机械毕业设计1273三维打印快速成型机机械系统设计.docx
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机械毕业设计1273三维打印快速成型机机械系统设计
第一章.引言
1.1快速原型技术简介
快速成形（RapidPrototypingandManufacturing,RPM）技术是国际上1980年代末期发展起来的一种新型制造技术，它高度集成了自动控制、数控技术、CAD/CAM,计算机、激光技术等学科的最新成果。
快速成形技术在航空航天、机械电子及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，迅速成为制造领域的研究热点，己经成为企业新产品设计、开发、生产的有效手段.随着世界经济的飞速发展和市场竞争的日益加剧，对制造业的要求也越来越高，这就促使制造业进一步缩短新产品的研制和投放市场的周期，提高产品质量和降低产品开发成本。
同时，要求提高制造小批量、多品种产品的灵活性，以满足社会个性化需求。
与传统的设计开发工具相比，快速成形技术无论是在开发周期还是成本方面都具有相当的优势。
此外，依靠快速成形技术，还可以进一步改造现有的制造模式，提高整个制造产业的加工水平，并使之朝先进制造方向迈进。
目前，RP技术向两个方向发展：
工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；自动化的桌面小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于制造概念原型。
发达国家许多科研机构（如IBM公司）及教育单位（中等职业学校甚至中小学）已经开始购买此种小型RP设备，并极有可能进入家庭。
美国通用汽车公司也计划为其每位工程师配备一台此类设备。
1.2常见的快速原型制造方法
1.立体印刷技术（SLA）
SLA（StereolithograghyApparatus）法，其工艺原理是：
从最底层开始，激光在光敏树脂表面扫描，在扫描过程中，激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方才会发生聚合反应形成固态。
2.选择性激光烧结（SLS）
SLS（Selectivelasersintering）是利用激光
所提供的能量有选择性地融化热塑性塑料以形
成三维零件。
3.熔融沉积成型（FDM）
FDM（FusedDepositionModeling）是利用热塑性细丝在移动头中进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件。
4.层压物体制造技术（LOM）
LOM（LaminatedObjectManufacturing）是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件的一种技术。
5.三维打印成型（3DPRINT）
三维打印成型是在计算机的控制下，利用喷头喷射粘接剂，喷射粘接剂的路径材料被粘接在一起，而其它地方仍为松散粉末，层层粘接得到最后的三维实体。
图1.1RP工艺分类
1.3快速成型技术的原理
不同于传统加工的材料去除法或变形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材法制成的一次成形件。
从成形角度来看，任何零件均可看作是由无数个空间薄片叠成的三维几何体，薄片的形状就是几何体的截面形状。
如果能够将这些薄片逐片制作出来，然后依次将它们逐层粘合在一起，最终即可得到期望的零件。
这就是快速成形技术的基本原理。
因此，快速成形就是将三维零件的制造问题转化为两维面片的制作，从而使三维复杂实体的制作变得非常简单.在很大的程度上，快速成形加工系统与传统的数控机床有着极大的相似，两者都可以直接接受采用CAD工具设计零件文件，加工系统普遍采用直角坐标系，如X,Y,Z坐标轴等等。
快速成形加工系统与数控机床的最直观差别在于，前者通常使用激光而不是刀具来实现对零件的加工。
快速成形制造系统的原型制作过程都是在CAD模型的直接驱动下进行的，因此有人将快速原型制造过程称之为数字化成形。
