小型3D打印机设计

1绪论1.1课题研究背景及意义2012年，著名的英国杂志“经济学人”发表了一篇关于在20世纪90年代出现的3D打印技术的专题报道。表明世界正在经历和以往不同的第三次工业革命，这场革命将推翻人们对于制造和打印概念的传统认知。近年来，3D打印技术更是不断引人注目。印刷原理与普通印刷基本相同。逐层增加材料，从而生成实体，与以往的去除材料加工截然不同[1]。3D打印技术在过去20年里发展迅速，在很多领域都有所涉猎，主要有珠宝类、鞋类、工业设计类、建筑类、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支等领域，尤其是在航天航空、医疗、军事等领域具有较高的科学技术含量和研究价值，已经有了突破性进展和实质性用处，在航空领域，使许多问题因为3D打印技术的应用变得更简单方便，2014年9月底，美国国家航空航天局(NASA)制造的4个零件就是使用3D打印机打印出来的，从而组装出长达50.8毫米的用于立方体卫星中的望远镜，而在传统制造业中通过打印四个零件从而组装成一款望远镜是无法实现的。2015年4月21日，美国宇航局的官网提出，为防止资源浪费和节约成本，该工程人员制造首个全尺寸铜合金火箭发动机零件，而制造该零件的技术就是增材制造技术，NASA空间技术工作组负责人表示，这将成为在航空航天领域应用3D打印技术层面上的新里程碑，在医学领域，3D打印技术更是通过其可以达到高精度和高复杂程度的优点帮助许多凭借在过去的医疗条件无法治愈的患者得到了理想的治疗。2014年8月28日，农民胡师傅从3楼坠落将其左脑盖被撞碎并凹陷，而医生就是通过采用3D打印技术设计与重建钛金属材质的缺损颅眶骨，并打印出缺损的左侧颅顶骨，使胡师傅过上了正常人的生活。2014年10月13日，纽约长老会医院的埃米尔·巴查博士通过对一个小女孩新造的高精度复制模型描述了他对该模型的分析，并且该女孩成功的完成永久性的矫正手术，手术后身体已逐渐恢复正常。对于一些形状十分复杂，且对其精度要求较高时，由于要同时保证对精度以及复杂性的要求，这是传统制造业所不能满足的，所以这份期望就落在了这项新兴增材制造技术上来了，目前也只有3D打印技术才能实现人们对所加工的零件这样的一个要求，3D打印技术对人类的贡献价值不可小觑，这项新兴技术也在全球掀起了热潮，所以对3D打印机的研究是非常必要并且有价值的，在未来这项技术将会在无论是航天还是医学等领域造福人类，我们应该重视并且积极开展对这项新兴技术的研究[2]。现在3D打印机按照成型和所采用的打印材料类型分为熔融沉积成型(FDM)、光固化立体成形(SLA)、分层实体制造(LOM)、电子束选区熔化(EBM)、激光选区熔化(SLM)、金属激光熔融沉积(LDMD)、电子束熔丝沉积成形(EBF)等几种技术[3]：(1)熔融沉积成型FDMFDM打印机采用成卷的热塑性丝材，例如塑料丝、金属丝等，通过送丝机构挤出到喷嘴处，丝材被喷嘴处的热核心加热熔融，通过计算机控制电机转速，经过传动机构，例如齿轮、同步带或丝杠螺母装置，从而控制喷头相对于支撑板在X、Y、Z方向移动，喷头一边随着电机控制按照模型移动，一边喷嘴中挤出的已经被加热熔融的材料迅速固化成层，就形成了三维产品。(2)光固化立体成形SLASLA打印机首先利用生成的程序代码对激光扫描器和升降台进行精准控制，而程序代码是通过离散程序算法对立体模型进行分析和计算得到，材料使用液态光敏树脂，当升降台在一个位置时，激光扫描器将准确的扫描出这一层的截面，不断地通过由点到线再到面的提取，实体将由这些点集合生成。(3)分层实体制造LOMLOM打印机会依照零件的形状信息进行每一层的截面分割，最后生成的三维模型就是由得到的截面切割片粘合而成。首先，铺设一层塑料薄膜，然后使用机械切割机再计算机控制下切割出层的轮廓。在不需要打印的位置提前涂抹解胶水，再继续打印出下一层薄膜片，再将特殊胶水，解胶笔用解胶笔蘸取解胶水预涂在不需要的部分，再铺上下一层薄膜，与之同步的还有经过8个喷管再两层塑料薄膜之间涂抹专用胶水，新铺设的塑料膜紧紧的粘在已经打印出的三维模型上，然后再切割每个层里外围形状，并且重复直至打印完毕，最后删除不需要的部分以获得完整的部分。(4)电子束选区熔化EBM由真空室、电子枪组成的EBM形成装置，其中电子枪具有阴极、阳极和聚焦扫描系统，并且再真空室中安装粉末料斗、除尘器、成形平台等，3D打印过程在高真空环境保护下进行，先进行铺粉，然后通过高能量、高速度的电子束对控制区域内金属粉末进行进行轰击，进而使金属材料融化，再硬化成型，最后进行吹粉，得到所打印的产品。(5)激光选区熔化SLMSLM装置通常包括光路单元、机械单元、控制单元、处理软件和保护气密封单元，粉末铺洒装置先把金属打印材料均匀平铺到成型圆桶上，随后按照该层的增添区域把将粉末融化在基材上。