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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 Tianjin University of Technology and Education 畢 業(yè) 設 計 專 業(yè)： 機械制造工藝教育 班級學號： 機制0911 - 29 學生姓名： 張 斌 指導教師： 劉玉山 副教授 二〇一四年六月 專心---專注---專業(yè) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學本科生畢業(yè)設計 熔融沉積3D打印機機械結(jié)構(gòu)的設計 Design for 3D Printer o

2、f Fused Deposition Manufacturing 專業(yè)班級：機制0911 學生姓名：張 斌 指導教師：劉玉山 副教授 學 院：機械工程學院 2014 年 06 月 摘 要 隨著科學技術(shù)的發(fā)展,快速成形技術(shù)已廣泛應用于機械制造領(lǐng)域,提高快速成型技術(shù)的應用水平,高效、快速的加工已經(jīng)成為當前快速成型加工技術(shù)發(fā)展的一個新課題。熔融沉積成型工藝(熔融沉積成型工藝)后LOM工藝和SLA工藝開發(fā)的3 D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)技術(shù)發(fā)明于1988年, Scott Crump成立Stratasys公司。Stratasys公司在1992年推出了世

3、界上第一個基于FDM 3 D打印機技術(shù)——“3 D造型,3 D建模者)“這也標志著FDM技術(shù)投入商業(yè)階段。 快速成型技術(shù)的發(fā)展和應用越來越廣泛和深入,3 D印制機的需求越來越大。因此,本文針對熔融沉積的3 D印制機機械結(jié)構(gòu)進行了設計,包括:1。改進單噴嘴,2 .x - y掃描機制:3.Z軸升降機制:4.傳動機構(gòu)。x - y平面掃描的方向運動、運動的機械傳動、打印機精度、同步帶傳動精密、滾珠絲桿傳動。不要出現(xiàn)在行程較長時抖動,有利于確保掃描精度,穩(wěn)定的運動。使用線性步進電機直接連接滾珠絲桿、響應更加快速準確,因為沒有中間部分同時,簡化了機械結(jié)構(gòu),精度高。 熔融沉積在3 D打印過程中,機械結(jié)構(gòu)

4、的設計, 運動和傳動更加合理和平穩(wěn)，使它更好的生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：噴頭；X-Y掃描機構(gòu)；Z軸升降機構(gòu)；傳動機構(gòu)。  ABSTRACT With the development of science and technology, Rapid prototyping processing technology has been widely used in the field of machinery manufacturing. Raise the level of the application of rapid prototyping technology.Implement e

5、fficient processing has become the current rapid prototyping processing technology development of a new topic. Fused deposition molding process (Fused deposition molding process) is developed after the LOM process and SLA process a 3d printing technology. The technology by Scott Crump invented in 19

6、88, Scott Crump founded Stratasys. Stratasys in 1992, launched the world's first based on FDM technology of 3d printer - "3d modelling, 3d Modeler)" it also marks the FDM technology into commercial stage.. The development and application of rapid prototyping technology is more and more extensive an

7、d in-depth, 3d printers demand is becoming more and more big. Thus, this paper 3d printers for fused deposition of mechanical structure design, including: 1. Improvement of single nozzle, 2 x-y scanning mechanism: 3. Z axis lifting mechanism: 4. Drive mechanism, and on the part of the structure is i

8、mproved. X-y plane scanning in the direction of movement and the movement of mechanical transmission printer from precision synchronous belt drive into precision ball screw drive. Don't appear when in the journey is longer than the jitter, is beneficial to ensure accuracy of scanning, stable movemen

9、t. Using linear stepper motor directly connected ball screw, response more accurately, because there is no middle part at the same time, simplify the mechanical structure, high precision. In fused deposition in the process of 3d printers, the design of the mechanical structure, motor and driving mo

10、re reasonable and stable, and make it better in production Key Words: Nozzle; X-y scanning mechanism; The Z axis lifting mechanism; Transmission mechanism 目 錄 1緒 論 1 1.1熔融沉積快速成型技術(shù)的簡介 1 1.1.1PDM的技術(shù)原理介紹 1 1.1.2幾種典型的快速成型技術(shù) 1 1.2熔融沉積3D打印機概述 2 1.3熔融沉積3D打印機工藝原理及過程 2 1.4熔融沉積3D打印機國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水

11、平 3 1.5熔融沉積3D打印機應用領(lǐng)域 3 1.6本次設計的主要工作 3 1.6.1主要設計工作 3 1.6.2設計參數(shù) 4 1.6.3設計思路及主要問題 4 2傳動部分的設計 5 2.1設計任務 5 2.1.1設計目的 5 2.1.2機械結(jié)構(gòu)傳動裝置設計 5 2.2步進電機的選擇設計任務 6 2.2.1步進電機的簡介 6 2.3絲杠的選型 8 2.4初選導軌型號 10 3.傳動部分總體設計的計算 10 3.1絲杠的受力計算 10 3.2導軌的選型及計算 11 3.2.1導軌剛度檢驗 11 3.3絲杠和螺母自鎖校核計算 11 3.3.1 電機轉(zhuǎn)矩的選擇計

