并联臂3D打印机结构设计【含8张CAD图纸、说明书、开题和翻译】
上单并联臂3D打印机结构设计STRUCTURE DESIGN OF PARALLEL MANIPULATOR 3D PRINTER摘要本篇论文在前面篇幅部分简要概述了3D打印技术,其中3D打印技术目前的现状,品种以及以后的发展道路都包括在其中。之后正文大部分在讲述并联臂3D打印机的具体构成部分的设计思路,并且根据作者在生活中所见所闻的实际状况来确定并联臂3D打印机未来的各种发展方向以及在各个行业内所充当的角色还有目前3D打印技术在国内发展速度不够的各种原因,其所面临的挑战,从此种种,这篇论文的作者自主设计出了一款简易版的并联臂3D打印机。作者平日里所见的二维打印机所打印的是一些平面纸张,显得十分简单,但是与之不同的是3D打印机可以打印出三维的物体,这就比平面打印机困难许多。本篇论文在基于目前3D打印机所需的各项指标参数都达到标准的情况下,进行了一系列整体内部结构的设计。其中大致概括为支撑着全部打印机的底座,打印机用来固定轴的顶框,支撑打印系统的支架,传送打印物料的机构,还有打印实物的打印系统。这些内部的结构设计中还包含了各种材料的强度校核和材料的筛选,步进电机的选型等。本篇论文所设计的并联臂3D打印机必须达到的要求,所占三维比列小,操作性尽量高,达到老少皆宜的地步,能都普及到生活各处。要保证如果在一个很小的空间也能进行3D打印的建模制造,这样才能把真正成熟的3D打印技术带进家庭和大众的视野。这次设计主要使用Auto-CAD、Pro/Engineer等制图软件,使用Auto-CAD制图软件画出二维平面图,用Pro/Engineer制图软件进行三维建模。关键词 :并联臂3D打印机;内部结构设计;Pro/Engineer三维制图;Auto-CAD二维平面图IAbstractThis paper length in front section briefly summarizes the 3 d printing technology, including the actuality of 3 d printing, varieties, and the development of the later road will be included in it. After most of the body in the specific part of 3 d printers and LianBei design train of thought, and we saw and heard in life based on the actual situation to determine and LianBei 3 d printers of future development direction as well as in various roles within this industry and there is not enough 3 d printing technology in domestic development speed of a variety of reasons, the facing challenges, from then on, the variety of the authors of the paper the independent design with a simple version and LianBei 3 d printers. 2 d printers that we see everyday is printed by some flat paper, is very simple, but unlike the 3 d printer can print out 3 d objects, it is many difficult than flat printer.In this paper based on the 3 d printer for each index parameters are up to standard, made a series of the overall design of internal structure. Roughly summed up as supporting the base of all printers, printer used to fixed axis of the top frame, support the framework of the printing system, transfer printing material, printing material printing system. These