小型三角洲式 3D打印機機械結(jié)構(gòu)設計 【含三維及5張CAD圖】
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任務書學生姓名： XX 任務下達日期：XX 年 12 月 21 日設計開題日期：XX 年 3 月 24 日設計開始日期：XX 年 3 月 28 日中期檢查日期：XX 年 5 月 6 日設計完成日期：XX 年 6 月 10 日一、一般部分設計題目：小型三角洲式 3D 打印機機械結(jié)構(gòu)設計 二、專題部分設計題目：小型三角洲式 3D 打印機機械結(jié)構(gòu)設計 三、設計的主要內(nèi)容： 對 3D 打印機進行總體方案設計及可行性論證；在此基礎(chǔ)上，完成傳動系統(tǒng)、工作臺、擠出機構(gòu)等具體結(jié)構(gòu)的設計與計算；繪制 3D打印機總裝圖和打印托盤、打印噴頭、帶輪等部分主要零部件圖；完成 3D 打印機三維實體設計；編寫 1.5 萬字以上的畢業(yè)設計說明書。對 3D 打印機的整體結(jié)構(gòu)進行設計及論證可行性；在此基礎(chǔ)上，對打印機的傳動絲桿、滾動導軌、聯(lián)軸器等相關(guān)部件進行選型及校核，繪制 3D 打印機的總裝圖、打印噴頭裝配、絲桿、噴頭等主要零部件圖；完成 3D 打印機的三維實體設計；編寫 1.5 萬字左右的畢業(yè)設計說明書。 四、設計目標： 完成 3D 打印機機械結(jié)構(gòu)設計，其中噴頭最大運行速度：80mm/s，Z 向定位精度：0.01mm;噴頭定位精度：0.005mm; 成型空間：200×200×200mm;整體尺寸：600×500×400mm ；完成 3D 打印機三維實體設計。指 導 教 師： 唐慶菊 院（系）主管領(lǐng)導： 2015 年 12 月 21 日I小型三角洲式 3D 打印機機械結(jié)構(gòu)設計 摘 要隨著新興技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)在近幾年得到了高速的發(fā)展，其中也包括了 3D 打印技術(shù)。為提高快速成型技術(shù)的應用水平，快速高效的處理已成為 3D 打印技術(shù)發(fā)展的新課題。在分析 3D 打印機的發(fā)展概況、基本原理的基礎(chǔ)上，提出了三角洲式 FDM 3D 打印機的總體設計方案，并對 3D 打印機的機械結(jié)構(gòu)進行了設計，主要包括：框架設計、傳動裝置設計、送料裝置、電控元選擇等方面，此外對關(guān)鍵零件進行了校核。通過提高噴嘴的精度，提高了射流精度。傳動部分采用滑動螺桿與滾動導軌相結(jié)合，保證傳動精度提高傳動效率。使用線性步進電機直連絲杠，使響應更加準確、快速，簡化了中間傳動環(huán)節(jié)，使精度更高。關(guān)鍵詞：3D 打印技術(shù)；并聯(lián)機床；傳動機構(gòu)；步進電機；噴頭IIAbstractWith the development of emerging technologies, reverse engineering technology has been developed rapidly in recent years, including the 3D printing technology .And now 3D printing technology has been widely used in the field of mechanical manufacturing. To improve the application level of rapid prototyping technology and fast -efficient processing has become a project of 3D printing technology.To analysis the development of the 3D printer, we put forward the overall plan of design of the delta type FDM3D printer based on the ultimate principle, and to design the mechanical structures of the 3D printer , including frame design, transmission design, feeding device, control element selection. Furthermore the key parts have been checked. Printing precision has been improved by improving the accuracy of nozzle; With form of combining the sliding screw and rolling guide in the transmission part is not only ensure the transmission accuracy, improved the transmission efficiency, used the linear stepper motor that directly connected with screw but also made the