小型三角洲式 3D打印机机械结构设计 【含三维图】【含CAD图纸、文档全套】【GC系列】

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To improve the application level of rapid prototyping technology and fast -efficient processing has become a project of 3D printing technology.To analysis the development of the 3D printer, we put forward the overall plan of design of the delta type FDM3D printer based on the ultimate principle, and to design the mechanical structures of the 3D printer , including frame design, transmission design, feeding device, control element selection. Furthermore the key parts have been checked. Printing precision has been improved by improving the accuracy of nozzle; With form of combining the sliding screw and rolling guide in the transmission part is not only ensure the transmission accuracy, improved the transmission efficiency, used the linear stepper motor that directly connected with screw but also made the response more accurate and fast. with no intermediate transmission links, the mechanical structure is simplified. and made a higher precision. Key words: 3D printing technology; parallel machine tool; transmission mechanism; stepping motor; nozzle目 录摘 要IAbstractII第一部分 本科毕业设计调研报告51.1 概述51.2 学生、教师简介51.3 调研时间及调研形式61.4 调研企业及其概况61.5 调研内容61.5.1 课题所涉及技术领域的基本情况61.5.2 该项目的设计方法、研发手段、技术特点均与项目或结构有关81.5.3 现阶段存在的技术问题81.5.4 市场需求及产品应用前景分析91.5.5 结论10第二部分 本科毕业设计可行性论证报告112.1 设计课题要达到的设计目的112.2 调研结论112.3 方案设计122.4 设计方案论证132.4.1 技术方面132.4.2 制造方面132.4.3 经济性方面132.4.4 现有的知识储备方面132.4.5 结论14第三部分 毕业设计计算书143.1 打印机框架整体设计143.1.1 打印机框架尺寸设计143.1.3 连杆的强度校核163.2 挤出部件设计173.3.1丝杠的选取及其校核203.3.2 螺杆的设计213.强度校核223.3.5销的计算及校核26参考文献28致 谢29V 第一部分 本科毕业设计调研报告1.1 概述3D打印，作为一种制造业创新发展的新的趋势，3D打印集材料、设计、制造一体化，其未来的发展和影响程度可能会远远超出我们的想象。就像过去3D打印的优势一直被认为是在制作样机或是特殊零部件方面，但是随着各种新材料和技术进步，3D打印完全可以胜任都市制造的生产需要。它对传统设计理念和机理的颠覆，或许正是像深圳这样制造业发达区域向下一阶段制造业高地转型支柱领域。在IMTS上，由3D打印零部件组装的汽车，从众多展品中脱颖而出，大量吸引人们的眼球，其都得益于3 D打印技术的成就，机器和运动控制技术的使用，以及在材料科学取得的进展。汽车车身材料为碳纤维增强聚合物，车轮和轮毂则由金属材料直接打印而成。整个过程花费44小时，包括40个部件。当打印完成后，首款3D打印车试驾吸引了众多媒体关注和报道。那年的IMTS 展览上，Cincinnati公司的BAAM的系统被用来生产、设计、打印3D打印汽车。从此，随着科技的快速发展及进步，我们的生活水平也随之不断地提高，同时，人口的增长也在急剧增长，我们需要越来越多的商品来满足物质生活的条件。这必然会导致对物品的要求越来越高，这将受到广大群众的喜爱，以及精品、独特和非量项目。现在，3D打印技术应广泛应用于医疗行业、科研、产品模型、建筑设计、制造和食品。1.2 学生、教师简介学 生 简 介姓名专业班级学号郭垚机械设计制造及其自动化机械13-9班2013023477 指 导 教 师 简 介校内外教师姓 名工作单位专 业职 称学校教师唐庆菊黑龙江科技大学机械制造副教授企业教师王义新中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司机械制造高级工程师1.3 调研时间及调研形式 调研时间：2016年2月29日3月25日 调研形式：前往黑龙江科技大学实训中心以及图书馆和在网上查阅各种资料，观察了3D打印机的机械结构和工作形式，并拍了许多照片和视频，同时也做了大量的测绘，对3D打印机的机械结构设计及工作原理有了初步的了解。1.4 调研企业及其概况 黑龙江大学科技工程实训与基础实验中心是一所以实践教学为主的教学单位，成立于2006二月，教学面积约有19000平方米，包括利用奥地利政府贷款引进的具有欧洲资质的数控培训设备在内的各种仪器设备总价值4000余万元，各类教职员工95人，中心由工程实训基地、物理实验室、机械实验室、电工电子技术实验室、数控实训室、工程教育部、6个基础教学机构图1-1 调研图片1.5 调研内容1.5.1 课题所涉及技术领域的基本情况3D打印机所涉及的领域主要是制造业。经过长时间的探索和发展，3D打印技术已经走过了漫长的道路，并已能够实现600分辨率的单层单层厚度为0.01毫米。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5。目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额6。3D Systems公司在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5。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5。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。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5。在欧洲和美国的发达国家，3D打印已经开发出成功的商业模式。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8。国内3D打印技术起步晚。但是自3D概念一出，立即受到了热捧，3D打印技术近年来在国内日趋升温；据前瞻产业研究院统计，2012年中国3D打印市场规模约为10亿元，2013年翻了一番达到20亿元9。但是与美国、德国等发达国家相比，中国的3D打印产业仍处于起步阶段，国内3D打印应用仍主要停留在科研阶段，并未实现在工业及个人消费领域大规模推广10。经过许多年的探索和发展，3D打印技术已经走过了漫长的道路，并已能达到600dpi的分辨率和0.01毫米的单层厚度进行打印。