毕业论文范文——熔融沉积快速成型装置设计

毕 业 设 计中文题目 熔融沉积快速成型装置设计英文题目The design of Fused Deposition Rapid prototyping device 学 院: 机械与汽车工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 （机械电子工程） 年级班级： XXXXXXXXX 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： XXXX 年 月 日目 录1 前 言21.1 熔融沉积成型法介绍21.2 历史上以及国内外的熔融沉积快速成型技术发展31.3 快速成型技术的技术特点51.4 熔融沉积快速成型的技术难题51.5 研究现状与发展61.6 行业趋势72 总体改进方案设计82.1 改进方案之一82.2 改进方案之二83 对三维打印机进行分模块简介113.1 料线输送模块113.2 喷头加热挤出模块123.3 XYZ轴运动模块123.4 单片机控制模块133.5 冷却模块133.6 三维打印机整体构成144 对X向的丝杠螺母副型号并且进行计算155 同步带的选型及校核206 动力装置的选型及校核236.1 X轴上电机选型236.2 料线运送模块上的齿轮选择以及校核247 总 结26致 谢27参考文献28熔融沉积快速成型装置设计 【摘 要】：本文介绍了三维打印机的机构创新设计过程，同时也分析了FDM技术现在的发展状况，讨论FDM技术难题和未来的前景和趋势；详细说明了FDM的三维建模与图像输出，研究提高了快速成形制件的加工表面质量和效率；分析了了可能产生误差的原因，另外也提出自己的解决方法，提出的这些方法更加地有利于提高成型的质量，另外还能达到缩短成型时间的效果；另外对机构部分进行了两个关键位置的创新，提高生产效率，最终对各轴的电机，同步带，送料模块的齿轮进行了选型和校核。 【关键词】：熔融沉积快速成型、三维建模、表面质量、结构设计。The design of Fused Deposition Rapid prototyping device 【Abstract】：This paperintroduces themechanisminnovation design process of3D printers,At the same timeit analyzes the development situation ofFDM Technology.Discussion on FDMtechnical problemsand futureprospects and trends ;A detailed description of the three-dimensional modeling and image output of FDM,The study researched the method of which improves the surface quality and efficiency of rapid prototyping parts;The resons for errors were analyzed and proposed solutions，These proposed methods help to improve quality，besides，it can shorten the molding time；In addition,Themechanism of theinnovationin two key positions ,improve the production efficiency.In the end,making selection and verification for each shaft of the motor, synchronous belt, gear of feeding module. 