3D打印机的机械结构设计
基于3D打印技术的机械零部件的设计与制造
基于3D打印技术的机械零部件的设计与制造一、引言随着3D打印技术的不断发展，它的应用范围也越来越广泛，如工业制造中的机械零部件的设计和制造。
传统的制造方式需要极高的准确度和复杂的工步，而使用3D打印技术则可以更加高效、快捷地制造出精度高、结构复杂的机械零件。
因此，本文将介绍基于3D打印技术的机械零部件的设计和制造。
二、3D打印技术3D打印技术是一种新兴的数字化制造技术，它的原理是根据计算机所建立的三维模型，通过逐层打印材料的方法，将模型逐渐完整地构建出来。
该技术具有结构复杂、精度高、定制化、成本低、生产周期短等优点，因此被广泛应用于机械零部件的制造。
三、机械零部件的设计机械零部件的设计是3D打印技术的一个重要应用方向。
传统机械零部件的设计需要考虑到许多因素，如可制造性、功能性、可靠性等。
利用3D打印技术，可以将复杂的机械零部件分解为若干个组成部分，在计算机模拟中进行设计，可以快速且准确地完成不同结构、不同尺寸的机械零部件的设计。
在机械零部件的设计过程中，还需要考虑到所采用的3D打印材料。
常用的3D打印材料有塑料、金属、陶瓷等。
塑料材料适用于制造小零件，而金属材料则适用于制造大型零件或承受高载荷的部件。
设计时需要选择合适的材料才能确保机械零部件的性能。
四、机械零部件的制造机械零部件的制造是3D打印技术的另一个重要应用方向。
3D打印机可以根据计算机上传的3D模型，通过逐层打印材料的方式，将机械零部件逐渐制造出来。
与传统的制造方式相比，3D打印技术可以减少复杂的加工工艺，大大提高零部件的生产效率和产品的质量。
在机械零部件制造中，需要选择适合所制品种的打印设备和3D打印材料。
对于机械零部件，使用金属材料的3D打印设备能够保证打印出的零部件达到高强度和高韧性的要求。
五、3D打印技术在机械制造中的优势3D打印技术在机械制造中具有许多优势。
首先，3D打印技术能够打印出非常复杂的形状，因此可以满足要求更高的设计要求。
一种新型悬臂式3D打印机结构设计与制作分析
• 41•针对目前开源型桌面级3D打印机成本较高的问题。
设计了一种新型悬臂式3D打印机的结构。
本文主要介绍了打印机的设计方案以及电机选型与材料选择方面的分析。
经过一系列计算且与传统制作工艺相比较分析后，选用42HS02步进电机，由PLA材料制成的连接件替代金属零部件，解决了传统打印机维修繁琐、装配复杂、占地面积大等问题。
当今人们的生活需求提速较快，已不满足于此时代的技术水平。
而3D打印机的出现在很大程度上缓解了这一现状。
3D打印技术现在作为快速成型技术的一种，它与传统打印机相比最大的区别在于可以使用非液体材料来进行打印，且介质种类也多种多样。
该技术现在在教育，建筑，珠宝，工业设计，航空航天，医疗产业，土木工程，军事以及其他领域都有所应用。
针对于3D打印机初学者来说，业内常规的3D打印机的结构过于单一，常见的3D打印机为龙门式三坐标的3D打印机，其结构的稳定性以及长期性一直被广泛应用，但是因为龙门式3D打印机通过三个导轨滑块机构进行三坐标的定位，所占空间较大，重量较重，打印速度慢，同时需要的动力能源较多，无法达到更好的节能效果以及满足人类对空间的需求性。
箱体式结构也是目前市面上较为流行的，但它结构较为复杂，不易装配，维修繁琐，而且零件精度要求较高，整个机型的成本高。
Delta三角洲机型相比较于其他结构占地面积较小，但是由于打印机需要给3个并联臂留出移动空间，这就直接限制了打印机在空间上的利用。
除此之外由于其坐标定位采用的是一种特殊的插值算法，对于一些弧形结构只能采用多个直线段逼近的方法，导致其打印精度稍有不足。
传统的3D打印机结构复杂、体积较大，制作成本高，而且操作不易掌握。
不适用于人手一台去了解并学习，因此设计了一种新型悬臂式结构的3D打印机，旨在解决上述现有技术中存在的传统3D打印机结构复杂、操作繁琐、不利于教学演示的技术问题。
1 悬臂式3D打印机结构悬臂式3D打印机的总体结构如图1所示，大致可以分为四个部分，分别是水平运动机构、垂直运动机构、悬臂运动机构、材料挤出机构。
基于FDM 3D打印机机械结构和控制系统设计的研究
基于FDM 3D打印机机械结构和控制系统设计的研究
童和平;张香红;肖晓兰;李达人
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2024(53)4
【摘要】研究FDM技术支持下的3D打印机设计策略。
使用步进控制精度在0.002 mm的丝杠滑块和步进电机的核心坐标控制系统,分别使用1组丝杠控制X 轴和Y轴的定位,使用2组丝杠控制Z轴的定位,使用3组FDM挤出系统控制彩色打印过程,在探讨了坐标控制算法和冷却成型算法后,设计了一种包含7个执行机构且有LED综合状态显示功能的3D打印机机械结构和控制系统,且该系统可直接通过USB连接线从桌面端直接将文件传输到3D打印机的ARM系统中。
