畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
任務(wù)下達(dá)日期：
設(shè)計開題日期：
設(shè)計開始日期：
中期答辯日期：
設(shè)計完成日期：
一、設(shè)計題目： 三軸3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計
二、設(shè)計的主要內(nèi)容
1、可行性論證：設(shè)計三種結(jié)構(gòu)方案，分析其可行性，選出最優(yōu)方案。
2、設(shè)計計算：對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行強度校核，X、Y、Z軸光桿彎矩校核，擠出機擠出力核，
對所選用的標(biāo)準(zhǔn)件進行校核，判斷其是否合理。
3、設(shè)計圖紙：3D打印機裝配圖A0 零件圖A1
4、特色專題：3D打印機三維建模
三、設(shè)計目標(biāo)： 利用三維軟件完成3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計， 打印行程要求：225mm×245mm×235mm；最高速度200mm／s；要求取用遠(yuǎn)程擠出機構(gòu)；尺寸精度控制在0.3mm之內(nèi)，通過設(shè)計使學(xué)生掌握CAD相關(guān)軟件，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決 問題的能力，最終設(shè)計出符合要求的結(jié)構(gòu) 。
指 導(dǎo) 教 師：
院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)：
2017 年 12 月 15日
摘 要
本文通過市場調(diào)研、可行性方案論證、方案對比的方法運用3D打印技術(shù)設(shè)計了一款亞克力板龍門式3D打印機，該3D打印機采用同步帶和絲杠傳動結(jié)構(gòu)，Z向雙電機同時驅(qū)動，選擇遠(yuǎn)程擠出機構(gòu)，打印噴頭采用喉管噴頭一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，絲杠結(jié)構(gòu)框架，開源控制軟件、固件和控制板。
通過對設(shè)計進行計算與校核，對所設(shè)計的零件進行裝配設(shè)計，設(shè)計出符合要求的3D打印機。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；3D打印機；亞克力板；
Abstract
In this paper, the 3D printer is designed by market research, feasibility scheme demonstration and scheme comparison. The 3D printer uses synchronous belt and screw drive structure, Z drives the double motor simultaneously, selects the remote extrusion mechanism, and the printing nozzle adopts the integrated structure of the throat nozzle. The structure of the lead screw, open source control software, firmware and control board.
Through the calculation and verification of the design, the assembly of the designed parts is designed, design a 3D printing to meet the requirements.
Key words: Structural design; 3D printing; acrylic board;
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 3D打印技術(shù)的概述 1
1.2 3D打印原理的分類 1
1.2.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù) 1
1.2.2 熔融沉積造型 1
1.2.3 立體光固造型技術(shù) 2
1.2.4 數(shù)字光處理技術(shù) 2
第2章 3D打印機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及可行性論證 4
2.1 3D打印機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 4
2.1.1 方案1 框架式3D打印機 4
2.1.2 方案2 懸臂梁式3D打印機 4
2.1.2 方案3 龍門式3D打印機 5
2.2 3D打印機方案可行性論證 6
2.2.1 方案1評價 6
2.2.2 方案2評價 7
2.2.3 方案3評價 7
2.3 方案確定 7
第3章 3D打印機設(shè)計與計算 9
3.1 技術(shù)參數(shù)及其坐標(biāo)系的確定 9
3.1.1 技術(shù)參數(shù) 9
3.1.2 3D打印機坐標(biāo)系選擇 9
3.2 電機的選擇 10
3.2.1 X方向電機的選擇 10
3.2.2 Y方向電機的選擇 11
3.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算 12
3.3.1 選材標(biāo)準(zhǔn) 12
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算 13
3.4 光桿導(dǎo)軌的校核 16
3.4.1 X方向運動光桿的受力分析 16
3.4.2 Y方向光桿運動受力分析 17
3.5 同步帶的設(shè)計計算 18
3.5.1 X軸方向同步帶計算 18
3.5.2 Y軸方向同步帶計算 20
3.6 直線軸承的選用 21
3.6.1 直線運動軸承額定載荷 21
3.6.2 靜態(tài)安全系數(shù) 22
