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摘 要
本設計內容詳細的說明了快速原型制造的發(fā)展歷程與背景，也寫明了本設計的意義何在。通過對比其他的生產方式，確定了設計主要側重的點。闡述了FDM系統(tǒng)的存在問題及前景優(yōu)勢，另外對FDM系統(tǒng)與原理進行了敘述。
3D打印機，是一種可以實現(xiàn)立體三維打印的設備，本次設計主要對市場應用廣泛的FDM型3D打印機進行設計。首先了解關于FDM層積型3D打印機的相關資料，對其功能原理和結構進行了解。然后確定本次設計的總體方案。確定主要參數(shù)和尺寸，然后進行總體結構設計，包括XYZ移動機構設計，包括驅動選型傳動計算和校核等。然后對結構零部件件進行詳細設計。繪制總體裝配圖，編寫設計說明書記錄設計過程。
關鍵詞：
3D打印機，結構設計，直線滑臺，傳動設計，絲杠傳動
Abstract
This paper provides an overview of rapid prototyping and manufacturing of domestic and international developments and their mode of production relative to other features of the comparison, and described the problems of FDM system， and described prospects of advantage and the principle of the FDM system
3D printer is a kind of equipment that can realize 3D printing. This design mainly designs FDM 3D printer which is widely used in the market. First of all, understand the relevant information about FDM laminated 3D printer, and understand its functional principle and structure. Then determine the overall plan of this design. Determine the main parameters and dimensions, and then carry out the overall structure design, including the design of XYZ mobile mechanism, including drive selection, transmission calculation and verification. Then the detailed design of structural parts and components is carried out. Draw the general assembly drawing and write the design specification to record the design process.
Key words:
3D printer, structure design, linear slide, drive design, lead screw drive
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1緒論 1
1.1 選題背景和意義 1
1.2 快速原型制造技術的原理 1
1.3 快速原型制造技術的特征 2
1.4 國內外研究現(xiàn)狀 2
1.4.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.5本文的研究內容 4
第二章 打印機總體方案設計 5
2.1設計主要內容 5
2.2 打印機總體方案設計 6
2.3 結構解釋 7
第三章 打印機橫向縱向移動機構設計 9
3.1 總體方案設計 9
3.1.1 進給要求 9
3.1.2 滑臺方案設計 9
3.2 步進電機的選擇 10
3.2.3 技術參數(shù)及型號如下 11
3.3 同步帶傳動的計算與選型 11
3.3.1 同步帶傳動的特點 11
3.3.2 同步帶的主要材料 13
3.3.3 同步帶輪的主要類型 13
3.3.4 同步帶傳動的設計計算 13
3.4 導軌選型設計 16
3.4.1 導軌概述 16
3.4.2 導軌分類 16
3.4.3 導軌選型與長度計算 16
第4章 Z軸升降機構設計 19
4.1 總體方案設計 19
4.1.1 進給要求 19
4.1.2 進給方案設計 19
4.2 步進電機選擇 19
4.2.1 電動機軸負載計算 19
4.2.2 步進電機的負載能力校驗 20
4.2.3 技術參數(shù)及型號如下 21
4.3 滾珠絲杠設計 21
