毕业设计（论文）-数控实训加工机床的设计与调试--Y轴和打印头机构.docx

南京工程学院工 业 中 心 本科毕业设计说明书（论文）全套图纸加扣3012250582 题 目： 增材制造式数控实训加工机床的 设计与调试Y轴和打印头机构 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D机加工131 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 2017.2.202017.6.9 设计地点： 工程实践中心 6B-214 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：本文主要对增材制造式数控实训加工机床的Y轴及打印头两个部件进行了设计。增材制造式数控实训加工机床主要用于数控机床实习与3D打印技术实训课程培训课程。它以数控实训机床为基础，以伺服电机为动力源驱动各运动组件移动，采用3D打印机控制系统配合打印头打印实体。同时，以BT40刀柄为基础主轴模块，方便刀柄与打印头置换。增材式数控实训机床的研发不仅能帮助培养学生数控知识的学习，还能培养学生学习到3D打印技术。同时，3D打印技术加入实训课程，优化了教师的教学方法，同时也加深学生对书本知识的理解；对学生的创造思维和动手能力的提升又多了一条途径，为未来的学习打下基础。关键词：数控实训 3D打印技术 教学方法 IV南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）英文摘要Title： Design of CNC Machine Tool for Increasing Material ManufacturingAbstractIn this paper, the Y-axis and the two parts of the printing head are designed. The machine tool is mainly used in CNC machine tool practice and 3D printing technology training course training course. It is based on CNC machine tools, servo motor as the driving force for the movement of the movement components, the use of 3D printer control system with print head print entities. At the same time, the BT40 tool holder is based on the spindle module, easy to handle and print head replacement.The development of the R & D machine can not only help students to learn the NC knowledge, but also train students to learn 3D printing technology. At the same time, 3D printing technology to join the training courses to optimize the teaching methods of teachers, but also to enhance students understanding of the knowledge of books; students to create thinking and practical ability to enhance the addition of a way to lay the foundation for future learning.Keywords： CNC 3D printing technology teaching method目 录前 言1第一章 绪论21.1国内外研究现状21.2课题的研究背景31.3课题的主要研究内容和意义31.3研究内容与章节安排4第二章 增材制造式数控实训加工机床结构方案设计62.1总体结构方案设计62.2 Y轴进给传动方案设计82.2.1 进给伺服驱动方案92.3 打印头组件结构设计10第三章 机械传动部件的计算与选型123.1 Y轴组件的重量估算123.2 铣削力的计算123.3 导轨的选型与参数校核.133.3.1 导轨的选型133.3.2 导轨工作载荷的计算.133.3.3 距离额定寿命L的计算.143.3.4 计算导轨的寿命：153.4电机选型与参数校核153.4.1 电机的选型153.4.2惯量匹配163.4.3快速空载启动力矩转矩计算163.4.4最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩173.5 滚珠丝杠的选型与参数校核173.5.1 滚珠丝杠的型号的选择173.5.2 最大工作载荷Fm的计算203.5.3 最大静载强度的计算203.5.4 临界转速计算213.6轴承的选型与参数校核213.6. 