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并聯(lián)臂3D打印機結(jié)構(gòu)設計
STRUCTURE DESIGN OF PARALLEL MANIPULATOR 3D PRINTER?
摘要
本篇論文在前面篇幅部分簡要概述了3D打印技術(shù)，其中3D打印技術(shù)目前的現(xiàn)狀，品種以及以后的發(fā)展道路都包括在其中。之后正文大部分在講述并聯(lián)臂3D打印機的具體構(gòu)成部分的設計思路，并且根據(jù)作者在生活中所見所聞的實際狀況來確定并聯(lián)臂3D打印機未來的各種發(fā)展方向以及在各個行業(yè)內(nèi)所充當?shù)慕巧€有目前3D打印技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展速度不夠的各種原因，其所面臨的挑戰(zhàn)，從此種種，這篇論文的作者自主設計出了一款簡易版的并聯(lián)臂3D打印機。作者平日里所見的二維打印機所打印的是一些平面紙張，顯得十分簡單，但是與之不同的是3D打印機可以打印出三維的物體，這就比平面打印機困難許多。
本篇論文在基于目前3D打印機所需的各項指標參數(shù)都達到標準的情況下，進行了一系列整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設計。其中大致概括為支撐著全部打印機的底座，打印機用來固定軸的頂框，支撐打印系統(tǒng)的支架，傳送打印物料的機構(gòu)，還有打印實物的打印系統(tǒng)。這些內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設計中還包含了各種材料的強度校核和材料的篩選，步進電機的選型等。
本篇論文所設計的并聯(lián)臂3D打印機必須達到的要求，所占三維比列小，操作性盡量高，達到老少皆宜的地步，能都普及到生活各處。要保證如果在一個很小的空間也能進行3D打印的建模制造，這樣才能把真正成熟的3D打印技術(shù)帶進家庭和大眾的視野。這次設計主要使用Auto-CAD、Pro/Engineer等制圖軟件，使用Auto-CAD制圖軟件畫出二維平面圖，用Pro/Engineer制圖軟件進行三維建模。
關鍵詞 ：并聯(lián)臂3D打印機；內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計；Pro/Engineer三維制圖；Auto-CAD二維平面圖
I
Abstract
This 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 public's 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 plan
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
目 錄 III
1概論 1
1.1 3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展的時代背景及現(xiàn)狀 1
1.2 3D打印技術(shù)的整體分類 1
1.3 并聯(lián)臂3D打印機的概述 2
1.4 并聯(lián)臂3D打印機面臨的挑戰(zhàn) 3
2 總體設計情況 4
2.1 并聯(lián)臂3D打印機的技術(shù)指標 4
2.2 主要框架和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計 4
2.3 設計路線和需要解決的問題 4
3 并聯(lián)臂3D打印機結(jié)構(gòu)設計 5
3.1 整體并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)設計 5
3.1.1 工作原理 5
3.1.2 并聯(lián)臂打印機的系統(tǒng)框架 5
3.1.3 框架結(jié)構(gòu) 5
3.2 底座設計 6
3.2.1 底座角件設計 6
3.2.2鋁制材料選擇 7
3.2.3 底座的整體形成 7
3.3整體支架設計 8
3.3.1 直線光軸彎曲應力計算 8
3.3.2 直線光軸材料的選擇 10
3.4 頂框設計 11
3.4.1 打印機頂部設計 11
3.4.2 鋁制材料選擇 11
3.4.3 頂部的整體設計 12
3.5 送料裝置設計 12
3.5.1 擠出材料裝置 12
3.5.2 滾動軸承篩選 13
3.5.3 擠出裝置構(gòu)成和選擇 13
3.5.4 材料運送整體設計 14
3.6 整體打印系統(tǒng)設計 15
3.6.1 電機的選擇 15
3.6.2 同步輪的選擇 17
3.6.3 同步帶選型 17
3.6.4 軸承的選取和校對 18
3.6.5 滑動裝置設計 20
3.6.6 萬向節(jié)設計 21
3.6.7 打印平臺設計 22
3.6.8 推桿設計 23
3.6.9 噴頭座設計 25
3.6.10 風扇的選擇 26
3.6.11 打印噴頭整體及內(nèi)部構(gòu)成 27
3.6.12 并聯(lián)臂3D打印機整體結(jié)構(gòu) 28
4 單片機控制系統(tǒng) 30
結(jié)論 31
致謝 32
參考文獻 33
1概論
1.1 3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展的時代背景及現(xiàn)狀
3D打印技術(shù)作為三維物體建模形成的劃時代產(chǎn)物，它是把材料一點點添加到上面去的技術(shù)。
作者感覺目前3D打印技術(shù)不管是在國內(nèi)還是國外都發(fā)展良好，3D打印也掀起了一波技術(shù)變革的浪潮，它給了機械和電氣制造行業(yè)注入了新的生機。3D打印技術(shù)的發(fā)展摒棄了以往的加工方式，現(xiàn)在的技術(shù)也往全部機械方面發(fā)展，這樣可以減低人力物力的利用率。所以3D并聯(lián)臂打印機也可以不要人力為物體建模。盡管其長處如此之多，但是技術(shù)的發(fā)展還是不夠全面。
在第三次工業(yè)革命時代，3D打印技術(shù)也隨之出現(xiàn)，并漸漸發(fā)展為其中一種代表性技術(shù)。其發(fā)展的越來越全面，也會迎來大量的眼球?qū)χ媚恳源?
