专利名称：免装配机械机构的一次成型直接制造方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种改变传统设计和制造理念的基于数 字化装配的免装配机械机构的一次成型直接制造方法及其应用。
背景技术：
机械机构在工业、民用等领域中应用广泛，如转轴机构、插销机构、各种运动转换 机构等。在传统的加工方式中，一般是先单独制造出组成机械机构的各个零件，然后再将各 零件通过铆钉、销钉、螺栓等紧固件进行连接，最终构成完整的机械机构。这种加工方式存 在以下不足(1)需先单独加工各个零件，然后再装配成完整可用的机械机构，具有工序繁 琐等缺陷；(2)机械机构在设计时，设计者必须考虑机械机构可用于装配的操作空间以及 所需的装配方法，这很大程度上限制了其设计思路，限制了机械机构的结构和连接方式。激光快速成型技术于20世纪80年代末发展起来，其根据离散/堆积原理，将零件 的CAD模型转化为实体，是一种集光学、控制、机械、物理、材料等多门学科于一体的先进制 造技术。目前现有的激光快速成型技术有很多，如选区激光熔化/烧结、激光熔覆、光固化 快速成型、叠层实体制造、三维印刷成型、激光喷蜡成型等等，各项技术都有不同程度的发 展和不同领域的应用。从原理上来看，激光快速成型技术是一种离散/堆积的快速成形技 术，将三维的模型转化为二维模型，通过层层叠加分层制造，对零件的复杂性不敏感，因此 可以制造出几何形状任意复杂的零件。现有的技术中，激光快速成型技术一般只用于单个 零件的生产制造，而对于多个零件装配而成的机械机构，还未见应用，这使得机械机构的制 造受到了很大的限制及不便。因此，需要提供一种可以免去后续的装配工序、拓展设计思路的制造机械机构的 方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可以免去后续的装 配工序、拓展设计思路的免装配机械机构的一次成型直接制造方法。本发明的另一目的在于提供上述免装配机械机构的一次成型直接制造方法的应用。本发明的目的通过下述技术方案实现免装配机械机构的一次成型直接制造方法，包括如下步骤(1)在上位机中，建立机械机构中各零件的三维模型，并将各零件模型进行数字化 装配，得到机械机构的三维模型；(2)将机械机构的三维模型导入激光快速成型装置中，对激光快速成型装置中的 原材料进行激光快速成型加工，并一次成型出整个机械机构；(3)对已成型的机械机构进行后处理，得到机械机构的成品。作为优选，所述步骤(1)中，各零件模型进行数字化装配的具体步骤如下
(1-1)在上位机中，建立机械机构中各零件的零件模型；(1-2)根据各零件间的连接关系，将各个零件模型逐步导入上位机的计算机辅助 设计系统，并将各零件模型放置于所述系统设置的坐标系中，完成各零件模型的添加；(1-3)根据各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关系，对各零件 模型进行组合装配，得到机械机构的三维模型；(1-4)判断机械机构的三维模型在堆积方向上的高度是否超过激光快速成型装置 中成型缸的最大下降行程，若是，则执行步骤(1-3)，调整各零件间的定位关系、连接关系、 运动关系和配合约束关系，对各零件模型重新组合装配；否则执行下一步骤；(1-5)判断机械机构的三维模型是否存在与水平面平行的表面，若存在，则在所述 与水平面平行的表面的下方添加支撑零件模型，完成数字化装配；若不存在，则完成数字化 装配。所述步骤(1-1)中，机械机构中各零件的形状和结构以实现功能作用为目标进行 设计，设计过程不考虑传统加工方法和装配手段的限制。所述步骤(1-2)中，各零件模型完全约束地放置于计算机辅助设计系统设置的坐 标系中。所述步骤(1-2)中，在计算机辅助设计系统上，先导入机械机构的一个零件模型， 使其完全约束地放置于计算机辅助设计系统的坐标系中，再根据零件间的连接关系，逐 步添加下一个零件模型，直至所有零件模型添加完毕；待零件模型添加完毕后，通过步骤 (1-3)对机械机构的各零件模型进行装配。所述步骤(1-3)中，根据各零件间的定位关系、 连接关系、运动关系和配合约束关系，并结合加工时的位置摆放，使各零件模型在无约束的 自由度上作适当的旋转或平移操作，将各零件模型组合装配在一起，以减少组合装配构成 的机械机构的三维模型与水平面平行的表面，避免数字化装配所得的机械机构三维模型过 高或与水平面平行的表面过多。