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六轴3D打印机的设计

发布时间:2019-08-16 22:12文字数:11523字

  摘 要:目前3d打印技术慢慢的开始普遍使用了,相信在不久之后应用领域也会越来越广,发现在这两年的时间内慢慢的就流行起来了。这项3D打印技术是一层层的打印起来变成三维模型的,它的通常术语是3D数字模型文件这一类的制造过程。当今市面上的3D打印机打印的基本原理都与喷墨的打印机相似,唯一不同的是3d打印机是打印三维的产品,打印的材料也是比较多的,不像普通打印机打印的是二维的,而且打印材料通常是墨水和纸,这种打印机很多,对与这种打印机来说3D打印机经常使用的材料有树脂、金属、塑胶、及粉末性的、陶瓷等。3D打印机中的计算机可以逐层控制“打印材料”,沿着扫描路径进行打印,最后控制计算机蓝图,打印出一个三维产品。

  因此,本文全面概述了3D打印的技术体系和发展,以及国内外产业的发展。从而描述了这一3D打印技术的原理、概念、发展情况、结构、用途等,对未来的发展及存在的问题。还有对3D打印机的结构进行了分析和创新,在目前这一技术的发展上历史上,预测未来的发展状况。设计就会存在一定的问题,不可能十全十美的,只能慢慢的去完善降低问题。3D打印技术是个性化产品定制的重要生产方法,它自己的结构和整体设计代表了这项技术的发展水平。设计了一种六轴3D打印快速模型装置,用于3D打印技术,为新的生产过程设计和制造实际设备。

  关键词:3D打印机;六轴;结构设计;快速成型

  Abstract

  At present, 3D printing technology is slowly beginning to be widely used. It is believed that the application field will become wider and wider in the near future, and it is found that it has gradually become popular in the past two years. This 3D printing technology is layered and printed into a three-dimensional model. Its general term is the manufacturing process of 3D digital model files. The printer principle in the market is basically similar to that of inkjet printers, and ink and paper are the usual printing materials. There are many such printers. For the printers, the materials commonly used in 3D printers are resin, metal, plastic, and Powdery, ceramic, etc. The computer in the 3D printer can control the "printing material" layer by layer, print along the scan path, and finally control the computer blueprint to print out a three-dimensional product.

  Therefore, this article provides a comprehensive overview of the technical system and development of 3D printing, as well as the development of domestic and foreign industries. This describes the principle, concept, development, structure, use, etc. of this 3D printing technology, the future development and existing problems. It also analyzes and innovates the structure of 3D printers, and predicts the future development in the history of this technology. There will be certain problems in the design, it is impossible to be perfect, and it can only be slowly improved to reduce the problem. 3D printing technology is an important production method for personalized product customization. Its own structure and overall design represent the development level of this technology. A six-axis 3D printing rapid model device was designed for 3D printing technology to design and manufacture actual equipment for new production processes.

  Key words: 3D printer; six axes; structure design; Rapid Prototyping

  1 绪论

  1.1 研究目的及意义

  3D打印机其运作原理和传统打印机十分相似,是用液体或粉状材料制造物品,有时又被称为快速成型机。近年来发展起来的一种先进制造技术也是快速成形技术(rapid prototyping,简称RP)又称快速原型制造技术[1]。3D打印技术的核心制造思想最早起源于18世纪末19世纪初的美国,不久发展到其他国家:日本和欧洲,20 世纪 80 年代中期开始,经过三十年的发展,该技术已趋于成熟,并初步形成规模化体系。近年来快速成型技术在制造技术领域方面取得一次重大突破。3D打印技术是一层层的打印起来变成三维模型的,它的通常术语是3D数字模型文件这一类的制造过程。当今市面上的3D打印机打印的基本原理都与喷墨的打印机相似,唯一不同的是3d打印机是打印三维的产品,打印的材料也是比较多的,不像普通打印机打印的是二维的,而且打印材料通常是墨水和纸,这种打印机很多,对与这种打印机来说3D打印机经常使用的材料有树脂、金属、塑胶、及粉末性的、陶瓷等。3D打印机中的计算机可以逐层控制“打印材料”,沿着扫描路径进行打印,最后控制计算机蓝图,打印出一个三维产品。3d打印技术是计算机辅助设计、数控技术、激光技术等多种学科技术的集成;是基于“离散/堆积成型”的成型思想,通过建立三维数模与计算机程序控制,利用叠层加工的方法将材料“堆积”而形成三维实体。

