專利名稱：免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種改變傳統(tǒng)設(shè)計和制造理念的基于數(shù) 字化裝配的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
機械機構(gòu)在工業(yè)、民用等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，如轉(zhuǎn)軸機構(gòu)、插銷機構(gòu)、各種運動轉(zhuǎn)換 機構(gòu)等。在傳統(tǒng)的加工方式中，一般是先單獨制造出組成機械機構(gòu)的各個零件，然后再將各 零件通過鉚釘、銷釘、螺栓等緊固件進行連接，最終構(gòu)成完整的機械機構(gòu)。這種加工方式存 在以下不足(1)需先單獨加工各個零件，然后再裝配成完整可用的機械機構(gòu)，具有工序繁 瑣等缺陷；(2)機械機構(gòu)在設(shè)計時，設(shè)計者必須考慮機械機構(gòu)可用于裝配的操作空間以及 所需的裝配方法，這很大程度上限制了其設(shè)計思路，限制了機械機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和連接方式。激光快速成型技術(shù)于20世紀80年代末發(fā)展起來，其根據(jù)離散/堆積原理，將零件 的CAD模型轉(zhuǎn)化為實體，是一種集光學(xué)、控制、機械、物理、材料等多門學(xué)科于一體的先進制 造技術(shù)。目前現(xiàn)有的激光快速成型技術(shù)有很多，如選區(qū)激光熔化/燒結(jié)、激光熔覆、光固化 快速成型、疊層實體制造、三維印刷成型、激光噴蠟成型等等，各項技術(shù)都有不同程度的發(fā) 展和不同領(lǐng)域的應(yīng)用。從原理上來看，激光快速成型技術(shù)是一種離散/堆積的快速成形技 術(shù)，將三維的模型轉(zhuǎn)化為二維模型，通過層層疊加分層制造，對零件的復(fù)雜性不敏感，因此 可以制造出幾何形狀任意復(fù)雜的零件?，F(xiàn)有的技術(shù)中，激光快速成型技術(shù)一般只用于單個 零件的生產(chǎn)制造，而對于多個零件裝配而成的機械機構(gòu)，還未見應(yīng)用，這使得機械機構(gòu)的制 造受到了很大的限制及不便。因此，需要提供一種可以免去后續(xù)的裝配工序、拓展設(shè)計思路的制造機械機構(gòu)的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種可以免去后續(xù)的裝 配工序、拓展設(shè)計思路的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法。本發(fā)明的另一目的在于提供上述免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法的應(yīng)用。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，包括如下步驟(1)在上位機中，建立機械機構(gòu)中各零件的三維模型，并將各零件模型進行數(shù)字化 裝配，得到機械機構(gòu)的三維模型；(2)將機械機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入激光快速成型裝置中，對激光快速成型裝置中的 原材料進行激光快速成型加工，并一次成型出整個機械機構(gòu)；(3)對已成型的機械機構(gòu)進行后處理，得到機械機構(gòu)的成品。作為優(yōu)選，所述步驟(1)中，各零件模型進行數(shù)字化裝配的具體步驟如下
(1-1)在上位機中，建立機械機構(gòu)中各零件的零件模型；(1-2)根據(jù)各零件間的連接關(guān)系，將各個零件模型逐步導(dǎo)入上位機的計算機輔助 設(shè)計系統(tǒng)，并將各零件模型放置于所述系統(tǒng)設(shè)置的坐標系中，完成各零件模型的添加；(1-3)根據(jù)各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，對各零件 模型進行組合裝配，得到機械機構(gòu)的三維模型；(1-4)判斷機械機構(gòu)的三維模型在堆積方向上的高度是否超過激光快速成型裝置 中成型缸的最大下降行程，若是，則執(zhí)行步驟(1-3)，調(diào)整各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、 運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，對各零件模型重新組合裝配；否則執(zhí)行下一步驟；(1-5)判斷機械機構(gòu)的三維模型是否存在與水平面平行的表面，若存在，則在所述 與水平面平行的表面的下方添加支撐零件模型，完成數(shù)字化裝配；若不存在，則完成數(shù)字化 裝配。所述步驟(1-1)中，機械機構(gòu)中各零件的形狀和結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)功能作用為目標進行 設(shè)計，設(shè)計過程不考慮傳統(tǒng)加工方法和裝配手段的限制。