畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
任務(wù)下達(dá)日期：
設(shè)計(jì)開(kāi)題日期：
設(shè)計(jì)開(kāi)始日期：
中期答辯日期：
設(shè)計(jì)完成日期：
一、設(shè)計(jì)題目： 三軸3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
二、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
1、可行性論證：設(shè)計(jì)三種結(jié)構(gòu)方案，分析其可行性，選出最優(yōu)方案。
2、設(shè)計(jì)計(jì)算：對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，X、Y、Z軸光桿彎矩校核，擠出機(jī)擠出力核，
對(duì)所選用的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行校核，判斷其是否合理。
3、設(shè)計(jì)圖紙：3D打印機(jī)裝配圖A0 零件圖A1
4、特色專(zhuān)題：3D打印機(jī)三維建模
三、設(shè)計(jì)目標(biāo)： 利用三維軟件完成3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 打印行程要求：225mm×245mm×235mm；最高速度200mm／s；要求取用遠(yuǎn)程擠出機(jī)構(gòu)；尺寸精度控制在0.3mm之內(nèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握CAD相關(guān)軟件，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決 問(wèn)題的能力，最終設(shè)計(jì)出符合要求的結(jié)構(gòu) 。
指 導(dǎo) 教 師：
院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)：
2017 年 12 月 15日
摘 要
本文通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、可行性方案論證、方案對(duì)比的方法運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款亞克力板龍門(mén)式3D打印機(jī)，該3D打印機(jī)采用同步帶和絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，Z向雙電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，選擇遠(yuǎn)程擠出機(jī)構(gòu)，打印噴頭采用喉管?chē)婎^一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，絲杠結(jié)構(gòu)框架，開(kāi)源控制軟件、固件和控制板。
通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算與校核，對(duì)所設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出符合要求的3D打印機(jī)。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3D打印機(jī)；亞克力板；
Abstract
In this paper, the 3D printer is designed by market research, feasibility scheme demonstration and scheme comparison. The 3D printer uses synchronous belt and screw drive structure, Z drives the double motor simultaneously, selects the remote extrusion mechanism, and the printing nozzle adopts the integrated structure of the throat nozzle. The structure of the lead screw, open source control software, firmware and control board.
Through the calculation and verification of the design, the assembly of the designed parts is designed, design a 3D printing to meet the requirements.
Key words: Structural design; 3D printing; acrylic board;
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 3D打印技術(shù)的概述 1
1.2 3D打印原理的分類(lèi) 1
1.2.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù) 1
1.2.2 熔融沉積造型 1
1.2.3 立體光固造型技術(shù) 2
1.2.4 數(shù)字光處理技術(shù) 2
第2章 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及可行性論證 4
2.1 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4
2.1.1 方案1 框架式3D打印機(jī) 4
2.1.2 方案2 懸臂梁式3D打印機(jī) 4
2.1.2 方案3 龍門(mén)式3D打印機(jī) 5
2.2 3D打印機(jī)方案可行性論證 6
2.2.1 方案1評(píng)價(jià) 6
2.2.2 方案2評(píng)價(jià) 7
2.2.3 方案3評(píng)價(jià) 7
2.3 方案確定 7
第3章 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算 9
3.1 技術(shù)參數(shù)及其坐標(biāo)系的確定 9
3.1.1 技術(shù)參數(shù) 9
3.1.2 3D打印機(jī)坐標(biāo)系選擇 9
3.2 電機(jī)的選擇 10
3.2.1 X方向電機(jī)的選擇 10
3.2.2 Y方向電機(jī)的選擇 11
3.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.3.1 選材標(biāo)準(zhǔn) 12
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 13
3.4 光桿導(dǎo)軌的校核 16
3.4.1 X方向運(yùn)動(dòng)光桿的受力分析 16
3.4.2 Y方向光桿運(yùn)動(dòng)受力分析 17
3.5 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.5.1 X軸方向同步帶計(jì)算 18
3.5.2 Y軸方向同步帶計(jì)算 20
3.6 直線軸承的選用 21
3.6.1 直線運(yùn)動(dòng)軸承額定載荷 21
3.6.2 靜態(tài)安全系數(shù) 22
3.6.3 直線系統(tǒng)的額定壽命 22
3.6.4 額定壽命 22
3.7 擠出機(jī)的擠出力校核 23
3.8 聯(lián)軸器的選擇與分類(lèi) 24
3.8.1 聯(lián)軸器的分類(lèi) 24
3.8.2 聯(lián)軸器的選擇 24
3.9 環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面的思考 25
3.9.1 本次設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境的影響 25
3.9.2 可持續(xù)發(fā)展方面的思考 26
