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并聯(lián)臂3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
STRUCTURE DESIGN OF PARALLEL MANIPULATOR 3D PRINTER?
摘要
本篇論文在前面篇幅部分簡(jiǎn)要概述了3D打印技術(shù)，其中3D打印技術(shù)目前的現(xiàn)狀，品種以及以后的發(fā)展道路都包括在其中。之后正文大部分在講述并聯(lián)臂3D打印機(jī)的具體構(gòu)成部分的設(shè)計(jì)思路，并且根據(jù)作者在生活中所見所聞的實(shí)際狀況來確定并聯(lián)臂3D打印機(jī)未來的各種發(fā)展方向以及在各個(gè)行業(yè)內(nèi)所充當(dāng)?shù)慕巧€有目前3D打印技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展速度不夠的各種原因，其所面臨的挑戰(zhàn)，從此種種，這篇論文的作者自主設(shè)計(jì)出了一款簡(jiǎn)易版的并聯(lián)臂3D打印機(jī)。作者平日里所見的二維打印機(jī)所打印的是一些平面紙張，顯得十分簡(jiǎn)單，但是與之不同的是3D打印機(jī)可以打印出三維的物體，這就比平面打印機(jī)困難許多。
本篇論文在基于目前3D打印機(jī)所需的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的情況下，進(jìn)行了一系列整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中大致概括為支撐著全部打印機(jī)的底座，打印機(jī)用來固定軸的頂框，支撐打印系統(tǒng)的支架，傳送打印物料的機(jī)構(gòu)，還有打印實(shí)物的打印系統(tǒng)。這些內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還包含了各種材料的強(qiáng)度校核和材料的篩選，步進(jìn)電機(jī)的選型等。
本篇論文所設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂3D打印機(jī)必須達(dá)到的要求，所占三維比列小，操作性盡量高，達(dá)到老少皆宜的地步，能都普及到生活各處。要保證如果在一個(gè)很小的空間也能進(jìn)行3D打印的建模制造，這樣才能把真正成熟的3D打印技術(shù)帶進(jìn)家庭和大眾的視野。這次設(shè)計(jì)主要使用Auto-CAD、Pro/Engineer等制圖軟件，使用Auto-CAD制圖軟件畫出二維平面圖，用Pro/Engineer制圖軟件進(jìn)行三維建模。
關(guān)鍵詞 ：并聯(lián)臂3D打印機(jī)；內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；Pro/Engineer三維制圖；Auto-CAD二維平面圖
I
Abstract
This paper length in front section briefly summarizes the 3 d printing technology, including the actuality of 3 d printing, varieties, and the development of the later road will be included in it. After most of the body in the specific part of 3 d printers and LianBei design train of thought, and we saw and heard in life based on the actual situation to determine and LianBei 3 d printers of future development direction as well as in various roles within this industry and there is not enough 3 d printing technology in domestic development speed of a variety of reasons, the facing challenges, from then on, the variety of the authors of the paper the independent design with a simple version and LianBei 3 d printers. 2 d printers that we see everyday is printed by some flat paper, is very simple, but unlike the 3 d printer can print out 3 d objects, it is many difficult than flat printer.
In this paper based on the 3 d printer for each index parameters are up to standard, made a series of the overall design of internal structure. Roughly summed up as supporting the base of all printers, printer used to fixed axis of the top frame, support the framework of the printing system, transfer printing material, printing material printing system. These internal structure also contains a variety of materials in the design of intensity and material selection, the stepper motor selection, etc.
This paper designed and LianBei must meet the requirements of the 3 d printer, accounts for 3 d is smaller than the column, interoperability is high, as far as possible to achieve for young and old, can spread throughout the life. To ensure that if in a small space can also make the modeling of 3 d printing so that we can bring real mature 3 d printing into families and the public's view. This design mainly use Auto CAD, Pro/Engineer drawing software, such as use Auto CAD drawing software to draw 2 d floor plan, 3 d modeling using Pro/Engineer drawing software.
Keywords: 3Dprinters and LianBei Structure design Pro/Engineer 3Dgraphics Auto - CAD 2Dfloor plan
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
目 錄 III
1概論 1
1.1 3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代背景及現(xiàn)狀 1
1.2 3D打印技術(shù)的整體分類 1
1.3 并聯(lián)臂3D打印機(jī)的概述 2
1.4 并聯(lián)臂3D打印機(jī)面臨的挑戰(zhàn) 3
2 總體設(shè)計(jì)情況 4
2.1 并聯(lián)臂3D打印機(jī)的技術(shù)指標(biāo) 4
2.2 主要框架和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.3 設(shè)計(jì)路線和需要解決的問題 4
3 并聯(lián)臂3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
3.1 整體并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
3.1.1 工作原理 5
3.1.2 并聯(lián)臂打印機(jī)的系統(tǒng)框架 5
3.1.3 框架結(jié)構(gòu) 5
3.2 底座設(shè)計(jì) 6
3.2.1 底座角件設(shè)計(jì) 6
3.2.2鋁制材料選擇 7
3.2.3 底座的整體形成 7
3.3整體支架設(shè)計(jì) 8
3.3.1 直線光軸彎曲應(yīng)力計(jì)算 8
3.3.2 直線光軸材料的選擇 10
3.4 頂框設(shè)計(jì) 11
3.4.1 打印機(jī)頂部設(shè)計(jì) 11
3.4.2 鋁制材料選擇 11
3.4.3 頂部的整體設(shè)計(jì) 12
3.5 送料裝置設(shè)計(jì) 12
3.5.1 擠出材料裝置 12
3.5.2 滾動(dòng)軸承篩選 13
3.5.3 擠出裝置構(gòu)成和選擇 13
3.5.4 材料運(yùn)送整體設(shè)計(jì) 14
3.6 整體打印系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
3.6.1 電機(jī)的選擇 15
3.6.2 同步輪的選擇 17
3.6.3 同步帶選型 17
3.6.4 軸承的選取和校對(duì) 18
3.6.5 滑動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 20
3.6.6 萬向節(jié)設(shè)計(jì) 21
3.6.7 打印平臺(tái)設(shè)計(jì) 22
3.6.8 推桿設(shè)計(jì) 23
3.6.9 噴頭座設(shè)計(jì) 25
3.6.10 風(fēng)扇的選擇 26
3.6.11 打印噴頭整體及內(nèi)部構(gòu)成 27
3.6.12 并聯(lián)臂3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu) 28
4 單片機(jī)控制系統(tǒng) 30
結(jié)論 31
致謝 32
參考文獻(xiàn) 33
1概論
1.1 3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代背景及現(xiàn)狀
3D打印技術(shù)作為三維物體建模形成的劃時(shí)代產(chǎn)物，它是把材料一點(diǎn)點(diǎn)添加到上面去的技術(shù)。
作者感覺目前3D打印技術(shù)不管是在國內(nèi)還是國外都發(fā)展良好，3D打印也掀起了一波技術(shù)變革的浪潮，它給了機(jī)械和電氣制造行業(yè)注入了新的生機(jī)。3D打印技術(shù)的發(fā)展摒棄了以往的加工方式，現(xiàn)在的技術(shù)也往全部機(jī)械方面發(fā)展，這樣可以減低人力物力的利用率。所以3D并聯(lián)臂打印機(jī)也可以不要人力為物體建模。盡管其長處如此之多，但是技術(shù)的發(fā)展還是不夠全面。
在第三次工業(yè)革命時(shí)代，3D打印技術(shù)也隨之出現(xiàn)，并漸漸發(fā)展為其中一種代表性技術(shù)。其發(fā)展的越來越全面，也會(huì)迎來大量的眼球?qū)χ媚恳源?
