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附錄1 外文譯文
入門級(jí)3D打印機(jī)的PLA材料性能測(cè)試
摘要
一臺(tái)入門級(jí)的3D打印機(jī)，the MakerBot Replicator 2x，使用平均價(jià)格、通用品牌的PLA材料(類似一個(gè)家庭用戶可以購(gòu)買的燈絲)打印標(biāo)本進(jìn)行拉伸，彎曲和疲勞測(cè)試。試樣在0°、45°、90°的光柵方向上打印，以測(cè)試方向?qū)Σ糠謴?qiáng)度的影響。PLA細(xì)絲也受拉伸試驗(yàn)。
對(duì)3d打印試樣的拉伸試驗(yàn)表明，45°的光柵方向角使試樣的最大抗拉強(qiáng)度為64 MPa。在58 MPa和54 MPa的情況下，采用三點(diǎn)彎曲夾具對(duì)印刷試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，0°和90°的光柵方向不太明顯。對(duì)于這種類型的測(cè)試，0°的光柵方向產(chǎn)生了最強(qiáng)烈的部分，最終的彎曲應(yīng)力為102 MPa。45°和90°光柵方向類似的結(jié)果在90 MPa和86 MPa。疲勞測(cè)試沒(méi)有明確的最佳選擇，但顯然有一個(gè)糟糕的選擇，90°光柵取向，這個(gè)方向明顯比其他兩個(gè)光柵方向的疲勞壽命要低。另外兩個(gè)光柵方向，0°和45°非常相似。PLA細(xì)絲測(cè)試采用bollard式夾頭，表明PLA燈絲顯示的力學(xué)性能與印刷樣品相似-當(dāng)測(cè)試在較高的應(yīng)變率時(shí)，損傷沒(méi)有發(fā)揮重要的作用。這可能會(huì)導(dǎo)致回收失敗的3d打印作業(yè)，并將其轉(zhuǎn)化為可重復(fù)使用的細(xì)絲。
引言
3d打印機(jī)已經(jīng)成為家庭用戶的必備。事實(shí)上，有許多高質(zhì)量的3d打印機(jī)，售價(jià)在3000美元以下，包括雙擠出機(jī)。許多這樣的消費(fèi)者級(jí)3d打印機(jī)正以打印機(jī)的形式出售，這些打印機(jī)使用的是PLA，而不是更傳統(tǒng)的，更難以印刷的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)材料。PLA比ABS結(jié)實(shí)，但更脆。PLA有一個(gè)較低的熱膨脹系數(shù)，它減少了翹曲的影響，不附著在印刷表面上，并且在印刷時(shí)出現(xiàn)了很大的部分開裂。但PLA的最明顯的缺點(diǎn)是較低的載荷撓度溫度(50到140°C)，這將導(dǎo)致印刷部件變形時(shí)暴露在溫暖的環(huán)境中。一公斤的材料大約是50美元(在2014年初)?？紤]到這一切，很容易理解為什么許多3d打印機(jī)制造商正在生產(chǎn)和支持3d打印機(jī)，這些打印機(jī)只使用PLA。
現(xiàn)在很多人都是這樣，而且很快就會(huì)有更多的人用自己的3d打印機(jī)在自己家里打印。僅MakerBot公司在過(guò)去的5年里就售出了15000多臺(tái)3d打印機(jī)。ABS的材料特性和特性已經(jīng)得到了很好的研究，包括許多對(duì)打印方向的研究。這些研究大多是在“專業(yè)”模型機(jī)器上進(jìn)行的。消費(fèi)者機(jī)器的打印質(zhì)量基本上未被測(cè)試，而描述3d打印的PLA材料特性的文獻(xiàn)是找不到的。本研究旨在從消費(fèi)者3d打印機(jī)上開始了解3d打印PLA的行為。對(duì)試件進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和疲勞性能的研究，并進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。默認(rèn)情況下，如果3d打印機(jī)的MakerBot系列使用的MakerWare軟件被告知要在100%填充的情況下打印一個(gè)樣本/對(duì)象，那么切片軟件就會(huì)在交替的光柵方向上打印，層層疊加。一種自定義的印刷資料，是為了將標(biāo)本完全印在單個(gè)光柵方向上，以檢查印刷方向，因?yàn)樗c材料各向異性有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)步驟
在PLA細(xì)絲上進(jìn)行了幾種類型的力學(xué)性能測(cè)試，并使用PLA進(jìn)行3d打印。所有標(biāo)本都印在消費(fèi)者3d打印機(jī)上，即MakerBot Replicator 2x。自定義打印配置文件用于控制切片/打印軟件，該軟件允許在單個(gè)指定的光柵方向上打印整個(gè)樣品。每個(gè)標(biāo)本都單獨(dú)打印在打印床的中心，以便盡可能地生產(chǎn)出所有的標(biāo)本。對(duì)于所有的標(biāo)本，在標(biāo)本的周長(zhǎng)上使用了兩個(gè)“外殼”，在標(biāo)本的內(nèi)部用100%填充指定的光柵朝向。PLA材料擠壓在230°C、100毫米/秒的速度與加熱床面在65°C。所有的標(biāo)本都是用同一品牌的PLA長(zhǎng)絲，購(gòu)買兩個(gè)1公斤的線軸。
每個(gè)標(biāo)本在測(cè)試部分的幾個(gè)位置分別測(cè)量厚度和寬度。根據(jù)ASTMs，采用最小的橫截面面積(或梁中心的橫截面面積進(jìn)行彎曲試驗(yàn))來(lái)確定合適的應(yīng)力值。采用MTS通用加載機(jī)進(jìn)行拉伸和疲勞試驗(yàn)。對(duì)3d打印試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并進(jìn)行了MTS 858加載框架MTS 25kN加載單元的所有疲勞試驗(yàn)。在一個(gè)5kN負(fù)載單元的MTS Insight加載框架上進(jìn)行了PLA纖維的拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。在兩臺(tái)機(jī)器上，都使用LVDTs來(lái)測(cè)量位移，而MTS擴(kuò)展器(型號(hào)634.31F-24)的長(zhǎng)度為20mm，用于測(cè)量3d打印試樣的拉力測(cè)試。所有測(cè)試都是在室溫下進(jìn)行的(大約20°C)。
樣品經(jīng)ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定塑料的拉伸性能。MTS楔形鉗以5mm /min的速度移動(dòng)，數(shù)據(jù)(力、抓地力和應(yīng)變)在100hz處收集。MTS型號(hào)634.31F-24伸長(zhǎng)計(jì)(20毫米長(zhǎng)度)用于測(cè)量應(yīng)變。在本研究中測(cè)試的三個(gè)光柵方向上分別測(cè)試了5個(gè)樣本。
根據(jù)ASTM D790 -標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)未加筋和增強(qiáng)塑料和電氣絕緣材料的彎曲性能進(jìn)行了測(cè)試。采用MTS三點(diǎn)式彎曲試驗(yàn)臺(tái)。使用了5.1 cm的支撐跨度。握桿以10毫米/分鐘的速度移動(dòng)，造成撓曲。標(biāo)本的制作時(shí)間超過(guò)了必要的長(zhǎng)度，以保證在試樣偏轉(zhuǎn)時(shí)，支撐足夠的長(zhǎng)度。
3d打印試件單軸疲勞試驗(yàn)
根據(jù)ASTM D7791 -標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)塑料的單軸疲勞性能進(jìn)行了MTS 858加載框架的疲勞試驗(yàn)。用聚氯乙烯補(bǔ)償法對(duì)試件進(jìn)行了持續(xù)的應(yīng)力測(cè)試，以保證試件從未超載。根據(jù)ASTM，測(cè)試可以在20赫茲的速率下進(jìn)行。因此，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，試件在2赫茲，1000個(gè)周期時(shí)使用正弦加載波形，然后是5赫茲，10,000個(gè)周期，然后是20hz直到失敗。失敗被認(rèn)為是一個(gè)完全斷裂的標(biāo)本。本實(shí)驗(yàn)的疲勞疲勞極限為100萬(wàn)次。如果標(biāo)本沒(méi)有突破一百萬(wàn)圈，測(cè)試就停止了。所有測(cè)試進(jìn)行的應(yīng)力比=?1。
PLA纖維拉伸試驗(yàn)
PLA的長(zhǎng)絲單獨(dú)進(jìn)行了測(cè)試。在MTS Insight加載框架中，用Bollard風(fēng)格夾鉗夾住了200mm的樣品。采用幾種置換率(500mm /min, 200mm /min, 50mm /min, 5 mm/min)來(lái)測(cè)試燈絲。
結(jié)論
3D打印的試樣拉伸試驗(yàn)
每個(gè)光柵方向角測(cè)試5個(gè)樣品，在PLA的例子中，45的光柵方向產(chǎn)生了最強(qiáng)的樣本。
3D打印的樣品彎曲測(cè)試
在每個(gè)光柵方向上打印并測(cè)試了5個(gè)彎曲試件。在這次試驗(yàn)中，失敗被認(rèn)為是一個(gè)完全斷裂的標(biāo)本。然而，標(biāo)本往往沒(méi)有完全斷裂。在沒(méi)有完全斷裂的標(biāo)本中，有些標(biāo)本破裂了，但外殼卻保持在一起，而其余的標(biāo)本則足夠堅(jiān)韌，不能斷裂。最終，測(cè)試停止了，因?yàn)樵嚰佑|到了測(cè)試夾具。
PLA印刷樣品，斷裂前0°光柵定位印刷樣品最高極限應(yīng)力為102.203 MPa。
3D打印試樣疲勞測(cè)試
疲勞試樣被打印出來(lái)，然后加載，直到試件完全破裂(或達(dá)到疲勞極限)。最后，對(duì)于大多數(shù)0°光柵取向標(biāo)本，標(biāo)本的外部“鏈”，在標(biāo)距長(zhǎng)度區(qū),與主體分離的標(biāo)本。據(jù)觀察，這片標(biāo)本沒(méi)有提供任何支撐，因?yàn)樗呀?jīng)達(dá)到疲勞極限了，而且這條鏈最終會(huì)脫離標(biāo)本。在每一個(gè)試樣失敗后，測(cè)量并減去用于計(jì)算他所需要的載荷的區(qū)域，以引起指定的交變應(yīng)力。利用調(diào)整后的橫截面面積對(duì)試件施加的荷載進(jìn)行了“調(diào)整”應(yīng)力值的計(jì)算。
