3D打印機的機械結構設計

摘 要隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工工藝已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)部件的加（包括五軸加工中心3D打印機應運而生……3D打印機看似復雜，卻很簡單，也許你會為它神奇的能力而震撼，也許你會為它的高科技而驚呆，其實從1916年愛因斯坦提出激光原理時，已經為3D3D一點也不復雜。3D3D對新型的生產工藝采取的實際設備的設計制造。關鍵詞：3D打印機機械結構新型設備ABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentofmodernindustry,thetraditionalprocessingtechnologyhasbeenunabletomeettheprocessingneedsofmodernindustrialparts,thetraditionalprocessingandutilizationofmanydeformedstructure(includingfiveaxismachiningcenter)isdifficulttobemachinedorcannotprocess.Thenemergeasthetimesrequire3Dprinter......3Dprintermayseemcomplicated,butisverysimple,youmightandshookitmagicalabilities,perhapsyouwillbestunnedforitshigh-tech,infact,theprincipleoflaserEinsteinfrom1916,haslaidasolidtheoreticalfoundationfortheemergenceof1986thefirst3Dprinter.Abouttheprincipleof3Dprinterisnotcomplicated.Inthispaper,the3Dprintingtechnologytodesigna3Dprintspeedmodelofequipment,designandmanufactureoftheequipmenttothepracticalproductionprocessmodelfortheequipment.Keywords: Keywords: 3Dprintermechanical structure modelofequipment3D打印機設計目 錄第一章緒論 1課題來源及研究目的和意義 1本次設計的主要內容 53D打印設備方案分析 5機械結構設計思路 5機械結構總體方案和布局 6第2章機械結構設計… 8電機的選擇 8滾珠絲杠螺母副的設計 10材料選用原則 10絲杠螺母工作條件及失效形式 11螺旋傳動類型特點和應用 11滾珠絲杠螺母副的計算 12滾珠絲杠螺母的支撐方式 18滾珠絲杠螺母的潤滑和防塵隔離 18導向光桿和直線軸承的設計 20聯(lián)軸器的設計選擇 23同步帶輪的設計計算 23第3章結構設計及三維建?！?26主體結構設計的是三維建模 27整體裝配建模 30標準件建模 30結論 38參考文獻 39致謝 40第1章緒論課題來源及研究目的和意義3D和傳統(tǒng)打印機十分相似?？焖俪尚渭夹g（rapidprototyping，RP）速原型制造技術，是近年來發(fā)展起來的一種先進制造技術2080美國，很快發(fā)展到日本和歐洲，是近年來制造技術領域的一次CAD材料科學與工程RPCADCAMCNCCAD，或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結劑或熱熔材料快速成形工藝流程如下：三維模型構造由于RP系統(tǒng)只接受計算機構造的產品三維模型(立體PCCAD軟件（如U、Pro/E、I-DEAS等，根據(jù)產品要求設計三維模型；或將已有產品的二維三得到數(shù)據(jù)點云，進行三維重構。STLCADSTL三維模型的分層(Slicing)處理由于RP工藝是按一層層截面輪廓來進生產率要求選定。間隔越小，精度越高，但成形時間越長。間隔范圍為0.5mm，常用0.1mm，能得到相當光滑的成形曲面。層片間隔選定后，成形時Slicing自動提取模型的截面輪廓。截面加工根據(jù)分層處理的截面輪廓，在計算機控制下，RP系統(tǒng)中的成（如激光掃描頭或噴頭x-y（得到一層層截面。最終形成三維產品。后處理成形機成形完畢后，取出工件，進行打磨、涂掛，或者放進高溫爐中燒結，進一步提高其強度（如3D-P。對于SLS溫爐中燒結，使粘結劑揮發(fā)掉，以便進行滲金屬（如滲銅）處理。本次設計中根據(jù)三維打印技術的原理以及作用的基礎上，綜合運用機械原本次設計的主要內容3DCAD/PROE3D3D零件圖及相關設計說明書。主要的設計基本內容如下：3D圖工具。3D統(tǒng)、噴頭運動系統(tǒng)。裝配關系，完成裝配工作圖。3D（構等機構。3D設計總結及答辯：進行畢業(yè)設計總結，完成答辯準備工作。3D打印機模型設備的方案分析機械結構設計思路3DPCAD機械系統(tǒng) X,Y軸(打印平面)組成平面掃描運動框機構選用：X軸 導軌——絲桿機構Y軸 導軌——絲桿機構Z軸（即成型腔和儲料腔）光桿——絲桿機構兩副鋪粉輥機構（即噴頭）導軌——絲桿機構機械結構總體布局3D打印機的方案1）儲料箱：提供成型與支撐粉末材料。2）成型箱：在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距離即為層厚。零件加工完后，缸升起，以便取出制造好的工件，并為下一次的加工做準備。工作缸的升降由伺服電機通過絲桿驅動。余料箱：安裝在成型機殼內，回收鋪粉時多余的粉末材料。打印快速成型的關鍵部件。2電機的選擇Z軸電機的選擇Z2m/min左右G=mg=30×10=300NV=1-2m/min=16.6-33.3mm/s選用伺服電機，本次伺服電機的廠家為華大伺服電機。電機設計計算1、確定運行時間本次設計加速時間lVl(t60 0Vl負載速度（m/min）

