小型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

1緒論1.1課題研究背景及意義2012年，著名的英國(guó)雜志“經(jīng)濟(jì)學(xué)人”發(fā)表了一篇關(guān)于在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的3D打印技術(shù)的專(zhuān)題報(bào)道。表明世界正在經(jīng)歷和以往不同的第三次工業(yè)革命，這場(chǎng)革命將推翻人們對(duì)于制造和打印概念的傳統(tǒng)認(rèn)知。近年來(lái)，3D打印技術(shù)更是不斷引人注目。印刷原理與普通印刷基本相同。逐層增加材料，從而生成實(shí)體，與以往的去除材料加工截然不同[1]。3D打印技術(shù)在過(guò)去20年里發(fā)展迅速，在很多領(lǐng)域都有所涉獵，主要有珠寶類(lèi)、鞋類(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)類(lèi)、建筑類(lèi)、工程和施工、汽車(chē)，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支等領(lǐng)域，尤其是在航天航空、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域具有較高的科學(xué)技術(shù)含量和研究?jī)r(jià)值，已經(jīng)有了突破性進(jìn)展和實(shí)質(zhì)性用處，在航空領(lǐng)域，使許多問(wèn)題因?yàn)?D打印技術(shù)的應(yīng)用變得更簡(jiǎn)單方便，2014年9月底，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)制造的4個(gè)零件就是使用3D打印機(jī)打印出來(lái)的，從而組裝出長(zhǎng)達(dá)50.8毫米的用于立方體衛(wèi)星中的望遠(yuǎn)鏡，而在傳統(tǒng)制造業(yè)中通過(guò)打印四個(gè)零件從而組裝成一款望遠(yuǎn)鏡是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。2015年4月21日，美國(guó)宇航局的官網(wǎng)提出，為防止資源浪費(fèi)和節(jié)約成本，該工程人員制造首個(gè)全尺寸銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件，而制造該零件的技術(shù)就是增材制造技術(shù)，NASA空間技術(shù)工作組負(fù)責(zé)人表示，這將成為在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)層面上的新里程碑，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)更是通過(guò)其可以達(dá)到高精度和高復(fù)雜程度的優(yōu)點(diǎn)幫助許多憑借在過(guò)去的醫(yī)療條件無(wú)法治愈的患者得到了理想的治療。2014年8月28日，農(nóng)民胡師傅從3樓墜落將其左腦蓋被撞碎并凹陷，而醫(yī)生就是通過(guò)采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)與重建鈦金屬材質(zhì)的缺損顱眶骨，并打印出缺損的左側(cè)顱頂骨，使胡師傅過(guò)上了正常人的生活。2014年10月13日，紐約長(zhǎng)老會(huì)醫(yī)院的埃米爾·巴查博士通過(guò)對(duì)一個(gè)小女孩新造的高精度復(fù)制模型描述了他對(duì)該模型的分析，并且該女孩成功的完成永久性的矯正手術(shù)，手術(shù)后身體已逐漸恢復(fù)正常。對(duì)于一些形狀十分復(fù)雜，且對(duì)其精度要求較高時(shí)，由于要同時(shí)保證對(duì)精度以及復(fù)雜性的要求，這是傳統(tǒng)制造業(yè)所不能滿足的，所以這份期望就落在了這項(xiàng)新興增材制造技術(shù)上來(lái)了，目前也只有3D打印技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)人們對(duì)所加工的零件這樣的一個(gè)要求，3D打印技術(shù)對(duì)人類(lèi)的貢獻(xiàn)價(jià)值不可小覷，這項(xiàng)新興技術(shù)也在全球掀起了熱潮，所以對(duì)3D打印機(jī)的研究是非常必要并且有價(jià)值的，在未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)在無(wú)論是航天還是醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域造福人類(lèi)，我們應(yīng)該重視并且積極開(kāi)展對(duì)這項(xiàng)新興技術(shù)的研究[2]。現(xiàn)在3D打印機(jī)按照成型和所采用的打印材料類(lèi)型分為熔融沉積成型(FDM)、光固化立體成形(SLA)、分層實(shí)體制造(LOM)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光選區(qū)熔化(SLM)、金屬激光熔融沉積(LDMD)、電子束熔絲沉積成形(EBF)等幾種技術(shù)[3]：(1)熔融沉積成型FDMFDM打印機(jī)采用成卷的熱塑性絲材，例如塑料絲、金屬絲等，通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)擠出到噴嘴處，絲材被噴嘴處的熱核心加熱熔融，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如齒輪、同步帶或絲杠螺母裝置，從而控制噴頭相對(duì)于支撐板在X、Y、Z方向移動(dòng)，噴頭一邊隨著電機(jī)控制按照模型移動(dòng)，一邊噴嘴中擠出的已經(jīng)被加熱熔融的材料迅速固化成層，就形成了三維產(chǎn)品。(2)光固化立體成形SLASLA打印機(jī)首先利用生成的程序代碼對(duì)激光掃描器和升降臺(tái)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，而程序代碼是通過(guò)離散程序算法對(duì)立體模型進(jìn)行分析和計(jì)算得到，材料使用液態(tài)光敏樹(shù)脂，當(dāng)升降臺(tái)在一個(gè)位置時(shí)，激光掃描器將準(zhǔn)確的掃描出這一層的截面，不斷地通過(guò)由點(diǎn)到線再到面的提取，實(shí)體將由這些點(diǎn)集合生成。(3)分層實(shí)體制造LOMLOM打印機(jī)會(huì)依照零件的形狀信息進(jìn)行每一層的截面分割，最后生成的三維模型就是由得到的截面切割片粘合而成。首先，鋪設(shè)一層塑料薄膜，然后使用機(jī)械切割機(jī)再計(jì)算機(jī)控制下切割出層的輪廓。在不需要打印的位置提前涂抹解膠水，再繼續(xù)打印出下一層薄膜片，再將特殊膠水，解膠筆用解膠筆蘸取解膠水預(yù)涂在不需要的部分，再鋪上下一層薄膜，與之同步的還有經(jīng)過(guò)8個(gè)噴管再兩層塑料薄膜之間涂抹專(zhuān)用膠水，新鋪設(shè)的塑料膜緊緊的粘在已經(jīng)打印出的三維模型上，然后再切割每個(gè)層里外圍形狀，并且重復(fù)直至打印完畢，最后刪除不需要的部分以獲得完整的部分。