與所有疲勞試驗(yàn)一樣，結(jié)果是隨機(jī)的，盡管確定值的系數(shù)相當(dāng)高。可以看出，90的光柵方向試樣明顯具有最低的疲勞能力。調(diào)整后0°標(biāo)本占“鏈”的斷裂在測(cè)試過(guò)程中，不加載任何負(fù)載，圖中可以看出，0°標(biāo)本疲勞強(qiáng)度比45°標(biāo)本高35 MPa以上。在35 MPa以下，45個(gè)標(biāo)本具有最佳的疲勞壽命。這些趨勢(shì)應(yīng)該用更多的樣本進(jìn)行更深度的研究，并且應(yīng)該在更大的壓力水平上進(jìn)行測(cè)試，以證實(shí)或否認(rèn)這些發(fā)現(xiàn)。
這項(xiàng)研究認(rèn)為疲勞極限是100萬(wàn)次。在這項(xiàng)研究中，三個(gè)光柵取向的耐力極限測(cè)試為5 MPa(0°標(biāo)本),10 MPa(45°標(biāo)本),0.5 MPa(90°標(biāo)本)。
細(xì)絲拉伸試驗(yàn)
在不經(jīng)過(guò)印刷工藝擠壓的情況下，對(duì)細(xì)絲也進(jìn)行了測(cè)試。用幾中應(yīng)變速率來(lái)測(cè)試細(xì)絲。
對(duì)于兩種最快的應(yīng)變速率(500mm /min和200mm /min)，極限應(yīng)力與彈性模量相似。兩種較慢的應(yīng)變速率(50mm /min和5 mm/min)具有較低的極限強(qiáng)度，但在失效前有較長(zhǎng)的最大延伸率——可能受到較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間的蠕變影響。
盡管在試樣中PLA塑料被加熱并擠出了一段時(shí)間，但它的最終應(yīng)力(不受蠕變影響)與印刷標(biāo)本的結(jié)果相似。這一發(fā)現(xiàn)可能是有用的，可以考慮是否從3d打印的浪費(fèi)PLA材料可以回收到新的燈絲，用于未來(lái)的印刷。
顯微鏡評(píng)估
用Keyence VHX-600顯微鏡對(duì)試樣的幾個(gè)小特征進(jìn)行了視覺(jué)評(píng)價(jià)。通過(guò)這一評(píng)價(jià)，指出了印刷質(zhì)量存在的幾個(gè)問(wèn)題。最值得注意的是在0°光柵取向，3d打印機(jī)在試件的半徑部分和整個(gè)試樣的一側(cè)都留有間隙。
在高應(yīng)力(低循環(huán))疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，印件與試件主體之間的間隙非常明顯。用顯微鏡測(cè)量了幾個(gè)樣品之間的間隙。平均縫隙厚度為181.47 m。在這些高應(yīng)力疲勞試驗(yàn)中，注意到試件的外殼與試件主體完全分離，并沒(méi)有對(duì)試件的剛度造成影響，當(dāng)載荷被循環(huán)時(shí)，試件留下的“松散的鏈”振動(dòng)。這條松散的鏈看起來(lái)是在循環(huán)疲勞開始后幾乎立即彎曲，在屈曲開始后很快就釋放了。由于試件在沒(méi)有峰值/谷機(jī)位移變化的情況下仍保持了完整的疲勞載荷，因此確定松散的斷鏈對(duì)試件的負(fù)載沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此松散的鏈斷裂不應(yīng)構(gòu)成試件的失效。
與0°的光柵方向角顯示的問(wèn)題相比，45°和90°的方向沒(méi)有在試件半徑附近或任何地方的任何間隙問(wèn)題。由于標(biāo)本切片和分層的問(wèn)題，所有的空間都可以填補(bǔ)。
結(jié)論
本文測(cè)試了PLA纖維和PLA打印試樣的力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)中，45°光柵取向標(biāo)本強(qiáng)度是最高的。在疲勞測(cè)試，90°標(biāo)本顯然是最不耐疲勞載荷。45°標(biāo)本和0°標(biāo)本的疲勞壽命非常相似，應(yīng)進(jìn)一步研究。然而，這45°樣本的疲勞強(qiáng)度極限是最高的。燈絲測(cè)試(在更高的應(yīng)變率下，蠕變不是一個(gè)因素)顯示了類似的結(jié)果印刷。標(biāo)本的結(jié)果可能有助于確定打印作業(yè)失敗是否可以回收再重新打印，顯微鏡的評(píng)價(jià)有助于確定印刷過(guò)程中標(biāo)本留下的縫隙尺寸。
附錄2 外文原文
分 類 號(hào)
密 級(jí)
寧( )學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
基于并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
誠(chéng) 信 承 諾
我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）《XXXXXXXX》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。
承諾人（簽名）：
年 月 日
目錄
摘 要 IV
Abstract V
第1章 緒論 6
1.1論文概述 6
1.2 3D打印機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3本文研究?jī)?nèi)容 7
1.4研究意義 7
第2章 3D打印機(jī)方案設(shè)計(jì) 9
2.1 3D打印機(jī)應(yīng)用 9
2.2 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)原理 9
2.3 3D打印機(jī)總體方案 10
2.4本章小結(jié) 10
第3章 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.1設(shè)計(jì)參數(shù) 11
3.2電機(jī)選型設(shè)計(jì) 11
3.3聯(lián)軸器的選用原則 13
3.4帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 15
3.5螺栓校核計(jì)算 17
3.6軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 19
3.7齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)校核 21
3.8本章小結(jié) 23
第4章 3D打印機(jī)三維建模 24
4.1 Solidworks三維建模技術(shù) 24
4.2 3D打印機(jī)三維建模 24
4.3 3D打印機(jī)裝配 35
4.4 本章小結(jié) 37
參考文獻(xiàn) 39
致謝 40
摘 要
?三維打?。?D?printing），即快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。過(guò)去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價(jià)值應(yīng)用（比如髖關(guān)節(jié)或牙齒，或一些飛機(jī)零部件）已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件?！叭S打印”意味著這項(xiàng)技術(shù)的普及。三維打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種打印機(jī)的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀(jì)以來(lái)就已經(jīng)得到了極大的增長(zhǎng)，其價(jià)格也正逐年下降。三維打印技術(shù)以及由此帶來(lái)的新的產(chǎn)業(yè)模式成為學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、投資人及政策制定者共同關(guān)注的焦點(diǎn)和科技角逐的新方向,它的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛。三維打印技術(shù)提供了復(fù)雜的藝術(shù)品制作可能性,比傳統(tǒng)的模具工藝更容易實(shí)現(xiàn)制造。此外,大尺寸藝術(shù)品,傳統(tǒng)方法大多是設(shè)計(jì)者制作小比例的作品,然后再由數(shù)名工匠根據(jù)模型一同制作大比例的作品,工匠水平高低不一,最終作品失真度大,但是通過(guò)三維打印技術(shù),目標(biāo)模型可在計(jì)算機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)比例,通過(guò)高精度高效率的打印制作,可以獲得高精度的藝術(shù)作品。
本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容為調(diào)研3D打印機(jī)工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的3D打印機(jī)進(jìn)行分析比較，綜合各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的構(gòu)型方案。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)電機(jī)、軸承、帶輪及其附屬機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型計(jì)算，并進(jìn)行應(yīng)力校核；最后根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用三維軟件solidworks軟件對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行三維建模。
關(guān)鍵詞: 3D打印機(jī)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模、復(fù)雜性
Abstract
