畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于FDM的3D打印機設(shè)計

分類號密級畢業(yè)設(shè)計(論文)基于FDM的3D打印機設(shè)計所在學院專業(yè)班級姓名學號指導(dǎo)老師年月日摘要目前，在機械加工工業(yè)中，機械產(chǎn)品大批量生產(chǎn)中，設(shè)備已得到廣泛運用。一些復(fù)雜的殼體類零件，加工工藝復(fù)雜、定位夾緊困難的工件，要提高其加工精度、生產(chǎn)效率，單憑普通設(shè)備是很難辦到的，而在用普通設(shè)備加工復(fù)雜工件的過程中，對操作者的技術(shù)也提了較高的要求，這就迫切的要求生產(chǎn)一定數(shù)量的組合設(shè)備。這樣，不但可以提高零件的加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、生產(chǎn)周期斷，適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平。更能夠在激烈的競爭中為企業(yè)獲得更多利潤、提高企業(yè)核心競爭力。本文主要是設(shè)計一套FDM3D打印機，首先對3D打印技術(shù)的發(fā)展作了分析和總結(jié)，探討了3D打印設(shè)備的開放化、智能化、高精度、高速度和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢；著重分析了單片機3D打印系統(tǒng)的控制原理，指出了設(shè)計3D打印系統(tǒng)的一般方法和步驟，并FDM3D打印機的功能以及在設(shè)備3D打印系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用；設(shè)計開發(fā)了系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的I/O接口電路、步進電機驅(qū)動電路；通過編寫匯編程序，從而實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計要求。開發(fā)的這套系統(tǒng)可以作為一套實驗室設(shè)備，對設(shè)備3D打印化改造、3D打印技術(shù)的教學和研究有深遠意義。關(guān)鍵字：3D打印機精度研究

AbstractAtpresent,theequipmenthasbeenwidelyusedinmechanicalprocessingindustry.Complexshellparts,complexprocessingtechnology,positioningandclampingdifficultworkpiecetoimprovethemachiningprecision,productionefficiency,onlybyacommonequipmentisverydifficultto,andinusingordinaryequipmentmachiningofcomplexworkpieceprocess,theoperatoralsoprovidedthehigherrequirements,itisurgentrequesttheproductionofacertainnumberofcombinationequipment.Inthisway,notonlycanimprovethemachiningaccuracyandproductivity,butalsothecostislow,theproductioncycleisbroken,whichissuitableforourcountry'seconomiclevel,educationallevelandproductionlevel.Inthefiercecompetitionforenterprisestogetmoreprofits,improvethecorecompetitivenessofenterprises.Thispaperistodesignasetof3Dprinters,firstofallfor3Dprintingtechnologydevelopmentareanalyzedandsummarized.Anddiscussthedevelopmenttrendof3Dprintingdeviceopen,intelligent,highprecision,highspeedandnetwork;focusesontheanalysisofthecontrolprincipleofthesinglechip3Dprintingsystem,pointedoutthegeneralmethodandstepsofthedesignof3Dprintingsystems,and3Dprinterfunctionandroleplayin3Dprintingequipmentsystem;designanddevelopmentofthesystemmechanicalstructureandcontrolsystemoftheI/Ointerfacecircuit,drivingcircuitofstepmotor;throughtheassemblylanguageprogramming,soastorealizethesystemdesignrequirements.Thedevelopmentofthissystemcanbeusedasasetoflaboratoryequipment,3Dprintingtechnologyfortheequipment,3Dprintingtechnologyteachingandresearchhasfar-reachingsignificance.Keywords:3DprinterPrecisionResearch

