巧克力擠出式3D打印機結構設計

畢 業(yè) 論 文巧克力擠出式 3D 打印機結構設計學生姓名：專業(yè)班級：指導教師：學 院： 機電工程學院巧克力擠出式 3D 打印機結構設計摘要隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用于生活當中，3D 打印技術也將被推向更高的層面。如今人們物質(zhì)生活豐富，更多人們追求個性的生活。喜歡一些 DIY 設計，把自己喜歡的圖案作為服飾或者食物的形狀。鑒于 3D 打印的流行和人們個性的追求，設計一款巧克力 3D 打印機是非常有前景的。本設計基于快速成型技術的基本原理，對于普通 3D 打印機結構加以研究，特別對打印的材料和材料輸出的方式加以設計和改進。在普通的擠出式打印機基礎上進行優(yōu)化設計，以巧克力為打印材料，先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，通過單片機讀出截面的信息，由單片機指導三個坐標滑臺運動和控制擠出頭擠出量。本次設計的巧克力擠出式 3D 打印機主要為機械結構，由 X、Y 、Z 坐標滑臺、擠出頭、滾珠絲桿副、直線導軌，箱體等部分組成。其中 X、Y 、Z 坐標滑臺是來實現(xiàn)三個自由度的運動，分別由三個步進電動機驅動，滾珠絲杠副傳遞運動，使坐標滑臺在直線導軌上做直線運動。最后設計出箱體結構設計比較簡潔，容易實現(xiàn)桌面化。設計出能打印長 200 mm，寬 200 mm，高 100 mm 的巧克力 3D 打印機。關鍵詞 3D 打印機；快速成型；結構設計3D printer structure design of extrusion of chocolateAbstractWith the further development of intelligent manufacturing, new information technology, control technology, materials technology has been widely used in daily life, 3D printing technology will be promoted to a higher level. Now people rich material life, more and more people the pursuit of individual life. Like some DIY design, their love pattern as clothing or food shape. In view of the 3D print popular and people's pursuit of personality, the design of a 3D chocolate printer is very promising. The basic design principle of rapid prototyping technology based on 3D structure, for ordinary printer to be studied, especially for the printing of materials and material output mode design and improvement. To optimize the design of extrusion type printer based in common, with chocolate for printing materials, through the modeling of computer modeling software, and then built the 3D model of “partition“ layer by layer section, read the section of the information through the MCU, MCU instruction by three coordinate slider movement and control of extrusion head extrusion amount. The design of the extrusion type 3D chocolate printer mainly for mechanical structure, composed of X, Y, Z coordinates, the extrusion head slide, ball screw, linear guide, case etc The X, Y, Z coordinates of the slide is to realize three degrees of freedom of movement, which is composed of three stepper motor driven ball screw transmission, movement, coordinate slider motion in a straight line on the linear guide rail. The structure design is simple, easy to implement desktop. Designed to print length 200 mm, width 200 mm, 100 mm 3D chocolate printer.Keywords ：3D printer; rapid prototyping; structure design目錄摘要Abstract目錄 IV1 前言 11.1 研究背景 .11.1.1 研究目的 21.1.2 研究意義 21.2 研究方法和內(nèi)容 .31.2.1 研究方法 31.2.2 研究的主要內(nèi)容 32 整體結構和工作原理 42.1 設計參數(shù) .42.2 工作原理分析 .42.3 整體結構組成 .52.4 整體方案設計與分析 .62.4.1 滑臺部件設計 62.4.2 擠出部件設計 82.4.3 機架部分設計 102.5 總裝圖 .113 重要零件的設計計算和校核 123.1 電機的選擇 .123.2 聯(lián)軸器的選擇 .133.3 擠出裝置部件的設計計算 .143.3.1 螺桿的設計 143.3.2 機筒的設計 153.3.3 螺桿的強剛度校核 163.4 軸的計算和校核 .173.4.1 初估軸頸 173.4.2 軸的剛度校核 183.5 軸承壽命的計算 .193.5.1 初選軸承型號 193.5.2 計算軸承的當量動載荷 193.5.3 軸承的壽命計算 204 基于 SolidWorks 的各部分機械結構設計 214.1 直線滑臺的三維設計 .214.2 擠出裝置的機構設計 .214.3 機架本體的結構設計 .224.4 整體裝配圖結構 .23結論 .25參考文獻 .26致謝 .2701 前言1.1 研究背景隨著時代的進步，我們的生活水平日漸提升，同時，人口也在急劇的增長，我們需要越來越多的物品來滿足物質(zhì)生活條件。這就勢必造成我們對物品的要求也會越來越高，做工精細、獨特且非量產(chǎn)的物品會受廣大人們的喜愛。如今，我們擁有了 3D 打印這一先進的技術，我們可以通過 3D 打印機來打印各種我們所需要的、想要的。3D 打印技術應用面廣，它可以用于醫(yī)療行業(yè)、科學研究、產(chǎn)品模型、建筑設計、制造業(yè)及食品等，前景廣泛 1。3D 打印技術，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D 打印機則出現(xiàn)在上世紀 90 年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置 2。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。如今這一技術在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術有了長足的進步，目前已經(jīng)能夠在 0.01mm 的單層厚度上實現(xiàn) 600dpi 的精細分辨率。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 Stratasys 兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。此外，在此領域具有較強技術實力和特色的企業(yè)、研發(fā)團隊還有美國的 FabHome 和 Shapeways、英國的 Reprap 等。3D Systems 公司是全世界最大的快速成型設備開發(fā)公司。于 2011 年 11 月收購了 3D 打印技術的最早發(fā)明者和最初專利擁有者 Z Corporation 公司之后， 3D Systems 奠定了在 3D 打印領域的龍頭地位。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。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 3。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。在歐美發(fā)達國家，3D 打印技術已經(jīng)初步形成了成功的商用模式。如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領域，3D打印技術可以以較低的成本、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 4。另外， 3D 打印技術獲得應用的領域是個性化消費品產(chǎn)業(yè)。如紐約一家創(chuàng)意消費品公司 Quirky 通過在線征集用戶的設計方案，以 3D 打印技術制成實物產(chǎn)品并通過電子市場銷售，每年能夠推出 60 種創(chuàng)新產(chǎn)品，年收入達到 100 萬美元 5。自 20 世紀 90 年代以來，國內(nèi)多所高校開展了 3D 打印技術的自主研發(fā)。清華大學在現(xiàn)代成型學理論、分層實體制造、FDM 工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大1 前言1學在分層實體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了 HRP 系列成型機和成型材料；西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應成型材料，成型精度達到 40.2mm；中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領域得到應用 6。但總體而言，國內(nèi) 3D 打印技術研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。近年來，國內(nèi)企業(yè)已實現(xiàn)了 3D 打印機的整機生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)共同的特點是由海外歸國團隊建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術與國外廠商同類產(chǎn)品相比尚處于低端。