response more accurate and fast. with no intermediate transmission links, the mechanical structure is simplified. and made a higher precision. Key words: 3D printing technology; parallel machine tool; transmission mechanism; stepping motor; nozzleIIIIV目 錄摘 要 ..............................................................IAbstract...........................................................II第一部分 本科畢業(yè)設計調(diào)研報告 ......................................51.1 概述 .......................................................51.2 學生、教師簡介 .............................................51.3 調(diào)研時間及調(diào)研形式 .........................................61.4 調(diào)研企業(yè)及其概況 ...........................................61.5 調(diào)研內(nèi)容 ...................................................61.5.1 課題所涉及技術(shù)領(lǐng)域的基本情況 .........................61.5.2 該項目的設計方法、研發(fā)手段、技術(shù)特點均與項目或結(jié)構(gòu)有關(guān)81.5.3 現(xiàn)階段存在的技術(shù)問題 .................................81.5.4 市場需求及產(chǎn)品應用前景分析 ...........................91.5.5 結(jié)論 ................................................10第二部分 本科畢業(yè)設計可行性論證報告 ...............................112.1 設計課題要達到的設計目的 ..................................112.2 調(diào)研結(jié)論 ..................................................112.3 方案設計 ..................................................122.4 設計方案論證 ..............................................132.4.1 技術(shù)方面 ............................................13V2.4.2 制造方面 ............................................132.4.3 經(jīng)濟性方面 ..........................................132.4.4 現(xiàn)有的知識儲備方面 ..................................132.4.5 結(jié)論 ................................................14第三部分 畢業(yè)設計計算書 ...........................................143.1 打印機框架整體設計 ........................................143.1.1 打印機框架尺寸設計 ..................................143.1.3 連桿的強度校核 ......................................163.2 擠出部件設計 ..............................................173.3.1 絲杠的選取及其校核 .......................................203.3.2 螺桿的設計 ...............................................213.強度校核 .................................................223.3.5 銷的計算及校核 ...........................................26參考文獻 ...........................................................28致 謝 .............................................................296第一部分 本科畢業(yè)設計調(diào)研報告1.1 概述3D 打印，作為一種制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的新的趨勢， 3D 打印集材料、設計、制造一體化，其未來的發(fā)展和影響程度可能會遠遠超出我們的想象。