三維打印快速成型機機械系統(tǒng)設計

1、目 錄第一章.引 言- 1 -1.1 快速原型技術簡介- 1 -1.2常見的快速原型制造方法- 1 -1.3 快速成型技術的原理- 2 -1.4本次設計的任務- 3 -第二章 基本方案的確定- 5 -2.1最初方案- 5 -2.2過渡方案- 5 -2.3后期方案- 6 -2.4最終方案- 7 -第三章主要零部件的選型- 10 -3.1步進電機的選用- 10 -3.2 軟件環(huán)形分配器及其程序設計- 11 -3.3 聯(lián)軸器的選用- 12 -3.4 直線導軌的選用- 13 -3.5 微型直線導軌的選用- 14 -3.6 滑輪的選用- 15 -3.7其它零件的選用- 15 -第四章噴頭的仿真模擬以及電

2、機的計算- 16 -4.1 噴頭的仿真模擬計算- 16 -4.2 關于步進電機的計算- 20 -總結- 22 -致謝- 22 -參考文獻- 23 -附錄- 24 -第一章.引 言1.1 快速原型技術簡介快速成形(Rapid Prototypingand Manufacturing,RPM)技術是國際上1980年代末期發(fā)展起來的一種新型制造技術，它高度集成了自動控制、數(shù)控技術、CAD/CAM,計算機、激光技術等學科的最新成果?？焖俪尚渭夹g在航空航天、機械電子及醫(yī)療衛(wèi)生等領域有著廣闊的應用前景，迅速成為制造領域的研究熱點，己經成為企業(yè)新產品設計、開發(fā)、生產的有效手段.隨著世界經濟的飛速發(fā)展和市場競

3、爭的日益加劇，對制造業(yè)的要求也越來越高，這就促使制造業(yè)進一步縮短新產品的研制和投放市場的周期，提高產品質量和降低產品開發(fā)成本。同時，要求提高制造小批量、多品種產品的靈活性，以滿足社會個性化需求。與傳統(tǒng)的設計開發(fā)工具相比，快速成形技術無論是在開發(fā)周期還是成本方面都具有相當?shù)膬?yōu)勢。此外，依靠快速成形技術，還可以進一步改造現(xiàn)有的制造模式，提高整個制造產業(yè)的加工水平，并使之朝先進制造方向邁進。目前，RP技術向兩個方向發(fā)展：工業(yè)化大型系統(tǒng)，用于制造高精度、高性能零件；自動化的桌面小型系統(tǒng)，此類系統(tǒng)稱為概念模型機或臺式機，主要用于制造概念原型。發(fā)達國家許多科研機構（如IBM公司）及教育單位（中等職業(yè)學校甚

4、至中小學）已經開始購買此種小型RP設備，并極有可能進入家庭。美國通用汽車公司也計劃為其每位工程師配備一臺此類設備。1.2常見的快速原型制造方法1.立體印刷技術（SLA）SLA（Stereo lithograghy Apparatus)法，其工藝原理是：從最底層開始，激光在光敏樹脂表面掃描，在掃描過程中，激光的曝光量超過樹脂固化所需的閾值能量的地方才會發(fā)生聚合反應形成固態(tài)。2.選擇性激光燒結（SLS）SLS（Selective laser sintering)是利用激光所提供的能量有選擇性地融化熱塑性塑料以形成三維零件。3.熔融沉積成型（FDM）FDM（Fused Deposition Mode

5、ling)是利用熱塑性細絲在移動頭中進行熔化，熔化后的材料在移動的過程中被擠壓出來堆積零件。4.層壓物體制造技術（LOM）LOM（Laminated Object Manufacturing)是通過逐層激光剪切薄紙材料制造零件的一種技術。5.三維打印成型（3D PRINT）三維打印成型是在計算機的控制下，利用噴頭噴射粘接劑，噴射粘接劑的路徑材料被粘接在一起，而其它地方仍為松散粉末，層層粘接得到最后的三維實體。圖1.1 RP工藝分類1.3 快速成型技術的原理不同于傳統(tǒng)加工的材料去除法或變形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材法制成的一次成形件。從成形角度來看，任何零件均可看作是由無數(shù)個空間薄片

