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長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 編號 本科生畢業(yè)設(shè)計 中文題目 The Subject of Graduation Project 學(xué)生姓名 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 分 院 2014年 月 摘 要 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工工藝已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)部件的加工需求，許多異形結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)加工（包括五軸加工中心）很難加工或根本不能加工。隨即3D打印機應(yīng)運而生…… 3D打印機看似復(fù)雜，卻很簡單，也許你會為它神奇的能力而震撼，也許你會為它的高科技而驚呆，其實從1916年愛因斯坦提出激光原理時，已經(jīng)為1986年第一臺3D打印機的出現(xiàn)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。說起3D打印機的原理其實一點也不復(fù)雜。 本文主要針對3D打印技術(shù)設(shè)計出一款3D打印快速模型設(shè)備，以切合實際針對新型的生產(chǎn)工藝采取的實際設(shè)備的設(shè)計制造。 關(guān)鍵詞：3D打印機 機械結(jié)構(gòu) 新型設(shè)備 ABSTRACT With the continuous development of modern industry, the traditional processing technology has been unable to meet the processing needs of modern industrial parts, the traditional processing and utilization of many deformed structure (including five axis machining center) is difficult to be machined or cannot process. Then emerge as the times require 3D printer...... 3D printer may seem complicated, but is very simple, you might and shook it magical abilities, perhaps you will be stunned for its high-tech, in fact, the principle of laser Einstein from 1916, has laid a solid theoretical foundation for the emergence of 1986 the first 3D printer. About the principle of 3D printer is not complicated. In this paper, the 3D printing technology to design a 3D print speed model of equipment, design and manufacture of the equipment to the practical production process model for the equipment. Keywords: 3D printer mechanical structure model of equipment 3D打印機設(shè)計 目 錄 第一章 緒論......................................................1 1.1 課題來源及研究目的和意義…………………………………………………….1 1.2 本次設(shè)計的主要內(nèi)容…………………………………………………………….5 1.3 3D打印設(shè)備方案分析………………………………………………………..5 1.3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計思路………………………………………………………5 1.3.2 機械結(jié)構(gòu)總體方案和布局……………………………………………….6 第2 章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………8 2.1 電機的選擇…………………………………………………….............................8 2.2 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計……………………………………………………….10 2.2.1 材料選用原則……………………………………………………………10 2.2.2 絲杠螺母工作條件及失效形式………………………………………….11 2.2.3 螺旋傳動類型特點和應(yīng)用……………………………………………….11 2.2.4 滾珠絲杠螺母副的計算………………………………………………….12 2.2.5 滾珠絲杠螺母的支撐方式……………………………………………….18 2.2.6 滾珠絲杠螺母的潤滑和防塵隔離……………………………………….18 2.3 導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計…………………………………………………..20 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計選擇……………………………………………………………..23 2.5 同步帶輪的設(shè)計計算…………………………………………………………..23 第3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計及三維建?！?6 3.