就像過去3D 打印的優(yōu)勢一直被認為是在制作樣機或是特殊零部件方面，但是隨著各種新材料和技術(shù)進步，3D 打印完全可以勝任都市制造的生產(chǎn)需要。它對傳統(tǒng)設計理念和機理的顛覆，或許正是像深圳這樣制造業(yè)發(fā)達區(qū)域向下一階段制造業(yè)高地轉(zhuǎn)型支柱領(lǐng)域。在 IMTS 上，由 3D 打印零部件組裝的汽車，從眾多展品中脫穎而出，大量吸引人們的眼球，其都得益于 3 D 打印技術(shù)的成就，機器和運動控制技術(shù)的使用，以及在材料科學取得的進展。汽車車身材料為碳纖維增強聚合物，車輪和輪轂則由金屬材料直接打印而成。整個過程花費 44 小時，包括 40 個部件。當打印完成后，首款 3D 打印車試駕吸引了眾多媒體關(guān)注和報道。那年的 IMTS 展覽上，Cincinnati 公司的 BAAM 的系統(tǒng)被用來生產(chǎn)、設計、打印 3D 打印汽車。從此，隨著科技的快速發(fā)展及進步，我們的生活水平也隨之不斷地提高，同時，人口的增長也在急劇增長，我們需要越來越多的商品來滿足物質(zhì)生活的條件。這必然會導致對物品的要求越來越高，這將受到廣大群眾的喜愛，以及精品、獨特和非量項目?，F(xiàn)在，3D 打印技術(shù)應廣泛應用于醫(yī)療行業(yè)、科研、產(chǎn)品模型、建筑設計、制造和食品。1.2 學生、教師簡介學 生 簡 介姓名 專業(yè) 班級 學號郭垚 機械設計制造及其自動化 機械 13-9 班 2013023477指 導 教 師 簡 介校內(nèi)外教師 姓 名 工作單位 專 業(yè) 職 稱學校教師 唐慶菊 黑龍江科技大學 機械制造 副教授7企業(yè)教師 王義新中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司機械制造 高級工程師1.3 調(diào)研時間及調(diào)研形式調(diào)研時間：2016 年 2 月 29 日~3 月 25 日調(diào)研形式：前往黑龍江科技大學實訓中心以及圖書館和在網(wǎng)上查閱各種資料，觀察了 3D 打印機的機械結(jié)構(gòu)和工作形式，并拍了許多照片和視頻，同時也做了大量的測繪，對 3D 打印機的機械結(jié)構(gòu)設計及工作原理有了初步的了解。1.4 調(diào)研企業(yè)及其概況黑龍江大學科技工程實訓與基礎(chǔ)實驗中心是一所以實踐教學為主的教學單位，成立于 2006 二月，教學面積約有 19000 平方米，包括利用奧地利政府貸款引進的具有歐洲資質(zhì)的數(shù)控培訓設備在內(nèi)的各種儀器設備總價值 4000 余萬元，各類教職員工 95 人，中心由工程實訓基地、物理實驗室、機械實驗室、電工電子技術(shù)實驗室、數(shù)控實訓室、工程教育部、6 個基礎(chǔ)教學機構(gòu)圖 1-1 調(diào)研圖片1.5 調(diào)研內(nèi)容1.5.1 課題所涉及技術(shù)領(lǐng)域的基本情況3D 打印機所涉及的領(lǐng)域主要是制造業(yè)。經(jīng)過長時間的探索和發(fā)展， 3D 打8印技術(shù)已經(jīng)走過了漫長的道路，并已能夠?qū)崿F(xiàn) 600 分辨率的單層單層厚度為0.01 毫米。目前國際上較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時 25mm 厚度的垂直速率，并可實現(xiàn) 24 位色彩的彩色打印 [5]。目前，在全球 3D 打印機行業(yè)，美國 3D Systems 和 Stratasys 兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額 [6]。3D Systems 公司在 2011 年 11 月收購了 3D 打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者 Z Corporation 公司之后，3D Systems 奠定了在 3D 打印領(lǐng)域的龍頭地位 [5]。Stratasys 公司 2010 年與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了 OEM 合作協(xié)議，生產(chǎn) HP 品牌的 3D 打印機 [5]。繼 2011 年 5 月收購 Solidscape 公司之后，Stratasys 又于 2012 年 4 月與以色列著名 3D 打印系統(tǒng)提供商 Objet 宣布合并。當前，國際 3D 打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起 [5]。在歐洲和美國的發(fā)達國家，3D 打印已經(jīng)開發(fā)出成功的商業(yè)模式。如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型 [8]。國內(nèi) 3D 打印技術(shù)起步晚。