畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-坐標(biāo)式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、河南工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文題目：坐標(biāo)式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 院 部： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械制造與自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2021年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 目前3d打印技術(shù)慢慢的開始普遍使用了，相信在不久之后應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來越廣，發(fā)現(xiàn)在這兩年的時(shí)間內(nèi)

2、慢慢的就流行起來了。這項(xiàng)3D打印技術(shù)是一層層的打印起來變成三維模型的，它的通常術(shù)語是3D數(shù)字模型文件這一類的制造過程。當(dāng)今市面上的坐標(biāo)式3D打印機(jī)打印的基本原理都與噴墨的打印機(jī)相似，唯一不同的是坐標(biāo)式3D打印機(jī)是打印三維的產(chǎn)品，打印的材料也是比較多的，不像普通打印機(jī)打印的是二維的，而且打印材料通常是墨水和紙，這種打印機(jī)很多，對(duì)與這種打印機(jī)來說坐標(biāo)式3D打印機(jī)經(jīng)常使用的材料有樹脂、金屬、塑膠、及粉末性的、陶瓷等。坐標(biāo)式3D打印機(jī)中的計(jì)算機(jī)可以逐層控制“打印材料”，沿著掃描路徑進(jìn)行打印，最后控制計(jì)算機(jī)藍(lán)圖，打印出一個(gè)三維產(chǎn)品。 因此，本文全面概述了3D打印的技術(shù)體系和發(fā)展，以及國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3、從而描述了這一3D打印技術(shù)的原理、概念、發(fā)展情況、結(jié)構(gòu)、用途等，對(duì)未來的發(fā)展及存在的問題。還有對(duì)坐標(biāo)式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和創(chuàng)新，在目前這一技術(shù)的發(fā)展上歷史上，預(yù)測未來的發(fā)展?fàn)顩r。設(shè)計(jì)就會(huì)存在一定的問題，不可能十全十美的，只能慢慢的去完善降低問題。3D打印技術(shù)是個(gè)性化產(chǎn)品定制的重要生產(chǎn)方法,它自己的結(jié)構(gòu)和整體設(shè)計(jì)代表了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展水平。設(shè)計(jì)了一種六軸3D打印快速模型裝置，用于3D打印技術(shù)，為新的生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)和制造實(shí)際設(shè)備。 關(guān)鍵詞:坐標(biāo)式3D打印機(jī)；六軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；快速成型 Abstract At present, 3D printing technology is sl

4、owly beginning to be widely used. It is believed that the application field will become wider and wider in the near future, and it is found that it has gradually become popular in the past two years. This 3D printing technology is layered and printed into a three-dimensional model. Its general term

5、is the manufacturing process of 3D digital model files. The printer principle in the market is basically similar to that of inkjet printers, and ink and paper are the usual printing materials. There are many such printers. For the printers, the materials commonly used in 3D printers are resin, metal

6、, plastic, and Powdery, ceramic, etc. The computer in the 3D printer can control the "printing material" layer by layer, print along the scan path, and finally control the computer blueprint to print out a three-dimensional product. Therefore, this article provides a comprehensive overview of the t

7、echnical system and development of 3D printing, as well as the development of domestic and foreign industries. This describes the principle, concept, development, structure, use, etc. of this 3D printing technology, the future development and existing problems. It also analyzes and innovates the str

8、ucture of 3D printers, and predicts the future development in the history of this technology. There will be certain problems in the design, it is impossible to be perfect, and it can only be slowly improved to reduce the problem. 3D printing technology is an important production method for personali

9、zed product customization. Its own structure and overall design represent the development level of this technology. A six-axis 3D printing rapid model device was designed for 3D printing technology to design and manufacture actual equipment for new production processes. Key words: 3D printer; six a

10、xes; structure design; Rapid Prototyping 目 錄 緒論 1 1、研究目的及意義 1 2、研究內(nèi)容 2 3、3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)世界的影響 3 3.1 3D打印技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 3.2 3D打印技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀 3 第1章 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 1.1 引言 6 1.2 坐標(biāo)式3D打印機(jī)模型設(shè)備的方案分析 6 1.3 溫度控制回路設(shè)計(jì) 7 1.4 x . y. z 三 方 向 控 制 電 機(jī) 的 設(shè) 計(jì) 8 1.5 噴 頭 移 動(dòng) 及 噴

11、 出 量 調(diào) 節(jié) 的 設(shè) 計(jì) 8 第2章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 2.1 電機(jī)的選擇 10 2.2 滾珠絲杠螺母的設(shè)計(jì) 13 2.3 導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計(jì) 21 2.4 Z軸聯(lián)軸器的選擇 24 2.5 X、Y軸同步帶輪設(shè)計(jì) 25 第3章 運(yùn)動(dòng)底盤的設(shè)計(jì) 29 3.1 工作臺(tái)左右轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì) 29 3.2 三自由度的電機(jī)及減速器的選型 31 3.3 支撐塊的設(shè)計(jì) 32 3.4 聯(lián)軸器的選擇 32 3.5 360°旋轉(zhuǎn)圓盤的設(shè)計(jì) 33 3.6 擺動(dòng)方向的軸承座與軸承配合設(shè)計(jì) 34 第4章 虛擬裝配模型 35 結(jié) 論 36 致謝 37 參考文獻(xiàn) 38

12、 緒論 1、研究目的及意義 坐標(biāo)式3D打印機(jī)其運(yùn)作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)十分相似，是用液體或粉狀材料制造物品，有時(shí)又被稱為快速成型機(jī)。近年來發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)也是快速成形技術(shù)（rapid prototyping，簡稱RP）又稱快速原型制造技術(shù)Error! Reference source not found.。3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于18世紀(jì)末19世紀(jì)初的美國,不久發(fā)展到其他國家：日本和歐洲，20 世紀(jì) 80 年代中期開始，經(jīng)過三十年的發(fā)展，該技術(shù)已趨于成熟，并初步形成規(guī)?；w系。近年來快速成型技術(shù)在制造技術(shù)領(lǐng)域方面取得一次重大突破。3D打印技術(shù)是一層層的打印起來變成三維模型

13、的，它的通常術(shù)語是3D數(shù)字模型文件這一類的制造過程。當(dāng)今市面上的坐標(biāo)式3D打印機(jī)打印的基本原理都與噴墨的打印機(jī)相似，唯一不同的是坐標(biāo)式3D打印機(jī)是打印三維的產(chǎn)品，打印的材料也是比較多的，不像普通打印機(jī)打印的是二維的，而且打印材料通常是墨水和紙，這種打印機(jī)很多，對(duì)與這種打印機(jī)來說坐標(biāo)式3D打印機(jī)經(jīng)常使用的材料有樹脂、金屬、塑膠、及粉末性的、陶瓷等。坐標(biāo)式3D打印機(jī)中的計(jì)算機(jī)可以逐層控制“打印材料”，沿著掃描路徑進(jìn)行打印，最后控制計(jì)算機(jī)藍(lán)圖，打印出一個(gè)三維產(chǎn)品。3d打印技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的集成；是基于“離散/堆積成型”的成型思想，通過建立三維數(shù)模與計(jì)算機(jī)程序控制

