【正文】 小直徑要求，于是選內(nèi)徑為10mm，外徑為 19mm的 SKF深溝球軸承，尺寸系列為 00， 0級公差， 0級游隙。 則小齒輪齒數(shù)為 171?Z 大齒輪齒數(shù)為 682?Z 幾何尺寸計算 如下表 表 擠出機(jī)構(gòu)直齒輪 參數(shù) 擠出機(jī)構(gòu)直齒輪相關(guān)參數(shù) 齒輪參數(shù) 小齒輪 大齒輪 軸齒輪 模數(shù) m 1 1 齒數(shù) z 17 68 120 壓力角ɑ 20 20 20 分度圓直徑 d=m 17 68 齒頂高 ha=1*m 1 1 齒根高 hf=*m 齒全高 h=*m 齒頂圓直徑 da=(z+2)*m 19 70 齒根圓直徑 d=(z22*)*m 基圓直徑 db=Coosada 齒距 p=*m 齒厚 s=p/2 齒槽寬 e=p/2 標(biāo)準(zhǔn)中心距 a=m*(z1+z2)/2 傳動比 i=z2/z1 4 有了該對齒輪組的尺寸數(shù)據(jù)，就可以設(shè)計噴頭擠出機(jī)構(gòu)各個零部件的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而可以完成擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計。 ?SaF ?FaY ?SaF (3) 由下圖 ： 圖 調(diào)制處理鋼 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPaFE 3901 ?? ，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPaFE 4102 ?? （ 4）由于在前一頁中已經(jīng)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ?FNk 、 ?FNk （ 5）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) s= ∴ ? ? M P aM P ask FEFHF 5 3 9 ???? ?? （ 44） ∴ ? ? M P aF ?? ； （ 45） （ 6）計算大、小齒輪的 ? ?FSaFaYY? 并加以比較 ? ? 11 ???F SaFa YY ? （ 46） ? ? 0 1 6 3 22 ???F SaFa YY ? （ 47） 小齒輪的數(shù)值大，則用小齒輪的數(shù)值進(jìn)行計算。 和應(yīng)力校正系數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 大齒輪齒數(shù)為 682?Z 則分度圓直徑分別為： mmd 171? 和 mmd 682 ? 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 （ 1）計算載荷系數(shù) ?????? ?? FFvA kkkkk （ 43） （ 2）查取齒形系數(shù) 錯誤 !未找到引用源。初選齒輪模數(shù)為 1，壓力角為 20度，小齒輪 17齒，傳動比選擇 4，則大齒輪齒數(shù)為 68。因此整個擠出裝置的主要部件為：導(dǎo)入嘴、步進(jìn)電機(jī)、兩個滾輪、一對齒輪組、頂板、以及支撐端板。在設(shè)計擠出機(jī)構(gòu)過程中，我們先定下設(shè)計方案，然后初定設(shè)計參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的校核，看看是否滿足要求。然后通過噴嘴打印到工作臺上，在 X、 Y 軸的聯(lián)合運動作用下實現(xiàn)工件的一層一層疊加，漸漸把所需零件加工出來。 擠出裝置的組成 擠出裝置結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 擠出裝置分別由擠出機(jī)構(gòu)，導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)，噴嘴組成。 5)結(jié)構(gòu)合理易于安裝和拆卸，并可方便地與系統(tǒng)其他部件集成。 4)加熱腔和噴嘴結(jié)構(gòu)對流動的阻力盡量小。一方面減少熱量損失，減少能源消耗，另一方面減少高溫對其它部件的影響。 在進(jìn)行擠出頭系統(tǒng)設(shè)計時，還應(yīng)遵守工藝優(yōu)化的要求以及其他特殊要求等，具體包括以下方面 [27]： l)在合適的加熱功率下按一定速度送入加熱腔的材料經(jīng)過熔化充分均勻，在加熱腔中處于合適的熔融區(qū)間 (靠控溫系統(tǒng)實現(xiàn) )。