图2　钢丝绳驱动的二维工作台
1.直线滚动导轨副A　2.连接板A 3.直线滚动导轨副B
4.钢丝绳 5.支撑板A 6.驱动轴A 7.直线滚动导轨副C
8.支撑板B 9.驱动轴B 10.钢丝绳滚轮 11.支撑板C

　　扫描系统分形路径复杂, 要求分辨率高，要求在一个步进电机脉冲内，工作台运动0.02mm。工作台运动分辨率由步进电机的步距角、降速比、驱动轴的直径、钢丝绳的直径所决定。经过计算，该工作台的设计分辨率为0.02mm。

3.2 铺粉装置
　　铺粉装置由工作活塞、送粉活塞、两个工作缸体、铺粉轮、驱动装置组成，如图3示。步进电机驱动齿轮,每加工完一层后,工作活塞下降,送粉活塞上升，然后铺粉滚轮来自动实现铺粉。该滚轮在两平行的齿带之间架设，由步进电机驱动，滚轮完成两个功能: (1)铺粉；(2)压紧。

图3　铺粉装置结构示意图
1.送粉缸体 2.送粉缸 3.送粉活塞 4.从动齿轮
5.工作缸 6.丝杠 7.挡板 8.主动齿轮 9.步进电机

　　在设计中要求活塞的运动分辨率高，定位精度好，同时考虑到实验装置结构的紧凑性，因此选用齿轮螺纹副来实现活塞的直线运动。此时由电机轴上的一个齿轮驱动两边丝杠的运动，齿轮作转动,丝杠作直线运动，实现零件Z方向的生长。

3.3 计算机控制系统
　　总体构成,如图4所示，这是一种主从式结构。系统采用PC-586工控机作为主机，用MCS-51单片机作为从机。将从机做成接口卡置入主机内。 用PC586工控主机进行数控编程,然后将数控加工文件处理成一定格式并通过PC总线以并行通讯方式传递到下层的MCS-51单片机中。由单片机完成X-Y步进电机进行轨迹的插补，以及Z方向的生长、铺粉装置的自动进行和CO2激光器电源开关的控制。

图4　计算机硬件组成及其控制对象

3.4 CO2激光器
　　选择连续式CO2激光器，波长为10.6μm。激光的强度可通过输入电压来调节，从而能调节激光器的输出功率。
　　激光采用高压直流电源。在烧结过程中，激光需要频繁地开关，由于扫描速度很高，因此开关速度影响到扫描精度。为保证0.01mm的扫描精度，要求开关动作时间小于0.02ms，在激光电源输出端采用高频电子开关，其响应频率为50kHz，能实现0.02ms的开关动作要求。

3.5 2D驱动光路
　　光路如图5所示。本系统的光路由两片反射镜、一片凸透镜组成。这些镜片装设在可调节的镜架上。镜架可调节用于保证光路的平行以及激光束与被加工粉末层的垂直,同时使激光束具有可调焦性。

图5　CO2激光器光路

4、实验验证
4.1 前进精度
　　本文设计的扫描系统在X、Y方向的分辨率为0.02mm。通过百分表来测验，试验结果，表1，2示。

表1　X方向位移数据（10^-2mm）

步	1	2	3	4	5	6
位移	2.0	4.0	5.9	7.9	9.8	11.8
步	7	8	9	10	11	12
位移	13.7	15.6	17.4	19.4	21.2	23.3

表2 Y方向位移数据（10^-2mm）

步	1	2	3	4	5	6
位移	1.8	3.1	5.1	6.6	8.2	10.0
步	7	8	9	10	11	12
位移	12.0	13.8	15.8	17.2	19.2	21.2

　　X方向平均每走一步的位移为0.019mm; Y方向平均每走一步的位移为0.018mm。该结果符合设计要求。

4.2 反向间隙
　　采用钢丝绳牵引的原因主要是为了消除反向间隙。反向间隙实验的结果：
　　X方向向前走一步后，接着向后走，通过比较前后两次的位移，即可判断反向间隙，当X方向向前走一步的位移为0.021mm，返回的位移为0.020mm。这里存在着0.001mm的间隙，但是当连续走时，重复定位精度基本上无误差。当连续走150步后，接着反向走150步，位移基本为零。Y方向反向间隙与X方向差不多，基本上被消除。
　　通过实验测试表明，该实验装置X方向的分辨率上达到0.018mm，Y方向的分辨率上达到0.019mm，反向间隙基本消除，满足分形扫描路径的要求。