但是自 3D 概念一出，立即受到了熱捧，3D 打印技術(shù)近年來在國內(nèi)日趨升溫；據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2012 年中國 3D 打印市場規(guī)模約為 10 億元，2013 年翻了一番達到 20 億元 [9]。但是與美國、德國等發(fā)達國家相比，中國的 3D 打印產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，國內(nèi) 3D 打印應用仍主要停留在科研階段，并未實現(xiàn)在工業(yè)及個人消費領(lǐng)域大規(guī)模推廣 [10]。經(jīng)過許多年的探索和發(fā)展，3D 打印技術(shù)已經(jīng)走過了漫長的道路，并已能達到 600dpi 的分辨率和 0.01 毫米的單層厚度進行打印。目前國際上較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時 25mm 厚度的垂直速率，并可實現(xiàn) 24 位色彩的彩色打印。目前，在全球 3D 打印機行業(yè)，美國 3DSystems 和 Stratus’s 兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。此外，在此領(lǐng)域具有雄厚的技術(shù)實力，企業(yè)特點和研發(fā)團隊等。當前局勢就是，國際 3D 打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。3D 打印使用的另一個領(lǐng)域是消費品行業(yè)。作為一家在紐約創(chuàng)意消費品公司通過網(wǎng)絡設計方案離奇為用戶，用 3 D 打印技術(shù)制作有形產(chǎn)品并通過電子市場銷售，每年推出60 種創(chuàng)新產(chǎn)品，營收達 100 萬美元。91.5.2 該項目的設計方法、研發(fā)手段、技術(shù)特點均與項目或結(jié)構(gòu)有關(guān)設計方法：用 SolidWorks 軟件對 3D 打印機進行三維圖的設計。其次，利用 AutoCAD 設計了二維圖，完成了畢業(yè)設計指導書的編寫。研發(fā)手段：參考國產(chǎn) 3D 打印機著名品牌極光爾沃 Z603S 打印機的機械結(jié)構(gòu)，根據(jù)市場的需求及設備的結(jié)構(gòu)性能進行設計。技術(shù)特點：主要對 3D 打印機的機械結(jié)構(gòu)及傳動結(jié)構(gòu)進行設計，使結(jié)構(gòu)更加簡單，同時又能完成以前相同的工作，并且造價更加便宜。其他裝置：①加熱裝置②機械傳動裝置③送料裝置④控制元件和⑤機架等裝置。1.5.3 現(xiàn)階段存在的技術(shù)問題1. 高成本和耗時時間長3D 打印仍然是一項昂貴的技術(shù)。因為制作材料因素 ，使得 3D 打印變得高本低收的局面，制造效率不高。2.規(guī)模生產(chǎn)沒有優(yōu)勢由于這種技術(shù)具有分布式制造的特點，它沒有大量的生產(chǎn)加工的優(yōu)勢。目前，3D 印刷還沒有取代傳統(tǒng)的制造條件，批量，規(guī)模等，高效率和低成本的傳統(tǒng)方法減少材料制造?，F(xiàn)在看來 3D 打印不可能取代大規(guī)模生產(chǎn)。除了 3D 打印也是沒有直接生產(chǎn)復雜的復合產(chǎn)品，如汽車，即使該技術(shù)取得了重大進展，未來，所有的印刷是一個汽車需要幾個月，成本遠遠高于大規(guī)模生產(chǎn)汽車去一半對每個汽車的成本。因此，對于大量剛性需求的生產(chǎn)，它具有大規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢仍然集中在“個性化，定制”3D 打印生產(chǎn)模式更經(jīng)濟。3.打印材料受到限制雖然許多 3D 打印材料已經(jīng)創(chuàng)建，同質(zhì)化和異質(zhì)性，新材料仍然需要，一些新材料正在開發(fā)中。這種需求包含兩個層面，一是不僅需要對已經(jīng)得到應用的材料—工藝—結(jié)構(gòu)—特性關(guān)系進行深入研究，以明確其優(yōu)點和限制；二是需要開發(fā)新的測試工藝和方法，以擴展可用材料的范圍。4.精度和質(zhì)量問題10因為加工原理和傳統(tǒng)的技術(shù)還不完善，發(fā)展慢，印刷精密成型零件（包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度）、物理性能（如強度、剛度、耐疲勞性、等）和化學性質(zhì)如大多不能滿足實際工程的需求，不是一個功能部件，只能做原型的使用，所以其應用將被打折扣。同時，因為 3D 打印機打印材料的加工技術(shù)，層疊式的打印方式 ，不能和整體鑄造件傳統(tǒng)的模具，以及零件的材料組織和結(jié)構(gòu)決定了零件的性能。（1）是設計工具需進一步優(yōu)化，3D 打印要求開發(fā)和廣泛運用計算機輔助設計（CAD）工具 [6]；（2）是可用材料需持續(xù)拓寬，目前的可用原料還不多，需逐步從樹脂、塑料擴展到陶瓷、金屬，乃至最新的金、銀以及強度極高的鈦和不銹鋼等材料發(fā)展 [6]；（3）是生產(chǎn)過程需要加強工藝控制；（4）造價成本過高。