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层积型快速原型制造装置机械结构设计-3D打印机【全套含9张CAD图纸】
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国际教育学院本科生毕业设计（论文）设计（论文）题目：层积型快速原型制造装置机械结构设计学生姓名： 冯绮学 号： 1622421606班 级： 机制1646专 业：机械设计制造及其自动化指导教师： 钟月曦摘 要本设计内容详细的说明了快速原型制造的发展历程与背景，也写明了本设计的意义何在。通过对比其他的生产方式，确定了设计主要侧重的点。阐述了FDM系统的存在问题及前景优势，另外对FDM系统与原理进行了叙述。3D打印机，是一种可以实现立体三维打印的设备，本次设计主要对市场应用广泛的FDM型3D打印机进行设计。首先了解关于FDM层积型3D打印机的相关资料，对其功能原理和结构进行了解。然后确定本次设计的总体方案。确定主要参数和尺寸，然后进行总体结构设计，包括XYZ移动机构设计，包括驱动选型传动计算和校核等。然后对结构零部件件进行详细设计。绘制总体装配图，编写设计说明书记录设计过程。关键词：3D打印机，结构设计，直线滑台，传动设计，丝杠传动AbstractThis paper provides an overview of rapid prototyping and manufacturing of domestic and international developments and their mode of production relative to other features of the comparison, and described the problems of FDM system， and described prospects of advantage and the principle of the FDM system 3D printer is a kind of equipment that can realize 3D printing. This design mainly designs FDM 3D printer which is widely used in the market. First of all, understand the relevant information about FDM laminated 3D printer, and understand its functional principle and structure. Then determine the overall plan of this design. Determine the main parameters and dimensions, and then carry out the overall structure design, including the design of XYZ mobile mechanism, including drive selection, transmission calculation and verification. Then the detailed design of structural parts and components is carried out. Draw the general assembly drawing and write the design specification to record the design process.Key words:3D printer, structure design, linear slide, drive design, lead screw drive目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1 选题背景和意义11.2 快速原型制造技术的原理11.3 快速原型制造技术的特征21.4 国内外研究现状21.4.1 国外发展现状21.4.2 国内发展现状31.5本文的研究内容4第二章 打印机总体方案设计52.1设计主要内容52.2 打印机总体方案设计62.3 结构解释7第三章 打印机横向纵向移动机构设计93.1 总体方案设计93.1.1 进给要求93.1.2 滑台方案设计93.2 步进电机的选择103.2.3 技术参数及型号如下113.3 同步带传动的计算与选型113.3.1 同步带传动的特点113.3.2 同步带的主要材料133.3.3 同步带轮的主要类型133.3.4 同步带传动的设计计算133.4 导轨选型设计163.4.1 导轨概述163.4.2 导轨分类163.4.3 导轨选型与长度计算16第4章 Z轴升降机构设计194.1 总体方案设计194.1.1 进给要求194.1.2 进给方案设计194.2 步进电机选择194.2.1 电动机轴负载计算194.2.2 步进电机的负载能力校验204.2.3 技术参数及型号如下214.3 滚珠丝杠设计214.3.1 滚珠丝杠副概述214.3.2 滚珠丝杠副计算224.5 联轴器设计244.5.1 联轴器的选型244.4.2 转矩校核26第五章 设计总结27参考文献28致 谢30 VI1绪论1.1 选题背景和意义随着时代的进步，各种技术也在逐渐的改革以及发展。