自行式食品3d打印机器人.doc

编编 号号 本本科科生生毕毕业业设设计计 论论文文 题目 题目 自行式食品 3D 打印机器人结构设 计 机械工程机械工程 学院 机械工程 专业 学 号 1040513519 学生姓名 金思宇 指导教师 张超锋 副教授 II 二 一七年六月 设计总说明 I 设计总说明设计总说明 本课题来源于工业生产实际 随着时代的进步与发展 3d 打印技术已经走进了许多人的视线中来 其中 食品 3d 打印技术 这 3d 打印技术的一员 也在慢慢的前进发展 现如今 食品 3d 打印技术还 没有真的意义上的普及 许多食品制造业还在用传统的食品加工技术 而新生代人们对 于新兴技术的欲望是非常强烈的 现如今 已经有越来越多的食品 3d 打印设备逐渐的走 进了人们的眼中 丰富了人们的视野 也是今后食品发展的一大趋势 为以后的食品制 造业 创立了一个新的方向 也是食品制造 走向营养化 健康化 美观化的一个新的 起点 本次设计基于食品 3d 打印机与自行式机器人所相结合 制造出符合 21 世纪的社会 中的新产品 能够使该自行式食品 3d 打印机器人能够符合人们的需求 满足人们日常使 用其制造 3d 打印食品的需求 本次设计内容 基于实际 大体分为驱动系统和挤出装置的设计 基于食品 3d 打印 机的基本参数完成对自行式食品 3d 打印机器人的设计计算 画出相应装配图 零件图 设计出重要零件并计算重要零件的尺寸 然后 对说明书进行撰写修缮 完善图纸工作 并对即将到来的答辩进行准备 本设计应达到的要求 1 完成一篇 8000 到 10000 字符的关于食品 3d 打印的国外文献 2 在相关企业进行生产实习 通过在企业学到的知识来充实自己 使自己在实际的生 产中完善自己关于机械方面的知识 同时 完成相关的实习报告 书写自己关于生产实 习的心得 3 收集关于食品 3d 打印方面的书籍与资料 提高自己对食品 3d 打印方面的了解 并 撰写开题报告 完成自行式食品 3d 打印机器人的设计的前期工作 4 完成自行式食品 3d 打印机器人图纸的绘制 装配图和零件图要求机构合理 视图 正确 标注得当 5 完成最终的设计说明书的撰写工作 要求计算部分正确完整 文字叙述准确 格式 工整 图 表等清楚详细 关键词关键词 食品 食品 3d 打印 自行式机器人打印 自行式机器人 Abstract II ABSTRACT This topic comes from the actual industrial production With the progress of the times and the development of 3d printing technology has entered the line of sight of many people of which one of the 3d printing technology is also slowly moving forward now food 3d Printing technology has not really sense the popularity of many food manufacturing industry is still using the traditional food processing technology and the new generation of people s desire for emerging technology is very strong and now there have been more and more food 3d Printing equipment gradually into the eyes of people enrich the people s vision but also a major trend in the future development of food for the future of food manufacturing the creation of a new direction but also food manufacturing nutrition health A new starting point for beauty This design is based on the combination of food 3d printers and self propelled robots to create new products in line with the 21st century society enabling the self propelled food 3d print robots to meet people s needs and meet people s daily use Food demand The design content based on the actual roughly divided into the design of the drive system and extrusion device based on the basic parameters of food 3d printer to complete the design of self propelled food 3d print robot calculation