基于快速成形的免裝配技術研究

鐘 山，李國偉，吳家杰，包正江，賴科生

（1.2.3.4.5.梧州學院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002）

基于快速成形的免裝配技術研究

鐘 山1，李國偉2，吳家杰3，包正江4，賴科生5

（1.2.3.4.5.梧州學院 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發展應運而生的一種新型制造技術，以機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）工藝生產的手指免裝配件可以滿足機器手掌的快速修配要求。可以看出：免裝配技術可以有效減少加工工序，提高材料利用率，極大縮短生產周期和降低開發成本，是一種具有實用價值的創新制造技術。

免裝配技術；快速成形；FDM

傳統的機械裝配是指按照一定的裝配技術要求，將零件、套件、組件和部件進行組合和連接，使之成為機器的過程[1]。大部分的機械裝配工藝比較復雜、裝配時間較長、不符合現代機器研究開發快速響應市場的生產要求。免裝配制造省去了機器的中間裝配環節，機械零件、套件、組件和部件一次裝配成功，并使它們之間自動獲得正確的位置關系，實現了自動裝配。免裝配技術是一種多學科、多技術的交叉集成技術，它集成了計算機輔助技術、現代設計學、數控技術、機械制造和材料科學等多種學科和技術，是機械制造領域中裝配技術深刻變革的一個里程碑。

免裝配技術在國內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，到目前為止還沒有發現公開的研究成果。本文首先介紹和分析國內外的免裝配技術發展研究現狀，再運用快速成形技術和工藝，以一個具有運動關節的機器手掌的手指進行免裝配制造，對基于快速成形FDM工藝的免裝配的成形工藝進行深入研究。

1 免裝配技術的研究現狀

免裝配技術是近年來出現的一種新型制造技術，它是在快速成形RP（Rapid Prototyping）技術相對成熟的基礎上提出的。快速成形技術是20世紀初發展和應用的先進制造技術，它首先對物體的三維CAD模型按設定厚度進行分層，把原來的實體模型變成一系列有序層片文件，再基于層疊加工的原理，采用不同的加工材料，根據不同的快速成形設備和工藝，由面到體進行堆積形成三維實體。目前，快速成形的工藝方法已發展到幾十種，其中主要有4種基本類型：光固化成型法SLA（Stereo lithography Apparatus）、分層實體制造法LOM（Laminated Object Manufacturing）、選擇性激光燒結法 SLS（Selective Laser Sintering）和熔融沉積制造法 FDM（Fused Deposition Manufacturing）。快速成型技術已廣泛應用于機械制造、航空航天、醫學、考古、首飾制作和文化藝術等領域，隨著技術的發展其應用范圍將不斷地擴展[2]。

免裝配制造是快速成形技術的一種新應用，從公開的技術文獻發現，僅有少數資料對基于快速成形的免裝配技術進行描述。免裝配技術起源于美國，并在美國得到重視和發展，這項技術在機器人機構制造、汽車制造等領域進行了適應性的應用實驗。近幾年來，美國的Cornell University，Rutgers University和Northeastern University等各高校科研機構及相關企業對基于快速成形的免裝配技術進行研究，并得到一些初步成果。Lipson等人利用3-D Printing技術復原了幾個機械原理的典型機構，但對免裝配的形成機理和工藝沒有做深入研究[3]；Mavroidis等人采用SLA和SLS成形設備，對機器人的主要運動部件如轉動關節、滑動機構以及萬向節等進行免裝配制造，并且一次裝配成形，他們對關節間隙的取值問題進行了初步研究[4]；Kataria和Rosen利用形狀記憶合金制造具有9個自由度的仿生機器手[5]；在國內，現在僅有華南理工大學楊永強教授的研究團隊利用快速成形工藝對免裝配技術進行了初步的研究，并使用選擇性激光燒結成形技術制造了不銹鋼材料的十字軸萬向聯軸器[6]。作為華南理工大學免裝配研究團隊的子項目研究小組，筆者主要從事基于FDM工藝的免裝配技術研究。

2 基于快速成形的免裝配技術研究

2.1 免裝配件的三維實體模型

按照免裝配的制造工藝，對免裝配件不須拆分成單個零件，利用三維CAD工程軟件在裝配環境中對免裝配件直接構建三維模型。在快速成形領域中，由于標準的設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，對相關參數進行設置，導出相應的STL格式文件。

2.2 免裝配件STL模型的分層切片及支撐結構的設計

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

2.3 免裝配件的快速成形制造。

在計算機的控制下，快速成形設備將免裝配的STL模型的每層輪廓和支撐結構信息轉化成數控代碼，并驅動噴頭進行路徑掃描，在設備工作臺上采用成形材料進行層疊加工，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過支撐材料去除、打磨、拋光、滲透或高溫燒結等處理，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制造工藝流程如圖1所示。

圖1 免裝配技術制造工藝流程

由此可見，免裝配技術完全打破了傳統制造的思維模式，無需遵循傳統的先加工出每個零件再進行裝配機器的設計制造理念，并通過計算機輔助設計軟件和成形設備，實現數字化設計加工裝配一體化過程。免裝配技術的應用不僅可以有效減少加工工序，極大縮短生產周期，提高產品更新換代的能力，而且有效地通過材料利用率，降低了開發成本，是一種具有實用價值的創新制造技術。

