基于FDM技術(shù)的工程級(jí)3D打印機(jī)的研制設(shè)計(jì)
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3D打印機(jī)
研制
設(shè)計(jì)
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基于FDM技術(shù)的工程級(jí)3D打印機(jī)的研制設(shè)計(jì),基于,fdm,技術(shù),工程,3D打印機(jī),研制,設(shè)計(jì)
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東 莞 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 2015 屆） 題 目：基于 術(shù)的工程級(jí) 3D 打印機(jī)的研制 學(xué)生姓名：肖承昉 學(xué) 號(hào)： 201141109112 院（系）： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 2011 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 2 班 指導(dǎo)教師：謝春曉 講師 起止時(shí)間： 2015 年 2 月至 2015 年 5 月 基于 術(shù)的工程級(jí) 3D 打印機(jī)的研制 摘要 ： 3D 打印是最近幾年開始流行的一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。我們?nèi)粘Ｉ钪械拇蛴C(jī)能 打印一些平面紙張材料，而 3D 打印機(jī)打印出的是立體塑品產(chǎn)品。 本 文首先介紹了本課題的研究意義和 3后闡述了 工程級(jí) 3D 打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)分析的三個(gè)部分 ： 整體框架的選擇 、 運(yùn)動(dòng)控制的選擇和噴頭、平臺(tái)等關(guān)鍵部件的分析探討，進(jìn)而制定最終的設(shè)計(jì)方案 ；其次 是總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ，通過 三 維建模設(shè)計(jì) 出 一臺(tái)工程級(jí) 3D 打印機(jī)， 并將相關(guān) 的 零件出 工程圖 ，再根據(jù)圖紙 進(jìn)行 機(jī)械 加工；最后進(jìn)行機(jī)器的裝配及調(diào)試 。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字模型； 3D 打??； 維建模 of D 3D is of is by to D to of of D D at of of of of D of on as is D a D to 3D 3D 目 錄 一、緒論 . 1 （一）本課題研究背景和意義 . 1 （二） 3D 打印在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)及工程級(jí) 3D 打印機(jī)的應(yīng)用 . 2 二、工程級(jí) 3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 . 5 （一）整體框架的選擇 . 5 （二）噴頭、平臺(tái)等關(guān)鍵部件的分析探討 . 6 （三）運(yùn)動(dòng)控制的選擇 . 8 三、總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及修改 . 17 （一）噴頭平臺(tái)的設(shè)計(jì) . 17 （ 二）其他關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) . 17 （三）裝配體的整體修改 . 21 四、配件的加工及裝配 . 22 （一）配件的加工 . 22 （二）機(jī)器的裝配及線路的連接 . 22 五、機(jī)器調(diào)試 . 23 六、總結(jié) . 24 參考文獻(xiàn) . 25 致 謝 . 26 1 基于 術(shù)的工程級(jí) 3D 打印機(jī)的研制 一 緒論 （一）本課題研究背景和意義 這幾年來， 3D 打印這個(gè)話題被越炒越熱，繼而出現(xiàn)了 3D 打印飛機(jī)、房子、骨骼、細(xì)胞等等。有人甚至稱 3D 打印將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命。 首先了解 3D 打印的原理（如圖 示）， 3D 打印，即快速成 型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。 而 3D 打印機(jī)又稱三維打印機(jī)，是一種累積制造技術(shù)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體?，F(xiàn)階段三維打印機(jī)被用來制造產(chǎn)品。逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。 3D 打印機(jī)的原理是把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn) 3D 打印機(jī)中，機(jī)器會(huì)按照程序把產(chǎn)品一層層造出來。 