【Key word】：Fused deposition rapid prototyping,Three-dimensional modeling,Surface quality,Structure design.1 前言1.1熔融沉积成型法介绍因为在我们的日常生产活动当中，计算机辅助设计技术越来越多地与光机电一体化技术的进行结合使用，这样也就间接使得快速成型技术发展迅猛。我们现在已知的快速成型技术已有十余种之多，我们耳熟能详的、发展较为成熟那些，就可以根据熔融材料的种类和熔融方式的不同，进而来分成四种类型：FDM（熔融沉积快速成型）、SLA（液态光敏聚合物选择性固化）、LOM（薄形材料选择性切割）、SLS（粉末材料选择性激光烧结）。因为FDM属于RP技术之一，所以用大类来更好的描述快速成型的应用情况1。想要在短时间内就塑造出你想要的形状，那么就需要一定的制造方法，这种方法的内容主要包括：短时间内塑造出你想要的这种形状的方法简而言之即短时间内就可以塑造出混合合理组装出立体物体的制造方法，它通过利用一种离散堆积成型的原理，在CAD，proe这些三维建模软件当中所制作出来的建模信息进一步将模型切片，将每一层的信息用STL文件保存导出，这样可以三维打印机直接识别使用的电子信息，最后通过分层不断叠加粘接成型的方法将产品制作出来。成型过程如下：由三维CAD构思出物体的立体几何形状，对这个物体程序步骤的划分主要是根据它的几何尺寸是否符合实际生产习惯，根据这些生产规律就可以将这个物体的立体形状分成平面易懂式，在微型计算机的控制下，单片机控制系统就能按照逐层制作加工的方式，连续加工一个个薄的层，最终粘连成型。所以我们可以做一个总结，RP技术的原理基本就可以分解为：三维模型建立、工程反求、转换数据、制造原型、后续处理等。图四为RP成型原理2：实体CAD模型Z向分层层面信息处理层面制造与连接 N 层面全部完成？ Y后处理图1 RP基本原理1.2 历史上以及国内外的熔融沉积快速成型技术发展 从上个世纪80年代后期开始，兴起的一种新兴的制造工艺，快速成型技术也就是我们俗称的RP技术，它是通过离散堆积成型的数字化成形技术，由于其成型质量、成型速度、功耗、智能化的特点被业界广泛所认可。快速成型技术是通过单片机控制、位置温度速度传感进行反馈从而提高控制精度、电机喷头等执行部件进行成型工作，这样的工作方式可以以很快的速率将三维建模电子信息转变为具有一定功能的工件，这样就间接地减少了产品周期还有产品成本3。本设计过程中三维打印机使用到了熔融沉积的技术，该技术属于快速成型技术的一种，通过熔融沉积最终粘接成型。现在的FDM设备和它的制造系统占有率最大的就数美国Stratasys公司了，FDM1650机型是Stratasys公司开发出第一代成熟机型（图一），另外在此之后也不断推出了FDM-XXXX的一系列混合杂交式机体，大约有个三种以上有多。其中的某个机体则更是变更称为单向出口进行支撑材料的喷涂，另外一个喷头进行成型材料的双喷头模式，这样很大程度上提高了生产效率，也是三维打印喷涂设备创新的一个新纪元。19世纪90年代末期，以S开头的某个公司发行了众所期待的高科技总体大小600mm500mm600mm的FDMQuantum（图二）机体，在以F开头的这种机体的体系更是利用了磁浮定的控制方式，进行两个喷头同时间工作，也是大幅提高工作效率。在办公使用方面，Stratasys公司也有相对应的产品，像FDMVantage，还有FDMTitan，此外还有成型速度快且成型空间大的FDMMaxum,还有像ProdigyPlus这样能生产小型部件的紧凑成型机。国内方面，在关于FDM工艺能否在商业转变方面进行了研究和可行性，清华大学与北京殷华公司就持续已久的双方合作新推出了可以响应分析的工作，经过百般的实验和试验后，终于有了可以令人肃然起敬的成果，这种高科技产品名为FDM制造设备MEM250。在上海的某家大型公司开发了单向出口式，并且是螺杆式，并将之在自己的 TSJ系列快速成型机上面进行了运用，。