CAD模型在原型的整个制作过程中相当于产品在传统加工流程中的图纸，它为原型的制作过程提供数字信息。
目前国际上商用的造型软件如Pro/E,UGII,SolidEdge等都有多种数据接口，一般都提供了直接能够由快速原型制造系统中切片软件识别的STL数据格式，而STL数据文件是将三维实体的表面三角形化，并将其顶点信息和法矢有序排列起来而生成的一种二进制或ASCII文件。
随着快速成形制造技术的发展，CAD模型的STL数据格式已逐渐成为国际上公认的通用格式。
在快速成形系统加工过程中，系统应用软件将计算机三维实体模型在Z向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光束（或其它能量流）在计算机的控制下扫描二维轮廓或者有选择地固化或粘结某一区域，从而形成构成零件实体的一个层面，这样逐渐堆积便形成一个三维实体（原型）。
最后通过后处理（如深度固化、修磨等），使其达到功能件的要求。
图1.2快速成型示意图
1.4本次设计的任务
为研究开发价格低廉、精度较高、有自主版权的新型的三维实物打印机，从而实现从三维CAD虚拟模型到实物原型的快速转换。
由此种成型过程生成的原型件可用于设计的校验与评审、零件实物装配检验、展品或商业竞标样件、消失模的主模型等，可藉此缩减企业新产品设计与开发周期和成本。
总体方案设计思路，延伸于二维打印机。
即在二维打印图形上不断累加，形成三维实体。
本项目开发产品可以作为CAD设计的终端设备，有很大的市场容量。
三维打印机可以快速提供概念模型，供设计评估，避免模具工装等生产准备工作的风险，从而可以大大加快新产品开发速度，降低新产品开发成本，大大提高企业的竞争能力和快速响应市场的能力。
工作内容和要求：
1XY扫描装置设计
2升降工作台设计
3整机总装配图设计
设计参数
最大成型空间：
150x150x150mm
扫描运动最大速度：
100mm/s
XY重复定位精度：
≤±0.005mm
Z向重复定位精度：
≤±0.01mm
移动件最大质量：
≤2千克
Z向工作台质量：
≤10千克
设计日程安排
3.26—4.02
查资料，调研，定设计方案，提交开题报告。
4.03—4.23
设计，计算，修改设计方案。
4.24—5.21
绘制装配图，教师审核电子版图纸。
5.22—6.11
撰写说明书，修改装配图，绘制其他图纸，教师审核说明书
6.21—6.18
集中出图，打印说明书，准备答辩。
第二章基本方案的确定
2.1最初方案
工作台在XY向上由于重复定位精度比较的高，考虑采用闭环控制，工作台在XY向上由直流伺服电机驱动，电机经过减速机构，通过滚珠丝杠来带动工作台运动，用光电编码器作为测量反馈组件。
XY向安装限位开关。
工作台在Z轴上运动时，只需要按照层高不断下降，因此，可以使用一个步进电机，通过减速机构带动丝杠驱动工作台向下运动。
出于对安全的考虑，要安装限位开关（可用一个简单的行程开关来实现），在工作台碰到开关之后，立即停止运动。
采用活塞式升降台单独的铺粉机构。
图2.1系统整体构成
1.扫描工作台 2.铺粉装置 3.工作缸体4.驱动齿轮
5.驱动电机 6.附件系统7.喷头 8.控制计算机 9.电源
2.2过渡方案
考虑到三维打印机应定位为办公室内的小型机器。
并且最初的方案将造成整体尺寸过于庞大，不符合设计的初衷，因此改用步进电机带动同步齿形带在光杠组成的平面中进行XY方向的扫描运动作为XY扫描装置的主体部分。
这样减少整体尺寸，符合小型机器的概念，也能适当减少加工成本，和零件成本。
并且能够达到要求精度等级。
草图见下图：
图2.2过渡方案图
2.3后期方案
经过多次实践观察以及经验总结，从复印机的钢丝机构汲取的灵感，确定了以钢丝为主要传动机构的方案。
该二维工作台有诸多优点：
1工作台的反向间隙小
2分辨率高
3响应速度快
因此选用滑轮钢丝机构牵引工作台做XY平面的移动。
并初步绘制结构图如下
图2.3钢丝绳驱动的二维工作台
1.直线滚动导轨副A 2.连接板A3.直线滚动导轨副B
4.钢丝绳5.支撑板A6.驱动轴A7.直线滚动导轨副C
8.支撑板B9.驱动轴B10.钢丝绳滚轮11.支撑板C
铺粉机构也做了很大改动，铺粉装置由工作活塞、送粉活塞、两个工作缸体、铺粉轮、驱动装置组成，如下图所示。
