大学生机械设计竞赛资料.docx

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大学生机械设计竞赛资料

参赛队号：

（由工作人员填写）

大学生机械设计竞赛

机械设计方案书

学校名称：

大连民族大学

学生队长：

张宝丰

学生队员：

张珅海博

指导教师：

张丹

联系方式：

第1章绪论1

1.1研制背景与意义1

第2章结构设计1

2.1结构设计2

2.2打印机整体尺寸3

2.3rostock运动机构设计………………………………………………………..4

2.4传动方案设计…………………………………………………………………..4

2.5挤出喷头………………………………………………………………………..6

2.6电机的选择……………………………………………………………………..7

2.7温度传感器……………………………………………………………………..7

2.8机械位置传感器………………………………………………………………..7

第3章运动学仿真6

3.1.各动力与传动机构设计计算与分析8

3.2三维模型预处理9

第4章3D打印机的优点及面临问题…………………………………………………………………….9

4.13D打印机的优点……………………………………………………………….9

4.23D打印技术面临的问题……………………………………………………...10

第5章设计总结11

附录：

16

第1章绪论

1.1研制背景与意义

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的新型制造技术[26]。

3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和逐层叠加等技术的快速成型装置。

它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

就目前来说，3D打印机在国内外是一个比较新的领域，具有巨大的市场潜力。

3D打印带来了世界性制造业革命，3D打印机可以不像传统的生产要依赖生产的工艺性，3D打印机的最突出的优点是只要你设计出相应的产品模型，就可以打印出你想要的东西。

3D打印机不需要任何机械加工工具，可以节省大量物人力、物力。

Delta型3D打印机作为3D打印机的一个重要分支，它以价格低、占地面积极少、实用等优点在现实生活中应用的越来越广泛。

Delta型3D打印机在制造业、工业设计、医疗领域、航空航天领域、产品模型、建筑设计、科学研究、食品科学领域都有应用。

Delta型3D打印机在这些领域的成长和普及说明Delta型3D打印机的研究和制造是非常有实际意义的。

普通二维打印机，它只能做X和Y方向的运动，只能在平面内运动，而3D打印机增加了Z轴的运动，可打印出来立体的实物。

而喷头要精准稳定地做X、Y、Z方向的运动，它必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三个方向.上自由地运动是我对其结构研究的重要部分，而Delta型3D打印机要求的是在最小的空间里实现三个运动方向运动范围的最大化.

这项技术将复杂的零件制造变为简单的由下至上的二维叠加，大大降低了设计与制造的复杂度，让一些传统方式无法加工的奇异结构制造变得快捷，一些复杂铸件的生产由传统的长达3个月缩短到10天。

同时，对研发出的新产品，可快速根据图纸做出样品，大大缩短研发周期。

Delta型3D打印机作为3D打印机的一个重要分支，它以价格低、占地面积极少、实用等优点在现实生活中应用的越来越广泛。

Delta型3D打印机具有结构简单、安装维护方便、性价比高等特点。

Delta型3D打印机因其区别于其他类型的3D打印机的独特优势在实际生活中应用越来越广。

Delta机型是一种并联式运动结构的3D打印机，delta机型实际上是分为两大类，一种是工业上用的并联式机器人；另外一种是rostock的运动结构。

本文设计了一款Delta型3D打印机即基于三臂并联结构（rostock运动机构）的桌面微型3D打印机。

把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上，让其实现三维打印，让我们不需要花很高的成本去买专业级别的3D打印机。

我们有时候想制作出一些模型来观察和实验，不需要很高的精度，只是需要速度。

我们使用Delta型并联机械手臂来实现3D打印，能保证一定的精度和速度，如果能制作出这样的3D的打印机，很多工程师都可以将自己的设计打印出来。

通过对Delta型3D打印机的深入研究，挖掘出其特有的优势使3D打印技术发挥越来越大的作

第2章结构设计

2.1基础结构

Delta型3D打印机的实物如图所示，3D打印机的整体框架是一个由直径12mm的不锈钢搭建的正三棱柱，三棱柱的三根侧棱为滑轨，依靠不锈钢侧棱的加工精度保证滑轨的垂直度与刚度。

导轨的上方安装有三台步进电机如图12所示，步进电机通过其轴上的同步带轮带动滑块上的同步带运动，从而将电机轴的旋转运动转变为滑块的直线运动，并带动滑块在导轨上上下行进如图13所示。

