【正文】 由公式 50TCWCff CL fP??? ? ????? L：額定長(zhǎng)度，單位 C：基本額定動(dòng)負(fù)荷 10000N CP ：計(jì)算負(fù)荷 24000N Tf ：溫度系數(shù)，取 1 Cf ：接觸系數(shù)，取 Wf ：負(fù)荷系數(shù)，取 得 C=? = 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 27 頁(yè) 共 36 頁(yè) 查《博特產(chǎn)品系列》，選擇 JSALG45C 即可，并且 AM 、 BM 、 CM 均滿足要求。 綜合比較，我采用了滾珠導(dǎo) 軌形式。預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌適用于顛覆力矩較大和垂直方向的導(dǎo)軌中，數(shù)控銑床常采用這種導(dǎo)軌。預(yù)加負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)是提高導(dǎo)軌剛度。滾針導(dǎo)軌適用于導(dǎo)軌尺寸受限制的機(jī)床上。 ⑶ 滾針導(dǎo)軌 滾針導(dǎo)軌的滾針比滾柱的長(zhǎng)徑比大，滾針導(dǎo)軌的特點(diǎn)是尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊。但對(duì)于安裝的偏斜反應(yīng)大，支承的軸線與導(dǎo)軌的平行度偏差不大時(shí)也會(huì)引起偏移和側(cè)向滑動(dòng)，這樣會(huì)使導(dǎo)軌磨損加快或降低精度。如工具磨床工作臺(tái)導(dǎo)軌、磨床的砂輪休整器導(dǎo)軌及儀器的導(dǎo)軌等。為了避免在導(dǎo)軌面上壓出凹坑而喪失精度，一般常采用淬火鋼制造導(dǎo)軌面。 靜壓導(dǎo)軌因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要供油系統(tǒng)，造價(jià)高，維修困難，影響了其 廣泛使用。優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高，動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)相差甚微，因而運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速移動(dòng)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；定位精度高，重復(fù)定位精度可達(dá) ，摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，精度保持好，壽命長(zhǎng)。但其缺點(diǎn)是靜摩擦因數(shù)大，動(dòng)摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度不高。 導(dǎo)軌的選擇與計(jì)算 機(jī)床導(dǎo)軌按接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三種。 對(duì)比幾種預(yù)緊形式的工作原理和使用場(chǎng)合我采用了六角鎖緊螺母預(yù)緊方式，這種方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向剛性好，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好。圖 33（ e）是一種類似過(guò)盈配合的預(yù)緊方式，采用安裝直徑比正常大幾個(gè) μm的鋼球進(jìn)行預(yù)緊裝配。圖 33（ c）的滾珠絲杠 3 外伸端處切有外螺紋，螺母 2 可使 3 產(chǎn)生軸向位移來(lái)預(yù)緊。 滾珠絲杠副預(yù)緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 一般滾珠絲杠副調(diào)整軸向間隙的預(yù)緊方式有以下六種，如圖 33 所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 21 頁(yè) 共 36 頁(yè) 圖 33（ a）在雙滾珠螺母 1 和 2 的凸緣上切制出外齒輪 ,其齒數(shù)差為 1,分別與內(nèi)齒 3和 4 嚙合 ,3 與 4 用螺釘鎖緊與螺母座 5 中 ,通過(guò) 1 與 2 的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到預(yù)緊的目的。為了保證機(jī)床再加工中能夠保證足夠的剛性 以及補(bǔ)償熱膨脹 ，所以在這次的設(shè)計(jì)中傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用 一 端軸向固定 ，一端游動(dòng) 的結(jié)構(gòu)形式 ,見(jiàn)圖 32： 圖 32 滾珠絲杠軸端固定方式 固定端采用 60 度角接觸球軸承組背對(duì)背安裝，以承受兩個(gè)方向的軸向力 ， 游動(dòng)端采用深溝球軸承， 安裝還要考慮軸承的預(yù)緊 ， 通過(guò)絲杠兩端的六角鎖緊螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠的預(yù)緊 ， 防止絲杠發(fā)生軸向竄動(dòng)。 p? — 絲杠軸許用拉壓應(yīng)力， N/mm 滾珠絲杠支撐的選擇 在絲杠的安裝方式中有 ⑴ 支撐－游動(dòng)式 ⑵ 固定－游動(dòng)式 ⑶ 固定－固定式。mm/min） 0d maxn =402020=80000≤100000 r ul — 滾珠絲杠副有效行程， mm 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 18 頁(yè) 共 36 頁(yè) ⑽ 預(yù)拉伸力 tF (N) tF =△ t 22d =2402 = 2d — 絲杠螺紋底徑， mm ⑾ 系統(tǒng)剛度 K 計(jì)算 (N/μm) ???? RKKK bs 1111 7861 +2611 +11381 = 則 K=357 N/μm sK — 滾珠絲杠副的拉壓剛度， N/μm 當(dāng) 一 端固定 一端游動(dòng) 時(shí)， sK =165 22d L/a(La) =)6001362(600 1362401652?? ??