internal structure also contains a variety of materials in the design of intensity and material selection, the stepper motor selection, etc.This paper designed and LianBei must meet the requirements of the 3 d printer, accounts for 3 d is smaller than the column, interoperability is high, as far as possible to achieve for young and old, can spread throughout the life. To ensure that if in a small space can also make the modeling of 3 d printing so that we can bring real mature 3 d printing into families and the publics view. This design mainly use Auto CAD, Pro/Engineer drawing software, such as use Auto CAD drawing software to draw 2 d floor plan, 3 d modeling using Pro/Engineer drawing software.Keywords: 3Dprinters and LianBei Structure design Pro/Engineer 3Dgraphics Auto - CAD 2Dfloor planII目 录摘要IAbstractII目 录III1概论11.1 3D打印技术迅猛发展的时代背景及现状11.2 3D打印技术的整体分类11.3 并联臂3D打印机的概述21.4 并联臂3D打印机面临的挑战32 总体设计情况42.1 并联臂3D打印机的技术指标42.2 主要框架和内部结构设计42.3 设计路线和需要解决的问题43 并联臂3D打印机结构设计53.1 整体并联臂结构设计53.1.1 工作原理53.1.2 并联臂打印机的系统框架53.1.3 框架结构53.2 底座设计63.2.1 底座角件设计63.2.2铝制材料选择73.2.3 底座的整体形成73.3整体支架设计83.3.1 直线光轴弯曲应力计算83.3.2 直线光轴材料的选择103.4 顶框设计113.4.1 打印机顶部设计113.4.2 铝制材料选择113.4.3 顶部的整体设计123.5 送料装置设计123.5.1 挤出材料装置123.5.2 滚动轴承筛选133.5.3 挤出装置构成和选择133.5.4 材料运送整体设计143.6 整体打印系统设计153.6.1 电机的选择153.6.2 同步轮的选择173.6.3 同步带选型173.6.4 轴承的选取和校对183.6.5 滑动装置设计203.6.6 万向节设计213.6.7 打印平台设计223.6.8 推杆设计233.6.9 喷头座设计253.6.10 风扇的选择263.6.11 打印喷头整体及内部构成273.6.12 并联臂3D打印机整体结构284 单片机控制系统30结论31致谢32参考文献331概论1.1 3D打印技术迅猛发展的时代背景及现状3D打印技术作为三维物体建模形成的划时代产物,它是把材料一点点添加到上面去的技术。作者感觉目前3D打印技术不管是在国内还是国外都发展良好,3D打印也掀起了一波技术变革的浪潮,它给了机械和电气制造行业注入了新的生机。3D打印技术的发展摒弃了以往的加工方式,现在的技术也往全部机械方面发展,这样可以减低人力物力的利用率。所以3D并联臂打印机也可以不要人力为物体建模。尽管其长处如此之多,但是技术的发展还是不够全面。在第三次工业革命时代,3D打印技术也随之出现,并渐渐发展为其中一种代表性技术。其发展的越来越全面,也会迎来大量的眼球对之拭目以待。在许多不同的领域之中,3D打印技术应用广泛。在目前的制造行业内,它的出现为业内注入新的活力,使得制造业的效率走入新的篇章。同时在日前的医学发展中,各个大医学者已经能打印出器官,并且也已经证明不会发现人体和器官不会互相伤害的现象。同时在航空活动中,其也会发展出各种不同的发动机还有,这种技术本来就是梦想,是不可企及的,但是却已经在渐渐发展中了。3D打印技术已经发展的越来越好了,目前它已经发展的有超过10年的时间,并且它的打印精度也发展的越来越小了,大约为0.001mm,3D技术能够复制出你眼中所见的物体。