-t1 有速度可知每秒上升50mm，l 1.2 360電機轉速n Vl電機 PBPB為絲桿導程，本次設計的絲桿導程我們取5mm，PB=5.00mmVl 2n 400r/min電機 PB 0.005負載轉矩gMP

0.3102000.005TL B2

0.9

1.73N.m式中：摩擦系數(shù)，取0.3M：負載重量200KgP：絲桿導程：傳動效率，取0.9負載慣量

PB2 0.0052JLMM(

)200

0.000126779(kg.m2)JB

L32

D4B

7.87102105(kg.m2)32式中密度，取7.87L：絲桿長度，取0.6mBD：絲桿直徑，取0.02mB總慣量J J J 0.00032(kg.m2)總慣量L LM B啟動轉矩NM(JMJL) 636.9(JM0.00032)T S 60t1

1.25N.m601.2必須轉矩TMTSS2.36N.mS根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)，我們選用華大伺服電機型號為110ST-M02030，以下為選擇的伺服電機的具體詳細介紹：2.0N.m，額定地拿了4.0A額定轉速為3000r/min。電機大致圖如下：外形尺寸110x110x106，電機輸出軸徑為12mm。XY軸電機的選擇XY電機設計計算1、確定運行時間Vl本次設計加速時間l (t60 Vl負載速度（m/min）

-t1l1.20.033有速度可知每秒移動50mm， 360電機轉速n Vl電機PBPB為絲桿導程，本次設計的絲桿導程我們取4mm，PB=4.00mmn Vl 2 500r/min電機 PB 0.004負載轉矩gMP

0.3102000.004TL B2

0.9

1.59N.m式中：摩擦系數(shù)，取0.3M：負載重量20KgP：絲桿導程：傳動效率，取0.9負載慣量

PB2 0.0042JLMM(

)200

0.00011245(kg.m2)JB

L32

D4B

7.87106105(kg.m2)32式中密度，取7.87L：絲桿長度，取0.5mBD：絲桿直徑，取0.016mB總慣量J J J 0.0002(kg.m2)總慣量L LM B啟動轉矩NM(JMJL) 636.9(JM0.0002)T S 60t1

0.65N.m601.2必須轉矩TMTSS1.3N.mS根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)，我們也選用華大伺服電機型號為110ST-M02030，具體尺寸同Z軸移動所選的電機相同。滾珠絲杠螺母的設計材料選用原則和經濟性。能的影響。絲杠螺母的工作條件、失效形式和技術要求1、工作條件行測量，而非傳遞動力或扭矩。主要承受一定的剪切、彎曲、扭轉等載荷。2、主要失效形式以有效的減少磨損。3、材料性能要求根據(jù)絲杠的工作條件和失效形式，要求絲杠材料具備以下主要性能：①電磁鐵參數(shù)測量裝置是對電磁鐵的電磁吸力、磁場強度和線圈溫度進行測量的裝置。為避免電磁鐵的磁泄漏，采用不可磁化材料。如不銹、鋁合金、銅合金、陶瓷材料或高分子材料。②較高的綜合力學性能.當絲杠正常工作時，要承受一定的交變載荷與沖擊載荷。③絲杠軸頸應具有高的硬度和耐磨性，提高絲杠的旋轉精度和使用壽命。絲桿螺旋傳動的類型、特點與應用轉運動。梯形絲桿的特點：傳動效率高：滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達90%～98%2～4運動轉為旋轉運動（運動可逆）。高精度：滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙度。高耐用性：鋼球滾動接觸處均經硬化（HRC58～63）保持性。的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。高可靠性：與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障滑狀態(tài)下工作。無背隙與預緊：采用歌德式（Gothicarch）溝槽形狀、軸向間隙可調度。滾珠絲桿螺母的設計計算滾動螺旋傳動主要承受軸向力。由于螺母和螺桿間有較大的滑動摩擦，因（螺桿的直徑和螺母的高度核。螺旋副 材料牌號