对当前从进行机械加工，然后将成形圆桶降低一层的厚度，将粉末圆桶升高一定厚度，并将粉末涂布装置放置在加工过的电流层上。设备传输下一轮轮廓的数据以进行处理，并且处理这些层直到处理整个部件。整个过程在惰性气体保护的处理室中进行，以防止金属在高温下与其他气体反应。(6)金属激光熔融沉积LDMDLDMD的供热方式主要以激光束为主，按照自动输送金属材料粉末的方式同步并且准确的将该金属粉末送入经过激光加热在其表面形成的熔池中。伴随着激光束位置的改变，金属粉末也被连续地送到熔池中加热融化，然后冷却固化并形成所需的零件模型。该成形工艺可以形成大尺寸的金属部件，但是他不能形成具有非常复杂结构的部件。(7)电子束熔丝沉积成形EBF电子束熔丝沉积成形，也称为电子束自由成形制造技术，是在真空环境中，以电子束为热源，金属丝材为成形材料，通过送丝装置将材料丝送入熔池，并根据设定的路径移动，直到生产出目标部件模型或或坯料。该方法效率高，成型件内部质量好，但是成型精度和表面质量差，不适和塑性差的材料，因为不能加工成线材。1.2国内外3D打印机发展现状国内3D打印机相对于国外来说起步较晚，技术尚未成熟，但是近几年来，国内在此领域的技术得到快速发展，国内3D打印机相比于国外3D打印机在默写技术层面已经赶超国外技术，并且已经应用于某些实质性产业。1.2.1国外3D打印机的发展现状国外3D打印机经历十多年的发展历程，在某些方面已经取得了显著成就，早在二十世纪八十年代，一名美国科学家就研发出了世界第一台商用3D印刷机。由于国外发展3D打印机较早，所以较国内发展情况更为广泛，世界多个国家都已经看到了3D打印机良好的发展前景，并竞相开展了相关方面的研究，美国更是在二零一二年花费数千万美元投资建立了国家增材制造创新研究所来支持相关领域的发展，英国政府也对这个领域方面相关创新项目进行了一千多万英镑的资助以鼓励其发展研究，日本对欧洲和美国在3D打印技术的研究相对落后。但日本为了改变落后的发展现状，也投资数十亿日元来提高这项技术在世界的竞争力，德国亚琛工业大学、德国激光技术研究所也得到各大企业以及基金会的资助用来研究这项技术相关项目，3D打印技术的发展前景和重要性由此可见一斑。1.2.2国内3D打印机的发展现状国内3D打印机的发展在世界舞台上占有一席之地，基本与国外同时开展研究，国内各大高校以及研究所也争相对这项技术积极开展研发，其中一些高校以及有色金属研究所对打印钛合金零件有着国际领先的研究技术，西北工业大学团队曾打印出钛合金材质的飞机部件的重要组成部分，北京航空航天大学还利用3D打印技术打印出钛合金材质的重要承受力结构零件，我国在打印精度以及打印速度方面都有了较大提高，并且在选区熔化方面也有一定造诣[4]。目前国内在这一领域已经有一部分技术处于世界领先的地位，十分具有全球竞争力。虽然我国在高端领域有着瞩目的成就，但是在3D打印技术不够普及，无论是教育还是企业应用不够广泛，而且在研发力度、资金投入等方面不足，在高校教育方面，实验室中3D打印机的数量以及精度十分有限，并且3D打印机的造价较高，价格对于大众较高，人们接触研究打印机的机会较少，这些问题削弱了个人对这项技术的创新，也阻碍了这项技术在我国的发展以及普及速度。1.33D打印机参数(1)XY定位精度0.1mm；Z轴定位精度0.1mm(2)喷嘴直径0.4mm；(3)成型尺寸300mm250mmQUOTE×错误!未找到引用源。300mm；(4)材料直径1.75mm；(5)最快打印速度：5mm/s；(6)层厚0.1-0.3mm1.4熔融沉积成型（FDM）3D打印机工作原理及优缺点1.4.1熔融沉积成型（FDM）3D打印机工作原理美国Stratasys公司在在上世纪八十年代发明了熔融沉积成型技术也就是FDM，该完整的制造装置主要包含硬件和软件，3D打印机是其中最重要的硬件装置，使用FDM技术的3D打印机主要包含工作平台，送丝设备，加热喷嘴，存储材料设备和控制设备组成。首先向X、Y、Z方向的步进电机供电，然后运动机构用于控制X、Y、Z方向的加热喷嘴的运动。从而来控制打印出来的形状，FDM型通过挤出机挤出并通过热核的加热融化。如图1.1所示，通过喷嘴以及送丝装置挤出喷嘴并在喷嘴运动的轮廓上固化，逐渐形成了要打印的物体的形状，而精度需要通过传动方式以及电机的选取等来进行控制，所以这就需要根据打印精度来确定所设计的3D打印机所采用的方案以及传动方式，计算机通过传动机构来实现对喷头移动的控制，在载物板上一层一层堆积，进而将计算机中的蓝图打印出现实的物件。1.4.2熔融沉积成型（FDM）3D打印机的优缺点FDM打印机是根据计算机的三维设计模型，如图1.2所示，再通过STL文件分层处理来确定喷头移动的轨迹，进而控制所打印的产品形状采用的打印材料一般是热塑性材料，材料一般选用熔点小于300大于100摄氏度的丝状材料，打印出来的产品耐腐蚀性好、抗菌性强、内部机械应力小、成型件强度及精度高，FDM设备价格较其他几种低，对环境污染也比其他几种要小，尤其是在后续的一些处理方面比较简单，最重要的是可选用的打印材料种类多，尽管FDM打印机的打印耗时相对来说会更多，而且打印精度也没有光固化成型技术的精度高，但是也可以满足小型3D打印机的0.1mm的打印精度的设计需求，相比其他类别仍然是最符合这些参数的打印机[5]。