畢業(yè)設計（論文）-坐標式3D打印機的結構設計

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1、河南工學院畢業(yè)設計 畢業(yè)設計 論文題目：坐標式3D打印機的結構設計 院 部： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械制造與自動化 班 級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2021年 月 日 畢業(yè)設計 摘 要 目前3d打印技術慢慢的開始普遍使用了，相信在不久之后應用領域也會越來越廣，發(fā)現(xiàn)在這兩年的時間內

2、慢慢的就流行起來了。這項3D打印技術是一層層的打印起來變成三維模型的，它的通常術語是3D數(shù)字模型文件這一類的制造過程。當今市面上的坐標式3D打印機打印的基本原理都與噴墨的打印機相似，唯一不同的是坐標式3D打印機是打印三維的產品，打印的材料也是比較多的，不像普通打印機打印的是二維的，而且打印材料通常是墨水和紙，這種打印機很多，對與這種打印機來說坐標式3D打印機經常使用的材料有樹脂、金屬、塑膠、及粉末性的、陶瓷等。坐標式3D打印機中的計算機可以逐層控制“打印材料”，沿著掃描路徑進行打印，最后控制計算機藍圖，打印出一個三維產品。 因此，本文全面概述了3D打印的技術體系和發(fā)展，以及國內外產業(yè)的發(fā)展。

3、從而描述了這一3D打印技術的原理、概念、發(fā)展情況、結構、用途等，對未來的發(fā)展及存在的問題。還有對坐標式3D打印機的結構進行了分析和創(chuàng)新，在目前這一技術的發(fā)展上歷史上，預測未來的發(fā)展狀況。設計就會存在一定的問題，不可能十全十美的，只能慢慢的去完善降低問題。3D打印技術是個性化產品定制的重要生產方法,它自己的結構和整體設計代表了這項技術的發(fā)展水平。設計了一種六軸3D打印快速模型裝置，用于3D打印技術，為新的生產過程設計和制造實際設備。 關鍵詞:坐標式3D打印機；六軸；結構設計；快速成型 Abstract At present, 3D printing technology is sl

4、owly beginning to be widely used. It is believed that the application field will become wider and wider in the near future, and it is found that it has gradually become popular in the past two years. This 3D printing technology is layered and printed into a three-dimensional model. Its general term

5、is the manufacturing process of 3D digital model files. The printer principle in the market is basically similar to that of inkjet printers, and ink and paper are the usual printing materials. There are many such printers. For the printers, the materials commonly used in 3D printers are resin, metal

6、, plastic, and Powdery, ceramic, etc. The computer in the 3D printer can control the "printing material" layer by layer, print along the scan path, and finally control the computer blueprint to print out a three-dimensional product. Therefore, this article provides a comprehensive overview of the t

7、echnical system and development of 3D printing, as well as the development of domestic and foreign industries. This describes the principle, concept, development, structure, use, etc. of this 3D printing technology, the future development and existing problems. It also analyzes and innovates the str

8、ucture of 3D printers, and predicts the future development in the history of this technology. There will be certain problems in the design, it is impossible to be perfect, and it can only be slowly improved to reduce the problem. 3D printing technology is an important production method for personali

9、zed product customization. Its own structure and overall design represent the development level of this technology. A six-axis 3D printing rapid model device was designed for 3D printing technology to design and manufacture actual equipment for new production processes. Key words: 3D printer; six a

10、xes; structure design; Rapid Prototyping 目 錄 緒論 1 1、研究目的及意義 1 2、研究內容 2 3、3D打印技術發(fā)展現(xiàn)狀及對世界的影響 3 3.1 3D打印技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀 3 3.2 3D打印技術國外發(fā)展現(xiàn)狀 3 第1章 總體方案及結構設計 6 1.1 引言 6 1.2 坐標式3D打印機模型設備的方案分析 6 1.3 溫度控制回路設計 7 1.4 x . y. z 三 方 向 控 制 電 機 的 設 計 8 1.5 噴 頭 移 動 及 噴

11、 出 量 調 節(jié) 的 設 計 8 第2章 機械結構設計 10 2.1 電機的選擇 10 2.2 滾珠絲杠螺母的設計 13 2.3 導向光桿和直線軸承的設計 21 2.4 Z軸聯(lián)軸器的選擇 24 2.5 X、Y軸同步帶輪設計 25 第3章 運動底盤的設計 29 3.1 工作臺左右轉動的設計 29 3.2 三自由度的電機及減速器的選型 31 3.3 支撐塊的設計 32 3.4 聯(lián)軸器的選擇 32 3.5 360°旋轉圓盤的設計 33 3.6 擺動方向的軸承座與軸承配合設計 34 第4章 虛擬裝配模型 35 結 論 36 致謝 37 參考文獻 38

12、 緒論 1、研究目的及意義 坐標式3D打印機其運作原理和傳統(tǒng)打印機十分相似，是用液體或粉狀材料制造物品，有時又被稱為快速成型機。近年來發(fā)展起來的一種先進制造技術也是快速成形技術（rapid prototyping，簡稱RP）又稱快速原型制造技術Error! Reference source not found.。3D打印技術的核心制造思想最早起源于18世紀末19世紀初的美國,不久發(fā)展到其他國家：日本和歐洲，20 世紀 80 年代中期開始，經過三十年的發(fā)展，該技術已趨于成熟，并初步形成規(guī)?；w系。近年來快速成型技術在制造技術領域方面取得一次重大突破。3D打印技術是一層層的打印起來變成三維模型

13、的，它的通常術語是3D數(shù)字模型文件這一類的制造過程。當今市面上的坐標式3D打印機打印的基本原理都與噴墨的打印機相似，唯一不同的是坐標式3D打印機是打印三維的產品，打印的材料也是比較多的，不像普通打印機打印的是二維的，而且打印材料通常是墨水和紙，這種打印機很多，對與這種打印機來說坐標式3D打印機經常使用的材料有樹脂、金屬、塑膠、及粉末性的、陶瓷等。坐標式3D打印機中的計算機可以逐層控制“打印材料”，沿著掃描路徑進行打印，最后控制計算機藍圖，打印出一個三維產品。3d打印技術是計算機輔助設計、數(shù)控技術、激光技術等多種學科技術的集成；是基于“離散/堆積成型”的成型思想，通過建立三維數(shù)模與計算機程序控制