2.1

應用范圍Q235、Q275、45、5040Cr65MnT1240WMn螺桿18CrMnTi38CrMoAlZCu10P1、ZCu5Pb5Zn5螺母 ZCuAl9FeNi4Mn2ZCuZn25Al6Fe3Mn3

材料不經熱處理，使用于經常運動，受力不大，轉速較低的傳動材料需經熱處理，以提高其耐磨性，適用于重載、轉速較高的重要傳動材料需經熱處理，以提高其尺寸的穩(wěn)定性，適用于精密傳導螺旋傳動材料耐磨性好，適用于一般傳動材料耐磨性好，強度高，適用于重載、低速的傳動。對于尺寸較大或高速傳動，螺母可采用鋼或鑄鐵制造，內孔澆注青銅或巴氏合金1、Z軸立向絲桿的設計2000N400mm0.001mm的重量所引起的進給抗力。應按額定靜載荷選用。C f f'Pfd1

0 d

maxHHf'—動載荷硬度影響系數(shù)，f' =1HHP —最大軸向載荷max200 n/min1000Vmax10001t2定靜載荷為C0200 n/min1000Vmax10001t2n5WW2005-2.52.6所示：表2.2 滾珠絲桿螺母副幾何參數(shù)傳動效率計算tgtgtg()式中：——絲桿螺紋升角。

（2.23）名名稱符號計算公式和結果（mm）公稱直徑d020螺距t5接觸角45鋼球直徑dq3.175螺紋滾道螺紋滾道法面半徑RR0.52dq1.651偏心距ee(Rd 2)sinq0.0449螺紋升角arctgtd04.37螺桿外徑ddd0(0.2~0.25)d19.4q螺桿螺桿內徑ddd2e 2R 16.788l f0螺桿接觸直徑dzddz 0d cosq22.59螺母螺紋外徑DDd02e2R23.312螺母螺母內徑（外循環(huán)）D1D1d0(0.2~0.25)d25.5q螺母長度Ln33tgtgtg()0.96PLp的變化量L1PLpL1PLpEFY向所受牽引力大，故應用Y向參數(shù)計算P400（N） Lp

0.5 （cm）20.6 106E (Ncm2) (材料為45鋼)20.6 1061.651F R2

3.14( 2

2.213 （cm2）所以

2000.520.6106

2.194106

（cm）2絲桿因受扭矩而引起的導程變化量2

L很小，可以忽略。所以導程誤差

100 100 2.194 106 4.97 (m L0 0.5查表知C級精度的絲桿允許誤差6m，故剛度足夠。Mf為M GS '

'2000.50.9615.287GSf 2 GS

23.14G——S——導程（cm）'。'——'。相等，因此，一般用正傳動效率代替GSM '2000.50.9615.287N.cm110BF004反應式步進電動GSf 23.14機帶動絲桿螺母副時不會發(fā)生逆向傳動6002Fa=200N.2002Cr=4.32kN,Cor=2.50Kn。6002UCFU203軸承。Fa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38當量負載的計算P=200N可算得軸承壽命[6]16667fC

（2.25）fPL tfPh np溫度系數(shù)ft

=1，載荷系數(shù)fp

=1，UCFU203軸承座，壽命指數(shù)為=3得 1666712500

1627635000（h）hL 200 200 h所以該軸承適合。2、X軸和Y軸橫向絲桿的設計570N，支250mm3.20.001mm滾珠絲桿的負荷為運動部件的重量所引起的進給抗力。應按額定靜載荷選用。0f f0f f'Pd H maxdf1d