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的是三維建模…………………………………………………27 3.2 整體裝配建?！?0 3.3 標準件建?！?30 結(jié)論…………………………………………………………………………………38 參考文獻………………………………………………………………………….39 致謝……………………………………………………………………………..40 第1章 緒 論 1.1 課題來源及研究目的和意義 3D打印機有時被稱為快速成型機，用液體或粉狀塑料制造物品，其運作原理和傳統(tǒng)打印機十分相似?？焖俪尚渭夹g(shù)（rapid prototyping，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)?？焖俪尚渭夹g(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。快速成形是一種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(xué)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. 　　快速成形工藝流程如下： 　　(1)三維模型構(gòu)造 由于RP系統(tǒng)只接受計算機構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型(立體圖)，然后才能進行切片處理，因而首先應(yīng)在PC機或工作站上用CAD軟件（如UG、Pro/E、I-DEAS等），根據(jù)產(chǎn)品要求設(shè)計三維模型；或?qū)⒁延挟a(chǎn)品的二維三視圖轉(zhuǎn)換成三維模型；或在逆向工程中，用測量儀對已有的產(chǎn)品實體進行掃描，得到數(shù)據(jù)點云，進行三維重構(gòu)。 　　(2)三維模型的近似處理 由于產(chǎn)品上往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前必須對其進行近似處理。經(jīng)過近似處理獲得的三維模型文件稱為STL格式文件，它由一系列相連空間三角形組成。典型的CAD軟件都有轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件的接口，但有時輸出的三角形會有少量錯誤，需要進行局部修改。 　　(3)三維模型的分層(Slicing)處理 由于RP工藝是按一層層截面輪廓來進行加工的，因此加工前須將三維模型上沿成形高度方向離散成一系列有序的二維層片，即每隔一定的間距分一層片，以便提取截面的輪廓。間隔的大小按精度和生產(chǎn)率要求選定。間隔越小，精度越高，但成形時間越長。間隔范圍為0.05～0.5 mm，常用0.1 mm，能得到相當光滑的成形曲面。層片間隔選定后，成形時每層疊加的材料厚度應(yīng)與其相適應(yīng)。各種成形系統(tǒng)都帶有Slicing處理軟件，能自動提取模型的截面輪廓。 　　(4)截面加工 根據(jù)分層處理的截面輪廓，在計算機控制下，RP系統(tǒng)中的成形頭（如激光掃描頭或噴頭）由數(shù)控系統(tǒng)控制，在x-y平面內(nèi)按截面輪廓進行掃描，固化液態(tài)樹脂（或切割紙，燒結(jié)粉末材料，噴射粘結(jié)劑、熱熔劑和熱熔材料），得到一層層截面。 　　(5)截面疊加 每層截面形成之后，下一層材料被送至已成形的層面上，然后進行后一層的成形，并與前一層面相粘結(jié)，從而將一層層的截面逐步疊合在一起，最終形成三維產(chǎn)品。 　　(6) 后處理 成形機成形完畢后，取出工件，進行打磨、涂掛，或者放進高溫爐中燒結(jié)，進一步提高其強度（如3D-P工藝）。對于SLS工藝，將工件放入高溫爐中燒結(jié)，使粘結(jié)劑揮發(fā)掉，以便進行滲金屬（如滲銅）處理。 本次設(shè)計中根據(jù)三維打印技術(shù)的原理以及作用的基礎(chǔ)上，綜合運用機械原理、機械設(shè)計、機械制造裝備設(shè)計、機械制造工藝學(xué)、互換性與技術(shù)測量、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、畫法幾何及機械制圖等先修課程的知識，分析機械部分實現(xiàn)的方法，根據(jù)國內(nèi)機械行業(yè)的實際情況設(shè)計出符合要求的設(shè)備結(jié)構(gòu)。 1.2 本次設(shè)計的主要內(nèi)容 本次設(shè)計的3D打印機通過CAD/PROE繪圖和運用技術(shù)標準、規(guī)范、設(shè)計手冊等相關(guān)設(shè)計資料，進行3D打印機設(shè)計并最終完成3D打印機的零件圖，裝配圖，零件圖及相關(guān)設(shè)計說明書。 主要的設(shè)計基本內(nèi)容如下： 1) 設(shè)計準備：閱讀設(shè)計任務(wù)書，明確3D打印機設(shè)計任務(wù)，準備設(shè)計資料及繪圖工具。 2) 3D打印機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計：主要包括：鋪粉系統(tǒng)、成型腔和儲料腔的運動系統(tǒng)、噴頭運動系統(tǒng)。 3) 裝配圖的設(shè)計：初繪裝配草圖，各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，協(xié)調(diào)好各零部件之間的裝配關(guān)系，完成裝配工作圖。 