  如果设计出这款六轴的打印机,不仅可以解决比较复杂的物品打印,而且可能会应用到很多的行业中去。这是一种先进 技术是由C AD还 有计 算机辅 助制造、数控系统、精密伺服驱动器等集成。打印出三维模型这一过程貌似复杂其实它是将一个复杂的三维模型加工后,简化成一系列的二维模型加工的组合。对于这一技术的实用性很多国家都在研究,我国也不意外也在这成型技术行业中投入很大的支持,说不定这项成型技术中的某一方面都赶上或者超越其它发达国家了,但实际还是存在一定的距离。

  快 速成 型工 艺过 程可分为三 个阶段[2]:

  (1)前处理:进行模型设计和打印数据准备及与打印工艺方法相对应的数据处理;

  构建3D模型有三种常用的方式:利用3D建模软件构建模型;基于图像构建3D模型;利用3D扫描仪构建3D模型。

  3D建模软件大多数都是使用这几个: AutoCAD、Solidworks、UG

  基于图像构建3D模型:此方法需要从不同的角度来拍摄的一系列图片,然后导入到计算机辅助工具可以自动生成对象的3D模型。该方法主要针对已有物体的3D建模工作,也是比较简单,真实感强。

  使用3D扫描仪构建3D模型:使用3D扫描仪对实物表面、形状进行扫描分析出的数据,通过软件在虚拟的世界中重造3D模型。

  (2)打印过程:设备根据设定的制作参数自动进行;

  3D打印的前期准备工作:打印机系统只识别STL格式的文件,所以用软计建立好的模型文件应该是STL格式的文件,才能被打印机识别读取。如果文件格式不符那么需要转换格式,转换的格式要与打印机识别的格式一致,这是前期准备工作尤为关键的一步,推荐使用典型的CAD软件来把格式进行转换成STL格式文件和输出STL格式文件。

  将模型进行切片:有了STL的模型之后还需要在电脑上安装相应的3D打印切片软件,用它来实现3D模型的参数调整,并将模型切片,转换成3D打印机可以识别的格式,最后才能将模型发送到打印机打印。层和层之间是规则间隔的,间距越大,打印出来的产品的精度就越差,但是时间越快,不是很精准。如果准确度高,则相反。间距的范围为0.05至0.5mm,通常使用的间距是0.1mm,可以获得相对光滑的模制表面。

  横截面叠加:在形成每一层之后,成形头向上移动一层高度,继续成形下一层,层层堆叠依次印刷并粘合到前一层,最终形成三维产品。

  (3)后处理:包括清洗、去除支撑以及打磨处理等。

  由于打印材料以及打印精度的不同要求,有些打印机打印精度不够,打印出来的模型就会有很多毛边,或者出现一些多余的菱角,影响打印作品的效果。一般要求我们通过对做出的模型进行精加工令其美观,比如对模型的表面打磨、抛 光、去除 支撑,或者进行特殊的加工,放入高温炉进行烧结,这是在材料允许的情况下才可以。

  本次设计中是根据三维打印技术的打印成型原理以及作用的基础上,运用综合知识的课程有很多如机械 基础、机 械 创 新 设 计、机械 制 造、互 换 性和技 术测 量、机 械制造 技术基 础、机 械制 图等 相关知 识的应用。分析机械结构部分实现原理的方法,并根据国内机械行业的实际情况出发设计出符合要求的机械结构的打印设备。

  1.2 研究内容

  随着时代的发展,3D打印技术的发展已走向成熟,且在生产生活诸多领域中广泛应用,除此之外,在一些特殊领域的应用也不断促进着改技术的发展,比如时装设计和艺术设计这些领域。当前经过十余年的发展,我国已经掌握了3D打印技术,并可将该技术应用于生产之中,制造我们需要的产品。该技术具有效率高、一体成型等诸多优势,在本文中主要设计了一种六轴3D打印快速模型装置[3]。