快速成型技术就是从90年代初崛起的。这种技术是为了适应企业的发展，减少人力、物力、资源的消耗而开发的。它能提高产品的质量产品的生产时间，对推动国家的经济科技发展有着良好的作用。它所涵盖的方面也很广，所以这种技术也被大多数国家所应用。随着科技的进步，技术的发展，各个企业为了能适应这个时代的改变，也在努力的改革进步之中，制造商希望自己的产品精度、质量有所提高，产品受到大家喜爱。在这个前提下，虽然他们努力的提高自己的技术科技，但是有时技术部门总会遇到一些问题，例如机器设备在长时间或者年久时会磨损、损坏，而且机器的维修部件种类极其庞大，维修部件买少了，有些故障无法解决，买多了，经济成本等问题也会浮现出来，这些一系列问题都会导致企业的发展遭到限制，资金库不足，产品质量不好，从而恶性循环导致企业倒闭。所以国家、企业为了解决这类问题，推出了快速成型技术，采用快速成型技术快速的，高效的以及用成本很低的方式来解决维修，更换设备等问题。随着这种应用技术的不断发展完善，维修等方面问题也就迎刃而解。所以本课题就快速原型设备机械结构的研究是十分有意义。1.2 快速原型制造技术的原理快速原型制造技术简称RPM技术，它主要的原理是要将产品的三维模型通过电脑按一定的规格进行离散处理后，将数据按照规格逐次算进预算好的设备中，再以二维的形式进行加工，逐渐堆积成为有序的产品模型。RPM技术的细节操作是:运用了平面二维软件，逐次设计，而后层层堆积，最终堆积成为了三维零件实体。一般在堆积的时候，它主要运用的方式有粘连，火烧融合以及运用化学等层面，使它们反应相连。本技术变成最终需要的实体零件与其他传统的工艺不相同，一般传统工艺可能会使用蛮力压迫等方式使零件成型，但本技术则采用了高温，光能，电能等方式，用得最多的就是激光加工的方式完成堆积工作。成品的一系列过程是通过一点点堆积使体积不断增大，叠加随之完成。堆积后原型的刚度既和它本身的材料有关，也与在中间所施加的力量能量有关，想要使工件达到我们所需要的标准，中间的控制能量的进给量是比较关键的，在加工之前，我们需要预算能量加到多少足够，要有控制进给能量区间的计算，从材料方面、能量分布情况等都要考虑充分，才能准确的将我们所需要的工件无差别使用。 1.3 快速原型制造技术的特征从以上RPM技术的原理来看，它具有以下几点特征：适用于不规则形状、复杂的三维实体；它是一种环保型的制造技术，下脚料的需求量极少；解决了CAD中三维模型的诸多问题，实现了制造、设计高度一体化；柔性极高，生成不同形状的零件只需更改CAD模型即可；制成成品的过程中不需要特殊的模具和工装夹具；新产品的制作世界大大缩短，技术拥有高度的集成性，是一种极具技术特征的数字化技术。1.4 国内外研究现状1.4.1 国外发展现状现今，立体光固化成型法、熔融沉积成型法、LOM以及3DP等工艺在一代代人的探索过程中都相对更加完善。当今世界飞速发展的制造技术之一是快速原型技术，截至到现在一直处在发展繁荣阶段，制造技术与快速原型技术受到青睐的原因，主要是它可以非常迅速的将人类设计思想的产品转化为拥有一定构造和作用的三维实体，使产品原型包括零件生产都大大降低了成本，对如今日益激烈的竞争市场以及新产品的快速开发都实现了大大满足4。由于迅速发展的快速原型技术，RPM技术的研究机构在世界上也越来越多，据大数据统计，在1996年开展RPM技术研究的仅有230多家机构，目前在互联网研究以及开发RPM技术的有数百家研究机构、企业和大学。美国在这一领域一直处于领先地位，各种不同的工艺大多都最先出现在美国。日本仅此于美国，光固化树脂成型技术是他们主要研究方向。同时许多厂家和机构在欧洲也开展了各种快速原型技术的研究。 图1-1国外最新3d打印机F1201.4.2 国内发展现状加工的制品是由材料进行路径堆积所形成的。3D熔融成型打印机主要是保证打印机的质量的关键。现国内应用最广泛的3D打印机技术是FDM熔融层积成型技术，其制造成品和材料的成本都是很低的。在计算机的精准控制下，截面轮廓的信息对各种规格化直径的线条通过加热和熔化而成型，材料部件经过熔化后主要包括了两个功能，一是通过加热后，送出去的丝熔化成为了熔融状态，从而通过喷头将其挤出，再另外一个功能就是按要求达到送出去的丝的精度。