立式加工中心X、Y方向進給系統(tǒng)以及床身的設計畢業(yè)論文設計正文

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)1 引言1.1快速成型技術的產生和發(fā)展1.1 1 快速成型（ RP）技術簡介快速原型制造技術， 又叫快速成型技術， 英文：RAPIDPROTOTYPING（簡稱 RP技術），RAPID PROTOTYPING MANUFACTURING，簡稱 RPM?？焖俪尚停?RP）技術是在 90 年代發(fā)展起來的一項先進制造技術，是為制造業(yè)企業(yè)新產品開發(fā)服務的一項關鍵共性技術,對促進企業(yè)產品創(chuàng)新、 縮短新產品開發(fā)周期、 提高產品競爭力有積極的推動作用。它于 20 世紀 80 年代后期產生于美國， 很快擴展到日本及歐洲，比喻20 世紀 90 年代初期引進

2、我國，是近20 年來制造技術領域的一項重大突破，并由此產生一個新興的技術領域。它借助計算機、激光、精密傳動、數(shù)控技術等現(xiàn)代手段，將CAD和 CAM技術、數(shù)控技術、材料科學、機械工程、電子技術及激光技術的技術集成以實現(xiàn)從零件到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術。它是一種基于離散堆積成型思想的新型成型技術，是又CAD模型直接驅動的快速完成任意復雜形狀三維實體零件制造的技術的總稱。快速成形（Rapid Prototyping， RP ） 技術基于離散堆積原理，采用多種直寫（ Direct Writing ）技術控制單元材料狀態(tài)，將傳統(tǒng)上相互獨立的材料制備和材料成形過程合，建立了零件成形信息及材料功能信

3、息數(shù)字化到物理實現(xiàn)數(shù)字化之間的直接映射，實現(xiàn)了從材料和零件的設計思想到物理時間的一體化 1 。進入 21 世紀以來，間接快速制模技術成為 RP 最重要的應用領域； 生物活性材料快速成形成為 RP 研究中一個新的熱點，快速成形的生物材料進入細胞和大分子層次；RP 技術的研究重點逐步轉移到快速制造（Rapid Manufacturing） ，主要是直接金屬件的制造，快速成形技術的概念也由快速原型向快速制造轉化2 。而基于噴射技術的熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）正是當前最活躍使用最廣泛的RP技術之一。快速成型技術的基本原理傳統(tǒng)的零件加工過程是先制造毛坯，然

4、后經切削加工，從毛坯上去除多余的材料，從而達到設計所要求的形狀、尺寸和公差，這種方法統(tǒng)稱為材料去除制造?？焖僭椭圃旒夹g徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法，而基于“材料逐層堆積”的制造理念，將復雜的三維加工分解為簡單的材料二維添加的組合， 它能在 CAD模型的直接驅動下，快速制造任意復雜形狀的三維實體，是一種全新的制造技術?？焖俪尚停?RP）技術的特點RP技術將一個實體的復雜的三維加工離散成一系列層片的加工， 大大降低了加工難度，具有如下特點：（1）成型全過程的快速性，適合現(xiàn)代激烈的產品市場；（2）可以制造任意復雜形狀的三維實體；（3）用 CAD模型直接驅動，實現(xiàn)設計與制造高度一體化，其直觀性和易

5、改性為產品的完美設計提供了優(yōu)良的設計環(huán)境；（4）成型過程無需專用夾具、模具、刀具，既節(jié)省了費用，又縮短了制作周期。（5）技術的高度集成性，既是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的必然產物，也是對它們的綜合應用，帶有鮮明的高新技術特征。以上特點決定了 RP 技術主要適合于新產品開發(fā)，快速單件及小批量零件制造，復雜形狀零件的制造， 模具與模型設計與制造， 也適合于難加工材料的制造，外形設計檢查，裝配檢驗和快速反求工程等?？焖俪尚停?RP）技術的研究背景自美國 3D公司 1988 年推出第一臺商品 SLA快速成形機以來，已經有十幾種不同的成形系統(tǒng)，其中比較成熟的有 UV、SLA、 SLS、LOM和 FDM等方法。本次

6、畢設的任務就是基于各種快速成型技術中的FDM技術提出來的2. 快速成型的分類及其應用1.4快速成型技術的分類目前快速成型技術在“分層制造”思想的基礎上，已出現(xiàn)了數(shù)十種工藝方法，并且新的工藝還在不斷涌現(xiàn)。根據(jù)所使用的材料和建造技術的不同，目前應用比較廣泛的方法有選擇性激光燒結法（SLS）、光固化成型法（ SLA）、熔融沉積制造法（FDM）、疊層實體制造法（ LOM）等。1)選擇性激光燒結法 (Selective Laser Sintering, SLS)工藝SLS 工藝是采用粉末狀材料成型的。用激光束在計算機的控制下有選擇地進行燒結，被燒結部分固化在一起構成了零件的實心部分。一層完成后再進行下一

