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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计3D打印机结构设计学 院： 工业自动化学院专 业： 姓 名： 指导老师： 机械工程 潘俊澎 学 号： 职 称： 160406102715杨立斌副教授诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计3D打印机结构设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 潘俊澎 日期： 2020 年 4 月2日3D打印机结构设计摘 要3D打印技术是一种快速成型技术，最近这些年进入一个快速发展的阶段，至今已拥有相对成熟的技术。在单个零部件的生产上，其完成工作的速度与对零部件的
2、包容性上的优势是传统生产方式远比不上的。本论文设计的一款三轴并联臂3D打印机，其工作原理是熔融沉积成型原理（FDM）。希望通过对这款打印机的学习，加深对3D打印技术的了解，接触数字化生产，方便应对将来有朝一日会接触3D打印行业的可能。打印机的结构设计是打印机正常工作的基础，机架是各种机构搭建的基础，合理的分配各种机构的位置是打印机流畅工作的保证。作者在本小组中负责结构设计的部分，主要的工作是进行运动机构自由度的分析、机架的设计、连杆尺寸的设计以及校核、传送带的设计与寿命估算等。在结构选择方面，目前出现的3D打印机主要有两种结构类型，龙门式和并联式。本设计采用并联式结构，也就叫三角洲结构，依旧遵
3、循笛卡尔坐标系原理，其主动件并不直接驱动工作台。动平台XYZ三个方向的运动通过三角函数映射到侧棱上滑块Z方向的运动中。这样以来，三轴的负载与运动速度相同，在配合上出现的问题会更少，加工的精度会更高。但由于其依靠机械手臂间接控制动平台，对喷头所带来的负载的承受能力会较弱。会龙门式也就是XYZ结构类型，其主动件分别是XYZ三轴上，Z方向的加工依靠温床沿Z方向的移动。XY方向的加工则依靠喷头的移动加工。这种样式结构简单，控制起来方便，但由于三轴的负载不同，选择的传动方式也会有差异，这会导致同步配合有难度，若喷头重量太大，加工的精度和速度都会降低。 此外，影响打印效果的主要是喷头的直径，但传动的稳定性
4、和准确性也会有很大关联。因此对传动机构的要求较高。分析连杆的运动自由度能确保其能工作的同时，不会在无用的方向做多余的运动。对连杆的校核为喷头的选择提供依据。由于传送带是整台机器最脆弱的部分，并且也承担重要的传动工作，因此对传送带寿命的估算大概也就是对打印机工作寿命的估算。合理的结构设计不仅能让打印机外观简洁，还能保证打印机的工作质量。关键词：数字化；结构设计；并联式；影响要素；加工质量。Abstract3D printing technology is a rapid prototyping technology. which has entered a stage of rapid deve
5、lopment during the past few years. The world has made a great progress and has relatively mature technology about 3D printing so far. In the production of a single part, the speed of completing work and the advantages of inclusiveness of parts are far from the traditional production mode. The conten
6、t of this article is about a three-axis parallel arm 3D printer which is designed by my term. Its working principle is FDM. Through this learning experience, I hope that I can begin to have some insight into 3D printing technology, learning about digital production so that I have technique to deal w