14、，利用疊層加工的方法將材料“堆積”而形成三維實(shí)體。 如果設(shè)計(jì)出這款六軸的打印機(jī)，不僅可以解決比較復(fù)雜的物品打印，而且可能會(huì)應(yīng)用到很多的行業(yè)中去。這是一種先進(jìn) 技術(shù)是由C AD還 有計(jì) 算機(jī)輔 助制造、數(shù)控系統(tǒng)、精密伺服驅(qū)動(dòng)器等集成。打印出三維模型這一過程貌似復(fù)雜其實(shí)它是將一個(gè)復(fù)雜的三維模型加工后，簡化成一系列的二維模型加工的組合。對(duì)于這一技術(shù)的實(shí)用性很多國家都在研究，我國也不意外也在這成型技術(shù)行業(yè)中投入很大的支持，說不定這項(xiàng)成型技術(shù)中的某一方面都趕上或者超越其它發(fā)達(dá)國家了，但實(shí)際還是存在一定的距離。 快 速成 型工 藝過 程可分為三 個(gè)階段Error! Reference source n

15、ot found.： （1）前處理：進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和打印數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及與打印工藝方法相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理; 構(gòu)建3D模型有三種常用的方式：利用3D建模軟件構(gòu)建模型；基于圖像構(gòu)建3D模型；利用3D掃描儀構(gòu)建3D模型。 3D建模軟件大多數(shù)都是使用這幾個(gè)： AutoCAD、Solidworks、UG 基于圖像構(gòu)建3D模型：此方法需要從不同的角度來拍攝的一系列圖片，然后導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)輔助工具可以自動(dòng)生成對(duì)象的3D模型。該方法主要針對(duì)已有物體的3D建模工作，也是比較簡單，真實(shí)感強(qiáng)。 使用3D掃描儀構(gòu)建3D模型：使用3D掃描儀對(duì)實(shí)物表面、形狀進(jìn)行掃描分析出的數(shù)據(jù)，通過軟件在虛擬的世界中重造3D模型。 （2

16、）打印過程：設(shè)備根據(jù)設(shè)定的制作參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行; 3D打印的前期準(zhǔn)備工作：打印機(jī)系統(tǒng)只識(shí)別STL格式的文件，所以用軟計(jì)建立好的模型文件應(yīng)該是STL格式的文件，才能被打印機(jī)識(shí)別讀取。如果文件格式不符那么需要轉(zhuǎn)換格式，轉(zhuǎn)換的格式要與打印機(jī)識(shí)別的格式一致，這是前期準(zhǔn)備工作尤為關(guān)鍵的一步，推薦使用典型的CAD軟件來把格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換成STL格式文件和輸出STL格式文件。 將模型進(jìn)行切片：有了STL的模型之后還需要在電腦上安裝相應(yīng)的3D打印切片軟件，用它來實(shí)現(xiàn)3D模型的參數(shù)調(diào)整，并將模型切片，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)式3D打印機(jī)可以識(shí)別的格式，最后才能將模型發(fā)送到打印機(jī)打印。層和層之間是規(guī)則間隔的，間距越大，打印

17、出來的產(chǎn)品的精度就越差，但是時(shí)間越快，不是很精準(zhǔn)。如果準(zhǔn)確度高，則相反。間距的范圍為0.05至0.5mm，通常使用的間距是0.1mm，可以獲得相對(duì)光滑的模制表面。 橫截面疊加：在形成每一層之后，成形頭向上移動(dòng)一層高度，繼續(xù)成形下一層，層層堆疊依次印刷并粘合到前一層，最終形成三維產(chǎn)品。 （3）后處理：包括清洗、去除支撐以及打磨處理等。 由于打印材料以及打印精度的不同要求，有些打印機(jī)打印精度不夠，打印出來的模型就會(huì)有很多毛邊，或者出現(xiàn)一些多余的菱角，影響打印作品的效果。一般要求我們通過對(duì)做出的模型進(jìn)行精加工令其美觀，比如對(duì)模型的表面打磨、拋 光、去除 支撐，或者進(jìn)行特殊的加工，放入高溫爐進(jìn)行

18、燒結(jié)，這是在材料允許的情況下才可以。 本次設(shè)計(jì)中是根據(jù)三維打印技術(shù)的打印成型原理以及作用的基礎(chǔ)上，運(yùn)用綜合知識(shí)的課程有很多如機(jī)械 基礎(chǔ)、機(jī) 械 創(chuàng) 新 設(shè) 計(jì)、機(jī)械 制 造、互 換 性和技 術(shù)測 量、機(jī) 械制造 技術(shù)基 礎(chǔ)、機(jī) 械制 圖等 相關(guān)知 識(shí)的應(yīng)用。分析機(jī)械結(jié)構(gòu)部分實(shí)現(xiàn)原理的方法，并根據(jù)國內(nèi)機(jī)械行業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)設(shè)計(jì)出符合要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)的打印設(shè)備。 2、研究內(nèi)容 隨著時(shí)代的發(fā)展，3D打印技術(shù)的發(fā)展已走向成熟，且在生產(chǎn)生活諸多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，除此之外，在一些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷促進(jìn)著改技術(shù)的發(fā)展，比如時(shí)裝設(shè)計(jì)和藝術(shù)設(shè)計(jì)這些領(lǐng)域。當(dāng)前經(jīng)過十余年的發(fā)展，我國已經(jīng)掌握了3D打印技術(shù)，并可

19、將該技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)之中，制造我們需要的產(chǎn)品。該技術(shù)具有效率高、一體成型等諸多優(yōu)勢，在本文中主要設(shè)計(jì)了一種六軸3D打印快速模型裝置Error! Reference source not found.。 3、3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)世界的影響 3.1 3D打印技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，了解我們國家在二十世紀(jì)九十年代時(shí)很多大學(xué)知道這一項(xiàng)技術(shù)的重要性就開始了自主的研發(fā)。近年來，隨著國外3D打印技術(shù)的突破及其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)術(shù)界已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，國內(nèi)許多企業(yè)也在推動(dòng)國內(nèi)3D打印行業(yè)的發(fā)展。我國的某些技術(shù)在世界中也是比較先進(jìn)的，比如，將應(yīng)用在航天航空設(shè)備制造的激光加工金屬這一技術(shù)，可以滿足一些特

20、別零件的性能要求。3D打印技術(shù)在生物組織這一塊取得了優(yōu)越的成績，就是能對(duì)生物細(xì)胞打印出三維的模型Error! Reference source not found.。并為我國的生物學(xué)研究領(lǐng)域這方面提供了有效的幫助與大力支持。 目前，北京銀華，南京紫金立德，江蘇敦超，深圳威斯特，陜西恒通智能機(jī)等這些國內(nèi)企業(yè)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，便捷式臺(tái)式的坐標(biāo)式3D打印機(jī)在不少企業(yè)中的價(jià)格，因?yàn)樗苋绱顺晒Φ倪M(jìn)入歐美市場，說明很有國際競爭力。 3.2 3D打印技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀 2012年3月，白宮重振美國制造系統(tǒng)，改革美國制造系統(tǒng)，優(yōu)先發(fā)展以增材制造為代表的數(shù)字制造技術(shù)，并在全國范圍內(nèi)建立了多個(gè)研究和商業(yè)聯(lián)

