龙门式三轴3D打印机结构设计含catia三维及6张CAD图
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龙门
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龙门式三轴3D打印机结构设计含catia三维及6张CAD图,龙门,式三轴,打印机,结构设计,catia,三维,CAD
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设计任务书任务下达日期： 20XX 年 12 月15日设计开题日期： 20XX 年 3 月 30 日设计开始日期： 20XX 年 4 月 2 日中期答辩日期： 20XX 年 5 月 11 日 设计完成日期： 20XX 年 6 月 15 日一、设计题目： 三轴3D打印机结构设计二、设计的主要内容1、可行性论证：设计三种结构方案，分析其可行性，选出最优方案。 2、设计计算：对关键结构进行强度校核，X、Y、Z轴光杆弯矩校核，挤出机挤出力核， 对所选用的标准件进行校核，判断其是否合理。 3、设计图纸：3D打印机装配图A0 零件图A1 4、特色专题：3D打印机三维建模 三、设计目标： 利用三维软件完成3D打印机结构设计， 打印行程要求：225mm245mm235mm；最高速度200mms；要求取用远程挤出机构；尺寸精度控制在0.3mm之内，通过设计使学生掌握CAD相关软件，培养学生独立分析问题和解决 问题的能力，最终设计出符合要求的结构 。 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 2017 年 12 月 15日 摘 要本文通过市场调研、可行性方案论证、方案对比的方法运用3D打印技术设计了一款亚克力板龙门式3D打印机，该3D打印机采用同步带和丝杠传动结构，Z向双电机同时驱动，选择远程挤出机构，打印喷头采用喉管喷头一体化结构设计，丝杠结构框架，开源控制软件、固件和控制板。通过对设计进行计算与校核，对所设计的零件进行装配设计，设计出符合要求的3D打印机。关键词：结构设计；3D打印机；亚克力板；AbstractIn this paper, the 3D printer is designed by market research, feasibility scheme demonstration and scheme comparison. The 3D printer uses synchronous belt and screw drive structure, Z drives the double motor simultaneously, selects the remote extrusion mechanism, and the printing nozzle adopts the integrated structure of the throat nozzle. The structure of the lead screw, open source control software, firmware and control board.Through the calculation and verification of the design, the assembly of the designed parts is designed, design a 3D printing to meet the requirements.Key words: Structural design; 3D printing; acrylic board; II目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 3D打印技术的概述11.2 3D打印原理的分类11.2.1 选择性激光烧结技术11.2.2 熔融沉积造型11.2.3 立体光固造型技术21.2.4 数字光处理技术2第2章 3D打印机结构方案设计及可行性论证42.1 3D打印机结构方案设计42.1.1 方案1 框架式3D打印机42.1.2 方案2 悬臂梁式3D打印机42.1.2 方案3 龙门式3D打印机52.2 3D打印机方案可行性论证62.2.1 方案1评价62.2.2 方案2评价72.2.3 方案3评价72.3 方案确定7第3章 3D打印机设计与计算93.1 技术参数及其坐标系的确定93.1.1 技术参数93.1.2 3D打印机坐标系选择93.2 电机的选择103.2.1 X方向电机的选择103.2.2 Y方向电机的选择113.3 滚珠丝杠的设计计算123.3.1 选材标准123.3.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算133.4 光杆导轨的校核163.4.1 X方向运动光杆的受力分析163.4.2 Y方向光杆运动受力分析173.5 同步带的设计计算183.5.1 X轴方向同步带计算183.5.2 Y轴方向同步带计算203.6 直线轴承的选用213.6.1 直线运动轴承额定载荷213.6.2 静态安全系数223.6.3 直线系统的额定寿命223.6.4 额定寿命223.7 挤出机的挤出力校核233.8 联轴器的选择与分类243.8.1 联轴器的分类243.8.2 联轴器的选择243.9 环境保护和可持续发展方面的思考253.9.1 本次设计对环境的影响253.9.2 可持续发展方面的思考26第4章 产品使用与维护274.1 3D打印机的基本调试274.1.1 打印平台的基本调试274.1.2 限位开关的调试274.1.3 工作台的调平274.1.4 平台移动距离的校准284.2 3D打印机的使用方法284.3 3D打印机的维护284.3.1 每天预防性维护284.3.2 长久维护方法28第5章 毕业设计特色专题305.1 非标准件的设计305.1.1 Z方向左侧升降平台设计305.1.2 Z方向右侧升降平台设计315.1.3 滑块的设计315.1.4 Y方向连接器的设计325.1.5 X方向连接器的设计335.1.6 打印喷头固定架的设计335.1.7 Y向电机固定架的设计345.1.8 Y方向轴承固定架的设计355.1.9 支撑座的设计355.1.10 亚克力板框架设计365.1.11 电机支架的设计375.2 总体结构的设计375.2.1 总装配图375.2.2 传动原理38结 论39参考文献40致 谢42V CONTENTS摘 要IAbstractIIPart Introduction11.1 An overview of 3D printing technology11.2 The classification of the principle of 3D printing11.2.1 Selective laser sintering technology 11.2.2 Molten deposition modeling 11.2.3 Stereoscopic stereo solid modeling technology 21.2.4 Digital optical processing technology2Part Structure scheme design and feasibility demonstration of 3D printer42.1 Structure scheme design of 3D printer42.1.1 Scheme 1 frame type 3D printer 42.1.2 Scheme 2 cantilever beam type 3D printer 42.1.2 Scheme 3 Longmen type 3D printer52.2 Feasibility demonstration of 3D printer scheme62.2.1 Programme 1 Evaluation62.2.2 Programme 2 Evaluation72.2.3 Programme 3 Evaluation 72.3 Scheme determination7Part Design and calculation of 3D printer93.1 Determination of design scheme93.1.1 technical parameter93.1.2 Selection of 3D printer coordinate system93.2 Selection of motor103.2.1 Selection of X direction motor 103.2.2 Selection of Y direction motor113.3 Design and calculation of ball screw123.3.1 Material selection standard123.3.2 Calculation of load and speed of ball screw pair133.4 Check of light bar guide 163.4.1 The force analysis of X direction optical rod motion 163.4.2 The force analysis of Y direction optical rod motion 173.5 Design and calculation of synchronous belt183.5.1 Calculation of X axis synchronous belt183.5.2 Calculation of Y axis synchronous belt203.6 Selection of linear bearings 213.6.1 Rated load of linear motion bearing 213.6.2 Static safety factor223.6.3 The rated life of a linear system223.6.4 Rated life223.7 Extrusion force checking of extruder233.8 Selection and classification of couplings 243.8.1 The classification of couplings243.8.2 Selection of couplings243.9 Consideration of environmental protection and sustainable development 253.9.1 The impact of this design on the environment253.9.2 Thinking on the aspect of sustainable development 26Part Product use and maintenance274.1 Basic debugging of 3D printer274.1.1 Basic debugging of printing platform274.1.2 Adjustment of limit switch274.1.3 Leveling of the worktable274.1.4 Calibration of platform moving distance284.2 The method of using 3D printer284.3 Maintenance of 3D printer284.3.1 Daily preventive maintenance284.3.2 Long term maintenance method28Part Special topic of graduation design305.1 Design of non standard parts305.1.1 Design of left and down platform of Z direction305.1.2 Design of right and down platform of Z direction315.1.3 Design of slider 315.1.4 Design of Y directional connector325.1.5 Design of X directional connector 335.1.6 Design of printing nozzle fixator335.1.7 Design of Y direction motor fixed frame345.1.8 Design of Y direction bearing fixed frame355.1.9 Design of support seat355.1.10 Acrylic plate frame design365.1.11 Design of motor support 375.2 The design of the overall structure375.2.1 General assembly drawing375.2.2 Transmission principle38Conclusion39Reference40Acknowledgement42VIII第1章 绪论1.1 3D打印技术的概述3D打印技术为80年代中期发展起来的一种新技术，是造型技术的一项突破性进展。