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Stratuss两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有雄厚的技术实力，企业特点和研发团队等。当前局势就是，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。3D打印使用的另一个领域是消费品行业。作为一家在纽约创意消费品公司通过网络设计方案离奇为用户，用3 D打印技术制作有形产品并通过电子市场销售，每年推出60种创新产品，营收达100万美元。1.5.2 该项目的设计方法、研发手段、技术特点均与项目或结构有关设计方法：用SolidWorks软件对3D打印机进行三维图的设计。其次，利用AutoCAD设计了二维图，完成了毕业设计指导书的编写。研发手段：参考国产3D打印机著名品牌极光尔沃Z603S打印机的机械结构，根据市场的需求及设备的结构性能进行设计。技术特点：主要对3D打印机的机械结构及传动结构进行设计，使结构更加简单，同时又能完成以前相同的工作，并且造价更加便宜。其他装置：加热装置机械传动装置送料装置控制元件和机架等装置。1.5.3 现阶段存在的技术问题1. 高成本和耗时时间长3D打印仍然是一项昂贵的技术。因为制作材料因素，使得3D打印变得高本低收的局面，制造效率不高。2.规模生产没有优势由于这种技术具有分布式制造的特点，它没有大量的生产加工的优势。目前，3D印刷还没有取代传统的制造条件，批量，规模等，高效率和低成本的传统方法减少材料制造。现在看来3D打印不可能取代大规模生产。除了3D打印也是没有直接生产复杂的复合产品，如汽车，即使该技术取得了重大进展，未来，所有的印刷是一个汽车需要几个月，成本远远高于大规模生产汽车去一半对每个汽车的成本。因此，对于大量刚性需求的生产，它具有大规模生产规模经济的优势仍然集中在“个性化，定制”3D打印生产模式更经济。3.打印材料受到限制 虽然许多3D打印材料已经创建，同质化和异质性，新材料仍然需要，一些新材料正在开发中。这种需求包含两个层面，一是不仅需要对已经得到应用的材料工艺结构特性关系进行深入研究，以明确其优点和限制；二是需要开发新的测试工艺和方法，以扩展可用材料的范围。4.精度和质量问题 因为加工原理和传统的技术还不完善，发展慢，印刷精密成型零件（包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度）、物理性能（如强度、刚度、耐疲劳性、等）和化学性质如大多不能满足实际工程的需求，不是一个功能部件，只能做原型的使用，所以其应用将被打折扣。同时，因为3D打印机打印材料的加工技术，层叠式的打印方式，不能和整体铸造件传统的模具，以及零件的材料组织和结构决定了零件的性能。（1）是设计工具需进一步优化，3D打印要求开发和广泛运用计算机辅助设计（CAD）工具6；（2）是可用材料需持续拓宽，目前的可用原料还不多，需逐步从树脂、塑料扩展到陶瓷、金属，乃至最新的金、银以及强度极高的钛和不锈钢等材料发展6；（3）是生产过程需要加强工艺控制；（4）造价成本过高。1.5.4 市场需求及产品应用前景分析随着科学技术的飞速发展，印刷材料的更新换代，信息、控制等技术的飞速发展。未来，3D打印技术的发展将呈现出精细化、智能化、概括化和方便化的发展趋势。增强速率和打印的精度，利用连续打印，印刷大，多种材料的打印工序，实现提高最终产品的质量性能。开发了3多种3D打印材料，智能材料、功能梯度材料、纳米材料、材料、材料和复合材料，特别是金属材料成形技术，在未来的研究方向和热点领域有着潜在的应用前景；3D打印机是小型化、桌面化、体积更便宜、操作更方便、更能适应专业分销、生产、设计和制造一体化的需要，并且需要家庭应用；将在生物医药、建筑等领域创新应用的车辆，服装，等等。航空航天与国防：在GE中国研发中心仍在三维印刷工程师。就在那之前，其普通的打印机打印了飞机引擎的重要部分。和传统的打印制作比较，减少了30%的零件成本，缩小40%的生产时间。由于无法庆祝成就，他们匆匆忙忙地踏上新的征程。医疗保健行业： 3D打印机颌骨，作为人体骨骼的3D打印产品，在14年已经出现了该技术，但目前为止还在完善中。 建筑设计：在施工中，工程师和设计师接受了3D打印机的建筑模型，速度快，成本低，环境友好，美观。这完全取决于设计师，同时可以节省大量的材料。 食品工业：是的，它是“打印”食物。研究人员已经在尝试打印巧克力。也许在不久的将来，许多看起来一模一样的食物是“打印”出来的食品3D打印机。当然，到那时可能会贵很多倍。1.5.5 结论 3D打印技术：首先，利用三维设计软件进行实体造型的设计，形成三维实体模型，用一定厚度的图层生成二维截面信息，然后根据每个图层的横截面信息，使用不同的方法来生成截面形状。这个过程重复一遍又一遍，层层堆叠起来形成三维实体。层的厚度可以相等或不同。层越薄，部件精度越高。层叠式融合技术是最常用的技术之一。3D打印机的工作原理如图2所示，1电线送到淋浴头，这是加热熔化，和印刷材料从喷嘴挤出粘在台面上，然后迅速冷却和凝固。当其中一个部分被打印时，工作台将降低前一个打印的高度，然后移动到下一级打印。这个循环重复，直到整个实体完成。通过此次调研，让我对3D打印机设备制造这个行业有了一定的认识。了解了3D打印机设备的发展历程，国内外存在的差距和未来的发展趋势。对3D打印机也有了清楚的认知。通过与老师的交流和老师的介绍还有所查阅的资料，对3D打印机的的机械结构和工作原理及其在实际工作工程中所产生的一些问题及缺陷所以这次的调研对我所设计的3D打印机有非常大的帮助。第二部分 本科毕业设计可行性论证报告2.1 设计课题要达到的设计目的 设计参数：最大运行速度：80mm/s，Z向定位精度：0.01mm;喷头定位精度：0.005mm;成型空间：200200200mm;整体尺寸：600500400mm；2.2 调研结论通过调研可以发现3D打印机在如今的中国还是具有很大的发展前景。3D打印机能快速打印成型制造出新的模型以及模具，使得他们的产品和科研速度加快，很符合中小企业以及各类大中院校的发展，在当今社会上有很多喜欢DIY的人，他们喜欢制作各类的小东西，此3D打印机也能满足他们的需求。所以市场还是很广阔的。了解市场，把理论与实际紧密结合才能设计出满足市场需求，有发展前景的3D打印机。所以在此课题设计中掌握好设计方法，弄清楚3D打印机的机械结构和工作原理是设计成功的关键。2.3 方案设计(1) 方案一三角洲结构这一类结构机身侧边是一个三角形，三角形底部是放成型平台的地方。它的工作原理是，X轴移动的平面上的两个Z轴电机在活动，而Z轴重叠的垂直中心线的机身形成三角形。打印机围绕Y轴移动，热床围绕Y轴移动。所以需要特别注意打印对象和热床之间的粘合。图2-1 方案一示意图(2) 方案二 矩形结构式其结构与机械中的数控铣床很是类似。三轴位置承接的三个尺寸，喷嘴在设计尺寸上可以达到任意位置，从3D到印刷过程的发展，这类机器是开发出比较完整的机器，商业化程度最高。其工作原理为：成型平台移动是沿Z轴移动的，喷头可以沿XY两方向做成型运动。图2-2 方案二示意图2.4 设计方案论证2.4.1 技术方面方案一优点为速度较快，精度较高，结构简单，适合DIY.缺点为所占据的空间较大，稳定性较差，所以这种结构适合在有固定场所使用。方案二其优点为精度较高，速度较快，较为成熟稳定，可搭载多喷头。但是它的成本比较昂贵，调试复杂，容易损坏，维修困难等确定。2.4.2 制造方面打印机的机架采用的是铝合金材料，采用机械加工方法；其余的标准件都采用采购的形式，丝杠采用丝杠螺母；国家已标准化采用采购形式；外壳的材料选用塑性材料，制造方法采用激光切割。2.4.3 经济性方面在制造成本上，方案二比方案一高，方案二所采用的大功率的驱动电机成本较高。并且后期的调试比较复杂，维修较为繁琐，综合来看方案一性价比要比方案二高。所以方案一要优于方案二。2.4.4 现有的知识储备方面在调研过程中了解到3D打印机的原理及组成，所以在设计3D打印机时，对重要部件进行一设计计算，例如：丝杆、螺杆、轴承、联轴器等。2.4.5 结论通过以上的分析，可得出方案一的结构设计理论较为合适，并符合设计要求，并且其制作成本更低，满足市场需求。则采用方案一。第三部分 毕业设计计算书3.1 打印机框架整体设计3.1.1 打印机框架尺寸设计原始成形尺寸：200200mm，高度200mm。