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摘 要
三維印刷(3 d打印),即一種快速成型技術，它使用的材料通常有塑料或者金屬粉末之類的能夠粘合的，設計零件的模型的過程中有室友到電腦 ，逐層打印成型的技術是三維打印機技術的核心。在過去，我們設計產(chǎn)品的時候，其中包括工業(yè)設計和磨具的生產(chǎn)，都是需要制造產(chǎn)品的模型，但是現(xiàn)在，一些產(chǎn)品能夠使用3D打印機直接打印出產(chǎn)品，像一些非常重要的產(chǎn)品（比如髖關節(jié)或牙齒，以及在飛機上的零部件）現(xiàn)在有一些這方面的產(chǎn)品已經(jīng)使用三維打印出來了?，F(xiàn)在我們需要使三維打印機在使用方面推廣開來，讓更多的人了解三維打印技術真的能給人們帶來的便利。一般情況下，三維打印技術需要借助數(shù)字技術和特殊的材料完成。3D打印機這些年來產(chǎn)量和銷售數(shù)量一直在快速的增長，制造的成本一直在降低，銷售的價格也在降低。因此，三維打印技術引起了各個領域人的關注，這其中包括生產(chǎn)界，學術界，一些政策方針的制定者和一些生意投資人等，它是一個全新的產(chǎn)業(yè)，吸引更多人的關注。和過去的方式向比較的話，現(xiàn)在的三維打印技術更加的方便，能夠打印出很機構難的工藝品。還有一方面就是，過去的模型一般是由產(chǎn)品的設計者先做出一個比例小的,批量生產(chǎn)再由工匠看著模型制作，但是他們的水平不一致，做出來的產(chǎn)品和實際的相差較大,如果是通過三維打印機來打印的，那么產(chǎn)品的還原效果就相當好，可以得到理想的藝術品。
這次設計的3D打印機就要是當前市場比較流行的，對它的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀，從查找的資料了解，設計3D打印機的構型方案。根據(jù)設計方案，對電機、軸承、帶輪及其附屬機構進行選型計算，并進行應力校核。
關鍵詞: 3D打印機；方案設計；結(jié)構設計
Abstract
Three dimensional printing (3 d printing), namely one sort of rapid prototyping technology, It uses materials such as plastic or metal powders that can be bonded., such as powder metal or plastic to construct objects by means of step by step a printing technology.It used in the mold manufacturing, industrial design, and other fields has been used in the manufacture of the model, is now gradually used for direct manufacturing of some products.In particular, some high value applications (such as hip or teeth, or some parts of the plane) has been using the technology of printing components."3 d printing" means that the popularization of the technology.3 d printing is usually adopt digital printer.Production and sales for the printer in the 21st century has got tremendous growth, its price is also gradually decreased.3 d printing technology, and the resulting new industry pattern become academia, industry, investors and policy makers to focus and competition for the new direction of science and technology , its application field is very broad.3 d printing technology provides a complex art production possibilities, it is easier to implement than traditional mould process manufacturing.In addition, the large size artwork, traditional methods are mostly designersLet a small part of the work, then make a large scale according to the model and the craftsme number , artisans have different level of high and low, eventually work distortion degree is big, but by three dimensional printing technology, the target model can adjust the proportion within the computer, by using print production with high efficiency, high precision can achieve high precision work of art.
