FDM型3D打印机机械结构设计

密级：FDM型3D打印机机械结构设计 Design of Mechanical Structure for FDM-type 3D Printer 学 院： 专 业 班 级： 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： II 摘 要课题以FDM型3D打印机机械结构设计为主要工作。通过对3D打印机机械结构分析及设计，实现3D打印机在工作过程中所需要的机械运动。实现3D打印机的机械运动后，便可满足3D打印机打印功能的基本要求。在设计中，首先了解3D打印机的功能及工作原理，进而分析3D打印机在工作过程中需要实现怎样的机械运动，从而思考怎样的机械结构能实现所需要的机械运动。列出可以采用的几种方案，论述所列方案的优缺点、机构实现的难易程度及各个方案的机械结构的合理性，在综合考量各个方案后选出相对合理的提案，并进行机械结构的设计。3D打印机在工作过程中，主要应实现X、Y、Z三个方向的机械运动。因此，所设计的3D打印机的机械结构应达到X、Y、Z三个方向平动的要求。在设计过程中通过对3D打印机的观看，结合其他机床实现机械运动的方法，从而得出自己最终要选择的设计方案。设计过程中首先列出几种传动方案，如齿轮传动，齿条传动，齿形带传动及丝杠等。通过对各种机构实现传动的特点进行分析、所设计3D打印机外形尺寸的考虑及各个方面的参考后，本次3D打印机的设计，最终选择通过丝杠、导轨及导柱等实现3D打印机的机械运动。动力传动选择伺服电机通过联轴器与导轨直连实现。关键词：FDM；3D打印机；齿型带传动AbstractThe topic of my graduated design is FDM 3D printers mechanical design. 3D object is achieved by the work of the analysis and design of the mechanical structure of the printer to achieve 3D printer during operation of the mechanical movement required. when achieved the mechanical movement, you can meet the basic requirements of 3D printer functions. In the design of the course, I get the meaning of the function and operation principle 3D printer ,3D printer at first .Then analyzed in the work process to achieve what needs to mechanical motion, thus we need to think what mechanical structure about how to achieve the required mechanical movement. Then lists several options can be used and thinking the advantages and disadvantages are listed in the program and the degree of difficulty to achieve advantages and disadvantages of the various agencies and programs implemented in various programs after comprehensive consideration of the proposal to elect a relatively reasonable, and mechanical Design.3D printers in the course of their work, mainly to be achieved three directions mechanical movement of X, Y, Z. Thus, the mechanical structure of the printer should be designed to achieve 3D X, Y, Z three movable parallel to the direction