Delta-3D打印機作業(yè)報告

1、Delta-3D打印機作業(yè)報告3 "京航空航太火摩 / /A N G U N I V E R S IDelta 3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計組長王琛 ZY1607512組員魏玉波SY1607423成績:2016-12-29組員學(xué)號姓名工作內(nèi)容零件名稱組長ZY1607512士琛1 .提出設(shè)計題 目及目標(biāo)2 .搜集資料3 .確定結(jié)構(gòu)設(shè) 計力殺4 .繪制零件三 維模型及二 維圖紙5 .主要零件部 裝配6 .編寫作業(yè)報 告文檔exturder. CATProductLink-product . CATProductProduct2. CATProductBall-bearingBall-screwbe

2、ltCarrier of stepmotorCarrier of wheelDivern-wheel-carrierE3DV6Fixing-circleleverM5linkMotor-carrier2Motor-gearPart1Part2Part3Part4Part5Part6PLAplatformshellTop-shell成員SY1607423魏玉波1 .搜集資料2 .繪制零件三 維模型及二 維圖紙3 .零部件裝配4 .編寫作業(yè)報 告文檔Moving-product . CATProductPlatform-product . CATProduct42stepmotoraxleCool

3、ing-blockCT-ATP28MXL025-A-H5Driven-wheelE4A5Moving-partsleeve目錄.7.89.10.11.12.12.12.13.14.15.191產(chǎn)品簡介1.11.2 Delta 3D 打印機機構(gòu)描述 61.3 打印原理2 機械系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 基于Delta結(jié)構(gòu)的運動系統(tǒng)部分2.2 熱頭部分2.3 擠出機部分2.4 工作平臺3產(chǎn)品典型零部件設(shè)計3.1 擠出機構(gòu)設(shè)計3.2 擠出噴頭選取3.3 電機的選擇4產(chǎn)品建模5總結(jié)與感想1產(chǎn)品簡介1.1 背景3D 打印（Three Dimension Printing, 3DP）技術(shù)是采用離散材料（液體、粉末

4、、絲、板、片、塊等）逐層累加原理制造實體零件的技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的材料去除技 術(shù)，3D打印是一種自下而上材料累加的制造工藝。進入21世紀(jì)以來，Delta系列 機器人呈現(xiàn)出高速、高精度、靈活性等發(fā)展方向，Pier-rot團隊相繼發(fā)明了四支鏈 的H4以及Part4等機構(gòu)，Clavel先后提出將外轉(zhuǎn)動副改為移動副的三種變異形式， 即直線型Delta結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計的3D打印機，其結(jié)構(gòu)即為一種直線型Delta結(jié)構(gòu)。Delta結(jié)構(gòu)3D打印機是Delta結(jié)構(gòu)并聯(lián)機器人與3D打印的融合。Delta型3D 打印機作為3D打印機的個重要分支，它以價格低、占地面積極少，實用等優(yōu)點在 現(xiàn)實生活中應(yīng)用的越來越廣泛。Del

5、ta型3D打印機具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便性 價比高等特點。Delta型如打印機因其區(qū)別于其他類型的3D打印機的獨特優(yōu)勢在實 際生活中應(yīng)用越來越廣。Delta機型是一種并聯(lián)式運動結(jié)構(gòu)的3D打印機，Delta機 型實際上是分為兩大類一種是工業(yè)上用的并聯(lián)式機器人，另外一種是rostock的運 動結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計了款Delta型3D打印機即基于三臀并聯(lián)結(jié)構(gòu)的桌面微型3D打印 機。把工業(yè)用的并聯(lián)機械手搬到普通家庭的桌面上，讓其實現(xiàn)三維打印，讓我們不 需要花很高的成本去買專業(yè)級別的3D打印機。我們有時候想制作出些模型來觀察 和實驗，不需要很高的精度，只是需要速度。我們使用Delta型并聯(lián)機械手臂來實 現(xiàn)3

6、D打印，能保證一定的精度和速度，如果能制作出這樣的3D的打印機，很多工 程師都可以將自己的設(shè)計打印出來，通過對型3D打印機的深入研究挖提出其特有 的優(yōu)勢使如打印技術(shù)發(fā)揮越來越大的作用1.2 Delta 3D打印機機構(gòu)描述該3D打印機由定平臺、動平臺以及連接兩平臺的3個分支組成（圖1）,3個分支 以定平臺中心呈對稱分布，具有相同的運動鏈，都含有一個平而平行四邊形機構(gòu)。 該平行四邊形機構(gòu)一端與滑塊連接，另一端與動平臺連接，動平臺中心與該 3D打 印機的打印頭部分相連接，該平行四邊形機構(gòu)可等效為過其上下邊中點的一根單桿。滑塊安裝在直線導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的下方安裝有3臺步進電機，步進電機帶動軸上 的同步帶輪