为保证送丝量的准确性，一般选择步进马达进行驱动。在90年代的初期我国开始了这方面的研究，最早在1992年清华大学首次开始进行RP技术的研究内容。在设备、软件、材料以及工艺方法等等方面南京航天大学、清华大学、北京隆源自动成型系统有限公司等都做了大量的开发、研究工作，已经达到或者接近商品化机器层度的RP设备已经被有关单位开发了出来。同时开展材料、工艺和应用方面的RP研究工作的科研机构分别有大连理工大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等高校。两次陆续召开的全国性学术会议，RP专题在多次学术会议的制造及自动化领域都有所涉及，这充分说明在国内人们所关注的热点技术已经上升到了RP技术，RP技术也被国家自然科学基金会作为重点资助的先进制造技术。1998年七月，清华大学成功召开了有关RP技术的权威机构的国际学术会议，这汇集了世界上大多数的权威机构，这说明中国的RP技术水平已经被国际承认，这也成为了RP技术研究在国内迈上了一个新台阶的标志。图1-2广东峰华卓立科技股份有限公司智能砂型3D打印机1.5本文的研究内容 随着时代的发展，科技的进步，3D智能打印机的技术也在不断提升，它不仅在生活中甚至在医学，制造上都有着至关重要的作用，所以本次的研究内容就是以FDM技术为核心的3D打印机。第一点我们要知道关于这中打印机的外部形状，内部结构以及它具体的功能先入手。然后确定本次设计的总体方案。确定主要参数和尺寸，然后进行总体结构设计，包括XYZ移动机构设计，包括驱动选型传动计算和校核等。现今国内应用最广泛的3D打印机技术是FDM熔融层积成型技术，因为这种类型打印机产出的废料很少，比较环保。能减少运输制造新产品的时间，省时省力。在加工过程中，只需控制能量的进给就可以设计出各式各样的零件，工件。FDM快速成型技术,采用此类技术之一快速的，高效以及用成本很低的方式来解决维修，更换设备等问题。这是促进社会、人类文明的一种技术，所以我想借此次机会研究它，使我国在快速成型技术中占有较为先进的领导地位，为我国成为制造强国贡献微薄之力。本文整体结构如图1-3所示。 图1-3论文整体结构第二章 打印机总体方案设计2.1设计主要内容现在市场上对FDM型3D打印机的需求量比较大，所以本设计主要针对这种类型的打印机。首先了解关于这种打印机的外部形状，内部结构以及它具体的功能，其次确定本次设计的总体方案，再根据主要参数和尺寸，进行总体结构设计，包括XYZ移动机构设计、驱动选型传动计算和校核等。最后对结构零部件进行详细设计，绘制总体装配图，编写设计说明书记录整个设计过程及结果等。查找相关的资料：按照不同的设计时间段，去收集和查找相关设计的材料，前期主要用一周时间左右去查找资料，通过书籍，期刊，相关论文等都是可以的。做好前期的熟悉课题等工作，再进行下一步的工作。 设计方案的确定：包括外形尺寸、动力系统、工作系统、整体的结构设计等。构思设计方案，画出初步结构简图。要熟练了解以及使用相关二维软件，三维软件，如Auto CAD,Catia等。全部计算工作以及设计的工作都要在电脑上说明，电脑完成图纸等。要根据要求完成装配图，部装图，零件图绘制，还有相关计算写在说明书上。2.2 打印机总体方案设计熔融层积成型3D打印机技术。它主要是通过电脑的操作，按照计算机给出的指令将各式各样比较标准的材料来供热使其融化成理想的模样的过程，将加工后的东西使其层层标准堆积变成了最后的成品。这种打印机的机头是最终成品质量保证最为关键的一部分，它主要有两种效用，第一种是根据我们所需要的去保证送丝的精度，第二种是使用进给热量，将丝熔化成熔融的状态。最终在喷头处将丝喷出。驱动一般采用步进电机，以保证准确的送丝量。图2-1打印机结构示意图（1）送丝机构在驱动齿轮上，材料被轴承紧紧压住将料丝压在了它的上面，驱动部分使电机开始工作，齿轮使传送带进行进给材料，给出的数量也可以经过控制电机来控制。（2）挤出头通过步进电机送出材料到输送管之中。因为供热工件发挥了它的功能，所以材料在输送管中先进行固态半液化，然后这部分材料到了头部则变成了液态，也就是熔融态。材料继续进给，变成了熔融态的材料也从顶部的小口里变成了熔丝。挤出头的材料通常是黄铜材质，料口的直径一般是零点五毫米、零点四毫米、零点三五毫米。如果直径偏大的话，加工后的物体的精度达不到我们所需要的要求。反之，会比较容易发生工作速度赶不上进给速度，材料产生拥堵。为了使熔丝熔化，我们就需要使用加热块以及加热器。控制器运行着温度把控的工作，感温线起到观测的作用，两者相互辅佐。料管的材料刚度一定要足够，它的表面也不能容易产生摩擦。我们也需要用特氟龙管来阻断进丝部分与挤出头的热传导事宜。整体结构设计方案示意图如图所示，机构包含三向运动机构和送丝机构，打印头架体组成。图2-2整体结构示意图具体包括1.架体；2.Z轴升降机构；3.X轴移动机构；4.