圖 3D 打印原理 圖 桌面式 3D 打印機(jī)自 2008 年以來進(jìn)入了一個(gè)爆發(fā)式增長(zhǎng)的階段，主要得益于 國(guó)大學(xué)的教授 發(fā)起了 3D 打印開源項(xiàng)目并且建立了社區(qū)，許多桌面式的 3D 打印機(jī)都是基于 行開發(fā)的，進(jìn)而出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的桌面式 3此開源 3D 打印機(jī)對(duì)整個(gè)快速成型行 業(yè)的發(fā)展影響是巨大的， 3D 打印技術(shù)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，不斷加深了人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注，人們開始慢慢了解 3D 打印技術(shù)，從始慢慢了解，到 3等技術(shù)的關(guān)注。同時(shí)也促進(jìn)了這幾類技2 術(shù)的發(fā)展，這幾項(xiàng)技術(shù)也慢慢被人接受，逐漸被人使用。 目前桌面級(jí)的 3D 打印機(jī)都有一個(gè)很大的缺陷，那就是打印范圍太小。 在打印一些體積比較大的物體時(shí)，通常要將物體 3D 模型進(jìn)行分割，這樣影響了物體的質(zhì)量。 因此對(duì)于打印范圍大的 3D 打印機(jī)（即工程級(jí) 3D 打印機(jī)）的研制具有很大的意義。 （二） 3D 打印在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 及工程級(jí) 3D 打印機(jī)的應(yīng)用 在了解 3D 打印的發(fā)展?fàn)顩r之前，先了解 3D 打印的定義及分類。 3D 打印有兩種定義。狹義指 “發(fā)的以粉末為基礎(chǔ)的制造技術(shù) ”。廣義上指所有的增材制造技術(shù)（ 據(jù) 添加性制造技術(shù)的入門書籍 加性制造技術(shù)有很多種， 發(fā)的 3D 打印技術(shù)只是其中一種： 1) 以高分子聚合反應(yīng)為基本原理：激光立體印刷術(shù)（ 著名的 和 并）和 代表） , 高分子打印技術(shù)（ , 高分子噴射技術(shù)（ , 數(shù)字化光照加工技術(shù)（ , 微型立體印刷術(shù)（ 2) 以燒結(jié)和熔化為基本原理： 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（ D 打印行業(yè)龍頭老大 3D 看家本領(lǐng)， 是杰出代表 ） , 選擇性激光熔化技術(shù)（ , 電子束熔化技術(shù)（ 3) 以粉末 維打印技術(shù)（ 30 年發(fā)明的， 被 3D 購(gòu)）、 杰出代表） 4) 熔融沉積造型技術(shù)（ 名代表有 目、 司） 5) 層壓制造技術(shù)（ 6) 氣溶膠打印技術(shù)（ 7) 生物繪圖技術(shù)（ 每一種添加性制造技術(shù)的具體原理都不一樣，但是主要都是想辦法根據(jù)電腦數(shù)據(jù)制造出一層?xùn)|西，然后在這層?xùn)|西上面再制造一層?xùn)|西，如此類推，直至制造出整個(gè)立體模型。 主要特點(diǎn)是成品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性幾乎不受限制。 3 再來 了解一下 3D 打印 技術(shù) 的優(yōu)點(diǎn) ： 1) 制造快速 3D 打印技術(shù)是并行工程中進(jìn)行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段，能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)同步進(jìn)行，從 而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，極大降低了新品開發(fā)的成本及風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于外形尺寸較小特異形的產(chǎn)品尤其適用。 2) 術(shù)的集成 快速成型技術(shù)集成 光技術(shù) 化工材料工程等多項(xiàng)技術(shù) ,使得設(shè)計(jì)制造一體化的概念完美實(shí)現(xiàn)。 3) 完全再現(xiàn)三維效果 經(jīng)過快速成型制造完成的零部件 ,完全真實(shí)的再現(xiàn)三維造型 ,無論外表面的異形曲面 ,還是內(nèi)腔的異形孔都可以真實(shí)準(zhǔn)確的完成造型 ,不再需要再借助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。 4) 材料種類繁多 到目前為止，各類 3D 打印機(jī)設(shè)備上所使用的材料種類有很多樹脂，尼龍，塑料，石蠟 紙以及金屬或陶瓷的粉末，能滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)材料的機(jī)械性能需求。 5) 創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益 與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式比較，開發(fā)成本上節(jié)約 10 倍以上，同樣快速成型技術(shù)縮短了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期，使的在新品開發(fā)過程中出現(xiàn)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案的問題大大減少，也消除了修改模具的問題，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。 6) 應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域廣 3D 打印技術(shù)經(jīng)過這些年來的發(fā)展，在技術(shù)上已形成了一套體系，同樣可應(yīng)用的行業(yè)也逐漸擴(kuò)大，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)與制造材料工程醫(yī)學(xué)研究文化藝術(shù)建筑工程等等都逐漸的使用 3D 打印技術(shù)，使得 3D 打印技術(shù)有著廣闊的前景。 