三维打印快速成型机机械系统设计（机械CAD图纸）

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三维打印快速成型机机械系统设计（机械CAD图纸）三维打印快速成型机机械系统设计（机械CAD图纸）开 题 报 告课题介绍 不同于传统加工的材料去除法或变形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材法制成的一次成形件。从成形角度来看，任何零件均可看作是由无数个空间薄片叠成的三维几何体，薄片的形状就是几何体的截面形状。如果能够将这些薄片逐片制作出来，然后依次将它们逐层粘合在一起，最终即可得到期望的零件。这就是快速成形技术的基本原理。因此，快速成形就是将三维零件的制造问题转化为两维面片的制作，从而使三维复杂实体的制

2、作变得非常简单.在很 大 的 程度上，快速成形加工系统与传统的数控机床有着极大的相似，两者都可以直接接受采用CAD工具设计零件文件，加工系统普遍采用直角坐标系，如X,Y, Z坐标轴等等。快速成形加工系统与数控机床的最直观差别在于，前者通常使用激光而不是刀具来实现对零件的加工。快速成形制造系统的原型制作过程都是在CAD模型的直接驱动下进行的，因此有人将快速原型制造过程称之为数字化成形。CAD模型在原型的整个制作过程中相当于产品在传统加工流程中的图纸，它为原型的制作过程提供数字信息。目前国际上商用的造型软件如Pro/E, UGII, SolidEdge等都有多种数据接口，一般都提供了直接能够由快速

3、原型制造系统中切片软件识别的STL数据格式，而STL数据文件是将三维实体的表面三角形化，并将其顶点信息和法矢有序排列起来而生成的一种二进制或ASCII文件。随着快速成形制造技术的发展，CAD模型的STL数据格式已逐渐成为国际上公认的通用格式。在快 速 成 形系统加工过程中，系统应用软件将计算机三维实体模型在Z向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光束(或其它能量流)在计算机的控制下扫描二维轮廓或者有选择地固化或粘结某一区域，从而形成构成零件实体的一个层面，这样逐渐堆积便形成一个三维实体(原型)。最后通过后处理(如深度固化、修磨等)，使其达到功能件的要求。近期发展的快速成形技术主要有:分层实体

4、制造工艺(Laminated Object Manufacturing,LOM) 、选择性激光烧结工艺(Selective L aser Sintering,SLS).立体光刻成形(Stereo Lithography, SL)、熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling,FDM) 、立体三维印刷(3Dprinting)课题名称：三位打印机结构设计课题背景：快速 成 形 (Rapid Prototypingand Manufacturing,RPM)技术是国际上1980年代末期发展起来的一种新型制造技术，它高度集成了自动控制、数控技术、CAD/CAM,计算机、激光技术等学

5、科的最新成果。快速成形技术在航空航天、机械电子及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，迅速成为制造领域的研究热点，己经成为企业新产品设计、开发、生产的有效手段.随着世界经济的飞速发展和市场竞争的日益加剧，对制造业的要求也越来越高，这就促使制造业进一步缩短新产品的研制和投放市场的周期，提高产品质量和降低产品开发成本。同时，要求提高制造小批量、多品种产品的灵活性，以满足社会个性化需求。与传统的设计开发工具相比，快速成形技术无论是在开发周期还是成本方面都具有相当的优势。此外，依靠快速成形技术，还可以进一步改造现有的制造模式，提高整个制造产业的加工水平，并使之朝先进制造方向迈进。目前，RP技术向两个方向发

6、展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；自动化的桌面小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于制造概念原型。发达国家许多科研机构（如IBM公司）及教育单位（中等职业学校甚至中小学）已经开始购买此种小型RP设备，并极有可能进入家庭。美国通用汽车公司也计划为其每位工程师配备一台此类设备。工作内容和要求： 1 x y扫描装置设计2 升降工作台设计3 整机总装配图设计设计参数最大成型空间：150x150x150mm扫描运动最大速度：100mm/sX Y 重复定位精度：±0.005mmZ向重复定位精度：±0.01mm移动件最大质量：2千克课题的重点和难点：快速成形系统