打印头；5.送丝机构；6.Y轴移动机构；7.工作台。本结构是由输出结构，运动结构，传送结构，加热结构以及加工平面等部分构成。它主要是通过电脑的控制，输出部分按照加工需要以及所给出的信息在加工面进行输出加工。运动结构部分也就是供丝部分把材料输入进喷头中，经过一系列变化，最终将熔融状态的材料输出出来，当材料厚度足够时，工作台下移，继续下一轮加工，直到总成品完成，工作结束。2.3 打印机结构设计（1）Z轴升降机构 3D打印机Z轴升降机构,其包括电机、传动杆、联轴器，位于传动杆上的工作平台装置、穿过工作平台装置的导杆、固定并夹紧导杆底部的固定块、固定传动杆另一端的带座轴承、承载带座轴承且固定在导杆上的盖板电机在驱动工作平台装置上升或者下降过程中,滚珠丝杠发生弯曲或者上端偏斜,使得工作平台装置升降更顺畅、平稳。本设计的构成部分有升降进给系统。它是根据输入机构，导向机构，操作机构等构成。（2） X/Y轴移动机构X/Y行走机构由封闭同步带带动滑块运动，封闭同步带的尺寸规格决定了3D打印机打印零件的大小，横移机构主要驱动打印头横向移动，通过电机驱动主从动同步带转动，带动同步带夹头固定在打印头上移动，通过圆导轨直线导向。纵移机构主要驱动工作台纵向移动，通过电机驱动主从动同步带转动，带动同步带夹头固定在工作台上移动，通过圆导轨直线导向。横移机主要包括1.驱动电机；2.主动轮；3.升降固定架，4.拖链，5.圆导轨，6.打印机头7.滑块，8.从动轮，9.升降固定架见图3-1纵移机主要包括1.驱动电机；2.主动轮；3.同步带，4.圆导轨，5.从动轮，6.架体见图3-2。（3） 打印头通过马达输给的材料到输送管之中。因为供热工件发挥了它的功能，所以材料在输送管中先进行固态半液化，然后这部分材料到了头部则变成了液态，也就是熔融态。材料继续进给，变成了熔融态的材料也从顶部的小口里变成了熔丝，我们也需要用特氟龙管来阻断进丝部分与打印头的热传导事宜。（4） 导轨有些时候我们需要的工件加工精度达不到我们所需要的要求，有很多种原因，其中摩擦力就是引起精度要求不够的很主要的原因，为了减少其摩擦力，就出现了导轨，它主要是由金属或其他材料所制成的槽或者连接两结构的“桥梁”。它是一种导向装置，是运动部件以及支撑部件构成。它能确保工作进行过程中顺利以及成品精度等。所以导轨的刚度、选材等必须严谨。（5） 滚珠丝杠滚珠丝杠的作用在本设计中也是必不可少的，它能使各种蜿蜒运动变成直线运动。也能使直线运动变成其他的运动，所以我们在操作的时候，可以进行很多的来回操作，也能保证工作的顺利进行。它主要的构成为，螺母，螺杆以及滚珠等构成。滚珠丝杠主要的作用能使旋转运动变为直线运动，它的作用得到了更好的体现以及完善。滚珠丝杠的摩擦力很小，所以它被大量使用于很多种机械设备的内部构成，如，雕刻机，打印机等等。（6） 联轴器 联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。第三章 打印机横向纵向移动机构设计3.1 总体方案设计3.1.1 进给要求传动系统，执行元件，导向机构等一起构成了整个机器的进给部分。要想完成整个工作的一系列过程，输送，执行等等部分，是一定不能缺少的。最后加工出的成品的精度，形状也和进给系统的精确度，结构的保持性存在关联。进给部分是比较重要的，他控制了加工成品的质量，所以这个部分一定要注意。本设计快进速度是1000mm/min,脉冲当量是0.001mm，横移机构行程：200mm。纵移机构行程100mm。自重加工工作压力最大载荷设定为50kg。3.1.2 滑台方案设计进给直线滑台运动采用步进电机驱动同步带轮传动；驱动电机为反应式步进电动机；它的单项驱动系统结构简图在 3-1 所示。它的工作原理为步进电机驱动主动同步轮1转动通过同步带带动从动轮6同步转动。在同步带和移动工作台之间有连接块，通过同步带的直线运动带动工作台的联动运动，直线运动通过直线导轨2和滑块4导向，当工作台5运动到极限位置，工作台两端安装有限位挡板7。整个机构安装在底板3上，底板3四角有四根支腿8安装在整体机构上。横移机构主要驱动打印头横向移动，通过电机驱动主从动同步带转动，带动同步带夹头固定在打印头上移动，通过圆导轨直线导向。图3-1横移机构总图1.驱动电机；2.主动轮；3.升降固定架，4.拖链，5.圆导轨，6.打印机头7.滑块，8.从动轮，9.升降固定架纵移机构主要驱动工作台纵向移动，通过电机驱动主从动同步带转动，带动同步带夹头固定在工作台上移动，通过圆导轨直线导向。图3-2纵移机构总图1.驱动电机；2.主动轮；3.同步带，4.圆导轨，5.从动轮，6.架体3.2 步进电机的选择电机的要求为工作台的质量m为五十千克，导轨摩擦系数应为零点一, 则最大轴向力 （3-1）初步设定带轮直径d=12mm，则工作转矩（3-2）设定传动比，则电机输入扭矩 （3-3）根据控制要求和制作成本考虑，同样选用42步进电机，型号为UI2442-40-1704A。