毕业设计（论文）-3D打印机结构设计.doc

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毕业设计任务书

任务下达日期：

20XX年12月15日

设计开题日期：

20XX年3月30日

设计开始日期：

20XX年4月2日

中期答辩日期：

20XX年5月11日

设计完成日期：

20XX年6月15日

一、设计题目：

三轴3D打印机结构设计

二、设计的主要内容

1、可行性论证：

设计三种结构方案，分析其可行性，选出最优方案。

2、设计计算：

对关键结构进行强度校核，X、Y、Z轴光杆弯矩校核，挤出机挤出力核，

对所选用的标准件进行校核，判断其是否合理。

3、设计图纸：

3D打印机装配图A0零件图A1

4、特色专题：

3D打印机三维建模

三、设计目标：

利用三维软件完成3D打印机结构设计，打印行程要求：

225mm×245mm×235mm；最高速度200mm／s；要求取用远程挤出机构；尺寸精度控制在0.3mm之内，通过设计使学生掌握CAD相关软件，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，最终设计出符合要求的结构。

指导教师：

院（系）主管领导：

20XX年12月15日

摘要

本文通过市场调研、可行性方案论证、方案对比的方法运用3D打印技术设计了一款亚克力板龙门式3D打印机，该3D打印机采用同步带和丝杠传动结构，Z向双电机同时驱动，选择远程挤出机构，打印喷头采用喉管喷头一体化结构设计，丝杠结构框架，开源控制软件、固件和控制板。

通过对设计进行计算与校核，对所设计的零件进行装配设计，设计出符合要求的3D打印机。

关键词：

结构设计；3D打印机；亚克力板；

全套图纸加V信153893706或扣3346389411

Abstract

Inthispaper,the3Dprinterisdesignedbymarketresearch,feasibilityschemedemonstrationandschemecomparison.The3Dprinterusessynchronousbeltandscrewdrivestructure,Zdrivesthedoublemotorsimultaneously,selectstheremoteextrusionmechanism,andtheprintingnozzleadoptstheintegratedstructureofthethroatnozzle.Thestructureoftheleadscrew,opensourcecontrolsoftware,firmwareandcontrolboard.

Throughthecalculationandverificationofthedesign,theassemblyofthedesignedpartsisdesigned,designa3Dprintingtomeettherequirements.

Keywords:

Structuraldesign;3Dprinting;acrylicboard;

