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任務(wù)書
學生姓名： XX
任務(wù)下達日期：XX 年 12 月 21 日
設(shè)計開題日期：XX 年 3 月 24 日
設(shè)計開始日期：XX 年 3 月 28 日
中期檢查日期：XX 年 5 月 6 日
設(shè)計完成日期：XX 年 6 月 10日
一、一般部分設(shè)計題目：小型三角洲式 3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
二、專題部分設(shè)計題目：小型三角洲式 3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
三、設(shè)計的主要內(nèi)容： 對3D打印機進行總體方案設(shè)計及可行性論證；在此基礎(chǔ)上，完成傳動系統(tǒng)、工作臺、擠出機構(gòu)等具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算；繪制3D打印機總裝圖和打印托盤、打印噴頭、帶輪等部分主要零部件圖；完成3D打印機三維實體設(shè)計；編寫1.5萬字以上的畢業(yè)設(shè)計說明書。對3D打印機的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計及論證可行性；在此基礎(chǔ)上，對打印機的傳動絲桿、滾動導軌、聯(lián)軸器等相關(guān)部件進行選型及校核，繪制3D打印機的總裝圖、打印噴頭裝配、絲桿、噴頭等主要零部件圖；完成3D打印機的三維實體設(shè)計；編寫1.5萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書。
四、設(shè)計目標： 完成3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中噴頭最大運行速度：80mm/s，Z向定位精度：0.01mm;噴頭定位精度：0.005mm;成型空間：200×200×200mm;整體尺寸：600×500×400mm；完成3D打印機三維實體設(shè)計。
指 導 教 師： 唐慶菊
院（系）主管領(lǐng)導：
2015 年 12 月 21 日
小型三角洲式 3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要
隨著新興技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)在近幾年得到了高速的發(fā)展，其中也包括了3D打印技術(shù)。為提高快速成型技術(shù)的應(yīng)用水平，快速高效的處理已成為3D打印技術(shù)發(fā)展的新課題。
在分析3D打印機的發(fā)展概況、基本原理的基礎(chǔ)上，提出了三角洲式FDM 3D打印機的總體設(shè)計方案，并對3D打印機的機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，主要包括：框架設(shè)計、傳動裝置設(shè)計、送料裝置、電控元選擇等方面，此外對關(guān)鍵零件進行了校核。通過提高噴嘴的精度，提高了射流精度。傳動部分采用滑動螺桿與滾動導軌相結(jié)合，保證傳動精度提高傳動效率。使用線性步進電機直連絲杠，使響應(yīng)更加準確、快速，簡化了中間傳動環(huán)節(jié)，使精度更高。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；并聯(lián)機床；傳動機構(gòu)；步進電機；噴頭
I
Abstract
With the development of emerging technologies, reverse engineering technology has been developed rapidly in recent years, including the 3D printing technology .And now 3D printing technology has been widely used in the field of mechanical manufacturing. 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 錄
摘 要 I
Abstract II
第一部分 本科畢業(yè)設(shè)計調(diào)研報告 5
1.1 概述 5
1.2 學生、教師簡介 5
1.3 調(diào)研時間及調(diào)研形式 6
1.4 調(diào)研企業(yè)及其概況 6
1.5 調(diào)研內(nèi)容 6
1.5.1 課題所涉及技術(shù)領(lǐng)域的基本情況 6
1.5.2 該項目的設(shè)計方法、研發(fā)手段、技術(shù)特點均與項目或結(jié)構(gòu)有關(guān) 8
1.5.3 現(xiàn)階段存在的技術(shù)問題 8
1.5.4 市場需求及產(chǎn)品應(yīng)用前景分析 9
1.5.5 結(jié)論 10
第二部分 本科畢業(yè)設(shè)計可行性論證報告 11