整体尺寸计算模型如Error! Reference source not found.所示，等边JHG为圆P的外切圆，其中|PQ|=|PK|=|PL|=100mm，GKHJ，HLGJ，JQGH，则可以得到|HG|=|GJ|=|HJ|=2|HK|=2|PK|tan60=346.41mm考虑到零件结构和安装以及任务书的要求，正三棱柱的底边边长取400mm，高度值取600mm。图3-1 打印机整体尺寸模型3.1.2 连杆长度罗斯托克运动机构的简化模型如图3.2所示。可知当6根杆在一个面上时，处于极限位置，取得连杆的最小值。3.2简化模型由工作原理可知，三角形ABC具有等边关系，|AB|=|AC|=|BC|=400，其中CFAB,ADBC,BEAC,由等边三角形的三线合一性质可得，O点为三角形ABC的中心。则|AO|=|BO|=|CO|=0.67|AB|sin60=0.67400 sin60=230.94mm，则直接为6的连杆长度最小值是230.94mm。为了保持打印机的外观，三棱镜的尺寸保持不变，当滑块位于三棱镜时，打印机底座上的喷嘴的最高点时，在另一个极限位置，连杆的长度取得最大值，现将rostock 运动机构的简化模型如 图 31所示 图 01连杆最大化后的简化模型3.1.3 连杆的强度校核 在小型三角洲3D打印机中除了连杆外各个部件所承受的载荷均很小，所选用的材料的强度均满足要求；连杆在运动过程中可能受到一定程度的拉力，因此应检查连杆的强度。在本设计中，链接是由304不锈钢棒直接到6mm。连杆的工作过程和打印机喷嘴的质量是非常小的，并且在连接杆的强度的影响可以忽略不计，和张力的大小是不连接在连接杆的两端，使连杆可以等效为两力，对第二力杆径10 N端的力在本设计中，连接杆采用304不锈钢棒直接6mm。此二力杆两端所受力大小为10N。由材料力学中的轴向拉伸于压缩的强度公式计算得： 通过查找机械设计手册可以得出：，故足够满足设计的要求。3.1.4 机械结构传动装置设计由打印机的整体尺寸和工作原理可知，该处的传动属于远距离直线传动，可选用的传动方案有螺杆传动和皮带传动，两种传动的优缺点比较如表2所示。综合考虑3D打印机的各个方面情况，本设计中的传动方案选择皮带传动。皮带传动分为普通V带传动和同步带传动，两种传动的比较如表3所示。传动的平稳性和精准性对于保证打印机的工作精度和速度是至关重要的，从表2可知，同步带与V带相比传动更加平稳和准确，因此本设计选用同步带传动，由机械设计手册选取MXL型同步带和MXL型同步带轮。本次设计的传动方案选择同步带传动，从本打印机的整体设计考虑，同步带是打印机中最易损坏零件，同步带的工作寿命决定了整台打印机的工件时间，所以有必要计算下同步带的工件寿命23。同步带的寿命与多种因素有关，主要是:皮带的强度和耐磨性，应力周期特性，以及最大工作载荷的几何特性。在出现同步带疲劳寿命或齿面磨损的形式时，可以说明同步带已经失效了，所以疲劳寿命成为同步带的操作指标。3.2 挤出部件设计3.2.1 偏心联轴器设计单螺杆泵的工作原理是在单螺杆的定子轴线上旋转偏心单头螺杆的转子（螺杆）。在传动轴和螺杆之间需要有个偏心联轴器连接。本设计是为了简化设计和设计偏心联轴器的基本结构。如图 32所示，螺钉有一个螺纹，其任意截面是一个半径为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 02偏心联轴器3.2.2 传动轴 根据挤压头的设计，电机输出轴联轴器连接后，再传递到轴，需要在轴上有一个轴承，轴的设计如图3.5所示，L1节段连接接头，L2段用于轴承支撑，L3段连接偏心联轴器。图 03传动轴3.2.3 螺杆设计螺杆的啮合的螺杆和机筒与螺杆之间的间隙是位于小之间的关键部分，彼此在泵腔内，形成多个空间转弯，下室应V增大，呼吸在溶液中，然后关闭；关闭腔沿轴的推动下，形成了新的吸入侧，和个人的封闭腔的动作，和流体不断被挤出。螺杆结构如图 34所示，螺杆的直径（D）与长径比（L/D）是螺杆的基本参数18。图 04螺杆3.2.4 挤出装置的整体 挤压装置的原理是利用空间啮合的螺杆泵熔化的巧克力转移。螺杆的位置可分为两种类型：水平和垂直。本设计所用到的是单螺杆立式安装，整体设计就如Error! Reference source not found.所示。3.2.5 温度传感器 温度传感器按工作原理分为接触式和非接触式，它们的比较如表7所示。由上表分析，接触式温度传感器的特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，接触式温度测量系统具有结构简单、体积小、可靠、维修方便、价格低廉，容易形成多元化的浓度的测量与控制系统；接触温度传感器用于1000C时误差很大，所以选择非接触式的较为合适。其中，热敏电阻的镍的有效温度测量范围在-150-300，精度在0.2%-0.5%之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲镍更加适合作为温度传感器。3.2.6 机械位置传感器 机械位置传感器的采用压力传感器，用于检测喷嘴的三色染料用量对胶的用量，以及现状进行印刷原材料。当事情不够，反馈和提醒用户添加油漆，胶水或原材料。考虑到各因素的影响，采用电位器来测量并达到较高的精度。3.3 重要零件的选择、设计和校核3.3.1丝杠的选取及其校核1. 丝杠的选取 滚珠丝杠副已标准化，所以只需选择正确的模型。滚珠丝杠的负载包含了由印刷材料引起的重力和摩擦力。根据机械设计手册可以得出丝杠转速不宜太高，在1030r/min即可。因为打印机的结构特性，设定为额定动载荷，设计其精度为3级，可靠性为90%。其中从资料上可得出精度系数，可靠系数，载荷系数 根据机械设计4中的丝杆选取表，取滚珠丝杠的直径d0=16mm，选用滚珠丝杠螺母副型号为3216-2，其额定负荷为10766N，大约能承受1000kg的重量，对于小型三角洲3D打印机足够用。2.丝杆的校核和电机的确定滚动导轨的丝杆的直径为16mm，则所需力矩为 计算得： Nm考虑滚珠丝杠副摩擦和转动惯量等因素，同时，步进电机转速变化时应保证恒转矩，因此安全系数3更可靠、更合适，所以电机转矩是Nm故选步进电机型号为LC57HS0601步进电机，其静力矩为0.065Nm，步矩角0.9，相电流0.5A，重量为0.12kg，尺寸为mm。3.3.2 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关系如图 45中。决定螺杆的性能因数是螺杆的几何结构。因此设计出合理的几何形状及尺寸即可得出所需螺杆。图 05螺杆几何结构1. 螺杆的径向尺寸由传动比计算螺杆的直径是螺杆的外径，公称直径与气缸直径相同。螺杆的直径是螺杆挤出的公称尺寸。这是因为螺杆的直径越大，机床的输出越高，螺杆的直径就可以估算出机床的容量。取Ds=32 mm。上筒内径与螺杆外径之间存在径向间隙。显然，有以下关系： (3-6)代入数据得：机床的螺纹表面和内孔可以形成近似矩形的物料流道，通常称为螺旋槽。螺槽内容料体积的参数决定螺槽深度H。当忽略径向间隙时，螺旋深度为螺纹高度。2.螺杆的轴向尺寸螺杆具有普通螺纹导程和螺旋角的通用元件螺纹导程S和螺旋角。导程S=32 mm。大多数的单螺杆挤出机配备了单线程的螺丝，所以间距等于铅。螺旋角将螺钉的径向尺寸与轴的尺寸相连接，并具有以下关系： (3-7)代入数据得：即螺旋角螺旋轴的宽度B是螺杆轴的宽度。同样，螺杆的轴向宽度是b=4 mm和螺距有以下关系： mm定义螺槽法向宽度W以及螺棱横向宽度e，分析得出式子： (3-8)代入数据得： mm mm 3.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 MPa，螺杆的最高转速，驱动电机功率为1.5 kW，驱动装置效率。4. 计算轴向力由常规螺杆的经验关系式： (3-9)带入得： MN由式 (3-10)计算压应力： MN/m2由式 (3-12)计算扭矩： Nm由式 (3-13)计算剪应力： MN/m2由式 (3-14)计算螺杆强度： MN/m2校核结果：螺杆强度符合要求。5. 刚度校核 根据螺杆的材料为38CrMoAIA钢， GN/m2，螺杆的许用扭转角。