巧克力挤出式3D打印机结构设计

毕 业 论 文巧克力挤出式 3D 打印机结构设计学生姓名：专业班级：指导教师：学 院： 机电工程学院巧克力挤出式 3D 打印机结构设计摘要随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用于生活当中，3D 打印技术也将被推向更高的层面。如今人们物质生活丰富，更多人们追求个性的生活。喜欢一些 DIY 设计，把自己喜欢的图案作为服饰或者食物的形状。鉴于 3D 打印的流行和人们个性的追求，设计一款巧克力 3D 打印机是非常有前景的。本设计基于快速成型技术的基本原理，对于普通 3D 打印机结构加以研究，特别对打印的材料和材料输出的方式加以设计和改进。在普通的挤出式打印机基础上进行优化设计，以巧克力为打印材料，先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，通过单片机读出截面的信息，由单片机指导三个坐标滑台运动和控制挤出头挤出量。本次设计的巧克力挤出式 3D 打印机主要为机械结构，由 X、Y 、Z 坐标滑台、挤出头、滚珠丝杆副、直线导轨，箱体等部分组成。其中 X、Y 、Z 坐标滑台是来实现三个自由度的运动，分别由三个步进电动机驱动，滚珠丝杠副传递运动，使坐标滑台在直线导轨上做直线运动。最后设计出箱体结构设计比较简洁，容易实现桌面化。设计出能打印长 200 mm，宽 200 mm，高 100 mm 的巧克力 3D 打印机。关键词 3D 打印机；快速成型；结构设计3D printer structure design of extrusion of chocolateAbstractWith the further development of intelligent manufacturing, new information technology, control technology, materials technology has been widely used in daily life, 3D printing technology will be promoted to a higher level. Now people rich material life, more and more people the pursuit of individual life. Like some DIY design, their love pattern as clothing or food shape. In view of the 3D print popular and people's pursuit of personality, the design of a 3D chocolate printer is very promising. The basic design principle of rapid prototyping technology based on 3D structure, for ordinary printer to be studied, especially for the printing of materials and material output mode design and improvement. To optimize the design of extrusion type printer based in common, with chocolate for printing materials, through the modeling of computer modeling software, and then built the 3D model of “partition“ layer by layer section, read the section of the information through the MCU, MCU instruction by three coordinate slider movement and control of extrusion head extrusion amount. The design of the extrusion type 3D chocolate printer mainly for mechanical structure, composed of X, Y, Z coordinates, the extrusion head slide, ball screw, linear guide, case etc The X, Y, Z coordinates of the slide is to realize three degrees of freedom of movement, which is composed of three stepper motor driven ball screw transmission, movement, coordinate slider motion in a straight line on