2.1 設(shè)計課題要達到的設(shè)計目的 11
2.2 調(diào)研結(jié)論 11
2.3 方案設(shè)計 12
2.4 設(shè)計方案論證 13
2.4.1 技術(shù)方面 13
2.4.2 制造方面 13
2.4.3 經(jīng)濟性方面 13
2.4.4 現(xiàn)有的知識儲備方面 13
2.4.5 結(jié)論 14
第三部分 畢業(yè)設(shè)計計算書 14
3.1 打印機框架整體設(shè)計 14
3.1.1 打印機框架尺寸設(shè)計 14
3.1.3 連桿的強度校核 16
3.2 擠出部件設(shè)計 17
3.3.1絲杠的選取及其校核 20
3.3.2 螺桿的設(shè)計 21
3.強度校核 22
3.3.5銷的計算及校核 26
參考文獻 28
致 謝 29
V
第一部分 本科畢業(yè)設(shè)計調(diào)研報告
1.1 概述
3D打印，作為一種制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的新的趨勢，3D打印集材料、設(shè)計、制造一體化，其未來的發(fā)展和影響程度可能會遠遠超出我們的想象。就像過去3D打印的優(yōu)勢一直被認為是在制作樣機或是特殊零部件方面，但是隨著各種新材料和技術(shù)進步，3D打印完全可以勝任都市制造的生產(chǎn)需要。它對傳統(tǒng)設(shè)計理念和機理的顛覆，或許正是像深圳這樣制造業(yè)發(fā)達區(qū)域向下一階段制造業(yè)高地轉(zhuǎn)型支柱領(lǐng)域。
在IMTS上，由3D打印零部件組裝的汽車，從眾多展品中脫穎而出，大量吸引人們的眼球，其都得益于3 D打印技術(shù)的成就，機器和運動控制技術(shù)的使用，以及在材料科學取得的進展。汽車車身材料為碳纖維增強聚合物，車輪和輪轂則由金屬材料直接打印而成。整個過程花費44小時，包括40個部件。當打印完成后，首款3D打印車試駕吸引了眾多媒體關(guān)注和報道。那年的IMTS 展覽上，Cincinnati公司的BAAM的系統(tǒng)被用來生產(chǎn)、設(shè)計、打印3D打印汽車。
從此，隨著科技的快速發(fā)展及進步，我們的生活水平也隨之不斷地提高，同時，人口的增長也在急劇增長，我們需要越來越多的商品來滿足物質(zhì)生活的條件。這必然會導致對物品的要求越來越高，這將受到廣大群眾的喜愛，以及精品、獨特和非量項目?，F(xiàn)在，3D打印技術(shù)應(yīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)、科研、產(chǎn)品模型、建筑設(shè)計、制造和食品。
1.2 學生、教師簡介
學 生 簡 介
姓名
專業(yè)
班級
學號
郭垚
機械設(shè)計制造及其自動化
機械13-9班
2013023477
指 導 教 師 簡 介
校內(nèi)外教師
姓 名
工作單位
專 業(yè)
職 稱
學校教師
唐慶菊
黑龍江科技大學
機械制造
副教授
企業(yè)教師
王義新
中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司
機械制造
高級工程師
1.3 調(diào)研時間及調(diào)研形式
調(diào)研時間：2016年2月29日~3月25日
調(diào)研形式：前往黑龍江科技大學實訓中心以及圖書館和在網(wǎng)上查閱各種資料，觀察了3D打印機的機械結(jié)構(gòu)和工作形式，并拍了許多照片和視頻，同時也做了大量的測繪，對3D打印機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理有了初步的了解。
1.4 調(diào)研企業(yè)及其概況
黑龍江大學科技工程實訓與基礎(chǔ)實驗中心是一所以實踐教學為主的教學單位，成立于2006二月，教學面積約有19000平方米，包括利用奧地利政府貸款引進的具有歐洲資質(zhì)的數(shù)控培訓設(shè)備在內(nèi)的各種儀器設(shè)備總價值4000余萬元，各類教職員工95人，中心由工程實訓基地、物理實驗室、機械實驗室、電工電子技術(shù)實驗室、數(shù)控實訓室、工程教育部、6個基礎(chǔ)教學機構(gòu)
圖1-1 調(diào)研圖片
1.5 調(diào)研內(nèi)容
1.5.1 課題所涉及技術(shù)領(lǐng)域的基本情況
3D打印機所涉及的領(lǐng)域主要是制造業(yè)。經(jīng)過長時間的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)走過了漫長的道路，并已能夠?qū)崿F(xiàn)600分辨率的單層單層厚度為0.01毫米。目前國際上較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25mm厚度的垂直速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印[5]。
目前，在全球3D打印機行業(yè)，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額[6]。
