巧克力挤出式3d打印机结构设计-毕业汇编(完整版)资料

巧克力挤出式3d打印机结构设计--毕业汇编（完整版）资料(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）

巧克力挤出式3d打印机结构设计--毕业汇编（完整版）资料(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）毕业论文巧克力挤出式3D打印机结构设计学生姓名：专业班级：指导教师：学院：机电工程学院2021年6月巧克力挤出式3D打印机结构设计摘要随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用于生活当中，3D打印技术也将被推向更高的层面。如今人们物质生活丰富，更多人们追求个性的生活。喜欢一些DIY设计，把自己喜欢的图案作为服饰或者食物的形状。鉴于3D打印的流行和人们个性的追求，设计一款巧克力3D打印机是非常有前景的。本设计基于快速成型技术的基本原理，对于普通3D打印机结构加以研究，特别对打印的材料和材料输出的方式加以设计和改进。在普通的挤出式打印机基础上进行优化设计，以巧克力为打印材料，先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，通过单片机读出截面的信息，由单片机指导三个坐标滑台运动和控制挤出头挤出量。本次设计的巧克力挤出式3D打印机主要为机械结构，由X、Y、Z坐标滑台、挤出头、滚珠丝杆副、直线导轨，箱体等部分组成。其中X、Y、Z坐标滑台是来实现三个自由度的运动，分别由三个步进电动机驱动，滚珠丝杠副传递运动，使坐标滑台在直线导轨上做直线运动。最后设计出箱体结构设计比较简洁，容易实现桌面化。设计出能打印长200mm，宽200mm，高100mm的巧克力3D打印机。关键词3D打印机；快速成型；结构设计

3DprinterstructuredesignofextrusionofchocolateAbstractWiththefurtherdevelopmentofintelligentmanufacturing,newinformationtechnology,controltechnology,materialstechnologyhasbeenwidelyusedindailylife,3Dprintingtechnologywillbepromotedtoahigherlevel.Nowpeoplerichmateriallife,moreandmorepeoplethepursuitofindividuallife.LikesomeDIYdesign,theirlovepatternasclothingorfoodshape.Inviewofthe3Dprintpopularandpeople'spursuitofpersonality,thedesignofa3Dchocolateprinterisverypromising.Thebasicdesignprincipleofrapidprototypingtechnologybasedon3Dstructure,forordinaryprintertobestudied,especiallyfortheprintingofmaterialsandmaterialoutputmodedesignandimprovement.Tooptimizethedesignofextrusiontypeprinterbasedincommon,withchocolateforprintingmaterials,throughthemodelingofcomputermodelingsoftware,andthenbuiltthe3Dmodelof"partition"layerbylayersection,readthesectionoftheinformationthroughtheMCU,MCUinstructionbythreecoordinateslidermovementandcontrolofextrusionheadextrusionamount.Thedesignoftheextrusiontype3Dchocolateprintermainlyformechanicalstructure,composedofX,Y,Zcoordinates,theextrusionheadslide,ballscrew,linearguide,caseetc..TheX,Y,Zcoordinatesoftheslideistorealizethreedegreesoffreedomofmovement,whichiscomposedofthreesteppermotordrivenballscrewtransmission,movement,coordinateslidermotioninastraightlineonthelinearguiderail.Thestructuredesignissimple,easytoimplementdesktop.Designedtoprintlength200mm,width200mm,100mm3Dchocolateprinter.Keywords：3Dprinter;rapidprototyping;structuredesign目录摘要Abstract16967目录 ⑥、速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合[15]。