并聯(lián)式熔融3D打印機論文

摘要3D熔融打印是最近兩年開始流行的一種成形技術。它以數(shù)字模型文件為基礎,通過逐層熔融打印的方式來構(gòu)造物體。我們?nèi)粘Ｉ钪械娜廴诖蛴C能熔融打印一些平面紙張材料。而3D熔融打印機熔融打印出的是立體產(chǎn)品。本文章對3D熔融打印的技術體系和國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展態(tài)勢作了綜合介紹，綜述3D熔融打印技術的基本概念、發(fā)展簡史、熔融打印過程原理、應用領域、廣泛影響以及面臨的問題等。在介紹3D技術的發(fā)展歷程、3D熔融打印技術的工作原理流程及特點的基礎上，分析了3D熔融打印技術的創(chuàng)新點和存在的問題，展望了3D熔融打印技術的未來發(fā)展趨勢。根據(jù)相應的指標、參數(shù)在滿足標準化型材的前提下對3D熔融打印機進行整體結(jié)構(gòu)設計，對某些重要的零部件詳細分析它的參數(shù)和原理作用。3D熔融打印機在工作過程中因受應力的影響可能會發(fā)生變形，所以接下來應用材料力學的知識對X方向運動的光桿進行受力分析校核，以確保三維熔融打印機能熔融打印出精度比較高的產(chǎn)品。3D熔融打印機工作的時候是三個方向一起運動，而熔融打印機要精準穩(wěn)定地做X、Y、Z方向的運動，必須要有精確平穩(wěn)的軌道承載，能否在這三個方向上自由地運動是我對熔融打印機研究的非常重要的部分，而3D熔融打印機要求的是在最小的尺寸空間里實現(xiàn)三個運動方向運動范圍的最大化。設計中主要使用了Solidworks三維制圖軟件，受力方面結(jié)合材料力學力的知識對3D熔融打印機的主要部件進行了受力分析。關鍵詞：3D熔融打印技術；結(jié)構(gòu)設計；SolidworksAbstract3Dprintingisthebeginningofthelasttwoyearsapopularrapidprototypingtechnology.Itisbasedonadigitalmodelfile,bythewayprintedlayerbylayerconstructobjects.Ourdailylivesprintercanprintsomepapermaterialplane.The3Dprintertoprintoutthethree-dimensionalproduct.Thisarticleisfor3Dprintingtechnologysystemanddomesticandforeignindustrydevelopmentstatus,developmenttrendmadeacomprehensivepresentation,reviewthebasicconceptsof3Dprintingtechnology,developmenthistory,theprintingprocessprinciples,applications,andtheproblemsfacedbyabroadimpactandsoon.Onthebasisofthedevelopmentprocessofintroductionof3Dtechnology,3Dprintingtechnologiesworkprocessesandcharacteristics,analyzestheinnovationof3Dprintingtechnologyandproblems,looktothefuturedevelopmenttrendof3Dprintingtechnology.Accordingtorelevantindicators,parametersinmeetingthestandardizationof3Dprinterprofilespremiseoverallstructuraldesign,someimportantpartsofadetailedanalysisofitsparametersandprinciplesofaction.3Dprinterduetotheimpactofstressmaybedeformedinthecourseoftheirwork,sothenextapplicationofknowledgeofthemechanicalmovementofthelightpoleXdirectionstressanalysischecktomakesurethatthe3Dprintercanprintouthighprecisionproducts.Whenthe3Dprintertoworktogetherisamotioninthreedirections,andtheprinteryouwanttodoaccurateandstablemovementX,Y,Zdirection,theremustbeastableorbitprecisebearing,canfreelymoveinthreedirectionsmyprinterisaveryimportantpartoftheresearch,and3Dprintersachievetherequiredrangeofmotioninthreedirectionsofmovementinthesmallestsizetomaximizespace.ThemainuseofSolidworksdesignthree-dimensionalmappingsoftware,bycombiningthemechanicalaspectsofknowledgeforcestrengthofthemaincomponentswerestressanalysis3Dprinter.Keywords：3Dprinting;design;stressanalysis;Solidworks目錄Abstract 2緒論 1第一章熔融打印的背景 21.1熔融打印技術概論 21.2熔融打印技術的特點 21.3熔融打印技術-工藝過程 31.4熔融打印技術的應用 4第二章總體方案及結(jié)構(gòu)設計 62.1總體設計要求 62.2熔融打印機床的結(jié)構(gòu)運動方案 6第三章電機方案的選擇及選型 73.1電機方案的比較 73.2步進電機的選型 8第四章絲桿的計算 114.1電機選型 114.2絲桿軸的剛性計算 124.3絲桿扭矩計算： 134.4X向軸的校核 154.5Y向軸的校核 16第五章打印頭擠壓裝置的設計 185.1打印頭擠壓裝置的基本原理及功能 185.2打印頭擠壓裝置的組成 19第六章控制系統(tǒng)的設計 206.1控制系統(tǒng)有幾種分類方法 206.2控制方案設計 21總結(jié) 25致謝 26參考文獻 27緒論美國Stratasys公司推出的FDM設備是由ScottCrump于1988年最早開發(fā)出來打印技術。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。熔融打印的工作原理是將熱熔性材料（ABS、蠟）通過加熱器熔化，材料先抽成絲狀，通過送絲機構(gòu)送進熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將半流動狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑打印頭擠壓并在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積打印，有效的縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。在熔融打印中，打印精度對最終產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用。熔融成形工藝比較適合于家用電器、辦公用品以及模具行業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)，以及用于假肢、醫(yī)學、醫(yī)療、大地測量、考古等基于數(shù)字成像技術的三維實體模型制造。該技術無需激光系統(tǒng)，因而價格低廉，運行費用很低且可靠性高。目前在汽車、家電、電動工具、醫(yī)療、機械加工、精密鑄造、航天航空、工藝品制作以及兒童玩具等行業(yè)，已經(jīng)在以下幾個方面起到重要作用：1)產(chǎn)品樣本、設計評審、性能測試及裝配實驗。用戶根據(jù)制造的打印對設計方案進行評審，進行模擬性能測試和模擬裝配試驗，然后評估生產(chǎn)的可能性，最后將改進信息提供給設計人員，以便以后的修改和優(yōu)化。2)將FDM技術和傳統(tǒng)的模具制造技術結(jié)合在一起，模具制造技術可以縮短模具的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。3)在生物醫(yī)學領域，根據(jù)掃描得到的人體分層截面數(shù)據(jù)，制造出人體局部組織或器官的模型，可以用于臨床醫(yī)學輔助診斷復雜手術方案的確定，即制造解剖學體外模型（體外模型）；也可以制造組織工程細胞載體支架結(jié)構(gòu)（人體器官），即作為生物制造工程中的一項關鍵技術。4)在微型機械方面，采用某些工藝加工方法，如光固化法方法，打印制造技術可以用于微型機械的制造和裝配。5)在其他領域，如打印技術還可以用于復制文物，制作工藝品的設計原型，展覽模型等。第一章熔融打印的背景1.1熔融打印技術概論隨著聚合物加工的高效率和應用領域的不斷擴大和延伸,打印頭擠壓打印制品的種類不斷出新,打印頭擠壓打印的新工藝層出不窮,其中主要有反應打印頭擠壓工藝、固態(tài)打印頭擠壓工藝、共打印頭擠壓工藝、木塑復合材料打印頭擠壓工藝、精密打印頭擠壓工藝、氣體輔助打印、微孔發(fā)泡打印頭擠壓打印工藝。熔融打印的工作原理是將熱熔性材料（ABS、蠟）通過加熱器熔化，材料先抽成絲狀，通過送絲機構(gòu)送進熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將半流動狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑打印頭擠壓并在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積打印。