所述步驟(1-2)中，各零件模型完全約束地放置于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)設(shè)置的坐 標系中。所述步驟(1-2)中，在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)上，先導(dǎo)入機械機構(gòu)的一個零件模型， 使其完全約束地放置于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的坐標系中，再根據(jù)零件間的連接關(guān)系，逐 步添加下一個零件模型，直至所有零件模型添加完畢；待零件模型添加完畢后，通過步驟 (1-3)對機械機構(gòu)的各零件模型進行裝配。所述步驟(1-3)中，根據(jù)各零件間的定位關(guān)系、 連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，并結(jié)合加工時的位置擺放，使各零件模型在無約束的 自由度上作適當?shù)男D(zhuǎn)或平移操作，將各零件模型組合裝配在一起，以減少組合裝配構(gòu)成 的機械機構(gòu)的三維模型與水平面平行的表面，避免數(shù)字化裝配所得的機械機構(gòu)三維模型過 高或與水平面平行的表面過多。所述計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)優(yōu)選為Pro/E設(shè)計系統(tǒng)(美國參數(shù)技術(shù)公司PTC旗下的 三維設(shè)計系統(tǒng))、UG設(shè)計系統(tǒng)(Unigraphics NX, EDS公司出品的設(shè)計系統(tǒng))、Solidworks設(shè) 計系統(tǒng)(達索公司的三維設(shè)計系統(tǒng))等。所述步驟(2)中，激光快速成型的具體步驟包括(2-1)對機械機構(gòu)的三維模型進行切片處理，獲得其分層截面的切片數(shù)據(jù)；(2-2)將所述的切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光快速成型裝置中；(2-3)將制造的原材料送入激光快速成型裝置中，所述激光快速成型裝置根據(jù)導(dǎo) 入的切片數(shù)據(jù)對原材料分層堆積并進行逐層激光掃描，直到堆積成型，獲得成型的機械機 構(gòu)。各零件模型裝配時，為了減小所述步驟(2)激光掃描時的激光深穿透的影響，所 述步驟(1)中數(shù)字化裝配時，各零件模型在堆積方向上的連接間隙至少不小于0. 1mm。所述步驟(2)激光掃描時，機械機構(gòu)的成型會受到激光的熱影響效應(yīng)，因此，所 述步驟(1)中數(shù)字化裝配時，各零件模型在垂直于堆積方向上的連接間隙至少不小于 0. 05mmo所述步驟(2)中，激光快速成型的工藝參數(shù)優(yōu)選為切片層厚為15 80 μ m，激光 功率為40 250W，激光掃描速度為200 1200mm/s，掃描間距為80 250 μ m,掃描方式為層間錯開掃描或呈“Z”字形掃描。所述步驟(2)中所用的原材料為金屬粉末、樹脂或陶瓷粉末等。所述步驟(3)中，對已成型的機械機構(gòu)的后處理包括對機械機構(gòu)的表面以及機 械機構(gòu)的各零件間的連接間隙進行打磨、噴砂和吹氣等；去除機械機構(gòu)的支撐零件。上述免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械 機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造由多個零件裝配構(gòu)成的轉(zhuǎn)軸機構(gòu)、插銷機構(gòu)、連桿機構(gòu)、 運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、直線運動機構(gòu)或鉸鏈機構(gòu)等。所述連桿機構(gòu)優(yōu)選為萬向節(jié)，所述運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)優(yōu)選為齒輪系或人工關(guān)節(jié)，所述 直線運動機構(gòu)優(yōu)選為由活塞桿和活塞套構(gòu)成的機構(gòu)，鉸鏈機構(gòu)優(yōu)選為由球套座和球桿件構(gòu) 成的球形鉸鏈機構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)優(yōu)選為由套連桿和銷軸構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。本發(fā)明方法的原理如下利用激光快速成型可以成型任意幾何結(jié)構(gòu)(如不規(guī)則 曲面、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等)的零件的特點，將整個機械機構(gòu)當作一個具有配合間隙特征的零件，采 用激光快速成型一次性直接制造出來，不需要進行后續(xù)裝配工序?？