II

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.13D打印技术的概述 1

1.23D打印原理的分类 1

1.2.1选择性激光烧结技术 1

1.2.2熔融沉积造型 1

1.2.3立体光固造型技术 2

1.2.4数字光处理技术 2

第2章3D打印机结构方案设计及可行性论证 4

2.13D打印机结构方案设计 4

2.1.1方案1框架式3D打印机 4

2.1.2方案2悬臂梁式3D打印机 4

2.1.2方案3龙门式3D打印机 5

2.23D打印机方案可行性论证 6

2.2.1方案1评价 6

2.2.2方案2评价 7

2.2.3方案3评价 7

2.3方案确定 7

第3章3D打印机设计与计算 9

3.1技术参数及其坐标系的确定 9

3.1.1技术参数 9

3.1.23D打印机坐标系选择 9

3.2电机的选择 10

3.2.1X方向电机的选择 10

3.2.2Y方向电机的选择 11

3.3滚珠丝杠的设计计算 12

3.3.1选材标准 12

3.3.2滚珠丝杠副的载荷及转速计算 13

3.4光杆导轨的校核 16

3.4.1X方向运动光杆的受力分析 16

3.4.2Y方向光杆运动受力分析 17

3.5同步带的设计计算 18

3.5.1X轴方向同步带计算 18

3.5.2Y轴方向同步带计算 20

3.6直线轴承的选用 21

3.6.1直线运动轴承额定载荷 21

3.6.2静态安全系数 22

3.6.3直线系统的额定寿命 22

3.6.4额定寿命 22

3.7挤出机的挤出力校核 23

3.8联轴器的选择与分类 24

3.8.1联轴器的分类 24

3.8.2联轴器的选择 24

3.9环境保护和可持续发展方面的思考 25

3.9.1本次设计对环境的影响 25

3.9.2可持续发展方面的思考 26

第4章产品使用与维护 27

4.13D打印机的基本调试 27

4.1.1打印平台的基本调试 27

4.1.2限位开关的调试 27

4.1.3工作台的调平 27

4.1.4平台移动距离的校准 28

4.23D打印机的使用方法 28

4.33D打印机的维护 28

4.3.1每天预防性维护 28

4.3.2长久维护方法 28

第5章毕业设计特色专题 30

5.1非标准件的设计 30

5.1.1Z方向左侧升降平台设计 30

5.1.2Z方向右侧升降平台设计 31

5.1.3滑块的设计 31

5.1.4Y方向连接器的设计 32

5.1.5X方向连接器的设计 33

5.1.6打印喷头固定架的设计 33

5.1.7Y向电机固定架的设计 34

5.1.8Y方向轴承固定架的设计 35

5.1.9支撑座的设计 35

5.1.10亚克力板框架设计 36

5.1.11电机支架的设计 37

5.2总体结构的设计 37

5.2.1总装配图 37

5.2.2传动原理 38

结论 39

参考文献 40

致谢 42

V

CONTENTS

摘要 I

Abstract II

PartⅠIntroduction 1

1.1Anoverviewof3Dprintingtechnology 1

1.2Theclassificationoftheprincipleof3Dprinting 1

1.2.1Selectivelasersinteringtechnology 1

1.2.2Moltendepositionmodeling 1

1.2.3Stereoscopicstereosolidmodelingtechnology 2

1.2.4Digitalopticalprocessingtechnology 2

PartⅡStructureschemedesignandfeasibilitydemonstrationof3Dprinter 4

2.1Structureschemedesignof3Dprinter 4

2.1.1Scheme1frametype3Dprinter 4

2.1.2Scheme2cantileverbeamtype3Dprinter 4

2.1.2Scheme3Longmentype3Dprinter 5

2.2Feasibilitydemonstrationof3Dprinterscheme 6

2.2.1Programme1Evaluation 6

2.2.2Programme2Evaluation 7

2.2.3Programme3Evaluation 7

2.3Schemedetermination 7

PartⅢDesignandcalculationof3Dprinter 9

3.1Determinationofdesignscheme 9

3.1.1technicalparameter 9

3.1.2Selectionof3Dprintercoordinatesystem 9

3.2Selectionofmotor 10

3.2.1SelectionofXdirectionmotor 10

3.2.2SelectionofYdirectionmotor 11

3.3Designandcalculationofballscrew 12

3.3.1Materialselectionstandard 12

3.3.2Calculationofloadandspeedofballscrewpair 13

3.4Checkoflightbarguide 16

3.4.1TheforceanalysisofXdirectionopticalrodmotion 16

3.4.2TheforceanalysisofYdirectionopticalrodmotion 17

3.5Designandcalculationofsynchronousbelt 18

3.5.1CalculationofXaxissynchronousbelt 18

3.5.2CalculationofYaxissynchronousbelt 20

3.6Selectionoflinearbearings 21

3.6.1Ratedloadoflinearmotionbearing 21

3.6.2Staticsafetyfactor 22

3.6.3Theratedlifeofalinearsystem 22

3.6.4Ratedlife 22

3.7Extrusionforcecheckingofextruder 23

3.8Selectionandclassificationofcouplings 24

3.8.1Theclassificationofcouplings 24

3.8.2Selectionofcouplings 24