7、ith the problem about 3D printing industry which may come up when I go into work in the future. The structure design of the printer is the basis for the normal operation of the printer, the frame is the basis for the construction of various mechanisms, and the reasonable allocation of the positions
8、of various mechanisms is the guarantee for the smooth operation of the printer. In this group, the author is responsible for the structural design, and the main work is the analysis of the freedom of the motion mechanism, the design of the frame, the design and check of the size of the connecting ro
9、d, the design and life estimation of the conveyor belt, etc. In terms of structure selection, there are two main types of 3D printers, gantry type and parallel type. The design USES parallel structure, which is also called delta structure, still follow the cartesian coordinate system principle, its
10、active parts do not directly drive the workbench. The motion in the three directions of moving platform XYZ is mapped to the motion in the direction of sliding block Z on the side edge by trigonometric function. In this way, the load of the three axes is the same as the movement speed, so there will
11、 be fewer problems in the matching and the machining accuracy will be higher. However, as it relies on the mechanical arm to control the moving platform indirectly, it will be weak to bear the load brought by the nozzle. The gantry type is the XYZ structure type, and its active parts are respectivel
12、y on the XYZ triaxial, and the processing in the Z direction depends on the hotbed moving along the Z direction. The processing of XY direction depends on the moving processing of nozzle. This style structure is simple, easy to control, but due to the load of the three axis, the choice of the transm
13、ission mode will be different, which will lead to difficult synchronization, if the nozzle weight is too large, the accuracy and speed of processing will be reduced. In addition, the main influence on the printing effect is the diameter of the nozzle, but the stability of the transmission and accura