In this paper, the design content of working principle and development present situation of the research on 3 d printer, according to the survey results, which has been widely applied for the current is analyzed by 3 d printers, characteristic of each structure, design of a 3 d printer configuration scheme.According to the design scheme of bearing, pulley, selection of gear and its affiliates.
Keywords: 3D printer；scheme design；structure design
目 錄
引言 1
1 3D打印機的發(fā)展 1
1.1 打印機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2 3D打印的發(fā)展趨勢 2
1.2.1 3D打印產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展前景 2
1.2.2 3D打印技術未來發(fā)展的主要趨勢 2
1.3 發(fā)展創(chuàng)新與突破 3
1.3.1 3D打印應用領域的拓展延伸 3
1.3.2 3D打印速度尺寸和技術日新月異 3
1.3.3 設計平臺革新 3
1.4 本文研究的內(nèi)容 4
1.5 研究的意義 4
2 3D打印機方案設計 5
2.1 3D打印機結(jié)構原理 5
2.2 3D打印機方案認證 6
2.3 打印機總體方案 7
2.4 3D打印機的特點 7
2.4 本章小結(jié) 8
3 3D打印機設計 9
3.1設計參數(shù) 9
3.2 3D打印機整體尺寸的計算 9
3.3 連桿長度的確定和校核 9
3.3.1確定連桿的長度 9
3.3.2連桿強度的校核 11
3.4 電機的選擇 11
3.4.1電機扭矩的校核 13
3.5 傳動方案的設計 14
3.5.1 皮帶類型的選擇 14
3.5.2 皮帶的校核 16
3.6立柱的校核計算 19
3.6.1 拉伸強度的校核 19
3.6.2彎曲強度校核 19
3.7 螺栓校核計算 20
3.8軸承的選用以及設計計算 22
3.8.1 軸承的組成 22
3.8.2 軸承特點及其應用范圍 22
3.8.3軸承的選用及校核 23
3.9銷釘?shù)脑O計計算 23
3.9.1銷釘內(nèi)應力計算校核 23
3.9.2 銷孔拉板的強度計算 25
4 3D打印機其他零部件選擇 28
4.1 溫度傳感器的選擇 28
4.2 機械位置傳感器 29
4.3 噴頭的選擇 29
結(jié)論 30
謝辭 31
參考文獻 32
附錄 33
1.3D打印機送料機構的實物截圖 33
2，噴頭的結(jié)構的實物結(jié)構和原理圖 34
引言
自從我國改革開放著幾十年，社會各方面都得到了很大的改善，特別是工業(yè)方面的生產(chǎn)技術獲得了很大的提高，當然，人民的生活方式也發(fā)生了改變，生活水平提高了。這就對我們的制造業(yè)提出很很高的要求，人民希望產(chǎn)品的質(zhì)量更好，價格更低廉。如今，隨著3D打印技術的快速發(fā)展，生產(chǎn)者能夠生產(chǎn)出消費者們想要的產(chǎn)品。現(xiàn)在的3D打印技術在各個方面都得到了應用，比如航空、醫(yī)療、工藝品以及食品等方面。
三維打印技術是一種快速成型的技術，也就是產(chǎn)品的生產(chǎn)過程非常的快，目前使用的材料主要有金屬或者塑料粉末。它使用電腦來輔助設計零件的模型 ，逐層打印成型的技術是三維打印機技術的核心。三維打印技術出現(xiàn)在二十年前，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有二十多年了，它主要運用了疊層技術和光固化成型技術。三維打印機和我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫拇蛴C用力基本一致，只是三維打印把普通的打印“疊加”起來，電腦起了關鍵的作用。現(xiàn)在這種技術已經(jīng)應用在許多領域,現(xiàn)在人們已經(jīng)使用它在醫(yī)療、工藝品、飛機、食品等方面生產(chǎn)。
現(xiàn)在很多行業(yè)都有使用到3D打印機。去年全球3 d打印機,材料和服務的投資約27億美元,但市場在未來很長一段時間的平均年增長率將達到29%。一些外國專家預測的三維打印機市場將增加超過30%，在不久的將來將超過數(shù)百億甚至更多。
在過去，生產(chǎn)一個零件的成本很高，這期間需要建模，不同的零件需要不同的生產(chǎn)線，需要各種不同的道具等等。但是如果使用3D打印機生產(chǎn)，只需要一臺打印機，材料就可以了，不但生產(chǎn)的成本低了，生產(chǎn)的周期更是縮短了不少。
1 3D打印機的發(fā)展
1.1 打印機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
自1990年代以來，國內(nèi)的許多高校進行的獨立研究和開發(fā)3?d打印技術。清華大學和華中科技大在分層實體制造、當代成型理論這方面比較厲害，他們研究出了很多成型的材料和成型機；西安交通大學主要研究光固化系統(tǒng)以及系統(tǒng)生產(chǎn)時對應的材料，產(chǎn)品的精度已經(jīng)達到了驚人的40mm，中國科學技術大學開發(fā)的八個灑水噴霧裝置，有望應用于微觀領域的制造、光電設備。但總的來說，中國的三維打印技術和國外還不是一個等級的，技術遠遠不及別人。
