直寫快速成型機(jī)身部分的設(shè)計(jì)

I 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文 誠(chéng)誠(chéng) 信信 聲聲 明明 書(shū)書(shū) 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究（設(shè) 計(jì)）工作及取得的研究（設(shè)計(jì)）成果。除了文中加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文（設(shè)計(jì)） 中不包含其他人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究（設(shè)計(jì)）成果，也不包含本人或其 他人在其它單位已申請(qǐng)學(xué)位或?yàn)槠渌猛臼褂眠^(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究 （設(shè)計(jì)）所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了致謝。 申請(qǐng)學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）與資料若有不實(shí)之處，本人愿承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文 知知 識(shí)識(shí) 產(chǎn)產(chǎn) 權(quán)權(quán) 聲聲 明明 書(shū)書(shū) 本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：在校期間所做論文（設(shè)計(jì)）工作 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬西安科技大學(xué)所有。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù) 印件和電子版。本人允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱；學(xué)校可以公布本學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 的全部或部分內(nèi)容并將有關(guān)內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其它 復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密論文待解密后適用本聲明。 學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 II 題目：直寫快速成型機(jī)身部分的設(shè)計(jì)題目：直寫快速成型機(jī)身部分的設(shè)計(jì) 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè) 學(xué)生：沙世名學(xué)生：沙世名 （簽名）（簽名） 指導(dǎo)教師：楊來(lái)俠（教授）指導(dǎo)教師：楊來(lái)俠（教授） （簽名）（簽名） 摘要摘要 近年來(lái)，隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，新的快速成型技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。直寫快 速成型技術(shù)就是最具代表，最有生命力的快速成型技術(shù)之一，其適用于家用電器、辦公 室用品、建筑模型、醫(yī)學(xué)模型等領(lǐng)域的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。直寫快速成型技術(shù)無(wú)需刀具或制模， 這大大提高了成型效率，解決了在該技術(shù)在材料選用方面的局限性，具有巨大的應(yīng)用潛 能和廣闊的市場(chǎng)前景。因此，開(kāi)展直寫快速成型機(jī)械部分的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文針對(duì)經(jīng)濟(jì)型快速成形的市場(chǎng)應(yīng)用需求，對(duì)基于雙頭噴射的直寫快速成形機(jī)進(jìn)行 了機(jī)身部分的設(shè)計(jì)。這包括：對(duì)直寫快速成型機(jī)的總體設(shè)計(jì)及零部件設(shè)計(jì)；繪制直寫快 速成型機(jī)總裝配圖及零部件圖；最終撰寫此說(shuō)明書(shū)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：快速成型；直寫快速成型機(jī)；設(shè)計(jì) III Subject: The Mechanical Design on Direct Writing Rapid Prototyping Machine ABSTRACT In recent years, with the development of rapid prototyping technology, a new rapid prototyping technologies are emerging. Direct Writing Rapid Prototyping Technologyis one of the most viable the rapid prototyping technology and its suit to new products development in the field of home appliances，office basics，architecture and medical models etc Without the tool or mould making direct writing rapid prototyping technology, which greatly improves the forming efficiency, solves in the selection technique of limitations in material, it has an enormous application potential and broad market prospects. Therefore, research on rapid prototyping machine part of the writing, has important practical significance. In this paper, aiming at the demand of rapid prototyping of economic market application, the double injection were mechanical system design is reasonable and reliable by forming system based on direct writing. This includes: Z shaft lifting transmission device, sprinkler transmission and mount transmission device, the working surface design, calculation, drawing its structure diagram and parts diagram. Keywords：Rapid Prototyping, Direct Writing Rapid Prototyping Machine, Design IV 目目 錄錄 1 1、緒論、緒論1 1 1.1 選題背景及意義.1 1.2 快速成型技術(shù)及其分類簡(jiǎn)介.1 1.2.1 快速成型基本原理.2 1.2.2 快速成型的分類及其特點(diǎn)3 1.3 直寫快速成型技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4 