(4)電子束選區(qū)熔化EBM由真空室、電子槍組成的EBM形成裝置，其中電子槍具有陰極、陽(yáng)極和聚焦掃描系統(tǒng)，并且再真空室中安裝粉末料斗、除塵器、成形平臺(tái)等，3D打印過(guò)程在高真空環(huán)境保護(hù)下進(jìn)行，先進(jìn)行鋪粉，然后通過(guò)高能量、高速度的電子束對(duì)控制區(qū)域內(nèi)金屬粉末進(jìn)行進(jìn)行轟擊，進(jìn)而使金屬材料融化，再硬化成型，最后進(jìn)行吹粉，得到所打印的產(chǎn)品。(5)激光選區(qū)熔化SLMSLM裝置通常包括光路單元、機(jī)械單元、控制單元、處理軟件和保護(hù)氣密封單元，粉末鋪灑裝置先把金屬打印材料均勻平鋪到成型圓桶上，隨后按照該層的增添區(qū)域把將粉末融化在基材上。對(duì)當(dāng)前從進(jìn)行機(jī)械加工，然后將成形圓桶降低一層的厚度，將粉末圓桶升高一定厚度，并將粉末涂布裝置放置在加工過(guò)的電流層上。設(shè)備傳輸下一輪輪廓的數(shù)據(jù)以進(jìn)行處理，并且處理這些層直到處理整個(gè)部件。整個(gè)過(guò)程在惰性氣體保護(hù)的處理室中進(jìn)行，以防止金屬在高溫下與其他氣體反應(yīng)。(6)金屬激光熔融沉積LDMDLDMD的供熱方式主要以激光束為主，按照自動(dòng)輸送金屬材料粉末的方式同步并且準(zhǔn)確的將該金屬粉末送入經(jīng)過(guò)激光加熱在其表面形成的熔池中。伴隨著激光束位置的改變，金屬粉末也被連續(xù)地送到熔池中加熱融化，然后冷卻固化并形成所需的零件模型。該成形工藝可以形成大尺寸的金屬部件，但是他不能形成具有非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件。(7)電子束熔絲沉積成形EBF電子束熔絲沉積成形，也稱(chēng)為電子束自由成形制造技術(shù)，是在真空環(huán)境中，以電子束為熱源，金屬絲材為成形材料，通過(guò)送絲裝置將材料絲送入熔池，并根據(jù)設(shè)定的路徑移動(dòng)，直到生產(chǎn)出目標(biāo)部件模型或或坯料。該方法效率高，成型件內(nèi)部質(zhì)量好，但是成型精度和表面質(zhì)量差，不適和塑性差的材料，因?yàn)椴荒芗庸こ删€材。1.2國(guó)內(nèi)外3D打印機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)起步較晚，技術(shù)尚未成熟，但是近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的技術(shù)得到快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)相比于國(guó)外3D打印機(jī)在默寫(xiě)技術(shù)層面已經(jīng)趕超國(guó)外技術(shù)，并且已經(jīng)應(yīng)用于某些實(shí)質(zhì)性產(chǎn)業(yè)。1.2.1國(guó)外3D打印機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外3D打印機(jī)經(jīng)歷十多年的發(fā)展歷程，在某些方面已經(jīng)取得了顯著成就，早在二十世紀(jì)八十年代，一名美國(guó)科學(xué)家就研發(fā)出了世界第一臺(tái)商用3D印刷機(jī)。由于國(guó)外發(fā)展3D打印機(jī)較早，所以較國(guó)內(nèi)發(fā)展情況更為廣泛，世界多個(gè)國(guó)家都已經(jīng)看到了3D打印機(jī)良好的發(fā)展前景，并競(jìng)相開(kāi)展了相關(guān)方面的研究，美國(guó)更是在二零一二年花費(fèi)數(shù)千萬(wàn)美元投資建立了國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所來(lái)支持相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，英國(guó)政府也對(duì)這個(gè)領(lǐng)域方面相關(guān)創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行了一千多萬(wàn)英鎊的資助以鼓勵(lì)其發(fā)展研究，日本對(duì)歐洲和美國(guó)在3D打印技術(shù)的研究相對(duì)落后。但日本為了改變落后的發(fā)展現(xiàn)狀，也投資數(shù)十億日元來(lái)提高這項(xiàng)技術(shù)在世界的競(jìng)爭(zhēng)力，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、德國(guó)激光技術(shù)研究所也得到各大企業(yè)以及基金會(huì)的資助用來(lái)研究這項(xiàng)技術(shù)相關(guān)項(xiàng)目，3D打印技術(shù)的發(fā)展前景和重要性由此可見(jiàn)一斑。1.2.2國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)的發(fā)展在世界舞臺(tái)上占有一席之地，基本與國(guó)外同時(shí)開(kāi)展研究，國(guó)內(nèi)各大高校以及研究所也爭(zhēng)相對(duì)這項(xiàng)技術(shù)積極開(kāi)展研發(fā)，其中一些高校以及有色金屬研究所對(duì)打印鈦合金零件有著國(guó)際領(lǐng)先的研究技術(shù)，西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)曾打印出鈦合金材質(zhì)的飛機(jī)部件的重要組成部分，北京航空航天大學(xué)還利用3D打印技術(shù)打印出鈦合金材質(zhì)的重要承受力結(jié)構(gòu)零件，我國(guó)在打印精度以及打印速度方面都有了較大提高，并且在選區(qū)熔化方面也有一定造詣[4]。目前國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域已經(jīng)有一部分技術(shù)處于世界領(lǐng)先的地位，十分具有全球競(jìng)爭(zhēng)力。雖然我國(guó)在高端領(lǐng)域有著矚目的成就，但是在3D打印技術(shù)不夠普及，無(wú)論是教育還是企業(yè)應(yīng)用不夠廣泛，而且在研發(fā)力度、資金投入等方面不足，在高校教育方面，實(shí)驗(yàn)室中3D打印機(jī)的數(shù)量以及精度十分有限，并且3D打印機(jī)的造價(jià)較高，價(jià)格對(duì)于大眾較高，人們接觸研究打印機(jī)的機(jī)會(huì)較少，這些問(wèn)題削弱了個(gè)人對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新，也阻礙了這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展以及普及速度。1.33D打印機(jī)參數(shù)(1)XY定位精度0.1mm；Z軸定位精度0.1mm(2)噴嘴直徑0.4mm；(3)成型尺寸300mm250mmQUOTE×錯(cuò)誤!未找到引用源。300mm；(4)材料直徑1.75mm；(5)最快打印速度：5mm/s；(6)層厚0.1-0.3mm1.4熔融沉積成型（FDM）3D打印機(jī)工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)1.4.1熔融沉積成型（FDM）3D打印機(jī)工作原理美國(guó)Stratasys公司在在上世紀(jì)八十年代發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)也就是FDM，該完整的制造裝置主要包含硬件和軟件，3D打印機(jī)是其中最重要的硬件裝置，使用FDM技術(shù)的3D打印機(jī)主要包含工作平臺(tái)，送絲設(shè)備，加熱噴嘴，存儲(chǔ)材料設(shè)備和控制設(shè)備組成。