轴承型号的选择213.6.2 轴承参数校核213.7 联轴器的选型21第四章 打印头组件结构设计234.1 两种打印头结构234.2 打印头送丝机构电机选择244.3 打印头送丝机构设计244.4 打印头组件的材料选择26第五章 装配与调试注意事项275.1 导轨的安装方式275.2 打印头的拆装顺序说明27第六章 全文总结295.1论文总结295.2工作展望29致 谢30参考文献31附 录32I南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）前 言当代，多功能数控机床（或如车铣复合机床）是研发新型技术和生产高精密复杂零件的主要装备。同时世界各国的各大高校均采购不同型号的数控机床用于研究生产技术问题，同时培养学生的实战能力，以提升学生对生产制造和数控加工技术的认知。发达国家将数控装备及技术视为国家战略资源，同时投入巨资研发自己的数控技术以提高制造水平，也在高校领域加入了高速铣削，复合加工等大型课程，借此培养高等技术型人才。因此将先进数控技术引入课堂以提高综合高校科研水平和培养新型技术人才以被提上日程。3D打印机是数控技术与材料技术相结合的又一典型产品。通常是指，利用加热头加热塑料，然后将设计好的三维模型进行切片，生成所需的G代码，G代码导入打印系统后驱动打印头，进行吐丝，同时进行XYZ方向的运动，通过熔丝堆积的方式打印产品。光固化成形的方法则不然，通常也是需要将打印文件进行切片输入打印系统中，其驱动方式与熔丝堆积一样，当其成型原理是通过光线（通常为精度高的激光）照射光敏树脂，通过改变液体与工作台的距离和光线的运动，打印物体。然而，上述两种方式均只能打印塑料，对于一般金属材料只能采用激光烧结成形的方式，装备中通过移动高能量的激光，同时刷上金属粉末，一边用激光烧结一边刷上金属粉末的方式完成加工，这种打印方式与光固化所需的机器价格和材料的价格都比较昂贵。3D打印技术使虚拟世界与实体世界之间的通道变得简单了很多；3D打印技术进入校园，加入实训课程中，实现了对学校培养方式的变革。而此次的命题：增材式数控实训机床，对于机械制造类学生而言，可以让学生在熟悉数控机床的同时，了解3D打印技术，而作为教学用具而言，能大大的帮助到教学老师激发学生的潜力。在新媒体联盟地平线报告：2014高等教育版中，指出3D制造技术在未来几年内将在高等教育界掀起一股巨浪，同时3D打印技术进入高等学府，其必将带动整个产业链的发展，即需要大量的技术与研发人员，存在着广大的发展前景。I南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）第1章 绪论将数控切削技术、数控系统控制技术、3D打印技术三种技术相融合而产生的本实训机床，是一种高效率、高精度、高可靠的教学设备。它将主要运用于各大高校的数控实训与3D打印实训，配合讲师向学生们讲解数控加工、数控控制、3D打印等专业技术知识。当前，全国各大高校掀起了各种新型科技进入校园落实实验教学改革。3D打印技术逐步走进学校，其中最比较著名的就是第四届全国大学生工程实训综合能力竞赛，这次证明了3D打印对于实验教学改革的重大作用及意义。目前，我国机械加工行业中普遍使用的车铣刨磨钻等加工又是不可替代的，所以如何让学生在短暂的4年中不仅要学好理论知识，还要学习传统的机械加工实践能力及现代先进技术，培养当代科技型人才是教学改革的首要目标。借此，增材制造式的研发定于次目标，本数控实训机床在培养学生的数控机床实践能力的同时，只需要更换刀柄即可进行3D打印技术的实习，还能进行数控系统的调试与改进。因此，在深化实验教学改革的大脚步下，增材制造式数控实训机床的市场将非常的广阔，其研制的意义也相当的深刻。1.1国内外研究现状随着互联网的快速发展，全球教育领域正在发生巨大的变化。在线课程的学习，使得先进技术离我们学生更加的接近，知识的获取更加容易。新型技术加入到传统教学机制中已成必然之势。当前，一些高校和企业已经开始研究怎样更好的将3D打印技术融入到教育领域中，并着力于更新一套新的教育体系。英国教育部为此就企划了一个大项目，该项目是将企业与高校聚在一起，由企业研发各种3D打印机，并邀请学生参加研发项目，再将设备投入高校，同时探讨与研究3D 打印技术在机械、医疗、土木工程等方面的作用及对学生创新能力，动手能力方面的培养。这也是世界上首个正式将3D打印技术大批量的引入高校，目前为止取得的成果是相当丰硕的。