第4章 產(chǎn)品使用與維護(hù) 27
4.1 3D打印機(jī)的基本調(diào)試 27
4.1.1 打印平臺(tái)的基本調(diào)試 27
4.1.2 限位開(kāi)關(guān)的調(diào)試 27
4.1.3 工作臺(tái)的調(diào)平 27
4.1.4 平臺(tái)移動(dòng)距離的校準(zhǔn) 28
4.2 3D打印機(jī)的使用方法 28
4.3 3D打印機(jī)的維護(hù) 28
4.3.1 每天預(yù)防性維護(hù) 28
4.3.2 長(zhǎng)久維護(hù)方法 28
第5章 畢業(yè)設(shè)計(jì)特色專(zhuān)題 30
5.1 非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì) 30
5.1.1 Z方向左側(cè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì) 30
5.1.2 Z方向右側(cè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì) 31
5.1.3 滑塊的設(shè)計(jì) 31
5.1.4 Y方向連接器的設(shè)計(jì) 32
5.1.5 X方向連接器的設(shè)計(jì) 33
5.1.6 打印噴頭固定架的設(shè)計(jì) 33
5.1.7 Y向電機(jī)固定架的設(shè)計(jì) 34
5.1.8 Y方向軸承固定架的設(shè)計(jì) 35
5.1.9 支撐座的設(shè)計(jì) 35
5.1.10 亞克力板框架設(shè)計(jì) 36
5.1.11 電機(jī)支架的設(shè)計(jì) 37
5.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 37
5.2.1 總裝配圖 37
5.2.2 傳動(dòng)原理 38
結(jié) 論 39
參考文獻(xiàn) 40
致 謝 42
V
CONTENTS
摘 要 I
Abstract II
PartⅠ Introduction 1
1.1 An overview of 3D printing technology 1
1.2 The classification of the principle of 3D printing 1
1.2.1 Selective laser sintering technology 1
1.2.2 Molten deposition modeling 1
1.2.3 Stereoscopic stereo solid modeling technology 2
1.2.4 Digital optical processing technology 2
PartⅡ Structure scheme design and feasibility demonstration of 3D printer 4
2.1 Structure scheme design of 3D printer 4
2.1.1 Scheme 1 frame type 3D printer 4
2.1.2 Scheme 2 cantilever beam type 3D printer 4
2.1.2 Scheme 3 Longmen type 3D printer 5
2.2 Feasibility demonstration of 3D printer scheme 6
2.2.1 Programme 1 Evaluation 6
2.2.2 Programme 2 Evaluation 7
2.2.3 Programme 3 Evaluation 7
2.3 Scheme determination 7
Part Ⅲ Design and calculation of 3D printer 9
3.1 Determination of design scheme 9
3.1.1 technical parameter 9
3.1.2 Selection of 3D printer coordinate system 9
3.2 Selection of motor 10
3.2.1 Selection of X direction motor 10
3.2.2 Selection of Y direction motor 11
3.3 Design and calculation of ball screw 12
3.3.1 Material selection standard 12
3.3.2 Calculation of load and speed of ball screw pair 13
3.4 Check of light bar guide 16
3.4.1 The force analysis of X direction optical rod motion 16
3.4.2 The force analysis of Y direction optical rod motion 17
3.5 Design and calculation of synchronous belt 18
3.5.1 Calculation of X axis synchronous belt 18
3.5.2 Calculation of Y axis synchronous belt 20
3.6 Selection of linear bearings 21
3.6.1 Rated load of linear motion bearing 21
3.6.2 Static safety factor 22
3.6.3 The rated life of a linear system 22
3.6.4 Rated life 22
3.7 Extrusion force checking of extruder 23
3.8 Selection and classification of couplings 24
3.8.1 The classification of couplings 24
3.8.2 Selection of couplings 24
3.9 Consideration of environmental protection and sustainable development 25
3.9.1 The impact of this design on the environment 25
3.9.2 Thinking on the aspect of sustainable development 26
Part Ⅳ Product use and maintenance 27
4.1 Basic debugging of 3D printer 27
4.1.1 Basic debugging of printing platform 27
4.1.2 Adjustment of limit switch 27
4.1.3 Leveling of the worktable 27
4.1.4 Calibration of platform moving distance 28
4.2 The method of using 3D printer 28
4.3 Maintenance of 3D printer 28
4.3.1 Daily preventive maintenance 28
4.3.2 Long term maintenance method 28
Part Ⅴ Special topic of graduation design 30
5.1 Design of non standard parts 30
5.1.1 Design of left and down platform of Z direction 30
5.1.2 Design of right and down platform of Z direction 31
5.1.3 Design of slider 31
5.1.4 Design of Y directional connector 32
5.1.5 Design of X directional connector 33
5.1.6 Design of printing nozzle fixator 33
5.1.7 Design of Y direction motor fixed frame 34
