3D打印机的机械结构设计.pdf

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1、 摘 要 随着工业现代化的不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加工需求，许多异形结构利用传统加工（包括五轴加工中心）很难加工或根本不能加工。随即 3D 打印机应运而生 3D 打印机看似复杂，却很简单，也许你会为它神奇的能力而震撼，也许你会为它的高科技而惊呆，其实从 1916 年爱因斯坦提出激光原理时，已经为 1986年第一台 3D 打印机的出现奠定了坚实的理论基础。说起 3D 打印机的原理其实一点也不复杂。本文主要针对 3D 打印技术设计出一款 3D 打印快速模型设备，以切合实际针对新型的生产工艺采取的实际设备的设计制造。关键词：3D 打印机 机械结构 新型设备 ABSTRACT

2、With the continuous development of modern industry,the traditional processing technology has been unable to meet the processing needs of modern industrial parts,the traditional processing and utilization of many deformed structure(including five axis machining center)is difficult to be machined or c

3、annot process.Then emerge as the times require 3D printer.3D printer may seem complicated,but is very simple,you might and shook it magical abilities,perhaps you will be stunned for its high-tech,in fact,the principle of laser Einstein from 1916,has laid a solid theoretical foundation for the emerge

4、nce of 1986 the first 3D printer.About the principle of 3D printer is not complicated.In this paper,the 3D printing technology to design a 3D print speed model of equipment,design and manufacture of the equipment to the practical production process model for the equipment.Keywords:3D printer mechani

5、cal structure model of equipment 3D 打印机设计 目 录 第一章 绪论.1 1.1 课题来源及研究目的和意义.1 1.2 本次设计的主要内容.5 1.3 3D 打印设备方案分析.5 1.3.1 机械结构设计思路5 1.3.2 机械结构总体方案和布局.6 第 2 章 机械结构设计8 2.1 电机的选择.8 2.2 滚珠丝杠螺母副的设计.10 2.2.1 材料选用原则10 2.2.2 丝杠螺母工作条件及失效形式.11 2.2.3 螺旋传动类型特点和应用.11 2.2.4 滚珠丝杠螺母副的计算.12 2.2.5 滚珠丝杠螺母的支撑方式.18 2.2.6 滚珠丝杠螺母

6、的润滑和防尘隔离.18 2.3 导向光杆和直线轴承的设计.20 2.4 联轴器的设计选择.23 2.5 同步带轮的设计计算.23 第 3 章 结构设计及三维建模26 3.1 主体结构设计的是三维建模27 3.2 整体装配建模30 3.3 标准件建模.30 结论38 参考文献.39 致谢.40 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源及研究目的和意义 3D 打印机有时被称为快速成型机，用液体或粉状塑料制造物品，其运作原理和传统打印机十分相似。快速成形技术（rapid prototyping，简称 RP）又称快速原型制造技术，是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术 20 世纪 80 年代起源

7、于美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。快速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术；是 CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。RP 将 CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据由 CAD 构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或切割一层层的纸，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射

8、一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各截面，逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合.快速成形工艺流程如下：(1)三维模型构造 由于 RP 系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然后才能进行切片处理，因而首先应在PC 机或工作站上用 CAD 软件（如UG、Pro/E、I-DEAS 等），根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维模型；或在逆向工程中，用测量仪对已有的产品实体进行扫描，得到数据点云，进行三维重构。(2)三维模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为 STL

9、格式文件，它由一系列相连空间三角形组成。典型的 CAD 软件都有转换和输出 STL 格式文件的接口，但有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部修改。(3)三维模型的分层(Slicing)处理 由于 RP 工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，即每隔一定的间距分一层片，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔范围为 0.050.5 mm，常用 0.1 mm，能得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有 Slicing 处理软

10、件，能自动提取模型的截面轮廓。(4)截面加工 根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP 系统中的成形头（如激光扫描头或喷头）由数控系统控制，在 x-y 平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料），得到一层层截面。(5)截面叠加 每层截面形成之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终形成三维产品。(6)后处理 成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度（如 3D-P 工艺）。对于 SLS 工艺，将工件放入高温炉中烧结，使粘结剂