图1.1熔融沉积成型(FDM)打印机工作原理图图1.2FDM成型过程简图1.5本章小结本章重点介绍目前3D打印机技术不同分类，对国内外3D打印技术发展现状以及发展历史有了一部分的了解，也对开展小型3D打印机研究的意义做了深刻的分析与调查，经过对这些不同的成型技术的优缺点进行对比，为以后对方案的拟定工作做了铺垫，打印机的发展已经成为一种趋势，虽然近期不能替代传统制造加工技术，然而在不久的将来3D打印技术一定会变成不可或缺的一部分，在生活需要和推动3D打印技术走进生活的前提下，设计出一种小型3D打印机，在满足家庭使用以及个人使用的精度前提下，对打印机的机械结构进行设计，在对打印机的方案进行确定的过程中，需要考虑经济因素，使用性能等因素，采用的系统需要满足原理和构造简单，维护成本低，系统运行安全，并且所使用的原材料是安全无毒的，设备系统可以在办公环境中安装使用，接下来将会围绕这一目标，对小型3D打印机的机械结构以及控制系统进行设计，使之达到所需的性能指标。

2打印机材料、传动方案及工艺设计2.1工艺选择坚持设计小型3D打印机的概念，目标是将打印机推向公众视野，让更多人访问和理解3D打印机。为了在公众心中改变3D打印机无法访问的图像，因此对小型3D打印机进行了研究。供广大3D打印爱好者学习参考，通过第一章对七种技术的简介，以及对FDM技术的优缺点分析可以看出，为了满足广泛推广以及个人使用的特点，成本、环境污染、打印材料种类和打印之后的处理是对于广大使用者更为实际的问题，在这些方面FDM技术较其他技术明显具有优势，所以决定选择FDM技术作为本次设计小型打印机的成型技术[6]。2.2传动方案设计在打印机喷头的水平方向的移动中，该移动主要是由生成的程序控制步进电机转动速度进而由步进电机上的同步带带动打印机喷头移动，然后就可以实现打印喷头在X、Y、Z方向上的绝对移动，空间上的旋转可以通过齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、同步带传动等方式来实现，其中齿轮传动可以传递很大的扭矩，但是传递稳定性地，传递转速不均匀，并且齿轮传动对于打印机而言，空间结构布局相对同步带传动不够灵活。蜗轮蜗杆传动虽然传动比可以很大，有很好的减速效果，但是缺点仍然是占据空间太固定，并且磨损后不易于更换维修。经过以上分析，采用同步带传动，可以满足打印机远距离传动，且传动相对稳定均匀，而且易于维修，更换磨损同步带。在垂直方向上，可以利用用滚珠丝杠副进行传动，因为滚珠丝杠副在做旋转运动时可以将旋转运动变换成为平行于丝杠方向上的移动，滚珠丝杠主要有下面三种特点：(1)传动效率高滚珠丝杠不仅可以将旋转运动转化为平行于丝杠方向上的移动，而其传动效率也甚至也可以达到百分之九十至百分之九十八，普通丝杠的传动效率只能达到滚珠丝杠传动的二分之一到四分之一，并且滚珠丝杠可以用小扭矩转换成大轴向推力，能克服较大的轴向载荷[7]。(2)运动平稳滚珠丝杠中的滚珠是点接触，旋转时摩擦力小，且承受负载均匀，无明显震动现象，运动平稳，比较适合高精度的移动进给[8]。(3)高精度、同步性好在运动过程中由于摩擦力小，所以温升小，故由于温度变化产生的变形小，并且由于配合关系好，无阻滞，无滑移，所以具有良好的同步性，可以保证精度。图2.1小型3D打印机三维视图在水平Z方向采用同步带传动控制喷头Z方向移动电机输出轴安装同步带轮，如图2.1所示，计算机控制电机转动，带动同步带轮转动，从而带动两根X轴向布置的按有同步带轮的两根光轴转动，进一步带动同步带传动，将Z方向移动滑动台固定在同步带上，再由Z轴向布置的两根光轴来克服滑动台Y轴向重力，并使滑动台沿着两根光轴进行滑动，这样就实现了滑动台带着喷头进行Z方向的水平的移动[9]。在水平X轴方向上，同步带轮固定在滑动台上X轴方向可以直线运动的电机输出轴上，在滑动台上安装两根X轴向布置的光轴来克服喷头Y轴向重力，并使喷头沿着光轴进行滑动，电机输出轴旋转驱动同步带进而带动喷嘴在X方向上的移动。在Y轴方向所采用的传动方式与前两种传动方式有些不同，因为在之前X、Z轴方向传动过程中，竖直方向的重力由各自方向的两根光轴所克服，所以在进行水平方向移动时，电机以及同步带只需要带动滑动台以及喷头克服水平方向滑动的摩擦力即可，但是在竖直Y方向需要克服整个滑动台（包括喷嘴以及支撑喷嘴的两根光轴）和支撑滑动台的两根光轴的重力，根据之前对各种传动方式的分析，决定采用滚珠丝杠副传动，可以通过较小的扭矩来克服较大的Y轴向负载，并且可以保证较高的精度，传动平稳均匀。