12、算 12 3.3.2 加熱板材料的選擇 13 4. 3D打印機的送絲機構(gòu) 14 4.1送絲機構(gòu)的簡介 14 4.2送絲機構(gòu)的設計 14 4.3打印機框架及噴頭的設計 15 4.3.1打印機框架 15 4.3.2噴頭的設計 16 結(jié) 論 18 參考文獻 19 致 謝 20 1緒 論 新材料,新技術(shù),新技術(shù)在快速成型加工快速介紹,現(xiàn)在在快速成型加工零件加工的質(zhì)量要求也越來越高,向高功能、高智商,高性能的方向開發(fā);快速成型開發(fā)的方向是高功能;快速成型技術(shù)向高智能方向前進。熔融沉積快速成型技術(shù)(熔融沉積成型工藝)的新興與發(fā)展,現(xiàn)如今已成為當前的熱點行業(yè),已成為業(yè)界關(guān)注

13、的焦點。應用3 D打印機合理的機械結(jié)構(gòu)是一個重要途徑來提高快速成型加工的效率。目前,與傳統(tǒng)的處理相比,機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計可以很好的實現(xiàn)高效率和高質(zhì)量、節(jié)能、可以形成良好的技術(shù)優(yōu)勢相結(jié)合。是未來的發(fā)展方向。 1.1熔融沉積快速成型技術(shù)的簡介 1.1.1PDM的技術(shù)原理介紹 絲狀材料選擇性熔覆(熔融沉積制造、FDM),也稱為熔融沉積造型。 FDM快速成型技術(shù)是一種不依賴于激光成型能源,將各種絲材加熱熔融成型方法。這個過程通過熔融材料一步一步的固化形成一個三維產(chǎn)品,制造的產(chǎn)品目前市場約6.1%的份額。 1.1.2幾種典型的快速成型技術(shù) （1）立體光固造型 SLA Stero Lightg

14、raphy Apparatus又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置. （2） 疊層實體制造LOM 疊層實體制造疊層的成型材料是熱敏感類箔(紙等),激光切割，形成之初,激光根據(jù)底部的CAD三維實體模型切片平面幾何信息數(shù)據(jù), 對于鋪在工作臺上的箔材作輪廓切割,工作臺下降一層高度后,回到一層(躺在底部)材料,加熱輥滾壓,與底層牢牢粘住,激光輪廓切割,根據(jù)相應的數(shù)據(jù),然后重復,直到整個三維零件。LOM部分不收縮,不會變形,精度高達± 0.1毫米,切片厚度0.05 ~ 0.50毫米。 （3） 選擇性激光燒結(jié) SLS 選擇性激光燒結(jié)選擇激光燒結(jié)生產(chǎn)過程類似于SLA,使用紅外CO2激光掃描加

15、熱層的金屬粉末或塑料粉末使其達到其燒結(jié)溫度,燒結(jié)金屬或塑料制成的立體結(jié)構(gòu)。 （4） 融積成型技術(shù) FDM 集成產(chǎn)品成型技術(shù)(熔融沉積造型)的制造過程是首先通過系統(tǒng)隨機快速切片層和SupportWorks軟件CAD模型可分為極薄截面,生成控制FDM噴嘴的幾何信息。操作,FDM熱塑性材料(如聚酯塑料、ABS塑料、蠟、等等) 被加熱頭加工到臨界狀態(tài),根據(jù)微型計算機控制,計算機輔助設計的噴嘴沿平面幾何信息來確定數(shù)據(jù)移動同時擠出半流動的材料,沉積凝固成精確的實際部分薄層,通過垂直提升系統(tǒng)下的新的形成層同時固化它,并固化層牢固地粘合在一起。所以,底部形成一個三維實體。FDM的生產(chǎn)精度達到± 0.127

16、毫米,持續(xù)積累范圍0.0254 ～0.0254毫米,它允許不同顏色的材料。 （5） 其它快速原型制造技術(shù) 直接成型鑄造DSPC(直接殼生產(chǎn)鑄造)來源于三維打印快速成型技術(shù)(3 d打印)。流程是計算機設計完畢的零件模型裝進模殼設計裝置, 利用微型機繪制澆注模,生產(chǎn)到所需的厚度,需要配備電子模型 （模芯殼模具組件）,然后輸給模殼制造設備, 由電子模型制成固體的三維陶瓷模殼。取走疏松的陶瓷粉,露出完整的模殼,并使用熔模鑄造的方法,對模殼最終處理,完成整個過程。該系統(tǒng)可以檢測自己的印刷缺陷,不需要圖紙,整個加工就可以完成。光屏蔽(SGC基地-固體-地面養(yǎng)護)由以色列肘的公司開發(fā)的,這一工藝是可以同