动力参数如下图所示：图3-3动力参数图电机尺寸如下图所示：图3-4电机尺寸图3.2.3 技术参数及型号如下由于Ts=0.36N.m0.3N.m 所以步进电动机能正常启动，满足要求。3.3 同步带传动的计算与选型3.3.1 同步带传动的特点本传动方式也是一种我们常见的啮合型传动，传动带和它的齿轮之间没有相对应的滑动。所以导致主动轮以及从动轮之间构成了相对应的同步传动。这种传动点是根据小带轮，大带轮以及同步带的齿轮间的啮合连接而成，以下为几种常用的机械传动性能比较如下表3-5。表3-5几种常用的机械传动性能比较性能同步带三角带平皮带链条齿轮同步带具有本性能的原因传动稳定好差差好好齿带与轮啮合传动，中心骨架保证节距不变，传动基本上不依靠摩擦速比范围大大中大中允许线速度高中中低中轻质、带薄、柔韧性好、抗拉强度高传动噪声小小小大中传动接触为橡胶与金属性能同步带三角带平皮带链条齿轮同步带具有本性能的原因传递功率中中中中大受橡胶及中心骨架层强度的限制性能同步带三角带平皮带链条齿轮同步带具有本性能的原因低速时转矩大，不需润滑好好好差差传动接触为橡胶与金属寿命长长长中长耐磨损由上述比较可以看出同步带传动具有如下明显的特点：传动带的传动比较精准细腻，加工时带没有相对滑动，可以保证加工精度；结构紧凑，耐磨性好，适宜于多根轴传动，传动平稳，无污染；同步带薄而且轻，可用于速度较高的场合而且噪声小；当然，同步带也存在着不可避免的缺点：对同步带的材质要求比较高，对它的精度也需要严格保证；对同步带的中心距要求也是比较高的；因为同步带的材料要求高，所以成本方面也是一个问题；3.3.2 同步带的主要材料1.同步带的材料一般是齿轮组，耐屈伸绳以及橡胶等材料构成了同步带。当然有些时候在特殊工作环境下它的材料也是不同的，我们通常在标准环境下选用的都是氯丁二烯橡胶，因为它比较耐老化，气密性好，耐氧等种种优点。3.3.3 同步带轮的主要类型1.同步带轮的材料轮的材料选择要求也是比较严格的，能很好的啮合，不易磨损，传导性好等优点都是最优选择，它通常是由工程塑料，铝合金，灰铸铁，钢等构成。 2.同步带轮的主要类型同步带轮与同步带是配合使用来完成动力和运动的传递，根据同步带的相关分类，同步带轮主要有如下几种。按带轮的齿形分，有渐开线齿形和直边齿形两种。按带轮上挡圈的类型分，有双边挡圈型，单边挡圈型和无挡圈型三种。3.3.4 同步带传动的设计计算根据前面选的步进电动机可知电机额定功率 （3-4）额定转速 （3-5）传动比i=11.确定同步带传动的设计功率： （3-6）式中：-载荷修正系数，或者是工况系数这里取1.6，由公式（3-6）得2.选定带型和节距根据同步带传动的设计功率和主动带轮转速，综合整体结构尺寸，选取3M型圆弧齿同步带。3.选择小带轮齿数同步带传动中小带轮的最少许用齿数可按下表3-6选用表3-6同步带传动中小带轮的最少许用齿数小带轮转速/（）带型MXLXXLXLLHXHXXH3M5M9001010101214181812129001200121210121624241212，结合工作机构安装和尺寸要求故取4.确定小带轮节圆直径 （3-7）查带轮外圆直径尺寸系列表得5.确定大带轮齿数，由于要求同步带和运动方向平行，所以传动比i=1。（3-8）式中：i-传动比6.确定大带轮节圆直径 (3-9）查带轮外圆直径尺寸系列表得7.确定带速v （3-10）一般来说M型同步带的，故满足要求。8.初定轴间距根据行程测试要求取=375mm9.确定带长以及带齿数z=792mm （3-11）选取代号的M型同步带，标准节线长，齿数z=25010.计算实际轴间距 （3-12）11.计算小带轮啮合齿数 （3-13）12.计算基本额定功率（3-14）由于=0.3N，m=0.096得13.确定带宽 （3-15）时，取为1式中：-啮合齿数系数；-同步带宽度的标准值，一般应小于。；得14.计算作用在轴上的力 （3-16）3.4 导轨选型设计3.4.1 导轨概述有些时候我们需要的工件加工精度达不到我们所需要的要求，有很多种原因，其中摩擦力就是引起精度要求不够的很主要的原因，为了减少其摩擦力，就出现了导轨，它主要是由金属或其他材料所制成的槽或者连接两结构的“桥梁”。它是一种导向装置，是运动部件以及支撑部件构成。它能确保工作进行过程中顺利以及成品精度等。所以导轨的刚度必须足够，选材必须严谨。3.4.2 导轨分类 导轨分为两种，一种为滑动导轨，另一种是滚动导轨。滑动导轨通过滑动来进行运动，可以看出，它的滑动摩擦力将大于由滚动引导件的运动产生的滚动摩擦力，并且能量损失将不可避免地增加。因此，我选用的是直线的滚动导轨。直线滚动导轨损耗少可以较长时间保持精度，同时可以承受各个方向的负荷，它又适用于高速运动需要的驱动马力，并且构造简单，组装简易。