熔融沉积成型机床设计(编辑修改稿)

熔融沉积成型机床设计(编辑修改稿)内容摘要：

（ 4）提高熔融沉积成型系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。 目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。 将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。 （ 5）开发直写技术。 直写技术对于材料单元有着精确的控制能力，开发直写技术，是快速熔融沉积成型技术的材料范围扩大到细胞等活性材料领域， （ 6）开发用于快速成型的 RPM（ REDHAT 软件包管理工具）软件。 这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的 CAD 等。 （ 7）开发新的成型能源。 目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。 这方面也需要得到改善和发展。 （ 8）该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。 （ 9）研制新的快速成型方法和工艺。 （ 10）提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。 10 2 总体方案及结构设计 引言 在此结构设计之前，已经有前人对此类机构做了部分设计研究，所以本文的设计研究只要是在已有的研究基础之上，注重考虑设备的结构合理性、紧凑性、零部件的简化、机构的耗能性等，并注重工程问题的解决，对设备部分结构进行重新设计改良。 总体设计要求 本文研究的 熔融沉积成型机床 属于家庭桌面电器领域，涉及多轴联动，且设备的主要运动关节采用直线元件驱动，形成相互联动运动机构的运动形式，具有成型速度高，材料使用效率好，精度可 控，消耗功率低而制造成本低的特点。 按照建造一台小型规格 熔融沉积成型机床 的规格要求以及运动范围参数，如表 所示下： 表 熔融沉积成型机床规格要求 设备技术要求项 规格 构建尺寸 200*185*195mm 精度 层厚 （可调） 构建速度 24错误 !未找到引用源。 ／ h以上 最大打印温度 260℃以下 材料颜色 黑、白、红、绿、蓝等 机器尺寸 467 360 377mm 打印文件格式 STL 11 支持 SD卡打印， 无需 PC连接 熔融沉积成型机床的结构运动方案 结构运动方案说明 图 原方案图 在原来方案中，驱动 Y轴的步进电机和同步齿形带安装在右侧，虽然这样的设计方案可以实现 Y轴的移动，但是给右侧的轴承巨大的负载，使光杆的寿命降低。 修改方案后如图 所示，把驱动 Y轴的步进电机和同步齿形带安装在光杆 5 中间位置，这样一来，就减轻了两侧的侧压力，减少磨损，提高了使用寿命。 12 图 修改后 3D 打印设备的结构示意简图 图 型机床结构示意简图，有结构示意简图可以看出，该熔融沉积成型机床主要由步进电机，同步齿形带，光杆，滑块和喷头等部件组成。 从上图可以看出，通过步进电机 1，可以实现 Y 轴在光杆上的前后移动；同理也可以使得 X 轴左右移动，以及 Z 轴的上下移动。 喷头 6 在 X、 Y 轴上作二维的叠加运动，其加工轨迹可以是直线也可以是曲线，从而实现了单层的二维加工，以及 Z轴的分层加工。 在一层一层的叠加以后，就可以得出设计的相应零 件。 Y 轴 X轴 Z 轴 13 3 电机方案的选择及选型 电机方案的比较 由上述 3D打印设备的结 构示意简图我们可以知道， Byz 轴各需要一个电机，加上喷头的电机，总共就需要 4 个电机的带动，该设备才能正常的运动。 能够驱动 Byz 轴运动的电机分别有：步进电机、伺服电机和直线电机究竟选择哪个电机比较合适，我们做了一些对比如下表 ： 表 动力元件的比较 电机 因素 步进电机 伺服电机 直线电机 成本 低 高 高 平稳性 低频存在振动 低频平稳 存在边端效应 控制 简单 复杂 复杂 结构 简单 复杂 简单 分辨率 较高 高 高 尺寸 小 较小 较小 出于成本、应用场合和尺 寸的考虑，我选择步进电机作为 3D 打印设备的动力元件。 14 步进电机的选型 选择电机一般应遵循以下步骤 [24]： 1. 电机最大速度选择 步进电机最大速度一般在 600～ 1200 rpm。 在设计 3D打印设备机械传动系统时根据此参数设计。 2. 电机定位精度的选择 由于喷头挤出机构的挤出速度很低，是在步进电机的低频区域内，因此容易出现振动和爬行等不良现象，故选择挤出机构的减速比为 4： 1， Byz 轴的步进电机减速比为 1：1。 确定机械传动比后，可根据控制系统的定位精度 选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。 一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的 1/2 或更小。 注意：当细分等级大于 1/4 后，步距角的精度不能保证。 3. 电机力矩选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。 静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。 直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。 一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 23 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 1. 转动 惯量计算 物体的转动惯量为： (31) 式中： V 为体积元，  为物体密度， r为体积元与转轴的距离。 