3.6.3 直線系統(tǒng)的額定壽命 22
3.6.4 額定壽命 22
3.7 擠出機的擠出力校核 23
3.8 聯(lián)軸器的選擇與分類 24
3.8.1 聯(lián)軸器的分類 24
3.8.2 聯(lián)軸器的選擇 24
3.9 環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面的思考 25
3.9.1 本次設(shè)計對環(huán)境的影響 25
3.9.2 可持續(xù)發(fā)展方面的思考 26
第4章 產(chǎn)品使用與維護 27
4.1 3D打印機的基本調(diào)試 27
4.1.1 打印平臺的基本調(diào)試 27
4.1.2 限位開關(guān)的調(diào)試 27
4.1.3 工作臺的調(diào)平 27
4.1.4 平臺移動距離的校準(zhǔn) 28
4.2 3D打印機的使用方法 28
4.3 3D打印機的維護 28
4.3.1 每天預(yù)防性維護 28
4.3.2 長久維護方法 28
第5章 畢業(yè)設(shè)計特色專題 30
5.1 非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計 30
5.1.1 Z方向左側(cè)升降平臺設(shè)計 30
5.1.2 Z方向右側(cè)升降平臺設(shè)計 31
5.1.3 滑塊的設(shè)計 31
5.1.4 Y方向連接器的設(shè)計 32
5.1.5 X方向連接器的設(shè)計 33
5.1.6 打印噴頭固定架的設(shè)計 33
5.1.7 Y向電機固定架的設(shè)計 34
5.1.8 Y方向軸承固定架的設(shè)計 35
5.1.9 支撐座的設(shè)計 35
5.1.10 亞克力板框架設(shè)計 36
5.1.11 電機支架的設(shè)計 37
5.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 37
5.2.1 總裝配圖 37
5.2.2 傳動原理 38
結(jié) 論 39
參考文獻 40
致 謝 42
V
CONTENTS
摘 要 I
Abstract II
PartⅠ Introduction 1
1.1 An overview of 3D printing technology 1
1.2 The classification of the principle of 3D printing 1
1.2.1 Selective laser sintering technology 1
1.2.2 Molten deposition modeling 1
1.2.3 Stereoscopic stereo solid modeling technology 2
1.2.4 Digital optical processing technology 2
PartⅡ Structure scheme design and feasibility demonstration of 3D printer 4
2.1 Structure scheme design of 3D printer 4
2.1.1 Scheme 1 frame type 3D printer 4
2.1.2 Scheme 2 cantilever beam type 3D printer 4
2.1.2 Scheme 3 Longmen type 3D printer 5
2.2 Feasibility demonstration of 3D printer scheme 6
2.2.1 Programme 1 Evaluation 6
2.2.2 Programme 2 Evaluation 7
2.2.3 Programme 3 Evaluation 7
2.3 Scheme determination 7
Part Ⅲ Design and calculation of 3D printer 9
3.1 Determination of design scheme 9
3.1.1 technical parameter 9
3.1.2 Selection of 3D printer coordinate system 9
3.2 Selection of motor 10
3.2.1 Selection of X direction motor 10
3.2.2 Selection of Y direction motor 11
3.3 Design and calculation of ball screw 12
3.3.1 Material selection standard 12
3.3.2 Calculation of load and speed of ball screw pair 13
3.4 Check of light bar guide 16
3.4.1 The force analysis of X direction optical rod motion 16
3.4.2 The force analysis of Y direction optical rod motion 17
3.5 Design and calculation of synchronous belt 18
3.5.1 Calculation of X axis synchronous belt 18
3.5.2 Calculation of Y axis synchronous belt 20
3.6 Selection of linear bearings 21
3.6.1 Rated load of linear motion bearing 21
3.6.2 Static safety factor 22
3.6.3 The rated life of a linear system 22
3.6.4 Rated life 22
3.7 Extrusion force checking of extruder 23
3.8 Selection and classification of couplings 24
3.8.1 The classification of couplings 24
3.8.2 Selection of couplings 24