7、層，新的一層則與上一層牢固地結合在一起。所有層完成后，去除多余未燒結的粉末，再經過打磨、烘干等后處理，便得到燒結后的零件。如下圖所示：圖 1 選擇性激光燒結原理圖2） 光固化成型法 (Stereo lithography Apparatus, SLA)工藝SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。激光束在控制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再鋪上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后進行下一層的掃描加工，新固化的一

8、層牢固地粘結在前一層上，如此重復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。如下圖所示:圖 2 立體光固化成型工藝原理圖3)熔融沉積制造法 (Fused Deposition Manufacturing, FDM)工藝FDM工藝一般采用熱塑性材料。 材料在噴頭內被加熱融化。 噴頭在計算機的控制下沿零件截面進行填充軌跡運動，同時將融化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結。材料擠壓后堆積出一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法制造出來，并與前一個層面熔接在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。如下圖所示：圖 3 熔融沉積制造原理圖4)疊層實體制造法 (Laminated Object Ma

9、nufacturing, LOM)工藝LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。LOM工藝將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光器按照 CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內外輪廓然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起。激光束再次切割這樣反復逐層切割一粘合一切割，直至整個零件模型。如下圖所示：圖 4 Helisys公司的 LOM系統(tǒng)裝置原理圖5） 其他工藝：還有許多快速成型工藝已經投入商品化，如三維噴涂粘結（ThreeDimensional Printing and Gluing, 3DPG）、焊接成型（ Welding For

10、ming, WF ）、光屏蔽工藝（Photo masking, SGC）、直接殼法（DirectShell ProductionCasting,DSPC）、直接燒結技術、數(shù)碼累積成型、熱致聚合、全息干涉制造、模型熔、彈道微粒制造光束干涉固化等。1.5快速成型技術的應用1） 在產品設計上的應用一直以來，在CAD和 CAM之間都存在著一個縫隙，即產品的CAD總不能在 CAM之前盡善盡美?？焖俪尚图夹g的出現(xiàn)恰到好處地彌補了產品CAD與 CAM之間的這個縫隙。正因為如此， RP模型的早期應用主要集中在產品設計階段的外觀評估、裝配與功能檢驗方面，而且這幾方面的應用至今仍然占據(jù)著較大的需求。2) 在快速模

11、具上的應用由于現(xiàn)代社會產品競爭十分激烈 , 產品快速響應市場往往是競爭制勝的關鍵 , 所以模具快速制造顯得尤為重要。傳統(tǒng)模具制造的方法工藝復雜、時間長、費用高、精度低、壽命短 , 很難完全滿足用戶的要求。即使是傳統(tǒng)的快速模具 , 也常常因為模具的設計與制造中出現(xiàn)的問題無法改正 , 而不能做到真正的 “快速”。因此 , 應用 RP 技術制造快速模具 , 在最終生產模具開模之前進行產品的試制與小批量生產 , 可以大大提高產品開發(fā)的一次成功率 , 有效地節(jié)約開發(fā)時間和費用。在 RP 原型制造出來之后 , 以此原型作為基礎 , 采用一次轉換或多次轉換工藝 , 制造出實際的大批量生產中或產品試制中零件使

12、用的模具 , 稱為間接模技術 , 目前是 RP 技術最重要的應用領域。3) 在醫(yī)學領域上的應用RP技術已經運用于種植體原型、監(jiān)視系統(tǒng)和很多其他醫(yī)療設備原型的制作，運用生理數(shù)據(jù)采用 SLA、LOM、SLS、FDM等技術快速制作物理模型，對想不通過開刀就可觀看病人骨結構的研究人員、種植體設計師和外科醫(yī)生等能夠提供非常有益的幫助。這些技術在很多?？迫顼B外科、神經外科、口腔外科、整形外科和頭頸外科等得到了廣泛的應用。1.2 熔融沉積技術1 2.1 FDM 熔融沉積造型概述熔融沉積造型（ Fused Deposition Modeling ,FDM ）又稱為融化堆積法，熔融擠出成模（ Melted Ex