在許多不同的領(lǐng)域之中，3D打印技術(shù)應(yīng)用廣泛。在目前的制造行業(yè)內(nèi)，它的出現(xiàn)為業(yè)內(nèi)注入新的活力，使得制造業(yè)的效率走入新的篇章。同時(shí)在日前的醫(yī)學(xué)發(fā)展中，各個(gè)大醫(yī)學(xué)者已經(jīng)能打印出器官，并且也已經(jīng)證明不會(huì)發(fā)現(xiàn)人體和器官不會(huì)互相傷害的現(xiàn)象。同時(shí)在航空活動(dòng)中，其也會(huì)發(fā)展出各種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)還有，這種技術(shù)本來就是夢(mèng)想，是不可企及的，但是卻已經(jīng)在漸漸發(fā)展中了。
3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的越來越好了，目前它已經(jīng)發(fā)展的有超過10年的時(shí)間，并且它的打印精度也發(fā)展的越來越小了，大約為0.001mm，3D技術(shù)能夠復(fù)制出你眼中所見的物體。如作者所見到的，這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很快了，不但如此，而且打印的物體也已經(jīng)有了不錯(cuò)的精度。在如今，許多的國內(nèi)大企業(yè)也有自己的三維打印機(jī)，不過機(jī)器確實(shí)不怎么比的過國外企業(yè)，作者也要期盼國內(nèi)科技水平發(fā)展的越來越好。在這些客觀因素之外，還有許多東西阻礙著國內(nèi)的3D打印技術(shù)的發(fā)展，這些阻力同時(shí)也給企業(yè)以挑戰(zhàn)，爭(zhēng)取創(chuàng)造成更符合大眾口味的東西。
在如今的時(shí)間段里，這種技術(shù)主要用在西方國家，大致分布在商業(yè)還有機(jī)械制造兩方面。許多人足不出戶的去做各種屬于他們自己的設(shè)計(jì)，并且可以通過各種平臺(tái)發(fā)送到就近的打印店為他們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)體建模，許多職員就用這種方法完成自己的工作。剛剛上述說的已經(jīng)形成了一條良性循環(huán)，不過這些在國內(nèi)還并沒有發(fā)展起來。不過，我堅(jiān)信在不久的未來，在國內(nèi)的這種3D打印技術(shù)也會(huì)發(fā)展很快，到時(shí)候市場(chǎng)也會(huì)為它大開方便之門，這種技術(shù)賺錢的日子也是指日可待了。
1.2 3D打印技術(shù)的整體分類
3D打印技術(shù)總體按照其成型物體的技術(shù)工藝不同，大體分為下述幾類。
光敏樹脂凝固技術(shù)又叫做用光刻造型法，平時(shí)用它來進(jìn)行立體的印刷模型物體。它是用紫外線來照射，之后在物體的表面漸漸堆積，并通過樹脂形成固化層，因此制造出完整的三維物體。精度不錯(cuò)，表面光滑是這種技術(shù)的最顯著特點(diǎn)。在這種情況下，各種材料利用非常完善，總體形成的結(jié)構(gòu)尺寸都十分復(fù)雜，這樣打造出的產(chǎn)品外觀顯得自然美觀。然而這種技術(shù)制造成品造價(jià)會(huì)很高，并且不能打印體積太大的物體。
選區(qū)片層粘結(jié)技術(shù)主要作用的物體是激光，主要是用激光切割的方式將原材料在使用紙用膠黏劑的情況下，二氧化碳激光束在箔或掃描切削的二維橫截面紙材料的頂控制，則輪廓切割出小正方形晶格之外廢物中，每個(gè)鍵后切斷層的橫截面，工作臺(tái)自動(dòng)降到橫截面層，之后將上述的操作步驟反復(fù)，最后完成整個(gè)物體的三維建模。打印速度快并且材料能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益大是這種技術(shù)最大的特點(diǎn)，并且此種技術(shù)可以保證打造出長度和大致形狀都符合的物體。在材料真正成型后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)打印出的模型更適合大型的出行機(jī)械如汽車和船舶等。
選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)與上述的片層粘結(jié)技術(shù)差距不大，同樣是利用激光束所產(chǎn)生的能量，將材料一次次的煅燒出粉末來堆積粘結(jié)出具體的打印模型。在一定程度上，這種成型建模技術(shù)將成型出一個(gè)優(yōu)質(zhì)硬模。這種技術(shù)如果在沒有大型施工設(shè)計(jì)的情況下，可以極大的縮短了打印成型所需的時(shí)間，打印速率很快。
融化積蓄成型技術(shù)是一種精密工藝技術(shù)，它是通過自下而上的方式，將噴嘴噴出的融化完成的塑料絲制物慢慢堆疊，一邊堆積一邊印刷，從而慢慢形成的三維建模成型工藝。這種技術(shù)具備了許多優(yōu)點(diǎn)如耗能低，并且打印出的物品品質(zhì)比較高。不過他也有不少缺點(diǎn)，比如印刷時(shí)間長，還有需要不少的其余材料。
1.3 并聯(lián)臂3D打印機(jī)的概述
3D打印機(jī)不同于傳統(tǒng)的二維打印機(jī)，在一定空間內(nèi)，材料會(huì)受到擠壓或者預(yù)熱而產(chǎn)生融化現(xiàn)象，之后會(huì)在打印機(jī)打印系統(tǒng)的運(yùn)作下，逐漸在上面增加，創(chuàng)造出全新的三維物體。這種方法目前在三維立體界帶領(lǐng)著一種潮流。從上述可看的出來，并聯(lián)臂的3D打印機(jī)操作簡(jiǎn)單，且速度很快。首先通過計(jì)算機(jī)圖形軟件，使您要打印的三維模型導(dǎo)入到專業(yè)軟件的切片，然后切成計(jì)劃的樣子，如此這般會(huì)出現(xiàn)三維物體。據(jù)資料顯示，大約在上世紀(jì)90年代時(shí)，這種技術(shù)已經(jīng)被用到許多不同的工作之中。這種又可以命名叫做數(shù)字化的增材技術(shù)，目前已經(jīng)充分的發(fā)揮了其完全的魅力。在這些巨大優(yōu)點(diǎn)的背后，同時(shí)也出現(xiàn)了許多短處。例如目前的3D打印技術(shù)的在選材上將受到苛刻的限制條件，還有一些大型物體因?yàn)槌叽绲南拗颇壳爸荒芸s小著打印其真實(shí)模型。而本文自主設(shè)計(jì)的這款并聯(lián)臂3D打印機(jī)將突破一般的市面上零售的打印機(jī)，它會(huì)更加靈活，會(huì)通過三個(gè)軸的快速運(yùn)轉(zhuǎn)增加打印面積的靈活度，且他所占空間十分之小，方便攜帶。
在這個(gè)程度上，3D打印機(jī)在大眾視野中變得越來越普及，而目前要專業(yè)建模軟件才可導(dǎo)出模型的情況也將隨之改變。大量的設(shè)計(jì)師會(huì)在這些軟件入手，做出大量修改，會(huì)讓這些專業(yè)軟件變得十分簡(jiǎn)易。我堅(jiān)信在不遠(yuǎn)的將來這些建模軟件不會(huì)再那么遙不可及，這樣也會(huì)大大的降低打印技術(shù)的困難度。
