三维打印快速成型机机械系统设计

1、目 录第一章.引 言- 1 -1.1 快速原型技术简介- 1 -1.2常见的快速原型制造方法- 1 -1.3 快速成型技术的原理- 2 -1.4本次设计的任务- 3 -第二章 基本方案的确定- 5 -2.1最初方案- 5 -2.2过渡方案- 5 -2.3后期方案- 6 -2.4最终方案- 7 -第三章主要零部件的选型- 10 -3.1步进电机的选用- 10 -3.2 软件环形分配器及其程序设计- 11 -3.3 联轴器的选用- 12 -3.4 直线导轨的选用- 13 -3.5 微型直线导轨的选用- 14 -3.6 滑轮的选用- 15 -3.7其它零件的选用- 15 -第四章喷头的仿真模拟以及电

2、机的计算- 16 -4.1 喷头的仿真模拟计算- 16 -4.2 关于步进电机的计算- 20 -总结- 22 -致谢- 22 -参考文献- 23 -附录- 24 -第一章.引 言1.1 快速原型技术简介快速成形(Rapid Prototypingand Manufacturing,RPM)技术是国际上1980年代末期发展起来的一种新型制造技术，它高度集成了自动控制、数控技术、CAD/CAM,计算机、激光技术等学科的最新成果。快速成形技术在航空航天、机械电子及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，迅速成为制造领域的研究热点，己经成为企业新产品设计、开发、生产的有效手段.随着世界经济的飞速发展和市场竞

3、争的日益加剧，对制造业的要求也越来越高，这就促使制造业进一步缩短新产品的研制和投放市场的周期，提高产品质量和降低产品开发成本。同时，要求提高制造小批量、多品种产品的灵活性，以满足社会个性化需求。与传统的设计开发工具相比，快速成形技术无论是在开发周期还是成本方面都具有相当的优势。此外，依靠快速成形技术，还可以进一步改造现有的制造模式，提高整个制造产业的加工水平，并使之朝先进制造方向迈进。目前，RP技术向两个方向发展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；自动化的桌面小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于制造概念原型。发达国家许多科研机构（如IBM公司）及教育单位（中等职业学校甚

4、至中小学）已经开始购买此种小型RP设备，并极有可能进入家庭。美国通用汽车公司也计划为其每位工程师配备一台此类设备。1.2常见的快速原型制造方法1.立体印刷技术（SLA）SLA（Stereo lithograghy Apparatus)法，其工艺原理是：从最底层开始，激光在光敏树脂表面扫描，在扫描过程中，激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方才会发生聚合反应形成固态。2.选择性激光烧结（SLS）SLS（Selective laser sintering)是利用激光所提供的能量有选择性地融化热塑性塑料以形成三维零件。3.熔融沉积成型（FDM）FDM（Fused Deposition Mode

5、ling)是利用热塑性细丝在移动头中进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件。4.层压物体制造技术（LOM）LOM（Laminated Object Manufacturing)是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件的一种技术。5.三维打印成型（3D PRINT）三维打印成型是在计算机的控制下，利用喷头喷射粘接剂，喷射粘接剂的路径材料被粘接在一起，而其它地方仍为松散粉末，层层粘接得到最后的三维实体。图1.1 RP工艺分类1.3 快速成型技术的原理不同于传统加工的材料去除法或变形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材法制成的一次成形件。从成形角度来看，任何零件均可看作是由无数个空间薄片

6、叠成的三维几何体，薄片的形状就是几何体的截面形状。如果能够将这些薄片逐片制作出来，然后依次将它们逐层粘合在一起，最终即可得到期望的零件。这就是快速成形技术的基本原理。因此，快速成形就是将三维零件的制造问题转化为两维面片的制作，从而使三维复杂实体的制作变得非常简单.在很 大 的 程度上，快速成形加工系统与传统的数控机床有着极大的相似，两者都可以直接接受采用CAD工具设计零件文件，加工系统普遍采用直角坐标系，如X,Y, Z坐标轴等等。快速成形加工系统与数控机床的最直观差别在于，前者通常使用激光而不是刀具来实现对零件的加工。快速成形制造系统的原型制作过程都是在CAD模型的直接驱动下进行的，因此有人将