4) 零件工作圖的設(shè)計：主要是繪制3D打印機成型零件（如傳動機構(gòu)，支撐機構(gòu)等機構(gòu)）。 5) 編寫設(shè)計計算說明書：主要是整理和編寫3D打印機設(shè)計說明書。 6) 設(shè)計總結(jié)及答辯：進行畢業(yè)設(shè)計總結(jié)，完成答辯準備工作。 1.3 3D打印機模型設(shè)備的方案分析 1.3.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計思路 基于微噴射粘結(jié)的3DP工藝的成形原理為：將制件的CAD三維模型根據(jù)工藝要求進行離散分層得到一系列的層片，按照這些層片的輪廓信息，鋪粉裝置逐層鋪粉，且噴頭噴射粘結(jié)劑微滴選擇性地固化一層一層的粉末，形成各截面輪廓，并逐步有序地疊加成三維實體。要完成制作要求就需要各種機構(gòu)來實現(xiàn)其功能： 機械系統(tǒng) X, Y軸( 打印平面) 組成平面掃描運動框架 機構(gòu)選用：X軸 導(dǎo)軌——絲桿機構(gòu) Y軸 導(dǎo)軌——絲桿機構(gòu) Z軸（即成型腔和儲料腔） 光桿——絲桿機構(gòu) 兩副 鋪粉輥機構(gòu)（即噴頭） 導(dǎo)軌——絲桿機構(gòu) 1.3.2機械結(jié)構(gòu)總體布局 根據(jù)設(shè)計思路設(shè)定本次設(shè)計的3D打印機的方案 設(shè)計方案如圖所示，圖中序號所代表機構(gòu)分別是： 1） 儲料箱：提供成型與支撐粉末材料。 2）成型箱：在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距離即為層厚。零件加工完后，缸升起，以便取出制造好的工件，并為下一次的加工做準備。工作缸的升降由伺服電機通過絲桿驅(qū)動。 3）余料箱：安裝在成型機殼內(nèi)，回收鋪粉時多余的粉末材料。 4）噴頭：在工作缸內(nèi)噴射成型時的粘結(jié)劑，粘接不通層之間的粉料，是三維打印快速成型的關(guān)鍵部件。 5）鋪粉輥裝置：包括鋪粉輥及其驅(qū)動系統(tǒng)，其作用是把粉末材料均勻地鋪平在工作缸上，并把鋪粉的同時把粉料壓實。 連接盤 絲桿螺母法蘭 減速器 聯(lián)軸器 電動機 第2章 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1 電機的選擇 2.1.1 Z軸電機的選擇 Z軸即為成型腔和儲料腔的上下移動電機。假設(shè)成型腔和儲料腔的重量為30Kg，移動速度為2m/min左右 根據(jù)本次設(shè)計由于在成型腔和儲料腔的上下移動要求精確定位，所以本次設(shè)計中選用伺服電機，本次伺服電機的廠家為華大伺服電機。 電機設(shè)計計算 1、確定運行時間 本次設(shè)計加速時間 負載速度（m/min） 有速度可知每秒上升50mm， 2.電機轉(zhuǎn)速 3.負載轉(zhuǎn)矩 式中： 4.負載慣量 上下垂直運動 絲桿螺母慣量 式中 總慣量 5.電機轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩 必須轉(zhuǎn)矩 S為安全系數(shù)，這里取1.0 根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)， 我們選用華大伺服電機型號為110ST-M02030，以下為選擇的伺服電機的具體詳細介紹： 電機額定功率為0.6KW， 零速轉(zhuǎn)矩為2.0N.m， 額定地拿了4.0A 額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min。 電機大致圖如下： 外形尺寸110x110x106，電機輸出軸徑為12mm。 2.1.2 X軸和Y軸電機的選擇 打印平面中的X軸和Y軸移動結(jié)構(gòu)相同，本次選擇的電機采用相同的。 電機設(shè)計計算 1、確定運行時間 本次設(shè)計加速時間 負載速度（m/min） 有速度可知每秒移動50mm， 2.電機轉(zhuǎn)速 3.負載轉(zhuǎn)矩 式中： 4.負載慣量 上下垂直運動 絲桿螺母慣量 式中 總慣量 5.電機轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩 必須轉(zhuǎn)矩 S為安全系數(shù)，這里取1.0 根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)， 我們也選用華大伺服電機型號為110ST-M02030，具體尺寸同Z軸移動所選的電機相同。 2.2 滾珠絲杠螺母的設(shè)計 2.2.1材料選用原則 選材的基本原則是材料在能滿足零件使用性能的前提下，具有較好的工藝性和經(jīng)濟性。 材料的使用性能是指機械零件在正常工作條件下應(yīng)具備的力學(xué)、物理、化學(xué)等性能，是保證該零件可靠性的基礎(chǔ)。對一般機械零件來說，選材時主要考慮的是其力學(xué)性能；而對于非金屬材料制成的零件，還應(yīng)該考慮其工作環(huán)境對零件性能的影響。 零件按力學(xué)性能選材時，首先應(yīng)正確分析其工作條件、形狀尺寸及應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合該類零件出現(xiàn)的主要失效形式，找出其在實際使用中的主要和次要的失效抗力指標，以此作為選材的依據(jù)。 2.2.2絲杠螺母的工作條件、失效形式和技術(shù)要求 1、工作條件 由于傳動機構(gòu)是絲杠螺母副，即螺旋傳動副，而工作時主要是攜帶傳感器進行測量，而非傳遞動力或扭矩。主要承受一定的剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷。 2、主要失效形式 當彎曲載荷較大時，絲杠承受著交變應(yīng)力；當其表面硬度較低，表面質(zhì)量不良時，會發(fā)生磨損，甚至產(chǎn)生疲勞斷裂。而設(shè)計的絲杠所傳遞的動力和扭矩都很小。