毕业设计（论文）-坐标式3D打印机的结构设计

河南工学院毕业设计 毕业设计论文题目：坐标式3D打印机的结构设计院 部： 机械工程学院 专 业： 机械制造与自动化 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2021年 月 日毕业设计摘 要目前3d打印技术慢慢的开始普遍使用了，相信在不久之后应用领域也会越来越广，发现在这两年的时间内慢慢的就流行起来了。这项3D打印技术是一层层的打印起来变成三维模型的，它的通常术语是3D数字模型文件这一类的制造过程。当今市面上的坐标式3D打印机打印的基本原理都与喷墨的打印机相似，唯一不同的是坐标式3D打印机是打印三维的产品，打印的材料也是比较多的，不像普通打印机打印的是二维的，而且打印材料通常是墨水和纸，这种打印机很多，对与这种打印机来说坐标式3D打印机经常使用的材料有树脂、金属、塑胶、及粉末性的、陶瓷等。坐标式3D打印机中的计算机可以逐层控制“打印材料”，沿着扫描路径进行打印，最后控制计算机蓝图，打印出一个三维产品。因此，本文全面概述了3D打印的技术体系和发展，以及国内外产业的发展。从而描述了这一3D打印技术的原理、概念、发展情况、结构、用途等，对未来的发展及存在的问题。还有对坐标式3D打印机的结构进行了分析和创新，在目前这一技术的发展上历史上，预测未来的发展状况。设计就会存在一定的问题，不可能十全十美的，只能慢慢的去完善降低问题。3D打印技术是个性化产品定制的重要生产方法,它自己的结构和整体设计代表了这项技术的发展水平。设计了一种六轴3D打印快速模型装置，用于3D打印技术，为新的生产过程设计和制造实际设备。关键词:坐标式3D打印机；六轴；结构设计；快速成型AbstractAt present, 3D printing technology is slowly beginning to be widely used. It is believed that the application field will become wider and wider in the near future, and it is found that it has gradually become popular in the past two years. This 3D printing technology is layered and printed into a three-dimensional model. Its general term is the manufacturing process of 3D digital model files. The printer principle in the market is basically similar to that of inkjet printers, and ink and paper are the usual printing materials. There are many such printers. For the printers, the materials commonly used in 3D printers are resin, metal, plastic, and Powdery, ceramic, etc. The computer in the 3D printer can control the printing material layer by layer, print along the scan path, and finally control the computer blueprint to print out a three-dimensional product.Therefore, this article provides a comprehensive overview of the technical system and development of 3D printing, as well as the development of domestic and foreign industries. This describes the principle, concept, development, structure, use, etc. of this 3D printing technology, the future development and existing problems. It also analyzes and innovates the structure of 3D printers, and predicts the future development in the history of this technology. There will be certain problems in the design, it is impossible to be perfect, and it can only be slowly improved to reduce the problem. 