the linear guide rail. The structure design is simple, easy to implement desktop. Designed to print length 200 mm, width 200 mm, 100 mm 3D chocolate printer.Keywords ：3D printer; rapid prototyping; structure design目录摘要Abstract目录 IV1 前言 11.1 研究背景 .11.1.1 研究目的 21.1.2 研究意义 21.2 研究方法和内容 .31.2.1 研究方法 31.2.2 研究的主要内容 32 整体结构和工作原理 42.1 设计参数 .42.2 工作原理分析 .42.3 整体结构组成 .52.4 整体方案设计与分析 .62.4.1 滑台部件设计 62.4.2 挤出部件设计 82.4.3 机架部分设计 102.5 总装图 .113 重要零件的设计计算和校核 123.1 电机的选择 .123.2 联轴器的选择 .133.3 挤出装置部件的设计计算 .143.3.1 螺杆的设计 143.3.2 机筒的设计 153.3.3 螺杆的强刚度校核 163.4 轴的计算和校核 .173.4.1 初估轴颈 173.4.2 轴的刚度校核 183.5 轴承寿命的计算 .193.5.1 初选轴承型号 193.5.2 计算轴承的当量动载荷 193.5.3 轴承的寿命计算 204 基于 SolidWorks 的各部分机械结构设计 214.1 直线滑台的三维设计 .214.2 挤出装置的机构设计 .214.3 机架本体的结构设计 .224.4 整体装配图结构 .23结论 .25参考文献 .26致谢 .2701 前言1.1 研究背景随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。如今，我们拥有了 3D 打印这一先进的技术，我们可以通过 3D 打印机来打印各种我们所需要的、想要的。3D 打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛 1。3D 打印技术，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。3D 打印机则出现在上世纪 90 年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置 2。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在 0.01mm 的单层厚度上实现 600dpi 的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时 25mm 厚度的垂直速率，并可实现 24位色彩的彩色打印。目前，在全球 3D 打印机行业，美国 3DSystems 和 Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的 FabHome 和 Shapeways、英国的 Reprap 等。3D Systems 公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于 2011 年 11 月收购了 3D 打印技术的最早发明者和最初专利拥有者 Z Corporation 公司之后， 3D Systems 奠定了在 3D 打印领域的龙头地位。Stratasys 公司 2010 年与传统打印行业巨头惠普公司签订了 OEM 合作协议，生产 HP 品牌的 3D 打印机。继 2011 年 5 月收购 Solidscape 公司之后，Stratasys 又于 2012 年 4 月与以色列著名 3D 打印系统提供商 Objet 宣布合并 3。当前，国际 3D 打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。在欧美发达国家，3D 打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型 4。另外， 3D 打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司 Quirky 通过在线征集用户的设计方案，以 3D 打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出 60 种创新产品，年收入达到 100 万美元 5。自 20 世纪 90 年代以来，国内多所高校开展了 3D 打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM 工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大1 前言1学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了 HRP 系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到 40.