總而言之，目前的3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，有良好的平臺(tái)和空間供設(shè)計(jì)者發(fā)揮。而設(shè)計(jì)者也要如作者一般，能夠在普通3D打印機(jī)上增加一些如并聯(lián)臂一樣的裝置，從而使機(jī)器更加靈活，這樣會(huì)使機(jī)器更加完美，這種技術(shù)的發(fā)展步伐也會(huì)越遠(yuǎn)。
1.4 并聯(lián)臂3D打印機(jī)面臨的挑戰(zhàn)
如今并聯(lián)臂3D打印機(jī)其實(shí)并不能為大眾所接受，這是因?yàn)樗牟环€(wěn)定性，并且還有一些其他的弊端。我大致分為了四點(diǎn)，下面來給大家詳述。
一、成本過高 在一定程度上，3D打印機(jī)確實(shí)是給大家?guī)砹朔奖?，但是其?shí)它的制作成本非常高。暫且不說進(jìn)行三維建模要花很大的精力，打印機(jī)的運(yùn)作動(dòng)作復(fù)雜，并且因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)的影響，作者需要大量的時(shí)間和金錢來支撐它的運(yùn)作，而這些時(shí)間最后也轉(zhuǎn)化成為成本費(fèi)用。
二、耗費(fèi)的材料 上面剛剛具體說明了機(jī)器的運(yùn)作，現(xiàn)在作者來討論一下制作時(shí)耗費(fèi)的材料。這些材料可以為有機(jī)材料，也可為無機(jī)材料。如塑料，橡膠等一些都是比較常見的材料，這些其實(shí)都是其中比較便宜的。但是如果有些物體必須用到化學(xué)聚合物之類，那么這些材料的耗費(fèi)就分廠巨大。這些也是作者目前考慮的現(xiàn)實(shí)問題。
三、新技術(shù)的發(fā)展 目前的技術(shù)雖然也已經(jīng)發(fā)展的很快，但是也不應(yīng)停滯不前，應(yīng)該努力開發(fā)新的技術(shù)。在這種情況下，作者設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂支架系統(tǒng)，就是打破常規(guī)的一種及其有力的見證。所以設(shè)計(jì)一定要開動(dòng)腦筋，在目前市場(chǎng)上的打印機(jī)上做一些優(yōu)化，這樣設(shè)計(jì)的物品在銷售上占優(yōu)勢(shì)。
四、打印精度 在目前的情況下，本次設(shè)計(jì)出的打印機(jī)已經(jīng)在精度上有了大的突破，也已經(jīng)為大眾所接受。但是作者也并不能就此放棄這方面的探索，而應(yīng)該突破更大發(fā)展空間。并且在精度越高的時(shí)候，價(jià)格也會(huì)越高。所以目前的精度并不能大量生產(chǎn)，并且在精度對(duì)于成本和速率有很大的矛盾。
在指導(dǎo)老師的傾力協(xié)助之下，作者對(duì)于并聯(lián)臂3D打印機(jī)也有了非常深刻的認(rèn)知，并且對(duì)于其內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也全部了解的很詳細(xì)。
2 總體設(shè)計(jì)情況
2.1 并聯(lián)臂3D打印機(jī)的技術(shù)指標(biāo)
如市場(chǎng)上目前最大的是工業(yè)級(jí)打印機(jī)約為是，但是這次所設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂打印機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)原因?yàn)椴⒙?lián)臂，顯得不夠穩(wěn)定。所以這次打印的范圍大約為 另外因?yàn)槭遣⒙?lián)臂打印機(jī)，所以其特點(diǎn)為足夠靈活。因此其打印速度會(huì)足夠大，約為。整個(gè)打印機(jī)如果在一小時(shí)不停的工作，大約可以打印二十克左右。還有在打印機(jī)的整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，底座的地位可以說是重中之重，因此底座的高度問題，作者決定設(shè)計(jì)為，這樣才足夠高，不影響并聯(lián)臂的正常運(yùn)作。
2.2 主要框架和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
并聯(lián)臂3D打印機(jī)主要的框架結(jié)構(gòu)俯視著看大約是一個(gè)正三角，其中最重要的是支撐著打印設(shè)備的推桿支架。因此這次設(shè)計(jì)的主要工作是整體的外部和內(nèi)部框架，運(yùn)送材料的機(jī)構(gòu)，還有最為主要的打印機(jī)構(gòu)。內(nèi)外部框架大致可分為支撐并聯(lián)臂打印機(jī)整體的底座，控制著打印系統(tǒng)具體運(yùn)作方向的推桿支架，還有固定這些支架的頂框。再加上運(yùn)送材料支持打印的運(yùn)送機(jī)構(gòu)和主要的打印機(jī)構(gòu)，就組成了整個(gè)并聯(lián)臂打印機(jī)的全部結(jié)構(gòu)。
2.3 設(shè)計(jì)路線和需要解決的問題
本篇論文所設(shè)計(jì)的是并聯(lián)臂3D打印機(jī)，這次設(shè)計(jì)主要先從外部輪廓開始，在整體框架中先設(shè)計(jì)打印機(jī)整體底座，然后是推桿的支架，之后到整個(gè)打印機(jī)的頂框，最后設(shè)計(jì)出的將是送料的機(jī)構(gòu)還有打印機(jī)構(gòu)。本課題追求的是全部整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且也將從外部的各個(gè)框架結(jié)構(gòu)到內(nèi)部的打印機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。之后漸漸完成并聯(lián)臂打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)。
目前作者基本確定了并聯(lián)臂3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)線路，但是還有幾個(gè)迫在眉睫的問題需要解決。
1、 現(xiàn)在作者所設(shè)計(jì)的框架已經(jīng)目標(biāo)明確，所以還是要繼續(xù)考慮選擇的材料問題，并且要準(zhǔn)確的計(jì)算出框架零件壓力，來判斷出整體框架是否能夠承受整個(gè)打印機(jī)系統(tǒng)。
2、 決定本次設(shè)計(jì)的運(yùn)送材料的裝置是如何運(yùn)作的，還有運(yùn)送的材料選擇的種類。