它现有十多种名称，如增彩制造、快速原型、计算机辅助设计与制造、以及桌上制造工艺等。此项技术不同于传统的制造方法，它综合了激光技术、自动控制技术以及许多先进性技术和知识。他最突出的优点是增材制造，无需机械加工或者任何辅助，也不需要任何模具，通过三维软件的建模生成任何模型，导出3D打印机需要的格式，从而极大的缩短产品的研发周期，提高了生产效率并且降低了成本。当今，这项技术正在飞速的发展，已经越来越引起了人们的广泛重视，目前，很多公司都在研究这项技术，对制造业的发展起了及其重要的推力作用1。1.2 3D打印原理的分类1.2.1 选择性激光烧结技术选择性激光烧结法又称为选区激光烧结法。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料，可以是金属粉末或非金属粉末，激光在计算机的控制下，按照界面的轮廓信息，对实心部分粉末进行激光烧结，然后不断循环，层层堆积成型。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、树脂裹覆砂、聚碳酸脂、金属和陶瓷粉末等材料都可以作为烧结对象2。粉床上未被烧结部分成为已烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统。由于该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，针对以上特点SLS法主要用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具3。 1.2.2 熔融沉积造型熔融沉积造型法采用热融喷头使半流动半凝固状态的材料按CAD分层数据控制的路径上挤压并沉积在预先设定的地方成型，逐层沉积经过凝固后最终形成零件图样，这一技术称为熔化堆积法。这是一种将各种热熔性的材料加热熔化成形方法，它技术设备简单，运行费用相对便宜，系统可用于办公环境，没有产生环境污染，工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾，可以快速构建各种复杂的零件，易于搬运和快速更换，但是问题在于精度低，竖直方向强度小，成形速度较慢，不适合构建大型零件。1.2.3 立体光固造型技术 这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。在实际在生活中有着很多应用立体光固造型技术原理，又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和功率的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料材料也就从液态转变成固态SLA的原理是由CAD系统的三维造型切割成若干薄层平面数据模型，但对表面形状变化大和精度要求高的部分应切得薄些，其他一般部分切得厚一些。随后CAM软件再根据各薄层平面的运动指令，再结合提升机构沿Z坐标方向的间歇下降运动，形成整个零件的数控加工指令。指令输入SLA系统中，首先是工作台下降至液体容器的液面之下，对应与CAD模型最下一层切片的厚度处，根据切片的平面几何数据，紫外光照射可固化的液态树脂，在紫外光的作用下，因光聚合作用，第一层被固化在工作台上。然后，升降工作台下降至第二层切片厚度，激光器按照该层切片的平面几何数据扫描液面，使新一层液态树脂固化并紧紧贴在前一层已固化的树脂上，如此反复生长，直至形成整个三维实体零件4。1.2.4 数字光处理技术 数字光处理技术能够在构建部件时，使用高分辨率的数字光处理器设备投影仪来固化液态光聚合物，分别逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA速度更快，该流程重复，直至彻底将模型构建完成。DLP技术能够提供在准确性、材料属性、细节和表面光洁度等方面可匹敌注塑成型的塑料部件。它让工程师能够在产品大规模生产前验证所设计的形状、匹配和功能，从而避免成本高昂的生产模具修改和缩短上市时间5。大规模生产前评估产品的设计;验证设计的形状、匹配和功能，提供概念模型，改善沟通的方式，在设计方面都有很大的应用价值。第2章 3D打印机结构方案设计及可行性论证2.1 3D打印机结构方案设计2.1.1 方案1 框架式3D打印机 框架式3D打印机，包括底座和“门”字型框架式的支架，支架上部前侧面水平设有安装柱，安装柱上设有料盘；支架的中下部水平设有滑轨，滑轨上设有出料装置；支架下方的底座上设有加热底盘；底座前侧为弧面结构并设置显示屏和操作按钮；底座前侧面上设有USB和SD卡插孔；滑轨包括两个上下平行设置的滑杆，出料装置穿设在滑杆上；安装柱外侧设有限位帽。运动机构如下：（1） 升降装置：步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠，工作台通过直线导轨与丝杠上丝杠螺母相连接，通过步进电机正反转来控制工作平台上下移动。（2） X、Y方向移动：通过两个步进电机、两个同步轮，一根同步带来控制打印喷头X、Y正反方向的移动。图2-1 框架式3D打印机传动图2.1.2 方案2 悬臂梁式3D打印机悬臂梁式3D打印机主要有四部分组成，分别为旋转运动机构、垂直运动机构、水平运动机构、材料挤出机构，它们各自用一个步进电机驱动，该3D打印机水平面内的材料成型依靠旋转运动机构和水平运动机构共同作用实现。悬臂式3D打印机打印头通过打印头固定件与水平导轨连接，而水平导轨滑块又以滚珠丝杠螺母副的方式与水平导轨连接在一起并由水平伺服电机驱动，实现打印头的左右移动，这样就构成了悬臂式打印机的悬臂梁。