7、目前所面临的主要问题包括:成形精度不高、材料种类有限和零件机械性能不足等，而机械性能主要取决于所使用的材料类型。与常规由金属和工业塑料制造的零件相比，快速成形系统成形件比较脆弱，而且有些材料成本较高，或者污染环境、对人体有害。材料包括聚酯、ABS、人造橡胶、熔模铸造用蜡和聚脂热塑性塑料等。在快速成形系统中最普通的误差源可分为数学误差、与工艺有关误差和与材料有关的误差。数学误差包括对零件表面形状的近似、沿正轴方向上的有限数目的分割，诸如垂直尺寸的阶梯状和精度。基于CSG实体造型的数据准备方法正处在开发研究之中，该方法可以精确地将零件表面形状输入快速成形系统。与工艺有关的误差影响X-Y平面和Z轴方

8、向上的片层形状、不同片层的对准及整体三维形状。这些误差主要取决于设备的精度及操作者的经验。与材料有关的误差主要是收缩/膨胀、挠曲，收缩是因固化(冷却)材料时产生的，它是能够预计的尺寸收缩量，可以用修正CAD模型来补偿这种收缩误差。另外，因收缩引起的内应力会导致零件变形和挠曲。减少收缩的措施有选择合适的制造控制系统、开发或探索收缩率小的或不能产生内应力的材料以及应力释放等方法。此外 ，还可以通过某些措施减少或消除快速成形系统制件的直观缺陷，如台阶效应、烧结变形。台阶效应:台阶效应不仅与扫描间隔和切片层厚有关，而且还与加工时的模型位置有关，同样的模型，不同的放置方式其效果会明显不同。课题为制作扫描

9、机构以及工作台，初步拟定用步进电机以及滚珠丝杠可以达到所需精度要求，方法为立体三维印刷(3Dprinting)，采用喷头垂直方向不变，工作台向下进给，材料以及喷头，送丝机构设计尚有待斟酌，定位为办公室简易快速材料成型装置，作为产品的直观物理模型，以便与研究相关参数及其性能。装置本身也应该有温度控制系统等辅助系统。其二维工作台结构传动装置初步打算使用同步齿形带，来达到要求的精度。使用导轨来保证精度铺粉装置由工作活塞、送粉活塞、两个工作缸体、铺粉轮、驱动装置组成，如图3示。步进电机驱动齿轮,每加工完一层后,工作活塞下降,送粉活塞上升，然后铺粉滚轮来自动实现铺粉。该滚轮在两平行的齿带之间架设，由步进

10、电机驱动，滚轮完成两个功能: (1)铺粉；(2)压紧。图3铺粉装置结构示意图1.送粉缸体 2.送粉缸 3.送粉活塞 4.从动齿轮5.工作缸 6.丝杠 7.挡板 8.主动齿轮 9.步进电机在设计中要求活塞的运动分辨率高，定位精度好，同时考虑到实验装置结构的紧凑性，因此选用齿轮螺纹副来实现活塞的直线运动。此时由电机轴上的一个齿轮驱动两边丝杠的运动，齿轮作转动,丝杠作直线运动，实现零件Z方向的生长。总体构成,如图4所示，这是一种主从式结构。系统采用PC-586工控机作为主机，用MCS-51单片机作为从机。将从机做成接口卡置入主机内。 用PC586工控主机进行数控编程,然后将数控加工文件处理成一定格式

11、并通过PC总线以并行通讯方式传递到下层的MCS-51单片机中。由单片机完成X-Y步进电机进行轨迹的插补，以及Z方向的生长、铺粉装置的自动进行和CO2激光器电源开关的控制。图4计算机硬件组成及其控制对象可能用到的主要知识和技能：机械工程测试技术方面的有关知识。机械工程，制图基础知识电工基础知识需要自学的知识和技能：关于快速成型的各类知识工作计划326-402 查阅资料，调研，确定设计方案，提交开题报告403-432 设计，计算及修改设计方案424-521 绘制装配图，教师审核电子版图纸522-611 撰写说明书，修改装配图，绘制其他图纸612-618 集中出图，打印说明书，准备答辩目 录第一章.

