三維打印快速成型機機械系統(tǒng)設(shè)計（機械CAD圖紙）

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三維打印快速成型機機械系統(tǒng)設(shè)計（機械CAD圖紙）三維打印快速成型機機械系統(tǒng)設(shè)計（機械CAD圖紙）開 題 報 告課題介紹 不同于傳統(tǒng)加工的材料去除法或變形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材法制成的一次成形件。從成形角度來看，任何零件均可看作是由無數(shù)個空間薄片疊成的三維幾何體，薄片的形狀就是幾何體的截面形狀。如果能夠?qū)⑦@些薄片逐片制作出來，然后依次將它們逐層粘合在一起，最終即可得到期望的零件。這就是快速成形技術(shù)的基本原理。因此，快速成形就是將三維零件的制造問題轉(zhuǎn)化為兩維面片的制作，從而使三維復雜實體的制

2、作變得非常簡單.在很 大 的 程度上，快速成形加工系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)控機床有著極大的相似，兩者都可以直接接受采用CAD工具設(shè)計零件文件，加工系統(tǒng)普遍采用直角坐標系，如X,Y, Z坐標軸等等。快速成形加工系統(tǒng)與數(shù)控機床的最直觀差別在于，前者通常使用激光而不是刀具來實現(xiàn)對零件的加工?？焖俪尚沃圃煜到y(tǒng)的原型制作過程都是在CAD模型的直接驅(qū)動下進行的，因此有人將快速原型制造過程稱之為數(shù)字化成形。CAD模型在原型的整個制作過程中相當于產(chǎn)品在傳統(tǒng)加工流程中的圖紙，它為原型的制作過程提供數(shù)字信息。目前國際上商用的造型軟件如Pro/E, UGII, SolidEdge等都有多種數(shù)據(jù)接口，一般都提供了直接能夠由快速

3、原型制造系統(tǒng)中切片軟件識別的STL數(shù)據(jù)格式，而STL數(shù)據(jù)文件是將三維實體的表面三角形化，并將其頂點信息和法矢有序排列起來而生成的一種二進制或ASCII文件。隨著快速成形制造技術(shù)的發(fā)展，CAD模型的STL數(shù)據(jù)格式已逐漸成為國際上公認的通用格式。在快 速 成 形系統(tǒng)加工過程中，系統(tǒng)應(yīng)用軟件將計算機三維實體模型在Z向離散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光束(或其它能量流)在計算機的控制下掃描二維輪廓或者有選擇地固化或粘結(jié)某一區(qū)域，從而形成構(gòu)成零件實體的一個層面，這樣逐漸堆積便形成一個三維實體(原型)。最后通過后處理(如深度固化、修磨等)，使其達到功能件的要求。近期發(fā)展的快速成形技術(shù)主要有:分層實體

4、制造工藝(Laminated Object Manufacturing,LOM) 、選擇性激光燒結(jié)工藝(Selective L aser Sintering,SLS).立體光刻成形(Stereo Lithography, SL)、熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling,FDM) 、立體三維印刷(3Dprinting)課題名稱：三位打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計課題背景：快速 成 形 (Rapid Prototypingand Manufacturing,RPM)技術(shù)是國際上1980年代末期發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)，它高度集成了自動控制、數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM,計算機、激光技術(shù)等學

5、科的最新成果?？焖俪尚渭夹g(shù)在航空航天、機械電子及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，迅速成為制造領(lǐng)域的研究熱點，己經(jīng)成為企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)的有效手段.隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展和市場競爭的日益加劇，對制造業(yè)的要求也越來越高，這就促使制造業(yè)進一步縮短新產(chǎn)品的研制和投放市場的周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品開發(fā)成本。同時，要求提高制造小批量、多品種產(chǎn)品的靈活性，以滿足社會個性化需求。與傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工具相比，快速成形技術(shù)無論是在開發(fā)周期還是成本方面都具有相當?shù)膬?yōu)勢。此外，依靠快速成形技術(shù)，還可以進一步改造現(xiàn)有的制造模式，提高整個制造產(chǎn)業(yè)的加工水平，并使之朝先進制造方向邁進。目前，RP技術(shù)向兩個方向發(fā)

6、展：工業(yè)化大型系統(tǒng)，用于制造高精度、高性能零件；自動化的桌面小型系統(tǒng)，此類系統(tǒng)稱為概念模型機或臺式機，主要用于制造概念原型。發(fā)達國家許多科研機構(gòu)（如IBM公司）及教育單位（中等職業(yè)學校甚至中小學）已經(jīng)開始購買此種小型RP設(shè)備，并極有可能進入家庭。美國通用汽車公司也計劃為其每位工程師配備一臺此類設(shè)備。工作內(nèi)容和要求： 1 x y掃描裝置設(shè)計2 升降工作臺設(shè)計3 整機總裝配圖設(shè)計設(shè)計參數(shù)最大成型空間：150x150x150mm掃描運動最大速度：100mm/sX Y 重復定位精度：±0.005mmZ向重復定位精度：±0.01mm移動件最大質(zhì)量：2千克課題的重點和難點：快速成形系統(tǒng)