目前，國產(chǎn) 3D 打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術水平有待進一步提升。在服務領域，我國東部發(fā)達城市已普遍有企業(yè)應用進口 3D 打印設備開展了商業(yè)化的快速成型服務，其服務范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設計、文物復原等多個領域。與內(nèi)地相比，我國港臺地區(qū) 3D 打印技術引入起步較早，應用更為廣泛，但港臺主要著重于技術應用，而非自主研發(fā) 7。1.1.1 研究目的隨著科學技術的發(fā)展和不斷進步，人們對生活的質(zhì)量要求越來越高，需求也越來越特別，總喜歡設計出自己想要的東西，而不是個商店里賣個固定的種類。巧克力是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷氖称?，也是?jié)日里送朋友戀人的最佳禮物。人們?nèi)绻芨鶕?jù)自己的想法設計出自己想要的圖案，或者寫一些有意義的話。將這些創(chuàng)意應用在 3D 打印機上，用 3D 打印機將這些創(chuàng)意打印成巧克力，再將其作為禮物送給別人。這無疑將受到大家的青睞。而且設計出的巧克力打印機比較輕便，適合于家庭使用，這樣就可以在家自己制作 DIY 巧克力了。3D 巧克力打印機的研制將科學技術的進步帶入了普通的人們生活中，大大地提高了人們的生活質(zhì)量。通過本次設計研究，將傳統(tǒng)的 3D 打印機進行改進和創(chuàng)新，使其在不需加熱和冷卻等復雜情況下，能打印出形式各種各樣的巧克力作品。設計的巧克力擠出打印機，具備普通的 3D 打印機的功能和結構，同時應用現(xiàn)在所學的知識進行設計改進。一方面可以將快速成型技術進行改進設計，同時，另一方面，對于自身而言也是將理論知識運用于實踐的舉措。對于 3D 打印機，特別是擠出式的 3D 打印機有更進一步的了解和掌握。1.1.2 研究意義本次研究設計通過改進原有三維打印機復雜性方案，從而改善結構的工藝性。與傳統(tǒng)模型制作相比，3D 打印具有傳統(tǒng)模具制作所不具備的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)如下 :制作精度高，經(jīng)過 20 年的發(fā)展，3D 打印精度有了大幅度的提高。 目前市面上的 3D 打印成型的精度基本上都可以 0.3 mm 以下。制作周期短，傳統(tǒng)模型制作往往需要經(jīng)過模具的設計模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期長。而 3D 打印則去除了模具的制作過程，使得模型的生產(chǎn)時間大大縮短，一般幾個小時甚至幾十分鐘就可以完成一個模型的打印?？梢詫崿F(xiàn)個性化制作 8。對于傳統(tǒng)模型的制作，個性化模型的生產(chǎn)就顯得力不從心，或2者是成本高昂。 而 3D 打印對于打印的數(shù)量沒有限制，不管是一個還是多個，都可以以相同的成本制作出來。制作材料的多樣性。一個 3D 打印系統(tǒng)往往可以實現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領域的需要。 比如金屬石料高分子材料都可以應用于 3D 打印 9。制作成本相對低。 雖然現(xiàn)在 3D 打印系統(tǒng)和 3D 打印材料比較貴，但是如果用來制作個性化產(chǎn)品，其制作成本就相對較低了 加上現(xiàn)在新的材料不斷出現(xiàn)，其成本下降將是未來的一種趨勢。發(fā)展創(chuàng)新與突破，3D 打印被用作經(jīng)濟學人雜志封面，主題為看制造業(yè)新技術如何改變世界，詳細介紹了 3D 打印的歷史和發(fā)展，可見人們對于 3D 打印成為一項可以改變世界的影響力日益關注 10。 而 3D 打印的價值體現(xiàn)在想象力馳騁的各個領域，人們利用 3D 打印為自己所在的領域貼上了個性化的標簽。1.2 研究方法和內(nèi)容1.2.1 研究方法第一，分析相關資料法。首先應該對于國內(nèi)外的研究和發(fā)展的現(xiàn)狀有所設計和了解掌握，對于相關的信息進行分析，和歸納。通過對期刊、歷史的資料和相關的文獻等有關材料進行翻譯和分析掌握，來獲得巧克力擠出式 3D 打印機系統(tǒng)的一些發(fā)展現(xiàn)狀。第二，學習法。請教畢業(yè)設計的指導老師，請教學校里有關方面的專家，與同學進行討論，思考，到實地觀察和分析現(xiàn)有的 3D 打印機的優(yōu)點，主要還有那些不足之處，進行學習和不斷地改進創(chuàng)新。第三，調(diào)查法。走訪一些 3D 打印機的銷售處，去訪問一些相關公司的網(wǎng)頁，對實體有了進一步的觀察和了解，記錄相關的數(shù)據(jù)。到實地拍攝，考察，研究現(xiàn)有的 3D 打印機。并且，根據(jù)自己的觀察，做成一些方案。通過以上的研究方法，總結出巧克力擠出式 3D 打印機的研究路線：分析國內(nèi)外的研究背景情況查找相關的資料市場調(diào)查和研究分析做出具體的設計方案繪制相關的圖紙進行意見的反饋修改相關的圖紙。1.2.2 研究的主要內(nèi)容本課題主要研究內(nèi)容如下：（1）對于巧克力擠出式 3D 打印機在設計過程中，所遇到的一些重大問題進行科學合理的分析，并且提出個性的解決方案。（2）針對快巧克力擠出式 3D 打印機的機構進行設計分析，主要的，特別是在巧克力擠出頭的結構設計。在普通 3D 打印機的基礎上，進行適當?shù)卦O計與改進。