3D Systems公司在2011年11月收購了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領(lǐng)域的龍頭地位[5]。Stratasys公司2010年與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協(xié)議，生產(chǎn)HP品牌的3D打印機[5]。繼2011年5月收購Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月與以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起[5]。
在歐洲和美國的發(fā)達國家，3D打印已經(jīng)開發(fā)出成功的商業(yè)模式。如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型[8]。
國內(nèi)3D打印技術(shù)起步晚。但是自3D概念一出，立即受到了熱捧，3D打印技術(shù)近年來在國內(nèi)日趨升溫；據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2012年中國3D打印市場規(guī)模約為10億元，2013年翻了一番達到20億元[9]。但是與美國、德國等發(fā)達國家相比，中國的3D打印產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，國內(nèi)3D打印應(yīng)用仍主要停留在科研階段，并未實現(xiàn)在工業(yè)及個人消費領(lǐng)域大規(guī)模推廣[10]。經(jīng)過許多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)走過了漫長的道路，并已能達到600dpi的分辨率和0.01毫米的單層厚度進行打印。目前國際上較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25mm厚度的垂直速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印。
目前，在全球3D打印機行業(yè)，美國3DSystems和Stratus’s兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。此外，在此領(lǐng)域具有雄厚的技術(shù)實力，企業(yè)特點和研發(fā)團隊等。當前局勢就是，國際3D打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。
在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。3D打印使用的另一個領(lǐng)域是消費品行業(yè)。作為一家在紐約創(chuàng)意消費品公司通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案離奇為用戶，用3 D打印技術(shù)制作有形產(chǎn)品并通過電子市場銷售，每年推出60種創(chuàng)新產(chǎn)品，營收達100萬美元。
1.5.2 該項目的設(shè)計方法、研發(fā)手段、技術(shù)特點均與項目或結(jié)構(gòu)有關(guān)
設(shè)計方法：用SolidWorks軟件對3D打印機進行三維圖的設(shè)計。其次，利用AutoCAD設(shè)計了二維圖，完成了畢業(yè)設(shè)計指導書的編寫。
研發(fā)手段：參考國產(chǎn)3D打印機著名品牌極光爾沃Z603S打印機的機械結(jié)構(gòu)，根據(jù)市場的需求及設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能進行設(shè)計。
技術(shù)特點：主要對3D打印機的機械結(jié)構(gòu)及傳動結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使結(jié)構(gòu)更加簡單，同時又能完成以前相同的工作，并且造價更加便宜。
其他裝置：①加熱裝置②機械傳動裝置③送料裝置④控制元件和⑤機架等裝置。
1.5.3 現(xiàn)階段存在的技術(shù)問題
1. 高成本和耗時時間長
3D打印仍然是一項昂貴的技術(shù)。因為制作材料因素，使得3D打印變得高本低收的局面，制造效率不高。
2.規(guī)模生產(chǎn)沒有優(yōu)勢
由于這種技術(shù)具有分布式制造的特點，它沒有大量的生產(chǎn)加工的優(yōu)勢。目前，3D印刷還沒有取代傳統(tǒng)的制造條件，批量，規(guī)模等，高效率和低成本的傳統(tǒng)方法減少材料制造。
現(xiàn)在看來3D打印不可能取代大規(guī)模生產(chǎn)。除了3D打印也是沒有直接生產(chǎn)復雜的復合產(chǎn)品，如汽車，即使該技術(shù)取得了重大進展，未來，所有的印刷是一個汽車需要幾個月，成本遠遠高于大規(guī)模生產(chǎn)汽車去一半對每個汽車的成本。
因此，對于大量剛性需求的生產(chǎn)，它具有大規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢仍然集中在“個性化，定制”3D打印生產(chǎn)模式更經(jīng)濟。