（2.18）HHf'—動載荷硬度影響系數(shù)，f' =1HHP —最大軸向載荷max額定靜載荷為C0570N200n/min1000Vmax10001t200n/min1000Vmax10001t5n5WW2005-2.52.5：名稱符號名稱符號計算公式和結果（mm）公稱直徑螺距d0t165螺紋滾道接觸角45鋼球直徑dq3.175螺紋滾道法面半徑RR 0.52d1.651qtgtgtgtg()式中：——絲桿螺紋升角。

（2.19）tgtgtg()0.96PLp的變化量P 470（N） Lp

L1PLL1PLpEF

（cm）

（2.20）20.6 106E (Ncm20.6 106

) (45鋼)F R2

1.6513.14(

2.139 （cm2）所以 L

2470

3.624106

（cm）1 20.61062.139絲桿因受扭矩而引起的導程變化量

L很小，可以忽略。所以導程誤差偏心距ee(Rd 2)sinq0.0449螺紋升角偏心距ee(Rd 2)sinq0.0449螺紋升角arctgtd4.370螺桿外徑ddd0(0.2~0.25)d19.4q螺桿螺桿內徑ddd2e 2R 16.788l f0螺桿接觸直徑dzddz 0d cosq22.59螺母螺紋外徑DDd02e 2R23.312螺母螺母內徑（外循環(huán)）D1D1d0(0.2~0.25)d20.6q螺母長度Ln332L0

3.6241061000.5100

7.12 (m/m)查表知C級精度的絲桿允許誤差10m，故剛度足夠。（4）6002Fa=570N.2002Cr=4.32kN,Cor=2.50kNFa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38當量負載的計算P=570N可算得軸承壽命16667f

