添加劑混合加入硅砂中，以確保噴涂砂粉的熱固性。接下來是讓殼模固化、拔開并燒烤殼模，這一過程通常能保證非常好的精度。一旦去除殼模鑄造完成，精度能達到±75um。1．2．5 傳統(tǒng)翻砂鑄造較原始和便宜的一種鑄造則是以木頭和石膏為母模的翻砂鑄造。先將母模周圍分別埋滿并充實砂土，并加入澆口與冒口。此方法通?？蛇_到±375pm 的精度。這種方法的最新進展包括：(1)高壓振壓法。在該方法中，機械活塞給砂土施加振擠 400psi(2．76MPa)的壓力，以產(chǎn)生更結實與逼近的砂一模界面，從而獲得較高的精度。(2)二氧化碳吹模法。在這種工藝中，砂與模之間的界面是由一層約 12mm 厚的特別材料制成的。該材料是由難熔的鋯石或非常細的二氧化硅與以 6 9，6 的硅酸鈉為粘接劑混合而成。該層材料再通過吹入二氧化碳來固化。1．2．6 壓模鑄造壓模鑄造主要是通過高壓將熱鋅溶液注入永久性的鋼模具而完成的。該工藝發(fā)展至今天，其模具幾乎全由 3 或 5 軸加工中心數(shù)控加工而成。盡管壓模鑄造的模具成本較高，但可獲得光滑的鑄造表面，其精度通常能達到土75um。然而，由于模具成本較高，壓模鑄造嚴格而言并不屬于快速原型制造的范圍。因此，該工藝大多用于大批生產(chǎn)的汽車或其他消費品中的較小零部件。由于低熔點金屬如鋅合金的使用，鑄件的強度只能算中等?，F(xiàn)在，人們一般喜歡用注塑成形(見第 8 章)來代替壓模鑄造。1．3 快速成形中的機加工方法1．3．1 簡介第 7 章將詳細討論一般的機加工過程及其原理。本節(jié)著重介紹將 CNC 加工用于快速原南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 8 -型制造的 CAD／CAM 軟件的進展。這種軟件的一個目的是要實現(xiàn) CAD 與制造之間的完全自動化，另一個目的則是盡量減少很有經(jīng)驗的機械工人的手工操作，如工藝規(guī)劃和工夾具設計與制造。CyberCut 是一種基于 Internet．的 CNC 機加工嘗試性制造試驗平臺。它提供的服務允許 Internet 客戶端的設計者在對機械零部件造型后，將相關文件傳送到遠程服務器上，以便在開放結構 CNC 機床上進行工藝規(guī)劃及制造。快速刀具軌跡生成、新型夾具裝置以及基于傳感器的高精度加工技術，可以讓原始設計人員很快獲得高強度和高精度的零部件。1．3．2 WebCAD：位于 Internet 客戶端的面向機加工的設計在這里，一個關鍵的概念就是用“通曉工藝”的 CAD 工具來進行零件設計，這種原型生成系統(tǒng)稱為 WebCAD。SUN 公司的 JavaTM 是一種可移植、面向?qū)ο蟮姆€(wěn)健編程語言(類似 C++)，將它用于該試驗平臺以服務小型應用場合。該平臺的圖形用戶界面是采用第 3章介紹的析構實體幾何(DSG)的基于 2．5 維特征的設計系統(tǒng)。在這種實體幾何建模過程中，用戶通常開始于一塊長方體，然后逐步去除一塊一塊的材料。與之相反，傳統(tǒng)的構造實體幾何(CSG)則由零開始逐步往上添加一塊一塊的形體。在析構實體幾何方法中，用戶不能隨意去除不同形狀的材料，而是必須一個特征一個特征地去除。這些特征一般為槽、盲孔及通孔。WebCAD 還包括一個能確認可加工性的專家系統(tǒng)。正如圖 4．17 所示，該圖上面部分表示用戶由這些專家系統(tǒng)內(nèi)的規(guī)則所引導。例如，在一個通孔周圍設置一個“禁區(qū)”以避免通孔太靠近邊緣。當設計人員違反了這一規(guī)則時，自動彈出窗口會提示適當?shù)难a救辦法，例如，將通孔往形體里面移近一點——一般可通過減少其直徑來完成。