六軸3D打印機的設(shè)計

第1章緒論1.1研究目的及意義世紀(jì)末19世紀(jì)初的美國，不久發(fā)展到其他國家：20世紀(jì)80年代中期開始，經(jīng)面上的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3d打維的，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(1)前處理：進行模型設(shè)計和打印數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及與打印工藝方法相對應(yīng)的數(shù)構(gòu)建3D模型有三種常用的方式：利用3D建模軟件構(gòu)建模型；基于圖像構(gòu)建3D模型；利用3D掃描儀構(gòu)建3D模型。使用3D掃描儀構(gòu)建3D模型：使用3D掃描儀對實物表面、形狀進行掃描分(2)打印過程：設(shè)備根據(jù)設(shè)定的制作參數(shù)自動進文件和輸出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(yīng)的3D打印切片軟件，用它來實現(xiàn)3D模型的參數(shù)調(diào)整，并將模型切片，轉(zhuǎn)換成3D打印機確度高，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(3)后處理：包括清洗、去除支撐以及打磨處理1.2研究內(nèi)容1.3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對世界的影響(1)我國的某些技術(shù)在世界中也是比較先進的，比如，將應(yīng)用在航天航空(2)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(nèi)企業(yè)都已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，便捷式臺式的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。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(shù)，并在全國范圍內(nèi)建立了多個研究和商業(yè)聯(lián)盟。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(shù)宣布支持，特地研究了特殊的增材制造項目這一技術(shù)，最終得到了支持。第2章總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計3D打印機增材技術(shù)已經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，該技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已非常成熟，2.13D打印機模型設(shè)備的方案分析模型的制作要求依靠各類不同的機構(gòu)相互組合并最終實現(xiàn)預(yù)期的所有功能X/Y軸組成平面掃描運動框架三回旋軸機構(gòu)(即工作臺)伺服電機——轉(zhuǎn)軸雜模型的需要和控制工作臺的旋轉(zhuǎn)每次打印完一層，隨后完成下一層信息讀取，機機構(gòu)俯視簡圖軸移口轉(zhuǎn)本v移轉(zhuǎn)輸入設(shè)備溫度控制回路存儲外設(shè)XYZ各方向電機控制上位機工作臺轉(zhuǎn)動控制溫度傳感器的測量值噴出量控制單片機分析顯示設(shè)備2.2溫度控制回路設(shè)計料的要求來設(shè)計的。目前3D打印的材料已經(jīng)超過了200種。為了實現(xiàn)3D打印度度感器路圖2-3控制回路方框圖2.4噴頭移動及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計圖2-4擠出機構(gòu)原理圖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)第3章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1電機的選擇3.1.1Z軸電機的選擇按照本次機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的定位精度要求進行精確定位，z軸的電機是伺服電電機型號24566電機繞組插座統(tǒng)組引線ABC插座編號2341編碼器插座插座編號234758691失電制動器繞組引線123插座編號電機絕緣等級B使用環(huán)境防護等級機，控制好移動速度很重要，故選用了華大電機穩(wěn)定性能好。(1)運行時間確定，加速時間可按照下式予以確定(3-1)負(fù)載速度(m/min)計算：根據(jù)設(shè)計原理可知其上升速度為50mm/min(2)電機轉(zhuǎn)速可通過下式予以計算：(3-2)PB為絲桿的導(dǎo)程，我們設(shè)計絲桿的導(dǎo)程為5mm(3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩可通過下式予以計算：(3-3)(4)負(fù)載慣量可通過下式予以計算：(3-4)(5)電機轉(zhuǎn)矩圖3-2電機規(guī)格圖3.1.2X軸和Y軸電機的選擇(1)確定運行時間(2)電機轉(zhuǎn)速可通過下式予以計算：(3-10)PB為絲桿導(dǎo)程，設(shè)計導(dǎo)程為4mm.(3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩(3-11)(4)負(fù)載慣量(5)電機轉(zhuǎn)矩Z軸相同。3.2滾珠絲杠螺母的設(shè)計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能造成影響。形狀尺寸和應(yīng)力分析的機械性能是選擇材料時正確分析的工作條(1)工作條件(2)主要的失效形式(3)材料的性能要求(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，所以小的扭矩之下轉(zhuǎn)動，其推力也是很大(旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(3)精度高：滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)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(zhuǎn)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(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、(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，橫向擺動校核臨界轉(zhuǎn)速是很重要的。在具體及承載情況、失效形式來選擇與之對應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且不需逐一檢查。表3-1螺旋傳動的常用材料螺旋副材料牌號應(yīng)用范圍螺桿載力不大，轉(zhuǎn)速較低的場合螺母材料耐磨性好，適用于一般傳動螺母要用鋼及鑄鐵制造。