机械毕业设计（论文）-便携式三维打印机的结构设计.doc

学科代码：080301 学 号：101401010105 贵 州 师 范 大 学（本 科） 毕 业 论 文 题 目：便携式三维打印机结构设计 学 院：机械与电气工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 年 级： 姓 名： 指导教师： 完成时间：2014 年 4 月 25 日 便携式三维打印机的结构设计 摘要 本文首先对便携式打印机的目前发展趋势和现状作出相应的概括,包括便携式三维打印 机突出的优势。其次根据相应的指标、参数在满足标准化型材的前提下对三维打印机进行 整体结构设计，对某些重要的零部件详细分析它的参数和原理作用。其中结构设计这块还 包括标准型材、带轮、齿形带的选取。三维打印机在工作过程中因受应力的影响可能会发 生变形，所以接下来应用材料力学的知识对 X 方向运动的光杆进行受力分析校核，以确保 三维打印机能打印出精度比较高的产品。 最后，三维打印机工作的时候是三个方向一起运动，打印机能否同时在三个方向运动 就要先对打印机做运动仿真，对三个运动方向进行运动仿真，使其在理论上能满足基本运 动。运动仿真第一是创建新的连杆和运动副，其次写入驱动，最后解算方案，解算方案结 束后就可以进行运动仿真了。而打印机要精准稳定地做 X、Y、Z 方向的运动，必须要有精 确平稳的轨道承载，能否在这三个方向上自由地运动是我们对打印机研究的非常重要的部 分，而便携式三维打印机要求的是在最小的尺寸空间里实现三个运动方向运动范围的最大 化。设计中主要使用了 CAD、UG 等工程制图软件，用 UG 三维建模和运动仿真，CAD 画出二 维平面图，受力方面结合材料力学力的知识对三维打印机的主要部件进行了受力分析。 关键词：三维打印机；便携式；结构设计；受力分析；运动仿真 Abstract Firstly, the current trends and the status of development of portable printers make the appropriate generalization, including portable 3D printer outstanding advantages. Second, according to the corresponding indicators, parameters under standardized profiles to meet the prerequisite for the overall structural design of three-dimensional printer, some important parts of a detailed analysis of its parameters and principles of action. Piece design which also includes the selection criteria profiles, pulleys, toothed belt. 3D printer due to the impact of stress may be deformed in the course of their work, so the next application of knowledge of mechanics of materials on light pole in the X direction movement stress analysis check to ensure that a 3D printer can print out high precision products. Finally, the 3D printer to work together when the movement in three directions, the printer can simultaneously movement in three directions on the printer must first make motion simulation, on the direction of movement of the three motion