3D printing technology is an important production method for personalized product customization. Its own structure and overall design represent the development level of this technology. A six-axis 3D printing rapid model device was designed for 3D printing technology to design and manufacture actual equipment for new production processes.Key words: 3D printer; six axes; structure design; Rapid Prototyping目 录绪论11、研究目的及意义12、研究内容23、3D打印技术发展现状及对世界的影响33.1 3D打印技术国内外发展现状33.2 3D打印技术国外发展现状3第1章 总体方案及结构设计61.1 引言61.2 坐标式3D打印机模型设备的方案分析61.3 温度控制回路设计71.4 x . y. z 三 方 向 控 制 电 机 的 设 计81.5 喷 头 移 动 及 喷 出 量 调 节 的 设 计8第2章 机械结构设计102.1 电机的选择102.2 滚珠丝杠螺母的设计132.3 导向光杆和直线轴承的设计212.4 Z轴联轴器的选择242.5 X、Y轴同步带轮设计25第3章 运动底盘的设计293.1 工作台左右转动的设计293.2 三自由度的电机及减速器的选型313.3 支撑块的设计323.4 联轴器的选择323.5 360旋转圆盘的设计333.6 摆动方向的轴承座与轴承配合设计34第4章 虚拟装配模型35结 论36致谢37参考文献38绪论1、研究目的及意义坐标式3D打印机其运作原理和传统打印机十分相似，是用液体或粉状材料制造物品，有时又被称为快速成型机。近年来发展起来的一种先进制造技术也是快速成形技术（rapid prototyping，简称RP）又称快速原型制造技术Error! Reference source not found.。3D打印技术的核心制造思想最早起源于18世纪末19世纪初的美国,不久发展到其他国家：日本和欧洲，20 世纪 80 年代中期开始，经过三十年的发展，该技术已趋于成熟，并初步形成规模化体系。近年来快速成型技术在制造技术领域方面取得一次重大突破。3D打印技术是一层层的打印起来变成三维模型的，它的通常术语是3D数字模型文件这一类的制造过程。当今市面上的坐标式3D打印机打印的基本原理都与喷墨的打印机相似，唯一不同的是坐标式3D打印机是打印三维的产品，打印的材料也是比较多的，不像普通打印机打印的是二维的，而且打印材料通常是墨水和纸，这种打印机很多，对与这种打印机来说坐标式3D打印机经常使用的材料有树脂、金属、塑胶、及粉末性的、陶瓷等。坐标式3D打印机中的计算机可以逐层控制“打印材料”，沿着扫描路径进行打印，最后控制计算机蓝图，打印出一个三维产品。3d打印技术是计算机辅助设计、数控技术、激光技术等多种学科技术的集成；是基于“离散/堆积成型”的成型思想，通过建立三维数模与计算机程序控制，利用叠层加工的方法将材料“堆积”而形成三维实体。如果设计出这款六轴的打印机，不仅可以解决比较复杂的物品打印，而且可能会应用到很多的行业中去。这是一种先进 技术是由C AD还 有计 算机辅 助制造、数控系统、精密伺服驱动器等集成。打印出三维模型这一过程貌似复杂其实它是将一个复杂的三维模型加工后，简化成一系列的二维模型加工的组合。对于这一技术的实用性很多国家都在研究，我国也不意外也在这成型技术行业中投入很大的支持，说不定这项成型技术中的某一方面都赶上或者超越其它发达国家了，但实际还是存在一定的距离。快 速成 型工 艺过 程可分为三 个阶段Error! Reference source not found.：（1）前处理：进行模型设计和打印数据准备及与打印工艺方法相对应的数据处理;构建3D模型有三种常用的方式：利用3D建模软件构建模型；基于图像构建3D模型；利用3D扫描仪构建3D模型。3D建模软件大多数都是使用这几个： AutoCAD、Solidworks、UG基于图像构建3D模型：此方法需要从不同的角度来拍摄的一系列图片，然后导入到计算机辅助工具可以自动生成对象的3D模型。该方法主要针对已有物体的3D建模工作，也是比较简单，真实感强。使用3D扫描仪构建3D模型：使用3D扫描仪对实物表面、形状进行扫描分析出的数据，通过软件在虚拟的世界中重造3D模型。（2）打印过程：设备根据设定的制作参数自动进行; 3D打印的前期准备工作：打印机系统只识别STL格式的文件，所以用软计建立好的模型文件应该是STL格式的文件，才能被打印机识别读取。