3D打印机的机械结构设计

摘 要随着工业现代化的不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加（包括五轴加工中心3D打印机应运而生……3D打印机看似复杂，却很简单，也许你会为它神奇的能力而震撼，也许你会为它的高科技而惊呆，其实从1916年爱因斯坦提出激光原理时，已经为3D3D一点也不复杂。3D3D对新型的生产工艺采取的实际设备的设计制造。关键词：3D打印机机械结构新型设备ABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentofmodernindustry,thetraditionalprocessingtechnologyhasbeenunabletomeettheprocessingneedsofmodernindustrialparts,thetraditionalprocessingandutilizationofmanydeformedstructure(includingfiveaxismachiningcenter)isdifficulttobemachinedorcannotprocess.Thenemergeasthetimesrequire3Dprinter......3Dprintermayseemcomplicated,butisverysimple,youmightandshookitmagicalabilities,perhapsyouwillbestunnedforitshigh-tech,infact,theprincipleoflaserEinsteinfrom1916,haslaidasolidtheoreticalfoundationfortheemergenceof1986thefirst3Dprinter.Abouttheprincipleof3Dprinterisnotcomplicated.Inthispaper,the3Dprintingtechnologytodesigna3Dprintspeedmodelofequipment,designandmanufactureoftheequipmenttothepracticalproductionprocessmodelfortheequipment.Keywords: Keywords: 3Dprintermechanical structure modelofequipment3D打印机设计目 录第一章绪论 1课题来源及研究目的和意义 1本次设计的主要内容 53D打印设备方案分析 5机械结构设计思路 5机械结构总体方案和布局 6第2章机械结构设计… 8电机的选择 8滚珠丝杠螺母副的设计 10材料选用原则 10丝杠螺母工作条件及失效形式 11螺旋传动类型特点和应用 11滚珠丝杠螺母副的计算 12滚珠丝杠螺母的支撑方式 18滚珠丝杠螺母的润滑和防尘隔离 18导向光杆和直线轴承的设计 20联轴器的设计选择 23同步带轮的设计计算 23第3章结构设计及三维建模… 26主体结构设计的是三维建模 27整体装配建模 30标准件建模 30结论 38参考文献 39致谢 40第1章绪论课题来源及研究目的和意义3D和传统打印机十分相似。快速成形技术（rapidprototyping，RP）速原型制造技术，是近年来发展起来的一种先进制造技术2080美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次CAD材料科学与工程RPCADCAMCNCCAD，或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料快速成形工艺流程如下：三维模型构造由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体PCCAD软件（如U、Pro/E、I-DEAS等，根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三得到数据点云，进行三维重构。STLCADSTL三维模型的分层(Slicing)处理由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进生产率要求选定。间隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔范围为0.5mm，常用0.1mm，能得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后，成形时Slicing自动提取模型的截面轮廓。截面加工根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成（如激光扫描头或喷头x-y（得到一层层截面。最终形成三维产品。后处理成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度（如3D-P。对于SLS温炉中烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。本次设计中根据三维打印技术的原理以及作用的基础上，综合运用机械原本次设计的主要内容3DCAD/PROE3D3D零件图及相关设计说明书。主要的设计基本内容如下：3D图工具。3D统、喷头运动系统。装配关系，完成装配工作图。3D（构等机构。3D设计总结及答辩：进行毕业设计总结，完成答辩准备工作。3D打印机模型设备的方案分析机械结构设计思路3DPCAD机械系统 X,Y轴(打印平面)组成平面扫描运动框机构选用：X轴 导轨——丝杆机构Y轴 导轨——丝杆机构Z轴（即成型腔和储料腔）光杆——丝杆机构两副铺粉辊机构（即喷头）导轨——丝杆机构机械结构总体布局3D打印机的方案1）储料箱：提供成型与支撑粉末材料。2）成型箱：在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。零件加工完后，缸升起，以便取出制造好的工件，并为下一次的加工做准备。工作缸的升降由伺服电机通过丝杆驱动。余料箱：安装在成型机壳内，回收铺粉时多余的粉末材料。打印快速成型的关键部件。2电机的选择Z轴电机的选择Z2m/min左右G=mg=30×10=300NV=1-2m/min=16.6-33.3mm/s选用伺服电机，本次伺服电机的厂家为华大伺服电机。电机设计计算1、确定运行时间本次设计加速时间lVl(t60 0Vl负载速度（m/min）

-t1 有速度可知每秒上升50mm，l 1.2 360电机转速n Vl电机 PBPB为丝杆导程，本次设计的丝杆导程我们取5mm，PB=5.00mmVl 2n 400r/min电机 PB 0.005负载转矩gMP

