并联3D打印机结构设计与控制含CATIA三维及16张CAD图.zip
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并联3D打印机结构设计与控制开题报告、课题论证1.1课题研究的目的与意义众所周知,科学技术是第一生产力,一个国家的进步与发展靠的是先进的科学技术,3D打印技术采用逐层叠加的制造方式,这使得许多传统工艺无法加工的复杂零件的问题迎刃而解。它不仅打破了传统的流水线的生产模式,而且相比于传统的制造工艺,3D打印具有传统制造工艺无法比拟的优势,尤其是在注重经济环保当下,深受制造行业的重视。英国的著名杂志经济学人杂志指出,3D打印将推动第三次工业革命。金融时报也称 3D 打印机将像蒸汽机、内燃机、计算机一样开创一个崭新的工业时代。为了抓住这次机遇推动我国3D打印技术的发展,我国政府也大力颁布相关政策支持3D打印产业的发展。本课题来源于目前日益蓬勃发展的3D打印技术,本次毕业设计设计完成一台并联3D打印机,了解打印机的机械结构,控制功能。1.2文献综述(相关课题国内外研究的现状)1.2.1国外发展现状:在1892年地质学家Blanther就提出了用分层切片的方法制作三维地图模型,由于当时的制造水平还很落后,该想法只作为一个概念模型存在,随着社会的进步,科学技术的不断发展,直到19世纪80年代 Charles W.Hull在美国 UVP公司的支持下,设计并完成了第一台能实现完整打印功能的零部件制造系统(SLA-1),这可以看做是3D打印发展的里程碑事件。在随后的几十年的发展中,3D打印技术不断发展,不断走向进步。美国3D System公司在1988年采用“立体平版印刷快速成型”(Steren Lithography)SL 技术,通过紫外激光线束照射扫描光敏树脂经其固化,逐层凝结累加制造出三维实体模型并推出的首台商用“液态光敏树脂选择性固化成型机”(SLA-250),标志着 3D 打印技术的诞生。1992 年美国麻省理工学院的 Saches E.M.和 Cima M.J.等首次对 3D 打印技术做出了概念性的描述。麻省理工大学在1993年获得三维印刷技术(3DP)专利。3D打印机的名字首次在1996年被使用。创建于 1998 年的 Objet 公司,致力于开发 3D 打印设备及成型材料,并于 2007 年推出 Eden 系列产品得到市场的广泛认可,已经成功开发出具有不同性能的多种光敏树脂打印材料。美国 3D systems 和 Stratasys 两家公司在世界 3D 打印领域占据了绝大部分市场。2005 年,Z Croporation 公司生产了世界上第一台高精度彩色 3D 打印机 Spectrum Z510,同年,英国巴恩大学的 Arian Bowyer 发起开源 3D 打印机项目 Rep Rap,从此桌面 3D 打印机进入 DIY 时代。2010年,Stratasys 公司与传统打印行业巨头惠普公司建立了 OME 合作关系,生产 HP品牌的 3D 打印机。2011年美国宣布一项新政策,向3D打印产业支出5亿美元来提升美国在制造行业的领先地位。奥巴马说他希望3D打印技术能够成为重新振兴美国制造业的一条捷径。2012 年,The Economist指出 3D 打印技术将带动第三次工业革命,引起 3D 打印技术的研究热潮。2013年,3D 打印在环球科学最值得铭记、对人类社会产生影响最为深远的十大新闻中排名第九。在此基础上各国也加大了对3D打印产业的支持力度, 在 2012美国年就成立了“国家增材制造中心”,重点发展 3D 打印业。2007 年到 2013 年,欧盟投资 1.6 亿欧元支持了 60 个 3D 打印项目。2014 年11 月,韩国发布了一个长达 10 年的 3D 打印战略规划,以推动和发展 3D 打印技术。此外,荷兰、意大利、日本、澳大利亚等国家均在 3D 打印研发上投入了大量资金。现如今越来越多的国家注重发展3D打印产业,这也说明3D打印产业在工业生产,国家发展过程中重要的地位。1.2.2国内发展现状:在国内3D技术的发展起步较晚,但是在政府部门和国内高校的大力支持下,许多发达的城市都建立了3D打印的服务机构和3D打印的研究场所。这使得我国的3D打印技术得到了快速的发展,很快与国际社会接轨。以聚乳酸(Polylacitc Acid)作为 3D 打印材料的3D打印设备在国内出现,像3D打印Delta机器人,打印的一般产品能满足我们的需要。2010年经过十几年的努力,华中科技大学成功研制的工业级 1.2 米1.2米制造装备,该设备具有很大的成型工作空间,可以打印较大的模型,其性能超过了国外3D打印公司的同类产品。这是当时世界上最大成型空间的快速制造装备。西安交通大学自主研发了一套基于光固化成型的 3D 打印系统,该系统的精度达到 0.2mm。中国科技大学推出了具有转换功能的八喷头组合喷射装置,在微制造及光电器件领域有着很好的应用前景。虽然我国生产的3D打印机装备的功能已经接近世界先进水平,但是一些打印机的关键部件仍需要从国外进口,此外我国的材料品种也远没有国外丰富,许多研发材料都需要从国外进口,从而也导致了3D打印技术的研发成本大大提高,成为阻碍了该技术推广的绊脚石。但是我国支持3D打印产业的决心没有改变,特别是近年来,2013 年3D 打印产业入选了国家高技术研究发展计划、国家科技支撑计划制造领域、2014 年度备选项目征集指南,其中提到,要突破 3D打印核心关键技术,研制重点装备产品,并在相关领域开展验证,初步具备开展全面推广应用的技术、装备和产业化条件。2015 年,国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016 年)以及中国制造 2025相继出台,表明了我国对3D打印支持的力度与决心。虽然我国在3D打印领域还有很长的路要走,但同时也说明了我国在该项领域的发展空间巨大。1.2.3并联机构的研究现状并联机构(Parallel mechanism)是一种闭环机构,其动平台或称末端执行器通过至少个独立的运动链与机架相联接。早在1965年德国Stewart发明了六自由度并联机构,用于制作飞行模拟器来训练飞行员。澳大利亚著名机构学教授Hun在1978年提出Stewart机构接近人体结构,并将该结构用于机器人手臂。加拿大著名机构学教授对并联机构的构型综合,运动学分析,奇异性分析等建立了完整的理论体系。国内机构学专家Fang和Huang等提出了螺旋理论并联机构的构型综合方法。随后的发展过程中,石明提出了3-P-(2SS)并联机构,该机构的平台是采用3个非对称的结构方式分布,有较大的工作空间。李江滨对基于并联结构的 3D 打印机的部分关键技术进行了研究,提出在通过对 3D 打印机的运动学误差标定来提高打印机的打印精度。