3.打印材料受到限制
雖然許多3D打印材料已經(jīng)創(chuàng)建，同質(zhì)化和異質(zhì)性，新材料仍然需要，一些新材料正在開發(fā)中。這種需求包含兩個層面，一是不僅需要對已經(jīng)得到應(yīng)用的材料—工藝—結(jié)構(gòu)—特性關(guān)系進行深入研究，以明確其優(yōu)點和限制；二是需要開發(fā)新的測試工藝和方法，以擴展可用材料的范圍。
4.精度和質(zhì)量問題
因為加工原理和傳統(tǒng)的技術(shù)還不完善，發(fā)展慢，印刷精密成型零件（包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度）、物理性能（如強度、剛度、耐疲勞性、等）和化學性質(zhì)如大多不能滿足實際工程的需求，不是一個功能部件，只能做原型的使用，所以其應(yīng)用將被打折扣。
同時，因為3D打印機打印材料的加工技術(shù)，層疊式的打印方式，不能和整體鑄造件傳統(tǒng)的模具，以及零件的材料組織和結(jié)構(gòu)決定了零件的性能。
（1）是設(shè)計工具需進一步優(yōu)化，3D打印要求開發(fā)和廣泛運用計算機輔助設(shè)計（CAD）工具[6]；
（2）是可用材料需持續(xù)拓寬，目前的可用原料還不多，需逐步從樹脂、塑料擴展到陶瓷、金屬，乃至最新的金、銀以及強度極高的鈦和不銹鋼等材料發(fā)展[6]；
（3）是生產(chǎn)過程需要加強工藝控制；
（4）造價成本過高。
1.5.4 市場需求及產(chǎn)品應(yīng)用前景分析
隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，印刷材料的更新?lián)Q代，信息、控制等技術(shù)的飛速發(fā)展。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出精細化、智能化、概括化和方便化的發(fā)展趨勢。
增強速率和打印的精度，利用連續(xù)打印，印刷大，多種材料的打印工序，實現(xiàn)提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量性能。開發(fā)了3多種3D打印材料，智能材料、功能梯度材料、納米材料、材料、材料和復合材料，特別是金屬材料成形技術(shù)，在未來的研究方向和熱點領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景；3D打印機是小型化、桌面化、體積更便宜、操作更方便、更能適應(yīng)專業(yè)分銷、生產(chǎn)、設(shè)計和制造一體化的需要，并且需要家庭應(yīng)用；將在生物醫(yī)藥、建筑等領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用的車輛，服裝，等等。
航空航天與國防：在GE中國研發(fā)中心仍在三維印刷工程師。就在那之前，其普通的打印機打印了飛機引擎的重要部分。和傳統(tǒng)的打印制作比較，減少了30%的零件成本，縮小40%的生產(chǎn)時間。由于無法慶祝成就，他們匆匆忙忙地踏上新的征程。
醫(yī)療保健行業(yè)： 3D打印機頜骨，作為人體骨骼的3D打印產(chǎn)品，在14年已經(jīng)出現(xiàn)了該技術(shù)，但目前為止還在完善中。
建筑設(shè)計：在施工中，工程師和設(shè)計師接受了3D打印機的建筑模型，速度快，成本低，環(huán)境友好，美觀。這完全取決于設(shè)計師，同時可以節(jié)省大量的材料。
食品工業(yè)：是的，它是“打印”食物。研究人員已經(jīng)在嘗試打印巧克力。也許在不久的將來，許多看起來一模一樣的食物是“打印”出來的食品3D打印機。當然，到那時可能會貴很多倍。
1.5.5 結(jié)論
3D打印技術(shù)：首先，利用三維設(shè)計軟件進行實體造型的設(shè)計，形成三維實體模型，用一定厚度的圖層生成二維截面信息，然后根據(jù)每個圖層的橫截面信息，使用不同的方法來生成截面形狀。這個過程重復一遍又一遍，層層堆疊起來形成三維實體。層的厚度可以相等或不同。層越薄，部件精度越高。層疊式融合技術(shù)是最常用的技術(shù)之一。
3D打印機的工作原理如圖2所示，1電線送到淋浴頭，這是加熱熔化，和印刷材料從噴嘴擠出粘在臺面上，然后迅速冷卻和凝固。當其中一個部分被打印時，工作臺將降低前一個打印的高度，然后移動到下一級打印。這個循環(huán)重復，直到整個實體完成。
通過此次調(diào)研，讓我對3D打印機設(shè)備制造這個行業(yè)有了一定的認識。了解了3D打印機設(shè)備的發(fā)展歷程，國內(nèi)外存在的差距和未來的發(fā)展趨勢。對3D打印機也有了清楚的認知。通過與老師的交流和老師的介紹還有所查閱的資料，對3D打印機的的機械結(jié)構(gòu)和工作原理及其在實際工作工程中所產(chǎn)生的一些問題及缺陷所以這次的調(diào)研對我所設(shè)計的3D打印機有非常大的幫助。
第二部分 本科畢業(yè)設(shè)計可行性論證報告
2.1 設(shè)計課題要達到的設(shè)計目的
設(shè)計參數(shù)：
