模塊化增減材加工一體機的設計與實驗研究

徐　帖，黃光銘，張　磊，王書文，殷　振

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇　蘇州　215009)

0　引言

3D打印、激光雕刻和數控加工都是目前機械加工作業中常見的加工方式，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同作業，加工工序繁瑣，耗時較長，不同加工裝置的重復裝夾也加大了加工的誤差[1-4]。模塊化增減材加工一體機將3D打印裝置、激光雕刻裝置和數控加工裝置進行模塊化處理，通用地安裝到增減材加工一體機上[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結構設計

模塊化增減材加工一體機主要包括結構框架、驅動裝置、控制裝置、功能轉換裝置和模塊化的加工裝置，整體結構如圖1所示。

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

結構框架主要包括底部支座、上端橫梁和豎直支架。驅動裝置包括驅動電機、傳送帶、絲杠、導軌和滑塊，驅動裝置分為X方向驅動裝置、Y方向驅動裝置和Z方向驅動裝置。驅動電機與絲杠之間通過傳送帶相連接，使得驅動電機的動力能夠轉化為絲杠的轉動，在絲杠和導軌上設置有滑塊，滑塊通過螺紋孔與絲杠上的螺紋形成配合關系，在電機的驅動下，可以控制滑塊沿X、Y或Z方向做定向和定點移動。

控制電路采用電機驅動芯片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通過USB線連接來控制增減材多功能加工一體機，或者直接由USB接口連接U盤進行固件升級和參數配置，簡單易用。

功能轉換裝置包括連接導軌和功能轉換支座，連接導軌與滑塊相連，在連接導軌的交匯處設置有功能轉換支座，功能轉換支座上可以模塊化更換3D打印裝置、激光加工裝置和數控加工裝置，從而使得加工裝置也能實現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功能設計

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范圍內可供選擇，支持PLA、ABS、尼龍等耗材。打印時打印噴頭溫度設置在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 ℃。通過增材制造技術可以大大降低單件試件、小批量生產零件的周期和成本，特別適合新產品的開發和生產。

2.2　激光雕刻

激光加工裝置的主要元件是激光發射頭(如圖3所示)，激光發射頭將高平行度、高能量密度的激光聚集到工件表面上來進行熱加工，激光光點的直徑可達1 μm以下，可實現激光打孔、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換支座上，激光發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，透鏡采用專用光學鍍膜玻璃，加工精度可達到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，不會使材料發生變形。

2.3　數控加工

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

圖23D打印裝置圖3激光雕刻中的激光發射頭

3　模塊化增減材加工一體機加工實驗

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根懸空的支撐結構。打印采用黃色的PLA耗材，打印時噴頭溫度設定為210 ℃，工作平臺的溫床初始溫度設定為50 ℃，隨著打印的進行，可將溫床溫度降低至30 ℃，可避免溫床一直處于加熱的狀態。打印的層高設置為0.2 mm，外殼厚度設置為0.6 mm，其中模型的填充比設定為60%，打印速度設置為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，因此可以不用設置支撐材料，直接“拉絲過橋”，降低了打印的復雜度，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，雕刻深度設定為2 mm，雕刻總耗時為16 min。實驗數據表明，雕刻的精度很大程度上取決于激光焦點的調取，最佳焦距為當放置在焦點上的紙張能夠瞬間發生碳化，此時可滿足對工件的雕刻需求，同時雕刻精度也與時間、光強等參數的設置有關。

3.3　數控加工的實驗分析

數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，數控加工實景如圖6所示。數控雕刻裝置的控制板驅動芯片選用東芝6560，主軸功率設定為500 W，主軸轉速設定為8 000 r/min，雕刻精度達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，還與圖案的復雜程度以及雕刻參數的設定有一定的關系，采用模塊化雕刻裝置進行雕刻，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數控加工裝置工作圖

4　結語

增減材多功能加工一體機裝置使用方便、加工效率高、經濟性高，可以根據客戶需求選擇其中一種或幾種加工方式對小型工件進行快速建模、成型和精密加工。

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

3D打印裝置、激光加工裝置和數控加工裝置可以模塊化地更換在功能轉換裝置上，當改變加工方式時，降低了更換大型加工設備的成本，后期也可在功能轉換裝置上進行其他加工裝置功能擴展。

參考文獻：

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