基于FDM 3D打印机机械结构和控制系统设计的研究,可以得出:通过对坐标控制算法和冷却成型算法进行革新,提升对步进电机的控制策略,增加驱动程序可识别的3D模型文件种类,对FDM材料的成型过程进行进一步优化控制,是未来FDM技术支持下的3D打印机重点发展方向。
【总页数】4页(P180-183)
【作者】童和平;张香红;肖晓兰;李达人
【作者单位】广东开放大学机电工程学院;广东工业大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP334
【相关文献】
1.基于FDM的彩色3D打印机控制系统设计
2.基于恒温控制的FDM3D打印机PID系统设计
3.FDM技术下的3D打印机机械结构和控制系统设计探讨
4.基于FDM工艺的3D打印机机械结构设计
5.基于FDM技术的多喷头3D打印机机械结构和控制系统关键技术研究
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使用3D打印技术制作机械零件的步骤
使用3D打印技术制作机械零件的步骤在现代制造业中，3D打印技术已经成为一种非常重要的创新工具。
它不仅能够快速、高效地制造零件，而且允许生产出复杂的形状和结构。
在制造机械零件方面，3D打印技术也显示出巨大的潜力。
以下是使用3D打印技术制作机械零件的基本步骤。
1. 设计零件模型首先，需要使用CAD（计算机辅助设计）软件设计机械零件的模型。
在设计过程中，需要准确地确定零件的尺寸、形状和结构。
这一步骤需要工程师或设计师根据实际需求和要求进行详细规划。
2. 导入模型到切片软件完成模型设计后，需要将模型导入到切片软件中。
切片软件的作用是将模型切割成多层平面，并生成每一层的切片图像。
3. 调整切片参数在切割软件中，可以根据需要调整一些参数，包括打印质量、打印速度和填充密度等。
这些参数会直接影响到最终打印效果和零件的性能。
4. 预览和修正切片图像在切割软件中，可以预览每一层的切片图像，并进行必要的修正。
如果发现设计或者错误，可以在软件中进行修改，然后重新生成切片图像。
5. 导出G代码完成切片图像的调整后，需要将切片图像导出为G代码。
G代码是一种用于控制3D打印机的指令代码，它会告诉打印机如何移动和堆叠材料。
6. 准备3D打印机在开始打印之前，需要准备好3D打印机。
这包括安装打印材料、调整打印床的水平度和温度等。
打印材料通常是一种可塑性材料，如ABS或PLA。
7. 传输G代码到3D打印机完成3D打印机的准备后，将之前导出的G代码传输到打印机。
这通常通过电脑或者存储设备完成。
8. 开始打印一切准备就绪后，可以开始打印。
3D打印机会按照G代码的指令，一层一层地堆叠材料，直到完成整个零件的打印。
9. 等待打印完成打印过程需要一定的时间，具体的时间取决于零件的尺寸和复杂度。
在等待过程中，需要保持打印机的稳定，并且对打印过程进行监控，以确保打印的成功。
10. 取出并清理打印零件当打印完成后，需要小心地将打印出来的零件取出。
《2024年FDM彩色3D打印机系统设计与仿真》范文
《FDM彩色3D打印机系统设计与仿真》篇一一、引言随着科技的发展和数字化的趋势，3D打印技术越来越受到广泛关注。
其中，FDM（熔融沉积建模）技术以其简单、低成本和易于维护的特点，成为目前最常用的3D打印技术之一。
本文将详细介绍FDM彩色3D打印机系统的设计与仿真过程，旨在为相关领域的研究和应用提供参考。
二、系统设计1. 硬件设计FDM彩色3D打印机的硬件设计主要包括打印机的机械结构、喷头、加热系统、控制系统等部分。
（1）机械结构：采用稳定可靠的XYZ轴运动结构，确保打印过程的稳定性和精度。
同时，为了方便操作和维护，设计有易于拆卸的打印平台和可调节的喷头高度。
（2）喷头：采用高质量的喷头材料，具备高温耐腐蚀性能。
喷头设计为多色喷头，以实现彩色打印功能。
（3）加热系统：包括喷头加热和平台加热两部分。
喷头加热系统用于将塑料材料熔化，平台加热系统则用于提高打印平台的温度，以防止打印件在打印过程中脱落。
（4）控制系统：采用高性能的主控芯片和稳定的驱动电路，实现精确的XYZ轴运动控制和喷头加热控制。
同时，配备友好的人机交互界面，方便用户进行操作和设置。
2. 软件设计软件设计主要包括控制系统的编程和仿真软件的开发。
（1）控制系统编程：采用易于编程和调试的编程语言，实现喷头运动、加热、送料等功能的控制。
同时，具备错误检测和报警功能，确保打印过程的稳定性和安全性。
（2）仿真软件的开发：用于对FDM彩色3D打印机的运动过程、温度控制、材料熔化等过程进行仿真。
通过仿真，可以预测打印过程中可能出现的问题，提前进行优化和调整，提高打印质量和效率。
三、仿真分析通过仿真软件对FDM彩色3D打印机的运动过程、温度控制、材料熔化等过程进行仿真分析。
1. 运动过程仿真：通过模拟XYZ轴的运动过程，验证机械结构的稳定性和精度。
同时，通过仿真分析喷头的运动轨迹和速度，优化喷头的运动规划，提高打印速度和精度。
2. 温度控制仿真：通过模拟加热系统和温度传感器的工作过程，验证温度控制的稳定性和准确性。