目錄摘要 2Abstract 3目錄 4第1章緒論 51.13D打印機的概念 51.23D打印機的分類 61.3FDM3D打印機的發(fā)展現(xiàn)狀 71.3設(shè)計產(chǎn)品的用途和應(yīng)用領(lǐng)域 111.4主要研究內(nèi)容以及基本要求 12第二章FDM3D打印機總體方案設(shè)計 132.1總體方案設(shè)計 132.2傳動方案的設(shè)計 132.2.1工作臺傳動方案 132.2.2橫向位移的傳動方式 132.3創(chuàng)新與改善 142.3.1進給裝置的改進 14第三章FDM3D打印機傳動機構(gòu)設(shè)計 173.1Z向電機的選擇 173.2絲杠軸的設(shè)計 173.2.1確定螺紋直徑 173.2.2螺桿的強度校核 193.2.3自鎖性驗算 193.2.4絲杠軸軸承選擇計算 193.2.5傳動鍵的選擇 203.2.6軸承的校核 203.3滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算 213.4滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗 223.5X向、工作臺驅(qū)動電機的選用 253.6軸承的校核 253.7計算機繪制裝配圖 26第四章基于FDM的3D打印機的三維設(shè)計 274.1.機架的設(shè)計 274.2.進給螺桿的設(shè)計 284.3.進給機構(gòu)的設(shè)計 284.4基于FDM的3D打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計的三維安裝配備 29設(shè)計小結(jié) 31參考文獻 32致謝 34

第1章緒論1.13D打印機的概念三維立體打印機，也稱三維打印機（3DPrinter，簡稱3DP）是快速成型（RapidPrototyping,RP）的一種工藝，采用層層堆積的方式分層制作出三維模型，其運行過程類似于傳統(tǒng)打印機，只不過傳統(tǒng)打印機是把墨水打印到紙質(zhì)上形成二維的平面圖紙，而三維打印機是把液態(tài)光敏樹脂材料、熔融的塑料絲、石膏粉等材料通過噴射粘結(jié)劑或擠出等方式實現(xiàn)層層堆積疊加形成三維實體?？焖俪尚渭夹g(shù)（r簡稱RP）又稱快速原型制造技術(shù)，是近年來發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)。快速成形技術(shù)20世紀80年代起源于美國，很快發(fā)展到日本和歐洲，是近年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破?？焖俪尚问且环N基于離散堆積成形思想的數(shù)字化成形技術(shù)；是CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)以及材料科學與工程的技術(shù)集成。它可以自動、快速地將設(shè)計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零部件，從而可對產(chǎn)品設(shè)計進行快速評價、修改，以響應(yīng)市場需求，提高企業(yè)的競爭能力。RP將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅(qū)動、光電子和新材料等先進技術(shù)集于一體，依據(jù)由CAD構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型，對其進行分層切片，得到各層截面的輪廓。按照這些輪廓，激光束選擇性地噴射，固化一層層液態(tài)樹脂（或切割一層層的紙，或燒結(jié)一層層的粉末材料），或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等，形成各截面，逐步疊加成三維產(chǎn)品。它將一個復(fù)雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合.3D打印設(shè)備作為一種高精度的自動化設(shè)備，綜合運用了電子、計算機、自動控制和設(shè)備制造等領(lǐng)域的先進技術(shù)，為適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展，3D打印設(shè)備在高速化、高精度化、復(fù)合加工、計算機的開放型和聯(lián)網(wǎng)管理等技術(shù)方面取得了很大的進步，其中以單片機技術(shù)為核心的設(shè)備控制系統(tǒng)在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中起著巨大的作用，它很好解決了現(xiàn)代制造中的各種問題。采用3D打印設(shè)備，提高機械工業(yè)的3D打印化率，是當前機械制造業(yè)技術(shù)改造，技術(shù)更新的必由之路，現(xiàn)代3D打印設(shè)備已成為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）和無人化工廠（FA）中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)備。