5.1.8 Design of Y direction bearing fixed frame 35
5.1.9 Design of support seat 35
5.1.10 Acrylic plate frame design 36
5.1.11 Design of motor support 37
5.2 The design of the overall structure 37
5.2.1 General assembly drawing 37
5.2.2 Transmission principle 38
Conclusion 39
Reference 40
Acknowledgement 42
VIII
第1章 緒論
1.1 3D打印技術(shù)的概述
3D打印技術(shù)為80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，是造型技術(shù)的一項(xiàng)突破性進(jìn)展。它現(xiàn)有十多種名稱(chēng)，如增彩制造、快速原型、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、以及桌上制造工藝等。此項(xiàng)技術(shù)不同于傳統(tǒng)的制造方法，它綜合了激光技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及許多先進(jìn)性技術(shù)和知識(shí)。他最突出的優(yōu)點(diǎn)是增材制造，無(wú)需機(jī)械加工或者任何輔助，也不需要任何模具，通過(guò)三維軟件的建模生成任何模型，導(dǎo)出3D打印機(jī)需要的格式，從而極大的縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率并且降低了成本。當(dāng)今，這項(xiàng)技術(shù)正在飛速的發(fā)展，已經(jīng)越來(lái)越引起了人們的廣泛重視，目前，很多公司都在研究這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展起了及其重要的推力作用[1]。
1.2 3D打印原理的分類(lèi)
1.2.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)
選擇性激光燒結(jié)法又稱(chēng)為選區(qū)激光燒結(jié)法。它的原理是預(yù)先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料，可以是金屬粉末或非金屬粉末，激光在計(jì)算機(jī)的控制下，按照界面的輪廓信息，對(duì)實(shí)心部分粉末進(jìn)行激光燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。SLS工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于選材較為廣泛，如尼龍、蠟、樹(shù)脂裹覆砂、聚碳酸脂、金屬和陶瓷粉末等材料都可以作為燒結(jié)對(duì)象[2]。粉床上未被燒結(jié)部分成為已燒結(jié)部分的支撐結(jié)構(gòu)，因而無(wú)需考慮支撐系統(tǒng)。
由于該類(lèi)成型方法有著制造工藝簡(jiǎn)單、柔性度高、材料選擇范圍廣、材料價(jià)格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特點(diǎn)，針對(duì)以上特點(diǎn)SLS法主要用于鑄造業(yè)，并且可以用來(lái)直接制作快速模具[3]。
1.2.2 熔融沉積造型
熔融沉積造型法采用熱融噴頭使半流動(dòng)半凝固狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑上擠壓并沉積在預(yù)先設(shè)定的地方成型，逐層沉積經(jīng)過(guò)凝固后最終形成零件圖樣，這一技術(shù)稱(chēng)為熔化堆積法。這是一種將各種熱熔性的材料加熱熔化成形方法，它技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)便宜，系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒(méi)有產(chǎn)生環(huán)境污染，工藝干凈、簡(jiǎn)單、易于操作且不產(chǎn)生垃圾，可以快速構(gòu)建各種復(fù)雜的零件，易于搬運(yùn)和快速更換，但是問(wèn)題在于精度低，豎直方向強(qiáng)度小，成形速度較慢，不適合構(gòu)建大型零件。
1.2.3 立體光固造型技術(shù)
這種工藝方法適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模以及產(chǎn)品的功能測(cè)試。在實(shí)際在生活中有著很多應(yīng)用立體光固造型技術(shù)原理，又稱(chēng)激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置。它是基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的光聚合原理工作的，這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)和功率的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對(duì)分子質(zhì)量急劇增大，材料材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)SLA的原理是由CAD系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型，但對(duì)表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)切得薄些，其他一般部分切得厚一些。隨后CAM軟件再根據(jù)各薄層平面的運(yùn)動(dòng)指令，再結(jié)合提升機(jī)構(gòu)沿Z坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動(dòng)，形成整個(gè)零件的數(shù)控加工指令。指令輸入SLA系統(tǒng)中，首先是工作臺(tái)下降至液體容器的液面之下，對(duì)應(yīng)與CAD模型最下一層切片的厚度處，根據(jù)切片的平面幾何數(shù)據(jù)，紫外光照射可固化的液態(tài)樹(shù)脂，在紫外光的作用下，因光聚合作用，第一層被固化在工作臺(tái)上。然后，升降工作臺(tái)下降至第二層切片厚度，激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描液面，使新一層液態(tài)樹(shù)脂固化并緊緊貼在前一層已固化的樹(shù)脂上，如此反復(fù)生長(zhǎng)，直至形成整個(gè)三維實(shí)體零件[4]。
1.2.4 數(shù)字光處理技術(shù)
數(shù)字光處理技術(shù)能夠在構(gòu)建部件時(shí)，使用高分辨率的數(shù)字光處理器設(shè)備投影儀來(lái)固化液態(tài)光聚合物，分別逐層的進(jìn)行光固化，由于每層固化時(shí)通過(guò)幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類(lèi)型的SLA速度更快，該流程重復(fù)，直至徹底將模型構(gòu)建完成。
DLP技術(shù)能夠提供在準(zhǔn)確性、材料屬性、細(xì)節(jié)和表面光潔度等方面可匹敵注塑成型的塑料部件。它讓工程師能夠在產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)前驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的形狀、匹配和功能，從而避免成本高昂的生產(chǎn)模具修改和縮短上市時(shí)間[5]。大規(guī)模生產(chǎn)前評(píng)估產(chǎn)品的設(shè)計(jì);驗(yàn)證設(shè)計(jì)的形狀、匹配和功能，提供概念模型，改善溝通的方式，在設(shè)計(jì)方面都有很大的應(yīng)用價(jià)值。