直角坐标系3D打印的机械结构设计探讨
式，可更进一步的完善其对控制面板的使用策略，并确保在今后的使用过程中，如何应用 ３Ｄ 打印机来进行坐标
图形的打印，本文进行简要的设计探讨。
关键字 ：直角坐标系 ；３Ｄ 打印 ；机械结构设计 ；
中图分类号 ：ＴＨ１６５
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１００２－５０６５（２０１６）０５－００５３－２
收稿时间 ：２０１６－０２ 作者简介 ：廖仲伍，生于 １９８２ 年，女，湖南株洲人，本科，讲师。 工作单位 ：湖南机电职业技术学院。 研究方向 ：机械工程。 通讯地址 ：湖南省长沙市洪山路 ６００ 号。 联系方式 ：ｚｈｇｂｋ＠１６３．ｃｏｍ
图 1 XY 轴运动组件的钢架结构 在这个结构中，对于基本的设施使用规范，则主要
2 载物台组件控制 3D 打印机在使用过程中，承物台是确保其应用安全
性的重点，对于打印的使用规范，以及热熔材料的合理 化堆积问题等，都会形成一定的影响。因此为保证工作 的熔料使用安全性，就需要加强对载物台进行合理的排 布分析，并结合实际的使用规范来进行确定，以确保对 实际使用过程中的粘结效果，做到对温度的合理控制， 确保其在 80℃左右，并实现对基本铜蚀效应的有效控 制。
由于近年来的科技迅速发展，3D 的使用轨迹，可有 效确保其运动的控制机构能力，对于实际坐标形式的生 产结构，可结合有机架构来进行分析，确保其在实际使 用过程中，能够精确的保证其信息的安全性，对于信息 方式的组间，针对三维坐标的控制，其主要就集中在机 架、XY 轴移动组间等多个版面，对于组件的安全控制， 可结合打印机的实际使用操作来确定其机械结构的完整 性。下面针对其机械结构的设计策略进行简要讨论。
1 直角坐标系3D打印机的运动组件设计 为满足运动机构的驱动设置，我们通过胶头平面的
毕业设计(论文)-激光3d打印机设计说明书[管理资料]
毕业设计（论文）毕业设计题目：激光3D打印机毕业生姓名专业学号指导教师所属系（部）二〇年月前言3Ｄ打印是快速成型技术的一种，它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技术，3Ｄ打印通常采用数字技术材料打印机来实现。
3D打印技术主要包括立体光刻造型技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结等，这些技术使得打印出的产品在精度及质量等方面有大幅的提升，可以说3Ｄ打印为产品成型提供了整体解决方案。
3Ｄ打印技术就是以逐层堆积材料的方式，获得立体的实物。
首先，通过扫描仪或电脑制图软件获得需要打印物体的三维数据，然后将数据导人３Ｄ打印机，用专用软件进行分层处理，每一层形成二维图形数据，然后专用软件根据每一层的二维图形数据进行线扫描或点打印路径规划和自动编程，形成打印机识别数控Ｇ码程序，然后打印机启动这些程序，进行逐点逐线逐面打印直到完成实物的成型。
基本思路就是先将虚拟数据离散化处理，然后将离散数据用打印机变成实体。
全套设计加11970985或197216396摘要自20 世纪 80 年代中期以来，光固化快速成型技术的发展与应用越来越广泛和深入，光固化成型机的需求也越来越大。
由此，本论文针对激光3D立体光固化成型机的机械结构进行了设计，包括：1、X-Y 扫描机构；2、Z 轴升降机构； 3、刮刀机构，并且对其中的部分结构进行了改进。
X-Y 方向的平面扫描运动和刮刀的水平运动由原来的精密同步带传动改成精密滚珠丝杠传动，使其在行程较长时不出现抖动，有利于保证扫描精度，运动稳定。
采用直线步进电机直接连接滚珠丝杠，响应更加快速准确，同时因无中间部件，使机械结构简单化,精度较高。
通过对立体激光固化造型机机械结构的设计，使得其运动和传动更加合理和平稳，进而使其在生产过程中能够更好的进行生产。
关键词：立体激光固化；扫描机构；快速成型；传动；结构设计ABSTRACTThis article specifically for three-dimensional modeling of light-cured structural design of mechanical systems. X-Y scanning normally used to screw drive. Through the motor rotation, with another even reached the screw shaft, through to the X and Y to the two motors of rotation to achieve XY to scan; Z to the table, also by the screw and a rail. Z to the table by the extension units, columns, screw composition, its transmission