增材制造工艺与装备课件：总装整机

总装整机

【任务目标】1.掌握总装整机各零部件的名称。2.了解各部件的作用。3.了解所需零件的规格。4.掌握总装整机的组装方法。

在机械领域中，机械传动是指利用机械方式传递动力和运动的传动。分为两类：一是靠机件间的摩擦力传递动力的摩擦传动，二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。FDM3D打印机的传动系统属于第二种情况，电机上的主动轮与远端的从动轮互相配合，通过中间件皮带将力传递到需要做机械运动的部分。

从3D打印的结果来看，模型的外壁打印效果是由X轴运动模块和Y轴运动模块互相配合运动完成的，当其中某一个模块，或者其中某一个零件出现问题的时候，就有可能导致打印件的表面质量变差。但是该部分的零部件较多，不同零部件故障所呈现在模型上的结果也不一样。所以，为了搞清楚模型表面质量出问题的不同原因，就需要清晰的了解总装整机中的结构和组装方法。1.总装整机的构成

在前面的步骤中，我们已经基本完成了整体框架的组装，而本次内容的总装，相当于是将整个框架结构串联起来。通过从动轮、皮带等传动部件将电机的力传递到设备的每一个运动部件，从而保证了打印头的前后左右移动。同时，组装各个限位开关使其通过与触碰结构的配合来完成打印头和打印平台移动位置的界定，是整个设备中最后一组需要组装的机械、运动结构。（如图1-135）图1-135整机结构（无皮带）

机械传动的作用是传递运动和力，常用的机械传动类型有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系。1）齿轮传动

齿轮传动的应用范围很广，传动功率可达数万千瓦，单级传动比可达8以上，因此在机械上得到广泛应用。与其他机械传动相比，齿轮传动的优点是：运行可靠，使用寿命长；恒定的瞬时传动比；传输效率高；结构紧凑；功率和应用范围广等。缺点是：齿轮制造需要专用机床和设备，成本高；精度低时，振动和噪声大；不适用于轴距较大的传动。齿轮传动有很多种。根据两齿轮的相对运动是平面运动还是空间运动，可分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类。（如图1-136）图1-136齿轮传动2）蜗杆传动

蜗杆传动装置用于传递交错轴之间的旋转运动。在大多数情况下，两个轴在空间上彼此垂直。蜗杆传动的主要优点是结构紧凑、运转平稳、无噪音、冲击和振动小、单级传动比大。缺点是在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动的效率低于齿轮传动。此外，蜗轮一般需要用昂贵的减摩材料（如青铜）制成。蜗杆传动广泛应用于机械及相关行业，如汽车驱动桥传动；机床、汽车、拖拉机等机械轴线相交传动；用于轧钢机械、矿山机械、起重运输机械。（如图1-137）图1-137蜗杆传动3）带传动

根据带的截面形状的不同，将带分为平带、V带和特殊带（多楔带、圆带等）等。带传动结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、无须润滑、容易维护。但不能保证精确的传动比，传动效率较低。带传动主要用于传动平稳、传动比要求不严格的中、小功率的较远距离传动场合。（如图1-138）图1-138带传动4）链传动

链传动是在两个或以上的链轮之间用链作为挠性拉拽原件的一种啮合传动。和带传动比较，链传动的主要优点是：没有滑动；效率较高；不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小；能在温度较高、湿度较大的环境中使用等。主要缺点是：只能用于平行轴之间的传动；瞬时速度不均匀，高速运转时不如带传动平稳；不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中应用；工作时有噪声等。链传动与齿轮传动相比，其主要特点：制造和安装精度要求较低；中心距较大时，其传动结构简单；瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差。链传动除广泛用作定传动比的传动外，也能做成有级链式变速器和无级链式变速器。（如图1-139）图1-139链传动图1-139链传动图1-139链传动5）轮系

由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系，广泛应用于各种机械设备中。轮系分为定轴轮系和周转轮系两种类型。轮系的主要特点：适用于相距较远的两轴之间的传动；可作为变速器实现变速传动；可获得较大的传动比；实现运动的合成与分解。（如图1-140）图1-140轮系