4.3.1 滾珠絲杠副概述 21
4.3.2 滾珠絲杠副計算 22
4.5 聯(lián)軸器設計 24
4.5.1 聯(lián)軸器的選型 24
4.4.2 轉矩校核 26
第五章 設計總結 27
參考文獻 28
致 謝 30
VI
1緒論
1.1 選題背景和意義
隨著時代的進步，各種技術也在逐漸的改革以及發(fā)展。快速成型技術就是從90年代初崛起的。這種技術是為了適應企業(yè)的發(fā)展，減少人力、物力、資源的消耗而開發(fā)的。它能提高產品的質量產品的生產時間，對推動國家的經濟科技發(fā)展有著良好的作用。它所涵蓋的方面也很廣，所以這種技術也被大多數(shù)國家所應用。
隨著科技的進步，技術的發(fā)展，各個企業(yè)為了能適應這個時代的改變，也在努力的改革進步之中，制造商希望自己的產品精度、質量有所提高，產品受到大家喜愛。在這個前提下，雖然他們努力的提高自己的技術科技，但是有時技術部門總會遇到一些問題，例如機器設備在長時間或者年久時會磨損、損壞，而且機器的維修部件種類極其龐大，維修部件買少了，有些故障無法解決，買多了，經濟成本等問題也會浮現(xiàn)出來，這些一系列問題都會導致企業(yè)的發(fā)展遭到限制，資金庫不足，產品質量不好，從而惡性循環(huán)導致企業(yè)倒閉。所以國家、企業(yè)為了解決這類問題，推出了快速成型技術，采用快速成型技術快速的，高效的以及用成本很低的方式來解決維修，更換設備等問題。隨著這種應用技術的不斷發(fā)展完善，維修等方面問題也就迎刃而解。所以本課題就快速原型設備機械結構的研究是十分有意義。
1.2 快速原型制造技術的原理
快速原型制造技術簡稱RPM技術，它主要的原理是要將產品的三維模型通過電腦按一定的規(guī)格進行離散處理后，將數(shù)據(jù)按照規(guī)格逐次算進預算好的設備中，再以二維的形式進行加工，逐漸堆積成為有序的產品模型。RPM技術的細節(jié)操作是:運用了平面二維軟件，逐次設計，而后層層堆積，最終堆積成為了三維零件實體。一般在堆積的時候，它主要運用的方式有粘連，火燒融合以及運用化學等層面，使它們反應相連。本技術變成最終需要的實體零件與其他傳統(tǒng)的工藝不相同，一般傳統(tǒng)工藝可能會使用蠻力壓迫等方式使零件成型，但本技術則采用了高溫，光能，電能等方式，用得最多的就是激光加工的方式完成堆積工作。成品的一系列過程是通過一點點堆積使體積不斷增大，疊加隨之完成。堆積后原型的剛度既和它本身的材料有關，也與在中間所施加的力量能量有關，想要使工件達到我們所需要的標準，中間的控制能量的進給量是比較關鍵的，在加工之前，我們需要預算能量加到多少足夠，要有控制進給能量區(qū)間的計算，從材料方面、能量分布情況等都要考慮充分，才能準確的將我們所需要的工件無差別使用。
1.3 快速原型制造技術的特征
從以上RPM技術的原理來看，它具有以下幾點特征：
適用于不規(guī)則形狀、復雜的三維實體；它是一種環(huán)保型的制造技術，下腳料的需求量極少；解決了CAD中三維模型的諸多問題，實現(xiàn)了制造、設計高度一體化；柔性極高，生成不同形狀的零件只需更改CAD模型即可；制成成品的過程中不需要特殊的模具和工裝夾具；新產品的制作世界大大縮短，技術擁有高度的集成性，是一種極具技術特征的數(shù)字化技術。
1.4 國內外研究現(xiàn)狀
1.4.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)今，立體光固化成型法、熔融沉積成型法、LOM以及3DP等工藝在一代代人的探索過程中都相對更加完善。當今世界飛速發(fā)展的制造技術之一是快速原型技術，截至到現(xiàn)在一直處在發(fā)展繁榮階段，制造技術與快速原型技術受到青睞的原因，主要是它可以非常迅速的將人類設計思想的產品轉化為擁有一定構造和作用的三維實體，使產品原型包括零件生產都大大降低了成本，對如今日益激烈的競爭市場以及新產品的快速開發(fā)都實現(xiàn)了大大滿足[4]。
由于迅速發(fā)展的快速原型技術，RPM技術的研究機構在世界上也越來越多，據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在1996年開展RPM技術研究的僅有230多家機構，目前在互聯(lián)網研究以及開發(fā)RPM技術的有數(shù)百家研究機構、企業(yè)和大學。美國在這一領域一直處于領先地位，各種不同的工藝大多都最先出現(xiàn)在美國。日本僅此于美國，光固化樹脂成型技術是他們主要研究方向。同時許多廠家和機構在歐洲也開展了各種快速原型技術的研究。
圖1-1國外最新3d打印機F120
1.4.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀
加工的制品是由材料進行路徑堆積所形成的。3D熔融成型打印機主要是保證打印機的質量的關鍵?，F(xiàn)國內應用最廣泛的3D打印機技術是FDM熔融層積成型技術，其制造成品和材料的成本都是很低的。在計算機的精準控制下，截面輪廓的信息對各種規(guī)格化直徑的線條通過加熱和熔化而成型，材料部件經過熔化后主要包括了兩個功能，一是通過加熱后，送出去的絲熔化成為了熔融狀態(tài)，從而通過噴頭將其擠出，再另外一個功能就是按要求達到送出去的絲的精度。為保證送絲量的準確性，一般選擇步進馬達進行驅動。
在90年代的初期我國開始了這方面的研究，最早在1992年清華大學首次開始進行RP技術的研究內容。在設備、軟件、材料以及工藝方法等等方面南京航天大學、清華大學、北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司等都做了大量的開發(fā)、研究工作，已經達到或者接近商品化機器層度的RP設備已經被有關單位開發(fā)了出來。同時開展材料、工藝和應用方面的RP研究工作的科研機構分別有大連理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、南京航空航天大學等高校。兩次陸續(xù)召開的全國性學術會議，RP專題在多次學術會議的制造及自動化領域都有所涉及，這充分說明在國內人們所關注的熱點技術已經上升到了RP技術，RP技術也被國家自然科學基金會作為重點資助的先進制造技術。1998年七月，清華大學成功召開了有關RP技術的權威機構的國際學術會議，這匯集了世界上大多數(shù)的權威機構，這說明中國的RP技術水平已經被國際承認，這也成為了RP技術研究在國內邁上了一個新臺階的標志。
圖1-2廣東峰華卓立科技股份有限公司智能砂型3D打印機
1.5本文的研究內容
隨著時代的發(fā)展，科技的進步，3D智能打印機的技術也在不斷提升，它不僅在生活中甚至在醫(yī)學，制造上都有著至關重要的作用，所以本次的研究內容就是以FDM技術為核心的3D打印機。第一點我們要知道關于這中打印機的外部形狀，內部結構以及它具體的功能先入手。然后確定本次設計的總體方案。確定主要參數(shù)和尺寸，然后進行總體結構設計，包括XYZ移動機構設計，包括驅動選型傳動計算和校核等。
現(xiàn)今國內應用最廣泛的3D打印機技術是FDM熔融層積成型技術，因為這種類型打印機產出的廢料很少，比較環(huán)保。能減少運輸制造新產品的時間，省時省力。在加工過程中，只需控制能量的進給就可以設計出各式各樣的零件，工件。FDM快速成型技術,采用此類技術之一快速的，高效以及用成本很低的方式來解決維修，更換設備等問題。這是促進社會、人類文明的一種技術，所以我想借此次機會研究它，使我國在快速成型技術中占有較為先進的領導地位，為我國成為制造強國貢獻微薄之力。
本文整體結構如圖1-3所示。
圖1-3論文整體結構
第二章 打印機總體方案設計
2.1設計主要內容
現(xiàn)在市場上對FDM型3D打印機的需求量比較大，所以本設計主要針對這種類型的打印機。首先了解關于這種打印機的外部形狀，內部結構以及它具體的功能，其次確定本次設計的總體方案，再根據(jù)主要參數(shù)和尺寸，進行總體結構設計，包括XYZ移動機構設計、驅動選型傳動計算和校核等。最后對結構零部件進行詳細設計，繪制總體裝配圖，編寫設計說明書記錄整個設計過程及結果等。
查找相關的資料：按照不同的設計時間段，去收集和查找相關設計的材料，前期主要用一周時間左右去查找資料，通過書籍，期刊，相關論文等都是可以的。做好前期的熟悉課題等工作，再進行下一步的工作。
設計方案的確定：包括外形尺寸、動力系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、整體的結構設計等。構思設計方案，畫出初步結構簡圖。
要熟練了解以及使用相關二維軟件，三維軟件，如Auto CAD,Catia等。全部計算工作以及設計的工作都要在電腦上說明，電腦完成圖紙等。要根據(jù)要求完成裝配圖，部裝圖，零件圖繪制，還有相關計算寫在說明書上。
2.2 打印機總體方案設計
熔融層積成型3D打印機技術。它主要是通過電腦的操作，按照計算機給出的指令將各式各樣比較標準的材料來供熱使其融化成理想的模樣的過程，將加工后的東西使其層層標準堆積變成了最后的成品。這種打印機的機頭是最終成品質量保證最為關鍵的一部分，它主要有兩種效用，第一種是根據(jù)我們所需要的去保證送絲的精度，第二種是使用進給熱量，將絲熔化成熔融的狀態(tài)。最終在噴頭處將絲噴出。驅動一般采用步進電機，以保證準確的送絲量。
圖2-1打印機結構示意圖
（1）送絲機構
在驅動齒輪上，材料被軸承緊緊壓住將料絲壓在了它的上面，驅動部分使電機開始工作，齒輪使傳送帶進行進給材料，給出的數(shù)量也可以經過控制電機來控制。
（2）擠出頭
通過步進電機送出材料到輸送管之中。因為供熱工件發(fā)揮了它的功能，所以材料在輸送管中先進行固態(tài)半液化，然后這部分材料到了頭部則變成了液態(tài)，也就是熔融態(tài)。材料繼續(xù)進給，變成了熔融態(tài)的材料也從頂部的小口里變成了熔絲。