单位： kgm2将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下： 负载 步距角 静转矩 修正 电流 矩频特性曲线 15 (32) 传动机构的负载为 w=2kg，减速比 GL=1，小齿轮直径 D=17mm 所以： 28222 104 4 )101721(2 mkgJ   cmg 2. 加速度计算 控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如下图所示。 图 已知加速时间、最大速度 Max，可得电机的角加速度： t max (rad / s2) (33) 所以： 2/ 60/1 2 0 0 sr a d  3. 电机力矩计算 力矩计算公 式为：  /( ）LTJT  (34) 式中： LT 为系统外力折算到电机上的力矩；  为传动系统的效率，表 所示。 表 常用机构的机械效率η表： 机构 机械效率 滑动丝杠 ~ 滚珠丝杠 齿条和齿轮 16 齿轮减速器 ~ 蜗轮减速器 ~ 皮带传动 链条传动 因此传动系统的效率  则： cmkgcmkgT  8 根据计算出的力矩 T 再加上一定的安全系数为 则。 cmkgcmkgT  根据南京理一讯电子有限公司的步进电机参数表如下表 所示： 表 南京理一讯电子有限公司的步进电机参数表 技术数据 型号 相数 电流 (A) 电阻 (Ω ) 电感 (H) 最大静转矩 () 转动惯量 () 重量 (kg) 外形尺寸 外形图 L0(mm) L1(mm) 42BYGH001 2 38 34 24 42BYGH007 4 38 34 18 42BYGH011 2 34 46 38 34 20 42BYGH019 4 42 23 38 34 22 42BYGH025 2 38 34 18 42BYGH068 4 38 34 22 42BYGH101 2 38 39 24 42BYGH102 4 38 40 24 42BYGH103 2 30 38 40 24 17 42BYGH128 4 30 38 40 22 42BYGH204 2 82 48 24 42BYGH205 2 82 48 24 42BYGH301 2 38 48 24 42BYGH404 4 30 38 48 24 42BYGH2901 2 38 30 42BYGH2902 2 38 30 18 42BYGH3402 2 40 36 38 34 18 42BYGH3404 4 38 34 18 42BYGH3406 4 75 42 38 34 18 42BYGH3407 2 30 38 34 24 42BYGH3905 2 10 82 40 24 42BYGH3906 4 12 82 40 20 42BYGH442C 4 42 40 82 44 27 42BYGH4404 2 42 95 82 44 24 42BYGH4408 4 82 44 24 42BYGH3909 2 30 35 82 40 24 42BYGH4802 2 82 48 17 42BYGH4803 2 82 48 17 42BYGH4804 4 28 22 82 48 24 42BYGH4806 4 52 82 48 24 42BYGH4807 2 19 32 82 48 24 选择型号为 42BYGH128 的 NEMA17 步进电机，最高转速可以达到 3000 转 /分钟。 18 4 挤出装置的设计 结构尺寸的确定 根据设计要求，通过参考国内外成熟 3D桌面打印设备的的尺寸比例，进行机器人的初步尺寸选定，选定后可根据后面分析得到的结果进行进一步的尺寸修改，下面为挤出装置的设计。 挤出机构的设计要求 很多技术都有自己的关键技术，熔丝沉积成形也不例外，挤出技术是熔丝沉积成形工艺的关键使能技术。 挤出机构是实现熔丝沉积成形的关键部件，在机械运动控制的精密控制下，从原材料的棒 料形态转换到堆积路径单元的形态，层层堆积粘结形成三维实体。 挤出机构系统在熔丝沉积成形系统的基本要求是：将原料丝材送入加热腔中，在其中及时而充分地熔化，变为熔融态，然后从满足精度要求的喷嘴中挤出成细丝状，按预设的扫描路径填充堆积成形。 送丝速度要与扫描速度相匹配，以形成均匀一致的材料堆积路径，满足成形工艺要求。 采用功能分解思想，挤出头系统的功能要求可以分解为以下几点： l)将原料丝材从丝筒上拉出，提供成形原料，即原料丝材的供应功能。 2)将原料丝材送入加热腔，称为原料丝材送进功能，简称送丝功能。 3)将送进的 固态原料丝材及时而充分地熔化成为熔融态，简称熔丝功能。 4)提供熔融态材料稳定流动的通道，简称流道功能。 5)将熔融材料挤出喷嘴，简称挤出功能。 6)对挤出熔融态物料进行定径，变为满足要求的更细小直径的丝材以进行堆积，简称定径功能。 7)出丝速度应该可控，并能根据扫描速度进行调整，以相互匹配，简称速度匹配功能。 19 8)出丝应能根据路径扫描要求及时起停，以保证高质量的成形路径，尤其在路径起停处，简称出丝起停控制功能。 工艺原理中一个重要思想就是借助加热腔中未熔丝材的活塞作用，将熔融材料挤出喷嘴。 出丝推力近似等 于送丝驱动力，送丝功能和挤出功能是等效的。 在以上各项功能中，前六项是基本功能要求，是实现工艺原理的必要条件，后两项则是实现高质量成形的必要条件，是提高造型精度的关键。 在进行挤出头系统设计时，还应遵守工艺优化的要求以及其他特殊要求等，具体包括以下方面 [27]： l)在合适的加热功率下按一定速度送入加热腔的材料经过熔化充分均匀，在加热腔中处于合适的熔融区间 (靠控温系统实现 )。 2)加热腔加热功率应尽量小，该部分应采取隔热措施。 一方面减少热量损失，减少能源消耗，另一方面减少高温对其它部件的影响。 3)送丝机构 应能提供足够大的推动力，以克服高聚物材料挤出时产生的阻力。 4)加热腔和喷嘴结构对流动的阻力尽量小。 在满足要求的前提下加热腔流道应尽量短，既减少流动阻力，又可减小挤出头总体尺寸。 5)结构合理易于安装和拆卸，并可方便地与系统其他部件集成。 6)符合人机工程原理，方便人工操作和维护。