12、引 言- 3 -1.1 快速原型技术简介- 3 -1.2常见的快速原型制造方法- 4 -1.3 快速成型技术的原理- 4 -1.4本次设计的任务- 5 -第二章 基本方案的确定- 6 -2.1最初方案- 6 -2.2过渡方案- 7 -2.3后期方案- 8 -2.4最终方案- 8 -第三章主要零部件的选型- 10 -3.1步进电机的选用- 10 -3.2 软件环形分配器及其程序设计- 11 -3.3 联轴器的选用- 12 -3.4 直线导轨的选用- 13 -3.5 微型直线导轨的选用- 14 -3.6 滑轮的选用- 15 -3.7其它零件的选用- 15 -第四章喷头的仿真模拟以及电机的计算- 1

13、5 -4.1 喷头的仿真模拟计算- 15 -4.2 关于步进电机的计算- 19 -参考文献- 20 -附录- 20 - 22 -第一章.引 言1.1 快速原型技术简介快速成形(Rapid Prototypingand Manufacturing,RPM)技术是国际上1980年代末期发展起来的一种新型制造技术，它高度集成了自动控制、数控技术、CAD/CAM,计算机、激光技术等学科的最新成果。快速成形技术在航空航天、机械电子及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，迅速成为制造领域的研究热点，己经成为企业新产品设计、开发、生产的有效手段.随着世界经济的飞速发展和市场竞争的日益加剧，对制造业的要求也越来越

14、高，这就促使制造业进一步缩短新产品的研制和投放市场的周期，提高产品质量和降低产品开发成本。同时，要求提高制造小批量、多品种产品的灵活性，以满足社会个性化需求。与传统的设计开发工具相比，快速成形技术无论是在开发周期还是成本方面都具有相当的优势。此外，依靠快速成形技术，还可以进一步改造现有的制造模式，提高整个制造产业的加工水平，并使之朝先进制造方向迈进。目前，RP技术向两个方向发展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；自动化的桌面小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于制造概念原型。发达国家许多科研机构（如IBM公司）及教育单位（中等职业学校甚至中小学）已经开始购买此种小型RP设

15、备，并极有可能进入家庭。美国通用汽车公司也计划为其每位工程师配备一台此类设备。1.2常见的快速原型制造方法1.立体印刷技术（SLA）SLA（Stereo lithograghy Apparatus)法，其工艺原理是：从最底层开始，激光在光敏树脂表面扫描，在扫描过程中，激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方才会发生聚合反应形成固态。2.选择性激光烧结（SLS）SLS（Selective laser sintering)是利用激光所提供的能量有选择性地融化热塑性塑料以形成三维零件。3.熔融沉积成型（FDM）FDM（Fused Deposition Modeling)是利用热塑性细丝在移动头中

16、进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件。4.层压物体制造技术（LOM）LOM（Laminated Object Manufacturing)是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件的一种技术。5.三维打印成型（3D PRINT）三维打印成型是在计算机的控制下，利用喷头喷射粘接剂，喷射粘接剂的路径材料被粘接在一起，而其它地方仍为松散粉末，层层粘接得到最后的三维实体。图1.1 RP工艺分类1.3 快速成型技术的原理不同于传统加工的材料去除法或变形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材法制成的一次成形件。从成形角度来看，任何零件均可看作是由无数个空间薄片叠成的三维几何体，薄片的形状就是几何

17、体的截面形状。如果能够将这些薄片逐片制作出来，然后依次将它们逐层粘合在一起，最终即可得到期望的零件。这就是快速成形技术的基本原理。因此，快速成形就是将三维零件的制造问题转化为两维面片的制作，从而使三维复杂实体的制作变得非常简单.在很 大 的 程度上，快速成形加工系统与传统的数控机床有着极大的相似，两者都可以直接接受采用CAD工具设计零件文件，加工系统普遍采用直角坐标系，如X,Y, Z坐标轴等等。快速成形加工系统与数控机床的最直观差别在于，前者通常使用激光而不是刀具来实现对零件的加工。快速成形制造系统的原型制作过程都是在CAD模型的直接驱动下进行的，因此有人将快速原型制造过程称之为数字化成形。C