6、疊成的三維幾何體，薄片的形狀就是幾何體的截面形狀。如果能夠將這些薄片逐片制作出來，然后依次將它們逐層粘合在一起，最終即可得到期望的零件。這就是快速成形技術的基本原理。因此，快速成形就是將三維零件的制造問題轉化為兩維面片的制作，從而使三維復雜實體的制作變得非常簡單.在很 大 的 程度上，快速成形加工系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)控機床有著極大的相似，兩者都可以直接接受采用CAD工具設計零件文件，加工系統(tǒng)普遍采用直角坐標系，如X,Y, Z坐標軸等等?？焖俪尚渭庸は到y(tǒng)與數(shù)控機床的最直觀差別在于，前者通常使用激光而不是刀具來實現(xiàn)對零件的加工?？焖俪尚沃圃煜到y(tǒng)的原型制作過程都是在CAD模型的直接驅動下進行的，因此有人將

7、快速原型制造過程稱之為數(shù)字化成形。CAD模型在原型的整個制作過程中相當于產品在傳統(tǒng)加工流程中的圖紙，它為原型的制作過程提供數(shù)字信息。目前國際上商用的造型軟件如Pro/E, UGII, SolidEdge等都有多種數(shù)據(jù)接口，一般都提供了直接能夠由快速原型制造系統(tǒng)中切片軟件識別的STL數(shù)據(jù)格式，而STL數(shù)據(jù)文件是將三維實體的表面三角形化，并將其頂點信息和法矢有序排列起來而生成的一種二進制或ASCII文件。隨著快速成形制造技術的發(fā)展，CAD模型的STL數(shù)據(jù)格式已逐漸成為國際上公認的通用格式。在快 速 成 形系統(tǒng)加工過程中，系統(tǒng)應用軟件將計算機三維實體模型在Z向離散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光

8、束(或其它能量流)在計算機的控制下掃描二維輪廓或者有選擇地固化或粘結某一區(qū)域，從而形成構成零件實體的一個層面，這樣逐漸堆積便形成一個三維實體(原型)。最后通過后處理(如深度固化、修磨等)，使其達到功能件的要求。圖1.2 快速成型示意圖1.4本次設計的任務為研究開發(fā)價格低廉、精度較高、有自主版權的新型的三維實物打印機，從而實現(xiàn)從三維CAD虛擬模型到實物原型的快速轉換。由此種成型過程生成的原型件可用于設計的校驗與評審、零件實物裝配檢驗、展品或商業(yè)競標樣件、消失模的主模型等，可藉此縮減企業(yè)新產品設計與開發(fā)周期和成本。總體 方 案 設 計 思路，延伸于二維打印機。即在二維打印圖形上不斷累加，形成三維實

9、體。本項目開發(fā)產品可以作為CAD設計的終端設備，有很大的市場容量。三維打印機可以快速提供概念模型，供設計評估，避免模具工裝等生產準備工作的風險，從而可以大大加快新產品開發(fā)速度，降低新產品開發(fā)成本，大大提高企業(yè)的競爭能力和快速響應市場的能力。工作內容和要求： 1 X Y掃描裝置設計2 升降工作臺設計3 整機總裝配圖設計設計參數(shù)最大成型空間：150x150x150mm掃描運動最大速度：100mm/sX Y 重復定位精度：0.005mmZ向重復定位精度：0.01mm移動件最大質量： 2千克Z向工作臺質量：10千克設計日程安排3.264.02查資料，調研，定設計方案，提交開題報告。4.034.23設計

10、，計算，修改設計方案。4.245.21繪制裝配圖，教師審核電子版圖紙。5.226.11撰寫說明書，修改裝配圖，繪制其他圖紙，教師審核說明書6.216.18集中出圖，打印說明書，準備答辯。第二章 基本方案的確定2.1最初方案工作臺在XY向上由于重復定位精度比較的高，考慮采用閉環(huán)控制，工作臺在XY向上由直流伺服電機驅動，電機經過減速機構，通過滾珠絲杠來帶動工作臺運動，用光電編碼器作為測量反饋組件。XY向安裝限位開關。工作臺在Z軸上運動時，只需要按照層高不斷下降，因此，可以使用一個步進電機，通過減速機構帶動絲杠驅動工作臺向下運動。出于對安全的考慮，要安裝限位開關（可用一個簡單的行程開關來實現(xiàn)），在工