is through the same motor rotation axis is to pass even reached the screw by screw to achieve the rotation of the table move up or down.Through the three-dimensional modeling of light-cured in the design and mechanical systems, making their campaigns and drive more reasonable and stable, then in the production process so that it can better carry out production.Key word: SLA；Scanning agencies；Rapid Prototyping；Transmission；Structure design目录第1章绪论 ........................................... - 4 - . (4)............................................................................................................................. - 4 -............................................................................................................................. - 5 - . (5)1、CAD模型的前处理造成的误差 .................................................................... - 6 -2、成型系统的工作误差 ................................................................................... - 7 -3、成型过程中材料状态引起的翘曲变形 ....................................................... - 7 -4、成型之后环境度化引起的误差 ................................................................... - 7 -5、工件后处理造成误差 ................................................................................... - 8 - (8)立体光固造型SLA国内外现有技术水平 (9) (9)本次设计的主要工作 (9)主要设计工作 ................................................................................................... - 9 -设计参数 ........................................................................................................... - 9 -设计思路及主要问题 ..................................................................................... - 10 - 第2章 XY方向设计计算 ...........................................................................- 12 - .. (12)设计参数 ......................................................................................................... - 12 -方案的分析、比较、论证 ............................................................................. - 12 - 脉冲当量和传动比的确定 . (13)脉冲当量的确定 ............................................................................................. - 13 -传动比的确定 ................................................................................................. - 