1.4 論文主要章節(jié)安排6 2 2、直寫快速成型制造法、直寫快速成型制造法7 7 2.1 直寫快速成型技術(shù)的工作原理7 2.2 直寫快速成型技術(shù)的特點(diǎn).8 2.3 直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用.8 3 3、直寫快速成型機(jī)整體部分設(shè)計(jì)、直寫快速成型機(jī)整體部分設(shè)計(jì).9 9 3.1 總體方案設(shè)計(jì)9 3.1.1 總體設(shè)計(jì)方案一9 3.1.2 總體設(shè)計(jì)方案二10 3.2 總體方案設(shè)計(jì)比較.11 3.3 總體設(shè)計(jì)方案選擇確定.12 3.4 直寫快速成型總體布局設(shè)計(jì).12 4 4、直寫快速成型機(jī)主要零部件設(shè)計(jì)、直寫快速成型機(jī)主要零部件設(shè)計(jì)1414 4.1 Y 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).14 4.1.1 Y 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想14 4.1.2 直流伺服電機(jī)的選擇計(jì)算14 4.1.3 同步齒形帶的計(jì)算16 4.1.4 軌道設(shè)計(jì).19 V 4.2 Z 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).20 4.2.1 Y 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想20 4.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定20 4.2.3 脈沖當(dāng)量、傳動(dòng)比、步距角的確定.21 4.2.4 滾珠絲杠的選型、計(jì)算、校核.21 4.2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇26 4.2.6 聯(lián)軸器的選擇.29 4.2.7 軸承的選擇.30 4.3 X 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).30 4.3.1 X 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想30 4.3.2 直流伺服電機(jī)的選擇計(jì)算31 4.3.3 同步齒形帶的計(jì)算32 4.3.4 軌道的設(shè)計(jì).33 4.3.5 噴頭到工作面的距離選擇34 4.3.6 總結(jié).35 5 5、結(jié)論、結(jié)論.3636 致謝致謝.3737 參考文參考文獻(xiàn)獻(xiàn).3838 1 1 1、緒論、緒論 1.11.1 選題背景及意義選題背景及意義 隨著科技進(jìn)步和全球市場(chǎng)一體化的形成,制造業(yè)已經(jīng)從單品種、大批量、長(zhǎng)周期向 品種多、批量、周期短的方向發(fā)展。為此,快速響應(yīng)市場(chǎng)需求,成為制造業(yè)發(fā)展的重要走 向【1】。本世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來(lái)的快速成型（Rapid Prototyping，RP）就是在這種背 景下逐步形成并得到發(fā)展的。它是先進(jìn)制造群的一個(gè)重要組成部分，其對(duì)促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品 創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力都有積極的推動(dòng)作用。 近幾年來(lái)，RP 技術(shù)的應(yīng)用已得到了全面的發(fā)展，快速成型技術(shù)已在機(jī)械制造、工業(yè) 造型、航空航天、軍事、輕工、家電、考古、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)、雕刻、等領(lǐng)域都得到了 廣泛應(yīng)用。并且隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫骄C合拓展。 目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中技術(shù)成熟應(yīng)用比較廣泛的成型工 藝和設(shè)備主要有以下幾種：光固化成型法 SLA(Stereo lithography Apparatus)、分層 實(shí)體制造法 LOM(Laminated Object Manufacturing)、選擇性激光燒結(jié)法 SLS(Selective Laser Sintering)和熔融沉積制造法 FDM(Fused Deposition Manufacturing)【2】。 其中直寫式快速成型技術(shù)無(wú)需刀具或制模,縮短了制造周期,并突破了其他快速成形 技術(shù)在材料上的限制【3】,與其他快速成形技術(shù)相比,具有成本低、能耗少、成型速度快, 特別是可用材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，本文所研究直寫快速成型機(jī)身部分的設(shè)計(jì)就 具有顯著的意義。 1.21.2 快速成型技術(shù)及其分類簡(jiǎn)介快速成型技術(shù)及其分類簡(jiǎn)介 快速成型技術(shù)是當(dāng)今世界上飛速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)之一，其最早產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 七十年代末到八十年代初，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，并于 20 世紀(jì)九十 年代初期引進(jìn)我國(guó)。它集機(jī)械工程、CAD、材料學(xué)、數(shù)控技術(shù)、分層制造技術(shù)、激光技 2 術(shù)于一身，解決了傳統(tǒng)加工制造中的許多問(wèn)題，巧妙地將工程師的設(shè)計(jì)思想快速精確地 轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵Ｒ驗(yàn)?快速成型技術(shù)在對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程 中產(chǎn)生的廢棄物不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染（傳統(tǒng)機(jī)械加工的冷卻液等對(duì)環(huán)境污染影響很 大） ，所以在當(dāng)今強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)保的今天，這也是一項(xiàng)跨時(shí)代的先進(jìn)綠色制造技術(shù)【4】。 1.2.11.2.1 快速成型基本原理快速成型基本原理 快速成型技術(shù)采用采用離散/堆積成型原理。當(dāng)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行使用時(shí)，首先設(shè)計(jì)者運(yùn)用 三維 CAD 軟件或利用逆向工程收集到的幾何數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化模型，這是快速成型技術(shù) 中一項(xiàng)基本條件。設(shè)計(jì)者通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件建立三維模型，然后利用三維 CAD 導(dǎo)出相應(yīng) 的文件格式輸入到快速成型機(jī)，其通過(guò)點(diǎn)面分析進(jìn)行三維實(shí)體的立體堆積。