如果文件格式不符那么需要转换格式，转换的格式要与打印机识别的格式一致，这是前期准备工作尤为关键的一步，推荐使用典型的CAD软件来把格式进行转换成STL格式文件和输出STL格式文件。 将模型进行切片：有了STL的模型之后还需要在电脑上安装相应的3D打印切片软件，用它来实现3D模型的参数调整，并将模型切片，转换成坐标式3D打印机可以识别的格式，最后才能将模型发送到打印机打印。层和层之间是规则间隔的，间距越大，打印出来的产品的精度就越差，但是时间越快，不是很精准。如果准确度高，则相反。间距的范围为0.05至0.5mm，通常使用的间距是0.1mm，可以获得相对光滑的模制表面。横截面叠加：在形成每一层之后，成形头向上移动一层高度，继续成形下一层，层层堆叠依次印刷并粘合到前一层，最终形成三维产品。（3）后处理：包括清洗、去除支撑以及打磨处理等。由于打印材料以及打印精度的不同要求，有些打印机打印精度不够，打印出来的模型就会有很多毛边，或者出现一些多余的菱角，影响打印作品的效果。一般要求我们通过对做出的模型进行精加工令其美观，比如对模型的表面打磨、抛 光、去除 支撑，或者进行特殊的加工，放入高温炉进行烧结，这是在材料允许的情况下才可以。本次设计中是根据三维打印技术的打印成型原理以及作用的基础上，运用综合知识的课程有很多如机械 基础、机 械 创 新 设 计、机械 制 造、互 换 性和技 术测 量、机 械制造 技术基 础、机 械制 图等 相关知 识的应用。分析机械结构部分实现原理的方法，并根据国内机械行业的实际情况出发设计出符合要求的机械结构的打印设备。2、研究内容随着时代的发展，3D打印技术的发展已走向成熟，且在生产生活诸多领域中广泛应用，除此之外，在一些特殊领域的应用也不断促进着改技术的发展，比如时装设计和艺术设计这些领域。当前经过十余年的发展，我国已经掌握了3D打印技术，并可将该技术应用于生产之中，制造我们需要的产品。该技术具有效率高、一体成型等诸多优势，在本文中主要设计了一种六轴3D打印快速模型装置Error! Reference source not found.。3、3D打印技术发展现状及对世界的影响3.1 3D打印技术国内外发展现状目前，了解我们国家在二十世纪九十年代时很多大学知道这一项技术的重要性就开始了自主的研发。近年来，随着国外3D打印技术的突破及其在某些领域的应用，国内学术界已经转向实践，国内许多企业也在推动国内3D打印行业的发展。我国的某些技术在世界中也是比较先进的，比如，将应用在航天航空设备制造的激光加工金属这一技术，可以满足一些特别零件的性能要求。3D打印技术在生物组织这一块取得了优越的成绩，就是能对生物细胞打印出三维的模型Error! Reference source not found.。并为我国的生物学研究领域这方面提供了有效的帮助与大力支持。目前，北京银华，南京紫金立德，江苏敦超，深圳威斯特，陕西恒通智能机等这些国内企业都已经实现了产业化，便捷式台式的坐标式3D打印机在不少企业中的价格，因为她能如此成功的进入欧美市场，说明很有国际竞争力。3.2 3D打印技术国外发展现状2012年3月，白宫重振美国制造系统，改革美国制造系统，优先发展以增材制造为代表的数字制造技术，并在全国范围内建立了多个研究和商业联盟。日本对这一项快速成型技术很重视，一直在不断研发，而且开发程度已经位于亚洲前沿了，德国制造研究中心也在推动着此项技术能在航天航空工业结构中的应用。西班牙为了在2012年2月澳大利亚政府对微引擎快速成型技术宣布支持，特地研究了特殊的增材制造项目这一技术，最终得到了支持。FDM 3D打印是运用熔融打印丝料对三维模型进行快速打印成型的一种增材制造技术,具有成型成本低廉、成型过程无污染、打印机可拓展性强等特点,广泛运用于科教、生产、日常生活中。目前FDM 3D打印机基本能实现单色打印、双色打印,混色、彩色FDM 3D打印机多面向商业生产,缺少具备低价实用、混色程度高、能实现全彩色等特性的彩色FDM 3D打印机。针对现有彩色FDM 3D存在的混色程度不高、可打印的色彩范围有限等问题,本文设计了一种可实现充分混色的3D打印机喷头,完成了以下主要工作:（1）对国内外彩色3D打印技术发展现状进行调研,在对FDM 3D打印原理充分分析的基础上,选择近端送丝的送丝方案,制定减法混色原理与多进料口单喷嘴的喷头结构相结合的混色方案,确定打印丝料为ABS高聚物,并对ABS的流变行为进行分析,为混色喷头的流体仿真分析做准备。（2）提出了一种多进料口单喷嘴出口的喷头结构,并基于现有设备Prusa i3 FDM 3D打印机的MK8喷头,对其进行三维建模、仿真分析以确定喷头喉管、加热块、喷嘴的结构参数。随后,根据混色方案对喷头内流道进行流体仿真分析,确定打印丝料的进料角度,初步确定喷头的结构尺寸。（3）通过仿真分析不同熔融腔尺寸下打印丝料的混合情况,确定熔融混合腔的最佳尺寸。控制丝料的进料速度分析不同比例丝料进入喷头后的混合情况,并结合影响打印精度的主要参数,修正和优化打印工艺,优化混色效果。随后面向本文提出的混色喷头结构编写相应的程序,形成插件,便于后续混色喷头的实际生产和使用,进一步提升打印机的实用性。