熔融沉积3D打印机机械结构的设计(3)

天津职业技术师范大学2014届本科生毕业设计

2传动部分的设计

2.1设计任务

机械部分的设计主要包括机械结构传动装置和熔融沉积3D打印机的整体布局设计。

2.1.1设计目的

设计熔融沉积3D打印机的整体部分和其它的设计。主要用于单件小批量零件和功能模型的快速成型制造

通过毕业设计,锻炼我们在生产应用知识去解决实际问题,能够独立或与同学合作产品设计的一些实际应用,为了提高我们的设计能力。毕业设计同时也为自己在五年内最后检验一遍大学的知识。

提高应用手册的能力和编写文件信息的能力 2.1.2机械结构传动装置设计

事实证明,整个机器传动装置占了很大的比例。因此,传动装置的设计好坏是机械设计的关键。

本次的设计从电机到执行部分采取几种解决方案:齿轮传动,普通V带,同步带传动、链传动、丝杠螺母副等。下面将上述几个传输方案比较。

齿轮传动的承载能力和速度范围比较大,传动比恒定,外轮廓尺寸小,运行可靠,效率高,寿命长,制造安装精度要求高,噪音大,成本较高。齿轮齿条传动通常用于行程较大的机床,可以得很大的传动比,容易得到高速直线运动,刚度和机械效率高,传输不够平稳,传输精度不高。

普通三角皮带传动的承载能力小,传递相同的转矩时结构尺寸比其他形式大,但稳定,可以缓冲振动、噪音低、良好的经济性能。

同步带传动确保准确的同步带传动比,传动的优点是速度范围广,传动比大,效率高(高达98%),预紧力小,轴和轴承负荷小,单位长度质量很小,因此它允许线速度高,但制造和安装精度较高,必须按要求严格中心距。

链传动属于有中间挠性件啮合传动。只能用两个平行轴方向进行回转和传动,不能保证恒定的瞬时传动比;磨损后容易发生跳齿;工作时有噪音;不应该在负载变化大和快速反向传动中应用。

丝杠螺母副传动,滚珠丝杆螺母副是滚动摩擦,摩擦损失小,传动效率高,可达到0.90至0.96;丝杠和螺母预紧后,可以完全消除两者之间的间隙,提高传动刚度,摩擦阻

5

天津职业技术师范大学2014届本科生毕业设计

力小,几乎与速度无关。能保证平稳的运动,不容易在低速中爬行;不能自锁,可逆性强。

综合比较几种传动方案最后选择同步带传动适合并能满足步进电机和丝杠之间的连接需要，因此传动装置选择同步带传动

熔融沉积3 D打印机总体布局设计根据设计要求加工尺寸最大、重量、形状、和传动关系, 速度、位移、加速度、时间等一系列的参数设计,最后得到一个可以满足设计要求同时满足各部分之间的相对位置关系。主框架的机械结构：铝合金框架,,喷头、X-Y方向的传动装置(螺丝、导轨)和辅助装置。

2.2步进电机的选择设计任务

2.2.1步进电机的简介

步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器和电极的一步。步进控制器由缓冲器、环形分配器、控制逻辑及方向控制。功率放大器的作用是控制环形脉冲放大,驱动步进电机旋转。其控制系统如图1：

方向控制 功率 放大器 脉 冲 脉冲信号的产生

CPU、单片机产生的脉冲信号,一般脉冲信号的占空比约为0.3至0.4,电机转速越高,工作周期越大。

在步进电机控制软件制作中要解决的一个重要问题,是产生周期性的脉冲序列,如下图所示。从下图可以看出,脉冲是使用周期时间,脉冲高度,打开和关闭电源来表示的。脉冲高度取决于使用数字元件电平来决定,如普通TTL 电平为0 - 5 v,COMS电平为0-10v等。常用的接口电路,可用0到5 v打开和关闭电源的办法来控制。相应的数据为例,当步进电机数字线送高电平(连接),步进电机开始一步一步的运动。但是由于步进电机“一步”是需要一定的时间,所以在发送高脉冲应该延长一段时间,使步进电机在指定的位置。因此,使用计算机控制步进电机实际上是一系列的脉冲波由计算机生成的。

用软件的方法实现脉冲波是先输出高电平,然后用软件延迟一段时间,然后输出低电平时间延迟。延迟时间的长度决定于由步进电机的工作频率。

6

步进控制器 步进 电机 负载 图1步进电机的控制系统

天津职业技术师范大学2014届本科生毕业设计

上面是一个步进电机控制命令和控制模型,如果在相反的顺序控制,步进电机相反的方向转动。因此,所谓的步进电机的方向控制,实际上是在一个特定的方式控制(根据需要选择)中指定的顺序发送脉冲序列,可以达到控制步进电机的目标方向。