华中科技大学和四川大学合作进行关于利用粉粒材料进行直接喷涂的一种高科技螺杆式双喷头项目的研究开发4。 在材料的性能、外观看来，利用FDM工艺生产制作的产品，都非常接近日常生产出来的产品，验证一个产品功能的时候，也有更好的的优势。熔融材料方面，我们会经常使用到的材料诸如像ABS、尼龙和蜡丝等等这些性能优越的材料，在这些材料当中，使用ABS为喷涂材料所制作出的产品，它的强度甚至可以达到原材料强度的80！因为它相较于其他材料的优越性能，所以现在主流熔融材料产品都是采用的是ABS。 图2 FDM-1650图3 FDM-Quantum图4 FDM-Genisys Xs1.3 快速成型技术的技术特点RP技术的特点：就对于成型方面来说，相较于普通的成型制造技术，它具有自己所拥有的独特优越性。（1） 生产速度快 一般来说，从一个产品在图纸阶段也就是设计建模阶段，再到后来的零件生产出来，一般只需几个小时到几天的时间，比传统产品周期短很多。（2） 设计和制作高度结合 由为是利用到离散堆积的原理进行加工，所以CAPP存在的难点不再是问题。（3） 成型制造非常自由化 因为是粘接成型的，已经不再需要模具这些工具来制作，而且零件形状复杂程度也不会限制他的粘接。（4） 高度柔性 当需要生产新产品时，只需要建模模型，并且改变STL的参数就可以导入打印机直接生产出不同的零件模型。（5） 材料的广泛性 （6） 技术的高度集成51.4 熔融沉积快速成型的技术难题由于各种因素的相互交叉影响，会在FDM成型过程当中产生成型误差过大，从而导致精度不足，这些因素我们可以归纳为这几种情况：、建模过程当中因为离散化过程中的两重精度损失而造成的损失；、材料因为收缩性能不同重生的不同的尺寸误差；、因为喷嘴工作状态不佳导致喷丝宽度不一而引起的喷涂轮廓线的误差；、喷嘴的温度以及环境温度对熔融材料温度以及在冷却过程当中造成的影响；、挤出速度和填充速度的影响；、由于STL参数设置的每一层厚度变化以及各层之间过渡不好产生的台阶现象对表面粗糙度的影响。我们可以根据上面的几个因素分析知道，在FDM成型过程当中，影响到零件成型的主要罪魁祸首有这些：CAD模型离散化过程；喷丝宽度不一致所引起的喷涂每层所存在的轮廓线误差；主要工艺参数的设置跟随熔融材料的材料性质也应该不同；挤出速度和填充速度等等。这样，我们就能对应每个产生误差、影响精度的因素，提出了如下几条建议：（1） 采用更好的例如像例如SETP标准等这样的CAD接口数据标准来提高精度，减少材料的损失。（2） 利用更加合理的扫描填充方案进行优化，这样可以减少材料本身的应力变形；因为产品的变形情况经常存在，我们可以通过更好支撑方案来避免这种情况。（3） 在CAD导出建模数据之后，要给它更精准的材料固化收缩尺寸与喷丝宽度补偿。（4） 可以通过设置合适的喷嘴温度已经控制好环境温度这样的成型工艺的设置优化来；选取最优的成型材料挤出速度与填充材料的填充速度，这样子可以提高最终产品的精度和速度。（5） 在满足能够优化每一层分层方向的情况下，还能够达到自适应分层的效果。熔融沉积过程可概括为：（1）首先在一定的温度下，将喷涂材料在加热装置当中进行搅拌处理，这样处理之后材料的粘性、温度等能够达到最佳的状态。（2）在充分搅拌之后，再通过喷头上面的喷嘴把加热之后的熔融态材料压出，通过特定的单片机控制装置和挤出装置均匀合理的涂刷在板的表面，按照STL文件当中的信息对逐层沉积进行控制，最终粘接成型。（3）为了有更好的冷却效果，需配备风扇进行挤出材料的冷却，保证熔融液及时凝固，从而达到最佳效果6。1.5 研究现状与发展 FDM在材料方面的研究进展：我们在平时打印过程当中所用到的成型材料，因为这种技术本身特殊的技术指标，就需要材料具有弯曲强度、压缩强度和拉伸强度的特性这些特性才能进行加工；材料的收缩率应小；这些特殊的材料特性能够使在成型之时，各层之间拥有足够的粘结强度。国内方面，发现短切玻璃纤维这种材料的加入，可以很好地增强ABS复合材料的性能，于是就对此进行了深入的研究。