7、目前所面臨的主要問題包括:成形精度不高、材料種類有限和零件機械性能不足等，而機械性能主要取決于所使用的材料類型。與常規(guī)由金屬和工業(yè)塑料制造的零件相比，快速成形系統(tǒng)成形件比較脆弱，而且有些材料成本較高，或者污染環(huán)境、對人體有害。材料包括聚酯、ABS、人造橡膠、熔模鑄造用蠟和聚脂熱塑性塑料等。在快速成形系統(tǒng)中最普通的誤差源可分為數(shù)學誤差、與工藝有關(guān)誤差和與材料有關(guān)的誤差。數(shù)學誤差包括對零件表面形狀的近似、沿正軸方向上的有限數(shù)目的分割，諸如垂直尺寸的階梯狀和精度。基于CSG實體造型的數(shù)據(jù)準備方法正處在開發(fā)研究之中，該方法可以精確地將零件表面形狀輸入快速成形系統(tǒng)。與工藝有關(guān)的誤差影響X-Y平面和Z軸方

8、向上的片層形狀、不同片層的對準及整體三維形狀。這些誤差主要取決于設(shè)備的精度及操作者的經(jīng)驗。與材料有關(guān)的誤差主要是收縮/膨脹、撓曲，收縮是因固化(冷卻)材料時產(chǎn)生的，它是能夠預計的尺寸收縮量，可以用修正CAD模型來補償這種收縮誤差。另外，因收縮引起的內(nèi)應(yīng)力會導致零件變形和撓曲。減少收縮的措施有選擇合適的制造控制系統(tǒng)、開發(fā)或探索收縮率小的或不能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的材料以及應(yīng)力釋放等方法。此外 ，還可以通過某些措施減少或消除快速成形系統(tǒng)制件的直觀缺陷，如臺階效應(yīng)、燒結(jié)變形。臺階效應(yīng):臺階效應(yīng)不僅與掃描間隔和切片層厚有關(guān)，而且還與加工時的模型位置有關(guān)，同樣的模型，不同的放置方式其效果會明顯不同。課題為制作掃描

9、機構(gòu)以及工作臺，初步擬定用步進電機以及滾珠絲杠可以達到所需精度要求，方法為立體三維印刷(3Dprinting)，采用噴頭垂直方向不變，工作臺向下進給，材料以及噴頭，送絲機構(gòu)設(shè)計尚有待斟酌，定位為辦公室簡易快速材料成型裝置，作為產(chǎn)品的直觀物理模型，以便與研究相關(guān)參數(shù)及其性能。裝置本身也應(yīng)該有溫度控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。其二維工作臺結(jié)構(gòu)傳動裝置初步打算使用同步齒形帶，來達到要求的精度。使用導軌來保證精度鋪粉裝置由工作活塞、送粉活塞、兩個工作缸體、鋪粉輪、驅(qū)動裝置組成，如圖3示。步進電機驅(qū)動齒輪,每加工完一層后,工作活塞下降,送粉活塞上升，然后鋪粉滾輪來自動實現(xiàn)鋪粉。該滾輪在兩平行的齒帶之間架設(shè)，由步進

10、電機驅(qū)動，滾輪完成兩個功能: (1)鋪粉；(2)壓緊。圖3鋪粉裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.送粉缸體 2.送粉缸 3.送粉活塞 4.從動齒輪5.工作缸 6.絲杠 7.擋板 8.主動齒輪 9.步進電機在設(shè)計中要求活塞的運動分辨率高，定位精度好，同時考慮到實驗裝置結(jié)構(gòu)的緊湊性，因此選用齒輪螺紋副來實現(xiàn)活塞的直線運動。此時由電機軸上的一個齒輪驅(qū)動兩邊絲杠的運動，齒輪作轉(zhuǎn)動,絲杠作直線運動，實現(xiàn)零件Z方向的生長?？傮w構(gòu)成,如圖4所示，這是一種主從式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用PC-586工控機作為主機，用MCS-51單片機作為從機。將從機做成接口卡置入主機內(nèi)。 用PC586工控主機進行數(shù)控編程,然后將數(shù)控加工文件處理成一定格式

11、并通過PC總線以并行通訊方式傳遞到下層的MCS-51單片機中。由單片機完成X-Y步進電機進行軌跡的插補，以及Z方向的生長、鋪粉裝置的自動進行和CO2激光器電源開關(guān)的控制。圖4計算機硬件組成及其控制對象可能用到的主要知識和技能：機械工程測試技術(shù)方面的有關(guān)知識。機械工程，制圖基礎(chǔ)知識電工基礎(chǔ)知識需要自學的知識和技能：關(guān)于快速成型的各類知識工作計劃326-402 查閱資料，調(diào)研，確定設(shè)計方案，提交開題報告403-432 設(shè)計，計算及修改設(shè)計方案424-521 繪制裝配圖，教師審核電子版圖紙522-611 撰寫說明書，修改裝配圖，繪制其他圖紙612-618 集中出圖，打印說明書，準備答辯目 錄第一章.