這種新興的制造技術不受打印幾何實體外形限制，直接將三維的立體模型加工變?yōu)槠矫婕庸?形狀特別復雜的物體和簡單的物體可以用同樣的方法進行制造。1.2熔融打印技術的特點打印技術優(yōu)缺點：(1)性采用打印技術，從設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ńY(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型原型，一般只需幾個小時至幾十個小時，從而可以對產(chǎn)品設計進行評估、測試及功能試驗，以縮短產(chǎn)品開發(fā)的研制周期，減少開發(fā)費用，提高企業(yè)參與市場競爭的能力。(2)集成性打印機通過計算機直接執(zhí)行CAD模型的數(shù)控指令，避免了數(shù)控中的復雜編程，真正實現(xiàn)了設計制造一體化，大大提高了加工效率。與反求工程(Bioengineering)、Tao技術、網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實等相結(jié)合，成為產(chǎn)品開發(fā)的有力工具。(3)高度柔性若要生產(chǎn)不同形狀的零件模型，只需改變CAD模型，重新調(diào)整和設置參數(shù)即可，打印過程中不需要專門的夾具和工具，打印零件與CAD模型具有直接關聯(lián)，零件可隨時修改，隨時制造。(4)無限制性打印不受零件的形狀和復雜程度的限制，可打印任意形狀的造型，這就擺脫了傳統(tǒng)夾具、工具加工的限制，使高難度、高復雜度的模型的加工變得相對較容易。(5)材料的廣泛性打印技術可以制造樹脂類、塑料原型，還可以制造出紙類、石蠟類、復合材料以及金屬材料和陶瓷的原型。(6)低造價性(7)精度低精度相對國外SLA工藝較低，最高精度0.127mm。(7)速度慢1.3熔融打印技術-工藝過程產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動，因此首先要構(gòu)建所加工工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設計軟件（如Pro/E,I-DEAS,Fieldworks,UG等）直接構(gòu)建，也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實體進行激光掃描、CT斷層掃描，得到點云數(shù)據(jù)，然后利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。三維模型的近似處理由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前要對模型進行近似處理，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡單、實用，目前已經(jīng)成為打印領域的準標準接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個小三角形用3個頂點坐標和一個法向量來描述，三角形的大小可以根據(jù)精度要求進行選擇。STL文件有二進制碼和ASCll碼兩種輸出形式，二進制碼輸出形式所占的空間比ASCII碼輸出形式的文件所占用的空間小得多，但ASCII碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出stl格式文件的功能。三維模型的切片處理。根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向，在打印高度方向上用一定間隔的平行面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。間隔越小，打印精度越高，但打印時間也越長，效率就越低，反之則精度低，但效率高。打印加工。根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，相應的打印頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上一層一層地堆積材料，然后將各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。打印零件的后處理。從打印系統(tǒng)里取出打印件，進行打磨、拋光、涂掛，或放在高溫爐中進行后燒結(jié)，進一步提高其強度。1.4熔融打印技術的應用目前熔融打印技術的發(fā)展水平而言，在國內(nèi)主要是應用于新產(chǎn)品（包括產(chǎn)品的更新?lián)Q代）開發(fā)的設計驗證和模擬樣品的試制上，即完成從產(chǎn)品的概念設計（或改型設計）--造型設計--結(jié)構(gòu)設計--基本功能評估--模擬樣件試制這段開發(fā)過程。