機械設計畢業(yè)論文--便攜式三維打印機的結構設計

1、<p>　　畢 業(yè) 論 文</p><p>　　題 目：便攜式三維打印機結構設計</p><p>　　學 院：機械與電氣工程學院</p><p>　　專 業(yè)：機械設計制造及其自動化</p><p><b>　　年 級：</b></p><p><b&g

2、t;　　姓 名： </b></p><p><b>　　指導教師：</b></p><p>　　完成時間：2014年4月25日</p><p>　　便攜式三維打印機的結構設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文首先對便攜式打印

3、機的目前發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀作出相應的概括,包括便攜式三維打印機突出的優(yōu)勢。其次根據(jù)相應的指標、參數(shù)在滿足標準化型材的前提下對三維打印機進行整體結構設計，對某些重要的零部件詳細分析它的參數(shù)和原理作用。其中結構設計這塊還包括標準型材、帶輪、齒形帶的選取。三維打印機在工作過程中因受應力的影響可能會發(fā)生變形，所以接下來應用材料力學的知識對X方向運動的光桿進行受力分析校核，以確保三維打印機能打印出精度比較高的產(chǎn)品。</p><p&

4、gt;　　最后，三維打印機工作的時候是三個方向一起運動，打印機能否同時在三個方向運動就要先對打印機做運動仿真，對三個運動方向進行運動仿真，使其在理論上能滿足基本運動。運動仿真第一是創(chuàng)建新的連桿和運動副，其次寫入驅動，最后解算方案，解算方案結束后就可以進行運動仿真了。而打印機要精準穩(wěn)定地做X、Y、Z方向的運動，必須要有精確平穩(wěn)的軌道承載，能否在這三個方向上自由地運動是我們對打印機研究的非常重要的部分，而便攜式三維打印機要求的是在最小的尺寸

5、空間里實現(xiàn)三個運動方向運動范圍的最大化。設計中主要使用了CAD、UG等工程制圖軟件，用UG三維建模和運動仿真，CAD畫出二維平面圖，受力方面結合材料力學力的知識對三維打印機的主要部件進行了受力分析。</p><p>　　關鍵詞：三維打印機；便攜式；結構設計；受力分析；運動仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>

6、;　　Firstly, the current trends and the status of development of portable printers make the appropriate generalization, including portable 3D printer outstanding advantages. Second, according to the corresponding indicato

7、rs, parameters under standardized profiles to meet the prerequisite for the overall structural design of three-dimensional printer, some important parts of a detailed analysis of its parameters and principles of action.

8、Piece design which also includes the selection criteria profile</p><p>　　Finally, the 3D printer to work together when the movement in three directions, the printer can simultaneously movement in three direc

9、tions on the printer must first make motion simulation, on the direction of movement of the three motion simulation, so in theory, be able to meet the basic movement . The main steps are defined motion simulation rod, de

10、puty campaign created to define the drive, the solver program, and finally get a 3D printer emulation motion animation. The stability of the print</p><p>　　Keywords: 3D printer; portable; structural design;

11、stress analysis; motion simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.引言2</b></p><p>　　1.1便攜式三維打印機的發(fā)展概況及現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2便攜式三維打印機的特點3</p>

12、<p>　　1.3便攜式三維打印機的機遇和挑戰(zhàn)4</p><p>　　2.便攜式三維打印機的結構設計5</p><p>　　2.1打印機指標5</p><p>　　2.2整體結構設計5</p><p><b>　　2.3框架結構6</b></p><p><b>　

13、　2.4底座支架6</b></p><p>　　2.5底座梁支架................................................8</p><p>　　2.6 X軸方向運動的優(yōu)化設計8</p><p>　　2.6.1工作原理8</p><p>　　2.6.2齒形帶的選取9</p>

14、;<p>　　2.6.3同步帶輪的選取9</p><p>　　2.6.4噴頭的簡單結構設計10</p><p>　　2.7電機的選擇12</p><p>　　3.便攜式三維打印機主要部件的受力分析14</p><p>　　3.1 X方向運動光桿的受力分析14</p><p>　　4.便攜式三維打