simulation, so in theory, be able to meet the basic movement . The main steps are defined motion simulation rod, deputy campaign created to define the drive, the solver program, and finally get a 3D printer emulation motion animation. The stability of the printer you want to do precise X, Y, Z direction movement, must be exact stationary orbit carries, can freely move in this direction is our printer three very important part of the study, and portable 3D the printer is required to achieve three movement range of motion in the direction of the smallest dimension space is maximized. Design of the main uses CAD, UG and other engineering drawing software, 3D modeling and simulation using UG motion, CAD drawing two-dimensional plan, combined with the mechanical aspects of the force strength of knowledge of the main components of 3D printers were stress analysis. Keywords: 3D printer; portable; structural design; stress analysis; motion simulation 0 目录 1.1.引言引言.2 1.1 便携式三维打印机的发展概况及现状 .2 1.2 便携式三维打印机的特点 .3 1.3 便携式三维打印机的机遇和挑战 .4 2.2.便携式三维打印机便携式三维打印机的结构设计的结构设计.5 2.1 打印机指标 .5 2.2 整体结构设计 .5 2.3 框架结构 .6 2.4 底座支架 .6 2.5 底座梁支架.8 2.6 X 轴方向运动的优化设计 .8 2.6.1 工作原理.8 2.6.2 齿形带的选取.9 2.6.3 同步带轮的选取.9 2.6.4 喷头的简单结构设计 .10 2.7 电机的选择 .12 3.3.便携式三维打印机便携式三维打印机主要部件的受力分析主要部件的受力分析.14 3.1 X 方向运动光杆的受力分析 .14 4.便携式三维打印机的运动仿真便携式三维打印机的运动仿真 .17 4.1 创建连杆和运动副 .17 4.2 仿真动画 .18 4.3 仿真运动作图 .20 5.5.小结小结 .23 参考文献参考文献.24 1 1.引言 三维打印机在国内外算是一个比较新的领域，具有巨大的市场潜力，3D 打 印带来了世界性制造业革命，三维打印机可以不像传统的生产要依赖生产的工 艺性，三维打印机的优点是只要你设计出相应的产品模型，就可以打印出你想 要的东西。三维打印机不需要任何加工工具，可以节省很多人力物力，这样的 生产机器好像就是在代替一个人在制造产品。虽然三维打印机有如此大的优势， 但还不够完善。相信三维打印机在不久的将来会不断加大占领市场份额，到时 候的制造业中三维打印机是不可缺少的。4 而便携式三维打印机的主要目的是以价格低、占地面积少、实用等优点打 进平民百姓家中，三维打印机不仅可以应用在制造业，工业设计，医疗领域， 航空航天领域都有应用到三维打印技术。三维打印技术在这些领域的成长和普 及说明三维维打印机的研究是有必要的有实际意义的。我们在打印店里都能见 到的是二维的打印机，它只能做 X 和 Y 方向的运动，而三维打印机增加了 Z 轴 的运动，打印出来的是立体的实物。