對某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進行小批量試制，或進行一些物理方面的功能測試、裝配驗證、實際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場，達到投石問路的目的。打印的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設計驗證與功能驗證。熔融打印技術可地將產(chǎn)品設計的CAD模型轉(zhuǎn)換成物理實物模型，這樣可以方便地驗證設計人員的設計思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性，發(fā)現(xiàn)設計中的問題可及時修改。如果用傳統(tǒng)方法，需要完成繪圖、工藝設計、工裝模具制造等多個環(huán)節(jié)，周期長、費用高。如果不進行設計驗證而直接投產(chǎn)，則一旦存在設計失誤，將會造成極大的損失。（2）可制造性、可裝配性檢驗和供貨詢價、市場宣傳，對有限空間的復雜系統(tǒng)，如汽車、衛(wèi)星、導彈的可制造性和可裝配性用熔融打印技術進行檢驗和設計，將大大降低此類系統(tǒng)的設計制造難度。對于難以確定的復雜零件，可以用熔融打印技術進行試生產(chǎn)以確定最佳的合理的工藝。此外，熔融原型還是產(chǎn)品從設計到商品化各個環(huán)節(jié)中進行交流的有效手段。比如為客戶提供產(chǎn)品樣件，進行市場宣傳等，打印技術已成為并行工程和敏捷制造的一種技術途徑。單件、小批量和特殊復雜零件的直接生產(chǎn)。對于高分子材料的零部件，可用高強度的工程塑料直接打印，滿足使用要求;對于復雜金屬零件，可通過鑄造或直接金屬件打印獲得。該項應用對航空、航天及國防工業(yè)有特殊意義。模具制造。通過各種轉(zhuǎn)換技術將熔融打印轉(zhuǎn)換成各種模具，如低熔點合金模、硅膠模、金屬冷噴模、陶瓷模等，進行中小批量零件的生產(chǎn)，滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代快、批量越來越小的發(fā)展趨勢。打印應用的領域幾乎包括了制造領域的各個行業(yè)，在醫(yī)療、人體工程、文物保護等行業(yè)也得到了越來越廣泛的應用。打印技術在各行業(yè)中的應用：汽車、摩托車：外形及內(nèi)飾件的設計、改型、裝配試驗，發(fā)動機、汽缸頭試制。家電：各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設計，裝配試驗與功能驗證，市場宣傳，模具制造。通訊產(chǎn)品：產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設計，裝配試驗，功能驗證，模具制造。航空、航天：特殊零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發(fā)動機的試制、裝配試驗。

輕工業(yè)：各種產(chǎn)品的設計、驗證、裝配，市場宣傳，玩具、鞋類模具的制造。醫(yī)療：醫(yī)療器械的設計、試產(chǎn)、試用，CT掃描信息的實物化，手術模擬，人體骨關節(jié)的配制。國防：各種武器零部件的設計、裝配、試制，特殊零件的直接制作，遙感信息的模型制作。第二章總體方案及結(jié)構(gòu)設計2.1總體設計要求熔融打印裝置涉及多軸聯(lián)動，且設備的主要運動關節(jié)采用直線元件驅(qū)動，形成相互聯(lián)動運動機構(gòu)的運動形式，具有打印速度高，材料使用效率好，精度可控，消耗功率低而制造成本低的特點。2.2熔融打印機床的結(jié)構(gòu)運動方案結(jié)構(gòu)運動方案說明圖1為熔融打印裝置運動示意簡圖，該熔融打印裝置主要由電機，同步齒形帶，光桿，絲桿，滑塊和噴頭等部件組成。從上圖可以看出，通過步進電機1，可以實現(xiàn)帶有噴頭的裝置光桿上沿Z軸方向左右移動；電機3帶動工作臺在X軸左右移動，電機2帶動噴頭在Y軸的上下移動。噴頭可以上下左右移動，工作臺前后移動，其加工軌跡可以是直線也可以是曲線，從而實現(xiàn)了單層的二維加工，以及分層加工。在一層一層的疊加以后，就可以得出設計的相應零件。第三章電機方案的選擇及選型3.1電機方案的比較由熔融打印裝置運動示意簡圖我們可以知道，XYZ軸各需要一個電機，加上噴頭的電機，總共就需要4個電機的帶動，該設備才能正常的運動。能夠驅(qū)動XYZ軸運動的電機分別有：步進電機、伺服電機和直線電機究竟選擇哪個電機比較合適，我們做了一些對比如下表：電機的比較電機因素步進電機伺服電機直線電機成本低高高平穩(wěn)性低頻存在振動低頻平穩(wěn)存在邊端效應控制簡單復雜復雜結(jié)構(gòu)簡單復雜簡單分辨率較高高高尺寸小較小較小出于成本、應用場合和尺寸的考慮，選擇步進電機作為熔融打印裝置的動力元件。