步进电机驱动齿轮,每加工完一层后,工作活塞下降,送粉活塞上升，然后铺粉滚轮来自动实现铺粉。
该滚轮在两平行的齿带之间架设，由步进电机驱动，滚轮完成两个功能:
（1）铺粉；
（2）压紧。
图2.4铺粉机构示意图
2.4最终方案
经过一段时间的画图和思考以及有限的实验，对之前的方案做了多项改进和优化。
1.简化了钢丝传动机构，使传动更有效。
2.2D钢丝绳驱动的工作台由2个步进电机驱动，用以驱动扫描系统。
3.援引许慧斌 梁伟文 宾鸿赞 刘琼在论文《激光分形烧结快速成形装置的研制》的实验如下：
在2D扫描系统中要求X-Y方向的灵敏度、定位精度高，并要求牵引力小、移动轻便，为此选择高精度的直线滚动导轨，重复定位误差为0.1～0.2μm；可以完美的完成本三维打印机的任务。
本文设计的扫描系统在X、Y方向的分辨率为0.02mm。
通过百分表来测验，试验结果，表1，2示：
表1 X方向位移数据（10-2mm）
步
1
2
3
4
5
6
位移
2.0
4.0
5.9
7.9
9.8
11.8
步
7
8
9
10
11
12
位移
13.7
15.6
17.4
19.4
21.2
23.3
表2Y方向位移数据（10-2mm）
步
1
2
3
4
5
6
位移
1.8
3.1
5.1
6.6
8.2
10.0
步
7
8
9
10
11
12
位移
12.0
13.8
15.8
17.2
19.2
21.2
X方向平均每走一步的位移为0.019mm;Y方向平均每走一步的位移为0.018mm。
该结果符合设计要求。
4.采用钢丝绳牵引的原因主要是为了消除反向间隙。
反向间隙实验的结果：
X方向向前走一步后，接着向后走，通过比较前后两次的位移，即可判断反向间隙，当X方向向前走一步的位移为0.021mm，返回的位移为0.020mm。
这里存在着0.001mm的间隙，但是当连续走时，重复定位精度基本上无误差。
当连续走150步后，接着反向走150步，位移基本为零。
Y方向反向间隙与X方向类似，基本上被消除。
该实验装置X方向的分辨率上达到0.018mm，Y方向的分辨率上达到0.019mm，反向间隙基本消除。
5.Z向机构也做了大幅度的改变，创造性的将平面钢丝系统用于成型储料箱升降装置，使成型空间与储料空间之间形成正比关系，成型时，储料箱板逐渐上升，同时由于钢丝作用，成型箱板同步下降一定高度，并且储料箱板逐渐上升高度与成型箱板下降高度相等，然后刮板开始刮料，这样就不会造成普通铺粉机构所遇到的各种问题，比如废料回收一类的先天不足问题。
同时由于两个板联动自重互相抵消，使电动机的载荷大幅下降。
6.铺粉机构整合为一个刮板，配合两侧高出1毫米的箱壁组成一个半封闭的空间，通过Y方向的运动把粉料由储料箱刮到成型箱并且铺平压实。
图2.5最终方案示意图
第三章．主要零部件的选型
3.1步进电机的选用
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。
每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。
电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。
步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。
广泛应用于机电一体化产品中，如：
数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
图3.1德国百格拉公司三相混合式步进电机
百格拉公司的三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作，运用特殊精密机械加工工艺，使步进电机定子和转子之间间隙仅为50um，转子和定子的直径比提高到59%，大大提高了电机工作扭矩，特别是高速时的工作扭矩。
由于定子和转子上磁槽数远多于五相和两相混合式步进电机，使三相混合式步进电机可以按五相和两相混合式步进电机的步数进行工作。
电机的扭矩仅与转速有关，而与电机每转的步数无关，例如：
2Nm电机在每转500步和10000步，800转/分时的扭矩都是1.75Nm。