2017年4月印度18岁男孩在其老师的帮助下使用3D打印机打印了一颗碳纤维卫星，该卫星同时证明了碳纤维在3D打印技术与航天航空领域的可行性，这颗卫星也将于6月份由美国航天局收入太空，进行测验。这也极大的鼓舞了3D打印在航天领域的使用，也证明了3D 打印技术引入高校后，对学生的创新能力的提升。除了美英德这些教育巨国，各国教育机构与企业之间的合作也越来越多，也正在逐步加强3D打印技术在教育应用方面的合作，同时各国的中小学也积极地将3D打印技术融入到教学与课外实验中。在未来的发展中，在方面的应用还需要进行深入思考和持续探索。南洋理工大学上星期五发文告宣布，旗下的新加坡3D打印研究中心（SingaporeCentre for 3D Printing，简称SC3DP）分别同新科宇航（ST Aerospace）与德国的赢创医药健康（Evonik Health Care）合作，研发更可靠的航空零件，及全新的人体细胞组织3D打印技术。这些成功的案例不仅证明了3D打印技术进入高校后取得的重大战果，同时3D打印技术在各个领域的灵活表现，更加鼓舞了我们对于本课题的研究信心。1.2课题的研究背景在教育改革的前提下，各大高校内的创新行动进展的如火如荼，教育创新刻不容缓，3D技术进入课堂势在必得，本课题将重点参与研究、设计3D打印技术与数控机床相结合的增材式数控加工实训机床。1.3课题的主要研究内容和意义本课题对增材制造式数控实训加工机床Y轴组件及打印头进行了设计，其意义如下：3D打印技术与数控技术的相结合，相对于传统的机械制造技术，它的准备周期短，成本少，研发能力更加充裕，能在有限的时间内，完成多方案的设计与比较，提高学生的创新设计能力，使得学生在设计中体验创新设计带来的成就感。本次研发的增材式数控实训机床不仅能帮助培养学生的数控加工知识的学习还能学习到3D打印技术，有助于学生在有限的时间内研发更为合理的设计方案，以及提高材料的利用效率。它将对传统机械制造产生深远意义，对于增材式数控机床的研究是为了体现大学生的创新能力及意识，合作交流能力以及对机械知识的考察问题。这研究既体现了广大人民以及政府所倡导的创新思想，又考察了学生的各项综合能力，将书本上的知识与时代的要求紧密相连。1.3研究内容与章节安排1、研究内容1）增材制造式数控实训加工机床整体方案图设计熟悉学习数控技术、增材制造相关资料，了解其工作原理，和需要完成的工作及技术参数等，了解各类机床的总体设计方案和组成部分，以及各个部分的作用，完成增材制造式数控实训加工机床整体方案图设计，为后续的设计打下基础。2）增材制造式数控实训加工机床中YZ轴机构三维效果图设计主要对数控实训加工机床的Y轴结构、传动形式、丝杠的预紧与防护、丝杠支承和连接、驱动电动机等方案进行研究与分析，并使用UG三维软件绘制出三维效果图，更直观、立体的看出其结构形式和设计特点。3）增材制造式数控实训加工机床中Y轴机构装配图设计了解数控实训加工机床中各个组成部分的连接和装配关系及装配要求，并根据设计的三维图绘制出装配图。4）增材制造式数控实训加工机床中Y轴机构零件设计根据之前的整体方案设计,Y轴机构三维效果图设计,Y轴机构装配图设计,完成Y轴机构零件设计，并在之前的设计上不断地发现缺陷、优化各个零件的设计，同时也是对之前的设计不断检查和检验，完成各个零件的基本参数。5）增材制造式数控实训加工机床中打印头整体设计熟悉3D打印机中打印头的工作原理与结构，并进行方案设计的比较与选择，了解不同型号打印头的部件组成与工作原理，同时兼顾数控系统的兼容性与模块的通用性。要求设计部件在满足要求的情况下，竟可能的采用模块化，标准化结构。6）增材制造式数控实训加工机床中打印头的装配图、零件图设计根据之前的整体方案设计，完成打印头机构组件装配图与零件图设计，并在之前的设计上不断地发现缺陷、优化各个组件的设计，其中包括送丝组件的结构设计，丝盘托盘机构设计，同时也是对之前的零件设计不断检查和检验，完成各个零件的基本参数。2、章节安排第一章：主要讲了增材制造式数控实训加工机床的研究背景和意义，主要特点是我们设计的增材制造式数控实训加工机床，既有3D打印机特点也有数控机床的特点，研究意义很大，通过打印机的模块化，融入到数控铣床中，使数控机床既具有了传统的去除材料切削加工，和增材加工两种方式。第二章：主要叙述增材制造式数控实训加工机床的总体方案设计，总体方案中包括整机的方案总体的设计，对于Y轴机构的组件具体包括Y轴组件设计方案、主传动系统的方案确定、进给传动系统设计的方案确定、导轨系统设计的方案确定，以及其主要完成的任务；增材制造式数控实训加工机床的Y轴组件选型包括实训加工机床的轴承，伺服电机，滚珠丝杠，联轴器等选型；以及增材制造式数控实训加工机床的加工机床需求分析，同时由于3D打印技术的局限性，需要通过模块化的设计将其运用到数控机床中，这也使它在未来的市场需求会不断地上升。