北京的航空航天大学，他们通过加入短切玻纤维、一定量的增韧剂还有增容剂的方法，来提高成型材料的的各项打印指数，而且还在一定程度上面降低了ABS的收缩率，这样就可以减小制品的形变。而在2005年更是生产推出了高性能FDM成型材料ABS04，该材料是由北京太尔时代公司与知名的化工产品供应商一起合作研发出来的。这种材料跟Stratasys公司生产的ABSP400性能非常接近，有着变形小、韧性好的这些特点，由于这种材料的高性能和价格上的优势，基本可以替代目前在用的进口材料，从而降低生产成本并且适合装配。华中科技大学在近些年来也在致力于聚苯乙烯支撑材料的改性研究。在国外，澳大利亚的Swinburne工业大学于1998年研究了一种金属-塑性复合材料，这种神奇的复合材料神奇之处在于可以用FDM技术进行直接快速的制模。Stratasys公司在2001年推出了一款可以支持FDM技术的工程材料PC。紧接着推出自己的另外一款产品PPSF，这种的材料拥有很多特性：很高的耐热性、强韧性以及很好的耐化学性，他的制作产品的注射成型强度甚至可达到并超过ABS，所以备受消费者的喜爱。而其紧接着又开发了工程材料PCABS。PCABS结合了PC的强度以及ABS的韧性，性能更好。FDM技术在数值模拟实验方面的研究：现在，FDM技术的数值模拟实验都是建立在大量往复的实例实验还有定性分析的基础上面，这个方法相对于另外一种用合理数值模拟方法及少量的实验验证的方法来说，然而这种采集数据的方法不符合当代经济发展所要求的低碳环保的要求，所以必然会被用数值模拟方法所替代。我们通过有限元模拟分析的方法，也能够准确在分析FDM过程中，模拟温度场及应力场分布变化情况到将成型过程，这样，从数据当中我们就能够找出产品在成型过程中存在的问题及发现改进方法。采用这种分析的方法，一个方面可以大大提高数值数据的采集效率，利于分析并且采取措施；另外一个方面也是大大提高效率，减少实际实验的成本损失。在国内，清华大学借助有限元分析，研究了扫描速度不同会对熔融沉积产生的影响，通过用不同的扫描速度进行扫描，再对产品所产生的应力和变形情况进行分析比较，得出了这样的理论：高速扫描是合理并且可行的。在北京化工大学，宋丽莉等人也进行了类似的实验，在原先实验的基础上再进一步分析了扫描精度差异下，其所能给成型件带来的精度影响。在国外的新加坡国立大学开发了一种基于遗传算法的方法，能够对FDM工艺参数进行优化的先进软件系统，并且还给出了整个实验过程中所用到的实验方法和具体优化实例。C.Bellellumeur等人还通过使用ANSYS软件，对FDM温度场的有限元模拟模型建立，通过对ABS聚合体挤出丝的FDM温度场的数值进行模拟研究，推算出熔融沉积过程当中合理的温度范围。在华盛顿州立大学，S.J.iKalita、S.Bose等人对成型的产品内部的孔洞特征进行了研究，分析不同的材料所能产生的孔洞现象的情况，这样能够帮助我们更好的对成型材料进行选择7。1.6 行业趋势近年来，FDM技术在中国发展迅猛，我们主要用几个有意思的英语单词对该项技术的行业趋势进行描述：FDM的SWOT（优势Strength、劣势Weakness、机会Opportunity、威胁Threat）（1） 优势：由于三维打印机所需的零部件都是市场常见的，所以设备成本不是很高；由于所用的材料售价优廉，所以可以大大降低生产成本；由于是高度自由造型，不用到模具生产，也就可以进行局部复杂曲面造型；因为这种技术的造型自由度很高，也就奠定了他极为广泛的加工范围；模型可以后续加工，抛光、上色。（2） 劣势：使用FDM技术打印的产品大都表面粗糙，这跟技术自身存在的缺陷密不可分的，而在另外一个方面，光刻技术所能制作的产品在这一方面表现比其更出众；不能制作高刚度的工具产品，也就意味着也不能进行大批量生产；由于是只能熔融一种材料，所以多彩色的产品不能制作；由于技术不是太成熟，所以新出机型的稳定性太低。（3） 机会：由于三维打印机是属于刚刚起步的机种，将来技术升级的空间巨大；由于机械零部件的基本市场都有，所以开发成本很低，后期的开发潜力也就相当巨大；比创意比设计能力而不必比财力。