14、，利用疊層加工的方法將材料“堆積”而形成三維實體。 如果設計出這款六軸的打印機，不僅可以解決比較復雜的物品打印，而且可能會應用到很多的行業(yè)中去。這是一種先進 技術是由C AD還 有計 算機輔 助制造、數(shù)控系統(tǒng)、精密伺服驅動器等集成。打印出三維模型這一過程貌似復雜其實它是將一個復雜的三維模型加工后，簡化成一系列的二維模型加工的組合。對于這一技術的實用性很多國家都在研究，我國也不意外也在這成型技術行業(yè)中投入很大的支持，說不定這項成型技術中的某一方面都趕上或者超越其它發(fā)達國家了，但實際還是存在一定的距離。 快 速成 型工 藝過 程可分為三 個階段Error! Reference source n

15、ot found.： （1）前處理：進行模型設計和打印數(shù)據(jù)準備及與打印工藝方法相對應的數(shù)據(jù)處理; 構建3D模型有三種常用的方式：利用3D建模軟件構建模型；基于圖像構建3D模型；利用3D掃描儀構建3D模型。 3D建模軟件大多數(shù)都是使用這幾個： AutoCAD、Solidworks、UG 基于圖像構建3D模型：此方法需要從不同的角度來拍攝的一系列圖片，然后導入到計算機輔助工具可以自動生成對象的3D模型。該方法主要針對已有物體的3D建模工作，也是比較簡單，真實感強。 使用3D掃描儀構建3D模型：使用3D掃描儀對實物表面、形狀進行掃描分析出的數(shù)據(jù)，通過軟件在虛擬的世界中重造3D模型。 （2

16、）打印過程：設備根據(jù)設定的制作參數(shù)自動進行; 3D打印的前期準備工作：打印機系統(tǒng)只識別STL格式的文件，所以用軟計建立好的模型文件應該是STL格式的文件，才能被打印機識別讀取。如果文件格式不符那么需要轉換格式，轉換的格式要與打印機識別的格式一致，這是前期準備工作尤為關鍵的一步，推薦使用典型的CAD軟件來把格式進行轉換成STL格式文件和輸出STL格式文件。 將模型進行切片：有了STL的模型之后還需要在電腦上安裝相應的3D打印切片軟件，用它來實現(xiàn)3D模型的參數(shù)調整，并將模型切片，轉換成坐標式3D打印機可以識別的格式，最后才能將模型發(fā)送到打印機打印。層和層之間是規(guī)則間隔的，間距越大，打印

17、出來的產品的精度就越差，但是時間越快，不是很精準。如果準確度高，則相反。間距的范圍為0.05至0.5mm，通常使用的間距是0.1mm，可以獲得相對光滑的模制表面。 橫截面疊加：在形成每一層之后，成形頭向上移動一層高度，繼續(xù)成形下一層，層層堆疊依次印刷并粘合到前一層，最終形成三維產品。 （3）后處理：包括清洗、去除支撐以及打磨處理等。 由于打印材料以及打印精度的不同要求，有些打印機打印精度不夠，打印出來的模型就會有很多毛邊，或者出現(xiàn)一些多余的菱角，影響打印作品的效果。一般要求我們通過對做出的模型進行精加工令其美觀，比如對模型的表面打磨、拋 光、去除 支撐，或者進行特殊的加工，放入高溫爐進行

18、燒結，這是在材料允許的情況下才可以。 本次設計中是根據(jù)三維打印技術的打印成型原理以及作用的基礎上，運用綜合知識的課程有很多如機械 基礎、機 械 創(chuàng) 新 設 計、機械 制 造、互 換 性和技 術測 量、機 械制造 技術基 礎、機 械制 圖等 相關知 識的應用。分析機械結構部分實現(xiàn)原理的方法，并根據(jù)國內機械行業(yè)的實際情況出發(fā)設計出符合要求的機械結構的打印設備。 2、研究內容 隨著時代的發(fā)展，3D打印技術的發(fā)展已走向成熟，且在生產生活諸多領域中廣泛應用，除此之外，在一些特殊領域的應用也不斷促進著改技術的發(fā)展，比如時裝設計和藝術設計這些領域。當前經過十余年的發(fā)展，我國已經掌握了3D打印技術，并可

19、將該技術應用于生產之中，制造我們需要的產品。該技術具有效率高、一體成型等諸多優(yōu)勢，在本文中主要設計了一種六軸3D打印快速模型裝置Error! Reference source not found.。 3、3D打印技術發(fā)展現(xiàn)狀及對世界的影響 3.1 3D打印技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，了解我們國家在二十世紀九十年代時很多大學知道這一項技術的重要性就開始了自主的研發(fā)。近年來，隨著國外3D打印技術的突破及其在某些領域的應用，國內學術界已經轉向實踐，國內許多企業(yè)也在推動國內3D打印行業(yè)的發(fā)展。我國的某些技術在世界中也是比較先進的，比如，將應用在航天航空設備制造的激光加工金屬這一技術，可以滿足一些特

20、別零件的性能要求。3D打印技術在生物組織這一塊取得了優(yōu)越的成績，就是能對生物細胞打印出三維的模型Error! Reference source not found.。并為我國的生物學研究領域這方面提供了有效的幫助與大力支持。 目前，北京銀華，南京紫金立德，江蘇敦超，深圳威斯特，陜西恒通智能機等這些國內企業(yè)都已經實現(xiàn)了產業(yè)化，便捷式臺式的坐標式3D打印機在不少企業(yè)中的價格，因為她能如此成功的進入歐美市場，說明很有國際競爭力。 3.2 3D打印技術國外發(fā)展現(xiàn)狀 2012年3月，白宮重振美國制造系統(tǒng)，改革美國制造系統(tǒng)，優(yōu)先發(fā)展以增材制造為代表的數(shù)字制造技術，并在全國范圍內建立了多個研究和商業(yè)聯(lián)