悬臂梁结构安装简易，结构合理，坚固耐用，美观大方，层重能力好，空间利用率高等特点。运动机构如下：（1）升降装置：在底座上固定一竖直铝型材，将直线导轨通过螺栓固定于铝型材上，步进电机通过联轴器连接同步带轮，皮带的两端固定在直线轴承同步轮上，皮带连接同步带轮，电机的转动带动直线轴承的上下移动，实现Z轴方向移动。（2）X方向移动：铝型材通过连接件固定于Z轴方向上的直线轴承上，将直线导轨通过螺栓固定于铝型材上，步进电机轴连接同步带轮，皮带的两端固定在直线轴承上，皮带连接同步带轮，电机的转动带动直线轴承的左右移动，实现X轴方向移动。（3）Y方向移动：将直线导轨固定在底座上，通过同步带连接直线轴承，工作台固定在直线轴承上，电机通过同步带轮带动同步带前后移动，实现Y轴方向的运动。 图2-2 悬臂梁式3D打印机传动图2.1.2 方案3 龙门式3D打印机龙门式3D打印机主体框架采用龙门式结构，整体支撑结构件以重量轻、价格便宜且易加工的铝合金材料为主。打印机机械部分主要由基座、打印工作台、三轴传动系统、打印喷头、铰链结构等部件组成。整体设计以基座为结构基础，Y轴传动系统负责打印工作台Y方向的移动，X、Z轴传动系统分别负责打印头X方向和Z方向移动，从而实现三个维度的打印需求。运动机构如下：（1） 升降装置：两个步进电机同步旋转通过丝杠传动实现Z方向上下运动。（2）X方向移动：在X方向上任一支撑端通过步进电机带动同步带传动，同步带带动直线轴承的移动实现X方向上的运动。（3）Y方向移动：工作台的移动或者X轴在Y方向上的移动，Y方向上步进电机可固定于X方向上也可固定于Y方向上，步进电机通过同步带带动工作台运动实现Y方向上的运动。 图2-3 龙门式3D打印机图2.2 3D打印机方案可行性论证2.2.1 方案1评价 框架式3D打印机传动系统采用H型传动，其优点是结构简单，便于安装和调试结构新颖，运动精巧，一根同步带就可以控制X、Y轴的运动，Z轴传动系统采用滚珠丝杠，传动精度较高，可以实现微进给。缺点是一根同步带同时控制X、Y两个方向的进给，稳定性以及精度不是太高，并且框架式结构占用空间较大，传动的铝合金框架并不能一直保证打印机的精度，需要定期维护，维护成本较高。2.2.2 方案2评价悬臂梁式3D打印机机械运动动主要靠竖直导轨滑块上下移动和水平导轨滑块左右移动来控制X、Z方向移动，Y方向移动靠工作台的水平移动来完成。优点是两力构件将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由三个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性，在成本上会低于其他两款打印机，不存在串联机构（xyz构架）的几何误差累积和放大的象，甚至还有平均化效果，故它具有高精度的优点。悬臂梁结构安装简易，结构合理，坚固耐用，美观大方，层重能力好，空间利用率高等特点。根据层载力可分为轻型悬臂梁、中型悬臂梁、重型悬臂梁。根据悬臂可分为单面悬臂梁和双面悬臂梁。以材料力学的观点来说，在水平导轨滑到最右边时，悬臂量的应力与变形都最大，滑道最左端时，悬臂梁应力和变形最小，其刚度重量比高于传统的串联机构，所以水平导轨相对于其他机构易变形，造成精度变低。其次，悬臂梁式3D打印机由于悬臂长度的影响，其打印面积比其他两种打印机要小，并且市场上悬臂式机型特别少，大众对这种结构认可度不高。2.2.3 方案3评价龙门式3D打印机机械运动主要靠水平方向上滑块左右移动和竖直方向的滑块上下移动来控制想X、Z方向的运动，Y方向靠工作台的水平移动来完成，龙门式结构外型新颖，占地面积小，更小的桌面占用面积可获得更大的打印尺寸，XY轴精密导轨设计，Z轴方向采用两个步进电机同时驱动，增加了传动速度以及传动精度，稳定可靠，结构简单，方便快捷。整机成本较低；安装精度高，其精度可以轻松达0.1mm：结构简单，组装、维修等都较为方便，便于安装和维护，固件调试简单，集合了两种打印机的优点，龙门式3D打印机为市场上最为常见的一种机型，造价相对于其他两种要低很多。2.3 方案确定经过对比，龙门式3D打印机相对于框架式3D打印机要占用更小的占地面积，但是同等占地面积要比框架式架构打印面积大很多，并且节约了很多材料，降低了成本。龙门式3D打印机相对于悬臂梁式3D打印机机构更加稳定，不用担心X轴尺寸问题，因此可以设计更大的打印尺寸。龙门式结构构造简单，便于操作，维护成本较低，系统运行安全，同时可以成型任意复杂程度的零件，支撑去除简单，便于维护与升级。综上所述，选择方案三设计方案。第3章 3D打印机设计与计算3.1 技术参数及其坐标系的确定 3.1.1 技术参数本次设计的3D打印机能够通过X、Y、Z三个方向上的移动，完成产品的打印，有较好的可靠性、合理性、安全性。根据对3D打印机的了解，通过参照实际3d打印机的大体尺寸，设定雕刻机的基本参数为：（1）最大进给速度：200mm/s； （2）物理尺寸：448mm380mm380mm；（3）工作区：214mm214mm；（4）精度：0.3mm；（5）打印耗材：pla；（6）接口模式：USB；3.1.2 3D打印机坐标系选择根据右手笛卡尔直角坐标系确定3D打印机的坐标系统，如图3-1所示，首先选择打印喷头的上下运动作为Z轴方向，打印喷头向上运动方向为Z轴正方向；由右手法则可知，以打印平台移动的方向为Y轴方向，打印平台远离面前方向为Y轴正方向；以打印喷头在横梁上的移动作为X轴方向，面对3D打印机打印喷头右移方向为X轴正方向。 图3-1 右手笛卡尔直角坐标系3.2 电机的选择3.2.1 X方向电机的选择3D打印机做水平直线运动时，首先要克服两直线轴承和两光杆导轨之间的摩擦力，其次还要克服传动过程中的惯性力，所以驱动力F可参照公式： （3-1）式中 各支承处的摩擦阻力，N； 启动过程中的惯性力，N； （3-2） 式中 摩擦系数，取0.1；支撑所有部件的总质量，kg； （3-3）式中 支撑所有部件的总质量，kg； 启动过程中的平均加速度，是速度增量与水平移动速度所用时间的比值，m/；根据3D打印机移动的最高速度v=0.2 m/s，快速进给速度从静止加速到工作速度的增量为0.2m/s，所用时间为0.1s，因此加速度如下：已知挤出机质量0.8kg，直线轴承质量为0.014kg，本部分需要两个，固定挤出机的3D打印件经软件测量，打印材料为pla，密度为,所以打印件的质量为：。