13、trusion Manufacturing ,MEM）等 .FDM 工藝由美國學者 Dr.Scott Crump于 1988 年研制成功，并由美國 Stratasys 公司推出商品化的設備 3 。FDM工藝不使用激光器，其關鍵技術在于噴頭，其基本工作原理是：噴頭在計算機控制下作 X-Y 聯(lián)動掃描以及 Z 向運動，制作材料在噴頭中被加熱并略高于熔點； 噴頭在掃描運動中噴出熔融的材料，快速冷卻形成一個加工層， 并與上一層連接在一起； 這樣層層掃描疊加便形成一個空間實體。類似的工藝還有MJS（ Multiple Jet Solidification）、 MEM（ MeltedExtrusion Ma

14、nufacturing）等。研究FDM工藝的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。Stratasys公司于1993年開發(fā)出第一臺DDM1650機型后，又先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000機型。近年來，美國3D Systems公司在FDM技術的基礎上開發(fā)出了多噴頭（Multi-JetManufacture,MJM ）技術，即使用多個噴頭同時造型，從而提高了造型速度。FDM 國內外發(fā)展現(xiàn)狀目前研究 FDM最主要的是美國 Stratasys 公司。該公司成立于 1990 年，總部位于美國明尼蘇達州，擁有 FDM專利技術。該公司于 1993 年開發(fā)出第一臺

15、 FDM-1650機型后，先后推出了 FDM-2000、FDM-3000和 FDM-8000機型； 1998 年又推出了采用擠出頭磁浮定位（ Magna Drive ）系統(tǒng)，可同時控制兩個噴出頭的 FDM-Quantum機型； 1999 年推出可使用使用聚脂熱塑性塑料的 Genisys 型改進機型 GenisysXs1 ；目前該公司最新的機型有 Dimension 三維打印機、 FDMProdigy plus 、FDMVantage、FDMTitan 、FDMMaxum快速成形機。該公司自 2002 年起在年 RP設備銷售臺數(shù)上超過美國 3DSystem 公司，成為世界上最大的 RP設備銷售商

16、，目前 Stratasys 公司每年銷售的 RP設備占到全球銷售總量的一半左右。國內，華中科技大學、 北京殷華公司等單位也從事FDM方面的研究。北京殷華公司對熔融擠壓噴頭進行了改進，提高了噴頭可靠性。 并在此基礎上新推出了面向辦公應用的 MEM200型小型設備，面向工業(yè)應用的MEM350型設備以及基于光固化工藝的AURO-350型設備。此外，殷華公司近幾年推出了專門用于人體組織工程支架的快速成形設備Medtiss 。該型設備以清華大學激光快速成形中心發(fā)明的低溫冷凍成形（LDM）工藝為基礎，最多可同時裝備4 個噴頭。該設備成形材料廣泛，可成形PLLA、PLGA、PU等多種人體組織工程用高分子材料

17、。成形的支架孔隙率高，貫通性好，在組織工程中有良好的應用前景 2 。在 FDM材料方面，熔絲線材料主要是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料。 1998年澳大利亞的 Swinburne 工業(yè)大學研究了一種金屬- 塑料復合材料絲。1999 年 Stratasys公司開發(fā)出水溶性支撐材料，有效地解決了復雜、 小型孔中的支撐材料難除或無法去除的難題 3 。從 2003 年至今， Stratasys公司為擴大 FDM工藝在 RM領域的應用，先后推出 PC、PCABS、PPSF等三種材料，使成形的零件可直接用作汽車儀表盤、電子產品外殼甚至塑料注塑模具等。根據(jù)Stratasys技術報告提供的數(shù)據(jù)，采用P

18、PSF材料制造的注塑模具可生產150 件 POM零件或者 201 件 PA零件 4 。此外，目前 Stratasys公司推出的工程塑料 ABS有六種標準顏色，包括：白、藍、黃、黑、紅、綠色，允許客戶定制。新工藝、新材料和新方法的研究丹麥科技大學（ Technical University of Denmark）的 Bellini Anna 開發(fā)了一種用于 FDM設備的新型擠出系統(tǒng) 5 。該裝備將一個微型擠出器安裝在一個精確定位系統(tǒng)上，它能使直接使用顆粒狀原料，而代替?zhèn)鹘y(tǒng)FDM工藝中的絲狀材料，從而使得FDM工藝可以使用更廣泛的特殊材料（如陶瓷等），提高 FDM制件的性能，達到使用FDM工藝制造