零件完成后， 我們對(duì)其進(jìn)行后續(xù)處理，使最終成型部件在形狀尺寸外觀性能上均達(dá)到設(shè)計(jì)要求【5】。 基本過(guò)程如圖 1-1 所示： 圖 1-1. 快速成型技術(shù)工藝過(guò)程示意圖 CADCAD 模型模型 Z Z 向離散化（分層）向離散化（分層） 層面信息處理層面信息處理 層面制造與連接層面制造與連接 層面全部層面全部 加工完畢加工完畢 后處理后處理 Y Y N N 分分 析析 過(guò)過(guò) 程程 計(jì)算計(jì)算 機(jī)中機(jī)中 信息信息 處理處理 組組 合合 過(guò)過(guò) 程程 成型成型 機(jī)中機(jī)中 堆積堆積 過(guò)程過(guò)程 3 1.2.21.2.2 快速成型的分類及其特點(diǎn)快速成型的分類及其特點(diǎn) (1)光固化快速成型(Stereo Lithography Apparatus，簡(jiǎn)稱 SLA) 光固化快速成型技術(shù)是最早實(shí)用化的快速成型技術(shù)，以光敏樹(shù)脂的聚合反應(yīng)為基礎(chǔ)， 使紫外激光束沿零件各分層界面輪廓對(duì)液態(tài)樹(shù)脂進(jìn)行掃描，使之由點(diǎn)到線，由線到面順 序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固 化另一個(gè)層面.這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。SLA 以其方便、生產(chǎn)周期短，在模具與 塑料加工業(yè)使用越來(lái)越廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是能直接得到類似塑料的樹(shù)脂件，且表面粗糙度較 小。 (2)選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱 SLS) 選擇性激光燒結(jié)采用二氧化碳激光器作為能源，在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄 (100200 微米)石蠟或塑料粉末，激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性的 進(jìn)行燒結(jié)，未掃描到的地方仍成粉末。一層完成后在升降工作臺(tái)并再次鋪上粉末進(jìn)行下 一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完成后去掉多余的粉末并進(jìn)行打磨、烘干等處理。它的缺點(diǎn)是使用 及維護(hù)費(fèi)用高；需要預(yù)熱和冷卻，后處理麻煩；受粉末顆粒大小及激光光斑的限制；成 型過(guò)程產(chǎn)生有毒氣體和粉末，污染環(huán)境【6】。 (3)分層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing，簡(jiǎn)稱 LOM) 分層實(shí)體制造是將單面涂有熱熔膠的紙、陶瓷箔或金屬箔等通過(guò)加熱輥加熱粘結(jié)成 一層，位于上方的激光器按照 CAD 模型數(shù)據(jù)，用激光將材料切割成所需要的輪廓，然后 用熱壓輥再貼一層材料在上面，并再次切割，如此循環(huán)往復(fù)，直至加工完整個(gè)零件的造 型。LOM 具有成型速度快、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是制件的粘接強(qiáng)度與所選的基材 和膠種密切相關(guān)；廢料的分離較費(fèi)時(shí)間。 (4)熔絲沉積造型(Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱 FDM) 熔絲沉積造型是將各種熱熔型材料(石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲)等加熱到臨 界狀態(tài)，噴頭根據(jù) CAD 模型數(shù)據(jù)擠壓出這些呈半流動(dòng)狀態(tài)的材料，經(jīng)凝固形成 0.025 0.762 毫米的薄層。這樣自下而上，一層層的堆疊沉積直至形成整個(gè)零件的三維實(shí)體。 4 其操作環(huán)境干凈，安全，材料利用率高且選用的材料較多，但其精度低，成行速度相對(duì) 較慢。下表為幾種典型的快速成型工藝指標(biāo)對(duì)比。 表 1-1 幾種典型工藝的比較 表 1.31.3 直寫直寫快速成型技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀快速成型技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 直寫快速成型技術(shù)最關(guān)鍵的就是液滴的均勻噴射技術(shù)。目前，利用超聲波噴嘴的液 滴噴射的研究已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。液滴噴射是一種用外力迫使液體以液滴 的形式從小孔中射出的技術(shù)【7】。1878 年，科學(xué)家 Rayleigh 提出液滴噴射的原型，實(shí)際 上就是把液流分裂成液滴，而直到 1951 年，實(shí)用的噴射設(shè)備才出現(xiàn)。液滴噴射從技術(shù) 上可分為隨機(jī)式（Drop-On-Demand）和連續(xù)式（Continuous）兩類。連續(xù)噴射的液滴按 一定的頻率不斷射出，而隨機(jī)噴射的液滴只在有需要的時(shí)候才噴出。前者以電荷控制型 為代表，而后者又可分為壓電式、電熱式（氣泡式） 、電磁閥式等。 80 年代中期開(kāi)始，液滴噴射技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。液滴噴射技術(shù)具有成本低、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原料節(jié)省、定位精度高等優(yōu)勢(shì)，但是，一方面，噴射系統(tǒng)中為防止噴頭被堵 塞，所以對(duì)其溶液的微粒分散性有很高要求；另一方面，當(dāng)今技術(shù)又很難對(duì)稀的分散體 進(jìn)行快速固化使其密度均勻。但是近年來(lái)，溶膠一凝膠和納米分散技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展， 這無(wú)不對(duì)噴射技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)質(zhì)的飛躍。 工藝 指標(biāo) 光固化快速 成型(SLA) 選擇性激光 燒結(jié)(SLS) 三維打印 (3DP) 分層實(shí)體制 造(LOM) 熔絲沉積造 型(FDM) 加工速度快慢快快慢 加工精度高低低高低 復(fù)雜程度一般復(fù)雜復(fù)雜簡(jiǎn)單一般 零件大小小件小件小件大件小件 加工成本高低低低低 使用材料熱固性光敏 樹(shù)脂 石蠟、陶瓷、 塑料粉末 石蠟、陶瓷、 塑料粉末 紙、陶瓷箔 或金屬箔 ABS、尼龍、 蠟等 5 上世紀(jì) 90 年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)提出了均勻液滴噴射快速成型技 術(shù)【8】，這是一種新型的快速成形工藝，設(shè)計(jì)者們將噴墨打印技術(shù)的想法應(yīng)用到制造領(lǐng) 域而最終得到研發(fā)，其理論依據(jù)是射流的線性不穩(wěn)定理論。近年來(lái)，E.Sachs 教授領(lǐng)導(dǎo) 下的試驗(yàn)室對(duì) 3DP Printing 工藝及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入分析，他們的研究工作同樣 是在原型樣機(jī)上進(jìn)行的。他們不僅對(duì)樣機(jī)的機(jī)械與控制系統(tǒng)做了進(jìn)一步調(diào)整改善，更把 金屬基材料噴射技術(shù)作為重中之重。