首先向X、Y、Z方向的步進(jìn)電機(jī)供電，然后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于控制X、Y、Z方向的加熱噴嘴的運(yùn)動(dòng)。從而來(lái)控制打印出來(lái)的形狀，F(xiàn)DM型通過(guò)擠出機(jī)擠出并通過(guò)熱核的加熱融化。如圖1.1所示，通過(guò)噴嘴以及送絲裝置擠出噴嘴并在噴嘴運(yùn)動(dòng)的輪廓上固化，逐漸形成了要打印的物體的形狀，而精度需要通過(guò)傳動(dòng)方式以及電機(jī)的選取等來(lái)進(jìn)行控制，所以這就需要根據(jù)打印精度來(lái)確定所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)所采用的方案以及傳動(dòng)方式，計(jì)算機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭移動(dòng)的控制，在載物板上一層一層堆積，進(jìn)而將計(jì)算機(jī)中的藍(lán)圖打印出現(xiàn)實(shí)的物件。1.4.2熔融沉積成型（FDM）3D打印機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)FDM打印機(jī)是根據(jù)計(jì)算機(jī)的三維設(shè)計(jì)模型，如圖1.2所示，再通過(guò)STL文件分層處理來(lái)確定噴頭移動(dòng)的軌跡，進(jìn)而控制所打印的產(chǎn)品形狀采用的打印材料一般是熱塑性材料，材料一般選用熔點(diǎn)小于300大于100攝氏度的絲狀材料，打印出來(lái)的產(chǎn)品耐腐蝕性好、抗菌性強(qiáng)、內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力小、成型件強(qiáng)度及精度高，F(xiàn)DM設(shè)備價(jià)格較其他幾種低，對(duì)環(huán)境污染也比其他幾種要小，尤其是在后續(xù)的一些處理方面比較簡(jiǎn)單，最重要的是可選用的打印材料種類(lèi)多，盡管FDM打印機(jī)的打印耗時(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)更多，而且打印精度也沒(méi)有光固化成型技術(shù)的精度高，但是也可以滿足小型3D打印機(jī)的0.1mm的打印精度的設(shè)計(jì)需求，相比其他類(lèi)別仍然是最符合這些參數(shù)的打印機(jī)[5]。圖1.1熔融沉積成型(FDM)打印機(jī)工作原理圖圖1.2FDM成型過(guò)程簡(jiǎn)圖1.5本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹目前3D打印機(jī)技術(shù)不同分類(lèi)，對(duì)國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展歷史有了一部分的了解，也對(duì)開(kāi)展小型3D打印機(jī)研究的意義做了深刻的分析與調(diào)查，經(jīng)過(guò)對(duì)這些不同的成型技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，為以后對(duì)方案的擬定工作做了鋪墊，打印機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，雖然近期不能替代傳統(tǒng)制造加工技術(shù)，然而在不久的將來(lái)3D打印技術(shù)一定會(huì)變成不可或缺的一部分，在生活需要和推動(dòng)3D打印技術(shù)走進(jìn)生活的前提下，設(shè)計(jì)出一種小型3D打印機(jī)，在滿足家庭使用以及個(gè)人使用的精度前提下，對(duì)打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在對(duì)打印機(jī)的方案進(jìn)行確定的過(guò)程中，需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，使用性能等因素，采用的系統(tǒng)需要滿足原理和構(gòu)造簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全，并且所使用的原材料是安全無(wú)毒的，設(shè)備系統(tǒng)可以在辦公環(huán)境中安裝使用，接下來(lái)將會(huì)圍繞這一目標(biāo)，對(duì)小型3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之達(dá)到所需的性能指標(biāo)。

2打印機(jī)材料、傳動(dòng)方案及工藝設(shè)計(jì)2.1工藝選擇堅(jiān)持設(shè)計(jì)小型3D打印機(jī)的概念，目標(biāo)是將打印機(jī)推向公眾視野，讓更多人訪問(wèn)和理解3D打印機(jī)。為了在公眾心中改變3D打印機(jī)無(wú)法訪問(wèn)的圖像，因此對(duì)小型3D打印機(jī)進(jìn)行了研究。供廣大3D打印愛(ài)好者學(xué)習(xí)參考，通過(guò)第一章對(duì)七種技術(shù)的簡(jiǎn)介，以及對(duì)FDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析可以看出，為了滿足廣泛推廣以及個(gè)人使用的特點(diǎn)，成本、環(huán)境污染、打印材料種類(lèi)和打印之后的處理是對(duì)于廣大使用者更為實(shí)際的問(wèn)題，在這些方面FDM技術(shù)較其他技術(shù)明顯具有優(yōu)勢(shì)，所以決定選擇FDM技術(shù)作為本次設(shè)計(jì)小型打印機(jī)的成型技術(shù)[6]。2.2傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)在打印機(jī)噴頭的水平方向的移動(dòng)中，該移動(dòng)主要是由生成的程序控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)而由步進(jìn)電機(jī)上的同步帶帶動(dòng)打印機(jī)噴頭移動(dòng)，然后就可以實(shí)現(xiàn)打印噴頭在X、Y、Z方向上的絕對(duì)移動(dòng)，空間上的旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中齒輪傳動(dòng)可以傳遞很大的扭矩，但是傳遞穩(wěn)定性地，傳遞轉(zhuǎn)速不均勻，并且齒輪傳動(dòng)對(duì)于打印機(jī)而言，空間結(jié)構(gòu)布局相對(duì)同步帶傳動(dòng)不夠靈活。蝸輪蝸桿傳動(dòng)雖然傳動(dòng)比可以很大，有很好的減速效果，但是缺點(diǎn)仍然是占據(jù)空間太固定，并且磨損后不易于更換維修。經(jīng)過(guò)以上分析，采用同步帶傳動(dòng)，可以滿足打印機(jī)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，且傳動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定均勻，而且易于維修，更換磨損同步帶。