梢愿鶕?jù)功能需要將機 械機構(gòu)設(shè)計成所需的幾何形狀和結(jié)構(gòu)；采用數(shù)字化裝配，設(shè)計者無需考慮實際的裝配空間 和裝配手段，可以根據(jù)功能需要設(shè)計所需的連接方式。因此，采用本發(fā)明方法，可以突破傳 統(tǒng)的設(shè)計和制造理念。本發(fā)明對于轉(zhuǎn)軸機構(gòu)、插銷機構(gòu)、連桿機構(gòu)、各種運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)等由多個零件裝配 構(gòu)成的機械機構(gòu)均可直接加工成型，無需后續(xù)裝配。例如在汽車、機床、航空和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域 所用到的萬向節(jié)、齒輪系、人工關(guān)節(jié)等機械機構(gòu)均可采用本發(fā)明直接加工得到。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果1、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，能夠利用快速成型技術(shù)直接制造出機械機構(gòu)，不用再 進行后續(xù)的裝配工序，縮短了制造時間。2、本發(fā)明在制造前先對機械機構(gòu)進行數(shù)字化裝配，可以修正零件之間的裝配關(guān) 系，有效避免通過手工裝配零件所帶來的裝配誤差，從而提高機械機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。3、本發(fā)明在制造機械機構(gòu)時，可不必顧慮機械機構(gòu)的裝配操作空間和裝配方法， 從而開拓了機械機構(gòu)的設(shè)計思路，也使機械機構(gòu)的連接形式多樣化，制作出更多適合實際 應(yīng)用的機械機構(gòu)。4、本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的先單獨加工各個零件再裝配出機械機構(gòu)的設(shè)計和制造理 念，建立了數(shù)字化設(shè)計和裝配，然后再一次成型直接制造出整個機械機構(gòu)的新理念，不僅免 除了后續(xù)的裝配工藝，而且使得機械機構(gòu)的設(shè)計過程不再受到傳統(tǒng)加工方法和裝配手段的 限制，機械機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和連接方式更加靈活多樣。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。圖2是本發(fā)明方法步驟(1)中數(shù)字化裝配的流程示意圖。圖3是圖1所示方法在制造一種機械機構(gòu)時，各零件模型的一種數(shù)字化裝配示意 圖。圖4是圖1所示方法在制造一種機械機構(gòu)時，各零件模型的另一種數(shù)字化裝配示 意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。實施例1如圖1所示，本免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法包括如下步驟(1)在上位機中，建立機械機構(gòu)中各零件的三維模型，并將各零件模型進行數(shù)字化 裝配，得到機械機構(gòu)的三維模型；(2)將機械機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入激光快速成型裝置中，對激光快速成型裝置中的 原材料進行激光快速成型加工，并一次成型出整個機械機構(gòu)；(3)對已成型的機械機構(gòu)進行后處理，得到機械機構(gòu)的成品。如圖2所示，所述步驟(1)中，各零件模型進行數(shù)字化裝配的具體步驟如下(1-1)在上位機中，建立機械機構(gòu)中各零件的零件模型；(1-2)根據(jù)各零件間的連接關(guān)系，將各個零件模型逐步導(dǎo)入上位機的計算機輔助 設(shè)計系統(tǒng)，并將各零件模型放置于所述系統(tǒng)設(shè)置的坐標系中，完成各零件模型的添加；(1-3)根據(jù)各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，對各零件 模型進行組合裝配，得到機械機構(gòu)的三維模型；(1-4)判斷機械機構(gòu)的三維模型在堆積方向上的高度是否超過激光快速成型裝置 中成型缸的最大下降行程，若是，則執(zhí)行步驟(1-3)，調(diào)整各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、 運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，對各零件模型重新組合裝配；否則執(zhí)行下一步驟；(1-5)判斷機械機構(gòu)的三維模型是否存在與水平面平行的表面，若存在，則在所述 與水平面平行的表面的下方添加支撐零件模型，完成數(shù)字化裝配；若不存在，則完成數(shù)字化 裝配。