在許多不同的領域之中，3D打印技術(shù)應用廣泛。在目前的制造行業(yè)內(nèi)，它的出現(xiàn)為業(yè)內(nèi)注入新的活力，使得制造業(yè)的效率走入新的篇章。同時在日前的醫(yī)學發(fā)展中，各個大醫(yī)學者已經(jīng)能打印出器官，并且也已經(jīng)證明不會發(fā)現(xiàn)人體和器官不會互相傷害的現(xiàn)象。同時在航空活動中，其也會發(fā)展出各種不同的發(fā)動機還有，這種技術(shù)本來就是夢想，是不可企及的，但是卻已經(jīng)在漸漸發(fā)展中了。
3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的越來越好了，目前它已經(jīng)發(fā)展的有超過10年的時間，并且它的打印精度也發(fā)展的越來越小了，大約為0.001mm，3D技術(shù)能夠復制出你眼中所見的物體。如作者所見到的，這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很快了，不但如此，而且打印的物體也已經(jīng)有了不錯的精度。在如今，許多的國內(nèi)大企業(yè)也有自己的三維打印機，不過機器確實不怎么比的過國外企業(yè)，作者也要期盼國內(nèi)科技水平發(fā)展的越來越好。在這些客觀因素之外，還有許多東西阻礙著國內(nèi)的3D打印技術(shù)的發(fā)展，這些阻力同時也給企業(yè)以挑戰(zhàn)，爭取創(chuàng)造成更符合大眾口味的東西。
在如今的時間段里，這種技術(shù)主要用在西方國家，大致分布在商業(yè)還有機械制造兩方面。許多人足不出戶的去做各種屬于他們自己的設計，并且可以通過各種平臺發(fā)送到就近的打印店為他們設計的實體建模，許多職員就用這種方法完成自己的工作。剛剛上述說的已經(jīng)形成了一條良性循環(huán)，不過這些在國內(nèi)還并沒有發(fā)展起來。不過，我堅信在不久的未來，在國內(nèi)的這種3D打印技術(shù)也會發(fā)展很快，到時候市場也會為它大開方便之門，這種技術(shù)賺錢的日子也是指日可待了。
1.2 3D打印技術(shù)的整體分類
3D打印技術(shù)總體按照其成型物體的技術(shù)工藝不同，大體分為下述幾類。
光敏樹脂凝固技術(shù)又叫做用光刻造型法，平時用它來進行立體的印刷模型物體。它是用紫外線來照射，之后在物體的表面漸漸堆積，并通過樹脂形成固化層，因此制造出完整的三維物體。精度不錯，表面光滑是這種技術(shù)的最顯著特點。在這種情況下，各種材料利用非常完善，總體形成的結(jié)構(gòu)尺寸都十分復雜，這樣打造出的產(chǎn)品外觀顯得自然美觀。然而這種技術(shù)制造成品造價會很高，并且不能打印體積太大的物體。
選區(qū)片層粘結(jié)技術(shù)主要作用的物體是激光，主要是用激光切割的方式將原材料在使用紙用膠黏劑的情況下，二氧化碳激光束在箔或掃描切削的二維橫截面紙材料的頂控制，則輪廓切割出小正方形晶格之外廢物中，每個鍵后切斷層的橫截面，工作臺自動降到橫截面層，之后將上述的操作步驟反復，最后完成整個物體的三維建模。打印速度快并且材料能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益大是這種技術(shù)最大的特點，并且此種技術(shù)可以保證打造出長度和大致形狀都符合的物體。在材料真正成型后，你會發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)打印出的模型更適合大型的出行機械如汽車和船舶等。
選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)與上述的片層粘結(jié)技術(shù)差距不大，同樣是利用激光束所產(chǎn)生的能量，將材料一次次的煅燒出粉末來堆積粘結(jié)出具體的打印模型。在一定程度上，這種成型建模技術(shù)將成型出一個優(yōu)質(zhì)硬模。這種技術(shù)如果在沒有大型施工設計的情況下，可以極大的縮短了打印成型所需的時間，打印速率很快。
融化積蓄成型技術(shù)是一種精密工藝技術(shù)，它是通過自下而上的方式，將噴嘴噴出的融化完成的塑料絲制物慢慢堆疊，一邊堆積一邊印刷，從而慢慢形成的三維建模成型工藝。這種技術(shù)具備了許多優(yōu)點如耗能低，并且打印出的物品品質(zhì)比較高。不過他也有不少缺點，比如印刷時間長，還有需要不少的其余材料。
1.3 并聯(lián)臂3D打印機的概述
