【摘要】根據激光分形燒結快速成形要求其掃描過程中無反向間隙和高分辨率的要求，設計并研制出了由鋼絲繩牽引驅動的二維掃描工作臺、鋪粉裝置、激光器、計算機控制系統組成的激光分形掃描快速成形系統。

關鍵詞：激光分形掃描；二維數控；鋼絲繩

1、引言
　　快速原型/零件制造(RPM)，簡稱快速成形，是90年代出現的一項高技術，它給工業帶來的影響完全可以同數控技術產生的影響媲美。
　　國外在快速成形技術的研究上，著重探討工藝方法本身，如光敏固化成形、選擇性激光燒結、熔化沉積制造等等；國內不少高校開展了快速成形的探討，也著重在工藝技術研究上，如清華大學研究光敏固化成形，南京航空航天大學研究金屬粉末燒結，華中理工大學材料學院研究紙粘結成形等，取得了可喜的成果。
　　目前，快速成形技術最為突出的問題是所制造的零件的物理性能較差，另外零件的精度低及表面精糙度高也是亟待解決的問題。由于三維實體是用二維的制造方法制作出一系列的薄切片，再依次堆疊成三維的實體，我們深入分析了快速成形的機理，認為生成2D薄層過程中的掃描路徑對產生上述問題具有重要的影響，因為目前快速成形系統中采用的加工路徑是線掃描路徑，即把加工面看成是線的集合，這樣掃描線之間的殘留誤差使2D薄層的表面凹凸不平，不僅影響了薄層之間的堆疊強度，而且影響材料生成過程的物理性能，從而產生較大的收縮及材料結構的不均勻性等等，降低了零件的工程實用性能。
　　分形幾何是本世紀有重大影響的科研成果之一。按分形曲線生成的掃描路徑，則可認為是若干小平面嵌套而成，是分形的集合，而不是線的集合。按分形曲線路徑所制造的2D薄層，將使薄層表面平整，材料結構均勻，生長過程更完善，局部的性能優化即可相似地推廣到整體，薄層之間的堆疊強度可大為提高，可以獲得穩定可靠的物理性能，提高制造精度[1]。
我們將利用分形路徑掃描作為技術關鍵，研制相應的機構及關鍵技術，目標是使系統生成的實體在精度及物理性能上達到實用的水平，使之能直接用作機械零件。
　　為實現分形路徑掃描，要求掃描系統能在x、y方向頻繁地改變方向，這一方面要求掃描系統無反向間隙，另一方面又要求掃描系統具有高的分辨率、高的定位精度。因此本系統基于以上兩點為設計目標。同時為制造出實用的零件，我們采用激光燒結金屬粉末作為工藝方法。
激光粉末燒結快速成形在加工過程中必須實現以下幾個動作：（1）激光束的掃描；(2)自動鋪粉；(3)激光燒結。因此本系統由掃描工作臺、鋪粉裝置、激光器、激光光路、控制計算機等組成。

2、系統組成
　　系統整體構成,如圖1示。激光掃描系統是通過2D工作臺來實現的。考慮到工作臺在X-Y方向運動時精度要求為0.02mm，以及運動時的準確性，故采用鋼絲繩驅動來消除傳動時的間隙。
圖1　系統整體構成
1.掃描工作臺　2.鋪粉裝置　3.工作缸體
4.驅動齒輪　5.驅動電機　6.激光光路系統
7.CO2激光器　8.控制計算機　9.激光電源

　　2D鋼絲繩驅動的工作臺由2個步進電機驅動，用以驅動2維掃描系統。步進電機選用55BF009型，其步距角為0.9°/步。在2D掃描系統中要求X-Y方向的靈敏度、定位精度高，并要求牽引力小、移動輕便，為此選擇高精度的直線滾動導軌，重復定位誤差為0.1～0.2μm；摩擦系數為0.025～0.005，實現分形路徑掃描，完成零件片層的燒結。

3、關鍵部件
3.1鋼絲繩與直線滾動導軌組成的二維工作臺
　　2D工作臺常采用絲杠螺母副傳動，而本裝置選用了鋼絲繩、直線滾動導軌。鋼絲繩的驅動是為了消除間隙，其中包括傳動間隙、反向間隙。鋼絲繩在電機軸的聯接軸上繞轉,利用鋼絲繩與軸之間的摩擦力來驅動激光頭的運動。選用0.8mm鋼絲繩，具有良好的柔性。為防止長時間傳動后鋼絲繩發生松弛，加設了鋼絲繩張緊裝置。Y方向運動選用