2.3边框材料选择型材是具有铁、钢、玻璃纤维、塑料和铝等具有较好强度和塑性的材料所制成的可以通过角件、角槽连接件或者特定螺栓等连接件安装固定成特定形状的支撑结构，对打印机边框结构的选择需要从强度、质量、寿命以及耐磨损耐腐蚀性等多方面进行考虑，而工业铝型材有成型性能好、质量较轻、耐腐蚀、耐磨损、导热性能好等特点[10]。因此确定框架料使用工业铝型材30系列SY-8-3030，其截面尺寸如图2.2所示。图2.2工业铝型材截面示意图图2.3工业铝型材组装图工业铝型材之间的连接如图2.3所示，由于角件连接对于打印机而言占用过多空间，且容易阻碍运动，所以通过L型角槽连接件SY-IB3238M6-30L组装在一起，使用固定螺钉SY-FSM6×8固定连接件和型材，从而使型材之间相对位置固定。工业铝型材X方向长度550mm，Z方向长度510mm，Y方向长度540mm。

3打印机机械结构设计3.1负载估算3.1.1X轴电机驱动负载滑动台70g、挤出加紧装置15g、风扇20g、散热片20g、连接座25g、连接管5g、热核心10g、喷头5g、滑块座200g。合计负载650g，计算负载800g。3.1.2Z轴电机驱动负载电机280g、电极支撑座720g、支撑板1300g、光轴两根240g、轴承四个160g、滑块两个620g、滑块安装座两个500g、X轴向组装800g。合计负载4620g，计算负载5000g。3.1.3Y轴电机驱动负载载物台2000g、支撑架2000g。合计负载4000g，计算负载6000g。3.2同步带与同步带轮选定同步带主要起传动作用，其传动精度的大小将影响到加工的精度，同步带的选择应根据其所传动的极限转速和所受的载荷进行选择。在水平方向需要通过同步带与同步带轮传动来带动喷头水平移动，直线导轨摩擦系数QUOTEμ=0.002错误!未找到引用源。。计算最大负载QUOTEm=5000g错误!未找到引用源。，则在所需要克服的摩擦阻力计算： (3.1)式中：——摩擦阻力，;——摩擦阻力系数；——质量，；——重力加速度，；代入相关参数算得所需要克服的摩擦阻力：已知电机保持转矩拉力计算： (3.2)式中：——拉力，；——电机转矩，；——距离，；代入相关参数可计算得到拉力：所提供的加速度计算： (3.3)式中：——加速度，；——拉力，；——阻力，；——质量，；代入相关参数可算得计算加速度：设套装或喷头移动速度为根据式中：——移动的初始速度，；——移动的终止速度，；——移动的加速度，；——移动的距离，；因此，计算在电机反转期间滑块减速到零所需的距离： (3.4)可见满足小型打印机0.1mm的打印精度条件。假设打印速度为QUOTEv0=50mms=3m/min错误!未找到引用源。 (3.5)满足转速QUOTEn<3r/s错误!未找到引用源。的安全值，所以符合使用要求。表3.1圆弧齿同步带带齿和带宽尺寸带型3M5M8M14M20M节距3581420齿高1.222.063.386.028.40齿顶圆角半径0.871.492.464.506.50齿根圆角半径0.24~0.300.40~0.440.64~0.761.20~1.351.77~2.01齿根厚s1.783.055.159.4014齿形角14°14°14°14°14°带高2.403.806.0010.0013.20带宽6,9,159,15,20,25,30,4020,25,30,40,50,60,70,8530,40,55,85,100,115,130,150,17070,85,100,115,130,150,170,230,290,340选择齿数为14齿的同步带轮，根据表3.1选择3M型号圆弧齿同步带，并检查表格即可获得为3mm的节距，由于克服水平移动摩擦力较小，带宽选择6mm即可满足强度条件，根据所选同步带节距为3mm，所以在设计同步带轮中心距时，应注意选择使同步带距离为3mm倍数的中心距[11]。同步带轮直径 (3.6)计算同步带节线长度：X轴方向布置同步带轮中心距：QUOTEax=375mm错误!未找到引用源。Y轴方向布置同步带轮中心距：QUOTEay=99mm错误!未找到引用源。Z轴方向布置同步带轮中心距：QUOTEaz=390mm错误!未找到引用源。根据同步带长度QUOTEL=2a+dπ=2a+PZ错误!未找到引用源。可计算各同步带长度： (3.7) (3.8) (3.9)根据同步带长度，在X轴方向布置的为264齿的同步带，在Y轴方向布置的为80齿的同步带，在Z轴方向布置的同步带为274齿的同步带。3.3步进电机的选定通过程序产生脉冲信号控制步进电机产生相应的角位移，而产生的脉冲信号的频率则可以控制步进电机的输出轴的旋转速度和角加速度，它的旋转是以步距角为单位，一步一步的转动，所以在选取电机是要考虑步距角对打印机打印精度的影响，同时转速与加速度也是影响精度的重要因素[12]。