还有不少学者在并联机构的应用上做出了很大的贡献,提出许多不同的并联机构的结构形式,并对进行了大量的分析研究工作,都是可以较好的应用在熔融沉积制造的 3D 打印技术上。并联机构,在近年来发展迅速,被广泛应用于,工业机器人,3D打印等各项领域。1.3课题研究的内容、总体方案及技术路线、进度安排等 1.3.1论文的主要内容及总体方案:目前3D打印还是采用传统的串联机械结构,由于自身的先天条件不足。不能更好的适应市场高速度,高精度的需求。并联3D打印机因其具有承载能力强、动态性能好、运动精度高、多功能灵活性强、寿命长等优点被应用于工业生产中。本次毕业设计是应用专业知识完成一台并联3D打印机结构设计与控制。通过本次设计,完成设备总体方案的设计、机械结构设计、零件强度校核计算、绘制并联3D打印机的工程图、电控系统设计、编写控制程序、绘制控制电路图、查阅相关参考文献、从而达到巩固综合运用所学知识,掌握正确的设计思想与方法目的。1.3.2设计要求具体参数:打印范围:180mm直径350mm高度,成型方式FDM,打印材料ABS设计图纸数量不少于3张A0 图纸;设计说明书不少于1.5万字,正文页数不少于30页;译文与开题报告不少于3000字。1.3.3章节安排第一章:阐述选题的背景与意义,3D打印技术的国内外发展现状,论文的主要内容。第二章:总体方案的确立,技术参数的确定,以及选择符合要求的驱动装置。第三章:机械结构的设计,电机的选型与计算、驱动器的选型与计算、完成同步带、连杆设计计算与校核,并绘制装配图,零件图。第四章:控制系统的设计,编写程序,绘制电路图。第五章:结论,总结全文。第六章:注明参考文献,致谢。1.3.4进度安排及设计线路时间设计任务及要求第1周分析、查阅资料,熟悉设备技术要求、背景,学习与毕业设计相关知识,做好前期准备工作。第2周撰写开题报告 和外文翻译,准备开题报告答辩PPT。第3-4周总体方案的设计,机械部分与控制部分选型设计第5-6周电机与驱动器的选型计算,编写电机控制程序,绘制电路图第7周完成3D打印机控制部分的设计工作第8-9周机械结构的设计,完成关键零部件的选型与校核第10-11周完成机械部分的设计,画工程图,零件图第13周整理编写设计说明书,交指导老师审定,制作答辩提纲,设计定稿,打印,准备毕业设计答辩。第14周进行毕业设计答辩。1.3.5注意存在的问题1. 设计方案,进度安排要详细具体。2. 论文格式,参考文献要规范。3. 论文内容要充实详细。4. 绘制图纸时要规范,应有标题栏,标注要详细。5. 按照毕业设计任务书要求,独立认真完成毕业设计。1.4参考文献1 李小丽, 马剑雄, 李萍, 等. 3D 打印技术及应用趋势J. 自动化仪表, 2014, 35(1): 1-5.2 陈浩正. 3D 造像:前沿技术引发无限想象J. 人像摄影, 2013, (6):208-212.3 罗晋 , 叶春生 , 黄树槐 .FDM 系统重要工艺参数及其控制技术研究 J. 新技术新工艺,2005(6):77-804 重庆设计出 3D 打印并联机器人J. 机器人技术与应用,2013,06:25.5 黄真并联机器人及其机构学理论燕山大学学报1998.6 李红兵. 3D 打印技术的发展现状及前景分析J. 安徽省科学技术情报研究所, 2013(9):55-56.7 汪开勇,刘又午等.熔融沉积制造的热学模型和工艺控制研究J.中国机械工程, 1999,10(6):636-638 24潘东杰,黄列群,沈永华等.快速成型一先进的现代制造技术明,铸造技术,1999, 4: 37-398 方跃法,黄真?兰阶螺旋系主螺旋识别的解析方法化机械工程学报.9 杨斌. 3-RSR 并联机构的精度研究D.中北大学,2014.10 Scans E M, Haggerty J S, Cima M J. Three Dimensional Printing TechniqueP:US pantent, NO.5204055,1993.1李坚,许民,包文慧.影响未来的颠覆性技术:多元材料混合智造的3D打印.东北林业大学木材仿生智能科学研究中心,哈尔滨,2015年6月. 2罗晋,叶春生,黄树槐.FDM系统重要工艺参数及其控制技术研究J.新技术新工艺,2005(6):77-80.3王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析J.中国高新技术企业旬刊, 2012(9):3-5. 14 Scans.EM.Haggerty J S. Cima .M J. Three Dimensional Printing echniqueP:US pantent, NO.5204055,1993.5 上海大学.朱华.3D打印技术的发展历史及未来商业趋势. 2013-10-01.6陈立,陈胜迁.3D打印未来制造业新模式J.轻工科技,2013(9):40-41.7汪开勇,刘又午等.熔融沉积制造的热学模型和工艺控制研究J.中国机械工程,1999,10(6):636-638 24潘东杰,黄列群,沈永华等.快速成型一先进的现代制造技术明,铸造技术,1999, 4: 37-39.8杜宇雷,孙菲菲,原光,翟世先,翟海平.3D打印材料的发展现状2014年3月.9供稿余冬梅,方奥,张建斌.3D打印材料2014年第5期.20孙聚杰.丝网印刷2013.(12:34-39).2、答辩组论证结论(1)方案可行,技术路线清晰 (2)方案可行,技术路线基本清晰 (3)方案基本可行,技术路线不很清晰 (4)方案和技术路线不很清晰 (5)方案和技术路线不清晰 3、指导教师意见: 教研室主任意见:指导教师(签名): 教研室主任(签名):年 月 日 年 月 日注:(1) 开题报告是用文字体现的设计(论文)总构想,篇幅不必过大,但要把计划设计的课题、如何设计、理论依据和研究现状等主要问题说清楚;(2) 字数不少于3000字,参考文献不少于6篇,印刷字符在10万印刷符以上。 并联3D打印机结构设计与控制Design and Control of Parallel 3D Printer Structure摘 要3D打印技术在20世纪90年代中期出现,经过十几年的发展,由最开始的打印机数量之少,和受到打印材料单一的限制,打印产品比较单一,到现在打印方法多样,涉及领域广泛,随着3D打印技术的兴起,使得许多传统加工遇到的问题得到解决,缩短了产品生产周期,提高了生产效率。本文根据毕业设计任务书的具体要求,对并联3D打印机的机械结构进行设计计算,其中包括驱动元件步进电机的选型计算与强度校核、传动机构的选型计算与强度校核,这其中包括同步带的选型计算与强度校核,以及为了保证3D打印机的精度,采用张紧轮对同步带进行预紧。因为并联式3D打印机的运动方式是将同步带轮的旋转运动转换成滑块沿导轨直线运动,所以对滑块连杆机构进行选型计算与强度校核。