14、cy will also have a great correlation. Therefore, the requirements of the transmission mechanism are higher. Analyzing the freedom of movement of the linkage ensures that it can work without making unnecessary motions in useless directions. The check of connecting rod provides the basis for selectin
15、g nozzle. Since the conveyor belt is the most vulnerable part of the machine and also performs important transmission work, the estimate of the conveyor belts life is roughly the same as that of the printer. Reasonable structure design can not only make the appearance of the printer simple, but also
16、 ensure the quality of the printer.Keywords: Digital; Structural design; Parallel connection; Influencing factors; processing quality.目录一、引言1二、设计背景22.1本设计的目的和现实意义22.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题32.3本设计应解决的主要问题6三、设计内容73.1设计原理73.2方案选择73.3分析问题83.3.1自由度分析：83.3.2 工作空间分析；9四、3D打印机相关的计算114.1 机架的尺寸设计114.2 部分零部件124.3 连
17、杆长度设计124.4 导轨与滑块的固定144.5 并联臂强度校核154.6 传动机构的设计164.7 同步带寿命估算17五、结论19参考文献21致谢22附录23一、引言在精工楼实习时，本人得知工业上机械生产的零件和产品大部分都是通过减材技术加工而成的，产生疑问减材技术的加工方式对比增材技术而言，毫无疑问会浪费更多的原材料，造成生产成本的提高，为何不能直接通过增材技术进行生产加工呢？后来得知目前，增材技术已经被应用于工业生产上，但增材技术并不成熟，因此只会在特殊情况下应用。而本人认为增材加工会时未来发展的方向，因此在决定毕业设计项目时选择3D打印机的设计。 本设计的3D打印机采用的原理时熔融沉积
18、成型原理，也就是FDM。得益于如今互联网的发达，本人得以通过维普、道客巴巴等网站查阅相关的文献。在查阅相关的文献后发现，FDM是目前3D打印的各种打印方式中最为普遍的，其原理是通过加热装置将打印材料加热融化，再通过挤压排除，一层层堆积成型。因此这种打印方式 对机械的结构要求较高，但对精度其决定性作用的喷嘴，再保证材料能顺利挤出的情况下，喷嘴越小，产品的加工精度就越高。本论文讲述设计一款三角洲式3D打印机的结构的过程。包括其设计背景，机械结构的设计以及一些零部件的校核。旨在通过这次设计一台3D打印机，对机械加工有更深入的了解的同时，还能对数字加工的方式有一定的了解。以此顺应机械加工行业的需求，为
19、未来步入工作时可能遇到的相关领域的问题提供基础。二、设计背景 2.1本设计的目的和现实意义随着经济的发展，对于生产的要求也不断提高，现代生产方式更注重于效率。同时，由于环保理念的兴起以及经营理念的进步，人们逐渐意识传统生产方式的粗糙，并寻找能够提高材料利用率的、快速的生产方式。快速成型技术应运而生。快速成型技术是总所周知的3D打印技术的统称，它的另一个称呼叫增材制造。实际上，3D打印技术这并不是一项新型技术。从第一台3D打印机的问世直到今天，也有三十八年了。在这将近四十年里，3D打印机一直在一些生产加工车间默默地工作。但在过去十年里，由于计算机的发展以及材料学的进步，一直受限于数字建模的3D打