目前全球 3D 打印行業(yè)整體現(xiàn)狀處于 “小而散 ”的格局當(dāng)中，還沒有絕對(duì)的龍頭企業(yè)和龍頭人物產(chǎn)生。既缺乏成熟的商業(yè)模式引領(lǐng)，也沒有有效打開應(yīng)用市場(chǎng)。原因在于 3D 打印技術(shù)本身不是一項(xiàng)替代性很強(qiáng)的技術(shù)，大家還沒有找準(zhǔn)市場(chǎng)定位，對(duì)于 3D 打印技術(shù)認(rèn)識(shí)也有誤區(qū)，這項(xiàng)技術(shù)也不是萬能的。 “小而散 ”的行業(yè)格局，不利于新興技術(shù)發(fā)展。 國(guó)內(nèi)原始創(chuàng)新還不夠，真投入、真科研的少，投機(jī)性比較嚴(yán)重。有拿來主義思想、低水平重復(fù)性建設(shè)的多。規(guī)模效應(yīng)上差距拉大。發(fā)展觀念上落后，長(zhǎng)期沿襲傳統(tǒng)制造業(yè)的老路，生產(chǎn)設(shè)備賣設(shè)備，沒有將設(shè)備的生產(chǎn)與加工服務(wù)和應(yīng) 用市場(chǎng)相結(jié)合。國(guó)內(nèi) 3D 打印產(chǎn)4 業(yè)危機(jī)四伏。 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)如果再得不到發(fā)展，未來市場(chǎng)將全部被國(guó)外企業(yè)所占據(jù)。眼下，人們對(duì)于 3這項(xiàng)技術(shù)充滿神秘感。市場(chǎng)推廣的難度很大，技術(shù)和市場(chǎng)存在脫節(jié)的問題，應(yīng)用市場(chǎng)并沒有真正打開。 3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵在應(yīng)用，一項(xiàng)新興技術(shù)的發(fā)展都必須與應(yīng)用市場(chǎng)相結(jié)合。如果再好的技術(shù)不能在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，那么這項(xiàng)技術(shù)一定沒有發(fā)展前景。未來三年五年，對(duì)于我們 3D 打印行業(yè)來講至關(guān)重要，如果我們的應(yīng)用市場(chǎng)還不能有效打開，我們未來的道路將更為艱難。 美國(guó)和歐洲在 3D 打 印技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)是全球 3D 打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者，歐洲十分重視對(duì) 3D 打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。除歐美外，其他國(guó)家也在不斷加強(qiáng) 3D 打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。澳大利亞在 2013 年制定了金屬 3D 打印技術(shù)路線；南非正在扶持基于激光的大型 3D 打印機(jī)器的開發(fā)；日本著力推動(dòng) 3D 打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。 美國(guó)消費(fèi)者電子協(xié)會(huì)最新發(fā)布的年度報(bào)告顯示，隨著汽車、航空航天、工業(yè)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域市場(chǎng)需求的增加， 3D 打印服務(wù)的社會(huì)需求量將逐年增長(zhǎng)，有望從 2011 年的 17億美元增長(zhǎng)至 2017 年的 50 億美元。 應(yīng)用領(lǐng)域 3D 打 印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的 司認(rèn)為， 3D 打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國(guó)防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。 5 二、工程級(jí) 3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 （一）整體框架的選擇 目前針對(duì) 面級(jí)的 3D 打印機(jī)主要有以下幾種架構(gòu)： 1. 殼體結(jié)構(gòu)，不管使用金屬、亞克力還是其他材料做外殼， 打印機(jī) 的整體部分都包含在這個(gè)外殼中， 這樣穩(wěn)定性會(huì)好一些。 其中 最典型的就是 司 的品 （如圖 示）。 圖 . 角結(jié)構(gòu)，這種打印機(jī)的工作方式有點(diǎn)像機(jī)械臂，不同于傳統(tǒng)的平面三維運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)意十足。 如圖 示，臺(tái)灣的一個(gè) 3D 打印創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)推出了一款多功能的 3D 打印機(jī) 款 3D 打印機(jī)集 3D 打印、掃描和激光雕刻等潛在功能于一體，其外形也很小巧精致，十分美觀。 圖 多功能的 3D 打印機(jī) 3. 