21、盟。 日本對這一項快速成型技術很重視，一直在不斷研發(fā)，而且開發(fā)程度已經位于亞洲前沿了，德國制造研究中心也在推動著此項技術能在航天航空工業(yè)結構中的應用。 西班牙為了在2012年2月澳大利亞政府對微引擎快速成型技術宣布支持，特地研究了特殊的增材制造項目這一技術，最終得到了支持。 FDM 3D打印是運用熔融打印絲料對三維模型進行快速打印成型的一種增材制造技術,具有成型成本低廉、成型過程無污染、打印機可拓展性強等特點,廣泛運用于科教、生產、日常生活中。目前FDM 3D打印機基本能實現(xiàn)單色打印、雙色打印,混色、彩色FDM 3D打印機多面向商業(yè)生產,缺少具備低價實用、混色程度高、能實現(xiàn)全彩色等特性的

22、彩色FDM 3D打印機。針對現(xiàn)有彩色FDM 3D存在的混色程度不高、可打印的色彩范圍有限等問題,本文設計了一種可實現(xiàn)充分混色的3D打印機噴頭,完成了以下主要工作:（1）對國內外彩色3D打印技術發(fā)展現(xiàn)狀進行調研,在對FDM 3D打印原理充分分析的基礎上,選擇近端送絲的送絲方案,制定減法混色原理與多進料口單噴嘴的噴頭結構相結合的混色方案,確定打印絲料為ABS高聚物,并對ABS的流變行為進行分析,為混色噴頭的流體仿真分析做準備。（2）提出了一種多進料口單噴嘴出口的噴頭結構,并基于現(xiàn)有設備Prusa i3 FDM 3D打印機的MK8噴頭,對其進行三維建模、仿真分析以確定噴頭喉管、加熱塊、噴嘴的結構參數(shù)

23、。隨后,根據(jù)混色方案對噴頭內流道進行流體仿真分析,確定打印絲料的進料角度,初步確定噴頭的結構尺寸。（3）通過仿真分析不同熔融腔尺寸下打印絲料的混合情況,確定熔融混合腔的最佳尺寸?？刂平z料的進料速度分析不同比例絲料進入噴頭后的混合情況,并結合影響打印精度的主要參數(shù),修正和優(yōu)化打印工藝,優(yōu)化混色效果。隨后面向本文提出的混色噴頭結構編寫相應的程序,形成插件,便于后續(xù)混色噴頭的實際生產和使用,進一步提升打印機的實用性。本文通過對一種FDM 3D打印機噴頭結構的設計,通過結構、流體等仿真進行了系統(tǒng)的優(yōu)化,論證了設計的可行性,為實現(xiàn)高效的真彩色FDM 3D打印提供了可參考的方案和思路。 在當今的時代,高

24、效、飛速,智能化已經成為了這個時代的代名詞,對于機械加工的復雜性,零件的多樣性,產品的周期性發(fā)展問題,3D打印技術的出現(xiàn)給科學技術帶來了質的飛躍。3D打印技術通俗的講就是增材制造技術。與傳統(tǒng)的加工方式來說,3D打印技術以其生產周期短、一次成型、高效率等優(yōu)勢脫穎而出。FDM技術的發(fā)展作為3D打印技術中較為成熟的技術之一,它本身所具有的優(yōu)勢是比較于其他的打印技術來說,具有低成本、結構效果簡單、易成型等特點,在行業(yè)的技術發(fā)展方面具有不可比擬的優(yōu)勢。因此,FDM技術在工業(yè)裝備、金屬制造等行業(yè)是必然的發(fā)展趨勢。就目前,3D打印技術的發(fā)展,在國內的設備受國外設備在技術和價位方面的壓制,整個設備的成本以及后

25、期的保養(yǎng)價格較為昂貴。因此,針對目前基于FDM技術的打印機在國內的發(fā)展技術不成熟、支撐后處理困難、FDM型打印機對兩種耗材的使用不夠成熟等問題,對雙噴頭雙料打印機進行研究。論文對現(xiàn)有的3D打印機的現(xiàn)有切片格式進行了探討。針對現(xiàn)有的STL文件的切片方式的所存在的問題,利用UG二次開發(fā)對三維模型進行切片,得到的層面信息較STL格式文件切片更加完整,避免STL切片的數(shù)據(jù)冗沉等缺點。在得到三維模型的平面的輪廓信息后,對現(xiàn)有的截面輪廓進行的掃描方式分析,對于不同的截面特征采用不同的掃描方式:對于簡單對稱的輪廓截面采用偏置掃描的方式,對于復雜的輪廓截面中規(guī)則的輪廓先進行內環(huán)向外,外環(huán)向內的偏置,再進行分區(qū)

26、域掃描。這種復合掃描方式可以很好的避免零件成形精度不高的缺點。對規(guī)劃后的掃描線與輪廓線的交點進行比較排序,規(guī)劃內輪廓線的路徑拾取點坐標值。根據(jù)獲取的點坐標值編程形成一系列的路徑信息,將所形成的路徑信息轉化成3D打印機所識別的G代碼。通過研究規(guī)劃出的雙料3D打印機的打印路徑,對設計出的打印文件輸入到雙料3D打印機中進行初步打印,打印出所切片后的實體模型,驗證該設計思路的合理性。 隨著是時代發(fā)展3D打印技術的市場需求越來越高,相關技術也日趨成熟,因其便捷快速的成型特點,桌面級家用式3D打印機開始走進千家萬戶,相比與其他類型的3D打印機,家用3D打印機要求體積更小、操作簡單、結構輕簡最重要的是其適