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用 6。但总体而言，国内 3D 打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内企业已实现了 3D 打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产 3D 打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口 3D 打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区 3D 打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发 7。1.1.1 研究目的随着科学技术的发展和不断进步，人们对生活的质量要求越来越高，需求也越来越特别，总喜欢设计出自己想要的东西，而不是个商店里卖个固定的种类。巧克力是人们日常生活中常见的食品，也是节日里送朋友恋人的最佳礼物。人们如果能根据自己的想法设计出自己想要的图案，或者写一些有意义的话。将这些创意应用在 3D 打印机上，用 3D 打印机将这些创意打印成巧克力，再将其作为礼物送给别人。这无疑将受到大家的青睐。而且设计出的巧克力打印机比较轻便，适合于家庭使用，这样就可以在家自己制作 DIY 巧克力了。3D 巧克力打印机的研制将科学技术的进步带入了普通的人们生活中，大大地提高了人们的生活质量。通过本次设计研究，将传统的 3D 打印机进行改进和创新，使其在不需加热和冷却等复杂情况下，能打印出形式各种各样的巧克力作品。设计的巧克力挤出打印机，具备普通的 3D 打印机的功能和结构，同时应用现在所学的知识进行设计改进。一方面可以将快速成型技术进行改进设计，同时，另一方面，对于自身而言也是将理论知识运用于实践的举措。对于 3D 打印机，特别是挤出式的 3D 打印机有更进一步的了解和掌握。1.1.2 研究意义本次研究设计通过改进原有三维打印机复杂性方案，从而改善结构的工艺性。与传统模型制作相比，3D 打印具有传统模具制作所不具备的优势，主要表现如下 :制作精度高，经过 20 年的发展，3D 打印精度有了大幅度的提高。 目前市面上的 3D 打印成型的精度基本上都可以 0.3 mm 以下。制作周期短，传统模型制作往往需要经过模具的设计模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期长。而 3D 打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。可以实现个性化制作 8。对于传统模型的制作，个性化模型的生产就显得力不从心，或2者是成本高昂。 而 3D 打印对于打印的数量没有限制，不管是一个还是多个，都可以以相同的成本制作出来。制作材料的多样性。一个 3D 打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。 比如金属石料高分子材料都可以应用于 3D 打印 9。制作成本相对低。 虽然现在 3D 打印系统和 3D 打印材料比较贵，但是如果用来制作个性化产品，其制作成本就相对较低了 加上现在新的材料不断出现，其成本下降将是未来的一种趋势。发展创新与突破，3D 打印被用作经济学人杂志封面，主题为看制造业新技术如何改变世界，详细介绍了 3D 打印的历史和发展，可见人们对于 3D 打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注 10。 而 3D 打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，人们利用 3D 打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。1.2 研究方法和内容1.2.1 研究方法第一，分析相关资料法。首先应该对于国内外的研究和发展的现状有所设计和了解掌握，对于相关的信息进行分析，和归纳。通过对期刊、历史的资料和相关的文献等有关材料进行翻译和分析掌握，来获得巧克力挤出式 3D 打印机系统的一些发展现状。第二，学习法。请教毕业设计的指导老师，请教学校里有关方面的专家，与同学进行讨论，思考，到实地观察和分析现有的 3D 打印机的优点，主要还有那些不足之处，进行学习和不断地改进创新。第三，调查法。走访一些 3D 打印机的销售处，去访问一些相关公司的网页，对实体有了进一步的观察和了解，记录相关的数据。到实地拍摄，考察，研究现有的 3D 打印机。并且，根据自己的观察，做成一些方案。通过以上的研究方法，总结出巧克力挤出式 3D 打印机的研究路线：分析国内外的研究背景情况查找相关的资料市场调查和研究分析做出具体的设计方案绘制相关的图纸进行意见的反馈修改相关的图纸。1.2.2 研究的主要内容本课题主要研究内容如下：（1）对于巧克力挤出式 3D 打印机在设计过程中，所遇到的一些重大问题进行科学合理的分析，并且提出个性的解决方案。