21、盟。 日本對(duì)這一項(xiàng)快速成型技術(shù)很重視，一直在不斷研發(fā)，而且開發(fā)程度已經(jīng)位于亞洲前沿了，德國制造研究中心也在推動(dòng)著此項(xiàng)技術(shù)能在航天航空工業(yè)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。 西班牙為了在2012年2月澳大利亞政府對(duì)微引擎快速成型技術(shù)宣布支持，特地研究了特殊的增材制造項(xiàng)目這一技術(shù)，最終得到了支持。 FDM 3D打印是運(yùn)用熔融打印絲料對(duì)三維模型進(jìn)行快速打印成型的一種增材制造技術(shù),具有成型成本低廉、成型過程無污染、打印機(jī)可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛運(yùn)用于科教、生產(chǎn)、日常生活中。目前FDM 3D打印機(jī)基本能實(shí)現(xiàn)單色打印、雙色打印,混色、彩色FDM 3D打印機(jī)多面向商業(yè)生產(chǎn),缺少具備低價(jià)實(shí)用、混色程度高、能實(shí)現(xiàn)全彩色等特性的

22、彩色FDM 3D打印機(jī)。針對(duì)現(xiàn)有彩色FDM 3D存在的混色程度不高、可打印的色彩范圍有限等問題,本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)充分混色的3D打印機(jī)噴頭,完成了以下主要工作:（1）對(duì)國內(nèi)外彩色3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研,在對(duì)FDM 3D打印原理充分分析的基礎(chǔ)上,選擇近端送絲的送絲方案,制定減法混色原理與多進(jìn)料口單噴嘴的噴頭結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混色方案,確定打印絲料為ABS高聚物,并對(duì)ABS的流變行為進(jìn)行分析,為混色噴頭的流體仿真分析做準(zhǔn)備。（2）提出了一種多進(jìn)料口單噴嘴出口的噴頭結(jié)構(gòu),并基于現(xiàn)有設(shè)備Prusa i3 FDM 3D打印機(jī)的MK8噴頭,對(duì)其進(jìn)行三維建模、仿真分析以確定噴頭喉管、加熱塊、噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)

23、。隨后,根據(jù)混色方案對(duì)噴頭內(nèi)流道進(jìn)行流體仿真分析,確定打印絲料的進(jìn)料角度,初步確定噴頭的結(jié)構(gòu)尺寸。（3）通過仿真分析不同熔融腔尺寸下打印絲料的混合情況,確定熔融混合腔的最佳尺寸。控制絲料的進(jìn)料速度分析不同比例絲料進(jìn)入噴頭后的混合情況,并結(jié)合影響打印精度的主要參數(shù),修正和優(yōu)化打印工藝,優(yōu)化混色效果。隨后面向本文提出的混色噴頭結(jié)構(gòu)編寫相應(yīng)的程序,形成插件,便于后續(xù)混色噴頭的實(shí)際生產(chǎn)和使用,進(jìn)一步提升打印機(jī)的實(shí)用性。本文通過對(duì)一種FDM 3D打印機(jī)噴頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),通過結(jié)構(gòu)、流體等仿真進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化,論證了設(shè)計(jì)的可行性,為實(shí)現(xiàn)高效的真彩色FDM 3D打印提供了可參考的方案和思路。 在當(dāng)今的時(shí)代,高

24、效、飛速,智能化已經(jīng)成為了這個(gè)時(shí)代的代名詞,對(duì)于機(jī)械加工的復(fù)雜性,零件的多樣性,產(chǎn)品的周期性發(fā)展問題,3D打印技術(shù)的出現(xiàn)給科學(xué)技術(shù)帶來了質(zhì)的飛躍。3D打印技術(shù)通俗的講就是增材制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的加工方式來說,3D打印技術(shù)以其生產(chǎn)周期短、一次成型、高效率等優(yōu)勢脫穎而出。FDM技術(shù)的發(fā)展作為3D打印技術(shù)中較為成熟的技術(shù)之一,它本身所具有的優(yōu)勢是比較于其他的打印技術(shù)來說,具有低成本、結(jié)構(gòu)效果簡單、易成型等特點(diǎn),在行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方面具有不可比擬的優(yōu)勢。因此,FDM技術(shù)在工業(yè)裝備、金屬制造等行業(yè)是必然的發(fā)展趨勢。就目前,3D打印技術(shù)的發(fā)展,在國內(nèi)的設(shè)備受國外設(shè)備在技術(shù)和價(jià)位方面的壓制,整個(gè)設(shè)備的成本以及后

25、期的保養(yǎng)價(jià)格較為昂貴。因此,針對(duì)目前基于FDM技術(shù)的打印機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展技術(shù)不成熟、支撐后處理困難、FDM型打印機(jī)對(duì)兩種耗材的使用不夠成熟等問題,對(duì)雙噴頭雙料打印機(jī)進(jìn)行研究。論文對(duì)現(xiàn)有的3D打印機(jī)的現(xiàn)有切片格式進(jìn)行了探討。針對(duì)現(xiàn)有的STL文件的切片方式的所存在的問題,利用UG二次開發(fā)對(duì)三維模型進(jìn)行切片,得到的層面信息較STL格式文件切片更加完整,避免STL切片的數(shù)據(jù)冗沉等缺點(diǎn)。在得到三維模型的平面的輪廓信息后,對(duì)現(xiàn)有的截面輪廓進(jìn)行的掃描方式分析,對(duì)于不同的截面特征采用不同的掃描方式:對(duì)于簡單對(duì)稱的輪廓截面采用偏置掃描的方式,對(duì)于復(fù)雜的輪廓截面中規(guī)則的輪廓先進(jìn)行內(nèi)環(huán)向外,外環(huán)向內(nèi)的偏置,再進(jìn)行分區(qū)

26、域掃描。這種復(fù)合掃描方式可以很好的避免零件成形精度不高的缺點(diǎn)。對(duì)規(guī)劃后的掃描線與輪廓線的交點(diǎn)進(jìn)行比較排序,規(guī)劃內(nèi)輪廓線的路徑拾取點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)獲取的點(diǎn)坐標(biāo)值編程形成一系列的路徑信息,將所形成的路徑信息轉(zhuǎn)化成3D打印機(jī)所識(shí)別的G代碼。通過研究規(guī)劃出的雙料3D打印機(jī)的打印路徑,對(duì)設(shè)計(jì)出的打印文件輸入到雙料3D打印機(jī)中進(jìn)行初步打印,打印出所切片后的實(shí)體模型,驗(yàn)證該設(shè)計(jì)思路的合理性。 隨著是時(shí)代發(fā)展3D打印技術(shù)的市場需求越來越高,相關(guān)技術(shù)也日趨成熟,因其便捷快速的成型特點(diǎn),桌面級(jí)家用式3D打印機(jī)開始走進(jìn)千家萬戶,相比與其他類型的3D打印機(jī),家用3D打印機(jī)要求體積更小、操作簡單、結(jié)構(gòu)輕簡最重要的是其適