其噴頭采用紅寶石制成，噴孔直徑 50um，得到的試 樣層厚 100um。他們利用此工藝加工那些外形復(fù)雜，一般機(jī)械無(wú)法加工得到的金屬型， 例如具有復(fù)雜內(nèi)流道的葉片，以及具有復(fù)雜冷卻流道的注塑模等金屬結(jié)構(gòu)件。美國(guó) MicroFab 公司專門從事快速成形機(jī)開(kāi)發(fā)的商業(yè)機(jī)構(gòu)，對(duì)此技術(shù)也展開(kāi)了研究【9-11】， 他們生產(chǎn)的 JetLab 成型系統(tǒng)在快速成形機(jī)市場(chǎng)中也具有一定的影響力。 隨著噴射技術(shù)的研發(fā)，目前我國(guó)大量研究者對(duì)液滴噴射技術(shù)也進(jìn)行了廣泛關(guān)注，并 展開(kāi)了深入研究，取得了一定的成果。華中理工大學(xué)馬如震等人【12】經(jīng)過(guò)幾年探究，就 基于微小熔滴快速成型技術(shù)的加工工藝和成型方法做出了一定的成果。其團(tuán)隊(duì)對(duì)各項(xiàng)制 造技術(shù)數(shù)據(jù)做了相關(guān)分析和討論，包括（溫度、振幅、飛行距離、掃描速度和噴射頻率 的實(shí)時(shí)匹配、壓電晶體的振動(dòng)頻率） ，其團(tuán)隊(duì)還對(duì)影響快速成型質(zhì)量的工作參數(shù)進(jìn)行了 比對(duì)與選擇；清華大學(xué)顏永年教授提出離散-堆積成型學(xué)原理并利用微滴噴射技術(shù)開(kāi)發(fā) 出低溫冰型快速成形系統(tǒng)【13】。天津大學(xué)化工學(xué)院陳松等人利用均勻液滴噴射技術(shù)研發(fā) 生產(chǎn)了粒徑在mm 的粒狀化工產(chǎn)品，并對(duì)噴嘴的射流斷裂，震動(dòng)噴流造粒，粒堿等 方面進(jìn)行觀察，對(duì)射流斷裂形成均勻液滴的流速、材料特性、 、頻率范圍及噴嘴形狀、 振動(dòng)方向等因素的影響進(jìn)行探討；中國(guó)科技大學(xué)自行研制了噴頭組合溶液噴射儀，這 有望在光電器件、微制造以及材料等科學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用【14】；西安科技大學(xué)楊來(lái)俠 教授一直從事快速成型技術(shù)(液體噴射)及相關(guān)領(lǐng)域的研究，并取得一定成果。 回顧快速成型技術(shù)自九十年代的發(fā)展史，我們無(wú)不對(duì)其在制造業(yè)中的貢獻(xiàn)而感到驚 嘆。現(xiàn)如今無(wú)論是個(gè)體、企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)均采用這項(xiàng)新技術(shù)在制造業(yè)這個(gè)很大的領(lǐng)域中 不斷鞏固向前。我國(guó)的快速成型技術(shù)還處于一種萌芽階段，無(wú)論從技術(shù)、材料、科研還 是人才儲(chǔ)備方面都與國(guó)外有很大的差距，面對(duì)一項(xiàng)新挑戰(zhàn)，我們需要在其相關(guān)領(lǐng)域不斷 探索，不斷總結(jié)，努力承擔(dān)起 21 世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的新重任。 6 1.41.4 論文主要章節(jié)安排論文主要章節(jié)安排 本論文主要目的在于深入理解直寫快速成型機(jī)的工作原理，并在閱讀部分中外相關(guān) 文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)直寫快速成型機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。論文內(nèi)容共分為五個(gè)部 分，各章節(jié)內(nèi)容概括如下： 第一章 緒論。簡(jiǎn)要介紹快速成型技術(shù)概況及直寫快速成型機(jī)在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以 及本文的選題背景，意義和主要工作。 第二章 直寫快速成型制造法概述。簡(jiǎn)要介紹直寫快速成型機(jī)的工作原理及其優(yōu)勢(shì)所 在。最后介紹了直寫快速成型機(jī)基于本身優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用。 第三章 直寫快速成型機(jī)整體設(shè)計(jì)方案確定。將幾種總體方案進(jìn)行對(duì)比并最后選取一 種合理經(jīng)濟(jì)的方案。最后進(jìn)行了總體布局設(shè)計(jì)。 第四章 直寫快速成型機(jī)機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)器各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算， 完成設(shè)計(jì)內(nèi)容。 第五章 總結(jié)。對(duì)本論文研究成果進(jìn)行總結(jié)，并在最后附有參考文獻(xiàn)。 7 2 2、直寫快速成型制造法、直寫快速成型制造法 2.12.1 直寫快速成型技術(shù)的工作原理直寫快速成型技術(shù)的工作原理 直寫快速成型機(jī)示意圖如下圖 2-1 所示。它主要由液體噴頭、固體噴頭、計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)、三維控制系統(tǒng)和光固化機(jī)構(gòu)組成。其原理為：首先設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)上繪制出零 件的三維 CAD 模型，然后利用現(xiàn)有分層軟件對(duì)該三維模型進(jìn)行 Z 向一系列有序單元分化 離散化(分層處理)，從而得到該模型截面的輪廓信息，緊接著進(jìn)行層面信息處理即 將這些信息輸送給三維控制系統(tǒng)，使三維控制系統(tǒng)控制液、固 2 個(gè)噴頭在 X-Y 平面內(nèi)按 已設(shè)計(jì)預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng),在相應(yīng)的位置滴出成型材料,并使其在固化機(jī)構(gòu)的作用下迅速固化,從 而形成零件上的 1 個(gè)成型層。依據(jù)此方法，當(dāng) 1 層加工完成后,工作臺(tái)相對(duì)噴頭離開(kāi) 1 個(gè)很小的特定距離,繼續(xù)進(jìn)行第 2 層的制造。依次反復(fù),就可形成所需要的零件模型。 圖 2-1 直寫快速成型系統(tǒng)工作原理示意圖 1.電機(jī) 2.固化機(jī)構(gòu) 3.固體噴頭 4.液體噴頭 5.計(jì)算機(jī) 6.工件 7.工作臺(tái) 8 2.22.2 直寫快速成型技術(shù)的特點(diǎn)直寫快速成型技術(shù)的特點(diǎn) 直寫快速成型技術(shù)延續(xù)了快速成型技術(shù)的精髓，其不需要刀具或模具制造,與其他 制造工藝相比，這大大縮短了制造周期,并且突破了其他快速成形技術(shù)在材料上的限制。 直寫快速成型在與其他成形(如 SLA、SLS、FDM、LOM 等)技術(shù)相比,具有低成本、高效率、 成型精度高,制造復(fù)雜零件的可行性，特別是可用材料選用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于直寫式 快速成型系統(tǒng),只要嚴(yán)格控制系統(tǒng)的背壓、噴射頻率、噴嘴孔徑等,便可使材料從噴嘴中 按照理想的結(jié)果噴出,最后通過(guò)外界的固化機(jī)構(gòu)使其黏結(jié)在一起,制成零件模型。 