13 -确定步进电机步距角 ..................................................................................... - 13 - 丝杠的选型及计算 . (14)计算丝杠受力 ................................................................................................. - 14 -滚珠丝杠螺母副的选型和校核 ..................................................................... - 14 - 导轨的选型及计算 . (18)初选导轨型号 ................................................................................................. - 18 -计算滚动导轨副的距离额定寿命L ............................................................. - 18 - 步进电机的选择 .. (19)传动系统等效转动惯量计算 ......................................................................... - 20 -所需转动力矩计算 ......................................................................................... - 21 - 本章小结 .. (23)第3章 Z方向设计计算 .............................................................................- 25 - Z方向工作台设计 .. (25)........................................................................................................................... - 25 -设计参数 ......................................................................................................... - 25 -方案的分析、比较、论证 ............................................................................. - 25 - 脉冲当量和传动比的确定 . (26)脉冲当量的确定 ............................................................................................. - 26 -传动比的确定 ................................................................................................. - 26 -确定步进电机步距角 ..................................................................................... - 26 - 丝杠的选型及计算 . (27)计算丝杠受力 ................................................................................................. - 27 -滚珠丝杠螺母副的选型和校核 ..................................................................... - 27 - 步进电机的选择 .. (30)传动系统等效转动惯量计算 ......................................................................... - 30 -所需转动力矩计算 ......................................................................................... - 31 - .. (34)第4章刮刀系统设计 ................................................................................