高

度

图2脉冲信号的产生 功率放大

功率放大器是驱动系统中最重要的部分。步进电机在一定的速度转矩取决于平均动态电流而非静态电流(当前示例是静态电流)。电动机转矩的平均电流越大,需要克电机的反电势平均电流越大。在不同场合采取不同的方式,到目前为止,驱动模式通常有以下几种:恒压和恒压串联电阻,高、低压驱动,恒流和细分数。

步进电机一旦定型,其性能取决于电机驱动电源。步进电机速度越高,转矩,电动机电流的需求越大,驱动电源电压就越大。用于步进电机步距角不满足条件下,利用细分驱动程序来驱动步进电机，细分驱动的原理是通过改变相邻(A,B)的大小,改变合成磁场的角度来控制步进电机运行。驱动电源如图3所示：

T1 T2 脉T

周 期

图3 步进电机驱动电源

7

天津职业技术师范大学2014届本科生毕业设计

细分驱动器

在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。细分驱动的原理如图10：

图4 细分驱动器的原理

用途特点及工作条件

LX19系列开关用于交流50Hz或60Hz,控制电路的电压220 v到380 v的电路中,机械信号变成电信号,控制运动机构和转换方向度用。LX19系列开关采用双断点瞬动式结构,安置在一个金属外壳构成的保护式。壳上装有各种机械零件的方法。组成的单轮、双旋转动,没有线性运动形式的行程开关,等等。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁步进电机(PM),混合步 进电机(HB)和单相步进电机,等等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

步进电机的一些特点：

1、一般精密步进电机步进角的3 - 5%,且不累积。 2、步进电机外壳允许最高温度。

步进电机温度太高会使磁性材料退磁,所以电机外壳允许最高温度应该取决于不同的退磁磁性材料;有些材料都在130摄氏度以上,有的甚至高达200摄氏度以上,因此步进电机出现在80 - 90摄氏度温度完全正常

2.3丝杠的选型

1.公称直径。即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不过请注意，这些规格中，各厂家一般只备16~50的货，也就是说，其他直径大部分都是期货（见单生产，货期大约在30~60天之间，日系产品大约是2~2.5个月，欧美产品大约是3~4个月）。公称直径和负载基本成正比，直径越大的负

8

天津职业技术师范大学2014届本科生毕业设计

载越大，具体数值可以查阅厂家产品样本。这里只说明两个概念：动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。需要注意的是，额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。推荐：直径尽量选16~63。

2.导程。也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位数前两位指直径，后两位指导程），其他规格多数厂家见单生产。导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。推荐：导程尽量选5和10。

3.长度。长度有两个概念，一个是全长，另一个是螺纹长度。有些厂家只计算全长，但有些厂家需要提供螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分，一个是螺纹全长，一个是有效行程。前者是指螺纹部分的总长度，后者是指螺母直线移动的理论最大长度，螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量（如果需要安装防护罩，还要考虑防护罩压缩后的长度，一般按防护罩最大长度的1／8计算）。在设计绘图时，丝杠的全长大致可以按照一下参数累加：丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。特别需要注意的是，如果你的长度超长（大于3米）或长径比很大（大于70），最好事先咨询厂家销售人员可否生产，总体的情况是，国内厂家常规品最大长度3米，特殊品16米，国外厂家常规品6米，特殊品22米。当然不是说国内厂家就不能生产更长的，只是定制品的价格比较离谱。推荐：长度尽量选6米以下，超过的用齿轮齿条更划算了。

4.螺母形式。各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式，一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母（注意，单螺母和双螺母没有负载和刚性差异，这一点不要听从厂家销售人员的演说，单螺母和双螺母的主要差异是后者可以调整预压而前者不能，另外后者的价格和长度大致均是前者的2倍）。在安装尺寸和性能允许的情况下，设计者在选用时应尽量选择常规形式，以避免维护时备件的货期问题。推荐：频繁动作、高精度维持场合选双螺母，其他场合选双且边单螺母。推荐：螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。

5.精度。滚珠丝杠按GB分类有P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1、2、3、4.....几种，国外产品一般不分传动还是定位，一律以C0~C10或具体数值表示，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下，高精度数控机械选C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。特别需要注意的是，精度和价格关联性很大，并且，精度的概念是组合和维持，也就

9

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库熔融沉积3D打印机机械结构的设计(3)在线全文阅读。