所述步驟(1-1)中，零件的形狀和結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)功能作用為目標進行設(shè)計，設(shè)計過 程不考慮傳統(tǒng)加工方法和裝配手段的限制。所述步驟(1-2)中，各零件模型完全約束地放置于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)設(shè)置的坐 標系中。所述計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)為Pro/E設(shè)計系統(tǒng)(美國參數(shù)技術(shù)公司PTC旗下的三維 設(shè)計系統(tǒng))。步驟(1-2)中，在所述計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)上，先導(dǎo)入機械機構(gòu)的一個零件模型， 使其完全約束地放置于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的坐標系中，再根據(jù)零件間的連接關(guān)系，逐 步添加下一個零件模型，直至所有零件模型添加完畢；待零件模型添加完畢后，通過步驟 (1-3)對機械機構(gòu)的各零件模型進行裝配。所述步驟(1-3)中，根據(jù)各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān) 系，并結(jié)合加工時的位置擺放，使各零件模型在無約束的自由度上作適當?shù)男D(zhuǎn)或平移操 作，將各零件模型組合裝配在一起，以減少組合裝配構(gòu)成的機械機構(gòu)的三維模型與水平面 平行的表面，避免數(shù)字化裝配所得的機械機構(gòu)三維模型過高或其與水平面平行的表面過
^^ ο所述步驟(2)中，激光快速成型的具體步驟包括
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(2-1)對機械機構(gòu)的三維模型進行切片處理，獲得其分層截面的切片數(shù)據(jù)；(2-2)將所述的切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光快速成型裝置中；(2-3)將制造的原材料送入激光快速成型裝置中，所述激光快速成型裝置根據(jù)導(dǎo) 入的切片數(shù)據(jù)對原材料分層堆積并進行逐層激光掃描，直到堆積成型，獲得成型的機械機 構(gòu)。各零件模型裝配時，為了減小所述步驟(2)激光掃描時的激光深穿透的影響，所 述步驟(1)裝配時，各零件模型在堆積方向上的連接間隙為0. 3mm。所述步驟(2)激光掃描時，機械機構(gòu)的成型會受到激光的熱影響效應(yīng)，因此，所述 步驟(1)裝配時，各零件模型在垂直于堆積方向上的連接間隙為0. 2mm。所述步驟(2)中，激光快速成型的工藝參數(shù)為切片層厚為15 μ m，激光功率為 40W，激光掃描速度為200mm/s，掃描間距為80 μ m，掃描方式為層間錯開掃描。所述步驟(3)中，對已成型的機械機構(gòu)的后處理具體包括對機械機構(gòu)的表面以 及機械機構(gòu)的各零件間的連接間隙進行打磨、噴砂和吹氣等；去除機械機構(gòu)的支撐零件。所述步驟(2)中所用的原材料為金屬粉末。上述免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械 機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造由多個零件裝配構(gòu)成的連桿機構(gòu)。本實施例可用于加工由多個零件裝配構(gòu)成的機械機構(gòu)，如轉(zhuǎn)軸機構(gòu)、插銷機構(gòu)、連 桿機構(gòu)、各種運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)等。其中，可加工一種由連桿1、連桿3和一個十字銷2構(gòu)成的連 桿機構(gòu)，如圖3所示，采用本方法制造這種機械機構(gòu)的步驟為(1)在上位機中，建立連桿1、 十字銷2和連桿3的零件模型，其中十字銷2的功能作用是要使連桿1和連桿3連接后，允 許其分別在兩個互相垂直的方向作一定角度的旋轉(zhuǎn)，因此以實現(xiàn)該功能作用為目標將十字 銷2設(shè)計成“十”字形，這樣的結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)裝配手段中是不允許的，但采用本發(fā)明方法，不考 慮傳統(tǒng)加工方法和裝配手段的限制；將各零件模型進行數(shù)字化裝配，將連桿1的零件模型 和連桿3的零件模型通過十字銷2的零件模型連接構(gòu)成連桿機構(gòu)的三維模型；在數(shù)字化裝 配時，先導(dǎo)入十字銷2的零件模型，并將十字銷2的零件模型完全約束于計算機輔助設(shè)計系 統(tǒng)的坐標系中，再分別導(dǎo)入連桿1的零件模型和連桿3的零件模型，導(dǎo)入完畢后，根據(jù)連桿 