=786 N/μm bK — 軸承剛度， N/μm bK = 0BK =231 5m a x2 60s in ?aQ FZd =231 52 )23(3 00 0177 ??? =261 N/μm R— 軸向接觸剛度，得 R=1138 a— 滾珠螺母中點(diǎn)至軸承支點(diǎn)距離， ⑿ 滾珠絲杠副精度選擇 選擇精度，并校合系統(tǒng)剛度 K 值，進(jìn)行必要的驗(yàn)算。 b1 絲杠螺紋左端到左軸承的距離 b1，取 60mm b2 絲杠螺紋右端到右軸承的距離 b2，取 40mm Le 余程 Le=40mm La 安全行程 La＝（ 1－ 2） Ph=20mm Lx 機(jī)械最大行程 Lx=1020mm Ln 螺母長(zhǎng)度 Ln=84mm L1 絲杠螺紋長(zhǎng)度 L1＝ 2Le+2La+Lx+Ln=1300mm Lu 有效行程 Lu＝ L1－ 2Le=1220mm L 左右端軸承之間的距離 Lz＝ L1+b1+b2=1440mm x 軸絲杠最少大于 1440mm,y 軸最少大于 980mm 注： b b2 按經(jīng)驗(yàn)選取，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要的情況下，越短越好。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 17 頁(yè) 共 36 頁(yè) 取 2d =40mm。如圖 31 所示： ⑴ 初算導(dǎo)程 hP (mm) 圖 31 浮動(dòng)式內(nèi)循環(huán)示意圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 15 頁(yè) 共 36 頁(yè) hP ≥ maxv / maxn = 3 ?? mm hP 要符合標(biāo)準(zhǔn)值 , 初選 hP =20mm maxv — 絲杠副最大移動(dòng)速度， mm/min maxn — 絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速， r/min ⑵ 當(dāng)量載荷 mF (N) 當(dāng)載荷在 minF 和 maxF 之間周期性變化時(shí)，載荷按下式計(jì)算 F=31 （ 2 maxF + minF ） 絲杠的最大載荷為切削時(shí)的最大進(jìn)給力，最小載荷為摩擦力。 X、 Y 向進(jìn)給系統(tǒng)絲杠的選取與計(jì)算 滾珠絲杠副按循環(huán)方式分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種， 本設(shè)計(jì) 選用了內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式滾珠絲杠副，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：滾珠循環(huán)鏈最短，反向靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，使用可靠，工作壽命長(zhǎng)，螺母配合外徑 較小。 3 FDM 快速成型機(jī) X、 Y 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是 立 式加工中心設(shè)計(jì)（ X、 Z 方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、床身設(shè)計(jì)），它是一種 數(shù)控加工 設(shè)備，隨著工業(yè)產(chǎn)品的 快速發(fā)展 ，該設(shè)備在機(jī)械行業(yè)中的使用越來(lái)越廣泛，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 5) 加熱工作室 加熱工作室用來(lái)給成型過(guò)程提供一個(gè)恒溫環(huán)境。原料絲直徑一般為 12mm,而噴嘴直徑只有 左 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 14 頁(yè) 共 36 頁(yè) 右，這個(gè)差別保證了噴頭內(nèi)一定的壓力和熔融后的原料能以一定的速度被擠出成型。 3) 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) X— Y 軸的聯(lián)動(dòng)掃描完成 FDM 工藝噴頭對(duì)截面輪廓的平面掃描， Z 軸帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度發(fā)行的進(jìn)給。工作臺(tái)可以任意升降。主噴頭工作時(shí)，副噴頭遠(yuǎn)離工作臺(tái) 。 圖 6 FDM 快速成型機(jī)結(jié)構(gòu)圖 （字體重標(biāo)） 1) 擠壓噴頭 現(xiàn)在一般 都用雙噴頭獨(dú)立工作，一個(gè)主噴頭用來(lái)噴模型材料制作零件，另一個(gè) 副噴頭用來(lái)噴支撐材料制作支撐，兩種材料特性不同，制作完畢后去除支撐相當(dāng)容易。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)帶光電隔離功能的數(shù)字量輸入卡和數(shù)字量輸出卡 來(lái)完成他們的控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸出卡來(lái)控制 溫控器的啟停。 4) 溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)是采用獨(dú) 立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由三組溫控器、可控硅及熱電耦組成。它控制送絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而將實(shí)體材料和支撐材料分別送入實(shí)體噴頭和支撐噴頭進(jìn)行加熱熔化，并通過(guò)擠壓力將材料從噴頭中擠出。該卡能實(shí)現(xiàn)精確的 XYZ 位置控制、精確的旋轉(zhuǎn)控制，主要用于機(jī)器人設(shè)備、裝配設(shè)備，以及其他使用步進(jìn)電機(jī)的地方。 