再根據(jù)實際需要來進行加工機構的分析，并且，對于具有決定意義的零部件進行剛度校核，和強度的校核。2 整體結構和工作原理32 整體結構和工作原理2.1 設計參數(shù)巧克力擠出式 3D 打印機一般由機械結構系統(tǒng)，單片機控制脈沖系統(tǒng)和三維建模軟件系統(tǒng)三大 出式 3D 打印機的設計主要分為這樣幾個部分。首先是三個自由度上的直線運動，通過步進電機帶動滾珠絲桿螺母副實現(xiàn)工作臺或擠出頭的移動。其次是擠出頭部分，也是此設計的重點。此次設計的擠出頭類似于單螺桿泵結構，擠出原理是由步進電機經(jīng)由聯(lián)軸器帶螺桿轉動，從而使得腔體里有一個體積差，形成壓力差，使得輸入的巧克力能以一個相對穩(wěn)定的速度從擠出頭里擠出 11。另外是工作臺部分。工作臺是電機分別帶動滾珠絲桿螺母副實現(xiàn) XY 兩個方向的運動。最后就是打印機的主體部分，由立板，支撐板，折板等構成，組成機床的大致框架。巧克力擠出式 3D 打印機的主要技術參數(shù)如表 2-1：表 2-1 巧克力擠出式 3D 打印機的主要技術參數(shù)工作臺尺寸 打印尺寸 截面精度 厚度精度400×400mm 200×200×100mm 0.01mm×0.01mm 0.005mm2.2 工作原理分析 巧克力擠出式 3D 打印機的工作原理是這樣的。首先 xyz 的滑臺組是實現(xiàn)工作臺或擠出頭的直線移動。滾珠絲杠副的原理如圖 2-1 所示，通過步進電機連接聯(lián)軸器，帶動絲桿轉動，從而實現(xiàn)滑臺和工作臺的直線運動。通過步進電機的輸入端輸入不同大小頻率的脈沖，由于步進電機的步距角很小，一般為 0.9 度或 1.8 度，這樣就可以由步進電機輸出平穩(wěn)精度高的直線運動 12。圖 2-1 滾珠絲杠副螺桿泵由步進電機帶動轉動，從而使得螺桿轉動。螺桿泵的結構如圖 2-2 所示，泵的主要部件是轉子（螺桿）和定子（螺腔）。轉子是一根單頭螺旋的鋼轉子；定子是一4個通常由彈性材料制造的、具有雙頭螺旋孔的定子。轉子在定子內(nèi)轉動。泵內(nèi)的轉子是呈圓形斷面的螺桿，定子通常是泵內(nèi)具有雙頭螺紋的橡皮襯套，螺桿的螺距為橡皮套的內(nèi)螺紋螺距的一半。螺桿在橡皮內(nèi)作行星運動，螺桿通過平行銷聯(lián)軸節(jié)（或偏心聯(lián)軸器）與電機相連來轉動的 13。1.出料腔 2.拉桿 3.螺桿套 4.螺桿軸 5.萬向節(jié)總成 6.吸入管 7.連節(jié)軸 8、9.填料壓蓋 10.軸承座 11.軸承蓋 12.電動機 13.聯(lián)軸器 14.軸套 16.傳動軸 17.底座圖 2-2 單螺桿泵結構螺桿與橡皮套相配合形成一個個互不想通的封閉腔。當螺桿轉動時，封閉腔沿軸向有吸入端向排出端方向運動，封閉腔在排出端消失，同時在吸入端形成新的封閉腔。螺桿作行星運動使封閉腔不斷，向前運動以至消失，即將料液向前推進，從而產(chǎn)生抽吸料液的作用 14。2.3 整體結構組成巧克力擠出式 3D 打印機主要有三部分組成，如圖 2-3 所示：圖 2-3 總體結構2 整體結構和工作原理5（1）擠出部分。由動力裝置、機架、傳動機構、螺桿組成。（2）三方向運動部分。由動力裝置、機架、傳動裝置、絲杠螺母副等部件組成。（3）機架部分。由支撐架、固定板、工作臺面等部分組成。2.4 整體方案設計與分析在本次設計和研究的過程中，我們充分考慮了該打印機在使用的通用性，可以適用多種類似巧克力材料，如蛋糕、奶油等。機械結構最大限度，采用了外購件，包括標準件和通用件，并且經(jīng)過了標準化的檢驗，這就使得機械結構零部件的標準化系數(shù)已經(jīng)符合國家的標準。通用零部件已經(jīng)過長期的可靠性的驗證，在技術已經(jīng)十分的成熟。同時，該機械結構十分簡單，具有廣泛的適用性和實用性。2.4.1 滑臺部件設計（1）電機選擇：由于本次巧克力擠出式 3D 打印機的設計為簡化的設計，在減速器方面沒有過多的設計。我們對于電機的要求較高。在步進電機和伺服電機選擇，分析它們的性能如下：、控制精度不同。兩相混合式步進電機步距角一般為 3.6°、1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為 0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為 0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置 1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準 2500 線編碼器的電機而言，由于驅動器內(nèi)部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為 360°/10000=0.036°。對于帶 17 位編碼器的電機而言，驅動器每接收 217=131072 個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為 360°/131072=9.89秒。是步距角為 1.8°的步進電機的脈沖當量的 1/655。 、低頻特性不同。步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT ），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。 、矩頻特性不同。