百格拉公司的步进电机系统在低速时运行极其平稳，几乎无共振区，高速时扭矩大，运行特性类同交流伺服电机，被称为具有交流伺服电机运行性能的步进电机系统。
百格拉公司的步进电机系统广泛应用于纺织机械、机床、包装机械、印刷机械、搬运机械、医疗仪器、光学仪器、装配机械等自动化控制设备中。
电机型号
相电流（A）
保持扭矩（Nm）
工作扭矩（Nm）
空载启动速度（r/s）
转动惯量（kgcms2）
重量
（kg）
VRDM397
1.75
2.26
2
5.3
1.1
2.05
步进电机相电压分为325VAC和155VAC两种，电机每转的步数可任意设置为：
200、400、500、1000、2000、4000、5000、10000步/转
图3.22Nm步进电机矩频特性曲线
3.2软件环形分配器及其程序设计
P1口的三个引脚经过光电隔离/功率放大后,分别与电机的A、B、C三相连接。
电机以三相六拍方式,电机正转的顺序为AABBBCCCAA,反转为AACCCBBBA
它们的分配如表1所示,设P1的某口的电平为高电平,相应的相位绕组通电。
把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中,并分别设定表头地址为TAB0,表尾的地址为TAB5。
计算机的P1口按从表头开始逐步加1的顺序变化,电动机正向旋转,如果按从TAB5,逐步减1的顺序变化,电机反转。
图3.3计算机三相六拍环形分配表
子程序的入口,出口如下:
入口:
R6:
步进电机步数。
R5:
正反转控制,R5=0为正转,R5≠0为反转。
R7:
TAB数据表指针。
以上参数在主程序中给定。
出口:
R7:
子程序结束时电机状态,供下次调用参考。
主程序主要完成初始化,根据电机的选择开关及方式选择开关设置相应标志等工作,实现的框图,如图所示。
程序框图如下：
3.3联轴器的选用
MFB-12紧固螺栓型
特点
波纹管型弹性联轴器
零回转间隙
高扭矩刚性和灵敏度
弹性波纹管型结构补偿径向、角向和轴向偏差
偏差存在的情况下也可保持等速作动
顺时针和逆时针回转特性完全相同
免维护，超强抗油和耐腐蚀性
波纹管的材料为全不锈钢或磷青铜（轴套︰铝合金）
两端不同孔径大小的产品型号也备有库存
图3.4联轴器结构和材料尺寸
产品编号
A
L
W
E
F
G
M
拧紧力矩
（N·m）
MFB-12
12
7.5
23.5
7
2.5
—
M2.5
0.5
说明
所有产品皆配有紧固螺栓。
孔径尺寸等于或小于φ4的轴套配有一个紧固螺栓。
紧固螺栓型联轴器的孔径公差H8。
轴心公差建议为h6或h7。
3.4直线导轨的选用
AMT直线导轨的特长：
定位精度高，重现性佳
直线导轨的滚动运动方式，摩擦系数特别小，尤其静摩擦力与动摩擦力的差距很小，即使在微量进给时也不会有空转打滑的现象，解析能力与重现性最佳，因此可以实现μm级的定位精度。
低摩擦阻力，可长时间维持精度
直线导轨的滚动摩擦力可减小至滑动导轨摩擦阻力的1/20~1/40，尤其润滑结构简单，润滑容易，润滑效果优良，摩擦接触面的磨耗最底，，因此可以长时间维持行走精度。
可承受四方向的高负荷能力
几何力学结构的最佳设计，可同时承受径向、反径向与横方向的负荷，并保持行走精度，同时可轻易藉由施于预压与滑块数量，就可以提高起性能与负荷能力。
适合高速化之应用
摩擦阻力小的特性，对设备的驱动马力需求低，节省能源效果大，尤其运动磨耗小，温升效应低，可同时实现机械小型化与高速化需求。
组装容易并具互换之特性
直线导轨的安装只要在铣削或研磨加工的安装面上，以一定的组装步骤，即能重现直线导轨的加工密度，可降低传统铲花加工的时间与成本。
并且其可互换之特性，可以将滑块任意配装在同型号的滑轨上，同时又保持相同的顺畅度与精密度，机台组装最容易，维修保养最容易，维修保养最简。
图3.5滚动直线导轨副安装尺寸
3.5微型直线导轨的选用
微型导轨--标准型MR-M系列
特点：
高负荷,高扭矩功能
MR微型滚珠线性滑轨系列采用二列式滚珠循环设计,滚珠轨道设计采歌德式结构,其接触角为45度,以达到四方等负荷之效果:
并在有限空间限制下,使用较大尺寸钢珠,以提高负荷能力,充分展现高负荷,高扭矩功能.