3.9 Consideration of environmental protection and sustainable development 25
3.9.1 The impact of this design on the environment 25
3.9.2 Thinking on the aspect of sustainable development 26
Part Ⅳ Product use and maintenance 27
4.1 Basic debugging of 3D printer 27
4.1.1 Basic debugging of printing platform 27
4.1.2 Adjustment of limit switch 27
4.1.3 Leveling of the worktable 27
4.1.4 Calibration of platform moving distance 28
4.2 The method of using 3D printer 28
4.3 Maintenance of 3D printer 28
4.3.1 Daily preventive maintenance 28
4.3.2 Long term maintenance method 28
Part Ⅴ Special topic of graduation design 30
5.1 Design of non standard parts 30
5.1.1 Design of left and down platform of Z direction 30
5.1.2 Design of right and down platform of Z direction 31
5.1.3 Design of slider 31
5.1.4 Design of Y directional connector 32
5.1.5 Design of X directional connector 33
5.1.6 Design of printing nozzle fixator 33
5.1.7 Design of Y direction motor fixed frame 34
5.1.8 Design of Y direction bearing fixed frame 35
5.1.9 Design of support seat 35
5.1.10 Acrylic plate frame design 36
5.1.11 Design of motor support 37
5.2 The design of the overall structure 37
5.2.1 General assembly drawing 37
5.2.2 Transmission principle 38
Conclusion 39
Reference 40
Acknowledgement 42
VIII
第1章 緒論
1.1 3D打印技術(shù)的概述
3D打印技術(shù)為80年代中期發(fā)展起來的一種新技術(shù)，是造型技術(shù)的一項突破性進展。它現(xiàn)有十多種名稱，如增彩制造、快速原型、計算機輔助設(shè)計與制造、以及桌上制造工藝等。此項技術(shù)不同于傳統(tǒng)的制造方法，它綜合了激光技術(shù)、自動控制技術(shù)以及許多先進性技術(shù)和知識。他最突出的優(yōu)點是增材制造，無需機械加工或者任何輔助，也不需要任何模具，通過三維軟件的建模生成任何模型，導(dǎo)出3D打印機需要的格式，從而極大的縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率并且降低了成本。當(dāng)今，這項技術(shù)正在飛速的發(fā)展，已經(jīng)越來越引起了人們的廣泛重視，目前，很多公司都在研究這項技術(shù)，對制造業(yè)的發(fā)展起了及其重要的推力作用[1]。
1.2 3D打印原理的分類
1.2.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)
選擇性激光燒結(jié)法又稱為選區(qū)激光燒結(jié)法。它的原理是預(yù)先在工作臺上鋪一層粉末材料，可以是金屬粉末或非金屬粉末，激光在計算機的控制下，按照界面的輪廓信息，對實心部分粉末進行激光燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。SLS工藝最大的優(yōu)點在于選材較為廣泛，如尼龍、蠟、樹脂裹覆砂、聚碳酸脂、金屬和陶瓷粉末等材料都可以作為燒結(jié)對象[2]。粉床上未被燒結(jié)部分成為已燒結(jié)部分的支撐結(jié)構(gòu)，因而無需考慮支撐系統(tǒng)。
由于該類成型方法有著制造工藝簡單、柔性度高、材料選擇范圍廣、材料價格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特點，針對以上特點SLS法主要用于鑄造業(yè)，并且可以用來直接制作快速模具[3]。
1.2.2 熔融沉積造型
熔融沉積造型法采用熱融噴頭使半流動半凝固狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑上擠壓并沉積在預(yù)先設(shè)定的地方成型，逐層沉積經(jīng)過凝固后最終形成零件圖樣，這一技術(shù)稱為熔化堆積法。這是一種將各種熱熔性的材料加熱熔化成形方法，它技術(shù)設(shè)備簡單，運行費用相對便宜，系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有產(chǎn)生環(huán)境污染，工藝干凈、簡單、易于操作且不產(chǎn)生垃圾，可以快速構(gòu)建各種復(fù)雜的零件，易于搬運和快速更換，但是問題在于精度低，豎直方向強度小，成形速度較慢，不適合構(gòu)建大型零件。
1.2.3 立體光固造型技術(shù)
