基于FDM技术的快速成型机设计和实现自动化专业.doc

1 绪论 1.1课题的背景和意义 快速成型这门技术，始于20世纪末，一经出现就在当时掀起了一股风暴。这毕竟是技术领域的重大突破。这门技术，综合了好几门学科的知识，例如材料、电力、自控等，它可以将一种材料在短时间内制造成三维实体。因此，这门技术对现有的制造方式起到了一定的影响。 FDM技术是一种利用热塑性材料熔化成半熔融状态然后挤成细丝,它是通过构建三维CAD在堆叠层上沉积的。并且此技术有很多的优点，比如它的设计比较简单、成本也比较低廉。所以,这门技术应用的非常多。 1.2 国内外FDM型3D打印机的发展 当3D打印这门技术在生活中使用的变多起来,从而衍生出很多新生的产业。因此我们可以利用这门技术来设计产品。人们为保持这个技术的地位,美国等一些国家就把它用在了航空上。在2002年,美国的宇航局开发了这种机器来建造金属部件。在2012年的7月份，美国航天的有关部门透露,美国的宇航局方面正在测试新的3D打印技术产品,用来制造设备还有一些部件,然后让它们在地球的周围飞行,然后把它们发到Mars。 在上个世纪末，许多高校成型技术的研制获得了很大进步。而我国在技术材料的添加和制造上获得了重大的发展。它的主要部分就是低成本的制备和设备的上面的应用、金属的零部件在制造技术的使用还有在材料的基础上去加生物材料还有生物结构上的制造技术。 1.3 FDM型3D打印机打印原理 FDM是缩写形式,即熔融沉积模型。这种3D打印技术是由美国学者Scott Crump于1988发明的。FDM在高温下将材料熔化成液体,并且通过挤压,最终,形成三维物体。在熔融沉积的这个过程所使用的材料分可以为两个方面:一个是成型材料,另一个就是支撑材料。低熔点的丝状型的原料可以经高温把他熔为液态形式,令这个熔融状态下的原料可以经由喷头挤压出,挤压头可以沿着零件的每一个轮廓来移动，并且非常精准，同时挤压半流道。NG热塑性材料被固化成一个精确的实际构件薄层,在1/10s的范围内快速成型,每当结束一次,台面就低一层高度,然后在喷嘴的后一部分扫描,这样往复。ED逐层沉积,直至最后一层,使层由底部向实体模型或部分从底部到顶部。在FDM成形过程中,各个层都堆叠在顶层上面,上层有定位与支撑的效果。然而当高度越来越高时,它的面积还有形状会改变。如果这个形状改变较大的话，上面的轮廓不可能再给前一层定位还有支撑。所以要一定的支撑。现在,两个头部经常会被分开进行加热,一个头部用于喷涂模型的材料，用来专门制造零部件，另外一种则是喷涂支撑的材料，专门用做支撑。这两种喷涂模型材料的特性是不大相同的。因此制作完后支撑是很容易进行拆卸的。 2 FDM工艺设备机械系统设计 由FDM的形成原理可以知道，在形成期间时，机器的运动有：挤出头X-Y运动、台面竖直方位运动还有挤出运动。FDM型机的系统统构成图如图2.1所示。 图2.1 FDM机器组成框图 本文采取直线部件来运动，从而构成彼此联动的运动方式。按照一台小型规格的FDM型机床规格要求以及运动范围参数来设计，如表2.1所示下： 2.1 XYZ轴运动方式设计 2.1.1 XYZ轴运动方式的分析 分析如何将XYZ三个方向的运动分配到喷头和工作台，它的运动结构简图如图2.2所示： 图2.2 三轴运动方式简图 2.1.2 XY轴的导轨和同步带的结构设计 本文X轴采纳的是直线导轨，Y轴用直线轴承导轨，具体结构设计如下[6]： 1）X轴方向的运动：喷头沿着X轴的直线导轨左右移动，而电机带动同步齿形带轮转动，以此拖动与同步齿形带相连的喷头沿着导轨做X方向上的移动。 2）Y轴方向上的运动：Y轴的电机设置在同X轴相平衡的架子上，通过装置在光杆上的同步齿形带轮以及与它相配合的同步齿形带拖动喷头沿着导轨做Y方向上的移动。 图2.3 同步带选型图 （2） 计算齿数 本机在X、Y轴方向是等速运动，所以它们带轮尺寸相等。思量到装配和带速的问题，结果选择齿数为20的MXL的同步带轮。 外径计算： （2.2） 标准外径计算： （2.3） t—轮齿节线深度，查表得t=0.25。 （3） 带速验证 （2.4） Vmax最大带速，对于MXL型，Vmax=50m/s。 （4） 带长和轴间距 （2.5） L带长，可以根据X、Y方向最大成形决定，X方向是200mm，喷头取40mm，轴段两头余量各10mm,则轴间距为260mm。 （5） 基本额定功率 （2.6） （6） 选择带宽B 皮带速度： （2.7） 齿形带离心力： （2.8） 式中 —齿形带单元宽度重量 齿形带每单位长度的传动功率 Prs=0.5135×10-6×d1×n×(Ta-Tc) （2.9） 根据以上数据选择宽带公称宽度B=6.3mm。 通过运算，知道了X向的齿形带参数，根据比较，X、Y选择相同形式的齿形带。因此，选择BF型号，30齿MXL型同步带轮。 