因此，主要的失效形式是磨損。通過提高絲杠螺母的表面質(zhì)量和安裝精度可以有效的減少磨損。 3、材料性能要求 根據(jù)絲杠的工作條件和失效形式，要求絲杠材料具備以下主要性能：①電磁鐵參數(shù)測量裝置是對電磁鐵的電磁吸力、磁場強度和線圈溫度進行測量的裝置。為避免電磁鐵的磁泄漏，采用不可磁化材料。如不銹、鋁合金、銅合金、陶瓷材料或高分子材料。②較高的綜合力學(xué)性能.當絲杠正常工作時，要承受一定的交變載荷與沖擊載荷。③絲杠軸頸應(yīng)具有高的硬度和耐磨性，提高絲杠的旋轉(zhuǎn)精度和使用壽命。 根據(jù)絲杠螺母副的工作條件、失效形式和技術(shù)要求，考慮材料的綜合性能，絲杠采用淬火鋼，螺母采用鑄造錫青銅。這是由于銅合金材料不僅具有較高的綜合力學(xué)性能，而且具有較高硬度和耐磨性。絲杠螺母副的導(dǎo)柱采用不銹鋼，導(dǎo)軌采用鋁合金，聯(lián)結(jié)件采用高分子塑料。 2.2.3絲桿螺旋傳動的類型、特點與應(yīng)用 絲桿螺旋傳動是利用絲桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動將直線運動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動，同時傳遞運動或動力。滾珠絲杠傳動系統(tǒng)是一個以滾珠作為滾動媒介的滾動螺旋傳動的體系。以傳動形式分為兩種：一種是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動；另外一種是將直線運動轉(zhuǎn)化成回轉(zhuǎn)運動。梯形絲桿的特點： （1）傳動效率高：滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的2～4倍，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆）。 （2）運動平穩(wěn)：梯形絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進給。 （3）高精度：滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對絲杠進行預(yù)拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 （4）高耐用性：鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 （5）同步性好：由于運動平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 （6）高可靠性：與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 （7）無背隙與預(yù)緊：采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀、軸向間隙可調(diào)整得很小，也能輕便地傳動。若加入適當?shù)念A(yù)緊載荷，消除軸向間隙，可使絲杠具有更佳的剛性，在承載時減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達到更高的精度。 2.2.3滾珠絲桿螺母的設(shè)計計算 滾動螺旋傳動主要承受軸向力。由于螺母和螺桿間有較大的滑動摩擦，因而磨損是其主要的失效形式。滾動螺旋的基本尺寸（螺桿的直徑和螺母的高度），通常是根據(jù)耐磨性條件來確定的。受力較大的螺旋傳動，還應(yīng)校核螺桿危險截面和螺母螺紋牙的強度，以防止發(fā)生塑性變形或斷裂；要求自鎖的螺桿，要求校核其自鎖性；精密的傳導(dǎo)螺桿，應(yīng)該校核其剛度，以免因受力導(dǎo)致螺距變化引起傳動精度降低；長徑比較大的螺桿，應(yīng)校核其穩(wěn)定性，以防止軸向受載后失穩(wěn)；高速的長螺桿還應(yīng)校核起臨界轉(zhuǎn)速，以防止過大的橫向振動。具體設(shè)計時應(yīng)根據(jù)傳 動的類型、工作條件及其失效形式等，選擇不同的設(shè)計準則，而不必逐項進行校核。 表2.1螺旋傳動的常用材料 螺旋副 材料牌號 應(yīng)用范圍 螺桿 Q235、Q275、45、50 材料不經(jīng)熱處理，使用于經(jīng)常運動，受力不大，轉(zhuǎn)速較低的傳動 40Cr、65Mn、T12、40WMn、18CrMnTi 材料需經(jīng)熱處理，以提高其耐磨性，適用于重載、轉(zhuǎn)速較高的重要傳動 9Mn2V、CrWMn、38CrMoAl 材料需經(jīng)熱處理，以提高其尺寸的穩(wěn)定性，適用于精密傳導(dǎo)螺旋傳動 螺母 ZCu10P1、ZCu5Pb5Zn5 材料耐磨性好，適用于一般傳動 ZCuAl9FeNi4Mn2 ZCuZn25Al6Fe3Mn3 材料耐磨性好，強度高，適用于重載、低速的傳動。對于尺寸較大或高速傳動，螺母可采用鋼或鑄鐵制造，內(nèi)孔澆注青銅或巴氏合金 1、 Z軸立向絲桿的設(shè)計 （1）滾珠絲桿螺母副，橫向絲桿的最大軸向載荷為2000N，支承間最大距離為400mm，，要求定位精度為0.001mm，滾珠絲桿的負荷包括運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)按額定靜載荷選用。 載荷性質(zhì)系數(shù)為1 —動載荷硬度影響系數(shù)， =1 —最大軸向載荷 定靜載荷為C02000N，查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲桿螺距t=5mm，得絲桿轉(zhuǎn)速 n/min 由于絲桿螺距為5，可選W系列完循環(huán)絲桿副尺寸系列W2005-2.5圈一列滾珠絲桿螺母副的幾何參數(shù)計算，見表2.6所示： 表2.2 滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計算公式和結(jié)果（mm） 螺紋滾道 公稱直徑 20 螺 距 5 接觸角 鋼球直徑 3.175 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內(nèi)徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 螺母長度 Ln 33 （2）傳動效率計算 （2.23） 式中：—摩擦角；—絲桿螺紋升角。 （3）剛度驗算，滾珠絲桿受工作負載P引起的導(dǎo)程的變化量 （2.24） Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計算 （N） （cm） () (材料為45鋼) （） 所以 （cm） 絲桿因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。所以導(dǎo)程誤差 查表知C級精度的絲桿允許誤差6，故剛度足夠。 （4）穩(wěn)定性驗算，由部件自重產(chǎn)生的使絲桿回轉(zhuǎn)的扭矩為 式中G——移動部件自重 S——導(dǎo)程（cm） ——逆?zhèn)鲃有?，由于滾珠絲桿副的正傳動效率和逆?zhèn)鲃有式葡嗟龋虼?，一般用正傳動效率代替? N.cm可知110BF004反應(yīng)式步進電動機帶動絲桿螺母副時不會發(fā)生逆向傳動 （5）軸承的選擇，初選6002，工作時為輕度沖擊，正常工作溫度，預(yù)期壽命為5000h，絲桿在工作的過程中受軸向載荷作用，且最大軸向載荷為Fa=200N.查手冊可知道2002的基本額定負載Cr=4.32kN,基本額定負載荷Cor=2.50Kn。 為了能安裝方便本次設(shè)計中6002軸承可以用帶座軸承代替，選用軸承的型號為UCFU203軸承。 Fa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38 當量負載的計算P=200N可算得軸承壽命[6] （2.25） 溫度系數(shù)=1，載荷系數(shù)=1，UCFU203軸承座，壽命指數(shù)為=3 得（h） 所以該軸承適合。 2、 X軸和Y軸橫向絲桿的設(shè)計 （1）滾珠絲桿螺母副型號的選擇：橫向絲桿的最大軸向載荷為570N，支承間最大距離為250mm，支承方式如圖3.2，要求定位精度為0.001mm 滾珠絲桿的負荷為運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)按額定靜載荷選用。 （2.18） 載荷性質(zhì)系數(shù)為1 —動載荷硬度影響系數(shù)， =1 —最大軸向載荷 額定靜載荷為C0570N 查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲桿螺距t=5mm，得絲桿轉(zhuǎn)速 n/min 由于絲桿螺距為5，可選W系列完循環(huán)絲桿副尺寸系列W2005-2.5圈一列滾珠絲桿螺母副的幾何參數(shù)計算，見表2.5： 表2.5 滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計算公式和結(jié)果（mm） 螺紋滾道 公稱直徑 16 螺 距 5 接觸角 鋼球直徑 3.175 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內(nèi)徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 螺母長度 Ln 33 （2）傳動效率計算 （2.19） 式中：—摩擦角；—絲桿螺紋升角。 （3）剛度驗算：滾珠絲桿受工作負載P引起的導(dǎo)程的變化量 （2.20） （N） （cm） () (材料為45鋼) （） 所以 （cm） 絲桿因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。所以導(dǎo)程誤差 查表知C級精度的絲桿允許誤差10，故剛度足夠。 （4）軸承的選擇：初選6002，工作時為輕度沖擊，正常工作溫度，預(yù)期壽命為5000h，絲桿在工作的過程中受軸向載荷作用，且最大軸向載荷為Fa=570N.查手冊可知道2002的基本額定負載Cr=4.32kN,基本額定負載荷Cor=2.50kN Fa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38 當量負載的計算P=570N可算得軸承壽命 （2.21） 溫度系數(shù)=1，載荷系數(shù)=1，6002為深溝球軸承，壽命指數(shù)為=3 得大于5000（h） 所以該軸承適合。 2.2.4滾珠絲桿螺母的支承方式的選擇 滾珠絲杠的支承主要有以下四種，由于支承方式不同，使容許軸向載荷及容許回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也有所不同。 （1）固定---固定，適用于高轉(zhuǎn)速、高精度； （2）固定---支承 適用于中等轉(zhuǎn)速、高精度； （3）支承---支承適用于中等轉(zhuǎn)速，中精度； （4）固定---自由 適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，短軸向絲杠。 本次設(shè)計中絲桿螺母的固定方式如下所示 2.2.5滾珠絲桿螺母的潤滑和防塵隔離 1、油潤滑 一般情況下，用于滾動軸承的礦物油都適用。特別是在高轉(zhuǎn)速情況下，以油潤滑比脂潤滑佳，這時滾珠絲杠副的溫升較小。油潤滑的補充潤滑量和間隔，按下表，按表中的油量，至少可以達到8小時的補充潤滑時間。 2、脂潤滑 采用脂潤滑的優(yōu)點可以使?jié)L珠絲杠傳動系統(tǒng)在一段很長時間后才需進行補充。也就是說，在多數(shù)情況下，可以省去一套補充潤滑的裝置。補充潤滑脂的限量為大約填入螺母內(nèi)空間容積的一半?？梢允褂盟懈呒墲L動軸承潤滑脂，但要注意潤滑脂廠家的說明和提示。