這種工藝方法適合于產(chǎn)品設(shè)計的概念建模以及產(chǎn)品的功能測試。在實際在生活中有著很多應(yīng)用立體光固造型技術(shù)原理，又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置。它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的，這種液態(tài)材料在一定波長和功率的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對分子質(zhì)量急劇增大，材料材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)SLA的原理是由CAD系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型，但對表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)切得薄些，其他一般部分切得厚一些。隨后CAM軟件再根據(jù)各薄層平面的運動指令，再結(jié)合提升機構(gòu)沿Z坐標(biāo)方向的間歇下降運動，形成整個零件的數(shù)控加工指令。指令輸入SLA系統(tǒng)中，首先是工作臺下降至液體容器的液面之下，對應(yīng)與CAD模型最下一層切片的厚度處，根據(jù)切片的平面幾何數(shù)據(jù)，紫外光照射可固化的液態(tài)樹脂，在紫外光的作用下，因光聚合作用，第一層被固化在工作臺上。然后，升降工作臺下降至第二層切片厚度，激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描液面，使新一層液態(tài)樹脂固化并緊緊貼在前一層已固化的樹脂上，如此反復(fù)生長，直至形成整個三維實體零件[4]。
1.2.4 數(shù)字光處理技術(shù)
數(shù)字光處理技術(shù)能夠在構(gòu)建部件時，使用高分辨率的數(shù)字光處理器設(shè)備投影儀來固化液態(tài)光聚合物，分別逐層的進行光固化，由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA速度更快，該流程重復(fù)，直至徹底將模型構(gòu)建完成。
DLP技術(shù)能夠提供在準(zhǔn)確性、材料屬性、細(xì)節(jié)和表面光潔度等方面可匹敵注塑成型的塑料部件。它讓工程師能夠在產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)前驗證所設(shè)計的形狀、匹配和功能，從而避免成本高昂的生產(chǎn)模具修改和縮短上市時間[5]。大規(guī)模生產(chǎn)前評估產(chǎn)品的設(shè)計;驗證設(shè)計的形狀、匹配和功能，提供概念模型，改善溝通的方式，在設(shè)計方面都有很大的應(yīng)用價值。
第2章 3D打印機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及可行性論證
2.1 3D打印機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
2.1.1 方案1 框架式3D打印機
框架式3D打印機，包括底座和“門”字型框架式的支架，支架上部前側(cè)面水平設(shè)有安裝柱，安裝柱上設(shè)有料盤；支架的中下部水平設(shè)有滑軌，滑軌上設(shè)有出料裝置；支架下方的底座上設(shè)有加熱底盤；底座前側(cè)為弧面結(jié)構(gòu)并設(shè)置顯示屏和操作按鈕；底座前側(cè)面上設(shè)有USB和SD卡插孔；滑軌包括兩個上下平行設(shè)置的滑桿，出料裝置穿設(shè)在滑桿上；安裝柱外側(cè)設(shè)有限位帽。運動機構(gòu)如下：
（1） 升降裝置：步進電機通過聯(lián)軸器連接滾珠絲杠，工作臺通過直線導(dǎo)軌與絲杠上絲杠螺母相連接，通過步進電機正反轉(zhuǎn)來控制工作平臺上下移動。
（2） X、Y方向移動：通過兩個步進電機、兩個同步輪，一根同步帶來控制打印噴頭X、Y正反方向的移動。
圖2-1 框架式3D打印機傳動圖
2.1.2 方案2 懸臂梁式3D打印機
懸臂梁式3D打印機主要有四部分組成，分別為旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)、垂直運動機構(gòu)、水平運動機構(gòu)、材料擠出機構(gòu)，它們各自用一個步進電機驅(qū)動，該3D打印機水平面內(nèi)的材料成型依靠旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和水平運動機構(gòu)共同作用實現(xiàn)。懸臂式3D打印機打印頭通過打印頭固定件與水平導(dǎo)軌連接，而水平導(dǎo)軌滑塊又以滾珠絲杠螺母副的方式與水平導(dǎo)軌連接在一起并由水平伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)打印頭的左右移動，這樣就構(gòu)成了懸臂式打印機的懸臂梁。懸臂梁結(jié)構(gòu)安裝簡易，結(jié)構(gòu)合理，堅固耐用，美觀大方，層重能力好，空間利用率高等特點。運動機構(gòu)如下：
（1）升降裝置：在底座上固定一豎直鋁型材，將直線導(dǎo)軌通過螺栓固定于鋁型材上，步進電機通過聯(lián)軸器連接同步帶輪，皮帶的兩端固定在直線軸承同步輪上，皮帶連接同步帶輪，電機的轉(zhuǎn)動帶動直線軸承的上下移動，實現(xiàn)Z軸方向移動。
（2）X方向移動：鋁型材通過連接件固定于Z軸方向上的直線軸承上，將直線導(dǎo)軌通過螺栓固定于鋁型材上，步進電機軸連接同步帶輪，皮帶的兩端固定在直線軸承上，皮帶連接同步帶輪，電機的轉(zhuǎn)動帶動直線軸承的左右移動，實現(xiàn)X軸方向移動。
（3）Y方向移動：將直線導(dǎo)軌固定在底座上，通過同步帶連接直線軸承，工作臺固定在直線軸承上，電機通過同步帶輪帶動同步帶前后移動，實現(xiàn)Y軸方向的運動。
圖2-2 懸臂梁式3D打印機傳動圖
2.1.2 方案3 龍門式3D打印機
龍門式3D打印機主體框架采用龍門式結(jié)構(gòu)，整體支撐結(jié)構(gòu)件以重量輕、價格便宜且易加工的鋁合金材料為主。打印機機械部分主要由基座、打印工作臺、三軸傳動系統(tǒng)、打印噴頭、鉸鏈結(jié)構(gòu)等部件組成。整體設(shè)計以基座為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，Y軸傳動系統(tǒng)負(fù)責(zé)打印工作臺Y方向的移動，X、Z軸傳動系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)打印頭X方向和Z方向移動，從而實現(xiàn)三個維度的打印需求。運動機構(gòu)如下：