7、做旋轉(zhuǎn)運動，同步帶輪依靠與滑塊固定在一起的同步帶，將同步帶輪的 旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運動，滑塊的上下運動使得動平臺完成對打印頭位置的 控制圖1 3D打印機實物圖1.3 打印原理三維打印技術(shù)：首先利用三維設(shè)計軟件對零件進行三維 CADK體建模，并將得 到的三維實體模型以一定的厚度進行分層切片處理，生成二維的截面信息，然后根 據(jù)每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀。這一過程反復(fù)進行，各截 面層層疊加，最終形成三維實體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄， 生成的零件精度越高。FDM容融層積成型技術(shù)是目前常用的3D打印技術(shù)之一。 三維打印機的工作原理如圖2所示。計算機控制快速成型

8、機的加熱噴頭，依據(jù)每一 層截面數(shù)據(jù)作x-y 平面運動。送絲機構(gòu)將絲材送至噴頭，經(jīng)過加熱、熔化，從噴 頭擠出的打印材料粘結(jié)到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每當(dāng)其中一層截面打印 完成后，工作臺將下降前一次打印完成的高度，然后繼續(xù)下一層的打印。如此循環(huán) 重復(fù)，直到整個實體的造型完成。Jr線材噴頭線給圖2打印機工作原理圖2機械系統(tǒng)總體設(shè)計Delta 3D打印機機械系統(tǒng)主要包括運動機構(gòu)、熱頭、擠出機構(gòu)、工作臺四個 部分（如圖3所示）。送絲機構(gòu)將低熔點絲狀材料送給加熱器，加熱器通過擠壓熱頭 將絲材熔化成液體，噴頭將熔化后的熱塑材料絲擠出，擠壓頭按照零件的每一截面 信息準(zhǔn)確運動，半流動的熱塑材料被擠出并沉積

9、固化成精確的實際部件薄層，覆蓋 于已建造的零件之上，并在1/10s內(nèi)迅速凝固，每當(dāng)一層完成成型，工作臺便下降 上一層打印的高度，噴頭再進行掃描噴絲完成下一層截面成型，如此循環(huán)反復(fù)，直 到完成最后一層成型，這樣由底到頂逐層地堆積成一個實體模型或零件。加熱融化.膛圖3打印機機械系統(tǒng)簡圖2.1基于Delta結(jié)構(gòu)的運動系統(tǒng)部分本文設(shè)計的三維打印機框架結(jié)構(gòu)是一種Delta運動結(jié)構(gòu)。機械結(jié)構(gòu)如圖4 所示，整個機械固定框架為靜平臺，靜平臺與動平臺分別由三個相同的分支相 連。每個分支由一個移動副和四個球副構(gòu)成，在每個分支中與球副相連的四根 桿構(gòu)成一個平行四邊形。動平臺是一個正六邊形，動平臺的運動是由步進電機

10、帶動直線滑軌上的滑塊完成的。3D打印機的性能主要由機構(gòu)的工作空間決定，并聯(lián)機構(gòu)的工作空間又可以 分為位置工作空間和姿態(tài)工作空間。本文中所采用并聯(lián)機構(gòu)只有3個移動自由 度，因而只具有位置工作空間。球副靜平弁5所b）剖現(xiàn)I2.2熱頭部分圖4機械結(jié)構(gòu)圖本文所用的熱頭是采用英國E3D Online設(shè)計小組開發(fā)的E3D v6熱頭。該工作時，電加熱棒和熱敏電阻共同作用，使熱頭組件最前端的鋁合金加熱塊 保持在一定溫度，會把塑料熔化成膠態(tài)。后頭的塑料在擠出機的作用下持續(xù)往 前推擠，就可以讓膠態(tài)的塑料從噴孔連續(xù)擠出，形成可進行三維打印的熱熔絲。2.3 擠出機部分?jǐn)D出機的工作是將厚重打印材料從3D打印機熱頭出來后