（4） 威胁：相比较市面高价的机械产品，不稳定性问题很突出；各种小型的创意设计公司可能像雨后春笋一样一夜暴涨，竞争压力变大；由于技术的普遍通用性，也就是人人都可以借助你的创新点进行改变，就变成自己的，容易有剽窃现象；目前该项技术的未来趋势还因为其不成熟的原因没有办法确定。所以，对于多方面来考虑，现在FDM技术的发展应该要立足于满足消费顾客对商品的售前后服务和品质各种要求；不被市场竞争所淘汰；在当前社会不断发展，可以不断进步的情况下，要时刻保持自己的科技创新性。这样才是立足于现在应有的状态8。2 总体改进方案设计 该设计主要是在原有的结构基础上面，对XY轴进行改造，由原先的XY轴独立运行并且需要多余一套的同步带来传动步进电机的动作变到Y轴步进电机驾构在X的同步带上，更加地精化结构；并且对喷头部分进行改造， 由原有的单喷头转化为双喷头，因为双喷头能够更好的提高工作效率，而且能喷涂复杂材料。我们对其的运动进行了概括，由以下几个部分来细说：ABS料线装填、送料机构夹紧、喷头加热到设定温度融化由送料机构送来的料线、同时进行复位，调整Z平台高度、步进电机按照STL设定的图层电子信息开始工作、喷头进行工作、打完一层基底，Z平台往下降一层，以此往复。该设计主要包含了三维打印机的整体结构创新、对XY轴和喷头进一步改良、运动涉及部件的选择及校核、驱动部件的选型和校核。2.1改进方案之一将分别用一套步进电机控制同步带带动X轴、Y轴运作的方式，改进成X轴变为丝杆，跟喷头为丝杆滚珠连接，丝杆末端连接步进电机，为了电机的重量不会让同步带变形导致过度误差，需要再用一个导轨支撑电机重量。具体方案如下：（1）喷头方面，需要加大体积，为后来的双喷头做好准备，为了喷头不因为过重，导致同步带变形从而使得沉积效果不精确，需要对于同步带变形进行校核，本身，喷头可能会因丝杆的扭矩而跟着旋转，故做的处理是这边需要加一个导轨槽，从而消除这个影响；（2）在X轴方向不做大的改动，仍旧保持一个步进电动机带动两条同步带同时运作，然后同步带带动X轴沿着X轴方向运动。（3）在Y轴方向上，步进电机的电机轴就是X轴，这个时候需要另外一个导轨支撑Y轴电动机的运动，而非让单边的同步带承受该步进电动机的重量。（4）Z轴方向不做改动。2.2 改进方案之二 采用单喷头的坏处是：因为是单个喷头的缘故，支撑材料和成型材料都是一种材料，支撑材料和成型材料不能分开。在工件成型之后，支撑材料拆下之后，会破坏成型材料外表面，造成工件变为不合格品。另外由于同一种材料，颜色也相同，故在边界处，难以分辨将之分离。而且，双喷头工作也使得工作效率大大提升。图五展示的是以螺杆式挤出沉积的方式工作的双喷头原理图。（1） 因为双喷头所需要的材料不同，也就需要两个送料机构。但是这个对于整体机构改变不会太大，就是一个加法的操作。（2） 合理的发布送料机构的位置还有两个喷头的位置，这样在三维打印机开始工作的过程中不会相互干扰到，由于是不同材料，可能需要对送丝驱动部分和送丝力的大小进行调整，因为送丝力波动范围太大会对成丝效果大打折扣。（3）加热器对料线进行加热融化，在工作过程当中，需要加热器对温度的控制稳定，若控制不当，会引起料线断裂从而无法供料。此外因为喷嘴很小的缘故，导致相对应的阻力也就增大，需要送丝机构当中的摩擦轮摩擦力足够，才能顺利完成喷涂工作。（4）对于成型材料的选用，以ABS为优，因为其具备较好的柔韧性，可压缩性，和拉伸性9 。图5 螺杆式挤出沉积双喷头原理图3 对三维打印机进行分模块简介我们根据实际工作当中，每个部件所能完成的功能进行模块化分类：送料模块、喷涂作业模块、XYZ轴运动模块、单片机控制模块以及冷却模块。通过STL图层信息，在单片机控制下，五个模块相互协调工作，最终完成三维打印刷。以下将对每个模块进行进行详致的介绍。图6 三维打印机整体渲染效果图一 图7 三维打印机整体渲染效果图二图8 三维打印机Y轴改造和喷头图3.1 料线输送模块料线输送模块的设计，需要考虑到料线材质不同而需要调整相适应的摩擦轮摩擦力，整个送料机构有两个部分构成，上一部分，编码器，也是根据摩擦齿轮的转过的圈数，通过编码器检测出实际运输速率，控制下一部分电动机的速率，属于闭环系统，能更好的控制输送量；下一部分，电动机，通过摩擦齿轮将料线输送到喷头。