20、印发展迅速，开始大规模的出现机械加工车间。甚至许多行业外的人会出于日常的兴趣爱好而购买3D打印机。人们可以通过新型的设计软件随心所欲地设计出零部件、模型。而且，在控制精度方面，由于3D打印的工作原理；将喷出的固体粉末或者熔融的液态材料，分层次地固化在相对应的平面上，逐步堆积直接形成三维物体。在加工具有精确的内部凹陷、互锁部分的形状或不规则形状等一些传统切削加工不方面加工的结构时，3D打印往往是首要选择。快速、便捷、高效等等这些都是3D打印技术的优点，而这些正是目前衡量生产方式优劣的重要指标。3D打印通过计算机建立数字模型，快速地、准确地在打印床上进行材料的逐层堆积，使其快速成型，实现了零技能的
21、生产方式。同时，3D打印机对于一些难以加工的零部件有着远超传统生产加工方式的优势，能实现多样化的复杂零件的生产。总结起来，3D打印技术由以下的优点：1）制造过程快速；2）废弃物少，原料利用率高，传统的减材制造只能引用1/3-1/2；3）不需要模具，自由成型制造，制造复杂形状的零件不增加成本；4）零技能制造，对操作人员素质要求不高；5）无组装集成制造，可以打印已经装配的部件，随后直接进行后处理；6）技术高度集成，集合了机械工程技术、CAD技术、电子技术、数控技术、激光技术、材料科学等多学科；7）只要能提供准确的数据，便能实现实体的精确复制；8）适用于新产品的研发，在虚拟世界里建立模型，并进行分析
22、、修改后，将指令传递到打印机上便可直接生产。9）单间或小批量零件的制造有速度上的优势，不规则或复制零件制造有工艺上的优势，用于磨具设计，难加工材料的制造，可以缩短研发周期和制造成本等。本设计的目的在于通过设计3D打印机，个人了解3D打印中最为常见、应用最广的熔融沉积成型技术FDM，从而掌握3D打印的原理；数字建模分层分析与逐层材料堆积成型时3D打印工艺的基础。这是不同于传统机械制造的生产方式。相比于传统的切割材料或模具铸造成型的生产方式，3D打印的加工原理更进一步地贯彻数字化生产的理念，使生产的物体能在虚拟世界中成型并对其进行分析，这能极大提高零部件设计的效率。图2-1 增材成型技术的流程2.
23、2本设计在国内外的发展概况及存在的问题与其他高新科技发展类似，3D打印最早出现于欧美国家，其创始人是查克赫尔。1983年，美国科学家查克赫尔发明了立体光固化成型技术SLA，通过特定波长与强度的激光，先后经历点-线-面的演化，逐层扫射光固化材料使其凝固成型。在这基础上，查克赫尔制造出全球首台增材制造机器“SLA-1”，其工作原理就是增材成型技术。1986年，查克赫尔获得3D打印第一项专利，同年在加州成立了业界知名的3D Systems公司，这家公司后来成为全球3D打印行业中龙头企业，仅在2009年到2015年内就收购了3D打印设备制造商，材料生产商，设备公司软件开发商等30多家企业，囊括了增材制
24、造的全产业链。目前发展速度最快，普及范围最广的熔融沉积技术是第二种3D打印技术，最早出现于1988年。这种技术不需要激光，但精度不高。而最早能实现打印金属的3D打印机出现在1989年，是第三种3D打印机。这种打印机采用的选择性激光烧结技术SLS，其工艺与光固化成型工艺类似，不同的选择之处是SLS工艺选择使用的是红外线激光束，其可以使用的材料包括塑料、蜡、陶瓷甚至是金属或其他复合物粉末，而SLA仅能使用光敏树脂。21世纪后3D打印技术开始被广泛大众所接受。截至到2019年3月1日，全球3D打印产业规模达119.56亿美元，增长率为29.9%5。3D打印开始应用各种行业。目前在世界范围内，3D打印
25、应用领域前五名分别是工业制造，航空航天，汽车制造，消费电子产品制造和医疗领域。而在欧美发达国家，3D打印甚至开始应用于个性化消费品产业。例如纽约消费者可以自行设计一些产品，并把设计方案上传到一家名为“Quirk”的创意消费品公司。该公司会用3D打印技术制造出实物通过电子市场进行销售。6图2-2 近年来3D打印行业发展3D打印在我国发展相对比较晚，20世纪80年代初开始相关的研究。我国3D打印的两位先驱分别是清华教授颜永年和西安交通大学卢秉恒教授。1998年，颜永年在美国加州大学访问时通过一张有介绍快速成型技术的工业展览宣传单，认识到了3D打印技术。回国后，他立即开展相关的研发，并成立了清华大学
26、激光快速成型中心。而卢秉恒教授则是在1992年间，访问美国发现3D打印技术应用在汽车生产的优势，看到了3D打印技术对于生产的帮助。回国后立即转向这类行业的研究，并1994年成立了先进制造技术研发中心。随后二十多年的发展，我国涌现大量从事3D打印制造和生产的企业，部分这些企业的3D打印的技术和设备已经达到了国际的领水平。例如北京航空航天大学从2000年开始在随后不足五年的时间里就突破了钛合金等高性能金属结构件激光快速成形关键技术及关键成套工艺装备技术，使我国跻身于国际上少数几个全面掌握这项技术的国家行列，并成为继美国之后世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形（也就是3D打印）及在飞机上装机