- 35 - 刮板的选择 . (35)刮板的材料和移动速度对涂层质量的影响 (36)本章小结 (37)结论...........................................................................................................- 38 - 附录...............................................................................................................- 39 - 外文 (39)中文翻译 (54)致谢...........................................................................................................- 65 - 参考文献.......................................................................................................- 66 -第1章绪论本文主要针对立体激光固化造型机机械结构设计。
多头熔融沉积成型3D打印机设计
多头熔融沉积成型3D打印机设计[主题和立意]：本文将介绍多头熔融沉积成型3D打印机的设计，重点探讨其工作原理、特点和优化方向，旨在为3D打印技术的发展和应用提供新的思路和方案。
[逻辑思路]：本文将从以下几个方面展开讨论：多头熔融沉积成型3D打印机的概述：首先简要介绍多头熔融沉积成型3D打印机的概念和起源，以及其在3D打印领域中的应用和优势。
多头熔融沉积成型3D打印机的工作原理：详细介绍多头熔融沉积成型3D打印机的工作原理和主要组成部分，包括喷头、送料机构、加热装置和控制系统等。
多头熔融沉积成型3D打印机的特点：阐述多头熔融沉积成型3D打印机的特点，包括高效率、多样化、灵活性和环保性等方面，同时对比其与传统3D打印技术的优势。
多头熔融沉积成型3D打印机的优化方向：分析多头熔融沉积成型3D 打印机的不足之处，并探讨其优化方向和未来发展趋势，包括提高精度、增加稳定性、降低成本和拓展应用领域等。
总结多头熔融沉积成型3D打印机的设计思路和优化方向，强调其在3D打印技术中的重要地位和未来发展潜力。
引言：介绍多头熔融沉积成型3D打印机的概念和起源，引出其特点和优势。
工作原理：详细介绍多头熔融沉积成型3D打印机的工作原理和主要组成部分。
特点：阐述多头熔融沉积成型3D打印机的特点，进行优势对比。
优化方向：分析多头熔融沉积成型3D打印机的不足之处，探讨优化方向和未来发展趋势。
总结多头熔融沉积成型3D打印机的设计思路和优化方向，强调其重要性和潜力。
[语言创作]：在创作文章时，需要按照上述逻辑思路和框架，使用准确、规范的语言进行表达，同时注重以下几点：用词准确：使用专业术语和准确的词汇，避免歧义和误解。
语言简练：文章应简洁明了，避免冗长和复杂的句子，以便读者快速了解多头熔融沉积成型3D打印机的设计思路和优化方向。
条理清晰：按照引言、正文和结论等部分组织文章内容，使文章结构清晰易懂。
图表辅助：适当的图表可以直观地展示多头熔融沉积成型3D打印机的结构和工作原理，提高读者的理解能力。
熔融沉积3D打印机机械结构的设计
作者简介：宗蒙（1989-），男，博士研究生，主要从事功能化高分子材料以及材料加工设备设计研究工作。
收稿日期：2020-12-04日常办公生活中，我们所使用的打印机可对预先设计的平面形式的物体予以打印成型。
而3D 打印机和普通打印机之间的工作方式相同，但其打印所选用的耗材不同。
普通打印机耗材为墨水以及纸张，3D 打印机配有不同的耗材：塑料、陶瓷、砂子以及金属等。
计算机和打印机相连接后，通过计算机控制实现打印耗材按照预先设计的立体结构层层囤积和叠加形成三维立体的实物。
通俗而言，其可以打印三维实体的玩具车、模型、机器人，甚至是食物立体造型。
因其与普通打印机喷墨打印技术原理相近，所以称作立体3D 打印技术[1]。
3D 打印技术迅猛发展，使其使用要求也愈来愈高，现在采用3D 打印技术加工功能性材料已集成为一个新课题，尤其是新型耗材：特种工程塑料以及柔性材料是当前主流。
本文所设计的熔融沉积3D 高温打印机，可用于特种工程塑料以及柔性材料的加工。
本文对3D 打印机的械结构中z 方向移动系统以及x -y 扫描系统两个主要部分，利用分块理念予以设计。
（1）x -y 扫描系统x -y 高精度工作台构成了扫描系统核心部分，其驱动光纤以及聚焦镜扫描工件的二维模型。
在x -y 平面内，滚珠丝杠受到步进电机的驱动带动扫描头开始运动，其扫描范畴为400 mm×400 mm ，且定位精度是0.005 mm 。
为了提高机头的响应敏感度，设计中采用铝质机头以降低其质量，且确保电动机的转矩较高。
步进电机、直线导轨、聚焦透镜、x -y 扫描头、计算机等构成了扫描系统。