Three dimensional printing (3 d printing), namely a kind of rapid prototyping technology, it is a model of digital document as the foundation, using the adhesive materials, such as powder metal or plastic to construct objects by means of step by step a printing technology.It used in the mold manufacturing, industrial design, and other fields has been used in the manufacture of the model, is now gradually used for direct manufacturing of some products.In particular, some high value applications (such as hip or teeth, or some parts of the plane) has been using the technology of printing components."3 d printing" means that the popularization of the technology.3 d printing is usually adopt digital printer.Production and sales for the printer in the 21st century has got tremendous growth, its price is also gradually decreased.3 d printing technology, and the resulting new industry pattern become academia, industry, investors and policy makers to focus and compete for the new direction of science and technology, its application field is very broad.3 d printing technology provides a complex art production possibilities, it is easier to implement than traditional mould process manufacturing.In addition, the large size artwork, traditional methods are mostly designers make small proportion of the work, and then made large scale according to the model with the number of craftsmen, artisans have different level of high and low, eventually work distortion degree is big, but by three dimensional printing technology, the target model can adjust the proportion within the computer, by using print production with high efficiency, high precision can achieve high precision work of art.
In this paper, the design content of working principle and development present situation of the research on 3 d printer, according to the survey results, which has been widely applied for the current is analyzed by 3 d printers, characteristic of each structure, design of a 3 d printer configuration scheme.According to the design scheme of bearing, pulley, selection of gear and its affiliates, and stress checking.According to the design scheme of using 3 d software solidworks software for 3 d modeling 3 d printers.
Keywords: 3 D printer，the structure design， 3 D modeling ,complexity
第1章 緒論
?1.1論文概述
3D 打印技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。去年全球投入到 3D 打印機(jī)、物料和服務(wù)的投入約為 27 億美元，但是該市場(chǎng)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的年平均增長(zhǎng)率將達(dá)到 29%。國(guó)外一些專家預(yù)測(cè)3d打印機(jī)市場(chǎng)將會(huì)增加30%多，在不久的將來(lái)將會(huì)超過(guò)幾百億甚至更多。
三維打印基本原理都是“分層制造,逐層疊加”, 利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)3 d CAD數(shù)據(jù),計(jì)算材料積累方法一步一步制造實(shí)體部分。在傳統(tǒng)的處理方法,更復(fù)雜的零件制造成本較高,周期越長(zhǎng),但3 d打印處理成本和周期只有相關(guān)部分的大小,沒(méi)有形狀的限制。沒(méi)有任何刀具,工具和模具,直接從計(jì)算機(jī)CAD數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)所需的零件、復(fù)雜零件制造周期縮短幾倍甚至幾十倍。
但3 d打印技術(shù)相對(duì)于其他技術(shù)也有許多問(wèn)題沒(méi)有解決。其中,相對(duì)于其他速度慢的3 d打印技術(shù)。更先進(jìn)的3 d打印機(jī)每小時(shí)的垂直打印是大約25毫米厚,這限制了3 d打印機(jī),許多應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。和表面不清潔,由于3 d打印機(jī)打印的方式通常是一層堆棧,層與層之間將不可避免地產(chǎn)生這樣的條紋,這嚴(yán)重影響印刷構(gòu)件的應(yīng)用效果。
1.2 3D打印機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
三維打印的在美國(guó)上世紀(jì)8-年代開始興起，迅速發(fā)展，在國(guó)外占有很高的比例
目前已商業(yè)化的20多種三維打印技術(shù)[Arwalal995,Hutmacher2001,Kruth2004,Sachs2001,Elena2007,Bourell2009],其核心源頭專利幾乎都?xì)w屬于歐美的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和公司,
3 d打印技術(shù)的主要方法,國(guó)內(nèi)外的專利機(jī)構(gòu)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司的情況。在激光近凈成形,選擇性激光燒結(jié)和光固化方法,基于國(guó)內(nèi)從1990年代開始出現(xiàn)在三維印刷技術(shù),研究工作在大尺寸3 d打印技術(shù)研究和開發(fā)一系列的進(jìn)步。是一個(gè)三維印刷技術(shù)的早期倡導(dǎo)者,清華大學(xué),先后進(jìn)行了BoCai疊層制造、可溶性絲綢沉積等多種3 d打印技術(shù)研究,和北京煙花公司形式manufacture-learning-research合作,快速壓鑄技術(shù)開發(fā),形成規(guī)模已達(dá)到SSM1600設(shè)備
X0.8 1.6米,近年來(lái)的研究方向轉(zhuǎn)向生物細(xì)胞3 d印刷領(lǐng)域。西安市交通大學(xué)開始出現(xiàn)光固化成型,金屬溶解應(yīng)用制造、生物組織等的研究,建立了快速制造國(guó)家工程研究中心?；讵?dú)立uv固化技術(shù)的發(fā)展山西交通大學(xué)恒通智能機(jī)器有限公司,有限公司,設(shè)備和材料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額較高。華中科技大學(xué)在BoCai疊層制造、光固化、選擇性激光燒結(jié)、和其他領(lǐng)域也取得了很多研究成果,近年來(lái)成功開發(fā)加工尺寸1.2 MXL。2米的選擇性激光燒結(jié)設(shè)備,超過(guò)國(guó)外同類產(chǎn)品。
工業(yè)化的武漢濱湖機(jī)電有限公司,生產(chǎn)各種系列的3 d印刷設(shè)備及相關(guān)材料,現(xiàn)在在中國(guó)有超過(guò)200的客戶。大連理工大學(xué)集中在獨(dú)立開發(fā)新的激光3 d打印技術(shù)研究十多年,結(jié)合傳統(tǒng)的鑄造技術(shù),形成一套金屬零件和模具對(duì)大型制造業(yè)快速鑄造方法,2013年開發(fā)大型3 d打印設(shè)備尺寸1.8 nixl。6米。北京長(zhǎng)源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司,5300年商業(yè)Lasercore SLS設(shè)備處理大小為700毫米,為各類企業(yè)服務(wù)中心產(chǎn)生大量的精密模具,彩虹是身體主要用于發(fā)動(dòng)機(jī),曲軸和其它精密鑄造復(fù)雜的部分。西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)發(fā)展中金屬溶解形成應(yīng)用技術(shù)研究,現(xiàn)在在飛機(jī)上,引擎已經(jīng)應(yīng)用于框架等大型組件的生產(chǎn)。此外,有很多國(guó)內(nèi)3 d打印技術(shù)研究小組早期,如北大學(xué)聚合物在選擇性激光燒結(jié)陶瓷,覆膜砂在大量的研究工作,并獨(dú)立開發(fā)長(zhǎng)期激光成形原理;華南理工大學(xué)在選擇性激光熔化設(shè)備和技術(shù)取得了杰出的成果,南京航空航天大學(xué)也是一個(gè)早期的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究中心?？傮w而言,國(guó)內(nèi)的研究3 d打印技術(shù)著重于現(xiàn)有的設(shè)備、技術(shù)、材料、后處理和其他改進(jìn),直接激光成形鈦合金和超高強(qiáng)度鋼組件,和其他領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