還有一種是采用一條方鋼做框架，而且電路和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基本隱藏起來，機(jī)器看著就比較美觀了。結(jié)構(gòu)如圖 示，它采取 3 條皮帶帶動(dòng) 微型導(dǎo)軌滑塊的運(yùn)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)非常緊湊，打印精度高，去除支撐比較容易。但其價(jià)格高，打印面積小。 圖 印機(jī) 針對(duì)這三種典型的架構(gòu)和工程級(jí) 3D 打印機(jī)的特點(diǎn)， 在這里我 選擇第一種類型的 架構(gòu)去設(shè)計(jì)，這種架構(gòu)的穩(wěn)定性 會(huì)比較 好 。 （二）噴頭、平臺(tái)等關(guān)鍵部件的分析探討 1. 3D 打印機(jī)噴頭方案的選擇 熔融擠出系統(tǒng)對(duì)噴頭系統(tǒng)的基本要求是：將成型料絲送入熔化器中，在其中及時(shí)而充分地熔化，由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后再進(jìn)一步從更小直徑的噴嘴中以極細(xì)絲狀擠出，按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描速度相 匹配，以保證均勻一致的材料堆積路徑。成型工藝對(duì)噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點(diǎn) : 1) 供應(yīng)功能 ： 將料絲從絲筒上拉出 ， 提供成型材料 ； 2) 熔絲功能與料絲送進(jìn)功能 ： 將送進(jìn)的固態(tài)料絲及時(shí)且充分地熔化成為熔融狀態(tài)并將料絲送人 熔 化器 ； 3) 流道功能 ： 提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動(dòng)的通道 ； 4) 定徑功能 ： 對(duì)擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑 ， 變?yōu)闈M足要求的細(xì)小直徑的絲材進(jìn)行堆積 ； 5) 出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ?： 出絲速度可控 ， 能根據(jù)掃描速度進(jìn)行調(diào)整 ，實(shí)現(xiàn)互相匹配。出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時(shí)起停 ， 以保證高質(zhì)量的成型路徑 ，尤其是在路徑起停處。 7 在采用 熔絲擠出方式的工藝原理時(shí) ， 就是借助 熔 化器中未熔絲材的活塞作用 ， 將熔融材料擠出噴嘴 ， 出絲推力近似等于送絲驅(qū)動(dòng)力 ， 所以在此特定的工藝原理中 ， 送絲功能和基礎(chǔ)功能是等效的。 基于所選擇的打印耗材，噴出技術(shù)采用熔融沉積成型技術(shù)，根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描，同時(shí)控制熔融液體的體積流量，使粘稠液體物料均勻地鋪灑在斷面層上。 熔 化器中使用電熱絲提供熱量使料絲熔融。熔融擠壓快速成型工藝對(duì)溫度的要求極其嚴(yán)格，噴頭出絲溫度和成型室的溫度嚴(yán)格處于一定的溫度范圍之內(nèi)，且一旦設(shè)定溫度控制值之后，須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài) ，不能產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，否則成型質(zhì)量將受到影響。這就要求液化器溫度必須保持穩(wěn)定。因此，我們需要加入上述的溫度控制回路來嚴(yán)格控制液化器的溫度。 3D 打印機(jī)的噴頭 系統(tǒng) 整體上是分成兩種，一種是近端供料（如圖 這種供料方式是電機(jī)和噴嘴連在一起的，電機(jī)和齒輪及軸成之間的配合將 3D 打印材料往噴嘴部分?jǐn)D壓，從而實(shí)現(xiàn)打印的正常進(jìn)行。 圖 3D 打印機(jī)近端供料噴頭裝置 另 一種是遠(yuǎn)端供料的。這種供料方式是采用噴嘴和電機(jī)分開是方式，而且電機(jī)的位置是固定不變的，這樣使得噴嘴那部分 的質(zhì)量變得更輕了，打印的時(shí) 候噴頭運(yùn)動(dòng)起來就會(huì)更加順暢。 8 2. 成型平臺(tái) 與噴頭平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式 的確定 由于工程級(jí) 3D 打印機(jī)的成型平臺(tái)比較大，為了保證打印過程中平臺(tái)的晃動(dòng)，所以選擇成型平臺(tái)固定，噴嘴運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （三）運(yùn)動(dòng)控制的選擇 1. 傳動(dòng)方式的選擇 直線導(dǎo)軌可分為：滾輪直線導(dǎo)軌和滾珠直線導(dǎo)軌兩種，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度較高。 滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn) 。如圖 磨滾珠絲桿 ， 研磨滾珠絲 桿采用了數(shù)控中頻淬火，以確保硬度層的深度均勻一致，又通過精密螺紋磨床加工，其精度可達(dá) 。 