所述计算机辅助设计系统优选为Pro/E设计系统(美国参数技术公司PTC旗下的 三维设计系统)、UG设计系统(Unigraphics NX, EDS公司出品的设计系统)、Solidworks设 计系统(达索公司的三维设计系统)等。所述步骤(2)中，激光快速成型的具体步骤包括(2-1)对机械机构的三维模型进行切片处理，获得其分层截面的切片数据；(2-2)将所述的切片数据导入激光快速成型装置中；(2-3)将制造的原材料送入激光快速成型装置中，所述激光快速成型装置根据导 入的切片数据对原材料分层堆积并进行逐层激光扫描，直到堆积成型，获得成型的机械机 构。各零件模型装配时，为了减小所述步骤(2)激光扫描时的激光深穿透的影响，所 述步骤(1)中数字化装配时，各零件模型在堆积方向上的连接间隙至少不小于0. 1mm。所述步骤(2)激光扫描时，机械机构的成型会受到激光的热影响效应，因此，所 述步骤(1)中数字化装配时，各零件模型在垂直于堆积方向上的连接间隙至少不小于 0. 05mmo所述步骤(2)中，激光快速成型的工艺参数优选为切片层厚为15 80 μ m，激光 功率为40 250W，激光扫描速度为200 1200mm/s，扫描间距为80 250 μ m,扫描方式为层间错开扫描或呈“Z”字形扫描。所述步骤(2)中所用的原材料为金属粉末、树脂或陶瓷粉末等。所述步骤(3)中，对已成型的机械机构的后处理包括对机械机构的表面以及机 械机构的各零件间的连接间隙进行打磨、喷砂和吹气等；去除机械机构的支撑零件。上述免装配机械机构的一次成型直接制造方法的应用，具体为通过免装配机械 机构的一次成型直接制造方法制造由多个零件装配构成的转轴机构、插销机构、连杆机构、 运动转换机构、旋转机构、直线运动机构或铰链机构等。所述连杆机构优选为万向节，所述运动转换机构优选为齿轮系或人工关节，所述 直线运动机构优选为由活塞杆和活塞套构成的机构，铰链机构优选为由球套座和球杆件构 成的球形铰链机构，所述旋转机构优选为由套连杆和销轴构成的旋转机构。本发明方法的原理如下利用激光快速成型可以成型任意几何结构(如不规则 曲面、内腔结构等)的零件的特点，将整个机械机构当作一个具有配合间隙特征的零件，采 用激光快速成型一次性直接制造出来，不需要进行后续装配工序。可以根据功能需要将机 械机构设计成所需的几何形状和结构；采用数字化装配，设计者无需考虑实际的装配空间 和装配手段，可以根据功能需要设计所需的连接方式。因此，采用本发明方法，可以突破传 统的设计和制造理念。本发明对于转轴机构、插销机构、连杆机构、各种运动转换机构等由多个零件装配 构成的机械机构均可直接加工成型，无需后续装配。例如在汽车、机床、航空和医学等领域 所用到的万向节、齿轮系、人工关节等机械机构均可采用本发明直接加工得到。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1、本发明相对于现有技术，能够利用快速成型技术直接制造出机械机构，不用再 进行后续的装配工序，缩短了制造时间。2、本发明在制造前先对机械机构进行数字化装配，可以修正零件之间的装配关 系，有效避免通过手工装配零件所带来的装配误差，从而提高机械机构的稳定性和可靠性。3、本发明在制造机械机构时，可不必顾虑机械机构的装配操作空间和装配方法， 从而开拓了机械机构的设计思路，也使机械机构的连接形式多样化，制作出更多适合实际 应用的机械机构。4、本发明突破了传统的先单独加工各个零件再装配出机械机构的设计和制造理 念，建立了数字化设计和装配，然后再一次成型直接制造出整个机械机构的新理念，不仅免 除了后续的装配工艺，而且使得机械机构的设计过程不再受到传统加工方法和装配手段的 限制，机械机构的结构和连接方式更加灵活多样。