3、 校核此次設(shè)計(jì)中，打印機(jī)構(gòu)是如何傳動(dòng)的，還有就是如何噴出材料的
3 并聯(lián)臂3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 整體并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1 工作原理
本論文此次設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂3D打印機(jī)，在頂框上的橫向軸上裝載的滑軌推桿上，裝有四個(gè)步進(jìn)電機(jī)。在這些電機(jī)中，有三個(gè)是控制著方向的，可以讓打印機(jī)構(gòu)在框架中隨意動(dòng)作，還有一個(gè)負(fù)責(zé)著材料的運(yùn)送，然后噴嘴將材料噴出。這四個(gè)電機(jī)協(xié)同工作，可以在打印平臺(tái)上打印出三維立體模型。
3.1.2 并聯(lián)臂打印機(jī)的系統(tǒng)框架
并聯(lián)臂打印機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)件主要包括四個(gè)步進(jìn)電機(jī)，用來推進(jìn)推桿在三維空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)和運(yùn)送材料，還有同步輪、帶各三個(gè)，來帶動(dòng)各軸的運(yùn)動(dòng)。并且在擠出材料的裝置上安裝一個(gè)擠出輪，這樣擠出裝置可以更好地運(yùn)作。整個(gè)內(nèi)部框架中有六個(gè)推桿，在電機(jī)的運(yùn)作下，拉動(dòng)打印機(jī)構(gòu)在具體范圍內(nèi)打印。還有六個(gè)推桿的支撐處必須有六個(gè)深溝球軸承來保持著推桿的靈動(dòng)性。還有一些內(nèi)六角的螺栓螺母。
最上方頂框上的角件，下方底座的角件，在一定程度中，還有在其中打印物體的中心平臺(tái)，滑座等非標(biāo)準(zhǔn)件都是并聯(lián)臂打印機(jī)的重要組成部分。
3.1.3 框架結(jié)構(gòu)
用鋁制材料制成的整體框架將具有韌性強(qiáng)，延展性強(qiáng)，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，作者選用大約六根軸和三個(gè)底座角件組成了整個(gè)底座系統(tǒng)。之后往上會(huì)看到六根推桿，這些推桿是用來支撐著打印系統(tǒng)在其打印范圍來回聯(lián)動(dòng)的。最后在打印機(jī)頂部有頂框的結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，有可以來回滑動(dòng)的軸，這樣軸上的滑動(dòng)塊能夠自由活動(dòng)，還有組成頂框的三個(gè)頂框角件和六根軸。整個(gè)并聯(lián)臂打印機(jī)的框架外部看起來就是一個(gè)三棱柱，俯視的話可以看到上方就是一個(gè)正三角形狀。這樣的設(shè)計(jì)會(huì)確保并聯(lián)臂3D打印機(jī)的穩(wěn)定性，這樣可以讓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)著打印系統(tǒng)，在其打印區(qū)域來進(jìn)行XYZ方向的三維聯(lián)動(dòng)。
3.2 底座設(shè)計(jì)
3.2.1 底座角件設(shè)計(jì)
上述已經(jīng)表明，底座結(jié)構(gòu)就如同一個(gè)正三角形，而底座角件就相當(dāng)于三角形三個(gè)角的功能，它是來連接著相鄰的兩個(gè)軸，使其更加穩(wěn)定，所以它是整個(gè)底座的重要組成部分。再者，它還支持著整個(gè)打印機(jī)，所以它的設(shè)計(jì)是很重要的。
下面詳述的是作者所設(shè)計(jì)的角件的三視圖，可以直觀表明其具體形狀，如圖3-1所示
圖3-1角件三視圖
這次設(shè)計(jì)的角件功能十分強(qiáng)大，它不僅要連接著各個(gè)拉軸，還有承擔(dān)著整個(gè)并聯(lián)臂打印機(jī)重量，因此必須要計(jì)算出整個(gè)并聯(lián)臂打印機(jī)對(duì)其的壓強(qiáng)，這樣才能確認(rèn)選擇什么材料最佳，以此來達(dá)到最佳要求。
本次預(yù)設(shè)的并聯(lián)臂打印機(jī)重量為，三個(gè)底座角件總面積約為，所受的壓強(qiáng)可見公式（3.1）
式（3.1）
在公示中，——壓強(qiáng)
F——打印機(jī)重量
S——角件總面積
得。
在得到壓強(qiáng)的情況下，在綜合比對(duì)了許多材料之后，其中包括各種復(fù)合材料。再結(jié)合這些材料的環(huán)保程度，和所能承受的壓強(qiáng)在什么范圍內(nèi)，還要保持較強(qiáng)的硬度和強(qiáng)度。所以作者決定選擇PLA材料。這種材料的壓強(qiáng)承受在40-60Mpa，遠(yuǎn)低于所要求的壓力較大的PLA材料的許用壓強(qiáng)，所以這種材料是符合各個(gè)條件的。
3.2.2鋁制材料選擇
在上述情況下，再結(jié)合下述的表格3-1，作者在參照對(duì)比各種鋁制材料的參數(shù)之后，決定選用2020GW型號(hào)的鋁制材料。
表3-1 鋁制材料參數(shù)表
下述為選用的材料結(jié)構(gòu)圖3-2
圖3-2 2020GW鋁材料結(jié)構(gòu)圖
3.2.3 底座的整體形成
此次設(shè)計(jì)的打印機(jī)的整體底座結(jié)構(gòu)大致分為兩個(gè)部分，一為三個(gè)底座角件，二為鋁制材料的軸，這兩個(gè)部分都是用內(nèi)2020GW六角的螺栓螺母連接而成。在每個(gè)角一個(gè)面具有兩個(gè)Φ8孔用于組裝Φ8線性軸，并用三個(gè)固定夾緊孔來裝載線性軸。角件在內(nèi)側(cè)有四個(gè)Φ3間隔孔，這些孔是用來讓螺栓和螺母完成步進(jìn)電機(jī)的固定成型。上述說明都在下面的裝配圖中可見，打印機(jī)基座Pro / Engineer裝配見圖3-3
圖3-3 底部基座Pro / Engineer圖
3.3整體支架設(shè)計(jì)
3.3.1 直線光軸彎曲應(yīng)力計(jì)算
整個(gè)支架設(shè)計(jì)主要有幾個(gè)部分，用來保持軸在空間內(nèi)三維聯(lián)動(dòng)的推桿，還有必須保持打印系統(tǒng)在水平方向工作的線性軸。作者這次的設(shè)計(jì)在打印時(shí)，整體的外部框架保持不動(dòng)的情況下，各軸必須在打印范圍內(nèi)隨意移動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生很多的軸彎曲現(xiàn)象。所以在設(shè)計(jì)支架的過程中，計(jì)算彎曲應(yīng)力必定會(huì)成為設(shè)計(jì)工作的重要一環(huán)。作者要根據(jù)計(jì)算出力的數(shù)值來判斷軸是否可用，設(shè)計(jì)是否合理等等。