11、挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。本次设计中根据三维打印技术的原理以及作用的基础上，综合运用机械原 理、机械设计、机械制造装备设计、机械制造工艺学、互换性与技术测量、机械制造技术基础、画法几何及机械制图等先修课程的知识，分析机械部分实现的方法，根据国内机械行业的实际情况设计出符合要求的设备结构。1.2 本次设计的主要内容 本次设计的 3D 打印机通过 CAD/PROE 绘图和运用技术标准、规范、设计手册等相关设计资料，进行 3D 打印机设计并最终完成 3D 打印机的零件图，装配图，零件图及相关设计说明书。主要的设计基本内容如下：1)设计准备：阅读设计任务书，明确 3D 打印机设计任务，准备

12、设计资料及绘图工具。2)3D 打印机总体结构的设计：主要包括：铺粉系统、成型腔和储料腔的运动系统、喷头运动系统。3)装配图的设计：初绘装配草图，各部分的结构设计，协调好各零部件之间的装配关系，完成装配工作图。4)零件工作图的设计：主要是绘制 3D 打印机成型零件（如传动机构，支撑机构等机构）。5)编写设计计算说明书：主要是整理和编写 3D 打印机设计说明书。6)设计总结及答辩：进行毕业设计总结，完成答辩准备工作。1.3 3D 打印机模型设备的方案分析 1.3.1 机械结构设计思路 基于微喷射粘结的 3DP 工艺的成形原理为：将制件的 CAD 三维模型根据工艺要求进行离散分层得到一系列的层片，按

13、照这些层片的轮廓信息，铺粉装置逐层铺粉，且喷头喷射粘结剂微滴选择性地固化一层一层的粉末，形成各截面轮廓，并逐步有序地叠加成三维实体。要完成制作要求就需要各种机构来实现其功能：机械系统 X,Y 轴(打印平面)组成平面扫描运动框架 机构选用：X 轴 导轨丝杆机构 Y轴 导轨丝杆机构 Z 轴（即成型腔和储料腔）光杆丝杆机构 两副 铺粉辊机构（即喷头）导轨丝杆机构 1.3.2 机械结构总体布局 根据设计思路设定本次设计的 3D 打印机的方案 设计方案如图所示，图中序号所代表机构分别是：1）储料箱：提供成型与支撑粉末材料。2）成型箱：在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。零件加工完后，缸升起

14、，以便取出制造好的工件，并为下一次的加工做准备。工作缸的升降由伺服电机通过丝杆驱动。3）余料箱：安装在成型机壳内，回收铺粉时多余的粉末材料。4）喷头：在工作缸内喷射成型时的粘结剂，粘接不通层之间的粉料，是三维打印快速成型的关键部件。5）铺粉辊装置：包括铺粉辊及其驱动系统，其作用是把粉末材料均匀地铺平在工作缸上，并把铺粉的同时把粉料压实。第 2 章 机械结构的设计 2.1 电机的选择 2.1.1 Z 轴电机的选择 Z 轴即为成型腔和储料腔的上下移动电机。假设成型腔和储料腔的重量为 30Kg，移动速度为 2m/min 左右 mm sG=mg=30 10=300NV=1-2m/min=16.6-33

15、.3/根据本次设计由于在成型腔和储料腔的上下移动要求精确定位，所以本次设计中选用伺服电机，本次伺服电机的厂家为华大伺服电机。电机设计计算 1、确定运行时间 本次设计加速时间01(t-t)60Vll Vl负载速度（m/min）有速度可知每秒上升 50mm，0.0331.2=1.2360ls 2.电机转速 电机VlnPB mm为丝杆导程，本次设计的丝杆导程我们取 5，PB=5.00mmPB 2400/min0.005电机VlnrPB 3.负载转矩 0.3 10 200 0.0051.73.220.9BgMPTLN m 式中：:0.3200 g0.005m0.9摩擦系数，取：负载重量，：丝杆导程，：

16、传动效率，取MKPB 4.负载惯量 上下垂直运动2220.005()2000.000126779(.)22PBJLMMkg m 丝杆螺母惯量434527.87 100.4 0.23.72 10(.)3232BBJBL Dkg m 式中:7.870.6m0.02m密度，取：丝杆长度，取：丝杆直径，取BBLD 总惯量20.00032(.)LLMBJJJkg m 5.电机转矩 启动转矩 12()2636.9(0.00032)1.25.6060 1.2SNM JMJLJMTN mt 必须转矩2.36.TMTLTS SN m S 为安全系数，这里取 1.0 根据以上得出数据，我们选用华大伺服电机型号为