這幾年，中國已經(jīng)有一些企業(yè)在生產(chǎn)打印機了，網(wǎng)上就可以買到，價格還是比較貴的。這些企業(yè)的生產(chǎn)團隊都是由從過來回來的技術人組成的，產(chǎn)品質(zhì)量沒有達到外國同行的水平。目前，就現(xiàn)在的生產(chǎn)水平而言，很難滿足大批量生產(chǎn)的商業(yè)生產(chǎn)需求我們需要改進技術已達到生產(chǎn)要求。在中國一些發(fā)達的城市，人民已經(jīng)在使用3D打印技術猥瑣生活服務了，甚至有些已經(jīng)批量生產(chǎn)了。像中國的臺灣和香港，他們比較早就接觸三維成型的技術了，使用他們的技術是比較成熟的，但是每個地方研究側(cè)重的方向不一致，香港就側(cè)重于系統(tǒng)程序的開發(fā)。
在武漢的一家機電公司，他們生產(chǎn)的三維打印機和相應的材料，在市場上就有很多人在使用了。大連理工大學集中在獨立研究新的激光3 d打印技術研究十多年，他們把3D打印技術和過去的制造業(yè)向結(jié)合，能夠更快的生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的效率，2013年開發(fā)大型3 d打印設備尺寸1.8 xl.6米。在北京，有一家自動成型的公司能夠生產(chǎn)較小的零件，主要服務于一些專門需要精密磨具的企業(yè)，彩虹是身體主要用于發(fā)動機，像一些軸類零件之類的，他們的結(jié)構都是比較復雜的。像西北工業(yè)大學和北京航空航天大學主要研究金屬的快速成型技術在飛機等航空方面的應用，并且現(xiàn)在已經(jīng)有產(chǎn)品在這方上的使用了。此外,有很多國內(nèi)3 d打印技術研究小組早期,如北大學聚合物在選擇性激光燒結(jié)陶瓷，覆膜砂在大量的研究工作,并獨立開發(fā)長期激光成形原理；總體而言，國內(nèi)的研究3 d打印技術著重于現(xiàn)有的設備、技術、材料、后處理和其他改進,直接激光成形鈦合金和超高強度鋼組件,和其他領域已經(jīng)達到國際領先水平。
1.2 3D打印的發(fā)展趨勢
1.2.1 3D打印產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展前景
從新聞上我們可以了解到，快速制造行業(yè)權威報告《話雖報告2011》發(fā)表的調(diào)查,這個世界三維打印技術行業(yè)產(chǎn)值從九八年到二零一零年的平均年增長率約26%。這里面提到，三維打印技術產(chǎn)業(yè)在之后還會以一個比較大的數(shù)值增長，到今年年底，這個行業(yè)的產(chǎn)值預計有32億美元，到了2020年將達到53美元，這是報告里面提到的。
現(xiàn)在3D打印技術的在發(fā)展上遇到了一些困難。一方面是印刷材料,3 d印刷目前使用化學聚合物成型材料,選擇的局限性大,可憐的模壓部分的物理屬性,也有一定的安全隱患。接著是打印機的價格比較高，影響了它在市場上的發(fā)展；最后就是生產(chǎn)產(chǎn)品精確度的問題，還打不到工藝上的要求，生產(chǎn)出來的零件和實際要求處在誤差。
Gartner發(fā)布最新的技術發(fā)展前景報告：2011年3 d印刷進入階段的峰值的炒作,技術尚未完全成熟,主流市場還需要進一步培養(yǎng)。Gartner的研究人員認為,在未來的五到十年，三維成型技術能夠在市場上大范圍得到推廣了。在相對較長的生產(chǎn)研究中,該行業(yè)將面臨一些投資和技術上面的風險。
總而言之,從長遠來看3 d印刷行業(yè)有一個更好的未來,但現(xiàn)在的行業(yè)更大的距離成熟階段,人們應該清楚認識當前的市場。因此,產(chǎn)業(yè)投資者們應該注意，他們應該把更多的投資放入到技術的研究和人才的儲備以及在知識產(chǎn)權上面的的保護。就現(xiàn)在而言，投資的風險還是比較大的，因為現(xiàn)在的技術還沒有全面的成熟。
1.2.2 3D打印技術未來發(fā)展的主要趨勢
系統(tǒng)自動化制造技術越來越成功了,新的科技技術、操作技術、成品技術、感知技術、材料技術已全面應用于生產(chǎn)方面，如3?d印刷也會被推到一個更高的水平。在以后,3 d印刷制造將體現(xiàn)主要的發(fā)展趨勢如汽車、聰明、泛化和便利化。
提高機器運轉(zhuǎn)，速率和保證值的3 d打印技術，利用一起打印，不間斷的印刷、大型印刷、很多產(chǎn)品的生產(chǎn)，最終使產(chǎn)品的力學性能和表面粗糙度得到改善，為了實現(xiàn)產(chǎn)品面臨的直接制造；制造出了很多三維技術使用的材料，比如一些現(xiàn)代化的材料，他們具有各種功能，能夠記憶的，對溫度敏感的，有些材料已經(jīng)直接應用在未來的設計上面了;現(xiàn)在的3D打印機為了更加的適合家庭的使用，設計者們在打印機的體積上更加便捷，操作簡單，價格便宜;軟件方面，實現(xiàn)計算機輔助畫圖和計算機輔助工藝過程設計的集成以及快速成型，系統(tǒng)在生產(chǎn)和研究方面有比較好的結(jié)合，實現(xiàn)遠程在線設計師直接連接到控制制造；擴大在生物醫(yī)學，建筑，汽車，服裝，和更有創(chuàng)新結(jié)合的使用。
1.3 發(fā)展創(chuàng)新與突破
3D打印技術曾經(jīng)被某著名的經(jīng)濟雜志用在書面，主要介紹了3D打印機這些年來的發(fā)展過程，如何進入人們的視野，研究的成果以及這個技術在全球?qū)θ藗兊挠绊憽，F(xiàn)在，人們使用這個技術為自己的生活和工作領域服務，三維打印技術激發(fā)了人們更加豐富的想象力。
