直寫快速成型機身部分的設(shè)計

I 學學 位位 論論 文文 誠誠 信信 聲聲 明明 書書 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文（設(shè)計）是我個人在導師指導下進行的研究（設(shè) 計）工作及取得的研究（設(shè)計）成果。除了文中加以標注和致謝的地方外，論文（設(shè)計） 中不包含其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究（設(shè)計）成果，也不包含本人或其 他人在其它單位已申請學位或為其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究 （設(shè)計）所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了致謝。 申請學位論文（設(shè)計）與資料若有不實之處，本人愿承擔一切相關(guān)責任。 學位論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 學學 位位 論論 文文 知知 識識 產(chǎn)產(chǎn) 權(quán)權(quán) 聲聲 明明 書書 本人完全了解學校有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：在校期間所做論文（設(shè)計）工作 的知識產(chǎn)權(quán)屬西安科技大學所有。學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復 印件和電子版。本人允許論文（設(shè)計）被查閱和借閱；學校可以公布本學位論文（設(shè)計） 的全部或部分內(nèi)容并將有關(guān)內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其它 復制手段保存和匯編本學位論文。 保密論文待解密后適用本聲明。 學位論文（設(shè)計）作者簽名： 指導教師簽名： 年 月 日 II 題目：直寫快速成型機身部分的設(shè)計題目：直寫快速成型機身部分的設(shè)計 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè) 學生：沙世名學生：沙世名 （簽名）（簽名） 指導教師：楊來俠（教授）指導教師：楊來俠（教授） （簽名）（簽名） 摘要摘要 近年來，隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，新的快速成型技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。直寫快 速成型技術(shù)就是最具代表，最有生命力的快速成型技術(shù)之一，其適用于家用電器、辦公 室用品、建筑模型、醫(yī)學模型等領(lǐng)域的新產(chǎn)品開發(fā)。直寫快速成型技術(shù)無需刀具或制模， 這大大提高了成型效率，解決了在該技術(shù)在材料選用方面的局限性，具有巨大的應(yīng)用潛 能和廣闊的市場前景。因此，開展直寫快速成型機械部分的研究，具有重要的現(xiàn)實意義。 本文針對經(jīng)濟型快速成形的市場應(yīng)用需求，對基于雙頭噴射的直寫快速成形機進行 了機身部分的設(shè)計。這包括：對直寫快速成型機的總體設(shè)計及零部件設(shè)計；繪制直寫快 速成型機總裝配圖及零部件圖；最終撰寫此說明書。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：快速成型；直寫快速成型機；設(shè)計 III Subject: The Mechanical Design on Direct Writing Rapid Prototyping Machine ABSTRACT In recent years, with the development of rapid prototyping technology, a new rapid prototyping technologies are emerging. Direct Writing Rapid Prototyping Technologyis one of the most viable the rapid prototyping technology and its suit to new products development in the field of home appliances，office basics，architecture and medical models etc Without the tool or mould making direct writing rapid prototyping technology, which greatly improves the forming efficiency, solves in the selection technique of limitations in material, it has an enormous application potential and broad market prospects. Therefore, research on rapid prototyping machine part of the writing, has important practical significance. In this paper, aiming at the demand of rapid prototyping of economic market application, the double injection were mechanical system design is reasonable and reliable by forming system based on direct writing. This includes: Z shaft lifting transmission device, sprinkler transmission and mount transmission device, the working surface design, calculation, drawing its structure