1.3本文研究?jī)?nèi)容
（1）調(diào)研3D打印機(jī)工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀。
（2）根據(jù)調(diào)研結(jié)果，針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的3D打印機(jī)進(jìn)行分析比較，綜合各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的構(gòu)型方案。
（3）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)軸承、軸、齒輪、帶傳動(dòng)等進(jìn)行選型計(jì)算，并進(jìn)行應(yīng)力校核。
（4）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用三維軟件solidworks軟件對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行三維建模。
1.4研究意義
建國(guó)60年來(lái),我國(guó)機(jī)械工業(yè),雖然有了較大的發(fā)展,有一定的基礎(chǔ)和規(guī)模,滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,中國(guó)的機(jī)械行業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有相當(dāng)大的差距。因此,我國(guó)與新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),發(fā)展高技術(shù)含量的新產(chǎn)品,已成為當(dāng)前機(jī)械行業(yè)密切關(guān)注傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和改革的重點(diǎn)。機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合,它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。從系統(tǒng)工程的角度,使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來(lái),世界上發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的機(jī)電一體化技術(shù),以提高制造技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)和智能發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)帶來(lái)了革命性的變化,神奇的好處,使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 在生產(chǎn)方式的深刻變化和管理系統(tǒng)。機(jī)電一體化是世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì),也是唯一在中國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。作為國(guó)家高新技術(shù)企業(yè),公司一直高度重視和密切關(guān)注機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用國(guó)內(nèi)外,同時(shí)堅(jiān)稱,工程技術(shù)人員掌握機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和原則,本著“先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用,促進(jìn)機(jī)械和電子行業(yè)的發(fā)展”為目的,機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā),提高自動(dòng)化水平的3 d打印機(jī),人工也解放了密集的生產(chǎn)型企業(yè)。
第2章 3D打印機(jī)方案設(shè)計(jì)
2.1 3D打印機(jī)應(yīng)用
三維打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域有在以下幾個(gè)方面:
非金屬制造原型部件:
(1)產(chǎn)品開發(fā)階段的樣機(jī)試制和試驗(yàn),用于展覽,組裝測(cè)試,等。小批量聚合物部件制造、市場(chǎng)觀察用戶的反饋。
(2)快速鑄造:3 d印刷制造砂型和砂芯鑄造金屬零件,不需要把模具;3 d打印錯(cuò)誤的模具,或其他聚合物,中型精密鑄造。
(3)直接制造金屬功能部分:成本高,性能好,主要用于航空航天、3 d打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向,但由于成本,技術(shù)成熟度是無(wú)法使用市場(chǎng)的限制。
(4)使用3 d打印技術(shù)基于數(shù)據(jù)模型的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)生產(chǎn)、人體器官接受治療有很大的應(yīng)用價(jià)值。
(5)基于數(shù)字雕塑和3 d掃描3 d印刷文化和藝術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā)應(yīng)用程序,為數(shù)字雕塑,傳統(tǒng)復(fù)制,藝術(shù)等等。
2.2 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)原理
3 d打印機(jī),也稱為3 d打印機(jī),是一種積累的制造技術(shù),即一種快速原型機(jī),它是一個(gè)模型的數(shù)字文檔為基礎(chǔ),使用特殊的蠟材料,粉末金屬或塑料粘合材料,如通過(guò)印刷層的粘合材料創(chuàng)建3 d對(duì)象。3 d印制機(jī)是用于制造產(chǎn)品目前階段。打印一個(gè)接一個(gè)的方式來(lái)構(gòu)造對(duì)象的技術(shù)。3 d打印機(jī)的原理是把數(shù)據(jù)在3 d打印機(jī)和原材料,機(jī)器將按照程序使產(chǎn)品層。
多層薄層在3 d打印機(jī)的形式是多樣的。3 d打印機(jī)和傳統(tǒng)打印機(jī),最大的區(qū)別是,它使用的“墨水”是真實(shí)的材料,有各種形式的薄層的堆棧,物種多樣性,可用于打印介質(zhì)的各種塑料,金屬,陶瓷,橡膠。有些打印機(jī)也可以結(jié)合不同媒體、印刷對(duì)象硬和軟的頭,另一端。
1、一些3 d打印機(jī)使用“墨水”。使用打印機(jī)噴嘴將是一個(gè)非常薄層液體塑料材料噴涂成型托盤,然后放置在涂層處理在紫外線照射下。成型后托盤下最小的距離,為下一層堆棧。
2、使用了一種叫做“沉積成型”,整個(gè)過(guò)程融化塑料噴孔內(nèi),然后通過(guò)沉積的塑料纖維形成一個(gè)薄層。
3、一些系統(tǒng)使用了一種叫做“激光燒結(jié)、粉末粒子作為印刷媒體。粉末粒子噴在成型托盤形成一層很薄的粉層,融合成特定的形狀,然后噴出液體膠粘劑固化。
4、其他正在使用電子流粉末粒子在真空中融化,當(dāng)面對(duì)孔和懸臂這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu),介質(zhì)需要加入凝膠或其他材料提供支持或占用的空間。這部分粉不會(huì)融合,最后只有沖洗水或空氣撐可以形成孔隙。
2.3 3D打印機(jī)總體方案
打印機(jī)是由并聯(lián)機(jī)器人與打印機(jī)頭組合而成，三個(gè)方向驅(qū)動(dòng)源均采用伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)，通過(guò)PLC控制三軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌采用光杠，兩端通過(guò)螺絲緊固。
設(shè)計(jì)方案如圖2.1所示。
圖2.1 設(shè)計(jì)方案
2.4本章小結(jié)
本章首先對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，給出了3D打印機(jī)傳動(dòng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行比較，總體設(shè)計(jì)方案里分別傳動(dòng)原理、系統(tǒng)組成進(jìn)行闡述。
第3章 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1設(shè)計(jì)參數(shù)
夾具及負(fù)載：10kg
負(fù)載中心離導(dǎo)軌中心距離：0.05m
SGMGV安川電機(jī)慣量：0.001kgm2
軸承當(dāng)量載荷C:218N
外形尺寸：330mmx330mmx628mm
夾具平臺(tái)：230mmx5mm
3.2電機(jī)選型設(shè)計(jì)
1.類型的選擇??? 選擇哪種電機(jī)類型,一方面要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性、起動(dòng)性能、調(diào)速性能、制動(dòng)方法、過(guò)載能力等方面的要求;另一方面，還要從節(jié)省初期投資、減少運(yùn)行費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)方面綜合分析。在對(duì)起動(dòng)、閱速等性能沒(méi)有特殊要求的前提下，優(yōu)先選用三相異步籠型電機(jī)。
2.功率的選擇??? 選擇電機(jī)的功率時(shí)，應(yīng)使所選的電機(jī)額定功率等于或梢大于生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率.既不能過(guò)載.也不能長(zhǎng)期輕載?？刹捎妙惐确ā⒔y(tǒng)計(jì)法、實(shí)驗(yàn)法、計(jì)算法等確定。???