步进电机机座号主要有35、39、42、57、86、110等，根据相数分为两相、三相、五相步进电机，通常步进电机的精度是步距角的3-5%。当步进电机在Y轴以相同的速度进行移动时，计算电机所需的驱动扭矩： (3.10)由于步进电机精度为步距角的3-5%，拟选择步距角为1.8°的42两相步进电机，并且这个误差是周期性的误差，不会进行累积，所以不用担心会发生更大的误差，故按照步距角最大精度误差5%计算，可以算得电机的最大精度误差为0.09°。由于电机旋转角度与滚珠丝杠旋转角度一致，根据滚珠丝杠和螺母运动距离的公式： (3.11)由此可见，42两相步进电机步距角满足打印机设计的精度要求。3.4滚珠丝杠副的选定首先根据表3.2所示滚珠丝杠副型号以及参数[13]。建议选择使用轴向负载较小，公称直径QUOTEd0为12mm，公称导程QUOTEPh0为4mm的FFZD1204-3规格的滚珠丝杠，丝杠外径为11.3mm，丝杠低径为9.5mm，基本额定动载荷QUOTECa错误!未找到引用源。为4KN，基本额定静载荷QUOTEC0a错误!未找到引用源。为6.7KN，螺母尺寸等参数见下表3.2和表3.3。表3.2滚珠丝杠型号参数表规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径Dw丝杠底径d2循环圈数动载荷Ca(KN)静载荷C0a(KN)刚度KcN/µmFFZD1204-312411.32.389.5346.7417FFZD1604-316415.32.3813.534.89.7442FFZD1605-316515.33.512.937.613.2400FFZD2004-320419.32.3817.535.312.1519FFZD2005-320519.53.516.939.118.3536FFZD2504-325424.1321.938.320.2654FFZD2505-325524.53.521.9310.223.6657FFZD2506-325623.9420.9311.323.7636FFZD3204-332431.1328.939.627.9823FFZD3204-532431.1328.951545.61340FFZD3205-332531.53.528.9311.731.4826FFZD3205-532531.53.528.9518.152.41346FFZD3206-332630.9427.931332.1839FFZD3206-532630.9427.9520.253.51367FFZD3210-33210325.750.2772FFZD3210-5321054083.81256FFZD4005-340539.53.536.931340.61025FFZD4005-540539.53.536.9520.267.71671FFZD4006-340638.9435.9315.143.81017FFZD4006-540638.9435.9523.5731658表3.3滚珠丝杠螺母安装尺寸参数表螺母安装连接尺寸D1(g6)D2()L1D3BD4D5D6hD7M222210448332M2.52828105210385.810632M62828105210385.810632M63636106211485.810640M63636106211485.810640M64040106611535.810646M64040106611535.810646M64040106611535.810646M65050107611635.810656M65050107611635.810656M6505010821367712762M6505010821367712762M6505010821367712762M6505010821367712762M6535315901571915970M6535315901571915970M6606010941575915975M6606010941575915975M6606010941575915974M6606010941575915974M6经过磨削加工生产出的磨制滚珠丝杠精度要比轧制滚珠丝杠精度高，制造磨削滚珠丝杠需要更多的时间，制造该滚珠丝具有高精度，高成本的特点，而轧制滚珠丝杠是采用精密滚压成型技术进行加工出来的[14]。轧制滚珠丝杠相对于磨制滚珠丝杠来说，具有精度相对较低，加工时间短，低成本的特点。在同时符合设计要求时，要尽可能的选择轧制滚珠丝杠。根据对打印机空间结构布局设计可得滚珠丝杠轴向长度420mm，根据表3.4可知，打印机所选用滚珠丝杠长度属于QUOTE400~500错误!未找到引用源。400~500mm，表中对于轧制滚珠丝杠的选型里的精度无法满足打印机设计的精度要求，因此要选用C5精度等级的磨制滚珠丝杠，可保证滚珠丝杠精度在0.1mm以内。