draw the corresponding assembly drawings parts Important parts and calculate the size of important parts Then write the instructions to repair improve the drawings work and prepare for the upcoming reply The design should meet the requirements 1 Complete a foreign document of 8 000 to 10 000 characters on food 3d 2 In the relevant business production practice through the knowledge learned in the enterprise to enrich themselves so that their actual production in the improvement of their own mechanical knowledge at the same time complete the relevant internship report write their own experience on the production practice The 3 Collection of books and information on the printing of food 3d to improve their understanding of the food 3d printing and write an open report to complete the self propelled food 3d print robot design work 4 Complete the self propelled food 3d print robot drawings drawing assembly drawings and parts drawings require a reasonable mechanism the view is correct marked properly 5 To complete the final design of the design work requiring the calculation of part of the correct integrity accurate description of the text format neat plans tables and other clear and detailed Keywords food 3d print self propelled robot 目录 i i 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 1 研究背景 2 1 2 研究现状 2 1 1 1 国外研究现状 2 1 1 2 国内研究现状 3 1 3 研究目的及意义 4 第 2 章自行式食品 3d 机器人的初步设计 5 2 1食品 3d 打印机器人的种类与结构特征 5 2 1 1 食品 3d 打印机的种类 5 2 1 2 食品 3d 打印与普通食品制造的比较 6 2 2 自行式食品 3d 打印机器人的基本结构与特征 6 2 2 1 自行式食品 3d 打印机器人的优劣势 6 2 2 2 自行式食品 3d 打印机器人的基本结构设计 7 2 2 3 自行式食品 3d 打印机器人的基本功能的实现 10 第 3 章 自行式食品 3d 打印机器人驱动部分设计及计算 11 3 1 驱动系统的底盘设计计算 13 3 1 1 底座设计 13 3 1 2 底座的电机选择 13 3 1 3 底座的万向轮选择 14 3 2 驱动系统行走部分的设计计算 14 3 2 1 升降装置系统电机的选择 14 3 2 2 升降部分联轴器的选择 15 第 4 章 自行式食品 3d 打印机器人挤出装置的设计计算 17 4 1 挤出装置部件的设计 17 4 1 1 螺杆的设计计算 17 4 1 2 挤出装置联轴器的选择 17 4 2 螺杆的计算与校核 18 4 2 1 螺杆的设计计算 18 4 2 2 螺杆的校核 18 目录 ii 4 3 轴承的计算与校核 19 4 3 1 初选轴径 19 4 3 2 轴的刚度校核 20 4 4 轴承的寿命计算 20 4 4 1 初选轴承型号 20 4 4 2 计算轴承的当量动载荷 20 4 4 3 轴承的寿命计算 20 第 5 章 总结与展望 23 参考文献 24 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 1 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 研究背景研究背景 随着 3d 打印技术的兴起 越来越多的产品开始运用到 3d 打印技术 如同最早运用的零部件到后 来出现的汽车 现今社会中 对智能化的需求越来越高 许多产业尤其是制造业在不断发展的基础上 开始追求新兴的技术 而 3d 打印技术就是其中之一 3d 打印技术对于如今的制造业而言绝对是一步 重大的革新 因为 3d 打印无论是在速度 