1.5.4 市場需求及產(chǎn)品應用前景分析隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，印刷材料的更新?lián)Q代，信息、控制等技術(shù)的飛速發(fā)展。未來，3D 打印技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出精細化、智能化、概括化和方便化的發(fā)展趨勢。增強速率和打印的精度，利用連續(xù)打印，印刷大，多種材料的打印工序，實現(xiàn)提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量性能。開發(fā)了 3 多種 3D 打印材料，智能材料、功能梯度材料、納米材料、材料、材料和復合材料，特別是金屬材料成形技術(shù)，在未來的研究方向和熱點領(lǐng)域有著潛在的應用前景；3D 打印機是小型化、桌面化、體積更便宜、操作更方便、更能適應專業(yè)分銷、生產(chǎn)、設計和制造一體化的需要，并且需要家庭應用；將在生物醫(yī)藥、建筑等領(lǐng)域創(chuàng)新應用的車輛，服裝，等等。航空航天與國防：在 GE 中國研發(fā)中心仍在三維印刷工程師。就在那之前，其普通的打印機打印了飛機引擎的重要部分。和傳統(tǒng)的打印制作比較，減少了30%的零件成本，縮小 40%的生產(chǎn)時間。由于無法慶祝成就，他們匆匆忙忙地踏上新的征程。醫(yī)療保健行業(yè)： 3D 打印機頜骨，作為人體骨骼的 3D 打印產(chǎn)品，在 14 年已經(jīng)出現(xiàn)了該技術(shù)，但目前為止還在完善中。建筑設計：在施工中，工程師和設計師接受了 3D 打印機的建筑模型，速度快，成本低，環(huán)境友好，美觀。這完全取決于設計師，同時可以節(jié)省大量的材料。食品工業(yè)：是的，它是“打印”食物。研究人員已經(jīng)在嘗試打印巧克力。11也許在不久的將來，許多看起來一模一樣的食物是“打印”出來的食品 3D 打印機。當然，到那時可能會貴很多倍。1.5.5 結(jié)論3D 打印技術(shù)：首先，利用三維設計軟件進行實體造型的設計，形成三維實體模型，用一定厚度的圖層生成二維截面信息，然后根據(jù)每個圖層的橫截面信息，使用不同的方法來生成截面形狀。這個過程重復一遍又一遍，層層堆疊起來形成三維實體。層的厚度可以相等或不同。層越薄，部件精度越高。層疊式融合技術(shù)是最常用的技術(shù)之一。3D 打印機的工作原理如圖 2 所示，1 電線送到淋浴頭，這是加熱熔化，和印刷材料從噴嘴擠出粘在臺面上，然后迅速冷卻和凝固。當其中一個部分被打印時，工作臺將降低前一個打印的高度，然后移動到下一級打印。這個循環(huán)重復，直到整個實體完成。通過此次調(diào)研，讓我對 3D 打印機設備制造這個行業(yè)有了一定的認識。了解了 3D 打印機設備的發(fā)展歷程，國內(nèi)外存在的差距和未來的發(fā)展趨勢。對 3D打印機也有了清楚的認知。通過與老師的交流和老師的介紹還有所查閱的資料，對 3D 打印機的的機械結(jié)構(gòu)和工作原理及其在實際工作工程中所產(chǎn)生的一些問題及缺陷所以這次的調(diào)研對我所設計的 3D 打印機有非常大的幫助。12第二部分 本科畢業(yè)設計可行性論證報告2.1 設計課題要達到的設計目的設計參數(shù)：最大運行速度：80mm/s，Z 向定位精度：0.01mm;噴頭定位精度：0.005mm;成型空間：200×200×200mm;整體尺寸：600×500×400mm；2.2 調(diào)研結(jié)論通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn) 3D 打印機在如今的中國還是具有很大的發(fā)展前景。 3D打印機能快速打印成型制造出新的模型以及模具，使得他們的產(chǎn)品和科研速度加快，很符合中小企業(yè)以及各類大中院校的發(fā)展，在當今社會上有很多喜歡DIY 的人，他們喜歡制作各類的小東西，此 3D 打印機也能滿足他們的需求。所以市場還是很廣闊的。了解市場，把理論與實際緊密結(jié)合才能設計出滿足市場需求，有發(fā)展前景的 3D 打印機。所以在此課題設計中掌握好設計方法，弄13清楚 3D 打印機的機械結(jié)構(gòu)和工作原理是設計成功的關(guān)鍵。2.3 方案設計(1) 方案一三角洲結(jié)構(gòu)這一類結(jié)構(gòu)機身側(cè)邊是一個三角形，三角形底部是放成型平臺的地方。它的工作原理是，X 軸移動的平面上的兩個 Z 軸電機在活動，而 Z 軸重疊的垂直中心線的機身形成三角形。打印機圍繞 Y 軸移動，熱床圍繞 Y 軸移動。所以需要特別注意打印對象和熱床之間的粘合。圖 2-1 方案一示意圖(2) 方案二 矩形結(jié)構(gòu)式其結(jié)構(gòu)與機械中的數(shù)控銑床很是類似。三軸位置承接的三個尺寸，噴嘴在設計尺寸上可以達到任意位置，從 3D 到印刷過程的發(fā)展，這類機器是開發(fā)出比較完整的機器，商業(yè)化程度最高。其工作原理為：成型平臺移動是沿 Z 軸移動的，噴頭可以沿 XY 兩方向做成型運動。14圖 2-2 方案二示意圖2.4 設計方案論證2.4.1 技術(shù)方面方案一優(yōu)點為速度較快，精度較高，結(jié)構(gòu)簡單，適合 DIY.缺點為所占據(jù)的空間較大，穩(wěn)定性較差，所以這種結(jié)構(gòu)適合在有固定場所使用。