19、特殊原型和快速制造的目的。目前，該系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)的制件已經制作出來，但是一些工藝參數(shù)（如顆粒度等） 還需要進一步優(yōu)化。 西安交通大學將傳統(tǒng) FDM工藝中材料擠出過程作了改進，將被加熱到一定溫度的低粘性材料( 該材料可由不同相組成 ,如粉末粘結劑的混合物 ) , 通過空氣壓縮機提供的壓力由噴頭擠出, 其他均與傳統(tǒng) FDM工藝相同，他們將這種工藝稱之為氣壓式熔融沉積快速成形(AJS)6。他們的研究結論是：以氣壓作為擠壓動力有效可行 , 系統(tǒng)工藝簡單 , 成形材料選擇范圍廣泛 , 可完成傳統(tǒng)FDM的快速設計任務 , 還可完成制造人工生物活性骨的模型加工。澳大利亞 Swinburne 科技大學（ S

20、winburne Universityof Technology ）繼續(xù)了他們在金屬塑料復合材料上面的研究。2005 年他們開發(fā)一種新的鐵尼龍的復合材料，該材料比其他用于快速制模的金屬塑料復合材料擁有更好的性能7 。在 FDM工藝的基礎上，蘇格蘭Glagow Caledonian大學（ Glagow CaledonianUniversity）提出了一種新的成形方法SALM（ShellAssistedLayer Manufacturing）。該方法的每一層制作分為兩步：首先用FDM工藝做作制件外殼，然后用UV光固化樹脂填充外殼，重復制作直至完成。該方法有潛力來提高制件質量、 生產效率和工藝速度

21、8 。工藝實驗方面的研究馬來西亞科學大學（UniversitySains Malaysia ）的 Lee B.H. 等人提出一種 Taguchimethod 來獲得使用驗得到的結論是：FDM工藝制作 layer thicknesscompliant ABS，raster angle原型時的最優(yōu)加工參數(shù)。最后通過實和 air gap對 compliant ABS 原型的彈性性能有很重要的影響9 。丹麥科技大學（ Technical University of Denmark）的Bellini Anna等人針對FDM的最新發(fā)展使得FDM工藝已經用于直接快速制造零件，對擠出過程提出更高的要求的形式下

22、，通過分析材料擠出階段的液化器動力學（Liquefier dynamics） ，提出了擠出過程的控制策略 10 。大連理工大學的郭東明教授、賈振元教授等人也進行了FDM工藝參數(shù)優(yōu)化設計。 他們使用一個包含 22 個尺寸、幾何精度及表面粗糙度特征的測試件，采用一個具有最少試驗次數(shù)的正交試驗得到 27 個 FDM原型；通過使用三坐標測量儀和表面粗糙度輪廓儀來測量原型件的各種特征， 并使用 MATLAB軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理， 據(jù)此結果來評估 FDM 原型件的質量；取并進行了工藝參數(shù)的優(yōu)化。 研究結果表明， 工藝參數(shù)的優(yōu)化設置能大幅度改善原型件的質量 11 。各應用領域的研究澳大利亞 Swinburn

23、e 大學的 Masood S. H. 教授等人使用 FDM工藝直接噴射金屬制作注塑模嵌件。 它首先用 FDM工藝制作一個尼龍模型， 然后在尼龍的外表面噴射一層鋅合金保護膜。目前， 他們正在對這種新工藝，以及使用這種注塑模制作出來的塑料件進行研究 12 。荷蘭 TNO國家應用科學研究組織在 FDM技術的基礎上，使用一直 semi-solid metals （ EDSSM）來直接制作金屬件。他們還對這中合金材料的微觀組織及其在擠出和沉積過程中的流變力學性質等進行了研究 13 。得出了加工工藝參數(shù)與原型件質量之間的關系，清華大學的顏永年教授等人利用噴射擠出沉積成形方法制作了骨模型和耳狀軟骨，并在狗和

24、兔子上進行了實驗14 。顏永年教授還于2005 年正式提出生物制造工程的概念 15 ，目前他們的研究工在國際上處于領先水平。Srezelec Rebecca A. 和 Varreck Andrew N. 在美國工程教育協(xié)會 2005 年年會報告中，就 FDM技術在機電工程技術教育中的應用、 FDM的操作、優(yōu)點和局限性及 FDM教學應用項目進行了討論 18 。在他們的教學應用項目中，在 Penn State Altoona 機電工程系的學生開設 Senior Capstone Course，此外還專門開設了一門“ CADfor Artists ” 課程。值得注意的是，在他的報告中指出，美國賓州中

25、南部的幾十名 11 到 13 歲的女中學生也使用 FDM系統(tǒng)進行她們的研究。 她們在設計了用戶產品之后， 使用 FDM去制作原型，然后進行討論。系統(tǒng)組成FDM系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機構、運動機構、加熱成型室、工作臺五個部分。（ 1）噴頭。噴頭是最復雜的部分。材料在噴頭中被加熱融化，噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出， 噴頭沿零件界面輪廓和填充軌跡運動是擠出材料， 與前一層粘結并在大氣中迅速固化。如此反復進行即可得到實體零件。（ 2）送絲機構。送絲機構為噴頭輸送原料，進絲要求平穩(wěn)可靠。一般和噴頭采用推拉相結合的方式，以保證進絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤。（ 3）運動機構。運動機構包括 X