设计和质量上都要强于传统技术 它能快速 高效的制造出 高质量的产品 极大的满足的现今对于速度和质量的需求 而 3d 打印技术的适用面也十分广泛 汽车 制造业 建筑业 医疗 科研 越来越多的产业都会需要它的技术来提高自己的发展 图 1 1 3d 打印出的产品 而食品就是其中之一 利用 3d 打印技术制造出的食品 突破了原有制造食品的障碍 还能有效的 保留了食品中的营养 不仅能大幅提升食品的外观 而且使食品的营养更不易流失 同时保证了食品 的安全性 当今社会 广大人民群众越来越重视食品的安全性与营养价值 而流水线上的食物已经越 来越不能满足人们对于健康的需求了 所以 食品 3d 打印越来越受人重视 成为食品界中一颗冉冉升 起的新星 食品 3d 打印能够在不损耗食品营养价值的前提下 突破食品成型的限制 使例如巧克力 冰淇凌 等食品的造型变得花样百出 图 1 2 食品 3d 打印 而自行式食品 3d 打印就是食品打印的一种 普通的 3d 打印是一台大型的箱体机器 虽然容量大 效率高 但是美中不足的是其太过于笨重而导致人们不能随时随地的享受 3d 打印食品的美味 而自行 式 3d 打印机器人 轻便而小巧 极大的满足了一般食品 3d 打印机的局限性 他能灵活的运用于各个 场所 比如你突然在办公室 餐厅 宾馆等地方想来一顿美味的 3d 打印小吃 那么自行式食品 3d 打 印机器人应当是你说一不二的选择 而且 小型的自行式食品 3d 打印机器人也能对更多的一般民众普及食品 3d 打印方面的新奇之处 使人们认识和了解 3d 打印技术 从而使更多的人开始关注食品 3d 打印 相对于箱型或者三角洲型的 食品 3d 打印机 自行式食品 3d 打印机器人能够在突破场地的限制 在任何平地内打印出精美的食品 造型而不需要打印平台 对于维护和保养来说 自行式食品 3d 打印机器人比那些传统的食品 3d 打印 机更容易保养 零部件的更换也比传统食品 3d 打印机要容易许多 总而言之 自行式食品 3d 打印机器人虽然比起许多传统食品 3d 打印机有一些精度上和功率上的 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 2 不足之处 但是 其结构简单 便利轻便 易于保养的特点在今后的食品 3d 打印的技术发展中肯定能 够有自己的一定地位的 并且能够创造食品 3d 打印技术的新高 1 2 研究现状研究现状 1 2 1 国外研究现状国外研究现状 就世界范围内而言 3d 打印技术无疑相当于一次重大的技术革新 如果说第一次工业革命是蒸汽 机 第二次工业革命是电气的应用的话 那么第三次工业革命无疑是 3d 打印技术 现在世界的 3d 打 印机的市场份额成几何速率增长 如今 在欧美的等先进国家的支持下 3d 打印正在逐渐取代传统技 术 图 1 3 3d 打印机 而在食品方面的 3d 打印技术虽然没有那些在机械方面 医疗方面的重视程度 但是很多国家仍然 展现了他们在食品 3d 打印方面获得的成就 比如有国家在利用食品 3d 打印技术研发新型的太空食物 以保障宇航员的营养需求 像美国这样的国家也在为了其军队更好的后勤食物的健康和味道营养的保 障正在研究新型的军队速食套餐 就连全世界的许多慈善机构现在也开始关注食品 3d 打印 他们发现 食品 3d 打印的新型技术能够有效的将人类不能食用的营养如昆虫 藻类等结合起来 满足贫困地区对 于食物的需求 除此之外 在许多发达国家 食品 3d 打印机已经逐渐进入人们的视线中来 大到知名企业 小 到家庭个人 虽然对于现今社会来说 3d 打印技术还有很多地方要研究 但是在国外 已经有很多创 意者开办了自己的食品 3d 打印餐厅 其中的所有食物均由食品 3d 打印机制作而成 还有现在的许多 工厂也开始了自己的食品 3d 打印的生产线 而且 国外的许多商场内 也开始有各种 3d 打印食品进 一步的上到柜台上 虽然价格偏高 但是仍然抵挡不住民众购买的热情 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 3 3 图 1 4 餐厅中制作的 3d 打印食品 在越来越多的国家中 3d 打印机已成为人们接近时尚的新宠 而在这一新兴的时尚中 自行式食 品 3d 打印机器人也因其轻便小巧而获得了广大民众的喜爱 也导致国外各大厂商纷纷转向自行式的食 品 3d 打印机器人设计中去 1 2 2 国内研究现状国内研究现状 对于国内来说 3d 打印虽说已经普及到每个人的脑海中 但是对于并没有在绝大多数中国的企 业中普及 因为对于具体的研发中国还没有做到位 而从国外引进又导致成本太高 使许多企业放弃 了 3d 打印技术 继续使用传统技术来制造 从而引起了 3d 打印技术的滞后 虽然随着国外 3d 打印的热潮 开始有越来越多的大学开始涉猎这方面的研究 其实包括很多名 牌大学例如北大 清华等等的大学开始由国外的技术研究资料 开始挖掘国内现阶段的技术与材料支 持 但是 由于起步较晚还有资金的匮乏 导致国内的大学迄今为止并没有做出什么相应的成果 而在这其中食品 3d 打印技术又是其最受影响的 3d 打印技术之一 就目前来说 中国绝大多数人 都从来没有想到采用食品 3d 打印技术来制造食物 绝大多数的食品企业也忽略了食品 3d 打印技术的 优势所在 而且 国内的绝大多数企业 缺乏资金 也缺乏动力 去研究新型的食品制造设备 然而 特别是在食品 3d 打印技术随着 3d 打印技术的潮流飞速发展的今天 但是在全球化的世界中 