其包含以下几部分：、外框支架；、调节弹簧杆；、螺钉，步进电动还有编码器等等。其构成如图9所示：图9 料线输送模块3.2 喷头加热挤出模块喷头加热挤出模块主要用于将料线熔融挤出成型，其中喷头加热挤出模块包含以下几个部分：、喷嘴；、铝块，紧固各个加热配件；、送丝轮；、螺纹管（料线从固化到液化的链接关键部位零件）；加热管；、开模喷头驱动组件。送丝机构送来的料线在送丝轮的输送下，通过开模喷头驱动组件，在加热管内加热熔融，经过螺纹管，在喷嘴挤出，加热部分用加热铝块加固，同时加入温敏元件监控熔融稳定的变化，控制加热效果。图10是喷头加热挤出模块图10 喷头加热挤出模块3.3 XYZ轴运动模块XYZ轴运动模块主要是将喷头运动至单片机指定坐标位置，通过单片机控制，由步进电机进行驱动，运动在同步带上传递，最终在XY轴上实现移动，其包含以下几个部分：、步进电动机；同步带；、底板；、XY轴与底板连接的轴承；、同步带；、XY轴。步进电机是动力元件，通过螺钉安装在打印机内框上，再通过两次同步带转接，将旋转运动转化成XY轴的平动，而且也有距离检测元件进行反馈，同前面两个模块一样属于封闭系统，这样对于成型精度的提高很有帮助。其模块模型如图11所示：图11 XYZ轴运动模块3.4 单片机控制模块从料线到最终的成型零件，每一步都设计到了控制模块，需要控制送料的速度，从而使料线不会断开或者供料太充足；需要控制XYZ运动，从而使每次喷头都能到达准确的位置，进行熔融沉积成型；温度调节，使料线以稳定温度熔融状态下得以沉积。包含以下几个部分：、场控面板；、内存卡读取槽； 电源接口以及开关；、plc；、电线 。图12展示的是单片机控制模块。图12 单片机控制模块3.5 冷却模块冷却模块主要为从喷头出来的熔丝进行冷却作用，这样熔融状态的熔丝快速硬化，可以让下一层更好的附着，成型效果更好。冷却模块构成如图13所示：.图13 冷却模块3.6 三维打印机整体构成我们在上面将三维打印机分为五个模块。在各个模块的配合下，实现三维打印的送料，加热，喷涂，冷却，成型的功能，其构成如图14所示：图14 三维打印机整体构成4 对X向的丝杠螺母副型号并且进行计算4.1 选择丝杆的导程我们通过查询现代机械设计手册-机电系统设计中的表4-17，还有根据带动喷头X向运动的X轴的要求之后，我们得到滚珠丝杠副的导程为：4.2 计算丝杠副的当量的载荷以及它的当量的转速我们知道两个摩擦系数在数值上约等，所以可以取丝杆副的静摩擦系数：。则导轨静摩擦力计算可得： （15-1）得：表15-1 公式15-1符号说明符 号名 称取 值M喷头部分3kg 丝杠主要负责喷头在X向的运动，在工作时，丝杠不受切削阻力的影响，可将喷头X向移动视为匀速运动。则有： 上式：是以X为方向的运动速度，根据各方面的工作环境以及条件需要，这里选择，将秒化成分钟则是。 要设计的机械在机架上的滚珠丝杠机构所受的载荷如下： 上式中为机架丝杆所受的当量载荷 机械的机架上滚珠丝杠机构的转速的计算： 上式中为机架丝杆的当量转速4.3 对它机构当中存在的预期额定动载荷进行计算 要计算机架上滚珠丝杆机构的该项载荷，首相需要考虑的条件是该机构的工作时间： （15-2）根据工作时间：表15-2 公式15-2符号说明符 号名 称取 值说 明fW载荷系数 1.2-1.5普通运动fa精度级数1.01级fc可靠度%0.3398Lh寿命估计20000h预计的使用寿命待设计的机架丝杆机构采用的是预先就已经有加紧，则需要按算出结果 查阅相关机械手册例如现代机械设计手册15里面的内容中可以找到所需要的标准，进而可以得到的数据是，根据这个数据可以进一步的算到 （4-3）将数据代入上式中，有进而可以得到的结果是4.4 