图1是本发明方法的流程示意图。图2是本发明方法步骤(1)中数字化装配的流程示意图。图3是图1所示方法在制造一种机械机构时，各零件模型的一种数字化装配示意 图。图4是图1所示方法在制造一种机械机构时，各零件模型的另一种数字化装配示 意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例1如图1所示，本免装配机械机构的一次成型直接制造方法包括如下步骤(1)在上位机中，建立机械机构中各零件的三维模型，并将各零件模型进行数字化 装配，得到机械机构的三维模型；(2)将机械机构的三维模型导入激光快速成型装置中，对激光快速成型装置中的 原材料进行激光快速成型加工，并一次成型出整个机械机构；(3)对已成型的机械机构进行后处理，得到机械机构的成品。如图2所示，所述步骤(1)中，各零件模型进行数字化装配的具体步骤如下(1-1)在上位机中，建立机械机构中各零件的零件模型；(1-2)根据各零件间的连接关系，将各个零件模型逐步导入上位机的计算机辅助 设计系统，并将各零件模型放置于所述系统设置的坐标系中，完成各零件模型的添加；(1-3)根据各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关系，对各零件 模型进行组合装配，得到机械机构的三维模型；(1-4)判断机械机构的三维模型在堆积方向上的高度是否超过激光快速成型装置 中成型缸的最大下降行程，若是，则执行步骤(1-3)，调整各零件间的定位关系、连接关系、 运动关系和配合约束关系，对各零件模型重新组合装配；否则执行下一步骤；(1-5)判断机械机构的三维模型是否存在与水平面平行的表面，若存在，则在所述 与水平面平行的表面的下方添加支撑零件模型，完成数字化装配；若不存在，则完成数字化 装配。所述步骤(1-1)中，零件的形状和结构以实现功能作用为目标进行设计，设计过 程不考虑传统加工方法和装配手段的限制。所述步骤(1-2)中，各零件模型完全约束地放置于计算机辅助设计系统设置的坐 标系中。所述计算机辅助设计系统为Pro/E设计系统(美国参数技术公司PTC旗下的三维 设计系统)。步骤(1-2)中，在所述计算机辅助设计系统上，先导入机械机构的一个零件模型， 使其完全约束地放置于计算机辅助设计系统的坐标系中，再根据零件间的连接关系，逐 步添加下一个零件模型，直至所有零件模型添加完毕；待零件模型添加完毕后，通过步骤 (1-3)对机械机构的各零件模型进行装配。所述步骤(1-3)中，根据各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关 系，并结合加工时的位置摆放，使各零件模型在无约束的自由度上作适当的旋转或平移操 作，将各零件模型组合装配在一起，以减少组合装配构成的机械机构的三维模型与水平面 平行的表面，避免数字化装配所得的机械机构三维模型过高或其与水平面平行的表面过
^^ ο所述步骤(2)中，激光快速成型的具体步骤包括
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(2-1)对机械机构的三维模型进行切片处理，获得其分层截面的切片数据；(2-2)将所述的切片数据导入激光快速成型装置中；(2-3)将制造的原材料送入激光快速成型装置中，所述激光快速成型装置根据导 入的切片数据对原材料分层堆积并进行逐层激光扫描，直到堆积成型，获得成型的机械机 构。各零件模型装配时，为了减小所述步骤(2)激光扫描时的激光深穿透的影响，所 述步骤(1)装配时，各零件模型在堆积方向上的连接间隙为0. 3mm。所述步骤(2)激光扫描时，机械机构的成型会受到激光的热影响效应，因此，所述 步骤(1)装配时，各零件模型在垂直于堆积方向上的连接间隙为0. 2mm。所述步骤(2)中，激光快速成型的工艺参数为切片层厚为15 μ m，激光功率为 40W，激光扫描速度为200mm/s，扫描间距为80 μ m，扫描方式为层间错开扫描。所述步骤(3)中，对已成型的机械机构的后处理具体包括对机械机构的表面以 及机械机构的各零件间的连接间隙进行打磨、喷砂和吹气等；去除机械机构的支撑零件。所述步骤(2)中所用的原材料为金属粉末。上述免装配机械机构的一次成型直接制造方法的应用，具体为通过免装配机械 机构的一次成型直接制造方法制造由多个零件装配构成的连杆机构。本实施例可用于加工由多个零件装配构成的机械机构，如转轴机构、插销机构、连 杆机构、各种运动转换机构等。