3.2.4.1Z軸立向絲桿的設(shè)計在本設(shè)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(guān)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：一動載荷影響系數(shù)，一最大軸向載荷靜態(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(dá)的速度為，得絲桿轉(zhuǎn)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)計算公式和結(jié)果(mm)螺紋滾道公稱直徑t5接觸角β鋼球直徑螺紋滾道法面半徑R偏心距e螺紋升角γ螺桿螺桿外徑d螺桿內(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑D螺母內(nèi)徑(外循環(huán))D?=d?+(0.2～0.25)d?=25.5螺母長度(1)傳動效率計算(3-19) (4)軸承的選擇溫度的系數(shù)：=1,=1;=3得壽命校核結(jié)果可知，本文選用的軸承滿足使用條件。3.2.4.2X軸和Y軸橫向絲桿的設(shè)計(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。額定載荷可通過下式予以計算：(3-25)——載荷性質(zhì)系數(shù)。一影響系數(shù)，=1一軸向載荷額定靜載荷為查表，壽命時間為，選擇螺距，絲桿轉(zhuǎn)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)如下所示。表3-3滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù)計算公式和結(jié)果(mm)螺旋滾道公稱直徑t5接觸角β鋼球直徑螺紋滾道法面半徑R偏心距e螺紋升角γ螺桿螺桿外徑d螺桿內(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑D螺母內(nèi)徑(外循環(huán)DD?=d?+(0.2～0.25)d,=20.6螺母長母(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(fù)載使導(dǎo)程發(fā)生的變化量可通過下式予以計算：△L1=(3-28),(材料為45鋼)(3-29)有：變化量不大，由此可知，導(dǎo)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(jié)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(jīng)過查資料了解到型號為的滾珠軸承的基本知識，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(jié)果可知，該軸承合適。3.2.5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：而固定而固定一端自由 一端支持 (1)油潤滑礦物油適用于大多數(shù)的滾動軸承，高轉(zhuǎn)速時滾珠絲桿副的溫度也是比較小(2)脂潤滑(3)防塵與隔離作用，以防超程撞壞其它東西及影響其精度和壽命。(3)防止熱變形：在滾珠絲桿運動時產(chǎn)生的熱，還有其它部件產(chǎn)生的熱，這3.3導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計合適的工作溫度為：;不銹鋼軸承適用于環(huán)境較為惡劣的場合，軸承型號可接觸系數(shù)FC計算過程如下：表3-4載荷系數(shù)FW運行速度載荷系數(shù)FW小于15m/min無沖擊、無振動小于60m/min微小沖擊或振動大于60m/min或有較大沖擊、振動已知裝置行程米，工作溫度：,往復(fù)次數(shù)/min。載荷：,硬度，壽命小時。1(尺本法長法公公公111內(nèi)內(nèi)直s4215圖3-4滑動軸承表3-5帶法蘭的滑動軸承參數(shù)式H國定部TPKwPd健D四法蘭型方法蘭型兩禹切55M91026211022442120M2003510基0855442深20505砼91圖3-5導(dǎo)向光桿固定座的參數(shù)本設(shè)計選擇的是兩面切割法蘭型的固定座，導(dǎo)向光桿兩端都需要固定座固計算聯(lián)軸器承受轉(zhuǎn)矩(3-33)型號公稱轉(zhuǎn)矩m軸孔直徑、忒2軸孔長度DA5Y型],]、Z型93x表3-6彈性套柱銷聯(lián)軸器的參數(shù)(1)設(shè)定功率電機額定功率為0.6KW,假定電動機工作時間為10小時，查表可知工作系I0天I數(shù)▲K 個臂就大大質(zhì)盛(2)選定同步帶帶型和節(jié)距M圖3-7同步帶選型圖2(3)選主動輪(小帶輪)的齒數(shù)通過小帶輪的轉(zhuǎn)速來確定其中的齒數(shù)，經(jīng)過查表得知小同步帶輪最小齒數(shù)小帶論特流0帶型L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(shè)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(zhuǎn)速可通過下式予以計算(6)即同步帶速可通過下式予以計算(7)確定軸間間距可通過下式予以計算：(3-40)得出則選擇。(8)同步帶帶長及其齒數(shù)確定(3-41)(9)帶輪嚙合齒數(shù)計算基本額定功率可通過下式予以計算：查表可知，同步帶帶型H型的許用工作壓力Ta表3-9同步帶帶型參數(shù)所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為：(10)計算作用在軸上力Fr設(shè)計選用H型梯形同步帶，節(jié)距P=12.7mm,錯誤!未找到引用源。。帶型LH4048.902.473第4章運動底盤的設(shè)計是360°旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)臺與旋轉(zhuǎn)軸連成一體，三個自由度使用的電機是同樣的型(1)初步估算轉(zhuǎn)軸的直徑圖4-2心軸彎矩圖(2)軸的結(jié)構(gòu)圖4-3軸的結(jié)構(gòu)根據(jù)上圖可知，軸徑1-2段主要用來安裝軸承1,軸的2-3段為軸肩，其主要功能是實現(xiàn)軸承1的定位，根據(jù)本文所選用的軸承查閱其參數(shù)可知，軸承的實際安裝高度為，因此該軸段的直徑。軸的3-4段的主要作用是實現(xiàn)支撐塊的軸向定位，根據(jù)計算結(jié)果可知直徑，長度。軸的4-5段主要用來完成支撐塊的固定，直徑，長度。軸的5-6段的主要作用是實現(xiàn)軸承2的安裝，將套筒制成階梯狀，4.2三自由度的電機及減速器的選型4.3支撐塊的設(shè)計巨圖4-6凸緣聯(lián)軸器二維圖型號公稱轉(zhuǎn)矩/(N.m)許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑軸孔長度表3-9凸緣聯(lián)軸器的參數(shù)壁厚為10,圓柱內(nèi)部用兩條直徑的桿相互垂直與圓柱內(nèi)部表面連接，中間的幅度為45°,其設(shè)計如下圖所示：圖4-8支撐旋轉(zhuǎn)盤機構(gòu)4.6擺動方向的軸承座與軸承配合設(shè)計兩個擺動方向的軸承座與軸承是相同的，都是型號為6002;軸承座的高度，圖4-9軸承座與軸承的裝配第5章虛擬裝配模型使用三維軟件Solidworks繪制各個零部件的三維圖，全部畫好各個零件之