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在 300600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為 2000RPM 或 3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定 轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。 、過載能力 不同。步進電機一般不具有 過載能力 。交流伺服電機具有較強的過載6能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。 、運行性能不同。步進電機的控制為開環(huán)控制 ，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 、速度響應性能不同。步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要 200400 毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下 MSMA 400W 交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合 15。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但伺服電機的成本遠高于步進電機。在考慮設計的經(jīng)濟性時，我們選擇步進電機作為運動源。電機功率和轉矩較小，但是要求精度較高，步矩角小，分辨率高，同時體積和質(zhì)量要小。最后選型為 LC57HS0601 步進電機。（2）聯(lián)軸器選擇：聯(lián)軸器連接電機輸出軸和絲桿軸，輸出的轉矩不大，可按照電機軸和絲桿軸的軸徑選擇聯(lián)軸器型號。根據(jù) GB/T 5272-2002梅花形彈性聯(lián)軸器選用最基本型 LM1-MT1。（3）絲桿螺母副設計：滾珠絲杠副是由絲杠及螺母二個配套組成的。是目前傳動機械中精度最高也是最常用的傳動裝置。根據(jù)設計的工作臺尺寸 400×400 mm，所以絲桿的長度為 400 mm。絲桿和光桿配合使用支撐滑臺，由于絲桿光桿承受的力較小，初選其直徑為 mm。滾珠絲杠的基本參數(shù)公稱直徑 16 mm，公稱導程 2.5 mm，精度 716級。根據(jù) GB/T 17587.2-1998 選擇滾珠絲杠型號為 GB17587-16×2.5×38016。滾珠絲杠副的安裝方式選擇兩端鉸支，如圖 2-4（a）、（b ）所示。此結構簡單，軸向剛度小，適用中等回轉剛度。兩根光桿和絲杠配合，滾珠絲杠螺旋轉動帶動螺母滑臺直線移動，運動如圖 2-4（c ）所示。圖 2-4 滑臺組2 整體結構和工作原理72.4.2 擠出部件設計（1） 電機選擇擠出頭擠出熔體巧克力時需要運動平穩(wěn)，精度要求高，根據(jù)上節(jié)的電機選擇分析可選擇步進電機，厚度精度為 0.005 mm，需要選擇精度更高的步進電機。選型57BYGH002。（2） 偏心聯(lián)軸器設計 單螺桿泵的工作原理是偏心單頭螺旋的轉子（螺桿）在雙頭螺旋的定子孔（螺腔）內(nèi)繞定子軸線作行星回轉。在傳動軸和螺桿之間需要有個偏心聯(lián)軸器連接。此設計為簡化設計，設計出的偏心聯(lián)軸器基本結構如圖 2-5 所示，螺桿具有單頭螺紋,其任意截面皆為半徑為 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，繞軸旋轉且沿軸向移動而形成的 17。圖 2-5 偏心聯(lián)軸器（3） 傳動軸及螺桿設計按擠出頭的設計，電機輸出后連接聯(lián)軸器，再傳給傳動軸，在傳動軸上需要有軸承支撐，傳動軸設計如圖 2-6 所示，L1 段連接聯(lián)軸器，L2 段用于軸承支撐，L3 段連接偏心聯(lián)軸器。圖 2-6 傳動軸單螺桿擠出機是由一根阿基米德螺桿在料筒中旋轉構成，單螺桿擠出機的大小一般用螺桿的直徑來表示。螺桿是擠出機的關鍵部件，各嚙合螺桿之間以及螺桿與缸套間的間隙很小，在泵內(nèi)形成多個彼此分隔的容腔，轉動時，下部容腔 V 增大，吸入液體，然后封閉；封閉容腔沿軸向推移，新的吸入端形成，一個個的封閉容腔移動，液體就不斷被擠出。螺桿結構如圖 2-7 所示，螺桿的直徑（D ）與長徑比（L/D ）是螺桿的基本參數(shù) 18。8圖 2-7 螺桿（4） 擠出裝置的整體設計擠出裝置的原理是利用螺桿泵的相互嚙合空間容積變化來輸送熔體巧克力的。螺桿泵有單螺桿、雙螺桿和多螺桿等幾種。按螺桿的安裝位置可分為臥式和立式兩種。本設計所用到的是單螺桿立式安裝，整體設計就如圖 2-8 所示。圖 2-8 擠出裝置2.4.3 機架部分設計在本次設計的機架部分，主要包括底座支板，立板和懸臂板。底座支板上分布有 X進給方向的滑臺組，主要是起支撐作用，立板固定在底座支板上。在立板上布置 Y 軸的滑臺組，滑臺上固定懸臂板，懸臂板上布置 Z 方向滑臺組，滑臺組的支撐板上固定擠出裝置。這樣機架就把三自由度的滑臺組固定了，擠出裝置也被固定。此種結構簡單，可靠，安裝方便。2 整體結構和工作原理9圖 2-8 擠出裝置2.5 總裝圖根據(jù)設計參數(shù)和上述的各個機構的原理，設計出 3D 打印機，其總裝圖如圖 2-9 所示：圖 2-9 總裝圖103 重要零件的設計計算和校核3.1 電機的選擇巧克力擠出式 3D 打印機的電機分為以下幾種。第一種是 XYZ 三坐標進給機構中的步進電機，有三臺。第二種是擠出裝置中的步進電機，有一臺。本次設計對電機的要求高，故采用不僅電機，XYZ 軸的進給系統(tǒng)運動直接影響打印精度。進給系統(tǒng)的運動性能一樣采用同種步進電機。因為本次設計的重點是巧克力擠出式 3D 打印機的擠出裝置，因此，擠出裝置中的步進電機應該選擇更精度更高的。