根据公式（3-2）和（3-3）计算：根据公式（3-1）计算：步进电机的功率为：式中 取80%。42BYGH47型步进电机额定电压2.8V,额定电流1.68A，因此满足要求。表3-1 42BYGH47步进电机技术参数额定电压2.8V最大静力矩4.4kg-cm减速比51电流1.68A轴径5mm机身长度47mm3.2.2 Y方向电机的选择3D打印机做Y方向水平直线运动时，主要是靠打印平台的水平移动来完成，需要克服四个直线轴承与两个光杆导轨之间的摩擦力，其次还要克服传动过程中的惯性力，所以驱动力F可参照公式（3-1）： 式中 各支承处的摩擦阻力，N； 启动过程中的惯性力，N；摩擦阻力可参照公式（3-2） 式中 摩擦系数，取0.1；支撑所有部件的总质量，kg；启动过程中惯性力可参照公式（3-3）式中 支撑所有部件的总质量，kg； 启动过程中的平均加速度，是速度增量与水平移动速度所用比值，m/；根据3D打印机移动的最高速度v=0.2m/s，快速进给速度从静止加速到工作速度的增量为0.2 m/s，所用时间为t=0.1s，因此：已知MK3热床质量大约0.4kg，底座大约0.3kg，直线轴承重量0.014kg（此处用四个），各螺栓螺母质量忽略不计，则：根据公式（3-3）：根据公式（3-2）：根据公式（3-3）：步进电机的功率为：式中 取80%。42BYGH47型步进电机额定电压2.8V,额定电流1.68A，因此满足要求。3.3 滚珠丝杠的设计计算3.3.1 选材标准选材的基本原则是材料在能满足零件使用性能的前提下，具有较好的工艺性和经济性。材料的使用性能是指机械零件在正常工作条件下应具备的力学、物理、化学等性能，是保证该零件可靠性的基础。对一般机械零件来说，选材时主要考虑的是其力学性能；而对于非金属材料制成的零件，还应该考虑其工作环境对零件性能的影响。零件按力学性能选材时，首先应正确分析其工作条件、形状尺寸及应力状态，结合该类零件出现的主要失效形式，找出其在实际使用中的主要和次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。根据电机额定转速和Z向最大速度，计算电机导程，Z向运动的驱动电机选择42BYGH47,电机最高转速4400r/min，电机与滚珠丝杠直连，传动比为1，Z向运动速度10mm/s，即600mm/min，因此：实际取，可满足速度要求。3.3.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算（1）光杆导轨滑动摩擦系数最大为0.004，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为0.006，则光杆导轨静摩擦力为： （3-4）式中 步进电机以及固定电机座的质量；因此根据公式（3-4）可以计算由于Z方向电机所传递的力除了光杆与导轨之间的静摩擦力，还有其余负载，因此：式中 光杆与导轨之间的静摩擦力，N； G负载的重量，N；丝杠主要用于Z向传动，其阻力主要来自于导轨与滑块之间的摩擦力和Z方向负载的重力，则有： （3-5）式中 vZ方向进给速度，mm/s； Z方向丝杠导程，mm；根据公式（3-5）得：滚珠丝杠的当量载荷：滚珠丝杠当量转速:（2）滚珠丝杠副的额定动载荷按照滚珠丝杠副的预期工作时间计算： （3-6）式中 当量转速；预期工作时间，取15000小时；负荷系数，平稳无冲击选择=1；精度系数，二级精度选择=1； 可靠性系数，一般选择=1；（3）Z方向电机的选择选择步进电机驱动，步进电机型号选取为42BYGH47,额定电压2.8V，额定电流1.68A，扭矩0.44，转子惯量，Z向运动工件总质量为0.465kg，则外部负荷的负载转动惯量为：外部负载荷产生的摩擦扭矩： （3-7）式中 滚珠丝杠副导程，mm； 未预紧的滚珠丝杠副的效率，=0.8； 外加轴向载荷，含导轨摩擦力，N；根据公式（3-7）得：预紧力产生的摩擦扭矩： （3-8）式中 滚珠丝杠副间的预紧力，； 滚珠丝杠副导程，mm； 未预紧的滚珠丝杠副的效率，=0.8；根据公式（3-8）得：加速度产生的负荷扭矩： 根据设计要求可知：Z方向最大运动速度为10mm/s，对应电机转速为600r/pm，最大加速度为a=15m/，则Z轴工作部分速度从0升至10mm/s所需时间为：当电机转速从静止升至600rpm时，其负荷扭矩如下： （3-9）式中 J外部负荷的负载转动惯量；根据公式（3-9）得：电机的总扭矩： （3-10）式中 外部负荷产生的摩擦扭矩，； 预紧力产生的摩擦扭矩，； 加速度产生的负荷扭矩，；根据公式（3-10）得： 所选择的电机额定转矩为0.44，大于计算电机扭矩3倍以上，所选择的电机符合要求。3.4 光杆导轨的校核3.4.1 X方向运动光杆的受力分析因为X方向运动有两根相同的光杆导轨支撑，他们所受的力的大小方向都是一样的，所以在受力分析时可以把它当为一根来计算，先取光杆随意一点c，就是喷头运动的位置作受力分析：光杆导轨长345mm，令a=100mm，b=245mm，总的向下的力F为X方向两光杆所支撑的总重量的重力，所以F如下：（1）确定约束力,所以：图3-2 光杆受力图（2）求剪力和弯矩取，喷头极限靠近于左方，喷头作用于点处的剪力和弯矩大小如下： （3-11） （3-12）根据公式（3-11）和（3-12）得：图3-3 光杆剪力图 图3-4 光杆弯矩图3.4.2 Y方向光杆运动受力分析因为Y方向运动有两根相同的光杆导轨支撑，他们所受的力的大小方向都是一样的，所以在受力分析时可以把它当为一根来计算，先取光杆随意一点c，就是打印平台的位置作受力分析：因为Y方向运动有两根相同的光杆导轨支撑，他们所受的力的大小方向都是一样的，所以在受力分析时可以把它当为一根来计算，先取光杆随意一点c，就是打印平台的位置作受力分析：光杆导轨长448mm，令a=100mm，b=348mm，总的向下的力F为Y方向两光杆所支撑的总重量的重力，所以F如下：（1）确定约束力,（见图3-2）所以：（2）求剪力和弯矩取，打印平台无限靠近于前方，打印平台作用于点处的剪力和弯矩大小如下（见图3-3，3-4）： （3-11） （3-12）根据公式（3-11）和（3-12）得：3.5 同步带的设计计算3.5.1 X轴方向同步带计算带传动工作时，电机通过同步带轮作用在带上的摩擦力使带与轮发生相对运动，因为带固定，所以同步轮运动，由于同步轮上所受摩擦力方向相反，使带在同步轮的两边的拉力发生变化，带绕进同步轮一边的拉力增大，拉力由增至，被拉得更紧，称为紧边，绕出同步带的一边拉力减小，由减至，带有外松，称为松边。 