擠出頭的材料通常是黃銅材質，料口的直徑一般是零點五毫米、零點四毫米、零點三五毫米。如果直徑偏大的話，加工后的物體的精度達不到我們所需要的要求。反之，會比較容易發(fā)生工作速度趕不上進給速度，材料產生擁堵。為了使熔絲熔化，我們就需要使用加熱塊以及加熱器?？刂破鬟\行著溫度把控的工作，感溫線起到觀測的作用，兩者相互輔佐。料管的材料剛度一定要足夠，它的表面也不能容易產生摩擦。我們也需要用特氟龍管來阻斷進絲部分與擠出頭的熱傳導事宜。
整體結構設計方案示意圖如圖所示，機構包含三向運動機構和送絲機構，打印頭架體組成。
圖2-2整體結構示意圖
具體包括1.架體；2.Z軸升降機構；3.X軸移動機構；4.打印頭；5.送絲機構；6.Y軸移動機構；7.工作臺。
本結構是由輸出結構，運動結構，傳送結構，加熱結構以及加工平面等部分構成。它主要是通過電腦的控制，輸出部分按照加工需要以及所給出的信息在加工面進行輸出加工。運動結構部分也就是供絲部分把材料輸入進噴頭中，經過一系列變化，最終將熔融狀態(tài)的材料輸出出來，當材料厚度足夠時，工作臺下移，繼續(xù)下一輪加工，直到總成品完成，工作結束。
2.3 打印機結構設計
（1）Z軸升降機構
3D打印機Z軸升降機構,其包括電機、傳動桿、聯(lián)軸器，位于傳動桿上的工作平臺裝置、穿過工作平臺裝置的導桿、固定并夾緊導桿底部的固定塊、固定傳動桿另一端的帶座軸承、承載帶座軸承且固定在導桿上的蓋板電機在驅動工作平臺裝置上升或者下降過程中,滾珠絲杠發(fā)生彎曲或者上端偏斜,使得工作平臺裝置升降更順暢、平穩(wěn)。本設計的構成部分有升降進給系統(tǒng)。它是根據(jù)輸入機構，導向機構，操作機構等構成。
（2） X/Y軸移動機構
X/Y行走機構由封閉同步帶帶動滑塊運動，封閉同步帶的尺寸規(guī)格決定了3D打印機打印零件的大小，橫移機構主要驅動打印頭橫向移動，通過電機驅動主從動同步帶轉動，帶動同步帶夾頭固定在打印頭上移動，通過圓導軌直線導向?？v移機構主要驅動工作臺縱向移動，通過電機驅動主從動同步帶轉動，帶動同步帶夾頭固定在工作臺上移動，通過圓導軌直線導向。
橫移機主要包括1.驅動電機；2.主動輪；3.升降固定架，4.拖鏈，5.圓導軌，6.打印機頭7.滑塊，8.從動輪，9.升降固定架見圖3-1
縱移機主要包括1.驅動電機；2.主動輪；3.同步帶，4.圓導軌，5.從動輪，6.架體見圖3-2。
（3） 打印頭
通過馬達輸給的材料到輸送管之中。因為供熱工件發(fā)揮了它的功能，所以材料在輸送管中先進行固態(tài)半液化，然后這部分材料到了頭部則變成了液態(tài)，也就是熔融態(tài)。材料繼續(xù)進給，變成了熔融態(tài)的材料也從頂部的小口里變成了熔絲，我們也需要用特氟龍管來阻斷進絲部分與打印頭的熱傳導事宜。
（4） 導軌
有些時候我們需要的工件加工精度達不到我們所需要的要求，有很多種原因，其中摩擦力就是引起精度要求不夠的很主要的原因，為了減少其摩擦力，就出現(xiàn)了導軌，它主要是由金屬或其他材料所制成的槽或者連接兩結構的“橋梁”。
它是一種導向裝置，是運動部件以及支撐部件構成。它能確保工作進行過程中順利以及成品精度等。所以導軌的剛度、選材等必須嚴謹。
（5） 滾珠絲杠
滾珠絲杠的作用在本設計中也是必不可少的，它能使各種蜿蜒運動變成直線運動。也能使直線運動變成其他的運動，所以我們在操作的時候，可以進行很多的來回操作，也能保證工作的順利進行。它主要的構成為，螺母，螺桿以及滾珠等構成。滾珠絲杠主要的作用能使旋轉運動變?yōu)橹本€運動，它的作用得到了更好的體現(xiàn)以及完善。滾珠絲杠的摩擦力很小，所以它被大量使用于很多種機械設備的內部構成，如，雕刻機，打印機等等。
（6） 聯(lián)軸器
聯(lián)軸器屬于機械通用零部件范疇，用來聯(lián)接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接，是機械產品軸系傳動最常用的聯(lián)接部件。
第三章 打印機橫向縱向移動機構設計
3.1 總體方案設計
3.1.1 進給要求
傳動系統(tǒng)，執(zhí)行元件，導向機構等一起構成了整個機器的進給部分。要想完成整個工作的一系列過程，輸送，執(zhí)行等等部分，是一定不能缺少的。最后加工出的成品的精度，形狀也和進給系統(tǒng)的精確度，結構的保持性存在關聯(lián)。進給部分是比較重要的，他控制了加工成品的質量，所以這個部分一定要注意。本設計快進速度是1000mm/min,脈沖當量是0.001mm，橫移機構行程：200mm。縱移機構行程100mm。自重加工工作壓力最大載荷設定為50kg。
3.1.2 滑臺方案設計
進給直線滑臺運動采用步進電機驅動同步帶輪傳動；驅動電機為反應式步進電動機；它的單項驅動系統(tǒng)結構簡圖在 3-1 所示。
它的工作原理為步進電機驅動主動同步輪1轉動通過同步帶帶動從動輪6同步轉動。在同步帶和移動工作臺之間有連接塊，通過同步帶的直線運動帶動工作臺的聯(lián)動運動，直線運動通過直線導軌2和滑塊4導向，當工作臺5運動到極限位置，工作臺兩端安裝有限位擋板7。整個機構安裝在底板3上，底板3四角有四根支腿8安裝在整體機構上。
橫移機構主要驅動打印頭橫向移動，通過電機驅動主從動同步帶轉動，帶動同步帶夾頭固定在打印頭上移動，通過圓導軌直線導向。