嵌入式设计
滑座钢体与框架,端盖及密封片之结合方式采嵌入式设计,不须使用螺丝固定,节省结构设计之空间。
精度等级
MR微型滚珠线性滑轨系列提供三种精度等级N,H,P,供设计选用。
防尘设计
薄型底面密封及端面密封构成全密闭防尘设计:
可弹性搭配。
回流孔特殊设计
钢珠回流孔及回转道由全密闭式塑胶框架及塑胶端盖构成,结构简单,钢珠循环更平稳,噪音低。
润滑
滑座于两端由密闭式润滑注油孔设计,可经由钢珠循环将润滑油带到表面,达到润滑的效果。
保持器设计
滑座具高刚性钢珠保持器,以确保运送途中安全并且滑座容易装配。
材质
MR微型滚珠线性滑轨系列无论是滑轨,滑座钢体或滚珠皆使用不锈钢淬透热处理材质。
图3.6微型滚动直线导轨副安装尺寸
3.6滑轮的选用
滑轮采用慈溪市横河镇梅园滑轮厂生产的非标准滑轮。
中间有轴，外包塑料。
本设计用到3种，一种一侧有轴，3个用于Y方向的钢丝传动。
一种是两侧都有轴，数量较多，用于Z向的钢丝传动机构。
另一种只有一个，由于空间位置问题，选用螺线线式的双层结构滑轮，以便使钢丝绕行1.75周之后再绕出——结构所需。
3.7其它零件的选用
喷头
采用类似于压电喷头的结构压电喷墨技术是将许多小的压电陶瓷放置到喷墨打印机的打印头喷嘴附近，利用它在电压作用下会发生形变的原理，适时地把电压加到它的上面。
压电陶瓷随之产生伸缩使喷嘴中的墨汁喷出，在输出介质表面形成图案。
粘接剂储存输送装置
是仿照打印机墨盒的结构制成，粘接剂本身消耗很少，将喷头与粘接剂储存输送装置整合在一起。
螺钉，螺母，弹簧垫圈
由于图书资料不够详细，无法了解一些小螺钉，螺母，弹簧垫圈的具体尺寸，所以选用了catia内部库文件导入的ISO标准的零件，如ISO4762M4x12的内六角圆柱头螺钉，ISO4017M2X6的六角螺栓。
可调式脚架
可以调整调整螺母来保证机器水平。
底部为减震作用的尼龙材料。
X向移动板
采用普冷钢板2次冲压而成，提高效率。
第四章．喷头的仿真模拟以及电机的计算
4.1喷头的仿真模拟计算
台湾陈政宏等人的研究结果证明，
喷嘴的压力变化与时间近似呈正弦关系（详见论文《微喷墨技术应用之模拟及实验验证》），如图4.2所示。
由于在72μs之后，喷嘴内部液体的压力对于已经断裂的液滴已经不会产生任何影响，因此在仿真系统中，因波传递所造成喷嘴最上层的压力随时间变化之关系只标示到72μs。
图4.1挤压式压电喷墨打印头示意图图4.2进水口单一电脉冲压力-时间表
依据流体力学理论，对于不可压缩流体之牛顿流体，流体流动的数学连续方程式（Continuityequation）：
（1）
动量方程式（Momentumequation）：
（2）
（3）
（4）
其中p（g/cm3）为密度;m（g/cm．s）为黏滞系数;P（g/cm．s2）为压力;u、v及w（cm/s）分别为x、y及z方向之速度分量;Fbx、Fby及Fby（g．cm/s2）为表面张力在x、y及z方向上的分量;gx、gy及gz（cm/s2）为x、y及z方向的重力加速度。
欲模拟一带有自由表面的瞬时流体流动情形，首先要能订出自由表面的位置，其次是要能计算出自由表面随时间变化的情形，最后是要能处理自由表面的边界条件，在本研究中我们选择使用流体体积（volumeoffluid,VOF）法来处理这类三度空间的问题。