3.2步進電機的選型修正矩頻特性曲線電機型號電流靜轉(zhuǎn)矩步距角負載選擇電機一般應遵循以下步驟：修正矩頻特性曲線電機型號電流靜轉(zhuǎn)矩步距角負載電機最大速度選擇步進電機最大速度一般在600～1200rpm。在設計熔融裝置機械傳動系統(tǒng)時根據(jù)此參數(shù)設計。2.電機定位精度的選擇由于噴頭打印頭擠壓機構(gòu)的打印頭擠壓速度很低，是在步進電機的低頻區(qū)域內(nèi)，因此容易出現(xiàn)振動和爬行等不良現(xiàn)象，故選擇打印頭擠壓機構(gòu)的減速比為4：1，XYZ軸的步進電機減速比為1：1。3.電機力矩選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）轉(zhuǎn)動慣量計算物體的轉(zhuǎn)動慣量為：(3-1)式中：V為體積元，r為物體密度，r為體積元與轉(zhuǎn)軸的距離。單位：kgm2將負載質(zhì)量換算到電機輸出軸上轉(zhuǎn)動慣量，常見傳動機構(gòu)與公式如下：(3-2)傳動機構(gòu)的負載為w=2kg，減速比GL=1，小齒輪直徑D=17mm所以：加速度計算控制系統(tǒng)要定位準確，物體運動必須有加減速過程，如下圖所示。圖3.1加減速過程已知加速時間、最大速度Max，可得電機的角加速度：(rad/s2)(3-3)所以：電機力矩計算力矩計算公式為：(3-4)式中：為系統(tǒng)外力折算到電機上的力矩；h為傳動系統(tǒng)的效率，表3.2所示。表3.2常用機構(gòu)的機械效率η表：機構(gòu)機械效率滑動絲杠0.5~0.8滾珠絲杠0.9齒條和齒輪0.8齒輪減速器0.8~0.95蝸輪減速器0.5~0.7皮帶傳動0.95鏈條傳動0.9因此傳動系統(tǒng)的效率則：根據(jù)計算出的力矩T再加上一定的安全系數(shù)為1.2則。力矩與功率換算

步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功第四章絲桿的計算4.1電機選型馬達額定轉(zhuǎn)速3000最高速度250mm/s=5mm=5mmm3000根據(jù)行程長度100mm則確定絲桿長度150mm軸向容許負荷的計算：C0a:基本額定靜負荷（kN）Famax:容許軸向最大負荷（kN）fs:靜的安全系數(shù)FamaxFamax=C0aC0a=10*3.0=30KN選者滾珠絲桿軸徑￠20mm其支撐方法為固定自由型滾珠絲桿的臨界轉(zhuǎn)速計算N1:臨界轉(zhuǎn)速（min-1)Lb安裝間距E：楊氏模量（2.06*105N/mm2)I:螺桿軸的最小斷面二次矩(mm4)I=πd41/64(d1螺桿軸溝槽直徑）r:密度(7.85*106kg/mm3)A:d:絲桿軸溝槽直徑（mm)λ：安裝方式系數(shù)D:滾珠中心徑N1=λ*(d/L2b）*107=3.4*（17.2/1502)*107=51078.6rpmN2=7000/D=7000/20.75=3373.5rpm由于N2<N1所以選較小的為臨界轉(zhuǎn)速，即滾珠絲桿的臨界轉(zhuǎn)速為N2故選馬達的轉(zhuǎn)速為3000rpm4.2絲桿軸的剛性計算Ks螺桿軸軸向剛性E：楊氏模量（2.06*105N/mm2)d:螺桿軸溝槽直徑（mm)L:安裝間距（mm)Ks=πd2E/(4*1000*L)=3.14*17.22*2.06*105/(4*1000*150）=318.9N/um而BNF2005的剛性為380N/um,故滿足其要求。定位精度La50La50Lb150當壓頭由La運行到Lb時，軸向剛性產(chǎn)生的誤差Ks1=(π*17.22*2.06*105)/4000*50=956.8N/umKs2=(π*17.22*2.06*105)/4000*150=318.9N/umδ1=1891/956.8=1.976umδ2=1891/318.9=8.929um則定位誤差為：δ2-δ1=6.9um4.3絲桿扭矩計算：T1摩擦扭矩(N/mm)Fa軸向負荷（N）ι絲桿導程（mm)η絲桿的效率（0.9~0.95）A減速比M上模蓋和滾珠螺母的質(zhì)量和（Kg)a加速度g重力加速度Tmax=T3=Fa3*ι*A/(2*π*η)=3.63N/mFa1=M（a-g)=23.6*(5-9.8)=113.28NFa2=M(g+a)=23.6*(5+9.8)=349.28NFa3=10000+M(a+g)=10000+23.6(1.21+9.8)=10259.84NFa4=Fa5=Fa7=Mg=23.6*9.8=231.28NFa6=Fa2=349.28NFa8=Fa1=113.28N加速時所需的扭矩：Ｊ慣性矩（Kg/m2)ω角加速度（rad/s2)M上模蓋和滾珠螺母的質(zhì)量和（Kg)ι絲桿導程（mm)ＪA絲桿側(cè)齒輪的慣性矩（Kg/m2)ＪB馬達側(cè)齒輪的慣性矩N馬達的每分鐘轉(zhuǎn)速rpmt加速時間sD齒輪直徑mmω=2π*N/(60*t)=2*3.14*3000/(60*0.05)=6280rad/s2ＪA=M齒輪*D2/(8*106)=1.1*1002/(8*106)=0.001