1與十字銷2之間的連接關(guān)系，將連桿1的零件模型裝配于十字銷2的零件模型上；根據(jù)各 零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，連桿1的零件模型和連桿2的零 件模型各有一個無約束的自由度，旋轉(zhuǎn)連桿1的零件模型和連桿3的零件模型，使其呈夾角 120°，最終裝配成連桿機構(gòu)的三維模型4，如圖3所示；然后判斷連桿機構(gòu)的三維模型4在 堆積方向5上的高度是否超過激光快速成型裝置中成型缸的最大下降行程，如果是的話就 返回上述步驟，調(diào)整各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，對各零件 模型重新組合裝配；否則執(zhí)行就接著判斷連桿機構(gòu)的三維模型4是否存在與水平面平行的 表面，若存在，則在所述與水平面平行的表面的下方添加支撐零件模型，完成數(shù)字化裝配； 若不存在，則完成數(shù)字化裝配，即認為此三維模型4為連桿機構(gòu)加工用的數(shù)字化三維模型。 (2)將步驟(1)所獲得的機械機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入激光快速成型裝置，沿著方向5分層堆 積制造，直到堆積成型，獲得成型的連桿機構(gòu)；(3)對已成型的連桿機構(gòu)進行后處理，得到 連桿機構(gòu)的成品。所述步驟(1)中，連桿1、十字銷2和連桿3數(shù)字化裝配的原理在數(shù)字 化裝配時，若將連桿1和連桿3沿豎直方向裝配連接，即將兩者擺放在同一直線上(連桿1和連桿3的夾角為180° )，得到如圖4所示的連桿機構(gòu)的三維模型7，此時無論沿著方向8 或方向9進行分層堆積制造，都會由于連桿機構(gòu)的三維模型7過高或與水平面平行的表面 過多而影響加工，因此本實施例方法需采用夾角120°的裝配方式，如圖3所示，沿著方向 5進行分層堆積制造，既降低了加工高度，而且使連桿機構(gòu)以一定的角度沿著方向5堆積成 型，提高了加工精度。在圖3中，為了減小所述步驟(2)激光掃描時的激光深穿透的影響，步驟⑴數(shù)字 化裝配時，連桿1的零件模型的孔與十字銷2的零件模型的銷以及十字銷2的零件模型的 銷與連桿3的零件模型的孔在沿著堆積方向5上的連接間隙為0. 3mm。為減少激光的熱影 響效應(yīng)，所述步驟(1)數(shù)字化裝配時，連桿1的零件模型的孔與十字銷2的零件模型的銷以 及十字銷2的零件模型的銷與連桿3的零件模型的孔在垂直于堆積方向5的方向6上的連 接間隙為0. 2mm。實施例2本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述步驟(1)中數(shù)字化裝配時，各零 件模型在堆積方向上的連接間隙為0. 1mm，在垂直于堆積方向上的連接間隙為0. 05mm。所述步驟(2)中，所用的工藝參數(shù)為80μπι的切片厚度，250W的激光功率， 1200mm/s的激光掃描速度，250 μ m的掃描間距。所述步驟(2)中所用的原材料為樹脂。所述計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)為UG設(shè)計系統(tǒng)(Urographies NX, EDS公司出品的設(shè)計 系統(tǒng))。上述免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械 機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造由多個零件裝配構(gòu)成的轉(zhuǎn)軸機構(gòu)。實施例3本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述步驟(1)中數(shù)字化裝配時，各零 件模型在堆積方向上的連接間隙為0. 5mm，在垂直于堆積方向上的連接間隙為0. 4mm。所述步驟⑵中，所用的工藝參數(shù)為50 μ m的切片厚度，100W的激光功率，500mm/ s的激光掃描速度，200 μ m的掃描間距。所述步驟(3)中，對已成型的機械機構(gòu)的后處理包括去除機械機構(gòu)的支撐零件， 對機械機構(gòu)的表面以及機械機構(gòu)的各零件間的連接間隙進行打磨、噴砂和吹氣等。所述步驟(2)中所用的原材料為陶瓷粉末。所述計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)為Solidworks設(shè)計系統(tǒng)(達索公司的三維設(shè)計系統(tǒng))。上述免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械 機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造由多個零件裝配構(gòu)成的插銷機構(gòu)。