（2）针对快巧克力挤出式 3D 打印机的机构进行设计分析，主要的，特别是在巧克力挤出头的结构设计。在普通 3D 打印机的基础上，进行适当地设计与改进。再根据实际需要来进行加工机构的分析，并且，对于具有决定意义的零部件进行刚度校核，和强度的校核。2 整体结构和工作原理32 整体结构和工作原理2.1 设计参数巧克力挤出式 3D 打印机一般由机械结构系统，单片机控制脉冲系统和三维建模软件系统三大 出式 3D 打印机的设计主要分为这样几个部分。首先是三个自由度上的直线运动，通过步进电机带动滚珠丝杆螺母副实现工作台或挤出头的移动。其次是挤出头部分，也是此设计的重点。此次设计的挤出头类似于单螺杆泵结构，挤出原理是由步进电机经由联轴器带螺杆转动，从而使得腔体里有一个体积差，形成压力差，使得输入的巧克力能以一个相对稳定的速度从挤出头里挤出 11。另外是工作台部分。工作台是电机分别带动滚珠丝杆螺母副实现 XY 两个方向的运动。最后就是打印机的主体部分，由立板，支撑板，折板等构成，组成机床的大致框架。巧克力挤出式 3D 打印机的主要技术参数如表 2-1：表 2-1 巧克力挤出式 3D 打印机的主要技术参数工作台尺寸 打印尺寸 截面精度 厚度精度400×400mm 200×200×100mm 0.01mm×0.01mm 0.005mm2.2 工作原理分析 巧克力挤出式 3D 打印机的工作原理是这样的。首先 xyz 的滑台组是实现工作台或挤出头的直线移动。滚珠丝杠副的原理如图 2-1 所示，通过步进电机连接联轴器，带动丝杆转动，从而实现滑台和工作台的直线运动。通过步进电机的输入端输入不同大小频率的脉冲，由于步进电机的步距角很小，一般为 0.9 度或 1.8 度，这样就可以由步进电机输出平稳精度高的直线运动 12。图 2-1 滚珠丝杠副螺杆泵由步进电机带动转动，从而使得螺杆转动。螺杆泵的结构如图 2-2 所示，泵的主要部件是转子（螺杆）和定子（螺腔）。转子是一根单头螺旋的钢转子；定子是一4个通常由弹性材料制造的、具有双头螺旋孔的定子。转子在定子内转动。泵内的转子是呈圆形断面的螺杆，定子通常是泵内具有双头螺纹的橡皮衬套，螺杆的螺距为橡皮套的内螺纹螺距的一半。螺杆在橡皮内作行星运动，螺杆通过平行销联轴节（或偏心联轴器）与电机相连来转动的 13。1.出料腔 2.拉杆 3.螺杆套 4.螺杆轴 5.万向节总成 6.吸入管 7.连节轴 8、9.填料压盖 10.轴承座 11.轴承盖 12.电动机 13.联轴器 14.轴套 16.传动轴 17.底座图 2-2 单螺杆泵结构螺杆与橡皮套相配合形成一个个互不想通的封闭腔。当螺杆转动时，封闭腔沿轴向有吸入端向排出端方向运动，封闭腔在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔。螺杆作行星运动使封闭腔不断，向前运动以至消失，即将料液向前推进，从而产生抽吸料液的作用 14。2.3 整体结构组成巧克力挤出式 3D 打印机主要有三部分组成，如图 2-3 所示：图 2-3 总体结构2 整体结构和工作原理5（1）挤出部分。由动力装置、机架、传动机构、螺杆组成。（2）三方向运动部分。由动力装置、机架、传动装置、丝杠螺母副等部件组成。（3）机架部分。由支撑架、固定板、工作台面等部分组成。2.4 整体方案设计与分析在本次设计和研究的过程中，我们充分考虑了该打印机在使用的通用性，可以适用多种类似巧克力材料，如蛋糕、奶油等。机械结构最大限度，采用了外购件，包括标准件和通用件，并且经过了标准化的检验，这就使得机械结构零部件的标准化系数已经符合国家的标准。通用零部件已经过长期的可靠性的验证，在技术已经十分的成熟。同时，该机械结构十分简单，具有广泛的适用性和实用性。2.4.1 滑台部件设计（1）电机选择：由于本次巧克力挤出式 3D 打印机的设计为简化的设计，在减速器方面没有过多的设计。我们对于电机的要求较高。在步进电机和伺服电机选择，分析它们的性能如下：、控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为 3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为 0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置 1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360°/10000=0.036°。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360°/131072=9.89秒。是步距角为 1.8°的步进电机的脉冲当量的 1/655。 、低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT ），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 、矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定 转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 、过载能力 不同。