打印机机械系统设计设计.docx

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打印机机械系统设计设计

河北工业大学

设计说明书

作者：

欧阳长天学号：

110497

学院：

机械工程学院

系（专业）：

机械设计制造及其自动化

题目：

Kossel3D打印机—机械系统设计

指导者：

贾晓辉讲师

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

2015年5月15日

毕业设计（论文）中文摘要

题目

Kossel3D打印机—机械系统设计

摘要：

以前的零部件设计完全取决于生产加工工业，而通过3D打印，可以使零部件的生产不在考虑生产工艺的问题，因为其可以将任何复杂的形状直接打印出来。

为了缩短生产周期，使用3D打印机从计算机获得数据模型，提高了效率。

虽有不完善的地方，但其具有极大的市场潜能，势必会成为未来制造行业众多突破技术之一。

本次设计是为了探究kossel结构3D打印机的机械结构系统，设计一种能提高装配精度，打印精度，使机构小巧、紧凑，制造成本低，使用寿命长的机型。

同时提高综合运用本专业所学的理论知识、生产实践能力，掌握产品开发设计的基本方法和步骤，提高资料收集能力和查阅能力，熟悉机械设计的标准和规范。

关键词：

kossel结构3D打印机机械结构系统设计3D打印技术

毕业设计（论文）外文摘要

TitleThedesignofKossel3Dprinter-MechanicalSystem

Abstract

Previouspartsofthedesigndependsonindustrialproductionandprocessing,andbya3Dprintercanmakepartsoftheproductionisnotinconsiderationoftheproductionprocess,becauseitcanbeanycomplexshapedirectlyprintout.Thegraphicsdataobtaineddirectlyfromthecomputer,soastoreducetheproductioncycle,improveproductivity.Althoughimperfectplace.However,ithasgreatpotentialinthemarket,isboundtobecomeoneofthemanybreakthroughsintechnologyindustrymanufacturinginthefuture.

ThedesignisinordertoexplorethemechanicalstructuralsystemKosselstructureof3Dprinters,designakindofassemblyprecisioncanbeimproved,theprintingprecision,smallsize,compact,lowmanufacturingcost,theuseoflonglifemodels.Whileimprovingtheintegrateduseoftheprofessionaltheoreticalknowledgeandpracticeability,tomasterthebasicmethodsandproceduresoftheproductdevelopmentanddesign,improvetheabilityofinformationcollectionandaccessability,familiarwithmechanicaldesignstandardsandnorms.

Keywords：

ThestructureofKossel，3Dprinter，Thedesignofmechanicalstructuresystem，3Dprintingtechnology

1引言

网络媒体、杂志、报纸、电视等，到处可以见到有关3D打印技术的报道。

3D打印机，有时也称为立体制造或者快速成型制造，这是一种使用塑料或者金属原料将数字设计模型转换成三维实物的新兴技术。

这个技术实际已有25年之久，最初只是少数人在使用，如工程师、设计师，如今3D打印机已经开始对每一个人的生活产生影响，更加便宜、便捷、小巧的3D打印设备来到我们身边，让每个有不满足的好奇心之人，能够运用3D打印机制作出各式各样的东西。