17、110ST-M02030，以下为选择的伺服电机的具体详细介绍：电机额定功率为 0.6KW，零速转矩为 2.0N.m，额定地拿了 4.0A 额定转速为 3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸 110 x110 x106，电机输出轴径为 12mm。2.1.2 X 轴和 Y 轴电机的选择 打印平面中的 X 轴和 Y 轴移动结构相同，本次选择的电机采用相同的。电机设计计算 1、确定运行时间 本次设计加速时间01(t-t)60Vll Vl负载速度（m/min）有速度可知每秒移动 50mm，0.0331.2=1.2360ls 2.电机转速 电机VlnPB mm为丝杆导程，本次设计的丝杆导程我们取 4

18、，PB=4.00mmPB 2500/min0.004电机VlnrPB 3.负载转矩 0.3 10 200 0.0041.59.220.9BgMPTLN m 式中：:0.320 g0.004m0.9摩擦系数，取：负载重量，：丝杆导程，：传动效率，取MKPB 4.负载惯量 上下垂直运动2220.004()2000.00011245(.)22PBJLMMkg m 丝杆螺母惯量434527.87 100.4 0.22.56 10(.)3232BBJBL Dkg m 式中:7.870.5m0.016m密度，取：丝杆长度，取：丝杆直径，取BBLD 总惯量20.0002(.)LLMBJJJkg m 5.电机

19、转矩 启动转矩 12()2636.9(0.0002)0.65.6060 1.2SNM JMJLJMTN mt 必须转矩1.3.TMTLTS SN m S 为安全系数，这里取 1.0 根据以上得出数据，我们也选用华大伺服电机型号为110ST-M02030，具体尺寸同 Z 轴移动所选的电 机相同。2.2 滚珠丝杠螺母的设计 2.2.1 材料选用原则 选材的基本原则是材料在能满足零件使用性能的前提下，具有较好的工艺性和经济性。材料的使用性能是指机械零件在正常工作条件下应具备的力学、物理、化学等性能，是保证该零件可靠性的基础。对一般机械零件来说，选材时主要考虑的是其力学性能；而对于非金属材料制成的零件

20、，还应该考虑其工作环境对零件性能的影响。零件按力学性能选材时，首先应正确分析其工作条件、形状尺寸及应力状态，结合该类零件出现的主要失效形式，找出其在实际使用中的主要和次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。2.2.2 丝杠螺母的工作条件、失效形式和技术要求 1、工作条件 由于传动机构是丝杠螺母副，即螺旋传动副，而工作时主要是携带传感器进行测量，而非传递动力或扭矩。主要承受一定的剪切、弯曲、扭转等载荷。2、主要失效形式 当弯曲载荷较大时，丝杠承受着交变应力；当其表面硬度较低，表面质量不良时，会发生磨损，甚至产生疲劳断裂。而设计的丝杠所传递的动力和扭矩都很小。因此，主要的失效形式是磨损。通过提高丝

21、杠螺母的表面质量和安装精度可以有效的减少磨损。3、材料性能要求 根据丝杠的工作条件和失效形式，要求丝杠材料具备以下主要性能：电磁铁参数测量装置是对电磁铁的电磁吸力、磁场强度和线圈温度进行测量的装置。为避免电磁铁的磁泄漏，采用不可磁化材料。如不锈、铝合金、铜合金、陶瓷材料或高分子材料。较高的综合力学性能.当丝杠正常工作时，要承受一定的交变载荷与冲击载荷。丝杠轴颈应具有高的硬度和耐磨性，提高丝杠的旋转精度和使用寿命。根据丝杠螺母副的工作条件、失效形式和技术要求，考虑材料的综合性能，丝杠采用淬火钢，螺母采用铸造锡青铜。这是由于铜合金材料不仅具有较高的综合力学性能，而且具有较高硬度和耐磨性。丝杠螺母副

22、的导柱采用不锈钢，导轨采用铝合金，联结件采用高分子塑料。2.2.3 丝杆螺旋传动的类型、特点与应用 丝杆螺旋传动是利用丝杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动变为直线运动将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。以传动形式分为两种：一种是将回转运动转化成直线运动；另外一种是将直线运动转化成回转运动。梯形丝杆的特点：（1）传动效率高：滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90%98%，为传统的滑动丝杠系统的 24 倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。（2）运动平稳：梯形丝杠传动