11、擠壓變成細(xì)細(xì)的 料絲。本文設(shè)計的擠出機主要包括步進電機、擠出齒輪、U形輪、彈簧壓緊機 構(gòu)組成。如圖6所示。當(dāng)打印機正常工作時，如圖6中的擠出電機上的銅齒輪和彈簧的彈力使U 形輪將耗材緊緊的夾住。當(dāng)擠出電機正常轉(zhuǎn)動時，電機軸上的銅齒輪通過摩擦 力帶動耗材前進。耗材在熱頭部分被加熱融化成液體，擠出力通過耗材傳遞到 噴頭。當(dāng)擠出力大于耗材在銅頭管道流動中受到的阻力時，耗材才能從熱頭被 擠出。如果銅頭溫度不夠、銅頭內(nèi)有雜質(zhì)、耗材沒有得到充分熔化或過絲孔過小， 就會造成阻力過大，會導(dǎo)致出絲不暢。圖6擠出機結(jié)構(gòu)示意圖2.4 工作平臺本文采用的工作平臺是鋁合金電加熱工作平臺，可以適應(yīng)不同材料的打印 工作。該

12、工作平臺主要由鋁合金板，聚酰亞胺(PI)電加熱膜和熱敏電阻組成。 工作時，在PI電加熱膜和熱敏電阻的共同作用下，使鋁合金工作臺表面保持一 定的溫度。使被打印的工件更好的附著在工作平臺上。3產(chǎn)品典型零部件設(shè)計3.1 擠出機構(gòu)設(shè)計擠出裝置由擠出機和擠出噴頭組成，送料裝置負(fù)責(zé)條料的送給。3D打印機 的擠出機主要有直接擠絲、齒輪擠絲、液體擠出三種類型。本設(shè)計的擠出裝置 的設(shè)計主要考慮以下兩個方面：一方面為了提高打印機的工作精度，應(yīng)可能 減輕噴頭的重量，需要將擠出機裝于3D打印機的頂部，故屬于遠(yuǎn)程擠絲。另一 方面本設(shè)計所選用的打印原料為熔點在170攝氏度左右的環(huán)保高分子材料ABS 故基于以上兩個方面的考

13、慮在設(shè)計中選擇齒輪的方案，擠出機有以下三種設(shè)計 萬案：(1)通過電機帶動齒輪，齒輪與相連接，通過電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動從而控制材料 的進退.此結(jié)構(gòu)裝置比較復(fù)雜而且螺桿上會有顆粒狀材料殘留。(2)采用輸出軸為圓柱形步進電機，用小螺栓將送絲輪固定在輸出軸上，用一 個裝有滾珠的裝置來擠壓打印材料，使材料夾在送絲輪和滾軸之間，使打印材 料兩側(cè)受到壓力產(chǎn)生淺凹槽，迫使材料在電機帶動下前進或倒退。這種裝置的 好處在于對于步進電機的電流和參數(shù)要求并不是太高，同時由于采用齒輪減速 加力，因此擠絲力會比較好。缺點就是這種裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，維護起 來有點麻煩。(3)通過步進電機的輸出軸帶運一軟軸。用軟軸控制兩邊齒

14、輪，用一對齒輪夾 緊打印材料，可完成打印材料的前進和倒退。但此結(jié)構(gòu)裝置較復(fù)雜，成本較高且只能對應(yīng)一種直徑的打印材料，更換其他直徑的打印材料就必須重新設(shè)計一 個軟軸。從結(jié)構(gòu)和實用兩個方面考慮，本設(shè)計選用第二種設(shè)計方案。送料裝置原理 圖如下圖所示。采用送料齒輪輪和軸承相互配合，依靠輪齒的抓緊力鉗住條料 向前運動，從而達到條料的進給。送料齒輪為主動輪，負(fù)責(zé)提供條料進給所需 的動力，軸承起定位的作用，同時可以有效減少條料的進給阻力。軸承與送料 齒輪之間的間隙略小于條料的直徑，因此條料進入軸承與送料齒輪之間的縫隙 會受到兩輪的擠壓而產(chǎn)生摩擦力，使之沿圖箭頭所示方向運動，可以利用其自 身的彈力確保送料齒輪

15、有一定的抓緊力，確保條料不發(fā)生回抽，送料的精確性 可通過對步進角度的控制得到保證。要做到條料送進不失步，步進電機需要提 供足夠的扭矩。圖7送料裝置原理圖3.2 擠出噴頭選取噴出技術(shù)采用熔融沉積成型技術(shù)，成型工藝對噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點1）熔絲功能與料絲送進功能：將送進的固態(tài)料絲及時充分地熔化成為熔融狀態(tài) 并從嘴嘴擠出；2）流道功能：為熔融態(tài)材料提供穩(wěn)定流動的通道；3）定徑功能：對擠出熔融態(tài)物料進行定徑，變?yōu)闈M足要求的紐小直徑的絲材進 行堆積；4）出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ埽撼鼋z速度可控，可以根據(jù)掃描速度進行 調(diào)整，實現(xiàn)速度互相匹配。出絲應(yīng)能根據(jù)路徑打描要求及時起停，以保證高質(zhì)