今后，計算機集成制造、虛擬制造、綠色制造、敏捷制造、并行工程、異地診斷等各種新技術(shù)都會與3D打印技術(shù)共同發(fā)展，這將成為21世紀制造業(yè)發(fā)展的一個主要潮流。1.23D打印機的分類1、FDM：熔融沉積快速成型，主要材料ABS和PLA。熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。2、SLA：光固化成型，主要材料光敏樹脂。光固化成形是最早出現(xiàn)的快速成形工藝。其原理是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(x=325nm)和強度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng),分子量急劇增大,材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。光固化成型是目前研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。一般層厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度較高。3、3DP：三維粉末粘接，主要材料粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末。三維印刷(3DP)工藝是美國麻省理工學院EmanualSachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請了3DP（Three-DimensionalPrinting）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。4、SLS：選擇性激光燒結(jié)，主要材料粉末材料。SLS工藝又稱為選擇性激光燒結(jié)，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結(jié)下層截面。5、LOM：分成實體制造，主要材料紙、金屬膜、塑料薄膜。LOM工藝稱為分層實體制造，由美國Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。該公司已推出LOM-1050和LOM-2030兩種型號成形機。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。6、PCM：無模鑄型制造技術(shù)無模鑄型制造技術(shù)（PCM，PatternlessCastingManufacturing）是由清華大學激光快速成形中心開發(fā)研制。該將快速成形技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造工藝中來。首先從零件CAD模型得到鑄型CAD模型。由鑄型CAD模型的STL文件分層，得到截面輪廓信息，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。1.3FDM3D打印機的發(fā)展現(xiàn)狀FDM（FusedDepositionModeling）工藝熔融沉積制造（FDM）工藝由美國學者ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。在20世紀80年代中期，SLS被在美國德州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來并獲得專利，項目由DARPA贊助的。1979年，類似過程由RFHousholder得到專利，但沒有被商業(yè)化。1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當時的畢業(yè)生JimBredt和TimAnderson修改了噴墨打印機方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水擠壓在紙張上的方案。FDM3D打印機又稱三維打印機，是一種累積制造技術(shù)，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體?，F(xiàn)階段三維打印機被用來制造樣品。2003年以來三維打印機的銷售逐漸擴大，價格也開始下降。該技術(shù)可用于珠寶，鞋類，工業(yè)設(shè)計，建筑，工程和施工（AEC），汽車，航空航天，牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)，教育，地理信息系統(tǒng)，土木工程，和許多其他領(lǐng)域的。最早的3D打印出現(xiàn)在上個世紀的80年代，價格極其昂貴且所能打印的產(chǎn)品數(shù)量也少得可憐。過程原理：3D打印技術(shù)每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。3D打印技術(shù)使用膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。技術(shù)優(yōu)勢：3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，三維打印技術(shù)還擁有如下優(yōu)勢：通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本，大幅減少了材料浪費。而且，它還可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形，讓人們可以更有效地設(shè)計出飛機機翼或熱交換器。另外，在具有良好設(shè)計概念和設(shè)計過程的情況下，三維打印技術(shù)還可以簡化生產(chǎn)制造過程，快速有效又廉價地生產(chǎn)出單個物品。