  1.3 3D打印技术发展现状及对世界的影响

  1.3.13D打印技术国内外发展现状

  目前,了解我们国家在二十世纪九十年代时很多大学知道这一项技术的重要性就开始了自主的研发。近年来,随着国外3D打印技术的突破及其在某些领域的应用,国内学术界已经转向实践,国内许多企业也在推动国内3D打印行业的发展。

  (1)技术研发方面

  我国的某些技术在世界中也是比较先进的,比如,将应用在航天航空设备制造的激光加工金属这一技术,可以满足一些特别零件的性能要求。3D打印技术在生物组织这一块取得了优越的成绩,就是能对生物细胞打印出三维的模型[4]。并为我国的生物学研究领域这方面提供了有效的帮助与大力支持。

  (2)产业应用方面

  目前,北京银华,南京紫金立德,江苏敦超,深圳威斯特,陕西恒通智能机等这些国内企业都已经实现了产业化,便捷式台式的3D打印机在不少企业中的价格,因为她能如此成功的进入欧美市场,说明很有国际竞争力。

  1.3.23D打印技术国外发展现状

  2012年3月,白宫重振美国制造系统,改革美国制造系统,优先发展以增材制造为代表的数字制造技术,并在全国范围内建立了多个研究和商业联盟。

  日本对这一项快速成型技术很重视,一直在不断研发,而且开发程度已经位于亚洲前沿了,德国制造研究中心也在推动着此项技术能在航天航空工业结构中的应用。

  西班牙为了在2012年2月澳大利亚政府对微引擎快速成型技术宣布支持,特地研究了特殊的增材制造项目这一技术,最终得到了支持。

  2 总体方案及结构设计

  2.1 引言

  3D打印机增材技术已经过数十年的发展,该技术发展到现在已非常成熟,当前在民用市场中应用也十分广泛,且最终得到人们的认可。如今该项技术已经得到了广阔的发展前景,在工业制造中不断增添了新的色彩,从而看出技术的进步程度。

  随着科技的发展,它已经投人到各种科技工作的领域当中。例如,展厅使用它来复制正品,以防止真正的产品被访客损坏;牙医对患者进行牙齿修复或诊断时首先使用扫描仪对患者牙齿轮廓进行扫描,随后使用打印机打印出适合患者的纠正模具,帮助患者实现修复[5]。

  2.2 3D打印机模型设备的方案分析

  2.2.1机械结构设计思路

  模型的制作要求依靠各类不同的机构相互组合并最终实现预期的所有功能就:

  本文所设计的机械系统设计思路如下:

  X/Y轴 组成平面扫描运动框架

  机构选用:X、Y轴导轨均采用丝杠机构,Z轴光杆则采用丝杆机构。

  三回旋轴机构(即工作台) 伺服电

  快速成型技术的兴起与发展跟材料有着不可磨灭的关系,因为它也是根据材料的要求来设计的。目前3D打印的材料已经超过了200种。为了实现3D打印机的功能,所选材料对于实现3D打印机的功能也很重要。需要更低的熔点和更好的粘度[8]。

  ABS材料是FDM最常用的印刷材料,通常在长丝包装中以不同颜色提供,并由3D打印喷嘴熔化和印刷,如果ABS的熔点不同则不同,通常是细丝盘装。

  PLA型的熔丝在3d打印机中是非常常用的材料,也算是比较环保的;一般情况下不需要加热床,容易使用,而且更加适合低端的3D打印机。

  综合考虑我们最终选择了P L A 、AB S耗材,这种材料即廉价又稳定。

  2.3.2设计思路概述

  由于 这两种打印材料的熔点温度在 左右,直到上升到 以上就属于分解温度,需要成型的温度应该是在 以下这样。控制回路中传感器的作用很大,它把实际的温度返回到反馈控制回路中,并将其温度进行调整输出命令,命令由单片机输出[9]。