本文通过对一种FDM 3D打印机喷头结构的设计,通过结构、流体等仿真进行了系统的优化,论证了设计的可行性,为实现高效的真彩色FDM 3D打印提供了可参考的方案和思路。在当今的时代,高效、飞速,智能化已经成为了这个时代的代名词,对于机械加工的复杂性,零件的多样性,产品的周期性发展问题,3D打印技术的出现给科学技术带来了质的飞跃。3D打印技术通俗的讲就是增材制造技术。与传统的加工方式来说,3D打印技术以其生产周期短、一次成型、高效率等优势脱颖而出。FDM技术的发展作为3D打印技术中较为成熟的技术之一,它本身所具有的优势是比较于其他的打印技术来说,具有低成本、结构效果简单、易成型等特点,在行业的技术发展方面具有不可比拟的优势。因此,FDM技术在工业装备、金属制造等行业是必然的发展趋势。就目前,3D打印技术的发展,在国内的设备受国外设备在技术和价位方面的压制,整个设备的成本以及后期的保养价格较为昂贵。因此,针对目前基于FDM技术的打印机在国内的发展技术不成熟、支撑后处理困难、FDM型打印机对两种耗材的使用不够成熟等问题,对双喷头双料打印机进行研究。论文对现有的3D打印机的现有切片格式进行了探讨。针对现有的STL文件的切片方式的所存在的问题,利用UG二次开发对三维模型进行切片,得到的层面信息较STL格式文件切片更加完整,避免STL切片的数据冗沉等缺点。在得到三维模型的平面的轮廓信息后,对现有的截面轮廓进行的扫描方式分析,对于不同的截面特征采用不同的扫描方式:对于简单对称的轮廓截面采用偏置扫描的方式,对于复杂的轮廓截面中规则的轮廓先进行内环向外,外环向内的偏置,再进行分区域扫描。这种复合扫描方式可以很好的避免零件成形精度不高的缺点。对规划后的扫描线与轮廓线的交点进行比较排序,规划内轮廓线的路径拾取点坐标值。根据获取的点坐标值编程形成一系列的路径信息,将所形成的路径信息转化成3D打印机所识别的G代码。通过研究规划出的双料3D打印机的打印路径,对设计出的打印文件输入到双料3D打印机中进行初步打印,打印出所切片后的实体模型,验证该设计思路的合理性。随着是时代发展3D打印技术的市场需求越来越高,相关技术也日趋成熟,因其便捷快速的成型特点,桌面级家用式3D打印机开始走进千家万户,相比与其他类型的3D打印机,家用3D打印机要求体积更小、操作简单、结构轻简最重要的是其适用范围要更加广泛。塑料材料是目前使用最广泛的打印材料,但是塑料丝材的生产过程比较复杂,而且价格昂贵。在这样的背景下,作为塑料丝材中间产物的塑料颗粒材料直接应用于3D打印机上的想法变得重要起来。本文从3D打印机的需求出发,在原有打印机基础上构建优化设计方案,意在解决原打印机存在的供料不顺畅、打印机运行震动较大、可使用颗粒过于单一的问题。本文首先对研究对象的力学和热学性能比对,根据不同材料导热系数、熔融温度和热分解温度对其在3D打印技术中应用的难易程度,选定了PLA材料为主要研究对象。接下来进料系统存在问题加以分析发现,颗粒物外形对物料进入输送管道的效果影响较大,比对三种不同的进口处结构设计的模拟结果,选定了斜面式进口结构的方案,而针对颗粒物在输送管道中分布不均和震动较大的问题设计了输送管道管壁处添加凹槽的优化方案,并通过DEM模型对其运动的速度、应力情况进行了模拟,确定了凹槽对提高颗粒物运输能力有明显效果,通过5种不同结构的凹槽结果分析,得到了选用导程为400mm的螺纹凹槽的结构方案的结论。之后根据模拟出来的带有隔热过渡段的新加热头组件温度分布结果,表明了新加热头组件较原加热头结构具有,温度分布更均匀、避免局部物料超温和输送管道内部物料不会发生融化的优势,确定了熔融空间长度为40mm,隔热段长度为15mm的加热头结构;最后经过实验验证,确定了实验结果与模拟结果契合度较高,优化设计后的打印机结构出丝更加稳定,打印件质量明显提升,并且具有更大的材料使用范围,满足了3D打印技术对打印件的质量要求。实验研究内容还包括了对几种常用材料的打印参数设定,经过对比试验确定了PLA、ABS、HIPS三种常用塑料颗粒材料打印温度、打印速度、层高、流量和填充率这五个重要参数的最佳设定值,绘制了打印参数表。 第1章 总体方案及结构设计1.1 引言坐标式3D打印机增材技术已经过数十年的发展，该技术发展到现在已非常成熟，当前在民用市场中应用也十分广泛，且最终得到人们的认可。如今该项技术已经得到了广阔的发展前景，在工业制造中不断增添了新的色彩，从而看出技术的进步程度。随着科技的发展，它已经投人到各种科技工作的领域当中。例如，展厅使用它来复制正品，以防止真正的产品被访客损坏；牙医对患者进行牙齿修复或诊断时首先使用扫描仪对患者牙齿轮廓进行扫描，随后使用打印机打印出适合患者的纠正模具，帮助患者实现修复Error! Reference source not found.。1.2 坐标式3D打印机模型设备的方案分析1.2.1机械结构设计思路模型的制作要求依靠各类不同的机构相互组合并最终实现预期的所有功能就：本文所设计的机械系统设计思路如下：X/Y轴 组成平面扫描运动框架机构选用：X、Y轴导轨均采用丝杠机构，Z轴光杆则采用丝杆机构。