圖3-1橫移機構總圖
1.驅動電機；2.主動輪；3.升降固定架，4.拖鏈，5.圓導軌，6.打印機頭7.滑塊，8.從動輪，9.升降固定架
縱移機構主要驅動工作臺縱向移動，通過電機驅動主從動同步帶轉動，帶動同步帶夾頭固定在工作臺上移動，通過圓導軌直線導向。
圖3-2縱移機構總圖
1.驅動電機；2.主動輪；3.同步帶，4.圓導軌，5.從動輪，6.架體
3.2 步進電機的選擇
電機的要求為工作臺的質量m為五十千克，導軌摩擦系數(shù)應為零點一, 則最大軸向力 （3-1）
初步設定帶輪直徑d=12mm，則工作轉矩
（3-2）
設定傳動比，則電機輸入扭矩 （3-3）
根據(jù)控制要求和制作成本考慮，同樣選用42步進電機，型號為UI2442-40-1704A。動力參數(shù)如下圖所示：
圖3-3動力參數(shù)圖
電機尺寸如下圖所示：
圖3-4電機尺寸圖
3.2.3 技術參數(shù)及型號如下
由于Ts=0.36N.m>0.3N.m 所以步進電動機能正常啟動，滿足要求。
3.3 同步帶傳動的計算與選型
3.3.1 同步帶傳動的特點
本傳動方式也是一種我們常見的嚙合型傳動，傳動帶和它的齒輪之間沒有相對應的滑動。所以導致主動輪以及從動輪之間構成了相對應的同步傳動。這種傳動點是根據(jù)小帶輪，大帶輪以及同步帶的齒輪間的嚙合連接而成，以下為幾種常用的機械傳動性能比較如下表3-5。
表3-5幾種常用的機械傳動性能比較
性能
同步帶
三角帶
平皮帶
鏈條
齒輪
同步帶具有本性能的原因
傳動穩(wěn)定
好
差
差
好
好
齒帶與輪嚙合傳動，中心骨架保證節(jié)距不變，傳動基本上不依靠摩擦
速比范圍
大
大
中
大
中
允許線速度
高
中
中
低
中
輕質、帶薄、柔韌性好、抗拉強度高
傳動噪聲
小
小
小
大
中
傳動接觸為橡膠與金屬
性能
同步帶
三角帶
平皮帶
鏈條
齒輪
同步帶具有本性能的原因
傳遞功率
中
中
中
中
大
受橡膠及中心骨架層強度的限制
性能
同步帶
三角帶
平皮帶
鏈條
齒輪
同步帶具有本性能的原因
低速時轉矩大，不需潤滑
好
好
好
差
差
傳動接觸為橡膠與金屬
壽命
長
長
長
中
長
耐磨損
由上述比較可以看出同步帶傳動具有如下明顯的特點：
傳動帶的傳動比較精準細膩，加工時帶沒有相對滑動，可以保證加工精度；
結構緊湊，耐磨性好，適宜于多根軸傳動，傳動平穩(wěn)，無污染；
同步帶薄而且輕，可用于速度較高的場合而且噪聲??；
當然，同步帶也存在著不可避免的缺點：
對同步帶的材質要求比較高，對它的精度也需要嚴格保證；
對同步帶的中心距要求也是比較高的；
因為同步帶的材料要求高，所以成本方面也是一個問題；
3.3.2 同步帶的主要材料
1.同步帶的材料
一般是齒輪組，耐屈伸繩以及橡膠等材料構成了同步帶。當然有些時候在特殊工作環(huán)境下它的材料也是不同的，我們通常在標準環(huán)境下選用的都是氯丁二烯橡膠，因為它比較耐老化，氣密性好，耐氧等種種優(yōu)點。
3.3.3 同步帶輪的主要類型
1.同步帶輪的材料
輪的材料選擇要求也是比較嚴格的，能很好的嚙合，不易磨損，傳導性好等優(yōu)點都是最優(yōu)選擇，它通常是由工程塑料，鋁合金，灰鑄鐵，鋼等構成。
2.同步帶輪的主要類型
同步帶輪與同步帶是配合使用來完成動力和運動的傳遞，根據(jù)同步帶的相關分類，同步帶輪主要有如下幾種。
按帶輪的齒形分，有漸開線齒形和直邊齒形兩種。
按帶輪上擋圈的類型分，有雙邊擋圈型，單邊擋圈型和無擋圈型三種。
3.3.4 同步帶傳動的設計計算
根據(jù)前面選的步進電動機可知電機額定功率
（3-4）
額定轉速
（3-5）
傳動比i=1
1.確定同步帶傳動的設計功率：
（3-6）
式中：-載荷修正系數(shù)，或者是工況系數(shù)
這里取1.6，由公式（3-6）得
2.選定帶型和節(jié)距
根據(jù)同步帶傳動的設計功率和主動帶輪轉速， 綜合整體結構尺寸，選取3M型圓弧齒同步帶。
3.選擇小帶輪齒數(shù)
同步帶傳動中小帶輪的最少許用齒數(shù)可按下表3-6選用
表3-6同步帶傳動中小帶輪的最少許用齒數(shù)
小帶輪轉速/（）
帶型
MXL
XXL
XL
L
H
XH
XXH
3M
5M
＜900
10
10
10
12
14
18
18
12
12
900～1200
12
12
10
12
16
24
24
12
12
，結合工作機構安裝和尺寸要求故取
4.確定小帶輪節(jié)圓直徑
（3-7）
查帶輪外圓直徑尺寸系列表得
5.確定大帶輪齒數(shù)，由于要求同步帶和運動方向平行，所以傳動比i=1。
（3-8）
式中：i-傳動比
6.確定大帶輪節(jié)圓直徑
(3-9）
查帶輪外圓直徑尺寸系列表得
7.確定帶速v
（3-10）
一般來說M型同步帶的，故滿足要求。
8.初定軸間距
根據(jù)行程測試要求取=375mm
9.確定帶長以及帶齒數(shù)z
=792mm （3-11）
選取代號的M型同步帶，標準節(jié)線長，齒數(shù)z=250
10.計算實際軸間距
（3-12）