如作者所见到的,这种技术已经发展的很快了,不但如此,而且打印的物体也已经有了不错的精度。在如今,许多的国内大企业也有自己的三维打印机,不过机器确实不怎么比的过国外企业,作者也要期盼国内科技水平发展的越来越好。在这些客观因素之外,还有许多东西阻碍着国内的3D打印技术的发展,这些阻力同时也给企业以挑战,争取创造成更符合大众口味的东西。在如今的时间段里,这种技术主要用在西方国家,大致分布在商业还有机械制造两方面。许多人足不出户的去做各种属于他们自己的设计,并且可以通过各种平台发送到就近的打印店为他们设计的实体建模,许多职员就用这种方法完成自己的工作。刚刚上述说的已经形成了一条良性循环,不过这些在国内还并没有发展起来。不过,我坚信在不久的未来,在国内的这种3D打印技术也会发展很快,到时候市场也会为它大开方便之门,这种技术赚钱的日子也是指日可待了。1.2 3D打印技术的整体分类3D打印技术总体按照其成型物体的技术工艺不同,大体分为下述几类。光敏树脂凝固技术又叫做用光刻造型法,平时用它来进行立体的印刷模型物体。它是用紫外线来照射,之后在物体的表面渐渐堆积,并通过树脂形成固化层,因此制造出完整的三维物体。精度不错,表面光滑是这种技术的最显著特点。在这种情况下,各种材料利用非常完善,总体形成的结构尺寸都十分复杂,这样打造出的产品外观显得自然美观。然而这种技术制造成品造价会很高,并且不能打印体积太大的物体。选区片层粘结技术主要作用的物体是激光,主要是用激光切割的方式将原材料在使用纸用胶黏剂的情况下,二氧化碳激光束在箔或扫描切削的二维横截面纸材料的顶控制,则轮廓切割出小正方形晶格之外废物中,每个键后切断层的横截面,工作台自动降到横截面层,之后将上述的操作步骤反复,最后完成整个物体的三维建模。打印速度快并且材料能产生的经济效益大是这种技术最大的特点,并且此种技术可以保证打造出长度和大致形状都符合的物体。在材料真正成型后,你会发现这种技术打印出的模型更适合大型的出行机械如汽车和船舶等。选区激光烧结技术与上述的片层粘结技术差距不大,同样是利用激光束所产生的能量,将材料一次次的煅烧出粉末来堆积粘结出具体的打印模型。在一定程度上,这种成型建模技术将成型出一个优质硬模。这种技术如果在没有大型施工设计的情况下,可以极大的缩短了打印成型所需的时间,打印速率很快。融化积蓄成型技术是一种精密工艺技术,它是通过自下而上的方式,将喷嘴喷出的融化完成的塑料丝制物慢慢堆叠,一边堆积一边印刷,从而慢慢形成的三维建模成型工艺。这种技术具备了许多优点如耗能低,并且打印出的物品品质比较高。不过他也有不少缺点,比如印刷时间长,还有需要不少的其余材料。1.3 并联臂3D打印机的概述3D打印机不同于传统的二维打印机,在一定空间内,材料会受到挤压或者预热而产生融化现象,之后会在打印机打印系统的运作下,逐渐在上面增加,创造出全新的三维物体。这种方法目前在三维立体界带领着一种潮流。从上述可看的出来,并联臂的3D打印机操作简单,且速度很快。首先通过计算机图形软件,使您要打印的三维模型导入到专业软件的切片,然后切成计划的样子,如此这般会出现三维物体。据资料显示,大约在上世纪90年代时,这种技术已经被用到许多不同的工作之中。这种又可以命名叫做数字化的增材技术,目前已经充分的发挥了其完全的魅力。在这些巨大优点的背后,同时也出现了许多短处。例如目前的3D打印技术的在选材上将受到苛刻的限制条件,还有一些大型物体因为尺寸的限制目前只能缩小着打印其真实模型。而本文自主设计的这款并联臂3D打印机将突破一般的市面上零售的打印机,它会更加灵活,会通过三个轴的快速运转增加打印面积的灵活度,且他所占空间十分之小,方便携带。在这个程度上,3D打印机在大众视野中变得越来越普及,而目前要专业建模软件才可导出模型的情况也将随之改变。大量的设计师会在这些软件入手,做出大量修改,会让这些专业软件变得十分简易。我坚信在不远的将来这些建模软件不会再那么遥不可及,这样也会大大的降低打印技术的困难度。总而言之,目前的3D打印技术发展迅速,有良好的平台和空间供设计者发挥。而设计者也要如作者一般,能够在普通3D打印机上增加一些如并联臂一样的装置,从而使机器更加灵活,这样会使机器更加完美,这种技术的发展步伐也会越远。1.4 并联臂3D打印机面临的挑战如今并联臂3D打印机其实并不能为大众所接受,这是因为它的不稳定性,并且还有一些其他的弊端。我大致分为了四点,下面来给大家详述。一、成本过高 在一定程度上,3D打印机确实是给大家带来了方便,但是其实它的制作成本非常高。暂且不说进行三维建模要花很大的精力,打印机的运作动作复杂,并且因为其设计的影响,作者需要大量的时间和金钱来支撑它的运作,而这些时间最后也转化成为成本费用。二、耗费的材料 上面刚刚具体说明了机器的运作,现在作者来讨论一下制作时耗费的材料。这些材料可以为有机材料,也可为无机材料。