現(xiàn)在網(wǎng)上已經(jīng)有人使用3D打印機打印出來各種各樣的產(chǎn)品，原料也是豐富多彩的可以吃到西瓜味道的雞腿，3D打印技術的成功地與創(chuàng)新捆綁到一個連接點。
1.3.1 3D打印應用領域的拓展延伸
3D打印技術除了在過去一些行業(yè)上面的使用，現(xiàn)在已經(jīng)在其他領域得到了一些發(fā)展，早在幾年前，3D打印機技術已經(jīng)使用在醫(yī)學領域。它能夠打印人體一些發(fā)雜的器官，其中比較出名的就是人體骨骼的打印，這個對醫(yī)療的貢獻就很大了，可以更好的解決病人的問題。在國外，人們開始嘗試使用打印機直接打印人體的器官了，可以使用細胞作為材料。由此我們可以看到，三維打印技術不但在傳統(tǒng)行業(yè)有很好的發(fā)展，在其他領域也會有更好的發(fā)展。
1.3.2 3D打印速度尺寸和技術日新月異
在五年前，有人就使用了制造出了一臺打印機送絲速度很快，當時就可以達到美妙300mm。同時為了適合打印機在不同辦公室里面使用，打印機一直在變化著自己的打印速度和尺寸。只要不斷突破原有的設計，三維打印技術才有一個更好的未來。
在國外一個大學的研究團隊，他們已經(jīng)研究出來現(xiàn)在最小的3D打印機，小的打印設備意味著打印的精度更高了，打印的零件可以更小了。在德國，一家公司已經(jīng)研究出世界最大的打印機，外形可以達到一間房子那么大?，F(xiàn)在,三維打印技術不斷更新發(fā)展，利用激光三維打印，可以使復雜的3 d模型的形式編織。
1.3.3 設計平臺革新
現(xiàn)在3D打印技術開始往普通人民使用方向研究發(fā)展，研究人員的正在使用的平臺正開始從一些復雜的平臺到一些容易上手，接受程度高的平臺發(fā)展，這中間好比的平臺是基于WEB的3D設計平臺，叫做3DTin。除此之外，在軟件開發(fā)方面的一些老大也開始開發(fā)出了各種各樣的平臺，這對于三維成型的技術來說無疑是一個很好的消息。這使更多的人可以使用好的軟件來設計，使設計的效率更高，更好地服務于這個行業(yè)，甚至一些應用程序都可以通過類似于普通用戶玩樂高設計的3 d模型。
1.4 本文研究的內(nèi)容
（1）了解現(xiàn)在3D打印機基本的工作原理以及當前的發(fā)展現(xiàn)狀。
（2）根據(jù)調(diào)研結(jié)果，針對當前應用比較廣泛的3D打印機進行分析比較，綜合各個結(jié)構的特點，設計3D打印機的構型方案。
（3）根據(jù)現(xiàn)在設計好的方案，對電機出來的主動齒輪、同步帶傳動等進行選型和計算，并進行應力進行校核。
（4）根據(jù)設計好的方案，確定參數(shù)之后，采用繪圖軟件對3D打印機進行總體結(jié)構圖的繪制，并出相應的零件圖。
1.5 研究的意義
建國60年來,我國機械工業(yè),雖然有了快速發(fā)展，有了較好工業(yè)基礎和規(guī)模，能滿足國民經(jīng)濟和人民生活的基本需要。但現(xiàn)在隨著全世界各個國家科學技術的快速發(fā)展,中國是有一定的生產(chǎn)水平和制造水平，和其他的國家想比較，還是存在比較大的差距。因此，中國開始改變傳統(tǒng)的技術，要求技術更好,現(xiàn)在不在是要求產(chǎn)量第一了，而是質(zhì)量第一，這些都已經(jīng)是當前制造業(yè)改革的重點：密切關注傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和改革。機械和電子的結(jié)合，這個方便管理，更加符合國家的政策，我們能夠快速提高生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，改善當前工作的環(huán)境,用來提高制造技術水平，更好實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)和智能發(fā)展。機電結(jié)合是現(xiàn)在發(fā)展的一個新方向，它不但更高產(chǎn)品的產(chǎn)量，還是提高產(chǎn)品的質(zhì)量, 在生產(chǎn)方式的深刻變化和管理系統(tǒng)。本著“先進的機電一體化技術的應用，促進機械和電子行業(yè)的發(fā)展”為目的，機電一體化產(chǎn)品的開發(fā),提高自動化水平的3 d打印機，人工也解放了密集的生產(chǎn)型企業(yè)，更好的提高人民生活的質(zhì)量。
2 3D打印機方案設計
2.1 3D打印機結(jié)構原理
3 d打印機，也稱為3 d打印機,是把材料一層一層疊起來的，是屬于快速成型機器,它是一個依靠電腦來設計模型的數(shù)字文檔為基礎，通常使用專門的材料，比如粉末金屬或塑料粘合材料，在不斷的粘合于冷卻之間創(chuàng)三維對象。3 d印制機是用于制造產(chǎn)品目前階段。打印一個接一個的方式來構造對象的技術。
多層薄層在3 d打印機的形式是多樣的。3 d打印機和我們普通打印機，明顯不一樣的地方是，它里面使用的“墨水”就是最后成型的材料，有把“墨水”層層疊加得到最終的產(chǎn)品，最后產(chǎn)品不一樣，使用的“墨水”也是不一樣的。部分打印機也可以連接不一樣電腦、印刷成品硬和軟的頭的其他接口。
（1）一些3 d打印機使用“墨水”。打印機上面的“墨水”會通過設定好的噴頭向工作臺噴出一層層材料，這些材料經(jīng)過處理之后快速凝結(jié)。成型后托盤下最小的距離，為下一層堆棧。
（2）打印機執(zhí)行了一種名為“沉積成型”,全部過程融化材料噴孔里,接著經(jīng)一段時間過沉積的材料纖維形成設計好的一個薄層。
（3）一些系統(tǒng)使用了一種叫做“激光燒結(jié)、粉末粒子作為印刷媒體。這些粉末粒子噴在成型工作臺上有一層很薄的粉層，最后成特定的造型,接著流出液體膠粘劑固化。