15、印機的運動仿真17</p><p>　　4.1創(chuàng)建連桿和運動副17</p><p>　　4.2仿真動畫18</p><p>　　4.3仿真運動作圖20</p><p><b>　　5.小結 23</b></p><p><b>　　參考文獻24</b></p

16、><p><b>　　引言</b></p><p>　　三維打印機在國內(nèi)外算是一個比較新的領域，具有巨大的市場潛力，3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，三維打印機可以不像傳統(tǒng)的生產(chǎn)要依賴生產(chǎn)的工藝性，三維打印機的優(yōu)點是只要你設計出相應的產(chǎn)品模型，就可以打印出你想要的東西。三維打印機不需要任何加工工具，可以節(jié)省很多人力物力，這樣的生產(chǎn)機器好像就是在代替一個人在制造產(chǎn)品。雖然三維

17、打印機有如此大的優(yōu)勢，但還不夠完善。相信三維打印機在不久的將來會不斷加大占領市場份額，到時候的制造業(yè)中三維打印機是不可缺少的。[4]</p><p>　　而便攜式三維打印機的主要目的是以價格低、占地面積少、實用等優(yōu)點打進平民百姓家中，三維打印機不僅可以應用在制造業(yè)，工業(yè)設計，醫(yī)療領域，航空航天領域都有應用到三維打印技術。三維打印技術在這些領域的成長和普及說明三維維打印機的研究是有必要的有實際意義的。我們在打印店里

18、都能見到的是二維的打印機，它只能做X和Y方向的運動，而三維打印機增加了Z軸的運動，打印出來的是立體的實物。而噴頭要精準穩(wěn)定地做X、Y、Z方向的運動，它必須要有精確平穩(wěn)的軌道承載，能否在這三個方向上自由地運動是我們對外形研究的重要部分，而便攜式三維打印機要求的是在最小的空間里實現(xiàn)三個運動方向運動范圍的最大化。本次的畢業(yè)設計使用了CAD、UG三維制圖軟件對該三維打印機進行結構設計、制圖和受力分析。通過在指導老師和同學的幫助下完成對便攜式三維

19、打印機的結構設計。</p><p>　　1.1三維打印機的發(fā)展概況及現(xiàn)狀</p><p>　　三維打印技術目前是一種高新技術，三維打印技術作為一種高科技技術，目前應用到很多領域，如制造業(yè)，航空領域，醫(yī)療領域，化學技術，還有材料學科等方面。三維打印技術的推廣使得更多制造業(yè)有了相應的變革，打印技術可以使制造效率不斷挺高，方便快捷。而廣泛應用的領域有醫(yī)療領域，建筑領域，和機械設計制造領域。有些精

20、密的制造業(yè)也可以通過三維打印技術完成。在醫(yī)療領域上，三維打印機可以用人培養(yǎng)的細胞作為打印原材料打印器官，這就給病人提供了對自己不排斥的器官。前段時間有個小孩因為天生沒有鼻子，于是醫(yī)院就通過三維打印機打印出了一個與他個人相匹配的鼻子，并且成功應用上去。這些成功的例子無疑在說明三維打印技術已經(jīng)越來越接近我們的生活，改變我們的生活。建筑領域，三維打印技術可以快速的打印出一棟很建筑模型，可以省略很多傳統(tǒng)的東西，某些工藝水平也是，傳統(tǒng)工藝所不能企

21、及的[1]</p><p>　　三維打印技術已經(jīng)有了十多年的發(fā)展，目前分辨率可以達到6000pi，厚度精確到0.001毫米，這樣的技術幾乎可以打印出你肉眼能看得出來的東西，可見這精度已經(jīng)非常高了。當然我們可以應用三維打印技術高精確性，打印出更多純制造業(yè)很難完成的任務[3]</p><p>　　目前國內(nèi)很多家公司相繼完成了他們的三維打印機的生產(chǎn)和銷售，雖然他們的公司大小不能與國外大型公司相媲