滑块依靠连杆与打印机喷头相连，当滑块上下运动时，依靠连杆的刚度完成对喷头的牵引，实现对打印头位置的控制。

打印所需的原料通过一根聚乙烯管从打印机的上方送入，送入条料所需的动力由一个步进电机提供。

工作平面位于打印机的底层，打印机整体采用开放框架，方便打印机平台的调平以及打印机的扩展和维护。

辅助系统和检测系统直接安装在打印机的框架之上实现对打印过程的在线监测

含rostock运动机构的Delta型3D打印机的实物图

2.2打印机整体尺寸

原始成形尺寸：

直径300m，高度680mm。

整体尺寸计算模型图如图14所示，等边∆JHG为圆P的外切圆，其考虑到零件结构和安装以及任务书的要求，正三棱柱的底边边长取400mm，高度值取800mm。

Soliworks简略图

2.3rostock运动机构设计

rostock运动机构中的6根连杆长度是相同的。

下面要确定连杆的最小长度值。

保持打印机的正三棱柱的外形尺寸不变，当rostock运动机构中的6根杆共面时其处于极限位置，连杆的长度取得最值,此时rostock运动机构的简化模型如图。

保持打印机的正三棱柱的外形尺寸不变，当滑块位于正三棱柱的最高处，喷头位于打印机底座平面时其处于另一极限位置，连杆的长度取得最大值，此时rostock运动机构的简化模型如图6所示

2.4传动方案设计

由打印机的整体尺寸和工作原理可知，该处的传动属于远距离直线传动，可选用的传动方案有螺杆传动和皮带传动，两种传动的优缺点比较如表2所示。

综合考虑3D打印机的各个方面情况，本设计中的传动方案选择皮带传动。

皮带传动分为普通V带传动和同步带传动，两种传动的比较如表3所示。

传动的平稳性和精准性对于保证打印机的工作精度和速度是至关重要的，从表2可知，同步带与V带相比传动更加平稳和准确，因此本设计选用同步带传动，由机械设计手册选取MXL型同步带和MXL型同步带轮。

本次设计的传动方案选择同步带传动，从本打印机的整体设计考虑，同步带是打印机中最易损坏零件，同步带的工作寿命决定了整台打印机的工件时间，所以有必要计算下同步带的工件寿命[2][3]。

同步带的寿命与许多因素有关，主要的因素是:

同步带材料的强度和耐磨性、带齿和带轮齿的几何特性、应力循环特性和带所传递的最大工作载荷。

但就其运转条件下的失效情况而言,表征同步带寿命的主要是同步带的疲劳破坏和齿面磨损,而最重要的运转指标是疲劳寿命。

2.5挤出喷头

喷出技术采用熔融沉积成型技术，成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点:

（1）熔丝功能与料丝送进功能:

将送进的固态料丝及时充分地熔化成为熔融状态并从喷嘴挤出;

（2）流道功能:

为熔融态材料提供稳定流动的通道;（3）定径功能:

对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积;（4）出丝速度匹配与出丝起停控制功能:

出丝速度可控,可以根据扫描速度进行调整,实现速度互相匹配。

出丝应能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径起始和停止处。

挤出喷头将挤出机送来的打印条料采用电阻式加热融化后，由挤出喷嘴挤出。

挤出喷头装置主要由进料管、加热管、散热片、喷嘴、散热风扇、监测装置组成。

挤出喷头的原理如图19所示。

由送料装置送进的条料经过进料管进入加热管，在加热管内迅速加热至180℃左右使其完全熔化。

当后续的条料进入加热管后，借助未熔丝材的活塞作用将熔融材料挤出喷嘴,挤出的条料在打印床上冷却固化形成打印件。

在挤出装置的前端，如果条料过早地融化，会因条料的热膨胀产生的逆向压力将液态的条料挤出到冷端凝固，引起进料管的堵塞。

为防止这种情况的发生，在进料管上加装散热片和散热风扇对进料管进行冷却降温。

进料管为贯穿整个挤出装置，上端接入软管插头，下端与喷嘴相连。

进料管的上半部分被数根散热片包裹，下半部分被加热管包裹。

在挤出机构中喷嘴是比较重要的部件，因为打印产品的表面质量取决于喷嘴。

考虑到Delta型3D打印机的机械轴负载能力较弱以及为了提高打印精度，本设计选取重量较轻的J-head型喷嘴，该喷嘴的实物图如图20所示

2.6电机的选择

电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类，它们优缺点的比较如表4所示.综合考虑控制要求、成本要求以及3D打印机的实际工作要求，3D印机的电机选择步进电机其作用是为滑块提供动力，即通过带动同步带使滑块在导轨上做直线运动。