圖 磨滾珠絲桿 1) 與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng) ， 所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 1/3 以下 ， 即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 2) 高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面 ， 對(duì) 溫度 濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制 ， 由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 9 3) 微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng) ， 所以啟動(dòng)力矩極小 ， 不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象 ， 能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 4) 無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓 ， 由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值 ， 進(jìn)而得到較高的剛性 （ 滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力 ， 在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí) ， 由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng) ） 。 5) 高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給 （ 運(yùn)動(dòng) ） 。 2. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 滾珠絲杠根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 9893 1999， 選用長(zhǎng)度 L=稱直徑 D=15公稱導(dǎo)程 5】。 對(duì)本系統(tǒng)而言，絲杠傳動(dòng)折算到 電機(jī) 軸上的總慣量為 ： 1 +W 其他符號(hào)說明如下： 電機(jī) 及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， W工作臺(tái)重量，工作臺(tái)輕，取 10：兩條絲杠同時(shí)工作，座椅工作臺(tái)的重量為總重量的 1/2） ； S絲杠螺距， 5 g重力加速度， 圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J=1/8 而且選用絲杠的密度（類于鐵）為 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： *1/8800/32=0 0*2)=0 10 從而 *10 可見， 小 主要由兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來決定，從而對(duì)電機(jī)的功率輸出要求不苛刻，在功率不高情況下，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。 這是一個(gè)小慣量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動(dòng)，加速，制動(dòng)的性能好，反應(yīng)快，比較理想。 3. 直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)及選用 1) 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn) (1)導(dǎo)軌的功用本設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是導(dǎo)軌，導(dǎo)軌主要是用來支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)要求其機(jī)械系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必需得到安全的支撐，并能準(zhǔn)確的完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)任務(wù)就由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來完成。 (2)導(dǎo)軌的分類和特點(diǎn)兩個(gè)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件構(gòu)成一對(duì)導(dǎo)軌副，其中，在工作時(shí) 固定不動(dòng)的配合面稱為固定導(dǎo)軌或靜導(dǎo)軌 ;相對(duì)固定導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的配合面稱為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩大類。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，其兩導(dǎo)軌工作面的摩擦性質(zhì)為滑動(dòng)摩擦。傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象?，F(xiàn)隨著技術(shù)進(jìn)步，己發(fā)展出貼塑導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、液體動(dòng)壓導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)形式。 滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，一般在 、靜摩擦系數(shù)很接近，低速運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象 ，可以使用油脂潤(rùn)滑。滾動(dòng)導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌面之間為滾動(dòng)摩擦，磨損小，壽命長(zhǎng)，定位精度高，靈敏度高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何精度要求高，抗震性較差，防護(hù)要求高，制造困難，成本高。它適用于工作部件要求移動(dòng)均勻、動(dòng)作靈敏以及定位精度高的場(chǎng)合。 滾動(dòng)導(dǎo)軌因其特有的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在常用的有直線導(dǎo)軌副和滾動(dòng)導(dǎo)軌塊。直線導(dǎo)軌副一般用滾珠作滾動(dòng)體，滾動(dòng)導(dǎo)軌塊用滾子作滾動(dòng)體。滾動(dòng)導(dǎo)軌塊由于是線接觸，其承載能力和剛度大，但摩擦力也比較高，加工裝配比較復(fù)雜。 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌是近年出現(xiàn)的一種滾動(dòng)導(dǎo)軌，其突出的優(yōu)點(diǎn)為無間隙，并 且能夠施加預(yù)緊力。其主要由導(dǎo)軌體、滑塊、鋼球、保持器、返向器、密封端蓋等組成。導(dǎo)軌體固定在 11 不運(yùn)動(dòng)部件上，滑塊固定在運(yùn)動(dòng)部件上，通過鋼球的運(yùn)動(dòng)把導(dǎo)軌體和滑塊之間的移動(dòng)變成了滾動(dòng)。 如圖 示為 上銀微型 直線 導(dǎo)軌 。 圖 上銀微型直線導(dǎo)軌 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌除滾動(dòng)導(dǎo)軌的共性優(yōu)點(diǎn)之外，還有下列特點(diǎn) : (1)有自調(diào)整能力 :安裝基面許用誤差大，使得安裝方便，生產(chǎn)周期短，降低了對(duì)配件的加工精度要求 ; (2)承載能力大 :其滾道采用圓弧形式，增大了滾動(dòng)體與圓弧滾道的接觸面積，從而大大地提高了導(dǎo)軌的承 載能力，可達(dá)到平面滾道形式的 3 倍 . (3)剛性強(qiáng) :在裝配導(dǎo)軌時(shí)可預(yù)加負(fù)荷以提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度，所以滾動(dòng)導(dǎo)軌在工作時(shí)可承受較大的沖擊和振動(dòng) ; (4)壽命長(zhǎng) :由于是純滾動(dòng)，摩擦系數(shù)是滑動(dòng)導(dǎo)軌的 1/50 左右，磨損小，因而壽命長(zhǎng)，功耗低，便于機(jī)械小型化 ; (5)傳動(dòng)平穩(wěn)可靠 :由于摩擦力小，動(dòng)作輕便，因而定位精度高，微量移動(dòng)靈活準(zhǔn)確 ;在較差的工作條件下可長(zhǎng)時(shí)間保持高精度 ; (6)可高速運(yùn)行 :直線滾動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)行速度可大于 60m/至更高，且潤(rùn)滑方法簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。 綜合考慮定位精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等技術(shù)要求，比較直線 導(dǎo)軌副和滾動(dòng)導(dǎo)軌塊 ,采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。 12 2) 直 線滾動(dòng)導(dǎo)軌的壽命 (1)額定動(dòng)載荷 額定動(dòng)載荷是指滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的額定長(zhǎng)度壽命 t=50，作用在滑坐上大小和方向均不變化的載荷。其值可按下式計(jì)算 122 . 1 3 0 31 1 1 . 5 7a b sC d l Z 式中， d 為鋼球直徑； L 為滑座有效長(zhǎng)度； Z 為有效接觸的鋼球數(shù) (2)額定行程長(zhǎng)度壽命 3()H T C f f f 中， K 為壽命系數(shù)，一般取 K=50 F 為滑座工作載荷； 行程長(zhǎng)度壽命； 硬度系數(shù)，按表 2??； 溫度系數(shù)，按表 2取； 接觸系數(shù)，按表 2?。?負(fù)荷系數(shù)，按表 2取； 額定動(dòng)載荷； 額定工作時(shí)間壽命為 3102sh 式中： 額定壽命； 行程長(zhǎng)度壽命； 工作單行程長(zhǎng)度； n 為每秒往復(fù)次數(shù)（次/s） 13 表 2度系數(shù) 滾道表面硬度 0 58 55 53 50 45 2度系數(shù) 工作溫度 100 005000 2觸系數(shù) 每根道軌上的滑塊數(shù) 1 4 表 2荷系數(shù) 工作條件 無外部沖擊或振動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合速度小于15m/明顯沖擊或振動(dòng)的中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合速度小于60m/ 外部沖擊或振動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合速度大于60m/) 對(duì) X 軸向?qū)к壍挠?jì)算： 在給定的條件載荷 2400N。