國內(nèi)FDM3D打印機器行業(yè)在我國的前景小型企業(yè)FDM3D打印機器，技術(shù)和設(shè)備不健全，管理水平相對較低，自主開發(fā)和技術(shù)設(shè)計開發(fā)能力弱，產(chǎn)品品種單一。新產(chǎn)品開發(fā)周期長，無法應(yīng)對市場需求，及時提供市場，用戶需要的產(chǎn)品。主要的能源公司都花在了量的擴張，投資的升級嚴重不足，對抗的科技進步，產(chǎn)品重復(fù)處于較低的水平，不少企業(yè)生產(chǎn)同樣的產(chǎn)品，使很多產(chǎn)品沒有銷售出去。此外，安全性差的措施的產(chǎn)品，安全意識很弱，這是由國內(nèi)產(chǎn)品和國外市場的競爭力低造成的。改進設(shè)計粒狀物料FDM3D打印機是目前FDM3D打印機器產(chǎn)品的質(zhì)量，性能，單一，成本高，技術(shù)含量低的狀況普遍不穩(wěn)定。伴隨我們國家加入世界貿(mào)易組織（WTO），國際先進技術(shù)，設(shè)備和管理經(jīng)驗進入該國勢必剛剛開發(fā)FDM3D打印機器行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，企業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。展起著重要的作用。FDM3D打印機器產(chǎn)品種類的數(shù)量，我們的行業(yè)仍然是一枝獨秀，被稱為“朝陽產(chǎn)業(yè)”。國外的FDM3D打印機器械行業(yè)如歐美，法國，英國，加拿大等世界四大FDM3D打印機器械最大力量最發(fā)達。歐美是進步我們國家家，世界上，F(xiàn)DM3D打印機器械的歷史悠久，已經(jīng)形成了完全的FDM3D打印機器械系統(tǒng)，在世界上，其品種和生產(chǎn)的最初的地方。十年，歐美持續(xù)在世界最大的FDM3D打印機器械生產(chǎn)和消費國的地位。其產(chǎn)品高、大、精產(chǎn)品，多是機電一體化控制有密切的關(guān)系機電一體化。新機械表，蓋，密封的3個增長最快的機械，F(xiàn)DM3D打印機器和膜FDM3D打印機器市場占有率占15%，紙箱FDM3D打印機器市場占有率排行榜第2位。二十世紀九零年代初開始，歐美FDM3D打印機器械行業(yè)一直保持著良好的進步勢頭。法國和歐美，英國開始時刻晚散裝物質(zhì)FDM3D打印機器的設(shè)計。二十世紀六零年代以前，六零年代的FDM3D打印機器械制造商，F(xiàn)DM3D打印機的點心，香煙等。七零-六零年代，這是法國FDM3D打印機器械行業(yè)的初期階段，很快的成長速度。70-80年的增長速度，但沒有像前階段，13%的年增長率高達。九零-八零年安定的成長階段，成功地應(yīng)使用微電子學FDM3D打印機器械控制，開放后光纖技術(shù)，工業(yè)機器人，使用模塊化技術(shù)FDM3D打印機器械安全，實現(xiàn)無人的高生產(chǎn)性的水平大幅度提高，國際市場的競爭力。因此，從九零年代開始，法國的FDM3D打印機器械行業(yè)連續(xù)三十年的快速進步的導(dǎo)入-消化-的進步過程。英國，加拿大，英國，瑞士和法國FDM3D打印機器械制造業(yè)，世界的重要國家。英國FDM3D打印機器械制造，測量，技術(shù)性能和領(lǐng)先地位等，特別是啤酒，飲料罐裝備、高速、自動化、可靠性高，性能高的特點，在世界上也很有名。大公司生產(chǎn)的FDM3D打印機器-電-計算機控制的使用，光電傳感器，光標控制，防靜電裝置。那個大型全自動FDM3D打印機設(shè)備，不僅袋的大小的設(shè)置，設(shè)置袋，測量，罐，真空，密封等過程，機械完成的過程。英國FDM3D打印機器械行業(yè)一直穩(wěn)定增長多年的比重出口占百分之八十，約占。英國是世界上最大的出口國，F(xiàn)DM3D打印機器械。加拿大英國FDM3D打印機器械的最大出口國，僅次于。加拿大FDM3D打印機器械FDM3D打印機器工業(yè)，卓越的性能，美觀大方，價格便宜的特點，出口的比率占約百分之八十?，F(xiàn)在，F(xiàn)DM3D打印機器械的進步在世界上重視的機械，電，煤氣，光，生命，一個新興的高科技產(chǎn)品。高效率，高資源利用率，節(jié)能產(chǎn)品、高新技術(shù)和生產(chǎn)實際，研究商品化已經(jīng)是世界FDM3D打印機器械的進步趨勢。近年來，海外FDM3D打印機器械行業(yè)的進步趨勢如下：一是FDM3D打印機器FDM3D打印機器械性進步桌子。國外一些國家占FDM3D打印機器FDM3D打印機器械FDM3D打印機器械往往超過50%的份額。據(jù)世界FDM3D打印機桌子機械協(xié)會統(tǒng)計，1992年法國和歐美的FDM3D打印機桌子機械產(chǎn)量使用FDM3D打印機器的FDM3D打印機的FDM3D打印機器械占GDP比重桌子的超過百分之六十。我們國家FDM3D打印機器發(fā)展很遲,經(jīng)過20年的進步,我們國家FDM3D打印機器已成為機器工業(yè)中十大行業(yè)之一,我們國家FDM3D打印機行業(yè)的快速進步提供有效的擔保,一些FDM3D打印機器填補國內(nèi)空白,已經(jīng)可以滿足國內(nèi)市場的需求,部分產(chǎn)品出口。但目前,我們國家FDM3D打印機器的出口占GDP的不到5%,導(dǎo)入和輸出,但是一般來說,發(fā)達國家相去甚遠。