方案二其優(yōu)點為精度較高，速度較快，較為成熟穩(wěn)定，可搭載多噴頭。但是它的成本比較昂貴，調(diào)試復雜，容易損壞，維修困難等確定。2.4.2 制造方面打印機的機架采用的是鋁合金材料，采用機械加工方法；其余的標準件都采用采購的形式，絲杠采用絲杠螺母；國家已標準化采用采購形式；外殼的材料選用塑性材料，制造方法采用激光切割。2.4.3 經(jīng)濟性方面在制造成本上，方案二比方案一高，方案二所采用的大功率的驅(qū)動電機成本較高。并且后期的調(diào)試比較復雜，維修較為繁瑣，綜合來看方案一性價比要比方案二高。所以方案一要優(yōu)于方案二。2.4.4 現(xiàn)有的知識儲備方面在調(diào)研過程中了解到 3D 打印機的原理及組成，所以在設計 3D 打印機時，對重要部件進行一設計計算，例如：絲桿、螺桿、軸承、聯(lián)軸器等。152.4.5 結(jié)論通過以上的分析，可得出方案一的結(jié)構(gòu)設計理論較為合適，并符合設計要求，并且其制作成本更低，滿足市場需求。則采用方案一。第三部分 畢業(yè)設計計算書3.1 打印機框架整體設計3.1.1 打印機框架尺寸設計原始成形尺寸：200×200mm，高度 200mm。整體尺寸計算模型如 Error! Reference source not found.所示，等邊?JHG 為圓 P 的外切圓，其中16|PQ|=|PK|=|PL|=100mm，GK⊥HJ，HL⊥GJ，JQ⊥GH，則可以得到|HG|=|GJ|=|HJ|=2|HK|=2|PK|tan60°=346.41mm考慮到零件結(jié)構(gòu)和安裝以及任務書的要求，正三棱柱的底邊邊長取 400mm，高度值取 600mm。圖 3-1 打印機整體尺寸模型3.1.2 連桿長度羅斯托克運動機構(gòu)的簡化模型如圖 3.2 所示。可知當 6 根桿在一個面上時，處于極限位置，取得連桿的最小值。3.2 簡化模型17由工作原理可知，三角形 ABC 具有等邊關(guān)系，|AB|=|AC|=|BC|=400，其中CF⊥AB,AD⊥BC,BE⊥AC,由等邊三角形的三線合一性質(zhì)可得，O 點為三角形 ABC的中心。則|AO|=|BO|=|CO|=0.67|AB|sin60°=0.67×400 sin60°=230.94mm，則直接為 6 的連桿長度最小值是 230.94mm。為了保持打印機的外觀，三棱鏡的尺寸保持不變，當滑塊位于三棱鏡時，打印機底座上的噴嘴的最高點時，在另一個極限位置，連桿的長度取得最大值，現(xiàn)將 rostock 運動機構(gòu)的簡化模型如圖 3-1 所示圖 0-1 連桿最大化后的簡化模型3.1.3 連桿的強度校核在小型三角洲 3D 打印機中除了連桿外各個部件所承受的載荷均很小，所選用的材料的強度均滿足要求；連桿在運動過程中可能受到一定程度的拉力，因此應檢查連桿的強度。在本設計中，鏈接是由 304 不銹鋼棒直接到 6mm。連桿的工作過程和打印機噴嘴的質(zhì)量是非常小的，并且在連接桿的強度的影響可以忽略不計，和張力的大小是不連接在連接桿的兩端，使連桿可以等效為兩力，對第二力桿徑 10 N端的力在本設計中，連接桿采用 304 不銹鋼棒直接 6mm。此二力桿兩端所受力大小為 10N。由材料力學中的軸向拉伸于壓縮的強度公式計算得：18通過查找機械設計手冊可以得出： ，故足夠滿足設計的要求。3.1.4 機械結(jié)構(gòu)傳動裝置設計由打印機的整體尺寸和工作原理可知，該處的傳動屬于遠距離直線傳動，可選用的傳動方案有螺桿傳動和皮帶傳動，兩種傳動的優(yōu)缺點比較如表 2 所示。\綜合考慮 3D 打印機的各個方面情況，本設計中的傳動方案選擇皮帶傳動。皮帶傳動分為普通 V 帶傳動和同步帶傳動，兩種傳動的比較如表 3 所示。傳動的平穩(wěn)性和精準性對于保證打印機的工作精度和速度是至關(guān)重要的，從表2 可知，同步帶與 V 帶相比傳動更加平穩(wěn)和準確，因此本設計選用同步帶傳動，由機械設計手冊選取 MXL 型同步帶和 MXL 型同步帶輪。本次設計的傳動方案選擇同步帶傳動，從本打印機的整體設計考慮，同步帶是打印機中最易損壞零件，同步帶的工作壽命決定了整臺打印機的工件時間，所以有必要計算下同步帶的工件壽命[2][3]。同步帶的壽命與多種因素有關(guān)，主要是: 皮帶的強度和耐磨性，應力周期特性，以及最大工作載荷的幾何特性。在出現(xiàn)同步帶疲勞壽命19或齒面磨損的形式時，可以說明同步帶已經(jīng)失效了，所以疲勞壽命成為同步帶的操作指標。3.2 擠出部件設計3.2.1 偏心聯(lián)軸器設計單螺桿泵的工作原理是在單螺桿的定子軸線上旋轉(zhuǎn)偏心單頭螺桿的轉(zhuǎn)子（螺桿）。在傳動軸和螺桿之間需要有個偏心聯(lián)軸器連接。本設計是為了簡化設計和設計偏心聯(lián)軸器的基本結(jié)構(gòu)。如 圖 3- 2 所示，螺釘有一個螺紋，其任意截面是一個半徑為 R 的圓，,截面的中心位于螺旋線上且與螺桿的軸心線偏離一個偏心距 e，繞軸旋轉(zhuǎn)且沿軸向移動而形成的 [17]圖 0-2 偏心聯(lián)軸器3.2.2 傳動軸根據(jù)擠壓頭的設計，電機輸出軸聯(lián)軸器連接后，再傳遞到軸，需要在軸上有一個軸承，軸的設計如圖 3.5 所示，L1 節(jié)段連接接頭，L2 段用于軸承支撐，L3段連接偏心聯(lián)軸器。