18、AD模型在原型的整个制作过程中相当于产品在传统加工流程中的图纸，它为原型的制作过程提供数字信息。目前国际上商用的造型软件如Pro/E, UGII, SolidEdge等都有多种数据接口，一般都提供了直接能够由快速原型制造系统中切片软件识别的STL数据格式，而STL数据文件是将三维实体的表面三角形化，并将其顶点信息和法矢有序排列起来而生成的一种二进制或ASCII文件。随着快速成形制造技术的发展，CAD模型的STL数据格式已逐渐成为国际上公认的通用格式。在快 速 成 形系统加工过程中，系统应用软件将计算机三维实体模型在Z向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光束(或其它能量流)在计算机的控制下扫

19、描二维轮廓或者有选择地固化或粘结某一区域，从而形成构成零件实体的一个层面，这样逐渐堆积便形成一个三维实体(原型)。最后通过后处理(如深度固化、修磨等)，使其达到功能件的要求。图1.2 快速成型示意图1.4本次设计的任务为研究开发价格低廉、精度较高、有自主版权的新型的三维实物打印机，从而实现从三维CAD虚拟模型到实物原型的快速转换。由此种成型过程生成的原型件可用于设计的校验与评审、零件实物装配检验、展品或商业竞标样件、消失模的主模型等，可藉此缩减企业新产品设计与开发周期和成本。总体 方 案 设 计 思路，延伸于二维打印机。即在二维打印图形上不断累加，形成三维实体。本项目开发产品可以作为CAD设计

20、的终端设备，有很大的市场容量。三维打印机可以快速提供概念模型，供设计评估，避免模具工装等生产准备工作的风险，从而可以大大加快新产品开发速度，降低新产品开发成本，大大提高企业的竞争能力和快速响应市场的能力。工作内容和要求： 1 X Y扫描装置设计2 升降工作台设计3 整机总装配图设计设计参数最大成型空间：150x150x150mm扫描运动最大速度：100mm/sX Y 重复定位精度：±0.005mmZ向重复定位精度：±0.01mm移动件最大质量： 2千克Z向工作台质量：10千克设计日程安排3.264.02查资料，调研，定设计方案，提交开题报告。4.034.23设计，计算，修改

21、设计方案。4.245.21绘制装配图，教师审核电子版图纸。5.226.11撰写说明书，修改装配图，绘制其他图纸，教师审核说明书6.216.18集中出图，打印说明书，准备答辩。第二章 基本方案的确定2.1最初方案工作台在XY向上由于重复定位精度比较的高，考虑采用闭环控制，工作台在XY向上由直流伺服电机驱动，电机经过减速机构，通过滚珠丝杠来带动工作台运动，用光电编码器作为测量反馈组件。XY向安装限位开关。工作台在Z轴上运动时，只需要按照层高不断下降，因此，可以使用一个步进电机，通过减速机构带动丝杠驱动工作台向下运动。出于对安全的考虑，要安装限位开关（可用一个简单的行程开关来实现），在工作台碰到开关

22、之后，立即停止运动。采用活塞式升降台单独的铺粉机构。图 2.1系统整体构成1.扫描工作台2.铺粉装置3.工作缸体4.驱动齿轮5.驱动电机6.附件系统7.喷头8.控制计算机9.电源2.2过渡方案考虑到三维打印机应定位为办公室内的小型机器。并且最初的方案将造成整体尺寸过于庞大，不符合设计的初衷，因此改用步进电机带动同步齿形带在光杠组成的平面中进行XY方向的扫描运动作为XY扫描装置的主体部分。这样减少整体尺寸，符合小型机器的概念，也能适当减少加工成本，和零件成本。并且能够达到要求精度等级。草图见下图：图2.2 过渡方案图2.3后期方案经过多次实践观察以及经验总结，从复印机的钢丝机构汲取的灵感，确定了

23、以钢丝为主要传动机构的方案。该二维工作台有诸多优点： 工作台的反向间隙小 分辨率高 响应速度快因此选用滑轮钢丝机构牵引工作台做XY平面的移动。并初步绘制结构图如下图2.3 钢丝绳驱动的二维工作台1.直线滚动导轨副A2.连接板A 3.直线滚动导轨副B4.钢丝绳 5.支撑板A 6.驱动轴A 7.直线滚动导轨副C8.支撑板B 9.驱动轴B 10.钢丝绳滚轮 11.支撑板C 铺粉机构也做了很大改动，铺粉装置由工作活塞、送粉活塞、两个工作缸体、铺粉轮、驱动装置组成，如下图所示。步进电机驱动齿轮,每加工完一层后,工作活塞下降,送粉活塞上升，然后铺粉滚轮来自动实现铺粉。该滚轮在两平行的齿带之间架设，由步进电