26、， Y,Z 三個軸的運動。 X-Y 軸的聯(lián)動完成噴頭對截面的平面掃描， Z 軸則帶動工作臺實現(xiàn)高度方向上的進給。（ 4）加熱成型室。加熱成型室用來給成型過程提供一個恒溫的環(huán)境。熔融狀態(tài)的絲擠出成型后如果驟然冷卻， 容易造成翹曲和開裂， 適當?shù)沫h(huán)境溫度可最大限度的減小這種缺陷，以提高成型質量和精度。（ 5）工作臺。工作臺主要由臺面和泡沫墊板組成，每完成一層成型，工作臺便下降一層高度。1.2 7 FDM成型特點：1) 標準的工程熱塑性塑料。如 ABS可以用來生成帶有結構功能的模型。2) 可以使用兩種材料，可選柵格結構充當填空。3) 加熱后的熱塑性塑料細絲像擠牙膏一樣從噴嘴中擠出。4) 熱塑性塑料到

27、達較低溫度的工作環(huán)境平面后迅速冷卻固化。5) 近年來發(fā)展迅速，廣受用戶青睞。1.2 8 FDM的優(yōu)、缺點及應用范圍：FDM快速原型技術的優(yōu)點是：1 、 制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學物質的危險。2、 工藝干凈、簡單、易于材作且不產生垃圾。3 、 可快速構建瓶狀或中空零件。4 、 原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換。5 、 原材料費用低，一般零件均低于20 美元。6、 可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用 ABS、PC、PPSF等。缺點是：1、 成型精度相對國外先進的SLA工藝較低，最高精度0.127mm2、成型表面光潔度不如國外先進的SLA工藝；3、成型速度相對較慢適用范圍

28、：這種工藝方法適合于產品設計的概念建模以及產品的功能測試。由于甲基丙烯酸 ABS（ MOBS）材料具有很好的化學穩(wěn)定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫(yī)用。但成形精度相對較低，不適合于制作結構過分復雜的零件。2.2 FDM 快速成型機的總體設計圖 5FDM 快速成型系統(tǒng)原理圖快速成型機的系統(tǒng)設計FDM控制系統(tǒng)主要由計算機控制系統(tǒng)硬件、運動控制系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及其機床開關量控制系統(tǒng)5 部分組成。1) 計算機控制系統(tǒng)硬件主要有單臺工業(yè) PC機、運動控制卡、數(shù)模模數(shù)轉換卡、數(shù)字量輸入卡和數(shù)字量輸出卡組成。它使用單臺工業(yè) PC機完成上層數(shù)據(jù)處理和下層設備驅動功能，使用接口板卡作為計算機

29、控制系統(tǒng)與其他子執(zhí)行系統(tǒng)的接口。2) 運動控制系統(tǒng)采用步進式開環(huán)運動控制系統(tǒng)，運動機構以 X-Y 步進電機與鋼絲繩傳動機構、Z 軸步進電機和絲杠傳動機構構成，控制模塊控制步進電機的運動來完成 X-Y 的平面掃描和 Z 軸的高度進給。Z 軸方向采用較小的運動速度， 保證 Z 軸的精確進給， X-Y 軸空運行時使用較高速，噴絲工作時使用較低速，保證工作時間的降低和運動的精度。FDM系統(tǒng)采用的是一種三軸步進電機運動控制卡。該卡能實現(xiàn)精確的X-YZ 位置控制、精確的旋轉控制，主要用于機器人設備、裝配設備，以及其他使用步進電機的地方。3) 送絲控制系統(tǒng)送絲控制系統(tǒng)包括送絲機構驅動電路。它控制送絲機構的運

30、動，從而將實體材料和支撐材料分別送入實體噴頭和支撐噴頭進行加熱熔化，并通過擠壓力將材料從噴頭中擠出。計算機控制系統(tǒng)通過數(shù)字量輸出卡和模數(shù)數(shù)模轉換卡，經過送絲機構驅動電路實現(xiàn)對送絲機構的啟停、正反轉和調速控制。4) 溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)是采用獨立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由三組溫控器、可控硅及熱電耦組成。它實現(xiàn)在系統(tǒng)工作時，分別將實體噴頭、支撐噴頭和加熱工作室的溫度控制在設置的范圍內。計算機控制系統(tǒng)通過數(shù)字量輸出卡來控制溫控器的啟停。5) 機床開關量控制系統(tǒng)機床開關量控制系統(tǒng)是對機床一些必要的開關量，如強電開關量、加熱器開關量、調試開關量、上門開關量等，進行的控制，以達到機床特定的輔助功能。計算機控制