3.電壓的選擇??? 交流電機(jī)額定電壓應(yīng)選擇和供電電網(wǎng)的電壓一致.井結(jié)合電機(jī)功率考慮。直流電機(jī)的額定電壓也要與電源電壓相配合，常用110 V或220 V。大功率直流電機(jī)可提高到600 - 800 V共至1000 V。當(dāng)采用晶閘管整流裝置供電時(shí)，可選用專門為其配套設(shè)計(jì)的直流電機(jī).其電壓有功率等級(jí)160 V (Z3型),180 V,340 V
(Z2型)及440 V (Z2 ,Z3型)。???
4.轉(zhuǎn)速的選擇???
根據(jù)生產(chǎn)速度和機(jī)械傳動(dòng)方式。通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速。更高的額定功率相同的額定轉(zhuǎn)速電機(jī),電機(jī)體積,沉重的夏天,成本越低,一般飛輪的時(shí)刻
GD較小,所以選擇高速電動(dòng)機(jī)更經(jīng)濟(jì)。但制造業(yè)機(jī)械速度。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比,結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。傳輸損耗越大。因此,綜合考慮上述
在確定機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速。
5、外觀結(jié)構(gòu)的電機(jī)常用的形狀結(jié)構(gòu)是開放的,保護(hù),關(guān)閉,密封防爆type.1)開放兩岸的電機(jī)定子和端蓋上有一個(gè)偉大的通風(fēng)口。它的散熱很好,價(jià)格很便宜,但很容易進(jìn)灰塵,水和鐵渭雜物。只能用在干凈和干燥環(huán)境;(2)保護(hù)下機(jī)架有通風(fēng)口。良好的散熱,它可以防止水、沙子和鐵屑等雜物飛濺或?qū)儆陔妱?dòng)機(jī),但不能防止?jié)穸群统龎m。適合干燥,沒(méi)有腐蝕性,爆炸性氣體環(huán)境;(3)封閉的機(jī)框和端蓋完全關(guān)閉。它將自冷,因?yàn)轱L(fēng)扇冷卻,他風(fēng)扇冷卻、竹子、通風(fēng)和密封。前四,潮濕、灰塵、腐蝕更容易受到風(fēng)雨侵蝕環(huán)境中,如第五類可以沉浸在液體中使用。如潛水泵;(4)防爆防爆電機(jī)基于封閉形式,底盤有足夠的強(qiáng)度。適用于易燃易爆氣體的地方,如采礦、油庫(kù)和加油站etc.Choosing汽車形狀結(jié)構(gòu),應(yīng)選擇適當(dāng)形式的保護(hù)。
6、安裝電動(dòng)機(jī)選擇的當(dāng)前生產(chǎn)電氣安裝:(1)B3(水平安裝,站的腳。沒(méi)有法蘭端蓋)(2)B5(水平安裝,站不腳。端蓋法蘭)(3)B35(水平安裝。站的腳。端蓋法蘭)(4)V1(垂直安裝。不要把腳站,端蓋法蘭)。都有一個(gè)伸出兩個(gè)指出在單軸和雙軸。根據(jù)電機(jī)的生產(chǎn)機(jī)械安裝選擇電動(dòng)機(jī)的安裝類型。一般選擇橫向,縱向價(jià)格較高,只用于簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置,必須垂直操作,垂直深井水泵等。
7、電動(dòng)機(jī)選擇按照生產(chǎn)機(jī)械的要求。每周工作抽樣與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作經(jīng)濟(jì)。
8、電動(dòng)機(jī)選擇根據(jù)上述的結(jié)果,選擇機(jī)械類型和制造商。
條件：選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)安川SGMGV01A,電機(jī)的慣量為0.001
以x軸為例：負(fù)載為10kg，負(fù)載中心離導(dǎo)軌中心距離為0.05m。
初設(shè)帶輪直徑為d=0.22mm，作用在電機(jī)上面的力矩為：
外部負(fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
則有：
慣量匹配，滿足設(shè)計(jì)要求。
由扭矩公式可知
功率為：
所選擇電機(jī)額定扭矩大于計(jì)算電機(jī)總扭矩3倍以上。所選擇電機(jī)扭矩符合要求。
3.3 聯(lián)軸器的選用原則
在考慮上述綜合因素的基礎(chǔ)上，聯(lián)軸器選用程序如下：
（一） 選用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器
設(shè)計(jì)師應(yīng)該首先在選擇耦合建立了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的耦合,獲得了國(guó)家專利,只有在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)耦合和專利耦合設(shè)計(jì)耦合不能滿足設(shè)計(jì)的需要。我國(guó)已經(jīng)開發(fā)出不少不同的品種,數(shù)量和基本結(jié)構(gòu)和不同規(guī)格,以滿足不同標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和工作條件。這些標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器是由中國(guó)和通過(guò)工業(yè)試驗(yàn);有的是根據(jù)國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換;有的是消化吸收和參考介紹原型開發(fā)。一些標(biāo)準(zhǔn)耦合是新型的高性能,不僅在國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平在國(guó)際社會(huì),比如膜片聯(lián)軸器。在制定標(biāo)準(zhǔn)通常經(jīng)過(guò)嚴(yán)格程序,以確保質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的耦合是成熟,一般也應(yīng)可靠,關(guān)鍵是正確的選擇。國(guó)家專利等耦合彈性銷聯(lián)軸器,扇形塊彈性聯(lián)軸節(jié),學(xué)習(xí)各種舊的彈性聯(lián)軸節(jié)的優(yōu)點(diǎn),克服了各自的缺點(diǎn),是高性能和國(guó)內(nèi)外新技術(shù),是提高耦合。
（二） 選擇聯(lián)軸器品種、型式
理解(特別是撓性聯(lián)軸節(jié))的耦合傳輸系統(tǒng)的綜合功能,從總體設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)選擇聯(lián)軸器品種,類型。類別根據(jù)原動(dòng)機(jī)和工作負(fù)載的類型,工作速度、傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,兩軸偏差的條件下,溫度、濕度、工作環(huán)境等綜合因素來(lái)選擇聯(lián)軸器品種。根據(jù)支持主機(jī)的需要選擇耦合結(jié)構(gòu)、耦合制動(dòng)時(shí),應(yīng)選擇帶制動(dòng)輪或制動(dòng)盤類型耦合;當(dāng)需要過(guò)載保護(hù),應(yīng)該選擇安全的耦合;與法蘭連接,適當(dāng)?shù)倪x擇法蘭;長(zhǎng)距離傳輸、耦合的軸向尺寸較大,中間或中間模型的合適的選擇。
（三） 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算
工件機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和速度可以計(jì)算理論轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)連接到高速T;根據(jù)工況系數(shù)K和其他相關(guān)系數(shù),可以計(jì)算的計(jì)算耦合力矩Tc。T和n耦合成反比,所以低端T大于T的結(jié)束?！ ?