375Kg/m2ＪB=M齒輪*D2/(8*106)=0.13*402/(8*106)=2.6*10-5Ｊ=M(L/2π)2*A2*106+Ｊs*A2+ＪA*A2+ＪB=22.8*(5/2*3.14)2*(2/5)2*10-6+1.23*10-3*(2/5)2+1.3*10-3*(2/5)2+2.6*10-5=428.3*10-6Kg/m2T加=Ｊ*ω*103=428.3*10-6*6280*103=2.7N/mTn在行程Ln階段的扭矩T1=Fa1*ι*A/(2*π*η)-T加=2.66N/mT2=Fa2*ι*A/(2*π*η)+T加=2.82N/mT3=Fa3*ι*A/(2*π*η)-T加=3.3N/mT4=T5=T7=0.082N/mT6=T2=2.82N/mT8=T1=2.66N/mt1=0.05st2=0.043st3=0.029st4=0.1st5=0.057st6=0.05st7=0.108st8=0.05sTrms=［(T21*t1+T22*t2+T23*t3+T24*t4+T25*t5+T26*t6+T27*t7+T28*t8)/(t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7+t8)］1/2=2.01N/mTmax=T3=3.63N/mＪ電機>1/5J=0.856*10-4Kg/m2K1負載系數(shù)K2運轉(zhuǎn)時間系數(shù)K3起停頻率系數(shù)T聯(lián)軸器≥T電機*K1*K2*K3=15.76N/m4.4X向軸的校核(1)選擇軸材料40CrMnMo(2)初步確定軸端直徑表6-1-19A=97電機軸25取一軸直徑40(3)軸受力分析(a)計算齒輪嚙合力(b)求水平支承力作用平面內(nèi)彎矩圖a(c)垂直面內(nèi)支承反力，作垂直平面內(nèi)彎矩圖b(d)支承反力作合成彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖c4.5Y向軸的校核(1)選擇軸材料40Cr(2)軸受力分析表6-1-19d取50mm(3)軸受力分析(a)計算齒輪嚙合力(b)水平面水平彎矩圖(c)垂直面內(nèi)支承反力，作垂直平面內(nèi)彎矩圖(d)支承反力，作合成彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖第五章打印頭擠壓裝置的設計5.1打印頭擠壓裝置的基本原理及功能打印頭擠壓機構(gòu)是實現(xiàn)熔絲成形的關鍵部件，在機械運動控制的精密控制下，從原材料的棒料形態(tài)轉(zhuǎn)換到堆積路徑單元的形態(tài)，層層堆積粘結(jié)形成三維實體。打印頭擠壓機構(gòu)系統(tǒng)在熔絲成形裝置的基本原理是：將原料絲材送入加熱腔中，在其中及時而充分地熔化，變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后從滿足精度要求的噴嘴中打印頭擠壓成細絲狀，按預設的掃描路徑填充堆積成形。噴頭的功能可以分解為以下幾點：l)將原料絲材從絲筒上拉出。2)將原料絲材送入加熱腔。3)將送進的固態(tài)原料絲材及時而充分地熔化成為熔融態(tài)。4)提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動的通道。5)將熔融材料打印頭擠壓噴嘴。6)對打印頭擠壓熔融態(tài)物料進行沿零件截面輪廓和填充。在進行打印頭擠壓頭系統(tǒng)設計時，考慮到工藝優(yōu)化的要求以及其他特殊要求等，包括以下方面：l)在合適的加熱功率下按一定速度送入加熱腔的材料經(jīng)過熔化充分均勻，在加熱腔中處于合適的熔融區(qū)間(靠控溫系統(tǒng)實現(xiàn))。2)加熱腔加熱功率應盡量小，該部分應采取隔熱措施。一方面減少熱量損失，減少能源消耗，另一方面減少高溫對其它部件的影響。3)送絲機構(gòu)應能提供足夠大的推動力，以克服高聚物材料打印頭擠壓時產(chǎn)生的阻力。4)加熱腔和噴嘴結(jié)構(gòu)對流動的阻力盡量小。在滿足要求的前提下加熱腔流道應盡量短，既減少流動阻力，又可減小打印頭擠壓頭總體尺寸。5)結(jié)構(gòu)合理易于安裝和拆卸，并可方便地與系統(tǒng)其他部件集成。6)符合人機工程原理，方便人工操作和維護。5.2打印頭擠壓裝置的組成打印頭擠壓裝置結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示：熔融打印頭擠壓裝置分別由導管、打印頭擠壓機構(gòu)、散熱快、喉管、加熱塊、噴嘴組成。絲料通過導管進入打印頭擠壓機構(gòu)，經(jīng)過兩側(cè)管輪進行加壓處理，在經(jīng)過喉管，通過加熱塊將絲料處于熔融狀態(tài)，再通過噴嘴將溶質(zhì)按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑打印頭擠壓并在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積打印。