接着3D打印技术的国内外发展现状进行了介绍,阐述了3D打印的优势与不足,介绍了3D打印的工作原理,几种典型的3D打印成型方式,和成型材料。介绍了3D打印机的硬件控制系统,选择Arduino作为控制器,A4988作为步进电机驱动器,ramps1.4作为控制板。关键词:3D打印 强度 并联 Arduino Abstract3D printing technology emerged in the mid-1990s. After more than 10 years of development, the number of printers from the very beginning was small, and the printing materials were limited. The printing products were relatively simple. Now the printing methods are diverse, covering a wide range of fields. With the rise of 3D printing technology, many of the problems encountered in traditional processing have been solved, shortening the production cycle and increasing the production efficiency.According to the specific requirements of the graduation design task book, the paper designs and calculates the mechanical structure of the parallel 3D printer, including the selection calculation and strength check of the stepping motor of the drive element, the selection calculation and the strength check of the transmission mechanism. Including timing belt selection calculation and strength check, and in order to ensure the accuracy of the 3D printer, the tension pulley is used to pre-tighten the timing belt. Because the parallel type 3D printers movement method is to convert the rotational motion of the timing belt pulley into a linear movement of the slider along the guide rail, the selection and calculation of the slider linkage mechanism and the strength check are performed. Then the development status of 3D printing technology at home and abroad was introduced. The advantages and disadvantages of 3D printing were described. The working principles of 3D printing, several typical 3D printing methods, and molding materials were introduced. The hardware control system of the 3D printer was introduced. The Arduino controller was selected as the controller, the A4988 was used as the stepper motor driver, and the ramps1.4 was used as the control boardKey words:3D printing strength in parallel Arduino目 录1 绪论11.1 选题的背景与意义11.1.1 选题的背景11.1.2 选题的意义11.2 3D打印技术的发展现状31.2.1 国外发展现状31.2.2 国内发展现状31.3 研究的目的与意义51.4 论文的主要内容51.5 章节安排52 总体方案的设计52.1 并联3D打印的系统概述52.2 并联3D打印机械结构系统52.3 并联3D打印机的硬件控制系统72.4 并联3D打印机的软件控制系统112.5 3D打印机的工作机理分析及机构设计方案112.5.1 3D打印的原理112.5.2 3D打印累计技术原理122.5.3 几种工艺性能的对比142.5.4 3D打印所用的材料142.6 五种工艺打印耗材142.7 串并联3D打印机对比143 并联3D打印机机械结构的设计153.1 结构组成与工作原理153.2 构型设计163.3 整体尺寸的计算163.4 连杆长度的确定与强度的校核173.5 电机的选型与计算183.6 同步带的选型与计算223.6.1 传动方案的选择223.6.2 选型计算与寿命校核233.7 同步带轮的设计选取253.8 导轨的选择计算与强度校核263.9 滚动轴承274 3D打印编程技术与通用算法274.1 3D打印机固件开发环境274.2 3D打印的数据处理294.3 3D打印与Gcode295 总结与展望305.1 全文总结305.2 展望32参考文献33致 谢34附录351 绪论1.1 选题的背景与意义1.1.1 选题的背景一个国家制造业的发展程度是衡量生产力水平的重要标志,随着科学技术的不断进步,3D打印技术受到了各国制造业的广泛关注。据英国著名杂志经济学人报道:3D打印技术使制造个性化、产品定制化成为可能,人们可以在没有复杂模具的情况下任意打印自己想要的零部件,甚至是传统制造业无法加工的结构也可以实现,因此,3D打印技术将带动全球制造业经济发生重大变革1。