0.3102000.005TL B2

0.9

1.73N.m式中：摩擦系数，取0.3M：负载重量200KgP：丝杆导程：传动效率，取0.9负载惯量

PB2 0.0052JLMM(

)200

0.000126779(kg.m2)JB

L32

D4B

7.87102105(kg.m2)32式中密度，取7.87L：丝杆长度，取0.6mBD：丝杆直径，取0.02mB总惯量J J J 0.00032(kg.m2)总惯量L LM B启动转矩NM(JMJL) 636.9(JM0.00032)T S 60t1

1.25N.m601.2必须转矩TMTSS2.36N.mS根据以上得出数据，我们选用华大伺服电机型号为110ST-M02030，以下为选择的伺服电机的具体详细介绍：2.0N.m，额定地拿了4.0A额定转速为3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸110x110x106，电机输出轴径为12mm。XY轴电机的选择XY电机设计计算1、确定运行时间Vl本次设计加速时间l (t60 Vl负载速度（m/min）

-t1l1.20.033有速度可知每秒移动50mm， 360电机转速n Vl电机PBPB为丝杆导程，本次设计的丝杆导程我们取4mm，PB=4.00mmn Vl 2 500r/min电机 PB 0.004负载转矩gMP

0.3102000.004TL B2

0.9

1.59N.m式中：摩擦系数，取0.3M：负载重量20KgP：丝杆导程：传动效率，取0.9负载惯量

PB2 0.0042JLMM(

)200

0.00011245(kg.m2)JB

L32

D4B

7.87106105(kg.m2)32式中密度，取7.87L：丝杆长度，取0.5mBD：丝杆直径，取0.016mB总惯量J J J 0.0002(kg.m2)总惯量L LM B启动转矩NM(JMJL) 636.9(JM0.0002)T S 60t1

0.65N.m601.2必须转矩TMTSS1.3N.mS根据以上得出数据，我们也选用华大伺服电机型号为110ST-M02030，具体尺寸同Z轴移动所选的电机相同。滚珠丝杠螺母的设计材料选用原则和经济性。能的影响。丝杠螺母的工作条件、失效形式和技术要求1、工作条件行测量，而非传递动力或扭矩。主要承受一定的剪切、弯曲、扭转等载荷。2、主要失效形式以有效的减少磨损。3、材料性能要求根据丝杠的工作条件和失效形式，要求丝杠材料具备以下主要性能：①电磁铁参数测量装置是对电磁铁的电磁吸力、磁场强度和线圈温度进行测量的装置。为避免电磁铁的磁泄漏，采用不可磁化材料。如不锈、铝合金、铜合金、陶瓷材料或高分子材料。②较高的综合力学性能.当丝杠正常工作时，要承受一定的交变载荷与冲击载荷。③丝杠轴颈应具有高的硬度和耐磨性，提高丝杠的旋转精度和使用寿命。丝杆螺旋传动的类型、特点与应用转运动。梯形丝杆的特点：传动效率高：滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%2～4运动转为旋转运动（运动可逆）。高精度：滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙度。高耐用性：钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）保持性。的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。高可靠性：与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障滑状态下工作。无背隙与预紧：采用歌德式（Gothicarch）沟槽形状、轴向间隙可调度。滚珠丝杆螺母的设计计算滚动螺旋传动主要承受轴向力。由于螺母和螺杆间有较大的滑动摩擦，因（螺杆的直径和螺母的高度核。螺旋副 材料牌号

2.1

应用范围Q235、Q275、45、5040Cr65MnT1240WMn螺杆18CrMnTi38CrMoAlZCu10P1、ZCu5Pb5Zn5螺母 ZCuAl9FeNi4Mn2ZCuZn25Al6Fe3Mn3

材料不经热处理，使用于经常运动，受力不大，转速较低的传动材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动材料需经热处理，以提高其尺寸的稳定性，适用于精密传导螺旋传动材料耐磨性好，适用于一般传动材料耐磨性好，强度高，适用于重载、低速的传动。对于尺寸较大或高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内孔浇注青铜或巴氏合金1、Z轴立向丝杆的设计2000N400mm0.001mm的重量所引起的进给抗力。应按额定静载荷选用。C f f'Pfd1

0 d

maxHHf'—动载荷硬度影响系数，f' =1HHP —最大轴向载荷max200 n/min1000Vmax10001t2定静载荷为C0200 n/min1000Vmax10001t2n5WW2005-2.52.6所示：表2.2 滚珠丝杆螺母副几何参数传动效率计算tgtgtg()式中：——丝杆螺纹升角。