判斷軸是否可用，按彎曲時(shí)，軸的計(jì)算為式（3.2）。
式(3.2)
其中D——線性軸直徑
m——彎矩
——彎曲應(yīng)力
在這些軸中，所受的力都是大致相等的。所以應(yīng)該對(duì)著其中的一個(gè)軸進(jìn)行受力分析。還有各軸的位置是固定的，但是外框上的帶動(dòng)桿滑動(dòng)的裝置是不固定的，所以這其中增加了其不穩(wěn)定性。下面的圖及為軸受力分析，在其中作者可以簡(jiǎn)明扼要的看出其具體的情況。
圖3-4 軸的受力分析
解：，
，
這時(shí)支座受到的力為
，
軸剪力和彎矩得
圖3-5 軸剪力圖
圖3-6 軸彎矩圖
根據(jù)上述的這些圖中，作者可以看出軸的中間受到的力最大，因此這個(gè)地方也會(huì)越脆弱。在這些圖中也會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x=a這個(gè)時(shí)候，彎矩最大。
所以在軸的長度為465mm時(shí)，使得
，
3.3.2 直線光軸材料的選擇
在此次支架的設(shè)計(jì)中，軸的重要性可見一斑。所以本次設(shè)計(jì)必須選擇彎曲應(yīng)力足夠大的材料來作為軸的材料，因此從中查得
表3-2 軸彎曲應(yīng)力表
根據(jù)上述的計(jì)算過程，作者從中知曉了，然后從表中的信息得出此設(shè)計(jì)材料可以選用45鋼，它的，這種材料完全符合上述的計(jì)算出的數(shù)值，具體的材料參數(shù)如下
表3-3 45鋼參數(shù)表
3.4 頂框設(shè)計(jì)
3.4.1 打印機(jī)頂部設(shè)計(jì)
因?yàn)樽髡咚O(shè)計(jì)的整個(gè)外部框架結(jié)構(gòu)就是一個(gè)三棱柱。因此頂部的設(shè)計(jì)與頂部異曲同工，與打印機(jī)的底部設(shè)計(jì)相同，同樣是由三個(gè)角件和三根鋁材構(gòu)成。它們的不同處是在頂框上需要增加一個(gè)滑動(dòng)輪，這個(gè)滑動(dòng)輪是用來固定推桿，拉動(dòng)著打印系統(tǒng)運(yùn)作的。這個(gè)滑動(dòng)系統(tǒng)中有四個(gè)電機(jī)來負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和送料。下面的是頂框上的邊角圖
圖3-7頂框邊角圖
在上述就已經(jīng)表明，這個(gè)頂框邊角與底框一模一樣。并且因?yàn)樗窃谏戏?，所以并沒有那么大的負(fù)荷。雖然如此，但是作者決定一樣把它的材料設(shè)定為PLA，這樣使得上下完全一致，也可以讓打印機(jī)更加美觀和耐用。
3.4.2 鋁制材料選擇
同樣的情況，頂部和底部也是一樣，同樣都選擇2020GW鋁材。
3.4.3 頂部的整體設(shè)計(jì)
這次設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂打印機(jī)頂部，主要由三個(gè)頂部邊角和三根鋁材所拼湊出整個(gè)打印機(jī)上部形態(tài)。同時(shí)再將頂部全部設(shè)計(jì)且拼裝完成的情況下，作者也要將“三棱柱”的棱框的固定點(diǎn)確定。頂部的正三角同樣是由內(nèi)六角的螺栓和螺母固定在角件的定位孔內(nèi)。同時(shí)連接打印機(jī)上下兩部分的是六根細(xì)軸。相鄰的兩軸又稱為一個(gè)塔，我把它們叫做XYZ三塔。詳情可見下圖
圖3-8頂框Pro / Engineer三維連接圖
3.5 送料裝置設(shè)計(jì)
3.5.1 擠出材料裝置
在打印機(jī)工作時(shí)，打印系統(tǒng)必須要有材料才能打印出塑膠模型。所以運(yùn)送物料的機(jī)構(gòu)也發(fā)揮了非常大的作用。因此在設(shè)計(jì)出送料機(jī)構(gòu)時(shí)，擠出材料的基座會(huì)在強(qiáng)度和塑性方面有些變化。在為了更加方便制作的基礎(chǔ)上，所以作者把它的作用設(shè)定為連接零件。在上述的這些條件下，擠出裝置也選擇為PLA，并且可以確實(shí)打印。擠出裝置如下
圖3-9 擠出裝置三視圖
3.5.2 滾動(dòng)軸承篩選
在運(yùn)送物料時(shí)，雖然目前的設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠基本完成。但是還是有許多不足之處，例如擠出裝置十分呆板，并且顯得不夠流暢。因此作者在擠出裝置中加入了滾動(dòng)軸承，來實(shí)現(xiàn)打印過程的無聲和運(yùn)行流暢。目前作者主要在對(duì)比各種軸承的參數(shù)來確定使用何種最佳。最后發(fā)現(xiàn)U604ZZ軸承完全符合要求。具體參數(shù)如下
表3-4 U604ZZ軸承參數(shù)表
3.5.3 擠出裝置構(gòu)成和選擇
在整體運(yùn)送物料的過程中，材料是通過擠出裝置一點(diǎn)點(diǎn)傳送出，在噴頭中出現(xiàn)然后完成整體打印。因此，要保證正常的出絲問題也必須提上日程。首先，動(dòng)力問題。運(yùn)送材料必須要有動(dòng)力，需要一個(gè)電機(jī)來保證材料的驅(qū)動(dòng)。還有，靈活性。如果打印速度變得快速，那么運(yùn)送材料也必須保持其靈活性。所以，本設(shè)計(jì)應(yīng)在擠出裝置中增加了一個(gè)擠出輪，來增強(qiáng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。
上述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)這里先不詳述，會(huì)在后文中充分說明其具體選型。而選擇什么樣擠出輪就成為工作重點(diǎn)。擠出輪必須保證足夠小巧，因?yàn)樽髡咴O(shè)計(jì)的打印機(jī)也并不大。根據(jù)準(zhǔn)確的參數(shù)對(duì)比，和具體的實(shí)際情況，還有設(shè)計(jì)的打印機(jī)運(yùn)送材料是1.75mm的。在這些情況下，此設(shè)計(jì)選擇M11的擠出輪，如下表
表3-5 MK8擠出輪參數(shù)表
3.5.4 材料運(yùn)送整體設(shè)計(jì)
整個(gè)材料的運(yùn)送大約是在打印機(jī)噴頭運(yùn)作時(shí)，在運(yùn)料裝置的入口處放入打印所需的材料，之后這些材料會(huì)進(jìn)過齒輪的傳動(dòng)，被擠出到專門運(yùn)送材料的管道，然后送到噴頭進(jìn)行打印作業(yè)。整個(gè)運(yùn)送裝置缺一不可，所以此設(shè)計(jì)必須用螺栓和螺母將上述的零件進(jìn)行組合和固定，這樣才能完成了材料運(yùn)送裝置的整體設(shè)計(jì)。如下圖
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圖3-10運(yùn)材裝置整體設(shè)計(jì)Pro / Engineer圖