由式 (3-15)计算扭转角： 校核结果：刚度符合要求。3.3.3 轴的计算和校核 在此次设计中设有多根轴，例在进给结构中设有3根丝杆轴，挤出机构中有1根传动轴。由于挤压装置中的轴垂直安装，载荷小。该轴结构简单，无需校核其刚度和强度。在本设计中，XYZ的精度要求很高，轴的长度较大。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。且丝杆轴主轴轴仅考虑弯曲变形。在这里，我们选择一个典型的轴，在X轴的阀芯轴。1.初估轴径 本次设计轴材是45号刚，以提高轴的性能，则采用调质处理。通过机械设计发现得出MPa，根据公式得出： (3-16)需先确定轴的最小轴径。一般来说，键槽的直径应该增加5%。开键轴增加估计轴颈值7%的小径。通过上述的参数，得出合适的轴径为： mm， 因为最小轴径d应该能够得到最接近的一个点，在带轮的安装位置，设有一个键槽，则轴需要拉长5%。 mm，通过上述计算，轴径可取mm，同时顺带安装联轴器。 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 46所示：图 06丝杆轴的各段尺寸2. 轴的刚度校核将丝杆轴简化为图 47所示的简支梁。图 07丝杆轴简化成简支梁简化过程：丝杆轴两端简化地分成A、B两端点。将控制X轴的机构将重力细化成集中力，并施加到中点处，因为主轴轴线在中点时，可以得到最大的挠度，也就是对工作台的精度影响最明显。设工作台整体重量。（1）计算变形。丝杆轴横截面的惯性矩为 (3-17) 代入数据得： 当Fc受力时，挠度和截面的转角会随之发生在C点位置上如图4.4所示，分别为图 08挠度转角图 (3-18) (3-19)代入数据得： mm rad（2）校核刚度许用挠度与许用转角： mm rad而mmmmradrad在X轴的进给精度是0.01mm时，所得刚度满足要求。3.3.4 轴承寿命计算1. 初选轴承型号 由于轴的工作条件和轴颈尺寸，采用轴承型号为。有机械设计手册查得：最大静载荷kN，额定静载荷kN，.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。B点受力情况计算 N 1480.1 ND点受力情况计算 N N在B点所受径向载荷 (3-20)在D点所受径向载荷 (3-21)代入数据得N ；N 由于B点的径向载荷大于D点的径向载荷，则轴承寿命计算按B点上轴承受力进行分析最为合适。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，所以该轴承的寿命为： (3-22)代入数据得h因为12000h，故选用7205C轴承能满足使用要求。3.3.5销的计算及校核圆柱销GB119-86 46固定铰孔小的干扰和可承受的荷载很小,可以承受不大的载荷。为保证定位精度和联接的紧固性,不宜经常拆卸,主要用于定位,也用作联接销和安全销。此次设计用作于定位，则需要进行必要的验算，以满足三角洲结构安全的需要。转矩为250Nm、轴的直径为16mm、销的直径4mm、销的长度6mm。由公式，许用挤压应力y：y = 4T/DdL (3-23)y=4250/1646=2.6Mpa 由机械手册表，对于销的常用可取y=30Mpa 因为yy,所以满足要求许用剪切应力j (3-24)由机械手册表，对于销的常用可取因为,所以满足要求则可以得出次直径为4，长度为6的圆柱销GB119-86,可以满足设计要求，故可以选择。参考文献1许廷涛3D打印技术J电脑与电信，2012,9 :5-72机械设计师手册.北京:机械工业出版社，20063蔡恩泽3D打印颠覆传统制造业J 中国中小企业，2012,11 :46-47 4 刘厚才，莫健华,等.三维打印快速成形技术及其应用 J机械科学与技术，2008，9:12-14 5 陈步庆，林柳兰，等三维打印技术及系统研究 J机电一体化，2005，（4）:31-32 6 杨小玲，周天瑞.三维打印快速成形技术及其应用，浙江科技学院学报，2009,21(3):78-80. 7王金娥等机电一体化课程设计指导书M北京大学出版社，2012 8胡发宗，赵毅，等.三维立体打印机的成形技术，上海交通大学,2012(8):16-18. 致 谢时光匆匆，四年的大学生涯即将画上句号。大学四年感谢孜孜不倦的老师，还有善良可爱同学们，中国地质大学长城学院陪伴了我四年，不但教会了我知识，更是让我懂得了成长需要的责任与担当，成熟与稳重。毕业论文暂告收尾，这也意味着我在中国地质大学长城学院的四年学习生活既将结束。回望过去，四年的大学生涯，让我在众多老师的指导下，学习了我未来所需的知识，也让我在离家数千公里的保定有了另一个家，这里的老师和同学们就像我的家人一样，那么的亲切可爱。在这里，首先我要感谢我的导师杨运强教授。感谢老师的悉心指导我才能顺利完成我的论文。在选题之前我对3D打印机特别感兴趣，感谢老师对本选题的重视，从提纲、完成初稿、修改再到定稿都一一过问，花费了大量心血。导师对学生论文一丝不苟的精神深深促动了我，也鼓励我要成为这样的人，不只是在对待毕业设计还是未来的路，都要认真踏实的对待。其次，我必须感谢父母对我学业的支持，虽然离家较远，但是父母的关心无时不在，让我备受感动。然后，我要感谢大学所有的老师和同学们，谢谢你们的关心和鼓励，谢谢你们的帮助与支持，让我度过了一个有意义有阳光的大学。感谢在做毕业设计的时候所有给我帮助的人，谢谢你们帮我战胜困难，坚持到最后完成此次毕业设计。感谢我的母校-中国地质大学长城学院。 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，和参与本人论文答辩的各位老师表示真诚的感谢，谢谢。31外文资料翻译文章名：FABRICATED:THE NEW WORLD OF 3D PRINTING作 者：Hod Lipson；Meiba Kuman；出版社：中信出版社，2013章 节：Chapter 2 Almost made everything a machine页 码：P25P35文 章 译 名： 3D打印：从想象到现实 姓 名： 学 号： 指导教师(职称)： 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 所 在 学 院： 中文翻译： 第2章 一台几乎可造万物的机器 如果你有一台可造万物的机器，你会用它做什么？在英国，技术人员通过扫描奥运短跑运动员的脚和脚踝，把数据输入计算机，计算机经过几步简单的计算后，技术人员就能够3D打印出专属每个运动员的新鞋，这双鞋符合运动员的体形、体重、步态和偏好。 在世界的另一端，美国国家航空航天局在亚利桑那州的沙漠中测试了一艘火星飞船，飞船甲板上装有定制的3D打印金属部件。这些部件大多形状复杂，有许多曲线和镂空，除了3D打印机，其他任何设备都生产不出来。 在日本，一位准妈妈想要纪念其首次超声波检测，她的医生编辑她的超声图像，并3D打印出栩栩如生的胎儿模型。结果，一个透明硬塑料块中就出现了一个前卫的3D打印微小胎儿塑料模型。 这些制造奇迹不断发生。在不远的将来，人们将3D打印出活体组织、富含营养的食品及完全组装好的电子元件成品。本书旨在讲述一种全新的产品生产模式，在下面的章节中，我们将用简练的语言解释3D打印技术及其设计工具。对于一些爱好技术的读者，我们有几章会深入描绘3D打印技术的现状和未来。然后，我们还探讨了其对下游经济、个人和环境的影响。 3D打印开辟了新的前沿领域。随着普通民众也能够设计和生产电动工具，制造业和商业模式将发生巨大变革，知识产权法将彻底失效。 有些人清楚地记得自己是在什么地方观看的人类首次登月，还有些人对柏林墙轰然倒塌后几周里的混乱状况记忆犹新，我却记得我第一次听到3D打印时的情景。 那是20世纪80年代末在一场乏味的制造工程研讨会上。教室里很暖和，不幸的是教授的声音低沉、单调而舒缓，我和同学们昏昏欲睡。 教室的门“砰”的一声打开，打破了这个下午讲座上昏昏欲睡的平静。一名陌生男子冲进了教室，这位奇怪的闯入者声称他是库比特系统公司（Cubital Systems）的推销员。我们以前从来没有听说过这家公司，而这家公司却是当时世界上仅有的销售3D打印机的两家公司之一。 这名顶着一头乱发的推销员不断地晃动着一个塑料物体，并声称一场制造业革命正在酝酿之中。