基于快速成形的免装配技术研究

钟 山，李国伟，吴家杰，包正江，赖科生

（1.2.3.4.5.梧州学院 电子信息工程系，广西 梧州 543002）

基于快速成形的免装配技术研究

钟 山1，李国伟2，吴家杰3，包正江4，赖科生5

（1.2.3.4.5.梧州学院 电子信息工程系，广西 梧州 543002）

免装配（Non-Assembly）是随着快速成型技术发展应运而生的一种新型制造技术，以机器手掌的手指免装配制造为例，采用快速成形熔融沉积制造法FDM（Fused Deposition Manufacturing）工艺生产的手指免装配件可以满足机器手掌的快速修配要求。可以看出：免装配技术可以有效减少加工工序，提高材料利用率，极大缩短生产周期和降低开发成本，是一种具有实用价值的创新制造技术。

免装配技术；快速成形；FDM

传统的机械装配是指按照一定的装配技术要求，将零件、套件、组件和部件进行组合和连接，使之成为机器的过程[1]。大部分的机械装配工艺比较复杂、装配时间较长、不符合现代机器研究开发快速响应市场的生产要求。免装配制造省去了机器的中间装配环节，机械零件、套件、组件和部件一次装配成功，并使它们之间自动获得正确的位置关系，实现了自动装配。免装配技术是一种多学科、多技术的交叉集成技术，它集成了计算机辅助技术、现代设计学、数控技术、机械制造和材料科学等多种学科和技术，是机械制造领域中装配技术深刻变革的一个里程碑。

免装配技术在国内的研究尚处于起步阶段，基于快速成形熔融沉积制造法FDM（Fused Deposition Manufacturing）工艺的免装配技术，到目前为止还没有发现公开的研究成果。本文首先介绍和分析国内外的免装配技术发展研究现状，再运用快速成形技术和工艺，以一个具有运动关节的机器手掌的手指进行免装配制造，对基于快速成形FDM工艺的免装配的成形工艺进行深入研究。

1 免装配技术的研究现状

免装配技术是近年来出现的一种新型制造技术，它是在快速成形RP（Rapid Prototyping）技术相对成熟的基础上提出的。快速成形技术是20世纪初发展和应用的先进制造技术，它首先对物体的三维CAD模型按设定厚度进行分层，把原来的实体模型变成一系列有序层片文件，再基于层叠加工的原理，采用不同的加工材料，根据不同的快速成形设备和工艺，由面到体进行堆积形成三维实体。目前，快速成形的工艺方法已发展到几十种，其中主要有4种基本类型：光固化成型法SLA（Stereo lithography Apparatus）、分层实体制造法LOM（Laminated Object Manufacturing）、选择性激光烧结法 SLS（Selective Laser Sintering）和熔融沉积制造法 FDM（Fused Deposition Manufacturing）。快速成型技术已广泛应用于机械制造、航空航天、医学、考古、首饰制作和文化艺术等领域，随着技术的发展其应用范围将不断地扩展[2]。

免装配制造是快速成形技术的一种新应用，从公开的技术文献发现，仅有少数资料对基于快速成形的免装配技术进行描述。免装配技术起源于美国，并在美国得到重视和发展，这项技术在机器人机构制造、汽车制造等领域进行了适应性的应用实验。近几年来，美国的Cornell University，Rutgers University和Northeastern University等各高校科研机构及相关企业对基于快速成形的免装配技术进行研究，并得到一些初步成果。Lipson等人利用3-D Printing技术复原了几个机械原理的典型机构，但对免装配的形成机理和工艺没有做深入研究[3]；Mavroidis等人采用SLA和SLS成形设备，对机器人的主要运动部件如转动关节、滑动机构以及万向节等进行免装配制造，并且一次装配成形，他们对关节间隙的取值问题进行了初步研究[4]；Kataria和Rosen利用形状记忆合金制造具有9个自由度的仿生机器手[5]；在国内，现在仅有华南理工大学杨永强教授的研究团队利用快速成形工艺对免装配技术进行了初步的研究，并使用选择性激光烧结成形技术制造了不锈钢材料的十字轴万向联轴器[6]。作为华南理工大学免装配研究团队的子项目研究小组，笔者主要从事基于FDM工艺的免装配技术研究。