第2章 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及可行性論證
2.1 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1.1 方案1 框架式3D打印機(jī)
框架式3D打印機(jī)，包括底座和“門(mén)”字型框架式的支架，支架上部前側(cè)面水平設(shè)有安裝柱，安裝柱上設(shè)有料盤(pán)；支架的中下部水平設(shè)有滑軌，滑軌上設(shè)有出料裝置；支架下方的底座上設(shè)有加熱底盤(pán)；底座前側(cè)為弧面結(jié)構(gòu)并設(shè)置顯示屏和操作按鈕；底座前側(cè)面上設(shè)有USB和SD卡插孔；滑軌包括兩個(gè)上下平行設(shè)置的滑桿，出料裝置穿設(shè)在滑桿上；安裝柱外側(cè)設(shè)有限位帽。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如下：
（1） 升降裝置：步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接滾珠絲杠，工作臺(tái)通過(guò)直線導(dǎo)軌與絲杠上絲杠螺母相連接，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)控制工作平臺(tái)上下移動(dòng)。
（2） X、Y方向移動(dòng)：通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)同步輪，一根同步帶來(lái)控制打印噴頭X、Y正反方向的移動(dòng)。
圖2-1 框架式3D打印機(jī)傳動(dòng)圖
2.1.2 方案2 懸臂梁式3D打印機(jī)
懸臂梁式3D打印機(jī)主要有四部分組成，分別為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、材料擠出機(jī)構(gòu)，它們各自用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該3D打印機(jī)水平面內(nèi)的材料成型依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)共同作用實(shí)現(xiàn)。懸臂式3D打印機(jī)打印頭通過(guò)打印頭固定件與水平導(dǎo)軌連接，而水平導(dǎo)軌滑塊又以滾珠絲杠螺母副的方式與水平導(dǎo)軌連接在一起并由水平伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打印頭的左右移動(dòng)，這樣就構(gòu)成了懸臂式打印機(jī)的懸臂梁。懸臂梁結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)易，結(jié)構(gòu)合理，堅(jiān)固耐用，美觀大方，層重能力好，空間利用率高等特點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如下：
（1）升降裝置：在底座上固定一豎直鋁型材，將直線導(dǎo)軌通過(guò)螺栓固定于鋁型材上，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接同步帶輪，皮帶的兩端固定在直線軸承同步輪上，皮帶連接同步帶輪，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)直線軸承的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)Z軸方向移動(dòng)。
（2）X方向移動(dòng)：鋁型材通過(guò)連接件固定于Z軸方向上的直線軸承上，將直線導(dǎo)軌通過(guò)螺栓固定于鋁型材上，步進(jìn)電機(jī)軸連接同步帶輪，皮帶的兩端固定在直線軸承上，皮帶連接同步帶輪，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)直線軸承的左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸方向移動(dòng)。
（3）Y方向移動(dòng)：將直線導(dǎo)軌固定在底座上，通過(guò)同步帶連接直線軸承，工作臺(tái)固定在直線軸承上，電機(jī)通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)同步帶前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。
圖2-2 懸臂梁式3D打印機(jī)傳動(dòng)圖
2.1.2 方案3 龍門(mén)式3D打印機(jī)
龍門(mén)式3D打印機(jī)主體框架采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，整體支撐結(jié)構(gòu)件以重量輕、價(jià)格便宜且易加工的鋁合金材料為主。打印機(jī)機(jī)械部分主要由基座、打印工作臺(tái)、三軸傳動(dòng)系統(tǒng)、打印噴頭、鉸鏈結(jié)構(gòu)等部件組成。整體設(shè)計(jì)以基座為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)打印工作臺(tái)Y方向的移動(dòng)，X、Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)打印頭X方向和Z方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)維度的打印需求。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如下：
（1） 升降裝置：兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)通過(guò)絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z方向上下運(yùn)動(dòng)。
（2）X方向移動(dòng)：在X方向上任一支撐端通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)，同步帶帶動(dòng)直線軸承的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)X方向上的運(yùn)動(dòng)。
（3）Y方向移動(dòng)：工作臺(tái)的移動(dòng)或者X軸在Y方向上的移動(dòng)，Y方向上步進(jìn)電機(jī)可固定于X方向上也可固定于Y方向上，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)Y方向上的運(yùn)動(dòng)。
圖2-3 龍門(mén)式3D打印機(jī)圖
2.2 3D打印機(jī)方案可行性論證
2.2.1 方案1評(píng)價(jià)
框架式3D打印機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用H型傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和調(diào)試結(jié)構(gòu)新穎，運(yùn)動(dòng)精巧，一根同步帶就可以控制X、Y軸的運(yùn)動(dòng)，Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠，傳動(dòng)精度較高，可以實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。
缺點(diǎn)是一根同步帶同時(shí)控制X、Y兩個(gè)方向的進(jìn)給，穩(wěn)定性以及精度不是太高，并且框架式結(jié)構(gòu)占用空間較大，傳動(dòng)的鋁合金框架并不能一直保證打印機(jī)的精度，需要定期維護(hù)，維護(hù)成本較高。
2.2.2 方案2評(píng)價(jià)