27、用范圍要更加廣泛。塑料材料是目前使用最廣泛的打印材料,但是塑料絲材的生產(chǎn)過程比較復(fù)雜,而且價(jià)格昂貴。在這樣的背景下,作為塑料絲材中間產(chǎn)物的塑料顆粒材料直接應(yīng)用于3D打印機(jī)上的想法變得重要起來。本文從3D打印機(jī)的需求出發(fā),在原有打印機(jī)基礎(chǔ)上構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,意在解決原打印機(jī)存在的供料不順暢、打印機(jī)運(yùn)行震動(dòng)較大、可使用顆粒過于單一的問題。本文首先對(duì)研究對(duì)象的力學(xué)和熱學(xué)性能比對(duì),根據(jù)不同材料導(dǎo)熱系數(shù)、熔融溫度和熱分解溫度對(duì)其在3D打印技術(shù)中應(yīng)用的難易程度,選定了PLA材料為主要研究對(duì)象。接下來進(jìn)料系統(tǒng)存在問題加以分析發(fā)現(xiàn),顆粒物外形對(duì)物料進(jìn)入輸送管道的效果影響較大,比對(duì)三種不同的進(jìn)口處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模擬

28、結(jié)果,選定了斜面式進(jìn)口結(jié)構(gòu)的方案,而針對(duì)顆粒物在輸送管道中分布不均和震動(dòng)較大的問題設(shè)計(jì)了輸送管道管壁處添加凹槽的優(yōu)化方案,并通過DEM模型對(duì)其運(yùn)動(dòng)的速度、應(yīng)力情況進(jìn)行了模擬,確定了凹槽對(duì)提高顆粒物運(yùn)輸能力有明顯效果,通過5種不同結(jié)構(gòu)的凹槽結(jié)果分析,得到了選用導(dǎo)程為400mm的螺紋凹槽的結(jié)構(gòu)方案的結(jié)論。之后根據(jù)模擬出來的帶有隔熱過渡段的新加熱頭組件溫度分布結(jié)果,表明了新加熱頭組件較原加熱頭結(jié)構(gòu)具有,溫度分布更均勻、避免局部物料超溫和輸送管道內(nèi)部物料不會(huì)發(fā)生融化的優(yōu)勢,確定了熔融空間長度為40mm,隔熱段長度為15mm的加熱頭結(jié)構(gòu);最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,確定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果契合度較高,優(yōu)化設(shè)計(jì)后的

29、打印機(jī)結(jié)構(gòu)出絲更加穩(wěn)定,打印件質(zhì)量明顯提升,并且具有更大的材料使用范圍,滿足了3D打印技術(shù)對(duì)打印件的質(zhì)量要求。實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容還包括了對(duì)幾種常用材料的打印參數(shù)設(shè)定,經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)確定了PLA、ABS、HIPS三種常用塑料顆粒材料打印溫度、打印速度、層高、流量和填充率這五個(gè)重要參數(shù)的最佳設(shè)定值,繪制了打印參數(shù)表。 第1章 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.1 引言 坐標(biāo)式3D打印機(jī)增材技術(shù)已經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，該技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已非常成熟，當(dāng)前在民用市場中應(yīng)用也十分廣泛，且最終得到人們的認(rèn)可。如今該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了廣闊的發(fā)展前景，在工業(yè)制造中不斷增添了新的色彩，從而看出技術(shù)的進(jìn)步程度。 隨著科技的發(fā)展，

30、它已經(jīng)投人到各種科技工作的領(lǐng)域當(dāng)中。例如，展廳使用它來復(fù)制正品，以防止真正的產(chǎn)品被訪客損壞；牙醫(yī)對(duì)患者進(jìn)行牙齒修復(fù)或診斷時(shí)首先使用掃描儀對(duì)患者牙齒輪廓進(jìn)行掃描，隨后使用打印機(jī)打印出適合患者的糾正模具，幫助患者實(shí)現(xiàn)修復(fù)Error! Reference source not found.。 1.2 坐標(biāo)式3D打印機(jī)模型設(shè)備的方案分析 1.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路 模型的制作要求依靠各類不同的機(jī)構(gòu)相互組合并最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的所有功能就： 本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下： X/Y軸 組成平面掃描運(yùn)動(dòng)框架 機(jī)構(gòu)選用：X、Y軸導(dǎo)軌均采用絲杠機(jī)構(gòu)，Z軸光桿則采用絲桿機(jī)構(gòu)。 三回旋軸機(jī)構(gòu)（即工作臺(tái)）

31、 伺服電機(jī)——轉(zhuǎn)軸 XYZ這三個(gè)方向的移動(dòng)都是使用絲桿來傳動(dòng)的，由電機(jī)作為動(dòng)力源，與普通的打印機(jī)相似，控制工作臺(tái)上的三個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)一定的角度，系統(tǒng)將根據(jù)打印復(fù)雜模型的需要和控制工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)每次打印完一層，隨后完成下一層信息讀取，隨后根據(jù)讀取的信息進(jìn)行下一層打印，直到所有的模型都打印完畢。每個(gè)自由度的控制驅(qū)動(dòng)都是單獨(dú)的Error! Reference source not found.。 總體六軸分布的設(shè)計(jì)圖如下： 圖2-1 X、Y軸分布圖 圖2-2 Z軸與工作臺(tái)三自由度分布圖 1.2.2系統(tǒng)框架Error! Reference

32、 source not found. 圖2-3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖 1.3 溫度控制回路設(shè)計(jì) 1.3.1打印耗材的選用 快速成型技術(shù)的興起與發(fā)展跟材料有著不可磨滅的關(guān)系，因?yàn)樗彩歉鶕?jù)材料的要求來設(shè)計(jì)的Error! Reference source not found.。目前3D打印的材料已經(jīng)超過了200種。為了實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)式3D打印機(jī)的功能，所選材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)式3D打印機(jī)的功能也很重要。需要更低的熔點(diǎn)和更好的粘度Error! Reference source not found.。 ABS材料是FDM最常用的印刷材料，通常在長絲包裝中以不同顏色提供，并由3D打印噴嘴熔化和印刷，如果AB

33、S的熔點(diǎn)不同則不同，通常是細(xì)絲盤裝。 PLA型的熔絲在坐標(biāo)式3D打印機(jī)中是非常常用的材料，也算是比較環(huán)保的；一般情況下不需要加熱床，容易使用，而且更加適合低端的坐標(biāo)式3D打印機(jī)。 綜合考慮我們最終選擇了P L A 、AB S耗材，這種材料即廉價(jià)又穩(wěn)定。 1.3.2設(shè)計(jì)思路概述 由于這兩種打印材料的熔點(diǎn)溫度在左右，直到上升到以上就屬于分解溫度，需要成型的溫度應(yīng)該是在以下這樣?？刂苹芈分袀鞲衅鞯淖饔煤艽螅褜?shí)際的溫度返回到反饋控制回路中，并將其溫度進(jìn)行調(diào)整輸出命令，命令由單片機(jī)輸出Error! Reference source not found.。 控制回路方框圖如下： 圖2-3