最大運行速度：80mm/s，Z向定位精度：0.01mm;
噴頭定位精度：0.005mm;
成型空間：200×200×200mm;
整體尺寸：600×500×400mm；
2.2 調(diào)研結(jié)論
通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)3D打印機在如今的中國還是具有很大的發(fā)展前景。3D打印機能快速打印成型制造出新的模型以及模具，使得他們的產(chǎn)品和科研速度加快，很符合中小企業(yè)以及各類大中院校的發(fā)展，在當今社會上有很多喜歡DIY的人，他們喜歡制作各類的小東西，此3D打印機也能滿足他們的需求。所以市場還是很廣闊的。了解市場，把理論與實際緊密結(jié)合才能設(shè)計出滿足市場需求，有發(fā)展前景的3D打印機。所以在此課題設(shè)計中掌握好設(shè)計方法，弄清楚3D打印機的機械結(jié)構(gòu)和工作原理是設(shè)計成功的關(guān)鍵。
2.3 方案設(shè)計
(1) 方案一三角洲結(jié)構(gòu)
這一類結(jié)構(gòu)機身側(cè)邊是一個三角形，三角形底部是放成型平臺的地方。它的工作原理是，X軸移動的平面上的兩個Z軸電機在活動，而Z軸重疊的垂直中心線的機身形成三角形。打印機圍繞Y軸移動，熱床圍繞Y軸移動。所以需要特別注意打印對象和熱床之間的粘合。
圖2-1 方案一示意圖
(2) 方案二 矩形結(jié)構(gòu)式
其結(jié)構(gòu)與機械中的數(shù)控銑床很是類似。三軸位置承接的三個尺寸，噴嘴在設(shè)計尺寸上可以達到任意位置，從3D到印刷過程的發(fā)展，這類機器是開發(fā)出比較完整的機器，商業(yè)化程度最高。其工作原理為：成型平臺移動是沿Z軸移動的，噴頭可以沿XY兩方向做成型運動。
圖2-2 方案二示意圖
2.4 設(shè)計方案論證
2.4.1 技術(shù)方面
方案一優(yōu)點為速度較快，精度較高，結(jié)構(gòu)簡單，適合DIY.缺點為所占據(jù)的空間較大，穩(wěn)定性較差，所以這種結(jié)構(gòu)適合在有固定場所使用。
方案二其優(yōu)點為精度較高，速度較快，較為成熟穩(wěn)定，可搭載多噴頭。但是它的成本比較昂貴，調(diào)試復雜，容易損壞，維修困難等確定。
2.4.2 制造方面
打印機的機架采用的是鋁合金材料，采用機械加工方法；其余的標準件都采用采購的形式，絲杠采用絲杠螺母；國家已標準化采用采購形式；外殼的材料選用塑性材料，制造方法采用激光切割。
2.4.3 經(jīng)濟性方面
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驅(qū)動電機成本較高。并且后期的調(diào)試比較復雜，維修較為繁瑣，綜合來看方案一性價比要比方案二高。所以方案一要優(yōu)于方案二。
2.4.4 現(xiàn)有的知識儲備方面
在調(diào)研過程中了解到3D打印機的原理及組成，所以在設(shè)計3D打印機時，對重要部件進行一設(shè)計計算，例如：絲桿、螺桿、軸承、聯(lián)軸器等。
2.4.5 結(jié)論
通過以上的分析，可得出方案一的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論較為合適，并符合設(shè)計要求，并且其制作成本更低，滿足市場需求。則采用方案一。
第三部分 畢業(yè)設(shè)計計算書
3.1 打印機框架整體設(shè)計
3.1.1 打印機框架尺寸設(shè)計
原始成形尺寸：200×200mm，高度200mm。整體尺寸計算模型如Error! Reference source not found.所示，等邊?JHG為圓P的外切圓，其中|PQ|=|PK|=|PL|=100mm，GK⊥HJ，HL⊥GJ，JQ⊥GH，則可以得到|HG|=|GJ|=|HJ|=2|HK|=2|PK|tan60°=346.41mm
考慮到零件結(jié)構(gòu)和安裝以及任務(wù)書的要求，正三棱柱的底邊邊長取400mm，高度值取600mm。
圖3-1 打印機整體尺寸模型
3.1.2 連桿長度
羅斯托克運動機構(gòu)的簡化模型如圖3.2所示?？芍?根桿在一個面上時，處于極限位置，取得連桿的最小值。
3.2簡化模型
由工作原理可知，三角形ABC具有等邊關(guān)系，|AB|=|AC|=|BC|=400，其中CF⊥AB,AD⊥BC,BE⊥AC,由等邊三角形的三線合一性質(zhì)可得，O點為三角形ABC的中心。則|AO|=|BO|=|CO|=0.67|AB|sin60°=0.67×400 sin60°=230.94mm，則直接為6的連桿長度最小值是230.94mm。
為了保持打印機的外觀，三棱鏡的尺寸保持不變，當滑塊位于三棱鏡時，打印機底座上的噴嘴的最高點時，在另一個極限位置，連桿的長度取得最大值，現(xiàn)將rostock 運動機構(gòu)的簡化模型如
圖 3 1所示
圖 0 1連桿最大化后的簡化模型
3.1.3 連桿的強度校核
在小型三角洲3D打印機中除了連桿外各個部件所承受的載荷均很小，所選用的材料的強度均滿足要求；連桿在運動過程中可能受到一定程度的拉力，因此應(yīng)檢查連桿的強度。