懸臂梁式3D打印機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)主要靠豎直導(dǎo)軌滑塊上下移動(dòng)和水平導(dǎo)軌滑塊左右移動(dòng)來(lái)控制X、Z方向移動(dòng)，Y方向移動(dòng)靠工作臺(tái)的水平移動(dòng)來(lái)完成。優(yōu)點(diǎn)是兩力構(gòu)件將會(huì)是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，而它的移動(dòng)件重量減至最低且同時(shí)由三個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，因此機(jī)器很容易高速化，且擁有低慣性，在成本上會(huì)低于其他兩款打印機(jī)，不存在串聯(lián)機(jī)構(gòu)（xyz構(gòu)架）的幾何誤差累積和放大的象，甚至還有平均化效果，故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)。懸臂梁結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)易，結(jié)構(gòu)合理，堅(jiān)固耐用，美觀大方，層重能力好，空間利用率高等特點(diǎn)。根據(jù)層載力可分為輕型懸臂梁、中型懸臂梁、重型懸臂梁。根據(jù)懸臂可分為單面懸臂梁和雙面懸臂梁。
以材料力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在水平導(dǎo)軌滑到最右邊時(shí)，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，滑道最左端時(shí)，懸臂梁應(yīng)力和變形最小，其剛度重量比高于傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，所以水平導(dǎo)軌相對(duì)于其他機(jī)構(gòu)易變形，造成精度變低。其次，懸臂梁式3D打印機(jī)由于懸臂長(zhǎng)度的影響，其打印面積比其他兩種打印機(jī)要小，并且市場(chǎng)上懸臂式機(jī)型特別少，大眾對(duì)這種結(jié)構(gòu)認(rèn)可度不高。
2.2.3 方案3評(píng)價(jià)
龍門(mén)式3D打印機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)主要靠水平方向上滑塊左右移動(dòng)和豎直方向的滑塊上下移動(dòng)來(lái)控制想X、Z方向的運(yùn)動(dòng)，Y方向靠工作臺(tái)的水平移動(dòng)來(lái)完成，龍門(mén)式結(jié)構(gòu)外型新穎，占地面積小，更小的桌面占用面積可獲得更大的打印尺寸，XY軸精密導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，Z軸方向采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，增加了傳動(dòng)速度以及傳動(dòng)精度，穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便快捷。整機(jī)成本較低；安裝精度高，其精度可以輕松達(dá)0.1mm：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝、維修等都較為方便，便于安裝和維護(hù)，固件調(diào)試簡(jiǎn)單，集合了兩種打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，龍門(mén)式3D打印機(jī)為市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的一種機(jī)型，造價(jià)相對(duì)于其他兩種要低很多。
2.3 方案確定
經(jīng)過(guò)對(duì)比，龍門(mén)式3D打印機(jī)相對(duì)于框架式3D打印機(jī)要占用更小的占地面積，但是同等占地面積要比框架式架構(gòu)打印面積大很多，并且節(jié)約了很多材料，降低了成本。龍門(mén)式3D打印機(jī)相對(duì)于懸臂梁式3D打印機(jī)機(jī)構(gòu)更加穩(wěn)定，不用擔(dān)心X軸尺寸問(wèn)題，因此可以設(shè)計(jì)更大的打印尺寸。龍門(mén)式結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于操作，維護(hù)成本較低，系統(tǒng)運(yùn)行安全，同時(shí)可以成型任意復(fù)雜程度的零件，支撐去除簡(jiǎn)單，便于維護(hù)與升級(jí)。
綜上所述，選擇方案三設(shè)計(jì)方案。
第3章 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 技術(shù)參數(shù)及其坐標(biāo)系的確定
3.1.1 技術(shù)參數(shù)
本次設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)能夠通過(guò)X、Y、Z三個(gè)方向上的移動(dòng)，完成產(chǎn)品的打印，有較好的可靠性、合理性、安全性。根據(jù)對(duì)3D打印機(jī)的了解，通過(guò)參照實(shí)際3d打印機(jī)的大體尺寸，設(shè)定雕刻機(jī)的基本參數(shù)為：
（1）最大進(jìn)給速度：200mm/s；
（2）物理尺寸：448mm×380mm×380mm；
（3）工作區(qū)：214mm×214mm；
（4）精度：0.3mm；
（5）打印耗材：pla；
（6）接口模式：USB；
3.1.2 3D打印機(jī)坐標(biāo)系選擇
根據(jù)右手笛卡爾直角坐標(biāo)系確定3D打印機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖3-1所示，首先選擇打印噴頭的上下運(yùn)動(dòng)作為Z軸方向，打印噴頭向上運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸正方向；由右手法則可知，以打印平臺(tái)移動(dòng)的方向?yàn)閅軸方向，打印平臺(tái)遠(yuǎn)離面前方向?yàn)閅軸正方向；以打印噴頭在橫梁上的移動(dòng)作為X軸方向，面對(duì)3D打印機(jī)打印噴頭右移方向?yàn)閄軸正方向。
圖3-1 右手笛卡爾直角坐標(biāo)系
3.2 電機(jī)的選擇
3.2.1 X方向電機(jī)的選擇
3D打印機(jī)做水平直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服兩直線軸承和兩光桿導(dǎo)軌之間的摩擦力，其次還要克服傳動(dòng)過(guò)程中的慣性力，所以驅(qū)動(dòng)力F可參照公式：
（3-1）
式中 ——各支承處的摩擦阻力，N；
——啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力，N；
（3-2）
式中 ——摩擦系數(shù)，取0.1；
——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
（3-3）
式中 ——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
——啟動(dòng)過(guò)程中的平均加速度，是速度增量與水平移動(dòng)速度所用時(shí)間的比值，m/；
根據(jù)3D打印機(jī)移動(dòng)的最高速度v=0.2 m/s，快速進(jìn)給速度從靜止加速到工作速度的增量為0.2m/s，所用時(shí)間為0.1s，因此加速度如下：
已知擠出機(jī)質(zhì)量0.8kg，直線軸承質(zhì)量為0.014kg，本部分需要兩個(gè)，固定擠出機(jī)的3D打印件經(jīng)軟件測(cè)量，打印材料為pla，密度為,所以打印件的質(zhì)量為：
。
根據(jù)公式（3-2）和（3-3）計(jì)算：
根據(jù)公式（3-1）計(jì)算：