1．1设计3D打印机的目的、意义和国内外研究概况

1.1.1设计3D打印机的目的、意义

日常生活中的普通打印机可以打印平面的图形，而3D打印机则可以打印出实物。

我们通常使用的打印机是在纸上用墨汁或者粉末打印，但是3D打印却不同，其能够用各种各样的材料打印出三维实物，甚至可以几种材料混合打印。

房屋、食物、器官等等意想不到的东西都可以被打印出来，所以说3D打印机是可以打印真实物体的设备。

以前的零部件设计完全取决于生产加工工业，而通过3D打印，可以使零部件的生产不在考虑生产工艺的问题，因为其可以将任何复杂的形状直接打印出来。

为了缩短生产周期，使用3D打印机从计算机获得数据模型，提高了效率。

虽有不完善的地方，但其具有极大的市场潜能，势必会成为未来制造行业众多突破技术之一。

本次设计是为了探究kossel结构3D打印机的机械结构系统，设计一种能提高装配精度，打印精度，使机构小巧、紧凑，制造成本低，使用寿命长的机型。

同时提高综合运用本专业所学的理论知识、生产实践能力，掌握产品开发设计的基本方法和步骤，提高资料收集能力和查阅能力，熟悉机械设计的标准和规范。

1.1.2国内外研究概况

国内情况

现如今，国内的3D打印技术在各个方面还不能满足商业上的使用要求，比如其速度慢，精度低等等。

只有等待科技水平的进一步发展才能更好的使用。

很早之前在港澳台地区就有使用3D打印技术机构，但是这些技术都是国外引进，并且这些机构也只是看中技术的应用。

在内地的一些东部沿海地区的企业目前也开始使用进口的3D打印设备，通过3D打印机为客户提供快速成型服务，这些服务包括模具制造、样品制造、辅助设计、物品复原等等。

国际情况

在国外，多年以前就开始了对3D打印技术的研究和探索，这使得这项技术在国外快速的发展并且受到广泛重视。

欧美国家的各项领域里已经形成的3D打印技术商业化的模式，特别是电子、航空、汽车制造等等。

同时越来越细分的辨析率，越来越快速的打印速度，以及几种材料的混合打印等技术方面的不断发展，使3D打印可以更快、更好、更便捷地制造出小批量产品。

相对于传统加工，这项技术有着更低的成本、更高的效率、更大的柔性。

1.1.3课题研究的内容

（1）使用reprap开源打印机中的kossel3D打印机结构进行机械系统的布局设计，Kossel结构是最新的开源机型结构，即delta并联结构。

（2）有限空间内保障要求行程，采用滑轨形式采用导轨滑块结构；

（3）灵活装配的实现形式，采用铝合金型材、角接件等标件；

（4）加热系统的选择，采用市场上现有的加热装置并在设计中进行局部改造。

2设计的理论依据

2.1打印原理

3D打印是一种快速成型技术，它通过累积材料来构造三维实物，在计算机中建好模型后，将数据传给打印机，打印机就可以把材料通过不同方式结合到一起，生成实物。

3D打印机堆积薄层的形式有多种。

1、使用“喷墨”的方式。

即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑胶物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。

之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆栈上来。

2、“熔积成型”技术是以薄层成型方式，其工作时先加热碰头把材料熔化，再把材料沉积形成薄层。

熔积成型在制件时需要有支撑，这是为了节省材料成本提高制件效率，所以熔积成型设备一般采用双喷头。

一个喷头用于制造模型，另一个头用于制造支撑，一般来说，模型料细而贵并且沉积效率低，支持料粗而便宜，效率高。

为了便于在成型后去除支撑，常选择一些可溶材料。

比如水溶材料，或者低于模型材料熔点的热熔材料。

熔积成型件的翘曲变形小，材料利用率高，但成型件的表面有明显的条纹，材料贵。

3、使用“激光烧结”的技术，其以粉末微粒作为打印介质。

打印材料被均匀撒在工作平台上形成一层极薄的材料层，然后熔铸成指定形状，最后通过液态粘合剂进行固化。

激光烧结成型过程中会有很多粉尘，这些粉尘会污染工作空间，所以一般使用激光烧结打印时需要一个独立的工作空间。

激光烧结的实体一般不能直接进行装配和性能检验，成型件需要较长的一段时间来释放内应力，表面质量一般。

能耗大、成本高。

4、利用真空中的电子流熔化粉末材料，如果出现了复杂的悬臂结构或者孔时，打印过程终究需要添加支撑来填补空缺的空间。

这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。

5、使用“熔丝制造”的方法，将直径为1.75mm或者3mm的聚乳酸（PLA）或者ABS树脂丝通过挤出机送入加热喷头熔化，随着不断的送丝，熔化的丝在喷头出头会被挤出，喷头在一个平面移动时形成一条有厚度的线，喷头不断运动，线会变为面，当打印完一层后喷头太高一定高度继续打印第二次，依此往复堆积形成一个实体。

熔丝制造的材料成本较低，设备成本则有所需精度决定，实现起来较为容易，保养维护也很方便。

2.2机械结构

3D打印机的主流结构有开源的reprap系列、Ultimaker、printrbot还有曾经开源的Makebot系类。

reprap系列基本上是三角形的，而Ultimaker、Makebot系列是矩形盒状，printrbot是矩形支架的。

从精度，装备，价格等权衡，选取三角型结构是比较好的，在三角形结构中，reprap系列最为流行，而其分支众多，主要有mendel、huxley和Prusa这三个分支。