为加快3D打印技术的发展,早在2012年美国总统奥巴马就拨款3000万美元,在俄亥俄州建立了国家级3D打印添加剂研究中心,并计划累计投入5亿美元资金用于3D打印技术2,时代周刊也将3D打印列为“美国十大增长最快的产业之一3”;欧盟的大学、企业、政府之间建立了众多的技术联盟包括“大型航空航天部件快速生产计划”(RAPOLAC),面向大规模客户定制和药品生产的“自定制”(Custom Fit)计划等。为了抓住这次机遇,推动我国3D打印产业的发展,我国政府也大力颁布相关政策支持3D打印产业的发展。2015年,相继出台了中国制造2025及国家增材制造产业发展推进规划计划(2015-2016),计划指出要在2016年,初步建立比较完善的增材制造产业体系,整体技术水平与国际同步。国家增材制造产业发展推进规划计划(2017-2020)计划到2020年,增材制造产业年销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上4。可以说未来的3D打印将成为中国制造2025发展的一个支柱产业。在2015年求是杂志第20版发表的李克强总理的题为催生新的动能实现发展升级的文章中也多次提到3D打印5。全国政协经济委员会副主任,工信部前部长李毅中在第三届世界3D打印技术产业大会的开幕式致辞时表示,“在中国制造2025规划当中,有五个地方出现了3D打印6,并且把3D打印列为制造业创新中心建设工程之一”在他看来打造3D打印产业链,可以推动传统产业优化升级,具有十分重要的意义。相信借助中国制造2025的东风,在不久的将来我国的3D打印产业将会取得突飞猛进的发展。1.1.2 选题的意义随着社会进步与发展,人们对商品的个性化要求日益提高,对于一些形状复杂的商品,传统加工工艺具有一定的局限性,带来了一系列的生产问题,例如:制造精度难以保证,成型困难、加工成本高等等。正是在这些因素的驱动下,3D打印技术具有极大的商机与潜力。相比于传统的制造工艺,3D打印具有传统制造工艺无法比拟的优势:(1) 针对复杂结构产品而言,成本较低。这使得许多传统工艺无法加工的复杂产品问题迎刃而解7。例如我国珠宝首饰行业利用3D打印技术进行产品研发和加工,它替代了传统工艺中“起银版、压胶模、开胶模、注蜡、种蜡树、灌石膏、抽真空、烘干” 全部流程并减免相应的设备、场地、人员的开销8。如商家用3D喷蜡打印和失蜡铸造法制作一些工艺品。如图1-1所示,图1-1数字建模打印的双面浮雕花卉银盒实物(2) 无需组装:传统大规模的生产需要建立在组装线基础上,并且加工产品组成部件越多,组装耗时和成本就越多。3D打印机能使部件一体化成型,不需要组装。(3) 设计空间广阔:传统制造技术生产的产品形状有限,制造形状的能力受限于使用的工具,如制模机仅能制造模铸形状,3D打印机可以突破这些局限,使制造产品不受工具限制9。(4) 制造技能门槛降低:传统的制造机器仍需要熟练的专业人员对机器进行调整和校准,3D打印机在制造产品的时候直接把计算机绘制的三维模型打印出来,降低了对技术人员的依赖程度并且3D打印机的操作技能相比传统机器的操作技能要更低。(5) 占地空间小、便携制造:与传统的制造机器相比,3D打印机非常的灵巧便捷,占地空间小,可以自由移动。(6) 减少废弃金属浪费:尤其是在注重经济环保当下,3D打印深受制造行业的重视。传统金属加工生产过程中浪费大量金属材料,3D打印机在制造金属产品过程中浪费量较少,符合国家提倡的绿色制造范畴10。(7) 不同原材料之间可以相互结合:传统的机器将不同的原材料结合加工成一件产品是件难事,因为在加工过程中受到机器加工方法和成型机器种类的限制。随着多材料3D打印技术的发展,人们可以将以前无法融合的原材料混合后形成新材料。如PC-ABS材料一种应用最广泛的热塑性工程塑料,被广泛的应用于汽车、家电和通信行业111.2 3D打印技术的发展现状1.2.1 国外发展现状1892年,地质学家Blanther为了能够制作精密的三维地图模型,提出了一种分层切片方法。然而,由于当时技术水平比较落后,这个想法仅仅称为一个概念模型。直到19世纪80年代,在美国 UVP公司的支持帮助下,Charles W.Hull设计完成了第一台能实现完整打印零部件功能的制造系统,可以看做是3D打印技术发展的里程碑事件12;1988年,美国3D System公司,采用“立体平版印刷快速成型”(Steren Lithography)SL 技术,该技术先用紫外激光照射扫描光敏树脂经其固化,然后通过逐层凝结累加制造出三维实体。并且推出了首台商用“液态光敏树脂选择性固化成型机”(SLA-250),如图1-2所示,这标志着 3D 打印技术的诞生13。图1-2液态光敏树脂高精度3D打印机1992年,美国麻省理工学院的 Sache E.M.和 Cima M.J.等首次对 3D 打印原理做出了概念性的描述14。1996年,3D打印机的名字首次被使用。1998 年,Objet 公司创建。该公司致力于开发3D打印设备及成型材料,且在2007年推出 Eden 系列产品,得到市场的广泛认可。2005年,Z Croporation公司生产了世界上第一台高精度彩色 3D 打印机Spectrum Z510,同年,英国巴恩大学的Arian Bowyer发起开源3D打印机项目 RepRap,从此桌面 3D 打印机进入 DIY 时代15。2010年,Stratasys公司与传统打印行业巨头惠普公司建立了 OME 合作关系,生产 HP品牌3D打印机。2012年Stratasys公司在收购Solidscape公司之后又与以色列著名的3D打印系统提供商Object正式合并16。在国外3D打印已经应用到许多领域,如电子业、航天航空、汽车制造业等等。1.2.2 国内发展现状在国内3D打印技术发展起步较晚,但在政府部门的大力支持下,许多发达城市都建立了3D打印服务机构和3D打印研究场所。这使得我国3D打印技术得到了快速的发展,并且很快与国际社会接轨。自20世纪90年代以来,国内许多高校开展了3D打印技术自主研发,清华大学在现代成型理论、分层实体制造、FDM工艺等方面的研究具有一定的优势。其自主研发的3D打印机如图1-3所示,图1-3清华大学自主研发的3D打印机经过十多年的刻苦研究,华中科技大学成功研制出工业级制造装备,如图1-4所示,图1-4 华中科技大学研制1.2 米1.2打印设备该设备具有很大的成型工作空间,可以打印较大的模型,其性能超过了国外3D打印公司的同类产品,是当时世界上最大成型空间的快速制造装备。中国科技大学推出了具有转换功能的八喷头组合喷射装置,在微制造及光电器件领域有着很好的应用前景17。北京航天航空大学,湖南大学等高校已经研发了激光3D打印机来打印钛合金等金属制品。在国内许多家公司也在3D打印机研究方面取得了不俗的成果,2010年北京太尔时代科技有限公司推出了世界上首款3D打印机UP Plus,之后又将其更新为UP Plus2。南京紫金立德公司,其采用的分层实体制造技术在国内处于领先地位。