12、引 言- 3 -1.1 快速原型技術(shù)簡介- 3 -1.2常見的快速原型制造方法- 4 -1.3 快速成型技術(shù)的原理- 4 -1.4本次設(shè)計的任務(wù)- 5 -第二章 基本方案的確定- 6 -2.1最初方案- 6 -2.2過渡方案- 7 -2.3后期方案- 8 -2.4最終方案- 8 -第三章主要零部件的選型- 10 -3.1步進電機的選用- 10 -3.2 軟件環(huán)形分配器及其程序設(shè)計- 11 -3.3 聯(lián)軸器的選用- 12 -3.4 直線導軌的選用- 13 -3.5 微型直線導軌的選用- 14 -3.6 滑輪的選用- 15 -3.7其它零件的選用- 15 -第四章噴頭的仿真模擬以及電機的計算- 1

13、5 -4.1 噴頭的仿真模擬計算- 15 -4.2 關(guān)于步進電機的計算- 19 -參考文獻- 20 -附錄- 20 - 22 -第一章.引 言1.1 快速原型技術(shù)簡介快速成形(Rapid Prototypingand Manufacturing,RPM)技術(shù)是國際上1980年代末期發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)，它高度集成了自動控制、數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM,計算機、激光技術(shù)等學科的最新成果?？焖俪尚渭夹g(shù)在航空航天、機械電子及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，迅速成為制造領(lǐng)域的研究熱點，己經(jīng)成為企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)的有效手段.隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展和市場競爭的日益加劇，對制造業(yè)的要求也越來越

14、高，這就促使制造業(yè)進一步縮短新產(chǎn)品的研制和投放市場的周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品開發(fā)成本。同時，要求提高制造小批量、多品種產(chǎn)品的靈活性，以滿足社會個性化需求。與傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工具相比，快速成形技術(shù)無論是在開發(fā)周期還是成本方面都具有相當?shù)膬?yōu)勢。此外，依靠快速成形技術(shù)，還可以進一步改造現(xiàn)有的制造模式，提高整個制造產(chǎn)業(yè)的加工水平，并使之朝先進制造方向邁進。目前，RP技術(shù)向兩個方向發(fā)展：工業(yè)化大型系統(tǒng)，用于制造高精度、高性能零件；自動化的桌面小型系統(tǒng)，此類系統(tǒng)稱為概念模型機或臺式機，主要用于制造概念原型。發(fā)達國家許多科研機構(gòu)（如IBM公司）及教育單位（中等職業(yè)學校甚至中小學）已經(jīng)開始購買此種小型RP設(shè)

15、備，并極有可能進入家庭。美國通用汽車公司也計劃為其每位工程師配備一臺此類設(shè)備。1.2常見的快速原型制造方法1.立體印刷技術(shù)（SLA）SLA（Stereo lithograghy Apparatus)法，其工藝原理是：從最底層開始，激光在光敏樹脂表面掃描，在掃描過程中，激光的曝光量超過樹脂固化所需的閾值能量的地方才會發(fā)生聚合反應(yīng)形成固態(tài)。2.選擇性激光燒結(jié)（SLS）SLS（Selective laser sintering)是利用激光所提供的能量有選擇性地融化熱塑性塑料以形成三維零件。3.熔融沉積成型（FDM）FDM（Fused Deposition Modeling)是利用熱塑性細絲在移動頭中

16、進行熔化，熔化后的材料在移動的過程中被擠壓出來堆積零件。4.層壓物體制造技術(shù)（LOM）LOM（Laminated Object Manufacturing)是通過逐層激光剪切薄紙材料制造零件的一種技術(shù)。5.三維打印成型（3D PRINT）三維打印成型是在計算機的控制下，利用噴頭噴射粘接劑，噴射粘接劑的路徑材料被粘接在一起，而其它地方仍為松散粉末，層層粘接得到最后的三維實體。圖1.1 RP工藝分類1.3 快速成型技術(shù)的原理不同于傳統(tǒng)加工的材料去除法或變形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材法制成的一次成形件。從成形角度來看，任何零件均可看作是由無數(shù)個空間薄片疊成的三維幾何體，薄片的形狀就是幾何

17、體的截面形狀。如果能夠?qū)⑦@些薄片逐片制作出來，然后依次將它們逐層粘合在一起，最終即可得到期望的零件。這就是快速成形技術(shù)的基本原理。因此，快速成形就是將三維零件的制造問題轉(zhuǎn)化為兩維面片的制作，從而使三維復雜實體的制作變得非常簡單.在很 大 的 程度上，快速成形加工系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)控機床有著極大的相似，兩者都可以直接接受采用CAD工具設(shè)計零件文件，加工系統(tǒng)普遍采用直角坐標系，如X,Y, Z坐標軸等等?？焖俪尚渭庸は到y(tǒng)與數(shù)控機床的最直觀差別在于，前者通常使用激光而不是刀具來實現(xiàn)對零件的加工。快速成形制造系統(tǒng)的原型制作過程都是在CAD模型的直接驅(qū)動下進行的，因此有人將快速原型制造過程稱之為數(shù)字化成形。C