出絲推力近似等 于送絲驅(qū)動力，送絲功能和擠出功能是等效的。 19 8)出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時起停，以保證高質(zhì)量的成形路徑，尤其在路徑起停處，簡稱出絲起?？刂乒δ堋? 6)對擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑，變?yōu)闈M足要求的更細(xì)小直徑的絲材以進(jìn)行堆積，簡稱定徑功能。 4)提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動的通道，簡稱流道功能。 2)將原料絲材送入加熱腔，稱為原料絲材送進(jìn)功能，簡稱送絲功能。送絲速度要與掃描速度相匹配，以形成均勻一致的材料堆積路徑，滿足成形工藝要求。擠出機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)熔絲沉積成形的關(guān)鍵部件，在機(jī)械運動控制的精密控制下，從原材料的棒 料形態(tài)轉(zhuǎn)換到堆積路徑單元的形態(tài)，層層堆積粘結(jié)形成三維實體。 18 4 擠出裝置的設(shè)計 結(jié)構(gòu)尺寸的確定 根據(jù)設(shè)計要求，通過參考國內(nèi)外成熟 3D桌面打印設(shè)備的的尺寸比例，進(jìn)行機(jī)器人的初步尺寸選定，選定后可根據(jù)后面分析得到的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的尺寸修改，下面為擠出裝置的設(shè)計。 表 常用機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率η表： 機(jī)構(gòu) 機(jī)械效率 滑動絲杠 ~ 滾珠絲杠 齒條和齒輪 16 齒輪減速器 ~ 蝸輪減速器 ~ 皮帶傳動 鏈條傳動 因此傳動系統(tǒng)的效率 ?? 則： cmkgcmkgT ??????? 8 根據(jù)計算出的力矩 T 再加上一定的安全系數(shù)為 則。單位： kgm2將負(fù)載質(zhì)量換算到電機(jī)輸出軸上轉(zhuǎn)動慣量，常見傳動機(jī)構(gòu)與公式如下： 負(fù)載 步距角 靜轉(zhuǎn)矩 修正 電流 矩頻特性曲線 15 (32) 傳動機(jī)構(gòu)的負(fù)載為 w=2kg，減速比 GL=1，小齒輪直徑 D=17mm 所以： 28222 104 4 )101721(2 mkgJ ??????? ? cmg?? 2. 加速度計算 控制系統(tǒng)要定位準(zhǔn)確，物體運動必須有加減速過程，如下圖所示。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。 3. 電機(jī)力矩選擇 步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。一般選電機(jī)的一個步距角對應(yīng)于系統(tǒng)定位精度的 1/2 或更小。 2. 電機(jī)定位精度的選擇 由于噴頭擠出機(jī)構(gòu)的擠出速度很低，是在步進(jìn)電機(jī)的低頻區(qū)域內(nèi)，因此容易出現(xiàn)振動和爬行等不良現(xiàn)象，故選擇擠出機(jī)構(gòu)的減速比為 4： 1， Byz 軸的步進(jìn)電機(jī)減速比為 1：1。 14 步進(jìn)電機(jī)的選型 選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟 [24]： 1. 電機(jī)最大速度選擇 步進(jìn)電機(jī)最大速度一般在 600～ 1200 rpm。 Y 軸 X軸 Z 軸 13 3 電機(jī)方案的選擇及選型 電機(jī)方案的比較 由上述 3D打印設(shè)備的結(jié) 構(gòu)示意簡圖我們可以知道， Byz 軸各需要一個電機(jī)，加上噴頭的電機(jī)，總共就需要 4 個電機(jī)的帶動，該設(shè)備才能正常的運動。噴頭 6 在 X、 Y 軸上作二維的疊加運動，其加工軌跡可以是直線也可以是曲線，從而實現(xiàn)了單層的二維加工，以及 Z軸的分層加工。 