required. By watching in the design process a 3D printer, combined with other methods to achieve the mechanical movement of the machine, to get the final design.Several design process is listed first transmission scheme, such as gears, rack drive, belt drive and screw and so on. Consider and refer to various aspects of the 3D printer dimensions achieved through a variety of agencies to analyze the characteristics of the transmission, the design, the design of this 3D printer, 3D printer to achieve the final selection by the screw, guide rails and columns, and other mechanical movement. Select the servo motor power transmission and rail directly connected via coupling to achieve.Keywords: FDM; 3D printer; The teeth type belt drive目 录摘 要IAbstractII第一章3D打印机概述11.1什么是3D打印机11.2 3D打印机的工作原理11.3 3D打印机特点及优势21.4 3D打印机的工作范围21.5 3D打印机在国外的发展现状31.6 3D打印机在国内的发展现状41.7 3D打印机未来发展趋势4第二章 FDM型3D打印机的工作原理及结构分析62.1 FDM型3D打印机的结构确定与分析62.1.1 FDM型3D打印机整体结构的方案选择与确定62.1.2 FDM型3D打印机Z轴方向运动结构分析72.1.4 FDM型3D打印机X轴方向运动结构分析92.1.3 FDM型3D打印机Y轴方向运动结构分析10第三章 部件的选择123.1电机的选择123.1.1伺服电机和步进电机对比123.1.2直流交流伺服电机对比123.2.同步带轮及同步带的选用123.3丝杠的设计和选择143.4导柱的设计与选择15第四章部分零件的校核184.1带轮及齿带的校核184.2丝杠的校核19第五章总结20参 考 文 献21致 谢22III 第一章 3D打印机概述1.1什么是3D打印机3D打印机（3D Printers）是一位名为恩里科迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种打印机，可以直接打印出立体物体。它源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形。通俗来讲，即快速成形技术的一种机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。1 3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用，已经有使用这种技术打印而成的零部件。1.2 3D打印机的工作原理3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似2。其工作步骤是：首先可使用CAD软件来创建物品，然后把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机将自动分析将要打印物体的结构，然后进行分层打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。1.3 3D打印机特点及优势3D打印机是一种用于快速原型和模具制造的强大工具，相对于其他的添加制造技术而言，无须机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，能够在各个零部件的构造复杂性和重量轻型化两者之间找到最佳平衡点。3D打印机具有打印精度高。速度快、价格便宜、高效易用性等特点，可以极大地缩短产品研制周期，降低了生产成本，提高生产效率。