并且该公司已有专利技术11项,自主专利7项。虽然在最近一段时间内我国的3D打印产业已经取得长足进展,但在技术上仍存在瓶颈:(1)有的打印设备对打印材料要求非常苛刻,如彩色石膏材料、人造骨粉材料、细胞生物原材、以及砂糖食品材料都是针对专门的3D打印设备研发的18。(2)打印成本的限制,市面上的一些打印机和打印材料价格昂贵,普通大众承受不起。例如1kg用于3D打印的钛金属粉末的价格为200400美元19。(3)在成型尺寸、制造精度和稳定性上急需提高,3D打印设备由于受到机器自身精度和打印材料之间的冲突,造成打印速度低,导致打印产品精度不够不近如人意。近年来随着中国政府对3D打印产业支持力度日益增大,中国在3D打印技术方面与发达国家的差距日益减小,但在一些领域仍有较大差距。我相信随着我国科技人员的不断努力下,未来我国的3D打印产业的前景将会一片光明。1.3 研究的目的与意义目前3D打印还是采用传统的串联机械结构,由于自身的先天条件不足。不能更好的适应市场高速度,高精度的需求。并联3D打印机因其具有承载能力强、动态性能好、运动精度高、多功能灵活性强、寿命长等优点被应用于工业生产中。1.4 论文的主要内容3D打印的许多问题都与打印设备有关,作为3D打印设备核心的执行机构的性能对其打印成型影响巨大。本次毕业设计是从3D打印机执行机构出发从而提高3D打印机的性能。应用专业知识完成一台并联3D打印机结构设计与控制。通过本次设计,完成3D打印机总体方案的设计、机械结构设计、零件强度校核计算、用绘图软件绘制并联3D打印机的三维图、工程图。完成电控系统设计、编写控制程序、绘制控制电路图、并查阅相关参考文献,从而达到巩固综合运用所学知识,掌握正确的设计思想与方法目的。1.5 章节安排第一章:阐述并联3D打印机选题的背景与意义,国内外发展现状,研究目的与意义、论文主要内容、和章节安排。第二章:总体方案设计,完成并联3D打印机机械结构系统、硬件控制系统、软件控制系统设计,选择合适打印材料和成型方式。第三章:机械结构的设计,打印机整体尺寸的计算,完成电机的计算同步带、连杆设计计算与强度校核,并绘制装配图,零件图。第四章:3D打印的编程与通用算法,3D打印机的固件开发环境、3D打印与Gcode等 第五章:结论,总结全文。注明参考文献,致谢。2 总体方案的设计2.1 并联3D打印的系统概述并联3D打印机系统由打印机机械结构系统、硬件控制系统、软件控制系统组成。该类型的3D打印设备涉及机械、材料、控制、电气等多个学科,是一种复杂的机械电子系统。2.2 并联3D打印机械结构系统并联3D打印机的机械结构系统主要包括:电机、电源、导轨、丝杠或同步带、加热板/热床、挤出机、机身结构组成。(1) 电机:电机是3D打印机的主要控制部件,对于精度要求不高的一般选择步进电机,对于精度要求较高的一般选择伺服电机。且伺服电机的价格较高,本文选择的是步进电机。(2) 电源:对于打印机的电源一般应选择输入电压范围宽泛、效率高、体积小重量轻、抗干扰性能好、具有短路过载保护功能。 电源为整个3D打印机装置提供能量的支持,其供电的对象包括步进电机、打印喷头、热床、控制板、风扇、LED显示屏等。综合考虑选择电压为12V功率为360W的电源,且内部带有风扇。其输入电压为220V转12V,其具体尺寸为215mm119mm52mm。其使用效率为80%,且具有短路、过载、过压、过流、过温度保护措施等。(3) 导轨:按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆运动导轨,光轴导轨结构简单精度较低、直线导轨结构略复杂,价格和精度要比光轴导轨要高。本文选择的是直线导轨(4) 并联3D打印机的传动机构一般有同步带和丝杠两种形式,丝杠传动效率高但是成本高。同步带传动精度较高,成本低、耐磨、抗老化等。本文选择的是同步带(5) 加热板/热床:加热板/热床可以减轻ABS、PLA材料在打印过程中翘曲程度,完成较高质量的打印。(6) 挤出机:挤出机是3D打印机机械结构系统中重要的部分之一,通过步进电机将打印的原材料送入到加热头的喷嘴内,将丝加热到预定的温度。并且由电热调节器或热电偶来进行温度调节与监控。当先进入的材料融化后,电机转动会将未融化的材料前进并将融化的材料挤出。(7) 机身结构:3D打印机机身结构有三角形结构、三角爪式结构、矩形盒式结构、矩形杆式结构,从精度、装配、价格等权衡,选择三角形结构是较好的。(8) 打印头:喷出技术采用熔融沉积型技术,成型工艺对喷头系统的功能要求可以为以下几点:1)熔丝功能与送料功能,将送进的固态料丝以及时充分熔化成熔融状态,并从喷嘴喷出;2)流道功能:为熔融材料提供稳定流动的通道;3)出丝速度匹配与出丝启停控制功能:出丝速度可控,可以根据扫描速度进行调整,实现速度互相匹配。特别是在路径起始和停止处。在鱼眼效应器吊台下面通过螺栓连接着打印机的喷头。鱼眼效应器吊台其组成材料是铝合金。喷头将挤出机送来的的打印材料加热融化以后,由挤出喷嘴挤出。挤出喷头装置主要由进料管、喷嘴、散热风扇(40mm40mm10mm)组成。挤出喷头如图2-1所示,热端是挤出机的重要部分,材料丝从喷嘴的入口进入,一般3mm的材料丝用5mm的入口喷嘴,1.7mm的使用2mm的入口喷嘴。本文的喷嘴直径是0.5mm,材料丝入口直径是4mm。规格越小的喷嘴越难加工,规格大的喷嘴挤出精度一般较差。因为铜的导热性非常好,所以喷嘴一般用黄铜来制作。喷嘴一边放热敏电阻,阻值一般为5-9W。另一侧是一个加热器对材料进行加热。材料在冷端时的温度必须低于80度,以免材料变软失去下推力。圆圈内的区域为喉管区,这个区域的材料是软的,所以越短越好,以免影响出料精度。热端则要求材料液化后保持良好的流动性,并且在喷嘴尖端让材料尽量达到固化点,保证材料从喷嘴流出接触空气后立刻冷却凝固。冷端与热端需隔断,可以避免挤出丝被过度熔化,隔断的材料需采用耐高温的隔热材料和胶带。散热片进料管加热管散热风扇热敏电阻喷嘴图2-1挤出喷嘴原理示意图2.3 并联3D打印机的硬件控制系统 在进行3D打印机系统整体尺寸的设计时,对整个硬件系统的控制至关重要,其硬件系统主要包括核心处理模块、运动控制模块、成型温度控制模块、人机交互模块、挤出模块和通信模块等,由上述可知,3D打印机的硬件控制系统是一个比较复杂的机电控制系统。其结构如下图2-2所示,本文设计的3D打印机核心驱动系统由Arduino Mega 2560主控板、RAMPS1.4扩展板和4988步进电机驱动板组成。