第三章：主要介绍了增材制造式数控实训加工机床的Y轴进给系统的设计中所需要设计的内容、各个部件技术参数的校核等具体内容、重要零部件的校核（滚珠丝杠的参数校核计、进给驱动电机的参数校核、滚动导轨的参数校验）、机械结构的设计连接和设计原理、以及其安装与调试。第四章：主要介绍了增材制造式数控实训加工机床的打印头设计中所需要设计的内容（结构方案的确定）、各个部件选型的思路、重要零部件的选型、以及机械结构的设计连接和设计原理、以及其安装步骤与注意事项。第五章：总结全文，在本项目中的收获，以及对未来工作的展望以及我们增材制造式数控实训加工机床未来的发展前景。第2章 增材制造式数控实训加工机床结构方案设计2.1总体结构方案设计图2.1 方案布局图在数控机床整机设计过程中，不仅需要考虑到零件的刚度要求和整机的抗振性，还有良好的传动精度及热稳定性等等结构性能。针对3D打印机的成形原理和打印头的设计，此次的课题中，我们选用了立柱移动式数控铣床的总体布局，从结构上来看床身上的主要移动件包括Z轴的立柱与Z轴的主轴箱和辅助系统，与一般的立式数控铣床结构相比，从受力的角度看该结构能保证很好的结构刚度，在切削加工时，X、Y、Z三方向的受力分别由三个主传动系统分别承担；且这种降低了装卸工件的高度，便于操作。从加工方向看，使用立铣刀铣削时，进给力与轴向切削力在同一平面内，Z轴的移动放在后床身上，所以承受的扭曲力小。在镗孔和铣削的时候更易保证精度。且相对于十字床身，这种结构中，工作台式恒定不变的，故，各导轨面的受力不会随着工件重量的增加而增加。这样的布局提高了X，Y轴的主传动系统的精度。但也因此，由于Z箱体属于悬臂梁结构，在上下移动过程中，丝杠的受力与电机的负载是不同的，因为我们在Z立柱上增加了氮气平衡缸的安装孔位，以保证Z箱体在上下移动过程中，对于Z轴电机而言，其负载恒定不变。同时采用T型床身的结构，总体的方案如图2.1。增材制造式数控实训加工机床不仅需要满足一般的加工需求，还需要给3D打印提供运动支撑。采用T型床身，工作台与T型床身一起安装在底面，全部行程内零件均可支承在床身上，从而减小了加工时的振动对工作台的影响，提高了加工的稳定性。但是加工工艺性也变复杂了需要保证工作台表面和导轨安装面相对于床身底面的平行度。对于增材式数控实训加工机床主要有由X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、辅助系统及打印头刀柄组成。在本章节中只要论述Y轴组件。Y轴组件属于中间传动组件，步进要考虑到Z轴组件在运动过程中的产生的运动惯量对于Y轴组件的刚性要求，同时还要兼顾运动的平稳性及热稳定性。对于主要零件Y托板15，还需要考虑到机加工工艺性及整体的刚性要求。整个Y轴组件主有由伺服电机1与联轴器2组成的伺服驱动系统、滚珠丝杠11与滚珠丝杠螺母套13,浮动轴承座组件（由浮动轴承座21，浮动轴承座垫片19,7024轴承25，垫片3，垫片2-24，定位销及螺母组成）、固定轴承组件（由固定轴承座7，固定轴承座垫片5，定位销，7024成对角接触轴承4，垫片4-9，垫片3-10，及螺栓组成）、以及锥拔块，滚柱等组成。在设计之初，我们在各大常见进给传动进行选择，同时对滚珠丝杠的安装类型与导轨的安装形式（见第5.1章详解）也进行比较。对于Y轴组件，基于模块的设计，从便于零件的更换与维修看，Y轴组件中的固定轴承座与浮动座均采用两枚直径8的定位销定位，同时用内六角螺栓锁紧，轴承座垫片调节Z向距离，以保证滚珠丝杠与电机轴线的同轴度。图2.2 销孔布局图2.3 Y轴导轨滑块放置图同时在设计轴承座中，基于对精度的要求，同时从加工工艺性考虑，采用了底面加两个定位销的组合定位方式。定位销对位孔安置于两锁紧螺栓孔位的直线位上同时成对称布局（如图2.2）。阶梯式的底面设计，可以减少轴承座底面的加工面积，降低对砂轮的磨损，对于Y轴托板上的轴承座安装面同样采用突出5mm高度的台阶设计，以减少砂轮的磨损，提高加工的效率。图2.4 X滑块安装方式图在对轴承的安装设计时，基于一端固定一端浮动的的安装方式下，在设计固定轴承座时利用滚珠丝杠的阶梯轴端与锁紧螺母可对轴承的内圈固定，同时利用垫片4与轴承座内阶梯面对轴承的外圈进行固定，然后将垫片3安装在垫片4上，垫片3为聚氨酯垫片，用以减小当电机失控时，滚珠丝杠螺母座撞击后对轴承的损伤。滚珠丝杠螺母座的的设计与轴承座的设计雷同，同样采用一面两销的安装定位方式，同时对于X导轨滑块的定位采用了推拔块（如图2.4）图2.5 增材制造式数控实训加工中心Y轴1-伺服电机；2电机座垫片；3联轴器；47024轴承；5固定轴承座垫片；6螺栓；7固定轴承座；8螺栓；9垫片4；10垫片3；11滚珠丝杠；12定位销；13滚珠丝杠螺母套；14垫片3；15Y拖板；16滚珠丝杠螺母座垫片；17螺栓；18螺栓；19浮动轴承座垫片；20锥拔块；21浮动轴承座；22锁紧螺母；24垫片2；257024轴承；26Z立柱的方案（导轨滑块的安装方式见第5.1章），Y托板上与推拔块配合的斜面开在肋条上，较少了需要磨削的面，布局也更加紧凑。