24、机驱动，滚轮完成两个功能: (1)铺粉；(2)压紧。图2.4 铺粉机构示意图2.4最终方案经过一段时间的画图和思考以及有限的实验，对之前的方案做了多项改进和优化。1.简化了钢丝传动机构，使传动更有效。2.2D钢丝绳驱动的工作台由2个步进电机驱动，用以驱动扫描系统。3.援引许慧斌梁伟文宾鸿赞刘琼 在论文激光分形烧结快速成形装置的研制的实验如下：在2D扫描系统中要求X-Y方向的灵敏度、定位精度高，并要求牵引力小、移动轻便，为此选择高精度的直线滚动导轨，重复定位误差为0.10.2m；可以完美的完成本三维打印机的任务。本文设计的扫描系统在X、Y方向的分辨率为0.02mm。通过百分表来测验，试验结果，表

25、1，2示：表1X方向位移数据（10-2mm）步123456位移2.04.05.97.99.811.8步789101112位移13.715.617.419.421.223.3表2 Y方向位移数据（10-2mm）步123456位移1.83.15.16.68.210.0步789101112位移12.013.815.817.219.221.2X方向平均每走一步的位移为0.019mm; Y方向平均每走一步的位移为0.018mm。该结果符合设计要求。4.采用钢丝绳牵引的原因主要是为了消除反向间隙。反向间隙实验的结果：X方向向前走一步后，接着向后走，通过比较前后两次的位移，即可判断反向间隙，当X方向向前走一

26、步的位移为0.021mm，返回的位移为0.020mm。这里存在着0.001mm的间隙，但是当连续走时，重复定位精度基本上无误差。当连续走150步后，接着反向走150步，位移基本为零。Y方向反向间隙与X方向类似，基本上被消除。该实验装置X方向的分辨率上达到0.018mm，Y方向的分辨率上达到0.019mm，反向间隙基本消除。5.Z向机构也做了大幅度的改变，创造性的将平面钢丝系统用于成型储料箱升降装置，使成型空间与储料空间之间形成正比关系，成型时，储料箱板逐渐上升，同时由于钢丝作用，成型箱板同步下降一定高度，并且储料箱板逐渐上升高度与成型箱板下降高度相等，然后刮板开始刮料，这样就不会造成普通铺粉机

27、构所遇到的各种问题，比如废料回收一类的先天不足问题。同时由于两个板联动自重互相抵消，使电动机的载荷大幅下降。6.铺粉机构整合为一个刮板，配合两侧高出1毫米的箱壁组成一个半封闭的空间，通过Y方向的运动把粉料由储料箱刮到成型箱并且铺平压实。图2.5 最终方案示意图第三章主要零部件的选型3.1步进电机的选用步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单

28、等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。图3.1德国百格拉公司三相混合式步进电机百格拉公司的三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作，运用特殊精密机械加工工艺，使步进电机定子和转子之间间隙仅为50um，转子和定子的直径比提高到59%，大大提高了电机工作扭矩，特别是高速时的工作扭矩。由于定子和转子上磁槽数远多于五相和两相混合式步进电机，使三相混合式步进电机可以按五相和两相混合式步进电机的步数进行工作。电机的扭矩仅与转速有关，而与电机每转的步数无关，例如：2Nm电机在每转500步和10000步，800转/分时的扭矩都是1.75Nm。百格拉公司的步

29、进电机系统在低速时运行极其平稳，几乎无共振区，高速时扭矩大，运行特性类同交流伺服电机，被称为具有交流伺服电机运行性能的步进电机系统。     百格拉公司的步进电机系统广泛应用于纺织机械、机床、包装机械、印刷机械、搬运机械、医疗仪器、光学仪器、装配机械等自动化控制设备中。电机型号 相电流 （A） 保持扭矩 (Nm) 工作扭矩(Nm) 空载启动速度 （r/s） 转动惯量 （kgcms2） 重量（kg） VRDM397 1.75 2.26 2 5.3 1.1 2.05 步进电机相电压分为325VAC和155VAC两种，电机每转的步数可任意设置为： 200、400、500