3.9Considerationofenvironmentalprotectionandsustainabledevelopment 25

3.9.1Theimpactofthisdesignontheenvironment 25

3.9.2Thinkingontheaspectofsustainabledevelopment 26

PartⅣProductuseandmaintenance 27

4.1Basicdebuggingof3Dprinter 27

4.1.1Basicdebuggingofprintingplatform 27

4.1.2Adjustmentoflimitswitch 27

4.1.3Levelingoftheworktable 27

4.1.4Calibrationofplatformmovingdistance 28

4.2Themethodofusing3Dprinter 28

4.3Maintenanceof3Dprinter 28

4.3.1Dailypreventivemaintenance 28

4.3.2Longtermmaintenancemethod 28

PartⅤSpecialtopicofgraduationdesign 30

5.1Designofnonstandardparts 30

5.1.1DesignofleftanddownplatformofZdirection 30

5.1.2DesignofrightanddownplatformofZdirection 31

5.1.3Designofslider 31

5.1.4DesignofYdirectionalconnector 32

5.1.5DesignofXdirectionalconnector 33

5.1.6Designofprintingnozzlefixator 33

5.1.7DesignofYdirectionmotorfixedframe 34

5.1.8DesignofYdirectionbearingfixedframe 35

5.1.9Designofsupportseat 35

5.1.10Acrylicplateframedesign 36

5.1.11Designofmotorsupport 37

5.2Thedesignoftheoverallstructure 37

5.2.1Generalassemblydrawing 37

5.2.2Transmissionprinciple 38

Conclusion 39

Reference 40

Acknowledgement 42

VIII

第1章绪论

1.13D打印技术的概述

3D打印技术为80年代中期发展起来的一种新技术，是造型技术的一项突破性进展。

它现有十多种名称，如增彩制造、快速原型、计算机辅助设计与制造、以及桌上制造工艺等。

此项技术不同于传统的制造方法，它综合了激光技术、自动控制技术以及许多先进性技术和知识。

他最突出的优点是增材制造，无需机械加工或者任何辅助，也不需要任何模具，通过三维软件的建模生成任何模型，导出3D打印机需要的格式，从而极大的缩短产品的研发周期，提高了生产效率并且降低了成本。

当今，这项技术正在飞速的发展，已经越来越引起了人们的广泛重视，目前，很多公司都在研究这项技术，对制造业的发展起了及其重要的推力作用[1]。

1.23D打印原理的分类

1.2.1选择性激光烧结技术

选择性激光烧结法又称为选区激光烧结法。

它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料，可以是金属粉末或非金属粉末，激光在计算机的控制下，按照界面的轮廓信息，对实心部分粉末进行激光烧结，然后不断循环，层层堆积成型。

SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、树脂裹覆砂、聚碳酸脂、金属和陶瓷粉末等材料都可以作为烧结对象[2]。

粉床上未被烧结部分成为已烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统。

由于该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，针对以上特点SLS法主要用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具[3]。

1.2.2熔融沉积造型

熔融沉积造型法采用热融喷头使半流动半凝固状态的材料按CAD分层数据控制的路径上挤压并沉积在预先设定的地方成型，逐层沉积经过凝固后最终形成零件图样，这一技术称为熔化堆积法。

这是一种将各种热熔性的材料加热熔化成形方法，它技术设备简单，运行费用相对便宜，系统可用于办公环境，没有产生环境污染，工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾，可以快速构建各种复杂的零件，易于搬运和快速更换，但是问题在于精度低，竖直方向强度小，成形速度较慢，不适合构建大型零件。

1.2.3立体光固造型技术

这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。

在实际在生活中有着很多应用立体光固造型技术原理，又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。

它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和功率的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料材料也就从液态转变成固态SLA的原理是由CAD系统的三维造型切割成若干薄层平面数据模型，但对表面形状变化大和精度要求高的部分应切得薄些，其他一般部分切得厚一些。

随后CAM软件再根据各薄层平面的运动指令，再结合提升机构沿Z坐标方向的间歇下降运动，形成整个零件的数控加工指令。

指令输入SLA系统中，首先是工作台下降至液体容器的液面之下，对应与CAD模型最下一层切片的厚度处，根据切片的平面几何数据，紫外光照射可固化的液态树脂，在紫外光的作用下，因光聚合作用，第一层被固化在工作台上。

然后，升降工作台下降至第二层切片厚度，激光器按照该层切片的平面几何数据扫描液面，使新一层液态树脂固化并紧紧贴在前一层已固化的树脂上，如此反复生长，直至形成整个三维实体零件[4]。

1.2.4数字光处理技术

数字光处理技术能够在构建部件时，使用高分辨率的数字光处理器设备投影仪来固化液态光聚合物，分别逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA速度更快，该流程重复，直至彻底将模型构建完成。