在本設(shè)計中，鏈接是由304不銹鋼棒直接到6mm。連桿的工作過程和打印機噴嘴的質(zhì)量是非常小的，并且在連接桿的強度的影響可以忽略不計，和張力的大小是不連接在連接桿的兩端，使連桿可以等效為兩力，對第二力桿徑10 N端的力
在本設(shè)計中，連接桿采用304不銹鋼棒直接6mm。此二力桿兩端所受力大小為10N。由材料力學中的軸向拉伸于壓縮的強度公式計算得：
通過查找機械設(shè)計手冊可以得出：，故足夠滿足設(shè)計的要求。
3.1.4 機械結(jié)構(gòu)傳動裝置設(shè)計
由打印機的整體尺寸和工作原理可知，該處的傳動屬于遠距離直線傳動，可選用的傳動方案有螺桿傳動和皮帶傳動，兩種傳動的優(yōu)缺點比較如表2所示。
\
綜合考慮3D打印機的各個方面情況，本設(shè)計中的傳動方案選擇皮帶傳動。皮帶傳動分為普通V帶傳動和同步帶傳動，兩種傳動的比較如表3所示。
傳動的平穩(wěn)性和精準性對于保證打印機的工作精度和速度是至關(guān)重要的，從表2可知，同步帶與V帶相比傳動更加平穩(wěn)和準確，因此本設(shè)計選用同步帶傳動，由機械設(shè)計手冊選取MXL型同步帶和MXL型同步帶輪。本次設(shè)計的傳動方案選擇同步帶傳動，從本打印機的整體設(shè)計考慮，同步帶是打印機中最易損壞零件，同步帶的工作壽命決定了整臺打印機的工件時間，所以有必要計算下同步帶的工件壽命[2][3]。同步帶的壽命與多種因素有關(guān)，主要是:皮帶的強度和耐磨性，應(yīng)力周期特性，以及最大工作載荷的幾何特性。在出現(xiàn)同步帶疲勞壽命或齒面磨損的形式時，可以說明同步帶已經(jīng)失效了，所以疲勞壽命成為同步帶的操作指標。
3.2 擠出部件設(shè)計
3.2.1 偏心聯(lián)軸器設(shè)計
單螺桿泵的工作原理是在單螺桿的定子軸線上旋轉(zhuǎn)偏心單頭螺桿的轉(zhuǎn)子（螺桿）。在傳動軸和螺桿之間需要有個偏心聯(lián)軸器連接。本設(shè)計是為了簡化設(shè)計和設(shè)計偏心聯(lián)軸器的基本結(jié)構(gòu)。如圖 3 2所示，螺釘有一個螺紋，其任意截面是一個半徑為R的圓，,截面的中心位于螺旋線上且與螺桿的軸心線偏離一個偏心距e，繞軸旋轉(zhuǎn)且沿軸向移動而形成的[17]
圖 0 2偏心聯(lián)軸器
3.2.2 傳動軸
根據(jù)擠壓頭的設(shè)計，電機輸出軸聯(lián)軸器連接后，再傳遞到軸，需要在軸上有一個軸承，軸的設(shè)計如圖3.5所示，L1節(jié)段連接接頭，L2段用于軸承支撐，L3段連接偏心聯(lián)軸器。
圖 0 3傳動軸
3.2.3 螺桿設(shè)計
螺桿的嚙合的螺桿和機筒與螺桿之間的間隙是位于小之間的關(guān)鍵部分，彼此在泵腔內(nèi)，形成多個空間轉(zhuǎn)彎，下室應(yīng)V增大，呼吸在溶液中，然后關(guān)閉；關(guān)閉腔沿軸的推動下，形成了新的吸入側(cè)，和個人的封閉腔的動作，和流體不斷被擠出。螺桿結(jié)構(gòu)如圖 3 4所示，螺桿的直徑（D）與長徑比（L/D）是螺桿的基本參數(shù)[18]。
圖 0 4螺桿
3.2.4 擠出裝置的整體
擠壓裝置的原理是利用空間嚙合的螺桿泵熔化的巧克力轉(zhuǎn)移。螺桿的位置可分為兩種類型：水平和垂直。本設(shè)計所用到的是單螺桿立式安裝，整體設(shè)計就如Error! Reference source not found.所示。
3.2.5 溫度傳感器
溫度傳感器按工作原理分為接觸式和非接觸式，它們的比較如表7所示。由上表分析，接觸式溫度傳感器的特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，接觸式溫度測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維修方便、價格低廉，容易形成多元化的濃度的測量與控制系統(tǒng)；接觸溫度傳感器用于1000°C時誤差很大，所以選擇非接觸式的較為合適。其中，熱敏電阻的鎳的有效溫度測量范圍在-150-300℃，精度在0.2%-0.5%之間，標準化程度高，精度及靈敏度均較好，對于本設(shè)計來講鎳更加適合作為溫度傳感器。
3.2.6 機械位置傳感器
機械位置傳感器的采用壓力傳感器，用于檢測噴嘴的三色染料用量對膠的用量，以及現(xiàn)狀進行印刷原材料。當事情不夠，反饋和提醒用戶添加油漆，膠水或原材料?？紤]到各因素的影響，采用電位器來測量并達到較高的精度。
3.3 重要零件的選擇、設(shè)計和校核
3.3.1絲杠的選取及其校核
1. 絲杠的選取
滾珠絲杠副已標準化，所以只需選擇正確的模型。滾珠絲杠的負載包含了由印刷材料引起的重力和摩擦力。根據(jù)機械設(shè)計手冊可以得出絲杠轉(zhuǎn)速不宜太高，在10~30r/min即可。因為打印機的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)定為額定動載荷，設(shè)計其精度為3級，可靠性為90%。其中從資料上可得出精度系數(shù)，可靠系數(shù)，載荷系數(shù)
根據(jù)機械設(shè)計[4]中的絲桿選取表，取滾珠絲杠的直徑d0=16mm，選用滾珠絲杠螺母副型號為3216-2，其額定負荷為10766N，大約能承受1000kg的重量，對于小型三角洲3D打印機足夠用。