diagram and parts diagram. Keywords：Rapid Prototyping, Direct Writing Rapid Prototyping Machine, Design IV 目目 錄錄 1 1、緒論、緒論1 1 1.1 選題背景及意義.1 1.2 快速成型技術(shù)及其分類簡介.1 1.2.1 快速成型基本原理.2 1.2.2 快速成型的分類及其特點3 1.3 直寫快速成型技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀4 1.4 論文主要章節(jié)安排6 2 2、直寫快速成型制造法、直寫快速成型制造法7 7 2.1 直寫快速成型技術(shù)的工作原理7 2.2 直寫快速成型技術(shù)的特點.8 2.3 直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用.8 3 3、直寫快速成型機整體部分設(shè)計、直寫快速成型機整體部分設(shè)計.9 9 3.1 總體方案設(shè)計9 3.1.1 總體設(shè)計方案一9 3.1.2 總體設(shè)計方案二10 3.2 總體方案設(shè)計比較.11 3.3 總體設(shè)計方案選擇確定.12 3.4 直寫快速成型總體布局設(shè)計.12 4 4、直寫快速成型機主要零部件設(shè)計、直寫快速成型機主要零部件設(shè)計1414 4.1 Y 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計.14 4.1.1 Y 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計構(gòu)想14 4.1.2 直流伺服電機的選擇計算14 4.1.3 同步齒形帶的計算16 4.1.4 軌道設(shè)計.19 V 4.2 Z 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計.20 4.2.1 Y 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計構(gòu)想20 4.2.2 設(shè)計參數(shù)的確定20 4.2.3 脈沖當量、傳動比、步距角的確定.21 4.2.4 滾珠絲杠的選型、計算、校核.21 4.2.5 步進電機的選擇26 4.2.6 聯(lián)軸器的選擇.29 4.2.7 軸承的選擇.30 4.3 X 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計.30 4.3.1 X 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計構(gòu)想30 4.3.2 直流伺服電機的選擇計算31 4.3.3 同步齒形帶的計算32 4.3.4 軌道的設(shè)計.33 4.3.5 噴頭到工作面的距離選擇34 4.3.6 總結(jié).35 5 5、結(jié)論、結(jié)論.3636 致謝致謝.3737 參考文參考文獻獻.3838 1 1 1、緒論、緒論 1.11.1 選題背景及意義選題背景及意義 隨著科技進步和全球市場一體化的形成,制造業(yè)已經(jīng)從單品種、大批量、長周期向 品種多、批量、周期短的方向發(fā)展。為此,快速響應(yīng)市場需求,成為制造業(yè)發(fā)展的重要走 向【1】。本世紀 60 年代發(fā)展起來的快速成型（Rapid Prototyping，RP）就是在這種背 景下逐步形成并得到發(fā)展的。它是先進制造群的一個重要組成部分，其對促進企業(yè)產(chǎn)品 創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競爭力都有積極的推動作用。 近幾年來，RP 技術(shù)的應(yīng)用已得到了全面的發(fā)展，快速成型技術(shù)已在機械制造、工業(yè) 造型、航空航天、軍事、輕工、家電、考古、醫(yī)學、文化藝術(shù)、雕刻、等領(lǐng)域都得到了 廣泛應(yīng)用。并且隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫骄C合拓展。 目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中技術(shù)成熟應(yīng)用比較廣泛的成型工 藝和設(shè)備主要有以下幾種：光固化成型法 SLA(Stereo lithography Apparatus)、分層 實體制造法 LOM(Laminated Object Manufacturing)、選擇性激光燒結(jié)法 SLS(Selective Laser Sintering)和熔融沉積制造法 FDM(Fused Deposition Manufacturing)【2】。 其中直寫式快速成型技術(shù)無需刀具或制模,縮短了制造周期,并突破了其他快速成形 技術(shù)在材料上的限制【3】,與其他快速成形技術(shù)相比,具有成本低、能耗少、成型速度快, 特別是可用材料范圍廣等優(yōu)點。綜上所述，本文所研究直寫快速成型機身部分的設(shè)計就 具有顯著的意義。 1.21.2 快速成型技術(shù)及其分類簡介快速成型技術(shù)及其分類簡介 快速成型技術(shù)是當今世界上飛速發(fā)展的先進制造技術(shù)之一，其最早產(chǎn)生于 20 世紀 七十年代末到八十年代初，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，并于 20 世紀九十 年代初期引進我國。它集機械工程、CAD、材料學、數(shù)控技術(shù)、分層制造技術(shù)、激光技 2 術(shù)于一身，解決了傳統(tǒng)加工制造中的許多問題，巧妙地將工程師的設(shè)計思想快速精確地 轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?。因?快速成型技術(shù)在對產(chǎn)品的加工過程 中產(chǎn)生的廢棄物不會對周邊環(huán)境造成污染（傳統(tǒng)機械加工的冷卻液等對環(huán)境污染影響很 大） ，所以在當今強調(diào)生態(tài)環(huán)保的今天，這也是一項跨時代的先進綠色制造技術(shù)【4】。 