2.32.3 直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用 直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用范圍【15】很廣,主要應(yīng)用于如下領(lǐng)域: 1)生物醫(yī)學(xué)制造,以 FDM/SLS 形式制造骨骼植入體、組織工程細(xì)胞載體框架結(jié)構(gòu)等 復(fù)雜三維構(gòu)件; 2)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證，RP 技術(shù)快速將 CAD 模型轉(zhuǎn)化為所需實(shí) 體，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)其外觀，裝配性，合理性進(jìn)行分析修改，這樣就不會(huì)造成因誤差或 其他原因造成很大的損失。 3)功能梯度材料的制備,通過(guò)多個(gè)噴頭定量定點(diǎn)精確噴射多種材料,可以裝配成可控 組分分布的材料和功能梯度材料; 4)微電子業(yè)的應(yīng)用,半導(dǎo)體的封裝,電路板印刷; 5)航空航天領(lǐng)域,受損航天器中結(jié)構(gòu)件的快速修復(fù)。 9 3 3、直寫快速成型機(jī)整體部分設(shè)計(jì)、直寫快速成型機(jī)整體部分設(shè)計(jì) 直寫快速成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作快捷方便，根據(jù)其特點(diǎn)我們可以將機(jī)身部分拆分為 幾個(gè)部分，即工作臺(tái)面、液固噴頭、電機(jī)、X-Y-Z 傳動(dòng)系統(tǒng)、光固化機(jī)構(gòu)、機(jī)身和機(jī)殼。 其中： (1)工作臺(tái)面：在工作臺(tái)完成零件加工，工作臺(tái)每次下降的距離即為層厚。零件加 工完后，工作臺(tái)升起，以便取出制造好的工件，并為下一次加工做準(zhǔn)備。工作臺(tái)的升降 由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。 (2)液、固噴頭：在噴嘴被壓系統(tǒng)的作用下，控制噴嘴安全可靠地噴灑出覆膜砂和 粘結(jié)劑等材料于工作臺(tái)面，關(guān)鍵是要控制噴出物的連續(xù)性、均勻性與穩(wěn)定性。 (3)X-Y-Z 傳動(dòng)系統(tǒng)：噴嘴及工作臺(tái)的移動(dòng)全靠傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以合理的選取各 方向的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是保證工作正常、可靠、高性能進(jìn)行的保證。 (4)電機(jī)：電機(jī)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能機(jī)構(gòu)來(lái)源，再保證機(jī)構(gòu)順利地傳動(dòng)下，合理選取 電機(jī)是很有必要的。此論文中分別包括驅(qū)動(dòng) Z 向、X 向、Y 向的電機(jī)。 (5)機(jī)身和機(jī)殼給整個(gè)快速成型系統(tǒng)提供機(jī)械支撐和所需的工作環(huán)境。 綜上所述，我們羅列出不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析。 3.13.1 總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì) 3.1.13.1.1 總體設(shè)計(jì)方案一總體設(shè)計(jì)方案一 運(yùn)動(dòng)方案：工作臺(tái)實(shí)現(xiàn) X-Y 方向的移動(dòng)，噴頭實(shí)現(xiàn) Z 向單一運(yùn)動(dòng) 傳動(dòng)方案: X-Y-Z 方向均采用滾珠絲杠傳動(dòng)。 其方案機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖 3-1 所示。 方案 選取 10 圖 3-1 方案一簡(jiǎn)圖 方案說(shuō)明：此套方案借鑒臥式鏜床工作方式，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)快捷。如圖示，噴頭 即 Z 軸方向的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，并配以滾動(dòng)絲杠，在保證精度的同時(shí)，加強(qiáng)其承載 能力，以便實(shí)現(xiàn) Z 向噴頭的移動(dòng)。工作臺(tái)實(shí)現(xiàn) X-Y 平面的運(yùn)動(dòng)，其平面運(yùn)動(dòng)也同樣用電 機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，也配以滾珠絲杠傳動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)面的平面移動(dòng)。 3.1.23.1.2 總體設(shè)計(jì)方案二總體設(shè)計(jì)方案二 運(yùn)動(dòng)方案：工作臺(tái)實(shí)現(xiàn) Z 方向的單一移動(dòng)，噴頭實(shí)現(xiàn) X-Y 向運(yùn)動(dòng) 傳動(dòng)方案: X-Y 方向均采用帶式傳動(dòng)，Z 向采用滾珠絲杠傳動(dòng)。 方案說(shuō)明：此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。工作臺(tái)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)滾珠絲杠來(lái)實(shí) 現(xiàn) Z 方向的單向移動(dòng)，當(dāng)加工完成一層后工作臺(tái)下降一小段距離；噴頭沿著導(dǎo)軌在 X-Y 平面運(yùn)動(dòng)，且均有兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)同步帶來(lái)實(shí)現(xiàn) X-Y 向的移動(dòng)，如此循環(huán)完成作業(yè)。其 示意圖如下圖 3-2 所示： 方案 選取 11 圖 3-2 方案二機(jī)構(gòu)圖 3.23.2 總體方案設(shè)計(jì)比較總體方案設(shè)計(jì)比較 1)形體分析 就整體而言，雖然方案一只展現(xiàn)出其運(yùn)動(dòng)方式，但其結(jié)構(gòu)緊湊，這無(wú)形的減少了機(jī) 器所占據(jù)的空間大小，我們從方案二可看出其尺寸較方案一更大些。這是方案二的弊端。 但方案二機(jī)器呈長(zhǎng)方體，布局較合理，便于機(jī)器設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護(hù)、檢修，同時(shí) 從人體工程學(xué)的角度分析，方案一的長(zhǎng)方形布局更適合操作人員的操作習(xí)慣。所以在形 體方面，方案二略優(yōu)于方案一。 2)成型精度分析 快速成型技術(shù)采用的是分層疊加原理，噴頭自下而上，一層層的堆疊沉積直至形成 整個(gè)零件的三維實(shí)體。就方案一而言，噴頭只沿 Z 向單向移動(dòng)，而工作臺(tái)沿 X-Y 向作平 面運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加工一層面時(shí)，噴頭不動(dòng)，只在被壓系統(tǒng)作用下噴灑液固體，而工作臺(tái)面沿 著沿著材料輪廓成型軌跡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一層加工完成后，工作臺(tái)不動(dòng)，噴頭沿著 Z 向向上移 12 動(dòng)一小段距離，繼續(xù)加工另一層面，如此往復(fù)循環(huán)。但值得注意的是，工作臺(tái)平面移動(dòng) 由于受到慣性的影響必然會(huì)影響正加工面或已加工面的成型精度，這是我們不得不關(guān)注 的一個(gè)問(wèn)題。 