（四） 初選聯(lián)軸器型號(hào)
根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩 Tc ，從標(biāo)準(zhǔn)系列中可選定相近似的公稱轉(zhuǎn)矩 Tn ，選型時(shí)應(yīng)滿足 Tn ≥ Tc 。初步選定聯(lián)軸器型號(hào)（規(guī)格），從標(biāo)準(zhǔn)中可查得聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速 [n] 和最大徑向尺寸 D 、軸向尺寸 Lo ，應(yīng)滿足聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速 n ≤ [n] 。
?。ㄎ澹?根據(jù)軸徑調(diào)整型號(hào)
初步選定聯(lián)軸器維度,即軸孔直徑d和井孔的長(zhǎng)度,L應(yīng)當(dāng)符合需求的主要驅(qū)動(dòng)軸徑結(jié)束,否則將調(diào)整根據(jù)軸的直徑d的規(guī)格耦合。主人和奴隸側(cè)不同直徑的軸是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象,當(dāng)相同的扭矩和轉(zhuǎn)速,主人和奴隸一邊耳不相同時(shí),應(yīng)按選擇大直徑軸耦合模型。新的傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì),應(yīng)選擇符合GB / T 3852規(guī)定的七軸孔類型、J 1型軸穿孔模式建議,為了提高通用性和互換性,規(guī)則耦合軸孔長(zhǎng)度的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。
（六）選擇聯(lián)接型式
聯(lián)軸器聯(lián)接型式的選擇，取決于主、從動(dòng)端與軸的聯(lián)接型式，一般多采用鍵聯(lián)接，為統(tǒng)一鍵聯(lián)接型式及代號(hào)，在 GB/T 3852 中規(guī)定了七種鍵槽型式，四種無(wú)鍵聯(lián)接，用得較多的是 A 型鍵（平鍵單鍵槽）。
?。ㄆ撸?定聯(lián)軸器品種、型式、規(guī)格（型號(hào)）
根據(jù)動(dòng)力機(jī)和聯(lián)軸器載荷類別、轉(zhuǎn)速、工作環(huán)境等綜合因素，選定聯(lián)軸器品種，根據(jù)聯(lián)軸器的配套、聯(lián)接情況等因素選定聯(lián)軸器型式；根據(jù)公稱轉(zhuǎn)矩、軸孔直徑與軸孔長(zhǎng)度作校核驗(yàn)算，以最后確定聯(lián)軸器的型號(hào)。 在軸系傳動(dòng)中一般均存在不同程度兩軸線相對(duì)偏移，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器；當(dāng)軸系傳動(dòng)中工作載荷產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)時(shí)，則應(yīng)選用彈性聯(lián)軸器，從減振、緩沖效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，宜選用非金屬?gòu)椥栽椥月?lián)軸器。
我國(guó)普遍存在聯(lián)軸器選用不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，例如在冶金機(jī)械和重型機(jī)械的軸系傳動(dòng)中廣泛選用齒式聯(lián)軸器。在冶金機(jī)械和重型機(jī)械低速重載軸系傳動(dòng)中沖擊、振動(dòng)和兩軸偏移是相當(dāng)突出的不利因素，只有選用減振、緩沖效果好的彈性聯(lián)軸器才能改善傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)，而齒式聯(lián)軸器無(wú)論是鼓形齒和直齒均為剛性可移式聯(lián)軸器。根據(jù)不具備減振、緩沖功能，而且還存在要潤(rùn)滑密封，需定期維修，制造工藝復(fù)雜，成本高等一系列缺點(diǎn)，鼓型齒式聯(lián)軸器理應(yīng)所有齒都嚙合（點(diǎn)接觸），由于制造誤差的存在，全部齒都嚙合是不可能的，承載能力大是理論值。過(guò)去聯(lián)軸器品種少，選擇的余地小，如今有很多彈性聯(lián)軸器問(wèn)世，其中扇形塊彈性聯(lián)軸器和彈性活銷聯(lián)軸器是代替齒式聯(lián)軸器的合理選擇之一。
類別根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載的耦合,速度、工作環(huán)境等綜合因素,耦合選擇品種,根據(jù)耦合的配套選擇耦合,耦合等因素類型;根據(jù)額定轉(zhuǎn)矩和井孔直徑和軸的長(zhǎng)度驗(yàn)算,最后確定耦合模型。軸傳動(dòng)通常有兩種不同的水平軸相對(duì)偏移,應(yīng)選擇靈活耦合;當(dāng)工作負(fù)載的軸傳動(dòng)沖擊,振動(dòng),應(yīng)選擇彈性耦合,從減振的影響,緩沖和經(jīng)濟(jì)考慮,宜選用非金屬?gòu)椥栽椥择詈稀?
共同耦合現(xiàn)象在我國(guó)的選擇不當(dāng),如冶金、重型機(jī)械軸系機(jī)械傳動(dòng)廣泛類型的耦合。在冶金機(jī)械和重型機(jī)械沖擊、振動(dòng)和低速重負(fù)荷軸系統(tǒng)的傳輸和兩軸偏移量相當(dāng)杰出的不利因素,只有減振的作用,緩沖彈性耦合可以提高傳輸系統(tǒng),工作狀態(tài)和耦合鼓形齒輪和直齒都是便攜式剛性聯(lián)軸器。據(jù)沒(méi)有振動(dòng),緩沖功能,但也存在潤(rùn)滑密封,需要定期維護(hù),生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜,成本高等一系列的缺點(diǎn),鼓型耦合應(yīng)該所有齒嚙合(點(diǎn)),但由于制造誤差,所有齒嚙合是不可能的,大承載能力的理論價(jià)值。過(guò)去耦合品種,小的選擇,現(xiàn)在有很多彈性耦合,扇形塊彈性聯(lián)軸節(jié)彈性銷聯(lián)軸器是一種生活和理性選擇類型耦合。
考慮到空間布局以及電機(jī)軸的尺寸，聯(lián)軸器選用米思米普通剛性聯(lián)軸器，內(nèi)徑為8mm，外徑18mm，長(zhǎng)度20mm。
3.4帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定傳輸,可以緩沖振動(dòng)吸收,可以在大型軸向間距和多軸傳動(dòng)功率、低成本、易維護(hù),等,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)。過(guò)載滑動(dòng)摩擦帶傳輸能量,低噪音,但比例不準(zhǔn)確;確保同步傳輸同步皮帶傳動(dòng),但吸收負(fù)載變化的能力稍差,高速噪音。除了皮帶傳動(dòng)的傳動(dòng)功率,有時(shí)也用于運(yùn)輸包裝,整個(gè)列和其他地區(qū)。根據(jù)不同的目的,一般的工業(yè)帶,汽車皮帶、傳動(dòng)皮帶、皮帶的農(nóng)業(yè)機(jī)械和家用電器。摩擦型帶根據(jù)他們不同的點(diǎn)帶的截面形狀、V帶和特殊帶(楔帶,圓皮帶),etc.If有多個(gè)帶可以滿足傳輸?shù)囊?根據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊,生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本和市場(chǎng)供應(yīng)等因素的影響,選擇最優(yōu)的解決方案。
(1)皮帶傳動(dòng)的滑動(dòng)摩擦類型工作,因?yàn)榫o張和其相應(yīng)的微分的差異變形帶輪兩邊的彈性滑動(dòng),造成皮帶損失和驅(qū)動(dòng)輪的速度。彈性滑動(dòng)率通常是1% ~ 2%。嚴(yán)重下滑,尤其是過(guò)載打滑,將這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)是在一種不穩(wěn)定的狀態(tài),效率急劇下降,磨損,嚴(yán)重影響帶的生活。滑動(dòng)損失緊,松張力差異增加,降低彈性模量的增加。
(2)摩擦損失與重復(fù)擴(kuò)張,導(dǎo)向輪的功率損耗由帶體的內(nèi)部摩擦引起的。內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力摩擦損失、帶鋼厚度和滑輪的直徑比增加。與張力的變化減少,從而減少摩擦損失。
(3)帶和帶輪工作表面粘附與楔和V,摩擦損失溝剖面。
(4)運(yùn)行在高速空氣阻力損失,操作風(fēng)引起的功率損耗。的平方是損失的比例和速度。因此,高速皮帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì),應(yīng)該減少皮帶的表面面積,盡量用厚和薄帶,帶車輪輻條表面應(yīng)光滑(如橢圓使用)或web板以減少風(fēng)的阻力。
(5)軸承摩擦損失軸承拉作用,是引起功率損耗的重要因素之一。綜合上述損失,皮帶傳動(dòng)效率約為80% ~ 98%范圍內(nèi),傳動(dòng)設(shè)計(jì),根據(jù)帶式選擇。(1):有穩(wěn)定的傳輸,緩沖吸收振動(dòng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,操作和維護(hù)方便、靈活性和彈性,過(guò)載打滑。參照上述電機(jī)的選擇原則,主要抗壓帶輪馬達(dá)功率是1千瓦。