步进电机一般不具有 过载能力 。交流伺服电机具有较强的过载6能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 、运行性能不同。步进电机的控制为开环控制 ，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 、速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合 15。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但伺服电机的成本远高于步进电机。在考虑设计的经济性时，我们选择步进电机作为运动源。电机功率和转矩较小，但是要求精度较高，步矩角小，分辨率高，同时体积和质量要小。最后选型为 LC57HS0601 步进电机。（2）联轴器选择：联轴器连接电机输出轴和丝杆轴，输出的转矩不大，可按照电机轴和丝杆轴的轴径选择联轴器型号。根据 GB/T 5272-2002梅花形弹性联轴器选用最基本型 LM1-MT1。（3）丝杆螺母副设计：滚珠丝杠副是由丝杠及螺母二个配套组成的。是目前传动机械中精度最高也是最常用的传动装置。根据设计的工作台尺寸 400×400 mm，所以丝杆的长度为 400 mm。丝杆和光杆配合使用支撑滑台，由于丝杆光杆承受的力较小，初选其直径为 mm。滚珠丝杠的基本参数公称直径 16 mm，公称导程 2.5 mm，精度 716级。根据 GB/T 17587.2-1998 选择滚珠丝杠型号为 GB17587-16×2.5×38016。滚珠丝杠副的安装方式选择两端铰支，如图 2-4（a）、（b ）所示。此结构简单，轴向刚度小，适用中等回转刚度。两根光杆和丝杠配合，滚珠丝杠螺旋转动带动螺母滑台直线移动，运动如图 2-4（c ）所示。图 2-4 滑台组2 整体结构和工作原理72.4.2 挤出部件设计（1） 电机选择挤出头挤出熔体巧克力时需要运动平稳，精度要求高，根据上节的电机选择分析可选择步进电机，厚度精度为 0.005 mm，需要选择精度更高的步进电机。选型57BYGH002。（2） 偏心联轴器设计 单螺杆泵的工作原理是偏心单头螺旋的转子（螺杆）在双头螺旋的定子孔（螺腔）内绕定子轴线作行星回转。在传动轴和螺杆之间需要有个偏心联轴器连接。此设计为简化设计，设计出的偏心联轴器基本结构如图 2-5 所示，螺杆具有单头螺纹,其任意截面皆为半径为 R 的圆,截面的中心位于螺旋线上且与螺杆的轴心线偏离一个偏心距 e，绕轴旋转且沿轴向移动而形成的 17。图 2-5 偏心联轴器（3） 传动轴及螺杆设计按挤出头的设计，电机输出后连接联轴器，再传给传动轴，在传动轴上需要有轴承支撑，传动轴设计如图 2-6 所示，L1 段连接联轴器，L2 段用于轴承支撑，L3 段连接偏心联轴器。图 2-6 传动轴单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在料筒中旋转构成，单螺杆挤出机的大小一般用螺杆的直径来表示。螺杆是挤出机的关键部件，各啮合螺杆之间以及螺杆与缸套间的间隙很小，在泵内形成多个彼此分隔的容腔，转动时，下部容腔 V 增大，吸入液体，然后封闭；封闭容腔沿轴向推移，新的吸入端形成，一个个的封闭容腔移动，液体就不断被挤出。螺杆结构如图 2-7 所示，螺杆的直径（D ）与长径比（L/D ）是螺杆的基本参数 18。8图 2-7 螺杆（4） 挤出装置的整体设计挤出装置的原理是利用螺杆泵的相互啮合空间容积变化来输送熔体巧克力的。螺杆泵有单螺杆、双螺杆和多螺杆等几种。按螺杆的安装位置可分为卧式和立式两种。本设计所用到的是单螺杆立式安装，整体设计就如图 2-8 所示。图 2-8 挤出装置2.4.3 机架部分设计在本次设计的机架部分，主要包括底座支板，立板和悬臂板。底座支板上分布有 X进给方向的滑台组，主要是起支撑作用，立板固定在底座支板上。在立板上布置 Y 轴的滑台组，滑台上固定悬臂板，悬臂板上布置 Z 方向滑台组，滑台组的支撑板上固定挤出装置。这样机架就把三自由度的滑台组固定了，挤出装置也被固定。此种结构简单，可靠，安装方便。2 整体结构和工作原理9图 2-8 挤出装置2.5 总装图根据设计参数和上述的各个机构的原理，设计出 3D 打印机，其总装图如图 2-9 所示：图 2-9 总装图103 重要零件的设计计算和校核3.1 电机的选择巧克力挤出式 3D 打印机的电机分为以下几种。第一种是 XYZ 三坐标进给机构中的步进电机，有三台。第二种是挤出装置中的步进电机，有一台。本次设计对电机的要求高，故采用不仅电机，XYZ 轴的进给系统运动直接影响打印精度。进给系统的运动性能一样采用同种步进电机。因为本次设计的重点是巧克力挤出式 3D 打印机的挤出装置，因此，挤出装置中的步进电机应该选择更精度更高的。（1） 进给系统步进电机的选择选用进给系统的动力源时，主要需要考虑转动力矩的大小应满足使用要求，响应要迅速，不产生丢步现象等等。计算电机力矩，根据电机的力矩选择电机的型号。