1.2.11.2.1 快速成型基本原理快速成型基本原理 快速成型技術(shù)采用采用離散/堆積成型原理。當對該技術(shù)進行使用時，首先設(shè)計者運用 三維 CAD 軟件或利用逆向工程收集到的幾何數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化模型，這是快速成型技術(shù) 中一項基本條件。設(shè)計者通過三維設(shè)計軟件建立三維模型，然后利用三維 CAD 導出相應(yīng) 的文件格式輸入到快速成型機，其通過點面分析進行三維實體的立體堆積。零件完成后， 我們對其進行后續(xù)處理，使最終成型部件在形狀尺寸外觀性能上均達到設(shè)計要求【5】。 基本過程如圖 1-1 所示： 圖 1-1. 快速成型技術(shù)工藝過程示意圖 CADCAD 模型模型 Z Z 向離散化（分層）向離散化（分層） 層面信息處理層面信息處理 層面制造與連接層面制造與連接 層面全部層面全部 加工完畢加工完畢 后處理后處理 Y Y N N 分分 析析 過過 程程 計算計算 機中機中 信息信息 處理處理 組組 合合 過過 程程 成型成型 機中機中 堆積堆積 過程過程 3 1.2.21.2.2 快速成型的分類及其特點快速成型的分類及其特點 (1)光固化快速成型(Stereo Lithography Apparatus，簡稱 SLA) 光固化快速成型技術(shù)是最早實用化的快速成型技術(shù)，以光敏樹脂的聚合反應(yīng)為基礎(chǔ)， 使紫外激光束沿零件各分層界面輪廓對液態(tài)樹脂進行掃描，使之由點到線，由線到面順 序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固 化另一個層面.這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體。SLA 以其方便、生產(chǎn)周期短，在模具與 塑料加工業(yè)使用越來越廣泛。其優(yōu)點是能直接得到類似塑料的樹脂件，且表面粗糙度較 小。 (2)選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡稱 SLS) 選擇性激光燒結(jié)采用二氧化碳激光器作為能源，在工作臺上均勻鋪上一層很薄 (100200 微米)石蠟或塑料粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性的 進行燒結(jié)，未掃描到的地方仍成粉末。一層完成后在升降工作臺并再次鋪上粉末進行下 一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完成后去掉多余的粉末并進行打磨、烘干等處理。它的缺點是使用 及維護費用高；需要預(yù)熱和冷卻，后處理麻煩；受粉末顆粒大小及激光光斑的限制；成 型過程產(chǎn)生有毒氣體和粉末，污染環(huán)境【6】。 (3)分層實體制造(Laminated Object Manufacturing，簡稱 LOM) 分層實體制造是將單面涂有熱熔膠的紙、陶瓷箔或金屬箔等通過加熱輥加熱粘結(jié)成 一層，位于上方的激光器按照 CAD 模型數(shù)據(jù)，用激光將材料切割成所需要的輪廓，然后 用熱壓輥再貼一層材料在上面，并再次切割，如此循環(huán)往復，直至加工完整個零件的造 型。LOM 具有成型速度快、效率高、成本低等優(yōu)點。但是制件的粘接強度與所選的基材 和膠種密切相關(guān)；廢料的分離較費時間。 (4)熔絲沉積造型(Fused Deposition Modeling，簡稱 FDM) 熔絲沉積造型是將各種熱熔型材料(石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲)等加熱到臨 界狀態(tài)，噴頭根據(jù) CAD 模型數(shù)據(jù)擠壓出這些呈半流動狀態(tài)的材料，經(jīng)凝固形成 0.025 0.762 毫米的薄層。這樣自下而上，一層層的堆疊沉積直至形成整個零件的三維實體。 4 其操作環(huán)境干凈，安全，材料利用率高且選用的材料較多，但其精度低，成行速度相對 較慢。下表為幾種典型的快速成型工藝指標對比。 表 1-1 幾種典型工藝的比較 表 1.31.3 直寫直寫快速成型技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀快速成型技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 直寫快速成型技術(shù)最關(guān)鍵的就是液滴的均勻噴射技術(shù)。目前，利用超聲波噴嘴的液 滴噴射的研究已經(jīng)受到國內(nèi)外許多學者的關(guān)注。液滴噴射是一種用外力迫使液體以液滴 的形式從小孔中射出的技術(shù)【7】。1878 年，科學家 Rayleigh 提出液滴噴射的原型，實際 上就是把液流分裂成液滴，而直到 1951 年，實用的噴射設(shè)備才出現(xiàn)。液滴噴射從技術(shù) 上可分為隨機式（Drop-On-Demand）和連續(xù)式（Continuous）兩類。連續(xù)噴射的液滴按 一定的頻率不斷射出，而隨機噴射的液滴只在有需要的時候才噴出。前者以電荷控制型 為代表，而后者又可分為壓電式、電熱式（氣泡式） 、電磁閥式等。 80 年代中期開始，液滴噴射技術(shù)也取得了長足的進展。液滴噴射技術(shù)具有成本低、 結(jié)構(gòu)簡單、原料節(jié)省、定位精度高等優(yōu)勢，但是，一方面，噴射系統(tǒng)中為防止噴頭被堵 塞，所以對其溶液的微粒分散性有很高要求；另一方面，當今技術(shù)又很難對稀的分散體 進行快速固化使其密度均勻。但是近年來，溶膠一凝膠和納米分散技術(shù)有了長足的發(fā)展， 這無不對噴射技術(shù)來說是一個質(zhì)的飛躍。 工藝 指標 光固化快速 成型(SLA) 選擇性激光 燒結(jié)(SLS) 三維打印 (3DP) 分層實體制 造(LOM) 熔絲沉積造 型(FDM) 加工速度快慢快快慢 加工精度高低低高低 復雜程度一般復雜復雜簡單一般 零件大小小件小件小件大件小件 加工成本高低低低低 使用材料熱固性光敏 樹脂 石蠟、陶瓷、 塑料粉末 石蠟、陶瓷、 塑料粉末 紙、陶瓷箔 或金屬箔 ABS、尼龍、 蠟等 5 上世紀 90 年代初，美國麻省理工學院和加州大學提出了均勻液滴噴射快速成型技 術(shù)【8】，這是一種新型的快速成形工藝，設(shè)計者們將噴墨打印技術(shù)的想法應(yīng)用到制造領(lǐng) 域而最終得到研發(fā)，其理論依據(jù)是射流的線性不穩(wěn)定理論。