3.4.3 导轨选型与长度计算本设计取用了滚动直线导轨副，该导轨在平时的工作环境应该是温度适中，结构材料性能好，环境原因对它的影响很小。它能保证很好的精度要求，磨损度很小，结构比较简单易懂。该导轨定位精度也是能满足要求的，滚动摩擦系数很小，尤其是在它进行少量的进给工作时，也能精准的把握好精度位置等等。这个导轨在价格方面也是比较便宜的，不仅刚度足够，而且能保证精度，也能大量的节省所消耗的时间等，减少了人力，物力的消耗。以下介绍为不同类型的几种导轨三角导轨：此类导轨对精度的要求很高。工作结束后零件可能会导致磨损，它能自动修补，但间隙很小，难以把控。矩形滑道：此类滑道结构比较简单，比较好制作，好修复保养等，滑道面积比较大，支承力大，硬度足够高等特点，所以得到了大面积使用。燕尾形导轨：此种导轨的优点为承受力量比较大，构造比较复杂，对精度的把控好。但相比三角导轨，加工完成后，如果磨损了，难以实现自动补偿。圆形导轨：导轨制作方便，外圆使用磨削，精度足够，钻孔也比较光滑。当然如果被磨损了，它的自动补偿也难以完成。导轨长度选取：滑块主要影响了导轨的长度，所以主要去控制滑块数量以及滑块的长度。就可以控制导轨的长度。最开始选择导轨型号为方便加工制造的圆导轨。对于滚动导轨副，它的定位精度是比较高的。磨损率很小，也能实现自动补偿。一般公差等级与它形状影响着它的磨损度。它的工作精度决定了加工工件的精度，但也要观察到它的结构是否影响。 通过各种因素考虑，选用它额定工作时间寿命Th为：Th= 由Th= 得Ts= 2=2=3456km （3-17） 因滑座数m=2，所以每根导轨上使用1个滑座由表2-15-2-18确定fc=0.81 ，fH= 1 ，fT= 1 fW= 2 ，则由式（3-18）Ts=Ca= 其中F= Ca= （3-18）根据结构要求整体负载较轻要求体积较小所以采用圆导轨直径d=8mm。第4章 Z轴升降机构设计4.1 总体方案设计4.1.1 进给要求升降进给系统是整个机构的重要组成部分，它是由输入机构，导向机构，操作机构组成。这个机构能完成整个工作过程中所需要的动力供给。进给系统尤其重要，需要加工的工件的精度，形状等都于传动机构有关。本设计脉冲当量应为0.001毫米，快进速度应为1000毫米每分钟，z轴的形成应为50毫米。自重加工工作压力最大载荷设定为50kg。4.1.2 进给方案设计电机的选择选用了反应式步进电机，进给部分使用了滚珠丝杠传动。下面为单向驱动的结构简图图4-1单项驱动系统结构简图1.步进电机，2.联轴器，3.轴承座，4.滚珠丝杠，5.导轨，6.工作台，7.固定板4.2 步进电机选择所选用的电机应为：工作台的质量为50千克， 导轨的摩擦系数应为 0.1 以及它的最大轴向力 F=500N =0.005 4.2.1 电动机轴负载计算分别计算各传动件的转动惯性，其中齿数的等效值分别为分度圆直径丝杠的等效直径为5 。Jz1= （4-1）Jz2=JS=用每一个传动部件件转动惯量和工作台的质量算入进电动机轴上，最终算出总当量负载转动惯量。Jd= （4-2） 满足 所以惯量匹配是满足要求的。4.2.2 步进电机的负载能力校验步进电机轴总惯量J为Jm+Jd=，空载启动时电动机轴上的惯性转矩： （4-3）电动机轴上的当量摩擦转矩： （4-4）按要求，伺服进给传动总效率取= 0.8考虑到其他因素，计算电动机轴上附加摩擦力转矩为：T0= （4-5）工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为：Tw= （4-6）于是在最大外载荷工作下工作时电动机轴上的总负载转矩为： （4-7） 根据以上的计算数据选的电机型号为：UI2442-48-1704A 4.2.3 技术参数及型号如下图4-2绕线图由于Ts= 0.44N.m0.25N.m 所以步进电动机能正常启动。上面的电机要求与下面的电机相同，且载荷小些，所以电机选用UI2442-48-1704A型号的步进电机符合我们所需要的。4.3 滚珠丝杠设计4.3.1 滚珠丝杠副概述滚珠丝杠的作用在本设计中也是必不可少的，它能使各种回转运动变成直线运动，也能使直线运动变成回转的运动，同时它又拥有将旋转运动转化成直线运动的功能。它主要的构成为，螺母，螺杆以及滚珠构成。滚珠丝杠的摩擦力很小，所以它被大量使用于很多种机械设备的内部构成，如，雕刻机，打印机等等。它是我们机械行业中最为常见的零部件，它具有高精度，低摩擦，高效性等等优点。在我们设计它时，得到的工作条件为：工作载荷F等于900+400=1300（N）使用的寿命L，h=10000（h），丝杠的工作长度（或者螺母的有效行程）L=0.31（m）、丝杠转速n（平均转速n=100 r/min或最大转速r/min），以及滚道硬度58-63HRC和运转精度。