（2.23）名名称符号计算公式和结果（mm）公称直径d020螺距t5接触角45钢球直径dq3.175螺纹滚道螺纹滚道法面半径RR0.52dq1.651偏心距ee(Rd 2)sinq0.0449螺纹升角arctgtd04.37螺杆外径ddd0(0.2~0.25)d19.4q螺杆螺杆内径ddd2e 2R 16.788l f0螺杆接触直径dzddz 0d cosq22.59螺母螺纹外径DDd02e2R23.312螺母螺母内径（外循环）D1D1d0(0.2~0.25)d25.5q螺母长度Ln33tgtgtg()0.96PLp的变化量L1PLpL1PLpEFY向所受牵引力大，故应用Y向参数计算P400（N） Lp

0.5 （cm）20.6 106E (Ncm2) (材料为45钢)20.6 1061.651F R2

3.14( 2

2.213 （cm2）所以

2000.520.6106

2.194106

（cm）2丝杆因受扭矩而引起的导程变化量2

L很小，可以忽略。所以导程误差

100 100 2.194 106 4.97 (m L0 0.5查表知C级精度的丝杆允许误差6m，故刚度足够。Mf为M GS '

'2000.50.9615.287GSf 2 GS

23.14G——S——导程（cm）'。'——'。相等，因此，一般用正传动效率代替GSM '2000.50.9615.287N.cm110BF004反应式步进电动GSf 23.14机带动丝杆螺母副时不会发生逆向传动6002Fa=200N.2002Cr=4.32kN,Cor=2.50Kn。6002UCFU203轴承。Fa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38当量负载的计算P=200N可算得轴承寿命[6]16667fC

（2.25）fPL tfPh np温度系数ft

=1，载荷系数fp

=1，UCFU203轴承座，寿命指数为=3得 1666712500

1627635000（h）hL 200 200 h所以该轴承适合。2、X轴和Y轴横向丝杆的设计570N，支250mm3.20.001mm滚珠丝杆的负荷为运动部件的重量所引起的进给抗力。应按额定静载荷选用。0f f0f f'Pd H maxdf1d

（2.18）HHf'—动载荷硬度影响系数，f' =1HHP —最大轴向载荷max额定静载荷为C0570N200n/min1000Vmax10001t200n/min1000Vmax10001t5n5WW2005-2.52.5：名称符号名称符号计算公式和结果（mm）公称直径螺距d0t165螺纹滚道接触角45钢球直径dq3.175螺纹滚道法面半径RR 0.52d1.651qtgtgtgtg()式中：——丝杆螺纹升角。

（2.19）tgtgtg()0.96PLp的变化量P 470（N） Lp

L1PLL1PLpEF

（cm）

（2.20）20.6 106E (Ncm20.6 106

) (45钢)F R2

1.6513.14(

2.139 （cm2）所以 L

2470

3.624106

（cm）1 20.61062.139丝杆因受扭矩而引起的导程变化量

L很小，可以忽略。所以导程误差偏心距ee(Rd 2)sinq0.0449螺纹升角偏心距ee(Rd 2)sinq0.0449螺纹升角arctgtd4.370螺杆外径ddd0(0.2~0.25)d19.4q螺杆螺杆内径ddd2e 2R 16.788l f0螺杆接触直径dzddz 0d cosq22.59螺母螺纹外径DDd02e 2R23.312螺母螺母内径（外循环）D1D1d0(0.2~0.25)d20.6q螺母长度Ln332L0

3.6241061000.5100

7.12 (m/m)查表知C级精度的丝杆允许误差10m，故刚度足够。（4）6002Fa=570N.2002Cr=4.32kN,Cor=2.50kNFa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38当量负载的计算P=570N可算得轴承寿命16667f