對(duì)方案二而言，工作臺(tái)只沿 Z 向作單向運(yùn)動(dòng)，噴頭會(huì)根據(jù)層面輪廓信息在 X-Y 方向 做平面運(yùn)動(dòng)。所以相比較方案一，此方法由于噴頭的質(zhì)量較小，所以受到更小的慣性力， 運(yùn)動(dòng)移動(dòng)更加靈活，這就無(wú)形的增加了物體的成型精度。所以在成型精度中，方案二優(yōu) 于方案一。 3)傳動(dòng)系統(tǒng)分析 在方案一中，X-Y-Z 向均采用滾珠絲杠傳動(dòng)，這大大提高了傳動(dòng)精度和效率，保證 工件能被高精度的制造完成，但考慮到本次設(shè)計(jì)最大成型工件尺寸為 200x200x100mm， 并不是很大工件，且考慮到其成本較高，維護(hù)困難。 在方案二中，只有 Z 向采用滾珠絲杠傳動(dòng)，工作臺(tái)的下降往往在 0.080.15mm 之間，所以這在設(shè)計(jì)制造中精度要求很高；X-Y 平面均采用同步帶傳動(dòng)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，其 完全可以達(dá)到精度要求，而且同步帶傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)滑動(dòng)，維護(hù)方便，不需潤(rùn)滑，這大大 降低了成本【16】。 綜合考慮，方案二優(yōu)于方案一。 3.33.3 總體設(shè)計(jì)方案選擇確定總體設(shè)計(jì)方案選擇確定 綜上述比較分析可知，方案二更具實(shí)用性、可行性。所以在本次設(shè)計(jì)中預(yù)采用方案 二總體布局設(shè)計(jì)，最后根據(jù)計(jì)算及校核確定最終方案。 3.43.4 直寫快速成型總體布局設(shè)計(jì)直寫快速成型總體布局設(shè)計(jì) 下圖 3-3 和圖 3-4 分別為直寫快速成型機(jī)主視圖與俯視圖預(yù)覽，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候， 我總結(jié)了上述兩種方案的弊端，合理利用空間，在保證有效可靠完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的情況下， 我盡量節(jié)約成本，大膽提出設(shè)想，在參閱一些快速成型機(jī)實(shí)體與資料后，最終制定出以 下預(yù)想布局。如圖所示展現(xiàn)了直寫快速成型機(jī)的一個(gè)整體部件，X-Y 工作平面主要采用 13 同步帶傳動(dòng)，Z 軸方向主要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)。當(dāng)然，整個(gè)成型機(jī)還存在著運(yùn) 動(dòng)與造型的缺陷，這將在下述章節(jié)中對(duì)其進(jìn)行計(jì)算選擇。 圖 3-3 直寫快速成型機(jī)主視預(yù)覽設(shè)計(jì)圖 圖 3-4 直寫快速成型機(jī)俯視預(yù)覽設(shè)計(jì)圖 14 4 4、直寫快速成型機(jī)主要零部件設(shè)計(jì)、直寫快速成型機(jī)主要零部件設(shè)計(jì) 4.14.1 Y Y 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1.14.1.1 Y Y 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想 Y 軸方向主要負(fù)責(zé)帶動(dòng)噴頭在 X-Y 平面內(nèi)沿 Y 方向移動(dòng)。主要部件有電機(jī)、同步帶、 軌道組成。由于此方向只有噴頭且質(zhì)量較小，所以完全可以用同步帶來(lái)傳動(dòng)，既可保證 足夠傳動(dòng)精度，也可降低成本。在選擇電機(jī)時(shí)，由于直流伺服電機(jī)具有精確的速度控制,轉(zhuǎn) 矩速度特性很硬,原理簡(jiǎn)單、使用方便,價(jià)格有優(yōu)勢(shì)，且對(duì)控制信號(hào)響應(yīng)快【17】 【17】 ，適合噴 頭適應(yīng)多變的軌跡運(yùn)動(dòng)的要求，所以可以選擇直流伺服電機(jī)。由于沿 Y 向?qū)к壷怀惺軉?個(gè)噴頭重量（設(shè)其重量最大為 80N）,移動(dòng)距離在 700mm 左右，且導(dǎo)軌只能兩頭固定，中 間懸空，故選擇煙臺(tái)同升科技發(fā)展有限公司的 SC 系列直線導(dǎo)軌。 4.1.24.1.2 直流伺服電機(jī)的選擇計(jì)算直流伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 1. 預(yù)備計(jì)算：負(fù)載規(guī)格 W：運(yùn)動(dòng)部件的重量=噴頭質(zhì)量+液/固(材料)=5kg ； U：滑動(dòng)表面摩擦系數(shù)=0.05 ； ：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率=0.95 表 4-1 摩擦系數(shù)值 表 4-2 機(jī)械效率 15 變速比：Z1 / Z2 =1/1 2負(fù)載力矩的計(jì)算 Tm 1 0.255 0.2 223.140.95 0.0550.25gf =P FL TmNm FK Z 其中： L：電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)同步帶移動(dòng)距離 2 =5mmZ 3.負(fù)載慣量的計(jì)算 A圓柱體回轉(zhuǎn)慣量 圖 4-1 圓柱體回轉(zhuǎn)慣量示意圖 4 bbb 3 452 = 32980 3.147.8 10 1.631.535 10gfs 32980 JD L Kcm = 其中 : 物體材料比重（K g 3 bb ) 3;=1.6 cm cmcm L （長(zhǎng)度） D （直徑） B沿直線回轉(zhuǎn)慣量 2 2 32 980 5 3.210 980 2 5 2 3.14 w w J Kgf cm s L = 其中 w : 沿直線運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量 K gf L：電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)物體沿直線運(yùn)動(dòng)距離 cm 16 2 kg.m100注：1 26 532 9.8m.Nm=10. 100 =J +J1.535 103.2 100.000315. 9.8 bw kgf cmsN M kg m 1 所以 J 4.電機(jī)的選擇 空心杯電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)形式較為特殊的高性能電機(jī)，空心杯電機(jī)除具有普通永磁直 流電機(jī)所具有的良好的起動(dòng)特性和平滑的調(diào)速特性外，它比傳統(tǒng)的直流電機(jī)具有更好的 驅(qū)動(dòng)性能和伺服性能，如無(wú)鐵損、效率高、換向性好、慣量小，靈敏度高、壽命長(zhǎng)等特 點(diǎn)。所以根據(jù)負(fù)載力矩和負(fù)載慣量，再根據(jù)常用直流伺服電機(jī)特點(diǎn)，我選擇空心杯電機(jī)， 其型號(hào)為 40SYK71 型。其具體技術(shù)參數(shù)如下： 表 4-3 空心杯電機(jī) 40SYK71K 型技術(shù)參數(shù)表 型號(hào)40SYK71 標(biāo)稱功率 0.15 kw 額定電壓 24 volt 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 1356 mNm 最大效率 92% 最大連續(xù)輸出功率 150.306 W 4.1.34.1.3 同步齒形帶的計(jì)算同步齒形帶的計(jì)算 已知條件：中心距小于 800mm，功率=150W ，工時(shí)10 小時(shí) 同步帶的工作面有齒，帶輪的輪緣表面也制有相應(yīng)的齒槽，帶與帶輪是靠嚙合進(jìn) 行傳動(dòng)的，故傳動(dòng)比恒定。