潤滑脂的補充通常在半年或一年進行更換，更換前應(yīng)清除舊潤滑脂后才能更換新的潤滑脂 3、防塵與隔離 滾珠螺杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物（切屑碎屑）進入就會很快使它磨耗，成為損壞的原因。困此，必須采用防護裝置（折疊式或伸縮式絲杠防塵罩）將絲杠軸完全防護起來。另外雖沒有別的異物，但有浮塵時要在螺母兩端采用刮屑式防塵圈。 滾珠絲杠副設(shè)計使用中應(yīng)注意的問題： (1) 為提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，應(yīng)使作用在螺母上的合力通過絲杠軸心，以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。 (2) 防逆轉(zhuǎn)：滾珠絲杠副傳動逆效率高，應(yīng)考慮在電機停電后，因部件自重而產(chǎn)生螺旋副的逆?zhèn)鲃?特別是在垂直方向上傳動時)，防止逆?zhèn)鲃拥姆椒刹捎茫和ｋ娮枣i的電機、蝸輪蝸桿機構(gòu)、離合器等方式。 (3) 滾珠絲杠副在行程兩端應(yīng)有行程保護裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊而影響精度、使用壽命甚至損壞。 (4) 防止熱變形：熱變形對精密螺旋傳動的定位精度有著重要的影響。其熱源不單是螺旋副的摩擦熱，還有其他機械部件工作時產(chǎn)生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長。為此必須分析熱源的各因素，采用措施控制熱源，還可以采用預(yù)拉伸、強制冷卻等減少熱變形對絲杠的伸長的影響。 (5) 細長而又水平放置的絲杠，因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，是影響導(dǎo)程累積誤差的因素之一，還會使螺母受載不均。設(shè)計細長絲杠時，應(yīng)考慮防止或減小自重彎曲變形的措施。 (6) 防護與密封，塵埃和雜質(zhì)進入滾道會妨礙滾動體運動流暢，會加速滾動體與滾道的磨損，使?jié)L動螺旋副喪失精度。為此需要防塵措施。滾珠絲杠副在螺母兩端已安裝防塵圈，為避免絲杠外露，還需要為絲杠選擇防護裝置。 (7) 合理潤滑是減小驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、提高傳動效率、延長螺旋副使用壽命的重要環(huán)節(jié)，接觸表面的油膜還有吸振、減小傳動噪聲和沖洗絲杠上的粉塵等雜物的作用。因此要注入潤滑脂。在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴，再采用其他合適的潤滑方式。 (8) 正確選擇預(yù)緊力，滾珠絲杠副出廠時已經(jīng)按要求調(diào)節(jié)好所需要的預(yù)緊力，嚴禁自行拆卸滾珠絲杠副的各個部件，以免影響其精度。嚴禁敲擊和拆卸導(dǎo)珠管，以免造成滾珠堵塞，運轉(zhuǎn)不流暢。 (9) 建議采用適應(yīng)于數(shù)控機床的大接觸軸承以提高傳動剛度。 (10) 用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副，必須使絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙，并該端所有外圓尺寸均小于絲杠螺紋底徑d2,否則無法裝配螺母。 (11) 水平位置采用外循環(huán)滾珠絲杠副，最好是插管放置再絲杠軸線上面。 (12) 為便于絲杠加工，絲杠上最大外圓處的直徑最好不要大于絲杠的外徑d1。 2.3 導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計 通過絲桿螺母連接法蘭，帶動整個成型腔和儲料腔做上下運行，為了要保證平穩(wěn)，需要有導(dǎo)向裝置，這里就需要設(shè)計導(dǎo)向光桿和直線軸承配合整個絲桿螺母裝置。 2.3.1直線軸承的選擇 POM工程式塑料保持器適用于工作測試；鋼保持器適用于為工作溫度；不銹鋼軸承適合于水、蒸氣、硝酸等腐蝕介質(zhì)及真空工作場合，軸承型號按下述計算公式確定。 硬度系數(shù)FH：硬度HRC58以上，F(xiàn)H=1.0；硬度HRC52-58，F(xiàn)H=0.6-1.0。 溫度系數(shù)FT：工作溫度小于100oC，F(xiàn)T=1.0，工作溫度100oC-125oC，F(xiàn)T=1.0-0.95。 接觸系數(shù)FC： 每根軸裝一套軸承，F(xiàn)C=1.0 每根軸裝二套軸承，F(xiàn)C=0.81 每根軸裝三套軸承，F(xiàn)C=0.72 每根軸裝四套軸承，F(xiàn)C=0.66 載荷系數(shù)FW： 運行速度小于15米/分鐘，無沖擊、無振動，F(xiàn)W=1.0-1.5； 運行速度小于60米/分鐘，微小沖或振動，F(xiàn)W=1.5-2.0； 運行速度大于60米/分鐘，或有較大沖擊、振動，F(xiàn)W=2.0-5.0。 時間壽命Lh=(10000*L) /2 *L(S*n1*60) (位單：h小時) L：長度壽命 (萬米)， LS：工作行程 (米)， N1：每分鐘往復(fù)次數(shù) 已知整個裝置行程L=0.5米，工作溫度60oC，每分鐘往復(fù)次數(shù)n1=20，微小 沖擊，軸承工作載荷PC=200Kg，硬度大于HRC60，期望壽命Lh=5000小時，試選擇軸承型號。 按以上工作條件： 根據(jù)本次載荷重量為200N，我們選用4個導(dǎo)向光桿加上絲桿螺母，這樣滑動軸承的所受負載就平均分配，上下4個滑動軸承分別連接底板和連接上固定圓盤，兩邊軸承座為固定式的，中間4個為可以隨著絲桿螺母上下滑動。4個導(dǎo)向光桿加上絲桿螺母，這樣每個導(dǎo)向光桿的滑動軸承處的所受負載為126N。本次設(shè)計中所選擇的滑動軸承為帶法蘭形狀的。 根據(jù)每個滑動軸承的負載承受126N，我們選用滑動軸承為LMF20，軸承中間孔徑為20mm，這樣導(dǎo)向光桿的直徑也為20mm。 