7、快速原型制造过程称之为数字化成形。CAD模型在原型的整个制作过程中相当于产品在传统加工流程中的图纸，它为原型的制作过程提供数字信息。目前国际上商用的造型软件如Pro/E, UGII, SolidEdge等都有多种数据接口，一般都提供了直接能够由快速原型制造系统中切片软件识别的STL数据格式，而STL数据文件是将三维实体的表面三角形化，并将其顶点信息和法矢有序排列起来而生成的一种二进制或ASCII文件。随着快速成形制造技术的发展，CAD模型的STL数据格式已逐渐成为国际上公认的通用格式。在快 速 成 形系统加工过程中，系统应用软件将计算机三维实体模型在Z向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光

8、束(或其它能量流)在计算机的控制下扫描二维轮廓或者有选择地固化或粘结某一区域，从而形成构成零件实体的一个层面，这样逐渐堆积便形成一个三维实体(原型)。最后通过后处理(如深度固化、修磨等)，使其达到功能件的要求。图1.2 快速成型示意图1.4本次设计的任务为研究开发价格低廉、精度较高、有自主版权的新型的三维实物打印机，从而实现从三维CAD虚拟模型到实物原型的快速转换。由此种成型过程生成的原型件可用于设计的校验与评审、零件实物装配检验、展品或商业竞标样件、消失模的主模型等，可藉此缩减企业新产品设计与开发周期和成本。总体 方 案 设 计 思路，延伸于二维打印机。即在二维打印图形上不断累加，形成三维实

9、体。本项目开发产品可以作为CAD设计的终端设备，有很大的市场容量。三维打印机可以快速提供概念模型，供设计评估，避免模具工装等生产准备工作的风险，从而可以大大加快新产品开发速度，降低新产品开发成本，大大提高企业的竞争能力和快速响应市场的能力。工作内容和要求： 1 X Y扫描装置设计2 升降工作台设计3 整机总装配图设计设计参数最大成型空间：150x150x150mm扫描运动最大速度：100mm/sX Y 重复定位精度：0.005mmZ向重复定位精度：0.01mm移动件最大质量： 2千克Z向工作台质量：10千克设计日程安排3.264.02查资料，调研，定设计方案，提交开题报告。4.034.23设计

10、，计算，修改设计方案。4.245.21绘制装配图，教师审核电子版图纸。5.226.11撰写说明书，修改装配图，绘制其他图纸，教师审核说明书6.216.18集中出图，打印说明书，准备答辩。第二章 基本方案的确定2.1最初方案工作台在XY向上由于重复定位精度比较的高，考虑采用闭环控制，工作台在XY向上由直流伺服电机驱动，电机经过减速机构，通过滚珠丝杠来带动工作台运动，用光电编码器作为测量反馈组件。XY向安装限位开关。工作台在Z轴上运动时，只需要按照层高不断下降，因此，可以使用一个步进电机，通过减速机构带动丝杠驱动工作台向下运动。出于对安全的考虑，要安装限位开关（可用一个简单的行程开关来实现），在工

11、作台碰到开关之后，立即停止运动。采用活塞式升降台单独的铺粉机构。图 2.1系统整体构成1.扫描工作台2.铺粉装置3.工作缸体4.驱动齿轮5.驱动电机6.附件系统7.喷头8.控制计算机9.电源2.2过渡方案考虑到三维打印机应定位为办公室内的小型机器。并且最初的方案将造成整体尺寸过于庞大，不符合设计的初衷，因此改用步进电机带动同步齿形带在光杠组成的平面中进行XY方向的扫描运动作为XY扫描装置的主体部分。这样减少整体尺寸，符合小型机器的概念，也能适当减少加工成本，和零件成本。并且能够达到要求精度等级。草图见下图：图2.2 过渡方案图2.3后期方案经过多次实践观察以及经验总结，从复印机的钢丝机构汲取的