对于Y轴导轨我们采用了导轨在上，滑块在下的安装方式，同时在Z立柱上钻了螺纹孔以安装压块，在Y托板上采用滚柱压滑块的方式，以方便加工，同时相对于导轨在下的安装，在Y方向，同行程内，X底座可以做的短一些，同时不影响其传动刚性。2.2 Y轴进给传动方案设计在设计数控机床时，对于进给系统设计一般从调速范围，整体系统的抗振性和刚性、要求整体与部件保证高的主传动精度、以及传动时噪声低。所以目前，主传动变速系统主要采用在无级变速加机械有级变速的组合方式实现传动。因此主要衍生出三个主流设计结构：1) 使用变速齿轮的主传动系统（如图2.6）：通过齿轮组与大功率电机的组合实现传动要求，这样的组合通常在大功率机床中比较常见，输出的扭矩也比较大，但是需要的安装空间比较大，而且对零件精度和安装精度要求较高。 图2.6 齿轮主传动系统2) 带有定比传动的主传动系统（如图2.7）：通常要用同步齿形带传动，这种结构多适用于高速、低转矩特性、变速范围不大的数控机床上，但是要求电机本身能够满足要求，且带传动平稳，噪声低，结构简单，安装调试方便。图2.7 同步带主传动系统3) 主轴电机直接驱动主传动系统：电机主轴直接通过联轴器连接，或者直接采用内装式电机直接驱动主传动系统，这种结构很大程度的提高了主轴的刚度，同时联轴器一般选用弹性联轴器，从而降低因为电机发热和滚珠丝杠发热而对传动精度产生影响。根据主传动系统结构便于维护、零件要便于更换、满足所需的精度及刚性要求的角度考虑，我们选用电机直连的方式直接驱动进给机构。2.2.1 进给伺服驱动方案进给伺服驱动系统是数控机床最核心的结构之一，同时也是区别于普通机床的重要指标之一。对于这一特殊结构，在设计之初就其响应要求、系统的稳定性与定位精度进行了严格的定义。就驱动电机的发展水平，数控机床的进给机构驱动体一般分为两种直线运动和旋转运动两种。目前市场主流的驱动方式如下：1) 以油缸、气缸等驱动工作平台运动，这种结构结构复杂，精度不高，一般作为辅助系统的驱动方式。2) 以旋转电机（目前主要以步进电机和伺服电机主）带动齿轮旋转，同时通过齿轮的啮合传动（或者采用皮带轮作为传动中介，亦或采用联轴器，使电机轴主轴与滚珠丝杠直连），驱动滚珠丝杠传动；从而将旋转运动转换成直线运动，同时采用的导轨给予定位和运动的导向。有时但是，当负载过大，滚珠丝杠较长，加速运动时产生的转动惯量就会很大，这就对结构的刚性提出了很高的要求。同时丝杠发热也会对运动的精度产生一定的影响，一般采用数控系统进行修补和增大丝杠的预紧力从而达到所需的要求。3) 以直线电机（或者电滚珠丝杠）为代表的新一代驱动方式（如图2.8），以直线电机直接产生直线运动直接带动工作台运动，这种结构简单，其中间传动环节少。对于传动过程中的热稳定性，刚度要求及传动稳定性都较钱两种更优。没有了传动间隙，其精度也很高，且传动的长度几乎不受限制，是未来发展的主要方向之一。基于经济性的考虑，我们还是采用了滚竹丝杠的驱动方式。图2.8 以直线电机驱动的线性模组组成示意图2.3 打印头组件结构设计就打印头组件结构整体而言，现在市场上主要有整体式、分装式两种形式。本课题打印头的结构在设计上均考虑到了两种结构。无论整体式还是分装式在结构上都由送丝机构、打印头及散热风扇组成。在结构上，分装式的结构简单，视觉直观，零件均为标准件采用螺纹连接，方便部件的更换；整体式的结构紧凑，效率高，能及时的加热与控温，安装方便，故障率低，但不便于维修。在本课题中假设了买家的需求，两种方案均有设计，以便买家选择。在出丝精度方面均有0.2mm,0.4mm,0.8mm可供选择。如图2.9所示，分装式刀柄打印头组件主要由送丝机构（如图4.3）、分装式打印头（如图4.1）组成。同样的，整体式打印头组件主要由送丝机构和整体式打印头组成（如图4.2）。图2.10 整体式打印头组件1、整体式打印头；2、散热风扇图2.9 增材制造式数控实训机床刀柄打印头分装式1丝盘；2丝盘托盘连接器；3丝盘托盘；4,25螺栓; 5,6,8,10,12,13,14,15送丝滚轮压紧装置；7,9,11,21,20,19,18,17分装式打印头组件；22送丝机构基座；26,24,23送丝电机组件；28BT40面铣刀刀柄；- 33 -第三章 机械传动部件的计算与选型3.1 Y轴组件的重量估算Y轴组件中移动部件的重量根据估算：其中也包括Z轴传动部件、氮气平衡缸、Z轴立柱及电主轴箱体等,估计重量约为150KG3.2 铣削力的计算假设在数控加工实习时，拟用立式铣削，刀具材料采用直径15mm的硬质合金 ，在铣削45钢质工件时。则有立铣时产生的铣削力公式： （3-1） 默认铣刀的直径为，齿数，计算其最大铣削力，取最大铣削宽度为，背吃刀量=7mm ，每齿进给量，铣刀转速。