三回旋轴机构（即工作台） 伺服电机转轴XYZ这三个方向的移动都是使用丝杆来传动的，由电机作为动力源，与普通的打印机相似，控制工作台上的三个自由度旋转一定的角度，系统将根据打印复杂模型的需要和控制工作台的旋转每次打印完一层，随后完成下一层信息读取，随后根据读取的信息进行下一层打印，直到所有的模型都打印完毕。每个自由度的控制驱动都是单独的Error! Reference source not found.。总体六轴分布的设计图如下：图2-1 X、Y轴分布图图2-2 Z轴与工作台三自由度分布图1.2.2系统框架Error! Reference source not found.图2-3 系统框架结构图1.3 温度控制回路设计1.3.1打印耗材的选用快速成型技术的兴起与发展跟材料有着不可磨灭的关系，因为它也是根据材料的要求来设计的Error! Reference source not found.。目前3D打印的材料已经超过了200种。为了实现坐标式3D打印机的功能，所选材料对于实现坐标式3D打印机的功能也很重要。需要更低的熔点和更好的粘度Error! Reference source not found.。ABS材料是FDM最常用的印刷材料，通常在长丝包装中以不同颜色提供，并由3D打印喷嘴熔化和印刷，如果ABS的熔点不同则不同，通常是细丝盘装。 PLA型的熔丝在坐标式3D打印机中是非常常用的材料，也算是比较环保的；一般情况下不需要加热床，容易使用，而且更加适合低端的坐标式3D打印机。综合考虑我们最终选择了P L A 、AB S耗材，这种材料即廉价又稳定。1.3.2设计思路概述由于这两种打印材料的熔点温度在左右，直到上升到以上就属于分解温度，需要成型的温度应该是在以下这样。控制回路中传感器的作用很大，它把实际的温度返回到反馈控制回路中，并将其温度进行调整输出命令，命令由单片机输出Error! Reference source not found.。控制回路方框图如下：图2-3 控制回路方框图1.4 x . y. z 三 方 向 控 制 电 机 的 设 计使用简化的概念，打印出来的模型是三维的，从而我们可以将三维转成二维来打印，然后二维又转换成一维继续打印。也就是说，可以对Z方向的电机来控制实现这种打印过程，电机每转动所需步进角Z方向就会变化，并且实现每个平面上的二维打印。Y方向也是电机驱动，当电动机转动一定的角度时，每个平面的二维打印被转换成多条线的一维打印。1.5 喷 头 移 动 及 喷 出 量 调 节 的 设 计1.5.1喷头系统的功能要求喷嘴系统的主要功能是将熔体挤出系统：将成形长丝通过进料装置进料到在喷嘴处被加热的液化器中，并且将固体成型材料及时熔化成熔融状态，便于挤出喷头形成实物。喷头的料丝的岀丝速度应与喷头的扫描速度一致，因为是根据扫描路径进行堆积成型的，所以这两个速度要失效高效配合，以期保证打印成型的产品质量和效果，使得工件实体材料堆积均匀，减少毛刺。成型工艺对喷头系统的相关功能要求主要包含下述几个方面，现对其进行论述：供应功能：把已经圈好在丝筒上的丝状材料，取出并把它通过其它方法送到指定位置。熔丝功能和送丝功能：送完成型丝及时熔化后，熔融丝送入液化器。流道功能：为熔融材料提供流通通道。定径功能：对喷嘴挤出的材料的最终尺寸，喷嘴孔的直径确定挤出的丝的直径，并且丝被堆叠以满足所需的细直径。出丝速度匹配与出丝起停控制功能：喷头的移动速度与成型丝的挤出速度都是根据扫描路径信息进行调节，还有推出液态丝材的速度与喷头移动速度相匹配。喷头的移动停下来时，挤出丝材功能也将进行停止控制，喷头的停止是根据扫描路径来控制的，而岀丝是根据喷头控制的，这样才能确保高质量的成型路径。采用熔断挤压法的工艺原理时，准备进入液化器中的成型线作为活塞，固态的丝材在液化器进入口中把熔融状态的丝材推出喷嘴，而推出喷嘴的推力等效于送丝材的推动力。简单概括就是送丝功能等于基本功能Error! Reference source not found.。1.5.2喷头实现方法设计图2-4 挤出机构原理图在描绘熔融沉积式打印技术工作原理之前，我们可以先设想这样一个场景：蛋糕店里面挤蛋糕花，把奶油装进一个锥形的塑料里，顶部开一个小孔，然后你把这个塑料锥形头朝下，向盘子上面挤，边挤变移动，就像写毛笔字一样，当你完成第一层的堆积后，向上抬一点，重复第一层的工作，以此类推，重复以上过程，直至最终堆出你想要的形状，其实这就是FDM的基本思想。熔融沉积也有另一种叫法称熔丝沉积，是在液化器中使用丝状热熔材料以通过加热丝来加热和熔化它来提供热量，其通过细喷嘴的喷嘴挤出。根据每层参数控制加热喷嘴，喷嘴可沿X轴方向移动，沿Y轴方向移动，丝材在喷嘴中挤出，喷嘴与丝材的配合打印完一层上升一个层面的高度，在外温的温度下冷却成型。 熔融沉积成型工艺对于成型温度的要求较高，在加工过程中必须要保持稳定，不能产生较大的幅度，丝材和喷头的温度需要在一定范围内。因此，需要添加反馈温度控制电路来对液化器温度进行严格控制，减少温度对熔融沉积成型工艺的影响。