在垂直方向上，可以利用用滾珠絲杠副進(jìn)行傳動(dòng)，因?yàn)闈L珠絲杠副在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換成為平行于絲杠方向上的移動(dòng)，滾珠絲杠主要有下面三種特點(diǎn)：(1)傳動(dòng)效率高滾珠絲杠不僅可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平行于絲杠方向上的移動(dòng)，而其傳動(dòng)效率也甚至也可以達(dá)到百分之九十至百分之九十八，普通絲杠的傳動(dòng)效率只能達(dá)到滾珠絲杠傳動(dòng)的二分之一到四分之一，并且滾珠絲杠可以用小扭矩轉(zhuǎn)換成大軸向推力，能克服較大的軸向載荷[7]。(2)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)滾珠絲杠中的滾珠是點(diǎn)接觸，旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力小，且承受負(fù)載均勻，無(wú)明顯震動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，比較適合高精度的移動(dòng)進(jìn)給[8]。(3)高精度、同步性好在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于摩擦力小，所以溫升小，故由于溫度變化產(chǎn)生的變形小，并且由于配合關(guān)系好，無(wú)阻滯，無(wú)滑移，所以具有良好的同步性，可以保證精度。圖2.1小型3D打印機(jī)三維視圖在水平Z方向采用同步帶傳動(dòng)控制噴頭Z方向移動(dòng)電機(jī)輸出軸安裝同步帶輪，如圖2.1所示，計(jì)算機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)兩根X軸向布置的按有同步帶輪的兩根光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)，將Z方向移動(dòng)滑動(dòng)臺(tái)固定在同步帶上，再由Z軸向布置的兩根光軸來(lái)克服滑動(dòng)臺(tái)Y軸向重力，并使滑動(dòng)臺(tái)沿著兩根光軸進(jìn)行滑動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了滑動(dòng)臺(tái)帶著噴頭進(jìn)行Z方向的水平的移動(dòng)[9]。在水平X軸方向上，同步帶輪固定在滑動(dòng)臺(tái)上X軸方向可以直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)輸出軸上，在滑動(dòng)臺(tái)上安裝兩根X軸向布置的光軸來(lái)克服噴頭Y軸向重力，并使噴頭沿著光軸進(jìn)行滑動(dòng)，電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)同步帶進(jìn)而帶動(dòng)噴嘴在X方向上的移動(dòng)。在Y軸方向所采用的傳動(dòng)方式與前兩種傳動(dòng)方式有些不同，因?yàn)樵谥癤、Z軸方向傳動(dòng)過(guò)程中，豎直方向的重力由各自方向的兩根光軸所克服，所以在進(jìn)行水平方向移動(dòng)時(shí)，電機(jī)以及同步帶只需要帶動(dòng)滑動(dòng)臺(tái)以及噴頭克服水平方向滑動(dòng)的摩擦力即可，但是在豎直Y方向需要克服整個(gè)滑動(dòng)臺(tái)（包括噴嘴以及支撐噴嘴的兩根光軸）和支撐滑動(dòng)臺(tái)的兩根光軸的重力，根據(jù)之前對(duì)各種傳動(dòng)方式的分析，決定采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，可以通過(guò)較小的扭矩來(lái)克服較大的Y軸向負(fù)載，并且可以保證較高的精度，傳動(dòng)平穩(wěn)均勻。2.3邊框材料選擇型材是具有鐵、鋼、玻璃纖維、塑料和鋁等具有較好強(qiáng)度和塑性的材料所制成的可以通過(guò)角件、角槽連接件或者特定螺栓等連接件安裝固定成特定形狀的支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)打印機(jī)邊框結(jié)構(gòu)的選擇需要從強(qiáng)度、質(zhì)量、壽命以及耐磨損耐腐蝕性等多方面進(jìn)行考慮，而工業(yè)鋁型材有成型性能好、質(zhì)量較輕、耐腐蝕、耐磨損、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)[10]。因此確定框架料使用工業(yè)鋁型材30系列SY-8-3030，其截面尺寸如圖2.2所示。圖2.2工業(yè)鋁型材截面示意圖圖2.3工業(yè)鋁型材組裝圖工業(yè)鋁型材之間的連接如圖2.3所示，由于角件連接對(duì)于打印機(jī)而言占用過(guò)多空間，且容易阻礙運(yùn)動(dòng)，所以通過(guò)L型角槽連接件SY-IB3238M6-30L組裝在一起，使用固定螺釘SY-FSM6×8固定連接件和型材，從而使型材之間相對(duì)位置固定。工業(yè)鋁型材X方向長(zhǎng)度550mm，Z方向長(zhǎng)度510mm，Y方向長(zhǎng)度540mm。

3打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1負(fù)載估算3.1.1X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載滑動(dòng)臺(tái)70g、擠出加緊裝置15g、風(fēng)扇20g、散熱片20g、連接座25g、連接管5g、熱核心10g、噴頭5g、滑塊座200g。合計(jì)負(fù)載650g，計(jì)算負(fù)載800g。3.1.2Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)280g、電極支撐座720g、支撐板1300g、光軸兩根240g、軸承四個(gè)160g、滑塊兩個(gè)620g、滑塊安裝座兩個(gè)500g、X軸向組裝800g。合計(jì)負(fù)載4620g，計(jì)算負(fù)載5000g。3.1.3Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載載物臺(tái)2000g、支撐架2000g。合計(jì)負(fù)載4000g，計(jì)算負(fù)載6000g。3.2同步帶與同步帶輪選定同步帶主要起傳動(dòng)作用，其傳動(dòng)精度的大小將影響到加工的精度，同步帶的選擇應(yīng)根據(jù)其所傳動(dòng)的極限轉(zhuǎn)速和所受的載荷進(jìn)行選擇。在水平方向需要通過(guò)同步帶與同步帶輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)噴頭水平移動(dòng)，直線導(dǎo)軌摩擦系數(shù)QUOTEμ=0.002錯(cuò)誤!未找到引用源。。計(jì)算最大負(fù)載QUOTEm=5000g錯(cuò)誤!未找到引用源。，則在所需要克服的摩擦阻力計(jì)算： (3.1)式中：——摩擦阻力，;——摩擦阻力系數(shù)；——質(zhì)量，；——重力加速度，；代入相關(guān)參數(shù)算得所需要克服的摩擦阻力：已知電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩拉力計(jì)算： (3.2)式中：——拉力，；——電機(jī)轉(zhuǎn)矩，；——距離，；代入相關(guān)參數(shù)可計(jì)算得到拉力：所提供的加速度計(jì)算： (3.3)式中：——加速度，；——拉力，；——阻力，；——質(zhì)量，；代入相關(guān)參數(shù)可算得計(jì)算加速度：設(shè)套裝或噴頭移動(dòng)速度為根據(jù)式中：——移動(dòng)的初始速度，；——移動(dòng)的終止速度，；——移動(dòng)的加速度，；——移動(dòng)的距離，；因此，計(jì)算在電機(jī)反轉(zhuǎn)期間滑塊減速到零所需的距離： (3.4)可見(jiàn)滿足小型打印機(jī)0.1mm的打印精度條件。