则最大铣削力： （3-2）假设进给方向为Y，则由各铣削力之间的比值（查表3.2）可得，估算三个方向的铣削力分别为：,，。在切削过程中，假设进给方向为设为Y，则Y轴组件在Y轴进给方向受到的进给方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。受力方向如图3.1。图3.1 切削分力示意图表3.2 切削参数比值对照表铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣削圆柱铣削3.3 导轨的选型与参数校核3.3.1 导轨的选型对于金属切削机床，导轨是必不可少的原件之一。常见的导轨主要有互动导轨和滚动导轨，相对于滑动导轨，目前滚动导轨市场上的主流导轨，不仅传动精度高，且在传动过程中摩擦损耗小。所以，无论是在轻载高速运动还是在重在低速运动中，其运动平稳性，位移精度与定位精度均能达到很高的水平。但是由于采用滚珠作为中间传动件，其抗振性就比较差，从大批量生产制造角度来说，其结构复杂，制造成本高，不仅要考虑到滚珠与滚道的精度，还必须考虑到安装精度与润滑方式等的问题。在对整机的运动传动要求和精度要求，在整体经济性能要求下，我们选用了银泰MSA25LS线性导轨。其参数如表2.4：表3.3 MSA25LS性能参数表型号动负荷静负荷孔距银泰MSA25LS34.4KN56.6KN60mm3.3.2 导轨工作载荷的计算在选择导轨型号时，其所承受的工作载荷、受力方向、使用环境等是必须注意的问题。在实训机床中Y轴组件为双导轨、四滑块，水平支承的安装形式。考虑到最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： （3-3）其中，移动部件重量1470N，外加载荷，得最大工作载荷。根据工作载荷，初选直线滚动导轨型号为银泰MSA25LS，其额定动载荷，额定静载荷。行程拟定为400mm，考虑到采用双滑轨，双导轨的传动方案，导轨的长度定位800mm。3.3.3 距离额定寿命L的计算根据银泰线性导轨查得：滚道硬度为60HRC，导轨及滑块最高工作温度可达C，假设每根导轨上配两只滑块，运转条件为中等冲击，取负载系数，接触系数f=0.81，取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，得预期距离寿命：L= （3-4）式(3-4)中：表3.4 负荷系数参数表运转条件使用速度负荷系数fw平滑无冲击1.01.2普通冲击及振动1.21.5中等冲击及振动1.52.0强烈冲击及振动2.03.5大于预期寿命100Km，故距离预期寿命满足要求。3.3.4 计算导轨的寿命： （3-5） 式（3-5）中：ft：温度系数，取ft=1 fc：接触系数，取fc=0.81 fw：载荷系数，fw=1.2 （3-6）根据数控机床的一般寿命，假设其寿命为6年，以300天为一年计算8小时工作制；每分钟走6个行程，则： （3-7）所选用的导轨寿命比要求寿命要长，所以合格。3.4电机选型与参数校核3.4.1 电机的选型本实训机床采用精度高，反应速度快的西门子828D闭环进给控制系统。驱动器采用配套的S120驱动器。则应该在IFK系列中选择型号；故伺服电机拟用1FK7080-2AF71-1RH7伺服电机，电机参数如表3.5。表3.5 电机参数表型号额定功率额定转矩转动惯量额定转速1FK7080-2AF712.1KW6.8NM14.7e-4kgm23000RPM伺服电机在选用上，需要满足三个重要指标：对于最大切削负载转矩不得大于电动机的额定转矩；对于快速移动过程中，其转矩不得超过伺服电机的最大转矩；电动机的额定转动惯量应与负载惯量相匹配（即）。3.4.2惯量匹配（1） 计算降速比： (3-8)式（3-8）中：（2） 计算联轴器的转动惯量： （3-9）（3） 计算滚珠丝杠的转动惯量： （3-10） （4） 计算y轴组件的转动惯量： （3-11）（5） 负载折算到电机轴上的转动惯量： （3-12）即，电机的惯量能匹配。3.4.3快速空载启动力矩转矩计算对于快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。快速空载启动力矩： （3-10） （3-11） （3-12）式（3-10、11、 12）中： 电机的额定转矩，远大于计算值，故，型号可行。 3.4.4最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩最大工作负载转矩由公式（4-14）计算。有： （3-13） （3-14）（3-15）求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： （3-16）3.5 滚珠丝杠的选型与参数校核3.5.1 滚珠丝杠的型号的选择传动精度、外形尺寸、刚性要求及支撑方式是滚珠丝杠的主要选择依据之一。