3D打印機不同于傳統(tǒng)的二維打印機，在一定空間內(nèi)，材料會受到擠壓或者預熱而產(chǎn)生融化現(xiàn)象，之后會在打印機打印系統(tǒng)的運作下，逐漸在上面增加，創(chuàng)造出全新的三維物體。這種方法目前在三維立體界帶領著一種潮流。從上述可看的出來，并聯(lián)臂的3D打印機操作簡單，且速度很快。首先通過計算機圖形軟件，使您要打印的三維模型導入到專業(yè)軟件的切片，然后切成計劃的樣子，如此這般會出現(xiàn)三維物體。據(jù)資料顯示，大約在上世紀90年代時，這種技術(shù)已經(jīng)被用到許多不同的工作之中。這種又可以命名叫做數(shù)字化的增材技術(shù)，目前已經(jīng)充分的發(fā)揮了其完全的魅力。在這些巨大優(yōu)點的背后，同時也出現(xiàn)了許多短處。例如目前的3D打印技術(shù)的在選材上將受到苛刻的限制條件，還有一些大型物體因為尺寸的限制目前只能縮小著打印其真實模型。而本文自主設計的這款并聯(lián)臂3D打印機將突破一般的市面上零售的打印機，它會更加靈活，會通過三個軸的快速運轉(zhuǎn)增加打印面積的靈活度，且他所占空間十分之小，方便攜帶。
在這個程度上，3D打印機在大眾視野中變得越來越普及，而目前要專業(yè)建模軟件才可導出模型的情況也將隨之改變。大量的設計師會在這些軟件入手，做出大量修改，會讓這些專業(yè)軟件變得十分簡易。我堅信在不遠的將來這些建模軟件不會再那么遙不可及，這樣也會大大的降低打印技術(shù)的困難度。
總而言之，目前的3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，有良好的平臺和空間供設計者發(fā)揮。而設計者也要如作者一般，能夠在普通3D打印機上增加一些如并聯(lián)臂一樣的裝置，從而使機器更加靈活，這樣會使機器更加完美，這種技術(shù)的發(fā)展步伐也會越遠。
1.4 并聯(lián)臂3D打印機面臨的挑戰(zhàn)
如今并聯(lián)臂3D打印機其實并不能為大眾所接受，這是因為它的不穩(wěn)定性，并且還有一些其他的弊端。我大致分為了四點，下面來給大家詳述。
一、成本過高 在一定程度上，3D打印機確實是給大家?guī)砹朔奖悖瞧鋵嵥闹谱鞒杀痉浅８?。暫且不說進行三維建模要花很大的精力，打印機的運作動作復雜，并且因為其設計的影響，作者需要大量的時間和金錢來支撐它的運作，而這些時間最后也轉(zhuǎn)化成為成本費用。
二、耗費的材料 上面剛剛具體說明了機器的運作，現(xiàn)在作者來討論一下制作時耗費的材料。這些材料可以為有機材料，也可為無機材料。如塑料，橡膠等一些都是比較常見的材料，這些其實都是其中比較便宜的。但是如果有些物體必須用到化學聚合物之類，那么這些材料的耗費就分廠巨大。這些也是作者目前考慮的現(xiàn)實問題。
三、新技術(shù)的發(fā)展 目前的技術(shù)雖然也已經(jīng)發(fā)展的很快，但是也不應停滯不前，應該努力開發(fā)新的技術(shù)。在這種情況下，作者設計的并聯(lián)臂支架系統(tǒng)，就是打破常規(guī)的一種及其有力的見證。所以設計一定要開動腦筋，在目前市場上的打印機上做一些優(yōu)化，這樣設計的物品在銷售上占優(yōu)勢。
四、打印精度 在目前的情況下，本次設計出的打印機已經(jīng)在精度上有了大的突破，也已經(jīng)為大眾所接受。但是作者也并不能就此放棄這方面的探索，而應該突破更大發(fā)展空間。并且在精度越高的時候，價格也會越高。所以目前的精度并不能大量生產(chǎn)，并且在精度對于成本和速率有很大的矛盾。
在指導老師的傾力協(xié)助之下，作者對于并聯(lián)臂3D打印機也有了非常深刻的認知，并且對于其內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)設計也全部了解的很詳細。
2 總體設計情況
2.1 并聯(lián)臂3D打印機的技術(shù)指標
如市場上目前最大的是工業(yè)級打印機約為是，但是這次所設計的并聯(lián)臂打印機因為其結(jié)構(gòu)原因為并聯(lián)臂，顯得不夠穩(wěn)定。所以這次打印的范圍大約為 另外因為是并聯(lián)臂打印機，所以其特點為足夠靈活。因此其打印速度會足夠大，約為。整個打印機如果在一小時不停的工作，大約可以打印二十克左右。還有在打印機的整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，底座的地位可以說是重中之重，因此底座的高度問題，作者決定設計為，這樣才足夠高，不影響并聯(lián)臂的正常運作。
2.2 主要框架和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計
并聯(lián)臂3D打印機主要的框架結(jié)構(gòu)俯視著看大約是一個正三角，其中最重要的是支撐著打印設備的推桿支架。因此這次設計的主要工作是整體的外部和內(nèi)部框架，運送材料的機構(gòu)，還有最為主要的打印機構(gòu)。內(nèi)外部框架大致可分為支撐并聯(lián)臂打印機整體的底座，控制著打印系統(tǒng)具體運作方向的推桿支架，還有固定這些支架的頂框。再加上運送材料支持打印的運送機構(gòu)和主要的打印機構(gòu)，就組成了整個并聯(lián)臂打印機的全部結(jié)構(gòu)。