2 基于快速成形的免装配技术研究

2.1 免装配件的三维实体模型

按照免装配的制造工艺，对免装配件不须拆分成单个零件，利用三维CAD工程软件在装配环境中对免装配件直接构建三维模型。在快速成形领域中，由于标准的设备接口文件是三角面片近似逼近原型的STL格式，在免装配件建模完成后，对相关参数进行设置，导出相应的STL格式文件。

2.2 免装配件STL模型的分层切片及支撑结构的设计

在确定分层Z方向后，对STL模型用垂直于Z轴方向的序列平面进行切片，获得一定层厚的层片轮廓信息。层厚一般应在快速成形设备的最大切片和最小切片的厚度之间进行取值。由于快速成形工艺决定了成形件在生产过程中不能出现大角度的材料悬空的情况，所以需要事先对免装配件添加支撑结构。

2.3 免装配件的快速成形制造。

在计算机的控制下，快速成形设备将免装配的STL模型的每层轮廓和支撑结构信息转化成数控代码，并驱动喷头进行路径扫描，在设备工作台上采用成形材料进行层叠加工，直至免装配件堆积完成并最终成形。

2.4 免装配件成形后处理。

免装配成形件一般要经过支撑材料去除、打磨、抛光、渗透或高温烧结等处理，以保证免装配的尺寸精度和配合要求。

基于快速成形的免装配技术制造工艺流程如图1所示。

图1 免装配技术制造工艺流程

由此可见，免装配技术完全打破了传统制造的思维模式，无需遵循传统的先加工出每个零件再进行装配机器的设计制造理念，并通过计算机辅助设计软件和成形设备，实现数字化设计加工装配一体化过程。免装配技术的应用不仅可以有效减少加工工序，极大缩短生产周期，提高产品更新换代的能力，而且有效地通过材料利用率，降低了开发成本，是一种具有实用价值的创新制造技术。

3 基于快速成形的免装配制造

从技术和生产工艺角度看，快速成形制造适合具有复杂表面和内腔结构的三维实体的加工，基于快速成形的免装配制造除了具备上述特点以外，还擅长加工一些具有多自由度的移动或转动的运动结构。基于快速成形的免装配技术，在国内较为成熟的是基于激光选择性烧结（SLA）成型的免装配技术，基于熔融沉积法（FDM）工艺的免装配技术还处于研究的初步阶段。

熔融沉积法（FDM）是一种喷射成型的快速成形工艺，它主要利用丝状热塑性成形材料如塑料、石蜡以及尼龙丝进行成形加工[7]。其工艺过程是：丝状材料在喷头内被加工融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹进行路径扫描，同时将融化的丝状材料挤出；材料在离开喷嘴后迅速降温凝固，并与周围的成形材料粘接在一起形成新层，然后工作台沿分层方向下降一个层厚，喷头喷出新一层平面，如此反复叠加，得到三维实体成形件，其成形原理如图2所示。

3.1 免装配件的CAD实体建模

为了对基于快速成形FDM工艺的免装配技术进行深入研究，笔者选择具有转动关节等复杂结构的机器手手掌进行免装配实验（如下页图3），机器手掌由1个掌心和5个手指组成，其中每个手指由3个圆柱体通过2个铰链副进行链接（如图4），手指通过球面关节副和手掌进行铰接，制造材料是高强度的ABS（Acrylonitrile Butadiene StyreneAcrylonitrile）。当机器手掌的手指损坏需要进行维修更换时，就可以采用免装配技术方便加工出手指装配件，进行快速更换。取机器手掌的中指进行免装配实验，中指装配件由3个圆柱体和2个圆柱销和1个球体销共6个零件组成（如图5）。传统的机械制造工艺是对6个零件分别加工，然后按照一定的装配工艺将他们进行组装。而免装配制造不需要对每个零件进行单独加工，可以按照FDM工艺直接对装配件整体进行快速成形制造。