即或（1）选择同步带型号根据传递功率、传递用途和工作情况等确定传动的设计功率为： （3-13） 式中 P所需传递的功率，kW； 工作情况系数，查机械设计表6-8取=1;根据公式3-13得： 本次设计因为同步轮较小，选取2GT同步带，2GT同步带具有高强张力线，抗延伸能力强，带距小，节省空间等特点。（2）同步带所能传递的许用功率功率: （3-14）式中 同步带所能传递的许用功率，kW； 单根普通同步带额定功率的增量，kW。本次设计中传动比i=1，取； 同步带和同步轮的包角，查机械设计表6-7，取0.676； 带长修正系数，实际带长不等于实验带长时对传动能力的影响见机械设计表6-2，带长L取500mm，=1.02；式中根据电机转速为400r/min，查机械设计表6-5取=0.035KW，根据公式（3-14）得：故选用2GT同步带符合要求。（3）计算带速同步轮和同步带啮合，同步轮和同步带在啮合处有相对运动，由于同步带保持静止，同步轮的速度即为同步带的速度。 （3-15）式中： v带速，m/s； d同步轮直径，mm； n同步轮转速，r/min；根据公式（3-15）得出同步带带速为：（4）计算单根同步带的初拉力初拉力小，带的张力小易打滑，初拉力过大，则带的寿命降低，一般 认为，保证带传动正常工作的单根带合适的初拉力为： （3-16）式中： q查机械设计取B型带，q=0.06； z同步带根数；根据公式3-16得：（5）计算带作用在轴上的力根据公式（3-16）得：3.5.2 Y轴方向同步带计算 （1）选择同步带型号根据传递功率、传递用途和工作情况等确定传动的设计功率为： （3-13） 式中 P所需传递的功率kW； 工作情况系数，查机械设计表6-8取=1;根据公式3-13得： 本次设计因为同步轮较小，选取2GT同步带，2GT同步带具有高强张力线，抗延伸能力强，带距小，节省空间等特点。（2）同步带所能传递的许用功率功率: （3-14）式中 同步带所能传递的许用功率，kW； 单根普通同步带额定功率的增量，kW。本次设计中传动比i=1，取； 同步带和同步轮的包角，查机械设计表6-7，取0.676; 带长修正系数，实际带长不等于实验带长时对传动能力的影响见机械设计表6-2，带长L取500mm，=1.02；式中根据电机转速为400r/min，查机械设计表6-5取=0.035KW，根据公式（3-14）得： 故选用2GT同步带符合要求。（3）计算带速同步轮和同步带啮合，同步轮和同步带在啮合处有相对运动，由于同步带保持静止，同步轮的速度即为同步带的速度。 （3-15）式中 v带速，m/s； d同步轮直径，mm； n同步轮转速，r/min；根据公式（3-15）得出同步带带速为：（4）计算单根同步带的初拉力初拉力小，带的张力小易打滑，初拉力过大，则带的寿命降低，一般 认为，保证带传动正常工作的单根带合适的初拉力为： （3-16）式中 q查机械设计取B型带，q=0.06； z同步带根数；根据公式3-16得：（5）计算带作用在轴上的力根据公式（3-16）得：3.6 直线轴承的选用3.6.1 直线运动轴承额定载荷 通过在相同的条件下单独运行多个同样的直线轴承，如果90%的直线系统可以在此载荷下运行50千米，并且未产生滚动疲劳引起的损坏情况 ，对此结果评估即可得出此值，这是得出额定值的基础，3.6.2 静态安全系数 此系数以表中说明的应用条件为基础进行使用：表3-1 fs取用表使用条件Fs的下限轴的偏移和所受冲击较小时12考虑到弹性变形时24设备受震动和冲击时35 3.6.3 直线系统的额定寿命只要在有载荷时直线系统在做往复运动时，就会产生不断作用于直线系统的力，由于材料疲劳，便会在滚动体和滚动道之间产生剥落。直至第一次产生剥落时，直线系统所移动距离称为系统的寿命。即使在相同的条件下使用同样尺寸、结构、材料、热处理方式的系统，其寿命也不完全相同。这些差异由材料本身疲劳程度的差异引起。额定寿命用作直线系统预期寿命的一个指标。3.6.4 额定寿命 额定寿命在同样的条件下同样尺寸的多个系统未产生剥落的90%的系统移动的总距离。额定寿命可以使用基本额定动载荷和直线系统上的载荷根据以下等式算出： （3-16） 由于实际载荷不易进行计算，所以在设计直线运动系统时，应考虑到震动冲击载荷以及载荷分配的补偿和影响，额定寿命还受工作温度范围影响，在这些条件下，根据（3-16）表达式如下： （3-17）式中 基本额定动载荷，N。本次选用轴承型号为lm8uu，查机械设计手册表6-17取12； 硬度指数，取1； 温度系数，取1； 接触系数，此次设计一根轴上两个轴承，取0.81； 载荷系数，此次设计无外部冲击且速度较低，取1 ；根据公式3-17得：综上所述，此款直线轴承符合要求。 3.7 挤出机的挤出力校核 已知42步进电机的参数如表3-1所示。 挤出机在低速工作时，步进电机的力矩接近静转矩，此步进电机的为0.48。且啮合齿轮分别为47齿和9齿，模数为1.5，两个齿轮啮合时的力是一样的，所以有以下等式： （3-18）式中 两个齿轮啮合时的力，N； 电机最大挤出力，N；根据公式（3-18）得：=35.56N，=397.88N所以步进电机允许的最大挤出力为397.88N。而挤出机工作时，耗材是由两个挤出轮夹紧的，电机带动的挤出轮为驱动力，另一个为阻力，且耗材是由弹簧压着的，弹簧的线径d=1mm，中径，有效圈，长度L=20mm的不锈钢系数为8的弹簧，查表可知弹簧的K=0.38kgf/mm。测试得当打印机以最快速度运行时需要弹簧的最大压缩量，且是四根弹黄一起压着耗材，所以此时的正压力,由于耗材的强度不是很大，电机带动的挤出轮有许多尖点，在149.122N 的力作用下一把部分耗材压入到挤出轮的齿下，这样就可以近似默认此时的摩擦系数，另一个挤出轮为轴承，表面很光滑，就可以近似认为此时的摩擦系数，因此： 可知打印机所需的最大挤出力为149.122 N。而步进电机提供的的最大挤出力为397.88 N 。 149.122N 397.88N 所以选用的步进电机符合要求。3.8 联轴器的选择与分类3.8.1 联轴器的分类按照联轴器的性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。