近年來，E.Sachs 教授領(lǐng)導 下的試驗室對 3DP Printing 工藝及相關(guān)技術(shù)進行深入分析，他們的研究工作同樣 是在原型樣機上進行的。他們不僅對樣機的機械與控制系統(tǒng)做了進一步調(diào)整改善，更把 金屬基材料噴射技術(shù)作為重中之重。其噴頭采用紅寶石制成，噴孔直徑 50um，得到的試 樣層厚 100um。他們利用此工藝加工那些外形復雜，一般機械無法加工得到的金屬型， 例如具有復雜內(nèi)流道的葉片，以及具有復雜冷卻流道的注塑模等金屬結(jié)構(gòu)件。美國 MicroFab 公司專門從事快速成形機開發(fā)的商業(yè)機構(gòu)，對此技術(shù)也展開了研究【9-11】， 他們生產(chǎn)的 JetLab 成型系統(tǒng)在快速成形機市場中也具有一定的影響力。 隨著噴射技術(shù)的研發(fā)，目前我國大量研究者對液滴噴射技術(shù)也進行了廣泛關(guān)注，并 展開了深入研究，取得了一定的成果。華中理工大學馬如震等人【12】經(jīng)過幾年探究，就 基于微小熔滴快速成型技術(shù)的加工工藝和成型方法做出了一定的成果。其團隊對各項制 造技術(shù)數(shù)據(jù)做了相關(guān)分析和討論，包括（溫度、振幅、飛行距離、掃描速度和噴射頻率 的實時匹配、壓電晶體的振動頻率） ，其團隊還對影響快速成型質(zhì)量的工作參數(shù)進行了 比對與選擇；清華大學顏永年教授提出離散-堆積成型學原理并利用微滴噴射技術(shù)開發(fā) 出低溫冰型快速成形系統(tǒng)【13】。天津大學化工學院陳松等人利用均勻液滴噴射技術(shù)研發(fā) 生產(chǎn)了粒徑在mm 的粒狀化工產(chǎn)品，并對噴嘴的射流斷裂，震動噴流造粒，粒堿等 方面進行觀察，對射流斷裂形成均勻液滴的流速、材料特性、 、頻率范圍及噴嘴形狀、 振動方向等因素的影響進行探討；中國科技大學自行研制了噴頭組合溶液噴射儀，這 有望在光電器件、微制造以及材料等科學中得到廣泛的應(yīng)用【14】；西安科技大學楊來俠 教授一直從事快速成型技術(shù)(液體噴射)及相關(guān)領(lǐng)域的研究，并取得一定成果。 回顧快速成型技術(shù)自九十年代的發(fā)展史，我們無不對其在制造業(yè)中的貢獻而感到驚 嘆?，F(xiàn)如今無論是個體、企業(yè)、研發(fā)機構(gòu)均采用這項新技術(shù)在制造業(yè)這個很大的領(lǐng)域中 不斷鞏固向前。我國的快速成型技術(shù)還處于一種萌芽階段，無論從技術(shù)、材料、科研還 是人才儲備方面都與國外有很大的差距，面對一項新挑戰(zhàn)，我們需要在其相關(guān)領(lǐng)域不斷 探索，不斷總結(jié)，努力承擔起 21 世紀制造業(yè)發(fā)展的新重任。 6 1.41.4 論文主要章節(jié)安排論文主要章節(jié)安排 本論文主要目的在于深入理解直寫快速成型機的工作原理，并在閱讀部分中外相關(guān) 文獻的基礎(chǔ)上，對直寫快速成型機的機械部分進行合理的設(shè)計。論文內(nèi)容共分為五個部 分，各章節(jié)內(nèi)容概括如下： 第一章 緒論。簡要介紹快速成型技術(shù)概況及直寫快速成型機在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以 及本文的選題背景，意義和主要工作。 第二章 直寫快速成型制造法概述。簡要介紹直寫快速成型機的工作原理及其優(yōu)勢所 在。最后介紹了直寫快速成型機基于本身優(yōu)勢的應(yīng)用。 第三章 直寫快速成型機整體設(shè)計方案確定。將幾種總體方案進行對比并最后選取一 種合理經(jīng)濟的方案。最后進行了總體布局設(shè)計。 第四章 直寫快速成型機機械零部件的設(shè)計。對機器各個部分進行詳細的分析計算， 完成設(shè)計內(nèi)容。 第五章 總結(jié)。對本論文研究成果進行總結(jié)，并在最后附有參考文獻。 7 2 2、直寫快速成型制造法、直寫快速成型制造法 2.12.1 直寫快速成型技術(shù)的工作原理直寫快速成型技術(shù)的工作原理 直寫快速成型機示意圖如下圖 2-1 所示。它主要由液體噴頭、固體噴頭、計算機控 制系統(tǒng)、三維控制系統(tǒng)和光固化機構(gòu)組成。其原理為：首先設(shè)計者在計算機上繪制出零 件的三維 CAD 模型，然后利用現(xiàn)有分層軟件對該三維模型進行 Z 向一系列有序單元分化 離散化(分層處理)，從而得到該模型截面的輪廓信息，緊接著進行層面信息處理即 將這些信息輸送給三維控制系統(tǒng)，使三維控制系統(tǒng)控制液、固 2 個噴頭在 X-Y 平面內(nèi)按 已設(shè)計預(yù)定軌跡運動,在相應(yīng)的位置滴出成型材料,并使其在固化機構(gòu)的作用下迅速固化,從 而形成零件上的 1 個成型層。依據(jù)此方法，當 1 層加工完成后,工作臺相對噴頭離開 1 個很小的特定距離,繼續(xù)進行第 2 層的制造。依次反復,就可形成所需要的零件模型。 圖 2-1 直寫快速成型系統(tǒng)工作原理示意圖 1.電機 2.固化機構(gòu) 3.固體噴頭 4.液體噴頭 5.計算機 6.工件 7.工作臺 8 2.22.2 直寫快速成型技術(shù)的特點直寫快速成型技術(shù)的特點 直寫快速成型技術(shù)延續(xù)了快速成型技術(shù)的精髓，其不需要刀具或模具制造,與其他 制造工藝相比，這大大縮短了制造周期,并且突破了其他快速成形技術(shù)在材料上的限制。 直寫快速成型在與其他成形(如 SLA、SLS、FDM、LOM 等)技術(shù)相比,具有低成本、高效率、 成型精度高,制造復雜零件的可行性，特別是可用材料選用范圍廣等優(yōu)點。對于直寫式 快速成型系統(tǒng),只要嚴格控制系統(tǒng)的背壓、噴射頻率、噴嘴孔徑等,便可使材料從噴嘴中 按照理想的結(jié)果噴出,最后通過外界的固化機構(gòu)使其黏結(jié)在一起,制成零件模型。 