这种打印机比常规建筑方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一，更重要的是几乎不会产生任何废弃物，有利于对资源的节约和环境的保护。1.4 3D打印机的工作范围3D打印机作为一种全新的技术，对制造业产生了重要的影响。随着技术的成熟和进一步的发展，3D打印机凭借其特殊的优势逐渐发展到生产生活的各个领域。理论上，3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。目前3D打印机主要应用的领域有：2010年9月美国医疗行业生产模型公司用3D打印机“打印”出拥有完美功能的假肢。2010年11月，美国与加拿大两家公司研制成功全球首辆利用3D打印枝术制造的Urbee双座汽车。2010年12月，美国康奈尔大学科研人员研制出3D食物打印机，只要把“食物墨水”预先放进一组注射器内，再下载食谱软件“FabApp”，机器便会根据电子设计图，结合计算机辅助设计软件，令各种“墨水”按照指令准确落墨，逐行逐层“打印”出立体食物。2011年1月，美国公司开发出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印机，能在几分钟内用塑料打造出结构简单的塑料物品。如浴缸、塑料瓶、镜框、支架垫、螺帽等，以及任何几何形状物休。2011年1月，麻省理工学院媒体实验室的研究人员使用了一台Objec公司生产的Connex500成功“打印”出了一只长笛。2011年7月，英国伦敦皇家艺术学院设计专业学生设计山“太阳能烧结”3D打印机。能在全自动的情况下将阳光和沙子转化成玻璃制品。 2011年7月，英国埃克塞特大学的研究人员开发出世界第一款使用液态巧克力作为“油墨”的 “3D巧克力打印机”。可以打印出既有实用功效又不乏食用价值的巧克力日用品和服装。2011年7月，美国明尼苏达州厂商开发出Stratasys Fortes 250mc 3D打印机。它使用ABSplus塑料进行3D打印，可注入多种颜色的塑料，可以打印出形状较为准确的磨具、工艺品。有上述可见，3D打印机在医疗行业、传统制造业甚至在高精密行业都已经逐渐得到应用3。1.5 3D打印机在国外的发展现状第一台商用的3D打印机出现在1986年，但3D打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的Scans E.M.和CimaMJ等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的。目前，在3D打印领域比较著名的公司有3DSystem、Z-corporation等。经历十多年的探索和发展后，3D打印无论在技术、造价，还是应用领域方面都有了长足的进步。在打印技术方面，目前，主流打印机能够在0.01 mm的单层厚度上实现600dpi分辨率的打印精度，较先进的产品己经具备每小时1英寸以上的垂直打印速率，并可实现24位色彩的彩色打印。用于打印的材料涵盖从石料、金属到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，己经开发出的可打印材料约为14类，可混搭出一百多种耗材。在造价方面，3D打印机的售价正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售价己经下降到2199美元，高端的Replicator 2X也仅售2799美元，预计几年后家用型的3D打印会降价到100美元以内3。玛丽华盛顿大学的教师在 2012年的设计入门课程中使用3D打印机作为学习环境。由学生扫描实物或自己设计出物品，打印出原型，并在此基础上试验和改进。在FullSail大学，学生们使用该技术制作3D漫画人物，他们利用三维软件设计人偶并打印出塑料模型。美国弗吉尼亚大学的学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞，飞机的所有零部件都是通过3D打印制造的。美国国家科学基金会(NSF)的数字图书馆项目提供了很多3D动物和器官结构模型，包括无脊椎和脊椎生物，很多是己灭绝生物。该项目的参与者正在扫描并打印复制占人类化石。哈佛大学博物馆的研究人员也在利用计算机为收集到的残缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出复制品3。同时国外3D打印机的商业化、普及化、工业应用上也发展的相对成熟。美国的3DSystems公司这些年不仅将市场放在重工方面，除了生产价值500万的重工产品外，还生产可以打印吉他等玩具的产品。