實施例4本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述步驟(2)中，激光對原材料進 行呈“Z”字形掃描；所述激光的功率為100W ；所述激光的掃描速度為500mm/s，掃描間距為 200 μ HIo實施例5本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 機械機構(gòu)為由球套座和球桿件組成 的球形鉸鏈機構(gòu)，球桿件嵌于球套座內(nèi)，球套座為帶有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的整體式殼體，球桿件的最大轉(zhuǎn)角為30°。所屬步驟(1)中，調(diào)整球桿件，使其轉(zhuǎn)角為0°。所屬步驟(2)中，激光成型的堆積方向為從球套座底部開始、沿著球桿件軸向分 層堆積制造，直到堆積成型，獲得成型的鉸鏈機構(gòu)；所述步驟(1)中，球套座的零件模型和球桿件的零件模型在堆積方向和垂直于堆 積方向上的連接間隙均為0. 15mm。實施例6本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 機械機構(gòu)為由活塞桿和活塞套構(gòu)成 的直線運動機構(gòu)，活塞桿嵌于活塞套內(nèi)，活塞桿可沿活塞套作直線運動。所述步驟(2)中，激光成型的堆積方向為活塞桿的軸線方向。所述步驟(1)中，活塞桿的零件模型與活塞套的零件模型之間在堆積方向和垂直 于堆積方向上的連接間隙為0. 05mm。實施例7本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 機械機構(gòu)為由兩個套連桿和一個銷 軸構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，銷軸的兩端帶有銷帽，將兩個套連桿限制在銷軸內(nèi)，套連桿可圍繞銷軸 作360°旋轉(zhuǎn)運動。所述步驟(1)中，調(diào)整套連桿，使兩個套連桿的零件模型之間的夾角為90°。所述步驟(2)中，激光成型的堆積方向為兩個套連桿的中心對稱線指向銷軸的方向。所述步驟(1)中，各零件模型在堆積方向和垂直于堆積方向上的連接間隙均為 0. Imm0實施例8本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制 造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造由多個零件裝 配構(gòu)成的鉸鏈機構(gòu)，鉸鏈機構(gòu)為由球套座和球桿件組成的球形鉸鏈機構(gòu)，球桿件的最大轉(zhuǎn) 角為30°。制造的具體步驟為(1)先在上位機中建立球套座的零件模型和球桿件的零件模 型；數(shù)字化裝配時，將球套座的零件模型導(dǎo)入，并將球套座的零件模型完全約束于計算機輔 助設(shè)計系統(tǒng)的坐標系中，再導(dǎo)入球桿件的零件模型并將其完全約束于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng) 的坐標系中；根據(jù)各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，調(diào)整球桿件， 使其轉(zhuǎn)角為0°，將球套座和球桿件的零件模型裝配成鉸鏈機構(gòu)的三維模型；然后判斷鉸 鏈機構(gòu)的三維模型在堆積方向上的高度是否超過激光快速成型裝置中成型缸的最大下降 行程，如果是的話就返回上述步驟，調(diào)整各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合 約束關(guān)系，對各零件模型重新組合裝配；否則執(zhí)行就接著判斷鉸鏈機構(gòu)的三維模型是否存 在與水平面平行的表面，若存在，則在所述與水平面平行的表面的下方添加支撐零件模型， 完成數(shù)字化裝配；若不存在，則完成數(shù)字化裝配，即認為此三維模型4為鉸鏈機構(gòu)加工用的 數(shù)字化三維模型。(2)對步驟(1)所得的三維模型進行切片處理，獲得其分層截面的切片數(shù) 據(jù)；將所述的切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光快速成型裝置中；將制造的原材料送入激光快速成型裝置 中，所述激光快速成型裝置根據(jù)導(dǎo)入的切片數(shù)據(jù)對原材料進行逐層激光掃描，堆積方向為從球套座底部開始、沿著球桿件軸向分層堆積制造，直到堆積成型，獲得成型的鉸鏈機構(gòu)； (3)對已成型的鉸鏈機構(gòu)進行后處理，得到連桿機構(gòu)的成品。所述步驟(1)中，球套座的零 件模型和球桿件的零件模型在堆積方向和垂直于堆積方向上的連接間隙均為0. 15mm。實施例9本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制 造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造由多個零件裝 配構(gòu)成的直線運動機構(gòu)，直線運動機構(gòu)為由活塞桿和活塞套構(gòu)成的機構(gòu)，活塞桿可沿活塞 套作直線運動。