27、用范圍要更加廣泛。塑料材料是目前使用最廣泛的打印材料,但是塑料絲材的生產過程比較復雜,而且價格昂貴。在這樣的背景下,作為塑料絲材中間產物的塑料顆粒材料直接應用于3D打印機上的想法變得重要起來。本文從3D打印機的需求出發(fā),在原有打印機基礎上構建優(yōu)化設計方案,意在解決原打印機存在的供料不順暢、打印機運行震動較大、可使用顆粒過于單一的問題。本文首先對研究對象的力學和熱學性能比對,根據(jù)不同材料導熱系數(shù)、熔融溫度和熱分解溫度對其在3D打印技術中應用的難易程度,選定了PLA材料為主要研究對象。接下來進料系統(tǒng)存在問題加以分析發(fā)現(xiàn),顆粒物外形對物料進入輸送管道的效果影響較大,比對三種不同的進口處結構設計的模擬

28、結果,選定了斜面式進口結構的方案,而針對顆粒物在輸送管道中分布不均和震動較大的問題設計了輸送管道管壁處添加凹槽的優(yōu)化方案,并通過DEM模型對其運動的速度、應力情況進行了模擬,確定了凹槽對提高顆粒物運輸能力有明顯效果,通過5種不同結構的凹槽結果分析,得到了選用導程為400mm的螺紋凹槽的結構方案的結論。之后根據(jù)模擬出來的帶有隔熱過渡段的新加熱頭組件溫度分布結果,表明了新加熱頭組件較原加熱頭結構具有,溫度分布更均勻、避免局部物料超溫和輸送管道內部物料不會發(fā)生融化的優(yōu)勢,確定了熔融空間長度為40mm,隔熱段長度為15mm的加熱頭結構;最后經過實驗驗證,確定了實驗結果與模擬結果契合度較高,優(yōu)化設計后的

29、打印機結構出絲更加穩(wěn)定,打印件質量明顯提升,并且具有更大的材料使用范圍,滿足了3D打印技術對打印件的質量要求。實驗研究內容還包括了對幾種常用材料的打印參數(shù)設定,經過對比試驗確定了PLA、ABS、HIPS三種常用塑料顆粒材料打印溫度、打印速度、層高、流量和填充率這五個重要參數(shù)的最佳設定值,繪制了打印參數(shù)表。 第1章 總體方案及結構設計 1.1 引言 坐標式3D打印機增材技術已經過數(shù)十年的發(fā)展，該技術發(fā)展到現(xiàn)在已非常成熟，當前在民用市場中應用也十分廣泛，且最終得到人們的認可。如今該項技術已經得到了廣闊的發(fā)展前景，在工業(yè)制造中不斷增添了新的色彩，從而看出技術的進步程度。 隨著科技的發(fā)展，

30、它已經投人到各種科技工作的領域當中。例如，展廳使用它來復制正品，以防止真正的產品被訪客損壞；牙醫(yī)對患者進行牙齒修復或診斷時首先使用掃描儀對患者牙齒輪廓進行掃描，隨后使用打印機打印出適合患者的糾正模具，幫助患者實現(xiàn)修復Error! Reference source not found.。 1.2 坐標式3D打印機模型設備的方案分析 1.2.1機械結構設計思路 模型的制作要求依靠各類不同的機構相互組合并最終實現(xiàn)預期的所有功能就： 本文所設計的機械系統(tǒng)設計思路如下： X/Y軸 組成平面掃描運動框架 機構選用：X、Y軸導軌均采用絲杠機構，Z軸光桿則采用絲桿機構。 三回旋軸機構（即工作臺）

31、 伺服電機——轉軸 XYZ這三個方向的移動都是使用絲桿來傳動的，由電機作為動力源，與普通的打印機相似，控制工作臺上的三個自由度旋轉一定的角度，系統(tǒng)將根據(jù)打印復雜模型的需要和控制工作臺的旋轉每次打印完一層，隨后完成下一層信息讀取，隨后根據(jù)讀取的信息進行下一層打印，直到所有的模型都打印完畢。每個自由度的控制驅動都是單獨的Error! Reference source not found.。 總體六軸分布的設計圖如下： 圖2-1 X、Y軸分布圖 圖2-2 Z軸與工作臺三自由度分布圖 1.2.2系統(tǒng)框架Error! Reference

32、 source not found. 圖2-3 系統(tǒng)框架結構圖 1.3 溫度控制回路設計 1.3.1打印耗材的選用 快速成型技術的興起與發(fā)展跟材料有著不可磨滅的關系，因為它也是根據(jù)材料的要求來設計的Error! Reference source not found.。目前3D打印的材料已經超過了200種。為了實現(xiàn)坐標式3D打印機的功能，所選材料對于實現(xiàn)坐標式3D打印機的功能也很重要。需要更低的熔點和更好的粘度Error! Reference source not found.。 ABS材料是FDM最常用的印刷材料，通常在長絲包裝中以不同顏色提供，并由3D打印噴嘴熔化和印刷，如果AB

33、S的熔點不同則不同，通常是細絲盤裝。 PLA型的熔絲在坐標式3D打印機中是非常常用的材料，也算是比較環(huán)保的；一般情況下不需要加熱床，容易使用，而且更加適合低端的坐標式3D打印機。 綜合考慮我們最終選擇了P L A 、AB S耗材，這種材料即廉價又穩(wěn)定。 1.3.2設計思路概述 由于這兩種打印材料的熔點溫度在左右，直到上升到以上就屬于分解溫度，需要成型的溫度應該是在以下這樣?？刂苹芈分袀鞲衅鞯淖饔煤艽螅褜嶋H的溫度返回到反饋控制回路中，并將其溫度進行調整輸出命令，命令由單片機輸出Error! Reference source not found.。 控制回路方框圖如下： 圖2-3