选择步进电机需要考虑的因素有：

（1）最小转速：

要使打印喷头的最大移动速度达到60mm/s，步进电机的最小转速应达到250r/min。

（2）额定扭矩：

3D打印机中电机的扭矩涉及两个方面：

第一方面，滑块运动时在自身重力和连杆压力的作用下，最大阻力为0.2N电机轴的输出力要克服阻力从而带动同步带运动；第二方面，在行进停止时步进电机可以保持的最大静扭矩要有效防止滑块在自身重力作用下沿滑轨下滑；第三方面，为保证挤出机要送料不失步，步进电机需要提供足够的扭矩。

2.7温度传感器

温度传感器按工作原理分为接触式和非接触式，它们的比较如表7所示。

由上表分析，接触式温度传感器的特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以方便地组成多路集中测量与控制系统；非接触时的对于1000摄氏度以下误差较大，故采用接触式的温度传感器。

其中，热敏电阻的镍的有效温度测量范围在-150-300℃，精度在0.2%-0.5%之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲镍更加适合作为温度传感器。

2.8机械位置传感器

机械位置传感器选用压力传感器，它用于检测喷头的三原色颜料用量和粘剂的用量，还有打印原料当前使用情况检测。

但物量不够的时候，反馈并提醒用户加入颜料、粘剂或原料。

综合考虑各个方面因素，选用电位器来做测量，且能达到比较高的精度。

第3章运动学仿真

运动学仿真的目的在于验证所设计的打印机的结构是否满足任务书给定的运动学相关技术指标。

任务书给定的相关技术指标有：

（1）打印机的工作区域：

直径200mm,高300mm的圆柱体；

（2）喷嘴的运动精度：

0.2mm，打印厚度：

0.2mm；（3）喷嘴运动的最大速度：

60mm/s。

3.2三维模型预处理

在Solidworks中建好三维模型后将其导入adams中进行运动学仿真，为了便于仿真应对模型进行预处理。

为方便在adams中对模型进行处理应在Solidworks中将三维模型进行结构简化即去掉与运动无关的零部件。

另外，为保证三维模型在Solidworks和adams中所处的坐标系一致以便于处理，在Solidworks应将模型的坐标原点与系统的坐标原点重合。

Solidworks中处理好的三维模型如图21所示。

将简化后的模型导入adams中后要再次进行处理。

首先底座、顶座和立柱，滑块和套筒，喷头支架和喷嘴间进行布尔加运算。

然后在底座和大地间添加固定约束,套筒和立柱间添加移动副约束，连杆两端与相关零件分别添加球面副约束

4.13D打印机的优点

3D打印技术主要有以下优点：

1.制造快速3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用[8]。

2.CAD/CAM技术的集成快速成型技术集成CAD.CAM激光技术.数控技术.化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。

3.完全再现三维效果经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。

4.材料种类繁多到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。

5.创造显著的经济效益与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。

6.应用行业领域广3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程医学研究文化艺术建筑工程等等都逐渐的使用3D打印技术，使得3D打印技术有着广阔的前景。

4.23D打印技术面临的问题

现在3D打印技术的精度约为0.1ｍｍ，而且3D打印机本身的售价偏高，不过随着技术的进步和成本的降低，一台普通3D打印机的成本有望比1985年的激光打印机还要低。

生物3D打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的器官如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难于实现，一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内生物打印技术将成为一项标准技术。

当然，要实现3D打印技术的大规模使用还有不少挑战，首先是打印材料，它根据打印商品的不同，需要各种特殊种类的金属塑料以及陶瓷等成本比较高。

产权保护：

3D打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。

该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模而取决于创意。

然而单靠创意也不够，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品。

因此，竞争优势可能将前所未有地变得比以前更短。

一旦物品能用数字文件来描述，它们就会变得很容易复制和传播，当然盗版也会变得更加猖獗。

当一个新玩具的草图或一双鞋的设计方案在网上流传时，其知识产权的拥有者会失去更多。

因此人们在知识产权领域进行的斗争会更加激烈，并且随着开源软件新的非商业模式的出现，3D打印技术需要比目前更加严谨还是更加宽松的法规还有待验证。

税务问题：

过去税务局海关对交易征税都是基于商品的价值。

如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和耗材，从网上下载设计文件，自行打印出所需的物品，那么传统的征税模式将难以为继，未来的税基将很可能从增值税消费税转向个人所得税和营业税。

第5章设计总结

我们在日常学习生活中要学会发现问题，并且努力尝试解决所发现的各种各样的问题，这样我们的教学水平才会的提高，我们的社会才会进步！

此种多功能组合型平台，相较于之前单一化的教具，给我们的学习生活带来了更大的便利。

尤其是添加了创新的巧妙机构，大大提升了老师、学生的上课乐趣。

此教具包含的教学内容广、知识点多吗，各机构的运动形式非常直观，相信一定会受到广大师生的喜爱！

附录：

清单

总览

框架部分

传送电机部分

最终作品

（5）实物图