2.3 設計路線和需要解決的問題
本篇論文所設計的是并聯(lián)臂3D打印機，這次設計主要先從外部輪廓開始，在整體框架中先設計打印機整體底座，然后是推桿的支架，之后到整個打印機的頂框，最后設計出的將是送料的機構(gòu)還有打印機構(gòu)。本課題追求的是全部整體的結(jié)構(gòu)設計，并且也將從外部的各個框架結(jié)構(gòu)到內(nèi)部的打印機構(gòu)的設計。之后漸漸完成并聯(lián)臂打印機的整體設計。
目前作者基本確定了并聯(lián)臂3D打印機的設計線路，但是還有幾個迫在眉睫的問題需要解決。
1、 現(xiàn)在作者所設計的框架已經(jīng)目標明確，所以還是要繼續(xù)考慮選擇的材料問題，并且要準確的計算出框架零件壓力，來判斷出整體框架是否能夠承受整個打印機系統(tǒng)。
2、 決定本次設計的運送材料的裝置是如何運作的，還有運送的材料選擇的種類。
3、 校核此次設計中，打印機構(gòu)是如何傳動的，還有就是如何噴出材料的
3 并聯(lián)臂3D打印機結(jié)構(gòu)設計
3.1 整體并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)設計
3.1.1 工作原理
本論文此次設計的并聯(lián)臂3D打印機，在頂框上的橫向軸上裝載的滑軌推桿上，裝有四個步進電機。在這些電機中，有三個是控制著方向的，可以讓打印機構(gòu)在框架中隨意動作，還有一個負責著材料的運送，然后噴嘴將材料噴出。這四個電機協(xié)同工作，可以在打印平臺上打印出三維立體模型。
3.1.2 并聯(lián)臂打印機的系統(tǒng)框架
并聯(lián)臂打印機中的標準件主要包括四個步進電機，用來推進推桿在三維空間內(nèi)自由運動和運送材料，還有同步輪、帶各三個，來帶動各軸的運動。并且在擠出材料的裝置上安裝一個擠出輪，這樣擠出裝置可以更好地運作。整個內(nèi)部框架中有六個推桿，在電機的運作下，拉動打印機構(gòu)在具體范圍內(nèi)打印。還有六個推桿的支撐處必須有六個深溝球軸承來保持著推桿的靈動性。還有一些內(nèi)六角的螺栓螺母。
最上方頂框上的角件，下方底座的角件，在一定程度中，還有在其中打印物體的中心平臺，滑座等非標準件都是并聯(lián)臂打印機的重要組成部分。
3.1.3 框架結(jié)構(gòu)
用鋁制材料制成的整體框架將具有韌性強，延展性強，重量輕等優(yōu)點。在整個設計過程中，作者選用大約六根軸和三個底座角件組成了整個底座系統(tǒng)。之后往上會看到六根推桿，這些推桿是用來支撐著打印系統(tǒng)在其打印范圍來回聯(lián)動的。最后在打印機頂部有頂框的結(jié)構(gòu)，在這個結(jié)構(gòu)中，有可以來回滑動的軸，這樣軸上的滑動塊能夠自由活動，還有組成頂框的三個頂框角件和六根軸。整個并聯(lián)臂打印機的框架外部看起來就是一個三棱柱，俯視的話可以看到上方就是一個正三角形狀。這樣的設計會確保并聯(lián)臂3D打印機的穩(wěn)定性，這樣可以讓步進電機驅(qū)動著打印系統(tǒng)，在其打印區(qū)域來進行XYZ方向的三維聯(lián)動。
3.2 底座設計
3.2.1 底座角件設計
上述已經(jīng)表明，底座結(jié)構(gòu)就如同一個正三角形，而底座角件就相當于三角形三個角的功能，它是來連接著相鄰的兩個軸，使其更加穩(wěn)定，所以它是整個底座的重要組成部分。再者，它還支持著整個打印機，所以它的設計是很重要的。
下面詳述的是作者所設計的角件的三視圖，可以直觀表明其具體形狀，如圖3-1所示
圖3-1角件三視圖
這次設計的角件功能十分強大，它不僅要連接著各個拉軸，還有承擔著整個并聯(lián)臂打印機重量，因此必須要計算出整個并聯(lián)臂打印機對其的壓強，這樣才能確認選擇什么材料最佳，以此來達到最佳要求。
本次預設的并聯(lián)臂打印機重量為，三個底座角件總面積約為，所受的壓強可見公式（3.1）
式（3.1）
在公示中，——壓強
F——打印機重量
S——角件總面積
得。
在得到壓強的情況下，在綜合比對了許多材料之后，其中包括各種復合材料。再結(jié)合這些材料的環(huán)保程度，和所能承受的壓強在什么范圍內(nèi)，還要保持較強的硬度和強度。所以作者決定選擇PLA材料。這種材料的壓強承受在40-60Mpa，遠低于所要求的壓力較大的PLA材料的許用壓強，所以這種材料是符合各個條件的。
3.2.2鋁制材料選擇
在上述情況下，再結(jié)合下述的表格3-1，作者在參照對比各種鋁制材料的參數(shù)之后，決定選用2020GW型號的鋁制材料。
表3-1 鋁制材料參數(shù)表
下述為選用的材料結(jié)構(gòu)圖3-2
圖3-2 2020GW鋁材料結(jié)構(gòu)圖
3.2.3 底座的整體形成