假設(shè)打印速度為QUOTEv0=50mms=3m/min錯(cuò)誤!未找到引用源。 (3.5)滿足轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTEn<3r/s錯(cuò)誤!未找到引用源。的安全值，所以符合使用要求。表3.1圓弧齒同步帶帶齒和帶寬尺寸帶型3M5M8M14M20M節(jié)距3581420齒高1.222.063.386.028.40齒頂圓角半徑0.871.492.464.506.50齒根圓角半徑0.24~0.300.40~0.440.64~0.761.20~1.351.77~2.01齒根厚s1.783.055.159.4014齒形角14°14°14°14°14°帶高2.403.806.0010.0013.20帶寬6,9,159,15,20,25,30,4020,25,30,40,50,60,70,8530,40,55,85,100,115,130,150,17070,85,100,115,130,150,170,230,290,340選擇齒數(shù)為14齒的同步帶輪，根據(jù)表3.1選擇3M型號(hào)圓弧齒同步帶，并檢查表格即可獲得為3mm的節(jié)距，由于克服水平移動(dòng)摩擦力較小，帶寬選擇6mm即可滿足強(qiáng)度條件，根據(jù)所選同步帶節(jié)距為3mm，所以在設(shè)計(jì)同步帶輪中心距時(shí)，應(yīng)注意選擇使同步帶距離為3mm倍數(shù)的中心距[11]。同步帶輪直徑 (3.6)計(jì)算同步帶節(jié)線長(zhǎng)度：X軸方向布置同步帶輪中心距：QUOTEax=375mm錯(cuò)誤!未找到引用源。Y軸方向布置同步帶輪中心距：QUOTEay=99mm錯(cuò)誤!未找到引用源。Z軸方向布置同步帶輪中心距：QUOTEaz=390mm錯(cuò)誤!未找到引用源。根據(jù)同步帶長(zhǎng)度QUOTEL=2a+dπ=2a+PZ錯(cuò)誤!未找到引用源。可計(jì)算各同步帶長(zhǎng)度： (3.7) (3.8) (3.9)根據(jù)同步帶長(zhǎng)度，在X軸方向布置的為264齒的同步帶，在Y軸方向布置的為80齒的同步帶，在Z軸方向布置的同步帶為274齒的同步帶。3.3步進(jìn)電機(jī)的選定通過(guò)程序產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的角位移，而產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率則可以控制步進(jìn)電機(jī)的輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度和角加速度，它的旋轉(zhuǎn)是以步距角為單位，一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在選取電機(jī)是要考慮步距角對(duì)打印機(jī)打印精度的影響，同時(shí)轉(zhuǎn)速與加速度也是影響精度的重要因素[12]。步進(jìn)電機(jī)機(jī)座號(hào)主要有35、39、42、57、86、110等，根據(jù)相數(shù)分為兩相、三相、五相步進(jìn)電機(jī)，通常步進(jìn)電機(jī)的精度是步距角的3-5%。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在Y軸以相同的速度進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，計(jì)算電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)扭矩： (3.10)由于步進(jìn)電機(jī)精度為步距角的3-5%，擬選擇步距角為1.8°的42兩相步進(jìn)電機(jī)，并且這個(gè)誤差是周期性的誤差，不會(huì)進(jìn)行累積，所以不用擔(dān)心會(huì)發(fā)生更大的誤差，故按照步距角最大精度誤差5%計(jì)算，可以算得電機(jī)的最大精度誤差為0.09°。由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)角度一致，根據(jù)滾珠絲杠和螺母運(yùn)動(dòng)距離的公式： (3.11)由此可見(jiàn)，42兩相步進(jìn)電機(jī)步距角滿足打印機(jī)設(shè)計(jì)的精度要求。3.4滾珠絲杠副的選定首先根據(jù)表3.2所示滾珠絲杠副型號(hào)以及參數(shù)[13]。建議選擇使用軸向負(fù)載較小，公稱(chēng)直徑QUOTEd0為12mm，公稱(chēng)導(dǎo)程QUOTEPh0為4mm的FFZD1204-3規(guī)格的滾珠絲杠，絲杠外徑為11.3mm，絲杠低徑為9.5mm，基本額定動(dòng)載荷QUOTECa錯(cuò)誤!未找到引用源。為4KN，基本額定靜載荷QUOTEC0a錯(cuò)誤!未找到引用源。為6.7KN，螺母尺寸等參數(shù)見(jiàn)下表3.2和表3.3。表3.2滾珠絲杠型號(hào)參數(shù)表規(guī)格代號(hào)公稱(chēng)直徑d0公稱(chēng)導(dǎo)程Ph0絲杠外徑d1鋼球直徑Dw絲杠底徑d2循環(huán)圈數(shù)動(dòng)載荷Ca(KN)靜載荷C0a(KN)剛度KcN/μmFFZD1204-312411.32.389.5346.7417FFZD1604-316415.32.3813.534.89.7442FFZD1605-316515.33.512.937.613.2400FFZD2004-320419.32.3817.535.312.1519FFZD2005-320519.53.516.939.118.3536FFZD2504-325424.1321.938.320.2654FFZD2505-325524.53.521.9310.223.6657FFZD2506-325623.9420.9311.323.7636FFZD3204-332431.1328.939.627.9823FFZD3204-532431.1328.951545.61340FFZD3205-332531.53.528.9311.731.4826FFZD3205-532531.53.528.9518.152.41346FFZD3206-332630.9427.931332.1839FFZD3206-532630.9427.9520.253.51367FFZD3210-33210325.750.2772FFZD3210-5321054083.81256FFZD4005-340539.53.536.931340.61025FFZD4005-540539.53.536.9520.267.71671FFZD4006-340638.9435.9315.143.81017FFZD4006-540638.9435.9523.5731658表3.3滾珠絲杠螺母安裝尺寸參數(shù)表螺母安裝連接尺寸D1(g6)D2()L1D3BD4D5D6hD7M222210448332M2.52828105210385.810632M62828105210385.810632M63636106211485.810640M63636106211485.810640M64040106611535.810646M64040106611535.810646M64040106611535.810646M65050107611635.810656M65050107611635.810656M6505010821367712762M6505010821367712762M6505010821367712762M6505010821367712762M6535315901571915970M6535315901571915970M6606010941575915975M6606010941575915975M6606010941575915974M6606010941575915974M6經(jīng)過(guò)磨削加工生產(chǎn)出的磨制滾珠絲杠精度要比軋制滾珠絲杠精度高，制造磨削滾珠絲杠需要更多的時(shí)間，制造該滾珠絲具有高精度，高成本的特點(diǎn)，而軋制滾珠絲杠是采用精密滾壓成型技術(shù)進(jìn)行加工出來(lái)的[14]。