30、、1000、2000、4000、5000、10000步/转图3.2 2Nm步进电机矩频特性曲线3.2 软件环形分配器及其程序设计P1口的三个引脚经过光电隔离/功率放大后,分别与电机的A、B、C 三相连接。电机以三相六拍方式,电机正转的顺序为A AB B BC C CA A ,反转为A AC C CB B BA它们的分配如表1所示,设P1的某口的电平为高电平,相应的相位绕组通电。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM 中,并分别设定表头地址为TAB0 ,表尾的地址为TAB5 。计算机的P1 口按从表头开始逐步加1 的顺序变化,电动机正向旋转,如果按从TAB5 ,逐步减1 的顺序变化,电机反转。图

31、3.3 计算机三相六拍环形分配表子程序的入口,出口如下:入口:R6 :步进电机步数。R5 :正反转控制,R5 =0为正转,R5 0 为反转。R7 :TAB数据表指针。以上参数在主程序中给定。出口:R7 :子程序结束时电机状态,供下次调用参考。主程序主要完成初始化,根据电机的选择开关及方式选择开关设置相应标志等工作,实现的框图,如图所示。程序框图如下：3.3 联轴器的选用 MFB-12 紧固螺栓型特点波纹管型弹性联轴器 零回转间隙 高扭矩刚性和灵敏度 弹性波纹管型结构补偿径向、角向和轴向偏差 偏差存在的情况下也可保持等速作动 顺时针和逆时针回转特性完全相同 免维护，超强抗油和耐腐蚀性 波纹管的材

32、料为全不锈钢或磷青铜（轴套铝合金） 两端不同孔径大小的产品型号也备有库存 图3.4 联轴器结构和材料尺寸产品编号ALWEFGM拧紧力矩(N·m) MFB-12127.523.572.5M2.50.5说明所有产品皆配有紧固螺栓。孔径尺寸等于或小于4的轴套配有一个紧固螺栓。紧固螺栓型联轴器的孔径公差H8。轴心公差建议为h6或h7。3.4 直线导轨的选用AMT直线导轨的特长：定位精度高，重现性佳直线导轨的滚动运动方式，摩擦系数特别小，尤其静摩擦力与动摩擦力的差距很小，即使在微量进给时也不会有空转打滑的现象，解析能力与重现性最佳，因此可以实现m级的定位精度。低摩擦阻力，可长时间维持精度直线导

33、轨的滚动摩擦力可减小至滑动导轨摩擦阻力的1/201/40，尤其润滑结构简单，润滑容易，润滑效果优良，摩擦接触面的磨耗最底，因此可以长时间维持行走精度。可承受四方向的高负荷能力几何力学结构的最佳设计，可同时承受径向、反径向与横方向的负荷，并保持行走精度，同时可轻易藉由施于预压与滑块数量，就可以提高起性能与负荷能力。适合高速化之应用摩擦阻力小的特性，对设备的驱动马力需求低，节省能源效果大，尤其运动磨耗小，温升效应低，可同时实现机械小型化与高速化需求。组装容易并具互换之特性直线导轨的安装只要在铣削或研磨加工的安装面上，以一定的组装步骤，即能重现直线导轨的加工密度，可降低传统铲花加工的时间与成本。并且

34、其可互换之特性，可以将滑块任意配装在同型号的滑轨上，同时又保持相同的顺畅度与精密度，机台组装最容易，维修保养最容易，维修保养最简。图3.5 滚动直线导轨副安装尺寸3.5 微型直线导轨的选用微型导轨 - 标准型MR-M系列特点：高负荷,高扭矩功能 MR微型滚珠线性滑轨系列采用二列式滚珠循环设计,滚珠轨道设计采歌德式结构,其接触角为45度,以达到四方等负荷之效果:并在有限空间限制下,使用较大尺寸钢珠,以提高负荷能力,充分展现高负荷,高扭矩功能. 嵌入式设计 滑座钢体与框架,端盖及密封片之结合方式采嵌入式设计,不须使用螺丝固定,节省结构设计之空间。 精度等级 MR微型滚珠线性滑轨系列提供三种精度等级