27、应用技术的国家。7但总的来说，我国3D打印的产业规模依旧比较小，目前全球3D打印设备市场的保有量占有率美国第一，德国第二，中国第三。并且在产业化技术发展以及应用方面还是远远落后于欧美国家，主要体现在以下方面：1）研发技术比较落后，我国的问题依旧是科技研究的前沿的劣势。我国增材制造装备的部分技术水平与国外先进水平相当，但在核心部件、打印材料、软件控制系统等关键技术方面落后于欧美国家。我国增材制造技术主要应用于模型制作，在自主生产高性能终端零部件方面还需要长足的进步。2）在工艺开发方面，由于科技发展水平的差异性，国外生产工艺的开发是基于理论基础，而我国则更多通过经验和反复的试验验证，导致我国增材制
28、造工艺关键技术整体上落后于国外先进水平。3）与其他类型机器情况相似，国产的一些3D打印机性能上远不如进口的设备，在智能化程度上落后于国外先进水平。 4）我国3D打印机的核心零部件主要还是依靠进口。8不过，目前3D打印生产取代传统机械制造生产方式的想法基本不可能实现。有几个重要的原因；一是普及3D打印机高昂的费用会造成成本提高，3D打印生产便捷上的优势使由针对性的，它适用于单个物体的生产，原件的设计与分析。而工厂车间若想大规模生产，车床、加工中心等常规机器的加工还是首要选择。二是由于普通的3D打印设备的精度不高。例如本论文所选择的三轴并联式打印机，由于该3D打印机工作时需要X、Y、Z三轴配合，以
29、及FDM工艺加工时，喷嘴附近熔融材料产生的高温会造成工件的热膨胀，3D打印机加工时会有一定误差。目前出现的所有3D打印机，就精度上而言，能达到较高水准精度的只有以色列的objet打印机。其价格至少是30多万，并且精度最高只能达到0.125mm。而20世纪80年代一些尖端行业超精密加工就已经达到了1纳米。另一方面则是技术不成熟的原因。目前技术相对成熟的3D打印机一般应用的是熔融成型原理。这种机器智能打印一些熔点较低的材料，例如塑料、树脂。塑料材料是主流3D打印材料。但随着生产需求的不断提高，3D打印也必须向这高强度的材料发展。如此以来也就有了两种发展方向；一种是塑料材料高强度化，增强塑料强度使其
30、达到金属的强度等级，以此替换金属参加一些高强度的工作，强化后的塑料材料相比金属材料既便宜又质轻。另一种就是金属3D打印。表2-1103D打印技术按技术原理分类以高分子聚合反应为基本原理立体光固化成型（SLA）高分子打印技术高分子喷射技术数字化光照加工技术微型立体印刷术以烧结和熔化为基本原理选择性激光烧结技术（SLS）选择性激光熔化技术（SLM）电子束熔化技术（EBM）以粉末-粘合剂为基本原理三维打印技术以熔融沉积造型技术为基本原理熔融沉积造型技术(FDM)以层压制造原理为基本原理层压制造技术以气溶胶打印原理为基本原理气溶胶打印技术以生物绘图原理为基本原理生物绘图技术按原型使用材料的构建技术分类
31、液态原材料液态树脂固化 （如SLA）熔融材料固化 （如FDM）粉末粒子原材料激光烧结融化材料（如SLS）粘合剂粘结粉粒 （如3DP）薄层原材料热熔胶粘接薄材 （如LOM）按打印材料分类金属材料打印机、无机非金属材料打印机、有机高分子材料打印机、生物材料打印机等 图2-3 第一台3D打印机“SLA-1” 2.3本设计应解决的主要问题本设计采用三轴并联臂结构。整体的机架式是一个正三棱柱，三条侧棱上分别由三个电机与传送带。传送带上有滑块与连接件，用于连接传送带与并联臂连杆，使传送带Z轴上的运动转化为喷嘴X、Y、Z三轴的运动。所以加工中需要三轴的配合，应该尽量减少加工中的滑动误差，传动的精度越高，喷嘴
32、加工越准确。因此，为了能使喷嘴能正确地工作，需要保证传动的准确。同时又要设计好并联臂的长度，使其能正确地安装，并且能给予喷嘴一个合适的加工空间，能在打印台上正常的工作。同时为了保证加工的平稳性，应当保证动平台始终平行于静平台，需要限制喷嘴X、Y、Z三个方向的转动自由度。三、设计内容3.1设计原理本设计的传动系统，由驱动电机、传送带、滑块以及并联杆组成。在打印时，三条侧棱上的传送带由各自的驱动电机提供动力，带着床送带上的滑块作Z轴的平动运动，再通过铰链改变力的方向，由三组并联杆把力传送到动平台的三个不同方向。由于喷嘴安装再动平台上，这样一来，依旧等于通过三条侧棱滑块运动的配合，使得喷嘴能在打印空
33、间内正常地工作。3.2方案选择（1）在确定研究方向前本小组分别了解了3D的打印的几种主要的打印方式。查阅相关文献后，发现光固化成型技术的打印方式所使用的打印材料仅限于光固化材料。选择性激光烧结成型技术原理与光固化成型相似，而研究成本较高。故此选择应用范围较广的熔融沉积成型技术的打印机（FDM）。FDM应用的范围更广。（2）在设计侧棱的电机数量时，由于侧棱上滑块的运动是相对独立的，分别采用三台电机驱动如图3-1所示，可以减少线路的数量以及设计控制系统时需要的步骤。让电机不会因装有过多的电线而造成的外观错综复杂。又因为机械的传动不可避免的会产生误差，越繁杂的传动过程造成的误差会越大。简化打印流程，