  控制回路方框图如下:效高效配合,以期保证打印成型的产品质量和效果,使得工件实体材料堆积均匀,减少毛刺。

  成型工艺对喷头系统的相关功能要求主要包含下述几个方面,现对其进行论述:

  (1) 供应功能:把已经圈好在丝筒上的丝状材料,取出并把它通过其它方法送到指定位置。

  (2) 熔丝功能和送丝功能:送完成型丝及时熔化后,熔融丝送入液化器。

  (3) 流道功能:为熔融材料提供流通通道。

  (4) 定径功能:对喷嘴挤出的材料的最终尺寸,喷嘴孔的直径确定挤出的丝的直径,并且丝被堆叠以满足所需的细直径。

  (5) 出丝速度匹配与出丝起停控制功能:喷头的移动速度与成型丝的挤出速度都是根据扫描路径信息进行调节,还有推出液态丝材的速度与喷头移动速度相匹配。喷头的移动停下来时,挤出丝材功能也将进行停止控制,喷头的停止是根据扫描路径来控制的,而岀丝是根据喷头控制的,这样才能确保高质量的成型路径。

  采用熔断挤压法的工艺原理时,准备进入液化器中的成型线作为活塞,固态的丝材在液化器进入口中把熔融状态的丝材推出喷嘴,而推出喷嘴的推力等效于送丝材的推动力。简单概括就是送丝功能等于基本功能[10]。

  2.5.2喷头实现方法设计

  图2-4 挤出机构原理图

  在描绘熔融沉积式打印技术工作原理之前,我们可以先设想这样一个场景:蛋糕店里面挤蛋糕花,把奶油装进一个锥形的塑料里,顶部开一个小孔,然后你把这个塑料锥形头朝下,向盘子上面挤,边挤变移动,就像写毛笔字一样,当你完成第一层的堆积后,向上抬一点,重复第一层的工作,以此类推,重复以上过程,直至最终堆出你想要的形状,其实这就是FDM的基本思想。

  熔融沉积也有另一种叫法称熔丝沉积,是在液化器中使用丝状热熔材料以通过加热丝来加热和熔化它来提供热量,其通过细喷嘴的喷嘴挤出。根据每层参数控制加热喷嘴,喷嘴可沿X轴方向移动,沿Y轴方向移动,丝材在喷嘴中挤出,喷嘴与丝材的配合打印完一层上升一个层面的高度,在外温的温度下冷却成型。

  件性能的前提下具有良好的加工性和经济性。

  选用材料的可靠性是在机械部件的正常工作状态下,应具有的物理与机械性能能够满足工作要求的基础。选用的机械零件所用的材料是金属的,然而零件的机械性能才是主要的影响,而非金属材料零件还需要对工作环境是否对零件的性能造成影响。形状尺寸和应力分析的机械性能是选择材料时正确分析的工作条件。

  3.2.2滚珠丝杠的技术要求

  (1)工作条件

  由于本文所设计的设备传动机构为螺母副,其主要功能是对传感器承载进行动态测量,因而抗扭性能较差,该机构在工作时主要受剪切力租用,同时受弯曲和扭转和特定负荷影响。

  (2)主要的失效形式

  滚珠丝杆在工作时会受到弯 曲、疲 劳、扭 转、冲 击等主要的几个力所影响,在丝杆的接触处,如转动滑动的工作表面受到接触应力。工作时间长了会出现接触疲劳破坏,也会存在机械损伤与磨损。

  弯曲比较大时,丝杆会承受交变应力;磨损也是因为滚珠与滚道表面的硬度来决定的,表面硬度越差,越容易磨损甚至会发生断裂。为减少磨损,提高滚珠与滚道的表面硬度或涂抹润滑剂。

  (3)材料的性能要求

  结合工作的条件与主要失效形式,属于高精度、轻载荷滚珠丝杆,一般选择低合金工具钢材料制造零件,制造的零件表面需要加热淬火处理,有的还要把整个零件整体淬火的,高精度的滚珠丝杆使用渗氮钢来制造可以预防在热处理时产生变形,选用的渗氮钢牌号如 钢,需经处理后使用[12]。