其结构简单、组装维修等都很方便，对于光轴等切割的要求不高，需要的部件少。

但其自作精度低，打印是物体随热床在Y轴方向移动。

图2.1三角洲结构3D打印机图2.2delta结构3D打印机

目前市场上最为普及的机型是矩形盒式结构，从3D打印机的发展来看，这种机械业是较为完整的。

其打印精度高、打印速度快，安装精度高。

但其装配较为复杂，维修困难，部件加工精度要求高，整机成本高。

图2.3矩形盒式打3D打印机

图2.4矩形盒式3D打印机

此次设计中所用的是delta结构，它有3个自由度，即X轴，Y轴，Z轴3个方向上的位移，将喷头作为动平台。

3Kossel3D打印机机械系统的功能分析与中总体方案设计

3.1Kossel3D打印机的运动过程分析

图3.1.1运动过程原理图

Kossel3D打印机各部件的运动方向如图所示，当红色部件（即滑块）同时分别运动时，可以使蓝色部件（即打印头）在一定空间范围内达到任意位置。

左边滑块1向上或向下运动打印头4向运动滑块方向靠近同时上升或远离同时下降；左边滑块2向上或向下运动打印头4向运动滑块方向靠近同时上升或远离同时下降；左边滑块3向上或向下运动打印头4向运动滑块方向靠近同时上升或远离同时下降。

当三个滑块同时运动相互配合时，可以使打印头在水平平面内运动，实现一层一层的打印堆叠。

3.2功能分解与基本实现方案

3D打印机基本功能的方案选择和实现方式如下。

3.2.1打印头的功能

本可以采用的是“熔丝成型”的方法原理在构建这台打印设备，故选择使用电加热型喷头，配合热熔丝使用。

图3.2.1加热喷头结构

图3.2.2加热喷头

打印头用于将固体打印材料融化并通过喷嘴喷出形成线条，又由线构成面。

市场上现有喷嘴口径有0.2mm/0.25mm/0.3mm/0.35mm/0.4mm/0.5mm/0.6mm/0.8mm等，可以用于打印不同精度的物体。

3.2.2热熔丝的选择

热熔丝相当于传统打印机中的墨水或者碳粉。

目前最为常见的的热熔丝材料有两种，一种是PLA（即生物降解塑料聚乳酸；别称聚乳酸），另一种是ABS树脂。

ABS树脂是一种耐用的热熔材料，可以打磨、上色、粘合，抗冲击、耐热，打印挤出温度在210℃左右。

打印时需要热床，热床温度为110℃，若无热床则打印件会出现翘曲现象。

ABS是先出现的材料，现在更多的人选用了PAL。

PAL是一种生物材料，在一定情况下可以降解。

PLA更是一种环保材料，加热时不会像ABS那样发出刺激气味，它的熔点相对ABS低一些，在180℃的既然头中可以挤出，但冷却后非常坚硬。

PLA打印时可以不配热床，如果想提高打印质量可用热床，温度设置在60℃，PLA材料的冷却时间很长，打印时需要在喷头处配合一个供冷却用的小风扇。

热熔丝直接一般为1.75mm和3mm，最开始使用的标准为3mm，但1.75mm逐渐被更多人使用。

本设计中，将使用1.75mmPLA热熔丝作为打印机的打印材料，目前市场上的PLA材料在68-200元/盘不等，一盘一般为1kg，长约400m。

图3.2.3PLA耗材

3.2.3传动方式的选择

传动装置作为传递力和运动的装置，他的主要作用是能量分配、运动传动、运动方式转换、变速。

本设计中主要运动是滑块的垂直运动，考虑到的传动方式主要为两种，一种是滚珠丝杠螺母传动，另一种是同步轮同步带传动。

（1）滚珠丝杠螺母传动滚珠丝杠螺母传动可将旋转运动变换为直线运动或者把直线运动变为旋转运动。

其机构虽然复杂、制造成本高，但是其摩擦阻力小、传动效率高，通常高达92%-98%，因此在机电一体化系统中运用广泛。

（2）同步轮同步带传动同步轮同步带传动可将电机的旋转变为同步带的直线运动，带内侧为齿状，同步带传动时传动比准确，对轴的作用力小，结构简单紧凑、耐磨、耐油、抗老化、可低速运转。

对比两种传动方式，同步带传动成本相对较低，并可以达到较高的转动精度，所以选择同步带传动作为此设计的传动方式。

3.2.4滑块的运动与实现

图3.2.4滑块运动原理

伺服电机轴上装有齿轮，导杆上方也装有齿轮，将同步带的两端固定在滑块上，并将同步带套在两齿轮上。

当伺服电机工作时，电机上的齿轮旋转同时带动同步带运动，同步带又带动滑块运动，从而实现滑块在导杆上的上下运动。

3.3总体方案设计

通过上述分析与综合，并阅读参考文献，得出以下两种总体方案。

第一种为双导杆滑块方案，通常采用的是滑动轴承，即采用两根圆柱形导杆来配合一个滑块，这种方案的导杆的加工精度低，使得打印精度也低，导杆安装精度要求高，需要保证两杆的平行度；但平稳性较好，成本低。