（4）還有的就是正在使用電子流粉末粒子在真空中融化，在面一些很難的空間結(jié)構，最后還要有凝固劑或其他材料提供支持或占用的間隙。這部分粉不會融合,最后只有沖洗水或空氣撐可以形成孔隙。圖2-1就是本次裝料條的線圈。
圖2-1 裝料條的線圈
2.2 3D打印機方案認證
本文設計的3D打印機是一種有并聯(lián)式運動的打印機，這個并聯(lián)式結(jié)構的作用是工作的時候引導噴頭運動。為了確保打印機工作的精度，這個并聯(lián)的機構必須具有良好的運動軌跡，它還要限制噴頭在每個方向的自由度，能保證噴頭在工作平臺上的工作。以此，符合上述要求的運動機構設計方案有兩種，一種是rostock運動結(jié)構，另外一種是就是工業(yè)上使用的并聯(lián)機械手。
方案一：下面圖2-2片展示的就是在工業(yè)上面使用較多的并聯(lián)機械手，從圖上我們可以看出結(jié)構上的三條邊通過完全先攻的運動鏈連接到運動平臺上，在仔細觀察之后，每一個運動鏈有一個具有四個胡克鉸和連桿組成的閉環(huán)平行四邊形，這個主動臂與封閉環(huán)連接在一起，機架和驅(qū)動桿通過轉(zhuǎn)動副連接。這這個平臺的水平由三組平行四邊形保持，這樣就去掉了平臺上面的一些轉(zhuǎn)動自由度，留下空間的自由度。
圖2-2工業(yè)使用的并聯(lián)機械手臂
現(xiàn)在我們要計算上圖機構具有的空間自由度，查閱資料或可以知道由空間機構自由度的計算公式：
（2-1）
n——運動桿數(shù)目
g——運動副數(shù)
——運動副i具有的自由度數(shù)目
在一個工業(yè)聯(lián)軸結(jié)構中，胡克鉸在空間上的自由度數(shù)：2，轉(zhuǎn)動副的自由度數(shù)目為1，由上面的公式有：
n=8，g=9，
由計算結(jié)果可以知道，最終我們得到這個并機械手臂的空間自由度數(shù)目為3。這三個自由度可以在xyz平面上運動，因此這個機構可以運用在3D打印機上面。
方案二：帶有rostock的運動機械機構如下圖2-3所示，從圖上可以看到，這個結(jié)構里面含有的閉環(huán)也是由三組平行四邊形構成，立柱和動平臺是由平行四邊形閉環(huán)連接的。這個結(jié)構和上面的工業(yè)并聯(lián)手臂比較像的，這個機構的轉(zhuǎn)動自由度也是由三個平行四邊形閉環(huán)消除的，同樣的，這個機構也是具有三個屏東的自由度，能夠使用在3D打印機的上面。
圖2-3含有rostock運動機構
列表比較上面的兩個方案，選取最優(yōu)方案。
表2-1兩個方案優(yōu)缺點
結(jié)構復雜程度
控制難易
噴頭平穩(wěn)性
功能實現(xiàn)度
商業(yè)應用度
方案一
復雜
很難
不平穩(wěn)
容易實現(xiàn)
商業(yè)化低
方案二
簡單
容易
平穩(wěn)
實現(xiàn)困難
技術較成熟
通過上面的比較，可以看出來，方案二的架構簡單，容易控制，功能容易實現(xiàn)等，最后本次設計選取的設計方案為方案二。
2.3 打印機總體方案
打印機是由并聯(lián)機器人與打印機頭組合而成，三個方向驅(qū)動源均采用伺服電機帶動皮帶傳動，通過PLC控制三軸協(xié)調(diào)運動，導軌采用光杠，兩端通過螺絲緊固。
設計方案如下圖2-4所示。
2.4 3D打印機的特點
和過去的生產(chǎn)方式相比，三維打印技術具有多方面的優(yōu)點，主要體現(xiàn)如下:
（1）制作精度高。 經(jīng)過這幾十年的發(fā)展，三維打印機打印機出來的產(chǎn)品已經(jīng)達到了一個很高的精度，就當前的市場而言，一般的三維打印機精度都可以達到0.4mm以。
（2） 制作周期短。 和過往的生產(chǎn)過程不一樣的是，現(xiàn)在三維打印不需要制作模型的過程，這使得生產(chǎn)的流程簡化了，這樣，生產(chǎn)的周期就大大縮短了。
圖2-4 3D打印機總體設計圖
（3）可以實現(xiàn)個性化制作。 和過去相比，單位打印機生產(chǎn)的數(shù)量不受限制，過去制作一個模型的時候，要考慮產(chǎn)量是多少，現(xiàn)在不管你是一個還是幾十萬個個，都可以使用三維打印。
（4）制作材料的多樣性。三維打印機的適應性很強，一般情況下，一個系統(tǒng)能夠適應多種材料的使用，這樣三維打印機的使用就更加便捷。
（5） 制作成本相對低。 現(xiàn)在三維打印機生產(chǎn)產(chǎn)品的時候，不需要其他的輔助設備，比如道具或者磨具之類的，它只需要一個系統(tǒng)和相應的材料就可以的，成本就在于這些，所以生產(chǎn)的價格相對低廉。
2.4 本章小結(jié)
本章主要是對3D打印機進行了簡單的概述，給出了3D打印機傳動的總體結(jié)構設計方案，并對方案進行比較，介紹了打印的優(yōu)點以及材料的不一樣，和過去相比較，三維打印機的優(yōu)勢等等。
3 3D打印機設計
3.1設計參數(shù)
（1）產(chǎn)品的成型直徑200mm,成型高度300mm；
（2）3D打印機結(jié)構形式：并聯(lián)；
（3）噴頭直徑：0.4mm。
3.2 3D打印機整體尺寸的計算
設計的參數(shù)要求：打印機工作半徑100mm，產(chǎn)品成型的高度300mm，那么打印機外形的整體尺寸的計算入下面的圖3-1所示：
圖3-1打印機外形尺寸簡化圖
如上如所示的，△ABC為等邊三角形，內(nèi)切圓○o，其中，數(shù)值上OE=OD=OF=100mm，垂直方面OE⊥AB,OD⊥BC,OF⊥AC，由學過的幾何知識可以知道：AB=BC=AC=2AE=2BD=2CF=2OFtan60°=346.41mm，使用打印機下底邊的最小值為364.41mm，但是考慮到零件的安裝和工作的需要，最后選取下底邊的邊長400mm，高度為800mm。