3DSystems公司为消费者提供了结合功能性和适应性的最佳产品，他们推出的打印机无须组装，使用简单的“彩色图木”设计界而进行操作。除了简单，3DSystems公司还推出预先制作的应用程序，提供给最有创意的Cube 3D打印机用户，让他们使用免费软件自己绘制设计图。同时该公司的BOM HBD打印机也提供按需定制的服务。对于企业用户来说，3DSystems公司还为他们提供了在网上销售设计产品的渠道。这些在行业中的主导优势，让3DSystems公司一直运行良好，目前的毛利润率接近50% 4。1.6 3D打印机在国内的发展现状自20世纪90年代，我国国内有多所高校自主研发RP技术，但是没有一款达到国际水平的3D打印机成功推向市场。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论。SSM分层实体制造、FDM上艺，并开展了基于SL工艺金属模具的研究;华中科技大学研究LOM(分层实体制造)工艺，推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成型精度0.2mm。我国港台地区的很多高校、企业都有自己的3D打印设备，RP技术应用更为广泛，但并非自主研发4。1.7 3D打印机未来发展趋势第一，向低成本方向发展。目前大多3D打印机造价仍比较昂贵，这给其进入家庭带来了困难。现在已有一些小规模的3D打印机制造商推出较低价的3D打印机，一些爱好者参与改良3D打印机，共同促成低价3D打印机的诞生和普及。第二，向材料多样性方面发展。3D打印机的成型材料多采用化学聚合物，材料的安全性是一个很重要的参考因素。开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等，金属材料、直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。第三，向提高精度、速度和效率方面发展。改养3D打印系统的可靠性、生产效率和制作大件能力，提高3D打印的速度和效率。开拓并行、多材料制造的工艺方法，提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，以便能够直接面向产品制造，许多新的成型方法与工艺会应用于3D打印机。第四，技术和研究方面。比如3D生物打印机的困难并不是制造器官本身，而是复制器官内部错综复杂的血管网络。这些血管起到了滋养器官。为器官提供氧气的作用。有专家设想打印出一个器官最大的连接性血管，然后给那些大血管细胞留出充足的时间、空间和理想环境自造剩余血管，最终器官便可以被植入体内，用病患自己的细胞打印出功能齐全的肝、肾或者心脏。世界各地医药、生物、化学、工程等领域的专家们正致力于研究这些难题。无可厚非的是，3D打印机已经向我们走来，随着3D打印技术的不断发展，3D打印机将成为市场的主流，有可能颠覆其涉及的许多领域，对传统制造业带来重大的影响。未来，也许3D打印机服务将会与发送电子邮件、即时短信通讯一样普及。制造业将彻底摆脱集中式管理模式，大规模定制化将超越传统的规模化生产方式，某一天3D打印机可能会像电脑、照相机、微波炉一样进入千家万户，为我们的生活增添无穷乐趣。5在中国的大学校园中有很多的实验室或研发中心，华中科技大学的快速成型机制造中心成立于1991年，到现在整整23年，在这一过程中研发了不少的3D打印机。2000年，该中心研发出0.1m0.1m工作面的基于粉末床的快速制造装备，2003年，扩大到0.5m0.5m，超过了当时代表国际先进水平的美国3DSystems公司，2005年以后，工作面达到1m1m以上，据媒体称，这一产品的问世远远超过国外同类装备水平6。26第二章 FDM型3D打印机的工作原理及结构分析2.1 FDM型3D打印机的结构确定与分析2.1.1 FDM型3D打印机整体结构的方案选择与确定根据FDM型3D打印机打工作原理及工作方式，可以了解到，打印机在工作过程中要有上下的相对运动，这样才能实现FDM型3D打印机在工作过程中逐层打印的功能。同时打印每一“层”时，打印头相对于托盘要有左右及前后的相对运动。及FDM型3D打印机要实现X、Y、Z三个方向的自由运动。因此在设计FDM型3D打印机机械结构时，主要任务就是所设计的机械结构能够实现上述运动。据此可以根据上述结论，首先确定FDM型3D打印机整体的运动方案。例如在Z轴（即上下）方向上的运动，我们可以选择由打印头作上下运动而托盘保持相对静止，反之也可以是打印头相对静止而托盘做上下运动。同时在X轴（即左右运动）方向和Y轴（即前后）方向的运动方式也可以由多种选择。