“我手里握着制造业的未来！”他大声叫道，“这个塑料物体是由一种能够打印塑料的激光打印出来的。” 出于好奇，我和同学们凑过去想知道他为什么会来我们班上。我们的教授察觉到了我们的兴趣，明智地将课堂交给了这位活跃的闯入者。后来我们才知道，库比特推销员是我们教授邀请的客座讲师。 真是一个喜欢炫耀的人，他一本正经地顿了一下，欣赏着我们的困惑。在安静之后，他让一个学生转动塑料物体露出的曲柄。当同学使劲转动曲柄时，我能听到课堂上钟表的清脆“咔哒”声，时间是那么难熬。在设备内部，复杂的链锁齿轮彼此牵引地运转着。我们昏昏欲睡的大脑挣扎着苏醒过来，我们彼此低声问道：“他刚才是说他用激光打印出了那个东西吗？”我们学的是磨齿齿轮，我们试图弄明白这一意想不到的表演是怎么发生的。 当推销员曝出另一条爆炸性消息时，我们变得更加困惑了。他说：“你们这里所看到的所有齿轮、把手、旋钮都不是组装出来的，它们都是按照一个个单独的、预装配的不同部件一起有序打印出来的。” 当这位精力充沛的闯入者要愉快地结束他的演讲时，教室里混乱的“嗡嗡”声变得越来越大，他甩出了最后的数据观点：一台计算机，而不是一个人，可以在整个生产过程中充当一双“手”操控这台神奇的机器。推销员翻遍了他的包，掏出一张纸，在我们面前挥动了几下。这张纸上显示的是一台计算机的照片，计算机屏幕上是与刚才他向我们展示的塑料物体相同的设计文件。 库比特系统公司推销员笑着问我们是否有问题要问，我们都精神起来，争先恐后地向他发问。他说他用激光“打印”出了所有的塑料部件，这是什么意思呢？什么样的制造设备能够将部件一次性生产出来，而不需要进行组装呢？它能打印塑料以外的其他材料吗？还有，当然了，个人购买这样一台设备要花多少钱？ 传统制造感觉瞬间过时。 我仍然记得那一天，这位客座讲师的热情演说使我确信，这种神奇的设备确实会引发一场产品制造和设计的革命。我从来没有见过物体的软件设计（我当时刚刚迷上设计软件，而且兴趣越来越浓）与其实体表现之间联系如此紧密。 那一天是20年前，我们预料的革命没有如期迅速爆发。几年后，库比特系统公司停业了。如同许多开创性技术一样，库比特系统公司的3D打印工艺过于复杂和低效，机器设备昂贵，利润率敏感的制造企业难以接受。 我有时想知道库比特系统公司关门后，那位推销员去了哪里。他的推销说辞毫无修饰，却能直达目标。普通民众能够像编辑数码照片一样毫不费力地撕裂、混合并打造实体物体，这只是时间问题。 3D打印的十大优势 预测未来是有风险的。写这本书时，我们就3D打印前景采访了一些人，发现了一些即将显现的潜在优势。来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述，3D打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。 我们将获取的信息归纳为十项优势，希望能帮助一些个人和企业充分利用3D打印技术。 优势1：制造复杂物品不增加成本。就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。 优势2：产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。 优势3：无须组装。3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。 优势4：零时间交付。3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。 优势5：设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。 优势6：零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。 优势7：不占空间、便携制造。就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。 优势8：减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。 优势9：材料无限组合。对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。 优势10：精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。以上部分优势目前已经得到证实，其他的会在未来的一二十年（或三十年）成为现实。3D打印突破了原来熟悉的历史悠久的传统制造限制，为以后的创新提供了舞台。在以下的章节中，我们将探讨3D打印技术如何改变我们的工作、饮食、医疗、学习、创新和娱乐。首先，让我们走进制造和设计的世界，在那里3D打印技术削弱了规模经济的铁律。附件：外文原文Chapter 2 Almost made everything a machineIf you have a machine can be made of all things, youll do with it? In the UK, art by scanning the Olympic sprint athletes foot and ankle, the data entered into the computer, the computer after a few simple calculations, technical personnel will be able to print out a new pair of shoes exclusive 3D each player, these shoes comply Players shape, weight, gait and preferences.At the other end of the world, NASA tested the ship Mars spacecraft in the Arizona desert, the upper deck of the ship is equipped with custom 3D printing metal parts. Most of these components of complex shape, there are a lot of curves and hollow, in addition to 3D printers, and any other equipment are producing out.In Japan, an expectant mother wants to commemorate its first ultrasonic testing, her doctor her ultrasound image editing, and 3D printing a lifelike model of the fetus. As a result, a transparent hard plastic block appeared in a cutting-edge 3D printing tiny fetus plastic models.These miracles continue to occur. In the near future, people will 3D print out a living tissue, nutritious food and electronic components fully assembled products. This book aims to tell a new mode of production, in the following sections, we will explain the 3D printing technologies and design tools with concise language. For some readers interested in technology, we have the status quo will further describe 3D printing technology and future