18、AD模型在原型的整個制作過程中相當于產(chǎn)品在傳統(tǒng)加工流程中的圖紙，它為原型的制作過程提供數(shù)字信息。目前國際上商用的造型軟件如Pro/E, UGII, SolidEdge等都有多種數(shù)據(jù)接口，一般都提供了直接能夠由快速原型制造系統(tǒng)中切片軟件識別的STL數(shù)據(jù)格式，而STL數(shù)據(jù)文件是將三維實體的表面三角形化，并將其頂點信息和法矢有序排列起來而生成的一種二進制或ASCII文件。隨著快速成形制造技術(shù)的發(fā)展，CAD模型的STL數(shù)據(jù)格式已逐漸成為國際上公認的通用格式。在快 速 成 形系統(tǒng)加工過程中，系統(tǒng)應(yīng)用軟件將計算機三維實體模型在Z向離散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光束(或其它能量流)在計算機的控制下掃

19、描二維輪廓或者有選擇地固化或粘結(jié)某一區(qū)域，從而形成構(gòu)成零件實體的一個層面，這樣逐漸堆積便形成一個三維實體(原型)。最后通過后處理(如深度固化、修磨等)，使其達到功能件的要求。圖1.2 快速成型示意圖1.4本次設(shè)計的任務(wù)為研究開發(fā)價格低廉、精度較高、有自主版權(quán)的新型的三維實物打印機，從而實現(xiàn)從三維CAD虛擬模型到實物原型的快速轉(zhuǎn)換。由此種成型過程生成的原型件可用于設(shè)計的校驗與評審、零件實物裝配檢驗、展品或商業(yè)競標樣件、消失模的主模型等，可藉此縮減企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)周期和成本?？傮w 方 案 設(shè) 計 思路，延伸于二維打印機。即在二維打印圖形上不斷累加，形成三維實體。本項目開發(fā)產(chǎn)品可以作為CAD設(shè)計

20、的終端設(shè)備，有很大的市場容量。三維打印機可以快速提供概念模型，供設(shè)計評估，避免模具工裝等生產(chǎn)準備工作的風險，從而可以大大加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，降低新產(chǎn)品開發(fā)成本，大大提高企業(yè)的競爭能力和快速響應(yīng)市場的能力。工作內(nèi)容和要求： 1 X Y掃描裝置設(shè)計2 升降工作臺設(shè)計3 整機總裝配圖設(shè)計設(shè)計參數(shù)最大成型空間：150x150x150mm掃描運動最大速度：100mm/sX Y 重復定位精度：±0.005mmZ向重復定位精度：±0.01mm移動件最大質(zhì)量： 2千克Z向工作臺質(zhì)量：10千克設(shè)計日程安排3.264.02查資料，調(diào)研，定設(shè)計方案，提交開題報告。4.034.23設(shè)計，計算，修改

21、設(shè)計方案。4.245.21繪制裝配圖，教師審核電子版圖紙。5.226.11撰寫說明書，修改裝配圖，繪制其他圖紙，教師審核說明書6.216.18集中出圖，打印說明書，準備答辯。第二章 基本方案的確定2.1最初方案工作臺在XY向上由于重復定位精度比較的高，考慮采用閉環(huán)控制，工作臺在XY向上由直流伺服電機驅(qū)動，電機經(jīng)過減速機構(gòu)，通過滾珠絲杠來帶動工作臺運動，用光電編碼器作為測量反饋組件。XY向安裝限位開關(guān)。工作臺在Z軸上運動時，只需要按照層高不斷下降，因此，可以使用一個步進電機，通過減速機構(gòu)帶動絲杠驅(qū)動工作臺向下運動。出于對安全的考慮，要安裝限位開關(guān)（可用一個簡單的行程開關(guān)來實現(xiàn)），在工作臺碰到開關(guān)

22、之后，立即停止運動。采用活塞式升降臺單獨的鋪粉機構(gòu)。圖 2.1系統(tǒng)整體構(gòu)成1.掃描工作臺2.鋪粉裝置3.工作缸體4.驅(qū)動齒輪5.驅(qū)動電機6.附件系統(tǒng)7.噴頭8.控制計算機9.電源2.2過渡方案考慮到三維打印機應(yīng)定位為辦公室內(nèi)的小型機器。并且最初的方案將造成整體尺寸過于龐大，不符合設(shè)計的初衷，因此改用步進電機帶動同步齒形帶在光杠組成的平面中進行XY方向的掃描運動作為XY掃描裝置的主體部分。這樣減少整體尺寸，符合小型機器的概念，也能適當減少加工成本，和零件成本。并且能夠達到要求精度等級。草圖見下圖：圖2.2 過渡方案圖2.3后期方案經(jīng)過多次實踐觀察以及經(jīng)驗總結(jié)，從復印機的鋼絲機構(gòu)汲取的靈感，確定了