例如我们可以选择某一轴与上下运动实现联动，也可以选择各轴都独立运动。因此在选取方案前，应仔细分析各个方案的优缺点，并做出决定。当再次仔细分析3D打印机在进行打印工作时，各个方向的运动，可以发现，Z轴（即上下）方向的运动是一种阶段性的运动。即是在每打印完“一层”时，才再做一次运动，来打印下一层。而在打印每一层的过程中，打印头相对于托盘在Z轴（即上下）方向上要保持相对静止。如选择Z轴（即上下）方向运动的部件同时也作X轴或Y轴方向的运动，这样在保持Z轴方向上相对静止时，还要同时做X轴或Y轴方向的运动。这样不利于精度保持。所以，最后确定，Z轴方向的运动做独立运动，运动部件与X轴或Y轴方向的运动部件不关联，使之相对于X轴或Y轴的运动部件独立。但若选择打印机喷头做Z轴方向的运动，那么若要使X轴或Y轴方向的运动与之不关联，唯有托盘做X轴或Y轴方向的运动。但托盘的材料较多，重力较大，同时托盘上又要放置被打印物体，因此运动过程中惯性较大，相对不容易实现打印过程中的运动变化。所以相对而言，选择托盘做Z轴方向上的运动，而打印头做X轴及Y轴方向上的运动，相对合理。因此最后确定所要设计的FDM型3D打印机的整体运动结构为：由托盘实行Z轴方向的运动，而由打印头完成X轴及Y轴方向的运动。2.1.2 FDM型3D打印机Z轴方向运动结构分析如上论述，此次设计的FDM型3D打印机Z轴方向的运动有托盘运动实现。，经多次设计修改，最后设计结构由图2-1和2-2所示。图2-1 Z轴方向运动结构图图2-2 Z轴方向运动传递图Z轴方向运动的动力，由一台伺服电机提供。该伺服电机被固定于打印机整体框架的最下层后方的横梁上。托盘的左右两边各有两根丝杠和两根导柱。丝杠和导柱的滑块被固定在安装托盘的内框架上。这样当丝杠接受伺服电机的动力转动时，丝杠上的滑块将做向上或向下运动。同时便可带动安装托盘的内框架与之同步运动。这样动力便传递到托盘上，使托盘能够在Z轴方向上运动。而被固定在安装托盘的内框架上的导柱滑块也随之沿着导柱在Z轴方向上运动。这时导柱将起到导引及增加稳定性的作用，增加托盘的平稳性及精度，进而增加整个机器的打印精度。伺服电机的动力传到丝杠上是由齿形带和同步带轮完成的。齿带由伺服电机上的带轮引出，与四个固定在丝杠下端的带轮相连，并且绕过四个固定在托盘下端与打印机外框相固定的型材上的滑轮。这样做的目的是为齿带提供一个预张力，可以增加齿带传递的准确性。电机运转时，通过带轮将动力传递到齿带，齿带在将动力传递到四个固定于丝杠底端的带轮上。这样丝杠转动，使丝杠上的滑块延丝杠滑动，带动与之固定的内框，固定在内框上的托盘也就可以随之运动。同时四个导柱起到引导和增加稳定的作用。这样，打印机Z轴方向的运动便可以实现了。2.1.4 FDM型3D打印机X轴方向运动结构分析如图2-3所示为3D打印机X轴方向运动结构图。图2-3 X轴方向运动结构图其运动的动力由右上方的伺服电机提供。动力及运动的传递是：首先，上图中右上方的伺服电机轴上有一带轮。伺服电机转动时带轮随之转动。带轮通过齿带将运动及动力传递到前面上方延Y轴方向的传动轴上。该传动轴的左端安装固定有一带轮，同过这个带轮又通过左边这个齿带将动力传递到后面延X轴方向的传动轴上。左右两根齿带的上带各相对有一刚性连接的滑块，滑块同时套在齿带上方的一个导柱上，该导柱承担这个滑块的重力。这两个与齿带刚性连接的滑块通过两根导柱延Y轴方向相连，并且导柱穿过固定有打印头的滑块即图中中间的滑块。这样，这台3D打印机X轴方向的运动即是：当伺服电机运转时，电机轴上的带轮随之同步转动，并带动齿带将运动传递到前上方的通过齿带相连的传动轴上。该传动轴有通过左端的带轮和其上的齿带将运动及动力传递到后面延Y轴安装的传动轴。左右两条齿带在传动时带动与齿带刚性相连的滑块。同时两个滑块通过两根导柱相连，并且导柱穿过安装有打印头的滑块，这样安装有打印头的滑块将随齿带运动，即实现了X轴方向的移动。2.1.3 FDM型3D打印机Y轴方向运动结构分析 如图2-4为3D打印机Y轴方向运动结构图。其运动的动力由左上方的伺服电机提供。图2-4 Y轴方向运动结构图动力及运动的传递是：首先，上图中左上方的传动轴与伺服电机直联。伺服电机转动时左上方的传动轴随之同步转动。传动轴的两端各固定有一个带轮，带轮通过齿带将运动及动力传递到右上方的传动轴上。前后两根齿带的上带各相对有一刚性连接的滑块，滑块同时套在齿带上方的一个导柱上，该导柱承担这个滑块的重力。这前后两个与齿带刚性连接的滑块通过两根导柱延X轴方向相连，并且导柱穿过固定有打印头的滑块及图中中间的滑块。这样，这台3D打印机Y方向的运动即是。