12 圖 修改后 3D 打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意簡圖 圖 型機(jī)床結(jié)構(gòu)示意簡圖，有結(jié)構(gòu)示意簡圖可以看出，該熔融沉積成型機(jī)床主要由步進(jìn)電機(jī)，同步齒形帶，光桿，滑塊和噴頭等部件組成。 ／ h以上 最大打印溫度 260℃以下 材料顏色 黑、白、紅、綠、藍(lán)等 機(jī)器尺寸 467 360 377mm 打印文件格式 STL 11 支持 SD卡打印， 無需 PC連接 熔融沉積成型機(jī)床的結(jié)構(gòu)運動方案 結(jié)構(gòu)運動方案說明 圖 原方案圖 在原來方案中，驅(qū)動 Y軸的步進(jìn)電機(jī)和同步齒形帶安裝在右側(cè)，雖然這樣的設(shè)計方案可以實現(xiàn) Y軸的移動，但是給右側(cè)的軸承巨大的負(fù)載，使光桿的壽命降低。 總體設(shè)計要求 本文研究的 熔融沉積成型機(jī)床 屬于家庭桌面電器領(lǐng)域，涉及多軸聯(lián)動，且設(shè)備的主要運動關(guān)節(jié)采用直線元件驅(qū)動，形成相互聯(lián)動運動機(jī)構(gòu)的運動形式，具有成型速度高，材料使用效率好，精度可 控，消耗功率低而制造成本低的特點。 （ 10）提高網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)全球化異地協(xié)同合作 。 （ 8）該項技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場就十分成功的可能性，也可以快速實現(xiàn)反求工程。目前大多數(shù)成型機(jī)都是以激光作為能源，而激光系統(tǒng)的價格和維修費用昂貴，并且傳輸效率較低。這些軟件有快速高精度直接切片軟件，快速造型制造和后續(xù)應(yīng)用過程中的精度補償軟件，考慮快速成型原型制造和后續(xù)應(yīng)用的 CAD 等。 （ 5）開發(fā)直寫技術(shù)。目前即使是最快的快速成型機(jī)也難以完成象注塑和壓鑄成型的快速大批量生產(chǎn)。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的 后續(xù)加工性能，還要滿足對強(qiáng)度和剛度等不同的要求。 （ 2）隨著成型工藝的進(jìn)步和應(yīng)用的擴(kuò)展，其概念逐漸從快速成型向快速制造轉(zhuǎn)變， 9 從概念模型向批量定制轉(zhuǎn)變，成型設(shè)備也向概念型、生產(chǎn)型和專用型三個方向分化。從目前國內(nèi)外熔融沉積成型技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況 來看，快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）大力改善現(xiàn)行快速成型制作機(jī)的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。 由于快速成型技術(shù)的巨大吸引力，現(xiàn)在，不僅工業(yè)界對其十分重視，而且許多其他的行業(yè)都紛紛致力于它的應(yīng)用和推廣，在其技術(shù)向更高精度與更優(yōu)的材質(zhì)性能方向取得進(jìn)展后 .可以考慮加入生物醫(yī)學(xué)、考古、文物、藝術(shù)設(shè)計、建筑成型等多個領(lǐng)域的應(yīng)用，形成高效率、高質(zhì)量、高精度的復(fù)制工藝體系。在能源密度、能源控制的精細(xì)性、成型加工質(zhì)量等方面均需進(jìn)一步提高。 3． 軟件問題 目前，快速成型系統(tǒng)使用的分層切片算法都是基于 STL 文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的， 就是用一系列三角網(wǎng)格來近似表示 CAD模型的數(shù)據(jù)文件，這種數(shù)據(jù)表示方法存在不少缺陷，如三角網(wǎng)格會出現(xiàn)一些空隙而造成數(shù)據(jù)丟失，還有由于平面分層所造成的臺階效應(yīng)，也降低了零件表 面質(zhì)量和成形精度，目前，應(yīng)著力開發(fā)新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分層法，即：不進(jìn)行 STL 格式文件轉(zhuǎn)換，直接對 CAD 模型進(jìn)行切片處理，得到模型的各個截面輪廓，或利用反求工程得到的逐層切片數(shù)據(jù)直接驅(qū)動快速成型系統(tǒng)，從而減少三角面近似產(chǎn)生的誤差，提高成形精度和速度。 