圖 0-3 傳動軸203.2.3 螺桿設計螺桿的嚙合的螺桿和機筒與螺桿之間的間隙是位于小之間的關(guān)鍵部分，彼此在泵腔內(nèi)，形成多個空間轉(zhuǎn)彎，下室應 V 增大，呼吸在溶液中，然后關(guān)閉；關(guān)閉腔沿軸的推動下，形成了新的吸入側(cè)，和個人的封閉腔的動作，和流體不斷被擠出。螺桿結(jié)構(gòu)如 圖 3-4 所示，螺桿的直徑（D）與長徑比（L/D）是螺桿的基本參數(shù)[18]。圖 0-4 螺桿3.2.4 擠出裝置的整體擠壓裝置的原理是利用空間嚙合的螺桿泵熔化的巧克力轉(zhuǎn)移。螺桿的位置可分為兩種類型：水平和垂直。本設計所用到的是單螺桿立式安裝，整體設計就如 Error! Reference source not found.所示。213.2.5 溫度傳感器溫度傳感器按工作原理分為接觸式和非接觸式，它們的比較如表 7 所示。由上表分析，接觸式溫度傳感器的特別適合 1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，接觸式溫度測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維修方便、價格低廉，容易形成多元化的濃度的測量與控制系統(tǒng)；接觸溫度傳感器用于 1000°C 時誤差很大，所以選擇非接觸式的較為合適。其中，熱敏電阻的鎳的有效溫度測量范圍在-150-300℃，精度在 0.2%-0.5%之間，標準化程度高，精度及靈敏度均較好，對于本設計來講鎳更加適合作為溫度傳感器。3.2.6 機械位置傳感器機械位置傳感器的采用壓力傳感器，用于檢測噴嘴的三色染料用量對膠的用量，以及現(xiàn)狀進行印刷原材料。當事情不夠，反饋和提醒用戶添加油漆，膠水或原材料?？紤]到各因素的影響，采用電位器來測量并達到較高的精度。3.3 重要零件的選擇、設計和校核3.3.1 絲杠的選取及其校核1.絲杠的選取滾珠絲杠副已標準化，所以只需選擇正確的模型。滾珠絲杠的負載包含了由印刷材料引起的重力和摩擦力。根據(jù)機械設計手冊可以得出絲杠轉(zhuǎn)速不宜太高，在 10~30r/min 即可。因為打印機的結(jié)構(gòu)特性，設定為額定動載荷，設計其精度為 3 級，可靠性為 90%。其中從資料上可得出精度系數(shù) ，可靠系數(shù)1?af，載荷系數(shù)1?cf 2.1?wf根據(jù)機械設計[4]中的絲桿選取表，取滾珠絲杠的直徑 d0=16mm，選用滾珠絲杠螺母副型號為 3216-2，其額定負荷為 10766N，大約能承受 1000kg 的重量，對于小型三角洲 3D 打印機足夠用。2.絲桿的校核和電機的確定滾動導軌的絲桿的直徑為 16mm，則所需力矩為102???FT22計算得： N·m05.126.??T考慮滾珠絲杠副摩擦和轉(zhuǎn)動慣量等因素，同時，步進電機轉(zhuǎn)速變化時應保證恒轉(zhuǎn)矩，因此安全系數(shù) 3 更可靠、更合適，所以電機轉(zhuǎn)矩是N·m0165.35.0??故選步進電機型號為 LC57HS0601 步進電機，其靜力矩為 0.065N·m，步矩角 0.9°，相電流 0.5A，重量為 0.12kg，尺寸為 mm。207?3.3.2 螺桿的設計螺桿的材料選擇 38CrMoAIA 鋼。單螺桿擠出機螺桿的基本幾何關(guān)系如 圖 4-5 中。決定螺桿的性能因數(shù)是螺桿的幾何結(jié)構(gòu)。因此設計出合理的幾何形狀及尺寸即可得出所需螺桿。圖 0-5 螺桿幾何結(jié)構(gòu)1. 螺桿的徑向尺寸由傳動比計算螺桿的直徑是螺桿的外徑，公稱直徑與氣缸直徑相同。螺桿的直徑是螺桿擠出的公稱尺寸。這是因為螺桿的直徑越大，機床的輸出越高，螺桿的直徑就可以估算出機床的容量。取 Ds=32 mm。上筒內(nèi)徑與螺桿外徑之間存在徑向間隙。顯然，有以下關(guān)系 ：(3-6))(21rbfD???代入數(shù)據(jù)得： .0)6.3(5.0??f?23機床的螺紋表面和內(nèi)孔可以形成近似矩形的物料流道，通常稱為螺旋槽。螺槽內(nèi)容料體積的參數(shù)決定螺槽深度 H。當忽略徑向間隙時，螺旋深度為螺紋高度。2.螺桿的軸向尺寸螺桿具有普通螺紋導程和螺旋角的通用元件—螺紋導程 S 和螺旋角 。導程?S=32 mm。大多數(shù)的單螺桿擠出機配備了單線程的螺絲，所以間距等于鉛。螺旋角將螺釘?shù)膹较虺叽缗c軸的尺寸相連接，并具有以下關(guān)系： (3-7)bDS???tan代入數(shù)據(jù)得： 318.024.3tan???即螺旋角 ?67.1螺旋軸的寬度 B 是螺桿軸的寬度。同樣，螺桿的軸向?qū)挾仁?b=4 mm 和螺距有以下關(guān)系：mm2843???bS定義螺槽法向?qū)挾?W 以及螺棱橫向?qū)挾?e，分析得出式子：(3-8)??cos)(cosB代入數(shù)據(jù)得： mm mm .276.1s28 9.3b3.強度校核已知螺桿材料為 38CrMoAIA 鋼，許用應力[] MN/m2，機頭的壓力??78??P=10 MPa，螺桿的最高轉(zhuǎn)速 ，驅(qū)動電機功率為 1.5 kW，驅(qū)動裝置min/0r?效率 。95.0??4.計算軸向力由常規(guī)螺桿的經(jīng)驗關(guān)系式：(3-9)PAPa)lg094.35.4(??帶入得： MN069.1842???由式(3-10)rayA??計算壓應力：MN/m27.246.5109.0??y由式(3-12)?max4nNM?