基于Pro/E的快速成型机设计与分析*

陈满儒，高 博，马金锋

(陕西科技大学 设计与艺术学院，陕西 西安 710021)

1 引言

陶瓷零件的快速成型是当下研究的一个热点。目前适合陶瓷材料快速成型的设备大多需要激光成型，制造成本较高，且设备昂贵，或者对材料的要求较高，很难达到经济的目的。为了解决以上难题，提出了基于石蜡的层和速凝快速成型技术，并以该技术为基础，结合陶瓷材料和石蜡的特性，设计出一种更加经济合理的新型快速成型装置。

传统的设计方法，需要根据物理样机反复安装调试，设计周期长、成本高，而虚拟样机技术可解决这一问题。Pro/Engineer是一款基于特征的参数化建模软件，利用Pro/E建立快速成型机各零部件的三维实体模型，进行整机装配，缩短研发周期。与有限元分析软件配合使用，可以对模型进行深入分析，验证设计的合理性和可靠性，为物理样机的研制提供依据和参考［1］。

2 新型快速成型机设计

2.1 工作原理

按照层和速凝快速成型技术的要求，需要设计一种能够快速且简单的生产陶瓷零件的加工设备，该设备的加工工艺为［2-5］:

(1)铺料系统在雕刻平台上铺一层熔融的石蜡，待凝固后作为雕刻的基板;

(2)计算机控制刻刀在蜡板上刻出制件的截面轮廓，通过吹风装置将石蜡碎屑吹走;

(3)在镂空的石蜡基板上铺一层混有石蜡的陶瓷浆料，刻痕以外的多余陶瓷浆料通过刮板清除;

(4)铺料平台通过丝杠在竖直方向向下平移距离0.1～2 mm;

(5)重复步骤1～4，逐层叠加，最后完成实体成型;

(6)排蜡烧结，获得所需陶瓷制件。

其生产工艺流程如图1所示［6］。通过对工艺流程的分析，该设备需要具备水平运动装置、料斗搅拌装置和铺料台升降装置三部分。水平运动装置主要带动料斗分别完成石蜡和陶瓷浆料的铺设;料斗搅拌装置主要用来盛放浆料并保证浆料处于熔融状态;铺料台升降装置主要实现铺料台的平稳下降［7］，保证陶瓷片层厚度均匀，直接影响陶瓷制件的精度。

图1 快速成型机生产工艺流程图

2.2 两种设计方案

利用Pro/E软件，按照工艺要求，提出两种设计方案，方案一如图2所示。

图2 方案一快速成型机铺料系统结构图

系统工作时，水平电机往返运动两次实现石蜡和陶瓷的铺设，然后开始雕刻，雕刻完毕，竖直电机带动工作台下降，完成一次加工。

方案一的优点在于结构紧凑，模型简单，便于安装和调试;电机带动丝杠转动，将丝杠的旋转运动转化为螺母在竖直方向直线运动，铺料台和丝杠螺母固结，实现铺料台的升降运动。不足之处在于该单边支撑方式的可靠性减弱，尤其在铺料台盛放浆料之后，容易造成倾斜，影响产品加工精度。

方案二如图3(a)、(b)所示。考虑到铺料台易倾斜的影响，对升降装置进行了改进，改进后的设备总长500 mm，宽450 mm，高400 mm，水平方向运动行程300 mm，竖直方向运动行程55 mm，铺料台面积5.85×104mm2。方案二的优点在于克服了方案一的不足，竖直方向工作行程得到增加，系统可靠性增强，但是设计较为复杂，安装调试困难。

图3 方案二快速成型机铺料系统结构图

2.3 关键部件对比分析

在陶瓷成型的工作过程中，对整个加工工艺影响最为重要的是升降台的运动，升降台除了自身重量还要承受材料的重量，在上述重力的影响下，保证铺料台台面不变形对陶瓷成型至关重要。此外，铺料台要实现往复运动，其运行的平稳性对最终产品的质量精度影响较大。两种方案的关键部件，铺料台升降装置分别如图4、5所示。

图4 方案一铺料台升降装置示意图

如图4所示，方案一中竖直导杆1和竖直导套5通过螺栓固定于料盘上，丝杠设计为梯形螺纹丝杠，保证机构能够可靠自锁;从整体结构上看，丝杠和铺料台单边支撑，机构的可靠性主要靠铺料台的刚性保证。

与方案一相比，方案二采用了更复杂的传动结构，如图5所示，通过带轮10、丝杠螺母6和横梁7将运动传递给直线导轨13;从设计要精度上看，将梯形螺纹丝杠改进为滚珠丝杠，导轨采用直线导轨，从而保证精度;从整体结构上看，丝杠和铺料台采用对称支撑方式，可通过增大支撑块与铺料台的接触面积保证机构的可靠性。

图5 方案二铺料台升降装置示意图

3 快速成型机模型分析

通过对快速成型机工作原理的分析，铺料台升降装置对产品的加工精度和系统运行平稳性影响最大;和方案一设计相比，方案二主要对铺料台升降装置进行了改进;为了反映改进的效果，利用ANSYS Workbench软件对升降装置进行静力学分析，通过分析铺料台在浆料铺设过程中产生的变形量，进一步对比两种方案的优劣。

