基于快速成形的免裝配技術(shù)研究

鐘 山，李國(guó)偉，吳家杰，包正江，賴科生

（1.2.3.4.5.梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002）

基于快速成形的免裝配技術(shù)研究

鐘 山1，李國(guó)偉2，吳家杰3，包正江4，賴科生5

（1.2.3.4.5.梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002）

免裝配（Non-Assembly）是隨著快速成型技術(shù)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種新型制造技術(shù)，以機(jī)器手掌的手指免裝配制造為例，采用快速成形熔融沉積制造法FDM（Fused Deposition Manufacturing）工藝生產(chǎn)的手指免裝配件可以滿足機(jī)器手掌的快速修配要求。可以看出：免裝配技術(shù)可以有效減少加工工序，提高材料利用率，極大縮短生產(chǎn)周期和降低開(kāi)發(fā)成本，是一種具有實(shí)用價(jià)值的創(chuàng)新制造技術(shù)。

免裝配技術(shù)；快速成形；FDM

傳統(tǒng)的機(jī)械裝配是指按照一定的裝配技術(shù)要求，將零件、套件、組件和部件進(jìn)行組合和連接，使之成為機(jī)器的過(guò)程[1]。大部分的機(jī)械裝配工藝比較復(fù)雜、裝配時(shí)間較長(zhǎng)、不符合現(xiàn)代機(jī)器研究開(kāi)發(fā)快速響應(yīng)市場(chǎng)的生產(chǎn)要求。免裝配制造省去了機(jī)器的中間裝配環(huán)節(jié)，機(jī)械零件、套件、組件和部件一次裝配成功，并使它們之間自動(dòng)獲得正確的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)裝配。免裝配技術(shù)是一種多學(xué)科、多技術(shù)的交叉集成技術(shù)，它集成了計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)、數(shù)控技術(shù)、機(jī)械制造和材料科學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)，是機(jī)械制造領(lǐng)域中裝配技術(shù)深刻變革的一個(gè)里程碑。

免裝配技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究尚處于起步階段，基于快速成形熔融沉積制造法FDM（Fused Deposition Manufacturing）工藝的免裝配技術(shù)，到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)公開(kāi)的研究成果。本文首先介紹和分析國(guó)內(nèi)外的免裝配技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀，再運(yùn)用快速成形技術(shù)和工藝，以一個(gè)具有運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器手掌的手指進(jìn)行免裝配制造，對(duì)基于快速成形FDM工藝的免裝配的成形工藝進(jìn)行深入研究。

1 免裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀

免裝配技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型制造技術(shù)，它是在快速成形RP（Rapid Prototyping）技術(shù)相對(duì)成熟的基礎(chǔ)上提出的?？焖俪尚渭夹g(shù)是20世紀(jì)初發(fā)展和應(yīng)用的先進(jìn)制造技術(shù)，它首先對(duì)物體的三維CAD模型按設(shè)定厚度進(jìn)行分層，把原來(lái)的實(shí)體模型變成一系列有序?qū)悠募?，再基于層疊加工的原理，采用不同的加工材料，根據(jù)不同的快速成形設(shè)備和工藝，由面到體進(jìn)行堆積形成三維實(shí)體。目前，快速成形的工藝方法已發(fā)展到幾十種，其中主要有4種基本類型：光固化成型法SLA（Stereo lithography Apparatus）、分層實(shí)體制造法LOM（Laminated Object Manufacturing）、選擇性激光燒結(jié)法 SLS（Selective Laser Sintering）和熔融沉積制造法 FDM（Fused Deposition Manufacturing）?？焖俪尚图夹g(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、醫(yī)學(xué)、考古、首飾制作和文化藝術(shù)等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展其應(yīng)用范圍將不斷地?cái)U(kuò)展[2]。