2.直線軸承安裝： 軸承座孔公差推薦采用H7、J7級，直線軸公差推薦采用g6、h6級，軸承安裝必須用臺階芯軸壓入；直線軸安裝必須對準軸承孔插入，動作輕緩，軸傾斜插入會導(dǎo)至保持器變型 和鋼球脫落，軸承安裝方向應(yīng)按照表1所示，可以提高軸承承載能力，延長壽命。 軸承座孔有可能壓縮軸承，引志游隙變小，此時用手轉(zhuǎn)動直線軸，如果軸能接觸鋼球且能輕松轉(zhuǎn)動， 配合游隙為 0～+0.01mm；如果稍加力才能轉(zhuǎn)動， 配合游隙為-0.01～0mm（已過盈） ；如果加力也不能轉(zhuǎn)動，配合游隙已多于0.01mm，這種情況鋼球滾動時可能同時作滑動，會降低軸承和軸的作用壽命，只有在輕載、低速且定心要求高的情況下才可采用。調(diào)整型、開口型軸承內(nèi)、外徑在割口前測量，割口后會有一些彈性變形，配合游隙應(yīng)裝入軸承座內(nèi)測量（鋼保持器軸承、KH軸承情況類似）。游隙可調(diào)節(jié)的軸承座調(diào)節(jié)方向應(yīng)和軸承割口方向垂直以保證游隙均勻，直線軸承結(jié)構(gòu)特點不能作旋轉(zhuǎn)運動，同時要求有良好的導(dǎo)向性，所以直線 軸承一般以二根軸+四套軸承或二根軸+二套加長型軸承為一個組合使用，二根軸安裝要平直，整個組合裝配后，用手推拉必須靈活無阻滯才可安裝傳動機構(gòu)，傳動動力要足夠克服軸承磨擦阻力，直線軸承磨擦阻力近似為千分之一工作載荷 。 3.直線軸承潤滑和防塵：軸承出廠涂有防銹油，使用時需加潤滑劑。油脂潤滑噪音較低，常用的有2號鋰基脂和低噪音軸承潤滑脂， 填脂量為保持器空隙的三分之一。油潤滑不需清除防銹油， 根據(jù)工作測試采用15#～100#潤滑油， 工作溫度低采用低粘度油， 工作測試高采用高粘度油，常用的有透平油，機械油和錠子油，無密封軸承把油滴在軸上即可，帶密封軸承需把油加到軸承內(nèi)，本公司為用戶準備了帶油孔的軸承和軸承座。對于一些不允許有油（脂）的工作場所，先清除防銹油，干燥后在每列鋼球上噴一些市售的二硫化鉬噴劑，再次干燥后即可使用，帶密封軸承應(yīng)避免密封圈和軸干磨擦引起密封唇口擠入軸承內(nèi)，造成軸承的非預(yù)期損壞。鐵屑會極大地降低軸承壽命，粉塵和臟物會阻塞保持器球道，使鋼球不能回轉(zhuǎn)，引起保持器損壞、鋼球擠膠。帶密封軸承可用于一般帶粉塵工場所，像木工機械、鑄造機械等多粉塵場合，請在軸承兩端另加密封，防止粉塵進入并可減少油脂損耗。 4.軸承的載荷和壽命：軸承運動和換向時承受過大的沖擊負荷，或當軸承靜止時，由于機器振動等因素都會使接觸處形成凹坑。外界硬粒進入軸承內(nèi)，也可在接觸表面形成壓痕，這種永久變形量超過一定限度，就會防礙直線運動平穩(wěn)性，引起振動和噪音，振動會進一步?jīng)_擊凹坑周圍材料，造成惡性循環(huán)，使凹坑面積擴大，這種永久變形量用基本額定靜載荷限定。鋼球和套圈接觸點兩者永久變形量之和等于鋼球直徑的萬分之一時的靜載荷，定義為基本額定靜載荷C0。 軸承使用時，沖擊力很難測定，常用選取適當?shù)撵o載荷安全系統(tǒng)來保證軸承靜載荷不超過基本額定靜載荷。選型時使軸承承受的靜載荷P0 C0/FS，不受振動和沖擊場合FS取1.0 1.5，受振動和沖擊工作場合FS取2.0~7.0。 軸承由于反復(fù)承受工作載荷，首先在表面下一定深度處，強度較弱部分形成裂紋，繼而發(fā)展到接觸表面，使金屬成片狀剝落下來，這種剝落稱為疲勞剝落。在安裝、潤滑、密封正常的情況下，絕大多數(shù)軸承的破壞是疲勞破壞，一般所說的軸承壽命就是指軸承的疲勞壽命。直線軸承額定壽命規(guī)定為5萬米， 通過限定基本額定動載荷C來保證。由于軸承壽命具有分散性，即同一批材料、相同工藝生產(chǎn)、相同使用條件下的軸承壽命不相同，所以軸承基本額定動載荷C定義為一批相同的軸承在相同條件下運行5萬米，軸承不生任何疲勞剝落現(xiàn)象所能承受的動載荷。 2.4聯(lián)軸器的選擇 由于整個成型腔和儲料腔載荷平穩(wěn)，速度不高，無特殊要求，考慮裝拆方便及經(jīng)濟問題，我們選用彈性套柱銷聯(lián)軸器，取工作情況系數(shù) 。由于電機輸出軸徑為12mm，選擇聯(lián)軸器類型為HLA12-14， 聯(lián)軸器承受轉(zhuǎn)矩 故： 合適 2.5同步帶輪設(shè)計 1.設(shè)定功率 2.計算小同步帶輪轉(zhuǎn)速 3.選定同步帶帶型和節(jié)距 由同步帶選型圖可以看出，由于在本次設(shè)計中功率轉(zhuǎn)速都不大，所以帶輪的型號可以任意選取，我們選擇H型帶，此帶為輕型，節(jié)距Pb=12.7mm 5.選取主動輪齒數(shù)，即小齒輪齒數(shù)Z1 查表知道小同步帶輪最小齒數(shù)為14，本次我們選取小同步帶輪齒數(shù)為15. 6.小同步帶輪節(jié)圓直徑確定 7.大同步帶輪數(shù)據(jù)確定 本次設(shè)計我們選用的同步帶的傳動比大致為2.1，由于小同步帶輪齒數(shù)為15，則 我們選用傳動比為2.1則大同步帶輪齒數(shù)為32，實際傳動比為 大同步帶輪節(jié)圓直徑=129.36mm 8.同步帶速確定 9.確定軸間間距 根據(jù)公式 10.同步帶帶長及其齒數(shù)確定 11.帶輪嚙合齒數(shù)計算 在本次傳動設(shè)計中，嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即小同步帶齒數(shù)的一半，為7 12.基本額定功率P0計算 查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量可以知道 Ta=2100.85N，m=0.448kg/m 所以同步帶的基準額定功率為 13.計算作用在軸上力Fr 根據(jù)我們這里選用的梯形同步帶，型號為H，節(jié)距12.7mm，齒形角為40度，齒根厚為6.12mm，齒高4.3mm，齒根圓角半徑為1.02mm，齒頂圓角半徑1.02mm。 