2.32.3 直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用 直寫快速成型技術(shù)的應(yīng)用范圍【15】很廣,主要應(yīng)用于如下領(lǐng)域: 1)生物醫(yī)學制造,以 FDM/SLS 形式制造骨骼植入體、組織工程細胞載體框架結(jié)構(gòu)等 復雜三維構(gòu)件; 2)新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗證與功能驗證，RP 技術(shù)快速將 CAD 模型轉(zhuǎn)化為所需實 體，設(shè)計者可以根據(jù)其外觀，裝配性，合理性進行分析修改，這樣就不會造成因誤差或 其他原因造成很大的損失。 3)功能梯度材料的制備,通過多個噴頭定量定點精確噴射多種材料,可以裝配成可控 組分分布的材料和功能梯度材料; 4)微電子業(yè)的應(yīng)用,半導體的封裝,電路板印刷; 5)航空航天領(lǐng)域,受損航天器中結(jié)構(gòu)件的快速修復。 9 3 3、直寫快速成型機整體部分設(shè)計、直寫快速成型機整體部分設(shè)計 直寫快速成型機結(jié)構(gòu)簡單，工作快捷方便，根據(jù)其特點我們可以將機身部分拆分為 幾個部分，即工作臺面、液固噴頭、電機、X-Y-Z 傳動系統(tǒng)、光固化機構(gòu)、機身和機殼。 其中： (1)工作臺面：在工作臺完成零件加工，工作臺每次下降的距離即為層厚。零件加 工完后，工作臺升起，以便取出制造好的工件，并為下一次加工做準備。工作臺的升降 由步進電動機通過滾珠絲杠驅(qū)動。 (2)液、固噴頭：在噴嘴被壓系統(tǒng)的作用下，控制噴嘴安全可靠地噴灑出覆膜砂和 粘結(jié)劑等材料于工作臺面，關(guān)鍵是要控制噴出物的連續(xù)性、均勻性與穩(wěn)定性。 (3)X-Y-Z 傳動系統(tǒng)：噴嘴及工作臺的移動全靠傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)，所以合理的選取各 方向的傳動機構(gòu)是保證工作正常、可靠、高性能進行的保證。 (4)電機：電機是實現(xiàn)運動的動能機構(gòu)來源，再保證機構(gòu)順利地傳動下，合理選取 電機是很有必要的。此論文中分別包括驅(qū)動 Z 向、X 向、Y 向的電機。 (5)機身和機殼給整個快速成型系統(tǒng)提供機械支撐和所需的工作環(huán)境。 綜上所述，我們羅列出不同設(shè)計方案進行對比分析。 3.13.1 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計 3.1.13.1.1 總體設(shè)計方案一總體設(shè)計方案一 運動方案：工作臺實現(xiàn) X-Y 方向的移動，噴頭實現(xiàn) Z 向單一運動 傳動方案: X-Y-Z 方向均采用滾珠絲杠傳動。 其方案機構(gòu)簡圖如下圖 3-1 所示。 方案 選取 10 圖 3-1 方案一簡圖 方案說明：此套方案借鑒臥式鏜床工作方式，結(jié)構(gòu)緊湊，運動快捷。如圖示，噴頭 即 Z 軸方向的運動由電機驅(qū)動控制，并配以滾動絲杠，在保證精度的同時，加強其承載 能力，以便實現(xiàn) Z 向噴頭的移動。工作臺實現(xiàn) X-Y 平面的運動，其平面運動也同樣用電 機驅(qū)動控制，也配以滾珠絲杠傳動，最終實現(xiàn)工作臺面的平面移動。 3.1.23.1.2 總體設(shè)計方案二總體設(shè)計方案二 運動方案：工作臺實現(xiàn) Z 方向的單一移動，噴頭實現(xiàn) X-Y 向運動 傳動方案: X-Y 方向均采用帶式傳動，Z 向采用滾珠絲杠傳動。 方案說明：此方案結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)。工作臺在電機的驅(qū)動下通過滾珠絲杠來實 現(xiàn) Z 方向的單向移動，當加工完成一層后工作臺下降一小段距離；噴頭沿著導軌在 X-Y 平面運動，且均有兩電機驅(qū)動帶動同步帶來實現(xiàn) X-Y 向的移動，如此循環(huán)完成作業(yè)。其 示意圖如下圖 3-2 所示： 方案 選取 11 圖 3-2 方案二機構(gòu)圖 3.23.2 總體方案設(shè)計比較總體方案設(shè)計比較 1)形體分析 就整體而言，雖然方案一只展現(xiàn)出其運動方式，但其結(jié)構(gòu)緊湊，這無形的減少了機 器所占據(jù)的空間大小，我們從方案二可看出其尺寸較方案一更大些。這是方案二的弊端。 但方案二機器呈長方體，布局較合理，便于機器設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護、檢修，同時 從人體工程學的角度分析，方案一的長方形布局更適合操作人員的操作習慣。所以在形 體方面，方案二略優(yōu)于方案一。 2)成型精度分析 快速成型技術(shù)采用的是分層疊加原理，噴頭自下而上，一層層的堆疊沉積直至形成 整個零件的三維實體。就方案一而言，噴頭只沿 Z 向單向移動，而工作臺沿 X-Y 向作平 面運動，當加工一層面時，噴頭不動，只在被壓系統(tǒng)作用下噴灑液固體，而工作臺面沿 著沿著材料輪廓成型軌跡運動，當一層加工完成后，工作臺不動，噴頭沿著 Z 向向上移 12 動一小段距離，繼續(xù)加工另一層面，如此往復循環(huán)。但值得注意的是，工作臺平面移動 由于受到慣性的影響必然會影響正加工面或已加工面的成型精度，這是我們不得不關(guān)注 的一個問題。 對方案二而言，工作臺只沿 Z 向作單向運動，噴頭會根據(jù)層面輪廓信息在 X-Y 方向 做平面運動。所以相比較方案一，此方法由于噴頭的質(zhì)量較小，所以受到更小的慣性力， 運動移動更加靈活，這就無形的增加了物體的成型精度。所以在成型精度中，方案二優(yōu) 于方案一。 3)傳動系統(tǒng)分析 在方案一中，X-Y-Z 向均采用滾珠絲杠傳動，這大大提高了傳動精度和效率，保證 工件能被高精度的制造完成，但考慮到本次設(shè)計最大成型工件尺寸為 200x200x100mm， 并不是很大工件，且考慮到其成本較高，維護困難。 