  根据工作条件需要丝杆也可以选用淬火钢进行制造,还有的螺母也可以选择铸造锡青铜进行铸造加工,其材料的表面应该要具有高硬度及耐磨性好的性能,及综合机械性能也需要比较高才满足要求。

  3.2.3丝杆螺旋传动的类型、特点与应用

  丝杆传动装置主要组成部分包含丝杠以及螺母,螺母与螺杆相互配合之后在电机的带动下螺杆开始运动并实现传动。它主要传递运动和动力,分为两种:将旋转运动转成直线运动;直线运动变成旋转运动。

  滚珠丝杆的特点:

  (1)传动效率更高:一般滚珠丝杠的滚珠与丝杆的接触点是很小的,所以摩擦也很小,螺母与滚珠之间的运动是相对的,然而传动效率可高达90%到98%这样。与其他滑动螺旋相比,摩擦力小,可以由直线转成旋转运动。即使丝杆在很小的扭矩之下转动,其推力也是很大(旋转运动转成直线运动),甚至对于其它传统的螺杆系统要强上2~4倍的效果。

  (2)运动平稳性:滚珠丝杆工作起来摩擦阻力是很小的,也没有任何的颤动,十分流畅,在低速运动是滚珠没有打滑现象还可以进行微量进给的控制,是很灵敏的,是传统典型的点接触滚动运动。

  (3)精度高:滚珠丝杠在运转时产生的温度低,热胀冷缩、轴向间隙拉伸等问题这些效果都不大,对其运转无影响还具有较高的定位精度。

  (4)高耐用性:滚珠丝杠副接触点表面硬化,运动过程滚动,摩擦小,寿命长,精度很高。

  (5)同步性好:多组滚珠轴承组合的传动系统,运动起来很平稳无滑动、无异响还灵敏,可同时完成多个传动部件和装置的控制,因而具有良好的同步效果。

  (6)高可靠性:与常见的液压、气压系统相比较故障较少,对其进行维护与保养很方便。只需要做好防尘、润滑措施,有时候无润滑也可以进行正常的工作,但不能经常如此工作。

  3.2.4滚珠丝杆螺母的设计计算

  滚动丝杆属于自锁丝杆,需要进行校核其自锁性,轴向力是在工作时主要承受的力,所以那时将产生的磨损是由滚珠与滚道之间的接触引起的,从而也会影响到精度。一般的耐磨参数是根据滚珠丝杆的直径与锁紧螺母的高度这些基本尺寸而设计的,滚珠丝杆和螺母的工作中将受到很大力,可能会发生塑性变形或断裂,为了防止这些问题的发生,需要对丝杆的危险截面和锁紧螺母的强度进行有效的校核。对较长的丝杆容易受到轴向力的作用而失稳,稳定性是比较重要的,所以稳定性也要校核;对于高速旋转的长丝杆会产生横向的摆动情况,为了防止横向摆动校核临界转速是很重要的。在具体设计中,需要根据具体的工作环境以及承载情况、,根据额定静载荷选用,额定静载荷可依据下式进行运算:

  (3-17) 故: ——载荷性质系数;

  —动载荷影响系数

  选用不同的滚珠丝杠支撑方式,其轴向载荷和转速也有所差异。该设计采用第二种类型,一端固定另一端支持,适用中速和高精度。

  3.2.6滚珠丝杆螺母的润滑和防尘隔离

  (1)油润滑

  矿物油适用于大多数的滚动轴承,高转速时滚珠丝杆副的温度也是比较小的,油还可以降低其温度,对滚珠丝杆而言油润滑比脂润滑好。如果使用油润滑补充润滑油的时间间隔八小时之后,在重新润滑都可以。

  (2)脂润滑

  如采用脂润滑可以使用很长时间后,在进行补充脂润滑,与油润滑相比相隔的时间也长。但是脂润滑使用太久了,要进行清理上面的杂物和旧的润滑脂清理干净,才能更换新的润滑脂,一般是半年到一年换一次脂。厂家生产脂的时候装脂的罐子上面都会有使用说明和提示,应按照上面的说明进行使用[15]。