34、 控制回路方框圖 1.4 x . y. z 三 方 向 控 制 電 機(jī) 的 設(shè) 計(jì) 使用簡化的概念，打印出來的模型是三維的，從而我們可以將三維轉(zhuǎn)成二維來打印，然后二維又轉(zhuǎn)換成一維繼續(xù)打印。也就是說，可以對(duì)Z方向的電機(jī)來控制實(shí)現(xiàn)這種打印過程，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)所需步進(jìn)角Z方向就會(huì)變化，并且實(shí)現(xiàn)每個(gè)平面上的二維打印。Y方向也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度時(shí)，每個(gè)平面的二維打印被轉(zhuǎn)換成多條線的一維打印。 1.5 噴 頭 移 動(dòng) 及 噴 出 量 調(diào) 節(jié) 的 設(shè) 計(jì) 1.5.1噴頭系統(tǒng)的功能要求 噴嘴系統(tǒng)的主要功能是將熔體擠出系統(tǒng)：將成形長絲通過進(jìn)料裝置進(jìn)料到在噴嘴處被加熱的液化器中，并且將固

35、體成型材料及時(shí)熔化成熔融狀態(tài)，便于擠出噴頭形成實(shí)物。噴頭的料絲的岀絲速度應(yīng)與噴頭的掃描速度一致，因?yàn)槭歉鶕?jù)掃描路徑進(jìn)行堆積成型的，所以這兩個(gè)速度要失效高效配合，以期保證打印成型的產(chǎn)品質(zhì)量和效果，使得工件實(shí)體材料堆積均勻，減少毛刺。 成型工藝對(duì)噴頭系統(tǒng)的相關(guān)功能要求主要包含下述幾個(gè)方面，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行論述： 供應(yīng)功能：把已經(jīng)圈好在絲筒上的絲狀材料，取出并把它通過其它方法送到指定位置。 熔絲功能和送絲功能：送完成型絲及時(shí)熔化后，熔融絲送入液化器。 流道功能：為熔融材料提供流通通道。 定徑功能：對(duì)噴嘴擠出的材料的最終尺寸，噴嘴孔的直徑確定擠出的絲的直徑，并且絲被堆疊以滿足所需的細(xì)直徑。 出絲

36、速度匹配與出絲起停控制功能：噴頭的移動(dòng)速度與成型絲的擠出速度都是根據(jù)掃描路徑信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，還有推出液態(tài)絲材的速度與噴頭移動(dòng)速度相匹配。噴頭的移動(dòng)停下來時(shí)，擠出絲材功能也將進(jìn)行停止控制，噴頭的停止是根據(jù)掃描路徑來控制的，而岀絲是根據(jù)噴頭控制的，這樣才能確保高質(zhì)量的成型路徑。 采用熔斷擠壓法的工藝原理時(shí)，準(zhǔn)備進(jìn)入液化器中的成型線作為活塞，固態(tài)的絲材在液化器進(jìn)入口中把熔融狀態(tài)的絲材推出噴嘴，而推出噴嘴的推力等效于送絲材的推動(dòng)力。簡單概括就是送絲功能等于基本功能Error! Reference source not found.。 1.5.2噴頭實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì) 圖2-4 擠出機(jī)構(gòu)原理圖 在描繪

37、熔融沉積式打印技術(shù)工作原理之前，我們可以先設(shè)想這樣一個(gè)場景：蛋糕店里面擠蛋糕花，把奶油裝進(jìn)一個(gè)錐形的塑料里，頂部開一個(gè)小孔，然后你把這個(gè)塑料錐形頭朝下，向盤子上面擠，邊擠變移動(dòng)，就像寫毛筆字一樣，當(dāng)你完成第一層的堆積后，向上抬一點(diǎn)，重復(fù)第一層的工作，以此類推，重復(fù)以上過程，直至最終堆出你想要的形狀，其實(shí)這就是FDM的基本思想。 熔融沉積也有另一種叫法稱熔絲沉積，是在液化器中使用絲狀熱熔材料以通過加熱絲來加熱和熔化它來提供熱量，其通過細(xì)噴嘴的噴嘴擠出。根據(jù)每層參數(shù)控制加熱噴嘴，噴嘴可沿X軸方向移動(dòng)，沿Y軸方向移動(dòng)，絲材在噴嘴中擠出，噴嘴與絲材的配合打印完一層上升一個(gè)層面的高度，在外溫的溫度下冷

38、卻成型。 熔融沉積成型工藝對(duì)于成型溫度的要求較高，在加工過程中必須要保持穩(wěn)定，不能產(chǎn)生較大的幅度，絲材和噴頭的溫度需要在一定范圍內(nèi)。因此，需要添加反饋溫度控制電路來對(duì)液化器溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，減少溫度對(duì)熔融沉積成型工藝的影響。 第2章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 電機(jī)的選擇 2.1.1 Z軸電機(jī)的選擇 按照本次機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的定位精度要求進(jìn)行精確定位，Z軸的電機(jī)是伺服電機(jī)，控制好移動(dòng)速度很重要，故選用了華大電機(jī)穩(wěn)定性能好。 電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算： （1）運(yùn)行時(shí)間確定 加速時(shí)間可按照下式予以確定

39、 （3-1） 負(fù)載速度（m/min）計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)原理可知其上升速度為50mm/min， （2）電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過下式予以計(jì)算： （3-2） PB為絲桿的導(dǎo)程，我們設(shè)計(jì)絲桿的導(dǎo)程為5mm，，故 （3）負(fù)載轉(zhuǎn)矩可通過下式予以計(jì)算： （3-3） 式中： （4）負(fù)載慣量可通過下式予以計(jì)算： （3-4） 絲桿螺母慣量可通過下式予以計(jì)算：

40、 （3-5） 式中 總慣量可通過下式予以計(jì)算：： （3-6） （5）電機(jī)轉(zhuǎn)矩 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過下式予以計(jì)算： （3-7） 必須轉(zhuǎn)矩可通過下式予以計(jì)算：： （3-8） S為安全系數(shù)，取1.0 按照上述計(jì)算結(jié)果，選擇伺服電機(jī)型號(hào)為，下表為伺服電機(jī)參數(shù)說明： 圖3-1 華大伺服電機(jī)的參數(shù) 電機(jī)具體尺寸參數(shù)如下圖所示： 圖3-2 電機(jī)規(guī)格圖 電機(jī)的基本尺寸為

41、長：，驅(qū)動(dòng)軸的直徑為12mmError! Reference source not found.。 2.1.2 X軸和Y軸電機(jī)的選擇 X軸與Y軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理是一樣的，故兩條軸電機(jī)型號(hào)相同。 （1）確定運(yùn)行時(shí)間 本次設(shè)計(jì)加速時(shí)間可通過下式予以計(jì)算： (3-9) 負(fù)載速度可通過下式予以計(jì)算： 移動(dòng)速度為50mm/min， （2）電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過下式予以計(jì)算：

42、 （3-10） PB為絲桿導(dǎo)程，設(shè)計(jì)導(dǎo)程為4mm. （3）負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3-11） 式中： 摩擦系數(shù)； 負(fù)載重量； 絲桿導(dǎo)程； 傳動(dòng)效率. （4）負(fù)載慣量 上下垂直運(yùn)動(dòng)可通過下式予以計(jì)算： （3-12） 絲桿螺母慣量可通過下式予以計(jì)算： （3-13） 式中 總慣量可通過下式予以計(jì)算：： （3-14） （5）電機(jī)轉(zhuǎn)矩 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過下式予以計(jì)算：

