六轴3D打印机的设计

第1章绪论1.1研究目的及意义世纪末19世纪初的美国，不久发展到其他国家：20世纪80年代中期开始，经面上的3D打印机打印的基本原理都与喷墨的打印机相似，唯一不同的是3d打维的，而且打印材料通常是墨水和纸，这种打印机很多，对与这种打印机来说(1)前处理：进行模型设计和打印数据准备及与打印工艺方法相对应的数构建3D模型有三种常用的方式：利用3D建模软件构建模型；基于图像构建3D模型；利用3D扫描仪构建3D模型。使用3D扫描仪构建3D模型：使用3D扫描仪对实物表面、形状进行扫描分(2)打印过程：设备根据设定的制作参数自动进文件和输出STL格式文件。将模型进行切片：有了STL的模型之后还需要在电脑上安装相应的3D打印切片软件，用它来实现3D模型的参数调整，并将模型切片，转换成3D打印机确度高，则相反。间距的范围为0.05至0.5mm,通常使用的间距是0.1mm,可(3)后处理：包括清洗、去除支撑以及打磨处理1.2研究内容1.3D打印技术发展现状及对世界的影响(1)我国的某些技术在世界中也是比较先进的，比如，将应用在航天航空(2)目前，北京银华，南京紫金立德，江苏敦超，深圳威斯特，陕西恒通智能机等这些国内企业都已经实现了产业化，便捷式台式的3D打印机在不少企业中的价格，因为她能如此成功的进入欧美市场，说明很有国际竞争力。2012年3月，白宫重振美国制造系统，改革美国制造系统，优先发展以增材制造为代表的数字制造技术，并在全国范围内建立了多个研究和商业联盟。西班牙为了在2012年2月澳大利亚政府对微引擎快速成型技术宣布支持，特地研究了特殊的增材制造项目这一技术，最终得到了支持。第2章总体方案及结构设计3D打印机增材技术已经过数十年的发展，该技术发展到现在已非常成熟，2.13D打印机模型设备的方案分析模型的制作要求依靠各类不同的机构相互组合并最终实现预期的所有功能X/Y轴组成平面扫描运动框架三回旋轴机构(即工作台)伺服电机——转轴杂模型的需要和控制工作台的旋转每次打印完一层，随后完成下一层信息读取，机机构俯视简图轴移口转本v移转输入设备温度控制回路存储外设XYZ各方向电机控制上位机工作台转动控制温度传感器的测量值喷出量控制单片机分析显示设备2.2温度控制回路设计料的要求来设计的。目前3D打印的材料已经超过了200种。为了实现3D打印度度感器路图2-3控制回路方框图2.4喷头移动及喷出量调节的设计图2-4挤出机构原理图熔融沉积成型工艺对于成型温度的要求较高，在加工过程中必须要保持稳第3章机械结构设计3.1电机的选择3.1.1Z轴电机的选择按照本次机械结构设计的定位精度要求进行精确定位，z轴的电机是伺服电电机型号24566电机绕组插座统组引线ABC插座编号2341编码器插座插座编号234758691失电制动器绕组引线123插座编号电机绝缘等级B使用环境防护等级机，控制好移动速度很重要，故选用了华大电机稳定性能好。(1)运行时间确定，加速时间可按照下式予以确定(3-1)负载速度(m/min)计算：根据设计原理可知其上升速度为50mm/min(2)电机转速可通过下式予以计算：(3-2)PB为丝杆的导程，我们设计丝杆的导程为5mm(3)负载转矩可通过下式予以计算：(3-3)(4)负载惯量可通过下式予以计算：(3-4)(5)电机转矩图3-2电机规格图3.1.2X轴和Y轴电机的选择(1)确定运行时间(2)电机转速可通过下式予以计算：(3-10)PB为丝杆导程，设计导程为4mm.(3)负载转矩(3-11)(4)负载惯量(5)电机转矩Z轴相同。3.2滚珠丝杠螺母的设计材料选择的基本原则是材料在满足零件性能的前提下具有良好的加工性和能造成影响。