(3-1)mgF计算得： N 10F丝杆轴的直径为 16mm，则所需力矩为(3-2)102T计算得： N·m 05.126.T考虑滚珠丝杆副的摩擦和转动惯量等因素，同时，步进电机在速度变化时应该保证恒转矩，所以安全系数选 3 比较稳妥，故电机力矩为N·m0165.35.0故选步进电机型号为 LC57HS0601 步进电机，其静力矩为 0.065N·m，步矩角0.9°，相电流 0.5A，重量为 0.12kg，尺寸为 mm。27（2） 挤出装置系统电机的选择挤出装置系统的动力系统有下列的要求。首先分辨率应该高，速度调节方便快速，受环境等因素的影响小，并且额定功率小，并且可用在数控开环的系统。而 BF 系列步进电机是反应式步进电动机。综合以上的因素，我们选用了型号 LC57HS0602 的电动机作为本次设计主运动的动力源。额定功率为 0.37kW，额定转矩 0.882N·m，外形尺寸 75mm。选用时主要有以下几个步骤：根据需要的脉冲当量和综合最大静转矩电机型号，来初选步进电机号，并从机械设计手册中查到步距角 b ，3 重要零件的设计计算和校核11由 于 (3-3)360iLbp综合考虑，初选了 ，i =2.08 ，可满足以上公式。5.1b步进电机最大静转距 M1 是指电机的额定的转距。步进电机的最大启动转矩 Mm 与最大静转矩 Mj 的存在一定的比例关系是：Mm= Mj (3-4) 步进电机的空载启动是这样定义的，一台步进电机在没有外加工作负载情况下的启动，这时步进电机所需要的空载转矩。动力式计算如下：Mk=M2+Mf+ (3-5)0在式中：M k 为空载启动转矩；M 2 为空载启动时部件，由静止一直到到最大快进速度，从而折算到电机轴上的加速产生的力矩；M f 为电机在空载时，来折算到电机轴上的摩擦转矩。并且，我们需要保证初选电机型号时，需要满足步进电动机的所需空载启动力矩应该小于步进电机名义启动转矩。经过计算和校核，步进电机 LC57HS0602 满足要求。3.2 联轴器的选择在本次的设计上，采用的是步进电机直接通过联轴器带动丝杆轴，这样就减少了减速箱这一部分的结构设计。在联轴器的选择上，在不考虑工作台的基础上，本次的设计有两类联轴器。一类是进给机构中的步进电机，轴颈较小，扭矩也较小。另一类是挤出装置机构中的联轴器，轴颈较大，同时，扭矩也较大。步进电机联轴器，主要用于联接步进电机轴与其他轴来传递扭矩，并且需要有精密的传动能力。应该具有以下的特点，没有间隙，联轴器的整体在传动运行的过程中不能有间隙；合适的的刚性，联轴器不可以出现传动的滞后性，否则将严重影响步进电机传动的和工作的精度。比较小的惯量，在强度的基础之上，应降低步进电机联轴器的重量。柔性应该较好，有精密要求的的步进电机联轴器，不仅需要刚性高，同时需要校正在安装过程中产生的主动轴与从动轴之间的各种各样的误差。选择弹性柱销联轴器，GB/T 5014-2003，型号为 LX1，公称转矩为 250N·m，轴颈18mm，D 为 90mm，b 为 20mm，质量为 2kg。挤出装置上的联轴器的要求进给系统上的有很大的不同。它传递的转矩小，轴颈也较小，因此选用刚性联轴器。选用联轴器 LS9 -32-1214 L41，LS9 表示系列号，材料为铝合金 。32 表示外径尺寸为 32mm，定位螺丝固定 12mm，D1 轴径为 12mm。123.3 挤出装置部件的设计计算在本次设计的挤出装置是应用单螺杆挤出机的原理，参照其原理进行简化设计。我们挤出的材料为熔融的巧克力。把这种挤出机也称为熔体挤出机。熔体挤出机的功能是泵送、加压和混合熔体。从这些功能看亦可认为熔体挤出机是一种特殊形式的螺杆泵。根据熔体挤出机的功能要求，与塑化挤出机相比，有下列特点。螺杆直径可选用较大尺寸。这是因为输送的熔体质是受螺杆直径和螺槽深度影响较小，如最大宜径可达 300 mm。螺杆长径比较小，一极不超过 22 mm。显然这是由于熔体挤出螺杆不担负固体输送和熔融物料的缘故。螺杆结构不一定采用三段式分段，如采用长区渐变式全锥形结构。一般只要求装设混和元件，仅在特殊需要时才装设剪切元件。为防止剪切过热螺杆速度可取较低值。同时需要的驱动功率也较小。根据自热挤出原理，若取高螺杆转速时，加热功率必然很低。机筒加热器的主要作用是保持熔体温度。因此需要的加热功率较低。一般进料区不设冷却装置。担负输送热敏性物料的挤出机，为防止过热，可沿机简装设冷风系统湿度控制系统较简单。一般不配置加料斗或料仓，而用熔体管直接输入熔体。在聚合物加工工业小应用熔体挤出机作熔体输送、配科等工作 19。3.3.1 螺杆的设计螺杆的材料选择 38CrMoAIA 钢。单螺杆挤出机螺杆的基本几何尺寸关系表示在图3-1 中。螺杆的几何结构直接决定螺杆的性能。设计螺杆的主要任务就是确定其合理的几何形状及尺寸。图 3-1 螺杆几何结构(1) 螺杆的径向尺寸巧克力熔体输送速率计算螺杆直径 Ds 系指螺杆外径，其名义尺寸与机筒内孔直径 Db 相等。螺杆的直径是螺杆挤出的标称尺寸。这是由于螺杆直径越大，机器产量越高，用螺杆直径可大体估计机器的生产能力。取 Ds=32 mm。实际上机筒内径与螺杆外径之间存在径向间隙 。显然有如下关系：f3 重要零件的设计计算和校核13(3-6)(21rbfD代入数据得： .0)6.32(5.0f螺杆螺纹表面与机筒内孔表面形成近似于矩形截面的物料流道，通常称螺槽。