23、以鋼絲為主要傳動機構(gòu)的方案。該二維工作臺有諸多優(yōu)點： 工作臺的反向間隙小 分辨率高 響應(yīng)速度快因此選用滑輪鋼絲機構(gòu)牽引工作臺做XY平面的移動。并初步繪制結(jié)構(gòu)圖如下圖2.3 鋼絲繩驅(qū)動的二維工作臺1.直線滾動導軌副A2.連接板A 3.直線滾動導軌副B4.鋼絲繩 5.支撐板A 6.驅(qū)動軸A 7.直線滾動導軌副C8.支撐板B 9.驅(qū)動軸B 10.鋼絲繩滾輪 11.支撐板C 鋪粉機構(gòu)也做了很大改動，鋪粉裝置由工作活塞、送粉活塞、兩個工作缸體、鋪粉輪、驅(qū)動裝置組成，如下圖所示。步進電機驅(qū)動齒輪,每加工完一層后,工作活塞下降,送粉活塞上升，然后鋪粉滾輪來自動實現(xiàn)鋪粉。該滾輪在兩平行的齒帶之間架設(shè)，由步進電

24、機驅(qū)動，滾輪完成兩個功能: (1)鋪粉；(2)壓緊。圖2.4 鋪粉機構(gòu)示意圖2.4最終方案經(jīng)過一段時間的畫圖和思考以及有限的實驗，對之前的方案做了多項改進和優(yōu)化。1.簡化了鋼絲傳動機構(gòu)，使傳動更有效。2.2D鋼絲繩驅(qū)動的工作臺由2個步進電機驅(qū)動，用以驅(qū)動掃描系統(tǒng)。3.援引許慧斌梁偉文賓鴻贊劉瓊 在論文激光分形燒結(jié)快速成形裝置的研制的實驗如下：在2D掃描系統(tǒng)中要求X-Y方向的靈敏度、定位精度高，并要求牽引力小、移動輕便，為此選擇高精度的直線滾動導軌，重復定位誤差為0.10.2m；可以完美的完成本三維打印機的任務(wù)。本文設(shè)計的掃描系統(tǒng)在X、Y方向的分辨率為0.02mm。通過百分表來測驗，試驗結(jié)果，表

25、1，2示：表1X方向位移數(shù)據(jù)（10-2mm）步123456位移2.04.05.97.99.811.8步789101112位移13.715.617.419.421.223.3表2 Y方向位移數(shù)據(jù)（10-2mm）步123456位移1.83.15.16.68.210.0步789101112位移12.013.815.817.219.221.2X方向平均每走一步的位移為0.019mm; Y方向平均每走一步的位移為0.018mm。該結(jié)果符合設(shè)計要求。4.采用鋼絲繩牽引的原因主要是為了消除反向間隙。反向間隙實驗的結(jié)果：X方向向前走一步后，接著向后走，通過比較前后兩次的位移，即可判斷反向間隙，當X方向向前走一

26、步的位移為0.021mm，返回的位移為0.020mm。這里存在著0.001mm的間隙，但是當連續(xù)走時，重復定位精度基本上無誤差。當連續(xù)走150步后，接著反向走150步，位移基本為零。Y方向反向間隙與X方向類似，基本上被消除。該實驗裝置X方向的分辨率上達到0.018mm，Y方向的分辨率上達到0.019mm，反向間隙基本消除。5.Z向機構(gòu)也做了大幅度的改變，創(chuàng)造性的將平面鋼絲系統(tǒng)用于成型儲料箱升降裝置，使成型空間與儲料空間之間形成正比關(guān)系，成型時，儲料箱板逐漸上升，同時由于鋼絲作用，成型箱板同步下降一定高度，并且儲料箱板逐漸上升高度與成型箱板下降高度相等，然后刮板開始刮料，這樣就不會造成普通鋪粉機

27、構(gòu)所遇到的各種問題，比如廢料回收一類的先天不足問題。同時由于兩個板聯(lián)動自重互相抵消，使電動機的載荷大幅下降。6.鋪粉機構(gòu)整合為一個刮板，配合兩側(cè)高出1毫米的箱壁組成一個半封閉的空間，通過Y方向的運動把粉料由儲料箱刮到成型箱并且鋪平壓實。圖2.5 最終方案示意圖第三章主要零部件的選型3.1步進電機的選用步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單

28、等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復印機、傳真機等。圖3.1德國百格拉公司三相混合式步進電機百格拉公司的三相混合式步進電機采用交流伺服原理工作，運用特殊精密機械加工工藝，使步進電機定子和轉(zhuǎn)子之間間隙僅為50um，轉(zhuǎn)子和定子的直徑比提高到59%，大大提高了電機工作扭矩，特別是高速時的工作扭矩。由于定子和轉(zhuǎn)子上磁槽數(shù)遠多于五相和兩相混合式步進電機，使三相混合式步進電機可以按五相和兩相混合式步進電機的步數(shù)進行工作。電機的扭矩僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)，例如：2Nm電機在每轉(zhuǎn)500步和10000步，800轉(zhuǎn)/分時的扭矩都是1.75Nm。百格拉公司的步

29、進電機系統(tǒng)在低速時運行極其平穩(wěn)，幾乎無共振區(qū)，高速時扭矩大，運行特性類同交流伺服電機，被稱為具有交流伺服電機運行性能的步進電機系統(tǒng)。     百格拉公司的步進電機系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于紡織機械、機床、包裝機械、印刷機械、搬運機械、醫(yī)療儀器、光學儀器、裝配機械等自動化控制設(shè)備中。電機型號 相電流 （A） 保持扭矩 (Nm) 工作扭矩(Nm) 空載啟動速度 （r/s） 轉(zhuǎn)動慣量 （kgcms2） 重量（kg） VRDM397 1.75 2.26 2 5.3 1.1 2.05 步進電機相電壓分為325VAC和155VAC兩種，電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)可任意設(shè)置為： 200、400、500