（1） 進給系統(tǒng)步進電機的選擇選用進給系統(tǒng)的動力源時，主要需要考慮轉動力矩的大小應滿足使用要求，響應要迅速，不產(chǎn)生丟步現(xiàn)象等等。計算電機力矩，根據(jù)電機的力矩選擇電機的型號。(3-1)mgF計算得： N 10F絲桿軸的直徑為 16mm，則所需力矩為(3-2)102T計算得： N·m 05.126.T考慮滾珠絲桿副的摩擦和轉動慣量等因素，同時，步進電機在速度變化時應該保證恒轉矩，所以安全系數(shù)選 3 比較穩(wěn)妥，故電機力矩為N·m0165.35.0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。27（2） 擠出裝置系統(tǒng)電機的選擇擠出裝置系統(tǒng)的動力系統(tǒng)有下列的要求。首先分辨率應該高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境等因素的影響小，并且額定功率小，并且可用在數(shù)控開環(huán)的系統(tǒng)。而 BF 系列步進電機是反應式步進電動機。綜合以上的因素，我們選用了型號 LC57HS0602 的電動機作為本次設計主運動的動力源。額定功率為 0.37kW，額定轉矩 0.882N·m，外形尺寸 75mm。選用時主要有以下幾個步驟：根據(jù)需要的脈沖當量和綜合最大靜轉矩電機型號，來初選步進電機號，并從機械設計手冊中查到步距角 b ，3 重要零件的設計計算和校核11由 于 (3-3)360iLbp綜合考慮，初選了 ，i =2.08 ，可滿足以上公式。5.1b步進電機最大靜轉距 M1 是指電機的額定的轉距。步進電機的最大啟動轉矩 Mm 與最大靜轉矩 Mj 的存在一定的比例關系是：Mm= Mj (3-4) 步進電機的空載啟動是這樣定義的，一臺步進電機在沒有外加工作負載情況下的啟動，這時步進電機所需要的空載轉矩。動力式計算如下：Mk=M2+Mf+ (3-5)0在式中：M k 為空載啟動轉矩；M 2 為空載啟動時部件，由靜止一直到到最大快進速度，從而折算到電機軸上的加速產(chǎn)生的力矩；M f 為電機在空載時，來折算到電機軸上的摩擦轉矩。并且，我們需要保證初選電機型號時，需要滿足步進電動機的所需空載啟動力矩應該小于步進電機名義啟動轉矩。經(jīng)過計算和校核，步進電機 LC57HS0602 滿足要求。3.2 聯(lián)軸器的選擇在本次的設計上，采用的是步進電機直接通過聯(lián)軸器帶動絲桿軸，這樣就減少了減速箱這一部分的結構設計。在聯(lián)軸器的選擇上，在不考慮工作臺的基礎上，本次的設計有兩類聯(lián)軸器。一類是進給機構中的步進電機，軸頸較小，扭矩也較小。另一類是擠出裝置機構中的聯(lián)軸器，軸頸較大，同時，扭矩也較大。步進電機聯(lián)軸器，主要用于聯(lián)接步進電機軸與其他軸來傳遞扭矩，并且需要有精密的傳動能力。應該具有以下的特點，沒有間隙，聯(lián)軸器的整體在傳動運行的過程中不能有間隙；合適的的剛性，聯(lián)軸器不可以出現(xiàn)傳動的滯后性，否則將嚴重影響步進電機傳動的和工作的精度。比較小的慣量，在強度的基礎之上，應降低步進電機聯(lián)軸器的重量。柔性應該較好，有精密要求的的步進電機聯(lián)軸器，不僅需要剛性高，同時需要校正在安裝過程中產(chǎn)生的主動軸與從動軸之間的各種各樣的誤差。選擇彈性柱銷聯(lián)軸器，GB/T 5014-2003，型號為 LX1，公稱轉矩為 250N·m，軸頸18mm，D 為 90mm，b 為 20mm，質(zhì)量為 2kg。擠出裝置上的聯(lián)軸器的要求進給系統(tǒng)上的有很大的不同。它傳遞的轉矩小，軸頸也較小，因此選用剛性聯(lián)軸器。選用聯(lián)軸器 LS9 -32-1214 L41，LS9 表示系列號，材料為鋁合金 。32 表示外徑尺寸為 32mm，定位螺絲固定 12mm，D1 軸徑為 12mm。123.3 擠出裝置部件的設計計算在本次設計的擠出裝置是應用單螺桿擠出機的原理，參照其原理進行簡化設計。我們擠出的材料為熔融的巧克力。把這種擠出機也稱為熔體擠出機。熔體擠出機的功能是泵送、加壓和混合熔體。從這些功能看亦可認為熔體擠出機是一種特殊形式的螺桿泵。根據(jù)熔體擠出機的功能要求，與塑化擠出機相比，有下列特點。螺桿直徑可選用較大尺寸。這是因為輸送的熔體質(zhì)是受螺桿直徑和螺槽深度影響較小，如最大宜徑可達 300 mm。螺桿長徑比較小，一極不超過 22 mm。顯然這是由于熔體擠出螺桿不擔負固體輸送和熔融物料的緣故。螺桿結構不一定采用三段式分段，如采用長區(qū)漸變式全錐形結構。一般只要求裝設混和元件，僅在特殊需要時才裝設剪切元件。為防止剪切過熱螺桿速度可取較低值。同時需要的驅動功率也較小。根據(jù)自熱擠出原理，若取高螺桿轉速時，加熱功率必然很低。機筒加熱器的主要作用是保持熔體溫度。因此需要的加熱功率較低。一般進料區(qū)不設冷卻裝置。擔負輸送熱敏性物料的擠出機，為防止過熱，可沿機簡裝設冷風系統(tǒng)濕度控制系統(tǒng)較簡單。一般不配置加料斗或料倉，而用熔體管直接輸入熔體。在聚合物加工工業(yè)小應用熔體擠出機作熔體輸送、配科等工作 19。3.3.1 螺桿的設計螺桿的材料選擇 38CrMoAIA 鋼。單螺桿擠出機螺桿的基本幾何尺寸關系表示在圖3-1 中。螺桿的幾何結構直接決定螺桿的性能。設計螺桿的主要任務就是確定其合理的幾何形狀及尺寸。圖 3-1 螺桿幾何結構(1) 螺桿的徑向尺寸巧克力熔體輸送速率計算螺桿直徑 Ds 系指螺桿外徑，其名義尺寸與機筒內(nèi)孔直徑 Db 相等。螺桿的直徑是螺桿擠出的標稱尺寸。這是由于螺桿直徑越大，機器產(chǎn)量越高，用螺桿直徑可大體估計機器的生產(chǎn)能力。