此次設計的打印機的整體底座結(jié)構(gòu)大致分為兩個部分，一為三個底座角件，二為鋁制材料的軸，這兩個部分都是用內(nèi)2020GW六角的螺栓螺母連接而成。在每個角一個面具有兩個Φ8孔用于組裝Φ8線性軸，并用三個固定夾緊孔來裝載線性軸。角件在內(nèi)側(cè)有四個Φ3間隔孔，這些孔是用來讓螺栓和螺母完成步進電機的固定成型。上述說明都在下面的裝配圖中可見，打印機基座Pro / Engineer裝配見圖3-3
圖3-3 底部基座Pro / Engineer圖
3.3整體支架設計
3.3.1 直線光軸彎曲應力計算
整個支架設計主要有幾個部分，用來保持軸在空間內(nèi)三維聯(lián)動的推桿，還有必須保持打印系統(tǒng)在水平方向工作的線性軸。作者這次的設計在打印時，整體的外部框架保持不動的情況下，各軸必須在打印范圍內(nèi)隨意移動，因此會產(chǎn)生很多的軸彎曲現(xiàn)象。所以在設計支架的過程中，計算彎曲應力必定會成為設計工作的重要一環(huán)。作者要根據(jù)計算出力的數(shù)值來判斷軸是否可用，設計是否合理等等。
判斷軸是否可用，按彎曲時，軸的計算為式（3.2）。
式(3.2)
其中D——線性軸直徑
m——彎矩
——彎曲應力
在這些軸中，所受的力都是大致相等的。所以應該對著其中的一個軸進行受力分析。還有各軸的位置是固定的，但是外框上的帶動桿滑動的裝置是不固定的，所以這其中增加了其不穩(wěn)定性。下面的圖及為軸受力分析，在其中作者可以簡明扼要的看出其具體的情況。
圖3-4 軸的受力分析
解：，
，
這時支座受到的力為
，
軸剪力和彎矩得
圖3-5 軸剪力圖
圖3-6 軸彎矩圖
根據(jù)上述的這些圖中，作者可以看出軸的中間受到的力最大，因此這個地方也會越脆弱。在這些圖中也會發(fā)現(xiàn)，當x=a這個時候，彎矩最大。
所以在軸的長度為465mm時，使得
，
3.3.2 直線光軸材料的選擇
在此次支架的設計中，軸的重要性可見一斑。所以本次設計必須選擇彎曲應力足夠大的材料來作為軸的材料，因此從中查得
表3-2 軸彎曲應力表
根據(jù)上述的計算過程，作者從中知曉了，然后從表中的信息得出此設計材料可以選用45鋼，它的，這種材料完全符合上述的計算出的數(shù)值，具體的材料參數(shù)如下
表3-3 45鋼參數(shù)表
3.4 頂框設計
3.4.1 打印機頂部設計
因為作者所設計的整個外部框架結(jié)構(gòu)就是一個三棱柱。因此頂部的設計與頂部異曲同工，與打印機的底部設計相同，同樣是由三個角件和三根鋁材構(gòu)成。它們的不同處是在頂框上需要增加一個滑動輪，這個滑動輪是用來固定推桿，拉動著打印系統(tǒng)運作的。這個滑動系統(tǒng)中有四個電機來負責驅(qū)動和送料。下面的是頂框上的邊角圖
圖3-7頂框邊角圖
在上述就已經(jīng)表明，這個頂框邊角與底框一模一樣。并且因為它是在上方，所以并沒有那么大的負荷。雖然如此，但是作者決定一樣把它的材料設定為PLA，這樣使得上下完全一致，也可以讓打印機更加美觀和耐用。
3.4.2 鋁制材料選擇
同樣的情況，頂部和底部也是一樣，同樣都選擇2020GW鋁材。
3.4.3 頂部的整體設計
這次設計的并聯(lián)臂打印機頂部，主要由三個頂部邊角和三根鋁材所拼湊出整個打印機上部形態(tài)。同時再將頂部全部設計且拼裝完成的情況下，作者也要將“三棱柱”的棱框的固定點確定。頂部的正三角同樣是由內(nèi)六角的螺栓和螺母固定在角件的定位孔內(nèi)。同時連接打印機上下兩部分的是六根細軸。相鄰的兩軸又稱為一個塔，我把它們叫做XYZ三塔。詳情可見下圖
圖3-8頂框Pro / Engineer三維連接圖
3.5 送料裝置設計
3.5.1 擠出材料裝置
在打印機工作時，打印系統(tǒng)必須要有材料才能打印出塑膠模型。所以運送物料的機構(gòu)也發(fā)揮了非常大的作用。因此在設計出送料機構(gòu)時，擠出材料的基座會在強度和塑性方面有些變化。在為了更加方便制作的基礎上，所以作者把它的作用設定為連接零件。在上述的這些條件下，擠出裝置也選擇為PLA，并且可以確實打印。擠出裝置如下
圖3-9 擠出裝置三視圖
3.5.2 滾動軸承篩選
在運送物料時，雖然目前的設計已經(jīng)能夠基本完成。但是還是有許多不足之處，例如擠出裝置十分呆板，并且顯得不夠流暢。因此作者在擠出裝置中加入了滾動軸承，來實現(xiàn)打印過程的無聲和運行流暢。目前作者主要在對比各種軸承的參數(shù)來確定使用何種最佳。最后發(fā)現(xiàn)U604ZZ軸承完全符合要求。具體參數(shù)如下
表3-4 U604ZZ軸承參數(shù)表
3.5.3 擠出裝置構(gòu)成和選擇
在整體運送物料的過程中，材料是通過擠出裝置一點點傳送出，在噴頭中出現(xiàn)然后完成整體打印。因此，要保證正常的出絲問題也必須提上日程。首先，動力問題。運送材料必須要有動力，需要一個電機來保證材料的驅(qū)動。還有，靈活性。如果打印速度變得快速，那么運送材料也必須保持其靈活性。所以，本設計應在擠出裝置中增加了一個擠出輪，來增強其轉(zhuǎn)動。