其中，可加工一种由连杆1、连杆3和一个十字销2构成的连 杆机构，如图3所示，采用本方法制造这种机械机构的步骤为(1)在上位机中，建立连杆1、 十字销2和连杆3的零件模型，其中十字销2的功能作用是要使连杆1和连杆3连接后，允 许其分别在两个互相垂直的方向作一定角度的旋转，因此以实现该功能作用为目标将十字 销2设计成“十”字形，这样的结构在传统装配手段中是不允许的，但采用本发明方法，不考 虑传统加工方法和装配手段的限制；将各零件模型进行数字化装配，将连杆1的零件模型 和连杆3的零件模型通过十字销2的零件模型连接构成连杆机构的三维模型；在数字化装 配时，先导入十字销2的零件模型，并将十字销2的零件模型完全约束于计算机辅助设计系 统的坐标系中，再分别导入连杆1的零件模型和连杆3的零件模型，导入完毕后，根据连杆 1与十字销2之间的连接关系，将连杆1的零件模型装配于十字销2的零件模型上；根据各 零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关系，连杆1的零件模型和连杆2的零 件模型各有一个无约束的自由度，旋转连杆1的零件模型和连杆3的零件模型，使其呈夹角 120°，最终装配成连杆机构的三维模型4，如图3所示；然后判断连杆机构的三维模型4在 堆积方向5上的高度是否超过激光快速成型装置中成型缸的最大下降行程，如果是的话就 返回上述步骤，调整各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关系，对各零件 模型重新组合装配；否则执行就接着判断连杆机构的三维模型4是否存在与水平面平行的 表面，若存在，则在所述与水平面平行的表面的下方添加支撑零件模型，完成数字化装配； 若不存在，则完成数字化装配，即认为此三维模型4为连杆机构加工用的数字化三维模型。 (2)将步骤(1)所获得的机械机构的三维模型导入激光快速成型装置，沿着方向5分层堆 积制造，直到堆积成型，获得成型的连杆机构；(3)对已成型的连杆机构进行后处理，得到 连杆机构的成品。所述步骤(1)中，连杆1、十字销2和连杆3数字化装配的原理在数字 化装配时，若将连杆1和连杆3沿竖直方向装配连接，即将两者摆放在同一直线上(连杆1和连杆3的夹角为180° )，得到如图4所示的连杆机构的三维模型7，此时无论沿着方向8 或方向9进行分层堆积制造，都会由于连杆机构的三维模型7过高或与水平面平行的表面 过多而影响加工，因此本实施例方法需采用夹角120°的装配方式，如图3所示，沿着方向 5进行分层堆积制造，既降低了加工高度，而且使连杆机构以一定的角度沿着方向5堆积成 型，提高了加工精度。在图3中，为了减小所述步骤(2)激光扫描时的激光深穿透的影响，步骤⑴数字 化装配时，连杆1的零件模型的孔与十字销2的零件模型的销以及十字销2的零件模型的 销与连杆3的零件模型的孔在沿着堆积方向5上的连接间隙为0. 3mm。为减少激光的热影 响效应，所述步骤(1)数字化装配时，连杆1的零件模型的孔与十字销2的零件模型的销以 及十字销2的零件模型的销与连杆3的零件模型的孔在垂直于堆积方向5的方向6上的连 接间隙为0. 2mm。实施例2本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 所述步骤(1)中数字化装配时，各零 件模型在堆积方向上的连接间隙为0. 1mm，在垂直于堆积方向上的连接间隙为0. 05mm。所述步骤(2)中，所用的工艺参数为80μπι的切片厚度，250W的激光功率， 1200mm/s的激光扫描速度，250 μ m的扫描间距。所述步骤(2)中所用的原材料为树脂。所述计算机辅助设计系统为UG设计系统(Urographies NX, EDS公司出品的设计 系统)。上述免装配机械机构的一次成型直接制造方法的应用，具体为通过免装配机械 机构的一次成型直接制造方法制造由多个零件装配构成的转轴机构。实施例3本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 所述步骤(1)中数字化装配时，各零 件模型在堆积方向上的连接间隙为0. 5mm，在垂直于堆积方向上的连接间隙为0. 4mm。所述步骤⑵中，所用的工艺参数为50 μ m的切片厚度，100W的激光功率，500mm/ s的激光扫描速度，200 μ m的扫描间距。所述步骤(3)中，对已成型的机械机构的后处理包括去除机械机构的支撑零件， 对机械机构的表面以及机械机构的各零件间的连接间隙进行打磨、喷砂和吹气等。所述步骤(2)中所用的原材料为陶瓷粉末。所述计算机辅助设计系统为Solidworks设计系统(达索公司的三维设计系统)。