第2章 机械结构设计2.1 电机的选择2.1.1 Z轴电机的选择按照本次机械结构设计的定位精度要求进行精确定位，Z轴的电机是伺服电机，控制好移动速度很重要，故选用了华大电机稳定性能好。电机设计计算：（1）运行时间确定加速时间可按照下式予以确定 （3-1）负载速度（m/min）计算根据设计原理可知其上升速度为50mm/min， （2）电机转速可通过下式予以计算： （3-2）PB为丝杆的导程，我们设计丝杆的导程为5mm，故（3）负载转矩可通过下式予以计算： （3-3）式中：（4）负载惯量可通过下式予以计算： （3-4）丝杆螺母惯量可通过下式予以计算： （3-5）式中总惯量可通过下式予以计算： （3-6）（5）电机转矩启动转矩可通过下式予以计算： （3-7）必须转矩可通过下式予以计算： （3-8）S为安全系数，取1.0按照上述计算结果，选择伺服电机型号为，下表为伺服电机参数说明：图3-1 华大伺服电机的参数电机具体尺寸参数如下图所示：图3-2 电机规格图电机的基本尺寸为长：，驱动轴的直径为12mmError! Reference source not found.。2.1.2 X轴和Y轴电机的选择X轴与Y轴的传动机构原理是一样的，故两条轴电机型号相同。（1）确定运行时间本次设计加速时间可通过下式予以计算： (3-9)负载速度可通过下式予以计算：移动速度为50mm/min， （2）电机转速可通过下式予以计算： （3-10）PB为丝杆导程，设计导程为4mm.（3）负载转矩 （3-11）式中：摩擦系数；负载重量；丝杆导程；传动效率.（4）负载惯量上下垂直运动可通过下式予以计算： （3-12）丝杆螺母惯量可通过下式予以计算： （3-13）式中总惯量可通过下式予以计算： （3-14）（5）电机转矩启动转矩可通过下式予以计算： （3-15）必须转矩可通过下式予以计算： （3-16）S为安全系数，取1.0根据上述计算结果，X轴和Y轴还使用华大伺服电机型号，具体尺寸参数与Z轴相同。2.2 滚珠丝杠螺母的设计2.2.1材料选用原则材料选择的基本原则是材料在满足零件性能的前提下具有良好的加工性和经济性。选用材料的可靠性是在机械部件的正常工作状态下，应具有的物理与机械性能能够满足工作要求的基础。选用的机械零件所用的材料是金属的，然而零件的机械性能才是主要的影响，而非金属材料零件还需要对工作环境是否对零件的性能造成影响。形状尺寸和应力分析的机械性能是选择材料时正确分析的工作条件。 2.2.2滚珠丝杠的技术要求（1）工作条件由于本文所设计的设备传动机构为螺母副，其主要功能是对传感器承载进行动态测量，因而抗扭性能较差，该机构在工作时主要受剪切力租用，同时受弯曲和扭转和特定负荷影响。（2）主要的失效形式 滚珠丝杆在工作时会受到弯 曲、疲 劳、扭 转、冲 击等主要的几个力所影响，在丝杆的接触处，如转动滑动的工作表面受到接触应力。工作时间长了会出现接触疲劳破坏，也会存在机械损伤与磨损。弯曲比较大时，丝杆会承受交变应力；磨损也是因为滚珠与滚道表面的硬度来决定的，表面硬度越差，越容易磨损甚至会发生断裂。为减少磨损，提高滚珠与滚道的表面硬度或涂抹润滑剂。（3）材料的性能要求 结合工作的条件与主要失效形式，属于高精度、轻载荷滚珠丝杆，一般选择低合金工具钢材料制造零件，制造的零件表面需要加热淬火处理，有的还要把整个零件整体淬火的，高精度的滚珠丝杆使用渗氮钢来制造可以预防在热处理时产生变形，选用的渗氮钢牌号如钢，需经处理后使用12。根据工作条件需要丝杆也可以选用淬火钢进行制造，还有的螺母也可以选择铸造锡青铜进行铸造加工，其材料的表面应该要具有高硬度及耐磨性好的性能，及综合机械性能也需要比较高才满足要求。2.2.3丝杆螺旋传动的类型、特点与应用丝杆传动装置主要组成部分包含丝杠以及螺母，螺母与螺杆相互配合之后在电机的带动下螺杆开始运动并实现传动。它主要传递运动和动力，分为两种：将旋转运动转成直线运动；直线运动变成旋转运动。滚珠丝杆的特点： （1）传动效率更高：一般滚珠丝杠的滚珠与丝杆的接触点是很小的，所以摩擦也很小，螺母与滚珠之间的运动是相对的，然而传动效率可高达90%到98%这样。与其他滑动螺旋相比，摩擦力小，可以由直线转成旋转运动。即使丝杆在很小的扭矩之下转动，其推力也是很大（旋转运动转成直线运动），甚至对于其它传统的螺杆系统要强上24倍的效果。（2）运动平稳性：滚珠丝杆工作起来摩擦阻力是很小的，也没有任何的颤动，十分流畅，在低速运动是滚珠没有打滑现象还可以进行微量进给的控制，是很灵敏的，是传统典型的点接触滚动运动。（3）精度高：滚珠丝杠在运转时产生的温度低，热胀冷缩、轴向间隙拉伸等问题这些效果都不大，对其运转无影响还具有较高的定位精度。（4）高耐用性：滚珠丝杠副接触点表面硬化，运动过程滚动，摩擦小，寿命长，精度很高。（5）同步性好：多组滚珠轴承组合的传动系统，运动起来很平稳无滑动、无异响还灵敏，可同时完成多个传动部件和装置的控制，因而具有良好的同步效果。（6）高可靠性：与常见的液压、气压系统相比较故障较少，对其进行维护与保养很方便。只需要做好防尘、润滑措施，有时候无润滑也可以进行正常的工作，但不能经常如此工作。