而喷头要精准稳定地做 X、Y、Z 方向的运 动，它必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三个方向上自由地运动是我们 对外形研究的重要部分，而便携式三维打印机要求的是在最小的空间里实现三 个运动方向运动范围的最大化。本次的毕业设计使用了 CAD、UG 三维制图软件 对该三维打印机进行结构设计、制图和受力分析。通过在指导老师和同学的帮 助下完成对便携式三维打印机的结构设计。 1.1 三维打印机的发展概况及现状 三维打印技术目前是一种高新技术，三维打印技术作为一种高科技技术， 目前应用到很多领域，如制造业，航空领域，医疗领域，化学技术，还有材料 学科等方面。三维打印技术的推广使得更多制造业有了相应的变革，打印技术 可以使制造效率不断挺高，方便快捷。而广泛应用的领域有医疗领域，建筑领 域，和机械设计制造领域。有些精密的制造业也可以通过三维打印技术完成。 在医疗领域上，三维打印机可以用人培养的细胞作为打印原材料打印器官，这 就给病人提供了对自己不排斥的器官。前段时间有个小孩因为天生没有鼻子， 于是医院就通过三维打印机打印出了一个与他个人相匹配的鼻子，并且成功应 2 用上去。这些成功的例子无疑在说明三维打印技术已经越来越接近我们的生活， 改变我们的生活。建筑领域，三维打印技术可以快速的打印出一栋很建筑模型， 可以省略很多传统的东西，某些工艺水平也是，传统工艺所不能企及的1 三维打印技术已经有了十多年的发展，目前分辨率可以达到 6000pi，厚度 精确到 0.001 毫米，这样的技术几乎可以打印出你肉眼能看得出来的东西，可 见这精度已经非常高了。当然我们可以应用三维打印技术高精确性，打印出更 多纯制造业很难完成的任务3 目前国内很多家公司相继完成了他们的三维打印机的生产和销售，虽然他们 的公司大小不能与国外大型公司相媲美，而且所做的产品的整体质量也没有国 外的那么好，但在中国的市场还是非常不错的。国内生产的三维打印机在材料， 模型结构，打印精准度方面还不能很好的满足消费者的需求。而在第三产业领 域在国内某些发达城市有很多企业引进了国外先进的三维打印设备，在此基础 上不断学习借鉴，并且有了技术上的提高。总之国内的三维打印技术还不够成 熟，还需进一步的发展技术。 3 目前在西方国家，三维打印技术已经大范围的应用到了商业。比如在某些 汽车制造业和电子制造厂商。三维打印技术的优势可以体现在高效率的基础上 打印出廉价的部件。纽约有一家公司手机了很多客户所实际需要的模型，或者 产品，收集之后用三维打印技术把收集来的方案打印成他们所需的实物，并且 获得了较好的成果。3 1.21.2 便携式三维打印机的特点便携式三维打印机的特点 三维打印机(3D Printers)还称作三维立体打印机，它跟二维打印机最大的区 别就是能打印出立体的物体，它的原理是通过激光烧结把材料融化用喷头一层 一层叠加起来形成三维的立体实物。三维打印机工作非常方便，只需在电脑上 制作出你想要打印的三维模型，然后导入到打印机中，就可以自动为你打印出 你想要的三维模型。目前为止三维打印机的材料还是相当有限的，要想打印出 一个材料丰富结构复杂的实物还是有很大难度的。总之三维打印机的打印精度 高，打印价格便宜，操作方便，生产效率高等优点受到了很多人的青睐。1 便携式三维打印机跟普通的三维打印机区别就是便携式可以随声携带，突 破了打印机固定在一个空间的限制，大大提高了它的实用性和便捷性。要实现 3 便携性就要在结构上下功夫，当在工作的时候结构是展开的，完成打印工作后 打印机的整体结构空间就会大大缩小，实现便携。便携式三维打印机不足的是 它的打印空间相对于其他打印机来说可能要小。 1.31.3 便携式三维打印机的发展带来的机遇和挑战便携式三维打印机的发展带来的机遇和挑战 从上面文章，我们可以发现，三维打印机要想成功的占领市场还需要面临 很多挑战和困难。其中打印机的生产价格，打印的材料，打印精准性，结构设 计等方面还有很多需要研究的地方，所以三维打印机的问世，既是一种机遇也 是一种挑战。 第一，生产成本方面。三维打印机的生产成本比较高，从刚开始设计一台 三维打印机到买材料，组装，测试校核等程序使得打印机的成本大大提高，为 了普及三维打印机很多商家生产出比较廉价的打印机，并且邀请那些对此比较 有兴趣的人共同开发，降低生产成本。第二，材料方面。目前三维打印机的成 型材料多为化学聚合物，打印出来的物体也大多是激光烧结后的化学聚合物。 