12、灵感，确定了以钢丝为主要传动机构的方案。该二维工作台有诸多优点： 工作台的反向间隙小 分辨率高 响应速度快因此选用滑轮钢丝机构牵引工作台做XY平面的移动。并初步绘制结构图如下图2.3 钢丝绳驱动的二维工作台1.直线滚动导轨副A2.连接板A 3.直线滚动导轨副B4.钢丝绳 5.支撑板A 6.驱动轴A 7.直线滚动导轨副C8.支撑板B 9.驱动轴B 10.钢丝绳滚轮 11.支撑板C 20 26 3238 44 50 56 62图4.4a 模拟结果20至62s20 26 32 38 44 50 56 62图4.4b 实验观察20至62s在液滴飞行距离方面，为模拟与实验结果之比较；在液滴体积方面，实验

13、观察之液滴体积为236 pl，模拟结果之液滴体积为229 pl。从液滴形态、断裂时间、飞行距离与体积等四方面，模拟结果与实验观察比对具有不错的吻合。 68 74 80 86 92 98 104 110图4.5a 68-110s的模拟结果68 74 80 86 92 98 104 110图4.5b 68-110s的实验结果图4.6 对比飞行距离液滴之间模拟结果与实验观察结果4.2 关于步进电机的计算计算齿轮的减速比根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:i=(.S)/(360.)=1(1-1)式中-步进电机的步距角（o/脉冲）S-丝杆螺距（mm)-(mm/脉冲）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电

14、机轴上的惯量JtJt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2=3.56（1-2）式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)J1、J2-齿轮惯量(Kg.cm. s2)Js-丝杆惯量(Kg.cm.s2)W-工作台重量（N）S-丝杆螺距（cm）计算电机输出的总力矩MM=Ma+Mf+Mt=0.155（N.m)（1-3）Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102（1-4）式中Ma-电机启动加速力矩（N.m)Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)n-电机所需达到的转速（r/min）T-电机升速时间（s）Mf=(u.W.s)/(2i)102（1-5）Mf-导轨摩擦折算至

15、电机的转矩（N.m)u-摩擦系数-传递效率Mt=(Pt.s)/(2i)102（1-6）Mt-切削力折算至电机力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）负载起动频率估算数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm)1/2（1-7）式中fq-带载起动频率（Hz）fq0-空载起动频率Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.运行的最高频率与升速时间的计算由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量

16、。负载力矩和最大静力矩Mmax负载力矩按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.20.4)Mmax.性能完全满足本机器，因此从精度和成本角度考虑选用百格拉公司的VRDM397三相混合式步进电机。参考文献1. 黄树槐.快速成形数据处理及若干关键技术的研究.华中科技大学2001年 博士论文2. 黄树槐，马黎快速原型制造(RPM)技术的进展.中国机械工程，19973. 尹希猛，王运赣，黄树槐.快速成形技术一90年代新的造型工具.中国机械工程，1993 4. 宾鸿赞，杨明.生长型制造技术 制

17、造技术的新突破.中国机械工程，19935. 秦伟刚.光电耦合隔离技术及应用.仪器科学学报.2006.66. 王隆太主编.先进制造技术.机械工业出版社7. 刘跃南主编.机械系统设计.机械工业出版社。8. 毛谦德，李振清主编.机械设计师手册.机械工业出版社.第二版9. 徐灏，蔡春源主编.机械设计师手册.机械工业出版社。10. 邓星钟主编.机电传动控制.华中科技大学出版社.第三版11. 高春甫主编.机电控制系统设计.吉林大学出版社.12. 王桂琴主编，电工技术.机械工业出版社13. 常文秀主编，电工技术.机械工业出版社14. 秦荣荣，崔可维主编，机械原理.吉林科学技术出版社15. 于骏一，邹青主编，

18、机械制造基础基础.机械工业出版社16. 甘永立，陈晓华主编.机械精度设计基础.吉林人民出版社17. 谭庆昌，赵洪志主编.机械设计.高等教育出版社18. 寇尊权主编.机械设计课程设计.吉林科学技术出版社19. 侯洪生主编.机械工程图学.科学出版社20. 聂毓琴，孟广伟主编.材料力学.机械工业出版社21. 迟剑锋，吴山力主编.材料成型技术基础.吉林大学出版社22. Yoshio Mizugaki,Masafumi Sakmato,Fractal Path Generation for a Metal-Mold Polishing Robot System and Its Evaluation by the Operability,Annals of CIRP,1992，41(1).23. C. W. Hirt, and B. D. Nichols, ”Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries”,