如塑料,橡胶等一些都是比较常见的材料,这些其实都是其中比较便宜的。但是如果有些物体必须用到化学聚合物之类,那么这些材料的耗费就分厂巨大。这些也是作者目前考虑的现实问题。三、新技术的发展 目前的技术虽然也已经发展的很快,但是也不应停滞不前,应该努力开发新的技术。在这种情况下,作者设计的并联臂支架系统,就是打破常规的一种及其有力的见证。所以设计一定要开动脑筋,在目前市场上的打印机上做一些优化,这样设计的物品在销售上占优势。四、打印精度 在目前的情况下,本次设计出的打印机已经在精度上有了大的突破,也已经为大众所接受。但是作者也并不能就此放弃这方面的探索,而应该突破更大发展空间。并且在精度越高的时候,价格也会越高。所以目前的精度并不能大量生产,并且在精度对于成本和速率有很大的矛盾。在指导老师的倾力协助之下,作者对于并联臂3D打印机也有了非常深刻的认知,并且对于其内部的整体结构设计也全部了解的很详细。2 总体设计情况2.1 并联臂3D打印机的技术指标如市场上目前最大的是工业级打印机约为是,但是这次所设计的并联臂打印机因为其结构原因为并联臂,显得不够稳定。所以这次打印的范围大约为 另外因为是并联臂打印机,所以其特点为足够灵活。因此其打印速度会足够大,约为。整个打印机如果在一小时不停的工作,大约可以打印二十克左右。还有在打印机的整个内部结构中,底座的地位可以说是重中之重,因此底座的高度问题,作者决定设计为,这样才足够高,不影响并联臂的正常运作。2.2 主要框架和内部结构设计并联臂3D打印机主要的框架结构俯视着看大约是一个正三角,其中最重要的是支撑着打印设备的推杆支架。因此这次设计的主要工作是整体的外部和内部框架,运送材料的机构,还有最为主要的打印机构。内外部框架大致可分为支撑并联臂打印机整体的底座,控制着打印系统具体运作方向的推杆支架,还有固定这些支架的顶框。再加上运送材料支持打印的运送机构和主要的打印机构,就组成了整个并联臂打印机的全部结构。2.3 设计路线和需要解决的问题本篇论文所设计的是并联臂3D打印机,这次设计主要先从外部轮廓开始,在整体框架中先设计打印机整体底座,然后是推杆的支架,之后到整个打印机的顶框,最后设计出的将是送料的机构还有打印机构。本课题追求的是全部整体的结构设计,并且也将从外部的各个框架结构到内部的打印机构的设计。之后渐渐完成并联臂打印机的整体设计。目前作者基本确定了并联臂3D打印机的设计线路,但是还有几个迫在眉睫的问题需要解决。1、 现在作者所设计的框架已经目标明确,所以还是要继续考虑选择的材料问题,并且要准确的计算出框架零件压力,来判断出整体框架是否能够承受整个打印机系统。2、 决定本次设计的运送材料的装置是如何运作的,还有运送的材料选择的种类。3、 校核此次设计中,打印机构是如何传动的,还有就是如何喷出材料的3 并联臂3D打印机结构设计3.1 整体并联臂结构设计3.1.1 工作原理本论文此次设计的并联臂3D打印机,在顶框上的横向轴上装载的滑轨推杆上,装有四个步进电机。在这些电机中,有三个是控制着方向的,可以让打印机构在框架中随意动作,还有一个负责着材料的运送,然后喷嘴将材料喷出。这四个电机协同工作,可以在打印平台上打印出三维立体模型。3.1.2 并联臂打印机的系统框架并联臂打印机中的标准件主要包括四个步进电机,用来推进推杆在三维空间内自由运动和运送材料,还有同步轮、带各三个,来带动各轴的运动。并且在挤出材料的装置上安装一个挤出轮,这样挤出装置可以更好地运作。整个内部框架中有六个推杆,在电机的运作下,拉动打印机构在具体范围内打印。还有六个推杆的支撑处必须有六个深沟球轴承来保持着推杆的灵动性。还有一些内六角的螺栓螺母。最上方顶框上的角件,下方底座的角件,在一定程度中,还有在其中打印物体的中心平台,滑座等非标准件都是并联臂打印机的重要组成部分。3.1.3 框架结构用铝制材料制成的整体框架将具有韧性强,延展性强,重量轻等优点。在整个设计过程中,作者选用大约六根轴和三个底座角件组成了整个底座系统。之后往上会看到六根推杆,这些推杆是用来支撑着打印系统在其打印范围来回联动的。最后在打印机顶部有顶框的结构,在这个结构中,有可以来回滑动的轴,这样轴上的滑动块能够自由活动,还有组成顶框的三个顶框角件和六根轴。整个并联臂打印机的框架外部看起来就是一个三棱柱,俯视的话可以看到上方就是一个正三角形状。这样的设计会确保并联臂3D打印机的稳定性,这样可以让步进电机驱动着打印系统,在其打印区域来进行XYZ方向的三维联动。3.2 底座设计3.2.1 底座角件设计上述已经表明,底座结构就如同一个正三角形,而底座角件就相当于三角形三个角的功能,它是来连接着相邻的两个轴,使其更加稳定,所以它是整个底座的重要组成部分。再者,它还支持着整个打印机,所以它的设计是很重要的。