chapters. Then, we also discussed its impact on the downstream economy, individuals and the environment.3D printing has opened up new frontiers. As the general public is also able to design and manufacture electric tools, manufacturing, and business model will be great changes, intellectual property law will be completely ineffective.Some people clearly remember what is in place to watch the first moon landing, and some people a few weeks after the Berlin Wall came crashing down in the chaos remember, but I remember when I first heard about the scene when 3D printing .That was the end of the manufacturing engineering seminars 1980s in a tedious. Classroom is very warm, unfortunately, is a professor of voice low, monotonous and soothing, my classmates and sleepy.Classroom door bang open, broke this afternoon lecture sleepy calm. A strange man burst into the classroom, this strange intruder claimed he was Cupitt Systems, Inc. (Cubital Systems) salesman. Weve never heard of this company, and the company is one of the worlds only 3D printer was sold two companies.This name salesman wore a recklessly constantly shaking a plastic object, and claimed a manufacturing revolution is brewing. My future of manufacturing in hand! He exclaimed, This is the kind of plastic objects can print plastic laser printed.Out of curiosity, my classmates and I think Couguo know why he would come to our class. Our professors aware of our interest, wisely handed over to the active classroom intruder. Later we learned that the library is a guest lecturer at the bit salesman we invite professors.What a person likes to show off, he solemnly paused, enjoying our confusion. After the quiet, he let a student exposed crank rotation plastic objects. When students cranked hard, I could hear in the classroom watch crisp click sound, the time is so tough. Inside the device, a complex chain gear traction operation with each other.Our sleepy brain struggled to wake up, we whispered to each other: He just said he used a laser printer that thing? We learned about grinding gears, we are trying to understand this unexpected the show is how it happened.When the salesman exposed another explosive news, we become even more confused. He said: All the gear you can see here, handles, knobs are not out of the assembly, they are in accordance with a separate, pre-assembled together different parts ordered printed. When the energetic intruder happily to the end of his speech, classroom chaos buzzing sound getting bigger, he threw out the last data point of view: a computer, rather than a who can act as a pair of hands in the whole production process control this marvelous machine. Salesman rummaged through his bag, pulled out a piece of paper in front of us waving a few. This paper shows a photograph of the computer, is just to show us his plastic objects the same design files on your computer screen.Cupitt Systems salesman smiled and asked if we have a question we all sit up, rushed to him to ask questions. He said he used a laser print out of all the plastic parts, what does that mean? What kind of devices capable of producing a one-time member produced without assembly it? It printed materials other than plastics it? There are, of course, individuals to buy such a device how much to spend?Traditional manufacturing feel instantly obsolete.I still remember that day, the guest lecturer passionate speech made me convinced that this magical device will indeed lead to a revolution in product manufacturing and