计算机在线打印控 制生成G代码三 维 建 模人机交互模块控制主控制模块成型温度控制模块LCD操作面板核心控制器Atmage2560热敏电阻PCB加热热床SD读取显卡参数设定打印控制功能扩展板RAMPS挤出控制模块运动控制模块其他辅助模块控制功能步 进 电 机 驱 动 器步进电机驱动器动器挤出机送丝机X轴步进电机模型冷却风扇回零形成开关手动调平工作台热敏电阻挤出头温度控制器Y轴步进电机加热头Z轴步进电机图2-2控制系统框架图a) 下面着重介绍一下Arduino Mega 2560采用USB接口,使用ATmega2560处理器,具有54个数字输出输入接口,(其中14个具有PWM输出能力) ,16路模拟输入,4路UAET接口,一个16MHz的晶体振荡器,一个USB连接器,一个电源插座,以及一个ICSP header和一个复位按钮组成了Arduino Mega 2560组板如图2-3所示数字接口模拟输入串口指示灯USB接口重置按钮稳压器晶振USB接口芯片单片机电源接口图2-3Arduino mega2560b) A4988是一款带转换器和过流保护的DMOS微步进电机驱动器。本文选择A4988作为步进电机驱动器来驱动步进电机。下图是步进电机驱动电路原理图如下图2-4所示,主控制板上通过对芯片上ENABLE、DIR、和STEP三个引脚的控制,从而实现对步进电机的控制。ENABLE是A4988输出使能端口,当端口为高电位时,输出端无电流输出,当其为低电位时,才有电流输出,从而电机才能工作。DIR端口来控制步进电机的正反转,当其端口为高电位时电机正转,低电位时电机反转。STEP为脉冲信号输入端口,当脉冲为上升沿时有效。A4988可以对步进量进行细分,端口MS1、MS2、MS3可以设置不同的步进模式。OUT_1A、OUT_1B引脚接到步进电机其中一项的两端,OUT_2A、OUT_2B接到步进电机的另一项的两端,Vref用于控制电流。420BYG250C步进电机的步距角是1.8,需要200个脉冲转一圈,如果采用1/16细分之后,需要3200个脉冲电机才能转一圈,又因为电机轴上连接的同步带轮的齿数为24个且齿距为5.080mm,所以转一圈的路程为122mm,一个脉冲的路程为0.03mm/step。 2-4步进电机驱动电路原理图c) 在3D打印机经常使用主板RAPMS1.4,原因之一就是花低成本,而且在小尺寸的电路板上就集成了Reprap所需要的所有的电路接口,并且有充足的扩展空间,RAPMS除了连接Arduino MEGA平台之外,还提供了步进电机驱动的接口,各轴限位开关接口、挤出机接口、加热床输出LED,风扇输出LED、是一款非常便捷的软件,具有强大的升级能力。Arduino扩展板其结构如下图2-5所示。所以本文选择RAPMS1.4作为3D打印机的主控制板。图2-5RAPMS1.4扩展板图2-5RAPMS接线图2.4 并联3D打印机的软件控制系统3D打印机的软件控制系统主要包括:有控制打印的计算机、应用软件、底层控制软件和接口单元组成。控制打印的计算机分为上位机和下位机两级控制,上位机选择性能较好的PC机,上位机用于打印数据的处理和总体的控制任务,其功能如下:1) 把3D模型快速生成打印成型的工艺特点的数据信息。2) 可以设置打印参数。3) 对打印成型情况进行监控并接受运动的反馈。4) 实现人机交互,提供打印型速度的实时监控与相关信息的显示。5) 提供多种打印参数的选择。目前3D打印机的上位机控制软件Printrun和Repetier-Host等被应用的较为广泛, Printrun上位机如图2-6所示,界面简单,操作方便。Printrun是一款基于Python语言开发的3D打印控制软件,主要包括printcore、pronsole及pronterface 3个模块和其他相关脚本。其中printcore.py是一个使写RepRap上位机控制软件变得更加简单的Python函数库。printcore.py是一个命令行(Console)交互软件,pronterface.py与pronsole功能相同,但可以提供图形界面。图2-6Printrun软件界面下位机对打印机打印时的运动进行控制,并将打印数据传递给喷头。2.5 3D打印机的工作机理分析及机构设计方案2.5.1 3D打印的原理3D打印是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型为文件基础,运用塑料和粉末状金属等可粘合的材料,通过逐层打印方式来构造物体的技术20。2.5.2 3D打印累计技术原理随着3D打印技术的快速发展,目前有5种比较成熟的工艺。(1) 光固化立体成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)如图2-7所示,将光敏树脂放在一个液槽中,逐层打印固化,边固化工作台边下降,然后在固化好的表面再涂一层新的液态树脂,就这样新一层牢固的粘接在上一层上,如此重复直到整个模型加工完毕。液面光敏树脂紫外激光成形零件工作台刮平器图2-7 SLA工作原理(2) 分层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)如图2-8所示,其基本原理是利用激光等工具逐层面切割、堆积薄板材料,最终形成三维实体。激光器 热压辊加工平面计算机供纸卷收纸卷升降台图2-8 LOM工作原理(3) 选择性激光烧结成型(Selective Laser Sintering,SLS)如图2-9所示,首先在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末,然后激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层完成后再重新铺粉进行下一层烧结。待全部烧结完后去掉多余的粉末,最后进行打磨、烘干处理。平整辊激光器粉沫激光束扫面镜图2-9 SLS工作原理(4) 熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)如图2-10所示,材料以丝的形状进入打印头,在打印头中融化后经过喷嘴流出又凝结为固态,在打印头打印的过程中材料形态重复固态-液态-固态,最终形成产品模型。产品工作台打印头打印头材料丝图2-10 FDM工作原理(5) 三维打印技术如图2-11所示,采用粉末材料(如陶瓷粉末、金属粉末)打印成型。3DP技术的材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上。但是用粘接剂粘接的零件强度较低,需要进行后期处理。回收材料槽成型室打印材料进料辊粘合剂喷头图2-11三维打印原理图2.5.3 几种工艺性能的对比如表1-1所示几种打印形式的对比SLALOMSLSFDM3DP尺寸精度高中等较高较低一般速度快较慢较慢较慢较快制造成本高较低较高较低较低材料利用率接近100%差接近100%接近100%中等毒性气体有无有无无表面质量高高中等较低一般材料价格较贵较便宜中等较贵中等2.5.4 3D打印所用的材料3D打印材料的发展是3D打印技术发展的重要组成部分,同时它也是制约着3D打印技术发展的主要瓶颈。