上述的驅(qū)動電機這里先不詳述，會在后文中充分說明其具體選型。而選擇什么樣擠出輪就成為工作重點。擠出輪必須保證足夠小巧，因為作者設計的打印機也并不大。根據(jù)準確的參數(shù)對比，和具體的實際情況，還有設計的打印機運送材料是1.75mm的。在這些情況下，此設計選擇M11的擠出輪，如下表
表3-5 MK8擠出輪參數(shù)表
3.5.4 材料運送整體設計
整個材料的運送大約是在打印機噴頭運作時，在運料裝置的入口處放入打印所需的材料，之后這些材料會進過齒輪的傳動，被擠出到專門運送材料的管道，然后送到噴頭進行打印作業(yè)。整個運送裝置缺一不可，所以此設計必須用螺栓和螺母將上述的零件進行組合和固定，這樣才能完成了材料運送裝置的整體設計。如下圖
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圖3-10運材裝置整體設計Pro / Engineer圖
3.6 整體打印系統(tǒng)設計
3.6.1 電機的選擇
在整個打印機運作時，所有的動力源都是電機。在整個設計中，電機的地位舉足輕重，必定排在首位。沒有電機的系統(tǒng)設計，就如同人沒有靈魂，完全不能動作。電機的工作原理其實簡單的說，就是信息的互相傳導和轉(zhuǎn)換。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為具體的驅(qū)動器運行的信號，這樣會使打印頭在XYZ方向隨意運動，并且可以將材料運送到具體打印之處。電機的轉(zhuǎn)動速度，何時停止都十分講究，并聯(lián)臂打印機上的電路每接收到一個信號，電機就會轉(zhuǎn)到一定角度。這樣一次次的轉(zhuǎn)動，并且經(jīng)過信息的轉(zhuǎn)化，會在打印平臺上一點點的成型具體的模型。電機的每次轉(zhuǎn)動，就代表著打印中設備的漸漸累計，逐漸的送材，直到最后完成具體的打印。
目前作者必須確保打印機打印出的成品精度合格，這是此設計選擇的電機最起碼的底線條件。然后作者要具體考慮的是電機的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動速度等等。這些條件要根據(jù)具體的電機參數(shù)分析，最后此設計決定選擇型號是的電機，這樣才能保證打印系統(tǒng)的正常運作。
表3-6 42BYGH兩相電機參數(shù)表
選擇的模型為42BYGH47-401A的電機見下圖
圖3-11 42BYGH47-401A電機主視俯視圖
3.6.2 同步輪的選擇
這次整體的打印機構(gòu)設計，主要就是要讓打印系統(tǒng)動起來，可以讓打印裝置真正可以自然運作。所以要加入同步輪，可以讓其在電機中起到傳動的效果。電機運作會傳導運動，然后通過同步輪帶動整個打印噴頭，來傳遞動作。因為在電機中增加傳動輪，所以這是一個精細活。所以作者最看重的還是傳動輪的精細這一條件。
根據(jù)電機的大小，可以選擇出同步輪的具體規(guī)格條件，大約為共二十齒的兩齒之間的距離為2.032mm，輪的直徑可以設定為12.9mm，而輪的內(nèi)部距離為，另一邊的雙外徑大約為18mm，其高度共為20mm。
表3-7三種規(guī)格同步輪對照表
3.6.3 同步帶選型
根據(jù)上述已經(jīng)確定的同步輪的規(guī)格，作者不難選擇出同步帶的具體參數(shù)。在一定情況下，同步帶、輪必須保持完美的嚙合狀態(tài)。所以作者得出同步帶的兩齒間的距離大約為2.032mm，其他條件只要大約滿足齒的高度達到0.51mm，還有齒的厚度滿足達到1.14mm的條件，就可以保持輪帶步調(diào)一致。見下圖
圖3-12 同步帶平面圖
3.6.4 軸承的選取和校對
當打印機真實運作時，電機也會跟著運轉(zhuǎn)起來，之后在電機其中的滑動輪帶將會跟著承受非常大的徑向載荷，所以此設計要選取軸承來承載，從而讓其支撐傳送裝置所產(chǎn)生的各種壓強。
作者進過兩相對比了和圓滾式兩種軸承，并結(jié)合此設計所需要其承載的載荷，還有它所起到的作用。作者發(fā)現(xiàn)外觀美觀，使用方便迅捷的深溝球軸承，是此設計的不二之選。下面見公式（3.3）
式（3.3）
再上述的式中，C代表的是在額定的數(shù)值工作下，其靜載荷的數(shù)值，而后面的則是軸承的主要的安全因數(shù)，是軸承所經(jīng)受的當量靜載荷，最后的則是本次設計必須滿足的條件，這個數(shù)值作者可以從表中得出。
表3-8 軸承安全因數(shù)表
表3-9當量靜載荷的計算
從上述表中得到信息，我們可以計算
整體計算出
在的情況下，時，取
再帶入壓力數(shù)值，可得
之后，作者在查得各種專業(yè)書籍的參數(shù)表，來得到關于軸承的最佳選擇。見下表
表3-10深溝球軸承參數(shù)表
從表格中，作者可以得出大量的信息，再根據(jù)打印機其他部分的設計，必須要判定其是否符合要求。在一定程度上，傳送的帶輪要符合的條件也已經(jīng)明確，所以此設計選取628/8軸承，來進行打印機的運作。