34、 控制回路方框圖 1.4 x . y. z 三 方 向 控 制 電 機 的 設 計 使用簡化的概念，打印出來的模型是三維的，從而我們可以將三維轉成二維來打印，然后二維又轉換成一維繼續(xù)打印。也就是說，可以對Z方向的電機來控制實現(xiàn)這種打印過程，電機每轉動所需步進角Z方向就會變化，并且實現(xiàn)每個平面上的二維打印。Y方向也是電機驅動，當電動機轉動一定的角度時，每個平面的二維打印被轉換成多條線的一維打印。 1.5 噴 頭 移 動 及 噴 出 量 調 節(jié) 的 設 計 1.5.1噴頭系統(tǒng)的功能要求 噴嘴系統(tǒng)的主要功能是將熔體擠出系統(tǒng)：將成形長絲通過進料裝置進料到在噴嘴處被加熱的液化器中，并且將固

35、體成型材料及時熔化成熔融狀態(tài)，便于擠出噴頭形成實物。噴頭的料絲的岀絲速度應與噴頭的掃描速度一致，因為是根據(jù)掃描路徑進行堆積成型的，所以這兩個速度要失效高效配合，以期保證打印成型的產品質量和效果，使得工件實體材料堆積均勻，減少毛刺。 成型工藝對噴頭系統(tǒng)的相關功能要求主要包含下述幾個方面，現(xiàn)對其進行論述： 供應功能：把已經圈好在絲筒上的絲狀材料，取出并把它通過其它方法送到指定位置。 熔絲功能和送絲功能：送完成型絲及時熔化后，熔融絲送入液化器。 流道功能：為熔融材料提供流通通道。 定徑功能：對噴嘴擠出的材料的最終尺寸，噴嘴孔的直徑確定擠出的絲的直徑，并且絲被堆疊以滿足所需的細直徑。 出絲

36、速度匹配與出絲起停控制功能：噴頭的移動速度與成型絲的擠出速度都是根據(jù)掃描路徑信息進行調節(jié)，還有推出液態(tài)絲材的速度與噴頭移動速度相匹配。噴頭的移動停下來時，擠出絲材功能也將進行停止控制，噴頭的停止是根據(jù)掃描路徑來控制的，而岀絲是根據(jù)噴頭控制的，這樣才能確保高質量的成型路徑。 采用熔斷擠壓法的工藝原理時，準備進入液化器中的成型線作為活塞，固態(tài)的絲材在液化器進入口中把熔融狀態(tài)的絲材推出噴嘴，而推出噴嘴的推力等效于送絲材的推動力。簡單概括就是送絲功能等于基本功能Error! Reference source not found.。 1.5.2噴頭實現(xiàn)方法設計 圖2-4 擠出機構原理圖 在描繪

37、熔融沉積式打印技術工作原理之前，我們可以先設想這樣一個場景：蛋糕店里面擠蛋糕花，把奶油裝進一個錐形的塑料里，頂部開一個小孔，然后你把這個塑料錐形頭朝下，向盤子上面擠，邊擠變移動，就像寫毛筆字一樣，當你完成第一層的堆積后，向上抬一點，重復第一層的工作，以此類推，重復以上過程，直至最終堆出你想要的形狀，其實這就是FDM的基本思想。 熔融沉積也有另一種叫法稱熔絲沉積，是在液化器中使用絲狀熱熔材料以通過加熱絲來加熱和熔化它來提供熱量，其通過細噴嘴的噴嘴擠出。根據(jù)每層參數(shù)控制加熱噴嘴，噴嘴可沿X軸方向移動，沿Y軸方向移動，絲材在噴嘴中擠出，噴嘴與絲材的配合打印完一層上升一個層面的高度，在外溫的溫度下冷

38、卻成型。 熔融沉積成型工藝對于成型溫度的要求較高，在加工過程中必須要保持穩(wěn)定，不能產生較大的幅度，絲材和噴頭的溫度需要在一定范圍內。因此，需要添加反饋溫度控制電路來對液化器溫度進行嚴格控制，減少溫度對熔融沉積成型工藝的影響。 第2章 機械結構設計 2.1 電機的選擇 2.1.1 Z軸電機的選擇 按照本次機械結構設計的定位精度要求進行精確定位，Z軸的電機是伺服電機，控制好移動速度很重要，故選用了華大電機穩(wěn)定性能好。 電機設計計算： （1）運行時間確定 加速時間可按照下式予以確定

39、 （3-1） 負載速度（m/min）計算 根據(jù)設計原理可知其上升速度為50mm/min， （2）電機轉速可通過下式予以計算： （3-2） PB為絲桿的導程，我們設計絲桿的導程為5mm，，故 （3）負載轉矩可通過下式予以計算： （3-3） 式中： （4）負載慣量可通過下式予以計算： （3-4） 絲桿螺母慣量可通過下式予以計算：

40、 （3-5） 式中 總慣量可通過下式予以計算：： （3-6） （5）電機轉矩 啟動轉矩可通過下式予以計算： （3-7） 必須轉矩可通過下式予以計算：： （3-8） S為安全系數(shù)，取1.0 按照上述計算結果，選擇伺服電機型號為，下表為伺服電機參數(shù)說明： 圖3-1 華大伺服電機的參數(shù) 電機具體尺寸參數(shù)如下圖所示： 圖3-2 電機規(guī)格圖 電機的基本尺寸為

41、長：，驅動軸的直徑為12mmError! Reference source not found.。 2.1.2 X軸和Y軸電機的選擇 X軸與Y軸的傳動機構原理是一樣的，故兩條軸電機型號相同。 （1）確定運行時間 本次設計加速時間可通過下式予以計算： (3-9) 負載速度可通過下式予以計算： 移動速度為50mm/min， （2）電機轉速可通過下式予以計算：

42、 （3-10） PB為絲桿導程，設計導程為4mm. （3）負載轉矩 （3-11） 式中： 摩擦系數(shù)； 負載重量； 絲桿導程； 傳動效率. （4）負載慣量 上下垂直運動可通過下式予以計算： （3-12） 絲桿螺母慣量可通過下式予以計算： （3-13） 式中 總慣量可通過下式予以計算：： （3-14） （5）電機轉矩 啟動轉矩可通過下式予以計算：