（1） 升降裝置：兩個步進電機同步旋轉(zhuǎn)通過絲杠傳動實現(xiàn)Z方向上下運動。
（2）X方向移動：在X方向上任一支撐端通過步進電機帶動同步帶傳動，同步帶帶動直線軸承的移動實現(xiàn)X方向上的運動。
（3）Y方向移動：工作臺的移動或者X軸在Y方向上的移動，Y方向上步進電機可固定于X方向上也可固定于Y方向上，步進電機通過同步帶帶動工作臺運動實現(xiàn)Y方向上的運動。
圖2-3 龍門式3D打印機圖
2.2 3D打印機方案可行性論證
2.2.1 方案1評價
框架式3D打印機傳動系統(tǒng)采用H型傳動，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝和調(diào)試結(jié)構(gòu)新穎，運動精巧，一根同步帶就可以控制X、Y軸的運動，Z軸傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠，傳動精度較高，可以實現(xiàn)微進給。
缺點是一根同步帶同時控制X、Y兩個方向的進給，穩(wěn)定性以及精度不是太高，并且框架式結(jié)構(gòu)占用空間較大，傳動的鋁合金框架并不能一直保證打印機的精度，需要定期維護，維護成本較高。
2.2.2 方案2評價
懸臂梁式3D打印機機械運動動主要靠豎直導(dǎo)軌滑塊上下移動和水平導(dǎo)軌滑塊左右移動來控制X、Z方向移動，Y方向移動靠工作臺的水平移動來完成。優(yōu)點是兩力構(gòu)件將會是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，而它的移動件重量減至最低且同時由三個致動器驅(qū)動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性，在成本上會低于其他兩款打印機，不存在串聯(lián)機構(gòu)（xyz構(gòu)架）的幾何誤差累積和放大的象，甚至還有平均化效果，故它具有高精度的優(yōu)點。懸臂梁結(jié)構(gòu)安裝簡易，結(jié)構(gòu)合理，堅固耐用，美觀大方，層重能力好，空間利用率高等特點。根據(jù)層載力可分為輕型懸臂梁、中型懸臂梁、重型懸臂梁。根據(jù)懸臂可分為單面懸臂梁和雙面懸臂梁。
以材料力學(xué)的觀點來說，在水平導(dǎo)軌滑到最右邊時，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，滑道最左端時，懸臂梁應(yīng)力和變形最小，其剛度重量比高于傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)，所以水平導(dǎo)軌相對于其他機構(gòu)易變形，造成精度變低。其次，懸臂梁式3D打印機由于懸臂長度的影響，其打印面積比其他兩種打印機要小，并且市場上懸臂式機型特別少，大眾對這種結(jié)構(gòu)認(rèn)可度不高。
2.2.3 方案3評價
龍門式3D打印機機械運動主要靠水平方向上滑塊左右移動和豎直方向的滑塊上下移動來控制想X、Z方向的運動，Y方向靠工作臺的水平移動來完成，龍門式結(jié)構(gòu)外型新穎，占地面積小，更小的桌面占用面積可獲得更大的打印尺寸，XY軸精密導(dǎo)軌設(shè)計，Z軸方向采用兩個步進電機同時驅(qū)動，增加了傳動速度以及傳動精度，穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，方便快捷。整機成本較低；安裝精度高，其精度可以輕松達(dá)0.1mm：結(jié)構(gòu)簡單，組裝、維修等都較為方便，便于安裝和維護，固件調(diào)試簡單，集合了兩種打印機的優(yōu)點，龍門式3D打印機為市場上最為常見的一種機型，造價相對于其他兩種要低很多。
2.3 方案確定
經(jīng)過對比，龍門式3D打印機相對于框架式3D打印機要占用更小的占地面積，但是同等占地面積要比框架式架構(gòu)打印面積大很多，并且節(jié)約了很多材料，降低了成本。龍門式3D打印機相對于懸臂梁式3D打印機機構(gòu)更加穩(wěn)定，不用擔(dān)心X軸尺寸問題，因此可以設(shè)計更大的打印尺寸。龍門式結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，便于操作，維護成本較低，系統(tǒng)運行安全，同時可以成型任意復(fù)雜程度的零件，支撐去除簡單，便于維護與升級。
綜上所述，選擇方案三設(shè)計方案。
第3章 3D打印機設(shè)計與計算
3.1 技術(shù)參數(shù)及其坐標(biāo)系的確定
3.1.1 技術(shù)參數(shù)
本次設(shè)計的3D打印機能夠通過X、Y、Z三個方向上的移動，完成產(chǎn)品的打印，有較好的可靠性、合理性、安全性。根據(jù)對3D打印機的了解，通過參照實際3d打印機的大體尺寸，設(shè)定雕刻機的基本參數(shù)為：
（1）最大進給速度：200mm/s；
（2）物理尺寸：448mm×380mm×380mm；
（3）工作區(qū)：214mm×214mm；
（4）精度：0.3mm；
（5）打印耗材：pla；
（6）接口模式：USB；
3.1.2 3D打印機坐標(biāo)系選擇
根據(jù)右手笛卡爾直角坐標(biāo)系確定3D打印機的坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖3-1所示，首先選擇打印噴頭的上下運動作為Z軸方向，打印噴頭向上運動方向為Z軸正方向；由右手法則可知，以打印平臺移動的方向為Y軸方向，打印平臺遠(yuǎn)離面前方向為Y軸正方向；以打印噴頭在橫梁上的移動作為X軸方向，面對3D打印機打印噴頭右移方向為X軸正方向。
圖3-1 右手笛卡爾直角坐標(biāo)系
3.2 電機的選擇
3.2.1 X方向電機的選擇
3D打印機做水平直線運動時，首先要克服兩直線軸承和兩光桿導(dǎo)軌之間的摩擦力，其次還要克服傳動過程中的慣性力，所以驅(qū)動力F可參照公式：
（3-1）
式中 ——各支承處的摩擦阻力，N；
——啟動過程中的慣性力，N；
（3-2）