軋制滾珠絲杠相對(duì)于磨制滾珠絲杠來(lái)說(shuō)，具有精度相對(duì)較低，加工時(shí)間短，低成本的特點(diǎn)。在同時(shí)符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，要盡可能的選擇軋制滾珠絲杠。根據(jù)對(duì)打印機(jī)空間結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)可得滾珠絲杠軸向長(zhǎng)度420mm，根據(jù)表3.4可知，打印機(jī)所選用滾珠絲杠長(zhǎng)度屬于QUOTE400~500錯(cuò)誤!未找到引用源。400~500mm，表中對(duì)于軋制滾珠絲杠的選型里的精度無(wú)法滿足打印機(jī)設(shè)計(jì)的精度要求，因此要選用C5精度等級(jí)的磨制滾珠絲杠，可保證滾珠絲杠精度在0.1mm以?xún)?nèi)。絲杠類(lèi)別磨制滾珠絲杠軋制滾珠絲杠精度等級(jí)C0C1C2C3C5C7C8螺紋長(zhǎng)/mm±Ee±Ee±Ee±Ee±Ee±E±E—31543.565871282318每300mm±0.05mm每300mm±0.01mm31540053.57597131025204005006485107151027205006306496118161230236308007510713918133525800100086118151021154027100012509613918112416463012501600117151021132918543516002000——181125153521654020002500——2213301841247746表3.4滾珠絲杠精度等級(jí)對(duì)于滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)速度要求，首先滾珠絲杠的工作旋轉(zhuǎn)速度不能高于臨界速度，而且滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速也不能高于DN值，臨界轉(zhuǎn)速是通過(guò)兩支承點(diǎn)固定安裝的方式來(lái)計(jì)算出許可轉(zhuǎn)速的數(shù)值，在工作狀態(tài)中需要保證滾珠絲杠的工作轉(zhuǎn)速小于危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速的百分之八十，這樣才能保證在不發(fā)生共振的情況下安全的進(jìn)行工作。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如式(3.12)： (3.12)其中：QUOTEn1-錯(cuò)誤!未找到引用源。 —臨界轉(zhuǎn)速，QUOTErmin錯(cuò)誤!未找到引用源。；QUOTEE-錯(cuò)誤!未找到引用源。 —楊氏彈性模量(通常情況下QUOTEE=2.06×105N/mm2錯(cuò)誤!未找到引用源。)；QUOTEL–錯(cuò)誤!未找到引用源。 —絲杠安裝間距，mm；QUOTEdr-錯(cuò)誤!未找到引用源。 —絲杠溝槽最小直徑，mm；QUOTEρ-錯(cuò)誤!未找到引用源。 —絲杠材料的密度(QUOTE7.8×10-6Kg/mm3錯(cuò)誤!未找到引用源。)；QUOTEA-錯(cuò)誤!未找到引用源。A —絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積，QUOTEA=π4dr2，mm2錯(cuò)誤!未找到引用源?！z杠斷面與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)的參數(shù)，；QUOTEλ、f-錯(cuò)誤!未找到引用源?！c安裝方式有關(guān)的系數(shù)，不同安裝方式下的QUOTEλ、f錯(cuò)誤!未找到引用源。值見(jiàn)表3.5表3.5滾珠絲杠安裝方式對(duì)的影響絲杠安裝方式絲杠安裝方式固定—固定21.94.730支承—支承9.7固定—支承15.13.927固定—自由3.41.875圖3.1滾珠絲杠支承方式如圖3.2所示，滾珠絲杠最常見(jiàn)的安裝方法是一側(cè)固定另一側(cè)支撐，這種安裝方法的好處是在滾珠絲杠長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，產(chǎn)生摩擦熱，螺桿會(huì)向軸向方向伸長(zhǎng)，這是支承段可以容許小范圍的變化，防止絲杠彎曲變形[15]。根據(jù)選擇的打印機(jī)滾珠絲杠兩端固定方式，軸承應(yīng)固定在上端，絲杠可以徑向移動(dòng)，下端通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸連接。查表3.4可知，滾珠絲杠安裝方式為固定-支承，從而可知f值為15.1，QUOTEλ錯(cuò)誤!未找到引用源。值為3.927，將QUOTEf、λ錯(cuò)誤!未找到引用源。數(shù)值帶入計(jì)算轉(zhuǎn)速公式： (3.13)值指的是絲杠公稱(chēng)直徑與絲杠旋轉(zhuǎn)速度的乘積，計(jì)算值：Y軸上采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，軸向計(jì)算負(fù)載為6Kg。由于軸向負(fù)載大于許可軸向負(fù)載的情況下可能會(huì)導(dǎo)致滾珠絲杠發(fā)生彎曲變形，對(duì)精度有著極大的影響，所以需要對(duì)滾珠絲杠軸向載荷進(jìn)行校核計(jì)算，滾珠絲杠在不發(fā)生形變的前提下，所允許的最大軸向載荷的計(jì)算公式為： (3.14)其中：—最大軸向允許載荷，N；QUOTEE-錯(cuò)誤!未找到引用源?！獥钍蠌椥阅Ａ?通常情況下絲杠材料的QUOTEE=2.06×105N/mm2錯(cuò)誤!未找到引用源。)—絲杠安裝距離，mm；QUOTEdr-錯(cuò)誤!未找到引用源?！z杠溝槽最小直徑，mm；QUOTEJ-錯(cuò)誤!未找到引用源?！z杠斷面與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)的系數(shù)，；QUOTEη1、η2-錯(cuò)誤!未找到引用源?！?.6與安裝方式有關(guān)的系數(shù)QUOTEη1、η2錯(cuò)誤!未找到引用源。、值絲杠安裝方式絲杠安裝方式固定—固定420.0支承—支承15.0固定—支承210.0固定—自由0.251.2由于滾珠絲杠安裝方式為一端固定另一端支承，所以根據(jù)表3.6可查得QUOTEη1=2錯(cuò)誤!未找到引用源。，QUOTEη2=10.0錯(cuò)誤!未找到引用源。，對(duì)允許最大軸向載荷計(jì)算： (3.15)實(shí)際軸向計(jì)算載荷為6Kg，計(jì)算軸向力約為QUOTE6×9.8=58.8N錯(cuò)誤!