目前3D打印材料主要包括工程塑料(ABS、PLA等)、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料、陶瓷材料等,除此之外还有彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物材料等也在3D打印领域得到广泛应用。如3D打印材料的形态一般有粉末状、丝状、片层状、液体状等,打印材料的粒子直径也不同,这些材料都是为专门的3D打印设备和工艺专门研发的。2.6 五种工艺打印耗材如表1-2所示打印耗材的对比FDM材料SLA材料SLS材料LOM粘结成型材料ABS纸石蜡热塑性塑料金属膜尼龙光敏树脂金属粉末塑料薄膜石膏聚碳酸酯陶瓷粉末PLA本文采用的是ABS作为打印材料,FDM成型工艺,因为其价格相对低廉、成型简单,目前被广泛的应用生产实践当中。2.7 串并联3D打印机对比目前3D打印机按机构执行类型分为串联式3D打印机和,并联式3D打印机。a) 串联式3D打印机的执行机构采用串联机器人,其主要结构包括,热床,光杆、电机、带轮、同步带。其机构如下图2-12所示,用于驱动的电机和传动的部件都固定在运动的零件上,从而导致整个系统的惯性变大,动力性能降低,这样打印机打印很短的时间电机就发热,降低了电机的使用寿命。并且热床和喷头由两个电机驱动,由于运动速度不一样从而使打印精度降低。图2-12串联式3D打印机b) 并联式3D打印机的执行机构采用delta并联机构其机械部分的机构主要有,电机、同步带、带轮、直线导轨、支架、热床、挤出机等如图2-13所示。其优点是,并联3D机的打印头是可以移动的,并且3个坐标轴的运动方向的精度统一。其打印速度也比串联机构要快。图2-13并联式3D打印机3 并联3D打印机机械结构的设计3.1 结构组成与工作原理本文设计的并联式3D打印机,基本组成结构:铝型材三角支撑架结构、并联传动机构、打印喷头、和工作平台组件组成。并联式3D打印机的结构组成主要包括,工作平台、打印头、同步带、同步带轮、滑块、连杆、导轨、电机等组成。在导轨的下方安装三台电机,每台电机驱动轴上的带轮做旋转运动,同步带轮依靠与滑块固定在一起的同步带,将带轮的旋转运动变为滑块的直线运动,从而带动滑块在导轨上来回滑动,滑块与打印头之间依靠连杆连接,所以当滑块运动时,从而依靠连杆带动打印头运动。为保证喷头有良好的运动轨迹和较高的打印精度,该并联机构要限制喷头在各个方向的转动自由度,从而实现喷头在平面内工作。3.2 构型设计根据设计要求,本文设计并联式3D打印机采用了Delta式机械结构,其中连杆与动平台的连接模型如图3-1所示,驱动杆与机架间通过转动副连接。其自由度F可以利用Kutzbach-Grubler公式计算:-运动杆数目-运动副数-运动副具有的自由度数目在该空间机构中由于有冗余自由度的存在,导致3组平行四边形不能扭转所以限制了3个转动自由度,在实际的运动过程中是3个移动自由度。并且在运动过程中动平台与静平台保持平行。,将以上数据带入公式得 (3-1)图3-1并联式结构3.3 整体尺寸的计算原始的成型尺寸直径是180mm180mm320mm,整体尺寸的计算如下图3-2所示,在等边三角形ABC中,圆O为其内切圆,其中DO=EO=FO=90mm,AFBC,BEAC,DCAB,由三角形的几何关系可得,AB=AC=BC=2BF=2FOtan60=211.769mm。综合考虑,取三棱柱的底边边长为300mm,竖直高度取600mm。所以本文设计的并联3D打印机的整体框架选择铝型材。相比于其它的材料,铝型材具有质量轻,而且比较容易生产加工,且在废弃之后不会对环境造成污染。铝型材的基本尺寸为300mm15mm15mm。图3-2整体框架的简化投影视图3.4 连杆长度的确定与强度的校核带动打印机打印头的6根连杆的长度是相同的。下面要确定连杆的最大的长度值,保证打印机的三棱柱的整体的外形尺寸不变,当该运动机构的6根连杆共面时其处于极限位置时连杆的长度取得最值,此时的运动机构的模型如下图3-3所示。图3-3运动模型简图由投影简图可知,DABC为等边三角形,其中AB=AC=BC=300mm,AFBC,BEAC,DCAB,由等边三角形的三线合一的性质可知,O为DABC的中心,所以AO=BO=CO=23AF=23ABsin60=0.67300sin60=174.066mm,所以连杆的最小长度为174.066。当滑块移动最高位置时,喷头处于极限位置,连杆长度取得最大值,此时该简化的机构模型如图3-4所示,图3-4运动模型简图其中a=174.066,b=600,由勾股定理得 (3-2)所以连杆的最大长度为624.739mm综上可得,连杆长度L的取值范围为174.066mmL624.739mm,所以取直径8mm为长度为190mm。连杆的强度校核计算:连杆在运动过程中会受到一定程度的拉伸,所以要校核连杆的强度。直径为8mm的304不锈钢杆。打印机在打印过程中连杆和打印头的质量都很小(打印头的质量在300g左右,),他们对连杆的强度影响可以忽略不计,综上连杆所受的力约为10N。 (3-3)经查机械设计手册可得,304不锈钢的抗拉强度,所以选择直径为8mm的不锈钢满足设计要求。3.5 电机的选型与计算电机控制系统按照运动过程分为驱动伺服和驱动步进两大类它们的优缺点如下表3-2所示,综合考虑到控制要求,和成本要求,以及所设计的并联3D打印机的实际工作要求。我选择目前普遍使用的步进电机作为3D打印机的滑块提供动力,即通过同步带使滑块在导轨上做直线运动,从而带动喷头运动。电机的选型要计算在各种工作情况下所需的等效负载力距、最大静转距、和启动转矩、功率、等特性选择适合的步进电机。在本文中,要使打印机的喷头最大移动速度达到20mm/s,要小于步进电机的额定转速,电机要克服滑块在运动时要克服自身的重力和连杆压力的最大阻力,并且在电机停止时,步进电机可以保持最大静转矩有效防止滑块因自身的重力而下落。而且要保证挤出机在出料的时候不失步,步进电机要提供足够的转矩。表3-2伺服电机与步进电机的比较伺服电机步进电机控制类型闭环控制开环控制控制方式不同伺服电机是通过控制脉冲的时间长短来控制转动角度的步进电机是将接收的脉冲信号转换成机械的角位移信号,每接收一个电脉冲信号,步进电机转过一个步距角低频特性交流伺服电机工作非常平稳,即使在低速时也不会出现共振现象。步进电机在低频时会出现振动现象。过载能力交流伺服电机具有较强的过载能力,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性转矩。步进电机无过载能力,有时为了克服惯性转矩,往往选择转矩较大的电机。