采用免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造時，活塞桿的零件模型 與活塞套的零件模型之間在堆積方向和垂直于堆積方向上的連接間隙為0. 05mm，激光掃描 時的分層堆積方向為活塞桿的軸線方向，即所述步驟(2)中，所述激光快速成型裝置根據(jù) 導(dǎo)入的切片數(shù)據(jù)對原材料進行逐層激光掃描，沿著活塞桿的軸線方向分層堆積制造，直到 堆積成型，獲得成型的直線運動機構(gòu)。實施例10本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制 造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，旋轉(zhuǎn) 機構(gòu)為由兩個套連桿和一個銷軸構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，套連桿可圍繞銷軸作360°旋轉(zhuǎn)運動。采 用免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造時，所述步驟(1)中，各零件模型進行數(shù) 字化裝配時，通過調(diào)整套連桿，使兩個套連桿的零件模型之間的夾角為90°，各零件模型在 堆積方向和垂直于堆積方向上的連接間隙均為0. Imm;所述步驟(2)中，激光掃描時的分層 堆積方向為兩個套連桿的中心對稱線指向銷軸的方向，即所述步驟(2)中，所述激光快速 成型裝置根據(jù)導(dǎo)入的切片數(shù)據(jù)對原材料進行逐層激光掃描，沿著兩個套連桿的中心對稱線 指向銷軸的方向分層堆積制造，直到堆積成型，獲得成型的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。實施例11本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制 造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造萬向節(jié)。實施例12本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制 造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造齒輪系。實施例13本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制 造方法的應(yīng)用，具體為通過免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造人工關(guān)節(jié)。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在上位機中，建立機械機構(gòu)中各零件的三維模型，并將各零件模型進行數(shù)字化裝配，得到機械機構(gòu)的三維模型；(2)將機械機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入激光快速成型裝置中，對激光快速成型裝置中的原材料進行激光快速成型加工，并一次成型出整個機械機構(gòu)；(3)對已成型的機械機構(gòu)進行后處理，得到機械機構(gòu)的成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在于，所 述步驟(1)中，各零件模型進行數(shù)字化裝配的具體步驟如下(1-1)在上位機中，建立機械機構(gòu)中各零件的零件模型；(1-2)根據(jù)各零件間的連接關(guān)系，將各個零件模型逐步導(dǎo)入上位機的計算機輔助設(shè)計 系統(tǒng)，并將各零件模型放置于所述系統(tǒng)設(shè)置的坐標系中，完成各零件模型的添加；(1-3)根據(jù)各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系，對各零件模型 進行組合裝配，得到機械機構(gòu)的三維模型；(1-4)判斷機械機構(gòu)的三維模型在堆積方向上的高度是否超過激光快速成型裝置中成 型缸的最大下降行程，若是，則執(zhí)行步驟(1-3)，調(diào)整各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動 關(guān)系和配合約束關(guān)系，對各零件模型重新組合裝配；否則執(zhí)行下一步驟；(1-5)判斷機械機構(gòu)的三維模型是否存在與水平面平行的表面，若存在，則在所述與 水平面平行的表面的下方添加支撐零件模型，完成數(shù)字化裝配；若不存在，則完成數(shù)字化裝 配。