第二种为单导杆滑块方案，即采用直线导轨来配合一个滑块，导杆采用现成直线导轨配合铝合金型材构成，这种方案的有点：

导杆的安装精度高，零件加工装配简单，同时总体结构简化；但成本高。

3.4总体方案确定

两种方案相比较，第一种方案虽然精度不够高，第二种方案精度更高一些，并且其结构更为简单可满足拆解方便、结构小巧的要求，同时调整维护更为方便，成本较相差不大。

故综合上述优缺点选择方案二。

4Kossel3D打印机机械系统详细设计

4.1标准件（外购件）选型

4.1.1步进电机

步进电机是将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移的一种执行元件。

每输入一个电脉冲，转子就转一个固定角度连续发送脉冲转子连续转动。

步进电机输出量角位移与输入量电脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比，即控制了脉冲个数、频率和定子通电方式，就可以控制电机转子的角位移、转速、转向。

步进电机具有如下几个特点:

（1）快速启停；

（2）精度高；（3）能够直接接收数字信号；（4）不需要位移传感器就可以较为精确的定位。

（5）控制性能好，在启停、反转时不易“丢步”。

另外步进电机的工作状态不容易受到各种干扰因素的影响，比如电源电压波动、电流大小与波形变化、温度等，只要在这些因素未引起步进电机“丢步”，其就可以正常工作。

步进电机的步距角会存在误差，当转子转过一定步数后悔出现误差的累积，不过当转子转过一转后，累积误差会消失。

因而将步进电机应用于开环控制机电一体化系统中是很好的，不仅简化了系统，还能获得较高的位置精度。

步进电机的选择计算：

已知：

直线平台垂直方向上运动，见图3.2.4,重复定位误差≦0.05mm，平台运动质量为M=260g=0.26kg。

（1）运动学计算

平均速度V=30mm/s=0.003m/s

设加速度时间为0.1s（步进电机一般取加速度时间为0.1s），则加减速时间一共为0.2s；

平台向上运动加速度：

=0.3-9.8=9.5m/s²

平台向下运动加速度：

=0.3+9.8=10.1m/s²

（2）运动学计算

垂直运动导轨滑块摩擦力f=0

同步带上需要的拉力：

+f=0.26x9.5=2.47N

+f=0.26x10.1=2.626N

惯性力：

=0.26x9.5=2.47N

=0.26x10.1=2.626N

（3）选择同步带长度C和步进电机细分数m

主动轮高度H1=30mm；从动轮高度：

H2=575mm

同步带周长C=2x（H2-H1）=2x（575-30）=1090mm

核算定位精度：

C/（360°/1.8°xm）<0.05

细分度数：

m>C/（200x0.05）=1090/（200x0.05）=109mm

核算最转速：

n=V/C=0.03/（1090/1000）=0.028r/s

主动轮：

φ1=10mm

从动轮：

φ2=10mm

传动比i=1:

1=1

电机最大转速：

=1/ixV/C=1x0.03/1090=0.028r/s

驱动器细分数：

m>C/（200x0.05/i）=1090/（200x0.05/1）=109mm

（4）计算电机力矩，选择电机

实际脉冲当量：

δ=C/（200xm/i）=1090/（200x109/1）=0.05mm，即满足重复定位精度误差≦0.05mm

主动轮上的力矩：

=2.47x0.010/2=12.35x

N·m

=2.626x0.010/2=13.13x

N·m

次设计中步进电机主要作为3D打印机的3个驱动装置以及进料装置的驱动装置。

市场上常用于kossel结构3D打印机的步进电机为42步2相4线步距角18°的步进电机。

市场价格35-50元不等，且购买用步进电机时还需购买驱动。

以下是步进电机的详细信息：

类型和规格:

驱动方式：

恒流斩波驱动；

励磁方式：

2相励磁（2相四拍运行），可正反向旋转

转向：

按AB-BC-CD-DA顺序通电，从轴伸端看C.W

额定电流（单相）：

1.5ADC

额定电压:

2.4V

步距角：

1.8°

绝缘等级：

B级绝缘

参数:

工作条件：

环境温度：

-20~50℃

   相对湿度：

90%MAx

安装位置：

轴水平或垂直安装

试验条件（以上参数在正常试验大气条件测定）

绕组直流电阻（25℃）：

1.6Ω±10%

绕组电感：

3.2mH±20%

定位转矩：

18mN.mREF

保持转矩（两相通额定电流）：

≥420mN.m（I=1.5A）

最大空载起动频率：

≥1300pps

最大空载运行频率：

≥8000pps

温升：

<80K

步距角精度：

1.8°±5%

转动惯量：

57g.cm2

电机重量:

0.39Kg/PCREF

绝缘电阻：

电机定子铁心与接线端子间冷态绝缘电阻应大于100MΩ（用DC500V兆欧表测量）

介电强度：

电机定子铁心与接线端子间应能承受AC600V/1S不击穿，泄漏电流小于1mA

 详细图纸参考

图表4.1.1步进电机尺寸参数

4.1.2导轨

目前所见到的kossel结构3D打印机导轨滑块装置主要有两类，一类是用型材构成的支架直接作为导轨，以这类导轨制造的打印机的精度受型材的影响很大，精度不易保证。

另一类是使用直线导轨，即为标准的导轨，以这类导轨制造的打印机可更好的保证打印精度。

市场上用于3D打印机的导轨价格在130元/米左右，并且需要配合相应的滑块来使用。

直线导轨的特点：

体积小、轻量化，特别适合小型化设备使用。

直线导轨，包含滑块、导轨及其它金属配件如钢珠、保持器等，皆使用轴承钢材质，具备高强度的特性。

采用哥德型四点接触设计，可承受各方向负荷，具备刚性强，精度高等特性。

有钢珠保持器设计，在精度允许下具备互换性，产品精度高。

此设计中由于选用2020铝合金型材，配合型材选用MGN12-H型导轨滑块的组合。

在运动系统中导轨垂直放置，滑块主要受到垂直向下的力（即平行于导轨），这个力又由固定在滑块上的同步带承担，故导轨滑块可认为只作为滑动副而没有受力。

由于所购买的热床直径尺寸为220mm加热范围200mm，为使打印范围高度适中，确定打印高度为200mm，现已知推杆长度200mm，打印喷头高度为70mm,当喷头在中心位置时，喷头下端距导轨160mm，所增加50mm是为了保证喷头在热床极限位置时不与同步带发生碰撞，喷头下端距推杆下端20mm。

故可以得出所需导轨长度计算公式如下：

推杆在极限位置时，推杆下端S=160-110-20=30mm

故选择导轨长度为400mm

图4.1.2导轨长度计算简图

（深色为中心位置，浅色为极限位置）

详细图纸参考

图表4.1.3直线导轨尺寸

4.1.3电源

电源用于为整个3D打印机提供电力支持，包括控制板、电机、喷头、热床等。

kossel结构3D打印机所用的电源通常为12V，但目前也出现了24V的。

市场价格从60-100元不等。

设计中选用热床120W；

喷头加热6x20单头电热管加热管打印头加热头12V40W；

风扇12Vx0.12A=1.44W；

步进电机1.5Ax2x2.4V=7.5W；

总功率计算如下：

120W+40W+1.44W+7.5Wx4=191.44W

考虑到以后可以对整机进行改造并流出余量，故选择电源为12V30A360W的监控电源。

以下为电源的详细信息：

产品特点

型号：

12V30A360W

尺寸：

21.5x11.5x51（带风扇）

尺寸：

20x11x4.9（慢转款无风扇）

输入电压：

220V转12V

输入频率：

50-60HZ

负载稳定度：

正负2%

工作效率：

80%

输出端口：

三组线路输出

散热方式：

空气自然对流冷却

产品特点：

（1）过载保护、过压保护、短路保护、100%负载老化

（2）采用进口元器件，可靠性高、直流纹波小，工作效率高

（3）采用脉宽调制（Pmm）开关技术设计，由新型智能高效开关电源芯片组成，可靠性高；

（4）内置EMI滤波器，抗干扰性能好、设计软启动电路，交流浪涌电流限制

（5）工作温度低，使用寿命长、绝缘性能好，抗电强度高

（6）满载高温烧机100%老化测试、输入电压范围宽，符合全球使用标准

（7）体积小，重量轻，外观精美

产品参数

输入电压&频率范围------110VAC/220VAC转换（47～63Hz）

输出范围-------------DC12V±10%额定输出电压

启动冲击电流-------------30A@120VAC（冷启动）

过载保护----------------105%～200%（额定负载），自恢复

过压保护-----------------115%～135%（额定输出电压）

短路保护-----------------自恢复

散热风机启动温度----------55°C

过热保护温度------