额定动载荷和额定静载荷是滚珠丝杠副的承载能力的主要的两个技术参数，对于数控机床的，需要对其进行刚度和转动惯量校核，计算过程如下：（1）丝杠导程的计算：Y轴组件快速进给的最高速度与电机最高转速与传动比的乘积比是滚珠丝杠参数确定的依据，一般有： （3-17）式（3-17）中根据设计要求，拟定快速进给转速为30m/min,西门子3000r/min,故滚珠丝杠的导程。 丝杠的转速拟定：强力铣削；一般铣削；精铣铣削,快速进给（2）丝杠长度： mm （3-18）式中：最大行程400mm，加螺母长度134mm，两端余量30mm初选丝杠的循环方式为，双螺母垫片预紧，公程直径，导程,型号为：28-10A2-2FDWC-400-800，其具体参数如表3.6：表3.6 滚珠丝杠参数表公称直径导程额定动负荷额定静载荷刚性28mm10mm2200kgf5040kgf76kgf/m支撑跨距应略大于；取。（三）动载强度计算：对于滚珠丝杠的动载荷强度，计算动载荷应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，具体计算如下：1 当量转速：=133 （3-19）式（3-19）中：2 则有寿命： （3-20）其中：3 导轨摩擦力： （3-21）最大载荷发生在强力切削时，其余分别是：一般铣削，精铣，快速移动4 当量负载： （3-22）表3.7 切削参数对照表切削方式切削力（）速度时间比例强力切削20000.610一般切削10000.830精切削500150快速进给045 动载荷强度： （3-23） 式（3-23）中： （四）预拉伸计算：由升温引起的螺纹部分伸长量： （3-24）式（3-24）与式（3-25）中：同理，可得丝杠全长的伸长量： （3-25）因此，丝杠的行程可以定位0.017/650mm。丝杠在安装时，需要进行预拉伸，拉伸量定为0.03mm。（五）预紧力： （3-26）式（3-26）中：3.5.2 最大工作载荷Fm的计算根据上述论文计算，本机构在切削加工时，其工作最大已知移动部件总重量，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数，滚动导轨上的摩擦系数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： （3-27）3.5.3 最大静载强度的计算在进行粗加工时，低速进给中，滚珠丝杠低速运动，假设润滑油润滑效果不到位，此时对滚珠的磨损就会很大，从而影响正常工作。为此应进行静载荷强度计算，假设其由静止启动到低速重载时的受力分析，其最大计算静载荷： （3-18）式（3-18）中： 经计算，改数值远小于额定数值,故，方案型号可用。3.5.4 临界转速计算临界长度： （3-19） （3-20）式（3-20）中：经计算，其临界转速大于电机额定转速3000RPM，故，丝杠可用。3.6轴承的选型与参数校核3.6. 轴承型号的选择在电机直连的驱动方式下，在快速进给传动时，速度可达到2000r/min,属于高转速。同时由于采用电机直连的驱动方式，介于传动时的运动平稳性要求，且需要补偿一定量的由于滚珠丝杠受热产生的轴向偏移与高速进给和低速重载时产生的径向位移，我们选用了角接触球轴承，同时基于传动时的精度要求，拟定由一端采用固定端轴承，另一端采用浮动端轴承支撑。这种方式能同时承受双方向的轴向载荷，同时可对轴承施加预紧力，以提高轴承的刚度。浮动轴承端的轴承外圈固定，内圈预定调定后，可补偿一定量的丝杠热偏差值。固定端采用成对的角接触球轴承，安装时采用面对面安装，其安装简单，且由于轴承的内圈伸出外圈，当两轴承压紧在一起时，外圈的原始间隙消除，可以增加轴承的预加载荷。浮动端采用了单个角接触轴承，开口向外。根据工作经验，拟用7024角接触轴承。3.6.2 轴承参数校核根据7024轴承型号，查的轴承参数，同时拟定丝杠的转速为2000r/min,作用于丝杠的轴向力，作用于丝杠的径向力为，假设工作时轻微冲击，润滑方式为油脂润滑，同时假设正常温度120度，预期寿命为20000h。则主要校核浮动轴承参数参见表3.5。表3.5 轴承寿命校核表设计项目设计内容及依据设计结果1、确定7204AC轴承的主要性能参数根据手册查的：:25度:23000N:15000N:0.682、计算派生轴向力：587N3、计算轴向负荷4、计算当量动载荷5、计算轴承寿命根据轴承参数查的：6、验证合格3.7 联轴器的选型由于采用电机直连的驱动方式，在整个传动系统中，最大的发热源在于电机和滚珠丝杠，当滚珠丝杠连续快速进给或者低速重载时，润滑油的吸热散热不及时等原因导致丝杠与电机发热，从而影响传动精度。因此我们选用了结构简单，无需润滑且有良好的减震与缓和的梅花弹性联轴器。这种联轴器轴向和径向的补偿能力都优于其他联轴器。