17、時固化整個液體光聚合物。SGC技術(shù)使用丙烯酸鹽光聚合物材料,它的生產(chǎn)精度可以達到0.1%,切片厚度約為0.1 ～ 0.15毫米, Cubital公司研制的Solider5600類型產(chǎn)品制作的工作最大的尺寸是508 * 508 * 356 mm,紫外燈功率2千瓦,每一層循環(huán)在90s左右。MRM(三菱化學快速成型)日本三菱化學化學最新的快速成型系統(tǒng),原型可以直接放入模具中,被調(diào)用的“金屬增強樹脂成型復合材料(金屬樹脂模塑)”,比傳統(tǒng)模具制造成本降低1/2,縮短成型時間的1/2 ～ 1/3。奧斯汀德克薩斯大學正在研究的高溫選擇性激光燒結(jié)(HTSLS),在取消聚合物粘結(jié)劑的技術(shù)上有了重大突破。結(jié)果表明

18、,可用銅-錫或青銅-鎳粉兩相粉末、用“激光部分熔融低熔點”粉末技術(shù)來制造模具。 1.2熔融沉積3D打印機概述 熔融沉積有時被稱為熔絲沉積,它將熱熔性材料加熱到融化,絲狀材料被具有微細噴嘴的擠出機擠出,可以沿著X軸方向移動的噴嘴,工作臺沿Y軸(不同設備和機械結(jié)構(gòu)設計可能不是相同的),把熔融的絲材擠出后立即和前一層材料粘合在一起,然后重復這些步驟,直到工件完全形成。 1.3熔融沉積3D打印機工藝原理及過程 FDM工藝是使用熱塑性材料熱熔, 在計算機的控制下一層又一層的堆積成型。機器控制加熱噴嘴可根據(jù)截面輪廓信息,作x - y平面運動和Z方向的運動。絲狀熱塑性材料通過送絲機構(gòu)送到噴嘴里,并加

19、熱到熔融狀態(tài),然后選擇性涂覆在工作臺之上,快速冷卻后形成截面輪廓。完成一層截面后噴嘴增加一層的高度,然后進行下一層涂覆。重復上述動作,直至形成三維產(chǎn)品。 FDM制造過程原則:熔融沉積快速成型工藝在原型制作時同時需要制作支撐,為了節(jié)省材料成本,提高沉積效率,新的FDM設備采用雙噴嘴。一個噴嘴用于沉積模型材料,一個噴嘴用于沉積支撐材料。一般來說,模型材料絲成本高、沉積效率很低。但是支撐材料絲很粗且成本更低、沉積效率比模型材料絲高。雙噴嘴除了沉積過程具有較高的沉積效率,并降低生產(chǎn)成本以外,還可以靈活地選擇具有特殊的性能支撐材料,方便支撐材料的處理,如水溶性材料、低于模型材料熔點低的熱熔材料。 1

20、.4熔融沉積3D打印機國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平 目前,快速成型技術(shù)的軟件還有早期的典型特征,可以完成數(shù)據(jù)處理和控制的形成過程,因為每個公司的軟件都是自己開發(fā)、自成體系,所以相對封閉,沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和統(tǒng)一的軟件模塊劃分標準,嚴重阻礙了二次開發(fā)和該技術(shù)的推廣應用、不同工藝的集成。因為CAD和RP&M的接口軟件開發(fā)的難度高和獨立性,外國出現(xiàn)了作為CAD和RP&M系統(tǒng)之間橋梁作用的第三方軟件,軟件開發(fā)人員一般為個人或公司,軟 件功能很少。比較著名軟件有很多，比如CIDES、Brigeworks,STL等等。 國內(nèi)RP&M軟件的開發(fā)也進行了大量的工作,清華大學激光快速成型中心已經(jīng)開發(fā)出

21、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適應性快速RP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)LARK,該系統(tǒng)主要分為三個部分,即基于STL模型三維工藝規(guī)劃子系統(tǒng),基于CLI模型2 D工藝規(guī)劃子系統(tǒng)和工藝規(guī)則制定和信息管理子系統(tǒng)。華中科技大學在POWERSHAPE直接切片研究、直接切片研究、直接切片在RP&M中的應用,RP&M數(shù)據(jù)處理軟件一些技術(shù)問題等,進行了卓有成效的研究,開發(fā)出一系列實用的軟件。西安市交通大學開發(fā)的LPS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),有STL模型顯示控制、參數(shù)設置、分層處理、支撐添加等功能,并在其獨立開發(fā)的LPS和CPS系列應用于快速成型機。 1.5熔融沉積3D打印機應用領(lǐng)域 制造各種模具,模型;代替熔模精密鑄造蠟模,一

22、般主要用于原型設計驗證。塑料零件、鑄造蠟模,樣件或模型?？焖僦圃煨庐a(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。主要用于專業(yè)領(lǐng)域、桌面級項目還有待觀察。高端制造業(yè)領(lǐng)域,樣品功能測試、試驗和裝配仿真模擬等。 1.6本次設計的主要工作 1.6.1主要設計工作 （1）絲杠設計； （2）導軌設計； （3）框架設計； （4）噴頭設計； （5）部分機械輔助控制的設計。 1.6.2設計參數(shù) 噴頭最大運行速度：80mm/s 最大成型件重量：約為10kg Z向定位精度：0.01mm 加熱板、絲杠以及直線導軌軸等的總重量：約10kg 噴頭定位精度：0.005mm 成型空間：400*400*300mm