取 Ds=32 mm。實際上機筒內(nèi)徑與螺桿外徑之間存在徑向間隙 。顯然有如下關系：f3 重要零件的設計計算和校核13(3-6)(21rbfD代入數(shù)據(jù)得： .0)6.32(5.0f螺桿螺紋表面與機筒內(nèi)孔表面形成近似于矩形截面的物料流道，通常稱螺槽。螺槽深度 H 與螺槽內(nèi)容料體積有關，是重要的幾何參數(shù)。當忽略徑向間隙時，螺槽深度即為螺桿螺紋高度。（2）螺桿的軸向尺寸螺桿具有一般螺紋件的共同要素螺紋導程 S 和螺旋角 。導程 S=32 mm。大多數(shù)單螺桿擠出機都配有單頭螺紋螺扦，因此螺距等于導程。螺旋角 將螺桿的徑向尺寸和軸向尺寸聯(lián)系起來，具有如下關系：(3-7)bDtan代入數(shù)據(jù)得： 318.024.3tan即螺旋角 67.1螺槽軸向寬度 B 是沿螺桿軸向量取的螺槽寬度。同樣螺的軸向寬度為 b。 mm4二者與螺距有下列關系：mm2843bS定義垂直于螺紋方向量取的尺寸為螺槽法向寬度 W 和螺棱以向寬度 e，并有下列關系式：(3-8)cos)(cosbSB代入數(shù)據(jù)得： mm mm 3.276.1cos28W9.3e（3）巧克力熔體輸送速率計算根據(jù)上述的設計，螺桿直徑 Ds=32 mm，螺距 S=32mm，螺槽的深度為 4 mm，螺旋角 。參照巧克力的物料參數(shù)，熔體粘度 熔體密度 。67.1 sPa203107.m計算熔體輸送速率。 (3-9)LDHnHDsQ232 in1sico1代入數(shù)據(jù)得： 。 m/03.3.3.2 機筒的設計本設計為普通機筒結構型式，普通機筒的幾何體型較簡單，但機筒內(nèi)孔機械加工精度和光潔度要求很高，設計機筒結構時必須結合機械加工特點考慮。機筒的結構型式按擠出機的類型、用途和制造條件，設計成整體式和分段式。整體式機筒用機械加工方法保證機筒的精度要求。分段式機筒，聯(lián)接法蘭影響熱傳遞均勻性，增加熱量消耗，裝配精度要求高 20。本設計采用整體式，根據(jù)螺桿的大小及尺寸設計出如下圖 3-2 的機筒。14圖 3-2 機筒幾何結構3.3.3 螺桿的強剛度校核（1）強度校核已知螺桿材料為 38CrMoAIA 鋼，許用應力 MN/m2，機頭的壓力 P=10 78MPa，螺桿的最高轉速 ，驅動電機功率為 1.5 kW，驅動裝置效率 。min/80r 95.0計算軸向力由常規(guī)螺桿的經(jīng)驗關系式：(3-10)PAPa)lg094.35.4(帶入得： MN618)0lg9.305.4( 2Pa由式(3-11)rayAP計算壓應力：MN/m27.46.5109.02y由式(3-12)max9nNM計算扭矩：N·m2495.0854n由式(3-13)610nWM計算剪應力：MN/m24.76.524938由式(3-14)2r3 重要零件的設計計算和校核15計算螺桿強度：MN/m29.146.72.42校核結果：螺桿強度符合要求。（2）剛度校核根據(jù)螺桿的材料為 38CrMoAIA 鋼， ， GN/m2，螺桿的許用扭轉角3.0E。m/1由式(3-15)4)1(67DMn計算扭轉角： m/6.01802)3(9514校核結果：剛度符合要求。3.4 軸的計算和校核在本次設計中有多個軸，比如進給機構中的三根絲桿軸，擠出裝置機構中的一個傳動軸。由于擠出裝置中的軸是豎直安裝，所受載荷小。軸的結構也簡單，故不需校核其剛度和強度。本設計中對 XYZ 進給精度要求高，而且軸的跨度較大。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。且絲桿軸只考慮其彎曲形變。在這里我們選取了一個具有典型意義的軸，X 軸上所在的絲桿軸。3.4.1 初估軸頸軸的材料均采用 45#鋼，為加強其性能，采用調(diào)質(zhì)處理。由機械設計手冊查得 MPa，查得 ，由公式得：640b10C(3-16)3Pdn確定該軸最最小軸處的軸徑。一般情況下，開一個鍵槽軸徑應增大 5%；開鍵軸可將估算的軸頸 的值增大 7%作為其小徑。由已知數(shù)據(jù)，求得軸徑并適當取整為：dmm，8.10753.49103d由于所求 應該為受扭部分的最細處，即安裝帶輪處，此處的軸徑應該有一個鍵槽，故軸徑應該增大 5%。則：mm，34.180.mind取整得此處軸徑大小為 mm，此處安裝聯(lián)軸器。1216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162d 123d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 3-2 所示：圖 3-2 絲桿軸的各段尺寸3.4.2 軸的剛度校核將絲桿軸簡化為圖 3-3 所示的簡支梁。圖 3-3 絲桿軸簡化成簡支梁簡化過程：絲桿軸兩端有軸承支撐，分別簡化成 A、B 鉸支點。將 X 工作臺的重力簡化成集中力，并作用于中點處，因為處于中點時絲桿軸的撓度最大。也就是對工作臺的精度影響最明顯。設工作臺整體重量 。NFC301) 計算變形。絲桿軸橫截面的慣性矩為(3-17)46DI代入數(shù)據(jù)得： 4432156mI當 Fc 作用時會引起 C 處產(chǎn)生撓度和截面的轉角如圖 3-4 所示，分別為：3 重要零件的設計計算和校核17圖 3-4 撓度轉角圖(3-18)EIFlwc483(3-19)lBA162代入數(shù)據(jù)得： mm 074.3254803crad 2.11632BA2) 校核剛度由于 X 軸進給精度為 0.01mm,所以許用撓度與許用轉角：mm40.0.lwrad1而mm mm74.cwrad rad02BA0.故剛度滿足要求。3.5 軸承壽命的計算3.5.1 初選軸承型號根據(jù)工作條件和軸頸直徑，初選軸 1 的支撐軸承型號為 。