然而作为三维打印机材料的多样性直接决定了生产多样性，可以见其的作用在 整个打印机中占的比例很大。总之要想成功的普及三维打印机在材料上下功夫 是不容忽视的。第三，打印精度方面。当前三维打印机的整体体积相对来说不 是很大，这就限制了打印物体的体积大小。很多人认为三维打印机想打印什么 就打印什么，其实还有很多因素要考虑，比如说打印的体积大小，和精度。三 维打印技术的精度相对于现在的高精度制造业来说，还是有很大差距的。第四， 研究开发方面。三维打印机的发展越来越进步的同时，外界对其的要求也会越 来越高。不仅仅是满足目前打印几个简单的三维模型，更重要的是应用到实际 的生产生活中，比如说医院要打印出病人的某些器官，这些要求的技术室非常 高的。研究人员需要花很大的时间去学习这些领域，也要相互合作才能达到目 的。三维打印机的应用也不仅仅是医疗，生物，制造，工程等都可应用到。第 五，市场。大家都知道开发一种产品除了其能服务大众，还有一个很重要的目 的是产生经济效益。要想产生大的经济效益就要占领足够的市场份额，目前三 维打印机不像二维打印机那么普遍。或者说三维打印机很少人会用得上，这就 需要研发者研发出更多实用的打印机走进千家万户1 4 2.2.便携式三维打印机的结构设计便携式三维打印机的结构设计 2.12.1 打印机指标打印机指标 其中三维打印机的主要技术指标为： 打印机的尺寸：260*190*300mm 底座（两型材间的距离）：114mm 打印的最大范围：140*78*100mm 标准型材的尺寸：25*25mm 电机的转速：3600r/min 2.22.2 整体结构设计整体结构设计 2.2.12.2.1 工作原理工作原理 便携式三维打印机在工作的时候是中间两根标准型材是立起的，立起的时 候能提供打印机在 X,Z 方向的运动空间。打印机总共有 5 个电机，两个同步电 机用在 Z 轴方向，一个用在 X 轴方向，一个用在 Y 轴方向，剩下一个是传送材 料到喷头用的。在打印机两边装有两个同步电机连接丝杆，带动喷头所在的光 杆做 Z 方向运动。X 方向的打印是通过喷头左右运动完成的，电机带连接在喷 头的齿形带，使喷头运动。而 Y 轴方向是底座的电机带动底板来回运动。 2.2.22.2.2 三维打印机的组成三维打印机的组成 标准型材：25*25mm,300mm2,260mm4,240mm5 无丝杆电机:三个，带丝杆电机：两个 同步带轮：四个 齿形带：两条 光杆：四根 六角螺栓+螺母 非标准件包括底座，底座梁支架，底座支架，喷头结构，提手，型材之间的连 接件等。 5 2.32.3 框架结构框架结构 打印机的结构主要由大小 25x25mm 的标准型材构成，底座由八根型材组成， 这样的底座稳固性非常强，能保证打印机在工作的时候不会发生摇动以至于打 印精度下降。打印机的 Z 轴传动通过立在两边的丝杆完成，左边的电机转动带 动丝杆完成喷头上下运动。喷头与光杆衔接左右运动。底座支架与底座的光杆 衔接通过带动底板做前后运动。为了是打印机工作平稳，底座上下两根型材分 别与立杆用连接部件固定，其中上面的型材与部件固定，拆卸时需拧下螺钉， 而下面的型材则与部件通过六角螺栓活动链接。这样就可以实现打印机在不使 用的情况下把立杆放下，便于携带。连接部件用三维软件设计并打印，部件的 统一厚度为 5mm。 2.42.4 底座支架结构底座支架结构 该结构的视图如下，它的主要作用是连接支撑底板，并带动底板做前后运 动。 底座支架结构图 底座支架在打印机中起关键作用，它的运动决定了底板的运动。上图中支 6 架的导槽与底座的光杆导套连接，支架中间在于齿形带固定。电机工作通过带 动支架在光杆上来回运动。然而底板与支架通过杆固定连接，实现了底座支架 带动底板的来回运动。 左底座梁支架结构： 底座梁支架的结构图 底座梁支架的作用就是支撑整个底板和固定光杆、电机。考虑到受力，底 座梁支架锁在型材上，左右各有一个支架固定两根光杆。一边的支架中间有固 定电机的地方，而且那块板相对来说比较厚，因为要承受比较大的力，包括电 机自重，和齿形带的拉力。 左底座梁支架三维图 7 2.52.5 右底座梁支架结构右底座梁支架结构 右底座梁的支架结构图 2.62.6 X X 轴方向运动的优化设计轴方向运动的优化设计 2.6.12.6.1 工作原理工作原理 X 轴方向的运动主要靠齿形带带动喷头运动完成，喷头固定在上下两条 齿形带上，增加了运动时的稳定性。