design. Ive never seen software design objects (I was just fascinated by the design software, and growing interest in) the link between the entity and its performance so closely.That day 20 years ago, we did not expect the revolution broke out on schedule quickly. A few years later, the library-bit system company went out of business. Like many groundbreaking technologies, library-bit systems 3D printing process is too complex and inefficient, expensive equipment, sensitive manufacturing margins unacceptable.I sometimes wondered after the library closed-bit system company, who salesman gone. His sales pitch without pretension, but it can direct targets. Ordinary people can like editing digital photos as effortlessly rip, mix and create solid objects, it is only a matter of time. Ten advantages of 3D printing Predicting the future is risky. As of this writing, we have 3D print prospects interviewed some people, found some of the potential advantages of the upcoming show. People from various industries, with different backgrounds and levels of technical expertise in a similar manner as described, 3D printing to help them reduce the major cost, time and complexity of the disorder. We will get the information summarized as ten advantages that can help individuals and enterprises to make full use of 3D printing technology. Advantage 1: manufacture of complex items without increasing costs. To traditional manufacturing, the more complex the shape of the object, the higher the manufacturing cost. For 3D printers, manufacture of complex shape of goods does not increase the cost of manufacturing a magnificent complex shape of the article does not consume more time, skill or cheaper than printing a simple box. Manufacture of complex items without increasing the cost to break the traditional pricing model, and change the way we calculate the cost of manufacturing. Advantage 2: Product diversification without increasing costs. A 3D printer can print many shapes, it can be like, like every craftsman to make different shaped items. Fewer features traditional manufacturing equipment, to make a limited variety of shapes. 3D printing eliminates the cost of training mechanics or the acquisition of new equipment, a 3D printer only requires a different digital blueprints and a new batch of raw materials. Advantage 3: no assembly. 3D printing enables integrated molding parts. Traditional mass production based on the assembly line, based on the modern factories, machines produce the same parts, and then by a robot or a worker (or even across continents) assembly. The more components of the product, the more time and cost-consuming assembly. 3D printer can also print a door hinge and by supporting the above layered manufacturing, does not require assembly. Omitted assembly shortens the supply chain cost savings in labor and transportation. The shorter the supply chain, the less pollution. Advantage 4: Zero time delivery. 3D printer can print on demand. In-time production to reduce the companys physical inventory, companies can use the 3D printer to create a special customer orders or customized products to meet customer demand, the new business model will be possible. If people needed to produce goods demand nearest zero time delivery type production can minimize the cost of long-distance transport. Advantage 5: Design of infinite space. Product shape traditional manufacturing techniques and artisans manufacture a limited ability to subject Shape tool used. For example, the traditional wooden lathe only create round objects, only processing mill cutter assembled components, the molding machine can only manufacture molded shape. 