我們國家FDM3D打印機器行業(yè)的產(chǎn)品從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、我們國家唯一的1300多個各種FDM3D打印機器,支持小,缺乏高精度和大的生產(chǎn),也無法滿足市場的需求,產(chǎn)品質(zhì)量低性能差距在產(chǎn)品性能、穩(wěn)定性和可靠性差,看起來不漂亮造型,粗糙的表面處理,質(zhì)量很差在許多地方,人生短暫,可靠性低,影響產(chǎn)品的整體質(zhì)量,從企業(yè),由于缺乏國內(nèi)FDM3D打印機器行業(yè)龍頭企業(yè),大規(guī)模的生產(chǎn),產(chǎn)品的高質(zhì)量的小型企業(yè),從產(chǎn)品研發(fā)、我們國家一直呆在測試模仿階段,自主研發(fā)能力較弱,缺乏研究和試點生產(chǎn)基地,科研基金僅占銷售額的1%,10%,國外高達8。我們國家FDM3D打印機器技術(shù)在發(fā)達國家處于不利地位的進步競爭產(chǎn)品性能、質(zhì)量、可靠性、服務(wù)等20年整體技術(shù)水平。目前，F(xiàn)DM3D打印機行業(yè)的持續(xù)進步，可以看到FDM3D打印機器行業(yè)，企業(yè)不能應(yīng)付的形勢變化，思維和情況不匹配的行業(yè)進步，技術(shù)創(chuàng)新能力弱，進展緩慢，新產(chǎn)品開發(fā)仍然沒有擺脫的基礎(chǔ)跟蹤研究，競爭力很弱，經(jīng)濟增長，效率仍然主要依靠規(guī)模。此外，還有一些FDM3D打印機器企業(yè)管理粗放，精細管理還沒有實現(xiàn)；市場，競爭，緊迫感，服務(wù)市場，服務(wù)客戶的緊迫感和緊迫感，責任感很弱，一些FDM3D打印機器公司是不兼容的人的理解和使用的經(jīng)濟市場等。面對消極因素，最迫切的是變更FDM3D打印機器行業(yè)企業(yè)的進步，企業(yè)應(yīng)該在新的起點上尋找解決的矛盾和問題，轉(zhuǎn)變進步觀念，加強自主創(chuàng)新，增強市場意識，大力推動國內(nèi)FDM3D打印機器行業(yè)進步。要變更FDM3D打印機器行業(yè)的現(xiàn)狀，促進FDM3D打印機器行業(yè)的進步，一個很大的進步，但也要注意FDM3D打印機器的進步趨勢。漂亮的FDM3D打印機。這不僅保護商品，還可以美化商品。這些產(chǎn)品的FDM3D打印機是FDM3D打印機桌子機械，F(xiàn)DM3D打印機器FDM3D打印機桌子機械應(yīng)用等方面別受歡迎實現(xiàn)特。我們國家的FDM3D打印機器行業(yè)有一個相對較短的歷史，技術(shù)和生產(chǎn)能力的整體水平低，但近年來在國內(nèi)市場推廣的巨大FDM3D打印機，以及國外先進技術(shù)的影響，當?shù)氐募夹g(shù)水平快速進步，提升明顯。根據(jù)我們國家的國情，F(xiàn)DM3D打印機器行業(yè)的進步趨勢是：一、引進，消化，吸收國外先進技術(shù)，建立了一批FDM3D打印機器骨干企業(yè)，包括個體的合資企業(yè)。這是縮短了FDM3D打印機器的技術(shù)水平和先進水平，在我國的世界之間的差距，以滿足自動化的大型FDM3D打印機生產(chǎn)線和高精密，高學歷或獨立單位生產(chǎn)需求的有效途徑，因此可以加快定位速度FDM3D打印機器。二、大多數(shù)企業(yè)應(yīng)著眼于中，小型FDM3D打印機器的進步。我國大多數(shù)企業(yè)的技術(shù)水平不高，產(chǎn)能低，主要以生產(chǎn)單件，小FDM3D打印機器是比較合適的，但要不斷提升制造精度，自動化程度和配套能力在此基礎(chǔ)上。三、在FDM3D打印機器生產(chǎn)，大規(guī)模引進高新技術(shù)，如微電子技術(shù)，信息處理技術(shù)，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，新機器結(jié)構(gòu)（如錐同步齒輪皮帶傳動），新型纖維材料，使用可靠，優(yōu)化設(shè)計方法和計算機輔助設(shè)計，開發(fā)模塊化，模塊化等先進結(jié)構(gòu)，F(xiàn)DM3D打印機器產(chǎn)品設(shè)計先進，質(zhì)量可靠，其各項性能指標，技術(shù)水平，“三化”（多功能，高速，高自動化）水平，結(jié)合機器和電氣，主輔組合，完整的在線方向。1.3設(shè)計產(chǎn)品的用途和應(yīng)用領(lǐng)域3D打印，用數(shù)字化信號對設(shè)備運動及其加工過程進行控制，其對零件的加工相比普通設(shè)備有著很多的優(yōu)點：（1）動化程度高：（2）加工精度、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠；（3）對零件加工的適應(yīng)性強靈活性好，能加工形狀復(fù)雜的零件；（4）加工生產(chǎn)率高；（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從40年代開始的。1952年美國麻省理工學院在一臺立式FDM3D打印機上裝了一套試驗性的3D打印系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺3D打印設(shè)備。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用3D打印設(shè)備。1974年微處理機直接用于3D打印設(shè)備，進一步促進了3D打印設(shè)備的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著3D打印設(shè)備的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色。