当伺服电机运转时，与电机直联的传动轴随之同步转动，传动轴上的前后两个带轮也随之转动，并带动齿带将运动传递到右上方的通过齿带相连的传动轴上。前后两条齿带在传动时带动与齿带刚性相连的滑块。同时两个滑块通过两根导柱相连，并且导柱穿过安装有打印头的滑块，这样安装有打印头的滑块将随齿带运动，即实现了X轴方向的移动。第三章 部件的选择3.1电机的选择3.1.1伺服电机和步进电机对比控制电机的比较与选取：电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类。伺服有速度控制和位置控制模式。速度控制模式下，通过伺服电机的CL信号和INH信号，选择伺服电机转动的4档内部速度，这四档内部速度由驱动器的四个内部储存器记录，其数值为零就是停转，数值为零是顺时针旋转，小于零则为逆时针，也可通过ZEROSPD控制电机停转。3.1.2直流交流伺服电机对比伺服电机可以考虑直流和交流两种：但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的 最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。综合考虑以上资料，本次设计最终选择交流伺服电机。3.2.同步带轮及同步带的选用我国现在选用最多的仍然是T型齿同步带，这种带称为“节距制”带，即以带齿间的间距为规格的标准，其带的外形与截形如图3-1所示。 图3-1 齿形带界面图这种带的齿形为梯形，大多数齿形的夹角为40度，带的齿高（梯形的高度）、节距（两齿间的距离）及厚度可以从产品样本中查到（如：型号为L的T型齿同步带，其节距Pb为9.525mm 齿高ht为0.51mm 带厚hs为1.14mm）。实质上，这种节距制传动带是一种英制的标准，一英寸等于25.4毫米，每英寸含8英分，即一英分等于3.175毫米，三英分就是9.524毫米，四英分是12.7毫米（在英制度量中以1/8” 1/4” 3/8” 1/2”等方式表述）。其实，同步带在传动时，梯形齿的两侧只能用来和同步带轮的轮齿贴合，以便能够传递带和带轮之间的转动力矩，当转动力矩传递到同步带上之后，就要依靠同步带本身来传递产生力矩的拉力，也就是说此时同步带的作用与平皮带完全一样了。图3-2 齿形带内部结构从带的截形图看，如果同步带只用单一材料制作，上述拉力只能够由连接两带齿之间那一薄层来承受，这对于制作同步带的基底材料聚氨酯橡胶而言是不可能的。所以同步带还需要做成一种复合型的结构在同步带聚氨酯橡胶基底材料中加入尼龙绳、锦纶绳或钢丝绳作为“承载绳”，这些承载绳安置就在“薄层”的位置（见图3-2），它们和同步带基底材料紧密结合，带齿受到的传动力直接传递到承载绳上，完成拉力的传递。在带传动中，传动带本身一定是有弹性、会出现“紧边”“松边”、紧边长度被拉长、松边长度相对较短的问题，而同步带内的承载绳就不容易被拉力“拉长”，所以同步带就能够实现恒定速比的传动，由此可见所谓“恒定速比”不仅是指宏观上两根轴之间的转速比值，而且也应该包含每一个传动时刻两根轴之间的角速度比值。图3-3齿形带与带轮啮合有了以上的基础，理解传动时同步带轮与同步带的位置关系就比较容易了（见图3-3）。从图3-3中可以看出，虽然传动时同步带轮的齿顶圆只能与同步带齿凸起的底部相贴合，但是实际上同步带长度不变的位置仍然在承载绳处，因此在传动中同步带轮的作用直径（计算速比的直径）却在同步带轮齿顶的“上面”，此直径可从相关的表格中查到、计算出来。大多数情况下，为使结构的体积尽可能紧凑，同步带轮的直径总是希望小一些为好，一般情况下只要结构尺寸比较合理，受力校核不会不合格的。由于T型同步带是英制的，所以所有计算得到的尺寸必然不是整数，在关于同步带齿形及相关尺寸设计计算中不需要把所得到的尺寸进行圆整。参考以上资料，本次设计最终选择T型齿同步带及同步带轮。3.3丝杠的设计和选择本次设计，考虑设计的难度几精度所要达到的程度，最终选择选用梯形螺纹丝杠。具体选择参考如下：丝杠的设计方法与主轴相似，其支承轴径与丝杠的长径比都与主轴相同，不同的是丝杠上：有一段螺纹，因此，还需考虑螺纹的牙形角、螺距、直径、螺纹公差的设计。1螺纹牙形的选择精密丝杠螺母传动，常用的螺纹有牙形角为60。的普通公制螺纹和牙形角为30。的梯形螺纹两种。选择哪种螺纹，取决于传动精度、效率和制造工艺。当丝杠螺母机构的载荷不大，螺纹间的摩擦力对工作影响不大，而又要求小螺距时(螺距为0. 51 mm)可采用公制基本螺纹和公制细牙螺纹。当载荷较大，螺距也较大时，宜用梯形螺纹。