在电机与丝杠受热后产生热变形时（主要是丝杠的轴向位移），能及时补偿轴向与径向的传动误差。第四章 打印头组件结构设计4.1 两种打印头结构对于本论文提到的分装式打印头主要由散热风扇7、加热铝块19、加热喉管27、打印嘴18、风扇基座17、散热管21等组成。图4.1 分装式打印头组件7散热风扇；20螺母；19加热铝块；27加热喉管；18打印嘴；17风扇基座；21散热管;11螺钉；1加热棒安装孔位；2热敏电偶安装孔位分装式打印头结构（如图4.1）：加热棒12V40W（6x20）和NTC热敏电阻（100K 3950B）安装在加热快19上，送丝机构将PLA丝送进加热喉管27，加热棒受热后传导至加热块19，同时PLA丝融化后在重力和压力下经打印嘴18流出，配合机床的运动打印物体。打印嘴的出丝孔决定了出丝的粗细，同时用一块保温棉裹紧加热块，以配合风扇，通过热敏电阻的反馈的温度，控制打印过程中熔丝的温度。分装式打印头的优点主要包括：模块化的设计，打印嘴的出丝直径是可调节的，这样就可以配合不同的材料打印产品，同时模块化的结构便于维修和零件的更换；但是缺点也很明显，其总体尺寸较长，零件较多，这就带来了安装的误差，从而影响打印的精度。 图4.21、打印；2、打印头外壳；3、线路接口；4、隔热套；5、加热管；6、衬套如图4.2所示，整体式打印头主要由打印嘴1、打印头外壳2、线路接口3、隔热套4、加热管5与衬套6组成。整体式打印头通过顶端螺纹与送丝机构组件相连（如图2.9），打印嘴的直径为0.4mm通过过渡配合与衬套连接，同时加热管插在衬套上，隔热套与加热管为间隙配合，以防止加热后热胀导致加热管变形。与分装式不同，整体式中，打热采用加热丝，缠绕在加热管上，包裹上保温胶带，然后在外层包裹上热敏电阻丝。导线通过线路接口与系统接口相连。与分装式打印头相同，加热丝接到系统指令后开始加热，同时热敏电阻进行温度监控，当温度达到目标值后，系统通过改变对风扇电流的输出，即通过风扇对打印头内的熔丝温度进行调节与保温，以满足需求。对于整体式打印头最大的优点就是其加热结构在外壳内，升温快，保温效果好，同时这种结构其结构精度高，但是成本也较高，且不方便维护一旦打印头损坏只能更换整体。4.2 打印头送丝机构电机选择根据西门子828D数控系统的兼容性要求，电机选用IFK型号，采用IFK7015-2AF1伺服电机，电机参数见表4.1：表4.1 送丝电机参数表额定转速轴高额定功率转矩转子惯量6000rpm20mm100W0.16NM0.083E-4kgm24.3 打印头送丝机构设计打印头送丝机构（如图4.3）所示：BT40刀柄28上有基准面与丝盘托盘连接器2采用过渡配合，内六角螺栓25锁紧，同时送丝基座22也与丝盘托盘连接器2也采用同样的定位方式，螺栓4锁紧。丝盘托盘3用强力胶粘在送丝电机基座22上即可，丝盘放在丝盘托盘上，托盘上有圆柱型肋条，方便在送丝过程中，丝盘的旋转。如图4.4，送丝电机26和齿轮23之间用螺钉24连接，送丝电机通过内六角螺栓连接在送丝机构基座上。送丝滚轮压紧装置通过螺钉安装在送丝机构基座上，由小拉簧6拉动滚轮压紧连杆8从而带动滚轮14压紧至齿轮23上（如图4.5），PLA丝上有连续间断的小齿纹以配合齿轮的旋转，进行送丝运动。图4.4 送丝电机组件26IFK7015伺服电机；24齿轮锁紧螺钉；23齿轮图4.3 送丝机构结构图1丝盘；2丝盘托盘连接器；3丝盘托盘；4,25螺栓; 22送丝机构基座；26IFK7015伺服电机；24齿轮锁紧螺钉；23齿轮14滚轮；13滚轮轴；15螺钉图4.5 送丝滚轮压紧装置14滚轮；13滚轮轴；12,5,10,15螺钉；8滚轮压紧连杆；6小拉簧4.4 打印头组件的材料选择考虑到加工的工艺性及孔轴配合的需求，丝盘托盘连接器、送丝机构基座及打印头散热管均采用6061铝块,6061属于应用最广的铝合金，具有质量轻，切削性能好，制造的零件强度也较高。第5章 装配与调试注意事项5.1 导轨的安装方式在对线性导轨的安装时，假设在承受振动或者冲击力作用时，由于安装固定导轨和滑块的方式不对就很有可能偏离原来的固定位置，从而影响导轨及滑块的寿命及传动精度。所以，一般我们采用如表2.5的安装方法：表4.2导轨及滑块安装方法在导轨及滑块侧面需要稍微突出工作台一点，而压板需要加工跳刀槽，以防止角部发生干涉。通过斜面定位，螺栓锁紧的方式对锥拔块进行施压，但是，对于这种刚件之间的锁紧，施加过大的锁紧力容易造成轨道弯曲或外侧肩部变形，所以，在安装时要注意锁紧力的大小，同时也要抵消一部分的螺栓预紧力。如左图所示，使用这种方法必须预先设计阶梯面，同时，由于壁厚与滑块及导轨基准面的影响，使用的定位螺钉尺寸不会太大。这种方式对导轨施加的力也较小，一般在中小型结构中使用 次方式是利用滚柱与滑块导轨的线接触来施压，可以通过螺钉头部斜面的推进来施压。这种结构施加的力比较均匀，同时加工方便，使用时需要注意滚珠的使用，避免滚珠的直径太小