  (3)防尘与隔离

  由于异物和灰尘是对滚珠螺杆与滚动轴承快速磨损和损坏的重要因素,所以需要进行采取防护措施,可安装防尘圈即可实现防尘。

  滚珠丝杠副设计时应当注意下述问题:

  (1) 在安装滚珠丝杠时应当保证螺母上受力均匀,还要保证作用在螺母上的合力经过滚珠丝杠轴心,可提升寿命和精度。

  (2) 防逆转:虽然滚珠丝杠传动效率较高,但在实际应用过程中要防止拟传动,在电机带动丝杆,电机停下来时,产生的运动部件的自重惯性引起的逆传动现象,为了防止出现逆转,可采用离合器或停电自锁电机等方式。

  (3) 防护:滚珠丝杠副在行程两个方向要装有行程开关,限制行程起到保护作用,以防超程撞坏其它东西及影响其精度和寿命。

  (4) 防止热变形:在滚珠丝杆运动时产生的热,还有其它部件产生的热,这些热对滚动丝杆的定位精度有重要影响,热会导致丝杆膨胀而伸长。因而分析各种热源因素采取措施控制热源。

  3.3 导向光杆和直线轴承的设计

  3.3.1直线轴承的选择:

  载荷重量为 ,滑动轴承固定于X轴导向光杆并与其相互装配,轴承座为固定式,本次设计中滑动轴承如下图所示。

  图3-4 滑动轴承

  表3-5 带法兰的滑动轴承参数

  按照轴承的载荷情况,选用滑动轴承型号: ,轴承中间 孔径为: ,这样导向光杆 的直径也 设计 为 。

  3.3.2直线轴承的安装

  公差等级 、 级,直线轴公差 、 级,防止轴承钢球脱落或保持器损坏,导向轴须对准直线轴承孔轻轻的插入,使轴心与轴承中心重合,直线轴承安装方向可以跟滚珠丝杆副一样安装。

  轴承座与X轴一端是一体的,直线轴承使用四颗螺栓固定在轴承座上,轴承座的孔可能会压到轴承导致游隙变小,可以用手轻轻旋转轴,看轴是否可以接触钢球并且可以轻松旋转。这时,间隙为 ;如果轴更难旋转,间隙为 ;或者轴不能旋转,配合间隙大于 ,如果转动轴时钢球同时也在做滑动,这样会使轴和轴承的寿命大大降低。直线轴承是不能旋转的只是里面的滚珠在转动而已,因此直线轴承应该很好地定向[16]。

  3.3.3直线轴承润滑和防尘

  轴承上有防锈油,在使用时不必把防锈油清洗掉,可直接加润滑剂使用。根据工作时的温度来选择润滑油,若工作温度较低则选用粘度较低的润滑油,若工作温度较高则选用粘度较高的润滑油,常用的润滑油类型为:透平油、机械油和锭子油。在进行轴承密封时要将润滑油加到轴承内,无密封圈的轴承润滑油滴在轴上就好。灰尘或异物进入到轴承内会导致保持器与滚珠的损坏,降低轴承使用寿命,如对于一些粉尘较大的场所像锻造机械、木工机械,则轴承两端需加密封圈。

  3.3.4导向光杆的固定座

  导向光杆是固定的不需要转动,根据光杆的直径选择固定座,固定座的参数如下:

  图3-5 导向光杆固定座的参数

  本设计选择的是两面切割法兰型的固定座,导向光杆两端都需要固定座固定。

  (10)计算作用在轴上力Fr

  (3-43)

  设计选用 型梯形同步带,节距 ,齿形角 度,齿根厚 [17]。

  4 运动底盘的设计

  工作台的是圆形的直径为 ,厚度为 ,下面采用转轴使其摆动,接着下面部分是360°旋转的,旋转台与旋转轴连成一体,三个自由度使用的电机是同样的型号,减速器与联轴器也是同样的,互不影响工作;中间的旋转台主要支撑上面的工作台与左右摆动的驱动机构及其打印物,最下面的前后摆动机构支撑着上面的两个驱动机构,都是采用铝合金材料,通过砂型铸造加工而成[18]。