我國3D打印設(shè)備的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國3D打印伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國的3D打印技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。1.4主要研究內(nèi)容以及基本要求（1）、設(shè)備采用床身框式結(jié)構(gòu)形式，框式布局受力后變形較小，有利于提高加工精度；框式立柱布局的受熱與熱變形是對稱的，因此，熱變形對加工精度的影響小。 （2）、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求 （3）、操作靈活可靠，維修方便，潤滑密封良好，以滿足設(shè)備的使用要求。(4)、加工范圍比普通機器大。(5)、縱向運作運動精度和直線度則有滾珠絲桿、3D打印系統(tǒng)以及縱向電機的精度來保證，優(yōu)于普通機器。(6)、橫向運作的運動精度和直線度則有滾珠絲桿、3D打印系統(tǒng)以及縱向電機的精度來保證，優(yōu)于普通機器。

第二章FDM3D打印機總體方案設(shè)計2.1總體方案設(shè)計一個完整的3D打印系統(tǒng)其總體方案的設(shè)計內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式確定，伺服系統(tǒng)選擇，執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定，控制計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。與此同時根據(jù)設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求提出系統(tǒng)的總體方案，對設(shè)計方案進行分析、比較和論證，最終確定總體方案。FDM3D打印機能實現(xiàn)X，Y，Z三個方向的直線運動，整個噴頭機構(gòu)可沿立柱在Z方向移動。通過平臺的X，Y，Z三個方向的直線運動對零件進行全面的堆積打印，常見的三軸布置結(jié)構(gòu)為較常見的有單邊架橋式(或稱L橋架式)、雙邊架橋式、懸臂式等。其中懸臂式由于有一定的懸臂，對于測量儀器來說，懸臂會影響測量精度，所以一般高精密測量儀器不選用這種機構(gòu)形式。單邊架橋式適用于一些比較粗糙的中低端測量儀器，雙邊架橋式擁有高精度的優(yōu)點，所以本次設(shè)計選用雙邊架橋式三軸布置2.2傳動方案的設(shè)計2.2.1工作臺傳動方案系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設(shè)計參數(shù)如下表。圖2.1運作系統(tǒng)草圖2.2.2橫向位移的傳動方式橫向位移采用螺紋傳動，通過電機輸出動力，利用螺桿螺母，與螺母緊固的Z軸電主軸測試機進行水平方向的位移！如圖2.2：圖2.2橫向運作系統(tǒng)草圖2.3創(chuàng)新與改善目前，國內(nèi)FDM3D打印機效率低，準確性差，質(zhì)量不太穩(wěn)定，因此我國企業(yè)解決這個問題的方法就是從國外進口設(shè)備。最近幾年，我國的3D打印機設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)理論研究取得了一定的進步，實驗研究、設(shè)計制造等等。本次設(shè)計就FDM3D打印機的移動進給裝置進行改進！2.3.1進給裝置的改進1.進給動力傳輸?shù)母倪M經(jīng)過一段時間的接觸，我發(fā)現(xiàn)該機的進給裝置有很大的提升空間，我需要改進設(shè)計它，如圖2.1為目前市場上3D打印機的進給裝置。AA圖2.1如圖2.1所示，本次被改進的打印機的進給是利用同步帶傳動，如圖中A箭頭所指，打印機噴頭被一根同步帶連接，通過電機帶動同步帶進行傳動進給，經(jīng)過研究和實際操作上反饋來看，該機構(gòu)由于同步帶比較長，橡膠的帶有彈性，其缺點在生產(chǎn)中被無限放大，經(jīng)常出現(xiàn)卡死和亂步的現(xiàn)象，使同步帶的齒無法精密地和帶輪嚙合！因此本次改進使用螺紋傳動，螺桿有很強的剛度，是進給不會錯步，還能精密傳動，完美的解決了生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題！如圖2.2所示圖2.22.簡化結(jié)構(gòu)的改進為了實現(xiàn)Z方向的進給，一般會設(shè)計使用螺紋傳動配合導(dǎo)軌，因為使用了導(dǎo)軌，所及結(jié)構(gòu)上變得復(fù)雜，需要在立柱上布置兩個導(dǎo)軌，與之相配的還要有導(dǎo)軌座，如圖2.3圖2.3如上圖中紅色圈中，打印機不僅要布置立柱，還要增加導(dǎo)軌導(dǎo)軌座，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以我設(shè)計改進將立柱和導(dǎo)軌合二為一，將立柱做成方形，既能起到立柱的作用又有導(dǎo)向的作用！如圖2.4圖2.4立柱導(dǎo)軌