未找到引用源。,所以軸向載荷在允許范圍之內(nèi)，滾珠絲杠滿足條件。3.5直線光軸選定直線光軸可以為直線運(yùn)動(dòng)軸承起到引導(dǎo)作用，通過(guò)與直線運(yùn)動(dòng)軸承的配合，可以實(shí)現(xiàn)沿著軸向均勻穩(wěn)定的滑動(dòng)[16]。光軸通常使用的材料常用的有35、45、50碳素結(jié)構(gòu)鋼，本次設(shè)計(jì)選取的是最常用的45號(hào)鋼。在X軸方向布置一共四根光軸，其中兩根起到支撐作用，做為支撐噴頭進(jìn)行X軸方向滑動(dòng)，克服噴頭豎直方向自身重力，在光軸兩端用定位螺釘固定，防止光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，故擬選用直徑為8mm的光軸，另外兩根是起到傳動(dòng)作用，電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，而這兩根光軸的主要作用就是與同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩端安裝滾動(dòng)軸承，在豎直方向并沒(méi)有支撐要求，所以擬選用直徑為5mm的光軸。在Z軸方向布置的光軸選用直徑為8mm的光軸，在兩端采用軸肩定位，防止光軸沿著軸向移動(dòng)，在軸端處將光軸加工出一個(gè)平面，用定位螺釘將軸固定，防止光軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在Y軸方向布置兩根光軸，由于升降臺(tái)豎直方向重力主要由滾珠絲杠來(lái)克服，所以?xún)筛廨S主要作用是使螺母裝置沿著光軸做豎直方向滑動(dòng)，并不承受徑向力與過(guò)大軸向力，但由于長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，在升降臺(tái)沿著豎直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)容易發(fā)生跳動(dòng)，所以光軸長(zhǎng)度不可以過(guò)細(xì)，擬選用直徑為8mm的光軸。由于套裝計(jì)算重量為5Kg，所以經(jīng)比較在Z軸軸方向布置的兩根光軸所承受的徑向力最大，所以需要對(duì)這兩根光軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，兩根光軸對(duì)稱(chēng)布置，所以只需要校核其中一根就可以，現(xiàn)在選擇右側(cè)光軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。光軸長(zhǎng)度為490mm，每根軸承受重力為QUOTE5×9.8÷2=24.5N錯(cuò)誤!未找到引用源。，受力如圖3.2所示圖3.2直線光軸受力示圖由此計(jì)算出最大彎矩在光軸中間位置，所受彎矩為 QUOTEMZ=2.45×4902=600.25N錯(cuò)誤!未找到引用源。 (3.1光軸受應(yīng)力最大處所受應(yīng)力 (3.17)式中：——最大彎矩，；——抗彎截面系數(shù)；——距離，；因?yàn)樗圆椤稒C(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理45號(hào)鋼彎曲疲勞極限QUOTEσ-1錯(cuò)誤!未找到引用源。為270MPa，安全系數(shù)QUOTEns錯(cuò)誤!未找到引用源。選1.8，根據(jù)許用應(yīng)力條件：所以直徑8mm的光軸滿足強(qiáng)度條件。3.6滾動(dòng)軸承的選定首先是X軸方向布置的直徑為5mm的光軸，由于光軸水平布置，主要作用是克服滑動(dòng)輪以及光軸自身的重力，幾乎不承受軸向力，根據(jù)表3.7，故決定選取內(nèi)徑為3mm的6000-2Z型深溝球軸承，軸承兩端安裝有防塵蓋，深溝球軸承主要承受徑向載荷，且同時(shí)可以承受較小的軸向載荷，所以深溝球軸承可以滿足X軸方向布置的光軸受力要求。還有Y軸方向布置的滾珠絲杠兩端無(wú)螺紋處也需要用軸承支撐，無(wú)螺紋處直徑為10mm，由于在豎直方向布置，在滾珠絲杠副工作時(shí)會(huì)發(fā)生軸向加速或減速的過(guò)程，并且在工作過(guò)程中滾珠絲杠與螺母裝置摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，絲杠受熱會(huì)發(fā)生軸向伸長(zhǎng)，從而產(chǎn)生軸向力，所以選擇內(nèi)徑為10mm的70000(AC)型的角接觸球軸承[17]。表3.7各類(lèi)軸承徑向X和軸向載荷系數(shù)Y軸承類(lèi)型軸承代號(hào)相對(duì)軸向載荷XYXY深溝球軸承600000.0140.19100.562.300.0280.221.990.0560.261.710.0840.281.550.110.301.450.170.341.310.280.381.150.420.421.040.560.441.00角接觸球軸承70000C()0.0150.38100.441.470.0290.401.400.0580.431.300.0870.401.120.290.551.020.440.561.000.580.561.0070000AC()0.68100.410.8770000B()1.14100.360.57根據(jù)通用軸承壽命計(jì)算公式： (3.18)式中：——軸承的壽命； ——額定工作狀態(tài)下軸承的轉(zhuǎn)速； ——溫度系數(shù)； ——當(dāng)量動(dòng)載荷；查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表20.6-1可知：內(nèi)徑d為3mm，D為10mm的60000型深溝球軸承的基本額定動(dòng)載荷為0.65KN，基本額定靜載荷為0.22KN。內(nèi)徑d為10mm，D為26mm的70000(AC)型角接觸球軸承的基本額定動(dòng)載荷為4.75KN，基本額定靜載荷為2.12KN。滾動(dòng)軸承在工作條件下和基本額定動(dòng)載荷條件相同的情況下會(huì)承受徑向載荷和軸向載荷，對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行壽命和軸承受力情況轉(zhuǎn)換為當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算，在當(dāng)量動(dòng)載荷P的作用下，滾動(dòng)軸承在當(dāng)量動(dòng)載荷作用的條件下與實(shí)際工作負(fù)載的條件下壽命相同，當(dāng)量載荷的一般計(jì)算公式為 (3.19)式中：QUOTEX-錯(cuò)誤!未找到引用源。—徑向動(dòng)載荷系數(shù)，其值查閱機(jī)械設(shè)計(jì)第三版表9-7；QUOTEY-錯(cuò)誤!未找到引用源?！S向動(dòng)載荷系數(shù)，其值查閱機(jī)械設(shè)計(jì)第三版表9-7；QUOTEFr-錯(cuò)誤!未找到引用源?！S承所承受的徑向載荷，N;QUOTEFa-錯(cuò)誤!未找到引用源。—軸承所承受的軸向載荷，N;QUOTEfp-錯(cuò)誤!未找到引用源?！d荷系數(shù)，考慮機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況對(duì)軸承載荷的影響，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)第三版表9-8；在僅承受純徑向載荷QUOTEFr錯(cuò)誤!未找到引用源。