30、、1000、2000、4000、5000、10000步/轉(zhuǎn)圖3.2 2Nm步進電機矩頻特性曲線3.2 軟件環(huán)形分配器及其程序設(shè)計P1口的三個引腳經(jīng)過光電隔離/功率放大后,分別與電機的A、B、C 三相連接。電機以三相六拍方式,電機正轉(zhuǎn)的順序為A AB B BC C CA A ,反轉(zhuǎn)為A AC C CB B BA它們的分配如表1所示,設(shè)P1的某口的電平為高電平,相應(yīng)的相位繞組通電。把表中的數(shù)值按順序存入內(nèi)存的EPROM 中,并分別設(shè)定表頭地址為TAB0 ,表尾的地址為TAB5 。計算機的P1 口按從表頭開始逐步加1 的順序變化,電動機正向旋轉(zhuǎn),如果按從TAB5 ,逐步減1 的順序變化,電機反轉(zhuǎn)。圖

31、3.3 計算機三相六拍環(huán)形分配表子程序的入口,出口如下:入口:R6 :步進電機步數(shù)。R5 :正反轉(zhuǎn)控制,R5 =0為正轉(zhuǎn),R5 0 為反轉(zhuǎn)。R7 :TAB數(shù)據(jù)表指針。以上參數(shù)在主程序中給定。出口:R7 :子程序結(jié)束時電機狀態(tài),供下次調(diào)用參考。主程序主要完成初始化,根據(jù)電機的選擇開關(guān)及方式選擇開關(guān)設(shè)置相應(yīng)標志等工作,實現(xiàn)的框圖,如圖所示。程序框圖如下：3.3 聯(lián)軸器的選用 MFB-12 緊固螺栓型特點波紋管型彈性聯(lián)軸器 零回轉(zhuǎn)間隙 高扭矩剛性和靈敏度 彈性波紋管型結(jié)構(gòu)補償徑向、角向和軸向偏差 偏差存在的情況下也可保持等速作動 順時針和逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同 免維護，超強抗油和耐腐蝕性 波紋管的材

32、料為全不銹鋼或磷青銅（軸套鋁合金） 兩端不同孔徑大小的產(chǎn)品型號也備有庫存 圖3.4 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)和材料尺寸產(chǎn)品編號ALWEFGM擰緊力矩(N·m) MFB-12127.523.572.5M2.50.5說明所有產(chǎn)品皆配有緊固螺栓?？讖匠叽绲扔诨蛐∮?的軸套配有一個緊固螺栓。緊固螺栓型聯(lián)軸器的孔徑公差H8。軸心公差建議為h6或h7。3.4 直線導軌的選用AMT直線導軌的特長：定位精度高，重現(xiàn)性佳直線導軌的滾動運動方式，摩擦系數(shù)特別小，尤其靜摩擦力與動摩擦力的差距很小，即使在微量進給時也不會有空轉(zhuǎn)打滑的現(xiàn)象，解析能力與重現(xiàn)性最佳，因此可以實現(xiàn)m級的定位精度。低摩擦阻力，可長時間維持精度直線導

33、軌的滾動摩擦力可減小至滑動導軌摩擦阻力的1/201/40，尤其潤滑結(jié)構(gòu)簡單，潤滑容易，潤滑效果優(yōu)良，摩擦接觸面的磨耗最底，因此可以長時間維持行走精度?？沙惺芩姆较虻母哓摵赡芰缀瘟W結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計，可同時承受徑向、反徑向與橫方向的負荷，并保持行走精度，同時可輕易藉由施于預壓與滑塊數(shù)量，就可以提高起性能與負荷能力。適合高速化之應(yīng)用摩擦阻力小的特性，對設(shè)備的驅(qū)動馬力需求低，節(jié)省能源效果大，尤其運動磨耗小，溫升效應(yīng)低，可同時實現(xiàn)機械小型化與高速化需求。組裝容易并具互換之特性直線導軌的安裝只要在銑削或研磨加工的安裝面上，以一定的組裝步驟，即能重現(xiàn)直線導軌的加工密度，可降低傳統(tǒng)鏟花加工的時間與成本。并且

34、其可互換之特性，可以將滑塊任意配裝在同型號的滑軌上，同時又保持相同的順暢度與精密度，機臺組裝最容易，維修保養(yǎng)最容易，維修保養(yǎng)最簡。圖3.5 滾動直線導軌副安裝尺寸3.5 微型直線導軌的選用微型導軌 - 標準型MR-M系列特點：高負荷,高扭矩功能 MR微型滾珠線性滑軌系列采用二列式滾珠循環(huán)設(shè)計,滾珠軌道設(shè)計采歌德式結(jié)構(gòu),其接觸角為45度,以達到四方等負荷之效果:并在有限空間限制下,使用較大尺寸鋼珠,以提高負荷能力,充分展現(xiàn)高負荷,高扭矩功能. 嵌入式設(shè)計 滑座鋼體與框架,端蓋及密封片之結(jié)合方式采嵌入式設(shè)計,不須使用螺絲固定,節(jié)省結(jié)構(gòu)設(shè)計之空間。 精度等級 MR微型滾珠線性滑軌系列提供三種精度等級