2.絲桿的校核和電機的確定
滾動導軌的絲桿的直徑為16mm，則所需力矩為
計算得： N·m
考慮滾珠絲杠副摩擦和轉(zhuǎn)動慣量等因素，同時，步進電機轉(zhuǎn)速變化時應(yīng)保證恒轉(zhuǎn)矩，因此安全系數(shù)3更可靠、更合適，所以電機轉(zhuǎn)矩是
N·m
故選步進電機型號為LC57HS0601步進電機，其靜力矩為0.065N·m，步矩角0.9°，相電流0.5A，重量為0.12kg，尺寸為mm。
3.3.2 螺桿的設(shè)計
螺桿的材料選擇38CrMoAIA鋼。單螺桿擠出機螺桿的基本幾何關(guān)系如圖 4 5中。決定螺桿的性能因數(shù)是螺桿的幾何結(jié)構(gòu)。因此設(shè)計出合理的幾何形狀及尺寸即可得出所需螺桿。
圖 0 5螺桿幾何結(jié)構(gòu)
1. 螺桿的徑向尺寸由傳動比計算
螺桿的直徑是螺桿的外徑，公稱直徑與氣缸直徑相同。螺桿的直徑是螺桿擠出的公稱尺寸。這是因為螺桿的直徑越大，機床的輸出越高，螺桿的直徑就可以估算出機床的容量。取Ds=32 mm。
上筒內(nèi)徑與螺桿外徑之間存在徑向間隙。顯然，有以下關(guān)系 ：
(3-6)
代入數(shù)據(jù)得：
機床的螺紋表面和內(nèi)孔可以形成近似矩形的物料流道，通常稱為螺旋槽。螺槽內(nèi)容料體積的參數(shù)決定螺槽深度H。當忽略徑向間隙時，螺旋深度為螺紋高度。
2.螺桿的軸向尺寸
螺桿具有普通螺紋導程和螺旋角的通用元件—螺紋導程S和螺旋角。導程S=32 mm。大多數(shù)的單螺桿擠出機配備了單線程的螺絲，所以間距等于鉛。螺旋角將螺釘?shù)膹较虺叽缗c軸的尺寸相連接，并具有以下關(guān)系：
(3-7)
代入數(shù)據(jù)得：
即螺旋角
螺旋軸的寬度B是螺桿軸的寬度。同樣，螺桿的軸向?qū)挾仁莃=4 mm和螺距有以下關(guān)系：
mm
定義螺槽法向?qū)挾萕以及螺棱橫向?qū)挾萫，分析得出式子：
(3-8)
代入數(shù)據(jù)得： mm mm
3.強度校核
已知螺桿材料為38CrMoAIA鋼，許用應(yīng)力[]MN/m2，機頭的壓力P=10 MPa，螺桿的最高轉(zhuǎn)速，驅(qū)動電機功率為1.5 kW，驅(qū)動裝置效率。
4. 計算軸向力
由常規(guī)螺桿的經(jīng)驗關(guān)系式：
(3-9)
帶入得： MN
由式
(3-10)
計算壓應(yīng)力：
MN/m2
由式
(3-12)
計算扭矩：
N·m
由式
(3-13)
計算剪應(yīng)力：
MN/m2
由式
(3-14)
計算螺桿強度：
MN/m2
校核結(jié)果：螺桿強度符合要求。
5. 剛度校核
根據(jù)螺桿的材料為38CrMoAIA鋼，， GN/m2，螺桿的許用扭轉(zhuǎn)角。
由式
(3-15)
計算扭轉(zhuǎn)角：
校核結(jié)果：剛度符合要求。
3.3.3 軸的計算和校核
在此次設(shè)計中設(shè)有多根軸，例在進給結(jié)構(gòu)中設(shè)有3根絲桿軸，擠出機構(gòu)中有1根傳動軸。由于擠壓裝置中的軸垂直安裝，載荷小。該軸結(jié)構(gòu)簡單，無需校核其剛度和強度。在本設(shè)計中，XYZ的精度要求很高，軸的長度較大。比較XYZ軸所受載荷的大小，YZ軸的安裝都是豎直的，所以其受的載荷相對X軸的工作臺要小些。且絲桿軸主軸軸僅考慮彎曲變形。在這里，我們選擇一個典型的軸，在X軸的閥芯軸。
1.初估軸徑
本次設(shè)計軸材是45號剛，以提高軸的性能，則采用調(diào)質(zhì)處理。通過機械設(shè)計發(fā)現(xiàn)得出MPa，，根據(jù)公式得出：
(3-16)
需先確定軸的最小軸徑。一般來說，鍵槽的直徑應(yīng)該增加5%。開鍵軸增加估計軸頸值7%的小徑。通過上述的參數(shù)，得出合適的軸徑為：
mm，
因為最小軸徑d應(yīng)該能夠得到最接近的一個點，在帶輪的安裝位置，設(shè)有一個鍵槽，則軸需要拉長5%。
mm，
通過上述計算，軸徑可取mm，同時順帶安裝聯(lián)軸器。
軸的各處軸徑依次分別為mm，此處安裝角接觸球軸承；mm，此處尺寸的確定是根據(jù)軸承的安裝要求來確定的。軸的各軸段的尺寸如圖 4 6所示：
圖 0 6絲桿軸的各段尺寸
2. 軸的剛度校核
將絲桿軸簡化為圖 4 7所示的簡支梁。
圖 0 7絲桿軸簡化成簡支梁
簡化過程：絲桿軸兩端簡化地分成A、B兩端點。將控制X軸的機構(gòu)將重力細化成集中力，并施加到中點處，因為主軸軸線在中點時，可以得到最大的撓度，也就是對工作臺的精度影響最明顯。設(shè)工作臺整體重量。
（1）計算變形。
絲桿軸橫截面的慣性矩為
(3-17)
代入數(shù)據(jù)得：
當Fc受力時，撓度和截面的轉(zhuǎn)角會隨之發(fā)生在C點位置上如圖4.4所示，分別為
圖 0 8撓度轉(zhuǎn)角圖
(3-18)
(3-19)
代入數(shù)據(jù)得： mm
rad
（2）校核剛度
許用撓度與許用轉(zhuǎn)角：
mm
rad
而
mm＜mm
rad＜rad
在X軸的進給精度是0.01mm時，所得剛度滿足要求。
3.3.4 軸承壽命計算
1. 初選軸承型號
由于軸的工作條件和軸頸尺寸，采用軸承型號為。有機械設(shè)計手冊查得：
最大靜載荷kN，額定靜載荷kN，，，.