步進(jìn)電機(jī)的功率為：
式中 取80%。
42BYGH47型步進(jìn)電機(jī)額定電壓2.8V,額定電流1.68A，因此
滿足要求。
表3-1 42BYGH47步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
額定電壓
2.8V
最大靜力矩
4.4kg-cm
減速比
51
電流
1.68A
軸徑
5mm
機(jī)身長(zhǎng)度
47mm
3.2.2 Y方向電機(jī)的選擇
3D打印機(jī)做Y方向水平直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要是靠打印平臺(tái)的水平移動(dòng)來(lái)完成，需要克服四個(gè)直線軸承與兩個(gè)光桿導(dǎo)軌之間的摩擦力，其次還要克服傳動(dòng)過(guò)程中的慣性力，所以驅(qū)動(dòng)力F可參照公式（3-1）：
式中 ——各支承處的摩擦阻力，N；
——啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力，N；
摩擦阻力可參照公式（3-2）
式中 μ——摩擦系數(shù)，取0.1；
——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
啟動(dòng)過(guò)程中慣性力可參照公式（3-3）
式中 ——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
——啟動(dòng)過(guò)程中的平均加速度，是速度增量與水平移動(dòng)速度所用比值，m/；
根據(jù)3D打印機(jī)移動(dòng)的最高速度v=0.2m/s，快速進(jìn)給速度從靜止加速到工作速度的增量為0.2 m/s，所用時(shí)間為t=0.1s，因此：
已知MK3熱床質(zhì)量大約0.4kg，底座大約0.3kg，直線軸承重量0.014kg（此處用四個(gè)），各螺栓螺母質(zhì)量忽略不計(jì)，則：
根據(jù)公式（3-3）：
根據(jù)公式（3-2）：
根據(jù)公式（3-3）：
步進(jìn)電機(jī)的功率為：
式中 取80%。
42BYGH47型步進(jìn)電機(jī)額定電壓2.8V,額定電流1.68A，因此
滿足要求。
3.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 選材標(biāo)準(zhǔn)
選材的基本原則是材料在能滿足零件使用性能的前提下，具有較好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。
材料的使用性能是指機(jī)械零件在正常工作條件下應(yīng)具備的力學(xué)、物理、化學(xué)等性能，是保證該零件可靠性的基礎(chǔ)。對(duì)一般機(jī)械零件來(lái)說(shuō)，選材時(shí)主要考慮的是其力學(xué)性能；而對(duì)于非金屬材料制成的零件，還應(yīng)該考慮其工作環(huán)境對(duì)零件性能的影響。
零件按力學(xué)性能選材時(shí)，首先應(yīng)正確分析其工作條件、形狀尺寸及應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合該類(lèi)零件出現(xiàn)的主要失效形式，找出其在實(shí)際使用中的主要和次要的失效抗力指標(biāo)，以此作為選材的依據(jù)。根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和Z向最大速度，計(jì)算電機(jī)導(dǎo)程，Z向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇42BYGH47,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速4400r/min，電機(jī)與滾珠絲杠直連，傳動(dòng)比為1，Z向運(yùn)動(dòng)速度10mm/s，即600mm/min，因此：
實(shí)際取，可滿足速度要求。
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算
（1）光桿導(dǎo)軌滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計(jì)算取靜摩擦系數(shù)為0.006，則光桿導(dǎo)軌靜摩擦力為：
（3-4）
式中 ——步進(jìn)電機(jī)以及固定電機(jī)座的質(zhì)量；
因此根據(jù)公式（3-4）可以計(jì)算
由于Z方向電機(jī)所傳遞的力除了光桿與導(dǎo)軌之間的靜摩擦力，還有其余負(fù)載，因此：
式中 ——光桿與導(dǎo)軌之間的靜摩擦力，N；
G——負(fù)載的重量，N；
絲杠主要用于Z向傳動(dòng)，其阻力主要來(lái)自于導(dǎo)軌與滑塊之間的摩擦力和Z方向負(fù)載的重力，則有：
（3-5）
式中 v——Z方向進(jìn)給速度，mm/s；
——Z方向絲杠導(dǎo)程，mm；
根據(jù)公式（3-5）得：
滾珠絲杠的當(dāng)量載荷：
滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速:
（2）滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷
按照滾珠絲杠副的預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：
（3-6）
式中 ——當(dāng)量轉(zhuǎn)速；
——預(yù)期工作時(shí)間，取15000小時(shí)；
——負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊選擇=1；
——精度系數(shù)，二級(jí)精度選擇=1；
——可靠性系數(shù)，一般選擇=1；
（3）Z方向電機(jī)的選擇
選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)型號(hào)選取為42BYGH47,額定電壓2.8V，額定電流1.68A，扭矩0.44，轉(zhuǎn)子慣量，Z向運(yùn)動(dòng)工件總質(zhì)量為0.465kg，則外部負(fù)荷的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
外部負(fù)載荷產(chǎn)生的摩擦扭矩：
（3-7）
式中 ——滾珠絲杠副導(dǎo)程，mm；
——未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率，=0.8；
——外加軸向載荷，含導(dǎo)軌摩擦力，N；
根據(jù)公式（3-7）得：
預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：
（3-8）
式中 ——滾珠絲杠副間的預(yù)緊力，；
——滾珠絲杠副導(dǎo)程，mm；
——未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率，=0.8；
根據(jù)公式（3-8）得：
加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩：
根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：Z方向最大運(yùn)動(dòng)速度為10mm/s，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為600r/pm，最大加速度為a=15m/，則Z軸工作部分速度從0升至10mm/s所需時(shí)間為：
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止升至600rpm時(shí)，其負(fù)荷扭矩如下：
（3-9）
式中 J——外部負(fù)荷的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
根據(jù)公式（3-9）得：
電機(jī)的總扭矩：
（3-10）