  4.1 工作台左右转动的设计

  其中,支撑块和转轴采用圆头平键进行连接,将电机安装于减速器上,减速器则通过联轴器和转轴进行连接,通过电机驱动支撑块运动,通过套筒和轴环实现支撑块的轴向定位。

  连接支撑块转轴设计步骤如下:

  (1)初步估算转轴的直径

  图4-3 轴的结构

  根据上图可知,轴径1-2段主要用来安装轴承1,轴的2–3段为轴肩,其主要功能是实现轴承1的定位,根据本文所选用的轴承查阅其参数可知,轴承的实际安装高度为 ,因此该轴段的直径 。轴的3-4段的主要作用是实现支撑块的轴向定位,根据计算结果可知直径 ,长度 。轴的4-5段主要用来完成支撑块的固定,直径 ,长度 。轴的5-6段的主要作用是实现轴承2的安装,将套筒制成阶梯状,套筒大段对支撑块另一侧进行紧固,直径 ,长度 。轴的6-7段的主要作用是插入挡圈,挡圈的直径为 ,因此该轴段的直径 ,长度 。轴的7-8段的主要功能是实现联轴器的安装,内孔为16mm,则 。

  4.2 三自由度的电机及减速器的选型

  选用型号为 步进电机,尺寸为 ,转动惯量 ,输出力矩: 。

  经计算,支撑块相连的工作态度和带动的组件沿轴线转动惯量为可 ,由设计参数可测得最大角加速度: 。为让电机转动惯量和和负载惯量相互匹配,减少振动,需要在传动装置上配置减速器,理论传动比可通过下式予以计算:

  根据实际情况选用步进电机型号为 ,传动比为 。负载惯量与转子惯量之间的惯量比可通过下式予以计算:

  4.4 联轴器的选择

  电机带动减速器,减速器连接联轴器,联轴器的孔径 ,根据本设计选用的联轴器为凸缘联轴器,型号为 ,材料为钢可满足强度要求[20]。

  圆盘通过转轴与轴承的配合由电机驱动使其可以旋转一周,圆盘的有效尺寸直径为 ,高为 ,直径可以高度也好,工作起来是比较平稳的,还有轴承为滚株轴承,其型号为6006,直径 , 套在转轴上,基本额定动载荷 ,基本额定静载荷 ,转动起来摩擦系数更小,传动效率高[21]。旋转圆盘设计如下所示:

  图4-7 360°旋转盘的结构

  壁厚为10,圆柱内部用两条直径 的杆相互垂直与圆柱内部表面连接,中间相交处则是与转轴连接为一体,整体高度为 主要是受轴向力,能够有效减轻重量也能满足强度要求。

  4.5.1支撑旋转盘的设计

  工作台最底下的是及其重要的部分,它支撑的是上面两个自由度的整体机构与要打印产品,所以使用的材料强度也是比较高的,其基本尺寸为 ,高为 ,比工作台还大一点,也是为圆柱形[22],两边使用支撑座横向固定只能前后摆动,摆动的幅度为45°,其设计如下图所示:

  六轴3d打印机虚拟装配图

  6 结 论

  通过对六轴3D打印机的设计,本次设计设计了六条轴的划分及其结构的组成,XYZ轴与普通的3D打印机的结构差不多,主要是滚珠丝杆传动,传动效率高而且稳定性能好。其它的三个轴设计在工作台下,使其工作台可以在多个方向活动旋转360°,还有两个方向的摆动,能够实现多方位的打印,用的是塑料耗材,可以打印比较复杂的艺术品,但是打印不了大的产品,工作台比较高导致喷头到动作台的极限距离太短,还需待改善。存在的问题也是比较多的,整机的体积大、工作太小,对于打印的东西不大。希望可能在做艺术品的行业中应用,之前也有一台五轴的打印机的案例,本文就是在这个的基础上在多设计了一条轴。

移动版:六轴3D打印机的设计

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