Z 軸方向采用較小的運(yùn)動(dòng)速度，保證 Z 軸的精確進(jìn)給， XY 軸空運(yùn)行時(shí)使用較高速，噴絲工作時(shí)使用較低速，保證工作時(shí)間的降低和運(yùn)動(dòng)的精度 。它使用單臺(tái)工業(yè) PC 機(jī)完成上層數(shù)據(jù)處理和下層設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能，使用接口 板卡作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 與其他子執(zhí)行系統(tǒng)的接口。 FDM 快速成型機(jī) 的總體設(shè)計(jì) 圖 5 FDM 快速成型系統(tǒng)原理圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 12 頁(yè) 共 36 頁(yè) FDM 快速成型機(jī) 的系統(tǒng)設(shè)計(jì) FDM 控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及其機(jī)床開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng) 5 部分組成。由于甲基丙烯酸 ABS（ MOBS）材料具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫(yī)用。 可選用多種材料，如可染色的 ABS 和醫(yī)用 ABS、 PC、 PPSF 等。 原材料以卷軸絲的形式提供 ，易于搬運(yùn)和快速更換。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 11 頁(yè) 共 36 頁(yè) 工藝干凈、簡(jiǎn)單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾。 5)近年來(lái)發(fā)展迅速，廣受用戶青睞。 3)加熱后的熱塑性塑料細(xì)絲像擠牙膏一樣從噴嘴中擠出。如 ABS 可以用來(lái)生成帶有結(jié)構(gòu)功能的模型。工作臺(tái)主要由臺(tái)面和泡沫墊板組成，每完成一層成型，工作臺(tái)便下降一層高度。熔融狀態(tài)的絲擠出成型后如果驟然冷卻，容易造成翹曲和開(kāi)裂，適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度可最大限度的減小這種缺陷，以提高成型質(zhì)量和精度。 （ 4）加熱成型室。運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)包括 X， Y,Z 三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。一般和噴頭采用推拉相結(jié)合的方式，以保證進(jìn)絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤。 （ 2）送絲機(jī)構(gòu)。材料在噴頭中被加熱融化，噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出，噴頭沿零件界面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)是擠出材料，與前一層粘結(jié)并在大氣中迅速固化。 （ 1）噴頭。她們?cè)谠O(shè)計(jì)了 用戶產(chǎn)品之后，使用 FDM 去制作原型，然后進(jìn)行討論。在他們的教學(xué)應(yīng)用項(xiàng)目中，在 Penn State Altoona 機(jī)電工程系的學(xué)生開(kāi)設(shè) Senior Capstone Course，此外還專門開(kāi)設(shè)了一門“ CAD for Artists”課程。顏永年教授還于 2020 年正式提出生物制造工程的概念 [15]，目前他們的研究工在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。他們還對(duì)這中合金材料的微觀組織及其在擠出和沉積過(guò)程中的流變力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了研究 [13]。目前，他們正在對(duì)這種新工藝，以及使用這種注塑模制作 出來(lái)的塑料件進(jìn)行研究 [12]。 各應(yīng)用領(lǐng)域的研究 澳大利亞 Swinburne 大學(xué)的 Masood S. FDM 工藝直接噴射金屬制作注塑模嵌件。他們使用一個(gè)包含 22 個(gè)尺寸、幾何精度及表面粗糙度特征的測(cè)試件，采用一個(gè)具有最少試驗(yàn)次數(shù)的正交試驗(yàn)得到 27 個(gè) FDM 原 型；通過(guò)使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和表面粗糙度輪廓儀來(lái)測(cè)量原型件的各種特征，并使用 MATLAB 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，據(jù)此結(jié)果來(lái)評(píng)估 FDM原型件的質(zhì)量；取并進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化。 丹麥科技大學(xué)（ Technical University of Denmark）的 Bellini Anna 等人針對(duì) FDM的最新發(fā)展使得 FDM 工藝已經(jīng)用于直接快速制造零件，對(duì)擠出過(guò)程提出更高的要求的形式下，通過(guò)分析材料擠出階段的液化器動(dòng)力學(xué)（ Liquefier dynamics） ，提出了擠出過(guò)程的控制策略 [10]。 工藝實(shí)驗(yàn)方面的研究 馬來(lái)西亞科學(xué)大學(xué)（ University Sains Malaysia）的 Lee Taguchi method 來(lái)獲得使用 FDM 工藝制作 pliant ABS 原型時(shí)的最優(yōu)加工參數(shù)。該方法的每一層制作分為兩步：首先用 FDM 工藝做作制件外殼，然后用 UV 光固化樹(shù)脂 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 9 頁(yè) 共 36