C P L P ph n p

（2.21）温度系数ft

=1

=1，6002为深沟球轴承，寿命指数为=3p16667125003得L h

200

570

7044大于5000（h）所以该轴承适合。滚珠丝杆螺母的支承方式的选择滚珠丝杠的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同。固定---固定，适用于高转速、高精度；固定---支承适用于中等转速、高精度；支承---支承适用于中等转速，中精度；固定---本次设计中丝杆螺母的固定方式如下所示滚珠丝杆螺母的润滑和防尘隔离1、油润滑8小时的补充润滑时间。2、脂润滑采用脂润滑的优点可以使滚珠丝杠传动系统在一段很长时间后才需进行补3、防尘与隔离（切屑碎屑进入就会很快使它（折叠式或伸缩式丝杠防尘罩滚珠丝杠副设计使用中应注意的问题：杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。()，防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要的润滑方式。正确选择预紧力，滚珠丝杠副出厂时已经按要求调节好所需要的预紧珠管，以免造成滚珠堵塞，运转不流畅。建议采用适应于数控机床的大接触轴承以提高传动刚度。d2,否则无法装配螺母。水平位置采用外循环滚珠丝杠副，最好是插管放置再丝杠轴线上面。为便于丝杠加工，丝杠上最大外圆处的直径最好不要大于丝杠的外径d1。导向光杆和直线轴承的设计置。直线轴承的选择POM工程式塑料保持器适用于20C~80C工作测试；钢保持器适用于为40C~80C工作温度；不锈钢轴承适合于水、蒸气、硝酸等腐蚀介质及真空工作场合，轴承型号按下述计算公式确定。硬度系数FH：硬度HRC58以上，FH=1.0；硬度HRC52-58，FH=0.6-1.0。FT100oCFT=1.0100oC-125oCFT=1.0-0.95接触系数FC：每根轴装一套轴承，FC=1.0每根轴装二套轴承，FC=0.81每根轴装三套轴承，FC=0.72每根轴装四套轴承，FC=0.66载荷系数FW：运行速度小于15米/分钟，无冲击、无振动，FW=1.0-1.5；运行速度小于60米/分钟，微小冲或振动，FW=1.5-2.0；运行速度大于60米/分钟，或有较大冲击、振动，FW=2.0-5.0时间寿命Lh=(10000*L)/2*L(S*n1*60)(位单：h小时)L：LS：工作行程(米)，N1：已知整个装置行程L=0.5米，工作温度60oC，每分钟往复次数n1=20，微小PC=200Kg，HRC60，Lh=5000轴承型号。按以上工作条件：FH1.0,FT1.0,FC0.81运行速度V=10.210=2m/min，属于一般冲击，选取FW=2.0根据本次载荷重量为200N，我们选用4个导向光杆加上丝杆螺母，这样滑动轴承的所受负载就平均分配，上下4个滑动轴承分别连接底板和连接上固定圆盘，44126N选择的滑动轴承为带法兰形状的。根据每个滑动轴承的负载承受126N，我们选用滑动轴承为LMF20，轴承中间孔径为20mm，这样导向光杆的直径也为20mm。直线轴承安装：轴承座孔公差推荐采用H7、J7级，直线轴公差推荐采用g6、h6级，轴承安装1载能力，延长寿命。已过盈）0.01mm，2三分之一。油润滑不需清除防锈油，根据工作测试采用15#～100#润滑油，工作温度低采用低粘度油，工作测试高采用高粘度油，常用的有透平油，机械油（脂P0C0/FS，击场合FS取1.01.5，受振动和冲击工作场合FS取2.0~7.0。5动载荷C来保证。由于轴承寿命具有分散性，即同一批材料、相同工艺生产、相同使用条件下的轴承寿命不相同，所以轴承基本额定动载荷C定义为一批相同的轴承在相同条件下运行5万米，轴承不生任何疲劳剥落现象所能承受的动载荷。联轴器的选择经济问题，我们选用弹性套柱销联轴器，取工作情况系数k1.3。由于电机输12mm，HLA12-14，联轴器承受转矩KP 1.30.3T9550c

n095500

3000

T125N.m故：合适同步带轮设计设定功率

P =0.6Kw24小时左右，电机查表如下图得到工作情况系数1.0KA=1.0，则计算功率P=K

P=1.2KwA计算小同步带轮转速n v 3 75r/minr 60选定同步带带型和节距HPb=12.7mmZ1查表知道小同步带轮最小齿数为14，本次我们选取小同步带轮齿数为15.小同步带轮节圆直径确定zd 1z

1512.7

60.6m1 3.14大同步带轮数据确定2.115，n则z iz2

1zn 12z (23037.52我们选用传动比为2.1则大同步带轮齿数为32，实际传动比为 i 2.133333Z1 15大同步带轮节圆直径d

z2pb

3212.7

=129.36mm2 同步带速确定dn 3.1460.675v 0.5m/sV601000 601000确定轴间间距0.7(d1d2)a02(d1d2)得根据公式

133mma0380mm本次选取195mm同步带带长及其齿数确定L02a0221952

(d1d2)(60.64129.36)688.3mm带轮啮合齿数计算在本次传动设计中，啮合齿数为带轮齿数的一半，即小同步带齿数的一半，为712.基本额定功率P0计算P0

(Tmv2)v查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量可以知道1000Ta=2100.85N，m=0.448kg/m所以同步带的基准额定功率为P0

(2100.8