梯形螺纹比三角形螺纹的传动效率高、强度大、螺距大(最小直径为 10 mm，最小螺距为2 mm)。螺距小时，制造困难，而且不耐磨，故不易得到高精度丝杠。2. 螺距选择常用的梯形螺纹螺距有2、3、4、5、6 mm等。在精密仪器设备中，采用的公制螺纹螺距系列有0. 25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75 mm等，可根据传动进给的实际需要选取，或参考同类型设备，初选螺距，然后计算步进机构中间传动速比i，若求得的速比i是合理的，则初选的f可最终确定 为所选螺距。3丝杠直径的确定(1)类比法参考同类型设备的丝杠直轻，并按所设计的设备具体情况确定。或者按结构设计的需要，先确定丝杠总长度L，再按长径比关系确定丝杠直径矗，通常L/d30。对于电子精密机械设备，一般移动距离较短，一般取1= (1520)d。(2)计算法 在没有同类型设备可参考，或需要验算初选的丝杠直径时，可采用计算法。丝杠计算通常包括耐磨性、刚度、稳定性和强度四项。电子精密机械设备中的丝杠螺母机构，一般承受载荷不大，而精度要求较高，往往是由于磨损而失效，所以，可根据磨损条件来选择材料，并确定丝杠副的尺寸。由于螺母的材料一般比丝杠的材料软，所以，磨损主要发生在螺母的螺纹表面。磨损的计算方法，通常是采用限制螺纹表面的压强，就是使螺纹工作表面的压强声小于或等于其许用压强p。计算时，将螺母的螺纹牙看成是盘旋绕在圆柱表面上的长条，展开后相当于悬臂梁。3.4导柱的设计与选择导柱导向机构应用最普遍，主要零件是导柱和导套1、导柱结构形式 如图3-4所示，图3-4为直形导柱：除安装部分的凸肩外，长度的其余部分直径相同；图3-4b、c为阶梯导柱：除安装部分的凸肩外，安装配合部分直径比外伸的工作部分尺寸直径大。导柱的导滑部分根据需要可加工出油槽。图3-4c所示导柱用于固定板太薄的场合在固定板下面再加垫板固定，这种结构不常用。图3-4导柱类型2导柱技术要求 （1）长度：导柱导向部分的长度应比凸模端面的高度高出8到12mm，以避免出现导柱未入正方向而型芯先进入型腔。（2）形状：导柱前端应做成锥台形或半球形，以使导柱顺利地进入导向孔。 （3）材料：导柱应具有硬而耐磨的表面，坚韧而不易折断的内芯，因此多采用20钢，经渗碳淬火处理，或者T8、T10钢，经淬火处理，硬度为5055HRC。导柱固定部分的表面粗糙度为Ra0.8m，导向部分的表面粗糙度为Ra0.80.4m。 数量及布置：导柱应合理均布在模具分型面的四周，导柱中心至模具边缘应有足够的距离，以保证模具强度（导柱中心到模具边缘距离通常为导柱直径的11.5倍）。为确保合模时只能按一个方向合模，导柱的布置可采用等直径导柱不对称布置或不等直径导柱对称布置，如图3-5所示配合精度：导柱固定端与模板之间一般采用H7m6或H7k6的过渡配合；导柱的导向部分通常采用H7f7或H8f7的间隙配合。图3-5导柱布置第四章 部分零件的校核4.1带轮及齿带的校核1确定计算功率根据已知工作条件查表，去 则2选定带型和节距根据 确定带型为T型，对应节距 3选带轮直径d带轮节圆直径4校核带速 带速符合要求5确定中心距及带长初定中心距： 定选择标准带长：由设计带长6计算啮合齿数=87确定带宽8 计算轴上的压力 4.2丝杠的校核在这次所设计的3D打印机中，丝杠只承担轴向力，因此在校核时只需对轴向力进行校核。首先对螺纹牙强度进行校核。螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。 螺纹牙底宽 许用压应力 许用切应力 许用弯曲应力 相旋合螺纹圈数 剪切强度条件 弯曲强度条件 第五章 总结这次毕业设计，主要问题在于了解3D打印机的工作原理，进而分析3D打印机在工作过程中需要实现的哪些运动，从而设计出能够实现这个运动的机械结构。在近三个月的设计过程中，首先通过查阅资料及文献，了解了3D打印机工作的原理。然后通过其工作原理，分析了其在工作中需要哪些运动，即需要有X、Y及Z轴三个方向的平动。设计过程中首先列出几种传动方案，如齿轮传动，齿条传动，齿形带传动及丝杠等。通过对各种机构实现传动的特点进行分析、所设计3D打印机外形尺寸的考虑及各个方面的参考后，本次3D打印机的设计，最终选择通过丝杠、导轨及导柱等实现3D打印机的机械运动。动力传动选择伺服电机通过联轴器与导轨直连实现。设计过程中主要解决了X轴和Y轴如何实现联动，托盘的固定与卸取等问题。并最终完成了毕业设计。参 考 文 献1 张光照. 3D打印机-真实打印梦想J. 文化月刊（下旬刊）. 2012，07：51-532 刘欣灵. 3D打印机及其工作原理J. 