中国迟 早会认识到食品 3d 打印技术的强大之处 据权威机构的预测 中国在三年到五年后会在食品 3d 打印 技术上得到普及与推广 就中国现在的食品 3d 打印技术而言 实在不够重视 所以以下几点建议希望对于食品 3d 打印 技术能有所帮助 1 加大科研力度 对于食品 3d 打印技术而言 如果国家能够大力扶持和发展 依托高科技的控制 和软件设计 加上高精度的打印设备的帮助 能够有效帮助研究人员取得食品 3d 打印技术的突破性进 展 2 培养相关人才 对于食品 3d 打印技术来说 正是因为国家和相关企业不够重视导致很少有人涉 足这项 如果国家能给予足够的重视 并在有关学校设计专门的学科 加强海内外交流的话 一定能 为国家培养许多可用的关于食品 3d 打印技术的人才的 3 加大宣传 现在食品 3d 打印技术对于绝大多数人来说都是个陌生的概念 如果国家通过网络 电视 报纸等相关媒体有效普及的话 能使更多的人了解食品 3d 打印技术 从而促进食品 3d 打印技 术在国内的发展 但是 现如今的中国食品 3d 打印并没有停滞不前 还是有一些有识之士开始认识到了未来食品制 造发展的趋势 发掘出了隐藏在食品 3d 打印中巨大的经济效益 开始着手研究及推广食品 3d 打印技 术 迄今为止 虽说没有什么大型的食品企业着手于食品 3d 打印 但是网络上已经开始出现已推广加 盟为主的食品 3d 打印企业 靠其前卫的技术与发展理念逐渐吸引许多投资的目光 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 4 1 3 研究目的及意义研究目的及意义 随着 3d 打印技术的不断发展 未来的 3d 打印技术必将成为社会科技创新发展的主流 而在这之 中 食品 3d 打印也肯定能成为这个主流中不可或缺的科技力量 未来对于食品 3d 打印技术的发展肯 定是一片光明 因为无论是研究者还是大众 都已经把目光聚集在了这门新兴技术上 有人说第一次 工业革命是蒸汽机 第二次是内燃机 第三次是电气的运用 第四次则是信息化的进程 而现在越来 越多的人将 3d 打印技术称之为又一次崭新的工业革命 那么随着越来越多的关注 3d 打印技术的发 展肯定会更好 当今社会 人们对食品 3d 打印技术还是了解甚少 而对于自行式食品 3d 打印技术 就更罕有人 知道 那么随着食品 3d 打印技术的不断发展 如何去设计和改进自行式食品 3d 打印机器人必将获得 足够的重视 在现如今的食品 3d 打印技术中 还是存在着许多的缺陷 如机器太大太笨重 食物必须 以液体或者固态浆糊的形式才能进行打印等等 而对于家用式的食品 3d 打印机来说 还没有得到真正 的普及 就更不要说自行式食品 3d 打印机器人了 本次设计除了本着一个对自行式食品 3d 技术机器 人的一个大胆的尝试与猜想 希望本次设计能使越来越多的人们开始关注食品 3d 打印技术 也开始关 注自行式食品 3d 打印机器人 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 5 5 第第 2 章章 自行式食品 3d 打印机器人的初步设计 2 1 食品食品 3d 打印机器人的种类与结构特征打印机器人的种类与结构特征 食品 3d 打印机的基本原理 食品 3d 打印是将食品捣碎或搅拌 浓缩成浆 然后装在食物储蓄仓内 然后在电脑 上的控制面板设计要打印出来的模型 最后通过通过食品 3d 打印机的喷头一层一层的打 印出来 2 1 1 食品食品 3d 打印机的种类打印机的种类 现如今为止 食品现如今为止 食品 3d 打印包括打印包括 30 多种食品类型 主要分为六大类 多种食品类型 主要分为六大类 1 糖果类 2 烘培类 包括面包 饼干 甜点等 3 零食类 包括薯片等 4 水果蔬菜类 各种水果和蔬菜的浆液 5 肉类 6 奶制品 奶酪 酸奶等 图 2 2 食品 3d 打印机打印食品造型 如果按喷头结构来划分 则大体分为两类 如果按喷头结构来划分 则大体分为两类 1 压力式 通过压力装置的加压 将食物储蓄仓内的浆液挤出喷头 完成打印 图 2 3 压力式食品 3d 打印机的喷头 2 熔融式 通过加热装置的加热 将食物储蓄仓内不易流动的固态食物变成液态 流 出喷头 在打印平面上冷却凝固后完成塑形 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 6 图 2 4 熔融式食品 3d 打印机的喷头 2 1 2 食品食品 3d 打印与普通食品制造的比较打印与普通食品制造的比较 食品 3d 打印的优点 1 产品多样且不增加成本 普通食品的制造如果改变造型或者其他一些东西的话 从设计到生产可能要改变相当多的东西 而食品 3d 打印只需要一张新的设计图 和新的材料而已 2 制造复杂食品造型不需要增加成本 对于复杂造型来说 3d 打印比起传统的食品 加工要更加方便 因为食品 3d 打印无论是打印一个圆柱也好还是打印一个复杂 的造型也好都是几乎相同的工作量 3 减少废弃的副产品 如果是普通的食物加工 或多或少都会出现边角余料 但是 如果对于食品 3d 打印来说 那么久基本等于没有 4 设计空间很广 食品 3d 打印较传统食品制造可以加工出更加复杂而造型奇特的 食物 而不需要考虑传统食品加工具有很大的局限性 食品 3d 打印可以突破这 些限制 5 零时间交付 当客户需要制造特定的食品造型时 如果是使用普通的食品加工设 备 则要进行改进甚至重新设计或购买新的食品加工设备 