35、N,H,P,供设计选用。防尘设计 薄型底面密封及端面密封构成全密闭防尘设计:可弹性搭配。 回流孔特殊设计 钢珠回流孔及回转道由全密闭式塑胶框架及塑胶端盖构成,结构简单,钢珠循环更平稳,噪音低。 润滑 滑座于两端由密闭式润滑注油孔设计,可经由钢珠循环将润滑油带到表面,达到润滑的效果。 保持器设计 滑座具高刚性钢珠保持器,以确保运送途中安全并且滑座容易装配。材质 MR微型滚珠线性滑轨系列无论是滑轨,滑座钢体或滚珠皆使用不锈钢淬透热处理材质。图3.6 微型滚动直线导轨副安装尺寸3.6 滑轮的选用滑轮采用慈溪市横河镇梅园滑轮厂生产的非标准滑轮。中间有轴，外包塑料。本设计用到3种，一种一侧有轴，3个用于

36、Y方向的钢丝传动。一种是两侧都有轴，数量较多 ，用于Z向的钢丝传动机构。另一种只有一个，由于空间位置问题，选用螺线线式的双层结构滑轮，以便使钢丝绕行1.75周之后再绕出结构所需。3.7其它零件的选用喷头采用类似于压电喷头的结构压电喷墨技术是将许多小的压电陶瓷放置到喷墨打印机的打印头喷嘴附近，利用它在电压作用下会发生形变的原理，适时地把电压加到它的上面。压电陶瓷随之产生伸缩使喷嘴中的墨汁喷出，在输出介质表面形成图案。 粘接剂储存输送装置是仿照打印机墨盒的结构制成，粘接剂本身消耗很少，将喷头与粘接剂储存输送装置整合在一起。螺钉，螺母，弹簧垫圈由于图书资料不够详细，无法了解一些小螺钉，螺母，弹簧垫圈

37、的具体尺寸，所以选用了catia内部库文件导入的ISO标准的零件，如ISO 4762 M4x12的内六角圆柱头螺钉，ISO 4017 M2X6的六角螺栓。可调式脚架可以调整调整螺母来保证机器水平。底部为减震作用的尼龙材料。X向移动板采用普冷钢板2次冲压而成，提高效率。第四章喷头的仿真模拟以及电机的计算4.1 喷头的仿真模拟计算台湾陈政宏等人的研究结果证明，喷嘴的压力变化与时间近似呈正弦关系（详见论文微喷墨技术应用之模拟及实验验证），如图4.2所示。由于在72s之后，喷嘴内部液体的压力对于已经断裂的液滴已经不会产生任何影响，因此在仿真系统中，因波传递所造成喷嘴最上层的压力随时间变化之关系只标示到

38、72s。图4.1挤压式压电喷墨打印头示意图 图4.2进水口单一电脉冲压力-时间表依据流体力学理论，对于不可压缩流体之牛顿流体，流体流动的数学连续方程式(Continuity equation)：                    (1)动量方程式(Momentum equation)：     (2)      (

39、3)       (4) 其中p(g/cm3)为密度; m(g/cms)为黏滞系数; P(g/cms2)为压力; u、v及w(cm/s)分别为x、y及z方向之速度分量; Fbx、Fby及Fby (gcm/s2)为表面张力在x、y及z方向上的分量; gx、gy及gz(cm/s2)为x、y及z方向的重力加速度。欲模拟一带有自由表面的瞬时流体流动情形，首先要能订出自由表面的位置，其次是要能计算出自由表面随时间变化的情形，最后是要能处理自由表面的边界条件，在本研究中我们选择使用流体体积(volume of fluid, VOF)法来处理这类三度空间的问

40、题。 VOF法是由Nichols和Hirt等人所提出，以流体体积比例(the fractional volume of fluid)的概念，来追踪自由表面的形态与变动。首先在计算系统(Calculational Domain)建立一组流体体积函数F(x, y, z, t)，它的值介于0和1之间。当一个格子内充满流体时其值为1，空格子时其值为0，若F值介于0和1之间则属于自由界面格子，即气液共存的情况。因此F可以用来表示流体移动的行为。 在处理F的传递时，近似的界面位置必需被重建，以便提供正确F传输量的计算及决定表面区域的物性。本研究在界面重建及F值的传递问题上采用PLIC并耦合VOF法来计算，