工作臺(tái)重 1000N,額定工作時(shí)間壽命為 80000 小時(shí)。行程長(zhǎng)度為 500mm 80000 小時(shí) 3102sh 式 為行程長(zhǎng)度， n 為每分鐘往返次數(shù) ,V 為工作臺(tái)快速進(jìn)給速度。有已知條件知 V=8m/ 分次 /n 由此的 12803 設(shè)滑座數(shù) m=2，所以每根導(dǎo)軌上使用 1個(gè)滑座，查表取 , 1 , 1 , ，則有 3()H T C f f 5 得3 / K f f 其中 2 8 0 0 1 0 0 0 9504 5 1 8 9 . 8 1 8 1 50/1 2 8 09 5 01 a 2) 對(duì) y 軸導(dǎo)軌的計(jì)算 其負(fù)載為 2 8 0 0 2 1 0 0 0 4 8 0 0 行程為 300sL 有已知條件知壽命為 80000 小時(shí) 80000 小時(shí) 由3102sh ，其中 8 270 . 3 次 /分 則 332 2 8 0 0 0 0 0 . 3 2 7 12961 0 1 0 l nT k m k m 設(shè)滑座數(shù) m=1，所以每根道軌上使用 1個(gè)滑座，查表取 , 1 , 1 , ，則有 3()H T C f f 3 / K f f 其中 4800 12004 31 2 0 0 1 2 9 6 / 5 0 1 . 5 6 5 7 7 . 7 80 . 8 1 1 1 4. 電機(jī)的選擇 采用化繁為簡(jiǎn)的思路，將三維打印轉(zhuǎn)化為二維 ， 進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一維打印。即 Z 方向采用步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)固定的 進(jìn) 給量算出所需的步進(jìn)角，用這種方式將三維打印先轉(zhuǎn)化為每一平面內(nèi)的二維打印，再由 Y 方向也為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，則每一平面內(nèi)的二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條直線上的一維打印。 通過這個(gè)思路，可以知道工程級(jí) 3D 打印機(jī)需要 5 個(gè)電機(jī)，依次是 Z 方向需要 2 個(gè)，分別帶動(dòng)滾珠絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)； Y 方向需要一個(gè)，帶動(dòng)噴 頭沿 Y 方向16 的直線運(yùn)動(dòng)； X 方向需要 1 個(gè)雙出軸電機(jī)，帶動(dòng)噴嘴 X 方向的直線運(yùn)動(dòng)；最后需要 1 個(gè)電機(jī)控制 3D 打印材料的擠出（若為多噴頭的 3D 打印機(jī)，則相對(duì)應(yīng)的增加電機(jī)數(shù)）。 17 三、總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及修改 （一）噴頭平臺(tái)的設(shè)計(jì) 如圖 了使噴頭平臺(tái)變得穩(wěn)固又簡(jiǎn)單，整體的框架采取 工業(yè)鋁合金型材進(jìn)行搭建。噴嘴的 線運(yùn)動(dòng)采用直線導(dǎo)軌和皮帶進(jìn)行控制，電機(jī)帶動(dòng)皮帶的傳動(dòng)，皮帶和直線導(dǎo)軌的滑塊相連，噴嘴結(jié)構(gòu)又和滑塊固定在一起。 其中 X 方向采用的是雙出軸電機(jī)，帶動(dòng) X 方向上直線 導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)。 圖 噴頭平臺(tái) 電機(jī)的選擇計(jì)算： 位力矩 動(dòng)慣量 重量 470g，轉(zhuǎn)軸的直徑 5長(zhǎng) 190的重量約 則轉(zhuǎn)軸 折算到電機(jī)軸上的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為： J=1/4(r+h/3)m=1/4*(190/3)*500/1000=1.5 而電機(jī) 運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的 其他 力也不是很大， 因 此可以看出轉(zhuǎn)軸折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于電機(jī)本身的額定值。 （二）其他關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) 對(duì)于 工程級(jí) 3D 打印機(jī)來說，除了 噴頭 結(jié)構(gòu) 需要 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)之外，其他的關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)也 是 同樣需要的。 比如 ： 皮帶連接件的設(shè)計(jì) 、 絲桿螺母固定件的設(shè)計(jì) 、 底板支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 等 等。每個(gè)不 同 的部件 作用 不一樣，所以要求也是不一樣的。 18 1. 皮帶 同步輪 連接件的設(shè)計(jì) 皮帶 同步輪 連接件采用的是 U 型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖 示）， 兩端各放置一個(gè)軸承，使得皮帶輪能夠順暢的轉(zhuǎn)動(dòng)。 