圖2熔融打印頭擠壓裝置1.導管2.打印頭擠壓機構(gòu)3.散熱快4.加熱快5.喉管6.噴嘴第六章控制系統(tǒng)的設計6.1控制系統(tǒng)有幾種分類方法1、按控制原理的不同，自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都比較差。開環(huán)控制系統(tǒng)中，基于按時序進行邏輯控制的稱為順序控制系統(tǒng)；由順序控制裝置、檢測元件、執(zhí)行機構(gòu)和被控工業(yè)對象所組成。主要應用于機械、化工、物料裝卸運輸?shù)冗^程的控制以及機械手和生產(chǎn)自動線。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎之上的，利用輸出量同期望值的偏差對系統(tǒng)進行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。2、按給定信號分類，自動控制系統(tǒng)可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉(zhuǎn)速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)程序控制系統(tǒng)給定值按一定時間函數(shù)變化。如程控機床。6.2控制方案設計1.結(jié)構(gòu)設計：主要分為三大部分，一為電機控制位移系統(tǒng)，二為傳感反饋系統(tǒng)，三為電源系統(tǒng)。電機控制分為驅(qū)動噴頭和控制位移兩大部分。傳感反饋分為位置傳感器、溫濕度傳感和壓力傳感器。機械結(jié)構(gòu)X軸機構(gòu)選用導軌-同步齒形帶機構(gòu);Y軸機構(gòu)選用光杠-同步齒形帶機構(gòu);Z軸機構(gòu)選用兩副光杠-絲杠機構(gòu)；鋪粉輥機構(gòu)選用導軌-同步齒形帶機構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)圖2位移定位系統(tǒng)在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，普遍采用步進電機作為伺服驅(qū)動部件。步進電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)按一定的規(guī)律運動。高精度的位置控制常采用全閉環(huán)控制。然而全閉環(huán)位置控制不僅需要高精度的位置檢測裝置，而且控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含非線性環(huán)節(jié)導致控制系統(tǒng)模型復雜化，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性。1.選擇電機：電動機型式、電壓與轉(zhuǎn)速的選擇（1）根據(jù)電機啟動頻率，有無調(diào)速要求選擇是使用直流電動機或交流電動機；（2）選擇電動機額定電壓的大??；（3）根據(jù)轉(zhuǎn)速要求及傳動設備的質(zhì)量選取它的額定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩；（4）由生產(chǎn)機械所需要的功率大小來決定電動機的額定功率（容量）。綜合以上方面考慮，最后選擇與要求相符的電動機。b.幾種電機的參數(shù)性能比較：步進電機直流電機伺服電機力矩和速度在低速下滿轉(zhuǎn)矩，速度增加轉(zhuǎn)矩明顯下降在速度增大的情況下，轉(zhuǎn)矩變化很小幾乎線性化的力、速度曲線動態(tài)特性（速度和加速度）小小良好的加速度特性，高速穩(wěn)定性加速的時候固定平率的振動會引發(fā)問題，細分控制可減少此類問題整個動態(tài)范圍內(nèi)平滑、安靜運動寬動態(tài)范圍內(nèi)平穩(wěn)運動目標位置準確達到目標位置；自然力矩保持位置穩(wěn)；開環(huán)控制下，如果過載或者超速，目標位置無法達到通過閉環(huán)控制達到目標位置（有未知錯誤糾正功能）；PID整定不正確的情況下，糾正位置錯誤；可能出現(xiàn)位置超出或持續(xù)誤差更高速度、更小步距、無后沖。表5.1.1各電機參數(shù)性能比較我們主要對比了步進電機和伺服電機的性能參數(shù)：1、控制精度不同。步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同；一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。3、低頻特性不同；步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當它工作在低速時一般采用阻尼技術或細分技術來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點便于系統(tǒng)調(diào)整。