16、 量的成型路徑，尤其是在路徑起始和停止處。擠出噴頭將擠出機送來的打印條料采用電阻式加熱融化后，由擠出噴嘴擠出 擠。出噴頭裝置主要由進料管、加熱管、散熱片、噴嘴、散熱風(fēng)扇、監(jiān)測裝置組成。 擠出噴頭的原理如圖1所示。由送料裝置送進的條料經(jīng)過進料管進入加抗管，在加 熱管內(nèi)迅速加熱至180c左右使其兒全熔化.當(dāng)后續(xù)的條料邊入加熱管后，借助未 熔絲材的活塞作用將熔融材料擠出噴嘴，擠出的條料在打印床上冷卻固化形成打 印件。在擠出裝置的前端，如果條料過早地融化，會因條料的熱膨脹產(chǎn)生的逆 向壓力將液態(tài)的條料擠出到冷端凝固，引起進料管的堵塞。為防止這種情況的 發(fā)生在進料管上裝散熱片和散熱風(fēng)扇對進料管進行冷卻降溫

17、。進料管為貫穿整 個擠出裝置，上端接入軟管插頭，下端與噴嘴相連。進料管的上半部分被數(shù)根 散熱片包裹，下半部分被加熱管包裹。在擠出機構(gòu)中噴嘴是比較重要的部件， 因為打印產(chǎn)品的表川質(zhì)量取決于噴嘴?？紤]到Delta型3D打印機的機械軸負(fù)載能力較弱以及為了提高打印精度，本設(shè)計選取重量較輕的E4A5噴嘴。3.3 電機的選擇電機控制系統(tǒng)按照運動過程的需要分為驅(qū)動伺服和驅(qū)動步進兩大類，它們 優(yōu)缺點的比較如表1所示，綜合考慮控制要求、成本要求以及3D打印機的實際 工作要求，3D打印機的電機選擇步進電機具作用是為滑塊提供動力，即通過帶 動同步帶使滑塊在導(dǎo)軌上做直線運動。選擇步進電機需要考慮的因素有：（1） 最小

18、轉(zhuǎn)速：要使打印噴頭的最大移動速度達到60mm/s步進電機的最小轉(zhuǎn)速應(yīng) 達到250r/min （2）額定扭矩：3D打印機中電機的扭矩涉及兩個方面：第一方 面，滑塊運動時在自身重力和連桿壓力的作用下，最大阻力為0.2N電機軸的輸 出力要克服阻力從而帶動同步帶運動；第二方面，在行進停止時步進電機可以 保持的最大靜扭矩要有效防止滑塊在自身重力作用下沿滑軌下滑；第三方面， 為保證擠出機要送料不失步，步進電機需要提供足夠的扭矩?；谝陨先齻€方 面的考慮，查機械設(shè)計手冊，選擇CT-42BYG250A-SASSffl步進電機。表1伺服電機與步進電機的比較同服電機步進電機怦制 類型閉環(huán)摔和開環(huán)控制控惻精度帶17

19、位黑螞器的電機而言 變動器每接收器1M07工個 脈沖電機轉(zhuǎn)1虬即K收沖 巧量為3*01/13102=0,00274660 足小加為力進電機脈 神當(dāng)后的1/65，色相混合式步進電機的的即明 一般為L肝、0，兩相為合啟 步進電機的小即由殷為 0,72，0360 1低頻特性文藻匍服電機運轉(zhuǎn)非常平 穩(wěn),即使在低速時也不外出 現(xiàn)振動現(xiàn)象*步進電機在保速時要出現(xiàn)低劌!掘助現(xiàn)儀“卿率特性文杭同服電機為恒力矩輸 用.其就定轉(zhuǎn)速般為 ZOOOr/min一JCXJOr? iuin在該葩區(qū)內(nèi)電機都能輸出 旋定捫電，在截定沖速以上 為作U力率輸出.小城電機輸出力坦的彈速升前 而那，且亮收高轉(zhuǎn)速時會急 劇下降.廝以其量嬴工作轉(zhuǎn)速-舲為 300 r'min600 r/miDr4產(chǎn)品建模以下是部分零件的建模圖形圖10較鏈球頭模型圖圖11較鏈模型圖圖12 E4 A5噴嘴模型圖圖15工作圓盤模型圖42stpm0tor 卜"二號平R-鬻ZX伸 k要毛侔幾何住圖16步進電機模型圖'mH:Ml卜科呷wAl