的軸承條件下，當(dāng)量動(dòng)載荷為： (3.20)式中：——載荷系數(shù)；——軸承所受的徑向載荷，；在僅承受軸向載荷QUOTEFa錯(cuò)誤!未找到引用源。的軸承條件下，當(dāng)量動(dòng)載荷為： (3.21)——載荷系數(shù)；——軸承所受到的軸向載荷；設(shè)軸承在工作期間的平均轉(zhuǎn)動(dòng)速速n為QUOTE1000rmin錯(cuò)誤!未找到引用源。，并根據(jù)上式計(jì)算等效負(fù)荷：X軸方向布置的直徑為5mm的光軸在工作時(shí)的溫度小于120，所以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)第三版表9-5可查得深溝球軸承QUOTEfp=1錯(cuò)誤!未找到引用源。，只承受徑向載荷,所以深溝球軸承壽命為： (3.22)因此，深溝球軸承基本額定壽命為h，達(dá)到該額定壽命的可靠性為90%。Y軸方向布置的直徑為10mm的滾珠絲杠在工作的時(shí)候溫度小于120，所以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)第三版表9.5可查得角接觸軸承QUOTEfp=1錯(cuò)誤!未找到引用源。，對(duì)于僅承受軸向載荷QUOTEP=50N錯(cuò)誤!未找到引用源。的角接觸球軸承，該角接觸球軸承壽命為：因此，深溝球軸承的本額定壽命為h，達(dá)到該額定壽命的可靠性為90%。3.7直線運(yùn)動(dòng)軸承的選定直線運(yùn)動(dòng)軸承是與光軸配合使用的軸承[18]。直線運(yùn)動(dòng)軸承中有滾動(dòng)體，與軸點(diǎn)接觸，所以摩擦因數(shù)極小，且由于滾動(dòng)體不止一個(gè)，數(shù)量較多，所以直線運(yùn)動(dòng)軸承在光軸上滑動(dòng)時(shí)，摩擦力小，并且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)顫動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)軸承有套筒型(LB型)、調(diào)整間隙型(LB-AJ型)等。在Y軸方向布置的兩根直徑為8mm的光軸需要安裝直線運(yùn)動(dòng)軸承，長(zhǎng)法蘭直線運(yùn)動(dòng)軸承，如圖3.3所示，具有穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，耐磨，且易于通過(guò)螺栓安裝固定在升降臺(tái)上等優(yōu)良特點(diǎn)，如圖3.4所示，在安裝孔上通過(guò)螺栓與升降臺(tái)固定，從而實(shí)現(xiàn)共同運(yùn)動(dòng)，而套筒型直線運(yùn)動(dòng)軸承不方便帶動(dòng)升降臺(tái)一同運(yùn)動(dòng)，所以決定選擇使用長(zhǎng)法蘭型直線運(yùn)動(dòng)軸承安裝在兩個(gè)光軸上，配合升降臺(tái)在豎直方向進(jìn)行滑動(dòng)。圖3.3法蘭型直線運(yùn)動(dòng)軸承示意簡(jiǎn)圖圖3.4法蘭型直線運(yùn)動(dòng)軸承截面圖因?yàn)樨Q直方向安裝法蘭型直線運(yùn)動(dòng)軸承的兩根光軸直徑為8mm，所以需要選擇軸承內(nèi)徑與光軸直徑相同的軸承，根據(jù)表3.8可查得，選取型號(hào)為L(zhǎng)MH8LUU的加長(zhǎng)橢圓法蘭直線運(yùn)動(dòng)軸承。表3.8法蘭型直線軸承型號(hào)規(guī)格表公稱(chēng)軸徑mm加長(zhǎng)橢圓法蘭重量(gf)主要尺寸和公差mmdrmmDmmL公差公差公差6LMH6LUU2860-10120-1335±3008LMH8LUU478154510LMH10LU9010190-165512LMH12LUU1021221570-30013LMH13LUU12313236116LMH16LUMH20LUU247200-12320-198025LMH25LUU52525401120-40030LMH30LUU6453045123因?yàn)樵谒椒较颍翁籽b和噴頭滑動(dòng)的光軸直徑都是8mm，由于在水平方向不承受過(guò)大軸向力，所以決定選取套筒型直線運(yùn)動(dòng)軸承，標(biāo)準(zhǔn)型直線運(yùn)動(dòng)軸承，如圖3.5所示，截面如圖3.6所示。圖3.5標(biāo)準(zhǔn)型直線運(yùn)動(dòng)軸承圖3.6標(biāo)準(zhǔn)型直線運(yùn)動(dòng)軸承截面圖因?yàn)樨Q直方向安裝法蘭型直線運(yùn)動(dòng)軸承的兩根光軸直徑為8mm，所以需要選擇軸承內(nèi)經(jīng)與光軸直徑相同的軸承，根據(jù)表3.9可查得，選取型號(hào)為L(zhǎng)M8的標(biāo)準(zhǔn)型套筒直線運(yùn)動(dòng)軸承。表3.9標(biāo)準(zhǔn)型直線運(yùn)動(dòng)軸承型號(hào)規(guī)格表型號(hào)內(nèi)徑內(nèi)徑公差外徑外徑公差長(zhǎng)度靜載荷動(dòng)載荷標(biāo)準(zhǔn)型dr精密極高精度DLC(N)C0(N)LM330-0.0050-0.00870-0.0091088.2108LM4481288.2127LM551015167206LM660-0.0060-0.009120-0.01119206265LM8S81517176225LM881524265402LM1010190-0.01329373549LM12122130412598LM13132332510775LM161628377751180LM20200-0.0070-0.010320-0.016428631370LM252540599801570LM3030456415702750

4打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)表4.1型號(hào)表，芯片小型打印機(jī)選擇LPC1768最小系統(tǒng)作為打印機(jī)芯片，32位低功耗CMOS微處理器，因?yàn)橄冗M(jìn)的指令集和單周期指令執(zhí)行時(shí)間，可以減輕功耗與系統(tǒng)處理速度之間的矛盾。表4.1LPC17系列單片機(jī)選型表型號(hào)內(nèi)核封裝最大頻率Flash(KB)RAM(KB)I/O管腳LPC1752Cortex-M3SOT315-1100MHz641652LPC1754Cortex-M3SOT315-1100MHz1283252LPC1756Cortex-M3SOT315-1100MHz2563252LPC1758Cortex-M3SOT315-1100MHz5126452LPC1759Cortex-M3SOT315-1120MHz5126452LPC1763Cortex-M3SOT407-1100MHz2566470LPC1768Cortex-M3SOT407-1100MHz5126470LPC1769Cortex-M3SOT407-1100MHz5126470LPC1774Cortex-M3SOT486-1100MHz1284070LPC1776Cortex-M3SOT459-1120MHz25680165LPC1777Cortex-M3SOT459-1120MHz51296165LPC1778Cortex-M3SOT486-1120MHz51296109LPC1768單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4.1所示，LPC1768作為打印機(jī)控制系統(tǒng)的主控制器，電腦將指令通過(guò)USB接口傳遞到主控制器上，然后，通過(guò)主控制器向電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片