webCAD 還采用了 WYSlWYG 環(huán)境(“你所看到的即是你所得到的”英語縮寫——譯者注)，并提供明確的切削刀具及拐角半徑以供選擇。值本書寫作之時，研究者們還在對這個系統(tǒng)進行改進，包括添加自由表面編輯造型以及根據(jù)零件最終加工位置進行刀具選擇。之所以采用 DSG 來引導用戶進行設計是因為所選用的那些特征可以與標準的 CNC 銑削工藝相對應。這一情形正類似于考慮到文件的“可打印性”時，文字處理軟件與打印機之間的關系。雖然人們很容易批評由于使用 DSG 而帶來的給用戶設計零件時的一些限制，但 DSG 設計環(huán)境的主要優(yōu)點是保證和改善設計的可加工性。與傳統(tǒng)設計方法相比，這種設計的可加工性要更確定些，因為傳統(tǒng)設計方法主要依靠無約束的設計，同時，設計、工藝規(guī)劃與制造三者之間聯(lián)系較松散。經(jīng)驗證明，雖然設計人員最初感到有些約束，但南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 9 -能加工出“正確”的零件這一點很快證明這個方法具有足夠的吸引力。1．3．3 位于 Internet 服務端的工藝規(guī)劃一旦用戶設計完成后，零件造型的電子文件可通過 Internet 送給遠程服務端的工藝規(guī)劃模塊。自動化軟件將該設計讀入，并確定加工順序、刀具軌跡、切削參數(shù)等。宏規(guī)劃將各特征進行排序并針對給定夾具生成機加工準備工序。cyberCut 目前的宏規(guī)劃模塊具有特征識別能力，它能從 2．5 維的實體幾何中提取體積特征。該模塊的輸出不僅僅是一組加工特征，它還提供其他一些很豐富的數(shù)據(jù)結構，如特征與特征之間的聯(lián)系。宏規(guī)劃模塊的一個最新進展是它能識別并處理自由表面。微規(guī)劃與刀具軌跡規(guī)劃模塊將 DSG 形體分解成具體的刀具運動。打個比方來講，這就像庭院里用割草機割草的過程一樣：每一塊草皮由某一直徑的刀具將其割去，每次行程之間的覆蓋量則由想獲得的偏差與表面光滑度來決定。槽的邊角也許會用到特別的刀具(正如草坪的邊角一樣)。自由表面必須分割成一塊一塊的平面和斜面。其中的平面由投影看上去像螺旋的刀具軌跡產(chǎn)生，而斜面則由切片狀的刀具軌跡生成。這樣不僅能產(chǎn)生較均勻一致的刀具軌跡，同時也只需中等復雜的計算難度。以上分割目的在于，在給定的公差、光滑度及機床安全性的條件下，優(yōu)化加工時間。同時，每道工序的加工時間也可估算出來，這些數(shù)據(jù)反饋給設計人員后，可使他們進行早期機加工成本估計。1．3．4 位于 Internet 服務端的銑削加工制造最后，一組數(shù)控指令在開放式結構的數(shù)控加工中心上實現(xiàn)加工(與之相比，如果服務平臺感覺到 SFF 會更好地服務用戶，CyberCut 就接通 FDM 機器)。這里采用的機床是由開放式結構控制的可實現(xiàn)復雜刀具軌跡的加工中心。一個具體的實例則是該機器的插補器可執(zhí)行由 NURBS(非均勻有理 B 樣條)表示的自由軌跡。這種復雜刀具軌跡的加工能力，可使傳統(tǒng)的機加工制造出更為復雜的表面，因此，它使得數(shù)控加工能與 SFF 技術在復雜曲面快速成形方面繼續(xù)競爭。關于開放式結構機床的詳細情況則留在第 7 章介紹機加工時南通大學畢業(yè)設計附錄（英文資料翻譯）- 10 -再討論。圖 4.17 CyberCut 課題：設計、規(guī)劃與制造集成