3.3 連桿長度的確定和校核
3.3.1確定連桿的長度
在3D打印機的結(jié)構當中，6根連桿的長度和大小是一樣的?，F(xiàn)在確定連桿的最小值，我們由上面的計算已經(jīng)知道了下底板的長度400mm，當這六根干同時處于同一平面時，這時連桿取到最小值，簡化的模型如下圖3-2如所示：
圖3-2 連桿取最小值時運動簡化模型現(xiàn)在
從結(jié)構的運動過程可以知道，△ABC就是為等邊三角形，我們可以得到邊長之間的關系AB=BC=AC=400mm，從學過的幾何知識知道：CE⊥AB,BF⊥AC，AD⊥BC，O點作為三角形的中心。所以有BO=CO=AO=AD=ACsin60°=0.67x400xsin60°=230.9mm。
保持打印機的底板長度不變，當滑塊位于立柱的最高點時，打印機的噴頭在打印機的的底板處，這時候連桿取到最大值，簡化的運動模型圖3-3如下：
圖3-3 連桿最大長度模型
其中b=800mm，c=230.9mm，由運動學的幾何公式可以知道
（3-1）
故連桿的最大長度值是832.66mm。
綜合上面的計算，連桿長度的取值范圍是230.9mm~832.67mm，但是，考慮到還有其他零件的安裝以及任務書的要求，最終我們的取連桿的出長度是300mm。
3.3.2連桿強度的校核
從打印機的設計方案中可以看出，連桿是運動比較頻繁的零件，所以必須得對連桿的強度進行校核，而連桿在運動的過程中，收到最大的力是拉伸力。連桿選用直徑4mm的45號鋼桿。3D打印機在工作的過程中受到風扇，噴頭，連接塊的質(zhì)量，忽略其他里的作用，連桿兩端的受力相差不大，以此可以把這一模型簡化成二力桿，如圖3-4所示。
圖3-4 連桿的二維模型
由于工作過程，桿的受力不大，去桿兩端的受力大小為20N，從學過的材料力學公式得：
(3-2)
代入相應的數(shù)據(jù)得
==4x20/(3.14x4x4)=1.59Mpa
最后查表知道：45鋼的抗拉強度是600Mpa≥1.59Mpa，故所選的拉桿符合要求。
3.4 電機的選擇
（1）類型的選擇 在設計的時候，我們會根據(jù)不同的要求，選出不一樣的電機，從而達到設計的目的。我們要考慮電機的價格、電機的運動性能、電機的額定功率以及轉(zhuǎn)矩等等，一般情況下，我們使用的是三相異步籠型電機。
（2）功率的選擇 不同的工作場合對電機功率的輸出是不一樣的，使用我們在選擇電機的時候，選擇合適的功率。選擇電機額定功率一般是比實際生產(chǎn)要求的功率稍大一些。
（3）電壓的選擇 在現(xiàn)在的生產(chǎn)上面，我們一般接觸到的交流電壓是220v的，也有110V的。也有一些直流電機，電壓一般是600v到1000v這樣子的。如果供電系統(tǒng)不一樣的時候，還有專門的電機與其相匹配。
（4）轉(zhuǎn)速的選擇 根據(jù)生產(chǎn)時候需要的速度和機械傳動方式不同。我們在拿大設計要求的時候，通過查詢資料確定電機工作時候的額定轉(zhuǎn)速。如果需要轉(zhuǎn)速比較大的電機,電機外形不大，而且質(zhì)量合適，成本不高，一般主動輪的時刻GD較小，所以選擇高速電動機更經(jīng)濟。但制造業(yè)機械速度。電機轉(zhuǎn)速越高。傳動齒輪的傳動比，結(jié)構更加復雜。傳輸損耗越大。因此,綜合考慮上述在確定機器的額定轉(zhuǎn)速。
（5）外觀結(jié)構的電機常用的形狀結(jié)構是開放的，保護,關閉,密封防爆。（1）一般情況下，會在電機的外面會開一個口子，用于電機的散熱。這樣的電機價格低廉，有很好的散熱效果，但是缺點是容易進一些亂七八糟的東西，只能用在干凈和干燥環(huán)境。(2)保護下機架有通風口。不但有很好的散熱系統(tǒng)，對于防止外物進入電機也做很好的防備,但不能防止?jié)穸群统龎m。要求環(huán)境不能是潮濕，氣體是正常的；(3)封閉的機框和端蓋完全關閉。它將自冷,因為風扇冷卻，他風扇冷卻、竹子、通風和密封。如潛水泵；(4)防爆防爆電機基于封閉形式,底盤有足夠的強度。適用于易燃易爆氣體的地方,如采礦、油庫和加油站汽車形狀結(jié)構，應選擇適當形式的保護。
電機的安裝如圖3-4示意圖：
圖3-4 電機安裝示意圖
（6）安裝電動機選擇的當前生產(chǎn)電氣安裝：(1)B3(水平安裝,站的腳。沒有法蘭端蓋)(2)B5(水平安裝，站不腳。端蓋法蘭)(3)B35(水平安裝。站的腳。端蓋法蘭)(4)V1(垂直安裝。不要把腳站,端蓋法蘭)。都有一個伸出兩個指出在單軸和雙軸。根據(jù)電機的生產(chǎn)機械安裝選擇電動機的安裝類型。
（7）電動機選擇按照生產(chǎn)機械的要求。每周工作抽樣與發(fā)動機的實際工作經(jīng)濟。
（8）電動機選擇根據(jù)上述的結(jié)果，選擇機械類型和制造商。
表3-1 電機的比較
伺服電機
步進電機
控制類型
閉環(huán)控制
開環(huán)控制
控制精度
兩相混合式步進電機步距角度一般為1.8°、0.9°，五相混合式步進電機步距角一般0.72°，0.36°。
帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接受131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的買充當了的1/655.
低頻特性
步進電機在低速時候易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。
交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。
矩頻特性
步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，而且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其一般工作速度在300—600r/min.