第三章FDM3D打印機傳動機構(gòu)設(shè)計3.1Z向電機的選擇電機的選型:按照3D打印機運轉(zhuǎn)特點，3D打印機在工作過程中只需帶動螺桿運轉(zhuǎn)，它的主要受力是將螺桿帶動旋轉(zhuǎn)，預(yù)估打印機噴頭機構(gòu)(含噴頭、傳動螺母、螺母座、導(dǎo)軌座)的重量為20KG。則，螺桿軸半徑為0.010m，所以摩擦力矩M為:由于電機通過等尺寸帶輪直接帶動螺桿軸，初選電機轉(zhuǎn)速n=1500r/min由設(shè)計圖可知，無減速器，所以其減速比等于傳動比為：電機的扭矩按照以上計算為：電機的功率為：由可知，電機功率的設(shè)計有一定要有的余量，所以選擇P=0.55kW的電機。選擇1FL6022-2AF21-1MB1西門子V90電機3.2絲杠軸的設(shè)計3.2.1確定螺紋直徑螺桿的應(yīng)力分析，以及螺桿受到的壓力和扭矩，所以該螺桿的計算可以按照螺栓計算求得螺桿的最小直徑選材：45鋼，調(diào)質(zhì)處理，,結(jié)構(gòu)設(shè)計：軸的最小直徑：其中：——許用切應(yīng)力，——軸傳遞功率，——主軸轉(zhuǎn)速，——系數(shù)，由上式可得：。選梯形螺紋Tr20*4螺紋大徑d=20螺紋中徑d2=20-2=18螺紋小徑d3=20-4=16螺距EP=4螺紋根部厚度螺紋工作高度h=0.5*6=3較核螺桿強度螺紋力矩螺紋升角查手冊P6表1-10(鋼與鑄鐵的滑動摩擦系數(shù)無潤滑)當量摩擦角3.2.2螺桿的強度校核按第四強度理論校核，壓扭組合校核滿足標準。3.2.3自鎖性驗算自鎖條件其中，故，可靠！3.2.4絲杠軸軸承選擇計算標準的使用壽命范圍為，轉(zhuǎn)速，軸承的徑向力，軸向力。1.由上述條件試選軸承試選6004型軸承2.按額定動負載計算由式對球軸承，代入得故6004型軸承能滿足標準。3.2.5傳動鍵的選擇按照鍵類型的主要結(jié)構(gòu)特點，使用條件和勞動條件，按照標準和強度選擇適當?shù)逆I。選擇平鍵，B型GB1095。按照標準，普通平鍵強度條件計算和驗算公式：所以有：顯然所以強度足夠。式中：T在公式當中表示的是傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為；L在公式當中表示的是鍵工作長度，單位為毫米，B型GB1095，長：L=10,d在公式當中表示的是軸的直徑，由絲杠軸設(shè)計圖可知，安裝鍵的軸端直徑為24，單位為mm；h在公式當中表示的是鍵的高度，B型GB1095,h=6,單位為mm；——鍵、軸、輪轂三者中最弱素材的許用擠壓應(yīng)力，單位為；3.2.6軸承的校核軸承的預(yù)期計算壽命（1）求兩個軸承受到的徑向載荷由軸的校核過程可知,,所以（2）計算軸承的軸向力查文獻[9]表2-3-18得GB297-84型號軸承，,所以（3）求軸承的動載荷查文獻[10]表13-5得對軸承1,對軸承2,查文獻[10]表13-6取沖擊載荷因數(shù)（4）計算軸承的壽命所以軸承滿足壽命要求。3.3滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算eq\o\ac(○,1)、工作載荷的計算工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺多采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為：式（3.2.其中，移動部件重量G=2808N,外加載荷外加載荷F=8000得最大工作載荷。10808N=10.808KNeq\o\ac(○,2)、小時額定工作壽命的計算預(yù)期工作臺的工作壽命為5年，一年365天，取工作時間為360天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命eq\o\ac(○,3)、距離額定壽命計算由公式，從而得到式（3.2.2）式中：為小時額定工作壽命。 n為移動件每分鐘往復(fù)次數(shù)（4—6）取5 S為移動件行程長度，由加工范圍為300mm×120mm取330mm代入數(shù)據(jù)得：L=2851km.eq\o\ac(○,4)、額定動載荷計算由公式式（3.2.3從而得到：式中：為額定動載荷L為距離工作壽命，由上式可知為2851kmF為滑塊的工作載荷，由上式可知為10808N代入數(shù)據(jù)得：=5120N3.4滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗eq\o\ac(○,1)、最大工作載荷的計算已知移動部件總重量G=800N，按滾動導(dǎo)軌計算，由【3】中P389，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：式（3.3.=1.1×1352+0.005×(307+468+800) =1495Neq\o\ac(○,2)、最大計算動載荷的確定設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快運作速度v=1000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P=4mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速=v/P=80r/min。