免裝配制造是快速成形技術(shù)的一種新應(yīng)用，從公開(kāi)的技術(shù)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，僅有少數(shù)資料對(duì)基于快速成形的免裝配技術(shù)進(jìn)行描述。免裝配技術(shù)起源于美國(guó)，并在美國(guó)得到重視和發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)在機(jī)器人機(jī)構(gòu)制造、汽車制造等領(lǐng)域進(jìn)行了適應(yīng)性的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。近幾年來(lái)，美國(guó)的Cornell University，Rutgers University和Northeastern University等各高校科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)對(duì)基于快速成形的免裝配技術(shù)進(jìn)行研究，并得到一些初步成果。Lipson等人利用3-D Printing技術(shù)復(fù)原了幾個(gè)機(jī)械原理的典型機(jī)構(gòu)，但對(duì)免裝配的形成機(jī)理和工藝沒(méi)有做深入研究[3]；Mavroidis等人采用SLA和SLS成形設(shè)備，對(duì)機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)部件如轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)以及萬(wàn)向節(jié)等進(jìn)行免裝配制造，并且一次裝配成形，他們對(duì)關(guān)節(jié)間隙的取值問(wèn)題進(jìn)行了初步研究[4]；Kataria和Rosen利用形狀記憶合金制造具有9個(gè)自由度的仿生機(jī)器手[5]；在國(guó)內(nèi)，現(xiàn)在僅有華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授的研究團(tuán)隊(duì)利用快速成形工藝對(duì)免裝配技術(shù)進(jìn)行了初步的研究，并使用選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)制造了不銹鋼材料的十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器[6]。作為華南理工大學(xué)免裝配研究團(tuán)隊(duì)的子項(xiàng)目研究小組，筆者主要從事基于FDM工藝的免裝配技術(shù)研究。

2 基于快速成形的免裝配技術(shù)研究

2.1 免裝配件的三維實(shí)體模型

按照免裝配的制造工藝，對(duì)免裝配件不須拆分成單個(gè)零件，利用三維CAD工程軟件在裝配環(huán)境中對(duì)免裝配件直接構(gòu)建三維模型。在快速成形領(lǐng)域中，由于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接口文件是三角面片近似逼近原型的STL格式，在免裝配件建模完成后，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)出相應(yīng)的STL格式文件。

2.2 免裝配件STL模型的分層切片及支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在確定分層Z方向后，對(duì)STL模型用垂直于Z軸方向的序列平面進(jìn)行切片，獲得一定層厚的層片輪廓信息。層厚一般應(yīng)在快速成形設(shè)備的最大切片和最小切片的厚度之間進(jìn)行取值。由于快速成形工藝決定了成形件在生產(chǎn)過(guò)程中不能出現(xiàn)大角度的材料懸空的情況，所以需要事先對(duì)免裝配件添加支撐結(jié)構(gòu)。

2.3 免裝配件的快速成形制造。

在計(jì)算機(jī)的控制下，快速成形設(shè)備將免裝配的STL模型的每層輪廓和支撐結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)控代碼，并驅(qū)動(dòng)噴頭進(jìn)行路徑掃描，在設(shè)備工作臺(tái)上采用成形材料進(jìn)行層疊加工，直至免裝配件堆積完成并最終成形。

2.4 免裝配件成形后處理。

免裝配成形件一般要經(jīng)過(guò)支撐材料去除、打磨、拋光、滲透或高溫?zé)Y(jié)等處理，以保證免裝配的尺寸精度和配合要求。

基于快速成形的免裝配技術(shù)制造工藝流程如圖1所示。

圖1 免裝配技術(shù)制造工藝流程

由此可見(jiàn)，免裝配技術(shù)完全打破了傳統(tǒng)制造的思維模式，無(wú)需遵循傳統(tǒng)的先加工出每個(gè)零件再進(jìn)行裝配機(jī)器的設(shè)計(jì)制造理念，并通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和成形設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)加工裝配一體化過(guò)程。免裝配技術(shù)的應(yīng)用不僅可以有效減少加工工序，極大縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品更新?lián)Q代的能力，而且有效地通過(guò)材料利用率，降低了開(kāi)發(fā)成本，是一種具有實(shí)用價(jià)值的創(chuàng)新制造技術(shù)。

3 基于快速成形的免裝配制造

從技術(shù)和生產(chǎn)工藝角度看，快速成形制造適合具有復(fù)雜表面和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體的加工，基于快速成形的免裝配制造除了具備上述特點(diǎn)以外，還擅長(zhǎng)加工一些具有多自由度的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)?；诳焖俪尚蔚拿庋b配技術(shù)，在國(guó)內(nèi)較為成熟的是基于激光選擇性燒結(jié)（SLA）成型的免裝配技術(shù)，基于熔融沉積法（FDM）工藝的免裝配技術(shù)還處于研究的初步階段。

熔融沉積法（FDM）是一種噴射成型的快速成形工藝，它主要利用絲狀熱塑性成形材料如塑料、石蠟以及尼龍絲進(jìn)行成形加工[7]。其工藝過(guò)程是：絲狀材料在噴頭內(nèi)被加工融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡進(jìn)行路徑掃描，同時(shí)將融化的絲狀材料擠出；材料在離開(kāi)噴嘴后迅速降溫凝固，并與周圍的成形材料粘接在一起形成新層，然后工作臺(tái)沿分層方向下降一個(gè)層厚，噴頭噴出新一層平面，如此反復(fù)疊加，得到三維實(shí)體成形件，其成形原理如圖2所示。