22、美，而且所做的產(chǎn)品的整體質量也沒有國外的那么好，但在中國的市場還是非常不錯的。國內(nèi)生產(chǎn)的三維打印機在材料，模型結構，打印精準度方面還不能很好的滿足消費者的需求。而在第三產(chǎn)業(yè)領域在國內(nèi)某些發(fā)達城市有很多企業(yè)引進了國外先進的三維打印設備，在此基礎上不斷學習借鑒，并且有了技術上的提高。總之國內(nèi)的三維打印技術還不夠成熟，還需進一步的發(fā)展技術。 [3]</p><p>　　目前在西方國家，三維打印技術已經(jīng)大范圍的應用到了商

23、業(yè)。比如在某些汽車制造業(yè)和電子制造廠商。三維打印技術的優(yōu)勢可以體現(xiàn)在高效率的基礎上打印出廉價的部件。紐約有一家公司手機了很多客戶所實際需要的模型，或者產(chǎn)品，收集之后用三維打印技術把收集來的方案打印成他們所需的實物，并且獲得了較好的成果。[3]</p><p>　　1.2便攜式三維打印機的特點</p><p>　　三維打印機(3D Printers)還稱作三維立體打印機，它跟二維打印機最大的

24、區(qū)別就是能打印出立體的物體，它的原理是通過激光燒結把材料融化用噴頭一層一層疊加起來形成三維的立體實物。三維打印機工作非常方便，只需在電腦上制作出你想要打印的三維模型，然后導入到打印機中，就可以自動為你打印出你想要的三維模型。目前為止三維打印機的材料還是相當有限的，要想打印出一個材料豐富結構復雜的實物還是有很大難度的。總之三維打印機的打印精度高，打印價格便宜，操作方便，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點受到了很多人的青睞。[1]</p>&l

25、t;p>　　便攜式三維打印機跟普通的三維打印機區(qū)別就是便攜式可以隨聲攜帶，突破了打印機固定在一個空間的限制，大大提高了它的實用性和便捷性。要實現(xiàn)便攜性就要在結構上下功夫，當在工作的時候結構是展開的，完成打印工作后打印機的整體結構空間就會大大縮小，實現(xiàn)便攜。便攜式三維打印機不足的是它的打印空間相對于其他打印機來說可能要小。 </p><p>　　1.3便攜式三維打印機的發(fā)展帶來的機遇和挑戰(zhàn)</p>

26、;<p>　　從上面文章，我們可以發(fā)現(xiàn)，三維打印機要想成功的占領市場還需要面臨很多挑戰(zhàn)和困難。其中打印機的生產(chǎn)價格，打印的材料，打印精準性，結構設計等方面還有很多需要研究的地方，所以三維打印機的問世，既是一種機遇也是一種挑戰(zhàn)。</p><p>　　第一，生產(chǎn)成本方面。三維打印機的生產(chǎn)成本比較高，從剛開始設計一臺三維打印機到買材料，組裝，測試校核等程序使得打印機的成本大大提高，為了普及三維打印機很多商

27、家生產(chǎn)出比較廉價的打印機，并且邀請那些對此比較有興趣的人共同開發(fā)，降低生產(chǎn)成本。第二，材料方面。目前三維打印機的成型材料多為化學聚合物，打印出來的物體也大多是激光燒結后的化學聚合物。然而作為三維打印機材料的多樣性直接決定了生產(chǎn)多樣性，可以見其的作用在整個打印機中占的比例很大?？傊氤晒Φ钠占叭S打印機在材料上下功夫是不容忽視的。第三，打印精度方面。當前三維打印機的整體體積相對來說不是很大，這就限制了打印物體的體積大小。很多人認為三維打

28、印機想打印什么就打印什么，其實還有很多因素要考慮，比如說打印的體積大小，和精度。三維打印技術的精度相對于現(xiàn)在的高精度制造業(yè)來說，還是有很大差距的。第四，研究開發(fā)方面。三維打印機的發(fā)展越來越進步的同時，外界對其的要求也會越來越高。不僅僅是滿足目前打印幾個簡單的三維模型，更重要的是應用到實際的生產(chǎn)生活中，比如說醫(yī)院要打印出病人的某些器官，這些要求的技術室非常高的。研究人員需要花很大的時間去學習這些領域，也要</p><p