31、系統(tǒng)通過帶光電隔離功能的數(shù)字量輸入卡和數(shù)字量輸出卡來完成他們的控制?？焖俪尚蜋C的結構設計FDM快速成型機主要有擠壓噴頭、工作平臺、送絲機構、運動機構、加熱工作室5個部分組成，如下圖所示。圖 6FDM快速成型機結構圖 （字體重標）1) 擠壓噴頭現(xiàn)在一般 都用雙噴頭獨立工作，一個主噴頭用來噴模型材料制作零件，另一個副噴頭用來噴支撐材料制作支撐，兩種材料特性不同，制作完畢后去除支撐相當容易。在計算機控制下，噴頭可在XY平面內任意移動，兩個噴頭可以獨立開啟關閉。主噴頭工作時，副噴頭遠離工作臺 ; 副噴頭工作時， 主噴頭上下位置不動， 副噴頭接近工作臺。工作臺可以任意升降。2) 工作平臺工作臺主要有臺面

32、和泡沫墊片組成，每完成一層成型，工作臺便下降一個高度。3) 運動機構X Y 軸的聯(lián)動掃描完成FDM工藝噴頭對截面輪廓的平面掃描，Z 軸帶動工作臺實現(xiàn)高度發(fā)行的進給。4) 送絲機構送絲機構為噴頭輸送原料。原料絲直徑一般為1-2mm,而噴嘴直徑只有0.2-0.3左右，這個差別保證了噴頭內一定的壓力和熔融后的原料能以一定的速度被擠出成型。送絲機構和噴頭采用推拉相結合的方式，以保證送絲可靠，避免斷絲或積瘤。5) 加熱工作室加熱工作室用來給成型過程提供一個恒溫環(huán)境。熔融狀態(tài)的絲擠出成型后如果驟然受到冷卻 ,容易造成翹曲和開裂 ,適當?shù)沫h(huán)境溫度可最大限度地減小這種造型缺陷,提高成型質量和精度。3 FDM

33、快速成型機 X、Y 進給系統(tǒng)設計本次畢業(yè)設計題目是立式加工中心設計（X 、Z 方向進給系統(tǒng)設計、 床身設計），它是一種數(shù)控加工設備， 隨著工業(yè)產品的快速發(fā)展，該設備在機械行業(yè)中的使用越來越廣泛，是典型的機電一體化產品。立式加工中心主要用于各種中小尺寸，各種基礎件、板件、殼體、模具等多品種零件的加工，工件一次裝夾后可自動高效、高精度的連續(xù)完成銑、鉆、鏜、鉸等多種工序的加工，適用于航空、機床、印刷、輕紡、模具等制造行業(yè)。3.1X、Y 向進給系統(tǒng)絲杠的選取與計算滾珠絲杠副按循環(huán)方式分為內循環(huán)和外循環(huán)兩種，本設計選用了內循環(huán)浮動式滾珠絲杠副，其結構特點為：滾珠循環(huán)鏈最短，反向靈活，結構緊湊，剛性好，使

34、用可靠，工作壽命長，螺母配合外徑較小。摩擦力矩小，適用于高靈敏.高精度 .高剛度的進給定位系統(tǒng)。如圖 3-1 所示： 初算導程 Ph (mm)Ph vmax nmax = 35 10 317.5 mm2000Ph 要符合標準值 , 初選 Ph =20mmvmax 絲杠副最大移動速度，mmminnmax 絲杠副最大相對轉速，rmin 當量載荷 Fm (N)當載荷在 Fmin 和 Fmax 之間周期性變化時，載荷按下式計算F= 1 （2 Fmax + Fmin ）3絲杠的最大載荷為切削時的最大進給力，最小載荷為摩擦力。Fmax= F j + Fm =3000+0=3000N， Fmin =0NF=

35、 1 （2 Fmax + Fmin ） = 1 （2×3000+0） =2000N33 當量轉速 nm當轉速在 nmax 和 nmin 之間變化時， nm = 1 ( nmax + nmin )= 1 (2000+0)=1000 rmin22 額定動載荷計算C am (N)1C am = f w Fm ( Ls Lh ) 3fa f c61=1.5 ×2000× 10201032010 6=1.5 ×2000×3.71=11100 NC am = f e Fmax =4.5 ×3000=13500 Nf a 精度系數(shù)，f a =1f