3.6.5 滑動裝置設計
在用并聯(lián)臂3D打印機進行打印作業(yè)時，通過電機的運作，使打印頭可以在打印范圍內(nèi)自由移動，這靠的是在豎直方向的三個塔，有滑動裝置在這三個塔上來回活動，然后帶動著這個打印頭可以在豎直或者水平方向自由活動。雖然打印頭的動作比較多變，但是其實這些滑動裝置只是在三個塔上做著豎直方向上來回往復的直線運動，只是簡單的垂直方向的位移直線運動。整個大的滑動裝置，與打印機其他材料一樣，使用PLA材料。這樣可以在同種材料的磨合時期，起到非常大的效果。具體見下圖
圖3-13 滑動裝置結(jié)構(gòu)圖
3.6.6 萬向節(jié)設計
在整個設計的過程中，還有整個并聯(lián)臂3D打印機的整體結(jié)構(gòu)中，作者忽視了一個重要問題。在各個可移動的桿軸接觸位置，雖然都是有內(nèi)六角的螺栓和螺母固定，但是因為這些可動作的裝置中，必須要存在一個潤滑劑。它就相當于人的關節(jié)，可以在動作時進行調(diào)節(jié)。所以本次設計必須在三個棱柱塔中，滑動裝置上裝一個萬向節(jié)，它可以用來促進轉(zhuǎn)向不靈活的情況。
這樣推桿在和萬向節(jié)連接時，就不會發(fā)生機械裝置之間的摩擦現(xiàn)象。并且作者在將其加入設計時，也已經(jīng)將其材料設定為PLA，這樣也可以保證設計中機械運作，它可以承載的機械強度。具體見下圖
圖3-14 萬向節(jié)三視圖
3.6.7 打印平臺設計
在整個并聯(lián)臂3D打印機設計中，打印運作時，操作需要一個平面空間，來放置打印的物體和完成打印的整個過程。因此本次設計需要在打印機的中心位置，設計出一個打印平臺。作者會使用這個平臺來連接打印噴頭定位，同時也必須將拉動噴頭的軸，和打印平臺還有滑動裝置緊密相連。這樣可以使其渾然一體，促進打印機整體更好運作。
在上述中，打印平臺不可能會被施加重壓，因此在材料的選擇上上同樣選用PLA，是整個打印機渾然一體。具體圖如下
圖3-15 打印平臺具體結(jié)構(gòu)圖
3.6.8 推桿設計
在整個并聯(lián)臂3D打印機設計中，作者發(fā)現(xiàn)有幾根軸兩頭分別連接著中間的打印平臺和滑動裝置。它的作用就是傳動的，它是把電機的運動通過在塔上的豎直滑動，然后就是這根軸推動打印平臺也運動。由于其推動作用，它被命名為推桿。但是目前最主要的問題就是這根軸的長度無法確定。所以作者要選取一個特別的位置來確定其極限長度，這樣就能大致了解其長度范圍。作者先從3D圖中大致了解其構(gòu)造，然后到平面圖中具體的分析計算其長度，具體如下
圖3-16 無推桿3D圖
圖3-17 推桿平面圖
根據(jù)圖中已經(jīng)明確的打印機具體參數(shù)，可以計算如下
因此
根據(jù)上面的計算過程，作者可以確定出拉軸的長度范圍為98.6-244.2mm，這里面的任意值都是合適的，這次設計中將設定這根軸的長度為185mm。
如下圖
圖3-18 推桿結(jié)構(gòu)圖
3.6.9 噴頭座設計
這次設計的主要目的，還是要讓打印機運作起來。設計的打印機是用來進行完整的打印運作的，所以在打印時需要噴頭來噴送材料支撐整個打印過程。但是噴頭必須要有一個底座來固定，所以此次設計任務又必須加上設計一個噴頭座。
整個噴頭裝置主要有噴頭底座和噴料的噴頭組成，它們之間的連接主要是用螺栓螺母組裝。在電機運作時，通過滑動，推桿的傳動，作者發(fā)現(xiàn)噴頭裝置可以在打印空間內(nèi)自由運動，直到最終完成打印。具體見下圖
圖3-19噴頭座結(jié)構(gòu)圖
3.6.10 風扇的選擇
打印機在打印時，因為電機的工作，不可避免的會產(chǎn)生很大的熱量。還有在安裝了四個電機的情況下，這種情況也會變得更加嚴重。也為了放置材料因為過熱，發(fā)生融化現(xiàn)象，最后堵住噴頭，使得打印機不能正常運作。
因此要在噴頭處安裝一個風扇，來起到散熱降溫的作用。在對比了各種風扇的型號之后，本次設計決定選擇DFS300612H規(guī)格的風扇，見下表
表3-11 DFS300612H型風扇
3.6.11 打印噴頭整體及內(nèi)部構(gòu)成
如果把并聯(lián)臂3D打印機比作一個計算公式，那么打印噴頭就可以說是得出的結(jié)果。有的時候過程不重要，結(jié)果決定一切。所以我以為打印噴頭的設計一定要精細。
打印噴頭可以說是最重要的部分，它的組成部分分別包括了噴嘴接頭，這是用來傳送材料的，可以提高運送材料的速度。這與運送材料管連接，是不可缺少的。這個接頭應選擇1.75mm的，這是作者設定的最合理的尺寸。還有在其中裝有，它是用來給整個裝置散熱降溫的，所以它的作用也非常巨大。因此應選取其尺寸為直徑36mm，高度60mm。有了散熱器，與之相對應得，在噴頭整體內(nèi)部一定會有加熱的部件，及為加熱頭，主要用來加熱。這里面還有熱量的傳導，來使材料融化，然后才可以將材料噴出來進行打印。最后就是打印用的噴頭，噴頭因為要在最快的時間里把熱量傳輸給材料，使其融化，因此此次設計必須選擇導熱性能好的噴頭才能符合要求。如下圖