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但伺服电机的成本远高于步进电机。在考虑设计的经济性时，我们选择步进电机作为运动源。电机功率和转矩较小，但是要求精度较高，步矩角小，分辨率高，同时体积和质量要小。最后选型为LC57HS0601步进电机。联轴器选择：联轴器连接电机输出轴和丝杆轴，输出的转矩不大，可按照电机轴和丝杆轴的轴径选择联轴器型号。根据GB/T5272-2002《梅花形弹性联轴器》选用最基本型LM1-MT1。丝杆螺母副设计：滚珠丝杠副是由丝杠及螺母二个配套组成的。是目前传动机械中精度最高也是最常用的传动装置。根据设计的工作台尺寸400×400mm，所以丝杆的长度为400mm。丝杆和光杆配合使用支撑滑台，由于丝杆光杆承受的力较小，初选其直径为mm。滚珠丝杠的基本参数公称直径16mm，公称导程2.5mm，精度7级。根据GB/T17587.2-1998选择滚珠丝杠型号为GB17587-16×2.5×380[16]。滚珠丝杠副的安装方式选择两端铰支，如图2-4（a）、（b）所示。此结构简单，轴向刚度小，适用中等回转刚度。两根光杆和丝杠配合，滚珠丝杠螺旋转动带动螺母滑台直线移动，运动如图2-4（c）所示。图2-4滑台组挤出部件设计电机选择挤出头挤出熔体巧克力时需要运动平稳，精度要求高，根据上节的电机选择分析可选择步进电机，厚度精度为0.005mm，需要选择精度更高的步进电机。选型57BYGH002。偏心联轴器设计单螺杆泵的工作原理是偏心单头螺旋的转子（螺杆）在双头螺旋的定子孔（螺腔）内绕定子轴线作行星回转。在传动轴和螺杆之间需要有个偏心联轴器连接。此设计为简化设计，设计出的偏心联轴器基本结构如图2-5所示，螺杆具有单头螺纹,其任意截面皆为半径为R的圆,截面的中心位于螺旋线上且与螺杆的轴心线偏离一个偏心距e，绕轴旋转且沿轴向移动而形成的[17]。图2-5偏心联轴器传动轴及螺杆设计按挤出头的设计，电机输出后连接联轴器，再传给传动轴，在传动轴上需要有轴承支撑，传动轴设计如图2-6所示，L1段连接联轴器，L2段用于轴承支撑，L3段连接偏心联轴器。图2-6传动轴单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在料筒中旋转构成，单螺杆挤出机的大小一般用螺杆的直径来表示。螺杆是挤出机的关键部件，各啮合螺杆之间以及螺杆与缸套间的间隙很小，在泵内形成多个彼此分隔的容腔，转动时，下部容腔V增大，吸入液体，然后封闭；封闭容腔沿轴向推移，新的吸入端形成，一个个的封闭容腔移动，液体就不断被挤出。螺杆结构如图2-7所示，螺杆的直径（D）与长径比（L/D）是螺杆的基本参数[18]。图2-7螺杆挤出装置的整体设计挤出装置的原理是利用螺杆泵的相互啮合空间容积变化来输送熔体巧克力的。螺杆泵有单螺杆、双螺杆和多螺杆等几种。按螺杆的安装位置可分为卧式和立式两种。本设计所用到的是单螺杆立式安装，整体设计就如图2-8所示。图2-8挤出装置机架部分设计在本次设计的机架部分，主要包括底座支板，立板和悬臂板。底座支板上分布有X进给方向的滑台组，主要是起支撑作用，立板固定在底座支板上。在立板上布置Y轴的滑台组，滑台上固定悬臂板，悬臂板上布置Z方向滑台组，滑台组的支撑板上固定挤出装置。这样机架就把三自由度的滑台组固定了，挤出装置也被固定。此种结构简单，可靠，安装方便。图2-8挤出装置总装图根据设计参数和上述的各个机构的原理，设计出3D打印机，其总装图如图2-9所示：图2-9总装图重要零件的设计计算和校核电机的选择巧克力挤出式3D打印机的电机分为以下几种。第一种是XYZ三坐标进给机构中的步进电机，有三台。第二种是挤出装置中的步进电机，有一台。本次设计对电机的要求高，故采用不仅电机，XYZ轴的进给系统运动直接影响打印精度。进给系统的运动性能一样采用同种步进电机。因为本次设计的重点是巧克力挤出式3D打印机的挤出装置，因此，挤出装置中的步进电机应该选择更精度更高的。进给系统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)计算得：N丝杆轴的直径为16mm，则所需力矩为(3-2)计算得：N·m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N·m故选步进电机型号为LC57HS0601步进电机，其静力矩为0.065N·m，步矩角0.9°，相电流0.5A，重量为0.12kg，尺寸为mm。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θb，由于≤(3-3)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M1是指电机的额定的转距。