但是食品 3d 打印机 可以直接将新的食品样式打印出来 十分便利 食品食品 3d 打印的缺陷 打印的缺陷 1 制造速度慢 食品 3d 打印制造食品是一层一层将食品打印在打印平台上 相较 于传统的食品制造例如烘培等方法 成型较慢 2 表面比较粗糙 相比于传统的食品制造 3d 打印打印出的食品因为技术还不够成 熟所导致的成型的食品表面会很粗糙 影响美观 3 材料的限制 普通食品制造的材料可以多种多样 但是用于食品 3d 打印的材料 只能是磨成浆液的食物原材料 4 打印的稳定性较差 作为一门新兴的技术 因为其不成熟 所以一台食品 3d 打 印机相比较于普通的食品制造设备来说 它的使用时间和寿命都不如普通的食品 加工设备 5 价格偏高 食品 3d 打印作为一门新兴的技术 一台食品 3d 打印机的价格相比较 于同等的普通食品加工设备 成本太高 导致使用范围很小 2 2 自行式食品自行式食品 3d 打印机器人的基本结构与特征打印机器人的基本结构与特征 2 2 1 自行式食品自行式食品 3d 打印机器人的优劣势打印机器人的优劣势 在食品 3d 打印机还没有全面普及时 一种致力于小型的便捷携带的 用于家庭或者 个人能够突破传统食品 3d 打印机在打印场地限制的自行式食品 3d 打印机器人走向人们 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 7 7 的眼前 自行式食品 3d 打印机在原有的食品 3d 打印机基础上进行了小型化和轻量化的 改进 并且使他能够进行一定的移动 改变了以往食品 3d 打印机只能固定在一个位置上 的打印的问题 图 2 5 自行式全向轮机器人 2 2 2 自行式食品自行式食品 3d 打印机器人的基本结构设计打印机器人的基本结构设计 自行式食品 3d 打印机器人分为三部分 一部分是底下的驱动部分 一部分是中间的 升降部分 最后是食物的储藏与打印部分 结构设计要点 1 结构简洁 同时在保证精度的前提下 要保证该自行式食品 3d 打印机器人能够实现 在原地任意方向运动的能力 而且还要具有良好的稳定性 除此之外 因为该结构并 不是用于大规模生产食品的 3d 打印机器人 而是用作家用机器人 所以应该保证该 自行式食品 3d 打印机器人的结构易保养和维修 所以设计要结构简洁 2 运动可靠 一定要保证结构的运动完整可靠 要保证自行式食品 3d 打印机器人在 X Y Z 三个方向运动的同时也要保证其食物储藏与挤出装置的工作 两种运动同时 满足 才能使自行式食品 3d 打印机器人能够正常稳定的工作 3 具有一定经济性 因为设计一款产品最终都是要面向社会的 而这款自行式食品 3d 打印机则是面向未来的新概念社会用于制造简单有趣的食品造型的一种新型的家用的 小型食品 3d 打印机 所以要保证它所有的价格要在普通人能够承受的起的范围内 所以在选择材料等方面要注意 同时要保持其外观的吸引性 能够促使一般人能够喜 爱和购买这款自行式食品 3d 打印机器人 最终采用的结构设计方案如下 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 8 图 2 6 自行式食品 3d 打印机器人三维图 1 驱动部分 驱动部分包括底部的轮轴驱动部分和升降驱动部分 驱动部分采用麦克轮结构 由电机电机连接联轴器带动特殊的万向轮进行运动 从而 保证该驱动装置能自由的在 X Y 直线方向自由运动 保证自行式食品 3d 打印机器人 在 X Y 移动 同时由于万向轮的特殊性 可以不光做直线运动 也可以做使底盘旋 转 所以采用分别的电机来驱动万向轮 在自行式食品 3d 打印机器人要旋转时 通 过不同的电机的运行与停止达到底盘的旋转 从而保证 X Y 旋转方向上的自由度 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 9 9 图 2 7 驱动部分的三维简图 升降部分 升降部分采用滚珠丝杠副结构 滚珠丝杠能将旋转的运动转化为直线运动 通过 轴承的带动 带动螺母内的滚珠进行运动 从而使螺杆与螺母产生相对运动 该结构 能有效的消减摩擦力的影响 选用滚珠丝杠副具体要消除轴向的间隙 消除滚珠与螺 母在轴向上的变形 得到更高的精度 同时正是因为滚珠丝杠的材质的硬度 能保证 结构的刚性 同时滚珠丝杠升降结构的传输效率很高 而且耐用性很高 运动平稳 同步性好 同时与液压系统比较的话 保养比较简单 故障率低 同时利用滚珠丝杠 则满足了自行式食品 3d 打印机器人在 Z 轴上的移动自由度 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 10 图 2 8 升降系统三维简图 2 食物储藏与输送部分 挤出装置选用螺杆式挤出装置 因为活塞注射式的挤出装置 其挤出并不均匀 而且能连续打印 换料困难 对食品 3d 打印机的维修与维护有很大的影响 且对食 品 3d 打印机的损耗很大 而螺杆式的食品挤出装置 因为其螺旋剪切作用 使挤出 的食物浓浆充分混合 使挤出的成品能够质地均匀 而且能够更好的上料 且能够更 有效的进行维护和保养 同等食品 3d 打印条件下 螺杆式对打印机的损耗也较小 虽然就价格来说 一般的螺杆式结构要比同等条件下的活塞注射式的挤出装置要贵一 些 但是就其他各方面来说 还是在价格可接受的范围内选择螺杆式结构 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 