43、 （3-15） 必須轉矩可通過下式予以計算： （3-16） S為安全系數(shù)，取1.0 根據(jù)上述計算結果，X軸和Y軸還使用華大伺服電機型號，具體尺寸參數(shù)與Z軸相同。 2.2 滾珠絲杠螺母的設計 2.2.1材料選用原則 材料選擇的基本原則是材料在滿足零件性能的前提下具有良好的加工性和經濟性。 選用材料的可靠性是在機械部件的正常工作狀態(tài)下，應具有的物理與機械性能能夠滿足工作要求的基礎。選用的機械零件所用的材料是金屬的，然而零件的機械性能才是主要的影響，而非金屬材料零件還需要對工作環(huán)境是

44、否對零件的性能造成影響。形狀尺寸和應力分析的機械性能是選擇材料時正確分析的工作條件。 2.2.2滾珠絲杠的技術要求 （1）工作條件 由于本文所設計的設備傳動機構為螺母副，其主要功能是對傳感器承載進行動態(tài)測量，因而抗扭性能較差，該機構在工作時主要受剪切力租用，同時受彎曲和扭轉和特定負荷影響。 （2）主要的失效形式 滾珠絲桿在工作時會受到彎 曲、疲 勞、扭 轉、沖 擊等主要的幾個力所影響，在絲桿的接觸處，如轉動滑動的工作表面受到接觸應力。工作時間長了會出現(xiàn)接觸疲勞破壞，也會存在機械損傷與磨損。 彎曲比較大時，絲桿會承受交變應力；磨損也是因為滾珠與滾道表面的硬度來決定的，表面硬

45、度越差，越容易磨損甚至會發(fā)生斷裂。為減少磨損，提高滾珠與滾道的表面硬度或涂抹潤滑劑。 （3）材料的性能要求 結合工作的條件與主要失效形式，屬于高精度、輕載荷滾珠絲桿，一般選擇低合金工具鋼材料制造零件，制造的零件表面需要加熱淬火處理，有的還要把整個零件整體淬火的，高精度的滾珠絲桿使用滲氮鋼來制造可以預防在熱處理時產生變形，選用的滲氮鋼牌號如鋼，需經處理后使用[12]。 根據(jù)工作條件需要絲桿也可以選用淬火鋼進行制造，還有的螺母也可以選擇鑄造錫青銅進行鑄造加工，其材料的表面應該要具有高硬度及耐磨性好的性能，及綜合機械性能也需要比較高才滿足要求。 2.2.3絲桿螺旋傳動的類型、特點與應

46、用 絲桿傳動裝置主要組成部分包含絲杠以及螺母，螺母與螺桿相互配合之后在電機的帶動下螺桿開始運動并實現(xiàn)傳動。它主要傳遞運動和動力，分為兩種：將旋轉運動轉成直線運動；直線運動變成旋轉運動。 滾珠絲桿的特點： （1）傳動效率更高：一般滾珠絲杠的滾珠與絲桿的接觸點是很小的，所以摩擦也很小，螺母與滾珠之間的運動是相對的，然而傳動效率可高達90%到98%這樣。與其他滑動螺旋相比，摩擦力小，可以由直線轉成旋轉運動。即使絲桿在很小的扭矩之下轉動，其推力也是很大（旋轉運動轉成直線運動），甚至對于其它傳統(tǒng)的螺桿系統(tǒng)要強上2~4倍的效果。 （2）運動平穩(wěn)性：滾珠絲桿工作起來摩擦阻力是很小的，也沒有任何的顫

47、動，十分流暢，在低速運動是滾珠沒有打滑現(xiàn)象還可以進行微量進給的控制，是很靈敏的，是傳統(tǒng)典型的點接觸滾動運動。 （3）精度高：滾珠絲杠在運轉時產生的溫度低，熱脹冷縮、軸向間隙拉伸等問題這些效果都不大，對其運轉無影響還具有較高的定位精度。 （4）高耐用性：滾珠絲杠副接觸點表面硬化，運動過程滾動，摩擦小，壽命長，精度很高。 （5）同步性好：多組滾珠軸承組合的傳動系統(tǒng)，運動起來很平穩(wěn)無滑動、無異響還靈敏，可同時完成多個傳動部件和裝置的控制，因而具有良好的同步效果。 （6）高可靠性：與常見的液壓、氣壓系統(tǒng)相比較故障較少，對其進行維護與保養(yǎng)很方便。只需要做好防塵、潤滑措施，有時候無潤滑也可以進行正

48、常的工作，但不能經常如此工作。 2.2.4滾珠絲桿螺母的設計計算 滾動絲桿屬于自鎖絲桿，需要進行校核其自鎖性，軸向力是在工作時主要承受的力，所以那時將產生的磨損是由滾珠與滾道之間的接觸引起的，從而也會影響到精度。一般的耐磨參數(shù)是根據(jù)滾珠絲桿的直徑與鎖緊螺母的高度這些基本尺寸而設計的，滾珠絲桿和螺母的工作中將受到很大力，可能會發(fā)生塑性變形或斷裂，為了防止這些問題的發(fā)生，需要對絲桿的危險截面和鎖緊螺母的強度進行有效的校核。對較長的絲桿容易受到軸向力的作用而失穩(wěn)，穩(wěn)定性是比較重要的，所以穩(wěn)定性也要校核；對于高速旋轉的長絲桿會產生橫向的擺動情況，為了防止橫向擺動校核臨界轉速是很重要的。在具體設計中

49、，需要根據(jù)具體的工作環(huán)境以及承載情況、失效形式來選擇與之對應的設計標準，且不需逐一檢查Error! Reference source not found.。 表3-1 螺旋傳動的常用材料 螺旋副 材料牌號 應用范圍 螺 桿 材料無需熱處理后可直接使用，適用于承載力不大，轉速較低的場合 該材料需要進行熱處理以提高其耐磨性，適用于重型傳動和高速傳動。 材料要熱處理來提高尺寸的穩(wěn)定性，適 用于 精 密 導 電 螺 桿 驅 動。 螺母 材料耐磨性好，適用于一般傳動 適用于重載荷的低速傳動，其材料的耐磨性與高強度良好，使用于大型的高速傳動，螺母要用鋼及鑄