下面详述的是作者所设计的角件的三视图,可以直观表明其具体形状,如图3-1所示 图3-1角件三视图 这次设计的角件功能十分强大,它不仅要连接着各个拉轴,还有承担着整个并联臂打印机重量,因此必须要计算出整个并联臂打印机对其的压强,这样才能确认选择什么材料最佳,以此来达到最佳要求。本次预设的并联臂打印机重量为,三个底座角件总面积约为,所受的压强可见公式(3.1) 式(3.1) 在公示中,压强 F打印机重量 S角件总面积得。在得到压强的情况下,在综合比对了许多材料之后,其中包括各种复合材料。再结合这些材料的环保程度,和所能承受的压强在什么范围内,还要保持较强的硬度和强度。所以作者决定选择PLA材料。这种材料的压强承受在40-60Mpa,远低于所要求的压力较大的PLA材料的许用压强,所以这种材料是符合各个条件的。3.2.2铝制材料选择在上述情况下,再结合下述的表格3-1,作者在参照对比各种铝制材料的参数之后,决定选用2020GW型号的铝制材料。表3-1 铝制材料参数表下述为选用的材料结构图3-2图3-2 2020GW铝材料结构图3.2.3 底座的整体形成此次设计的打印机的整体底座结构大致分为两个部分,一为三个底座角件,二为铝制材料的轴,这两个部分都是用内2020GW六角的螺栓螺母连接而成。在每个角一个面具有两个8孔用于组装8线性轴,并用三个固定夹紧孔来装载线性轴。角件在内侧有四个3间隔孔,这些孔是用来让螺栓和螺母完成步进电机的固定成型。上述说明都在下面的装配图中可见,打印机基座Pro / Engineer装配见图3-3图3-3 底部基座Pro / Engineer图3.3整体支架设计3.3.1 直线光轴弯曲应力计算整个支架设计主要有几个部分,用来保持轴在空间内三维联动的推杆,还有必须保持打印系统在水平方向工作的线性轴。作者这次的设计在打印时,整体的外部框架保持不动的情况下,各轴必须在打印范围内随意移动,因此会产生很多的轴弯曲现象。所以在设计支架的过程中,计算弯曲应力必定会成为设计工作的重要一环。作者要根据计算出力的数值来判断轴是否可用,设计是否合理等等。判断轴是否可用,按弯曲时,轴的计算为式(3.2)。 式(3.2)其中D线性轴直径 m弯矩 弯曲应力在这些轴中,所受的力都是大致相等的。所以应该对着其中的一个轴进行受力分析。还有各轴的位置是固定的,但是外框上的带动杆滑动的装置是不固定的,所以这其中增加了其不稳定性。下面的图及为轴受力分析,在其中作者可以简明扼要的看出其具体的情况。图3-4 轴的受力分析解:, , 这时支座受到的力为 , 轴剪力和弯矩得 图3-5 轴剪力图图3-6 轴弯矩图 根据上述的这些图中,作者可以看出轴的中间受到的力最大,因此这个地方也会越脆弱。在这些图中也会发现,当x=a这个时候,弯矩最大。所以在轴的长度为465mm时,使得 , 3.3.2 直线光轴材料的选择 在此次支架的设计中,轴的重要性可见一斑。所以本次设计必须选择弯曲应力足够大的材料来作为轴的材料,因此从中查得表3-2 轴弯曲应力表根据上述的计算过程,作者从中知晓了,然后从表中的信息得出此设计材料可以选用45钢,它的,这种材料完全符合上述的计算出的数值,具体的材料参数如下表3-3 45钢参数表3.4 顶框设计3.4.1 打印机顶部设计 因为作者所设计的整个外部框架结构就是一个三棱柱。因此顶部的设计与顶部异曲同工,与打印机的底部设计相同,同样是由三个角件和三根铝材构成。它们的不同处是在顶框上需要增加一个滑动轮,这个滑动轮是用来固定推杆,拉动着打印系统运作的。这个滑动系统中有四个电机来负责驱动和送料。下面的是顶框上的边角图图3-7顶框边角图在上述就已经表明,这个顶框边角与底框一模一样。并且因为它是在上方,所以并没有那么大的负荷。虽然如此,但是作者决定一样把它的材料设定为PLA,这样使得上下完全一致,也可以让打印机更加美观和耐用。3.4.2 铝制材料选择同样的情况,顶部和底部也是一样,同样都选择2020GW铝材。3.4.3 顶部的整体设计这次设计的并联臂打印机顶部,主要由三个顶部边角和三根铝材所拼凑出整个打印机上部形态。同时再将顶部全部设计且拼装完成的情况下,作者也要将“三棱柱”的棱框的固定点确定。顶部的正三角同样是由内六角的螺栓和螺母固定在角件的定位孔内。同时连接打印机上下两部分的是六根细轴。相邻的两轴又称为一个塔,我把它们叫做XYZ三塔。详情可见下图图3-8顶框Pro / Engineer三维连接图3.5 送料装置设计3.5.1 挤出材料装置在打印机工作时,打印系统必须要有材料才能打印出塑胶模型。所以运送物料的机构也发挥了非常大的作用。因此在设计出送料机构时,挤出材料的基座会在强度和塑性方面有些变化。在为了更加方便制作的基础上,所以作者把它的作用设定为连接零件。在上述的这些条件下,挤出装置也选择为PLA,并且可以确实打印。挤出装置如下图3-9 挤出装置三视图3.5.2 滚动轴承筛选 在运送物料时,虽然目前的设计已经能够基本完成。