式中 ——外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦扭矩，；
——預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩，；
——加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩，；
根據(jù)公式（3-10）得：
所選擇的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為0.44，大于計(jì)算電機(jī)扭矩3倍以上，所選擇的電機(jī)符合要求。
3.4 光桿導(dǎo)軌的校核
3.4.1 X方向運(yùn)動(dòng)光桿的受力分析
因?yàn)閄方向運(yùn)動(dòng)有兩根相同的光桿導(dǎo)軌支撐，他們所受的力的大小方向都是一樣的，所以在受力分析時(shí)可以把它當(dāng)為一根來(lái)計(jì)算，先取光桿隨意一點(diǎn)c，就是噴頭運(yùn)動(dòng)的位置作受力分析：
光桿導(dǎo)軌長(zhǎng)345mm，令a=100mm，b=245mm，總的向下的力F為X方向兩光桿所支撐的總重量的重力，所以F如下：
（1）確定約束力,,所以：
圖3-2 光桿受力圖
（2）求剪力和彎矩
取，噴頭極限靠近于左方，噴頭作用于點(diǎn)處的剪力和彎矩大小如下：
（3-11）
（3-12）
根據(jù)公式（3-11）和（3-12）得：
`
圖3-3 光桿剪力圖
圖3-4 光桿彎矩圖
3.4.2 Y方向光桿運(yùn)動(dòng)受力分析
因?yàn)閅方向運(yùn)動(dòng)有兩根相同的光桿導(dǎo)軌支撐，他們所受的力的大小方向都是一樣的，所以在受力分析時(shí)可以把它當(dāng)為一根來(lái)計(jì)算，先取光桿隨意一點(diǎn)c，就是打印平臺(tái)的位置作受力分析：
因?yàn)閅方向運(yùn)動(dòng)有兩根相同的光桿導(dǎo)軌支撐，他們所受的力的大小方向都是一樣的，所以在受力分析時(shí)可以把它當(dāng)為一根來(lái)計(jì)算，先取光桿隨意一點(diǎn)c，就是打印平臺(tái)的位置作受力分析：
光桿導(dǎo)軌長(zhǎng)448mm，令a=100mm，b=348mm，總的向下的力F為Y方向兩光桿所支撐的總重量的重力，所以F如下：
（1）確定約束力,,（見(jiàn)圖3-2）所以：
（2）求剪力和彎矩
取，打印平臺(tái)無(wú)限靠近于前方，打印平臺(tái)作用于點(diǎn)處的剪力和彎矩大小如下（見(jiàn)圖3-3，3-4）：
（3-11）
（3-12）
根據(jù)公式（3-11）和（3-12）得：
3.5 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.5.1 X軸方向同步帶計(jì)算
帶傳動(dòng)工作時(shí)，電機(jī)通過(guò)同步帶輪作用在帶上的摩擦力使帶與輪發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閹Ч潭?，所以同步輪運(yùn)動(dòng)，由于同步輪上所受摩擦力方向相反，使帶在同步輪的兩邊的拉力發(fā)生變化，帶繞進(jìn)同步輪一邊的拉力增大，拉力由增至，被拉得更緊，稱(chēng)為緊邊，繞出同步帶的一邊拉力減小，由減至，帶有外松，稱(chēng)為松邊。
即或
（1）選擇同步帶型號(hào)
根據(jù)傳遞功率、傳遞用途和工作情況等確定傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率為：
（3-13）
式中 P——所需傳遞的功率，kW；
——工作情況系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-8取=1;
根據(jù)公式3-13得：
本次設(shè)計(jì)因?yàn)橥捷嗇^小，選取2GT同步帶，2GT同步帶具有高強(qiáng)張力線，抗延伸能力強(qiáng)，帶距小，節(jié)省空間等特點(diǎn)。
（2）同步帶所能傳遞的許用功率功率[]:
（3-14）
式中 ——同步帶所能傳遞的許用功率，kW；
——單根普通同步帶額定功率的增量，kW。本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比i=1，??；
——同步帶和同步輪的包角，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-7，取0.676；
——帶長(zhǎng)修正系數(shù)，實(shí)際帶長(zhǎng)不等于實(shí)驗(yàn)帶長(zhǎng)時(shí)對(duì)傳動(dòng)能力的影響見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)表6-2，帶長(zhǎng)L取500mm，=1.02；
式中根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-5取=0.035KW，根據(jù)公式（3-14）得：
故選用2GT同步帶符合要求。
（3）計(jì)算帶速
同步輪和同步帶嚙合，同步輪和同步帶在嚙合處有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于同步帶保持靜止，同步輪的速度即為同步帶的速度。
（3-15）
式中： v——帶速，m/s；
d——同步輪直徑，mm；
n——同步輪轉(zhuǎn)速，r/min；
根據(jù)公式（3-15）得出同步帶帶速為：
（4）計(jì)算單根同步帶的初拉力
初拉力小，帶的張力小易打滑，初拉力過(guò)大，則帶的壽命降低，一般 認(rèn)為，保證帶傳動(dòng)正常工作的單根帶合適的初拉力為：
（3-16）
式中： q——查機(jī)械設(shè)計(jì)取B型帶，q=0.06；
z——同步帶根數(shù)；
根據(jù)公式3-16得：
（5）計(jì)算帶作用在軸上的力
根據(jù)公式（3-16）得：
3.5.2 Y軸方向同步帶計(jì)算
（1）選擇同步帶型號(hào)
根據(jù)傳遞功率、傳遞用途和工作情況等確定傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率為：
（3-13）
式中 P——所需傳遞的功率kW；
——工作情況系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-8取=1;
根據(jù)公式3-13得：
本次設(shè)計(jì)因?yàn)橥捷嗇^小，選取2GT同步帶，2GT同步帶具有高強(qiáng)張力線，抗延伸能力強(qiáng)，帶距小，節(jié)省空間等特點(diǎn)。
（2）同步帶所能傳遞的許用功率功率[]:
（3-14）
式中 ——同步帶所能傳遞的許用功率，kW；
——單根普通同步帶額定功率的增量，kW。本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比i=1，??；
——同步帶和同步輪的包角，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-7，取0.676;
——帶長(zhǎng)修正系數(shù)，實(shí)際帶長(zhǎng)不等于實(shí)驗(yàn)帶長(zhǎng)時(shí)對(duì)傳動(dòng)能力的影響見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)表6-2，帶長(zhǎng)L取500mm，=1.02；
式中根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-5取=0.035KW，根據(jù)公式（3-14）得：
故選用2GT同步帶符合要求。
（3）計(jì)算帶速
同步輪和同步帶嚙合，同步輪和同步帶在嚙合處有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于同步帶保持靜止，同步輪的速度即為同步帶的速度。
（3-15）
式中 v——帶速，m/s；
d——同步輪直徑，mm；
n——同步輪轉(zhuǎn)速，r/min；
根據(jù)公式（3-15）得出同步帶帶速為：
（4）計(jì)算單根同步帶的初拉力