有機械設計手冊C7205查得：最大靜載荷 kN，額定靜載荷 kN， ， ，5.16rC5.0rC.e1.X0Y3.5.2 計算軸承的當量動載荷在 XYZ 進給系統(tǒng)中，軸的最高轉速為 682r/min，且軸承所承受的軸向力較大。所以對于軸承進行校核。點所受的力 N NB2.18nhF1.4801nvF18點所受得力 N ND6.172nhF6.142nvF在 點所受徑向載荷 (3-20)B 121nhvr在 點所受徑向載荷 (3-21)22nhvrF代入數(shù)據(jù)得 N ； N 149rF.1472rF因為在 點的徑向的載荷大于在 點的所受的徑向的載荷，所以按 點處軸承計算BDB軸承壽命。3.5.3 軸承的壽命計算因為本次設計工作環(huán)境溫度低于 120°，由機械設計相關表查得溫度系數(shù) ，所1tf以該軸承的壽命為：（3-22）PCfnLth601式中，C 表示額定靜載荷，P 表示所受的載荷，n 表示轉速，f t 表示溫度系數(shù)。代入數(shù)據(jù)得 h13057hL因為 12000h，故選用 7205C 軸承能滿足使用要求。10h4 基于 SolidWorks 的各部分機械結構設計194 基于 SolidWorks 的各部分機械結構設計本次的巧克力擠出式 3D 打印機的設計，主要考慮了各部分的機械結構。該設計主要分為以下幾個部分。一、進給系統(tǒng)，主要實現(xiàn)三坐標系的進給運動，設計出由步進電機為驅動源利用絲桿螺母驅動工作臺的滑臺組；二、擠出裝置部分機構，主要包括電機、傳動軸、螺桿和機筒。主要實現(xiàn)巧克力的均勻擠出；三、機架部分，主要包括橫梁立柱等機構實現(xiàn)工作臺的支撐和搭建平臺。下面就三維的簡易示意圖做詳細的分析 21。4.1 直線滑臺的三維設計在本次的巧克力擠出式 3D 打印機的進給系統(tǒng)的設計當中，直線滑臺的設計是一大創(chuàng)新點。一方面，它在實現(xiàn)既定的直線運動功能之外，另一方面，還能實現(xiàn)工作臺的支撐作用。分析直線滑臺的機械結構如下。首先，它由四塊立板構成框架。前后立板支撐光桿和絲桿，絲桿兩端有軸承支撐，光桿過盈配合。后面立板架著步進電機。在絲桿和光桿上，設計套有與絲桿配合的螺母。通過螺釘將滑臺固定在螺母上。這滑塊分別起著導軌的作用，使得絲桿的傳遞動力與導軌的承載作用分離。這樣就實現(xiàn)了電機帶動絲桿轉動，絲桿螺母副帶動滑臺直線運動。如圖 4-1 所示，為直線滑臺機構的示意圖。圖 4-1 直線滑臺的示意圖4.2 擠出裝置的機構設計在本次的設計中，三維設計較好的表現(xiàn)了擠出裝置的外形幾個組成部分。擠出裝置主要由以下幾個部分組成。首先是步進電機通過聯(lián)軸器與傳動軸相連接。傳動軸的另一20端與偏心聯(lián)軸器相連，偏心聯(lián)軸器的另一端與螺桿相連，螺桿和機筒配合連接。軸承座支撐傳動軸，最后將電機固定在折板上，折板和軸承座都固定在立板上，以便于將擠出裝置連接在 Z 方向的直線滑臺上。該機構實現(xiàn)如下的功能，一方面， Z 方向滑臺運動帶動擠出裝置向上或向下運動，實現(xiàn)坐標進給。另一方面在步進電機的驅動下，螺桿轉動將熔融的巧克力從擠出筒里擠出。如下圖 4-2 所示，為擠出裝置機構的示意圖。圖 4-2 擠出裝置三維結構圖4.3 機架本體的結構設計本次設計的機架本體主要包括立柱，上橫梁，下橫梁。機架本體部分主要起著連接作用，將各部件連接起來，有一個框架基礎。在本次設計中，沒有考慮控制部分。上橫梁和下橫梁立柱部分的連接不同。上橫梁通過滑塊可以做上下的移動。該移動實在加工之前根據(jù)要加工工件的厚度要求進行移動。而下橫梁是不能夠移動的，它被固定在立柱上。立柱通過連接螺釘與地腳螺釘相連接。4 基于 SolidWorks 的各部分機械結構設計21如圖 4-3 所示，為機架的本體部分。圖 4-3 機架本體三維結構4.4 整體裝配圖結構本次設計的所有零部件的三維結構設計完成以后要經(jīng)過安裝檢驗，保證其相互之間的尺寸合適，以及檢查其相互之間的運動是否會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，如果再此過程中發(fā)現(xiàn)裝配問題和運動干涉的問題，要及時的修改原有零部件的結構和尺寸，并且檢查裝配時的配合是否合理，保證沒有過定義出現(xiàn)。本次設計巧克力擠出式 3D 打印機的整體結構如圖 4-4 所示圖 4-4 巧克力擠出式 3D 打印機總裝三維圖結論22結論本次設計完成了巧克力擠出式 3D 打印機的機械結構設計。完成了對三維打印機XYZ 三坐標進給系統(tǒng)設計，擠出裝置設計，機架整體設計。本結構基本可以完成200×200×100mm 的巧克力打印制造，完成了設計要求。系統(tǒng)中零部件盡量選用常見標準件，造價低廉，經(jīng)濟性好。但是與已經(jīng)比較成熟的三維打印機技術相比較，本設計的精度明顯較低，無法適應先進制造技術的發(fā)展需要?？梢酝ㄟ^繼續(xù)完善控制系統(tǒng)來提高制造精度。參考文獻23參考文獻1杜鵬,王斌 . 淺析 3D 打印機的發(fā)展趨勢 J. 中國科技信息,2014,07:141-143.2王瑞玲. 3D 打印機設計的初步分析 J. 電子制作,2013,19:28-29. 3李波，高玲，肖慧主編. 擠出機M. 北京：中國建材工業(yè)出版社, 2011.11. 4譚秀騰,郭小定 ,李小龍,余亮. 基于 ARM 的桌面型 3D 打印機控制系統(tǒng)設計J. 應用科 技,2014,05:57-615S. 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