36、c 可靠性系數(shù)，f c =1f w 載荷性系數(shù)，f w =1.5Ls 預期工作距離， Ls =1020×10 6 kmf e 預加載荷系數(shù)，f e =4.5Fmax -最大軸向載荷，F(xiàn)max =3000N 估算滾珠絲杠允許最大軸向變形mm =（ 13 14）重復定位精度 = 1 ×0.010=0.003mm 31m （ 1415）定位精度 =×0.017=0.004mm取 m 與 m 中較小值為 m 值m =0.003mm 估算滾珠絲杠底徑 d2 m (mm)d 2m =a F0 L / m =0.039 × 2000 1300 10 3=37.16mm

37、0.003F0=F=3000 Na 支承方式系數(shù)，一端固定時一端游動時取0.039F0導軌靜摩擦力 ,N0 導軌靜摩擦因數(shù)L滾珠絲杠兩軸承支點間的距離 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號選定滾珠螺母型式,按上述估算的Ph . Cam 及 d2 m 值中選出合適的規(guī)格代號及有關安裝.連接尺寸 ,并使但不宜過大 以免增大轉動慣量及結構尺寸。d 2 d 2 m , CaCam,取 d2 =40mm。型號 4010-3，其參數(shù) L=84 D=108 D1=63。b1 絲杠螺紋左端到左軸承的距離b1，取 60mmb2 絲杠螺紋右端到右軸承的距離b2，取 40mmLe 余程 Le=40mmLa 安全行程La （ 12

38、）Ph=20mmLx 機械最大行程 Lx=1020mmLn 螺母長度 Ln=84mmL1 絲杠螺紋長度 L1 2Le+2La+Lx+Ln=1300mmLu 有效行程 Lu L12Le=1220mmL 左右端軸承之間的距離Lz L1+b1+b2=1440mmx 軸絲杠最少大于 1440mm,y 軸最少大于 980mm注： b1、b2 按經驗選取，在滿足結構設計需要的情況下，越短越好。 計算預緊力 Fp當最大軸向工作載荷Fmax 能確定時 , Fp = Fmax 3=30003=1000N 行程補償值 C（m）C=11.8t l u 10 3 =11.8 ×2×1300

39、5;10 3 =30.68ml u =行程 +（ 8 14） Ph =1020+14×20=1300mmt溫度變化值， 2 3C°l u 滾珠絲杠副有效行程，mm 預拉伸力 Ft (N)Ft =1.95 t d 2 2 =1.95 ×2×40 2 =9867.8Nd2 絲杠螺紋底徑， mm 系統(tǒng)剛度 K 計算 (Nm)11111+ 1 +1 =0.0055KK sK bR7862611138則 K=357 NmK s 滾珠絲杠副的拉壓剛度，Nm當一端固定一端游動時，K s =165 d 2 2 La(L-a)1654021362=(1362=786 Nm

40、600600)K b 軸承剛度，Nm1K b = K B0 =2×2.34 ×3 d Q Z 2 Fa max sin 5 6013 5323000 ( )=2×2.34 × 7 172=261 NmR軸向接觸剛度，得R=1138a 滾珠螺母中點至軸承支點距離， 滾珠絲杠副精度選擇選擇精度，并校合系統(tǒng)剛度K 值，進行必要的驗算。精度等級2 ；3 滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性Fc 驗算Fc = K1 K 2 105 d 2 4 Lc1 2 = 1 ×4×10 5 ×40 4 80022=10.1 ×105 NFa maxFc

41、臨界壓縮載荷， NK 1 安全系數(shù)，絲杠垂直安裝為12K 2 支承系數(shù)，Lc1 絲杠最大受壓長度，F(xiàn)a max 滾珠絲杠副所受的最大軸向壓縮載荷 滾珠絲杠副極限轉速nc 計算 (rmin)nc =107 f d2 L2 c2 =10 7 ×21.9 ×40 800 2 =13687.5 rminf 支承系數(shù)，f=21.9Lc2 臨界轉速計算長度，Lc2 =800 mm dn 值校驗（ r ·mmmin）d0 nmax =40× 2000=80000 100000 r · mmmind0 滾珠絲杠副的公稱直徑，mmnmax 滾珠絲杠副最大轉速 ,