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述步驟(1-2)中，在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)上，先導(dǎo)入機械機構(gòu)的一個零件模型，使其完全約 束地放置于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的坐標系中，再根據(jù)零件間的連接關(guān)系，逐步添加下一個 零件模型，直至所有零件模型添加完畢；所述步驟(1-3)中，根據(jù)各零件間的定位關(guān)系、連接關(guān)系、運動關(guān)系和配合約束關(guān)系， 并結(jié)合加工時的位置擺放，使各零件模型在無約束的自由度上作旋轉(zhuǎn)或平移操作，將各零 件模型組合裝配在一起，以減少組合裝配構(gòu)成的機械機構(gòu)的三維模型與水平面平行的表 面，避免數(shù)字化裝配所得的機械機構(gòu)三維模型過高或其與水平面平行的表面過多。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在 于，所述步驟(2)中，激光快速成型的具體步驟包括(2-1)對機械機構(gòu)的三維模型進行切片處理，獲得其分層截面的切片數(shù)據(jù)；(2-2)將所述的切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光快速成型裝置中；(2-3)將制造的原材料送入激光快速成型裝置中，所述激光快速成型裝置根據(jù)導(dǎo)入的 切片數(shù)據(jù)對原材料分層堆積并進行逐層激光掃描，直到堆積成型，獲得成型的機械機構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述步驟(1)中數(shù)字化裝配時，各零件模型在堆積方向上的連接間隙至少不小于0. 1mm，各零 件模型在垂直于堆積方向上的連接間隙至少不小于0. 05mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述步驟(2)中，激光快速成型的工藝參數(shù)為切片層厚為15 80 μ m，激光功率為40 250W，激光掃描速度為200 1200mm/s，掃描間距為80 250 μ m，掃描方式為層間錯開掃描或呈“Z”字形掃描。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述原材料為金屬粉末、樹脂或陶瓷粉末。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述的步驟(3)中，對已成型的機械機構(gòu)的后處理包括對機械機構(gòu)的表面和機械機構(gòu)的各 零件間的連接間隙進行打磨、噴砂、吹氣；去除機械機構(gòu)的支撐零件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法的應(yīng) 用，其特征在于通過免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法制造由多個零件裝配構(gòu)成 的轉(zhuǎn)軸機構(gòu)、插銷機構(gòu)、連桿機構(gòu)、運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、直線運動機構(gòu)或鉸鏈機構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法的應(yīng)用，其特征 在于所述連桿機構(gòu)為萬向節(jié)，所述運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)為齒輪系或人工關(guān)節(jié)，所述直線運動機構(gòu) 為由活塞桿和活塞套構(gòu)成的機構(gòu)，所述鉸鏈機構(gòu)優(yōu)選為由球套座和球桿件構(gòu)成的球形鉸鏈 機構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種免裝配機械機構(gòu)的一次成型直接制造方法，該方法包括步驟建立機械機構(gòu)中各零件的三維模型，并將各零件模型進行數(shù)字化裝配，得到機械機構(gòu)的三維模型；再將機械機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入激光快速成型裝置中，采用激光快速成型來一次成型直接制造出整個機械機構(gòu)；對已成型的機械機構(gòu)進行后處理，得到機械機構(gòu)的成品。本發(fā)明還提供上述方法的應(yīng)用。本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的先單獨加工各個零件再裝配出機械機構(gòu)的設(shè)計和制造理念，建立了數(shù)字化設(shè)計和裝配，然后再一次成型直接制造出整個機械機構(gòu)的新理念，不僅免除了后續(xù)的裝配工藝，而且使得機械機構(gòu)的設(shè)計過程不再受到傳統(tǒng)加工方法和裝配手段的限制，機械機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和連接方式更加靈活多樣。
文檔編號B22F3/115GK101941070SQ20101029602
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者楊永強, 王迪, 蘇旭彬 申請人:華南理工大學(xué)