形状尺寸和应力分析的机械性能是选择材料时正确分析的工作条(1)工作条件(2)主要的失效形式(3)材料的性能要求(1)传动效率更高：一般滚珠丝杠的滚珠与丝杆的接触点是很小的，所以小的扭矩之下转动，其推力也是很大(旋转运动转成直线运动),甚至对于其它传统的螺杆系统要强上2~4倍的效果。(2)运动平稳性：滚珠丝杆工作起来摩擦阻力是很小的，也没有任何的颤(3)精度高：滚珠丝杠在运转时产生的温度低，热胀冷缩、轴向间隙拉伸等问题这些效果都不大，对其运转无影响还具有较高的定位精度。(4)高耐用性：滚珠丝杠副接触点表面硬化，运动过程滚动，摩擦小，寿(5)同步性好：多组滚珠轴承组合的传动系统，运动起来很平稳无滑动、(6)高可靠性：与常见的液压、气压系统相比较故障较少，对其进行维护效的校核。对较长的丝杆容易受到轴向力的作用而失稳，稳定性是比较重要的，横向摆动校核临界转速是很重要的。在具体及承载情况、失效形式来选择与之对应的设计标准，且不需逐一检查。表3-1螺旋传动的常用材料螺旋副材料牌号应用范围螺杆载力不大，转速较低的场合螺母材料耐磨性好，适用于一般传动螺母要用钢及铸铁制造。3.2.4.1Z轴立向丝杆的设计在本设计中Z轴选用滚珠丝杆，打印精度是由丝杆的运动稳定性来决定的，特点也符合要求，选择性能好的滚珠丝杆是最关键的一步，滚珠丝杆的选择与工作场合也有一定的联系。滚珠丝杠所能承受的最大轴向载荷为，支撑之间最大间距为，精度要求。按照所选用的丝杠参数进行阻力计算，根据额定静载荷选用，额定静载荷可依据下式进行运算：(3-17)故：一动载荷影响系数，一最大轴向载荷静态载荷为，查表可知使用寿命为，但是，主螺杆的螺距为，Z轴马达的速度为，得丝杆转速为：(3-18)滚珠丝杆的螺距，几何参数如下表所示。表3-2滚珠丝杆螺母副几何参数计算公式和结果(mm)螺纹滚道公称直径t5接触角β钢球直径螺纹滚道法面半径R偏心距e螺纹升角γ螺杆螺杆外径d螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径D螺母内径(外循环)D₁=d₀+(0.2～0.25)d₄=25.5螺母长度(1)传动效率计算(3-19) (4)轴承的选择温度的系数：=1,=1;=3得寿命校核结果可知，本文选用的轴承满足使用条件。3.2.4.2X轴和Y轴横向丝杆的设计(1)计算滚珠丝杆螺母副及选型X轴方向最大轴向载荷为，支撑丝杠最大距离为，定位精度。额定载荷可通过下式予以计算：(3-25)——载荷性质系数。一影响系数，=1一轴向载荷额定静载荷为查表，寿命时间为，选择螺距，丝杆转速可通过下式予以计算：(3-26)选择螺距为，滚珠丝杠副参数如下所示。表3-3滚珠丝杆螺母副几何参数计算公式和结果(mm)螺旋滚道公称直径t5接触角β钢球直径螺纹滚道法面半径R偏心距e螺纹升角γ螺杆螺杆外径d螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径D螺母内径(外循环DD₁=d₀+(0.2～0.25)d,=20.6螺母长母(2)传动效率计算(3-27)得出：然而传动效率为96%。(3)验算的刚度：由工作负载使导程发生的变化量可通过下式予以计算：△L1=(3-28),(材料为45钢)(3-29)有：变化量不大，由此可知，导程误差可通过下式予以计算：(3-30)选用的滚珠丝杠允许的误差值为，根据校验结果可知，满足刚度需求。(4)轴承的选择初选的型号为，正常工作的温度环境下，其使用的寿命为，滚珠丝杆承受的是轴向载荷，所承受载荷的最大轴向载荷为。经过查资料了解到型号为的滚珠轴承的基本知识，轴承的基本额定动载荷，基本额定静载荷，查表可知道轴承寿命可通过下式予以计算：其中：=1;=1,为滚珠轴承，=3得根据轴承寿命校验结果可知，该轴承合适。