模塊化增減材加工一體機(jī)的設(shè)計與實驗研究

徐　帖，黃光銘，張　磊，王書文，殷　振

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇　蘇州　215009)

0　引言

3D打印、激光雕刻和數(shù)控加工都是目前機(jī)械加工作業(yè)中常見的加工方式，在對工件的加工過程中，時常會需要一種或幾種不同的加工裝置協(xié)同作業(yè)，加工工序繁瑣，耗時較長，不同加工裝置的重復(fù)裝夾也加大了加工的誤差[1-4]。模塊化增減材加工一體機(jī)將3D打印裝置、激光雕刻裝置和數(shù)控加工裝置進(jìn)行模塊化處理，通用地安裝到增減材加工一體機(jī)上[5]，在滿足加工需求的情況下極大減少了工件的加工工序，縮短了加工時間[6-8]。

1　模塊化增減材加工一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

模塊化增減材加工一體機(jī)主要包括結(jié)構(gòu)框架、驅(qū)動裝置、控制裝置、功能轉(zhuǎn)換裝置和模塊化的加工裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-底部支座；2-豎直支架；3-上端橫梁；4-X方向驅(qū)動裝置；5-Y方向驅(qū)動裝置；6-Z方向驅(qū)動裝置；7-控制裝置；8-功能轉(zhuǎn)換裝置

結(jié)構(gòu)框架主要包括底部支座、上端橫梁和豎直支架。驅(qū)動裝置包括驅(qū)動電機(jī)、傳送帶、絲杠、導(dǎo)軌和滑塊，驅(qū)動裝置分為X方向驅(qū)動裝置、Y方向驅(qū)動裝置和Z方向驅(qū)動裝置。驅(qū)動電機(jī)與絲杠之間通過傳送帶相連接，使得驅(qū)動電機(jī)的動力能夠轉(zhuǎn)化為絲杠的轉(zhuǎn)動，在絲杠和導(dǎo)軌上設(shè)置有滑塊，滑塊通過螺紋孔與絲杠上的螺紋形成配合關(guān)系，在電機(jī)的驅(qū)動下，可以控制滑塊沿X、Y或Z方向做定向和定點移動。

控制電路采用電機(jī)驅(qū)動芯片Atmega2560作為主控芯片，配合高性能USB芯片ATmega16u2，可以使用個人計算機(jī)通過USB線連接來控制增減材多功能加工一體機(jī)，或者直接由USB接口連接U盤進(jìn)行固件升級和參數(shù)配置，簡單易用。

功能轉(zhuǎn)換裝置包括連接導(dǎo)軌和功能轉(zhuǎn)換支座，連接導(dǎo)軌與滑塊相連，在連接導(dǎo)軌的交匯處設(shè)置有功能轉(zhuǎn)換支座，功能轉(zhuǎn)換支座上可以模塊化更換3D打印裝置、激光加工裝置和數(shù)控加工裝置，從而使得加工裝置也能實現(xiàn)橫向以及縱向的定點位移，滿足對工件的加工要求。

2　模塊化增減材加工一體機(jī)功能設(shè)計

2.1　3D打印

3D打印裝置如圖2所示,它主要包括加熱裝置和擠出頭，擠出頭按照一定的軌跡在平臺上擠出加熱材料，凝固后即可實現(xiàn)對工件的快速建模。3D打印裝置的噴嘴材料為黃銅，噴嘴直徑在0.2 mm～0.5 mm范圍內(nèi)可供選擇，支持PLA、ABS、尼龍等耗材。打印時打印噴頭溫度設(shè)置在210 ℃～230 ℃之間，打印最大直徑為280 mm，最大高度為350 mm，打印層厚為0.1 mm～0.3 mm，打印速度為10 mm/s～300 mm/s，熱床溫度為110 ℃～120 ℃。通過增材制造技術(shù)可以大大降低單件試件、小批量生產(chǎn)零件的周期和成本，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。

2.2　激光雕刻

激光加工裝置的主要元件是激光發(fā)射頭(如圖3所示)，激光發(fā)射頭將高平行度、高能量密度的激光聚集到工件表面上來進(jìn)行熱加工，激光光點的直徑可達(dá)1 μm以下，可實現(xiàn)激光打孔、激光雕刻和激光切割處理。激光加工裝置通過夾緊卡槽固定在功能轉(zhuǎn)換支座上，激光發(fā)射裝置所用的激光波長為445 nm，激光功率有300 MW、500 MW和1 000 MW可供選擇，光束和光斑直徑小，一般小于0.5 mm，透鏡采用專用光學(xué)鍍膜玻璃，加工精度可達(dá)到0.02 mm，最大加工深度為10 mm。激光加工采用非接觸式加工的方法，不傷害加工件的表面，不會使材料發(fā)生變形。