皮帶在運(yùn)動(dòng) 過程中，給同步輪的力是一樣的，但是 方 向是 相反 的 ，所以兩端的同步輪連接件都是采用這種 U 型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 因?yàn)?噴嘴 在運(yùn)動(dòng)過程中所受到的力不是很大，所以對(duì)于這個(gè)連接件的要求 也不是很高， 而 這種結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，也能達(dá)到要求。 圖 皮帶 同步輪 連接件 2. 絲桿 螺母 固定件的設(shè)計(jì) 及有限元 分析 1) 絲桿螺母固定件的設(shè)計(jì) 絲桿螺母固定件的設(shè)計(jì)如圖 示，中間孔為固定絲桿螺母固定位置，兩端則是光軸直線軸承固定孔。兩端直線軸承主要起到導(dǎo)向和保證滾珠絲杠平穩(wěn)的運(yùn)行。 絲桿螺母固定件 側(cè)面 通過螺栓螺母與型材進(jìn)行裝配， 下面 有一段是 凸出來 的，這一 段 起到定位基準(zhǔn)的作用。 這樣可以 減少在裝配時(shí)帶來的麻煩，能使兩者能準(zhǔn)確的裝配起來，同時(shí)也可以減少 打印時(shí) 的誤差 。 圖 絲桿螺母固定件 19 2) 絲 桿螺母固定件 的 有限元分析 絲桿 螺母固定件 材料 是 6061 鋁 合金， 而其所受到的力 主要是 噴頭平臺(tái)的重力，在這取噴頭平臺(tái)的 總 重力為 400N， 又因?yàn)榻z桿螺母固定件是 有 兩個(gè)的 ， 所以 一個(gè) 所受 的力為總重力的一半。 假設(shè)絲桿 螺母固定件 與 鋁型材接觸的那一面固定，而受力的面為 絲桿 螺母固定件 的 上表面及下端突出那段與鋁型材接觸的那一面 （如圖 圖 絲桿螺母固定件 有限元分析 通過 分析 可以 知道 應(yīng)力、 位移 、 應(yīng)變的變化都是在正常范圍內(nèi)，因此 絲桿 螺母固定件的 設(shè)計(jì)是完全合理的 。 分析結(jié)果 如圖 示， 分別為應(yīng)力、位移、 應(yīng)變分析結(jié)果： 圖 應(yīng)力分析結(jié)果 20 圖 位移 分析結(jié)果 圖 應(yīng) 變 分析結(jié)果 3. 底板支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 由于我設(shè)計(jì)時(shí)選擇的外殼是實(shí)驗(yàn)室之前實(shí)驗(yàn)留下來的一個(gè)金屬框，其結(jié)構(gòu)使得底板支撐需要借助 工業(yè)鋁合金型材進(jìn)行設(shè)計(jì) （如圖 示） 。最底下是兩根與金屬框同寬長(zhǎng)的型材，兩端各固定在金屬框的底板上；而真正固定底板的是四條豎起來的工業(yè)鋁合金型材 ，這四條型材不僅起到支撐底板的作用，還有調(diào)節(jié)底板水平的作用，通過型材角件的上下調(diào)整從而達(dá)到調(diào)節(jié)底板水 平的作用。 圖 底板支撐系統(tǒng) 21 （三）裝配體的整體修改 繪制完整個(gè)裝配體之后，再對(duì)其中一些需要修改的地方進(jìn)行修改，保證 工程級(jí) 3D 打印機(jī) 實(shí)物能順利的 加工并 裝配 出來。 例如在設(shè)計(jì)噴頭固定桿時(shí)，一開始沒有考慮到定位基準(zhǔn)的問題，這樣使得裝配時(shí)會(huì)有很大的誤差，且不好定位。在經(jīng)過認(rèn)真考慮后，將此零件設(shè)計(jì)成如圖 示。 圖 噴頭固定桿 這種設(shè)計(jì)不僅減少在裝配過程中定位所用的時(shí)間，還減少了隨著使用時(shí)間的增加而導(dǎo)致的誤差。 最后確定無誤后即可將需要加工的零件繪制成圖紙，并將整個(gè)裝配體 繪制一張 程圖。 22 四、配件的加工及裝配 （一）配件的加工 在配件 加工之前， 一定要 仔細(xì)的繪制圖紙，不僅僅尺寸要完整，其他一些公差等信息也要表明，防止加工出來的零件 達(dá)不到 標(biāo)準(zhǔn)，而影響 3D 打印機(jī)的精度。 最后 將繪制好的圖紙給商家加工， 并保持 和商家之間的聯(lián)系 。 （二）機(jī)器的裝配及線路的連接 零件加工好后， 開始 對(duì)機(jī)器進(jìn)行裝配 （裝配圖 如圖 示 ） 。在裝配過程中，要盡可能的減少裝配誤差，這是提高打印機(jī)精度的重要因素。 在裝配 過程中要做到輕拿輕放，有些精度要求的零件 需要 特別注意。 圖 裝配體 同時(shí) 在 裝配完了之后， 將線路完好無缺的連接起來，保證機(jī)器能正常的運(yùn)行。 23 五、機(jī)器調(diào)試 最后將裝配好的機(jī)器進(jìn)行 調(diào)試， 從而使得機(jī)器能夠順利的工作。 調(diào)試 時(shí)不僅要將噴頭的 性能調(diào)到最好，還要將平臺(tái) 及 噴頭平臺(tái)的位置調(diào)整好，并確定打印范圍。 工程級(jí) 3D 打印機(jī) 控制 軟件 介紹： 一款智能的前端顯示，調(diào)整大小，切片和打印 的 軟件 。 相對(duì)其他控制軟件來說，優(yōu)點(diǎn)在于圖形化界面，簡(jiǎn)單易用 。界面 如圖 示： 圖 件 界 面 24 六、總結(jié) 隨著畢業(yè)日子的到 來，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。 在這次畢業(yè)設(shè) 計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 我的心得也就這么多了，總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)
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