初拉力小，帶的張力小易打滑，初拉力過(guò)大，則帶的壽命降低，一般 認(rèn)為，保證帶傳動(dòng)正常工作的單根帶合適的初拉力為：
（3-16）
式中 q——查機(jī)械設(shè)計(jì)取B型帶，q=0.06；
z——同步帶根數(shù)；
根據(jù)公式3-16得：
（5）計(jì)算帶作用在軸上的力
根據(jù)公式（3-16）得：
3.6 直線軸承的選用
3.6.1 直線運(yùn)動(dòng)軸承額定載荷
通過(guò)在相同的條件下單獨(dú)運(yùn)行多個(gè)同樣的直線軸承，如果90%的直線系統(tǒng)可以在此載荷下運(yùn)行50千米，并且未產(chǎn)生滾動(dòng)疲勞引起的損壞情況 ，對(duì)此結(jié)果評(píng)估即可得出此值，這是得出額定值的基礎(chǔ)，
3.6.2 靜態(tài)安全系數(shù)
此系數(shù)以表中說(shuō)明的應(yīng)用條件為基礎(chǔ)進(jìn)行使用：
表3-1 fs取用表
使用條件
Fs的下限
軸的偏移和所受沖擊較小時(shí)
1~2
考慮到彈性變形時(shí)
2~4
設(shè)備受震動(dòng)和沖擊時(shí)
3~5
3.6.3 直線系統(tǒng)的額定壽命
只要在有載荷時(shí)直線系統(tǒng)在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不斷作用于直線系統(tǒng)的力，由于材料疲勞，便會(huì)在滾動(dòng)體和滾動(dòng)道之間產(chǎn)生剝落。直至第一次產(chǎn)生剝落時(shí)，直線系統(tǒng)所移動(dòng)距離稱(chēng)為系統(tǒng)的壽命。即使在相同的條件下使用同樣尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、熱處理方式的系統(tǒng)，其壽命也不完全相同。這些差異由材料本身疲勞程度的差異引起。額定壽命用作直線系統(tǒng)預(yù)期壽命的一個(gè)指標(biāo)。
3.6.4 額定壽命
額定壽命在同樣的條件下同樣尺寸的多個(gè)系統(tǒng)未產(chǎn)生剝落的90%的系統(tǒng)移動(dòng)的總距離。額定壽命可以使用基本額定動(dòng)載荷和直線系統(tǒng)上的載荷根據(jù)以下等式算出：
（3-16）
由于實(shí)際載荷不易進(jìn)行計(jì)算，所以在設(shè)計(jì)直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮到震動(dòng)沖擊載荷以及載荷分配的補(bǔ)償和影響，額定壽命還受工作溫度范圍影響，在這些條件下，根據(jù)（3-16）表達(dá)式如下：
（3-17）
式中 ——基本額定動(dòng)載荷，N。本次選用軸承型號(hào)為lm8uu，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-17取12；
——硬度指數(shù)，取1；
——溫度系數(shù)，取1；
——接觸系數(shù)，此次設(shè)計(jì)一根軸上兩個(gè)軸承，取0.81；
——載荷系數(shù)，此次設(shè)計(jì)無(wú)外部沖擊且速度較低，取1 ；
根據(jù)公式3-17得：
綜上所述，此款直線軸承符合要求。
3.7 擠出機(jī)的擠出力校核
已知42步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)如表3-1所示。
擠出機(jī)在低速工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的力矩接近靜轉(zhuǎn)矩，此步進(jìn)電機(jī)的為0.48。且嚙合齒輪分別為47齒和9齒，模數(shù)為1.5，兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)的力是一樣的，所以有以下等式：
（3-18）
式中 ——兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)的力，N；
——電機(jī)最大擠出力，N；
根據(jù)公式（3-18）得：
=35.56N，=397.88N
所以步進(jìn)電機(jī)允許的最大擠出力為397.88N。
而擠出機(jī)工作時(shí)，耗材是由兩個(gè)擠出輪夾緊的，電機(jī)帶動(dòng)的擠出輪為驅(qū)動(dòng)力，另一個(gè)為阻力，且耗材是由彈簧壓著的，彈簧的線徑d=1mm，中徑，有效圈，長(zhǎng)度L=20mm的不銹鋼系數(shù)為8的彈簧，查表可知彈簧的K=0.38kgf/mm。測(cè)試得當(dāng)打印機(jī)以最快速度運(yùn)行時(shí)需要彈簧的最大壓縮量，且是四根彈黃一起壓著耗材，所以此時(shí)的正壓力,由于耗材的強(qiáng)度不是很大，電機(jī)帶動(dòng)的擠出輪有許多尖點(diǎn)，在149.122N 的力作用下一把部分耗材壓入到擠出輪的齒下，這樣就可以近似默認(rèn)此時(shí)的摩擦系數(shù)，另一個(gè)擠出輪為軸承，表面很光滑，就可以近似認(rèn)為此時(shí)的摩擦系數(shù)，因此：
可知打印機(jī)所需的最大擠出力為149.122 N。而步進(jìn)電機(jī)提供的的最大擠出力為397.88 N 。
149.122N < 397.88N 所以選用的步進(jìn)電機(jī)符合要求。
3.8 聯(lián)軸器的選擇與分類(lèi)
3.8.1 聯(lián)軸器的分類(lèi)
按照聯(lián)軸器的性能可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。
（1）無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器：這類(lèi)聯(lián)軸器因具有撓性，故可補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移。但因無(wú)彈性元件，故不能緩沖減振。如：凌斯十字滑塊聯(lián)軸器，十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器，齒形聯(lián)軸器等
（2）有彈性元件的撓性聯(lián)軸器：這類(lèi)聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對(duì)位移，而且具有緩沖減振的能力。彈性元件所能儲(chǔ)蓄的能量越多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈強(qiáng)；彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時(shí)零件間的摩擦功愈大、則聯(lián)軸器的減振能力愈好。這類(lèi)聯(lián)軸器目前應(yīng)用很廣，品種亦愈來(lái)愈多。如：滾子鏈聯(lián)軸器，彈性套柱銷(xiāo)連軸器，梅花形彈性聯(lián)軸器，輪胎型彈性聯(lián)軸器，膜片式聯(lián)軸器等。
3.8.2 聯(lián)軸器的選擇
在選擇標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器時(shí)應(yīng)該根據(jù)使用要求和工作條件，如承載能力、轉(zhuǎn)速、兩軸相對(duì)位移、緩沖吸震以及裝拆、維修更換易損元件等綜合分析來(lái)確定。具體選擇時(shí)可以考慮以下幾點(diǎn)：
（1）原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的機(jī)械特性；
（2）聯(lián)軸器聯(lián)接的軸系及其運(yùn)轉(zhuǎn)情況；
（3）工作機(jī)的轉(zhuǎn)速高低；
（4）聯(lián)軸器的對(duì)中和對(duì)中保持程度，保持良好的對(duì)中是使運(yùn)轉(zhuǎn)正常的前提，防止產(chǎn)（5）生過(guò)大附加載荷及其他不良工況；
（6）聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)及工作特性；
（7）聯(lián)軸器的制造、安裝和維護(hù)成本；
（8）