但是还是有许多不足之处,例如挤出装置十分呆板,并且显得不够流畅。因此作者在挤出装置中加入了滚动轴承,来实现打印过程的无声和运行流畅。目前作者主要在对比各种轴承的参数来确定使用何种最佳。最后发现U604ZZ轴承完全符合要求。具体参数如下 表3-4 U604ZZ轴承参数表3.5.3 挤出装置构成和选择在整体运送物料的过程中,材料是通过挤出装置一点点传送出,在喷头中出现然后完成整体打印。因此,要保证正常的出丝问题也必须提上日程。首先,动力问题。运送材料必须要有动力,需要一个电机来保证材料的驱动。还有,灵活性。如果打印速度变得快速,那么运送材料也必须保持其灵活性。所以,本设计应在挤出装置中增加了一个挤出轮,来增强其转动。上述的驱动电机这里先不详述,会在后文中充分说明其具体选型。而选择什么样挤出轮就成为工作重点。挤出轮必须保证足够小巧,因为作者设计的打印机也并不大。根据准确的参数对比,和具体的实际情况,还有设计的打印机运送材料是1.75mm的。在这些情况下,此设计选择M11的挤出轮,如下表表3-5 MK8挤出轮参数表3.5.4 材料运送整体设计整个材料的运送大约是在打印机喷头运作时,在运料装置的入口处放入打印所需的材料,之后这些材料会进过齿轮的传动,被挤出到专门运送材料的管道,然后送到喷头进行打印作业。整个运送装置缺一不可,所以此设计必须用螺栓和螺母将上述的零件进行组合和固定,这样才能完成了材料运送装置的整体设计。如下图【更多毕业设计,Q380615448】【代做毕业设计,Q380615448】【配套三维图,Q380615448】图3-10运材装置整体设计Pro / Engineer图3.6 整体打印系统设计3.6.1 电机的选择 在整个打印机运作时,所有的动力源都是电机。在整个设计中,电机的地位举足轻重,必定排在首位。没有电机的系统设计,就如同人没有灵魂,完全不能动作。电机的工作原理其实简单的说,就是信息的互相传导和转换。它是将电脉冲信号转换为具体的驱动器运行的信号,这样会使打印头在XYZ方向随意运动,并且可以将材料运送到具体打印之处。电机的转动速度,何时停止都十分讲究,并联臂打印机上的电路每接收到一个信号,电机就会转到一定角度。这样一次次的转动,并且经过信息的转化,会在打印平台上一点点的成型具体的模型。电机的每次转动,就代表着打印中设备的渐渐累计,逐渐的送材,直到最后完成具体的打印。目前作者必须确保打印机打印出的成品精度合格,这是此设计选择的电机最起码的底线条件。然后作者要具体考虑的是电机的质量,转动速度等等。这些条件要根据具体的电机参数分析,最后此设计决定选择型号是的电机,这样才能保证打印系统的正常运作。表3-6 42BYGH两相电机参数表选择的模型为42BYGH47-401A的电机见下图图3-11 42BYGH47-401A电机主视俯视图3.6.2 同步轮的选择这次整体的打印机构设计,主要就是要让打印系统动起来,可以让打印装置真正可以自然运作。所以要加入同步轮,可以让其在电机中起到传动的效果。电机运作会传导运动,然后通过同步轮带动整个打印喷头,来传递动作。因为在电机中增加传动轮,所以这是一个精细活。所以作者最看重的还是传动轮的精细这一条件。根据电机的大小,可以选择出同步轮的具体规格条件,大约为共二十齿的两齿之间的距离为2.032mm,轮的直径可以设定为12.9mm,而轮的内部距离为,另一边的双外径大约为18mm,其高度共为20mm。表3-7三种规格同步轮对照表3.6.3 同步带选型根据上述已经确定的同步轮的规格,作者不难选择出同步带的具体参数。在一定情况下,同步带、轮必须保持完美的啮合状态。所以作者得出同步带的两齿间的距离大约为2.032mm,其他条件只要大约满足齿的高度达到0.51mm,还有齿的厚度满足达到1.14mm的条件,就可以保持轮带步调一致。见下图图3-12 同步带平面图3.6.4 轴承的选取和校对当打印机真实运作时,电机也会跟着运转起来,之后在电机其中的滑动轮带将会跟着承受非常大的径向载荷,所以此设计要选取轴承来承载,从而让其支撑传送装置所产生的各种压强。作者进过两相对比了和圆滚式两种轴承,并结合此设计所需要其承载的载荷,还有它所起到的作用。作者发现外观美观,使用方便迅捷的深沟球轴承,是此设计的不二之选。下面见公式(3.3) 式(3.3)再上述的式中,C代表的是在额定的数值工作下,其静载荷的数值,而后面的则是轴承的主要的安全因数,是轴承所经受的当量静载荷,最后的则是本次设计必须满足的条件,这个数值作者可以从表中得出。表3-8 轴承安全因数表 表3-9当量静载荷的计算从上述表中得到信息,我们可以计算整体计算出在的情况下,时,取再带入压力数值,可得 之后,作者在查得各种专业书籍的参数表,来得到关于轴承的最佳选择。