3.6 整體打印系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.6.1 電機(jī)的選擇
在整個(gè)打印機(jī)運(yùn)作時(shí)，所有的動(dòng)力源都是電機(jī)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，電機(jī)的地位舉足輕重，必定排在首位。沒有電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就如同人沒有靈魂，完全不能動(dòng)作。電機(jī)的工作原理其實(shí)簡(jiǎn)單的說，就是信息的互相傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體的驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的信號(hào)，這樣會(huì)使打印頭在XYZ方向隨意運(yùn)動(dòng)，并且可以將材料運(yùn)送到具體打印之處。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，何時(shí)停止都十分講究，并聯(lián)臂打印機(jī)上的電路每接收到一個(gè)信號(hào)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)到一定角度。這樣一次次的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且經(jīng)過信息的轉(zhuǎn)化，會(huì)在打印平臺(tái)上一點(diǎn)點(diǎn)的成型具體的模型。電機(jī)的每次轉(zhuǎn)動(dòng)，就代表著打印中設(shè)備的漸漸累計(jì)，逐漸的送材，直到最后完成具體的打印。
目前作者必須確保打印機(jī)打印出的成品精度合格，這是此設(shè)計(jì)選擇的電機(jī)最起碼的底線條件。然后作者要具體考慮的是電機(jī)的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)速度等等。這些條件要根據(jù)具體的電機(jī)參數(shù)分析，最后此設(shè)計(jì)決定選擇型號(hào)是的電機(jī)，這樣才能保證打印系統(tǒng)的正常運(yùn)作。
表3-6 42BYGH兩相電機(jī)參數(shù)表
選擇的模型為42BYGH47-401A的電機(jī)見下圖
圖3-11 42BYGH47-401A電機(jī)主視俯視圖
3.6.2 同步輪的選擇
這次整體的打印機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要就是要讓打印系統(tǒng)動(dòng)起來，可以讓打印裝置真正可以自然運(yùn)作。所以要加入同步輪，可以讓其在電機(jī)中起到傳動(dòng)的效果。電機(jī)運(yùn)作會(huì)傳導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，然后通過同步輪帶動(dòng)整個(gè)打印噴頭，來傳遞動(dòng)作。因?yàn)樵陔姍C(jī)中增加傳動(dòng)輪，所以這是一個(gè)精細(xì)活。所以作者最看重的還是傳動(dòng)輪的精細(xì)這一條件。
根據(jù)電機(jī)的大小，可以選擇出同步輪的具體規(guī)格條件，大約為共二十齒的兩齒之間的距離為2.032mm，輪的直徑可以設(shè)定為12.9mm，而輪的內(nèi)部距離為，另一邊的雙外徑大約為18mm，其高度共為20mm。
表3-7三種規(guī)格同步輪對(duì)照表
3.6.3 同步帶選型
根據(jù)上述已經(jīng)確定的同步輪的規(guī)格，作者不難選擇出同步帶的具體參數(shù)。在一定情況下，同步帶、輪必須保持完美的嚙合狀態(tài)。所以作者得出同步帶的兩齒間的距離大約為2.032mm，其他條件只要大約滿足齒的高度達(dá)到0.51mm，還有齒的厚度滿足達(dá)到1.14mm的條件，就可以保持輪帶步調(diào)一致。見下圖
圖3-12 同步帶平面圖
3.6.4 軸承的選取和校對(duì)
當(dāng)打印機(jī)真實(shí)運(yùn)作時(shí)，電機(jī)也會(huì)跟著運(yùn)轉(zhuǎn)起來，之后在電機(jī)其中的滑動(dòng)輪帶將會(huì)跟著承受非常大的徑向載荷，所以此設(shè)計(jì)要選取軸承來承載，從而讓其支撐傳送裝置所產(chǎn)生的各種壓強(qiáng)。
作者進(jìn)過兩相對(duì)比了和圓滾式兩種軸承，并結(jié)合此設(shè)計(jì)所需要其承載的載荷，還有它所起到的作用。作者發(fā)現(xiàn)外觀美觀，使用方便迅捷的深溝球軸承，是此設(shè)計(jì)的不二之選。下面見公式（3.3）
式（3.3）
再上述的式中，C代表的是在額定的數(shù)值工作下，其靜載荷的數(shù)值，而后面的則是軸承的主要的安全因數(shù)，是軸承所經(jīng)受的當(dāng)量靜載荷，最后的則是本次設(shè)計(jì)必須滿足的條件，這個(gè)數(shù)值作者可以從表中得出。
表3-8 軸承安全因數(shù)表
表3-9當(dāng)量靜載荷的計(jì)算
從上述表中得到信息，我們可以計(jì)算
整體計(jì)算出
在的情況下，時(shí)，取
再帶入壓力數(shù)值，可得
之后，作者在查得各種專業(yè)書籍的參數(shù)表，來得到關(guān)于軸承的最佳選擇。見下表
表3-10深溝球軸承參數(shù)表
從表格中，作者可以得出大量的信息，再根據(jù)打印機(jī)其他部分的設(shè)計(jì)，必須要判定其是否符合要求。在一定程度上，傳送的帶輪要符合的條件也已經(jīng)明確，所以此設(shè)計(jì)選取628/8軸承，來進(jìn)行打印機(jī)的運(yùn)作。
3.6.5 滑動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
在用并聯(lián)臂3D打印機(jī)進(jìn)行打印作業(yè)時(shí)，通過電機(jī)的運(yùn)作，使打印頭可以在打印范圍內(nèi)自由移動(dòng)，這靠的是在豎直方向的三個(gè)塔，有滑動(dòng)裝置在這三個(gè)塔上來回活動(dòng)，然后帶動(dòng)著這個(gè)打印頭可以在豎直或者水平方向自由活動(dòng)。雖然打印頭的動(dòng)作比較多變，但是其實(shí)這些滑動(dòng)裝置只是在三個(gè)塔上做著豎直方向上來回往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，只是簡(jiǎn)單的垂直方向的位移直線運(yùn)動(dòng)。整個(gè)大的滑動(dòng)裝置，與打印機(jī)其他材料一樣，使用PLA材料。這樣可以在同種材料的磨合時(shí)期，起到非常大的效果。具體見下圖