34、将减少加工误差，保证加工的精密度，使加工出来的三维物体更优秀。 图3-1侧棱的步进电机 图3-2同步带与滑块连接部件（3）在设计传动方式方面使，考虑链传动、带传动以及齿轮传动三种传动方式。齿轮传动的平稳性高，能保证加工的稳定性。齿轮啮合结构紧凑，传递运动准确。传动比较大，传递效率高，但考虑到滑块在侧棱上的位移量以及安装要求，采用齿轮传动会大大地提高会整台打印机的质量以及体积，因此不采用齿轮传动。链传动能实现两轴中心距较大的传动，但传动平稳性较低，会造成加工上的问题，同时传送链安装维修要求较高。因此才用带传动。（4）在设计打印机结构时，考虑并联式结构（图3-4）与龙门式结构（图3-3），并联式优
35、势主要是由于其通过传动链驱使动平台移动，而非直接由主动臂驱动。因此并联式运动机构所要求三轴的精度一致。而龙门式的打印机通常x y轴用同步带而z轴由于负载大用螺纹拉杆，这会造成三轴配合间的问题，所以精度和速度与xy轴不同。加上并联式在加工速度上的优势，因此选择并联式结构。 图3-3龙门式3D打印机 图3-4并联式3D打印机3.3分析问题3.3.1自由度分析：由计算空间机构自由度公式可知：F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2-P1 （3-1）式中 n-活动件数，P1、P2、P3、P4、P5分别为15级运动副的个数（P5有五个约束，一个自由度，P4有四个约束，一个自由度，如此类推）由机构简图图3
36、-5可知，活动件数n=7，构件1与2，3与4以及5与6分别形成球副，构件2与4和4与6，2与6分别形成转动副，三个滑块为三个移动副。因此，P5=6，P3=3。其余皆为0。得出：F=67-56-40-3P3-20-0所以该三轴并联式3D打印机的空间自由度F=3。该机构由机架上3条侧棱的3个马达驱动，所以主动件为3，与自由度相等。需要注意的是，目前机构自由度的计算公式多达34条，但并没有一种方法能够完美的解决所有的机构自由度计算的问题。一些公式计算出来得结果，并不一定与其他公式得结果相同。因此引入另一条计算机构自由的式子进行验证；由K-G公式得F=6n-g-1+i=1gfi （3-2）其中,n-运
37、动杆数目，g-运动副数，fi-运动副i具有的自由度数。因此n=8，g=9，i=1gfi=15，将数字带入K-G公式中得；F=6n-g-1+i=1gfi=6（8-9-1）+15=3 （3-3）结果与主动件数相等。图3-5 运动机构简化图3.3.2 工作空间分析；计算打印机的可达工作空间，如图2-1，即为计算动平台中心P的运动轨迹。由三维空间勾股定理得：Q1-zp2+xp2+33l1-l2-yp2=l32Q2-zp2+xp+12(l1-l2)2+yp+36l1-l22=l32Q3-zp2+xp+12(l1-l2)2+33l1-l2-yp2=l32 （3-4）式中，l1-静平台边长，l2-动平台边长
38、，l3-三支链中定长杆的长度，点P（xp，yp，zp）-动平台中心，Qi-移动副中滑车的位移，i=1,2,3. 图3-6 空间坐标系中的机架及运动机构解得动平台中心P的运动方程zP=-B-B2-4AC2AxP=312mQ3-Zp2-Q2-ZP2yP=112m2Q1-Zp2-Q2-ZP2-Q3-ZP2 （3-5）其中，为了简化方程式，假设A、B、C为参数。 A=2Q1-Q22+Q2-Q32+Q1-Q32+18m2B=2Q1Q2Q1+Q22+Q2Q3Q2+Q32+Q1Q3Q1+Q32-4Q13+Q23+Q33-24m2(Q1+Q2+Q3)C=144m2+Q14+Q24+Q34+12m2(Q13+Q
39、23+Q33)-Q12Q22-Q12Q32+Q22Q32-36m2l32四、3D打印机相关的计算4.1 机架的尺寸设计打印的范围：200mm200mm200mm。 如图4-1，圆O为打印平台，作等边三角形ABC外切于圆O。则机架底部尺寸应大于三角形ABC。 分别作垂足u、v、w垂直于三角形ABC三条边，则ou=oBsin30。 (4-1)wB=wo+oB=ABcos30。 (4-2)解得等边三角形ABC边长最小值为347mm，由于需要预留空间，考虑其他构件的安装要求，因此取底部三角形机架为360mm，取机架高度为600mm. 图4-1机架及打印台俯视图简化图 图4-2机架实物图4.2 部分零部