混合步进电机具有工作噪声小、无电力自锁、低频性、转矩大、小体积等特性，所以本设计中x 、y 、z 方向均选择混合式步进机。
为了减轻x 方向所负载的重量，则连接板和电机均选用铝质材料。
（2）z 轴升降系统升降系统主要功能是支撑工件以及沿z 轴方向运动，同时驱动喷头在z 轴方向上下移动。
一种五轴联动式3D打印机的结构设计
Internal Combustion Engine&Parts0引言3D打印（3Dprinting）被认为是“一项将要改变世界的技术”，第三次工业革命的重要标志。
由于其在复杂三维结构、高深宽比结构和复合（多材料）材料结构制造方面具有很高的潜能和突出优势，而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形的优点，经过三十多年的发展已经形成了FDM、SLS、SLA等形式3D打印机[2]。
但是目前几乎所有3D打印机的运动形式均为X、Y、Z三轴联动，此三轴3D打印机的打印质量受打印过程中支撑结构的影响，存在支撑结构难以去除、产品表面质量不佳、打印时间长、材料利用率低，容错率低等问题，制约3D打印技术的发展。
本文针对上述问题，提出了基于三轴3D打印机运动原理方式的五轴联动式3D打印机。
即在X轴、Y轴、Z轴的基础上新增了A轴（翻转轴）及B轴（旋转轴），使得被加工工件可在做三维运动同时实现绕轴旋转和不同工作面的转换，满足了在不同位向的加工面上打印的需求，实现无支撑打印。
1工作原理1.1三轴3D打印机运动原理三轴3D打印机是以空间直角坐标系为基础，通过三个方向丝杠配以驱动电机，构建起X、Y、Z三个互相垂直的运动方向，分别将喷头、打印平台等放置在不同的轴上以完成打印。
如图1所示，打印平台固定在X轴上，在X 轴电机驱动下沿X轴方向运动；打印喷头与Y轴固定，Y 轴再与Z轴固定，在Y、Z轴电机驱动下打印喷头可以完成Y—Z平面的二维运动，辅以打印平台的X轴向运动即可完成打印工作。
3.3智能化技术在故障诊断中的应用传统的电气工程自动化控制中出现故障都是人工进行诊断和检测，这种检测和诊断方式的效率低，而且对工作人员的生命安全有一定的威胁，另外，还需要工作人员有丰富的经验和很强的应急能力，所以说故障检测和诊断一直是一个重点和难点。
将智能化技术应用到电气工程自动控制的故障检测中能有效的对传统检测方式进行改善，可以进行自动化的故障检测，只需将检测出的故障原因和故障部位报告给工作人员，工作人员采取相应的措施就可以在短时间对故障进行维修，从而保证电气自动化设备的正常运行，避免对施工以及生产带来经济损失等负面影响。
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3D打印机的机械结构设计
摘要：近年来，制造业为了不断提高自身产品的质量水平，大量应用3D打
印机设备进行产品制造，这种设备的应用，使得一些结构复杂的零件加工效率和
质量显著提升，也在一定程度上突破了传统工艺的局限性。
在3D打印机中，基
于FDM工艺的3D打印机是一个重要的品类，但这类设备中，进口比例仍然较高，这就需要加强对其机械结构设计进行研究，推动其国产化进程，以解决技术依赖
问题。
关键词：3D打印机；机械结构；设计
引言
自2008年起，桌面式3D打印机进入了飞速发展的阶段，这主要是因为
reprap的开源技术得到了极大的推广应用，从而产生了多个制造桌面3D打印机
的知名企业。
经过不断改进，在开源3D打印机的基础上逐渐出现了SLS、SLA、DLP、3DP等多种打印技术，对制造业的进步发展产生了重大意义。
而3D打印机
的结构也出现了门架体系结构、双光轴结构、并联式结构等多种形式。
1基本结构的设计
结合实际需要，本次设计中设计人员的基本思路如下：首先，基于直角坐标
系的x轴和y轴，组成平面扫描运动框架；其次，在机构选用方面，x轴和y轴
的导轨均采用丝杠机构，z轴光杆则采用丝杆机构；最后，整体工作台选择三回
旋轴机构，该机构主要由伺服电机和转轴组成，作为3D打印机设备的驱动。
基
于此设计可知，x、y、z3个方向的移动均通过丝杆加以控制，电机则为其各方向
的移动提供动力。
其在实际加工部件的过程中，与普通打印机类似，均由系统控
制工作台的3个自由度旋转相应角度，以实现预期的3D打印环节。
2工作原理
3D打印机主要工作原理是通过电脑的切片软件将三维模型按照设置的层厚切成一层一层，再根据切片算法，把面化成线的填充，再转化为G代码。
3D打印机控制软件通过串口通信的方式，把数据传送到3D打印机的主控板，主控板上的固件主要由G代码解释器组成，G代码解释器把数据流解释为3个驱动喷头运动的步进电机和1个挤料电机的运动，通过A4988驱动步进电机的运动。
同时，它的温控系统用了PID闭环控制，可以把温度稳定地控制在某个值，从而保证塑料的熔化，使喷头能够均匀出丝。
33D打印机的机械结构设计
3.1三轴运动结构的设计
在确定三轴运动模式后，设计人员对其具体结构做进一步优化设计。