丝杠类别磨制滚珠丝杠轧制滚珠丝杠精度等级C0C1C2C3C5C7C8螺纹长/mm±Ee±Ee±Ee±Ee±Ee±E±E—31543.565871282318每300mm±0.05mm每300mm±0.01mm31540053.57597131025204005006485107151027205006306496118161230236308007510713918133525800100086118151021154027100012509613918112416463012501600117151021132918543516002000——181125153521654020002500——2213301841247746表3.4滚珠丝杠精度等级对于滚珠丝杠的旋转速度要求，首先滚珠丝杠的工作旋转速度不能高于临界速度，而且滚珠丝杠的最高转速也不能高于DN值，临界转速是通过两支承点固定安装的方式来计算出许可转速的数值，在工作状态中需要保证滚珠丝杠的工作转速小于危险转速的百分之八十，这样才能保证在不发生共振的情况下安全的进行工作。根据临界转速计算公式如式(3.12)： (3.12)其中：QUOTEn1-错误!未找到引用源。 —临界转速，QUOTErmin错误!未找到引用源。；QUOTEE-错误!未找到引用源。 —杨氏弹性模量(通常情况下QUOTEE=2.06×105N/mm2错误!未找到引用源。)；QUOTEL–错误!未找到引用源。 —丝杠安装间距，mm；QUOTEdr-错误!未找到引用源。 —丝杠沟槽最小直径，mm；QUOTEρ-错误!未找到引用源。 —丝杠材料的密度(QUOTE7.8×10-6Kg/mm3错误!未找到引用源。)；QUOTEA-错误!未找到引用源。A —丝杠沟槽最小直径所在剖面的面积，QUOTEA=π4dr2，mm2错误!未找到引用源。—丝杠断面与转动惯量有关的参数，；QUOTEλ、f-错误!未找到引用源。—与安装方式有关的系数，不同安装方式下的QUOTEλ、f错误!未找到引用源。值见表3.5表3.5滚珠丝杠安装方式对的影响丝杠安装方式丝杠安装方式固定—固定21.94.730支承—支承9.7固定—支承15.13.927固定—自由3.41.875图3.1滚珠丝杠支承方式如图3.2所示，滚珠丝杠最常见的安装方法是一侧固定另一侧支撑，这种安装方法的好处是在滚珠丝杠长时间工作时，产生摩擦热，螺杆会向轴向方向伸长，这是支承段可以容许小范围的变化，防止丝杠弯曲变形[15]。根据选择的打印机滚珠丝杠两端固定方式，轴承应固定在上端，丝杠可以径向移动，下端通过联轴器与电机输出轴连接。查表3.4可知，滚珠丝杠安装方式为固定-支承，从而可知f值为15.1，QUOTEλ错误!未找到引用源。值为3.927，将QUOTEf、λ错误!未找到引用源。数值带入计算转速公式： (3.13)值指的是丝杠公称直径与丝杠旋转速度的乘积，计算值：Y轴上采用滚珠丝杠副传动，轴向计算负载为6Kg。由于轴向负载大于许可轴向负载的情况下可能会导致滚珠丝杠发生弯曲变形，对精度有着极大的影响，所以需要对滚珠丝杠轴向载荷进行校核计算，滚珠丝杠在不发生形变的前提下，所允许的最大轴向载荷的计算公式为： (3.14)其中：—最大轴向允许载荷，N；QUOTEE-错误!未找到引用源。—杨氏弹性模量(通常情况下丝杠材料的QUOTEE=2.06×105N/mm2错误!未找到引用源。)—丝杠安装距离，mm；QUOTEdr-错误!未找到引用源。—丝杠沟槽最小直径，mm；QUOTEJ-错误!未找到引用源。—丝杠断面与转动惯量有关的系数，；QUOTEη1、η2-错误!未找到引用源。—表3.6与安装方式有关的系数QUOTEη1、η2错误!未找到引用源。、值丝杠安装方式丝杠安装方式固定—固定420.0支承—支承15.0固定—支承210.0固定—自由0.251.2由于滚珠丝杠安装方式为一端固定另一端支承，所以根据表3.6可查得QUOTEη1=2错误!未找到引用源。，QUOTEη2=10.0错误!未找到引用源。，对允许最大轴向载荷计算： (3.15)实际轴向计算载荷为6Kg，计算轴向力约为QUOTE6×9.8=58.8N错误!未找到引用源。,所以轴向载荷在允许范围之内，滚珠丝杠满足条件。3.5直线光轴选定直线光轴可以为直线运动轴承起到引导作用，通过与直线运动轴承的配合，可以实现沿着轴向均匀稳定的滑动[16]。光轴通常使用的材料常用的有35、45、50碳素结构钢，本次设计选取的是最常用的45号钢。在X轴方向布置一共四根光轴，其中两根起到支撑作用，做为支撑喷头进行X轴方向滑动，克服喷头竖直方向自身重力，在光轴两端用定位螺钉固定，防止光轴转动，故拟选用直径为8mm的光轴，另外两根是起到传动作用，电机输出轴旋转带动同步带轮转动，进而带动同步带运动，而这两根光轴的主要作用就是与同步带轮转动，两端安装滚动轴承，在竖直方向并没有支撑要求，所以拟选用直径为5mm的光轴。