4、矩頻特性不同；步進電機的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機為恒力矩輸出。5、過載能力不同；步進電機一般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。6、運行性能不同；步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。7、速度響應性能不同；步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求啟停的控制場合。從性能角度出發(fā)，通過以下幾方面的考慮我們選擇使用方案一的步進電機：將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度；2.可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；3.同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的；4.可以精確地到達目標位置，精度相比直流無刷電機更加高，開環(huán)便于控制；5.使用細分功率放大器并使用高輸入信號頻率可基本消除共振現(xiàn)象。綜上所述，步進電機不需要反饋信號，就可以對系統(tǒng)的位置、速度輸出直接控制，而且價格較為便宜，雖然打印速度不快，而我們所做的3D打印機并不要求高速運轉(zhuǎn)，所以選用步進電機作為驅(qū)動裝置。使用步進電機，步進電機的最大優(yōu)點就是可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。這個優(yōu)點正滿足我們所設計的電機的要求，雖然步進電機存在‘失步’以及自身振蕩等缺點，但是由于他無位置誤差積累的優(yōu)點，使它在控制各軸運動定位時能夠避免產(chǎn)生較大的誤差，從而可以精確地到達目標位置，精度相比其他種類電機更加高，開環(huán)便于控制。而且，在此選擇使用細分功放并使用高輸入信號頻率可有效降低共振現(xiàn)象。因控制器具有采樣周期的時間限制，當升速率較高時步進電機的轉(zhuǎn)速容易穿越開關線，形成極限環(huán)，造成系統(tǒng)振蕩，無法正常工作。針對上述情況步進電機準確定位系統(tǒng)控制器的設計，步進電機準確定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由位置補償表、位置控制器、升降速控制器、信號轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)速及位置檢測器和轉(zhuǎn)速反饋及失步檢測器等功能模塊組成。上位機向步進電機定位系統(tǒng)下達位置指令X0控制器根據(jù)起始位置、目標位置和轉(zhuǎn)向查找位置補償表得到補償位置?X，形成實際位置指令Xs，進而得到位置偏差e，位置控制器根據(jù)偏差e和步進電機當前轉(zhuǎn)速nf發(fā)出轉(zhuǎn)速指令ns，再由升降速控制器按照一定的規(guī)律計算出當前步進電機的轉(zhuǎn)速n，之后由信號轉(zhuǎn)換器解析為轉(zhuǎn)向信號dir和脈沖信號cp,控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使步進電機以一定規(guī)律的速度到達指令位置X0。當系統(tǒng)到達指令位置X0時，位置控制器必須使步進電機的轉(zhuǎn)速降為可停車轉(zhuǎn)速，從而達到準確定位控制的要求。總結(jié)本文是對3D熔融打印機機械結(jié)構(gòu)的設計，基于Solidworks對熔融打印機機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，針對3D熔融打印機的機械結(jié)構(gòu)進行校核、對比驗證。3D熔融打印機成本較低，也可以應用學校教學，對今后3D熔融打印機的普及起到很大作用，主要結(jié)論如下：(1)首先根據(jù)3D熔融打印機國內(nèi)外現(xiàn)有技術水平，闡述了軟件開發(fā)的難度，分析了其原因，國內(nèi)的軟件開發(fā)的進程和突破。表明了我國在這方面的研究雖然是自己開發(fā)、自成體系，但不是相對封閉。(2)首先明確了本次設計的主要工作，確定了設計工作參數(shù)，把設計思路清晰的分為了四個大步驟，為了后面的設計和Solidworks畫圖做了很好的準備。(3)然后決定了機械部分的設計包括機械結(jié)構(gòu)傳動裝置和3D熔融打印機的整體布局設計。解決了從電機到執(zhí)行部分采取幾種解決方案，通過各個方案的比較最終確定了傳動裝置選擇同步帶傳動。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，通過對步進電機和交流伺服電機等的對比和驗證，確定使用SST43D216511520G電機型號。輔助傳動裝置確定了導軌、絲杠的型號以及噴頭