喷头的运动方向是光杆的轴向，为了使喷 头运动时不受摩擦力影响，还需在喷头上套上光杆轴套，保证喷头能平稳运动。 齿形带传动通过左边的电机带动同步带轮完成。这部分主要介绍的是齿形带和 同步带轮的选取，及其参数，和喷头结构的简单设计。 X 轴方向运动三维图 8 2.6.22.6.2 齿形带的选取齿形带的选取 齿形带的二维图 齿距：5.08mm 齿高：1.27mm 齿厚：2.3mm 2.6.32.6.3 同步带轮的选取同步带轮的选取 因为此三维打印机是属于精加工类型，在选取加工类型精度比较高的同步带轮， 在满足齿形带的啮合下，选取的同步带轮的参数如下： 同步带轮的参数: 齿距：5.08mm 齿数：20 槽宽：11mm d1 节圆直径：32.3mm D 内径：6mm D 档边外径：38mm D1 凸台外径：26mm L 总长：25mm 同步轮的规格表如下： 9 10 2.6.42.6.4 喷头结构的设计喷头结构的设计 图一图一 图二图二 喷头构架上有两个光杆槽，槽里面要先装上光杆导套，如图一的主视图， 11 可以很清晰的看到。此喷头结构可以提供两个喷头使用。喷头有两部门组成一 部分是和光杆导套结合，第二部门是装喷嘴的，如图二，两部分通过四个螺钉 锁在一起，这样也增加了喷头整体结构的稳定性。 2.72.7 电机的选取电机的选取 考虑到三维打印机对电机的要求比较严格，电机的稳定输出及其相应参数 直接影响打印的精度。通过电机的自重，转动惯量，和转速的综合分析，选取 型号为 42HB40-054 的电机作为打印机的动力来源。 12 42HB40-054 电机的外形尺寸 便携式三维打印机打印机的结构 便式三维打印机的整体结构如上图所示，打印机有许多非标准件是通过三 维软件设计出来，然后再用工业打印机打印出来，需要注意的是在建模的时候， 一个整体部分要记得求和。包括有些地方受力比较大的，设计时要考虑稳定性， 以防止工作影响打印效果。 13 3.3.便携式三维打印机主要部件的受力分析便携式三维打印机主要部件的受力分析 3.13.1 X X 方向运动光杆的受力分析方向运动光杆的受力分析 因为 x 方向运动有两根相同的光杆支撑，他们所受的力的大小方向都是一 样的，所以在做受力分析的时候先把它作为一根来算。先取光杆随意一点 C， 就是喷头运动的位置作受力分析剪切力。同时求 x1,x2 位置的剪切力和弯矩。 光杆受力的剪力图和弯矩图如下。现在根据实际尺寸，算出喷头在实际工作中 光杆某点的剪力喝弯矩。 光杆的受力图 剪力图 14 弯矩图 光杆长：266mm 令 a=100mm,b=166mm F=3N 确定约束力: 取 X1=0.08,求出喷头力作用在 X1 点处时剪力和弯矩的大小 axlFbxFS 11 0/ axlFbxxM 111 0/ 00， BA MM FAyF b/ l FByF a/l FAy3*0.166/0.266 =1.87N FBy3*0.1 /0.266=1.13N axxFS 11 087.1266.0166.03 axmNxM 11 0.15 . 0 266. 008 . 0 166 . 0 3 15 取 X2=0.12，求出喷头力作用在 X2 点处时剪力和弯矩的大小 lxalFaxFS 22 / lxalxlFaxM 222 / lxaNxFS 22 13.1266.01.03 lxamNxM 22 .16 . 0 266. 0/12 . 0 266 . 0 1 . 03 16 4.4.三维打印机的运动仿真三维打印机的运动仿真 4.1 创建连杆和运动副 运动仿真的第一步是创建连杆，基于打印机底座是不运动的，所以创建连杆的时候底 座设为固定连杆，如图所示： 左右两边的丝杆是旋转的，所以在创建运动副的时候选择旋转副，如图所示： X 方向的运动时滑动副，矢量方向选 x 方向，如图所示： 17 Y 轴方向的运动，连杆包括底板，底板支架，还有光杆轴套，矢量方向为 y 轴方向， 具体如图所示： Z 轴方向的运动仿真选择的连杆比较多，中间部分除去喷头其他都要选，包括螺钉等 小部件，如下图所示： 接下来就是解算方案，解算方案要注意的是时间和重力方向，时间设置为 20s，重力 放下是竖直向下，如图所示： 18 4.24.2仿真动画仿真动画 当运动时间为 3.64s 时 z 轴方向喷头往下运动到一定