35、N,H,P,供設(shè)計選用。防塵設(shè)計 薄型底面密封及端面密封構(gòu)成全密閉防塵設(shè)計:可彈性搭配。 回流孔特殊設(shè)計 鋼珠回流孔及回轉(zhuǎn)道由全密閉式塑膠框架及塑膠端蓋構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單,鋼珠循環(huán)更平穩(wěn),噪音低。 潤滑 滑座于兩端由密閉式潤滑注油孔設(shè)計,可經(jīng)由鋼珠循環(huán)將潤滑油帶到表面,達到潤滑的效果。 保持器設(shè)計 滑座具高剛性鋼珠保持器,以確保運送途中安全并且滑座容易裝配。材質(zhì) MR微型滾珠線性滑軌系列無論是滑軌,滑座鋼體或滾珠皆使用不銹鋼淬透熱處理材質(zhì)。圖3.6 微型滾動直線導軌副安裝尺寸3.6 滑輪的選用滑輪采用慈溪市橫河鎮(zhèn)梅園滑輪廠生產(chǎn)的非標準滑輪。中間有軸，外包塑料。本設(shè)計用到3種，一種一側(cè)有軸，3個用于

36、Y方向的鋼絲傳動。一種是兩側(cè)都有軸，數(shù)量較多 ，用于Z向的鋼絲傳動機構(gòu)。另一種只有一個，由于空間位置問題，選用螺線線式的雙層結(jié)構(gòu)滑輪，以便使鋼絲繞行1.75周之后再繞出結(jié)構(gòu)所需。3.7其它零件的選用噴頭采用類似于壓電噴頭的結(jié)構(gòu)壓電噴墨技術(shù)是將許多小的壓電陶瓷放置到噴墨打印機的打印頭噴嘴附近，利用它在電壓作用下會發(fā)生形變的原理，適時地把電壓加到它的上面。壓電陶瓷隨之產(chǎn)生伸縮使噴嘴中的墨汁噴出，在輸出介質(zhì)表面形成圖案。 粘接劑儲存輸送裝置是仿照打印機墨盒的結(jié)構(gòu)制成，粘接劑本身消耗很少，將噴頭與粘接劑儲存輸送裝置整合在一起。螺釘，螺母，彈簧墊圈由于圖書資料不夠詳細，無法了解一些小螺釘，螺母，彈簧墊圈

37、的具體尺寸，所以選用了catia內(nèi)部庫文件導入的ISO標準的零件，如ISO 4762 M4x12的內(nèi)六角圓柱頭螺釘，ISO 4017 M2X6的六角螺栓。可調(diào)式腳架可以調(diào)整調(diào)整螺母來保證機器水平。底部為減震作用的尼龍材料。X向移動板采用普冷鋼板2次沖壓而成，提高效率。第四章噴頭的仿真模擬以及電機的計算4.1 噴頭的仿真模擬計算臺灣陳政宏等人的研究結(jié)果證明，噴嘴的壓力變化與時間近似呈正弦關(guān)系（詳見論文微噴墨技術(shù)應(yīng)用之模擬及實驗驗證），如圖4.2所示。由于在72s之后，噴嘴內(nèi)部液體的壓力對于已經(jīng)斷裂的液滴已經(jīng)不會產(chǎn)生任何影響，因此在仿真系統(tǒng)中，因波傳遞所造成噴嘴最上層的壓力隨時間變化之關(guān)系只標示到

38、72s。圖4.1擠壓式壓電噴墨打印頭示意圖 圖4.2進水口單一電脈沖壓力-時間表依據(jù)流體力學理論，對于不可壓縮流體之牛頓流體，流體流動的數(shù)學連續(xù)方程式(Continuity equation)：                    (1)動量方程式(Momentum equation)：     (2)      (

39、3)       (4) 其中p(g/cm3)為密度; m(g/cms)為黏滯系數(shù); P(g/cms2)為壓力; u、v及w(cm/s)分別為x、y及z方向之速度分量; Fbx、Fby及Fby (gcm/s2)為表面張力在x、y及z方向上的分量; gx、gy及gz(cm/s2)為x、y及z方向的重力加速度。欲模擬一帶有自由表面的瞬時流體流動情形，首先要能訂出自由表面的位置，其次是要能計算出自由表面隨時間變化的情形，最后是要能處理自由表面的邊界條件，在本研究中我們選擇使用流體體積(volume of fluid, VOF)法來處理這類三度空間的問