图3 机器手掌模型

图4 中指模型

图5 机器手掌中指的6个零件

为了使免装配制造后的关节能灵活转动，专门对相关设计参数特别是铰链间的间隙进行了研究，图6为铰链关节的剖视图，为了使配合紧密，我们取铰链机构的单边配合间隙为0.5mm，圆柱销的结构由圆柱形改为鼓形。

3.2 免装配件的直接分层切片处理和快速成形制造

机器手掌的中指装配件CAD模型可以在Pro/Engineer、SolidWorks和 3D Studio Max等计算机辅助设计软件中构造，笔者对完成后的STL模型相关参数进行设置，导出相应的STL格式文件；然后对STL模型按层厚0.25mm进行等厚切片，得到分层轮廓文件并添加支撑结构，最后将相关的数据导入到快速成形设备中。在这里采用的是FDM工艺的快速成形机，选用的成形材料是高强度的ABS。计算机驱动快速成形设备的成形喷头进行路径扫描，在工作台上利用成形材料进行层叠加工，直至免装配件堆积完成并最终成形（图7），相关的工艺参数如表1。成型件经过支撑材料去除和抛光处理，可以保证免装配的尺寸精度符合要求，图8所示的免装配中指的关节转动灵活，可以对机器手掌中指直接进行完全互换。表2为中指免装配件的成形精度和效率。

图7 带支撑材料的中指免装配件

图8 机器手掌的中指免装配件

表1 相关的成形工艺参数

表2 手指装配件成形精度和效率

从上述两者不同的制造工艺可以看出，免装配制造相对于传统制造有明显的优势，归纳如下。

（1）传统制造多以去除材料加工成形，而免装配制造是通过材料逐层添加加工成形，它们的基本成形路线截然相反，所以免装配制造能有效节约材料，可实现95%以上的加工材料利用率。

（2）传统制造的工艺流程一般要经过产品设计、毛坯制造、热处理、机械加工、零件成型、装配成机等制造过程，生产工序繁多且制造时间长，而免装配技术可以实现设计、加工和装配一体化，生产工艺无需装配，工序单一，可以有效提高生产效率。

（3）传统制造所需的设备繁多，如铸造设备、生产和装配设备等，需要较多的各工种技术工人，而免装配技术只需一台计算机、一台成型机和一个熟练地操作者就可完成所有的工作。这样可以大大地降低生产成本，有效提高工作效率。

（4）传统制造可能需要制造相关模具，而基于快速成形的免装配制造则完全不需要模具，它可以很容易地实现具有复杂表面和内腔结构的装配件的制造，使机械制造具有广泛性和简易性。

4 结语

免装配技术是基于快速成型制造中的一种新型的创新技术，从长远来看，它能够给传统的机械制造特别是机械设计理念带来一场技术性革命。本文对基于快速成形的免装配技术进行研究，认为免装配技术适合具有复杂表面和内腔结构的装配件的制造，通过对机器手掌手指的FDM加工，证明免装配加工适合具有转动铰链结构的装配件的快速加工，并具有生产成本低、制造效率高的优点。由于免装配技术处于研究的初步阶段，不免存在一些技术问题，如STL模型文件格式造成免装配件成形精度降低、较小配合间隙的结构设计可能难以获得较理想的配合效果和免装配技术还不适合大批量生产等缺点，这些都有待进一步深入研究解决。

[1]卢秉恒.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社,2008.

[2]钟山,韦宁,邓小林.快速成形制造技术的新进展[J].梧州学院学报,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

广西科技厅科技开发项目（桂科攻1010022-31）

钟山（1967-），男，梧州学院电子信息工程系副教授，博士研究生，主要研究方向：CAD/CAM先进集成技术、快速成形制造和逆向工程。

李国伟（1982-），男，梧州学院电子信息工程系助理实验师，研究方向：自动控制、快速成形制造。

吴家杰（1976-），男，梧州学院电子信息工程系实验师，研究方向：自动控制、快速成形制造。

包正江（1989-），男，湖南长沙人，梧州学院电子信息工程系学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。

赖科生（1985-），男，广西玉林人，梧州学院电子信息工程系学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。

覃华巧）