1111 图 2 8 食物储藏和挤出系统三维简图 2 2 3 自行式食品自行式食品 3d 打印机器人的基本功能的实现打印机器人的基本功能的实现 利用步进电机驱动联轴器连接轴接麦克轮 来保证麦克轮的自由转动 然后升降部 分由步进电机连接联轴器连接滚珠丝杠 保证最后的 3d 打印平台能上下运动 食品储存 与输送部分由步进电机驱动 使储藏在食物储藏管里的食物被挤出喷头 完成 3d 打印 这样既保证了结构的强度和各个方向的运动 也保证了其轻便性 使其便于携带与运送 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 12 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 1313 第第 3 章章 自行式食品 3d 打印机器人驱动部分设计及计算 3 1 驱动系统的底盘设计计算驱动系统的底盘设计计算 3 1 1 底座设计底座设计 食品 3d 打印机器人可要求的最大转速 100mm s 整机重量 不超过 1 千克 工作温度 室温环境下 10 35 C 底座材料选择 因为追求结构的轻量化所以选择塑性材料作为底座底板的材料 底盘材料最终尺寸 MM 150 150 43 底座的传动系统设计 轮子最大转速 100mm s 整机重量 不超过 1 千克 工作温度 室温环境下 10 35 C 相对湿度不大于 80 周围无震动 无腐蚀性介质和无较强电磁场干扰的环境中 在稳固的基础上正确安装 水平度不超过 0 2 1000 结构设计 保持结构的简单性和轻便性 选用步进电机直接连接万向轮的方法 电机 弹性联轴器 轴 万向轮 3 1 2 底座的电机选择底座的电机选择 底盘承重 3kg 最大移动速度 100mm s 摩擦系数 轮子主体为橡胶材料 摩擦系数为 0 5 联轴器传动效率 1 99 滚动轴承的传动效率 2 98 则总传动效率 总 1 2 0 9702 则f mgw 3 9 8 0 5 14 7 14 7 0 1 0 972 1 51 取安全系数为 1 2 1 21 51 1 812w 出 P 根据参考资料可知 最终选择电机额定功率为 1 92w 额定电压为 6v 额定电流为 0 16A 额定转速 为 21r min 尺寸为25mm05 图 3 1 电机图样 江南大学学士学位论文 14 3 1 3底座的万向轮选择底座的万向轮选择 万向轮根据底盘尺寸和万向轮最大载重选择 首先要保证能够承受自行式食品 3d 打印机器人的重 量 还要保证其正常运作下的自行式食品 3d 打印机器人的打印精度 综上 选择直径为 58 毫米的万 向轮 其参数如下 车轮车轮直径直径 58MM 辊辊直径直径 13MM 阀阀体材体材质质 尼龙 辊辊材材质质 TPR 负载负载容量容量 3Kg 产产品重量品重量 60g 图 3 3 万向轮 3 2 驱动系统升降部分的设计计算驱动系统升降部分的设计计算 3 2 1 升降装置系统电机的选升降装置系统电机的选择 3D 打印食品机的电机为 XYZ 三坐标进给机构中的步进电机 本次设计对电机的要求高 故采用 步进电机 XYZ 轴的进给系统运动直接影响打印精度 驱动系统的运动性能一样采用同种步进电机 1 升降部分的步进电机的选择 选用进给系统的动力源时 主要需要考虑转动力矩的大小应满足使用要求 响应要迅速 不产生 丢步现象等等 计算电机力矩 根据电机的力矩选择电机的型号 3 1 mgF 计算得 NF1 1111 0 丝杆轴的直径为 16mm 则所需力矩为 10002 F T 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 1515 计算得 mNT 0055 0 10002 161 1 考虑滚珠丝杆副的摩擦和转动惯量等因素 同时 步进电机在速度变化时应该保证恒转矩 所以 安全系数选 3 比较稳妥 故电机力矩为 mN 0165 0 30055 0 故选步进电机型号为 LC57HS0601 步进电机 其静力矩为 步矩角 相电流 0 5A 重mN 065 0 0 9 0 量为 0 12kg 尺寸为 mm205757 3 2 2 升降部分联轴器的选升降部分联轴器的选择择 在本次的设计上 采用的是步进电机直接通过联轴器带动丝杆轴 这样就减少了减速箱这一部分 的结构设计 在联轴器的选择上 在不考虑工作台的基础上 本次的设计的是驱动机构中的步进电机的联轴器 轴颈较小 扭矩也较小 步进电机联轴器 主要用于联接步进电机轴与其他轴来传递扭矩 并且需要 有精密的传动能力 应该具有以下的特点 没有间隙 联轴器的整体在传动运行的过程中不能有间隙 合适的的刚性 联轴器不可以出现传动的滞后性 否则将严重影响步进电机传动的和工作的精度 比 较小的惯量 在强度的基础之上 应降低步进电机联轴器的重量 柔性应该较好 有精密要求的的步 进电机联轴器 不仅需要刚性高 同时需要校正在安装过程中产生的主动轴与从动轴之间的各种各样 的误差 选择弹性柱销联轴器 GB T 5014 2003 型号为 LX1 公称转矩为 250N m 轴颈 18mm D 为 90mm b 为 20mm 质量为 2kg 图 3 2 弹性柱销联轴器 江南大学学士学位论文 16 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 1717 第第 4 章章 自行式食品 3d 打印机器人挤出装置的设计计算 4 1 