23、1.6.3設計思路及主要問題 使用分塊設計的理念,機械結(jié)構(gòu)分為X--Y掃描系統(tǒng),Z方向移動系統(tǒng)兩個部分。 （1）x-y掃描系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu) 打印機掃描系統(tǒng)采用精度高x - y工作臺,它驅(qū)動光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。步進電機驅(qū)動滾珠絲杠帶動掃描頭作x - y平面運動,掃描范圍是400 x400mm,重復定位精度為0。005 mm。為降低質(zhì)量,提高響應速度,選擇鋁材進行設計,選擇高轉(zhuǎn)矩電動機。 掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計算機、X - Y掃描頭、聚焦透鏡,圓柱滾動直線導軌,滾珠絲杠、步進電機等組成。因為混合步進電機體積小、大轉(zhuǎn)矩和良好的低頻特性,運行的時候噪聲小,失去電力自鎖等優(yōu)點,X,Y、Z

24、方向都采用這種步進電機。為了減少X方向負載的質(zhì)量、連接板和電機采用鋁材。 （2）Z軸升降系統(tǒng) 它能完成零件支撐和在Z軸方向運動的功能,驅(qū)動絲杠上的噴頭上下移動。每個固化一層。Z軸帶動噴頭上升一層的厚度，這個過程實現(xiàn)零件的堆積,確保定位精度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度和表面光潔度,和層與層之間的粘結(jié)性能。采用步進電機驅(qū)動、精密滾珠絲杠傳動和精密導軌導向。驅(qū)動電機采用混合式步進電機,配合細分驅(qū)動電路,直接連接滾珠絲杠來實現(xiàn)高分辨率驅(qū)動,消除中間齒輪傳動,既減少了尺寸和減少傳輸誤差。 成形零件時,Z軸經(jīng)常做下降,上升運動,為了減少運動時產(chǎn)生較大的誤差,方便從加熱板上取下成型零件,

25、加熱板必須加工成表面光滑的加熱板的大小要合理。 2傳動部分的設計 2.1設計任務 機械部分的設計主要包括機械結(jié)構(gòu)傳動裝置和熔融沉積3D打印機的整體布局設計。 2.1.1設計目的 設計熔融沉積3D打印機的整體部分和其它的設計。主要用于單件小批量零件和功能模型的快速成型制造 通過畢業(yè)設計,鍛煉我們在生產(chǎn)應用知識去解決實際問題,能夠獨立或與同學合作產(chǎn)品設計的一些實際應用,為了提高我們的設計能力。畢業(yè)設計同時也為自己在五年內(nèi)最后檢驗一遍大學的知識。 提高應用手冊的能力和編寫文件信息的能力 2.1.2機械結(jié)構(gòu)傳動裝置設計 事實證明,整個機器傳動裝置占了很大的比例。因此,傳動裝置的設計好

26、壞是機械設計的關(guān)鍵。 本次的設計從電機到執(zhí)行部分采取幾種解決方案:齒輪傳動,普通V帶,同步帶傳動、鏈傳動、絲杠螺母副等。下面將上述幾個傳輸方案比較。 齒輪傳動的承載能力和速度范圍比較大,傳動比恒定,外輪廓尺寸小,運行可靠,效率高,壽命長,制造安裝精度要求高,噪音大,成本較高。齒輪齒條傳動通常用于行程較大的機床,可以得很大的傳動比,容易得到高速直線運動,剛度和機械效率高,傳輸不夠平穩(wěn),傳輸精度不高。 普通三角皮帶傳動的承載能力小,傳遞相同的轉(zhuǎn)矩時結(jié)構(gòu)尺寸比其他形式大,但穩(wěn)定,可以緩沖振動、噪音低、良好的經(jīng)濟性能。 同步帶傳動確保準確的同步帶傳動比,傳動的優(yōu)點是速度范圍廣,傳動比大,效率高

27、(高達98%),預緊力小,軸和軸承負荷小,單位長度質(zhì)量很小,因此它允許線速度高,但制造和安裝精度較高,必須按要求嚴格中心距。 鏈傳動屬于有中間撓性件嚙合傳動。只能用兩個平行軸方向進行回轉(zhuǎn)和傳動,不能保證恒定的瞬時傳動比;磨損后容易發(fā)生跳齒;工作時有噪音;不應該在負載變化大和快速反向傳動中應用。 絲杠螺母副傳動,滾珠絲桿螺母副是滾動摩擦,摩擦損失小,傳動效率高,可達到0.90至0.96;絲杠和螺母預緊后,可以完全消除兩者之間的間隙,提高傳動剛度,摩擦阻力小,幾乎與速度無關(guān)。能保證平穩(wěn)的運動,不容易在低速中爬行;不能自鎖,可逆性強。 綜合比較幾種傳動方案最后選擇同步帶傳動適合并能滿足步進電機