43、 （3-15） 必須轉(zhuǎn)矩可通過下式予以計(jì)算： （3-16） S為安全系數(shù)，取1.0 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，X軸和Y軸還使用華大伺服電機(jī)型號(hào)，具體尺寸參數(shù)與Z軸相同。 2.2 滾珠絲杠螺母的設(shè)計(jì) 2.2.1材料選用原則 材料選擇的基本原則是材料在滿足零件性能的前提下具有良好的加工性和經(jīng)濟(jì)性。 選用材料的可靠性是在機(jī)械部件的正常工作狀態(tài)下，應(yīng)具有的物理與機(jī)械性能能夠滿足工作要求的基礎(chǔ)。選用的機(jī)械零件所用的材料是金屬的，然而零件的機(jī)械性能才是主要的影響，而非金屬材料零件還需要對(duì)工作環(huán)境是

44、否對(duì)零件的性能造成影響。形狀尺寸和應(yīng)力分析的機(jī)械性能是選擇材料時(shí)正確分析的工作條件。 2.2.2滾珠絲杠的技術(shù)要求 （1）工作條件 由于本文所設(shè)計(jì)的設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為螺母副，其主要功能是對(duì)傳感器承載進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，因而抗扭性能較差，該機(jī)構(gòu)在工作時(shí)主要受剪切力租用，同時(shí)受彎曲和扭轉(zhuǎn)和特定負(fù)荷影響。 （2）主要的失效形式 滾珠絲桿在工作時(shí)會(huì)受到彎 曲、疲 勞、扭 轉(zhuǎn)、沖 擊等主要的幾個(gè)力所影響，在絲桿的接觸處，如轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)的工作表面受到接觸應(yīng)力。工作時(shí)間長了會(huì)出現(xiàn)接觸疲勞破壞，也會(huì)存在機(jī)械損傷與磨損。 彎曲比較大時(shí)，絲桿會(huì)承受交變應(yīng)力；磨損也是因?yàn)闈L珠與滾道表面的硬度來決定的，表面硬

45、度越差，越容易磨損甚至?xí)l(fā)生斷裂。為減少磨損，提高滾珠與滾道的表面硬度或涂抹潤滑劑。 （3）材料的性能要求 結(jié)合工作的條件與主要失效形式，屬于高精度、輕載荷滾珠絲桿，一般選擇低合金工具鋼材料制造零件，制造的零件表面需要加熱淬火處理，有的還要把整個(gè)零件整體淬火的，高精度的滾珠絲桿使用滲氮鋼來制造可以預(yù)防在熱處理時(shí)產(chǎn)生變形，選用的滲氮鋼牌號(hào)如鋼，需經(jīng)處理后使用[12]。 根據(jù)工作條件需要絲桿也可以選用淬火鋼進(jìn)行制造，還有的螺母也可以選擇鑄造錫青銅進(jìn)行鑄造加工，其材料的表面應(yīng)該要具有高硬度及耐磨性好的性能，及綜合機(jī)械性能也需要比較高才滿足要求。 2.2.3絲桿螺旋傳動(dòng)的類型、特點(diǎn)與應(yīng)

46、用 絲桿傳動(dòng)裝置主要組成部分包含絲杠以及螺母，螺母與螺桿相互配合之后在電機(jī)的帶動(dòng)下螺桿開始運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它主要傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，分為兩種：將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成直線運(yùn)動(dòng)；直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 滾珠絲桿的特點(diǎn)： （1）傳動(dòng)效率更高：一般滾珠絲杠的滾珠與絲桿的接觸點(diǎn)是很小的，所以摩擦也很小，螺母與滾珠之間的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，然而傳動(dòng)效率可高達(dá)90%到98%這樣。與其他滑動(dòng)螺旋相比，摩擦力小，可以由直線轉(zhuǎn)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。即使絲桿在很小的扭矩之下轉(zhuǎn)動(dòng)，其推力也是很大（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成直線運(yùn)動(dòng)），甚至對(duì)于其它傳統(tǒng)的螺桿系統(tǒng)要強(qiáng)上2~4倍的效果。 （2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性：滾珠絲桿工作起來摩擦阻力是很小的，也沒有任何的顫

47、動(dòng)，十分流暢，在低速運(yùn)動(dòng)是滾珠沒有打滑現(xiàn)象還可以進(jìn)行微量進(jìn)給的控制，是很靈敏的，是傳統(tǒng)典型的點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 （3）精度高：滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的溫度低，熱脹冷縮、軸向間隙拉伸等問題這些效果都不大，對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)無影響還具有較高的定位精度。 （4）高耐用性：滾珠絲杠副接觸點(diǎn)表面硬化，運(yùn)動(dòng)過程滾動(dòng)，摩擦小，壽命長，精度很高。 （5）同步性好：多組滾珠軸承組合的傳動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)起來很平穩(wěn)無滑動(dòng)、無異響還靈敏，可同時(shí)完成多個(gè)傳動(dòng)部件和裝置的控制，因而具有良好的同步效果。 （6）高可靠性：與常見的液壓、氣壓系統(tǒng)相比較故障較少，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)很方便。只需要做好防塵、潤滑措施，有時(shí)候無潤滑也可以進(jìn)行正

48、常的工作，但不能經(jīng)常如此工作。 2.2.4滾珠絲桿螺母的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾動(dòng)絲桿屬于自鎖絲桿，需要進(jìn)行校核其自鎖性，軸向力是在工作時(shí)主要承受的力，所以那時(shí)將產(chǎn)生的磨損是由滾珠與滾道之間的接觸引起的，從而也會(huì)影響到精度。一般的耐磨參數(shù)是根據(jù)滾珠絲桿的直徑與鎖緊螺母的高度這些基本尺寸而設(shè)計(jì)的，滾珠絲桿和螺母的工作中將受到很大力，可能會(huì)發(fā)生塑性變形或斷裂，為了防止這些問題的發(fā)生，需要對(duì)絲桿的危險(xiǎn)截面和鎖緊螺母的強(qiáng)度進(jìn)行有效的校核。對(duì)較長的絲桿容易受到軸向力的作用而失穩(wěn)，穩(wěn)定性是比較重要的，所以穩(wěn)定性也要校核；對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的長絲桿會(huì)產(chǎn)生橫向的擺動(dòng)情況，為了防止橫向擺動(dòng)校核臨界轉(zhuǎn)速是很重要的。在具體設(shè)計(jì)中

49、，需要根據(jù)具體的工作環(huán)境以及承載情況、失效形式來選擇與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且不需逐一檢查Error! Reference source not found.。 表3-1 螺旋傳動(dòng)的常用材料 螺旋副 材料牌號(hào) 應(yīng)用范圍 螺 桿 材料無需熱處理后可直接使用，適用于承載力不大，轉(zhuǎn)速較低的場合 該材料需要進(jìn)行熱處理以提高其耐磨性，適用于重型傳動(dòng)和高速傳動(dòng)。 材料要熱處理來提高尺寸的穩(wěn)定性，適 用于 精 密 導(dǎo) 電 螺 桿 驅(qū) 動(dòng)。 螺母 材料耐磨性好，適用于一般傳動(dòng) 適用于重載荷的低速傳動(dòng)，其材料的耐磨性與高強(qiáng)度良好，使用于大型的高速傳動(dòng)，螺母要用鋼及鑄