3.1 免裝配件的CAD實(shí)體建模

為了對(duì)基于快速成形FDM工藝的免裝配技術(shù)進(jìn)行深入研究，筆者選擇具有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)器手手掌進(jìn)行免裝配實(shí)驗(yàn)（如下頁(yè)圖3），機(jī)器手掌由1個(gè)掌心和5個(gè)手指組成，其中每個(gè)手指由3個(gè)圓柱體通過(guò)2個(gè)鉸鏈副進(jìn)行鏈接（如圖4），手指通過(guò)球面關(guān)節(jié)副和手掌進(jìn)行鉸接，制造材料是高強(qiáng)度的ABS（Acrylonitrile Butadiene StyreneAcrylonitrile）。當(dāng)機(jī)器手掌的手指損壞需要進(jìn)行維修更換時(shí)，就可以采用免裝配技術(shù)方便加工出手指裝配件，進(jìn)行快速更換。取機(jī)器手掌的中指進(jìn)行免裝配實(shí)驗(yàn)，中指裝配件由3個(gè)圓柱體和2個(gè)圓柱銷和1個(gè)球體銷共6個(gè)零件組成（如圖5）。傳統(tǒng)的機(jī)械制造工藝是對(duì)6個(gè)零件分別加工，然后按照一定的裝配工藝將他們進(jìn)行組裝。而免裝配制造不需要對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行單獨(dú)加工，可以按照FDM工藝直接對(duì)裝配件整體進(jìn)行快速成形制造。

圖3 機(jī)器手掌模型

圖4 中指模型

圖5 機(jī)器手掌中指的6個(gè)零件

為了使免裝配制造后的關(guān)節(jié)能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，專門對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)特別是鉸鏈間的間隙進(jìn)行了研究，圖6為鉸鏈關(guān)節(jié)的剖視圖，為了使配合緊密，我們?nèi)°q鏈機(jī)構(gòu)的單邊配合間隙為0.5mm，圓柱銷的結(jié)構(gòu)由圓柱形改為鼓形。

3.2 免裝配件的直接分層切片處理和快速成形制造

機(jī)器手掌的中指裝配件CAD模型可以在Pro/Engineer、SolidWorks和 3D Studio Max等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中構(gòu)造，筆者對(duì)完成后的STL模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)出相應(yīng)的STL格式文件；然后對(duì)STL模型按層厚0.25mm進(jìn)行等厚切片，得到分層輪廓文件并添加支撐結(jié)構(gòu)，最后將相關(guān)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到快速成形設(shè)備中。在這里采用的是FDM工藝的快速成形機(jī)，選用的成形材料是高強(qiáng)度的ABS。計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)快速成形設(shè)備的成形噴頭進(jìn)行路徑掃描，在工作臺(tái)上利用成形材料進(jìn)行層疊加工，直至免裝配件堆積完成并最終成形（圖7），相關(guān)的工藝參數(shù)如表1。成型件經(jīng)過(guò)支撐材料去除和拋光處理，可以保證免裝配的尺寸精度符合要求，圖8所示的免裝配中指的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，可以對(duì)機(jī)器手掌中指直接進(jìn)行完全互換。表2為中指免裝配件的成形精度和效率。

圖7 帶支撐材料的中指免裝配件

圖8 機(jī)器手掌的中指免裝配件

表1 相關(guān)的成形工藝參數(shù)

表2 手指裝配件成形精度和效率

從上述兩者不同的制造工藝可以看出，免裝配制造相對(duì)于傳統(tǒng)制造有明顯的優(yōu)勢(shì)，歸納如下。

（1）傳統(tǒng)制造多以去除材料加工成形，而免裝配制造是通過(guò)材料逐層添加加工成形，它們的基本成形路線截然相反，所以免裝配制造能有效節(jié)約材料，可實(shí)現(xiàn)95%以上的加工材料利用率。

（2）傳統(tǒng)制造的工藝流程一般要經(jīng)過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、毛坯制造、熱處理、機(jī)械加工、零件成型、裝配成機(jī)等制造過(guò)程，生產(chǎn)工序繁多且制造時(shí)間長(zhǎng)，而免裝配技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、加工和裝配一體化，生產(chǎn)工藝無(wú)需裝配，工序單一，可以有效提高生產(chǎn)效率。

（3）傳統(tǒng)制造所需的設(shè)備繁多，如鑄造設(shè)備、生產(chǎn)和裝配設(shè)備等，需要較多的各工種技術(shù)工人，而免裝配技術(shù)只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一臺(tái)成型機(jī)和一個(gè)熟練地操作者就可完成所有的工作。這樣可以大大地降低生產(chǎn)成本，有效提高工作效率。