1.確定計(jì)算功率
工作過(guò)程中有輕微沖擊，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表8-7查得工作情況系數(shù)，故
2.選擇皮帶類型
根據(jù)、的值，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以知道選用A型。
3確定小帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)證轉(zhuǎn)速
初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，表8-6和表8-8機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，以小帶輪基準(zhǔn)直徑30mm
驗(yàn)證帶速v
驗(yàn)算傳送帶速率
帶速符合條件。
計(jì)算大帶輪基準(zhǔn)直徑
根據(jù)空間尺寸，初步估計(jì)帶輪直徑為40mm
確定V帶中心距和基準(zhǔn)長(zhǎng)度
初定中心距
計(jì)算帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度
由式計(jì)算可得
實(shí)際中心距和變動(dòng)范圍
按式計(jì)算實(shí)際中心距
即中心距變化范圍240mm-285mm。
驗(yàn)算小帶輪包角
由式可得
支撐軸自鎖性校核
在工作過(guò)程中，采用梯形螺母自鎖。
螺紋升角:
當(dāng)量摩擦角：
因此＜，符合自鎖條件。
工作圈數(shù)校核
螺紋螺距6mm
螺紋螺距6mm
故滿足工作圈數(shù)要求。
3.5螺栓校核計(jì)算
已知條件：
螺栓的ss＝730MPa
螺栓的擰緊力矩T=49N.m
2、擰緊力矩：
在裝配過(guò)程中，應(yīng)擰緊螺栓，增強(qiáng)連接強(qiáng)度。
其擰緊扳手力矩T用于克服螺紋副的阻力矩T1及螺母與被連接件支撐面間的摩擦力矩T2。裝配時(shí)可用力矩扳手法控制力矩。
公式：T=T1+T2=K** d
擰緊扳手力矩T=49N.m
其中K為擰緊力矩系數(shù)，為預(yù)緊力N d為螺紋公稱直徑mm
其中K為擰緊力矩系數(shù)，為預(yù)緊力N d為螺紋公稱直徑mm
摩擦表面狀態(tài)
K值
有潤(rùn)滑
無(wú)潤(rùn)滑
精加工表面
0.1
0.12
一般工表面
0.13-0.15
0.18-0.21
表面氧化
0.2
0.24
鍍鋅
0.18
0.22
粗加工表面
-
0.26-0.3
取K＝0.28，則預(yù)緊力＝T/0.28*10*10-3＝17500N
承受預(yù)緊力螺栓的強(qiáng)度計(jì)算：
螺栓公稱應(yīng)力截面面積As（mm）=58mm2
外螺紋小徑d1=8.38mm
外螺紋中徑d2=9.03mm
計(jì)算直徑d3＝8.16mm
螺紋原始三角形高度h=1.29mm
螺紋原始三角形根部厚度b=1.12mm
裝配過(guò)程中，擰緊力矩和預(yù)緊力同時(shí)作用產(chǎn)生拉伸力，同時(shí)還要受到螺栓的摩擦力產(chǎn)生切應(yīng)力，使螺栓處于兩種載荷作用下。
螺栓的最大拉伸應(yīng)力σ1(MPa)。
=17500N/58*10-6m2=302MPa
剪切應(yīng)力：
=0.5=151 MPa
根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力:
=1.3*302=392.6 MPa
強(qiáng)度條件：
=392.6730*0.8=584
預(yù)緊力的確定原則：
擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過(guò)其材料的屈服極限的80%。
3.6軸承設(shè)計(jì)計(jì)算
3.6.1軸承組成
軸承軸組件的一個(gè)重要組成部分,它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、準(zhǔn)確性、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻是直接影響軸組件的性能。常用的軸承滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。
滾動(dòng)軸承摩擦阻力小,可以嚴(yán)格,潤(rùn)滑維護(hù)很簡(jiǎn)單,可以在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化范圍下工作。滾動(dòng)軸承與專業(yè)化工廠生產(chǎn)、維修方便選購(gòu),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。滾動(dòng)軸承的噪聲,輥有限公司,剛度是可變的,輕微的程度,但總的來(lái)說(shuō),移動(dòng)平臺(tái)軸組件的情況下,嘗試使用滾動(dòng)軸承,滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂可以用于一些垂直結(jié)構(gòu),避免漏油。由于滾動(dòng)軸承有很多優(yōu)勢(shì),再加上加工精度的提高,因此,通常移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)該盡可能使用滾動(dòng)軸承,只請(qǐng)求處理表面粗糙度值和小時(shí)與滑動(dòng)軸承,滾柱軸承根據(jù)輥的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三類。徑向軸承和推力軸承。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承,推力軸承和徑向和角色?？梢赃x擇軸軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、角接觸球軸承。
3.6.2軸承特點(diǎn)及應(yīng)用范圍
角接觸球軸承用于高速軸、水接觸角不同,α= 25°的軸向剛度較高,但徑向剛度和允許的速度略低,用于車削、鏜,銑和其他軸;α= 15°轉(zhuǎn)速可以更高,打扮的軸向剛度較低,更少的常用的軸向載荷和速度更高的磨床軸或不加載后車,鏜銑主軸軸承。這種軸承的接觸、低剛度。為了提高承載力、剛度和transmitte更常用的方法。
軸承的精度,分為2,4,5,6,0 5級(jí),2級(jí)最高,0級(jí)普通精度水平。軸軸承為主,4級(jí)(P4)。高精度軸可用P2階段。需要較低的軸或P5級(jí)三個(gè)輔助支承軸的支持。P6和P0一般不用。另外創(chuàng)建兩個(gè)輔助精密級(jí)SP(特殊精密水平儀)和(超精密級(jí))。由于加工精度主要取決于軸承的旋轉(zhuǎn)精度,盒體孔和軸頸是根據(jù)特定的要求間隙和干擾的匹配。軸承內(nèi)外徑公差,因此,即使一些更廣泛也不影響工作精度,但降低了成本。
平臺(tái)與不同級(jí)別的準(zhǔn)確度和精密度的軸承可以選擇參考表。移動(dòng)平臺(tái),可以根據(jù)精度水平或精度高的水平。
表3-3 軸承精度
平臺(tái)精度等級(jí)
前軸承
后軸承
普通精度等級(jí)
P5或P4（SP）
P5或P4（SP）
精密級(jí)
P4（SP）或P2（UP）
P4（SP）
高精度級(jí)
P2（UP）
P2（UP）
軸承內(nèi)部必須設(shè)有間隙，便于調(diào)節(jié)移動(dòng)位移。
3.6.3軸承的選用及校核
軸承均選用深溝球軸承，查參考文獻(xiàn)[10]選軸承型號(hào)為6238 GB/T276-94。
軸承壽命校核：
查參考文獻(xiàn)[1]知軸承壽命計(jì)算公式為：
查表知：，當(dāng)量動(dòng)載荷為
。
對(duì)于球軸承，
，，
代入數(shù)據(jù)得：
可知軸承壽命足夠長(zhǎng)，選擇符合要求。
軸承潤(rùn)滑
由于傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速比較低，故軸承采用脂潤(rùn)滑即可，在軸承座內(nèi)加入足夠的脂潤(rùn)滑即可，對(duì)承受較大載荷來(lái)說(shuō)此種潤(rùn)滑方式十分適宜。
3.7 銷軸設(shè)計(jì)計(jì)算
銷軸抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算
式中 M─銷軸承受的最大彎矩；
銷軸抗彎截面模數(shù)；
──許用彎曲應(yīng)力，對(duì)于45號(hào)鋼
銷軸抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算
式中 Q──把銷軸當(dāng)作簡(jiǎn)支梁分析求得的最大剪力；
──銷軸許用剪應(yīng)力，45號(hào)鋼=125MPa。
銷孔拉板的計(jì)算
銷孔壁承壓應(yīng)力驗(yàn)算
式中 P──構(gòu)件的軸向拉力，即銷孔拉板通過(guò)承壓傳給銷軸的力；
d──銷孔拉板的承壓厚度；
d──銷孔的直徑；
──銷孔拉板的承壓許用應(yīng)力，
3.7.1銷孔拉板的強(qiáng)度計(jì)算
首先根據(jù)銷孔拉板承受的最大拉力P求出危險(xiǎn)截面
1. 內(nèi)力計(jì)算