网络与信息. 2012，02：303 左世全. 3D打印机技术大潮来袭J. 装备制造. 2012，08：92-934 李青. 3D打印一种新兴的学习技术A. 远程教育杂志. 2013，04：29-355 古丽萍. 蓄势待发的3D打印机及其发展J. 数码印刷. 2011，10 ：64-676 王月圆. 3D打印技术及其发展趋势J. 印刷杂志. 2013，04 ：10-127 潘巍. 3D打印机进入主流指日可待J. 微电脑世界. 2012，02 ：10-148 王瑞玲. 3D打印机设计的初步分析J. 电子制作. 2013，04：29-359 Barbara Leukers，Stephan H.Irsen，Stefan Milz. Hydroxyapatite scaffolds for bone tissue. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE: MATERIALS IN MEDICINE 16 (2005) 1121 1124 Received 30 June and accepted 19 August 200510 刘月. 3D打印机印出新世界J. 印刷技术. 2011，09 ：37-3911 Thomas Ottnsd，Markus Kagerer，Franz Irlinger. Modication and Further Development of a Drop on Demand Printhead for Wax enabling Future 3D-Printing and Rapid Prototyping. Advanced Intelligent Mechatronics . The 2012 IEEE/ASME International Conference on 117 122 July 11-14, 2012, Kaohsiung, Taiwan 12 朱艳华. 3D打印机领域中国专利申请状况分析J. 中国发明与专利. 2013，06 ：17-2013 Simon Bradshaw，Adrian Bowyer，Patrick Hause. THE INTELLECTUAL PROPERTY IMPLICATIONS OF LOW-COST. Volume 7 ，Issue 1 ，April 201014 背景航空学院研究所. 数控机床的结构与传动. 国防工业出版社. 197715 邹家华，陆燕荪，卜炎等. 中国机械设计大典. 中国机械工程学会. 2002,0116 T. Hanemann, W. Bauer, R. Knitter, P. Woias. Rapid Prototyping and Rapid Tooling Techniques for the Manufacturing of Silicon, Polymer, Metal and Ceramic Microdevices. MEMS/NEMS，2006, 801-86917 刘晓辉. 快速成型技术发展综述J. 农业装备与车辆工程. 2008，02， 10:10-1318 金杰，张安阳. 快速成型技术及其应用J. 浙江工业大学学报. 2005，1019 Prof Dr.-Ing. F. Klocke, Dipl.-Ing. S. Nken, Dipl.-Ing. H. Wirtz. Rapid prototyping new manufacturing tools for improving design and prototype cycle. Life-Cycle Modelling for Innovative Products and Processes IFIP The International Federation for Information Processing1996, pp 325-33620 朱季平. 快速成型技术在现代制造业中的应用研究J. 装备制造技术. 2011，08：10-11致 谢 对于这次毕业设计能够顺利完成，首先要感谢的是我的指导教师李强老师。在整个毕业设计的过程中，李老师对我进行了很多指导和帮助，为我解决了很多问题。在这里我深表感谢 其次要感谢沈阳工业大学，为我提供了一个良好的环境，特别是在图书馆及电子图书馆中，我查到了大量的资料，对我能完成毕业设计有很大帮助。 最后我也要感谢我周围的一些同学。在我进行毕业设计的过程中，我曾向他们请教了很多问题，特别在使用画图软件方面，为我提供了很大帮助。总之感谢所有在本次毕业设计中帮助过我的人。