28、和絲杠之間的連接需要，因此傳動裝置選擇同步帶傳動 熔融沉積3 D打印機總體布局設計根據(jù)設計要求加工尺寸最大、重量、形狀、和傳動關(guān)系, 速度、位移、加速度、時間等一系列的參數(shù)設計,最后得到一個可以滿足設計要求同時滿足各部分之間的相對位置關(guān)系。主框架的機械結(jié)構(gòu)：鋁合金框架,,噴頭、X-Y方向的傳動裝置(螺絲、導軌)和輔助裝置。 2.2步進電機的選擇設計任務 2.2.1步進電機的簡介 步進電機控制系統(tǒng)主要由步進控制器、功率放大器和電極的一步。步進控制器由緩沖器、環(huán)形分配器、控制邏輯及方向控制。功率放大器的作用是控制環(huán)形脈沖放大,驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)。其控制系統(tǒng)如圖1： 方向控制 脈 沖

29、沖 負載 步進 電機 功率 放大器 步進控制器 圖1步進電機的控制系統(tǒng) 脈沖信號的產(chǎn)生 CPU、單片機產(chǎn)生的脈沖信號,一般脈沖信號的占空比約為0.3至0.4,電機轉(zhuǎn)速越高,工作周期越大。 在步進電機控制軟件制作中要解決的一個重要問題,是產(chǎn)生周期性的脈沖序列,如下圖所示。從下圖可以看出,脈沖是使用周期時間,脈沖高度,打開和關(guān)閉電源來表示的。脈沖高度取決于使用數(shù)字元件電平來決定,如普通TTL 電平為0 - 5 v,COMS電平為0-10v等。常用的接口電路,可用0到5 v打開和關(guān)閉電源的辦法來控制。相應的數(shù)據(jù)為例,當步進電機數(shù)字線送高電平(連接),步

30、進電機開始一步一步的運動。但是由于步進電機“一步”是需要一定的時間,所以在發(fā)送高脈沖應該延長一段時間,使步進電機在指定的位置。因此,使用計算機控制步進電機實際上是一系列的脈沖波由計算機生成的。 用軟件的方法實現(xiàn)脈沖波是先輸出高電平,然后用軟件延遲一段時間,然后輸出低電平時間延遲。延遲時間的長度決定于由步進電機的工作頻率。 上面是一個步進電機控制命令和控制模型,如果在相反的順序控制,步進電機相反的方向轉(zhuǎn)動。因此,所謂的步進電機的方向控制,實際上是在一個特定的方式控制(根據(jù)需要選擇)中指定的順序發(fā)送脈沖序列,可以達到控制步進電機的目標方向。 T

31、1 T2 周 期 脈高度 T 圖2脈沖信號的產(chǎn)生 功率放大 功率放大器是驅(qū)動系統(tǒng)中最重要的部分。步進電機在一定的速度轉(zhuǎn)矩取決于平均動態(tài)電流而非靜態(tài)電流(當前示例是靜態(tài)電流)。電動機轉(zhuǎn)矩的平均電流越大,需要克電機的反電勢平均電流越大。在不同場合采取不同的方式,到目前為止,驅(qū)動模式通常有以下幾種:恒壓和恒壓串聯(lián)電阻,高、低壓驅(qū)動,恒流和細分數(shù)。 步進電機一旦定型,其性能取決于電機驅(qū)動電源。步進電機速度越高,轉(zhuǎn)矩,電動機電流的需求越大,驅(qū)動電源電壓就越大。用于步進電機步距角不滿足條件下,利用細分驅(qū)動程序來驅(qū)動步進電機

32、，細分驅(qū)動的原理是通過改變相鄰(A,B)的大小,改變合成磁場的角度來控制步進電機運行。驅(qū)動電源如圖3所示： 圖3 步進電機驅(qū)動電源 細分驅(qū)動器 在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。細分驅(qū)動的原理如圖10： 圖4 細分驅(qū)動器的原理 用途特點及工作條件 LX19系列開關(guān)用于交流50Hz或60Hz,控制電路的電壓220 v到380 v的電路中,機械信號變成電信號,控制運動機構(gòu)和轉(zhuǎn)換方向度用。LX19系列開關(guān)采用雙斷點瞬動式結(jié)構(gòu),安置在一個金屬外殼構(gòu)成的保

33、護式。殼上裝有各種機械零件的方法。組成的單輪、雙旋轉(zhuǎn)動,沒有線性運動形式的行程開關(guān),等等。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(VR)、永磁步進電機(PM),混合步 進電機(HB)和單相步進電機,等等。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 步進電機的一些特點： 1、一般精密步進電機步進角的3 - 5%,且不累積。 2、步進電機外殼允許最高溫度。 步進電機溫度太高會使磁

34、性材料退磁,所以電機外殼允許最高溫度應該取決于不同的退磁磁性材料;有些材料都在130攝氏度以上,有的甚至高達200攝氏度以上,因此步進電機出現(xiàn)在80 - 90攝氏度溫度完全正常 2.3絲杠的選型 1.公稱直徑。即絲杠的外徑，常見規(guī)格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不過請注意，這些規(guī)格中，各廠家一般只備16~50的貨，也就是說，其他直徑大部分都是期貨（見單生產(chǎn)，貨期大約在30~60天之間，日系產(chǎn)品大約是2~2.5個月，歐美產(chǎn)品大約是3~4個月）。公稱直徑和負載基本成正比，直徑越大的負載越大，具體數(shù)值可以查閱廠家產(chǎn)品樣本。這里只說明兩個概念：動額定