11.計算小帶輪嚙合齒數(shù)
（3-13）
12.計算基本額定功率
（3-14）
由于=0.3N，m=0.096
得
13.確定帶寬
（3-15）
時，取為1
式中：-嚙合齒數(shù)系數(shù)；
-同步帶寬度的標準值，一般應小于。
；
得
14.計算作用在軸上的力
（3-16）
3.4 導軌選型設計
3.4.1 導軌概述
有些時候我們需要的工件加工精度達不到我們所需要的要求，有很多種原因，其中摩擦力就是引起精度要求不夠的很主要的原因，為了減少其摩擦力，就出現(xiàn)了導軌，它主要是由金屬或其他材料所制成的槽或者連接兩結構的“橋梁”。
它是一種導向裝置，是運動部件以及支撐部件構成。它能確保工作進行過程中順利以及成品精度等。所以導軌的剛度必須足夠，選材必須嚴謹。
3.4.2 導軌分類
導軌分為兩種，一種為滑動導軌，另一種是滾動導軌?；瑒訉к壨ㄟ^滑動來進行運動，可以看出，它的滑動摩擦力將大于由滾動引導件的運動產生的滾動摩擦力，并且能量損失將不可避免地增加。因此，我選用的是直線的滾動導軌。
直線滾動導軌損耗少可以較長時間保持精度，同時可以承受各個方向的負荷，它又適用于高速運動需要的驅動馬力，并且構造簡單，組裝簡易。
3.4.3 導軌選型與長度計算
本設計取用了滾動直線導軌副，該導軌在平時的工作環(huán)境應該是溫度適中，結構材料性能好，環(huán)境原因對它的影響很小。它能保證很好的精度要求，磨損度很小，結構比較簡單易懂。
該導軌定位精度也是能滿足要求的，滾動摩擦系數(shù)很小，尤其是在它進行少量的進給工作時，也能精準的把握好精度位置等等。
這個導軌在價格方面也是比較便宜的，不僅剛度足夠，而且能保證精度，也能大量的節(jié)省所消耗的時間等，減少了人力，物力的消耗。
以下介紹為不同類型的幾種導軌
三角導軌：此類導軌對精度的要求很高。工作結束后零件可能會導致磨損，它能自動修補，但間隙很小，難以把控。
矩形滑道：此類滑道結構比較簡單，比較好制作，好修復保養(yǎng)等，滑道面積比較大，支承力大，硬度足夠高等特點，所以得到了大面積使用。
燕尾形導軌：此種導軌的優(yōu)點為承受力量比較大，構造比較復雜，對精度的把控好。但相比三角導軌，加工完成后，如果磨損了，難以實現(xiàn)自動補償。
圓形導軌：導軌制作方便，外圓使用磨削，精度足夠，鉆孔也比較光滑。當然如果被磨損了，它的自動補償也難以完成。
導軌長度選取：滑塊主要影響了導軌的長度，所以主要去控制滑塊數(shù)量以及滑塊的長度。就可以控制導軌的長度。
最開始選擇導軌型號為方便加工制造的圓導軌。
對于滾動導軌副，它的定位精度是比較高的。磨損率很小，也能實現(xiàn)自動補償。一般公差等級與它形狀影響著它的磨損度。它的工作精度決定了加工工件的精度，但也要觀察到它的結構是否影響。
通過各種因素考慮，選用它額定工作時間壽命Th為：：
Th=
由Th=
得Ts= 2=2=3456km （3-17）
因滑座數(shù)m=2，所以每根導軌上使用1個滑座
由表2-15-2-18確定fc=0.81 ，fH= 1 ，fT= 1 fW= 2 ，則由式（3-18）
Ts=
Ca=
其中F=
Ca= （3-18）
根據(jù)結構要求整體負載較輕要求體積較小所以采用圓導軌直徑d=8mm。
第4章 Z軸升降機構設計
4.1 總體方案設計
4.1.1 進給要求
升降進給系統(tǒng)是整個機構的重要組成部分，它是由輸入機構，導向機構，操作機構組成。這個機構能完成整個工作過程中所需要的動力供給。進給系統(tǒng)尤其重要，需要加工的工件的精度，形狀等都于傳動機構有關。本設計脈沖當量應為0.001毫米，快進速度應為1000毫米每分鐘，z軸的形成應為50毫米。自重加工工作壓力最大載荷設定為50kg。
4.1.2 進給方案設計
電機的選擇選用了反應式步進電機，進給部分使用了滾珠絲杠傳動。
下面為單向驅動的結構簡圖
圖4-1單項驅動系統(tǒng)結構簡圖
1.步進電機，2.聯(lián)軸器，3.軸承座，4.滾珠絲杠，5.導軌，6.工作臺，7.固定板
4.2 步進電機選擇
所選用的電機應為：工作臺的質量為50千克， 導軌的摩擦系數(shù)應為 0.1 以及它的最大軸向力 F=500N =0.005
4.2.1 電動機軸負載計算
分別計算各傳動件的轉動慣性，其中齒數(shù)的等效值分別為分度圓直徑絲杠的等效直徑為?5 。
Jz1== （4-1）
Jz2==
JS==
用每一個傳動部件件轉動慣量和工作臺的質量算入進電動機軸上，最終算出總當量負載轉動慣量。
Jd== （4-2）
滿足 所以慣量匹配是滿足要求的。
4.2.2 步進電機的負載能力校驗
步進電機軸總慣量J為Jm+Jd=，空載啟動時電動機軸上的慣性轉矩：
（4-3）
電動機軸上的當量摩擦轉矩：
（4-4）
按要求，伺服進給傳動總效率取η= 0.8
考慮到其他因素，計算電動機軸上附加摩擦力轉矩為：
T0= （4-5）
工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機軸上的負載轉矩為：
Tw= （4-6）
于是在最大外載荷工作下工作時電動機軸上的總負載轉矩為：