在Z轴方向布置的光轴选用直径为8mm的光轴，在两端采用轴肩定位，防止光轴沿着轴向移动，在轴端处将光轴加工出一个平面，用定位螺钉将轴固定，防止光轴转动。在Y轴方向布置两根光轴，由于升降台竖直方向重力主要由滚珠丝杠来克服，所以两根光轴主要作用是使螺母装置沿着光轴做竖直方向滑动，并不承受径向力与过大轴向力，但由于长度过长，在升降台沿着竖直方向运动时容易发生跳动，所以光轴长度不可以过细，拟选用直径为8mm的光轴。由于套装计算重量为5Kg，所以经比较在Z轴轴方向布置的两根光轴所承受的径向力最大，所以需要对这两根光轴进行强度校核，两根光轴对称布置，所以只需要校核其中一根就可以，现在选择右侧光轴进行强度校核。光轴长度为490mm，每根轴承受重力为QUOTE5×9.8÷2=24.5N错误!未找到引用源。，受力如图3.2所示图3.2直线光轴受力示图由此计算出最大弯矩在光轴中间位置，所受弯矩为 QUOTEMZ=2.45×4902=600.25N错误!未找到引用源。 (3.1光轴受应力最大处所受应力 (3.17)式中：——最大弯矩，；——抗弯截面系数；——距离，；因为所以查《机械设计手册》可知经过调质处理45号钢弯曲疲劳极限QUOTEσ-1错误!未找到引用源。为270MPa，安全系数QUOTEns错误!未找到引用源。选1.8，根据许用应力条件：所以直径8mm的光轴满足强度条件。3.6滚动轴承的选定首先是X轴方向布置的直径为5mm的光轴，由于光轴水平布置，主要作用是克服滑动轮以及光轴自身的重力，几乎不承受轴向力，根据表3.7，故决定选取内径为3mm的6000-2Z型深沟球轴承，轴承两端安装有防尘盖，深沟球轴承主要承受径向载荷，且同时可以承受较小的轴向载荷，所以深沟球轴承可以满足X轴方向布置的光轴受力要求。还有Y轴方向布置的滚珠丝杠两端无螺纹处也需要用轴承支撑，无螺纹处直径为10mm，由于在竖直方向布置，在滚珠丝杠副工作时会发生轴向加速或减速的过程，并且在工作过程中滚珠丝杠与螺母装置摩擦会产生热量，丝杠受热会发生轴向伸长，从而产生轴向力，所以选择内径为10mm的70000(AC)型的角接触球轴承[17]。表3.7各类轴承径向X和轴向载荷系数Y轴承类型轴承代号相对轴向载荷XYXY深沟球轴承600000.0140.19100.562.300.0280.221.990.0560.261.710.0840.281.550.110.301.450.170.341.310.280.381.150.420.421.040.560.441.00角接触球轴承70000C()0.0150.38100.441.470.0290.401.400.0580.431.300.0870.401.120.290.551.020.440.561.000.580.561.0070000AC()0.68100.410.8770000B()1.14100.360.57根据通用轴承寿命计算公式： (3.18)式中：——轴承的寿命； ——额定工作状态下轴承的转速； ——温度系数； ——当量动载荷；查机械设计手册表20.6-1可知：内径d为3mm，D为10mm的60000型深沟球轴承的基本额定动载荷为0.65KN，基本额定静载荷为0.22KN。内径d为10mm，D为26mm的70000(AC)型角接触球轴承的基本额定动载荷为4.75KN，基本额定静载荷为2.12KN。滚动轴承在工作条件下和基本额定动载荷条件相同的情况下会承受径向载荷和轴向载荷，对滚动轴承进行寿命和轴承受力情况转换为当量动载荷计算，在当量动载荷P的作用下，滚动轴承在当量动载荷作用的条件下与实际工作负载的条件下寿命相同，当量载荷的一般计算公式为 (3.19)式中：QUOTEX-错误!未找到引用源。—径向动载荷系数，其值查阅机械设计第三版表9-7；QUOTEY-错误!未找到引用源。—轴向动载荷系数，其值查阅机械设计第三版表9-7；QUOTEFr-错误!未找到引用源。—轴承所承受的径向载荷，N;QUOTEFa-错误!未找到引用源。—轴承所承受的轴向载荷，N;QUOTEfp-错误!未找到引用源。—载荷系数，考虑机器的运转状况对轴承载荷的影响，查阅机械设计第三版表9-8；在仅承受纯径向载荷QUOTEFr错误!未找到引用源。的轴承条件下，当量动载荷为： (3.20)式中：——载荷系数；——轴承所受的径向载荷，；在仅承受轴向载荷QUOTEFa错误!未找到引用源。的轴承条件下，当量动载荷为： (3.21)——载荷系数；——轴承所受到的轴向载荷；设轴承在工作期间的平均转动速速n为QUOTE1000rmin错误!未找到引用源。，并根据上式计算等效负荷：X轴方向布置的直径为5mm的光轴在工作时的温度小于120，所以根据机械设计第三版表9-5可查得深沟球轴承QUOTEfp=1错误!未找到引用源。，只承受径向载荷,所以深沟球轴承寿命为： (3.22)因此，深沟球轴承基本额定寿命为h，达到该额定寿命的可靠性为90%。