35、負荷與靜額定負荷，前者指運動狀態(tài)下的額定軸向負載，后者是指靜止狀態(tài)下的額定軸向負載。設計時參考前者即可。需要注意的是，額定負荷并非最大負荷，實際負荷與額定負荷的比值越小，絲杠的理論壽命越高。推薦：直徑盡量選16~63。 2.導程。也稱螺距，即螺桿每旋轉(zhuǎn)一周螺母直線運動的距離，常見導程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小導程現(xiàn)貨產(chǎn)品一般只有5、10，大導程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位數(shù)前兩位指直徑，后兩位指導程），其他規(guī)格多數(shù)廠家見單生產(chǎn)。導程與直線速度有關(guān)，在輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下，導程越大速度越快。推薦：導程盡量選5和10。 3.長

36、度。長度有兩個概念，一個是全長，另一個是螺紋長度。有些廠家只計算全長，但有些廠家需要提供螺紋長度。螺紋長度中也有兩個部分，一個是螺紋全長，一個是有效行程。前者是指螺紋部分的總長度，后者是指螺母直線移動的理論最大長度，螺紋長度=有效行程+螺母長度+設計裕量（如果需要安裝防護罩，還要考慮防護罩壓縮后的長度，一般按防護罩最大長度的1／8計算）。在設計繪圖時，絲杠的全長大致可以按照一下參數(shù)累加：絲杠全長=有效行程+螺母長度+設計余量+兩端支撐長度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動力輸入連接長度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長度的一半+裕量）。特別需要注意的是，如果你的長度超長（大于3米）或長徑比很大

37、（大于70），最好事先咨詢廠家銷售人員可否生產(chǎn)，總體的情況是，國內(nèi)廠家常規(guī)品最大長度3米，特殊品16米，國外廠家常規(guī)品6米，特殊品22米。當然不是說國內(nèi)廠家就不能生產(chǎn)更長的，只是定制品的價格比較離譜。推薦：長度盡量選6米以下，超過的用齒輪齒條更劃算了。 4.螺母形式。各廠家的產(chǎn)品樣本上都會有很多種螺母形式，一般型號中的前幾個字母即表示螺母形式。按法蘭形式分大約有圓法蘭、單切邊法蘭、雙切邊法蘭和無法蘭幾種。按螺母長度分有單螺母和雙螺母（注意，單螺母和雙螺母沒有負載和剛性差異，這一點不要聽從廠家銷售人員的演說，單螺母和雙螺母的主要差異是后者可以調(diào)整預壓而前者不能，另外后者的價格和長度大致均是前者

38、的2倍）。在安裝尺寸和性能允許的情況下，設計者在選用時應盡量選擇常規(guī)形式，以避免維護時備件的貨期問題。推薦：頻繁動作、高精度維持場合選雙螺母，其他場合選雙且邊單螺母。推薦：螺母形式盡量選內(nèi)循環(huán)雙切邊法蘭單螺母。 5.精度。滾珠絲杠按GB分類有P類和T類，即傳動類和定位類，精度等級有1、2、3、4.....幾種，國外產(chǎn)品一般不分傳動還是定位，一律以C0~C10或具體數(shù)值表示，一般來說，通用機械或普通數(shù)控機械選C7（任意300行程內(nèi)定位誤差±0.05）或以下，高精度數(shù)控機械選C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光學或檢測機械選C3以上。特別需要注意的是，精度和價格關(guān)聯(lián)性很大，并且，

39、精度的概念是組合和維持，也就是說，螺桿的導程誤差不能說明整套絲杠的誤差，出廠精度合格不能說明額定使用壽命內(nèi)都維持這個精度。這是個可靠性的問題，與生產(chǎn)商的生產(chǎn)工藝有關(guān)。推薦：精度盡量選C7。 圖5 精度C7號絲杠（d=8mm） 2.4初選導軌型號 直線滾動導軌,根據(jù)最大動載荷C = 1613 N垂直,水平最大動載荷C = 483.9 N,通過檢查（機電一體化系統(tǒng)設計手冊）表2.9 -3.8 ,其參數(shù)長度:650毫米,最終確定使用直徑D=8mm的導軌最合適。。 圖6 d=8mm號導軌 3.

40、傳動部分總體設計的計算 3.1絲杠的受力計算 滾珠絲杠副已經(jīng)標準化。因此只需選擇合適的型號即可。 滾珠絲杠的負荷包括粉料的重力及摩擦引起的阻力。 1)經(jīng)查表和前述計算可以的出如下參數(shù)： 查表得，使用壽命 T=15000h,初選絲杠螺距 t=4mm,且已經(jīng)知道Z軸下降的最大的下降速度是 Vmax=0.048m/min 所以絲杠轉(zhuǎn)速 取絲杠轉(zhuǎn)速n=12r/min 所以 額定動載荷 設計其精度為3級，可靠性為90% 則由 其中可查出精度系數(shù)fa=1，可靠性系數(shù)fc=1，荷性質(zhì)系數(shù)fw=1.2，且已知F=1572N,Lh=15000,n=12r/min。 上述數(shù)據(jù)代