在方案二中，只有 Z 向采用滾珠絲杠傳動，工作臺的下降往往在 0.080.15mm 之間，所以這在設(shè)計制造中精度要求很高；X-Y 平面均采用同步帶傳動，經(jīng)過驗算，其 完全可以達到精度要求，而且同步帶傳動平穩(wěn)，無滑動，維護方便，不需潤滑，這大大 降低了成本【16】。 綜合考慮，方案二優(yōu)于方案一。 3.33.3 總體設(shè)計方案選擇確定總體設(shè)計方案選擇確定 綜上述比較分析可知，方案二更具實用性、可行性。所以在本次設(shè)計中預(yù)采用方案 二總體布局設(shè)計，最后根據(jù)計算及校核確定最終方案。 3.43.4 直寫快速成型總體布局設(shè)計直寫快速成型總體布局設(shè)計 下圖 3-3 和圖 3-4 分別為直寫快速成型機主視圖與俯視圖預(yù)覽，在進行設(shè)計的時候， 我總結(jié)了上述兩種方案的弊端，合理利用空間，在保證有效可靠完成機械運動的情況下， 我盡量節(jié)約成本，大膽提出設(shè)想，在參閱一些快速成型機實體與資料后，最終制定出以 下預(yù)想布局。如圖所示展現(xiàn)了直寫快速成型機的一個整體部件，X-Y 工作平面主要采用 13 同步帶傳動，Z 軸方向主要通過步進電機帶動絲杠傳動。當然，整個成型機還存在著運 動與造型的缺陷，這將在下述章節(jié)中對其進行計算選擇。 圖 3-3 直寫快速成型機主視預(yù)覽設(shè)計圖 圖 3-4 直寫快速成型機俯視預(yù)覽設(shè)計圖 14 4 4、直寫快速成型機主要零部件設(shè)計、直寫快速成型機主要零部件設(shè)計 4.14.1 Y Y 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計 4.1.14.1.1 Y Y 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計構(gòu)想軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計構(gòu)想 Y 軸方向主要負責帶動噴頭在 X-Y 平面內(nèi)沿 Y 方向移動。主要部件有電機、同步帶、 軌道組成。由于此方向只有噴頭且質(zhì)量較小，所以完全可以用同步帶來傳動，既可保證 足夠傳動精度，也可降低成本。在選擇電機時，由于直流伺服電機具有精確的速度控制,轉(zhuǎn) 矩速度特性很硬,原理簡單、使用方便,價格有優(yōu)勢，且對控制信號響應(yīng)快【17】 【17】 ，適合噴 頭適應(yīng)多變的軌跡運動的要求，所以可以選擇直流伺服電機。由于沿 Y 向?qū)к壷怀惺軉?個噴頭重量（設(shè)其重量最大為 80N）,移動距離在 700mm 左右，且導軌只能兩頭固定，中 間懸空，故選擇煙臺同升科技發(fā)展有限公司的 SC 系列直線導軌。 4.1.24.1.2 直流伺服電機的選擇計算直流伺服電機的選擇計算 1. 預(yù)備計算：負載規(guī)格 W：運動部件的重量=噴頭質(zhì)量+液/固(材料)=5kg ； U：滑動表面摩擦系數(shù)=0.05 ； ：驅(qū)動系統(tǒng)傳動效率=0.95 表 4-1 摩擦系數(shù)值 表 4-2 機械效率 15 變速比：Z1 / Z2 =1/1 2負載力矩的計算 Tm 1 0.255 0.2 223.140.95 0.0550.25gf =P FL TmNm FK Z 其中： L：電機轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)同步帶移動距離 2 =5mmZ 3.負載慣量的計算 A圓柱體回轉(zhuǎn)慣量 圖 4-1 圓柱體回轉(zhuǎn)慣量示意圖 4 bbb 3 452 = 32980 3.147.8 10 1.631.535 10gfs 32980 JD L Kcm = 其中 : 物體材料比重（K g 3 bb ) 3;=1.6 cm cmcm L （長度） D （直徑） B沿直線回轉(zhuǎn)慣量 2 2 32 980 5 3.210 980 2 5 2 3.14 w w J Kgf cm s L = 其中 w : 沿直線運動物體質(zhì)量 K gf L：電機轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)物體沿直線運動距離 cm 16 2 kg.m100注：1 26 532 9.8m.Nm=10. 100 =J +J1.535 103.2 100.000315. 9.8 bw kgf cmsN M kg m 1 所以 J 4.電機的選擇 空心杯電機是一種結(jié)構(gòu)形式較為特殊的高性能電機，空心杯電機除具有普通永磁直 流電機所具有的良好的起動特性和平滑的調(diào)速特性外，它比傳統(tǒng)的直流電機具有更好的 驅(qū)動性能和伺服性能，如無鐵損、效率高、換向性好、慣量小，靈敏度高、壽命長等特 點。所以根據(jù)負載力矩和負載慣量，再根據(jù)常用直流伺服電機特點，我選擇空心杯電機， 其型號為 40SYK71 型。其具體技術(shù)參數(shù)如下： 表 4-3 空心杯電機 40SYK71K 型技術(shù)參數(shù)表 型號40SYK71 標稱功率 0.15 kw 額定電壓 24 volt 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 1356 mNm 最大效率 92% 最大連續(xù)輸出功率 150.306 W 4.1.34.1.3 同步齒形帶的計算同步齒形帶的計算 已知條件：中心距小于 800mm，功率=150W ，工時10 小時 同步帶的工作面有齒，帶輪的輪緣表面也制有相應(yīng)的齒槽，帶與帶輪是靠嚙合進 行傳動的，故傳動比恒定。在規(guī)定張緊力下，相鄰兩齒中心線的直線距離稱為節(jié)距， 以 P 表示。節(jié)距是同步帶傳動的主要參數(shù)。當同步帶垂直其底邊彎曲時，在帶中保持 原長度不變的周線，稱為節(jié)線，通常位于承載層的中線。節(jié)線長以 Lp 表示。 1.計算功率： PC=KAP=1.6O.15=0.24kw 根據(jù)下表 17 表 4-4 載荷修正系數(shù) 2.選擇帶型與節(jié)距【18】： 選擇型號 XL 型 節(jié)距 5.080mm 圖 4-2 同步帶型號選擇 表 4-5 同步帶參數(shù) 3.齒數(shù)： 1min21 iZZZ Z 所以根據(jù)下表得 Z=10 18 表 4-6 帶輪最小齒數(shù) 4.