在規(guī)定張緊力下，相鄰兩齒中心線的直線距離稱為節(jié)距， 以 P 表示。節(jié)距是同步帶傳動(dòng)的主要參數(shù)。當(dāng)同步帶垂直其底邊彎曲時(shí)，在帶中保持 原長(zhǎng)度不變的周線，稱為節(jié)線，通常位于承載層的中線。節(jié)線長(zhǎng)以 Lp 表示。 1.計(jì)算功率： PC=KAP=1.6O.15=0.24kw 根據(jù)下表 17 表 4-4 載荷修正系數(shù) 2.選擇帶型與節(jié)距【18】： 選擇型號(hào) XL 型 節(jié)距 5.080mm 圖 4-2 同步帶型號(hào)選擇 表 4-5 同步帶參數(shù) 3.齒數(shù)： 1min21 iZZZ Z 所以根據(jù)下表得 Z=10 18 表 4-6 帶輪最小齒數(shù) 4.帶輪節(jié)圓直徑: 1 10 5.080 16.178 3.14 Z P Dmm 5.帶速： max max n3.14 16.178 6224 5.2 60 100060 1000 50 D VV m 其中 XL L 型 Vs 6.同步帶帶長(zhǎng) L： 12 21 21 2 cos 222 DDDD La DD a 帶入數(shù)據(jù)得 3.14 16.178 16.178 2 800 11652.68 2 Lmm 選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度 1778mm 1778 P Lmm 7.同步帶齒數(shù)： 1778 350 5.080 p b b L Z P 8.實(shí)際中心距: 2 12 8651 44 m LD amm m LD 9.帶輪嚙合齒數(shù)： 11 21 10 5 2202 m ZpZ ZZZ a 10.基本額定功率： 22 0 500.022 5.25.2 0.26 10001000 a Fqvv Pkw 其中 00 a0 0 bkw b,- kg qb- m P FN 同步帶基準(zhǔn)寬度所能傳遞的功率， 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作拉力，見(jiàn)表4 5 基準(zhǔn)寬度為的同步帶質(zhì)量，見(jiàn)表4 5 19 11.帶寬: 查表 4-7 選標(biāo)準(zhǔn)系列的 b=9.5mm c 1.14 0 z0 p b=b k p 表 4-7 帶寬標(biāo)準(zhǔn)系列 12.軸上載荷： 10001000 0.24 46.15 5.2 c Q P FN v 13.驗(yàn)算：由于kw0.24kw PP 設(shè)計(jì)額定 即0. 26 則帶的傳動(dòng)能力已足夠 14.整理結(jié)果： bbpw =5.080mm =350=1778mm b =9.5mm d=16.178mm Z=10 XLPZL選用型同步帶， 帶輪： 4.1.44.1.4 軌道設(shè)計(jì)軌道設(shè)計(jì) 由于沿 Y 向?qū)к壷怀惺軉蝹€(gè)噴頭重量（設(shè)其重量最大為 80N）,移動(dòng)距離在 700mm 左右，且導(dǎo)軌只能兩頭固定，中間懸空，故選擇煙臺(tái)同升科技發(fā)展有限公司的 SC 系列 直線導(dǎo)軌，型號(hào)為 SC10UUN,其具體參數(shù)如下圖： 20 圖 4-3 SC10UUN 型軌道及其參數(shù) 由上圖知，SC10UUN 其額定載荷為 540N，足以承受單個(gè)噴頭重量且完成 Y 軸方向運(yùn) 動(dòng)。 4.24.2 Z Z 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.14.2.1 Y Y 軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想軸方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想 Z 軸方向主要完成對(duì)零件的支撐及在 Z 軸方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件堆積等主要過(guò)程， 我們必須要保證其定位精度及剛度要求。其主要部件有伺服電機(jī)、絲杠螺母、工作臺(tái)等。 在電機(jī)的選取上，我選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在絲杠傳動(dòng)中選擇滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)精度 高，摩擦阻力小【19】，壽命長(zhǎng)。 4.2.24.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 系統(tǒng)分辨率: 3 1 10 mm 21 由靜止到最大快進(jìn)速度過(guò)渡時(shí)間： :1113tmsms p : 工作臺(tái)行程： Z 向 100mm 最大快進(jìn)速度： m/s 1 60 定位精度： 0.01mm 4.2.34.2.3 脈沖當(dāng)量、傳動(dòng)比、步距角的確定脈沖當(dāng)量、傳動(dòng)比、步距角的確定 1脈沖當(dāng)量的確定 脈沖當(dāng)量即為系統(tǒng)分辨率 p -3 p=1 10 mm 例：假如絲杠螺距為 5mm，要求輸入一個(gè)指令脈沖時(shí)工件位移 0.001mm，則要求伺 服轉(zhuǎn)一周需要輸入指令脈沖數(shù)50.0015000mmmm 2.傳動(dòng)比確定 i=1 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接與絲杠連接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。 3.步距角確定 0 0 0 360 : 1=0.001mm =5mm =0.072 b b p bp pb L i iL iL 由公式 其中 傳動(dòng)比 ：電機(jī)步距角 ：脈沖當(dāng)量 ：滾珠絲杠導(dǎo)程 由于步距角很小，所以采用細(xì)分電路驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 4.2.44.2.4 滾珠絲杠的選型、計(jì)算、校核滾珠絲杠的選型、計(jì)算、校核 說(shuō)明：因?yàn)榻z杠垂直放置，它只承擔(dān)傳動(dòng)作用，不承受任何切削力，所以本次設(shè) 計(jì)只考慮導(dǎo)軌摩擦力和系統(tǒng)慣性力。 1工作臺(tái)及成型工件最大重量計(jì)算 (1)工作臺(tái)選用材料為鋼，其 10mm 厚鋼板的比重 7850kg/m 又工作臺(tái)質(zhì)量尺寸為 50050010mm 最終所得工作臺(tái)的質(zhì)量 1 19.620mkg 22 (2)工件成型材料選用覆膜砂，其密度為 【20】 3 1.6g cm 又工件最大成型尺寸為 200200100mm 最終所得工件最大質(zhì)量 2 6.4mkg 所以 12 ()(206.4) 9.8258.7GMgmm gN 2慣性力的計(jì)算 取平均加速時(shí)間 t=10ms 因?yàn)橄到y(tǒng)最大快進(jìn)速度 m/s ， 1 60 系統(tǒng)加速度 2 1.7am s 所以 1 26.4 1.744.88FMaN 3.滾珠絲杠螺母副的選型、計(jì)算 (1) 最大工作載荷計(jì)算 1 258.744.88303.6FFGN 最大動(dòng)載荷計(jì)算公式 h n k CF k f 其中 F滾珠絲杠副軸向負(fù)荷 影響滾珠絲杠副壽命綜合系數(shù) f 1 3 1 3 =15000h h = =0.3 500 33.3 hh hh nn LL kk kk L n 各類機(jī)械所用滾珠絲杠推薦壽命 壽命系數(shù) 3. 1 轉(zhuǎn)速系數(shù) 取值如表 4-8 0.95 1 1 0.33 0.29 1.1 thak w f f f f f f awk th ff fff ：溫度系數(shù) 0. 