42、rmin 額定靜載荷 Coa 驗算（ N）f s Fa max =2.2 ×3000=6600 N Coa ，Coa 滾珠絲杠副基本軸向額定靜載荷，Coa =37.7 ×10 3 Nf s 靜態(tài)安全系數(shù)，一般取1 2，有沖擊振動時取2 3Fa max 滾珠絲杠副最大軸向載荷，F(xiàn)a max =3000N 絲杠軸拉壓強度驗算p d 2 2 4=200×3.14 ×402 4=9.8 ×10 5 Fa max知絲杠的拉壓強度足夠。p 絲杠軸許用拉壓應力， Nmm3.2滾珠絲杠支撐的選擇在絲杠的安裝方式中有支撐游動式固定游動式固定固定式。由于一端固定，

43、一端游動的安裝方式適用于水平安裝的較長絲杠，但裝配復雜。為了保證機床再加工中能夠保證足夠的剛性以及補償熱膨脹，所以在這次的設計中傳動系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端游動的結構形式,見圖 3-2：圖 3-2 滾珠絲杠軸端固定方式固定端采用 60 度角接觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力，游動端采用深溝球軸承， 安裝還要考慮軸承的預緊， 通過絲杠兩端的六角鎖緊螺母來實現(xiàn)滾珠絲杠的預緊，防止絲杠發(fā)生軸向竄動。其特點為： 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉； 結構復雜，兩端軸承均調整預緊，絲杠壓桿穩(wěn)定性比較高； 軸向剛度較大，絲杠有熱膨脹的余地； 適用于對剛度和位移精度要求較高

44、的滾珠絲杠的安裝； 適用于較長的絲杠安裝。3.3滾珠絲杠副預緊機構的設計一般滾珠絲杠副調整軸向間隙的預緊方式有以下六種，如圖3-3 所示：圖 3-3（a）在雙滾珠螺母 1 和 2 的凸緣上切制出外齒輪 ,其齒數(shù)差為 1,分別與內齒 3 和 4 嚙合 ,3 與 4 用螺釘鎖緊與螺母座 5 中,通過 1 與 2 的相對轉動達到預緊的目的。圖3-3（b）是采用不同厚度的墊片2 來預緊。圖 3-3（c）的滾珠絲杠 3 外伸端處切有外螺紋，螺母 2 可使 3 產生軸向位移來預緊。圖3-3（ d）為單螺母變位導程自預緊，為內預緊方式。圖 3-3（e）是一種類似過盈配合的預緊方式，采用安裝直徑比正常大幾個m

45、的鋼球進行預緊裝配。圖3-3（f）靠兩個六角鎖緊螺母軸向拉緊絲杠達到預緊的目的。對比幾種預緊形式的工作原理和使用場合我采用了六角鎖緊螺母預緊方式，這種方式的結構特點為：結構簡單，軸向剛性好，預緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好。適用于高剛度、重載荷的傳動，目前應用最廣泛。3.4導軌的選擇與計算機床導軌按接觸面的摩擦性質可以分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三種?；瑒訉к壘哂薪Y構簡單、制造方便、剛度好抗、振性高等優(yōu)點，是機床上使用最廣泛的導軌形式。但其缺點是靜摩擦因數(shù)大， 動摩擦因數(shù)隨速度變化而變化， 摩擦損失大，低速易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度不高。滾動導軌是在導軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針滾動體，使導

46、軌面間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。優(yōu)點是：靈敏度高，動摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)相差甚微，因而運動平穩(wěn)，低速移動不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；定位精度高，重復定位精度可達0.2 m，摩擦阻力小，運動輕便，精度保持好，壽命長。適用于運動靈敏及定位精度高的場合。靜壓導軌因為結構復雜，需要供油系統(tǒng)，造價高，維修困難，影響了其廣泛使用。根據(jù)滾動體的類型，滾動導軌有下列三種形式： 滾珠導軌這種導軌的承載能力小，剛度低。為了避免在導軌面上壓出凹坑而喪失精度，一般常采用淬火鋼制造導軌面。滾珠導軌適用于運動的工作部件質量不大和切削力不大的機床上。如工具磨床工作臺導軌、磨床的砂輪休整器導軌及儀器的導軌等。 滾柱導軌這導軌的承載能力及剛度都比滾珠導軌大。但對于安裝的偏斜反應大，支承的軸線與導軌的平行度偏差不大時也會引起偏移和側向滑動，這樣會使導軌磨損加快或降低精度。小滾柱（小于 10mm）比大滾柱（大于 25mm）對導軌面不平行敏感些，但小滾柱的抗振性高。 滾針導軌 滾針導軌的滾針比滾柱的長徑比大，滾針導軌的特點是尺寸小、結構緊湊。為了提高工作臺的移動精度， 滾針的尺寸應按直徑分組。滾針導軌適用于導軌尺寸受限制的機床上。根據(jù)導軌是