（4-7）
根據(jù)以上的計算數(shù)據(jù)選的電機型號為：UI2442-48-1704A
4.2.3 技術參數(shù)及型號如下
圖4-2繞線圖
由于Ts= 0.44N.m>0.25N.m 所以步進電動機能正常啟動。
上面的電機要求與下面的電機相同，且載荷小些，所以電機選用UI2442-48-1704A型號的步進電機符合我們所需要的。
4.3 滾珠絲杠設計
4.3.1 滾珠絲杠副概述
滾珠絲杠的作用在本設計中也是必不可少的，它能使各種回轉運動變成直線運動，也能使直線運動變成回轉的運動，同時它又擁有將旋轉運動轉化成直線運動的功能。它主要的構成為，螺母，螺桿以及滾珠構成。滾珠絲杠的摩擦力很小，所以它被大量使用于很多種機械設備的內部構成，如，雕刻機，打印機等等。它是我們機械行業(yè)中最為常見的零部件，它具有高精度，低摩擦，高效性等等優(yōu)點。
在我們設計它時，得到的工作條件為：工作載荷F等于900+400=1300（N）
使用的壽命L，h=10000（h），絲杠的工作長度（或者螺母的有效行程）L=0.31（m）、絲杠轉速n（平均轉速n=100 r/min或最大轉速r/min），以及滾道硬度58-63HRC和運轉精度。
4.3.2 滾珠絲杠副計算
（1）計算載荷Fc
Fc=KF*KH*KAFM=1.21.01.0500=600N （4-8）
觀察取KF= 1.2 、查表取KH= 1.0 、查表取D級精度 、查表取KA=1.0 。
（2） 算出動載荷，計算值Ca’
Ca‘==600=2228N （4-9）
（3） 按照Ca‘來取用滾珠絲杠副，先去取得MISUMI的BS型號滾珠絲杠
綜合多數(shù)原因取 ，得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑：
導程：P=5mm
螺旋角：
滾珠直徑：d=0.5mm
按表2-1中尺寸公式計算：
滾道半徑：R=0.521d=0.26m （4-10）
偏心距：e=(R-d/2)mm （4-11）
（4）穩(wěn)定性驗算
查書得臨界載荷為Fcr（N），根據(jù)工式來計算：
Fcr= （4-12）
其中，E指的是絲杠材料的彈性模量，鋼E=206GPa；L是絲杠工作長度（m）；Ia是絲杠危險截面的軸慣性矩（m4）；u是長度系數(shù)，
Ia= （4-13）
取u=2/3，則Fcr=N （4-14）
安全系數(shù)S= 。查表2-10[s]=2.5---3.3,S>[s],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
我們要算得絲杠的轉速的最大值，要注意，在絲杠運行的過程中，會不會出現(xiàn)振動的情況。所以我們應該提前去計算出它的臨界轉速ncr。
當nmax
nmax=10000r/min 時 ,絲杠在運行過程中，不能發(fā)生振動的情況。
最后D0n的值也會去阻礙滾珠絲杠副，所以我們一般取D0n<7*104mmr/min， D0n=20 這說明了絲杠副工作是穩(wěn)定的。
（6）剛度的取值。
滾珠絲杠在運行負載下F（N）以及轉矩T（N*m）的影響下。所以全部導程變形量△l0（m）是△l0=（4-16）式中A為絲杠截面積，A= （4-17），Jc為絲杠的極慣性矩Jc= （4-18），G為絲杠切變模量，對鋼G=83.3，J（N*m）為轉矩，T=（4-19）之間，它的摩擦角為ρ角，他的摩擦系數(shù)指的是正切函數(shù)值，平均工作載荷為FM，選好極端值（其中F=Fm）
（4-20）
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為△l= （4-21）
一般我們所需要的為，絲杠的傳動精度的一半大于它的導程誤差。也就是說導程誤差△l符合上面的公式，這說明了強度夠我們所需要的。
效率的驗算
滾珠絲杠副傳動效率為η= （4-22）
要想絲杠副滿足我們所需要的要求，n一定要在百分之九十到百分之九十五之間。
通過以上的結論，可以確定我們所取的滾珠絲杠型號能保證我們的加工過程順利完成。
4.4導軌的選型設計
在上述縱向結構的設計中，我們已經詳細的概括了導軌的特征，它的作用以及它的優(yōu)點等等，在z軸機構中，為了滿足所需工件的精度，導軌的選取也是必不可少的，那么選擇z軸機構的導軌也一定要滿足以下幾個條件：
它的硬度必須夠，這樣能使機構的穩(wěn)定得以保證。
它的摩擦力一定要很小，這樣才能滿足我們所要的精度。
導軌是一種導向結構，具體它的詳細說明見縱向機構設計導軌的概述。
因為本設計兩機構導軌運行機構相差不大，所以依舊選取滾動直線導軌。。
4.5 聯(lián)軸器設計
4.5.1 聯(lián)軸器的選型