C P L P ph n p

（2.21）溫度系數(shù)ft

=1

=1，6002為深溝球軸承，壽命指數(shù)為=3p16667125003得L h

200

570

7044大于5000（h）所以該軸承適合。滾珠絲桿螺母的支承方式的選擇滾珠絲杠的支承主要有以下四種，由于支承方式不同，使容許軸向載荷及容許回轉轉速也有所不同。固定---固定，適用于高轉速、高精度；固定---支承適用于中等轉速、高精度；支承---支承適用于中等轉速，中精度；固定---本次設計中絲桿螺母的固定方式如下所示滾珠絲桿螺母的潤滑和防塵隔離1、油潤滑8小時的補充潤滑時間。2、脂潤滑采用脂潤滑的優(yōu)點可以使?jié)L珠絲杠傳動系統(tǒng)在一段很長時間后才需進行補3、防塵與隔離（切屑碎屑進入就會很快使它（折疊式或伸縮式絲杠防塵罩滾珠絲杠副設計使用中應注意的問題：杠軸心，以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。()，防止逆?zhèn)鲃拥姆椒刹捎茫和ｋ娮枣i的電機、蝸輪蝸桿機構、離合器等方式。撞擊而影響精度、使用壽命甚至損壞。防止熱變形：熱變形對精密螺旋傳動的定位精度有著重要的影響。其熱強制冷卻等減少熱變形對絲杠的伸長的影響。合理潤滑是減小驅動轉矩、提高傳動效率、延長螺旋副使用壽命的重要的潤滑方式。正確選擇預緊力，滾珠絲杠副出廠時已經按要求調節(jié)好所需要的預緊珠管，以免造成滾珠堵塞，運轉不流暢。建議采用適應于數(shù)控機床的大接觸軸承以提高傳動剛度。d2,否則無法裝配螺母。水平位置采用外循環(huán)滾珠絲杠副，最好是插管放置再絲杠軸線上面。為便于絲杠加工，絲杠上最大外圓處的直徑最好不要大于絲杠的外徑d1。導向光桿和直線軸承的設計置。直線軸承的選擇POM工程式塑料保持器適用于20C~80C工作測試；鋼保持器適用于為40C~80C工作溫度；不銹鋼軸承適合于水、蒸氣、硝酸等腐蝕介質及真空工作場合，軸承型號按下述計算公式確定。硬度系數(shù)FH：硬度HRC58以上，F(xiàn)H=1.0；硬度HRC52-58，F(xiàn)H=0.6-1.0。FT100oCFT=1.0100oC-125oCFT=1.0-0.95接觸系數(shù)FC：每根軸裝一套軸承，F(xiàn)C=1.0每根軸裝二套軸承，F(xiàn)C=0.81每根軸裝三套軸承，F(xiàn)C=0.72每根軸裝四套軸承，F(xiàn)C=0.66載荷系數(shù)FW：運行速度小于15米/分鐘，無沖擊、無振動，F(xiàn)W=1.0-1.5；運行速度小于60米/分鐘，微小沖或振動，F(xiàn)W=1.5-2.0；運行速度大于60米/分鐘，或有較大沖擊、振動，F(xiàn)W=2.0-5.0時間壽命Lh=(10000*L)/2*L(S*n1*60)(位單：h小時)L：LS：工作行程(米)，N1：已知整個裝置行程L=0.5米，工作溫度60oC，每分鐘往復次數(shù)n1=20，微小PC=200Kg，HRC60，Lh=5000軸承型號。按以上工作條件：FH1.0,FT1.0,FC0.81運行速度V=10.210=2m/min，屬于一般沖擊，選取FW=2.0根據(jù)本次載荷重量為200N，我們選用4個導向光桿加上絲桿螺母，這樣滑動軸承的所受負載就平均分配，上下4個滑動軸承分別連接底板和連接上固定圓盤，44126N選擇的滑動軸承為帶法蘭形狀的。根據(jù)每個滑動軸承的負載承受126N，我們選用滑動軸承為LMF20，軸承中間孔徑為20mm，這樣導向光桿的直徑也為20mm。直線軸承安裝：軸承座孔公差推薦采用H7、J7級，直線軸公差推薦采用g6、h6級，軸承安裝1載能力，延長壽命。已過盈）0.01mm，2三分之一。油潤滑不需清除防銹油，根據(jù)工作測試采用15#～100#潤滑油，工作溫度低采用低粘度油，工作測試高采用高粘度油，常用的有透平油，機械油（脂P0C0/FS，擊場合FS取1.01.5，受振動和沖擊工作場合FS取2.0~7.0。5動載荷C來保證。由于軸承壽命具有分散性，即同一批材料、相同工藝生產、相同使用條件下的軸承壽命不相同，所以軸承基本額定動載荷C定義為一批相同的軸承在相同條件下運行5萬米，軸承不生任何疲勞剝落現(xiàn)象所能承受的動載荷。聯(lián)軸器的選擇經濟問題，我們選用彈性套柱銷聯(lián)軸器，取工作情況系數(shù)k1.3。由于電機輸12mm，HLA12-14，聯(lián)軸器承受轉矩KP 1.30.3T9550c

n095500

3000

T125N.m故：合適同步帶輪設計設定功率

P =0.6Kw24小時左右，電機查表如下圖得到工作情況系數(shù)1.0KA=1.0，則計算功率P=K

P=1.2KwA計算小同步帶輪轉速n v 3 75r/minr 60選定同步帶帶型和節(jié)距HPb=12.7mmZ1查表知道小同步帶輪最小齒數(shù)為14，本次我們選取小同步帶輪齒數(shù)為15.小同步帶輪節(jié)圓直徑確定zd 1z

1512.7

60.6m1 3.14大同步帶輪數(shù)據(jù)確定2.115，n則z iz2

1zn 12z (23037.52我們選用傳動比為2.1則大同步帶輪齒數(shù)為32，實際傳動比為 i 2.133333Z1 15大同步帶輪節(jié)圓直徑d

z2pb

3212.7

=129.36mm2 同步帶速確定dn 3.1460.675v 0.5m/sV601000 601000確定軸間間距0.7(d1d2)a02(d1d2)得根據(jù)公式

133mma0380mm本次選取195mm同步帶帶長及其齒數(shù)確定L02a0221952

(d1d2)(60.64129.36)688.3mm帶輪嚙合齒數(shù)計算在本次傳動設計中，嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即小同步帶齒數(shù)的一半，為712.基本額定功率P0計算P0

(Tmv2)v查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量可以知道1000Ta=2100.85N，m=0.448kg/m所以同步帶的基準額定功率為P0

(2100.8