40、件图4-3 200mm打印台图4-3为温床，充当工作平台，喷嘴挤出的熔融材料在这个平台上堆积成型。 图4-4 铝型材立柱 图4-5 大角件图4-4为侧棱，充当打印机的侧棱，支撑起整个机架。图4-5为大角件，充当连接件，将侧棱与底座连接起来，加强打印机的机械强度，保证加工的稳定性4.3 连杆长度设计 动平台运动机构中由6根等长的连杆，每两根相互平行形成三组，由于在自由度分析是存在虚约束，因此将一组的连杆视作一根来进行分析。它们是把侧棱上滑块沿Z轴方向的平动运动转化为动平台X、Y、Z三个方向的平动运动的媒介之一。连杆的长度过小或则过大都会造成安装上的问题，因此需要合理的设计连杆的长度，在保证传动正
41、常的前提下，采取尽量小的长度，以达到打印范围的最大化。由图3-6可知；1） 当三组连杆处于同一水平面时，可视为一个极限状态，此时的连杆长度最小，其简化俯视图如图4-6所示。其中Ao、Bo、Co可视做三组连杆。图4-6连杆处于最小极限长度 由于选定机架顶部三角形边长为360mm，因此，由等边三角形三线合一性质可求pCoC=32 （4-3）解得oC207.846mm,即连杆最小值为207.85mm.2） 当三个滑块都处于侧棱最顶端，且喷嘴与打印台中心接触时，连杆处于另一极限长度，此时为连杆允许的最大长度。如图4-7，侧棱、连杆以及连杆在底部的投影形成一个直角三角形。图4-7 连杆处于最大极限长度
42、其中，已知侧棱ab=600mm,连杆投影pb=207.85mm,由勾股定理得求得ab2+bp2=ap2 （4-4）求得连杆最大值为634.98mm。综上所述，连杆长度得取值范围为207.85,634.98。考虑其生产工艺以及打印空间的合理化。取长度值为240mm。4.4 导轨与滑块的固定导轨的作用在于带动滑块在竖直方向上自由运动， 本设计选用 MGN12H 型工业导轨，图纸与参数如图4-8所示。通过M3*8的螺栓固定在机架的三条侧棱上，在通过同步带与步进电机的同步齿轮位相连接。这样三个步进电机通过控制同步带动滑块做沿Z轴方向的平动运动，从而控制挤出头在打印台上三维空间内的移动。图 4-8导轨与
43、同步带连接机构采用 SI4 型内螺纹杆端关节轴承，配M4螺杆。为了保护连杆，将其插入长度200mm外径6mm内径4mm的碳钎维杆中。图 4-9滑块连接部件4.5 并联臂强度校核在小型三轴并联式3D打印机中，由于其运动机构由铰链和并联臂组成平行四边形封闭环，其力的传递主要通过并联臂完成，因此除并联臂外各个部件所承受的载荷均很小，机构上的拉应力主要集中在并联臂上，一次需要校核并联臂的强度，确保用的材料的强度满足要求。连杆选用直径为6mm的304不锈钢杆。在动平台工作时，并联臂与喷头的质量（约300g）都十分小，对并联臂所施加的负载在计算校核并联臂的强度时可忽略。并联臂的两端分别受到两个大小相近的力
44、，因此可将并联臂等效视作二力杆，此二力杆两端所受力大小为10N。由材料力学中的轴向拉、压杆的强度计算的强度计算公式得max=FA （4-5）其中，max- 杆内横截面上的最大工作应力。F - 产生最大工作应力的截面上的轴力，这个截面成为危险截面。A- 危险截面的截面面积。- 材料的许用应力。根据已有的条件可列出：F=10N，A=d24=9.代入强度计算公式有；b=Fd24=0.35 Mpa （4-6） 查阅机械设计手册得到304不锈钢的许用应力为520 Mpa，因此强度满足设计要求。图4-10 并联臂4.6 传动机构的设计 表4-1 三种传动类型的比较过载能力结构传动效率工作速度传动平稳性成本
45、缓冲吸振能力精度链传动较强复杂高较高差高较差高带传动较强简单较高高较好低较好较低螺杆传动无复杂较低较低差高无较高很显然，齿轮传动时不需要考虑的。而对比链传动、带传动、螺杆传动的各项指标后，发现在排除成本的情况下，链传动的表现最好，带传动次之，最后是螺杆传动。但是链传动有一个影响非常大的缺点；运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在快速反向的传动中。而为了加工的灵活性，加工过程中要求滑块做较多的往返快速的运动。因此最终选择带传动为传动方式。表4-2 三种带传动类型的比较传动稳定性传动效率耐磨性结构工作环境要求外廓尺寸平带传动低低差简单较高小V带传动较高低好复杂较高较大同步带传动高高较好简单较低较小带传动主要有三个类型；平带、V带、同步带。通过表4-2分析可以首先排除平带传动。对于3D打印机而言，传动的平稳性和准确性是非常重要的，只有在保证这两个指标的情况下，打印机才能更好地与数控系统相结合，喷嘴才能准确地执行系统下达的指令，造出来的产品才能平整。平带传动结构简单，很容易发生打滑现象，会影响加工效果，使产品发生变形、产生大量毛胚等的问题。在这方面，同步带比V带的传动都