圖3-13 滑動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖
3.6.6 萬向節(jié)設(shè)計(jì)
在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，還有整個(gè)并聯(lián)臂3D打印機(jī)的整體結(jié)構(gòu)中，作者忽視了一個(gè)重要問題。在各個(gè)可移動(dòng)的桿軸接觸位置，雖然都是有內(nèi)六角的螺栓和螺母固定，但是因?yàn)檫@些可動(dòng)作的裝置中，必須要存在一個(gè)潤滑劑。它就相當(dāng)于人的關(guān)節(jié)，可以在動(dòng)作時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以本次設(shè)計(jì)必須在三個(gè)棱柱塔中，滑動(dòng)裝置上裝一個(gè)萬向節(jié)，它可以用來促進(jìn)轉(zhuǎn)向不靈活的情況。
這樣推桿在和萬向節(jié)連接時(shí)，就不會(huì)發(fā)生機(jī)械裝置之間的摩擦現(xiàn)象。并且作者在將其加入設(shè)計(jì)時(shí)，也已經(jīng)將其材料設(shè)定為PLA，這樣也可以保證設(shè)計(jì)中機(jī)械運(yùn)作，它可以承載的機(jī)械強(qiáng)度。具體見下圖
圖3-14 萬向節(jié)三視圖
3.6.7 打印平臺(tái)設(shè)計(jì)
在整個(gè)并聯(lián)臂3D打印機(jī)設(shè)計(jì)中，打印運(yùn)作時(shí)，操作需要一個(gè)平面空間，來放置打印的物體和完成打印的整個(gè)過程。因此本次設(shè)計(jì)需要在打印機(jī)的中心位置，設(shè)計(jì)出一個(gè)打印平臺(tái)。作者會(huì)使用這個(gè)平臺(tái)來連接打印噴頭定位，同時(shí)也必須將拉動(dòng)噴頭的軸，和打印平臺(tái)還有滑動(dòng)裝置緊密相連。這樣可以使其渾然一體，促進(jìn)打印機(jī)整體更好運(yùn)作。
在上述中，打印平臺(tái)不可能會(huì)被施加重壓，因此在材料的選擇上上同樣選用PLA，是整個(gè)打印機(jī)渾然一體。具體圖如下
圖3-15 打印平臺(tái)具體結(jié)構(gòu)圖
3.6.8 推桿設(shè)計(jì)
在整個(gè)并聯(lián)臂3D打印機(jī)設(shè)計(jì)中，作者發(fā)現(xiàn)有幾根軸兩頭分別連接著中間的打印平臺(tái)和滑動(dòng)裝置。它的作用就是傳動(dòng)的，它是把電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過在塔上的豎直滑動(dòng)，然后就是這根軸推動(dòng)打印平臺(tái)也運(yùn)動(dòng)。由于其推動(dòng)作用，它被命名為推桿。但是目前最主要的問題就是這根軸的長度無法確定。所以作者要選取一個(gè)特別的位置來確定其極限長度，這樣就能大致了解其長度范圍。作者先從3D圖中大致了解其構(gòu)造，然后到平面圖中具體的分析計(jì)算其長度，具體如下
圖3-16 無推桿3D圖
圖3-17 推桿平面圖
根據(jù)圖中已經(jīng)明確的打印機(jī)具體參數(shù)，可以計(jì)算如下
因此
根據(jù)上面的計(jì)算過程，作者可以確定出拉軸的長度范圍為98.6-244.2mm，這里面的任意值都是合適的，這次設(shè)計(jì)中將設(shè)定這根軸的長度為185mm。
如下圖
圖3-18 推桿結(jié)構(gòu)圖
3.6.9 噴頭座設(shè)計(jì)
這次設(shè)計(jì)的主要目的，還是要讓打印機(jī)運(yùn)作起來。設(shè)計(jì)的打印機(jī)是用來進(jìn)行完整的打印運(yùn)作的，所以在打印時(shí)需要噴頭來噴送材料支撐整個(gè)打印過程。但是噴頭必須要有一個(gè)底座來固定，所以此次設(shè)計(jì)任務(wù)又必須加上設(shè)計(jì)一個(gè)噴頭座。
整個(gè)噴頭裝置主要有噴頭底座和噴料的噴頭組成，它們之間的連接主要是用螺栓螺母組裝。在電機(jī)運(yùn)作時(shí)，通過滑動(dòng)，推桿的傳動(dòng)，作者發(fā)現(xiàn)噴頭裝置可以在打印空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，直到最終完成打印。具體見下圖
圖3-19噴頭座結(jié)構(gòu)圖
3.6.10 風(fēng)扇的選擇
打印機(jī)在打印時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)的工作，不可避免的會(huì)產(chǎn)生很大的熱量。還有在安裝了四個(gè)電機(jī)的情況下，這種情況也會(huì)變得更加嚴(yán)重。也為了放置材料因?yàn)檫^熱，發(fā)生融化現(xiàn)象，最后堵住噴頭，使得打印機(jī)不能正常運(yùn)作。
因此要在噴頭處安裝一個(gè)風(fēng)扇，來起到散熱降溫的作用。在對(duì)比了各種風(fēng)扇的型號(hào)之后，本次設(shè)計(jì)決定選擇DFS300612H規(guī)格的風(fēng)扇，見下表
表3-11 DFS300612H型風(fēng)扇
3.6.11 打印噴頭整體及內(nèi)部構(gòu)成
如果把并聯(lián)臂3D打印機(jī)比作一個(gè)計(jì)算公式，那么打印噴頭就可以說是得出的結(jié)果。有的時(shí)候過程不重要，結(jié)果決定一切。所以我以為打印噴頭的設(shè)計(jì)一定要精細(xì)。
打印噴頭可以說是最重要的部分，它的組成部分分別包括了噴嘴接頭，這是用來傳送材料的，可以提高運(yùn)送材料的速度。這與運(yùn)送材料管連接，是不可缺少的。這個(gè)接頭應(yīng)選擇1.75mm的，這是作者設(shè)定的最合理的尺寸。還有在其中裝有，它是用來給整個(gè)裝置散熱降溫的，所以它的作用也非常巨大。因此應(yīng)選取其尺寸為直徑36mm，高度60mm。有了散熱器，與之相對(duì)應(yīng)得，在噴頭整體內(nèi)部一定會(huì)有加熱的部件，及為加熱頭，主要用來加熱。這里面還有熱量的傳導(dǎo)，來使材料融化，然后才可以將材料噴出來進(jìn)行打印。最后就是打印用的噴頭，噴頭因?yàn)橐谧羁斓臅r(shí)間里把熱量傳輸給材料，使其融化，因此此次設(shè)計(jì)必須選擇導(dǎo)熱性能好的噴頭才能符合要求。如下圖
圖3-20 噴頭的平面圖
上述的各個(gè)部件組成了整體的打印噴頭，其組成部分和具體的參數(shù)上面已經(jīng)大致解析過了，下面是其整體構(gòu)成和三維圖。
圖3-21
圖3-22噴頭裝置Pro / Engineer3D圖
3.6.12 并聯(lián)臂3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)