式中 ——摩擦系數(shù)，取0.1；
——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
（3-3）
式中 ——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
——啟動過程中的平均加速度，是速度增量與水平移動速度所用時間的比值，m/；
根據(jù)3D打印機移動的最高速度v=0.2 m/s，快速進給速度從靜止加速到工作速度的增量為0.2m/s，所用時間為0.1s，因此加速度如下：
已知擠出機質(zhì)量0.8kg，直線軸承質(zhì)量為0.014kg，本部分需要兩個，固定擠出機的3D打印件經(jīng)軟件測量，打印材料為pla，密度為,所以打印件的質(zhì)量為：
。
根據(jù)公式（3-2）和（3-3）計算：
根據(jù)公式（3-1）計算：
步進電機的功率為：
式中 取80%。
42BYGH47型步進電機額定電壓2.8V,額定電流1.68A，因此
滿足要求。
表3-1 42BYGH47步進電機技術(shù)參數(shù)
額定電壓
2.8V
最大靜力矩
4.4kg-cm
減速比
51
電流
1.68A
軸徑
5mm
機身長度
47mm
3.2.2 Y方向電機的選擇
3D打印機做Y方向水平直線運動時，主要是靠打印平臺的水平移動來完成，需要克服四個直線軸承與兩個光桿導(dǎo)軌之間的摩擦力，其次還要克服傳動過程中的慣性力，所以驅(qū)動力F可參照公式（3-1）：
式中 ——各支承處的摩擦阻力，N；
——啟動過程中的慣性力，N；
摩擦阻力可參照公式（3-2）
式中 μ——摩擦系數(shù)，取0.1；
——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
啟動過程中慣性力可參照公式（3-3）
式中 ——支撐所有部件的總質(zhì)量，kg；
——啟動過程中的平均加速度，是速度增量與水平移動速度所用比值，m/；
根據(jù)3D打印機移動的最高速度v=0.2m/s，快速進給速度從靜止加速到工作速度的增量為0.2 m/s，所用時間為t=0.1s，因此：
已知MK3熱床質(zhì)量大約0.4kg，底座大約0.3kg，直線軸承重量0.014kg（此處用四個），各螺栓螺母質(zhì)量忽略不計，則：
根據(jù)公式（3-3）：
根據(jù)公式（3-2）：
根據(jù)公式（3-3）：
步進電機的功率為：
式中 取80%。
42BYGH47型步進電機額定電壓2.8V,額定電流1.68A，因此
滿足要求。
3.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算
3.3.1 選材標(biāo)準(zhǔn)
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(biāo)，以此作為選材的依據(jù)。根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速和Z向最大速度，計算電機導(dǎo)程，Z向運動的驅(qū)動電機選擇42BYGH47,電機最高轉(zhuǎn)速4400r/min，電機與滾珠絲杠直連，傳動比為1，Z向運動速度10mm/s，即600mm/min，因此：
實際取，可滿足速度要求。
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算
（1）光桿導(dǎo)軌滑動摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計算取靜摩擦系數(shù)為0.006，則光桿導(dǎo)軌靜摩擦力為：
（3-4）
式中 ——步進電機以及固定電機座的質(zhì)量；
因此根據(jù)公式（3-4）可以計算
由于Z方向電機所傳遞的力除了光桿與導(dǎo)軌之間的靜摩擦力，還有其余負(fù)載，因此：
式中 ——光桿與導(dǎo)軌之間的靜摩擦力，N；
G——負(fù)載的重量，N；
絲杠主要用于Z向傳動，其阻力主要來自于導(dǎo)軌與滑塊之間的摩擦力和Z方向負(fù)載的重力，則有：
（3-5）
式中 v——Z方向進給速度，mm/s；
——Z方向絲杠導(dǎo)程，mm；
根據(jù)公式（3-5）得：
滾珠絲杠的當(dāng)量載荷：
滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速:
（2）滾珠絲杠副的額定動載荷
按照滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間計算：
（3-6）
式中 ——當(dāng)量轉(zhuǎn)速；
——預(yù)期工作時間，取15000小時；
——負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇=1；
——精度系數(shù)，二級精度選擇=1；
——可靠性系數(shù)，一般選擇=1；
（3）Z方向電機的選擇
選擇步進電機驅(qū)動，步進電機型號選取為42BYGH47,額定電壓2.8V，額定電流1.68A，扭矩0.44，轉(zhuǎn)子慣量，Z向運動工件總質(zhì)量為0.465kg，則外部負(fù)荷的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：
外部負(fù)載荷產(chǎn)生的摩擦扭矩：
（3-7）
式中 ——滾珠絲杠副導(dǎo)程，mm；
——未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率，=0.8；
——外加軸向載荷，含導(dǎo)軌摩擦力，N；
根據(jù)公式（3-7）得：
預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：
（3-8）
式中 ——滾珠絲杠副間的預(yù)緊力，；
——滾珠絲杠副導(dǎo)程，mm；
——未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率，=0.8；
根據(jù)公式（3-8）得：
加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩：