4.3.2 滚珠丝杠副计算（1）计算载荷FcFc=KF*KH*KAFM=1.21.01.0500=600N （4-8）观察取KF= 1.2 、查表取KH= 1.0 、查表取D级精度 、查表取KA=1.0 。（2） 算出动载荷，计算值CaCa=600=2228N （4-9）（3） 按照Ca来取用滚珠丝杠副，先去取得MISUMI的BS型号滚珠丝杠综合多数原因取 ，得丝杠副数据：公称直径：导程：P=5mm螺旋角：滚珠直径：d=0.5mm按表2-1中尺寸公式计算： 滚道半径：R=0.521d=0.26m （4-10）偏心距：e=(R-d/2)mm （4-11）（4）稳定性验算查书得临界载荷为Fcr（N），根据工式来计算：Fcr= （4-12）其中，E指的是丝杠材料的弹性模量，钢E=206GPa；L是丝杠工作长度（m）；Ia是丝杠危险截面的轴惯性矩（m4）；u是长度系数，Ia= （4-13）取u=2/3，则Fcr=N （4-14）安全系数S= 。查表2-10s=2.5-3.3,Ss,丝杠是安全的，不会失稳。我们要算得丝杠的转速的最大值，要注意，在丝杠运行的过程中，会不会出现振动的情况。所以我们应该提前去计算出它的临界转速ncr。当nmaxnmax=10000r/min 时 ,丝杠在运行过程中，不能发生振动的情况。最后D0n的值也会去阻碍滚珠丝杠副，所以我们一般取D0n7*104mmr/min， D0n=20 这说明了丝杠副工作是稳定的。（6）刚度的取值。滚珠丝杠在运行负载下F（N）以及转矩T（N*m）的影响下。所以全部导程变形量l0（m）是l0=（4-16）式中A为丝杠截面积，A= （4-17），Jc为丝杠的极惯性矩Jc= （4-18），G为丝杠切变模量，对钢G=83.3，J（N*m）为转矩，T=（4-19）之间，它的摩擦角为角，他的摩擦系数指的是正切函数值，平均工作载荷为FM，选好极端值（其中F=Fm）（4-20） 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为l= （4-21）一般我们所需要的为，丝杠的传动精度的一半大于它的导程误差。也就是说导程误差l符合上面的公式，这说明了强度够我们所需要的。 效率的验算滚珠丝杠副传动效率为= （4-22）要想丝杠副满足我们所需要的要求，n一定要在百分之九十到百分之九十五之间。通过以上的结论，可以确定我们所取的滚珠丝杠型号能保证我们的加工过程顺利完成。4.4导轨的选型设计在上述纵向结构的设计中，我们已经详细的概括了导轨的特征，它的作用以及它的优点等等，在z轴机构中，为了满足所需工件的精度，导轨的选取也是必不可少的，那么选择z轴机构的导轨也一定要满足以下几个条件：它的硬度必须够，这样能使机构的稳定得以保证。它的摩擦力一定要很小，这样才能满足我们所要的精度。导轨是一种导向结构，具体它的详细说明见纵向机构设计导轨的概述。因为本设计两机构导轨运行机构相差不大，所以依旧选取滚动直线导轨。4.5 联轴器设计4.5.1 联轴器的选型在社会高速发展的情况下，逐渐衍生出来很多种类型的联轴器，通过各种网上查阅，书籍上的查阅以及老师的指导，我已熟悉了大多数联轴器的规格，含义等。首先我们选取联轴器的时候，要先去按照传动结构来选取正确的联轴器。现在大部分联轴器都是通用的，而且也有许多种类型的，任何一种联轴器都有它的突出点。所以我们暂时可以直接选取市面上的通用联轴器，因为它们都能满足我们设计的要求。当联轴器无法在我们的设计当中使用时，才去自己设计新型的联轴器。而且现在企业为了相互竞争，把价格，质量都放在了第一位，所以对于我们来说直接选取他们也是比较合适的，既节约时间，也经济实惠。我们要选取我们所需要的联轴器，因为它能影响着很多东西，例如加工精度，机器的磨损程度，振动频率是否过大等等很多问题都要考虑到。这影响了很多层面，从整体到局部，所以我们一定要正确选取。我们要从内部结构的角度去选择联轴器，从轴等方向为第一点。我们要注意不能只从联动的方面考虑问题。下面为我所挑选以及对比出来的各个联轴器的特点以及规格的表格。表4-3联轴器性能类别联轴器名称转矩范围N.mm轴径范围mm最高转速r/min特点及应用说明固定式套筒联轴器圆锥销34000平键715000半圆键8450花键15012500410020100103525102一般小于等200250结构简单，制造容易，径向尺寸小，成本低。但装拆时需沿轴向移动较大的 距离。而且只能连接两轴直径相同的圆柱形，轴伸一般用于工作平稳的功率传动轴系。刚性凸缘联轴器（GB/T58432003）102000010180130002300结构简单，制造容易，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大，但不能吸收冲击。当两轴对中精度较低时，将引起较大的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速传动时需要有高的对中和制造精度。