23、系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。（3）高精度：滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精 度。（4）高耐用性：钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。（5）同步性好：由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。（6）高可靠性：与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故

24、障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。（7）无背隙与预紧：采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。2.2.3 滚珠丝杆螺母的设计计算 滚动螺旋传动主要承受轴向力。由于螺母和螺杆间有较大的滑动摩擦，因而磨损是其主要的失效形式。滚动螺旋的基本尺寸（螺杆的直径和螺母的高度），通常是根据耐磨性条件来确定的。受力较大的螺旋传动，还应校核螺杆危险截面和螺母螺纹牙的强度，以防止发生塑性变形或断裂；要求

25、自锁的螺杆，要求校核其自锁性；精密的传导螺杆，应该校核其刚度，以免因受力导致螺距变化引起传动精度降低；长径比较大的螺杆，应校核其稳定性，以防止轴向受载后失稳；高速的长螺杆还应校核起临界转速，以防止过大的横向振动。具体设计时应根据传 动的类型、工作条件及其失效形式等，选择不同的设计准则，而不必逐项进行校核。表 2.1 螺旋传动的常用材料 螺旋副 材料牌号 应用范围 螺杆 Q235、Q275、45、50 材料不经热处理，使用于经常运动，受力不大，转速较低的传动 40Cr、65Mn、T12、40WMn、18CrMnTi 材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动 9Mn2V、Cr

26、WMn、38CrMoAl 材料需经热处理，以提高其尺寸的稳定性，适用于精密传导螺旋传动 螺母 ZCu10P1、ZCu5Pb5Zn5 材料耐磨性好，适用于一般传动 ZCuAl9FeNi4Mn2 ZCuZn25Al6Fe3Mn3 材料耐磨性好，强度高，适用于重载、低速的传动。对于尺寸较大或高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内孔浇注青铜或巴氏合金 1、Z 轴立向丝杆的设计（1）滚珠丝杆螺母副，横向丝杆的最大轴向载荷为 2000N，支承间最大距离为 400mm，要求定位精度为 0.001mm，滚珠丝杆的负荷包括运动部件的重量所引起的进给抗力。应按额定静载荷选用。0maxdHCf f P df载荷性质系

27、数为 1 Hf动载荷硬度影响系数，Hf=1 maxP最大轴向载荷 定静载荷为 C02000N，查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杆螺距t=5mm，得丝杆转速 1000max1000 12002Vnt n/min 由于丝杆螺距为 5，可选 W 系列完循环丝杆副尺寸系列 W2005-2.5 圈一列滚珠丝杆螺母副的几何参数计算，见表 2.6 所示：表 2.2 滚珠丝杆螺母副几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果（mm）螺纹滚道 公称直径 0d 20 螺 距 t 5 接触角 45 钢球直径 qd 3.175 螺纹滚道法面半径 R 0.521.651qRd 偏心距 e(2)sin0.0449

28、qeRd 螺纹升角 04.37tarctgd 螺杆 螺杆外径 d 0(0.2 0.25)19.4qddd 螺杆内径 ld 02216.788fddeR 螺杆接触直径 zd 0cos22.59zqddd 螺母 螺母螺纹外径 D 02223.312DdeR 螺母内径（外循环）1D 10(0.2 0.25)25.5qDdd 螺母长度 Ln 33 （2）传动效率计算 ()tgtg （2.23）式中：摩擦角；丝杆螺纹升角。0.96()tgtg（3）刚度验算，滚珠丝杆受工作负载 P 引起的导程pL的变化量 1pPLLEF （2.24）Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算 400P（N）0.5pL （cm）

29、620.6 10E (2cmN)(材料为 45 钢)221.6513.14()2.2132FR （2cm）所以 66200 0.512.194 1020.6 102.213 L （cm）丝杆因受扭矩而引起的导程变化量2L很小，可以忽略。所以导程误差 610010012.194 104.9700.5 LL )/(mm 查表知 C 级精度的丝杆允许误差 6m，故刚度足够。（4）稳定性验算，由部件自重产生的使丝杆回转的扭矩fM为 2fGSM200 0.50.9615.28722 3.14fGSM 式中 G移动部件自重 S导程（cm）逆传动效率，由于滚珠丝杆副的正传动效率和逆传动效率近似相等，因此，一