2.2.4滚珠丝杆螺母的设计计算滚动丝杆属于自锁丝杆，需要进行校核其自锁性，轴向力是在工作时主要承受的力，所以那时将产生的磨损是由滚珠与滚道之间的接触引起的，从而也会影响到精度。一般的耐磨参数是根据滚珠丝杆的直径与锁紧螺母的高度这些基本尺寸而设计的，滚珠丝杆和螺母的工作中将受到很大力，可能会发生塑性变形或断裂，为了防止这些问题的发生，需要对丝杆的危险截面和锁紧螺母的强度进行有效的校核。对较长的丝杆容易受到轴向力的作用而失稳，稳定性是比较重要的，所以稳定性也要校核；对于高速旋转的长丝杆会产生横向的摆动情况，为了防止横向摆动校核临界转速是很重要的。在具体设计中，需要根据具体的工作环境以及承载情况、失效形式来选择与之对应的设计标准，且不需逐一检查Error! Reference source not found.。表3-1 螺旋传动的常用材料螺旋副材料牌号应用范围螺 杆材料无需热处理后可直接使用，适用于承载力不大，转速较低的场合该材料需要进行热处理以提高其耐磨性，适用于重型传动和高速传动。材料要热处理来提高尺寸的稳定性，适 用于 精 密 导 电 螺 杆 驱 动。螺母材料耐磨性好，适用于一般传动适用于重载荷的低速传动，其材料的耐磨性与高强度良好，使用于大型的高速传动，螺母要用钢及铸 铁 制 造。在本设计中Z轴选用滚珠丝杆，打印精度是由丝杆的运动稳定性来决定的，特点也符合要求，选择性能好的滚珠丝杆是最关键的一步，滚珠丝杆的选择与工作场合也有一定的联系。滚珠丝杠所能承受的最大轴向载荷为，支撑之间最大间距为，精度要求。按照所选用的丝杠参数进行阻力计算，根据额定静载荷选用，额定静载荷可依据下式进行运算： （3-17） 故： 载荷性质系数； 动载荷影响系数，最大轴向载荷静态载荷为。 查表可知使用寿命为：。 但是，主螺杆的螺距为：，Z轴马达的速度为。得丝杆转速为： （3-18）滚珠丝 杆的螺 距，几何参数如下表所示 。表3-2 滚珠丝杆螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果（mm）螺纹滚道公称直径20螺 距5接触角钢球直径2.175螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）螺母长度Ln33（1）传动效率计算 （3-19）摩擦角；丝杆螺纹升角。 故：效率为。（2）对丝杠刚度进行验算，在工作过程中丝杠受到负载使导程变化的变化量可通过下式予以计算： （3-20）向 所受牵引力较大，因而可依照下式予以计算（N） （cm） () （3-21）有： （cm）导程的变化量较小，由此可通过下式计算导程差： （3-22）查资料可知丝杠允许误差值为，通过刚度校验可知满足使用需求。（3）验算丝杆的稳定 性，扭 矩可通过下式予以计算： （3-23）式中G移动部件自重 S导程（cm） 逆传动效率，通常用正传动效率代替。N.cm根据上述计算过程可知，通过型号：，当反应式步进电机驱动螺杆副时，不会发生逆向转动现象。（4）轴承的选择轴承在运行期间受到的冲击是轻微的，所以影响不大，则根据工作条件与正常的工作温度下选择型号，轴承寿命预计为；轴承在工作过程中将受到轴向载荷，其受到最大的轴向载荷为，经过查询资料可以得知滚动轴承型号为的基本额定动载荷为,基本额定静载荷为。本次设计中可以选用带座轴承代替，安装与维护都比较方便，则需要选用轴承型号为轴承。查表，当量负载：，轴承寿命可通过下式予以计算： （3-24）温度的系数：=1，=1；=3得寿命校核结果可知，本文选用的轴承满足使用条件。（1）计算滚珠丝杆螺母副及选型X轴方向最大轴向载荷为，支撑丝杠最大距离为，定位精度Error! Reference source not found.。额定载荷可通过下式予以计算： （3-25）载荷性质系数。影响系数， =1轴向载荷额定静载荷为查表，寿命时间为，选择螺距，丝杆转速可通过下式予以计算： （3-26）选择螺距为，滚珠丝杠副参数如下所示。 表3-3 滚珠丝杆螺母副几何参数（2）传动效率计算 （3-27） 得出： 然而传动效率为96%。（3）验算的刚度：由工作负 载使导 程发生的变 化量可通过下式予以计算：L1= （3-28） 6 ()，(材料为45钢) （） （3-29）有： 变化量不大，由此可知，导程误差可通过下式予以计算： （3-30）选用的滚珠丝杠允许的误差值为，根据校验结果可知，满足刚度需求。（4）轴承的选择初选的型号为，正常工作的温度环境下，其使用的寿命为，滚珠丝杆承受的是轴向载荷，所承受载荷的最大轴向载荷为。经过查资料了解到型号为的滚珠轴承的基本知识，轴承的基本额定动载荷，基本额定静载荷，查表 可知道轴承寿 命可通过下式予以计算： 其中：=1；=1，为滚珠轴承，=3得根据轴承寿命校验结果可知，该轴承合适。2.2.5滚珠丝杆螺母的支承方式的选择 滚珠丝杆有三种不同的支撑方式，如下图所示：图3-3 滚珠丝杆的四种支撑方式选用不同的滚珠丝杠支撑方式，其轴向载荷和转速也有所差异。该设计采用第二种类型，一端固定另一端支持，适用中速和高精度。 