圖3-20 噴頭的平面圖
上述的各個部件組成了整體的打印噴頭，其組成部分和具體的參數(shù)上面已經(jīng)大致解析過了，下面是其整體構(gòu)成和三維圖。
圖3-21
圖3-22噴頭裝置Pro / Engineer3D圖
3.6.12 并聯(lián)臂3D打印機整體結(jié)構(gòu)
本次整體設計的并聯(lián)臂3D打印機目前已經(jīng)全部設計完畢，不管是外部框架的設計還是內(nèi)部打印時必須的運送物料和正式動作時的打印機構(gòu)。作者都已經(jīng)事無巨細的做出了必要設計。外部框架中分別為上下框的邊角，還有框架上的六根豎軸和滑動裝置。在加上運材系統(tǒng)中，加入的電機還有同步輪帶，對于運送材料已經(jīng)是重中之重。還有可以提升整個裝置潤滑度的萬向節(jié)，然后還有在打印機中心的打印平臺。
還有打印系統(tǒng)中，作者在其中加入了噴嘴接頭，使得材料運送的更加迅速，還有使得材料融化的加熱器，和防止材料被加熱后堵住噴嘴的散熱器。這就是整
個打印系統(tǒng)的構(gòu)成部分。
打印機的具體工作情況，整個打印機共有四個電機，其中的三個是用來推動著滑動裝置在豎直方向位移的，然后這些運動在軸的拉動下，也會使打印噴頭在XYZ方向上運動，然后可以進行整體的運動。在這些位移運動在開展的同時，最后一個電機會拉動同步輪帶將打印所需的材料運送到打印機的噴頭中，最后這些材料經(jīng)過加熱融化，從噴嘴中擠出，凝固在打印平臺上成為打印的塑性模型。
上述便是整個打印機的整體運行情況。具體見下圖
圖3-23 并聯(lián)臂3D打印機模型裝配圖
4 單片機控制系統(tǒng)
整個打印機的結(jié)構(gòu)已經(jīng)大致全部設計完成，但是這次設計的并聯(lián)臂3D打印機在我看來還不全面。因為作者雖然已經(jīng)可以大致知曉其工作原理，也知道電機是整個打印機的驅(qū)動、動力源頭，但是什么控制著電機運行，這一點此次設計并沒有明確。
因此，綜上所述，我決定額外增加一款，這樣作者可以將其作為硬件接口，并將其連接到單片機上。這樣的連接會使單片機控制著整個電機工作，之后可以進行一系列的打印作業(yè)。
并且在幾個點上，在設計中會多增加幾個傳感器，至于傳感器的選型作者會再根據(jù)實際情況分析，見下文。
1、 溫度傳感器 在打印機構(gòu)中，雖然已經(jīng)加入了散熱器等來進行散熱降溫的作用，但是環(huán)境因素等也會對打印機造成影響。所以在打印噴頭處加入固定一個溫度傳感器，起到監(jiān)察溫度不要太高的作用。
2、 行程開關 在電機的驅(qū)動下，經(jīng)過同步輪帶，傳動到滑動裝置上。但是在三棱柱的三個棱上的滑動座可能進行更大的位移，造成滑動裝置脫落軸外。因此在此處必須增加一個行程開關，來監(jiān)察其不超過最大行程。
結(jié)論
這次畢業(yè)設計主要完成了并聯(lián)臂3D打印機的整體結(jié)構(gòu)設計，并且將所設計的物件所用材料，計算材料的可用度。并且對照各表格中的參數(shù)，進行材料的校核和選擇。具體的結(jié)論：
（1） 目前本次設計已經(jīng)完成了并聯(lián)臂3D打印機的整體框架設計，大約整體有五大部分，分別為底座角件，頂框角件，支架和推桿設計，送絲機構(gòu)設計和打印機構(gòu)設計。
（2） 在這些設計中，必須確定所使用的件的參數(shù)，鋁質(zhì)材料為2020GW鋁制材，材料為45鋼的線性軸，電機類型為42BYGH47-401A，同步輪帶是MXL型號，深溝球軸承是628/8滾動軸承等。并且還有各種底座角件、頂框角件、擠出和滑動基座、萬向節(jié)和中心平臺等等。
（3）這次作者所設計的并聯(lián)臂3D打印機，優(yōu)點很多，三角框的設計顯得十分簡潔明了，方便快捷，并且可以在一個非常小的空間完成打印作業(yè)。這樣設計的打印機有很大的發(fā)展空間和價值，目前的這款并聯(lián)臂3D打印機就是未來打印機發(fā)展的潮流趨勢。
在即將完成此次設計之際，作者對并聯(lián)臂3D打印機的未來發(fā)起展望。并聯(lián)臂3D打印機的未來遠不止于此，其打印精度將會再次提高，并且在不久的將來，3D打印機也會變成社會常見和必需品。
致謝
幾個月的生活匆匆而過，當設計不是很完美時，我會像海綿投入書的海洋，汲取知識的養(yǎng)分，充實自己。并充分利用互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)最新科技，以此來充實本課題。同時，指導老師不辭辛勞的諄諄教導也是讓人難忘。是您的指導，讓本次設計日趨完善，也讓本次設計工作圓滿完成。
最后，再次衷心感謝指導老師的深切教誨。您對待工作的認真態(tài)度，也對我以后的為人處世產(chǎn)生重大的影響。
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