（1）无弹性元件的挠性联轴器：这类联轴器因具有挠性，故可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减振。如：凌斯十字滑块联轴器，十字轴式万向联轴器，齿形联轴器等（2）有弹性元件的挠性联轴器：这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振的能力。弹性元件所能储蓄的能量越多，则联轴器的缓冲能力愈强；弹性元件的弹性滞后性能与弹性变形时零件间的摩擦功愈大、则联轴器的减振能力愈好。这类联轴器目前应用很广，品种亦愈来愈多。如：滚子链联轴器，弹性套柱销连轴器，梅花形弹性联轴器，轮胎型弹性联轴器，膜片式联轴器等。3.8.2 联轴器的选择在选择标准联轴器时应该根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸震以及装拆、维修更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可以考虑以下几点：（1）原动机和工作机的机械特性；（2）联轴器联接的轴系及其运转情况；（3）工作机的转速高低；（4）联轴器的对中和对中保持程度，保持良好的对中是使运转正常的前提，防止产（5）生过大附加载荷及其他不良工况；（6）联轴器的结构及工作特性；（7）联轴器的制造、安装和维护成本；（8）联轴器的可靠性、使用寿命和工作环境。本次设计Z方向采用联轴器将丝杠与电机转轴联接，在选用标准联轴器或已有推荐的系列尺寸的联轴器型号时，一般都是以联轴器所需传递的计算转矩小于所选联轴器的许用转矩或标准联轴器的公称转矩为原则。由于传动轴载荷变化性质不同以及联轴器本身的结构特点和性能不同，联轴器实际传递的转矩不等于传动轴系理论上需传递的转矩T,通常 （3-19）式中： T理论转矩，在有制动器的传动系统当制动器的理论转矩大于动力机的理论转矩时，应按照前者计算联轴器，；驱动功率，kW；转速，r/min；工作情况系数； 动力机系数；启动系数；温度系数；根据Z方向传递的功率：转速n=531r/min，K查机械设计手册表22.1-1取1.25，查机械设计手册取1，根据启动次数取1，根据环境温度一般取1，根据公式（3-19）得： 本次设计选用的型号是LR-D-1925绕线联轴器，联轴器两次孔径都为5mm，此款联轴器的额定扭矩为0.6，则有 所以此款绕线联轴器符合要求。 3.9 环境保护和可持续发展方面的思考3.9.1 本次设计对环境的影响本次设计的3D打印机耗材为pla,3D打印机为增材制造，相对于传统的机械加工方法，减少了材料的浪费；传动所需要的力来自于步进电机，为步进电机提供能源的为电源，对环境没有污染,并且打印原材料可以再生，但是3D打印机打印产品要比注塑机需要的电能更多，并且生产周期比较长。3.9.2 可持续发展方面的思考3D打印机制造方式与传统的制造方法完全不同，传统的制造方式为减材制造，造成了许多的浪费，3D打印耗材为pla，是一种可再生可降解的资源，并且现在3D打印原材料可以换成水泥，用于建造房屋，对环境污染微乎其微，并且在生活中得到了许多应用，例如现在常见的3D打印衣服，3D照相馆，3D煎饼机等等，为我们的生活提供了便利，符合可持续发展的观点。第4章 产品使用与维护4.1 3D打印机的基本调试在机器安装正确，固件参数上传完毕之后，就到了机器的调试的环节，机器调试的好坏对之后的打印机的打印精度、打印速度、表面质量等都有很大的影响，是机器后期处理很重要的一个环节。4.1.1 打印平台的基本调试打印平台的基本调试是指机械部分稳定结构的调试，包括框架和传动部分的调试。3D打印机组装完毕后，第一步是检查框架，观察各个部分螺钉有无松动或者拧没拧紧，然后慢慢移动打印头，避免电机移动产生反向电流冲击电路，然后依次滑动X、Y、Z三轴看是否有卡顿现象，如果出现这种情况，可以用游标卡尺测量两导轨之间的距离，再调整令一侧，使两导轨保持平行，直至X、Y、Z三个方向移动平滑。3D打印机X、Y、Z三个运动方向需要保证互相垂直，此校准可以提高3D打印机的整体精度。4.1.2 限位开关的调试3D打印机X、Y、Z轴通过触发限位开关来记录起点的位置，限位开关的位置直接决定各轴的归位点，固定好各个轴的限位开关，在软件中设置好每个方向的行程，Y轴限位开关设置在打印喷头落在平台前面，Z轴限位开关位置不能过低，否则会压坏打印平台；安装过高又会导致材料不沾加热床，因此Z轴限位开关要选择一个合适的位置。4.1.3 工作台的调平工作台设计为光杆支撑结构，由于工作台的自身重量和安装时的误差，工作台需要重新调平，在这之前为保证自身的平行度和打印实物的拆卸容易度，在加热板上加上了玻璃，为防止在机器打印时玻璃滑动，用夹子夹住玻璃和加热板，然后再进行工作台的调平，上一步进行完成后，控制Z轴为水平参考平面不动，分别移动喷头到工作平台的四个角，松动螺母，使工作台缓缓上升，当工作台与喷头之间的距离可以使A4纸恰好在之间自由滑动重复此操作，直到工作台的每一点的距离都为一张A4纸的厚度。4.1.4 平台移动距离的校准X、Y、Z、E四轴运动的单位距离都是根据所使用的部件实际计算的，因此认为手动计算可能会存在误差。X、Y轴可以使用标有刻度的表格简单地校准实际的移动距离，Z轴和E轴可以使用卡尺测量移动前后的距离。4.2 3D打印机的使用方法（1）三维软件创建三维模型；（2）将用三维软件创建的三维模型文件，以stl格式导出；（3）将导出的文件拽入切片软件中，导出G代码文本文档，存入U盘；（4）将G代码文件导入3D打印机内存卡中；（5）3D打印机开机，预热，送丝；（6）旋转3D打印机的按钮，选择SD卡选项，选择打印的文件名，点击确认，加工；（7）加工完毕，关机。4.3 3D打印机的维护4.3.1 每天预防性维护（1）每次完成制作后，清理打印平台，及引导螺杆的所有积料。如果不这样做，可能会导致打印平台未处于水平状态，或者打印平台在其上限处卡住。（2）检查打印喷嘴，每次完成制作后，应检查打印喷嘴，以确保无积料，请清洁打印喷嘴部件。打印喷嘴部件上的积料可能会导致零件质量问题。（3）用小型吸尘器打扫打印制作内室，以吸走所有残积料和所有挤出的材料。（4）请勿在打印平台上使用含氨的玻璃清洁剂，否则会损害打印平台。仅可使用乙醇清洁剂。4.3.2 长久维护方法每隔大约500小时就应清洁打印喷嘴部件，具体操作如下：（1）完全切断打印机的电源。（2）松开加热头坚固螺丝。