上述免装配机械机构的一次成型直接制造方法的应用，具体为通过免装配机械 机构的一次成型直接制造方法制造由多个零件装配构成的插销机构。实施例4本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 所述步骤(2)中，激光对原材料进 行呈“Z”字形扫描；所述激光的功率为100W ；所述激光的扫描速度为500mm/s，扫描间距为 200 μ HIo实施例5本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 机械机构为由球套座和球杆件组成 的球形铰链机构，球杆件嵌于球套座内，球套座为带有内腔结构的整体式壳体，球杆件的最大转角为30°。所属步骤(1)中，调整球杆件，使其转角为0°。所属步骤(2)中，激光成型的堆积方向为从球套座底部开始、沿着球杆件轴向分 层堆积制造，直到堆积成型，获得成型的铰链机构；所述步骤(1)中，球套座的零件模型和球杆件的零件模型在堆积方向和垂直于堆 积方向上的连接间隙均为0. 15mm。实施例6本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 机械机构为由活塞杆和活塞套构成 的直线运动机构，活塞杆嵌于活塞套内，活塞杆可沿活塞套作直线运动。所述步骤(2)中，激光成型的堆积方向为活塞杆的轴线方向。所述步骤(1)中，活塞杆的零件模型与活塞套的零件模型之间在堆积方向和垂直 于堆积方向上的连接间隙为0. 05mm。实施例7本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 机械机构为由两个套连杆和一个销 轴构成的旋转机构，销轴的两端带有销帽，将两个套连杆限制在销轴内，套连杆可围绕销轴 作360°旋转运动。所述步骤(1)中，调整套连杆，使两个套连杆的零件模型之间的夹角为90°。所述步骤(2)中，激光成型的堆积方向为两个套连杆的中心对称线指向销轴的方向。所述步骤(1)中，各零件模型在堆积方向和垂直于堆积方向上的连接间隙均为 0. Imm0实施例8本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 免装配机械机构的一次成型直接制 造方法的应用，具体为通过免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造由多个零件装 配构成的铰链机构，铰链机构为由球套座和球杆件组成的球形铰链机构，球杆件的最大转 角为30°。制造的具体步骤为(1)先在上位机中建立球套座的零件模型和球杆件的零件模 型；数字化装配时，将球套座的零件模型导入，并将球套座的零件模型完全约束于计算机辅 助设计系统的坐标系中，再导入球杆件的零件模型并将其完全约束于计算机辅助设计系统 的坐标系中；根据各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关系，调整球杆件， 使其转角为0°，将球套座和球杆件的零件模型装配成铰链机构的三维模型；然后判断铰 链机构的三维模型在堆积方向上的高度是否超过激光快速成型装置中成型缸的最大下降 行程，如果是的话就返回上述步骤，调整各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合 约束关系，对各零件模型重新组合装配；否则执行就接着判断铰链机构的三维模型是否存 在与水平面平行的表面，若存在，则在所述与水平面平行的表面的下方添加支撑零件模型， 完成数字化装配；若不存在，则完成数字化装配，即认为此三维模型4为铰链机构加工用的 数字化三维模型。(2)对步骤(1)所得的三维模型进行切片处理，获得其分层截面的切片数 据；将所述的切片数据导入激光快速成型装置中；将制造的原材料送入激光快速成型装置 中，所述激光快速成型装置根据导入的切片数据对原材料进行逐层激光扫描，堆积方向为从球套座底部开始、沿着球杆件轴向分层堆积制造，直到堆积成型，获得成型的铰链机构； (3)对已成型的铰链机构进行后处理，得到连杆机构的成品。所述步骤(1)中，球套座的零 件模型和球杆件的零件模型在堆积方向和垂直于堆积方向上的连接间隙均为0. 15mm。