在社會高速發(fā)展的情況下，逐漸衍生出來很多種類型的聯(lián)軸器，通過各種網上查閱，書籍上的查閱以及老師的指導，我已熟悉了大多數(shù)聯(lián)軸器的規(guī)格，含義等。首先我們選取聯(lián)軸器的時候，要先去按照傳動結構來選取正確的聯(lián)軸器。現(xiàn)在大部分聯(lián)軸器都是通用的，而且也有許多種類型的，任何一種聯(lián)軸器都有它的突出點。所以我們暫時可以直接選取市面上的通用聯(lián)軸器，因為它們都能滿足我們設計的要求。當聯(lián)軸器無法在我們的設計當中使用時，才去自己設計新型的聯(lián)軸器。而且現(xiàn)在企業(yè)為了相互競爭，把價格，質量都放在了第一位，所以對于我們來說直接選取他們也是比較合適的，既節(jié)約時間，也經濟實惠。我們要選取我們所需要的聯(lián)軸器，因為它能影響著很多東西，例如加工精度，機器的磨損程度，振動頻率是否過大等等很多問題都要考慮到。這影響了很多層面，從整體到局部，所以我們一定要正確選取。
我們要從內部結構的角度去選擇聯(lián)軸器，從軸等方向為第一點。我們要注意不能只從聯(lián)動的方面考慮問題。下面為我所挑選以及對比出來的各個聯(lián)軸器的特點以及規(guī)格的表格。
表4-3聯(lián)軸器性能
類別
聯(lián)軸器名稱
轉矩范圍N.mm
軸徑范圍mm
最高轉速r/min
特點及應用說明
固定式
套筒聯(lián)軸器
圓錐銷
3~4000
平鍵
71~5000
半圓鍵
8~450
花鍵
150~12500
4~100
20~100
10~35
25~102
一般小于等200~250
結構簡單，制造容易，徑向尺寸小，成本低。但裝拆時需沿軸向移動較大的 距離。而且只能連接兩軸直徑相同的圓柱形，軸伸一般用于工作平穩(wěn)的功率傳動軸系。
剛性
凸緣聯(lián)軸器（GB/T5843—2003）
10~20000
10~180
13000~2300
結構簡單，制造容易，工作可靠，裝拆方便，剛性好，傳遞轉矩大，但不能吸收沖擊。當兩軸對中精度較低時，將引起較大的附加載荷，適用于工作平穩(wěn)的一般傳動，高速傳動時需要有高的對中和制造精度。
套筒
夾殼聯(lián)軸器
（HG5—213—1965）
85~9000
30~110
900~380
裝拆方便，不需沿軸向移動兩軸，但平衡困難，而且兩軸徑必須是相同的圓柱形。僅適用于低速傳動的水平或垂直軸系，以傳遞平穩(wěn)載荷為宜。
聯(lián)軸器
緊箍夾殼聯(lián)軸器
180~12500
30~110
900~380
其特點和使用性能與夾殼聯(lián)軸器相似，但外形簡單，平衡條件有所改善，夾緊力大，很適宜用于徑向夾緊力大的場合。
初選d=5mm的爪牙式套筒聯(lián)軸器，聯(lián)軸器型號為ST20C5-6
表4-4 d為5mm的圓錐銷套筒聯(lián)軸器數(shù)據(jù)
d
公稱轉矩（Nm）
D
L
d1XL1
d2XL2
5
2.0
20
25
5X12
5X12
4.4.2 轉矩校核
聯(lián)軸器轉矩的計算公式：
（4-23）
式中：K——工作情況系數(shù)
P——輸出功率（kw）
T——理論轉矩N.m
——計算轉矩N.m
N——工作轉速r/mi n
那么算得它的轉矩是 想到過載等原因,我們取它的工作情況系數(shù)K為1.5：
= （4-24）
經計算可以確定選則的聯(lián)軸器合適。
第五章 設計總結
這次為期半個學期的畢業(yè)設計過程對我來說是非常充實的，在我接到畢業(yè)設計書的時候，我對我要設計的這個東西是完全不了解的，從沒接觸過。在老師的細心指導下，我先大概的想出了一個大概的方案圖，然后去跟老師請教，老師指出方案圖中的各種錯誤，并就這個裝置想我介紹了其大致的作用，各個零配件的選擇，各個電機的位置，大致裝配方案，裝置的運行方法，讓我得到很大的啟發(fā)，然后的一個多月的時間我查閱了各電機的大致性能，各種聯(lián)軸器，絲桿的優(yōu)缺點，對他們進行比較選擇出我所需要的那一種配件，在查閱資料的過程中我對專業(yè)知識的運用有了較大的了解，我學會了如何將電機，帶輪和導軌等配件正確的裝配起來，彌補了我所學知識中的不足，回到宿舍，我專心運用cad進行二維制圖，運用solidworks進行三維制圖，對機械制圖軟件加深了理解，為我以后從事機械方面的工作打下了堅實的基礎。同時也讓我體會到作為一名設計人員要設計出有創(chuàng)意而功能齊全的產品，就必須做一個生活上的有心人。多留心觀察思考我們身邊的每一個機械產品，只有這樣感性認識豐富了，才能使我們的設計思路具有創(chuàng)造性。
本次設計讓我受益匪淺，通過這次設計，我對自己所學的知識有了更深刻的理解，在指導老師的幫助下，我更是拓展了自己在機械方面的視野，懂的了如何自己獨立完成一個項目的設計，為我以后步入社會，參加工作積累了經驗。
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致 謝
做了兩個多月的畢業(yè)設計終于結束了，在這次畢業(yè)設計中，一開始，我的設計中有許多的錯誤，指導老師耐心的給我把錯誤一個個指出，然后耐心的講解我不懂的地方，給我指出各種設計中的不足之處，再次，對老師表示十分的感謝。其次，是小組的隊友，因為我們設計的是有許多的共通之出，所以我們經常一起討論各種元件的優(yōu)缺點，選用那種元件更好，