步进电机的最大启动转矩Mm与最大静转矩Mj的存在一定的比例关系是：Mm=Mj(3-4)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：Mk=M2+Mf+(3-5)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。联轴器的选择在本次的设计上，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，本次的设计有两类联轴器。一类是进给机构中的步进电机，轴颈较小，扭矩也较小。另一类是挤出装置机构中的联轴器，轴颈较大，同时，扭矩也较大。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/T5014-2003，型号为LX1，公称转矩为250N·m，轴颈18mm，D为90mm，b为20mm，质量为2kg。挤出装置上的联轴器的要求进给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。挤出装置部件的设计计算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300mm。螺杆长径比较小，一极不超过22mm。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[19]。螺杆的设计螺杆的材料选择38CrMoAIA钢。单螺杆挤出机螺杆的基本几何尺寸关系表示在图3-1中。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。图3-1螺杆几何结构(1)螺杆的径向尺寸巧克力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=32mm。实际上机筒内径与螺杆外径之间存在径向间隙。显然有如下关系：(3-6)代入数据得：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。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=32mm。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)代入数据得：即螺旋角螺槽轴向宽度B是沿螺杆轴向量取的螺槽宽度。同样螺的轴向宽度为b。mm二者与螺距有下列关系：mm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)代入数据得：mmmm巧克力熔体输送速率计算根据上述的设计，螺杆直径Ds=32mm，螺距S=32mm，螺槽的深度为4mm，螺旋角。参照巧克力的物料参数，熔体粘度熔体密度。计算熔体输送速率。(3-9)代入数据得：。机筒的设计本设计为普通机筒结构型式，普通机筒的几何体型较简单，但机筒内孔机械加工精度和光洁度要求很高，设计机筒结构时必须结合机械加工特点考虑。机筒的结构型式按挤出机的类型、用途和制造条件，设计成整体式和分段式。整体式机筒用机械加工方法保证机筒的精度要求。分段式机筒，联接法兰影响热传递均匀性，增加热量消耗，装配精度要求高[20]。本设计采用整体式，根据螺杆的大小及尺寸设计出如下图3-2的机筒。图3-2机筒几何结构螺杆的强刚度校核强度校核已知螺杆材料为38CrMoAIA钢，许用应力[]MN/m2，机头的压力P=10MPa，螺杆的最高转速，驱动电机功率为1.5kW，驱动装置效率。计算轴向力由常规螺杆的经验关系式：(3-10)带入得：MN由式(3-11)计算压应力：MN/m2由式(3-12)计算扭矩：N·m由式(3-13)计算剪应力：MN/m2由式(3-14)计算螺杆强度：MN/m2校核结果：螺杆强度符合要求。刚度校核根据螺杆的材料为38CrMoAIA钢，，GN/m2，螺杆的许用扭转角。由式(3-15)计算扭转角：校核结果：刚度符合要求。轴的计算和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。初估轴颈轴的材料均采用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，由公式得：(3-16)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：mm，由于所求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：mm，取整得此处轴径大小为mm，此处安装联轴器。轴的各处轴径依次分别为mm，此处安装角接触球轴承；mm，此处尺寸的确定是根据轴承的安装要求来确定的。轴的各轴段的尺寸如图3-2所示：图3-2丝杆轴的各段尺寸轴的刚度校核将丝杆轴简化为图3-3所示的简支梁。图3-3丝杆轴简化成简支梁简化过程：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。计算变形。