41、入公式后，可得 查表（機械設計手冊），取滾珠絲杠的直徑d0=6mm,選用滾珠絲杠螺母副型號為3206-3,其額定負荷為6766N,足夠用。 3.2導軌的選型及計算 3.2.1導軌剛度檢驗 滾珠絲杠受工作負荷P引起的導程L0的變化量 其中FN=1574，L=0.4cm，， 所以 導軌因受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略 所以導程總誤差 查表知6級精度的絲杠允許誤差13μm,（中國機械設計手冊卷4）故剛度足夠。所選絲杠符合要求。 3.3絲杠和螺母自鎖校核計算 螺紋升角 Ψ=arctan(L/π*d2) 其中 L——導程； d2——螺紋中徑（一般而言，d2=d-0

42、.5p）； 螺紋摩擦角 β=arctan[f/cos(α/2)] 其中? f——靜摩擦系數(shù)； ??????α——螺紋牙型角； 若?Ψ≤β，則傳動螺紋具有自鎖特性。 3.3.1 電機轉(zhuǎn)矩的選擇計算 加熱板的速度和同步齒形帶的速度是一致的所以同步齒形帶輪的線速度為: 帶速v =0.112m /s 初選小帶輪齒數(shù)為z1=14,模數(shù)m=4 所以小帶輪直徑d1=mz1=2×18=56mm 根據(jù)公式v=πd1n1/60×1000 得小帶輪的轉(zhuǎn)速n1=35.3r/min. 因為傳動比為1所以大帶輪的齒數(shù)和直徑分別為: z2=14 d2=56mm 大帶輪的轉(zhuǎn)速n2=35.3

43、r/min Pd=Ka×P=1.6×0.0037=0.00592kw(Ka-工況系數(shù)) 取軸向間距a0=1450mm 帶長L0=2a0+π(d1+d2)/2+(d2-d1)2/4a0=3065.84mm 由L0與m=4可取Zb=290，Lp=3644.25的同步帶，根據(jù)需要將他的寬度切為28mm。 即帶寬bs=28mm 電機的輸出轉(zhuǎn)距為Td=9550Pd/n1=9550×0.00592/35.3=1.6N.m 綜合考慮，查表選擇57BYG096型步進電機，如圖8、圖9所示 圖7步進電機

44、 圖8 步進電機外形尺寸 表1 電機參數(shù) 本章主要是針對x - y掃描機制的設計,必須首先明確設計任務,然后確定脈沖當量和傳動比,絲桿,導軌選型和相應的計算,最后,計算并確定驅(qū)動電動機的x - y方向。 3.3.2 加熱板材料的選擇 耐高溫材料包括耐火材料和耐熱材料，有無機化合物，也有高分子聚合物材料。耐火材料通常是指能耐1580℃以上溫度的無機物材料。 它們是修建窯爐、燃燒室和其他需 耐高溫的建筑材料從廣義 上講，無機耐火、耐熱材料是指這些化合物的硬度高、脆性好、耐化 學腐蝕性能好，而且熔點在1500以上。主要分金屬與非金屬化合物和 非金屬間化合物兩

45、類此外還用作耐化學腐蝕材料 和硬質(zhì)材料等。耐熱聚合物可用作 耐高溫薄膜絕緣材料、耐高溫纖 維、耐高溫涂料、耐高溫粘合劑 等。按照耐高溫的時間，又分瞬間 耐高溫材料和較長時間的耐高溫材料。前者在1000～10000℃能耐幾秒 到幾分鐘。其中燒蝕材料也是耐高溫材料。例如在300～600℃，在空氣 中能保持它的機械強度、耐化學腐蝕等。 綜合上述耐高溫材料選擇方案3種：PPS塑料(聚苯硫醚)、LCP（高性能特種工程塑料）和高溫尼龍。 PPS是260度 LCP高的有300-350度的 高溫尼龍是260-290度 最終選擇LCP特種工程材料。 圖9加熱板正面

46、 圖10加熱板反面 4. 3D打印機的送絲機構(gòu) 4.1送絲機構(gòu)的簡介 3D打印機的送料機構(gòu)，包括：用于輸送待加工的物料的送料組件；用于為待加工的物料進行熔融的熔融組件；所述熔融組件包括熔爐、噴嘴及用于為熔爐加熱的感應組件；所述噴嘴與熔爐固定連接；所述感應組件套設在所述熔爐的外周。本次設計的3D打印機的送料機構(gòu)的安全性高，且適用范圍較廣泛。 4.2送絲機構(gòu)的設計 圖11送絲機構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 3D打印機同步送絲機構(gòu)，其包括機架、設置在機架上的打印機構(gòu)，所述打印機構(gòu)包括設置在所述機架上的安裝座、卡絲輪組、設置在所述卡絲輪組下方的