挤出装置部件的设计挤出装置部件的设计 在本次设计的挤出装置是应用单螺杆挤出机的原理 参照其原理进行简化设计 我们 挤出的材料为熔融的巧克力 把这种挤出机也称为熔体挤出机 熔体挤出机的功能是泵 送 加压和混合熔体 从这些功能看亦可认为熔体挤出机是一种特殊形式的螺杆泵 根 据熔体挤出机的功能要求 与塑化挤出机相比 有下列特点 螺杆直径可选用较大尺 寸 这是因为输送的熔体质是受螺杆直径和螺槽深度影响较小 如最大宜径可达 300 mm 螺杆长径比较小 一极不超过 22 mm 显然这是由于熔体挤出螺杆不担负固体输送 和熔融物料的缘故 螺杆结构不一定采用三段式分段 如采用长区渐变式全锥形结构 一般只要求装设混和元件 仅在特殊需要时才装设剪切元件 为防止剪切过热 螺杆速 度可取较低值 同时需要的驱动功率也较小 根据自热挤出原理 若取高螺杆转速时 加热功率必然很低 机筒加热器的主要作用是保持熔体温度 因此需要的加热功率较低 一般进料区不设冷却装置 担负输送热敏性物料的挤出机 为防止过热 可沿机简装设 冷风系统湿度控制系统较简单 一般不配置加料斗或料仓 而用熔体管直接输入熔体 在聚合物加工工业小应用熔体挤出机作熔体输送 配科等工作 4 1 1 挤出装置系统电机的选择挤出装置系统电机的选择 挤出装置系统的动力系统有下列的要求 首先分辨率应该高 速度调节方便快速 受环境等因素的影响小 并且额定功率小 并且可用在数控开环的系统 而 BF 系列步进 电机是反应式步进电动机 综合以上的因素 我们选用了型号 LC57HS0602 的电动机作 为本次设计主运动的动力源 额定功率为 0 37kW 额定转矩 0 882N m 外形尺寸 75mm 选用时主要有以下几个步 骤 根据需要的脉冲当量和综合最大静转矩电机型号 来初选步进电机号 并从机械设计手 册中查到步距角 由于 3 3 p o i L 360 b 综合考虑 初选了 i 2 08 可满足以上公式 步进电机最大静转距是指电机5 1 b 1 M 的额定的转距 步进电机的最大启动转矩与最大静转矩的存在一定的比例关系是 m M j M 3 4 j MMm 步进电机的空载启动是这样定义的 一台步进电机在没有外加工作负载情况下的启动 这时步进电机所需要的空载转矩 动力式计算如下 3 5 02 MMMM fk 在式中 Mk 为空载启动转矩 M2 为空载启动时部件 由静止一直到到最大快进速度 从而折算到电机轴上的加速产生的力矩 Mf 为电机在空载时 来折算到电机轴上的摩擦 转矩 并且 我们需要保证初选电机型号时 需要满足步进电动机的所需空载启动力矩应该 小于步进电机名义启动转矩 经过计算和校核 步进电机 LC57HS0602 满足要求 江南大学学士学位论文 18 4 1 2 挤出装置联轴器的选择挤出装置联轴器的选择 挤出装置上的联轴器的要求与驱动系统上的有很大的不同 它传递的转矩小 轴颈 也较小 因此选用刚性联轴器 选用联轴器 LS9 32 1214 L41 LS9 表示系列号 材料为 铝合金 32 表示外径尺寸为 32mm 定位螺丝固定 12mm D1 轴径为 12mm 4 2 螺杆的计算与校核螺杆的计算与校核 4 2 1 螺杆的设计计算螺杆的设计计算 螺杆的材料选择 38CrMoAIA 钢 螺杆的几何结构直接决定螺杆的性能 设计螺杆的 主要任务就是确定其合理的几何形状及尺寸 1 螺杆的径向尺寸食品熔体输送速率计算 螺杆直径 Ds 系指螺杆外径 其名义尺寸与机筒内孔直径 Db 相等 螺杆的直径是螺杆挤 出的标称尺寸 这是由于螺杆直径越大 机器产量越高 用螺杆直径可大体估计机器的 生产能力 取 Ds 32 mm 实际上机筒内径与螺杆外径之间存在径向间隙 f 显然有如下关系 3 6 rb DD 2 1 f 代入数据得 2 0 6 31325 0 f 螺杆螺纹表面与机筒内孔表面形成近似于矩形截面的物料流道 通常称螺槽 螺槽 深度 H 与螺槽内容料体积有关 是重要的几何参数 当忽略径向间隙时 螺槽深度即为 螺杆螺纹高度 2 螺杆的轴向尺寸 螺杆具有一般螺纹件的共同要素 螺纹导程 S 和螺旋角 导程 S 32 mm 大 多数单螺杆挤出机都配有单头螺纹螺扦 因此螺距等于导程 螺旋角 将螺杆的径向尺寸 和轴向尺寸联系起来 具有如下关系 3 7 b D s tan 代入数据得 即螺旋角318 0 3214 3 32 tan 0 67 17 螺槽轴向宽度 B 是沿螺杆轴向量取的螺槽宽度 同样螺的轴向宽度为 b 4 bmm 二者与 螺距有下列关系 B S b 32 4 28mm 定义垂直于螺纹方向量取的尺寸为螺槽法向宽度 W 和螺棱以向宽度 e 并有下列关系式 3 8 coscosbSBW 代入数据得 mmW 3 2767 17cos28 mmbe9 3cos 3 食品熔体输送速率计算 根据上述的设计 螺杆直径 Ds 32 mm 螺距 S 32mm 螺槽的深度为 4 mm 螺旋角 参照巧克力的物料参数 熔体粘度熔体密度 0 67 17 s pa200 计算熔体输送速率 3 1017 1 m p 3 9 L p DHnHDsQ 2322 sin 12 1 sincos 2 1 代入数据得 smQ 0031 0 3 4 2 2 螺杆的校核螺杆的校核 1 强度校核 已知螺杆材料为 38CrMoAIA 钢 许用应力 机头的压力 P 10 MPa 螺杆 2 278mMN 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 1919 的最高转速 