2.1.3 Z轴传动机构设计 为了确保在传动中力所能及精确平稳，我们采纳滚珠丝杠作为Z轴的传动机构，因为其具有精度较高的优点。 Z轴传送机构采纳滚柱丝杠两个导轨传送，丝杠和导轨都时垂直放置，导轨穿越支撑板给Z轴方向提供向导的作用，丝杆螺丝母加固在支撑板上，其两边分别放置着导轨和丝杠。 （1） 选择螺杆长度 L=最大距离+螺帽尺寸+安全距离+轴端预留量 （2） 确定螺杆轴径 （2.10） 取L=400mm，n=2500rpm，f=6.1 ∴，初步选定D=10mm。 （3） 寿命计算 平均负荷Fm 平均转速Nm (2.11) (2.12) 使用寿命公式计算 z （2.13） 式中 由之前的运算可得，滚柱丝杠得屈服强度为0.9×108N/m2.比算出来的应力大，所以该螺杆得尺寸是安全的。选择HIWIN系列得滚珠丝杠，这种丝杠体积小、分量轻、精密度高，达到Z轴得传动要求。 3 电机方案的选择 3.1 电机方案的比较 直线电机、步进电机以及伺服电机都是能够驱动X、Y、Z轴运动的电机，因此从这这三种电机中选出最佳的电机类型，需要进行三种电机在不同因素方面的优劣，进而从中挑选出最佳方案。下面表格3.1中的各项参数是我详细翻阅资料进行的统计： 通过以上较为直观的对比我们发现，步进电机具有制造成本低、结构较为简单、分辨率较高、体积小等优点。所以综上所述，我认为作为熔融沉积模型最快速成形的动力元件是步进电机。 3.2 步进电机型号的选择 关于步进电机型号的选择建议遵循以下程序：[7] 3.2.1 根据最大速度进行选择 步进电机是一个脉冲信号转一个角度，10000/转就是一圈10000个脉冲，不细分的情况下是200个脉冲转一圈，步进电机的转速平常在600~1200转/分之间。 3.2.2 根据定位精确度进行选择 通常情况下，步进电机内很容易出现震动等一系列不良现象。这是因为喷头挤出组织的挤出速率为低速，所以当材料被挤出后，进入步进电机的低频率范围时会导致震动等不良现象的发生了。所以我们就要在步进电机的精确度上多下功夫了，此时我们选择最好挤出机构减速比是4：1的步进电机，而且X、Y、Z轴步进电机的减速比设为1∶1，这样是比较理想的选择。通常,我们选择的电机它的阶跃角对最合适的情况是系统的定位精确度的二分之一或者更加精确的精度范围。但是也不能过度减小，这因为当系统的细分水平大于四分之一这个数值的时后,步距角的精确度就已经无法得到准确的保障。 3.2.3 力矩的计算过程 由于步进电机的动态转矩是很难被确定的，因此通常情况下，计算的不是步进电机的动态转矩，而是步进电机的静态转矩。又因为静态转矩的选择是依照电机的自身负载进行的评判。而一般我们认为，电机自身的负载可分为摩擦载荷、惯性载荷。所以当它直接启动的时候,就要考虑一下两个方面的负载问题。负载问题之一是：在步进电机以恒定的速率运行时，我们就必须要去考虑摩擦载荷在电机运行过程中产生的系列影响。负载问题之二是：在步进电机以一种加速的状态被启动时,我们就要摒弃摩擦载荷，主要兼顾考虑惯性载荷。但是，在步进电机恒速运行的时候，我们就必须要去考虑摩擦载荷的影响。一般在正常的情况下,静态力矩大致是摩擦载荷的2至3倍。然而当我们选择了静态转矩,就比较容易的能确定电机的结构框架及其长度方面的参数了。 1. 物体的转动惯量之计算 由转动惯量公式得出物体的转动惯量： (3.1) 在转动惯量公式中r的含义是旋转轴和体积单元之间的距离。单位：kg*m2将 (3.2) (rad / s2) (3.3) 所以： 1. 电机力矩计算 力矩计算公式为： (3.4) 据运算出的力矩 T 再加上安全系数为1.2 选择型号为42BYGH128的NEMA17步进电机，最高转速可达3000转/分。 4 挤出装置的设计 4.1 挤出机构的设计要求 促进FDM模型成形的关键元件就是挤压机制。一般，在机器运动控制较为精确的操作下,可以将原料的杆形形状改变成为累积路线路径的单元形式,并且将这些层堆叠并结合来构成三维实体。 熔丝系统挤压组织系统的基础规定是把原材料送进加热腔,在高温下完全熔化之后。把从满足精度的喷嘴挤出成细丝的形状L。并且根据之前设定的扫描线路堆叠形状。我们认为，熔丝系统挤压出细丝的速率和扫描的速率相匹配是比较合理的,因为在这个时后，一条合理的叠加路径就会产生,进而在这条路径能够满足在快速成型技术方面上的各种要求。 我们通过将原材料的功能加以分门别类，把挤出机构的各种作用方面上的规定，简要分类成为以下八大类: 1) 原材料的供给功能：将原材料从丝管中拔出来,这样就可以形成成形的原料。 2) 原材料的馈送功能：将原材料给送进加热室中。 3) 原材料的熔丝功能：将固体的原材料通过高温炼化成为液态熔融状态。 4) 原材料的流动功能：给液态的熔融原料提供一条能够流动的路径，这便是流动功能了。 5) 原材料的挤出功能：就是把熔融状态的材料给挤出来。 6)把挤压出的熔融材料上胶,并且把它改成比较小直径的金属丝，称为原材料的直径规定功能。 7) 原