（4）傳統(tǒng)制造可能需要制造相關(guān)模具，而基于快速成形的免裝配制造則完全不需要模具，它可以很容易地實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜表面和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的裝配件的制造，使機(jī)械制造具有廣泛性和簡(jiǎn)易性。

4 結(jié)語(yǔ)

免裝配技術(shù)是基于快速成型制造中的一種新型的創(chuàng)新技術(shù)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它能夠給傳統(tǒng)的機(jī)械制造特別是機(jī)械設(shè)計(jì)理念帶來(lái)一場(chǎng)技術(shù)性革命。本文對(duì)基于快速成形的免裝配技術(shù)進(jìn)行研究，認(rèn)為免裝配技術(shù)適合具有復(fù)雜表面和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的裝配件的制造，通過(guò)對(duì)機(jī)器手掌手指的FDM加工，證明免裝配加工適合具有轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈結(jié)構(gòu)的裝配件的快速加工，并具有生產(chǎn)成本低、制造效率高的優(yōu)點(diǎn)。由于免裝配技術(shù)處于研究的初步階段，不免存在一些技術(shù)問(wèn)題，如STL模型文件格式造成免裝配件成形精度降低、較小配合間隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能難以獲得較理想的配合效果和免裝配技術(shù)還不適合大批量生產(chǎn)等缺點(diǎn)，這些都有待進(jìn)一步深入研究解決。

[1]盧秉恒.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2]鐘山,韋寧,鄧小林.快速成形制造技術(shù)的新進(jìn)展[J].梧州學(xué)院學(xué)報(bào),2010（3）.

[3]Lipson,H.,Moon,F.C.,Hai,J.,et al.3-D printing the history of mechanisms[J].Journal of Mechanical Design,2005,127（6）:1029-1033.

[4]Mavroidis,C.,DeLaurentis,K.J.,Won,J.,et al.Fabrication of non-assembly mechanisms and robotic systems using rapid prototyping[J].TRANSACTIONS-AMERICAN SOCIETY OF MECHANICALENGINEERSJOURNALOF MECHANICAL DESIGN,2001 （4）.

[5]De Laurentis,K.J.,Mavroidis,C.Rapid fabrication ofa non-assemblyrobotic hand with embedded components[J].Assembly Automation,2004 （4）.

[6]Yang,Y.,Di Wang,X.S.,Chen,Y.In Design and Rapid Fabrication ofNon-assemblyMechanisms[C].IEEE,2010：61-63.

[7]Yeong,W.Y.,Chua,C.K.,Leong,K.F.,et al.Rapid prototypi ng in tissue engineering:challenges and potential[J].TRENDS in Biotechnology,2004（12）.

A Study of Non-Assembly Technology Based on Rapid Prototyping

Zhong Shan1,Li Guowei2,Wu Jiajie3,Bao Zhengjiang4,Lai Kesheng5
（1.2.3.4.5.Department of Electronic Information Engineering,Wuzhou University,Wuzhou 543002,China）

Non-Assembly is a newmanufacturing technology coming up with the development ofrapid prototyping.This paper takes an example ofthe non-assemblymanufacturingin robot fingers.The finger assembly with non-assembly manufacturing by using the FDM（Fused Deposition Manufacturing）technique meets the requirements for robot finger to repair and assemble rapidly.Finally,it is concluded that the Non-Assembly technology can effectively reduce the processing procedures,improve the material utilization,significantly shorten the production cycle and reduce the developing cost.Therefore,it is an innovative manufacturing technology with practical application.

Non-Assemblytechnology;rapid prototyping;Fused Deposition Manufacturing

TH164

A

1673-8535（2011）03-0053-06

2011-04-24

廣西科技廳科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（桂科攻1010022-31）

鐘山（1967-），男，梧州學(xué)院電子信息工程系副教授，博士研究生，主要研究方向：CAD/CAM先進(jìn)集成技術(shù)、快速成形制造和逆向工程。

李國(guó)偉（1982-），男，梧州學(xué)院電子信息工程系助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：自動(dòng)控制、快速成形制造。

吳家杰（1976-），男，梧州學(xué)院電子信息工程系實(shí)驗(yàn)師，研究方向：自動(dòng)控制、快速成形制造。

包正江（1989-），男，湖南長(zhǎng)沙人，梧州學(xué)院電子信息工程系學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

賴科生（1985-），男，廣西玉林人，梧州學(xué)院電子信息工程系學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

覃華巧）