拉板承受的拉力P是通過(guò)銷孔壁以沿孤長(zhǎng)分布?jí)毫的形式傳給銷軸，假定P沿弧長(zhǎng)按正弦規(guī)律分布，即
根據(jù)拉板的平衡條件可得
則
根據(jù)拉板結(jié)構(gòu)和受力的對(duì)稱性，可知拉板上反對(duì)稱的內(nèi)力（即剪力）等于零。若沿銷孔中心線截開拉板，則截面上只有軸力Nb及彎矩Mb。
根據(jù)平衡條件，得
由于根據(jù)平衡方程解不出Mb，故是一次超靜定問(wèn)題，須根據(jù)變形條件求Mb。為此需列出與水平線成a角的任一截面的彎程方程：
將及
代入上式，得
令
，截面的彎矩：
因?yàn)槔宓慕Y(jié)構(gòu)和受力是對(duì)稱的，故a-a截面的轉(zhuǎn)角qa應(yīng)等于零，即
代入上式
則
得
根據(jù)平衡條件，得
3.7.2強(qiáng)度計(jì)算
應(yīng)用彈性曲梁公式求危險(xiǎn)截面的應(yīng)力
式中 A──計(jì)算截面積，對(duì)于矩形面積；
K──與計(jì)算截面形狀有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于矩形截面
b—b截面：
代入得內(nèi)側(cè)應(yīng)力
代入得外側(cè)應(yīng)力
a—a截面：
代入得內(nèi)側(cè)應(yīng)力
代入得外側(cè)應(yīng)力
3.8本章小結(jié)
首先對(duì)負(fù)載進(jìn)行分析、對(duì)銷軸、帶輪進(jìn)行選型計(jì)算最后對(duì)螺栓、軸承等部件進(jìn)行校核。
第4章 3D打印機(jī)三維建模
?4.1 Solidworks三維建模技術(shù)
Solidworks軟件涉及到航空航天、機(jī)器人等個(gè)領(lǐng)域，越來(lái)越多的被人們接受，它倡導(dǎo)三維CAD軟件的易用性、高效性。 他不僅能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的三維建模，也能夠進(jìn)行二維圖的繪制，同時(shí)還可以與各種軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，不僅可以完成運(yùn)動(dòng)仿真，而且還可以進(jìn)行有限元分析。
4.2 3D打印機(jī)三維建模
3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)的三維模型如圖4.1所示。
圖4.1 Solidworks三維模型
支架建模如下首先選取前基準(zhǔn)面，進(jìn)行草繪。操作過(guò)程如下：
1、運(yùn)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊草繪按鈕，選取前視基準(zhǔn)面繪制草圖如下圖所示
圖4.2 繪制草圖
2、切除兩側(cè)特征，切除厚度為25mm。
圖4.3 拉伸菜單示意圖
3、建立螺紋孔。
建立支架，首先建立草繪模型，完全貫穿，選取該特征的底部為參考面，然后繪制草圖—拉伸，該過(guò)程與上圖的繪制基本一致。最后通過(guò)拉伸，即可求得。
圖4.4 安裝孔
支架三維圖如圖4.5所示。
圖4.5支架
同理，其他零件支架、傳輸帶、軸承、連桿、底座、電機(jī)等主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的三維模型，方法基本一致，只是使用的特征按鈕不一樣，操作方法基本相同。
側(cè)面蓋板三維圖如圖4.6所示
圖4.6 側(cè)面蓋板
上側(cè)支架蓋板如4.7圖所示。
圖4.7上側(cè)支架蓋板
電機(jī)模型如圖4.8所示，通過(guò)拉伸切除以及掃描命令得出。
圖4.8電機(jī)
主動(dòng)帶輪三維建模如圖4.9所示，通過(guò)拉伸切除、陣列命令即可得到。
圖4.9 主動(dòng)帶輪
電機(jī)座的模型如圖4.10所示，孔通過(guò)陣列掃描命令，即可求得所得模型。
圖4.10電機(jī)座
散熱殼模型如圖4.11所示，首先建立上方安裝架，其次建立軸承孔。
圖4.11散熱殼
顯示屏模型如圖4.12所示，通過(guò)草繪圓形，經(jīng)等距命令，拉伸即可求得。
圖4.12 顯示屏
直線軸承三維建模如圖4.13所示。
圖4.13 直線軸承
立柱的三維建模如圖4.14所示。
圖4.14 立柱
下底座的三維模型如圖4.15所示。
圖4.15 下底座
接近傳感器三維模型如圖4.16所示
圖4.16 接近傳感器
散熱器三維模型如圖4.17所示。
圖4.17 散熱器
調(diào)節(jié)螺栓如圖4.18所示
圖4.18 調(diào)節(jié)螺栓
調(diào)節(jié)彈簧如圖4.19所示
圖4.19 調(diào)節(jié)彈簧
導(dǎo)軌卡座三維模型如圖4.20所示
圖4.20 導(dǎo)軌卡座
繞線滾三維模型如圖4.21所示.
圖4.21 繞線滾
轉(zhuǎn)接板如圖4.22所示
圖4.21 轉(zhuǎn)接板
噴墨頭如圖4.22所示
圖4.22 噴墨頭
4.3 3D打印機(jī)裝配
在Solidworks軟件里面，配合主要有重合、平行、垂直、相切、同軸心、鎖定、及距離、角度等配合功能，根據(jù)具體的配合要求選取不同的配合來(lái)完成機(jī)器的裝配，使之成為一個(gè)裝配體。裝配的配合界面如下圖所示。
圖4.23配合界面示意圖
根據(jù)該機(jī)器的裝配特點(diǎn)，其裝配主要是轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)計(jì)配合，及面與面的重合，因此只需用到同軸心配合及重合兩種裝配方式。
下面將以裝配配合進(jìn)行介紹。
首先在Solidworks軟件里面建立裝配體組裝界面。打開裝配體文件夾，具體操作過(guò)程如下：
點(diǎn)擊新建，里面有文件夾形式的選取，包括零件及按鈕，選取裝配體文件，打開裝配體界面。
圖4.24 裝配示意圖
各個(gè)部件之間的組裝用到的命令有同心、重合、距離命令。
運(yùn)用Solidworks 渲染功能，渲染效果圖如下圖4.25所示。
圖4.25 三維渲染效果圖
4.4 本章小結(jié)
采用三維軟件SOLIDWORKS對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了各個(gè)關(guān)鍵部件，最后還設(shè)計(jì)了其他附屬零件，并對(duì)其進(jìn)行了組裝，同時(shí)對(duì)各個(gè)部進(jìn)行建模，最后將所有的零部件組裝在一起，將裝配屬性中的剛性變成柔性。便于操作。
第5章 總結(jié)
首先介紹了3D打印機(jī)工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，針對(duì)各種3D打印機(jī)機(jī)構(gòu)分析比較，綜合各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的構(gòu)型方案。
根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，分析，最后確定3D打印機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，然后分別對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)思；
針對(duì)設(shè)計(jì)的方案，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對(duì)螺栓、銷軸、軸承、同步帶進(jìn)行校核，驗(yàn)證其安全性能。
最后根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用三維軟件solidworks軟件對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行三維建模，建立各個(gè)零部件三維模型，最后組裝成裝配體，對(duì)裝配體特性進(jìn)行修改。
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致謝
本論文是在導(dǎo)師()教授的悉心指導(dǎo)下完成的，()淵博的知識(shí)、對(duì)研究嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和無(wú)私的奉獻(xiàn)精神都是學(xué)生的楷模，在論文完成之際，謹(jǐn)向恩師表示真誠(chéng)的敬意和由衷的感謝，在開題階段，()指導(dǎo)我如何選題、如何提取論文中的中心點(diǎn)，在論文的寫作過(guò)程中，他仔細(xì)審閱，指出我論文中的錯(cuò)誤和不足，給出正確的理論指導(dǎo)。()學(xué)識(shí)淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，工作兢兢業(yè)業(yè)，在不知不覺(jué)中給予我深遠(yuǎn)的影響，并將受益終生。
感謝()等的幫助和指導(dǎo)，是他們不辭辛勞，給我們培訓(xùn)，多次帶領(lǐng)我們參加世界的大型機(jī)械展覽會(huì)，使我在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)專業(yè)理論水平大幅度提高，并將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。
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