mm 的水平，高度（ Z）方向的精度更是如此。發(fā)展全新的 RP 材料，特別是復(fù)合材料，例如納米材料、非均質(zhì)材料、其他方法難以制作的材料等仍是努力的方向。因此，除了上述常見的分層疊加成形法之外，正在研究、開發(fā)一些新的分層疊加成形法，以便進(jìn)一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。 熔融沉積成型技術(shù)存在問題及發(fā)展方向 熔融沉積成型技術(shù)的現(xiàn)狀 目前熔融沉積成型技術(shù)還是面臨著很多問題，問題大多來自技術(shù)本身的發(fā)展水平，其中最突出的表現(xiàn)在如下幾個方面。 國防 ：各種武器零部件的設(shè)計、 裝配 、試制，特殊零件的直接制作， 遙感 信息的模型制作。 輕工業(yè)：各種產(chǎn)品的設(shè)計、驗證、裝配，市場宣傳， 玩具 、 鞋 類模具的快速制造。 通訊 產(chǎn)品：產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配試驗，功能驗證，模具制造。 快速成型技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用： 汽車 、摩托車：外形及內(nèi)飾件的設(shè)計、改型、裝配試驗， 發(fā)動機(jī) 、汽缸頭試制。通過各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將熔融沉積成型轉(zhuǎn)換成各種 快速模具 ，如低熔點 合金模 、 硅膠模 、 金屬冷噴模 、 陶瓷模 等，進(jìn)行中小批量零件的生產(chǎn)，滿足產(chǎn)品更新 7 換代快、批量越來越小的發(fā)展趨勢。該項應(yīng)用對 航空 、 航天 及 國防工業(yè) 有特殊意義。對于 高分子材料 的零部件，可用高強(qiáng)度的工程塑料直接快速成型，滿足使用要求 。比如為客戶提供產(chǎn)品樣件，進(jìn)行市場宣傳等，快速成型技術(shù)已成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑。對于難以確定的復(fù)雜零件，可以用熔融沉積成型技術(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)以確定最佳的合理的工藝。如果不進(jìn)行設(shè)計驗證而直接投產(chǎn)，則一旦存在設(shè)計失誤，將會造成極大的損失。熔融沉積成型技術(shù)可快速地將產(chǎn)品設(shè)計的 CAD 模型轉(zhuǎn)換成物理實物模型，這樣可以方便地驗證設(shè)計人員的設(shè)計思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題可及時修改。對某些以 塑料結(jié)構(gòu) 為主的產(chǎn)品還可以進(jìn)行小批量試制，或進(jìn)行一些物理方面的功能測試、 裝配驗證 、實際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場，達(dá)到投石問路的目的。 從成型系統(tǒng)里取出成型件，進(jìn)行 打磨 、 拋光 、 涂掛 ，或放在 高溫爐 中進(jìn)行后燒結(jié)，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。 根據(jù)切片處理的截面輪廓，在 計算機(jī) 控制下，相應(yīng)的成型頭（ 激光頭 或 噴頭 ）按各截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上一層一層地堆積材料，然后將各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。間隔 越小，成型精度越高，但 成型時間 也越長，效率就越低，反之則精度低，但效率高。 根據(jù)被 加工模型 的特征選擇合適的加工方向，在成型高度方向上用一定間隔的平行 6 面切割近似 后的模型，以便提取截面的輪廓信息。典型的 CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出 stl 格式 文件的功能。它是用一系列的小 三角形 平面來逼近原來的模型，每個小三角形用 3個頂點