40、題。 VOF法是由Nichols和Hirt等人所提出，以流體體積比例(the fractional volume of fluid)的概念，來追蹤自由表面的形態(tài)與變動。首先在計算系統(tǒng)(Calculational Domain)建立一組流體體積函數(shù)F(x, y, z, t)，它的值介于0和1之間。當一個格子內(nèi)充滿流體時其值為1，空格子時其值為0，若F值介于0和1之間則屬于自由界面格子，即氣液共存的情況。因此F可以用來表示流體移動的行為。 在處理F的傳遞時，近似的界面位置必需被重建，以便提供正確F傳輸量的計算及決定表面區(qū)域的物性。本研究在界面重建及F值的傳遞問題上采用PLIC并耦合VOF法來計算，

41、在三度空間上以一任意方向之平面來表示自由表面，進而根據(jù)此平面之移動位置來計算F的傳遞。步驟1: 建立/重建自由表面。步驟2: 計算速度場。步驟3: 計算F值的傳遞及傳遞后F值的分布為了能夠在自由表面的邊界上獲得較準確的速度與壓力，本研究將表面張力的效應(yīng)納入考慮并采用Kothe等所提出的CSF模式，并推導至三維的狀態(tài)，CSF Model將表面張力視為一連續(xù)的、橫跨于界面的作用力，等同于動量方程式中的body force Fb，并由下式求得 仿真系統(tǒng)首先以水來作測試。模擬結(jié)果的3-D parametric views如圖所示。視角為與水平面呈30度，由圖可以清楚觀察從液滴生成、液滴串斷裂

42、、尾液滴(tail droplet)成形、衛(wèi)星液滴與主液滴結(jié)合成單一液滴、液滴撞擊到標的與撞擊后液滴擴張到最大半徑之模擬結(jié)果。本研究主要討論液滴生成與飛行之模擬結(jié)果并與實驗驗證。圖4.3 模擬彈射序列的液滴參數(shù)圖模擬結(jié)果如圖所示，圖中20-110s所對應(yīng)之實驗觀測照片如圖所示。在20-26s，由于噴嘴上方的正壓力推擠噴嘴內(nèi)部之液體，使得液體開始由噴口噴射出，此時液滴形狀呈現(xiàn)半月形。在26-38s，因為正壓力持續(xù)作用而給予液滴一加速度，因此液滴速度與長度均增加。在40s后噴嘴上方開始產(chǎn)生負壓力，在44-50s，噴口附近的液體受到噴嘴內(nèi)部向上拉回之負壓力，使得向下速度減小，同時并受到下方液滴串之表

43、面張力相互作用，于是產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，由模擬結(jié)果與實驗照片可知液滴串均在56-62s之間產(chǎn)生斷裂，在此階段模擬與實驗具有高度的一致性。在62s之后，液滴串已經(jīng)完全和噴嘴分離，形狀具有圓渾的頭端和細長的尾端，由于尾端受到表面張力的作用，產(chǎn)生一向下的加速度，使細長的尾端向下之速度迅速增加并追上頭端的速度，頭尾兩端相互靠近，液滴串的長度開始減小，由于尾端質(zhì)量的累積致使體積也變大形成尾液滴。 模擬與實驗在80s時有些許的差異，實驗照片之部份尾液滴和液滴串已脫離而在模擬結(jié)果上則尚未完全脫離，以致80s之后，模擬結(jié)果之尾液滴較大、尾液滴較實驗早形成圓球體。模擬結(jié)果在86-92s之間因表面張力作用，尾液滴和主液

44、滴分離，形成衛(wèi)星液滴，由于衛(wèi)星液滴的速度扔較主液滴大，在92-104s趕上主液滴并結(jié)合成單一液滴；在實驗照片上，衛(wèi)星液滴與主液滴則在104-110s合成單一液滴。 20 26  32   38   44   50   56  62圖4.4a  模擬結(jié)果20至62s20 26 32 38 44 50 56 62圖4.4b 實驗觀察20至62s在液滴飛行距離方面，為模擬與實驗結(jié)果之比較；在液滴體積方面，實驗觀察之液滴體積為236 pl，模擬結(jié)果之液滴體積為229 pl。從液滴形態(tài)

45、、斷裂時間、飛行距離與體積等四方面，模擬結(jié)果與實驗觀察比對具有不錯的吻合。 68  74    80   86   92   98  104  110 圖4.5a 68-110s的模擬結(jié)果68 74 80 86 92 98 104 110圖4.5b 68-110s的實驗結(jié)果圖4.6 對比飛行距離液滴之間模擬結(jié)果與實驗觀察結(jié)果4.2 關(guān)于步進電機的計算計算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下: i=(.S)/(360.)=1(1-

46、1) 式中 -步進電機的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） 計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2=3.56 （1-2） 式中Jt -折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齒輪慣量(Kg.cm. s2) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） 計算電機輸出的總力

47、矩M M=Ma+Mf+Mt =0.155（N.m)（1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102 （1-4） 式中Ma -電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n-電機所需達到的轉(zhuǎn)速（r/min） T-電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2i)×102 （1-5） Mf-導軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（N.m) u-摩擦系數(shù) -傳遞效率 Mt=(Pt.s)/

48、(2i)×102 （1-6） Mt-切削力折算至電機力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） 負載起動頻率估算數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中fq-帶載起動頻率（Hz） fq0-空載起動頻率 Ml-起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算. 運行的最高頻率與升速時間的計算由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。 負載力矩和最大靜力矩Mmax負載力矩按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.