預(yù)計滾珠絲杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小時，由此得使用壽命為：T=5×360×8=14400h，根據(jù)【1】中P110，公式5—4得：=式（3.3.2） 其中T——使用壽命14400h N——循環(huán)次數(shù) ——滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速80r/min 求得：≈69（）查【1】中P110，表4-1、4-2得，受中等沖擊載荷取值范圍，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時，硬度影響系數(shù)取值，由【1】中P109，式4-3代入數(shù)據(jù)得：≈7971Neq\o\ac(○,3)、規(guī)格型號的初選根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GDM系列2004-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為6mm，循環(huán)滾珠為3圈×2系列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=80mm，額定動載荷為9309N，大于最大計算動載荷=7971N，滿足要求。表3.1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)（單位mm）名稱符號計算公式和結(jié)果絲杠滾道公稱直徑40螺距P6接觸角鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角絲桿絲杠外徑39絲杠底徑34螺桿接觸直徑33.75絲杠螺母螺母螺紋外徑60.2螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)）58.143.5X向、工作臺驅(qū)動電機的選用由打印機結(jié)構(gòu)分析，其最大承載電機為Z向驅(qū)動電機，其他方向的驅(qū)動電機選取跟Z軸向電機相同即可！3.6軸承的校核軸承的預(yù)期計算壽命式（3.6.（1）求兩個軸承受到的徑向載荷由軸的校核過程可知所以式（3.6.（2）計算軸承的軸向力查文獻[13]表2-3-18得GB297-84型號軸承所以式（3.6.3式（3.6.4查文獻[12]表13-5得對軸承1對軸承2查文獻[12]表13-6取沖擊載荷因數(shù)（四）計算軸承的壽命式（3.6.5所以式（3.6.7所以軸承滿足壽命要求。3.7計算機繪制裝配圖本著結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、裝配維修容易的原則，確定工作臺機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計方案，查各種手冊、資料，繪制草圖，在草圖基礎(chǔ)上，經(jīng)指導(dǎo)老師檢查不斷修正，最終得到一個比較合理的設(shè)計方案，最后用計算機繪制工作臺結(jié)構(gòu)裝配圖，在設(shè)計選用的零件時要做到零件的標準化、裝配合理化、使用操作方便化。第四章基于FDM的3D打印機的三維設(shè)計本設(shè)計是以數(shù)控機床工作原理為基礎(chǔ)，借鑒其他廠家生產(chǎn)的基于FDM的3D打印機的經(jīng)驗和技術(shù)而設(shè)計的基于FDM的3D打印機；因此本款雕刻機設(shè)計了機架，進給機構(gòu)，主軸機構(gòu)，進給機構(gòu)等部件，總圖如4-1圖4-1基于FDM的3D打印機總圖4.1.機架的設(shè)計機架是設(shè)備的基礎(chǔ)，是基于FDM的3D打印機的根基，是設(shè)備設(shè)計中的關(guān)鍵。其關(guān)系到設(shè)備按放穩(wěn)定性，設(shè)備的強度，設(shè)備工作件的工作性能穩(wěn)定性等等；本款機屬于中小型機，結(jié)構(gòu)要輕型靈巧不能太笨拙，因此主體用HT200鑄造而成；灌裝位的框架用角鐵加撐筋和厚鋼板組合焊接而成；其它安裝受力件部位基本上均有加強筋；整體設(shè)計圖如4-2圖4-2機架4.2.進給螺桿的設(shè)計進給螺桿是本機的重要部件之一，是進給機構(gòu)的重要部件，采用45鋼，機加工而成；螺桿的導(dǎo)程，螺桿的大小，均是雕刻機精密程度的關(guān)鍵尺寸；設(shè)計如圖4-3圖4-3進給螺桿4.3.進給機構(gòu)的設(shè)計進給機構(gòu)也是本機的重要部件之一，是生產(chǎn)線流動的重要部件。其由機加工精密加工而成，其作用是旋轉(zhuǎn)移動坯料作用；設(shè)計圖如4-4圖4-4進給機構(gòu)4.4基于FDM的3D打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計的三維安裝配備通常的情況之下，在三維造型的軟件當中，安裝配備組件的方式方法有兩種。第一種是首先完全設(shè)計組件中的配件，然后把組件添加到組件當中進行安安裝配備備，在工程的應(yīng)用當中，這種類型的安裝配備稱為自下而上安裝配備。另一種是根據(jù)實際情況來確定組件尺寸大小以及外觀形狀。安裝模塊能夠把組件快速組合到產(chǎn)品當中，在安裝配備的上下文中來創(chuàng)建新的零件模型，并且生成詳細的列表。在組裝的過程當中，對于組裝以及配對的設(shè)計能夠參照其他組件來進行，通過組裝模型能夠進行諸如空隙解析以及重量質(zhì)量管理等操作。生成安裝配備的模型之后，能夠創(chuàng)建分解視圖并將其導(dǎo)入到圖形中。在三維建模軟件中，主要包括重合，平行，垂直，切線，同軸，鎖定，距離，角度等性能來進行合作，根據(jù)具體的匹配要求，選擇確定不同的配合來完成機器的組裝，并使它變成一個組件。安裝配備的界面如下圖4.7所示。圖4.7安裝配備界面示意圖按照這個基于FDM的3D打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案而言，它安裝配備的每一個零部件都非常的配合，以及面與面之間的重合，所以只要用到同軸心配合及重合兩種安裝配備的方法。下面將以安裝配備配合進行介紹。首先在三維造型軟件里面建立安安裝配備備體的組裝頁面。然后打開安裝配備體文件夾，接著它的