交流伺服電機為恒力矩輸出，其額定轉(zhuǎn)速一般為2000—3000r/min，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
過載能力
在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作區(qū)間又不需要那么大的力矩，使出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
步進電機一般不具有過載能力，在選型時為了克服這種力矩，往往需要選取較大力矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
運行能力
交流伺服電機系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器進行反饋信號采集，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或者過沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大力矩的電機，電機一般不需要那么大的力矩，一般會出現(xiàn)步進電機的丟步或者過沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
速度響應性能
交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒，可以用于要求快速啟動的控制場合。
步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速，一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)，需要200-400毫秒。
綜上所述，選擇伺服電機驅(qū)動，伺服電機安川SGMPH01A,電機的慣量為0.001
3.4.1電機扭矩的校核
以x軸為例：負載為10kg，負載中心離導軌中心距離為0.05m。
（3-3）
初設帶輪直徑為d=0.22mm，作用在電機上面的力矩為：
（3-4）
外部負荷的負荷轉(zhuǎn)動慣量：
(3-5)
則有：
(3-6)
慣量匹配，滿足設計要求。
由扭矩公式可知
(3-7)
功率為：
所選擇電機額定扭矩已經(jīng)大于上面計算電機總扭矩3倍以上。以此選擇電機扭矩符合設計要求。
3.5 傳動方案的設計
由三維打印機的整體外形尺寸和工作原理可知，里面涉及到的運動主要是兩個點之間的直線運動，能夠滿足這些運動要求的主要皮帶傳動，再者就是螺桿的傳動了，究竟選擇哪種轉(zhuǎn)動呢，我們通過表3-2來進行比較：
表3-2 螺桿傳動與皮帶傳動的比較
過載保護能力
結(jié)構
工作速度
傳動效率
制造安裝精度
緩沖吸振能力
螺桿傳動
無
復雜
較低
較低
較高
無
皮帶傳動
較好
簡單
較高
較高
較低
較好
從上面的對比我們可以看到，皮帶傳動過載能力好，架構簡單，工作速度高，傳動效率較高，使用最終選擇皮帶傳動。
3.5.1 皮帶類型的選擇
皮帶傳動結(jié)構簡單、穩(wěn)定傳輸，可以緩沖振動吸收，可以在大型軸向間距和多軸傳動功率、低成本、易維護,等,廣泛應用于現(xiàn)代機械傳動。過載滑動摩擦帶傳輸能量，低噪音，但比例不準確;確保同步傳輸同步皮帶傳動，但吸收負載變化的能力稍差，高速噪音。除了皮帶傳動的傳動功率，有時也用于運輸包裝，整個列和其他地區(qū)。根據(jù)不同的目的，一般的工業(yè)帶,汽車皮帶、傳動皮帶、皮帶的農(nóng)業(yè)機械和家用電器。摩擦型帶根據(jù)他們不同的點帶的截面形狀、V帶和特殊帶(楔帶,圓皮帶)等等。如果有多個帶可以滿足傳輸?shù)囊蟆?
(1)皮帶傳動的滑動摩擦類型工作，在工作的時候，因為緊張和其相應的微分的差異會有一定外形的改變，造成皮帶損失和驅(qū)動輪的速度。彈性滑動率通常是1% ~ 2%。嚴重下滑，尤其是過載打滑，將這項運動是在一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，效率急劇下降，磨損，嚴重影響帶的生活。
(2)摩擦損失與重復擴張，導向輪的功率損耗由帶體的內(nèi)部摩擦引起的。內(nèi)部的預應力摩擦損失、帶鋼厚度和滑輪的直徑比增加。與張力的變化減少，從而減少摩擦損失。
(3)帶和帶輪工作表面粘附與楔和V，摩擦損失溝剖面。
(4)運行在高速空氣阻力損失，操作風引起的功率損耗。的平方是損失的比例和速度。因此，高速皮帶傳動的設計，應該減少皮帶的表面面積，盡量用厚和薄帶，帶車輪輻條表面應光滑(如橢圓使用)以減少風的阻力。
(5)引起功率損耗的重要因素之一是軸承摩擦損失軸承拉的。
作用。從上面的表達損失,皮帶傳動效率大概80% ~98%范圍內(nèi),打印機傳動設計,根據(jù)帶式選擇。(1):傳動比較平穩(wěn)，防止過度震蕩，外形不復雜，成本低，操作和維護方便、靈活性和彈性,過載打滑。參照上述電機選擇原則，主要抗壓帶輪馬達功率是1千瓦。同步帶主動輪如圖3-5所示，同步帶如圖3-6所示。
圖3-5 連接同步帶的主動輪
圖3-6 同步帶
3.5.2 皮帶的校核
(1)確定計算功率
因為工作過程中有輕微沖擊，我們查機械設計手冊表8-7查可以得到在工作情況系數(shù)，
（3-8）
(2)選擇皮帶類型
根據(jù)、的值，由機械設計手冊可以知道選用A型。
、
圖3-7裝上皮帶的示意圖
(3)計算基準直徑和必要驗證轉(zhuǎn)速
初選帶輪的基準直徑
由機械設計手冊，表8-6和表8-8機械設計手冊，驗證帶速v使用帶輪基準直徑30mm。同步輪工作時候的狀態(tài)如圖3-8所示。
圖3-8 同步帶計算模型
驗算傳送帶速率
（3-8）
帶速符合條件。
計算大帶輪基準直徑
根據(jù)空間尺寸，初步估計帶輪直徑為40mm
確定V帶中心距和基準長度
初定中心距
由公式 （3-9）
得到
計算帶基準長度
由式計算可得
（3-10）
實際中心距和變動范圍