VOF法是由Nichols和Hirt等人所提出，以流体体积比例（thefractionalvolumeoffluid）的概念，来追踪自由表面的形态与变动。
首先在计算系统（CalculationalDomain）建立一组流体体积函数F（x,y,z,t），它的值介于0和1之间。
当一个格子内充满流体时其值为1，空格子时其值为0，若F值介于0和1之间则属于自由界面格子，即气液共存的情况。
因此F可以用来表示流体移动的行为。
在处理F的传递时，近似的界面位置必需被重建，以便提供正确F传输量的计算及决定表面区域的物性。
本研究在界面重建及F值的传递问题上采用PLIC并耦合VOF法来计算，在三度空间上以一任意方向之平面来表示自由表面，进而根据此平面之移动位置来计算F的传递。
步骤1:
建立/重建自由表面。
步骤2:
计算速度场。
步骤3:
计算F值的传递及传递后F值的分布
为了能够在自由表面的边界上获得较准确的速度与压力，本研究将表面张力的效应纳入考虑并采用Kothe等所提出的CSF模式，并推导至三维的状态，CSFModel将表面张力视为一连续的、横跨于界面的作用力，等同于动量方程式中的bodyforceFb，并由下式求得
仿真系统首先以水来作测试。
模拟结果的3-Dparametricviews如图所示。
视角为与水平面呈30度，由图可以清楚观察从液滴生成、液滴串断裂、尾液滴（taildroplet）成形、卫星液滴与主液滴结合成单一液滴、液滴撞击到标的与撞击后液滴扩张到最大半径之模拟结果。
本研究主要讨论液滴生成与飞行之模拟结果并与实验验证。
图4.3模拟弹射序列的液滴参数图
模拟结果如图所示，图中20-110μs所对应之实验观测照片如图所示。
在20-26μs，由于喷嘴上方的正压力推挤喷嘴内部之液体，使得液体开始由喷口喷射出，此时液滴形状呈现半月形。
在26-38μs，因为正压力持续作用而给予液滴一加速度，因此液滴速度与长度均增加。
在40μs后喷嘴上方开始产生负压力，在44-50μs，喷口附近的液体受到喷嘴内部向上拉回之负压力，使得向下速度减小，同时并受到下方液滴串之表面张力相互作用，于是产生颈缩现象，由模拟结果与实验照片可知液滴串均在56-62μs之间产生断裂，在此阶段模拟与实验具有高度的一致性。
在62μs之后，液滴串已经完全和喷嘴分离，形状具有圆浑的头端和细长的尾端，由于尾端受到表面张力的作用，产生一向下的加速度，使细长的尾端向下之速度迅速增加并追上头端的速度，头尾两端相互靠近，液滴串的长度开始减小，由于尾端质量的累积致使体积也变大形成尾液滴。
模拟与实验在80μs时有些许的差异，实验照片之部份尾液滴和液滴串已脱离而在模拟结果上则尚未完全脱离，以致80μs之后，模拟结果之尾液滴较大、尾液滴较实验早形成圆球体。
模拟结果在86-92μs之间因表面张力作用，尾液滴和主液滴分离，形成卫星液滴，由于卫星液滴的速度扔较主液滴大，在92-104μs赶上主液滴并结合成单一液滴；在实验照片上，卫星液滴与主液滴则在104-110μs合成单一液滴。
2026 32 38 44 50 56 62
图4.4a 模拟结果20至62μ
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