螺槽深度 H 与螺槽内容料体积有关，是重要的几何参数。当忽略径向间隙时，螺槽深度即为螺杆螺纹高度。（2）螺杆的轴向尺寸螺杆具有一般螺纹件的共同要素螺纹导程 S 和螺旋角 。导程 S=32 mm。大多数单螺杆挤出机都配有单头螺纹螺扦，因此螺距等于导程。螺旋角 将螺杆的径向尺寸和轴向尺寸联系起来，具有如下关系：(3-7)bDtan代入数据得： 318.024.3tan即螺旋角 67.1螺槽轴向宽度 B 是沿螺杆轴向量取的螺槽宽度。同样螺的轴向宽度为 b。 mm4二者与螺距有下列关系：mm2843bS定义垂直于螺纹方向量取的尺寸为螺槽法向宽度 W 和螺棱以向宽度 e，并有下列关系式：(3-8)cos)(cosbSB代入数据得： mm mm 3.276.1cos28W9.3e（3）巧克力熔体输送速率计算根据上述的设计，螺杆直径 Ds=32 mm，螺距 S=32mm，螺槽的深度为 4 mm，螺旋角 。参照巧克力的物料参数，熔体粘度 熔体密度 。67.1 sPa203107.m计算熔体输送速率。 (3-9)LDHnHDsQ232 in1sico1代入数据得： 。 m/03.3.3.2 机筒的设计本设计为普通机筒结构型式，普通机筒的几何体型较简单，但机筒内孔机械加工精度和光洁度要求很高，设计机筒结构时必须结合机械加工特点考虑。机筒的结构型式按挤出机的类型、用途和制造条件，设计成整体式和分段式。整体式机筒用机械加工方法保证机筒的精度要求。分段式机筒，联接法兰影响热传递均匀性，增加热量消耗，装配精度要求高 20。本设计采用整体式，根据螺杆的大小及尺寸设计出如下图 3-2 的机筒。14图 3-2 机筒几何结构3.3.3 螺杆的强刚度校核（1）强度校核已知螺杆材料为 38CrMoAIA 钢，许用应力 MN/m2，机头的压力 P=10 78MPa，螺杆的最高转速 ，驱动电机功率为 1.5 kW，驱动装置效率 。min/80r 95.0计算轴向力由常规螺杆的经验关系式：(3-10)PAPa)lg094.35.4(带入得： MN618)0lg9.305.4( 2Pa由式(3-11)rayAP计算压应力：MN/m27.46.5109.02y由式(3-12)max9nNM计算扭矩：N·m2495.0854n由式(3-13)610nWM计算剪应力：MN/m24.76.524938由式(3-14)2r3 重要零件的设计计算和校核15计算螺杆强度：MN/m29.146.72.42校核结果：螺杆强度符合要求。（2）刚度校核根据螺杆的材料为 38CrMoAIA 钢， ， GN/m2，螺杆的许用扭转角3.0E。m/1由式(3-15)4)1(67DMn计算扭转角： m/6.01802)3(9514校核结果：刚度符合要求。3.4 轴的计算和校核在本次设计中有多个轴，比如进给机构中的三根丝杆轴，挤出装置机构中的一个传动轴。由于挤出装置中的轴是竖直安装，所受载荷小。轴的结构也简单，故不需校核其刚度和强度。本设计中对 XYZ 进给精度要求高，而且轴的跨度较大。比较 XYZ 轴所受载荷的大小，YZ 轴的安装都是竖直的，所以其受的载荷相对 X 轴的工作台要小些。且丝杆轴只考虑其弯曲形变。在这里我们选取了一个具有典型意义的轴，X 轴上所在的丝杆轴。3.4.1 初估轴颈轴的材料均采用 45#钢，为加强其性能，采用调质处理。由机械设计手册查得 MPa，查得 ，由公式得：640b10C(3-16)3Pdn确定该轴最最小轴处的轴径。一般情况下，开一个键槽轴径应增大 5%；开键轴可将估算的轴颈 的值增大 7%作为其小径。由已知数据，求得轴径并适当取整为：dmm，8.10753.49103d由于所求 应该为受扭部分的最细处，即安装带轮处，此处的轴径应该有一个键槽，故轴径应该增大 5%。则：mm，34.180.mind取整得此处轴径大小为 mm，此处安装联轴器。1216轴的各处轴径依次分别为 mm，此处安装角接触球轴承； mm，此处162d 123d尺寸的确定是根据轴承的安装要求来确定的。轴的各轴段的尺寸如图 3-2 所示：图 3-2 丝杆轴的各段尺寸3.4.2 轴的刚度校核将丝杆轴简化为图 3-3 所示的简支梁。图 3-3 丝杆轴简化成简支梁简化过程：丝杆轴两端有轴承支撑，分别简化成 A、B 铰支点。将 X 工作台的重力简化成集中力，并作用于中点处，因为处于中点时丝杆轴的挠度最大。也就是对工作台的精度影响最明显。设工作台整体重量 。NFC301) 计算变形。丝杆轴横截面的惯性矩为(3-17)46DI代入数据得： 4432156mI当 Fc 作用时会引起 C 处产生挠度和截面的转角如图 3-4 所示，分别为：3 重要零件的设计计算和校核17图 3-4 挠度转角图(3-18)EIFlwc483(3-19)lBA162代入数据得： mm 074.3254803crad 2.11632BA2) 校核刚度由于 X 轴进给精度为 0.01mm,所以许用挠度与许用转角：mm40.0.lwrad1而mm mm74.cwrad rad02BA0.故刚度满足要求。3.5 轴承寿命的计算3.5.1 初选轴承型号根据工作条件和轴颈直径，初选轴 1 的支撑轴承型号为 。