3D打印设备的系统设计

本课题设计的3D打印机与一般的3D打印设备不同，其旋转臂式结构将其中一个方向的直线运动代替为旋转运动，这使得其在精度上的要求更高，设备的运动系统在相当大程度上决定了成型工件的精度、表面粗糙度及加工效率。3D打印机其实就是一台微型的数控机床，能根据控制程序做出一系列动作，自动精确的完成机械部件的移动。三轴运动是3d打印设备的核心部分，运动系统及传动部件的好坏直接影响到设备工作时的定位精度，因此应选用结构相对简单的运动系统。

三轴运动方式的设计，主要就是XYZ三个方向的运动方式以及传动构件的选择，在z方向是步进电机将旋转运动传递给丝杆，通过螺母将丝杆的转动转化为垂直方向的运动，从而使横臂作升降运动；旋转平台与步进电机连接，通过减速齿轮将电机转速降低，带动机械臂旋转；在X轴上由电机驱动同步齿轮，同步带在齿轮的带动下作直线运动，使旋转平台作沿导轨方向移动。根据本设计3D打印机的工作需求，结合运动系统的设计准则，主传动系统主要包括滚珠丝杆、直线导轨、减速齿轮、同步带传动、步进电机等主要部分。机械系统中固定件均使用标准化零件，便于设计与后期维护。

旋转臂式3D打印机系统设计时，根据其制造工艺及加工精度的要求，重点除了结构的设计外，还需遵从如下几个设计原则：

1. 速度快，能够实现较快的运行速度，且具有一定的调速范围。
   

2. 结构简单，装配性好，易于后期保养与维修。
   

3. 可靠性高，结构合理，具有足够的刚度和抗振性，不会因为其自身的运动产生抖动和冲击。
   

4. 高效率，传动系统具有较高的灵敏度及响应速度，提高生产效率。
   

5. 稳定性好，传动系统的精度和准确度要高，确保加工制件成型的精度。

同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件：其在工作时稳定性好、精度高，工作时无滑动；结构紧凑，传动效率高，节能效果好，且维护保养方便，价格低廉。同步带轮的设计，很大程度上决定了3D打印机在成型过程中X轴方向运动的准确度及成型工件的加工精度，因此其可靠性和稳定性尤为重要。3D打印机在X-Y平面的设计追求结构紧凑，但对主动轮的转速并没有过高的要求，故选用较小齿数的齿形带轮，从设计准则上来说兼顾了高效、稳定、快速及经济适用性的原则。

3D打印喷头在移动的同时，还需对指令做出快速响应，为了在运行过程中减小摩擦、提高精度，实现准确定位，并提高打印的效率，因此选择合适的导向构件对机器工作的性能有重要影响。滚动直线导轨是具有摩擦力小，且动、静摩擦力差别小的特点，随动性好，有利于提3D打印机打印头的响应速度，提高整机的灵敏度。从滚动直线导轨的结构上看，在滑块与导轨之间的钢球使运动之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低滑块与导轨之间的摩擦阻力，有助于实现高速定位时的准确度，以及在重复定位时的精度。滑块与导轨之间能实现无间隙运动，提高了整个运动系统的运动刚度。

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