负载最大功率的计算: (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)由以上几个公式推导出功率,由已知条件可知最大移动速度为,总的转矩 (3-8) 又因为同步带的传动效率较高,且材质较轻一般预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩可以忽略不计。所以。打印机的喷头的质量在约为300g,且载荷分配在6根相同的连杆上,滑块质量约为100g,一根连杆的质量约为300g,摩擦因数非常小约为0.02所以 (3-9)带入上述公式得P=1.810-4W根据计算初选电机北京升玛兴业科技有限公司的森创42BYG250CK二相混合式步进电机。其具体参数如表3-3、3-4所示,表3-3具体参数品牌森创型号420BYG250C额定功率36(W)产品类型步进电机额定电压24(V)额定电流1.5(A)额定转速85-240(r/min)额定转矩0.54(N*m)外型尺寸42*42*48(mm)产品认证ce适用范围自动化控制功率93%25 绝缘电阻500VDC 100MW Min轴向间隙1mm Max 径向跳动0.02mm Max温升65K Max 绝缘强度500VAC 1Min绝缘等级B级 使用环境温度-25C+40C表3-4具体参数21相数步 距 角 ()静 态 相 电 流(A)相 电 阻 (W)相 电 感 (mH)保 持 转 矩 (N*M)定 位 转 矩 (N*M)转 动 惯 量 (gcm3)空 载 启 动 频 率 (KHZ)重 量20.9/1.81.51.32.10.230.012381.60.2120.9/1.81.51.32.10.230.012381.60.2120.9/1.81.52.15.00.430.015571.50.2320.9/1.81.52.15.00.430.015571.50.2320.9/1.81.52.03.850.540.025821.50.3620.9/1.81.52.03.850.540.025821.50.36(1)典型适配驱动器:SH-20402N SH-20403N SH-20806E SD-20403 SD-20504则加在步进电机上的转动惯量为: (3-10) (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) (3-15)其中:电机轴所承受的等效负载转矩,加速转矩,:折算到电机轴上的摩擦转矩 (3-17)步进电机加速所用时间(s),一般在0.31s之间选取,所以取0.67s电动机的转速,单位. (3-18)式中空载最快移动速度,本文选取;步进电动机步距角,预选电动机为1.8;脉冲当量, 脉冲;求得: (3-19) (3-20) 式中滑块与导轨间摩擦因数,选取的滚动导轨为0.02;为电动机与带轮转速之比 (3-21) (3-22) (3-23) (3-24)安全系数,对于开环控制,一般应在2.54之间。本文中取安全系数,则步进电动机的最大静转矩应满足: (3-25)综上所诉选择步进电动机型号为42BYG250CK,该型号电动机的最大静转矩为,远大于。可见满足要求。又因为一台3D打印机上的3组传动机构的组成相同,所以其余两组的电机的选择情况同上。3.6 同步带的选型与计算3.6.1 传动方案的选择由打印机的整体尺寸和工作原理可知,本文设计的传动属于直线传动,可选用的传动方式可分为螺杆传动和皮带传动两种方式,两种传动的优缺点比较如下表3-4所示:表3-4螺杆传动和皮带传动的比较过载保护能力结构工作速度传动效率制造和安装精度缓冲吸振能力螺杆传动无复杂较低较低较高无皮带传动较好简单较高较高较低较好综合上表所示的情况以及3D打印机的各方面的情况考虑,本文设计中选择皮带传动,而皮带传动又分为同步带传动和V带传动,如下表3-5将对两种传动方式进行对比:表3-5V带传动和皮带传动的比较相对滑动传动效率节能效率结构工作环境要求外廓尺寸V带有低差简单较高较大同步带无高好复杂较低较小由上表的比较不难发现,传动的平稳性和准确性对于保证3D打印机工作精度是至关重要的,同步带比带的传动更加平稳准确,因此本文选择同步带传动。同步带也称同步齿形带或齿形带,是一种工作面为齿形的环形胶带。3.6.2 选型计算与寿命校核(1)电机最大输出功率的计算: (3-26)(2)设计功率:查现代机械师设计手册第一章4-45得到工况系数 (3-27)(3)小带轮转速计算:因为本文用的同步带非常的薄,所以滑块的滑动速度可以近似的看作带轮的速度。 (3-28)(4)选定同步带的带型与节距,由下表可以看出,在本次设计当中功率和转速都比较小,所以带的型号可以任意的选择,现在选择XL型带,查现代机械师设计手册得节距(5)选取主动轮的齿数查表4.1-67可知,XL型带当速度小于时最小齿数为10,现取主动轮齿数为24。(6)主动轮节圆直径的确定 (3-29)(7)从动轮相关参数确定由于上下两个带轮的大小一样,传动比为1:1,所以从动轮的参数和主动轮的参数完全一样,z2=16,pb=25.278mm(8)带速v的确定 (3-30)(9)初定中心距得又因为打印的高度为320mm,查表4-43可知中心距可以根据结构要求而定,所以初定中心距。(10)初定带的节线长度及齿数 (3-31)根据表4.1-59和表4.1-60选择接近的值及齿数,(11)实际中心距 (3-32)(12)带轮的啮合齿数 (3-33)查表知道对于XL型,一般 (13)基本额定功率 (3-34) , 带宽为的拉力,见表4.1-74。M-带宽为的单位长度的质量kg/m,见表4.1-74。(14)带宽 (3-35)bs0-选定型号的基准带宽mm,见表4.1-74(15)切应力验算 (3-36) -许用应力(16)压强验算 (3-37)-许用应力,见表4.1-77(17)作用在轴上的力 (3-38)表3-6所选的同步带的几何参数如下表所示型号节距齿形角齿高齿根圆半径齿顶圆半径带高带宽XL5.080501.270.380.382.276.43.7 同步带轮的设计选取(1)周节制同步带轮有渐开线齿形和梯形齿形两种标准的齿形。 (2)同步带轮的材料一般由钢、铝合金、灰铸铁、黄铜、和工程塑料的材料制造,当带轮速度v30m/s 时常采用HT200,所以本文同步带轮的材料。根据同步带的几何参数查现代机械设计手册其具体参数如表3-7所示表3-7同步带具体参数型号齿数齿高节距齿厚齿顶圆角直径齿根圆角半径齿宽XL241.40mm0.5085mm1.27mm0.61mm0.61mm7.9mm因为本文设置的带轮有挡圈所以表4.1-83的XL型挡圈的最小高度为K=1.0,挡圈的厚度t取1.44mm,带轮的外圆直径: (3-39)外圆节径:
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