29、>　　便攜式三維打印機的結構設計</p><p><b>　　2.1打印機指標</b></p><p>　　其中三維打印機的主要技術指標為：</p><p>　　打印機的尺寸：260*190*300mm</p><p>　　底座（兩型材間的距離）：114mm</p><p>　　打印的最大范

30、圍：140*78*100mm</p><p>　　標準型材的尺寸：25*25mm</p><p>　　電機的轉速：3600r/min</p><p><b>　　2.2整體結構設計</b></p><p><b>　　2.2.1工作原理</b></p><p>　　便攜式三維

31、打印機在工作的時候是中間兩根標準型材是立起的，立起的時候能提供打印機在X,Z方向的運動空間。打印機總共有5個電機，兩個同步電機用在Z軸方向，一個用在X軸方向，一個用在Y軸方向，剩下一個是傳送材料到噴頭用的。在打印機兩邊裝有兩個同步電機連接絲桿，帶動噴頭所在的光桿做Z方向運動。X方向的打印是通過噴頭左右運動完成的，電機帶連接在噴頭的齒形帶，使噴頭運動。而Y軸方向是底座的電機帶動底板來回運動。</p><p>　　2

32、.2.2三維打印機的組成</p><p>　　標準型材：25*25mm,300mm×2,260mm×4,240mm×5</p><p>　　無絲桿電機:三個，帶絲桿電機：兩個</p><p><b>　　同步帶輪：四個</b></p><p><b>　　齒形帶：兩條</b&

33、gt;</p><p><b>　　光桿：四根</b></p><p><b>　　六角螺栓+螺母</b></p><p>　　非標準件包括底座，底座梁支架，底座支架，噴頭結構，提手，型材之間的連接件等。</p><p><b>　　2.3框架結構</b></p>

34、<p>　　打印機的結構主要由大小25x25mm的標準型材構成，底座由八根型材組成，這樣的底座穩(wěn)固性非常強，能保證打印機在工作的時候不會發(fā)生搖動以至于打印精度下降。打印機的Z軸傳動通過立在兩邊的絲桿完成，左邊的電機轉動帶動絲桿完成噴頭上下運動。噴頭與光桿銜接左右運動。底座支架與底座的光桿銜接通過帶動底板做前后運動。為了是打印機工作平穩(wěn)，底座上下兩根型材分別與立桿用連接部件固定，其中上面的型材與部件固定，拆卸時需擰下螺釘，而下

35、面的型材則與部件通過六角螺栓活動鏈接。這樣就可以實現(xiàn)打印機在不使用的情況下把立桿放下，便于攜帶。連接部件用三維軟件設計并打印，部件的統(tǒng)一厚度為5mm。</p><p><b>　　2.4底座支架結構</b></p><p>　　該結構的視圖如下，它的主要作用是連接支撐底板，并帶動底板做前后運動。</p><p><b>　　底座支架結

36、構圖</b></p><p>　　底座支架在打印機中起關鍵作用，它的運動決定了底板的運動。上圖中支架的導槽與底座的光桿導套連接，支架中間在于齒形帶固定。電機工作通過帶動支架在光桿上來回運動。然而底板與支架通過桿固定連接，實現(xiàn)了底座支架帶動底板的來回運動。</p><p><b>　　左底座梁支架結構：</b></p><p><

37、;b>　　底座梁支架的結構圖</b></p><p>　　底座梁支架的作用就是支撐整個底板和固定光桿、電機。考慮到受力，底座梁支架鎖在型材上，左右各有一個支架固定兩根光桿。一邊的支架中間有固定電機的地方，而且那塊板相對來說比較厚，因為要承受比較大的力，包括電機自重，和齒形帶的拉力。</p><p><b>　　左底座梁支架三維圖</b></p&

38、gt;<p>　　2.5右底座梁支架結構</p><p>　　右底座梁的支架結構圖</p><p>　　2.6 X軸方向運動的優(yōu)化設計</p><p><b>　　2.6.1工作原理</b></p><p>　　X軸方向的運動主要靠齒形帶帶動噴頭運動完成，噴頭固定在上下兩條齒形帶上，增加了運動時的穩(wěn)定性。噴