2.2.6滚珠丝杆螺母的润滑和防尘隔离（1）油润滑矿物油适用于大多数的滚动轴承，高转速时滚珠丝杆副的温度也是比较小的，油还可以降低其温度，对滚珠丝杆而言油润滑比脂润滑好。如果使用油润滑补充润滑油的时间间隔八小时之后，在重新润滑都可以。（2）脂润滑如采用脂润滑可以使用很长时间后，在进行补充脂润滑，与油润滑相比相隔的时间也长。但是脂润滑使用太久了，要进行清理上面的杂物和旧的润滑脂清理干净，才能更换新的润滑脂，一般是半年到一年换一次脂。厂家生产脂的时候装脂的罐子上面都会有使用说明和提示，应按照上面的说明进行使用Error! Reference source not found.。（3）防尘与隔离由于异物和灰尘是对滚珠螺杆与滚动轴承快速磨损和损坏的重要因素，所以需要进行采取防护措施，可安装防尘圈即可实现防尘。滚珠丝杠副设计时应当注意下述问题：在安装滚珠丝杠时应当保证螺母上受力均匀，还要保证作用在螺母上的合力经过滚珠丝杠轴心，可提升寿命和精度。(2) 防逆转：虽然滚珠丝杠传动效率较高，但在实际应用过程中要防止拟传动，在电机带动丝杆，电机停下来时，产生的运动部件的自重惯性引起的逆传动现象，为了防止出现逆转，可采用离合器或停电自锁电机等方式。(3) 防护：滚珠丝杠副在行程两个方向要装有行程开关，限制行程起到保护作用，以防超程撞坏其它东西及影响其精度和寿命。(4) 防止热变形：在滚珠丝杆运动时产生的热，还有其它部件产生的热，这些热对滚动丝杆的定位精度有重要影响，热会导致丝杆膨胀而伸长。因而分析各种热源因素采取措施控制热源。2.3 导向光杆和直线轴承的设计2.3.1直线轴承的选择合适的工作温度为：；不锈钢轴承适用于环境较为恶劣的场合，轴承型号可按照下式予以确定。硬度系数：硬度以上，；硬度，。温度系数：工作 温度 小于，工作 温度，。接触系数FC计算过程如下：每根轴装一套轴承，每根轴装二套轴承，每根轴装三套轴承，每根轴装四套轴承，表3-4 载荷系数FW时间寿命可通过下式予以计算： L长度寿命 ，LS工作行程，N1每分钟往复次数已知装置行程米，工作 温度：， 往复 次数/min。 载荷：，硬度 ，寿命小时。运行速度可通过下式予以确定：载荷重量为，滑动轴承固定于X轴导向光杆并与其相互装配，轴承座为固定式，本次设计中滑动轴承如下图所示。图3-4 滑动轴承表3-5 带法兰的滑动轴承参数按照轴承的载荷情况，选用滑动轴承型号：，轴承中间 孔径为：，这样导向光杆 的直径也 设计 为。2.3.2直线轴承的安装公差等级、级，直线轴公差、级，防止轴承钢球脱落或保持器损坏，导向轴须对准直线轴承孔轻轻的插入，使轴心与轴承中心重合，直线轴承安装方向可以跟滚珠丝杆副一样安装。轴承座与X轴一端是一体的，直线轴承使用四颗螺栓固定在轴承座上，轴承座的孔可能会压到轴承导致游隙变小，可以用手轻轻旋转轴，看轴是否可以接触钢球并且可以轻松旋转。这时，间隙为；如果轴更难旋转，间隙为；或者轴不能旋转，配合间隙大于，如果转动轴时钢球同时也在做滑动，这样会使轴和轴承的寿命大大降低。直线轴承是不能旋转的只是里面的滚珠在转动而已，因此直线轴承应该很好地定向Error! Reference source not found.。2.3.3直线轴承润滑和防尘轴承上有防锈油，在使用时不必把防锈油清洗掉，可直接加润滑剂使用。根据工作时的温度来选择润滑油，若工作温度较低则选用粘度较低的润滑油，若工作温度较高则选用粘度较高的润滑油，常用的润滑油类型为：透平油、机械油和锭子油。在进行轴承密封时要将润滑油加到轴承内，无密封圈的轴承润滑油滴在轴上就好。灰尘或异物进入到轴承内会导致保持器与滚珠的损坏，降低轴承使用寿命，如对于一些粉尘较大的场所像锻造机械、木工机械，则轴承两端需加密封圈。2.3.4导向光杆的固定座导向光杆是固定的不需要转动，根据光杆的直径选择固定座，固定座的参数如下：图3-5 导向光杆固定座的参数本设计选择的是两面切割法兰型的固定座，导向光杆两端都需要固定座固定。2.4 Z轴联轴器的选择联轴器是电机与丝杆连接的部分，无特殊要求，只需考虑安装、拆卸与 经济 方面、经常 正反转、起动 频繁的场合 就行，然而选用弹性套柱销 联轴器，工作温度为。取工作 情况系数 。计算联轴器承受转矩 （3-33）根据电机输出轴的直径为，及转矩来选择联轴器。故：合适弹性套柱销联轴器型号为，主要的技术参数和尺寸如下：图3-6 弹性套柱销联轴器工作图示例表3-6 弹性套柱销联轴器的参数2.5 X、Y轴同步带轮设计（1）设定功率电机额定功率为0.6KW，假定电动机工作时间为10小时，查表可知工作系数。表3-7 载荷系数KA（2）选定同步带带型和节距带传动功率较小，根据选型图来选择带轮的型号，最终选择型带，节距。图3-7 同步带选型图（3）选主动轮（小带轮）的齿数通过小带轮的转速来确定其中的齿数，经过查表得知小同步带轮最小齿数为。表3-8 小带轮的最小齿数（4）计算主动带轮的直径d1的值 （3-34）（5）大同步带轮数据确定同步带的传动比设为，先计算出大同步带轮的齿数，故 （3-35）大带轮齿数，实际传动比可通过下式予以计算： 大带轮节圆直径可通过下式予以计算： 同步带轮转速可通过下式予以计算