对它机构当中存在的螺纹进行计算（1）要预计机架丝杆的各方面尺寸，需要先进行知道机架丝杆的可以承受的破坏变形点：机架丝杆的精度中有一项为相对重复定位精度可以暂定，机架丝杆的定位式精度我们可以暂定虽然上面有两个定位精度，但取值的标准是取两者中的相对小者故（2）再进一步对螺纹当中存在的小径进行计算和校核根据待设计的机架丝杆机构现所选用的加紧方式选用的首尾两侧的联接方式是都横向固定，查阅相关资料例如现代机械设计手册里面就有根据，经确定可知 机架丝杠的有效螺纹总长度是， 机架丝杆的整根杆件的重力可以计算知 机架丝杆机构的滑移摩擦性质为 机架丝杆首末两点的长度是 根据以上数据再带入公式就可以知道 ；4.5 可以基本得到丝杆的详细信息要确定出机架丝杆的各项参数还得先知道它的一些系数，其中包括丝杆旋转的方式采取可循环的方式，机架丝杆的夹固方式采取双垫片螺栓。根据以上计算已经计算得到的值：、，我们可以选取SFU01204-4滚珠丝杠副，这种型号的丝杆机构各项数据自然可知：例如这种机构的导程是4.6 对这种结构会存在的部分预紧力进行运算4.7 对这种结构在运作过程当中会存在误差值我们进行补偿要得到补偿值的数据，需要先计算机架的可以一直运转的行程，即有效行程，根据公式 （为温度变化值，变化值取值不超过5）（15-4） 这样就可以算出4.8 对这种结构在运作过程当中会存在Ft进行计算之前要加的预紧力其计算公式为 （15-5）代入数据可以知道4.9 轴承的选择我们选用普通深沟球轴承，因为其满足了设计中需要轴承不应存在预拉伸力、其所承受轴向载荷较小的要求。机架丝杆机构的轴承型号选择：根据已设计的机构可取轴承的型号为普通型号，各项数据的确定，轴承的内径取，符合要求，可以选取。表15-3 轴承型号及规格型号名 称外径D/mm内径d/mm宽度B/mm6201深沟球轴承3212104.10 对这种结构在运作过程当中的进行检验机架丝杆机构在设计的机械中的受压长度最大值是 （15-6）代入各项数据可以知道表15-4 公式15-6符号说明符 号名 称取 值说 明K1安全的系数0.33K2支撑的系数4d2小径/mm12丝杠螺母小径Lc1长度/mm248丝杠的最大受压长度Fmax压缩载荷7.35N丝杠最大的轴方向上的压缩载荷它的合格。4.11 对这种结构的值进行校核机架丝杆机构的最大转速，极限转速可以确定最大的受压长度是，计算公式是 （15-7）代入数据可以知道表15-5 公式15-7符号说明符 号名 称取 值说 明f支撑系数21.9支承d2小径/mm1丝杠螺纹小径Lc2距离/mm450极限位置经过上式的计算可以知道满足条件。检查值是否真正符合，计算符合的公式如下经过计算可以知道满足条件4.12 对这种结构运行过程当中的存在的分析 （15-8）表15-6 公式15-8符号说明符 号名 称取 值说明fs静安全系数2.5可选择1至3，具体情况依冲击大小而定d2小径/mm12丝杠螺纹小径Fmax最大载荷/mm450轴向最大载荷基本确定合格。4.13 对这种结构当中它的抵抗拉应力的强度进行计算可以直接令它的材料属性： （15-9）得：可以确定设计合格10。5 选择同步带的型号还有对其参数运算5.1电机额定输出功率估算5.2确定计算功率我们预计该电动机每天可以使用8小时左右，通过查表4-1得到工作情况系数AK=1.6。则计算功率为:5.3小带轮转速计算5.4选定同步带带型和节距根据图4.1可以直接看出，因为该设计当中电机的功率和转速都比较小，所以我们可以任意选取带的型号，我们选取H型带，可知节距11。图15 工作情况系数看AK图16 同步带选型图5.5选取主动轮齿数通过查图17中的数据选取小带轮齿数为14。5.6确定小带轮的节圆直径根据计算公式：p图17 小带轮最小齿数表5.7同步带相关数据确定由于系统传动比为1:1，大小带轮数据完全相同，就可以知道：节距=5.8带速v的确定计算带速：5.9初定周间间距根据公式可得现在选取轴间间距为200mm。5.10确定同步带齿数和带长5.11计算带轮的啮合齿数可知传动比等于1，所以可以得到：。（啮合齿数）5.12基本额定功率的计算根据公式，查基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量中的表4-3进而得出，。