帶輪節(jié)圓直徑: 1 10 5.080 16.178 3.14 Z P Dmm 5.帶速： max max n3.14 16.178 6224 5.2 60 100060 1000 50 D VV m 其中 XL L 型 Vs 6.同步帶帶長 L： 12 21 21 2 cos 222 DDDD La DD a 帶入數(shù)據(jù)得 3.14 16.178 16.178 2 800 11652.68 2 Lmm 選取標準節(jié)線長度 1778mm 1778 P Lmm 7.同步帶齒數(shù)： 1778 350 5.080 p b b L Z P 8.實際中心距: 2 12 8651 44 m LD amm m LD 9.帶輪嚙合齒數(shù)： 11 21 10 5 2202 m ZpZ ZZZ a 10.基本額定功率： 22 0 500.022 5.25.2 0.26 10001000 a Fqvv Pkw 其中 00 a0 0 bkw b,- kg qb- m P FN 同步帶基準寬度所能傳遞的功率， 基準寬度同步帶的許用工作拉力，見表4 5 基準寬度為的同步帶質(zhì)量，見表4 5 19 11.帶寬: 查表 4-7 選標準系列的 b=9.5mm c 1.14 0 z0 p b=b k p 表 4-7 帶寬標準系列 12.軸上載荷： 10001000 0.24 46.15 5.2 c Q P FN v 13.驗算：由于kw0.24kw PP 設(shè)計額定 即0. 26 則帶的傳動能力已足夠 14.整理結(jié)果： bbpw =5.080mm =350=1778mm b =9.5mm d=16.178mm Z=10 XLPZL選用型同步帶， 帶輪： 4.1.44.1.4 軌道設(shè)計軌道設(shè)計 由于沿 Y 向?qū)к壷怀惺軉蝹€噴頭重量（設(shè)其重量最大為 80N）,移動距離在 700mm 左右，且導軌只能兩頭固定，中間懸空，故選擇煙臺同升科技發(fā)展有限公司的 SC 系列 直線導軌，型號為 SC10UUN,其具體參數(shù)如下圖： 20 圖 4-3 SC10UUN 型軌道及其參數(shù) 由上圖知，SC10UUN 其額定載荷為 540N，足以承受單個噴頭重量且完成 Y 軸方向運 動。 4.24.2 Z Z 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計 4.2.14.2.1 Y Y 軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計構(gòu)想軸方向傳動機構(gòu)設(shè)計構(gòu)想 Z 軸方向主要完成對零件的支撐及在 Z 軸方向的運動，實現(xiàn)零件堆積等主要過程， 我們必須要保證其定位精度及剛度要求。其主要部件有伺服電機、絲杠螺母、工作臺等。 在電機的選取上，我選用步進電機驅(qū)動，在絲杠傳動中選擇滾珠絲杠機構(gòu)，其傳動精度 高，摩擦阻力小【19】，壽命長。 4.2.24.2.2 設(shè)計參數(shù)的確定設(shè)計參數(shù)的確定 系統(tǒng)分辨率: 3 1 10 mm 21 由靜止到最大快進速度過渡時間： :1113tmsms p : 工作臺行程： Z 向 100mm 最大快進速度： m/s 1 60 定位精度： 0.01mm 4.2.34.2.3 脈沖當量、傳動比、步距角的確定脈沖當量、傳動比、步距角的確定 1脈沖當量的確定 脈沖當量即為系統(tǒng)分辨率 p -3 p=1 10 mm 例：假如絲杠螺距為 5mm，要求輸入一個指令脈沖時工件位移 0.001mm，則要求伺 服轉(zhuǎn)一周需要輸入指令脈沖數(shù)50.0015000mmmm 2.傳動比確定 i=1 時，步進電機通過聯(lián)軸器直接與絲杠連接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。 3.步距角確定 0 0 0 360 : 1=0.001mm =5mm =0.072 b b p bp pb L i iL iL 由公式 其中 傳動比 ：電機步距角 ：脈沖當量 ：滾珠絲杠導程 由于步距角很小，所以采用細分電路驅(qū)動結(jié)構(gòu) 4.2.44.2.4 滾珠絲杠的選型、計算、校核滾珠絲杠的選型、計算、校核 說明：因為絲杠垂直放置，它只承擔傳動作用，不承受任何切削力，所以本次設(shè) 計只考慮導軌摩擦力和系統(tǒng)慣性力。 1工作臺及成型工件最大重量計算 (1)工作臺選用材料為鋼，其 10mm 厚鋼板的比重 7850kg/m 又工作臺質(zhì)量尺寸為 50050010mm 最終所得工作臺的質(zhì)量 1 19.620mkg 22 (2)工件成型材料選用覆膜砂，其密度為 【20】 3 1.6g cm 又工件最大成型尺寸為 200200100mm 最終所得工件最大質(zhì)量 2 6.4mkg 所以 12 ()(206.4) 9.8258.7GMgmm gN 2慣性力的計算 取平均加速時間 t=10ms 因為系統(tǒng)最大快進速度 m/s ， 1 60 系統(tǒng)加速度 2 1.7am s 所以 1 26.4 1.744.88FMaN 3.滾珠絲杠螺母副的選型、計算 (1) 最大工作載荷計算 1 258.744.88303.6FFGN 最大動載荷計算公式 h n k CF k f 其中 F滾珠絲杠副軸向負荷 影響滾珠絲杠副壽命綜合系數(shù) f 1 3 1 3 =15000h h = =0.3 500 33.3 hh hh nn LL kk kk L n 各類機械所用滾珠絲杠推薦壽命 壽命系數(shù) 3. 1 轉(zhuǎn)速系數(shù) 取值如表 4-8 0.95 1 1 0.33 0.29 1.1 thak w f f f f f f awk th ff fff ：溫度系數(shù) 0. 9 ：硬度系數(shù) 1. 0 ：精度系數(shù) 1. 0 ：負荷性質(zhì)系數(shù) 1. 2 ：可靠性系數(shù) 0. 33 23 表 4-8 影響滾珠絲杠副壽命綜合系數(shù) 綜上： 3.1 =303.6=10818 0.3 0.29 h n k CFN k f 查閱資料，選擇昆山旭日滾動部件有限公司的內(nèi)循環(huán)雙螺母滾珠絲杠副 型號為 2005-4。