3.1 方案一有限元分析

在有限元分析之前，首先对铺料台升降装置进行简化:

(1)对电机进行简化:在只考虑电机质量的情况下将电机对丝杠的影响简化为作用在电机安装面上的远程力(remote force)。

(2)对螺栓的简化:由于分析重点不在螺栓强度，将螺栓全部简化，只在安装面设置接触为固结接触(Bonded)。

(3)对轴承的简化:由于轴承相对于丝杠支撑的刚度充足，同时为了减少网格划分的工作量、避免畸形网格的产生，故将轴承的影响忽略，仅将丝杠与丝杠支撑之间的接触设置为固结接触(Bonded)。

(4)竖直导套和导杆接触简化:竖直导杆和导套通过螺栓分别固连在铺料台上，在载荷作用下竖直导套相对于导杆会产生移动，但由于该结构径向刚度充足，忽略导套径向的相对移动，对导套施加圆柱约束仅保留其轴向自由度。

模型简化完成，使用ANSYS Workbench对方案一进行静力学分析，主要包括以下步骤:

(1)单元的选择:将该机构单元类型设置为实体，用SOLID45单元进行网格划分;

(2)定义材料属性:丝杠、丝杠螺母等材料均选用结构钢，密度7.85×103kg/m3，弹性模量200 GPa，泊松比0.3;

(3)网格的划分:采用自动划分网格的形式;

(4)接合面的处理:将螺栓安装面、丝杠与丝杠支撑之间的接触设置为固结接触(Bonded)，将丝杠和丝杠螺母座均设置为不分离接触(No separation);

(5)位移约束:在导套两端施加圆柱约束;

(6)施加载荷:由于浆料对铺料台的压力为非线性力，计算时情况复杂，但该力对竖直方向的变形量影响不大且不是本次分析的重点，因而根据实际工作情况，将受力简化为50 N竖直向下的集中力;

(7)添加计算结果类型及计算:添加需要计算的类型为总变形(Total Deformation)。

计算结果及计算后所得变形图解如图6所示。

图6 方案一铺料台升降装置总变形图

3.2 方案二有限元分析

方案一与方案二除了在接触面类型设置和约束设置不同之外，其他与方案一分析步骤一致，最后得到的变形图如图7所示。

图7 方案一铺料台升降装置总变形图

通过对结果分析，方案一铺料台在竖直方向变形量为0.138 28 mm，工作过程中铺料台发生倾斜，前后出现面差，被分成了两个部分。由于该设备工作原理建立在分层加工基础之上，铺料台的变形会导致相邻切片轴心不重合，影响零件的垂直度和表面质量，严重的情况会产生废品;方案二在竖直方向最大变形量0.020 5 mm;按照工艺要求，在一次加工循环结束后，铺料台下降0.1～2 mm，方案二产生的变形量在误差允许的范围内，可以满足设计要求。

综合对两种方案优劣的对比和有限元分析结果，以产品加工精度为主要考虑因素，选择方案二作为最终设计结果。同时考虑方案二在设备加工复杂、安装不便和成本增加等方面的不足，在方案二的基础上继续进行改进。

4 结论

(1)相对于传统的设计方法，Pro/E技术使设计更加直观，零部件的相对位置关系清晰，同时也便于修改，提高了效率，大大缩短了产品的研发周期［8］。

(2)通过对两种方案的关键部件，铺料台升降装置的静力学分析发现，方案一铺料台在竖直方向最大变形量为0.138 28 mm，方案二在竖直方向最大变形量0.020 5 mm，从产品精度要求和机构可靠性方面考虑，选择方案二为最终设计结果。

［1］ 常 静，尹成龙.基于Pro/E的玉米播种机虚拟设计［J］.机械研究与应用，2010(10):97-98.

［2］ 郭志刚，高东强.新型陶瓷快速成型机铺料台的有限元分析［J］.机械设计与制造，2010(4):29-31.

［3］ Tang K，Pang A.Optimal Connection of Loops in Laminated Object Manufacturing［J］.Computer-Aided Design，2003，35(11):1011-1022.

［4］ Robert S.Fast precise＆safe prototyping with FDM［J］.FEM-Intell Des Manufg Proto，1992(5):6-7.

［5］ 杨万莉.陶瓷零件快速成型机的设计及成型工艺的研究［D］.西安:陕西科技大学，2007.

［6］ 高东强，郝大建，田振亚，等.基于层合速凝技术的陶瓷件快速成型研究［J］.机械设计与制造，2008(8):108-110.

［7］ 张 菲，高东强.基于Pro/E的陶瓷零件快速成型机的仿真设计［J］.陕西科技大学学报，2011，29(5):65-69.

［8］ 刘玉刚.基于Pro/E技术的分级破碎机设计与分析［J］.选煤技术，2012(8):79-81.