驱动电机功率为 1 5 kW 驱动装置效率 计算轴向min 80r95 0 力 由常规螺杆的经验关系式 3 10 PAgPPa0941 3 3059 4 带入得 MNgPa0609 0 104 8 10100941 33059 4 4 2 由式 3 11 r a A P 计算压应力 2 2 4 7 24 6 5 1040609 0 mMN 由式 3 12 max max 9549n n N M 计算扭矩 mNMn 249595 0 80 22 9549 由式 3 13 6 10 n n W M 计算剪应力 2 63 8 4 72 106 5 10162495 mMN 由式 3 14 2 4 r 计算螺杆强度 222 1469 4 7247 24mMN 校核结果 螺杆强度符合要求 2 刚度校核 根据螺杆的材料为 38CrMoAIA 钢 螺杆的许用扭转角3 0 2 200mGNE m 10 由式 3 15 4 11167 ED Mn 计算扭转角 m 46 0 10810200 3 0124951167 0 8 49 校核结果 刚度符合要求 4 3 轴承的计算与校核轴承的计算与校核 在本次设计中有多个轴 比如进给机构中的三根丝杆轴 挤出装置机构中的一个传 动轴 由于挤出装置中的轴是竖直安装 所受载荷小 轴的结构也简单 故不需校核其 刚度和强度 本设计中对 XYZ 进给精度要求高 而且轴的跨度较大 比较 XYZ 轴所受 载荷的大小 YZ 轴的安装都是竖直的 所以其受的载荷相对 X 轴的工作台要小些 且丝 杆轴只考虑其弯曲形变 在这里我们选取了一个具有典型意义的轴 X 轴上所在的丝杆轴 4 3 1 初估轴径初估轴径 轴的材料均采用 45 钢 为加强其性能 采用调质处理 由机械设计手册查得 MPa 查得 C 110 由公式得 MPa b 640 江南大学学士学位论文 20 3 16 3 n p cd 确定该轴最最小轴处的轴径 一般情况下 开一个键槽轴径应增大 5 开键轴可将 估算的轴颈 d 的值增大 7 作为其小径 由已知数据 求得轴径并适当取整为 mmd8 10 100075 3 439 110 3 由于所求 d 应该为受扭部分的最细处 即安装带轮处 此处的轴径应该有一个键槽 故轴径应该增大 5 则 mmd34 118 1005 1 min 取整得此处轴径大小为 此处安装联轴器 轴的各处轴径依次分别为mmd12 1 此处安装角接触球轴承 此处尺寸的确定是根据轴承的安装要mmd16 2 mmd12 3 求来确定的 4 3 2 轴的刚度校核轴的刚度校核 将丝杆轴简化为简支梁 简化过程 丝杆轴两端有轴承支撑 分别简化成 A B 铰支点 将 X 工作台的重力简化 成集中力 并作用于中点处 因为处于中点时丝杆轴的挠度最大 也就是对工作台的精 度影响最明显 设工作台整体重量 NFC30 1 计算变形 丝杆轴横截面的惯性矩为 3 17 4 64 DI 代入数据得 44 321516 64 mmI 当 Fc 作用时会引起中点 C 处产生挠度和截面的转角 分别为 3 18 EI Fl wc 48 3 3 19 EI Fl BA 16 2 代入数据得 mmwc0074 0 10210321548 20030 3 3 rad BA 0022 0 10210321516 20030 3 2 2 校核刚度 由于 X 轴进给精度为 0 01mm 所以许用挠度与许用转角 mmlw440001 0 01 0 rad01 0 所以 故满足刚度要求 wwc BA 4 4 轴承的寿命计算轴承的寿命计算 4 4 1 初选轴承型号初选轴承型号 根据工作条件和轴颈直径 初选轴 1 的支撑轴承型号为 C7205 有机械设计手册查得 最大静载荷 额定静载荷 KNCr 5 16 KNC r 5 10 0 22 0 e00 1 X0 Y 4 4 2 计算轴承的当量动载荷计算轴承的当量动载荷 在 XYZ 进给系统中 轴的最高转速为 682r min 且轴承所承受的轴向力较大 所以 对于轴承进行校核 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 2121 B 点所受的力 NFnh 2 181 1 NFnv 1 1480 1 D 点所受得力 NFnh6 172 2 NFnv 6 1461 2 在 B 点所受径向载荷 3 20 2 1 2 11nhnvr FFF 在 D 点所受径向载荷 3 21 2 2 2 22nhnvr FFF 代入数据得 NFr1491 1 NFr 2 1472 2 因为在 B 点的径向的载荷大于在 D 点的所受的径向的载荷 所以按 B 点处轴承计算轴承 寿命 4 4 3 轴承的寿命计算轴承的寿命计算 因为本次设计工作环境温度低于 120 由机械设计相关表查得温度系数 1t f 所以该轴承的寿命为 3 22 p cf n L t h 60 106 10 式中 C 表示额定静载荷 P 表示所受的载荷 n 表示转速 表示温度系数 代入数据 t f 得 故选用 7205C 轴承能满足使用要求 hhL h 1200013057 10 江南大学学士学位论文 22 自行式食品 3D 打印机器人结构设计 2323 第第 5 章章 结论与展望结论与展望 这次历时 4 个月的毕业设计 使我懂得了设计并不是嘴上说说 而是要经过大量的 考据与计算得来的 虽说以前也有过机械设计类似的经验 但是和毕业设计相比 要考 虑的东西增加了太多太多 以前我总是片面的去考虑许多机械设计方面