（3）使用套筒旋下打印喷嘴，取出导管。（4）用钻头旋转清洁打印喷嘴里面的积料，用针捅开喷嘴处的积料。（5）从附件的套件中取出新的导管，切下合适的距离，装在原来位置上，进行调试。（6）用套筒固紧打印喷嘴。在运行时间超过2000小时后，打印喷头可能会磨损，这可能会对模型的表面光滑度和细节产生负面影响。维护的操作步骤与“500小时维护”一样更换新的导管，并将旧的打印喷嘴报废，更换为套件中的新打印喷嘴。第5章 毕业设计特色专题5.1 非标准件的设计5.1.1 Z方向左侧升降平台设计此部分移动平台主要作用是作为Z方向上下移动的介质，后面部分通过四个螺栓螺母与步进电机相连接，将步进电机固定于此设计件之上，使X方向具有稳定的传动动力，水平方向设有两个通孔，与X方向两光杆连接，此设计件与丝杠螺母通过螺钉螺母相连接，右侧设有一通孔，里面放有两个直线轴承，丝杠螺母和直线轴承与丝杠和光杆相连接，通过步进电机的正转与反转来实现此部分的上下移动。建模流程第一步建立总体框架草图，做60.2mm高的凸台1，第二步在侧面建立草图，做直到最后的凹槽，第三步在上表面建立草图，做60.2mm的凹槽，最后在正面做草绘，做直到最后的凹槽，此部分三维建模如图5-1： 图5-1 Z方向左侧升降平台三维图5.1.2 Z方向右侧升降平台设计 此部分与左侧升降平台工作原理大致相同，只是少了一个步进电机固定部分，水平方向设有两个通孔，与X方向两光杆连接，此设计件与丝杠螺母通过螺钉螺母相连接，右侧设有一通孔，里面放有两个直线轴承，丝杠螺母和直线轴承与丝杠和光杆相连接，右侧升降平台与左侧升降平台通过步进电机的同步正转与反转来实现Z轴方向的上下移动。建模流程如下第一步建立总体草绘，做高60.2mm的凸台，第二步做两个对称的凸台，第三部在侧面建立三个直到最后的凹槽，最后一步在顶面做直到最后的凹槽此部分三维建模如图5-2： 图5-2 Z方向右侧三维图5.1.3 滑块的设计 此滑块作用是带动打印平台在Y方向前后移动，此移动平台通过螺钉螺母与打印平台相连接，直线轴承放于下部通孔中，与光杆导轨相连接，来实现Y方向的移动。建模流程先做总体凸台，第二步做两个3mm圆凹槽，三维建模如图5-3： 图5-3 滑块三维图5.1.4 Y方向连接器的设计 此部分设计主要用于连接同步带带动Y方向打印平台的前后移动，上部分设有两圆柱孔，通过螺钉螺母与打印平台相连接，底下设有一凹槽与同步带相连接，通过扎带将同步带固定于此部分上，来保证同步带与此部分无相对运动，从而实现Y方向的运动。建模流程先做一个长方体的凸台，第二步在凸台的两个侧面做两个半圆凸台，最后在两个半圆凸台上做两个圆凹槽，此部分三维建模如下：图5-4 Y方向连接器三维图5.1.5 X方向连接器的设计 此部分设计主要用于连接同步带带动X方向喷头的左右移动，两圆柱通孔内放两个直线轴承，与两光杆相连接，中间两圆柱孔通过螺栓螺母与打印喷头部分相连接，固定打印喷头，中间两突出部分通过扎带与同步带相连接，使同步带与此部分不发生相对移动，从而实现X方向的进给，建模流程先做长方体凸台，之后在长方体凸台建立两个小长方体凸台，之后在上表面做两个圆柱凸台，最后在底面做连个3mm圆凹槽，此部分三维建模如图5-5：5.1.6 打印喷头固定架的设计此部分设计主要用于固定打印喷头，通过两块相同的固定架相连接将打印喷头固定于两块板中间，侧后方设有一圆柱孔，通过螺栓螺母与X向连接器相连接，使打印喷头固定架与X方向连接器无相对运动，从而实现打印喷头与X向连接器的同步运动。三维建模首图5-5 X方向连接器三维图先一个长方体凸台，之后在其表面做一个半圆凹槽，接下来在其下面做两个长方体凸台，最后在其后面做高3mm凸台三维建模如图5-6：图5-6 打印喷头固定架三维图5.1.7 Y向电机固定架的设计此部分设计主要用于固定Y向传动的步进电机，后面设有两个8mm圆通孔与8mm丝杠相连接，两方通过螺母相连接，上方设有两个3mm通孔，通过螺栓和螺母将步进电机固定于固定架上，从而实现电机的固定，三维建模做整体草绘，之后做高10mm凸台，三维建模如图5-7：图5-7 Y向电机固定架三维图5.1.8 Y方向轴承固定架的设计此部分设计主要用于固定轴承，两侧设有一个8mm通孔和一个3mm通孔，分别和8mm丝杠和3mm光杆相连接，中间设有一凹槽放置轴承，两边通过两个8mm螺母将此固定于丝杠中间，三维建模做一个长方体凸台，然后分别在各个面做凹槽，三维建模如图5-8：图5-8 Y方向轴承固定架三维图5.1.9 支撑座的设计此部分设计主要用于固定连接底部的框架结构，侧方设有两个8mm通孔，连接两8mm丝杠，同时通过两个8mm螺母在两端固定，正面也设有一个8mm通孔和一个8mm的圆凹槽，8mm的通孔与丝杠相连接，上面的圆凹槽与8mm光杆相连接，三维建模先做一个长方体凸台，之后在各个面做凹槽，三维建模如图5-9：图5-9 支撑座三维图5.1.10 亚克力板框架设计此部分设计为总体框架，其余各部分都要在此部分安装，三维建模如图5-10：图5-10 亚克力板框架三维图5.1.11 电机支架的设计此部分设计主要用于固定42步进电机并且与总框架部分相连接，上方右侧设有一8mm圆孔，与光杆相连接，中心一大通孔主要作用是把电机转动部分露出来，三维建模如图5-10所示：图5-11 电机支架三维图5.2 总体结构的设计5.2.1 总装配图图5-12 总装配三维图5.2.2 传动原理（1）升降装置：两个步进电机同步旋转通过丝杠传动实现Z方向上下运动。（2）X方向移动：在X方向上任一支撑端通过步进电机带动同步带传动，同步带带动直线轴承的移动实现X方向上的运动。（3）Y方向移动：工作台的移动或者X轴在Y方向上的移动，Y方向上步进电机可固定于X方向上也可固定于Y方向上，步进电机通过同步带带动工作台运动实现Y方向上的运动。结 论此次设计了一款龙门式3D打印机，X轴和Y轴的传动方式采用同步带方式传动，该结构可以实现高精度快速打印；设计中采用了喉管喷头一体化设计，解决了耗材泄露和打印高温耗材的问题；选用PLA作为本机的使用耗材，其绿色环保，能满足办公室环境的基本使用需求；说明书对步进电机、同步带、滚珠丝杠、X轴和Y轴光杆强度、挤出机挤出力分别进行校核，通过计算，结果满足要求。3D打印机为增材制造，相对于传统的机械加工方法，减少了材料的浪费；传动所需要的力来自于步进电机，为
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