按式計算實際中心距
（3-11）
即中心距變化范圍240mm-285mm。
驗算小帶輪包角
由式可得
（3-12）
支撐軸自鎖性校核
在工作過程中，采用梯形螺母自鎖。
螺紋升角:
（3-13）
當量摩擦角：
（3-14）
因此＜，符合自鎖條件。
工作圈數(shù)校核
螺紋螺距6mm
（3-15）
螺紋螺距6mm
（3-16）
故滿足工作圈數(shù)要求。
3.5.3 帶輪設計
（1）確定計算功率
因為工作過程中有輕微沖擊，我們查機械設計手冊表8-7查可以得到在工作情況系數(shù)，
（3-17）
（2） 小輪的直徑為30mm，齒數(shù)為為24，大輪的直徑是40mm，那么
I= （3-18）
同時，i= （3-19）
所以=32
（3） 帶型的節(jié)距=3，小帶輪節(jié)圓直徑
（3-20）
代入數(shù)據(jù)計算得到
同理可以得到，
3.6立柱的校核計算
3.6.1 拉伸強度的校核
在垂直方向上面，立柱主要受到的力有皮帶的拉力已經(jīng)線圈和料條的重力，綜合這些力在一起，這些力大約為100N，對立柱進行受力分析如圖3-8所示：
圖3-8 立柱兩端的受力圖
根據(jù)拉伸強度的計算公式
（3-21）
在上式中代入數(shù)值等到
8.84xPa =8.8 4MPa
由于，因此立柱的拉伸強度滿足要求。
3.6.2彎曲強度校核
當滑塊運動到立柱的中間位置時候，此時的彎矩最大，受力的簡化模型如圖3-9：
圖3-9 立柱受力彎矩
彎矩的計算公式是
M=Fx （3-22）
根據(jù)上面的的分析得到
M=F18.75Nm
根據(jù)彎矩強度的校核公式
（3-23）
式中 M——受到最大力時候的彎矩；
──許用彎曲應力，對于45號鋼，
（3-24）
代入數(shù)據(jù)計算得W=
==1.09X=10.9MPa≤360MPa
以此彎矩強度和符合設計要求，綜合上面的計算，立柱設計能正常工作。
3.7 螺栓校核計算
（1）已知條件：
螺栓的ss＝730MPa
螺栓的擰緊力矩T=49N.m
（2）擰緊力矩：
在裝配過程中，應擰緊螺栓，增強連接強度。
在裝配和工作的時候，阻力力矩T1和摩擦力力矩T2。在裝配的時候可以使用力矩扳手法控制力矩。
公式：T=T1+T2=K** d （3-25）
擰緊扳手力矩T=49N.m
其中K為擰緊螺栓力矩系數(shù)，為預緊力N d是螺紋公稱直徑mm
表3-3 擰緊螺栓力矩系數(shù)
摩擦表面狀態(tài)
K值
有潤滑
無潤滑
精加工表面
0.1
0.12
一般加工面
0.13—0.15
0.18—0.21
表面氧化
0.2
0.24
鍍鋅
0.18
0.22
粗加工表面
0.26—0.3
取K＝0.28，則預緊力＝T/0.28*10*10-3＝17500N
承受預緊力螺栓的強度計算：
螺栓公稱應力截面面積As（mm）=58m
外螺紋小徑d1=8.38mm
外螺紋中徑d2=9.03mm
計算直徑d3＝8.16mm
螺紋原始三角形高度h=1.29mm
螺紋原始三角形根部厚度b=1.12mm
裝配過程中，擰緊力矩和預緊力同時作用產(chǎn)生拉伸力，同時還要受到螺栓的摩擦力產(chǎn)生切應力，使螺栓處于兩種載荷作用下。
螺栓的最大拉伸應力σ1
（3-26）
=17500N/58*10-6m2=302MPa
剪切應力：
（3-27）
=0.5=151 MPa
根據(jù)第四強度理論，螺栓的計算應力（在預緊狀態(tài)下的）:
（3-28）
強度條件：
（3-29）
代入數(shù)值計算得到= 392.6730*0.8=584
因此滿足要求
預緊力的確定原則：
擰緊后螺紋連接件的預緊應力不能夠超過其材料的屈服極限的80%。
3.8軸承的選用以及設計計算
3.8.1 軸承的組成
軸承軸組件的一個重要組成部分,它的類型、結(jié)構、配置、準確性、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻是直接影響軸組件的性能。常用的軸承滾動軸承和滑動軸承。
滾動軸承摩擦阻力不大,可以嚴格控制,潤滑維護很簡單,可以在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和負載變化范圍下工作。滾動軸承在專業(yè)化工廠生產(chǎn)過程、維修方便選購,開始使用于各個領域。滾動軸承的噪聲,輥有限公司,剛度是可變的,輕微的程度,但總的來說,移動平臺軸組件的情況下,嘗試使用滾動軸承,滾動軸承潤滑脂可以用于一些垂直結(jié)構,避免漏油。由于滾動軸承有很多優(yōu)勢,再加上加工精度的提高,因此,通常移動平臺應該盡可能使用滾動軸承,只請求處理表面粗糙度值和小時與滑動軸承,滾柱軸承根據(jù)輥的結(jié)構分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三類。徑向軸承和推力軸承。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承,推力軸承和徑向和角色?？梢赃x擇軸軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、角接觸球軸承。
3.8.2 軸承特點及其應用范圍
角接觸球軸承用于高速軸、水接觸角不同，α= 25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的速度略低，用于車削、鏜,銑和其他軸；α= 15°轉(zhuǎn)速可以更高，大半的軸向剛度較低,更少的常用的軸向載荷和速度更高的磨床軸或不加載后車，鏜銑主軸軸承。這種軸承的接觸、低剛度。為了提高承載力和剛度更常用的方法。
軸承的精度，分為2，4，5，6，0 5級，2級最高，0級普通精度水平。軸軸承為主,4級(P4)。高精度軸可用P2階段。需要較低的軸或P5級三個輔助支承軸的支持。P6和P0一般不用。另外創(chuàng)建兩個輔助精密級SP(特殊精密水平儀)和(超精密級)。由于加工精度主要取決于軸承的旋轉(zhuǎn)精度,盒體