41、在三度空间上以一任意方向之平面来表示自由表面，进而根据此平面之移动位置来计算F的传递。步骤1: 建立/重建自由表面。步骤2: 计算速度场。步骤3: 计算F值的传递及传递后F值的分布为了能够在自由表面的边界上获得较准确的速度与压力，本研究将表面张力的效应纳入考虑并采用Kothe等所提出的CSF模式，并推导至三维的状态，CSF Model将表面张力视为一连续的、横跨于界面的作用力，等同于动量方程式中的body force Fb，并由下式求得 仿真系统首先以水来作测试。模拟结果的3-D parametric views如图所示。视角为与水平面呈30度，由图可以清楚观察从液滴生成、液滴串断裂

42、、尾液滴(tail droplet)成形、卫星液滴与主液滴结合成单一液滴、液滴撞击到标的与撞击后液滴扩张到最大半径之模拟结果。本研究主要讨论液滴生成与飞行之模拟结果并与实验验证。图4.3 模拟弹射序列的液滴参数图模拟结果如图所示，图中20-110s所对应之实验观测照片如图所示。在20-26s，由于喷嘴上方的正压力推挤喷嘴内部之液体，使得液体开始由喷口喷射出，此时液滴形状呈现半月形。在26-38s，因为正压力持续作用而给予液滴一加速度，因此液滴速度与长度均增加。在40s后喷嘴上方开始产生负压力，在44-50s，喷口附近的液体受到喷嘴内部向上拉回之负压力，使得向下速度减小，同时并受到下方液滴串之表

43、面张力相互作用，于是产生颈缩现象，由模拟结果与实验照片可知液滴串均在56-62s之间产生断裂，在此阶段模拟与实验具有高度的一致性。在62s之后，液滴串已经完全和喷嘴分离，形状具有圆浑的头端和细长的尾端，由于尾端受到表面张力的作用，产生一向下的加速度，使细长的尾端向下之速度迅速增加并追上头端的速度，头尾两端相互靠近，液滴串的长度开始减小，由于尾端质量的累积致使体积也变大形成尾液滴。 模拟与实验在80s时有些许的差异，实验照片之部份尾液滴和液滴串已脱离而在模拟结果上则尚未完全脱离，以致80s之后，模拟结果之尾液滴较大、尾液滴较实验早形成圆球体。模拟结果在86-92s之间因表面张力作用，尾液滴和主液

44、滴分离，形成卫星液滴，由于卫星液滴的速度扔较主液滴大，在92-104s赶上主液滴并结合成单一液滴；在实验照片上，卫星液滴与主液滴则在104-110s合成单一液滴。 20 26  32   38   44   50   56  62图4.4a  模拟结果20至62s20 26 32 38 44 50 56 62图4.4b 实验观察20至62s在液滴飞行距离方面，为模拟与实验结果之比较；在液滴体积方面，实验观察之液滴体积为236 pl，模拟结果之液滴体积为229 pl。从液滴形态

45、、断裂时间、飞行距离与体积等四方面，模拟结果与实验观察比对具有不错的吻合。 68  74    80   86   92   98  104  110 图4.5a 68-110s的模拟结果68 74 80 86 92 98 104 110图4.5b 68-110s的实验结果图4.6 对比飞行距离液滴之间模拟结果与实验观察结果4.2 关于步进电机的计算计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: i=(.S)/(360.)=1(1-

46、1) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） 计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2=3.56 （1-2） 式中Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm. s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（N） S -丝杆螺距（cm） 计算电机输出的总力

47、矩M M=Ma+Mf+Mt =0.155（N.m)（1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102 （1-4） 式中Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2i)×102 （1-5） Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递效率 Mt=(Pt.s)/

48、(2i)×102 （1-6） Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） 负载起动频率估算数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中fq-带载起动频率（Hz） fq0-空载起动频率 Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算. 运行的最高频率与升速时间的计算由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 负载力矩和最大静力矩Mmax负载力矩按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.