第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計及三維建模 3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計中的三維建模 通過二維裝配圖和零件圖的繪制，我們通過PRO-ENGINEER三維設(shè)計軟件將整個裝置中的傳動部分三維建模，主要結(jié)構(gòu)傳動中的三維建模如下： 滾珠絲杠的建模 絲桿螺母的建模 導(dǎo)向光桿的建模 LMF20 滑動軸承座的建模（固定兩端） LMF20滑動軸承（中間滑動部分） 3.2整體裝配圖三維建模 根據(jù)各零部件的三維建模，通過PRO-ENGINEER軟件將各部件裝配起來，得出整個裝配圖的三維建模，如下： 整個設(shè)備的三維建模 3.3設(shè)計中應(yīng)用的標準件建模 本次設(shè)計中選取的有華大伺服電機、彈性柱銷聯(lián)軸器、帶座軸承UCFU203、X軸和Y軸運行的導(dǎo)軌 彈性柱銷聯(lián)軸器HLA-12、14 X軸導(dǎo)軌 Y軸導(dǎo)軌 UCFLU 204帶座軸承 結(jié) 論 經(jīng)過這段時間的專心設(shè)計，我的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲。畢業(yè)設(shè)計是我們每個大學(xué)生大學(xué)生活的最后一個重要環(huán)節(jié)，是對大學(xué)四年學(xué)習(xí)過程綜合能力的考核。對每個學(xué)生來說，畢業(yè)設(shè)計既總結(jié)了我們大學(xué)所學(xué)的理論知識，又給我們提供了應(yīng)用所學(xué)知識和鍛煉動手能力的機會，是對大學(xué)四年學(xué)習(xí)的檢驗和完善。 我的畢業(yè)設(shè)計題目是3D打印機設(shè)計。這次所設(shè)計的3D打印機設(shè)計，所涉及的知識較為廣泛，所以整個設(shè)計過程又是一個學(xué)習(xí)的過程。通過不斷地查閱資料、請教老師，并且進行查詢有關(guān)資料，對有關(guān)機械傳動的理論知識和設(shè)計有了較深程度的認識，增強了實際操作經(jīng)驗。同時，為日后工作的獨立設(shè)計能力打下了一個良好的基礎(chǔ)。 既借鑒了前人已有的優(yōu)秀成果，同時也滲入了自己的汗水。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)會了如何查閱資料，如何應(yīng)用已學(xué)過的知識，體會到了所學(xué)理論知識的重要性，逐漸形成了一套自己的從提出問題，到分析問題，最后到解決問題的思路。這些都會使我在將來的學(xué)習(xí)和工作中受益匪淺。由于所學(xué)知識有限，以及缺乏實際經(jīng)驗，因此，我的畢業(yè)設(shè)計中難免存在缺陷和不足之處，懇請各位老師及評閱者批評指正，我將在今后的學(xué)習(xí)和工作中進行彌補。 參 考 文 獻 [1]成大先. 機械設(shè)計手冊：第5版[M] . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008. [2]成大先. 機械設(shè)計手冊單行本[M] . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007. [3]程光仁等. 滾珠螺旋傳動設(shè)計基礎(chǔ)[M] . 北京：機械工業(yè)出版社，2007. [4]濮良貴，紀名剛. 機械設(shè)計[M] . 北京：高等教育出版社，2010. [5]饒振剛，田勇衛(wèi). 滾珠絲杠副及自鎖裝置[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1990 [6]張武，高啟坤. 絲杠螺母副升降機構(gòu)動力學(xué)特性分析[J] . 火控雷達技術(shù)，2011，Vol（2）：47-52. [7]徐進. 絲杠升降機構(gòu)傳動可靠性設(shè)計研究[J] .煤礦機械，2003， Vol（10）：34-39. [8]楊曉苞，景素芳. 絲杠螺母副升降機構(gòu)動力學(xué)穩(wěn)定性分析[J] .火控雷達技術(shù)，2011， Vol（2）：54-61. [9]于天仲. 升降臺升降機構(gòu)的使用和維護[J] .南鋼科技，2001， Vol（2）：24-30. [10]田地銀，田云. 關(guān)于滾珠絲杠的選擇[J]. 電子工藝技術(shù)，1997，Vol(18)：18-25 [11]代仕平，張娜. 基于滾珠絲杠副的升降機構(gòu)設(shè)計[J]. 0八一科技，2010，Vol [12]計國良，李志勇. 全自動升降醫(yī)療床[P]. 中國：201020101875.8，2010.09.22 [13] 劉欣靈,《3D打印機及其工作原理》,《網(wǎng)絡(luò)與信息》,2012年8月版 [14] 潘巍,《3D打印機：進入主流指日可待》,《微電腦世界》,2012年12月版 [15] 湯敏,《3D打印機將極大沖擊中國市場》,《上海企業(yè)》,2013年1月10 致 謝 本文是在導(dǎo)師xx老師的悉心指導(dǎo)下完成的，字里行間都凝聚者導(dǎo)師的智慧和心血。半年來，導(dǎo)師不僅在學(xué)術(shù)上循循善誘，引導(dǎo)學(xué)生不斷進取、精益求精，而且在思想方法上諄諄教誨，傳授學(xué)生生活和做人的道理。導(dǎo)師活躍的學(xué)術(shù)思想、淵博的學(xué)識和對工作一絲不茍的工作作風(fēng)將對我的一生產(chǎn)生重要的影響。在畢業(yè)之際，謹向?qū)熤乱陨钌畹闹x意。 感謝導(dǎo)師xxx老師在畢業(yè)設(shè)計過程中的關(guān)心和支持。 也感謝各位同學(xué)在設(shè)計過程中的鼎立相助。 原此次設(shè)計順利完成，以答謝各位老師和同學(xué)的支持！ 最后，向在百忙之中評閱本文的各位老師表示衷心的感謝！