2.3　數(shù)控加工

數(shù)控加工裝置以數(shù)控雕刻為例，它主要包括數(shù)控加工主軸和數(shù)控加工刀具。高速旋轉(zhuǎn)的刀具按照一定的軌跡在工件表面運動，可以實現(xiàn)對工件表面的雕刻處理。數(shù)控加工主軸的下端可以更換不同類型的加工刀具，數(shù)控加工裝置的主軸轉(zhuǎn)速為300 r/min～500 r/min，最大加工直徑可達(dá)10 mm，可加工孔的直徑為2 mm～10 mm，定位精度可達(dá)±0.05 mm/300 mm。點位控制功能主要用于對工件的孔加工，連續(xù)加工功能則是對加工部件進(jìn)行平面和曲面的加工，加工圓度≤0.03 mm，工件加工質(zhì)量穩(wěn)定，具有較高的精度。

圖23D打印裝置圖3激光雕刻中的激光發(fā)射頭

3　模塊化增減材加工一體機(jī)加工實驗

3.1　3D打印的實驗分析

實驗中利用3D打印裝置打印了一個黃色的鏤空鳥籠，鳥籠成品如圖4所示。鳥籠的底部直徑為50 mm，整體高度為100 mm，模型的頂部有16根懸空的支撐結(jié)構(gòu)。打印采用黃色的PLA耗材，打印時噴頭溫度設(shè)定為210 ℃，工作平臺的溫床初始溫度設(shè)定為50 ℃，隨著打印的進(jìn)行，可將溫床溫度降低至30 ℃，可避免溫床一直處于加熱的狀態(tài)。打印的層高設(shè)置為0.2 mm，外殼厚度設(shè)置為0.6 mm，其中模型的填充比設(shè)定為60%，打印速度設(shè)置為40 mm/s。由于鳥籠上端的懸空支架在建模時特意加粗，且多根支架最終匯聚于一點，因此可以不用設(shè)置支撐材料，直接“拉絲過橋”，降低了打印的復(fù)雜度，提高了打印效率。

圖4　3D打印的鳥籠成品

3.2　激光雕刻的實驗分析

激光雕刻的實驗中采用的雕刻耗材為木板，雕刻的圖案為70 mm×120 mm的變形金剛logo，雕刻工作實景如圖5所示。雕刻采用的激光規(guī)格為波長445 nm、功率為800 MW的紅光，聚焦后的光斑直徑為0.5 mm，雕刻深度設(shè)定為2 mm，雕刻總耗時為16 min。實驗數(shù)據(jù)表明，雕刻的精度很大程度上取決于激光焦點的調(diào)取，最佳焦距為當(dāng)放置在焦點上的紙張能夠瞬間發(fā)生碳化，此時可滿足對工件的雕刻需求，同時雕刻精度也與時間、光強(qiáng)等參數(shù)的設(shè)置有關(guān)。

3.3　數(shù)控加工的實驗分析

數(shù)控雕刻裝置可以雕刻木頭類、塑料類、紙類、竹子、海綿紙等材料，實驗中采用的耗材為雕刻專用10 mm厚的香樟木板，數(shù)控加工實景如圖6所示。數(shù)控雕刻裝置的控制板驅(qū)動芯片選用東芝6560，主軸功率設(shè)定為500 W，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為8 000 r/min，雕刻精度達(dá)0.1 mm，雕刻所用控制軟件為Mach3，雕刻所用指令為G代碼。雕刻后的圖案清晰，邊緣光滑，但雕刻效果不僅僅取決于器械的精度，還與圖案的復(fù)雜程度以及雕刻參數(shù)的設(shè)定有一定的關(guān)系，采用模塊化雕刻裝置進(jìn)行雕刻，加工效率高且大大降低了工件的加工成本。

圖5激光雕刻工作圖圖6數(shù)控加工裝置工作圖

4　結(jié)語

增減材多功能加工一體機(jī)裝置使用方便、加工效率高、經(jīng)濟(jì)性高，可以根據(jù)客戶需求選擇其中一種或幾種加工方式對小型工件進(jìn)行快速建模、成型和精密加工。

后期可以對增減材多功能加工一體機(jī)裝夾與加工進(jìn)行更深層次的研究，從而實現(xiàn)對工件進(jìn)行一次性裝夾與一體化加工，更大程度地體現(xiàn)裝置的一體化優(yōu)勢。即對3D打印的工件直接進(jìn)行激光雕刻和數(shù)控加工，實現(xiàn)單工位的多工序加工，節(jié)省定位、安裝、調(diào)試等輔助加工時間，避免重復(fù)裝夾的二次定位誤差，為復(fù)合型精密加工制造提供一套切實可行的技術(shù)方案。

3D打印裝置、激光加工裝置和數(shù)控加工裝置可以模塊化地更換在功能轉(zhuǎn)換裝置上，當(dāng)改變加工方式時，降低了更換大型加工設(shè)備的成本，后期也可在功能轉(zhuǎn)換裝置上進(jìn)行其他加工裝置功能擴(kuò)展。

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