实施例9本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 免装配机械机构的一次成型直接制 造方法的应用，具体为通过免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造由多个零件装 配构成的直线运动机构，直线运动机构为由活塞杆和活塞套构成的机构，活塞杆可沿活塞 套作直线运动。采用免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造时，活塞杆的零件模型 与活塞套的零件模型之间在堆积方向和垂直于堆积方向上的连接间隙为0. 05mm，激光扫描 时的分层堆积方向为活塞杆的轴线方向，即所述步骤(2)中，所述激光快速成型装置根据 导入的切片数据对原材料进行逐层激光扫描，沿着活塞杆的轴线方向分层堆积制造，直到 堆积成型，获得成型的直线运动机构。实施例10本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 免装配机械机构的一次成型直接制 造方法的应用，具体为通过免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造旋转机构，旋转 机构为由两个套连杆和一个销轴构成的旋转机构，套连杆可围绕销轴作360°旋转运动。采 用免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造时，所述步骤(1)中，各零件模型进行数 字化装配时，通过调整套连杆，使两个套连杆的零件模型之间的夹角为90°，各零件模型在 堆积方向和垂直于堆积方向上的连接间隙均为0. Imm;所述步骤(2)中，激光扫描时的分层 堆积方向为两个套连杆的中心对称线指向销轴的方向，即所述步骤(2)中，所述激光快速 成型装置根据导入的切片数据对原材料进行逐层激光扫描，沿着两个套连杆的中心对称线 指向销轴的方向分层堆积制造，直到堆积成型，获得成型的旋转机构。实施例11本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 免装配机械机构的一次成型直接制 造方法的应用，具体为通过免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造万向节。实施例12本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 免装配机械机构的一次成型直接制 造方法的应用，具体为通过免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造齿轮系。实施例13本实施例除下述特征外其他特征同实施例1 免装配机械机构的一次成型直接制 造方法的应用，具体为通过免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造人工关节。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在上位机中，建立机械机构中各零件的三维模型，并将各零件模型进行数字化装配，得到机械机构的三维模型；(2)将机械机构的三维模型导入激光快速成型装置中，对激光快速成型装置中的原材料进行激光快速成型加工，并一次成型出整个机械机构；(3)对已成型的机械机构进行后处理，得到机械机构的成品。
2.根据权利要求1所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在于，所 述步骤(1)中，各零件模型进行数字化装配的具体步骤如下(1-1)在上位机中，建立机械机构中各零件的零件模型；(1-2)根据各零件间的连接关系，将各个零件模型逐步导入上位机的计算机辅助设计 系统，并将各零件模型放置于所述系统设置的坐标系中，完成各零件模型的添加；(1-3)根据各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关系，对各零件模型 进行组合装配，得到机械机构的三维模型；(1-4)判断机械机构的三维模型在堆积方向上的高度是否超过激光快速成型装置中成 型缸的最大下降行程，若是，则执行步骤(1-3)，调整各零件间的定位关系、连接关系、运动 关系和配合约束关系，对各零件模型重新组合装配；否则执行下一步骤；(1-5)判断机械机构的三维模型是否存在与水平面平行的表面，若存在，则在所述与 水平面平行的表面的下方添加支撑零件模型，完成数字化装配；若不存在，则完成数字化装 配。