考虑到该3D打印机需要兼顾速度和平稳程度，因此针对X-Y平面复合运动部分，设计为二维工字型结构，以双Y轴模式进行传送，这种传动结构在精度和直度两项指标上的优势较为突出，其重复定位精度达到了0.1mm，且扭拧度降低至
0.02/300mm，有效避免了该三轴运动模式下可能出现的丝材扭曲或出丝不顺等问题。
在X-Y平面复合运动部分设计完成后，设计人员进一步设计Z方向的传动，考虑到实际需要，设计人员采用丝杆螺母传动方式进行整体设计，此环节又细分为以下两个步骤。
对耐磨性进行分析，在本次Z方向的传动模式下，螺杆和螺母均受到轴向压力影响，其磨损程度也将随着压力值增大而加剧，因此螺纹接触面压力必须小于材料可承受的压力值，因此限定耐磨性条件为F≤πdhH。
其中，F 为轴向力；d为螺纹中径；h为螺纹工作高度；H为螺母高度。
同时，根据相关理论可知，轴向压力为轴向力与螺纹承压面积之比值。
将相关数据代入此公式中进行验算后，最终确定Z方向的丝杆采用不锈钢T型丝杆，该丝杆直径为14mm，螺距为2mm；螺母则采用长度为13.5mm的黄铜螺母。
3.2控制系统设计
用三维建模软件设计需要打印的模型，同时该模型带有颜色信息，将三维模型保存为STL格式文件，将STL文件导入事先调整好的CURA切片软件中进行切片并生成一般的G-code文件，但是这种G代码文件是没有颜色信息的，因此必
须通过我们设计的G-code后处理软件，将模型颜色和CURA生成的一般G-code 文件进行后处理，最终生成带有颜色信息的G-code文件。
将CURA软件生成的一般G-code文件进行后处理生成带有颜色信息的G-code文件具体流程如下：在原有的G代码中添加颜色代码，即增加T指令，以完成我们更换丝料的目的。
我们在Marlin代码中添加了一个子程序使得Marlin代码操控的3D打印机可以准确识别出T指令，当其识别到T指令时（T指令后面跟着数字例如T1，T2，T3代表3种不同颜色的丝料），换丝机构上方的凸轮盘就会旋转到相应的位置，进行换丝操作。
当打印机读取到字符T以及它后面跟随的数字时，微处理器将停止运行别的任务，决定下一步将打印什么颜色的丝料；然后微处理器将发送信号给直流电机，直流电机带动凸轮盘旋转到目标色料顶杆上，将顶杆压下。
完成这步操作后，控制器将继续读G代码指令。
3.3打印机x-y运动机构组件设计
根据相关理论分析可知，在本次设计的3D打印机中，x-y运动机构是控制打印机结构框架的主要组成部分，其相应的各个轴向运动均基于电动机设备，通过其和胶头组件的结构，即可准确控制平面位置的运动情况，保证轴向面积的合理性，以此控制物体的运行轨迹。
基于此要求，x-y运动机构先从y步到达马达，再经过传送带使y联动轴开始运动，然后y联动轴带动其他部分，驱动传送带，带动打印头连接器开始运行，x轴的运行流程同理。
基于上述研究内容，在本次设计工作中，着重考虑3D打印机的运行稳定性，选取单同步带缠绕式模式，设计双x-y平面，运用单条驱动方式分别控制x方向和y方向的同步带，以实现功能相同的双层结构，具体如下。
首先，设计3D打印机的U型架构，其中，架构上层主要用于x轴方向的驱动，架构下层则主要用于x轴方向的驱动，驱动过程中的驱动力则通过轴承转向、同步带轮两种方式予以施加，这种设计方式也会提升传动效率；其次，设计打印机的z轴运动模式，其与上文中的x轴与y轴方向的设计理念基本一致，仍采用往复式的直线运动和带传动模式，主动轮和从动轮一一对应；最后，为确保整体传动环节的高效率，避免打滑。
3.4电控和软件
电控部分主要由Mega2560、J-head加热喷头、热敏电阻、Ramp1.4、A4988、MK2PCB热床、限位开关等部件组成。
桌面式3D打印机的优势体现在其简单易用，开源社区里发布了很多优秀的3D打印控制软件，其中有Cura和Printrun。
Cura
的界面优点在于图形化界面，简单易用。
Printrun的界面，优点在于可以控制多
种3D打印机，功能选项较多。
并联式3D打印机由于其结构的特殊性，它的打印
起始点与普通打印机不同，另外它的打印范围是一个圆，有别于普通打印的正方形，因此选择了设置参数比较多的Printrun。
结束语
在本次的研究工作中，针对当前3D打印机工作范围不断拓展的发展趋势，
基于FDM工艺，对3D打印机的机械结构设计进行了研究，对于机械结构中的关
键节点的设计进行了相应的优化。
预计，本次设计的3D打印机将在功能和精度
等方面得到进一步提升。
当然，目前的分析尚停留在理论阶段，其具体应用效果
仍需要进一步检验。
参考文献
[1]周奇才,董日腾,熊肖磊等.建筑3D打印机机械系统及控制方案设计[J].
起重运输机械,2020(21):40-44.
[2]祁肖龙.金属3D打印机关键结构的可拓设计与优化[D].广州大学,2020.
[3]李跃.并联式3D打印机结构设计及优化研究[D].长春理工大学,2019.
[4]赵欣.并联结构3D打印机系统设计与控制工艺优化研究[D].哈尔滨理工
大学,2019.
[5]曲凯,徐波,李辉宇.一种便捷式3D打印机的结构设计[J].科技与创
新,2019(03):53-54.。