50、鐵 制 造。 在本設(shè)計(jì)中Z軸選用滾珠絲桿，打印精度是由絲桿的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性來決定的，特點(diǎn)也符合要求，選擇性能好的滾珠絲桿是最關(guān)鍵的一步，滾珠絲桿的選擇與工作場合也有一定的聯(lián)系。滾珠絲杠所能承受的最大軸向載荷為，支撐之間最大間距為，精度要求。按照所選用的絲杠參數(shù)進(jìn)行阻力計(jì)算，根據(jù)額定靜載荷選用，額定靜載荷可依據(jù)下式進(jìn)行運(yùn)算： （3-17） 故： ——載荷性質(zhì)系數(shù)；

51、 —?jiǎng)虞d荷影響系數(shù)， —最大軸向載荷 靜態(tài)載荷為。 查表可知使用壽命為：。 但是，主螺桿的螺距為：，Z軸馬達(dá)的速度為。得絲桿轉(zhuǎn)速為： （3-18） 滾珠絲 桿的螺 距，幾何參數(shù)如下表所示 。 表3-2 滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號(hào) 計(jì)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 2.175 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

52、 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 （1）傳動(dòng)效率計(jì)算 （3-19） —摩擦角；—絲桿螺紋升角。 故：效率為。 （2）對(duì)絲杠剛度進(jìn)行驗(yàn)算，在工作過程中絲杠受到負(fù)載使導(dǎo)程變化的變化量可通過下式予以計(jì)算： （3-20） 向 所受牽引力較大，因而可依照下式予以計(jì)算 （N）

53、（cm） () （3-21） 有： （cm） 導(dǎo)程的變化量較小，由此可通過下式計(jì)算導(dǎo)程差： （3-22） 查資料可知絲杠允許誤差值為，通過剛度校驗(yàn)可知滿足使用需求。 （3）驗(yàn)算絲桿的穩(wěn)定 性，扭 矩可通過下式予以計(jì)算： T （3-23） 式中G——移動(dòng)部件自重 S——導(dǎo)程（cm） ——逆?zhèn)鲃?dòng)效率，通常用正傳動(dòng)效率代替。 N.cm 根據(jù)上述計(jì)算過程可知，

54、通過型號(hào)：，當(dāng)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿副時(shí)，不會(huì)發(fā)生逆向轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。 （4）軸承的選擇 軸承在運(yùn)行期間受到的沖擊是輕微的，所以影響不大，則根據(jù)工作條件與正常的工作溫度下選擇型號(hào)，軸承壽命預(yù)計(jì)為；軸承在工作過程中將受到軸向載荷，其受到最大的軸向載荷為，經(jīng)過查詢資料可以得知滾動(dòng)軸承型號(hào)為的基本額定動(dòng)載荷為,基本額定靜載荷為。 本次設(shè)計(jì)中可以選用帶座軸承代替，安裝與維護(hù)都比較方便，則需要選用軸承型號(hào)為軸承。 查表， 當(dāng)量負(fù)載：，軸承壽命可通過下式予以計(jì)算： （3-24） 溫度的系數(shù)：=1，=1；=3 得 壽命校核結(jié)果可知，本文選用

55、的軸承滿足使用條件。 （1）計(jì)算滾珠絲桿螺母副及選型 X軸方向最大軸向載荷為，支撐絲杠最大距離為，定位精度Error! Reference source not found.。額定載荷可通過下式予以計(jì)算： （3-25） ——載荷性質(zhì)系數(shù)。 —影響系數(shù)， =1 —軸向載荷 額定靜載荷為 查表，壽命時(shí)間為，選擇螺距，絲桿轉(zhuǎn)速可通過下式予以計(jì)算： （3-26） 選擇螺距為，滾珠絲杠副參數(shù)如下

56、所示。 表3-3 滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù) （2）傳動(dòng)效率計(jì)算 （3-27） 得出： 然而傳動(dòng)效率為96%。 （3）驗(yàn)算的剛度：由工作負(fù) 載使導(dǎo) 程發(fā)生的變 化量可通過下式予以計(jì)算： ΔL1=

57、 （3-28） 6 ()，(材料為45鋼) （） （3-29） 有： 變化量不大，由此可知，導(dǎo)程誤差可通過下式予以計(jì)算： （3-30） 選用的滾珠絲杠允許的誤差值為，根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果可知，滿足剛度需求。 （4）軸承的選擇 初選的型號(hào)為，正常工作的溫度環(huán)境下，其使用的壽命為，滾珠絲桿承受的是軸向載荷，所承受載荷的最大軸向載荷為。經(jīng)過查資料了解到型號(hào)為的滾珠軸承的基本知識(shí)

58、，軸承的基本額定動(dòng)載荷，基本額定靜載荷，查表 可知道 軸承壽 命可通過下式予以計(jì)算： 其中：=1；=1，為滾珠軸承，=3 得 根據(jù)軸承壽命校驗(yàn)結(jié)果可知，該軸承合適。 2.2.5滾珠絲桿螺母的支承方式的選擇 滾珠絲桿有三種不同的支撐方式，如下圖所示： 圖3-3 滾珠絲桿的四種支撐方式 選用不同的滾珠絲杠支撐方式，其軸向載荷和轉(zhuǎn)速也有所差異。該設(shè)計(jì)采用第二種類型，一端固定另一端支持，適用中速和高精度。 2.2.6滾珠絲桿螺母的

59、潤滑和防塵隔離 （1）油潤滑 礦物油適用于大多數(shù)的滾動(dòng)軸承，高轉(zhuǎn)速時(shí)滾珠絲桿副的溫度也是比較小的，油還可以降低其溫度，對(duì)滾珠絲桿而言油潤滑比脂潤滑好。如果使用油潤滑補(bǔ)充潤滑油的時(shí)間間隔八小時(shí)之后，在重新潤滑都可以。 （2）脂潤滑 如采用脂潤滑可以使用很長時(shí)間后，在進(jìn)行補(bǔ)充脂潤滑，與油潤滑相比相隔的時(shí)間也長。但是脂潤滑使用太久了，要進(jìn)行清理上面的雜物和舊的潤滑脂清理干凈，才能更換新的潤滑脂，一般是半年到一年換一次脂。廠家生產(chǎn)脂的時(shí)候裝脂的罐子上面都會(huì)有使用說明和提示，應(yīng)按照上面的說明進(jìn)行使用Error! Reference source not found.。 （3）防塵與隔離 由于