3.根据权利要求2所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述步骤(1-2)中，在计算机辅助设计系统上，先导入机械机构的一个零件模型，使其完全约 束地放置于计算机辅助设计系统的坐标系中，再根据零件间的连接关系，逐步添加下一个 零件模型，直至所有零件模型添加完毕；所述步骤(1-3)中，根据各零件间的定位关系、连接关系、运动关系和配合约束关系， 并结合加工时的位置摆放，使各零件模型在无约束的自由度上作旋转或平移操作，将各零 件模型组合装配在一起，以减少组合装配构成的机械机构的三维模型与水平面平行的表 面，避免数字化装配所得的机械机构三维模型过高或其与水平面平行的表面过多。
4.根据权利要求1、2或3所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在 于，所述步骤(2)中，激光快速成型的具体步骤包括(2-1)对机械机构的三维模型进行切片处理，获得其分层截面的切片数据；(2-2)将所述的切片数据导入激光快速成型装置中；(2-3)将制造的原材料送入激光快速成型装置中，所述激光快速成型装置根据导入的 切片数据对原材料分层堆积并进行逐层激光扫描，直到堆积成型，获得成型的机械机构。
5.根据权利要求4所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述步骤(1)中数字化装配时，各零件模型在堆积方向上的连接间隙至少不小于0. 1mm，各零 件模型在垂直于堆积方向上的连接间隙至少不小于0. 05mm。
6.根据权利要求5所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述步骤(2)中，激光快速成型的工艺参数为切片层厚为15 80 μ m，激光功率为40 250W，激光扫描速度为200 1200mm/s，扫描间距为80 250 μ m，扫描方式为层间错开扫描或呈“Z”字形扫描。
7.根据权利要求5所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述原材料为金属粉末、树脂或陶瓷粉末。
8.根据权利要求1所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法，其特征在于所 述的步骤(3)中，对已成型的机械机构的后处理包括对机械机构的表面和机械机构的各 零件间的连接间隙进行打磨、喷砂、吹气；去除机械机构的支撑零件。
9.根据权利要求1至8任一项所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法的应 用，其特征在于通过免装配机械机构的一次成型直接制造方法制造由多个零件装配构成 的转轴机构、插销机构、连杆机构、运动转换机构、旋转机构、直线运动机构或铰链机构。
10.根据权利要求9所述的免装配机械机构的一次成型直接制造方法的应用，其特征 在于所述连杆机构为万向节，所述运动转换机构为齿轮系或人工关节，所述直线运动机构 为由活塞杆和活塞套构成的机构，所述铰链机构优选为由球套座和球杆件构成的球形铰链 机构。
全文摘要
本发明提供了一种免装配机械机构的一次成型直接制造方法，该方法包括步骤建立机械机构中各零件的三维模型，并将各零件模型进行数字化装配，得到机械机构的三维模型；再将机械机构的三维模型导入激光快速成型装置中，采用激光快速成型来一次成型直接制造出整个机械机构；对已成型的机械机构进行后处理，得到机械机构的成品。本发明还提供上述方法的应用。本发明突破了传统的先单独加工各个零件再装配出机械机构的设计和制造理念，建立了数字化设计和装配，然后再一次成型直接制造出整个机械机构的新理念，不仅免除了后续的装配工艺，而且使得机械机构的设计过程不再受到传统加工方法和装配手段的限制，机械机构的结构和连接方式更加灵活多样。
文档编号B22F3/115GK101941070SQ20101029602
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者杨永强, 王迪, 苏旭彬 申请人:华南理工大学