本书中所采用的FDM3D打印机，平面运动系统使用的是带传动，传动系统主要是由步进电机、电机支架X、电机支架Y、主动轮、限位开关、从动轮、从动轮固定架（X）、Z轴限位开关固定架、皮带、料架固定架组成。其中涉及结构件、传动件之间的互相配合，在装配时需要充分预留调试余量，尽量避免在组装到后续步骤时重新返工。

该部分的运作方式为，通过框架结构上安装的Y轴电机带动打印头作前后方向的运动，侧面框架结构上安装的X轴电机带动整个Y轴运动模块作左右方向的运动。同时在框架结构上装有XYZ三轴的限位开关，保证对打印头移动范围的控制。2.各部件的规格与作用

1）步进电机：在该部分中，主要用到的是驱动X轴模块和Y轴模块的电机，为模块的运动提供动力。（如图1-141）图1-141步进电机

2）电机支架X、Y：用于将步进电机固定在设备框架结构上的辅助连接支架。（如图1-142、图1-143）图1-142电机支架X

图1-143电机支架Y

3）主动轮：是皮带传动系统中的一部分，一方面负责将电机轴的力传递到皮带上，另一方面限定皮带的上下位置，防止皮带从电机轴上脱离。主动轮有齿圈式和滚轮式，采用齿圈式的较多。齿圈的齿形有凸面、平面和凹面三种类型。（如图1-144）图1-144主动轮

4）限位开关：又被称为行程开关和位置开关，是一种常用的小电流主令电器。利用机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在FDM3D打印机中主要是用来限制X、Y、Z三轴的移动行程。（如图1-145）图1-145限位开关图1-146从动轮

5)从动轮：如果说主动轮是皮带传动系统中辅助电机提供动力的零件，那么从动轮就是不提供动力，不输出功率和扭矩的零件。主要用途有三：第一，作为皮带传动系统中的另一端，对皮带有支撑的作用；第二，限制皮带的上下位置，防止长时间移动使用后皮带脱离，导致皮带位置出现偏差；第三，从动轮接收主动轮传递过来的机械能，并保证机械能继续向下传递。（如图1-146）

6）从动轮固定架（X）：用于支撑、固定从动轮的支架。（如图1-147）图1-147从动轮固定架（X）7）Z轴限位开关固定架：用于固定Z轴限位开关的支架。（如图1-148）图1-148Z轴限位开关固定架图1-149皮带

8）皮带：皮带传动也被称为“带传动”，属于机械传动的一种。由一根或几根皮带紧套在皮带轮组成。两轮分别装在主动轴和从动轴上，因此又被称为主动轮和从动轮。利用皮带与两轮之间的摩擦，以传递运动和动力。在FDM3D打印机中，皮带的主要作用是将电机提供的旋转运动转换成X、Y轴运动模块的直线运动。（如图1-149）

9）耗材支架：用于安装耗材的支架，打印时，耗材会在支架上旋转释放出料丝。（如图1-150）图1-150耗材支架3.传动系统的组装

1）取出一个步进电机，将其与电机支架（X）进行组装，使用M3*8mm内六角螺丝进行固定；随后将主动轮安装至电机轴上，并拧紧主动轮侧面的顶丝。（如图1-151）图1-151安装电机支架（X）图1-152安装电机支架（Y）2)再取出一个步进电机与电机支架（Y）组装在一起，同样使用使用M3*8mm内六角螺丝进行固定；随后将主动轮安装至电机轴上，并拧紧主动轮侧面的顶丝。（如图1-152）图1-153安装限位开关3)将限位开关安装至电机支架Y，并使用M3*8mm内六角螺丝配合螺母进行固定。（如图1-153）

4）将上面组装好的X轴电机模块和Y轴电机模块分别安装至箭头位置。（如图1-154）图1-154电机模块安装位置

5）安装X轴电机模块，首先，在型材的凹槽内放入三个T型螺母；随后，将电机支架X上的三个孔位与T型螺母位置对应；最后，使用M4*8mm内六角螺丝固定。（如图1-155）图1-155安装X轴电机模块图1-156安装Y轴电机模块