3.2.5滚珠丝杆螺母的支承方式的选择滚珠丝杆有三种不同的支撑方式，如下图所示：而固定而固定一端自由 一端支持 (1)油润滑矿物油适用于大多数的滚动轴承，高转速时滚珠丝杆副的温度也是比较小(2)脂润滑(3)防尘与隔离作用，以防超程撞坏其它东西及影响其精度和寿命。(3)防止热变形：在滚珠丝杆运动时产生的热，还有其它部件产生的热，这3.3导向光杆和直线轴承的设计合适的工作温度为：;不锈钢轴承适用于环境较为恶劣的场合，轴承型号可接触系数FC计算过程如下：表3-4载荷系数FW运行速度载荷系数FW小于15m/min无冲击、无振动小于60m/min微小冲击或振动大于60m/min或有较大冲击、振动已知装置行程米，工作温度：,往复次数/min。载荷：,硬度，寿命小时。1(尺本法长法公公公111内内直s4215图3-4滑动轴承表3-5带法兰的滑动轴承参数式H国定部TPKwPd健D四法兰型方法兰型两禹切55M91026211022442120M2003510基0855442深20505砼91图3-5导向光杆固定座的参数本设计选择的是两面切割法兰型的固定座，导向光杆两端都需要固定座固计算联轴器承受转矩(3-33)型号公称转矩m轴孔直径、忒2轴孔长度DA5Y型],]、Z型93x表3-6弹性套柱销联轴器的参数(1)设定功率电机额定功率为0.6KW,假定电动机工作时间为10小时，查表可知工作系I0天I数▲K 个臂就大大质盛(2)选定同步带带型和节距M图3-7同步带选型图2(3)选主动轮(小带轮)的齿数通过小带轮的转速来确定其中的齿数，经过查表得知小同步带轮最小齿数小带论特流0带型L表3-8小带轮的最小齿数(4)计算主动带轮的直径d1的值(3-34)(5)大同步带轮数据确定同步带的传动比设为，先计算出大同步带轮的齿数，故(3-35)大带轮齿数，实际传动比可通过下式予以计算：大带轮节圆直径可通过下式予以计算：同步带轮转速可通过下式予以计算(6)即同步带速可通过下式予以计算(7)确定轴间间距可通过下式予以计算：(3-40)得出则选择。(8)同步带带长及其齿数确定(3-41)(9)带轮啮合齿数计算基本额定功率可通过下式予以计算：查表可知，同步带带型H型的许用工作压力Ta表3-9同步带带型参数所以同步带的基准额定功率为：(10)计算作用在轴上力Fr设计选用H型梯形同步带，节距P=12.7mm,错误!未找到引用源。。带型LH4048.902.473第4章运动底盘的设计是360°旋转的，旋转台与旋转轴连成一体，三个自由度使用的电机是同样的型(1)初步估算转轴的直径图4-2心轴弯矩图(2)轴的结构图4-3轴的结构根据上图可知，轴径1-2段主要用来安装轴承1,轴的2-3段为轴肩，其主要功能是实现轴承1的定位，根据本文所选用的轴承查阅其参数可知，轴承的实际安装高度为，因此该轴段的直径。轴的3-4段的主要作用是实现支撑块的轴向定位，根据计算结果可知直径，长度。轴的4-5段主要用来完成支撑块的固定，直径，长度。轴的5-6段的主要作用是实现轴承2的安装，将套筒制成阶梯状，4.2三自由度的电机及减速器的选型4.3支撑块的设计巨图4-6凸缘联轴器二维图型号公称转矩/(N.m)许用转速轴孔直径轴孔长度表3-9凸缘联轴器的参数壁厚为10,圆柱内部用两条直径的杆相互垂直与圆柱内部表面连接，中间的幅度为45°,其设计如下图所示：图4-8支撑旋转盘机构4.6摆动方向的轴承座与轴承配合设计两个摆动方向的轴承座与轴承是相同的，都是型号为6002;轴承座的高度，图4-9轴承座与轴承的装配第5章虚拟装配模型使用三维软件Solidworks绘制各个零部件的三维图，全部画好各个零件之