有机械设计手册C7205查得：最大静载荷 kN，额定静载荷 kN， ， ，5.16rC5.0rC.e1.X0Y3.5.2 计算轴承的当量动载荷在 XYZ 进给系统中，轴的最高转速为 682r/min，且轴承所承受的轴向力较大。所以对于轴承进行校核。点所受的力 N NB2.18nhF1.4801nvF18点所受得力 N ND6.172nhF6.142nvF在 点所受径向载荷 (3-20)B 121nhvr在 点所受径向载荷 (3-21)22nhvrF代入数据得 N ； N 149rF.1472rF因为在 点的径向的载荷大于在 点的所受的径向的载荷，所以按 点处轴承计算BDB轴承寿命。3.5.3 轴承的寿命计算因为本次设计工作环境温度低于 120°，由机械设计相关表查得温度系数 ，所1tf以该轴承的寿命为：（3-22）PCfnLth601式中，C 表示额定静载荷，P 表示所受的载荷，n 表示转速，f t 表示温度系数。代入数据得 h13057hL因为 12000h，故选用 7205C 轴承能满足使用要求。10h4 基于 SolidWorks 的各部分机械结构设计194 基于 SolidWorks 的各部分机械结构设计本次的巧克力挤出式 3D 打印机的设计，主要考虑了各部分的机械结构。该设计主要分为以下几个部分。一、进给系统，主要实现三坐标系的进给运动，设计出由步进电机为驱动源利用丝杆螺母驱动工作台的滑台组；二、挤出装置部分机构，主要包括电机、传动轴、螺杆和机筒。主要实现巧克力的均匀挤出；三、机架部分，主要包括横梁立柱等机构实现工作台的支撑和搭建平台。下面就三维的简易示意图做详细的分析 21。4.1 直线滑台的三维设计在本次的巧克力挤出式 3D 打印机的进给系统的设计当中，直线滑台的设计是一大创新点。一方面，它在实现既定的直线运动功能之外，另一方面，还能实现工作台的支撑作用。分析直线滑台的机械结构如下。首先，它由四块立板构成框架。前后立板支撑光杆和丝杆，丝杆两端有轴承支撑，光杆过盈配合。后面立板架着步进电机。在丝杆和光杆上，设计套有与丝杆配合的螺母。通过螺钉将滑台固定在螺母上。这滑块分别起着导轨的作用，使得丝杆的传递动力与导轨的承载作用分离。这样就实现了电机带动丝杆转动，丝杆螺母副带动滑台直线运动。如图 4-1 所示，为直线滑台机构的示意图。图 4-1 直线滑台的示意图4.2 挤出装置的机构设计在本次的设计中，三维设计较好的表现了挤出装置的外形几个组成部分。挤出装置主要由以下几个部分组成。首先是步进电机通过联轴器与传动轴相连接。传动轴的另一20端与偏心联轴器相连，偏心联轴器的另一端与螺杆相连，螺杆和机筒配合连接。轴承座支撑传动轴，最后将电机固定在折板上，折板和轴承座都固定在立板上，以便于将挤出装置连接在 Z 方向的直线滑台上。该机构实现如下的功能，一方面， Z 方向滑台运动带动挤出装置向上或向下运动，实现坐标进给。另一方面在步进电机的驱动下，螺杆转动将熔融的巧克力从挤出筒里挤出。如下图 4-2 所示，为挤出装置机构的示意图。图 4-2 挤出装置三维结构图4.3 机架本体的结构设计本次设计的机架本体主要包括立柱，上横梁，下横梁。机架本体部分主要起着连接作用，将各部件连接起来，有一个框架基础。在本次设计中，没有考虑控制部分。上横梁和下横梁立柱部分的连接不同。上横梁通过滑块可以做上下的移动。该移动实在加工之前根据要加工工件的厚度要求进行移动。而下横梁是不能够移动的，它被固定在立柱上。立柱通过连接螺钉与地脚螺钉相连接。4 基于 SolidWorks 的各部分机械结构设计21如图 4-3 所示，为机架的本体部分。图 4-3 机架本体三维结构4.4 整体装配图结构本次设计的所有零部件的三维结构设计完成以后要经过安装检验，保证其相互之间的尺寸合适，以及检查其相互之间的运动是否会产生干涉现象，如果再此过程中发现装配问题和运动干涉的问题，要及时的修改原有零部件的结构和尺寸，并且检查装配时的配合是否合理，保证没有过定义出现。本次设计巧克力挤出式 3D 打印机的整体结构如图 4-4 所示图 4-4 巧克力挤出式 3D 打印机总装三维图结论22结论本次设计完成了巧克力挤出式 3D 打印机的机械结构设计。完成了对三维打印机XYZ 三坐标进给系统设计，挤出装置设计，机架整体设计。本结构基本可以完成200×200×100mm 的巧克力打印制造，完成了设计要求。系统中零部件尽量选用常见标准件，造价低廉，经济性好。但是与已经比较成熟的三维打印机技术相比较，本设计的精度明显较低，无法适应先进制造技术的发展需要。可以通过继续完善控制系统来提高制造精度。参考文献23参考文献1杜鹏,王斌 . 浅析 3D 打印机的发展趋势 J. 中国科技信息,2014,07:141-143.2王瑞玲. 3D 打印机设计的初步分析 J. 电子制作,2013,19:28-29. 3李波，高玲，肖慧主编. 挤出机M. 北京：中国建材工业出版社, 2011.11. 4谭秀腾,郭小定 ,李小龙,余亮. 基于 ARM 的桌面型 3D 打印机控制系统设计J. 应用科 技,2014,05:57-615S. 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