3D打印設備的系統設計

本課題設計的3D打印機與一般的3D打印設備不同，其旋轉臂式結構將其中一個方向的直線運動代替為旋轉運動，這使得其在精度上的要求更高，設備的運動系統在相當大程度上決定了成型工件的精度、表面粗糙度及加工效率。3D打印機其實就是一臺微型的數控機床，能根據控制程序做出一系列動作，自動精確的完成機械部件的移動。三軸運動是3d打印設備的核心部分，運動系統及傳動部件的好壞直接影響到設備工作時的定位精度，因此應選用結構相對簡單的運動系統。

三軸運動方式的設計，主要就是XYZ三個方向的運動方式以及傳動構件的選擇，在z方向是步進電機將旋轉運動傳遞給絲桿，通過螺母將絲桿的轉動轉化為垂直方向的運動，從而使橫臂作升降運動；旋轉平臺與步進電機連接，通過減速齒輪將電機轉速降低，帶動機械臂旋轉；在X軸上由電機驅動同步齒輪，同步帶在齒輪的帶動下作直線運動，使旋轉平臺作沿導軌方向移動。根據本設計3D打印機的工作需求，結合運動系統的設計準則，主傳動系統主要包括滾珠絲桿、直線導軌、減速齒輪、同步帶傳動、步進電機等主要部分。機械系統中固定件均使用標準化零件，便于設計與后期維護。

旋轉臂式3D打印機系統設計時，根據其制造工藝及加工精度的要求，重點除了結構的設計外，還需遵從如下幾個設計原則：

1. 速度快，能夠實現較快的運行速度，且具有一定的調速范圍。
   

2. 結構簡單，裝配性好，易于后期保養與維修。
   

3. 可靠性高，結構合理，具有足夠的剛度和抗振性，不會因為其自身的運動產生抖動和沖擊。
   

4. 高效率，傳動系統具有較高的靈敏度及響應速度，提高生產效率。
   

5. 穩定性好，傳動系統的精度和準確度要高，確保加工制件成型的精度。

同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優點的傳動零件：其在工作時穩定性好、精度高，工作時無滑動；結構緊湊，傳動效率高，節能效果好，且維護保養方便，價格低廉。同步帶輪的設計，很大程度上決定了3D打印機在成型過程中X軸方向運動的準確度及成型工件的加工精度，因此其可靠性和穩定性尤為重要。3D打印機在X-Y平面的設計追求結構緊湊，但對主動輪的轉速并沒有過高的要求，故選用較小齒數的齒形帶輪，從設計準則上來說兼顧了高效、穩定、快速及經濟適用性的原則。

3D打印噴頭在移動的同時，還需對指令做出快速響應，為了在運行過程中減小摩擦、提高精度，實現準確定位，并提高打印的效率，因此選擇合適的導向構件對機器工作的性能有重要影響。滾動直線導軌是具有摩擦力小，且動、靜摩擦力差別小的特點，隨動性好，有利于提3D打印機打印頭的響應速度，提高整機的靈敏度。從滾動直線導軌的結構上看，在滑塊與導軌之間的鋼球使運動之間的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，降低滑塊與導軌之間的摩擦阻力，有助于實現高速定位時的準確度，以及在重復定位時的精度?；瑝K與導軌之間能實現無間隙運動，提高了整個運動系統的運動剛度。

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