計算扭矩：24N·m2495.08954???Mn由式(3-13)61nW?計算剪應力：MN/m24.720.5249638????由式(3-14)??????2r計算螺桿強度：MN/m29.146.7.422??????校核結(jié)果：螺桿強度符合要求。5.剛度校核根據(jù)螺桿的材料為 38CrMoAIA 鋼， ， GN/m2，螺桿的許用3.0??E扭轉(zhuǎn)角 。??m/1???由式(3-15)??????4)1(67EDMn計算扭轉(zhuǎn)角：?????????m/46.01802)3(951674校核結(jié)果：剛度符合要求。3.3.3 軸的計算和校核在此次設計中設有多根軸，例在進給結(jié)構(gòu)中設有 3 根絲桿軸，擠出機構(gòu)中有 1 根傳動軸。由于擠壓裝置中的軸垂直安裝，載荷小。該軸結(jié)構(gòu)簡單，無需校核其剛度和強度。在本設計中，XYZ 的精度要求很高，軸的長度較大。比較XYZ 軸所受載荷的大小，YZ 軸的安裝都是豎直的，所以其受的載荷相對 X 軸的工作臺要小些。且絲桿軸主軸軸僅考慮彎曲變形。在這里，我們選擇一個典型的軸，在 X 軸的閥芯軸。1.初估軸徑25本次設計軸材是 45 號剛，以提高軸的性能，則采用調(diào)質(zhì)處理。通過機械設計發(fā)現(xiàn)得出 MPa， ，根據(jù)公式得出：640?b?10C?(3-16)3PdCn?需先確定軸的最小軸徑。一般來說，鍵槽的直徑應該增加 5%。開鍵軸增加估計軸頸值 7%的小徑。通過上述的參數(shù)，得出合適的軸徑為：mm，8.10753.49103???d因為最小軸徑 d 應該能夠得到最接近的一個點，在帶輪的安裝位置，設有一個鍵槽，則軸需要拉長 5%。mm，34.1805.min?通過上述計算，軸徑可取 mm，同時順帶安裝聯(lián)軸器。12?d軸的各處軸徑依次分別為 mm，此處安裝角接觸球軸承； mm，6123?d此處尺寸的確定是根據(jù)軸承的安裝要求來確定的。軸的各軸段的尺寸如 圖 4-6所示：圖 0-6 絲桿軸的各段尺寸2.軸的剛度校核將絲桿軸簡化為 圖 4-7 所示的簡支梁。圖 0-7 絲桿軸簡化成簡支梁26簡化過程：絲桿軸兩端簡化地分成 A、B 兩端點。將控制 X 軸的機構(gòu)將重力細化成集中力，并施加到中點處，因為主軸軸線在中點時，可以得到最大的撓度，也就是對工作臺的精度影響最明顯。設工作臺整體重量 。NFC30?（1）計算變形。絲桿軸橫截面的慣性矩為(3-17)46DI??代入數(shù)據(jù)得： 4432156mI??當 Fc 受力時，撓度和截面的轉(zhuǎn)角會隨之發(fā)生在 C 點位置上如圖 4.4 所示，分別為圖 0-8 撓度轉(zhuǎn)角圖(3-18)EIFlwc483??(3-19)IlBA162?代入數(shù)據(jù)得： mm074.2354803?????cwrad2.1163BA?（2）校核剛度27許用撓度與許用轉(zhuǎn)角：mm??401.0.???lwrad?而mm＜ mm074.?cw??4?wrad＜ rad2BA?01.?在 X 軸的進給精度是 0.01mm 時，所得剛度滿足要求。3.3.4 軸承壽命計算1.初選軸承型號由于軸的工作條件和軸頸尺寸，采用軸承型號為 。有機械設計手C7205冊查得：最大靜載荷 kN，額定靜載荷 kN， ， ，5.16?rC.10?rC.e0.1?X.0?Y2.計算軸承的當量動載荷在 XYZ 進給系統(tǒng)中，軸的最高轉(zhuǎn)速為 682r/min，且軸承所承受的軸向力較大。所以對于軸承進行校核。B 點受力情況計算 N 2.18?nhF?1nvF1480.1 ??D 點受力情況計算 N 6.72?? 6.41在 B 點所受徑向載荷 (3-20)121nhvr?在 D 點所受徑向載荷 (3-21)22vrF?代入數(shù)據(jù)得 N ； N 149?rF.147r由于 B 點的徑向載荷大于 D 點的徑向載荷，則軸承壽命計算按 B 點上軸承受力進行分析最為合適。3.軸承的壽命計算因為本次設計工作環(huán)境溫度低于 120°，由機械設計相關(guān)表查得溫度系數(shù)，所以該軸承的壽命為：1?tf28(3-22)????????PCfnLth601代入數(shù)據(jù)得 h13057?hL因為 ＞12000h，故選用 7205C 軸承能滿足使用要求。103.3.5 銷的計算及校核圓柱銷 GB119-86 4×6 固定鉸孔小的干擾和可承受的荷載很小,可以承受不大的載荷。為保證定位精度和聯(lián)接的緊固性,不宜經(jīng)常拆卸,主要用于定位,也用作聯(lián)接銷和安全銷。此次設計用作于定位，則需要進行必要的驗算，以滿足三角洲結(jié)構(gòu)安全的需要。轉(zhuǎn)矩為 250N?m、軸的直徑為 16mm、銷的直徑 4mm、銷的長度 6mm。由公式，許用擠壓應力 σ y：σ y = 4T/DdL (3-23)σ y=4×250/16×4×6=2.6Mpa由機械手冊表，對于銷的常用可取[σ y]=30Mpa因為 σ y<[σ y],所以滿足要求許用剪切應力 σ j(3-24) 2T/DdL =σj1.3Mpa64250/×=j ?由機械手冊表，對于銷的常用可取 因為 ,所以滿足要求50pa][j ][σ
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