60、異物和灰塵是對(duì)滾珠螺桿與滾動(dòng)軸承快速磨損和損壞的重要因素，所以需要進(jìn)行采取防護(hù)措施，可安裝防塵圈即可實(shí)現(xiàn)防塵。 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意下述問題： 在安裝滾珠絲杠時(shí)應(yīng)當(dāng)保證螺母上受力均勻，還要保證作用在螺母上的合力經(jīng)過滾珠絲杠軸心，可提升壽命和精度。 (2) 防逆轉(zhuǎn)：雖然滾珠絲杠傳動(dòng)效率較高，但在實(shí)際應(yīng)用過程中要防止擬傳動(dòng)，在電機(jī)帶動(dòng)絲桿，電機(jī)停下來時(shí)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)部件的自重慣性引起的逆?zhèn)鲃?dòng)現(xiàn)象，為了防止出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，可采用離合器或停電自鎖電機(jī)等方式。 (3) 防護(hù)：滾珠絲杠副在行程兩個(gè)方向要裝有行程開關(guān)，限制行程起到保護(hù)作用，以防超程撞壞其它東西及影響其精度和壽命。 (4) 防止熱變形：

61、在滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱，還有其它部件產(chǎn)生的熱，這些熱對(duì)滾動(dòng)絲桿的定位精度有重要影響，熱會(huì)導(dǎo)致絲桿膨脹而伸長。因而分析各種熱源因素采取措施控制熱源。 2.3 導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計(jì) 2.3.1直線軸承的選擇 合適的工作溫度為：；不銹鋼軸承適用于環(huán)境較為惡劣的場合，軸承型號(hào)可按照下式予以確定。 硬度系數(shù)：硬度以上，；硬度，。 溫度系數(shù)：工作 溫度 小于，，工作 溫度，。 接觸系數(shù)FC計(jì)算過程如下： 每根軸裝一套軸承， 每根軸裝二套軸承， 每根軸裝三套軸承， 每根軸裝四套軸承， 表3-4 載荷系數(shù)FW 時(shí)間壽命可通過下式予

62、以計(jì)算： L——長度壽命 ， LS——工作行程， N1——每分鐘往復(fù)次數(shù) 已知裝置行程米，工作 溫度：， 往復(fù) 次數(shù)/min。 載荷：，硬度 ，壽命小時(shí)。 運(yùn)行速度可通過下式予以確定： 載荷重量為，滑動(dòng)軸承固定于X軸導(dǎo)向光桿并與其相互裝配，軸承座為固定式，本次設(shè)計(jì)中滑動(dòng)軸承如下圖所示。 圖3-4 滑動(dòng)軸承 表3-5 帶法蘭的滑動(dòng)軸承參數(shù) 按照軸承的載荷情況，選用滑動(dòng)軸承型號(hào)：，軸承中間 孔徑為：，這樣導(dǎo)向光桿 的直徑也 設(shè)計(jì) 為。 2.3.2直線軸承的安裝 公差等級(jí)、級(jí)，直線軸公差、級(jí)

63、，防止軸承鋼球脫落或保持器損壞，導(dǎo)向軸須對(duì)準(zhǔn)直線軸承孔輕輕的插入，使軸心與軸承中心重合，直線軸承安裝方向可以跟滾珠絲桿副一樣安裝。 軸承座與X軸一端是一體的，直線軸承使用四顆螺栓固定在軸承座上，軸承座的孔可能會(huì)壓到軸承導(dǎo)致游隙變小，可以用手輕輕旋轉(zhuǎn)軸，看軸是否可以接觸鋼球并且可以輕松旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，間隙為；如果軸更難旋轉(zhuǎn)，間隙為；或者軸不能旋轉(zhuǎn)，配合間隙大于，如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸時(shí)鋼球同時(shí)也在做滑動(dòng)，這樣會(huì)使軸和軸承的壽命大大降低。直線軸承是不能旋轉(zhuǎn)的只是里面的滾珠在轉(zhuǎn)動(dòng)而已，因此直線軸承應(yīng)該很好地定向Error! Reference source not found.。 2.3.3直線軸承潤滑和防塵

64、 軸承上有防銹油，在使用時(shí)不必把防銹油清洗掉，可直接加潤滑劑使用。根據(jù)工作時(shí)的溫度來選擇潤滑油，若工作溫度較低則選用粘度較低的潤滑油，若工作溫度較高則選用粘度較高的潤滑油，常用的潤滑油類型為：透平油、機(jī)械油和錠子油。在進(jìn)行軸承密封時(shí)要將潤滑油加到軸承內(nèi)，無密封圈的軸承潤滑油滴在軸上就好。灰塵或異物進(jìn)入到軸承內(nèi)會(huì)導(dǎo)致保持器與滾珠的損壞，降低軸承使用壽命，如對(duì)于一些粉塵較大的場所像鍛造機(jī)械、木工機(jī)械，則軸承兩端需加密封圈。 2.3.4導(dǎo)向光桿的固定座 導(dǎo)向光桿是固定的不需要轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)光桿的直徑選擇固定座，固定座的參數(shù)如下： 圖3-5 導(dǎo)向光桿固定座的參數(shù) 本設(shè)計(jì)選擇的是兩面切割法蘭型的固

65、定座，導(dǎo)向光桿兩端都需要固定座固定。 2.4 Z軸聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是電機(jī)與絲桿連接的部分，無特殊要求，只需考慮安裝、拆卸與 經(jīng)濟(jì) 方面、經(jīng)常 正反轉(zhuǎn)、起動(dòng) 頻繁的場合 就行，然而選用彈性套柱銷 聯(lián)軸器，工作溫度為。取工作 情況系數(shù) 。 計(jì)算聯(lián)軸器承受轉(zhuǎn)矩 （3-33） 根據(jù)電機(jī)輸出軸的直徑為，及轉(zhuǎn)矩來選擇聯(lián)軸器。故：合適彈性套柱銷聯(lián)軸器型號(hào)為，主要的技術(shù)參數(shù)和尺寸如下： 圖3-6 彈性套柱銷聯(lián)軸器工作圖示例 表3-6 彈性套柱銷聯(lián)軸器的參數(shù) 2.5 X、Y軸同步帶輪設(shè)計(jì) （1）設(shè)定功率 電

66、機(jī)額定功率為0.6KW，假定電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間為10小時(shí)，查表可知工作系數(shù)。 表3-7 載荷系數(shù)KA （2）選定同步帶帶型和節(jié)距 帶傳動(dòng)功率較小，根據(jù)選型圖來選擇帶輪的型號(hào)，最終選擇型帶，節(jié)距。 圖3-7 同步帶選型圖 （3）選主動(dòng)輪（小帶輪）的齒數(shù) 通過小帶輪的轉(zhuǎn)速來確定其中的齒數(shù)，經(jīng)過查表得知小同步帶輪最小齒數(shù)為。 表3-8 小帶輪的最小齒數(shù) （4）計(jì)算主動(dòng)帶輪的直徑d1的值 （3-34） （5）大同步帶輪數(shù)據(jù)確定 同步帶的傳動(dòng)比設(shè)為，先計(jì)算出大同步帶輪的齒數(shù)，故 （3-35） 大帶輪齒數(shù)，實(shí)際傳動(dòng)比可通過下式予以計(jì)算： 大帶輪節(jié)圓直徑可通過下式予以計(jì)算： 同步帶輪轉(zhuǎn)速可通過下式予以計(jì)算