3D printers can overcome these limitations, opening a huge design space, and even now may only make shapes found in nature. Advantage 6: zero skill manufacturing. Traditional artisans apprentices take years to master the skills needed when. Production and computer-controlled manufacturing machines reduces the demand for skills, but the traditional manufacturing machines still need skilled professionals for machine adjustments and calibration. 3D printer design document obtained from a variety of instructions to do the same complex objects, 3D printers require fewer skills than the injection molding machine. Unskilled manufacturing opens up new business models, and to provide people with new modes of production in remote environments or extreme circumstances. Advantage 7: less space, portable manufacturing. On unit production space is concerned, compared with traditional manufacturing machine, 3D printer manufacturing ability. For example, the injection molding machine can manufacture a lot smaller than its own goods, on the contrary, 3D printer can manufacture and its print station as large items. After commissioning 3D printer, the printing apparatus can move freely, the printer can be made bigger than the article itself. Higher unit production capacity of the space so that 3D printer for home or office use, because they require little physical space. Advantage 8: Reduce waste by-products. Compared with the conventional metal fabrication techniques, 3D printer produces less byproducts of metal manufacturing. Waste amazing amount of traditional metal processing, 90% of metal raw materials are discarded in factories. 3D printing to reduce the amount of waste when producing the metal. With the advances in printed material, net-shape manufacturing may become more environmentally friendly processing methods. Advantage 9: Material unlimited combinations. Todays manufacturing machine, it will be a combination of different materials into a single product is a difficult task, because the traditional manufacturing machine cutting or molding process can not easily blend a variety of raw materials. With the development of multi-material 3D printing technology, we have the ability to blend different raw materials. After mixing the raw material can not be formed before mixing new materials that a wide variety of shades, with unique properties or functions. Advantage 10: precise replication entity. Digital music files can be copied endlessly, audio quality will not decline. Future, 3D printing will extend digital precision to the real world. Scanning technology and 3D printing technology will improve together between the physical world and the digital world of modal shift resolution, we can scan, edit and copy solid objects, or create an exact copy of the original optimization. More than some of the benefits has been confirmed, the other in the next decade or two (or three years) to become a reality. 3D printing breakthrough familiar with the original historic traditional manufacturing restrictions for future innovation to provide the stage. In the following sections, we will explore how 3D printing technology change the way we work, food, health care, learning, innovation and entertainment. First, let us into the world of manufacturing and design, where 3D printing technology weakened economies of scale iron law.7