47、導入熱熔絲的導料管，所述卡絲輪組包括第一卡絲輪和第二卡絲輪，同步傳動裝置同步驅(qū)動所述第一卡絲輪和第二卡絲輪，采用了驅(qū)動輪，能使得左右兩邊的卡絲輪根據(jù)需要來滾動，增大了送絲推力，保證送絲可靠，同時采用彈性將熱熔絲壓緊，進一步減小了熱熔絲打滑的可能性，提高了三D打印機打印可靠性。 4.3打印機框架及噴頭的設計 4.3.1打印機框架 圖12框架基本結(jié)構(gòu) 采用鋁合金架構(gòu)，重量僅為不銹鋼的1/3，但是強度是亞克力的5倍，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以保證噴頭長時間高速的打印，強韌的合金可以滿足彈性需要，讓打印變得高質(zhì)。據(jù)今年的金屬市場價格鋁合金比不銹鋼平均便宜人民

48、幣10元左右。 4.3.2噴頭的設計 熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進電機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導向套，導向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。 圖13雙噴頭簡圖 圖14雙噴頭UG圖 噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。 我采用FDM工藝制作具有懸空結(jié)構(gòu)的工件原型時需要有支撐結(jié)構(gòu)的支持，為了節(jié)省材料成本和提高成型的效

49、率，新型的FDM設備會采用了雙噴頭的設計，一個噴頭負責擠出成型材料，另外一個噴頭負責擠出支撐材料。 圖15單噴頭簡圖 一般來說，與單噴頭相比，用于成型的材料絲相對更精細一些，而且價格較高，沉積效率也較低。用于制作支撐材料的絲材會相對較粗一些，而且成本較低，但沉積效率會更高些。支撐材料一般會選用水溶性材料或比成型材料熔點低的材料，這樣在后期處理時通過物理或化學的方式就能很方便地把支撐結(jié)構(gòu)去除干凈。 結(jié) 論 本文針對融熔沉積3D打印機機械結(jié)構(gòu)的設計，開展對打印機

50、機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，針對家庭型小型熔融沉積3D打印機的機械結(jié)構(gòu)進行校核、對比驗證。家庭型小型打印機成本較低，也可以應用學校教學，對今后3D打印機的普及起到很大作用，主要結(jié)論如下： (1)首先根據(jù)熔融沉積3D打印機國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平，闡述了軟件開發(fā)的難度，分析了其原因，國內(nèi)的軟件開發(fā)的進程和突破。表明了我國在這方面的研究雖然是自己開發(fā)、自成體系，但不是相對封閉。 (2)首先明確了本次設計的主要工作,確定了設計工作參數(shù)，把設計思路清晰的分為了四個大步驟，為了后面的設計作了很好的準備。 (3)然后決定了機械部分的設計包括機械結(jié)構(gòu)傳動裝置和熔融沉積3D打印機的整體布局設計。解決了從電機到執(zhí)行部分

51、采取幾種解決方案，通過各個方案的比較最終確定了傳動裝置選擇同步帶傳動。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，通過對反應式步進電機、電磁型步進電機、混合式步進電機和單相步進電機等的對比和驗證，確定使用57BYG096電機型號。輔助傳動裝置確定了導軌、絲杠的型號以及噴頭和打印機整體框架的設計。 (4) 再次對機械部分總體設計的計算，針對前面對導軌、絲杠、步進電機、噴頭等再一次進行了核對、校核、驗證、對它們的受力、額定壽命、等效轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)動力矩以及傳動效率進行了再一次的計算，最后要保證他們在合理范圍之內(nèi)。 (5)最后對簡單送絲機構(gòu)作了介紹并闡述了它的結(jié)構(gòu)最終確定了應用同步送絲機構(gòu)。

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55、前我對熔融沉積3D打印機并不是十分的了解，所以在做的過程中由于經(jīng)驗的匱乏，在很多方面難免都考慮不周到，而劉老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，不厭其煩的講解思路，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。如果沒有導師的督促指導，沒有同學的幫助，想要完成這個設計是難以想象的。 首先我要衷心的感謝我的導師劉玉山老師。從課題的選擇到畢業(yè)設計論文的最終完成這期間，我們都知劉老師平時工作很繁多，但他仍然很耐心的幫助我解決各種困難，給予我細心的指導和不懈的支持，陪同我完成這次畢業(yè)設計。我所研究的課題是熔融沉積3D打印進機械結(jié)構(gòu)的設計，此課題比較新穎，我在學習的過程中由于我學的不夠扎實，出現(xiàn)了各種各樣的

56、問題，但是劉老師仍然耐心講解。除了敬佩劉老師的專業(yè)水平外，他的嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我；不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，并將積極影響我今后的學習和工作。再一次向他表示衷心的感謝，感謝他為學生營造的濃郁學術(shù)氛圍，以及學習、生活上的無私幫助! 在學校的學習生活即將結(jié)束，回顧五年來的學習經(jīng)歷，面對現(xiàn)在的收獲，我感到無限欣慰。為此，我向熱心幫助過我的所有老師表示由衷的感謝，是他們的諄諄教導才讓我們打下了扎實的機械專業(yè)基礎(chǔ)知識；還要感謝我身邊一起陪我度過大學生活所有的同學，正因為有了你們的支持和鼓勵，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 最后，感謝我的母校天津職業(yè)技術(shù)師范大學對我的栽培，同時衷心地感謝在百忙之中抽出寶貴的時間評閱論文和參加答辯的各位專家、教授!