根據(jù)設(shè)計要求可知：Z方向最大運動速度為10mm/s，對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速為600r/pm，最大加速度為a=15m/，則Z軸工作部分速度從0升至10mm/s所需時間為：
當(dāng)電機轉(zhuǎn)速從靜止升至600rpm時，其負(fù)荷扭矩如下：
（3-9）
式中 J——外部負(fù)荷的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量；
根據(jù)公式（3-9）得：
電機的總扭矩：
（3-10）
式中 ——外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦扭矩，；
——預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩，；
——加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩，；
根據(jù)公式（3-10）得：
所選擇的電機額定轉(zhuǎn)矩為0.44，大于計算電機扭矩3倍以上，所選擇的電機符合要求。
3.4 光桿導(dǎo)軌的校核
3.4.1 X方向運動光桿的受力分析
因為X方向運動有兩根相同的光桿導(dǎo)軌支撐，他們所受的力的大小方向都是一樣的，所以在受力分析時可以把它當(dāng)為一根來計算，先取光桿隨意一點c，就是噴頭運動的位置作受力分析：
光桿導(dǎo)軌長345mm，令a=100mm，b=245mm，總的向下的力F為X方向兩光桿所支撐的總重量的重力，所以F如下：
（1）確定約束力,,所以：
圖3-2 光桿受力圖
（2）求剪力和彎矩
取，噴頭極限靠近于左方，噴頭作用于點處的剪力和彎矩大小如下：
（3-11）
（3-12）
根據(jù)公式（3-11）和（3-12）得：
`
圖3-3 光桿剪力圖
圖3-4 光桿彎矩圖
3.4.2 Y方向光桿運動受力分析
因為Y方向運動有兩根相同的光桿導(dǎo)軌支撐，他們所受的力的大小方向都是一樣的，所以在受力分析時可以把它當(dāng)為一根來計算，先取光桿隨意一點c，就是打印平臺的位置作受力分析：
因為Y方向運動有兩根相同的光桿導(dǎo)軌支撐，他們所受的力的大小方向都是一樣的，所以在受力分析時可以把它當(dāng)為一根來計算，先取光桿隨意一點c，就是打印平臺的位置作受力分析：
光桿導(dǎo)軌長448mm，令a=100mm，b=348mm，總的向下的力F為Y方向兩光桿所支撐的總重量的重力，所以F如下：
（1）確定約束力,,（見圖3-2）所以：
（2）求剪力和彎矩
取，打印平臺無限靠近于前方，打印平臺作用于點處的剪力和彎矩大小如下（見圖3-3，3-4）：
（3-11）
（3-12）
根據(jù)公式（3-11）和（3-12）得：
3.5 同步帶的設(shè)計計算
3.5.1 X軸方向同步帶計算
帶傳動工作時，電機通過同步帶輪作用在帶上的摩擦力使帶與輪發(fā)生相對運動，因為帶固定，所以同步輪運動，由于同步輪上所受摩擦力方向相反，使帶在同步輪的兩邊的拉力發(fā)生變化，帶繞進同步輪一邊的拉力增大，拉力由增至，被拉得更緊，稱為緊邊，繞出同步帶的一邊拉力減小，由減至，帶有外松，稱為松邊。
即或
（1）選擇同步帶型號
根據(jù)傳遞功率、傳遞用途和工作情況等確定傳動的設(shè)計功率為：
（3-13）
式中 P——所需傳遞的功率，kW；
——工作情況系數(shù)，查機械設(shè)計表6-8取=1;
根據(jù)公式3-13得：
本次設(shè)計因為同步輪較小，選取2GT同步帶，2GT同步帶具有高強張力線，抗延伸能力強，帶距小，節(jié)省空間等特點。
（2）同步帶所能傳遞的許用功率功率[]:
（3-14）
式中 ——同步帶所能傳遞的許用功率，kW；
——單根普通同步帶額定功率的增量，kW。本次設(shè)計中傳動比i=1，??；
——同步帶和同步輪的包角，查機械設(shè)計表6-7，取0.676；
——帶長修正系數(shù)，實際帶長不等于實驗帶長時對傳動能力的影響見機械設(shè)計表6-2，帶長L取500mm，=1.02；
式中根據(jù)電機轉(zhuǎn)速為400r/min，查機械設(shè)計表6-5取=0.035KW，根據(jù)公式（3-14）得：
故選用2GT同步帶符合要求。
（3）計算帶速
同步輪和同步帶嚙合，同步輪和同步帶在嚙合處有相對運動，由于同步帶保持靜止，同步輪的速度即為同步帶的速度。
（3-15）
式中： v——帶速，m/s；
d——同步輪直徑，mm；
n——同步輪轉(zhuǎn)速，r/min；
根據(jù)公式（3-15）得出同步帶帶速為：
（4）計算單根同步帶的初拉力
初拉力小，帶的張力小易打滑，初拉力過大，則帶的壽命降低，一般 認(rèn)為，保證帶傳動正常工作的單根帶合適的初拉力為：
（3-16）
式中： q——查機械設(shè)計取B型帶，q=0.06；
z——同步帶根數(shù)；
根據(jù)公式3-16得：
（5）計算帶作用在軸上的力
根據(jù)公式（3-16）得：
3.5.2 Y軸方向同步帶計算
（1）選擇同步帶型號
根據(jù)傳遞功率、傳遞用途和工作情況等確定傳動的設(shè)計功率為：
（3-13）
式中 P——所需傳遞的功率kW；
——工作情況系數(shù)，查機械設(shè)計表6-8取=1;
根據(jù)公式3-13得：
本次設(shè)計因為同步輪較小，選取2GT同步帶，2GT同步帶具有高強張力線，抗延伸能力強，帶距小，節(jié)省空間等特點。
（2）同步帶所能傳遞的許用功率功率[]:
（3-14）
式中 ——同步帶所能傳遞的許用功率，kW；
——單根普通同步帶額定功率的增量，kW。本次設(shè)計中傳動比i=1，取；
——同步帶和同步輪的包角，查機械設(shè)計表6-7，取0.676;
——帶長修正系數(shù)，實際帶長不等于實驗帶長時對傳動能力的影響見機械設(shè)計表6-2，帶長L取500mm，=1.02；
式中根據(jù)電機轉(zhuǎn)速為400r/min，查機械設(shè)計表6-5取=0.035KW，根據(jù)公式（3-14）得：
故選用2GT同步帶符合要求。
（3）計算帶速
同步輪和同步帶嚙合，同步輪和同步帶在嚙合處有相對運動，由于同步帶保持靜止，同步輪的速度即為同步帶的速度。
（3-15）
式中 v——帶速，m/s；
d——同步輪直徑，mm；
n——同步輪轉(zhuǎn)速，r/min；
根據(jù)公式（3-15）得出同步帶帶速為：