39、頭的運動方向是光桿的軸向，為了使噴頭運動時不受摩擦力影響，還需在噴頭上套上光桿軸套，保證噴頭能平穩(wěn)運動。齒形帶傳動通過左邊的電機帶動同步帶輪完成。這部分主要介紹的是齒形帶和同步帶輪的選取，及其參數(shù)，和噴頭結構的簡單設計。</p><p><b>　　X軸方向運動三維圖</b></p><p>　　2.6.2齒形帶的選取</p><p><

40、b>　　齒形帶的二維圖</b></p><p><b>　　齒距：5.08mm</b></p><p><b>　　齒高：1.27mm</b></p><p><b>　　齒厚：2.3mm</b></p><p>　　2.6.3同步帶輪的選取</p>

41、;<p>　　因為此三維打印機是屬于精加工類型，在選取加工類型精度比較高的同步帶輪，在滿足齒形帶的嚙合下，選取的同步帶輪的參數(shù)如下：</p><p><b>　　同步帶輪的參數(shù):</b></p><p><b>　　齒距：5.08mm</b></p><p><b>　　齒數(shù)：20</b>

42、;</p><p><b>　　槽寬：11mm</b></p><p>　　d1節(jié)圓直徑：32.3mm</p><p><b>　　D內(nèi)徑：6mm</b></p><p>　　D檔邊外徑：38mm</p><p>　　D1凸臺外徑：26mm</p><p&

43、gt;<b>　　L總長：25mm</b></p><p>　　同步輪的規(guī)格表如下：</p><p>　　2.6.4噴頭結構的設計</p><p><b>　　圖一</b></p><p><b>　　圖二</b></p><p>　　噴頭構架上有兩個光

44、桿槽，槽里面要先裝上光桿導套，如圖一的主視圖，可以很清晰的看到。此噴頭結構可以提供兩個噴頭使用。噴頭有兩部門組成一部分是和光桿導套結合，第二部門是裝噴嘴的，如圖二，兩部分通過四個螺釘鎖在一起，這樣也增加了噴頭整體結構的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　2.7電機的選取</b></p><p>　　考慮到三維打印機對電機的要求比較嚴格，電機的穩(wěn)定輸出及其相應參數(shù)直接

45、影響打印的精度。通過電機的自重，轉動慣量，和轉速的綜合分析，選取型號為42HB40-054的電機作為打印機的動力來源。</p><p>　　42HB40-054電機的外形尺寸</p><p>　　便攜式三維打印機打印機的結構</p><p>　　便式三維打印機的整體結構如上圖所示，打印機有許多非標準件是通過三維軟件設計出來，然后再用工業(yè)打印機打印出來，需要注意的是在

46、建模的時候，一個整體部分要記得求和。包括有些地方受力比較大的，設計時要考慮穩(wěn)定性，以防止工作影響打印效果。</p><p>　　3.便攜式三維打印機主要部件的受力分析</p><p>　　3.1 X方向運動光桿的受力分析</p><p>　　因為x方向運動有兩根相同的光桿支撐，他們所受的力的大小方向都是一樣的，所以在做受力分析的時候先把它作為一根來算。先取光桿隨意一

47、點C，就是噴頭運動的位置作受力分析剪切力。同時求x1,x2位置的剪切力和彎矩。光桿受力的剪力圖和彎矩圖如下。現(xiàn)在根據(jù)實際尺寸，算出噴頭在實際工作中光桿某點的剪力喝彎矩。</p><p><b>　　光桿的受力圖</b></p><p><b>　　剪力圖</b></p><p><b>　　彎矩圖</b&g

48、t;</p><p><b>　　光桿長：266mm</b></p><p>　　令a=100mm,b=166mm</p><p><b>　　F=3N</b></p><p><b>　　確定約束力:</b></p><p>　　取X1=0.08,求出