套筒夹壳联轴器（HG52131965）85900030110900380装拆方便，不需沿轴向移动两轴，但平衡困难，而且两轴径必须是相同的圆柱形。仅适用于低速传动的水平或垂直轴系，以传递平稳载荷为宜。联轴器紧箍夹壳联轴器1801250030110900380其特点和使用性能与夹壳联轴器相似，但外形简单，平衡条件有所改善，夹紧力大，很适宜用于径向夹紧力大的场合。初选d=5mm的爪牙式套筒联轴器，联轴器型号为ST20C5-6表4-4 d为5mm的圆锥销套筒联轴器数据d公称转矩（Nm）DLd1XL1d2XL252.020255X125X124.4.2 转矩校核联轴器转矩的计算公式： （4-23）式中：K工作情况系数 P输出功率（kw） T理论转矩N.m 计算转矩N.m N工作转速r/mi n那么算得它的转矩是 想到过载等原因,我们取它的工作情况系数K为1.5：= （4-24）经计算可以确定选则的联轴器合适。第五章 设计总结这次为期半个学期的毕业设计过程对我来说是非常充实的，在我接到毕业设计书的时候，我对我要设计的这个东西是完全不了解的，从没接触过。在老师的细心指导下，我先大概的想出了一个大概的方案图，然后去跟老师请教，老师指出方案图中的各种错误，并就这个装置想我介绍了其大致的作用，各个零配件的选择，各个电机的位置，大致装配方案，装置的运行方法，让我得到很大的启发，然后的一个多月的时间我查阅了各电机的大致性能，各种联轴器，丝杆的优缺点，对他们进行比较选择出我所需要的那一种配件，在查阅资料的过程中我对专业知识的运用有了较大的了解，我学会了如何将电机，带轮和导轨等配件正确的装配起来，弥补了我所学知识中的不足，回到宿舍，我专心运用cad进行二维制图，运用solidworks进行三维制图，对机械制图软件加深了理解，为我以后从事机械方面的工作打下了坚实的基础。同时也让我体会到作为一名设计人员要设计出有创意而功能齐全的产品，就必须做一个生活上的有心人。多留心观察思考我们身边的每一个机械产品，只有这样感性认识丰富了，才能使我们的设计思路具有创造性。本次设计让我受益匪浅，通过这次设计，我对自己所学的知识有了更深刻的理解，在指导老师的帮助下，我更是拓展了自己在机械方面的视野，懂的了如何自己独立完成一个项目的设计，为我以后步入社会，参加工作积累了经验。参考文献1张海强,杜俊斌,赵建华,陈晓佳.FDM 3D打印机成型空间加热保温系统的设计研究J.机械设计与制造,2020(03):141-145.2马玉琼,郑红伟,王铁成,王伟.基于FDM技术的多喷头3D打印机关键技术研究J.机床与液压,2020,48(04):33-36.3罗俊,李富春,陈常标,岳超,冯晨伟.基于FDM型3D打印机喷嘴温度系统的PID优化设计J.机械研究与应用,2020,33(01):130-132.4黄炜林,何晓洋,李佳,李裕武,谢泽贤.基于新型快速成型技术的砂芯3D打印机设计J.电子世界,2020(02):119-120+123.5张操.基于Arduino的FDM型3D打印机设计与应用J.电子世界,2020(02):126-128.6沈林,王图南,周佳恺.FDM型3D打印机的设计与优化J.科学技术创新,2020(03):98-99.7项楠楠,苏啸宇,李金泉.简易3D打印机结构设计J.绿色科技,2019(24):213-214.8赵宁辉.用于3D打印机的液体精密计量装置的研究及设计J.工业控制计算机,2019,32(12):74-75.9马志刚,王会良.熔融沉积3D打印机的送丝机构优化设计J.现代信息科技,2019,3(24):160-162+164.10汪杨智,惠延波,周颖,李君帅,禹军安,白路遥.3D打印中非金属薄壁件的打印成型策略研究J.机电工程,2019,36(12):1248-1254.11梁宪涛.3D打印机喷头温控系统调试结果J.科学技术创新,2019(34):80-81.12梁辉,孔祥旭,高云涛,张广兴,汪传生.一种H-bot极坐标3D打印机的结构设计J.机械与电子,2019,37(11):15-20.13张伟,张起贵,何小刚.基于ARM的3D打印机热床自动校正技术的研究与设计J.现代电子技术,2019,42(17):142-146.14朱金龙,赵寒涛,吴文凯,史耀军.用于3D打印机的握柄式加热挤料装置结构设计研究J.自动化技术与应用,2019,38(07):141-145+157.15商智高,郭韬,吴宇轩,董子铭,彭朝阳,周蕊,吴恩铭.可折叠FDM 3D打印机设计与研究J.科技与创新,2019(10):47-49.16刘同协,甘新基,潘利民,王珠珠,黄伟峰.双色巧克力3D打印机的设计J.吉林化工学院学报,2019,36(05):26-29.17于淼. 多方向FDM 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