2. 計算軸承的當量動載荷
在XYZ進給系統(tǒng)中，軸的最高轉(zhuǎn)速為682r/min，且軸承所承受的軸向力較大。所以對于軸承進行校核。
B點受力情況計算 N 1480.1 N
D點受力情況計算 N N
在B點所受徑向載荷 (3-20)
在D點所受徑向載荷 (3-21)
代入數(shù)據(jù)得N ；N
由于B點的徑向載荷大于D點的徑向載荷，則軸承壽命計算按B點上軸承受力進行分析最為合適。
3. 軸承的壽命計算
因為本次設(shè)計工作環(huán)境溫度低于120°，由機械設(shè)計相關(guān)表查得溫度系數(shù)，所以該軸承的壽命為：
(3-22)
代入數(shù)據(jù)得h
因為＞12000h，故選用7205C軸承能滿足使用要求。
3.3.5銷的計算及校核
圓柱銷GB119-86 4×6固定鉸孔小的干擾和可承受的荷載很小,可以承受不大的載荷。為保證定位精度和聯(lián)接的緊固性,不宜經(jīng)常拆卸,主要用于定位,也用作聯(lián)接銷和安全銷。此次設(shè)計用作于定位，則需要進行必要的驗算，以滿足三角洲結(jié)構(gòu)安全的需要。
轉(zhuǎn)矩為250N?m、軸的直徑為16mm、銷的直徑4mm、銷的長度6mm。
由公式，許用擠壓應(yīng)力σy：
σy = 4T/DdL (3-23)
σy=4×250/16×4×6=2.6Mpa
由機械手冊表，對于銷的常用可取[σy]=30Mpa
因為σy<[σy],所以滿足要求許用剪切應(yīng)力σj
(3-24)
由機械手冊表，對于銷的常用可取 因為,所以滿足要求
則可以得出次直徑為4，長度為6的圓柱銷GB119-86,可以滿足設(shè)計要求，故可以選擇。
參考文獻
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致 謝
時光匆匆，四年的大學生涯即將畫上句號。大學四年感謝孜孜不倦的老師，還有善良可愛同學們，中國地質(zhì)大學長城學院陪伴了我四年，不但教會了我知識，更是讓我懂得了成長需要的責任與擔當，成熟與穩(wěn)重。
畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在中國地質(zhì)大學長城學院的四年學習生活既將結(jié)束。回望過去，四年的大學生涯，讓我在眾多老師的指導下，學習了我未來所需的知識，也讓我在離家數(shù)千公里的保定有了另一個家，這里的老師和同學們就像我的家人一樣，那么的親切可愛。
在這里，首先我要感謝我的導師楊運強教授。感謝老師的悉心指導我才能順利完成我的論文。在選題之前我對3D打印機特別感興趣，感謝老師對本選題的重視，從提綱、完成初稿、修改再到定稿都一一過問，花費了大量心血。導師對學生論文一絲不茍的精神深深促動了我，也鼓勵我要成為這樣的人，不只是在對待畢業(yè)設(shè)計還是未來的路，都要認真踏實的對待。
其次，我必須感謝父母對我學業(yè)的支持，雖然離家較遠，但是父母的關(guān)心無時不在，讓我備受感動。
然后，我要感謝大學所有的老師和同學們，謝謝你們的關(guān)心和鼓勵，謝謝你們的幫助與支持，讓我度過了一個有意義有陽光的大學。
感謝在做畢業(yè)設(shè)計的時候所有給我?guī)椭娜?，謝謝你們幫我戰(zhàn)勝困難，堅持到最后完成此次畢業(yè)設(shè)計。感謝我的母校--中國地質(zhì)大學長城學院。
?最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，和參與本人論文答辯的各位老師表示真誠的感謝，謝謝。
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