50、鐵 制 造。 在本設計中Z軸選用滾珠絲桿，打印精度是由絲桿的運動穩(wěn)定性來決定的，特點也符合要求，選擇性能好的滾珠絲桿是最關鍵的一步，滾珠絲桿的選擇與工作場合也有一定的聯(lián)系。滾珠絲杠所能承受的最大軸向載荷為，支撐之間最大間距為，精度要求。按照所選用的絲杠參數(shù)進行阻力計算，根據(jù)額定靜載荷選用，額定靜載荷可依據(jù)下式進行運算： （3-17） 故： ——載荷性質系數(shù)；

51、 —動載荷影響系數(shù)， —最大軸向載荷 靜態(tài)載荷為。 查表可知使用壽命為：。 但是，主螺桿的螺距為：，Z軸馬達的速度為。得絲桿轉速為： （3-18） 滾珠絲 桿的螺 距，幾何參數(shù)如下表所示 。 表3-2 滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計算公式和結果（mm） 螺紋滾道 公稱直徑 20 螺 距 5 接觸角 鋼球直徑 2.175 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內徑

52、 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內徑（外循環(huán)） 螺母長度 Ln 33 （1）傳動效率計算 （3-19） —摩擦角；—絲桿螺紋升角。 故：效率為。 （2）對絲杠剛度進行驗算，在工作過程中絲杠受到負載使導程變化的變化量可通過下式予以計算： （3-20） 向 所受牽引力較大，因而可依照下式予以計算 （N）

53、（cm） () （3-21） 有： （cm） 導程的變化量較小，由此可通過下式計算導程差： （3-22） 查資料可知絲杠允許誤差值為，通過剛度校驗可知滿足使用需求。 （3）驗算絲桿的穩(wěn)定 性，扭 矩可通過下式予以計算： T （3-23） 式中G——移動部件自重 S——導程（cm） ——逆?zhèn)鲃有?，通常用正傳動效率代替? N.cm 根據(jù)上述計算過程可知，

54、通過型號：，當反應式步進電機驅動螺桿副時，不會發(fā)生逆向轉動現(xiàn)象。 （4）軸承的選擇 軸承在運行期間受到的沖擊是輕微的，所以影響不大，則根據(jù)工作條件與正常的工作溫度下選擇型號，軸承壽命預計為；軸承在工作過程中將受到軸向載荷，其受到最大的軸向載荷為，經過查詢資料可以得知滾動軸承型號為的基本額定動載荷為,基本額定靜載荷為。 本次設計中可以選用帶座軸承代替，安裝與維護都比較方便，則需要選用軸承型號為軸承。 查表， 當量負載：，軸承壽命可通過下式予以計算： （3-24） 溫度的系數(shù)：=1，=1；=3 得 壽命校核結果可知，本文選用

55、的軸承滿足使用條件。 （1）計算滾珠絲桿螺母副及選型 X軸方向最大軸向載荷為，支撐絲杠最大距離為，定位精度Error! Reference source not found.。額定載荷可通過下式予以計算： （3-25） ——載荷性質系數(shù)。 —影響系數(shù)， =1 —軸向載荷 額定靜載荷為 查表，壽命時間為，選擇螺距，絲桿轉速可通過下式予以計算： （3-26） 選擇螺距為，滾珠絲杠副參數(shù)如下

56、所示。 表3-3 滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù) （2）傳動效率計算 （3-27） 得出： 然而傳動效率為96%。 （3）驗算的剛度：由工作負 載使導 程發(fā)生的變 化量可通過下式予以計算： ΔL1=

57、 （3-28） 6 ()，(材料為45鋼) （） （3-29） 有： 變化量不大，由此可知，導程誤差可通過下式予以計算： （3-30） 選用的滾珠絲杠允許的誤差值為，根據(jù)校驗結果可知，滿足剛度需求。 （4）軸承的選擇 初選的型號為，正常工作的溫度環(huán)境下，其使用的壽命為，滾珠絲桿承受的是軸向載荷，所承受載荷的最大軸向載荷為。經過查資料了解到型號為的滾珠軸承的基本知識

58、，軸承的基本額定動載荷，基本額定靜載荷，查表 可知道 軸承壽 命可通過下式予以計算： 其中：=1；=1，為滾珠軸承，=3 得 根據(jù)軸承壽命校驗結果可知，該軸承合適。 2.2.5滾珠絲桿螺母的支承方式的選擇 滾珠絲桿有三種不同的支撐方式，如下圖所示： 圖3-3 滾珠絲桿的四種支撐方式 選用不同的滾珠絲杠支撐方式，其軸向載荷和轉速也有所差異。該設計采用第二種類型，一端固定另一端支持，適用中速和高精度。 2.2.6滾珠絲桿螺母的

59、潤滑和防塵隔離 （1）油潤滑 礦物油適用于大多數(shù)的滾動軸承，高轉速時滾珠絲桿副的溫度也是比較小的，油還可以降低其溫度，對滾珠絲桿而言油潤滑比脂潤滑好。如果使用油潤滑補充潤滑油的時間間隔八小時之后，在重新潤滑都可以。 （2）脂潤滑 如采用脂潤滑可以使用很長時間后，在進行補充脂潤滑，與油潤滑相比相隔的時間也長。但是脂潤滑使用太久了，要進行清理上面的雜物和舊的潤滑脂清理干凈，才能更換新的潤滑脂，一般是半年到一年換一次脂。廠家生產脂的時候裝脂的罐子上面都會有使用說明和提示，應按照上面的說明進行使用Error! Reference source not found.。 （3）防塵與隔離 由于