其具體參數(shù)如下表 4-9 所示 表 4-9 2005-4 內(nèi)循環(huán)雙螺母滾珠絲杠副型號 型號2005-4 公稱直徑 dm20 mm 基本導程 Lo5mm 鋼球直徑 Dw3.175mm 螺旋角 5 41 額定動載荷 Ca11082N 額定靜載荷 Cao23340N 24 4.傳動效率的計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： tantan5 41 0.97 tantan 5 41 10 其中：為絲杠螺旋升角；為摩擦角約等于 10 要求在，所以該絲杠副滿足此要求。 90%95%:之間 5.剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向剛度會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動平穩(wěn)性。 原則：絲杠導程誤差（軸向變形量）機床定位精度的一半 軸 絲杠拉壓變形 向 絲杠與螺母間滾道的接觸變形 變 絲杠扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形 （無切削力，扭轉(zhuǎn)力?。?形 螺母座變形及滾珠絲杠軸承軸向接觸變形 （設(shè)計合理即可） (1)絲杠拉壓變形量 1 按滾珠絲杠在最大工作載荷下的拉壓變形計算，計算公式為 1 m F L EA 其中 L：絲杠支撐間受力長度 mm ：最大載荷下的拉壓變形量 mm 1 Fm：絲杠工作載荷 E：材料彈性模量 A：絲杠截面積 mm2 螺紋滾道曲率半徑 R=0.52Dw=0.523.175=1.65mm 偏心距 e=0.707（R-Dw/2）=0.707(1.65-3.175/2)=0.044mm 螺桿小徑 1 22202 0.0442 1.6517 m ddeRmm 則 取絲杠長度 L=450mm 222 1 3.14 17226.9 44 Admm 1 5 303.6 450 2.9 2.06 10226.9 um (2)絲杠與螺母接觸變形量 2 25 公式 303.6 9550.32 cmc FKum 其中 Fm：工作載荷 Kc：絲杠副剛度 所以絲杠總變形量 1 2.90.323.22 c um 由于絲杠精度分為七個等級，即 1、2、3、4、5、7、10 級。1 級精度最高，依次 逐漸降低。主要數(shù)據(jù)如下： 精度等級 1 2 3 4 5 7 10 對應(yīng)兩個主要項目如下： 任意 300mm 行程內(nèi)行程變動量V300p - 6 8 12 16 23 52 210 2 弧度內(nèi)行程變動量（本項僅適用于 P 類滾珠絲杠副） V2p - 4 5 6 7 8 所以 11 63.229.220.0315 22 Lumum 綜上：絲杠剛度滿足要求 6.穩(wěn)定性計算 (1)由于一端軸向固定的長絲杠在工作時由于承受壓縮負載，所以有可能發(fā)生失穩(wěn)，所 以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于S。 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 Fcr 公式為 2 cr2 = a EI F ul 其中： E絲杠材料彈性模量 2.061011pa I絲杠危險截面的軸慣性矩 （m4） do：絲 44 494 20 1.20.020 1.2 0.0031753.37 10 646464 aw IddDm 杠公稱直徑 Dw：鋼球直徑 u長度系數(shù)，雙推-自由式 u=2 l絲杠工作長度 l=0.4 所以 22119 cr22 3.142.06 103.37 10 =8450.2 2 0.45 a EI FN ul 26 安全系數(shù)S=34 8450.2 27.8 303.6 cr m F S F 所以絲杠是安全的，不會失穩(wěn) 表 4-10 絲杠副系數(shù) 支撐方式 有關(guān)系數(shù) 雙推自由 FQ 雙推簡支 FS 雙推雙推 FF S34 2.53.3 u22/3 fc1.8753.9274.730 (2)臨界轉(zhuǎn)速驗證ncr 高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速 maxcr nn 臨界轉(zhuǎn)速按下式計算： 驗證滿足要求 22 1 1max22 1.87517 99109910 2 0.45 c cr f d nn ul : 4.2.54.2.5 步進電機的選擇步進電機的選擇 1.傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 我們在選擇電機時必須考慮傳動系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量。在設(shè)計中，我們要把與電機 主軸不同軸線的運動部件的轉(zhuǎn)動慣量紛紛折算到電機軸上，最后算取總的轉(zhuǎn)動慣量。在 此次設(shè)計中，傳動部件有絲杠和工作臺，且其同軸，具體計算過程如下： (1)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量計算 S J 44 0 442 m0 7.8 10 7.8 102450=5.6kg.cm Sm JDL D 其中 ：絲杠公稱直徑 L ：絲杠行程 (2)工作臺質(zhì)量折算 G J 27 22 2 0 0.45 =26.40.14kg.cm 22 G L JM (3)傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量J 2 =+=5.6+0.14=5.74kg.cm SG JJJ 2.轉(zhuǎn)動力矩的計算 快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩： max0 = af M MMM 其中：空載啟動力矩 M 空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上加速力 maxa M 矩 空載折算到電機軸上的摩擦力矩 f M 由于絲杠預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩 0 M (1)加速力矩： 2 maxmaxb maxmax p 2 10= 60360 a nV MJJn