【摘要】根據(jù)激光分形燒結(jié)快速成形要求其掃描過(guò)程中無(wú)反向間隙和高分辨率的要求，設(shè)計(jì)并研制出了由鋼絲繩牽引驅(qū)動(dòng)的二維掃描工作臺(tái)、鋪粉裝置、激光器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的激光分形掃描快速成形系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：激光分形掃描；二維數(shù)控；鋼絲繩

1、引言
　　快速原型/零件制造(RPM)，簡(jiǎn)稱(chēng)快速成形，是90年代出現(xiàn)的一項(xiàng)高技術(shù)，它給工業(yè)帶來(lái)的影響完全可以同數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生的影響媲美。
　　國(guó)外在快速成形技術(shù)的研究上，著重探討工藝方法本身，如光敏固化成形、選擇性激光燒結(jié)、熔化沉積制造等等；國(guó)內(nèi)不少高校開(kāi)展了快速成形的探討，也著重在工藝技術(shù)研究上，如清華大學(xué)研究光敏固化成形，南京航空航天大學(xué)研究金屬粉末燒結(jié)，華中理工大學(xué)材料學(xué)院研究紙粘結(jié)成形等，取得了可喜的成果。
　　目前，快速成形技術(shù)最為突出的問(wèn)題是所制造的零件的物理性能較差，另外零件的精度低及表面精糙度高也是亟待解決的問(wèn)題。由于三維實(shí)體是用二維的制造方法制作出一系列的薄切片，再依次堆疊成三維的實(shí)體，我們深入分析了快速成形的機(jī)理，認(rèn)為生成2D薄層過(guò)程中的掃描路徑對(duì)產(chǎn)生上述問(wèn)題具有重要的影響，因?yàn)槟壳翱焖俪尚蜗到y(tǒng)中采用的加工路徑是線(xiàn)掃描路徑，即把加工面看成是線(xiàn)的集合，這樣掃描線(xiàn)之間的殘留誤差使2D薄層的表面凹凸不平，不僅影響了薄層之間的堆疊強(qiáng)度，而且影響材料生成過(guò)程的物理性能，從而產(chǎn)生較大的收縮及材料結(jié)構(gòu)的不均勻性等等，降低了零件的工程實(shí)用性能。
　　分形幾何是本世紀(jì)有重大影響的科研成果之一。按分形曲線(xiàn)生成的掃描路徑，則可認(rèn)為是若干小平面嵌套而成，是分形的集合，而不是線(xiàn)的集合。按分形曲線(xiàn)路徑所制造的2D薄層，將使薄層表面平整，材料結(jié)構(gòu)均勻，生長(zhǎng)過(guò)程更完善，局部的性能優(yōu)化即可相似地推廣到整體，薄層之間的堆疊強(qiáng)度可大為提高，可以獲得穩(wěn)定可靠的物理性能，提高制造精度[1]。
我們將利用分形路徑掃描作為技術(shù)關(guān)鍵，研制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，目標(biāo)是使系統(tǒng)生成的實(shí)體在精度及物理性能上達(dá)到實(shí)用的水平，使之能直接用作機(jī)械零件。
　　為實(shí)現(xiàn)分形路徑掃描，要求掃描系統(tǒng)能在x、y方向頻繁地改變方向，這一方面要求掃描系統(tǒng)無(wú)反向間隙，另一方面又要求掃描系統(tǒng)具有高的分辨率、高的定位精度。因此本系統(tǒng)基于以上兩點(diǎn)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)為制造出實(shí)用的零件，我們采用激光燒結(jié)金屬粉末作為工藝方法。
激光粉末燒結(jié)快速成形在加工過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)動(dòng)作：（1）激光束的掃描；(2)自動(dòng)鋪粉；(3)激光燒結(jié)。因此本系統(tǒng)由掃描工作臺(tái)、鋪粉裝置、激光器、激光光路、控制計(jì)算機(jī)等組成。

2、系統(tǒng)組成
　　系統(tǒng)整體構(gòu)成,如圖1示。激光掃描系統(tǒng)是通過(guò)2D工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。考慮到工作臺(tái)在X-Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)精度要求為0.02mm，以及運(yùn)動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確性，故采用鋼絲繩驅(qū)動(dòng)來(lái)消除傳動(dòng)時(shí)的間隙。
圖1　系統(tǒng)整體構(gòu)成
1.掃描工作臺(tái)　2.鋪粉裝置　3.工作缸體
4.驅(qū)動(dòng)齒輪　5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)　6.激光光路系統(tǒng)
7.CO2激光器　8.控制計(jì)算機(jī)　9.激光電源

　　2D鋼絲繩驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用以驅(qū)動(dòng)2維掃描系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)選用55BF009型，其步距角為0.9°/步。在2D掃描系統(tǒng)中要求X-Y方向的靈敏度、定位精度高，并要求牽引力小、移動(dòng)輕便，為此選擇高精度的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，重復(fù)定位誤差為0.1～0.2μm；摩擦系數(shù)為0.025～0.005，實(shí)現(xiàn)分形路徑掃描，完成零件片層的燒結(jié)。

3、關(guān)鍵部件
3.1鋼絲繩與直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌組成的二維工作臺(tái)
　　2D工作臺(tái)常采用絲杠螺母副傳動(dòng)，而本裝置選用了鋼絲繩、直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌。鋼絲繩的驅(qū)動(dòng)是為了消除間隙，其中包括傳動(dòng)間隙、反向間隙。鋼絲繩在電機(jī)軸的聯(lián)接軸上繞轉(zhuǎn),利用鋼絲繩與軸之間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)激光頭的運(yùn)動(dòng)。選用0.8mm鋼絲繩，具有良好的柔性。為防止長(zhǎng)時(shí)間傳動(dòng)后鋼絲繩發(fā)生松弛，加設(shè)了鋼絲繩張緊裝置。Y方向運(yùn)動(dòng)選用