（4）計算單根同步帶的初拉力
初拉力小，帶的張力小易打滑，初拉力過大，則帶的壽命降低，一般 認(rèn)為，保證帶傳動正常工作的單根帶合適的初拉力為：
（3-16）
式中 q——查機械設(shè)計取B型帶，q=0.06；
z——同步帶根數(shù)；
根據(jù)公式3-16得：
（5）計算帶作用在軸上的力
根據(jù)公式（3-16）得：
3.6 直線軸承的選用
3.6.1 直線運動軸承額定載荷
通過在相同的條件下單獨運行多個同樣的直線軸承，如果90%的直線系統(tǒng)可以在此載荷下運行50千米，并且未產(chǎn)生滾動疲勞引起的損壞情況 ，對此結(jié)果評估即可得出此值，這是得出額定值的基礎(chǔ)，
3.6.2 靜態(tài)安全系數(shù)
此系數(shù)以表中說明的應(yīng)用條件為基礎(chǔ)進行使用：
表3-1 fs取用表
使用條件
Fs的下限
軸的偏移和所受沖擊較小時
1~2
考慮到彈性變形時
2~4
設(shè)備受震動和沖擊時
3~5
3.6.3 直線系統(tǒng)的額定壽命
只要在有載荷時直線系統(tǒng)在做往復(fù)運動時，就會產(chǎn)生不斷作用于直線系統(tǒng)的力，由于材料疲勞，便會在滾動體和滾動道之間產(chǎn)生剝落。直至第一次產(chǎn)生剝落時，直線系統(tǒng)所移動距離稱為系統(tǒng)的壽命。即使在相同的條件下使用同樣尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、熱處理方式的系統(tǒng)，其壽命也不完全相同。這些差異由材料本身疲勞程度的差異引起。額定壽命用作直線系統(tǒng)預(yù)期壽命的一個指標(biāo)。
3.6.4 額定壽命
額定壽命在同樣的條件下同樣尺寸的多個系統(tǒng)未產(chǎn)生剝落的90%的系統(tǒng)移動的總距離。額定壽命可以使用基本額定動載荷和直線系統(tǒng)上的載荷根據(jù)以下等式算出：
（3-16）
由于實際載荷不易進行計算，所以在設(shè)計直線運動系統(tǒng)時，應(yīng)考慮到震動沖擊載荷以及載荷分配的補償和影響，額定壽命還受工作溫度范圍影響，在這些條件下，根據(jù)（3-16）表達(dá)式如下：
（3-17）
式中 ——基本額定動載荷，N。本次選用軸承型號為lm8uu，查機械設(shè)計手冊表6-17取12；
——硬度指數(shù)，取1；
——溫度系數(shù)，取1；
——接觸系數(shù)，此次設(shè)計一根軸上兩個軸承，取0.81；
——載荷系數(shù)，此次設(shè)計無外部沖擊且速度較低，取1 ；
根據(jù)公式3-17得：
綜上所述，此款直線軸承符合要求。
3.7 擠出機的擠出力校核
已知42步進電機的參數(shù)如表3-1所示。
擠出機在低速工作時，步進電機的力矩接近靜轉(zhuǎn)矩，此步進電機的為0.48。且嚙合齒輪分別為47齒和9齒，模數(shù)為1.5，兩個齒輪嚙合時的力是一樣的，所以有以下等式：
（3-18）
式中 ——兩個齒輪嚙合時的力，N；
——電機最大擠出力，N；
根據(jù)公式（3-18）得：
=35.56N，=397.88N
所以步進電機允許的最大擠出力為397.88N。
而擠出機工作時，耗材是由兩個擠出輪夾緊的，電機帶動的擠出輪為驅(qū)動力，另一個為阻力，且耗材是由彈簧壓著的，彈簧的線徑d=1mm，中徑，有效圈，長度L=20mm的不銹鋼系數(shù)為8的彈簧，查表可知彈簧的K=0.38kgf/mm。測試得當(dāng)打印機以最快速度運行時需要彈簧的最大壓縮量，且是四根彈黃一起壓著耗材，所以此時的正壓力,由于耗材的強度不是很大，電機帶動的擠出輪有許多尖點，在149.122N 的力作用下一把部分耗材壓入到擠出輪的齒下，這樣就可以近似默認(rèn)此時的摩擦系數(shù)，另一個擠出輪為軸承，表面很光滑，就可以近似認(rèn)為此時的摩擦系數(shù)，因此：
可知打印機所需的最大擠出力為149.122 N。而步進電機提供的的最大擠出力為397.88 N 。
149.122N < 397.88N 所以選用的步進電機符合要求。
3.8 聯(lián)軸器的選擇與分類
3.8.1 聯(lián)軸器的分類
按照聯(lián)軸器的性能可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。
（1）無彈性元件的撓性聯(lián)軸器：這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩沖減振。如：凌斯十字滑塊聯(lián)軸器，十字軸式萬向聯(lián)軸器，齒形聯(lián)軸器等
（2）有彈性元件的撓性聯(lián)軸器：這類聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振的能力。彈性元件所能儲蓄的能量越多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈強；彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時零件間的摩擦功愈大、則聯(lián)軸器的減振能力愈好。這類聯(lián)軸器目前應(yīng)用很廣，品種亦愈來愈多。如：滾子鏈聯(lián)軸器，彈性套柱銷連軸器，梅花形彈性聯(lián)軸器，輪胎型彈性聯(lián)軸器，膜片式聯(lián)軸器等。
3.8.2 聯(lián)軸器的選擇
在選擇標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器時應(yīng)該根據(jù)使用要求和工作條件，如承載能力、轉(zhuǎn)速、兩軸相對位移、緩沖吸震以及裝拆、維修更換易損元件等綜合分析來確定。具體選擇時可以考慮以下幾點：
（1）原動機和工作機的機械特性；
（2）聯(lián)軸器聯(lián)接的軸系及其運轉(zhuǎn)情況；
（3）工作機的轉(zhuǎn)速高低；
（4）聯(lián)軸器的對中和對中保持程度，保持良好的對中是使運轉(zhuǎn)正常的前提，防止產(chǎn)（5）生過大附加載荷及其他不良工況；
（6）聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)及工作特性；
（7）聯(lián)軸器的制造、安裝和維護成本；
（8）