Y轴方向布置的直径为10mm的滚珠丝杠在工作的时候温度小于120，所以根据机械设计第三版表9.5可查得角接触轴承QUOTEfp=1错误!未找到引用源。，对于仅承受轴向载荷QUOTEP=50N错误!未找到引用源。的角接触球轴承，该角接触球轴承寿命为：因此，深沟球轴承的本额定寿命为h，达到该额定寿命的可靠性为90%。3.7直线运动轴承的选定直线运动轴承是与光轴配合使用的轴承[18]。直线运动轴承中有滚动体，与轴点接触，所以摩擦因数极小，且由于滚动体不止一个，数量较多，所以直线运动轴承在光轴上滑动时，摩擦力小，并且运动平稳，无颤动，直线运动轴承有套筒型(LB型)、调整间隙型(LB-AJ型)等。在Y轴方向布置的两根直径为8mm的光轴需要安装直线运动轴承，长法兰直线运动轴承，如图3.3所示，具有稳定性好，寿命长，耐磨，且易于通过螺栓安装固定在升降台上等优良特点，如图3.4所示，在安装孔上通过螺栓与升降台固定，从而实现共同运动，而套筒型直线运动轴承不方便带动升降台一同运动，所以决定选择使用长法兰型直线运动轴承安装在两个光轴上，配合升降台在竖直方向进行滑动。图3.3法兰型直线运动轴承示意简图图3.4法兰型直线运动轴承截面图因为竖直方向安装法兰型直线运动轴承的两根光轴直径为8mm，所以需要选择轴承内径与光轴直径相同的轴承，根据表3.8可查得，选取型号为LMH8LUU的加长椭圆法兰直线运动轴承。表3.8法兰型直线轴承型号规格表公称轴径mm加长椭圆法兰重量(gf)主要尺寸和公差mmdrmmDmmL公差公差公差6LMH6LUU2860-10120-1335±3008LMH8LUU478154510LMH10LU9010190-165512LMH12LUU1021221570-30013LMH13LUU12313236116LMH16LUMH20LUU247200-12320-198025LMH25LUU52525401120-40030LMH30LUU6453045123因为在水平方向，支撑套装和喷头滑动的光轴直径都是8mm，由于在水平方向不承受过大轴向力，所以决定选取套筒型直线运动轴承，标准型直线运动轴承，如图3.5所示，截面如图3.6所示。图3.5标准型直线运动轴承图3.6标准型直线运动轴承截面图因为竖直方向安装法兰型直线运动轴承的两根光轴直径为8mm，所以需要选择轴承内经与光轴直径相同的轴承，根据表3.9可查得，选取型号为LM8的标准型套筒直线运动轴承。表3.9标准型直线运动轴承型号规格表型号内径内径公差外径外径公差长度静载荷动载荷标准型dr精密极高精度DLC(N)C0(N)LM330-0.0050-0.00870-0.0091088.2108LM4481288.2127LM551015167206LM660-0.0060-0.009120-0.01119206265LM8S81517176225LM881524265402LM1010190-0.01329373549LM12122130412598LM13132332510775LM161628377751180LM20200-0.0070-0.010320-0.016428631370LM252540599801570LM3030456415702750

4打印机控制系统设计4.1单片机最小系统设计根据表4.1型号表，芯片小型打印机选择LPC1768最小系统作为打印机芯片，32位低功耗CMOS微处理器，因为先进的指令集和单周期指令执行时间，可以减轻功耗与系统处理速度之间的矛盾。表4.1LPC17系列单片机选型表型号内核封装最大频率Flash(KB)RAM(KB)I/O管脚LPC1752Cortex-M3SOT315-1100MHz641652LPC1754Cortex-M3SOT315-1100MHz1283252LPC1756Cortex-M3SOT315-1100MHz2563252LPC1758Cortex-M3SOT315-1100MHz5126452LPC1759Cortex-M3SOT315-1120MHz5126452LPC1763Cortex-M3SOT407-1100MHz2566470LPC1768Cortex-M3SOT407-1100MHz5126470LPC1769Cortex-M3SOT407-1100MHz5126470LPC1774Cortex-M3SOT486-1100MHz1284070LPC1776Cortex-M3SOT459-1120MHz25680165LPC1777Cortex-M3SOT459-1120MHz51296165LPC1778Cortex-M3SOT486-1120MHz51296109LPC1768单片机最小系统如图4.1所示，LPC1768作为打印机控制系统的主控制器，电脑将指令通过USB接口传递到主控制器上，然后，通过主控制器向电机驱动芯片