60、異物和灰塵是對滾珠螺桿與滾動軸承快速磨損和損壞的重要因素，所以需要進行采取防護措施，可安裝防塵圈即可實現(xiàn)防塵。 滾珠絲杠副設計時應當注意下述問題： 在安裝滾珠絲杠時應當保證螺母上受力均勻，還要保證作用在螺母上的合力經過滾珠絲杠軸心，可提升壽命和精度。 (2) 防逆轉：雖然滾珠絲杠傳動效率較高，但在實際應用過程中要防止擬傳動，在電機帶動絲桿，電機停下來時，產生的運動部件的自重慣性引起的逆?zhèn)鲃蝇F(xiàn)象，為了防止出現(xiàn)逆轉，可采用離合器或停電自鎖電機等方式。 (3) 防護：滾珠絲杠副在行程兩個方向要裝有行程開關，限制行程起到保護作用，以防超程撞壞其它東西及影響其精度和壽命。 (4) 防止熱變形：

61、在滾珠絲桿運動時產生的熱，還有其它部件產生的熱，這些熱對滾動絲桿的定位精度有重要影響，熱會導致絲桿膨脹而伸長。因而分析各種熱源因素采取措施控制熱源。 2.3 導向光桿和直線軸承的設計 2.3.1直線軸承的選擇 合適的工作溫度為：；不銹鋼軸承適用于環(huán)境較為惡劣的場合，軸承型號可按照下式予以確定。 硬度系數(shù)：硬度以上，；硬度，。 溫度系數(shù)：工作 溫度 小于，，工作 溫度，。 接觸系數(shù)FC計算過程如下： 每根軸裝一套軸承， 每根軸裝二套軸承， 每根軸裝三套軸承， 每根軸裝四套軸承， 表3-4 載荷系數(shù)FW 時間壽命可通過下式予

62、以計算： L——長度壽命 ， LS——工作行程， N1——每分鐘往復次數(shù) 已知裝置行程米，工作 溫度：， 往復 次數(shù)/min。 載荷：，硬度 ，壽命小時。 運行速度可通過下式予以確定： 載荷重量為，滑動軸承固定于X軸導向光桿并與其相互裝配，軸承座為固定式，本次設計中滑動軸承如下圖所示。 圖3-4 滑動軸承 表3-5 帶法蘭的滑動軸承參數(shù) 按照軸承的載荷情況，選用滑動軸承型號：，軸承中間 孔徑為：，這樣導向光桿 的直徑也 設計 為。 2.3.2直線軸承的安裝 公差等級、級，直線軸公差、級

63、，防止軸承鋼球脫落或保持器損壞，導向軸須對準直線軸承孔輕輕的插入，使軸心與軸承中心重合，直線軸承安裝方向可以跟滾珠絲桿副一樣安裝。 軸承座與X軸一端是一體的，直線軸承使用四顆螺栓固定在軸承座上，軸承座的孔可能會壓到軸承導致游隙變小，可以用手輕輕旋轉軸，看軸是否可以接觸鋼球并且可以輕松旋轉。這時，間隙為；如果軸更難旋轉，間隙為；或者軸不能旋轉，配合間隙大于，如果轉動軸時鋼球同時也在做滑動，這樣會使軸和軸承的壽命大大降低。直線軸承是不能旋轉的只是里面的滾珠在轉動而已，因此直線軸承應該很好地定向Error! Reference source not found.。 2.3.3直線軸承潤滑和防塵

64、 軸承上有防銹油，在使用時不必把防銹油清洗掉，可直接加潤滑劑使用。根據(jù)工作時的溫度來選擇潤滑油，若工作溫度較低則選用粘度較低的潤滑油，若工作溫度較高則選用粘度較高的潤滑油，常用的潤滑油類型為：透平油、機械油和錠子油。在進行軸承密封時要將潤滑油加到軸承內，無密封圈的軸承潤滑油滴在軸上就好?；覊m或異物進入到軸承內會導致保持器與滾珠的損壞，降低軸承使用壽命，如對于一些粉塵較大的場所像鍛造機械、木工機械，則軸承兩端需加密封圈。 2.3.4導向光桿的固定座 導向光桿是固定的不需要轉動，根據(jù)光桿的直徑選擇固定座，固定座的參數(shù)如下： 圖3-5 導向光桿固定座的參數(shù) 本設計選擇的是兩面切割法蘭型的固

65、定座，導向光桿兩端都需要固定座固定。 2.4 Z軸聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是電機與絲桿連接的部分，無特殊要求，只需考慮安裝、拆卸與 經濟 方面、經常 正反轉、起動 頻繁的場合 就行，然而選用彈性套柱銷 聯(lián)軸器，工作溫度為。取工作 情況系數(shù) 。 計算聯(lián)軸器承受轉矩 （3-33） 根據(jù)電機輸出軸的直徑為，及轉矩來選擇聯(lián)軸器。故：合適彈性套柱銷聯(lián)軸器型號為，主要的技術參數(shù)和尺寸如下： 圖3-6 彈性套柱銷聯(lián)軸器工作圖示例 表3-6 彈性套柱銷聯(lián)軸器的參數(shù) 2.5 X、Y軸同步帶輪設計 （1）設定功率 電

66、機額定功率為0.6KW，假定電動機工作時間為10小時，查表可知工作系數(shù)。 表3-7 載荷系數(shù)KA （2）選定同步帶帶型和節(jié)距 帶傳動功率較小，根據(jù)選型圖來選擇帶輪的型號，最終選擇型帶，節(jié)距。 圖3-7 同步帶選型圖 （3）選主動輪（小帶輪）的齒數(shù) 通過小帶輪的轉速來確定其中的齒數(shù)，經過查表得知小同步帶輪最小齒數(shù)為。 表3-8 小帶輪的最小齒數(shù) （4）計算主動帶輪的直徑d1的值 （3-34） （5）大同步帶輪數(shù)據(jù)確定 同步帶的傳動比設為，先計算出大同步帶輪的齒數(shù)，故 （3-35） 大帶輪齒數(shù)，實際傳動比可通過下式予以計算： 大帶輪節(jié)圓直徑可通過下式予以計算： 同步帶輪轉速可通過下式予以計算