见下表表3-10深沟球轴承参数表从表格中,作者可以得出大量的信息,再根据打印机其他部分的设计,必须要判定其是否符合要求。在一定程度上,传送的带轮要符合的条件也已经明确,所以此设计选取628/8轴承,来进行打印机的运作。3.6.5 滑动装置设计在用并联臂3D打印机进行打印作业时,通过电机的运作,使打印头可以在打印范围内自由移动,这靠的是在竖直方向的三个塔,有滑动装置在这三个塔上来回活动,然后带动着这个打印头可以在竖直或者水平方向自由活动。虽然打印头的动作比较多变,但是其实这些滑动装置只是在三个塔上做着竖直方向上来回往复的直线运动,只是简单的垂直方向的位移直线运动。整个大的滑动装置,与打印机其他材料一样,使用PLA材料。这样可以在同种材料的磨合时期,起到非常大的效果。具体见下图图3-13 滑动装置结构图3.6.6 万向节设计在整个设计的过程中,还有整个并联臂3D打印机的整体结构中,作者忽视了一个重要问题。在各个可移动的杆轴接触位置,虽然都是有内六角的螺栓和螺母固定,但是因为这些可动作的装置中,必须要存在一个润滑剂。它就相当于人的关节,可以在动作时进行调节。所以本次设计必须在三个棱柱塔中,滑动装置上装一个万向节,它可以用来促进转向不灵活的情况。这样推杆在和万向节连接时,就不会发生机械装置之间的摩擦现象。并且作者在将其加入设计时,也已经将其材料设定为PLA,这样也可以保证设计中机械运作,它可以承载的机械强度。具体见下图图3-14 万向节三视图3.6.7 打印平台设计在整个并联臂3D打印机设计中,打印运作时,操作需要一个平面空间,来放置打印的物体和完成打印的整个过程。因此本次设计需要在打印机的中心位置,设计出一个打印平台。作者会使用这个平台来连接打印喷头定位,同时也必须将拉动喷头的轴,和打印平台还有滑动装置紧密相连。这样可以使其浑然一体,促进打印机整体更好运作。在上述中,打印平台不可能会被施加重压,因此在材料的选择上上同样选用PLA,是整个打印机浑然一体。具体图如下图3-15 打印平台具体结构图3.6.8 推杆设计在整个并联臂3D打印机设计中,作者发现有几根轴两头分别连接着中间的打印平台和滑动装置。它的作用就是传动的,它是把电机的运动通过在塔上的竖直滑动,然后就是这根轴推动打印平台也运动。由于其推动作用,它被命名为推杆。但是目前最主要的问题就是这根轴的长度无法确定。所以作者要选取一个特别的位置来确定其极限长度,这样就能大致了解其长度范围。作者先从3D图中大致了解其构造,然后到平面图中具体的分析计算其长度,具体如下图3-16 无推杆3D图图3-17 推杆平面图 根据图中已经明确的打印机具体参数,可以计算如下 因此 根据上面的计算过程,作者可以确定出拉轴的长度范围为98.6-244.2mm,这里面的任意值都是合适的,这次设计中将设定这根轴的长度为185mm。如下图图3-18 推杆结构图3.6.9 喷头座设计这次设计的主要目的,还是要让打印机运作起来。设计的打印机是用来进行完整的打印运作的,所以在打印时需要喷头来喷送材料支撑整个打印过程。但是喷头必须要有一个底座来固定,所以此次设计任务又必须加上设计一个喷头座。 整个喷头装置主要有喷头底座和喷料的喷头组成,它们之间的连接主要是用螺栓螺母组装。在电机运作时,通过滑动,推杆的传动,作者发现喷头装置可以在打印空间内自由运动,直到最终完成打印。具体见下图图3-19喷头座结构图3.6.10 风扇的选择打印机在打印时,因为电机的工作,不可避免的会产生很大的热量。还有在安装了四个电机的情况下,这种情况也会变得更加严重。也为了放置材料因为过热,发生融化现象,最后堵住喷头,使得打印机不能正常运作。因此要在喷头处安装一个风扇,来起到散热降温的作用。在对比了各种风扇的型号之后,本次设计决定选择DFS300612H规格的风扇,见下表表3-11 DFS300612H型风扇3.6.11 打印喷头整体及内部构成如果把并联臂3D打印机比作一个计算公式,那么打印喷头就可以说是得出的结果。有的时候过程不重要,结果决定一切。所以我以为打印喷头的设计一定要精细。打印喷头可以说是最重要的部分,它的组成部分分别包括了喷嘴接头,这是用来传送材料的,可以提高运送材料的速度。这与运送材料管连接,是不可缺少的。这个接头应选择1.75mm的,这是作者设定的最合理的尺寸。还有在其中装有,它是用来给整个装置散热降温的,所以它的作用也非常巨大。因此应选取其尺寸为直径36mm,高度60mm。有了散热器,与之相对应得,在喷头整体内部一定会有加热的部件,及为加热头,主要用来加热。这里面还有热量的传导,来使材料融化,然后才可以将材料喷出来进行打印。最后就是打印用的喷头,喷头因为要在最快的时间里把热量传输给材料,使其融化,因此此次设计必须选择导热性能好的喷头才能符合要求。如下图图3-20 喷头的平面图上述的各个部件组成了整体的打印喷头,其组成部分和具体的参数上面已经大致解析过了,下面是其整体构成和三维图。