9 ：硬度系數(shù) 1. 0 ：精度系數(shù) 1. 0 ：負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) 1. 2 ：可靠性系數(shù) 0. 33 23 表 4-8 影響滾珠絲杠副壽命綜合系數(shù) 綜上： 3.1 =303.6=10818 0.3 0.29 h n k CFN k f 查閱資料，選擇昆山旭日滾動(dòng)部件有限公司的內(nèi)循環(huán)雙螺母滾珠絲杠副 型號(hào)為 2005-4。其具體參數(shù)如下表 4-9 所示 表 4-9 2005-4 內(nèi)循環(huán)雙螺母滾珠絲杠副型號(hào) 型號(hào)2005-4 公稱直徑 dm20 mm 基本導(dǎo)程 Lo5mm 鋼球直徑 Dw3.175mm 螺旋角 5 41 額定動(dòng)載荷 Ca11082N 額定靜載荷 Cao23340N 24 4.傳動(dòng)效率的計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： tantan5 41 0.97 tantan 5 41 10 其中：為絲杠螺旋升角；為摩擦角約等于 10 要求在，所以該絲杠副滿足此要求。 90%95%:之間 5.剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向剛度會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 原則：絲杠導(dǎo)程誤差（軸向變形量）機(jī)床定位精度的一半 軸 絲杠拉壓變形 向 絲杠與螺母間滾道的接觸變形 變 絲杠扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形 （無(wú)切削力，扭轉(zhuǎn)力?。?形 螺母座變形及滾珠絲杠軸承軸向接觸變形 （設(shè)計(jì)合理即可） (1)絲杠拉壓變形量 1 按滾珠絲杠在最大工作載荷下的拉壓變形計(jì)算，計(jì)算公式為 1 m F L EA 其中 L：絲杠支撐間受力長(zhǎng)度 mm ：最大載荷下的拉壓變形量 mm 1 Fm：絲杠工作載荷 E：材料彈性模量 A：絲杠截面積 mm2 螺紋滾道曲率半徑 R=0.52Dw=0.523.175=1.65mm 偏心距 e=0.707（R-Dw/2）=0.707(1.65-3.175/2)=0.044mm 螺桿小徑 1 22202 0.0442 1.6517 m ddeRmm 則 取絲杠長(zhǎng)度 L=450mm 222 1 3.14 17226.9 44 Admm 1 5 303.6 450 2.9 2.06 10226.9 um (2)絲杠與螺母接觸變形量 2 25 公式 303.6 9550.32 cmc FKum 其中 Fm：工作載荷 Kc：絲杠副剛度 所以絲杠總變形量 1 2.90.323.22 c um 由于絲杠精度分為七個(gè)等級(jí)，即 1、2、3、4、5、7、10 級(jí)。1 級(jí)精度最高，依次 逐漸降低。主要數(shù)據(jù)如下： 精度等級(jí) 1 2 3 4 5 7 10 對(duì)應(yīng)兩個(gè)主要項(xiàng)目如下： 任意 300mm 行程內(nèi)行程變動(dòng)量V300p - 6 8 12 16 23 52 210 2 弧度內(nèi)行程變動(dòng)量（本項(xiàng)僅適用于 P 類滾珠絲杠副） V2p - 4 5 6 7 8 所以 11 63.229.220.0315 22 Lumum 綜上：絲杠剛度滿足要求 6.穩(wěn)定性計(jì)算 (1)由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)由于承受壓縮負(fù)載，所以有可能發(fā)生失穩(wěn)，所 以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于S。 絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 Fcr 公式為 2 cr2 = a EI F ul 其中： E絲杠材料彈性模量 2.061011pa I絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩 （m4） do：絲 44 494 20 1.20.020 1.2 0.0031753.37 10 646464 aw IddDm 杠公稱直徑 Dw：鋼球直徑 u長(zhǎng)度系數(shù)，雙推-自由式 u=2 l絲杠工作長(zhǎng)度 l=0.4 所以 22119 cr22 3.142.06 103.37 10 =8450.2 2 0.45 a EI FN ul 26 安全系數(shù)S=34 8450.2 27.8 303.6 cr m F S F 所以絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn) 表 4-10 絲杠副系數(shù) 支撐方式 有關(guān)系數(shù) 雙推自由 FQ 雙推簡(jiǎn)支 FS 雙推雙推 FF S34 2.53.3 u22/3 fc1.8753.9274.730 (2)臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證ncr 高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速 maxcr nn 臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 驗(yàn)證滿足要求 22 1 1max22 1.87517 99109910 2 0.45 c cr f d nn ul : 4.2.54.2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)的選擇 1.傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 我們?cè)谶x擇電機(jī)時(shí)必須考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在設(shè)計(jì)中，我們要把與電機(jī) 主軸不同軸線的運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量紛紛折算到電機(jī)軸上，最后算取總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在 此次設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)部件有絲杠和工作臺(tái)，且其同軸，具體計(jì)算過(guò)程如下： (1)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 S J 44 0 442 m0 7.8 10 7.8 102450=5.6kg.cm Sm JDL D 其中 ：絲杠公稱直徑 L ：絲杠行程 (2)工作臺(tái)質(zhì)量折算 G J 27 22 2 0 0.45 =26.40.14kg.cm 22 G L JM (3)傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 2 =+=5.6+0.14=5.74kg.cm SG JJJ 2.轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩： max0 = af M MMM 其中：空載啟動(dòng)力矩 M 空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上加速力 maxa M 矩 空載折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 f M 由于絲杠預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 0 M (1)加速力矩： 2 maxmaxb maxmax p 2 10= 60360 a nV MJJn