本次整體設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂3D打印機(jī)目前已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完畢，不管是外部框架的設(shè)計(jì)還是內(nèi)部打印時(shí)必須的運(yùn)送物料和正式動(dòng)作時(shí)的打印機(jī)構(gòu)。作者都已經(jīng)事無巨細(xì)的做出了必要設(shè)計(jì)。外部框架中分別為上下框的邊角，還有框架上的六根豎軸和滑動(dòng)裝置。在加上運(yùn)材系統(tǒng)中，加入的電機(jī)還有同步輪帶，對(duì)于運(yùn)送材料已經(jīng)是重中之重。還有可以提升整個(gè)裝置潤滑度的萬向節(jié)，然后還有在打印機(jī)中心的打印平臺(tái)。
還有打印系統(tǒng)中，作者在其中加入了噴嘴接頭，使得材料運(yùn)送的更加迅速，還有使得材料融化的加熱器，和防止材料被加熱后堵住噴嘴的散熱器。這就是整
個(gè)打印系統(tǒng)的構(gòu)成部分。
打印機(jī)的具體工作情況，整個(gè)打印機(jī)共有四個(gè)電機(jī)，其中的三個(gè)是用來推動(dòng)著滑動(dòng)裝置在豎直方向位移的，然后這些運(yùn)動(dòng)在軸的拉動(dòng)下，也會(huì)使打印噴頭在XYZ方向上運(yùn)動(dòng)，然后可以進(jìn)行整體的運(yùn)動(dòng)。在這些位移運(yùn)動(dòng)在開展的同時(shí)，最后一個(gè)電機(jī)會(huì)拉動(dòng)同步輪帶將打印所需的材料運(yùn)送到打印機(jī)的噴頭中，最后這些材料經(jīng)過加熱融化，從噴嘴中擠出，凝固在打印平臺(tái)上成為打印的塑性模型。
上述便是整個(gè)打印機(jī)的整體運(yùn)行情況。具體見下圖
圖3-23 并聯(lián)臂3D打印機(jī)模型裝配圖
4 單片機(jī)控制系統(tǒng)
整個(gè)打印機(jī)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)大致全部設(shè)計(jì)完成，但是這次設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂3D打印機(jī)在我看來還不全面。因?yàn)樽髡唠m然已經(jīng)可以大致知曉其工作原理，也知道電機(jī)是整個(gè)打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力源頭，但是什么控制著電機(jī)運(yùn)行，這一點(diǎn)此次設(shè)計(jì)并沒有明確。
因此，綜上所述，我決定額外增加一款，這樣作者可以將其作為硬件接口，并將其連接到單片機(jī)上。這樣的連接會(huì)使單片機(jī)控制著整個(gè)電機(jī)工作，之后可以進(jìn)行一系列的打印作業(yè)。
并且在幾個(gè)點(diǎn)上，在設(shè)計(jì)中會(huì)多增加幾個(gè)傳感器，至于傳感器的選型作者會(huì)再根據(jù)實(shí)際情況分析，見下文。
1、 溫度傳感器 在打印機(jī)構(gòu)中，雖然已經(jīng)加入了散熱器等來進(jìn)行散熱降溫的作用，但是環(huán)境因素等也會(huì)對(duì)打印機(jī)造成影響。所以在打印噴頭處加入固定一個(gè)溫度傳感器，起到監(jiān)察溫度不要太高的作用。
2、 行程開關(guān) 在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過同步輪帶，傳動(dòng)到滑動(dòng)裝置上。但是在三棱柱的三個(gè)棱上的滑動(dòng)座可能進(jìn)行更大的位移，造成滑動(dòng)裝置脫落軸外。因此在此處必須增加一個(gè)行程開關(guān)，來監(jiān)察其不超過最大行程。
結(jié)論
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要完成了并聯(lián)臂3D打印機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且將所設(shè)計(jì)的物件所用材料，計(jì)算材料的可用度。并且對(duì)照各表格中的參數(shù)，進(jìn)行材料的校核和選擇。具體的結(jié)論：
（1） 目前本次設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了并聯(lián)臂3D打印機(jī)的整體框架設(shè)計(jì)，大約整體有五大部分，分別為底座角件，頂框角件，支架和推桿設(shè)計(jì)，送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和打印機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（2） 在這些設(shè)計(jì)中，必須確定所使用的件的參數(shù)，鋁質(zhì)材料為2020GW鋁制材，材料為45鋼的線性軸，電機(jī)類型為42BYGH47-401A，同步輪帶是MXL型號(hào)，深溝球軸承是628/8滾動(dòng)軸承等。并且還有各種底座角件、頂框角件、擠出和滑動(dòng)基座、萬向節(jié)和中心平臺(tái)等等。
（3）這次作者所設(shè)計(jì)的并聯(lián)臂3D打印機(jī)，優(yōu)點(diǎn)很多，三角框的設(shè)計(jì)顯得十分簡(jiǎn)潔明了，方便快捷，并且可以在一個(gè)非常小的空間完成打印作業(yè)。這樣設(shè)計(jì)的打印機(jī)有很大的發(fā)展空間和價(jià)值，目前的這款并聯(lián)臂3D打印機(jī)就是未來打印機(jī)發(fā)展的潮流趨勢(shì)。
在即將完成此次設(shè)計(jì)之際，作者對(duì)并聯(lián)臂3D打印機(jī)的未來發(fā)起展望。并聯(lián)臂3D打印機(jī)的未來遠(yuǎn)不止于此，其打印精度將會(huì)再次提高，并且在不久的將來，3D打印機(jī)也會(huì)變成社會(huì)常見和必需品。
致謝
幾個(gè)月的生活匆匆而過，當(dāng)設(shè)計(jì)不是很完美時(shí)，我會(huì)像海綿投入書的海洋，汲取知識(shí)的養(yǎng)分，充實(shí)自己。并充分利用互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)最新科技，以此來充實(shí)本課題。同時(shí)，指導(dǎo)老師不辭辛勞的諄諄教導(dǎo)也是讓人難忘。是您的指導(dǎo)，讓本次設(shè)計(jì)日趨完善，也讓本次設(shè)計(jì)工作圓滿完成。
最后，再次衷心感謝指導(dǎo)老師的深切教誨。您對(duì)待工作的認(rèn)真態(tài)度，也對(duì)我以后的為人處世產(chǎn)生重大的影響。
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