图3-21图3-22喷头装置Pro / Engineer3D图3.6.12 并联臂3D打印机整体结构本次整体设计的并联臂3D打印机目前已经全部设计完毕,不管是外部框架的设计还是内部打印时必须的运送物料和正式动作时的打印机构。作者都已经事无巨细的做出了必要设计。外部框架中分别为上下框的边角,还有框架上的六根竖轴和滑动装置。在加上运材系统中,加入的电机还有同步轮带,对于运送材料已经是重中之重。还有可以提升整个装置润滑度的万向节,然后还有在打印机中心的打印平台。还有打印系统中,作者在其中加入了喷嘴接头,使得材料运送的更加迅速,还有使得材料融化的加热器,和防止材料被加热后堵住喷嘴的散热器。这就是整个打印系统的构成部分。打印机的具体工作情况,整个打印机共有四个电机,其中的三个是用来推动着滑动装置在竖直方向位移的,然后这些运动在轴的拉动下,也会使打印喷头在XYZ方向上运动,然后可以进行整体的运动。在这些位移运动在开展的同时,最后一个电机会拉动同步轮带将打印所需的材料运送到打印机的喷头中,最后这些材料经过加热融化,从喷嘴中挤出,凝固在打印平台上成为打印的塑性模型。上述便是整个打印机的整体运行情况。具体见下图图3-23 并联臂3D打印机模型装配图4 单片机控制系统 整个打印机的结构已经大致全部设计完成,但是这次设计的并联臂3D打印机在我看来还不全面。因为作者虽然已经可以大致知晓其工作原理,也知道电机是整个打印机的驱动、动力源头,但是什么控制着电机运行,这一点此次设计并没有明确。因此,综上所述,我决定额外增加一款,这样作者可以将其作为硬件接口,并将其连接到单片机上。这样的连接会使单片机控制着整个电机工作,之后可以进行一系列的打印作业。并且在几个点上,在设计中会多增加几个传感器,至于传感器的选型作者会再根据实际情况分析,见下文。1、 温度传感器 在打印机构中,虽然已经加入了散热器等来进行散热降温的作用,但是环境因素等也会对打印机造成影响。所以在打印喷头处加入固定一个温度传感器,起到监察温度不要太高的作用。2、 行程开关 在电机的驱动下,经过同步轮带,传动到滑动装置上。但是在三棱柱的三个棱上的滑动座可能进行更大的位移,造成滑动装置脱落轴外。因此在此处必须增加一个行程开关,来监察其不超过最大行程。结论 这次毕业设计主要完成了并联臂3D打印机的整体结构设计,并且将所设计的物件所用材料,计算材料的可用度。并且对照各表格中的参数,进行材料的校核和选择。具体的结论:(1) 目前本次设计已经完成了并联臂3D打印机的整体框架设计,大约整体有五大部分,分别为底座角件,顶框角件,支架和推杆设计,送丝机构设计和打印机构设计。(2) 在这些设计中,必须确定所使用的件的参数,铝质材料为2020GW铝制材,材料为45钢的线性轴,电机类型为42BYGH47-401A,同步轮带是MXL型号,深沟球轴承是628/8滚动轴承等。并且还有各种底座角件、顶框角件、挤出和滑动基座、万向节和中心平台等等。(3)这次作者所设计的并联臂3D打印机,优点很多,三角框的设计显得十分简洁明了,方便快捷,并且可以在一个非常小的空间完成打印作业。这样设计的打印机有很大的发展空间和价值,目前的这款并联臂3D打印机就是未来打印机发展的潮流趋势。 在即将完成此次设计之际,作者对并联臂3D打印机的未来发起展望。并联臂3D打印机的未来远不止于此,其打印精度将会再次提高,并且在不久的将来,3D打印机也会变成社会常见和必需品。 致谢几个月的生活匆匆而过,当设计不是很完美时,我会像海绵投入书的海洋,汲取知识的养分,充实自己。并充分利用互联网,发现最新科技,以此来充实本课题。同时,指导老师不辞辛劳的谆谆教导也是让人难忘。是您的指导,让本次设计日趋完善,也让本次设计工作圆满完成。最后,再次衷心感谢指导老师的深切教诲。您对待工作的认真态度,也对我以后的为人处世产生重大的影响。参考文献1 柳建,殷凤良,孟凡军,顾海清.3D打印再制造目前存在问题与应对措施J. 机械. 2014(06) 2 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. 2012(26)3 王位,陆亚林,杨卓如. 三维快速成型打印机成型材料J. 铸造技术. 2012(01)4 李红兵. 3D打印技术的发展现状及前景分析J. 安徽科技. 2013(09) 5 陈立,陈胜迁. 3D打印未来制造业的新模式J. 轻工科技. 2013(09) 6 刘禹,李志江. 3D技术、3D打印机的中文定名J. 中国科技术语. 2013(04)7 潘伯钊,宋轶民,王攀峰,董罡,孙涛. 基于激光跟踪仪的混联机器人快速零点标定方法J. 机械工程学报. 2014(01) 8 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