DLP技术能够提供在准确性、材料属性、细节和表面光洁度等方面可匹敌注塑成型的塑料部件。

它让工程师能够在产品大规模生产前验证所设计的形状、匹配和功能，从而避免成本高昂的生产模具修改和缩短上市时间[5]。

大规模生产前评估产品的设计;验证设计的形状、匹配和功能，提供概念模型，改善沟通的方式，在设计方面都有很大的应用价值。

第2章3D打印机结构方案设计及可行性论证

2.13D打印机结构方案设计

2.1.1方案1框架式3D打印机

框架式3D打印机，包括底座和“门”字型框架式的支架，支架上部前侧面水平设有安装柱，安装柱上设有料盘；支架的中下部水平设有滑轨，滑轨上设有出料装置；支架下方的底座上设有加热底盘；底座前侧为弧面结构并设置显示屏和操作按钮；底座前侧面上设有USB和SD卡插孔；滑轨包括两个上下平行设置的滑杆，出料装置穿设在滑杆上；安装柱外侧设有限位帽。

运动机构如下：

（1）升降装置：

步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠，工作台通过直线导轨与丝杠上丝杠螺母相连接，通过步进电机正反转来控制工作平台上下移动。

（2）X、Y方向移动：

通过两个步进电机、两个同步轮，一根同步带来控制打印喷头X、Y正反方向的移动。

图2-1框架式3D打印机传动图

2.1.2方案2悬臂梁式3D打印机

悬臂梁式3D打印机主要有四部分组成，分别为旋转运动机构、垂直运动机构、水平运动机构、材料挤出机构，它们各自用一个步进电机驱动，该3D打印机水平面内的材料成型依靠旋转运动机构和水平运动机构共同作用实现。

悬臂式3D打印机打印头通过打印头固定件与水平导轨连接，而水平导轨滑块又以滚珠丝杠螺母副的方式与水平导轨连接在一起并由水平伺服电机驱动，实现打印头的左右移动，这样就构成了悬臂式打印机的悬臂梁。

悬臂梁结构安装简易，结构合理，坚固耐用，美观大方，层重能力好，空间利用率高等特点。

运动机构如下：

（1）升降装置：

在底座上固定一竖直铝型材，将直线导轨通过螺栓固定于铝型材上，步进电机通过联轴器连接同步带轮，皮带的两端固定在直线轴承同步轮上，皮带连接同步带轮，电机的转动带动直线轴承的上下移动，实现Z轴方向移动。

（2）X方向移动：

铝型材通过连接件固定于Z轴方向上的直线轴承上，将直线导轨通过螺栓固定于铝型材上，步进电机轴连接同步带轮，皮带的两端固定在直线轴承上，皮带连接同步带轮，电机的转动带动直线轴承的左右移动，实现X轴方向移动。

（3）Y方向移动：

将直线导轨固定在底座上，通过同步带连接直线轴承，工作台固定在直线轴承上，电机通过同步带轮带动同步带前后移动，实现Y轴方向的运动。

图2-2悬臂梁式3D打印机传动图

2.1.2方案3龙门式3D打印机

龙门式3D打印机主体框架采用龙门式结构，整体支撑结构件以重量轻、价格便宜且易加工的铝合金材料为主。

打印机机械部分主要由基座、打印工作台、三轴传动系统、打印喷头、铰链结构等部件组成。

整体设计以基座为结构基础，Y轴传动系统负责打印工作台Y方向的移动，X、Z轴传动系统分别负责打印头X方向和Z方向移动，从而实现三个维度的打印需求。

运动机构如下：

（1）升降装置：

两个步进电机同步旋转通过丝杠传动实现Z方向上下运动。

（2）X方向移动：

在X方向上任一支撑端通过步进电机带动同步带传动，同步带带动直线轴承的移动实现X方向上的运动。

（3）Y方向移动：

工作台的移动或者X轴在Y方向上的移动，Y方向上步进电机可固定于X方向上也可固定于Y方向上，步进电机通过同步带带动工作台运动实现Y方向上的运动。