49、噴頭力作用在X1點處時剪力和彎矩的大小</p><p>　　取X2=0.12，求出噴頭力作用在X2點處時剪力和彎矩的大小</p><p>　　4.三維打印機的運動仿真</p><p>　　4.1創(chuàng)建連桿和運動副</p><p>　　運動仿真的第一步是創(chuàng)建連桿，基于打印機底座是不運動的，所以創(chuàng)建連桿的時候底座設為固定連桿，如圖所示：</p

50、><p>　　左右兩邊的絲桿是旋轉的，所以在創(chuàng)建運動副的時候選擇旋轉副，如圖所示：</p><p>　　X方向的運動時滑動副，矢量方向選x方向，如圖所示：</p><p>　　Y軸方向的運動，連桿包括底板，底板支架，還有光桿軸套，矢量方向為y軸方向，具體如圖所示：</p><p>　　Z軸方向的運動仿真選擇的連桿比較多，中間部分除去噴頭其他都要選

51、，包括螺釘?shù)刃〔考缦聢D所示：</p><p>　　接下來就是解算方案，解算方案要注意的是時間和重力方向，時間設置為20s，重力放下是豎直向下，如圖所示：</p><p><b>　　4.2仿真動畫</b></p><p>　　當運動時間為3.64s時z軸方向噴頭往下運動到一定位置，差不多接觸到底板，如下圖所示：</p><

52、;p>　　當運動時間為5s時，噴頭開始向右方向運動，底板向y軸負方向運動：</p><p>　　當運動時間為13.9s時，噴頭往回運動，而y軸底板往正方向運動，z軸向上運動，如圖所示：</p><p>　　下圖為運動時間19.2s時三維打印機的運動狀態(tài)：</p><p><b>　　4.3仿真運動作圖</b></p><

53、;p>　　當運動仿真動畫做完之后，就可以導出運動仿真各項運動的數(shù)據(jù)，包括電機的速度變化，X,Y,Z方向的運動速度變化。</p><p>　　Z軸左電機速度（J002）：</p><p>　　Z軸右電機速度（J003）：</p><p>　　從上圖可見左右兩點幾的速度變化是一樣的，因為他們是同步電機。開始的時候z軸往下運動速度降到一定位置，電機的速度慢慢減下來，

54、開始做有規(guī)律的運動，速度變化也是穩(wěn)定的。</p><p><b>　　X軸（J004）：</b></p><p><b>　　驅動函數(shù)：</b></p><p>　　STEP( x, 3, 0, 6, 111)+STEP( x, 6, 0, 10, -98)+STEP( x, 10, 0, 20,50)</p>

55、<p><b>　　Y軸（J005）：</b></p><p><b>　　驅動函數(shù)：</b></p><p>　　STEP( x, 3, 0, 6, 100)+STEP( x, 6,0, 15,-100)+STEP( x, 15,0, 20, 50)</p><p><b>　　Z軸（J4）：&l

56、t;/b></p><p><b>　　驅動函數(shù)：</b></p><p>　　STEP( x, 0, 0, 2, 49)+STEP( x, 2, 0, 20,-10)</p><p><b>　　5.小結</b></p><p>　　從3月份開始做畢業(yè)設計到今天將近兩個月了，做畢業(yè)設計是一件

57、非常需要耐心的事情。本次畢業(yè)設計主要是對便攜式三維打印機進行結構設計，開始對論文題目還不夠熟悉，無從下手，后來通過網(wǎng)上了解和圖書館借的資料慢慢做起了設計。這次的畢業(yè)設計學到了很多專業(yè)方面的知識，特別是三維軟件的應用，ug建模，運動仿真。期間遇到困難時主動跟同學老師探討，問題得到了有效的解決。最后設計出來的三維打印機結構基本達到了預期的效果。再次，我要感謝我的導師和對我有幫助的同學，有了他們的幫助和指導我的畢業(yè)論文才能順利完成。</

58、p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 古麗萍. 蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展[J]. 數(shù)碼印刷. 2011(10) </p><p>　　[2] 劉鴻文. 材料力學1（第五版）高等教育出版社.2010</p><p>　　[3]王雪瑩.3D打印技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景預見 文章編號：1009