6）使用同样方法将电机支架Y固定在型材框架结构上。（如图1-156）

7）将从动轮组件安装至图中箭头标记的位置。（如图1-157）图1-151安装电机支架（X）

8）将T型螺母预先放置在型材框架内，将从动轮固定架、垫片、从动轮组装在一起。（如图1-158）图1-158安装从动轮组件a

9）使用M3*25mm内六角螺丝从垫片、从动轮顶部穿过，与底部的螺母一起将从动轮固定在从动轮固定架上（这里需要注意的是，安装从动轮时不宜拧得过紧，需要确保从动轮可以随意转动）。随后使用M4*8mm内六角螺丝将从动轮固定架固定在框架结构上。（如图1-159）图1-159安装从动轮组件b

10）使用同样的方法安装另一侧的从动轮组件。（如图1-160）图1-160安装从动轮组件c

11）组装Z轴限位开关，使用M3*8mm的内六角螺丝配合螺母将限位开关安装在Z轴限位开关固定架上。（如图1-161）图1-161组装Z轴限位开关图1-162安装Z轴限位开关12)将组装好的Z轴限位开关安装至框架结构上，并使用2颗M4*8mm的内六角螺丝配合T型螺母进行固定。（如图1-162）

13）在打印头的左右两侧安装固定螺丝，并以此为皮带安装的开始点和结束点，将皮带按照下图中的顺序进行缠绕（安装皮带时需尽可能的将其绷紧，防止后续打印测试时对打印效果造成影响）。（如图1-163、图1-164）图1-163安装皮带固定螺丝图1-164皮带安装参考图

14）将料架安装至框架结构的后方，使用M4*8mm螺丝进行固定。（如图1-165）图1-165安装料架

15）机械结构部分总装完毕。（如图1-166）图1-166整装完毕

双打印头FDM3D打印机

FDM3D打印机凭借着操作门槛低、系统稳定、体积小、价格便宜等优点在普通的民用市场占有很大的比重；随着这些年的发展，耗材的种类和颜色也有了很多的选择，使得其在工业领域也有了一定的发挥空间。不过，作为受众面最广的3D打印技术类型，打印速度慢、生成支撑的位置打印质量差、打印件的色彩不够丰富等问题也一直困扰着FDM3D打印机的使用者们。

为了解决这个问题，国内外都在尝试将打印头增加到两个，这样在原本耗材的基础上就又多了一种耗材选择的可能。（如图1-167）现阶段，主要有以下几种尝试应用方式：图1-167双打印头FDM3D打印机1.双色打印

将另一个喷嘴的耗材更换为其他颜色，可以实现双色打印。双色打印需要提前对模型的不同颜色部分进行区分。在模型制作的阶段就需要将两个不同颜色的部分拆分为两个不同的模型，同时，还需要保持两个模型的坐标是统一的，之后将这种“特殊方法”制作的模型导入切片软件，再通过切片软件对模型进行两个打印头的数据规划，将规划好的Gcode文件导入的3D打印机中，就可以控制两个打印头分别打印模型不同颜色的部分。

不过，双头打印设备造价昂贵，双头平台校准比单头的平台校准难度高很多，再加上这种打印方式对前期模型制作的要求过高，导致很少能见到其实际使用案例，多见于3D打印设备厂家对双头打印设备的产品宣传展示模型。2.双耗材打印

将两个不同的打印头分别换上两种特性不同的耗材，用以实现两种耗材在同一模型物理层面上熔合。该方式有很多种测试方向，比如硬质材料PLA、ABS与软质材料TPU、TPE之间的结合，实现“软硬相兼”。不过就目前来看，同一模型上的两种材料结合效果并不好，一方面是因为两种不同的材料收缩率不同，打印完成后，收缩率高的材料会使得熔合相接的位置连接不紧密，连接处很容易断开。另一方面是相对于在同一模型进行两种不同材质的拆分，直接制作一组装配件，再使用单头的FDM3D打印机更换不同的材料进行打印，最后将模型组装在一起的操作，不论是模型制作，还是打印机的调试，后者都会