3 基于快速成形的免裝配制造

從技術和生產工藝角度看，快速成形制造適合具有復雜表面和內腔結構的三維實體的加工，基于快速成形的免裝配制造除了具備上述特點以外，還擅長加工一些具有多自由度的移動或轉動的運動結構。基于快速成形的免裝配技術，在國內較為成熟的是基于激光選擇性燒結（SLA）成型的免裝配技術，基于熔融沉積法（FDM）工藝的免裝配技術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、石蠟以及尼龍絲進行成形加工[7]。其工藝過程是：絲狀材料在噴頭內被加工融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡進行路徑掃描，同時將融化的絲狀材料擠出；材料在離開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，然后工作臺沿分層方向下降一個層厚，噴頭噴出新一層平面，如此反復疊加，得到三維實體成形件，其成形原理如圖2所示。

3.1 免裝配件的CAD實體建模

為了對基于快速成形FDM工藝的免裝配技術進行深入研究，筆者選擇具有轉動關節等復雜結構的機器手手掌進行免裝配實驗（如下頁圖3），機器手掌由1個掌心和5個手指組成，其中每個手指由3個圓柱體通過2個鉸鏈副進行鏈接（如圖4），手指通過球面關節副和手掌進行鉸接，制造材料是高強度的ABS（Acrylonitrile Butadiene StyreneAcrylonitrile）。當機器手掌的手指損壞需要進行維修更換時，就可以采用免裝配技術方便加工出手指裝配件，進行快速更換。取機器手掌的中指進行免裝配實驗，中指裝配件由3個圓柱體和2個圓柱銷和1個球體銷共6個零件組成（如圖5）。傳統的機械制造工藝是對6個零件分別加工，然后按照一定的裝配工藝將他們進行組裝。而免裝配制造不需要對每個零件進行單獨加工，可以按照FDM工藝直接對裝配件整體進行快速成形制造。

圖3 機器手掌模型

圖4 中指模型

圖5 機器手掌中指的6個零件

為了使免裝配制造后的關節能靈活轉動，專門對相關設計參數特別是鉸鏈間的間隙進行了研究，圖6為鉸鏈關節的剖視圖，為了使配合緊密，我們取鉸鏈機構的單邊配合間隙為0.5mm，圓柱銷的結構由圓柱形改為鼓形。

3.2 免裝配件的直接分層切片處理和快速成形制造

機器手掌的中指裝配件CAD模型可以在Pro/Engineer、SolidWorks和 3D Studio Max等計算機輔助設計軟件中構造，筆者對完成后的STL模型相關參數進行設置，導出相應的STL格式文件；然后對STL模型按層厚0.25mm進行等厚切片，得到分層輪廓文件并添加支撐結構，最后將相關的數據導入到快速成形設備中。在這里采用的是FDM工藝的快速成形機，選用的成形材料是高強度的ABS。計算機驅動快速成形設備的成形噴頭進行路徑掃描，在工作臺上利用成形材料進行層疊加工，直至免裝配件堆積完成并最終成形（圖7），相關的工藝參數如表1。成型件經過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節轉動靈活，可以對機器手掌中指直接進行完全互換。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 機器手掌的中指免裝配件

表1 相關的成形工藝參數

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，免裝配制造相對于傳統制造有明顯的優勢，歸納如下。

（1）傳統制造多以去除材料加工成形，而免裝配制造是通過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約材料，可實現95%以上的加工材料利用率。

（2）傳統制造的工藝流程一般要經過產品設計、毛坯制造、熱處理、機械加工、零件成型、裝配成機等制造過程，生產工序繁多且制造時間長，而免裝配技術可以實現設計、加工和裝配一體化，生產工藝無需裝配，工序單一，可以有效提高生產效率。

（3）傳統制造所需的設備繁多，如鑄造設備、生產和裝配設備等，需要較多的各工種技術工人，而免裝配技術只需一臺計算機、一臺成型機和一個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成本，有效提高工作效率。

（4）傳統制造可能需要制造相關模具，而基于快速成形的免裝配制造則完全不需要模具，它可以很容易地實現具有復雜表面和內腔結構的裝配件的制造，使機械制造具有廣泛性和簡易性。

4 結語

免裝配技術是基于快速成型制造中的一種新型的創新技術，從長遠來看，它能夠給傳統的機械制造特別是機械設計理念帶來一場技術性革命。本文對基于快速成形的免裝配技術進行研究，認為免裝配技術適合具有復雜表面和內腔結構的裝配件的制造，通過對機器手掌手指的FDM加工，證明免裝配加工適合具有轉動鉸鏈結構的裝配件的快速加工，并具有生產成本低、制造效率高的優點。由于免裝配技術處于研究的初步階段，不免存在一些技術問題，如STL模型文件格式造成免裝配件成形精度降低、較小配合間隙的結構設計可能難以獲得較理想的配合效果和免裝配技術還不適合大批量生產等缺點，這些都有待進一步深入研究解決。

[1]盧秉恒.機械制造技術基礎[M].北京：機械工業出版社,2008.

[2]鐘山,韋寧,鄧小林.快速成形制造技術的新進展[J].梧州學院學報,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

廣西科技廳科技開發項目（桂科攻1010022-31）

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

李國偉（1982-），男，梧州學院電子信息工程系助理實驗師，研究方向：自動控制、快速成形制造。

吳家杰（1976-），男，梧州學院電子信息工程系實驗師，研究方向：自動控制、快速成形制造。

包正江（1989-），男，湖南長沙人，梧州學院電子信息工程系學生，研究方向：機械設計制造及其自動化。

賴科生（1985-），男，廣西玉林人，梧州學院電子信息工程系學生，研究方向：機械設計制造及其自動化。

覃華巧）