将其带入上面的公式可得图18 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量5.13计算作用在轴上的力根据计算公式可得：126 选择电机等提供动力的设备的型号还有对其参数进行计算6.1 对安装在X轴的电机型号进行选择还有对其参数进行计算负载转矩为： （16-1）在X轴上的喷头重量将以上数据带入公式可得：由于对产品寿命的考虑，我们需要考虑到安全使用的情况，取则：最终我们决定选用LC57HS0601的双相混合式步进电机（深圳市新力川电气有限公司制造），该电机的主要信息如表16-1所示：表16-1 57HS09两相步进电机参数相电阻相数步距角保持转矩相电感转子惯量电机重量机身长0.1hm21.80.4Nm5.5mH150gcm20.25Kg41mm步进电机转速符号解释：f是电机频率；T是保持转矩；X是细分倍数；得到n的值为：6.2 料线运送模块上的齿轮选择以及校核6.2.1 初步定型选定齿轮类型：我们根据机械设计第八版表10-1当中的数据，可以选定大小齿轮材料分别为；硬度分别为材料硬度相差40；确定精度等级为7级；确定大小齿轮齿数：小齿轮齿数为，大齿轮齿数为。6.2.2 按照步骤，我们先对齿面接触强度进行计算设计根据计算公式可得：（1）确定公式内的各计算数值：初定载荷系数；小齿轮传递的转矩；齿宽系数，取接触疲劳强度极限，小齿轮，大齿轮。计算应力循环次数 取接触疲劳系数再进行齿轮的接触疲劳应力值的计算，我们对它的失效率取1%，对其安全系数取值为1计算公式如下：（2） 把上面计算出来的数值带入公式当中，带入较小的值，进而可以得出齿轮分度园直径计算可得圆周速度同时可以计算得出齿宽，(3) 进而求得齿宽于齿高比(4) 计算载荷系数根据计算公式(5） 联系实际情况之后校正，算出分度圆直径，计算可得 (6） 计算模数6.2.3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度计算公式(1) 因为知道了弯曲疲劳许用应力的计算值，所以取安全系数 带入公式可以得：小齿轮的弯曲疲劳强度极限取，大齿轮的弯曲疲劳强度极限取；而它的弯曲疲劳寿命系数为(2) 计算载荷系数(3) 通过查表得齿形系数还有它的应力校正系数(4) 计算大小齿轮的并比较；大齿轮的数值较大(5) 设计计算。我们可将模数进行取整，取整之后的数值为2.0，再根据分度圆的直径，可以进而算出小齿轮齿数，大齿轮齿数。由于这样的设计，可以满足了齿面接触疲劳强度、对齿根弯曲疲劳强度的要求。这种设计结构上面相当紧凑，可以最大程度地避免材料的浪费。6.2.4 计算几何尺寸(1) 分度圆直径的计算 (2) 中心距的计算(3) 齿轮宽度的计算所以可以计算得出157 总 结本次毕业设计，所提出的熔融沉积快速成型装置设计基本达到了要求，通过对该三维打印机的三维建模，机构创新和相应的零件设计，相关部件的选型设计，以及对部分及整体的验算和校核，总装图及零件图二维图出图，使得本次设计变得很充实，学到了不少专业知识，且将不少知识运用到了自己的毕业设计中。所设计的熔融沉积快速成型装置基本能满足对普通三维打印工作，能实现双轴联动打印作业、料线智能运送、位置量监控返回等一系列动作，提高了打印的精度和工作效率，且对智能程度较高，无需值守。当然也有不足之处，比如产品目前还处于理论阶段，与实际投产还有一段距离，需要根据实际需要进行更进一步的改进。致 谢 历时数月，终于圆满的完成了此次毕业设计，我对此次毕业设计中一直指导我陪伴我克服难关的舒老师、常老师、谢老师、实验室的研究生学长们，对此我表示表示衷心的感谢，还有跟我一同奋斗在实验室的同学们，那些默默支持我度过这段岁月的朋友们表示感激。在此次毕业设计中我常遇到各种各样的困难和不解，自己也会犯傻犯错误，但是老师们，学长们都很耐心，而且经过老师的悉心指导，我克服了困难，明确了方向，并最终顺利的完成了毕业设计。虽然老师带了很多个学生