丝杆轴横截面的惯性矩为(3-17)代入数据得：当Fc作用时会引起C处产生挠度和截面的转角如图3-4所示，分别为：图3-4挠度转角图(3-18)(3-19)代入数据得：mmrad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：mmrad而mm＜mmrad＜rad故刚度满足要求。轴承寿命的计算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。有机械设计手册查得：最大静载荷kN，额定静载荷kN，，，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。点所受的力NN点所受得力NN在点所受径向载荷(3-20)在点所受径向载荷(3-21)代入数据得N；N因为在点的径向的载荷大于在点的所受的径向的载荷，所以按点处轴承计算轴承寿命。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，所以该轴承的寿命为：（3-22）式中，C表示额定静载荷，P表示所受的载荷，n表示转速，ft表示温度系数。代入数据得h因为＞12000h，故选用7205C轴承能满足使用要求。基于SolidWorks的各部分机械结构设计本次的巧克力挤出式3D打印机的设计，主要考虑了各部分的机械结构。该设计主要分为以下几个部分。一、进给系统，主要实现三坐标系的进给运动，设计出由步进电机为驱动源利用丝杆螺母驱动工作台的滑台组；二、挤出装置部分机构，主要包括电机、传动轴、螺杆和机筒。主要实现巧克力的均匀挤出；三、机架部分，主要包括横梁立柱等机构实现工作台的支撑和搭建平台。下面就三维的简易示意图做详细的分析[21]。直线滑台的三维设计在本次的巧克力挤出式3D打印机的进给系统的设计当中，直线滑台的设计是一大创新点。一方面，它在实现既定的直线运动功能之外，另一方面，还能实现工作台的支撑作用。分析直线滑台的机械结构如下。首先，它由四块立板构成框架。前后立板支撑光杆和丝杆，丝杆两端有轴承支撑，光杆过盈配合。后面立板架着步进电机。在丝杆和光杆上，设计套有与丝杆配合的螺母。通过螺钉将滑台固定在螺母上。这滑块分别起着导轨的作用，使得丝杆的传递动力与导轨的承载作用分离。这样就实现了电机带动丝杆转动，丝杆螺母副带动滑台直线运动。如图4-1所示，为直线滑台机构的示意图。图4-1直线滑台的示意图挤出装置的机构设计在本次的设计中，三维设计较好的表现了挤出装置的外形几个组成部分。挤出装置主要由以下几个部分组成。首先是步进电机通过联轴器与传动轴相连接。传动轴的另一端与偏心联轴器相连，偏心联轴器的另一端与螺杆相连，螺杆和机筒配合连接。轴承座支撑传动轴，最后将电机固定在折板上，折板和轴承座都固定在立板上，以便于将挤出装置连接在Z方向的直线滑台上。该机构实现如下的功能，一方面，Z方向滑台运动带动挤出装置向上或向下运动，实现坐标进给。另一方面在步进电机的驱动下，螺杆转动将熔融的巧克力从挤出筒里挤出。如下图4-2所示，为挤出装置机构的示意图。图4-2挤出装置三维结构图机架本体的结构设计本次设计的机架本体主要包括立柱，上横梁，下横梁。机架本体部分主要起着连接作用，将各部件连接起来，有一个框架基础。在本次设计中，没有考虑控制部分。上横梁和下横梁立柱部分的连接不同。上横梁通过滑块可以做上下的移动。该移动实在加工之前根据要加工工件的厚度要求进行移动。而下横梁是不能够移动的，它被固定在立柱上。立柱通过连接螺钉与地脚螺钉相连接。如图4-3所示，为机架的本体部分。图4-3机架本体三维结构整体装配图结构本次设计的所有零部件的三维结构设计完成以后要经过安装检验，保证其相互之间的尺寸合适，以及检查其相互之间的运动是否会产生干涉现象，如果再此过程中发现装配问题和运动干涉的问题，要及时的修改原有零部件的结构和尺寸，并且检查装配时的配合是否合理，保证没有过定义出现。本次设计巧克力挤出式3D打印机的整体结构如图4-4所示图4-4巧克力挤出式3D打印机总装三维图结论本次设计完成了巧克力挤出式3D打印机的机械结构设计。完成了对三维打印机XYZ三坐标进给系统设计，挤出装置设计，机架整体设计。本结构基本可以完成200×200×100mm的巧克力打印制造，完成了设计要求。系统中零部件尽量选用常见标准件，造价低廉，经济性好。但是与已经比较成熟的三维打印机技术相比较，本设计的精度明显较低，无法适应先进制造技术的发展需要。可以通过继续完善控制系统来提高制造精度。参考文献[1]杜鹏,王斌.浅析3D打印机的发展趋势[J].中国科技信息,2021,07:141-143.[2]王瑞玲.3D打印机设计的初步分析[J].电子制作,2021,19:28-29.[3]李波，高玲，肖慧主编.挤出机[M].北京：中国建材工业出版社,2021.11.[4]谭秀腾,郭小定,李小龙,余亮.基于ARM的桌面型3D打印机控制系统设计[J].应用科技,2021,05:57-61[5]S.Vinodh,G.Sundararaj,S.R.Devadasan,D.Kuttalingam,D.Rajanayagam.Agilitythroughrapidprototypingtechnologyinamanufacturingenvironmentusinga3Dprinter[J].Jour