11、作臺碰到開關之后，立即停止運動。采用活塞式升降臺單獨的鋪粉機構。圖 2.1系統(tǒng)整體構成1.掃描工作臺2.鋪粉裝置3.工作缸體4.驅動齒輪5.驅動電機6.附件系統(tǒng)7.噴頭8.控制計算機9.電源2.2過渡方案考慮到三維打印機應定位為辦公室內的小型機器。并且最初的方案將造成整體尺寸過于龐大，不符合設計的初衷，因此改用步進電機帶動同步齒形帶在光杠組成的平面中進行XY方向的掃描運動作為XY掃描裝置的主體部分。這樣減少整體尺寸，符合小型機器的概念，也能適當減少加工成本，和零件成本。并且能夠達到要求精度等級。草圖見下圖：圖2.2 過渡方案圖2.3后期方案經過多次實踐觀察以及經驗總結，從復印機的鋼絲機構汲取的

12、靈感，確定了以鋼絲為主要傳動機構的方案。該二維工作臺有諸多優(yōu)點： 工作臺的反向間隙小 分辨率高 響應速度快因此選用滑輪鋼絲機構牽引工作臺做XY平面的移動。并初步繪制結構圖如下圖2.3 鋼絲繩驅動的二維工作臺1.直線滾動導軌副A2.連接板A 3.直線滾動導軌副B4.鋼絲繩 5.支撐板A 6.驅動軸A 7.直線滾動導軌副C8.支撐板B 9.驅動軸B 10.鋼絲繩滾輪 11.支撐板C 20 26 3238 44 50 56 62圖4.4a 模擬結果20至62s20 26 32 38 44 50 56 62圖4.4b 實驗觀察20至62s在液滴飛行距離方面，為模擬與實驗結果之比較；在液滴體積方面，實驗

13、觀察之液滴體積為236 pl，模擬結果之液滴體積為229 pl。從液滴形態(tài)、斷裂時間、飛行距離與體積等四方面，模擬結果與實驗觀察比對具有不錯的吻合。 68 74 80 86 92 98 104 110圖4.5a 68-110s的模擬結果68 74 80 86 92 98 104 110圖4.5b 68-110s的實驗結果圖4.6 對比飛行距離液滴之間模擬結果與實驗觀察結果4.2 關于步進電機的計算計算齒輪的減速比根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下:i=(.S)/(360.)=1(1-1)式中-步進電機的步距角（o/脈沖）S-絲桿螺距（mm)-(mm/脈沖）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電

14、機軸上的慣量JtJt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2=3.56（1-2）式中Jt-折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2)J1、J2-齒輪慣量(Kg.cm. s2)Js-絲桿慣量(Kg.cm.s2)W-工作臺重量（N）S-絲桿螺距（cm）計算電機輸出的總力矩MM=Ma+Mf+Mt=0.155（N.m)（1-3）Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102（1-4）式中Ma-電機啟動加速力矩（N.m)Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2)n-電機所需達到的轉速（r/min）T-電機升速時間（s）Mf=(u.W.s)/(2i)102（1-5）Mf-導軌摩擦折算至

15、電機的轉矩（N.m)u-摩擦系數(shù)-傳遞效率Mt=(Pt.s)/(2i)102（1-6）Mt-切削力折算至電機力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）負載起動頻率估算數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm)1/2（1-7）式中fq-帶載起動頻率（Hz）fq0-空載起動頻率Ml-起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m)若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.運行的最高頻率與升速時間的計算由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量

16、。負載力矩和最大靜力矩Mmax負載力矩按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.20.4)Mmax.性能完全滿足本機器，因此從精度和成本角度考慮選用百格拉公司的VRDM397三相混合式步進電機。參考文獻1. 黃樹槐.快速成形數(shù)據(jù)處理及若干關鍵技術的研究.華中科技大學2001年 博士論文2. 黃樹槐，馬黎快速原型制造(RPM)技術的進展.中國機械工程，19973. 尹希猛，王運贛，黃樹槐.快速成形技術一90年代新的造型工具.中國機械工程，1993 4. 賓鴻贊，楊明.生長型制造技術 制

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