30、般用正传动效率 代替。200 0.50.9615.28722 3.14fGSMN.cm 可知 110BF004 反应式步进电动机带动丝杆螺母副时不会发生逆向传动（5）轴承的选择，初选 6002，工作时为轻度冲击，正常工作温度，预期寿命为 5000h，丝杆在工作的过程中受轴向载荷作用，且最大轴向载荷为 Fa=200N.查手册可知道 2002 的基本额定负载 Cr=4.32kN,基本额定负载荷 Cor=2.50Kn。为了能安装方便本次设计中 6002 轴承可以用带座轴承代替，选用轴承的型号为 UCFU203 轴承。Fa/Cor=e=0.228 查表可知道 e=0.38 当量负载的计算 P=200N

31、 可算得轴承寿命6 16667thpf CLnf P （2.25）温度系数tf=1，载荷系数pf=1，UCFU203轴承座，寿命指数为=3 得316667 1 25001627635000200200hL（h）所以该轴承适合。2、X 轴和 Y 轴横向丝杆的设计（1）滚珠丝杆螺母副型号的选择：横向丝杆的最大轴向载荷为 570N，支承间最大距离为 250mm，支承方式如图 3.2，要求定位精度为 0.001mm 滚珠丝杆的负荷为运动部件的重量所引起的进给抗力。应按额定静载荷选用。0maxdHCf f P （2.18）df载荷性质系数为 1 Hf动载荷硬度影响系数，Hf=1 maxP最大轴向载荷 额

32、定静载荷为 C0570N 查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杆螺距 t=5mm，得丝杆转速 1000max1000 12005Vnt n/min 由于丝杆螺距为 5，可选 W 系列完循环丝杆副尺寸系列 W2005-2.5 圈一列滚珠丝杆螺母副的几何参数计算，见表 2.5：表 2.5 滚珠丝杆螺母副几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果（mm）螺纹滚道 公称直径 0d 16 螺 距 t 5 接触角 45 钢球直径 qd 3.175 螺纹滚道法面半径 R 0.521.651qRd 偏心距 e(2)sin0.0449qeRd 螺纹升角 04.37tarctgd 螺杆 螺杆外径 d 0(0

33、.2 0.25)19.4qddd 螺杆内径 ld 02216.788fddeR 螺杆接触直径 zd 0cos22.59zqddd 螺母 螺母螺纹外径 D 02223.312DdeR 螺母内径（外循环）1D 10(0.2 0.25)20.6qDdd 螺母长度 Ln 33 （2）传动效率计算 ()tgtg （2.19）式中：摩擦角；丝杆螺纹升角。0.96()tgtg（3）刚度验算：滚珠丝杆受工作负载 P 引起的导程pL的变化量 1pPLLEF （2.20）470P（N）0.5pL （cm）620.6 10E (2cmN)(材料为 45 钢)221.6513.14()2.1392FR （2cm）所以

34、 616470 0.53.624 1020.6 102.139L （cm）丝杆因受扭矩而引起的导程变化量2L很小，可以忽略。所以导程误差 601001003.624 107.120.5LL )/(mm 查表知 C 级精度的丝杆允许误差 10m，故刚度足够。（4）轴承的选择：初选 6002，工作时为轻度冲击，正常工作温度，预期寿命为 5000h，丝杆在工作的过程中受轴向载荷作用，且最大轴向载荷为 Fa=570N.查手册可知道 2002 的基本额定负载 Cr=4.32kN,基本额定负载荷 Cor=2.50kN Fa/Cor=e=0.228 查表可知道 e=0.38 当量负载的计算 P=570N 可

35、算得轴承寿命 16667thpf CLnf P （2.21）温度系数tf=1，载荷系数pf=1，6002 为深沟球轴承，寿命指数为=3 得3166671 25007044200570hL大于 5000（h）所以该轴承适合。2.2.4 滚珠丝杆螺母的支承方式的选择 滚珠丝杠的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同。（1）固定-固定，适用于高转速、高精度；（2）固定-支承 适用于中等转速、高精度；（3）支承-支承适用于中等转速，中精度；（4）固定-自由 适用于低转速，中精度，短轴向丝杠。本次设计中丝杆螺母的固定方式如下所示 2.2.5 滚珠丝杆螺母的润滑和防尘

36、隔离 1、油润滑 一般情况下，用于滚动轴承的矿物油都适用。特别是在高转速情况下，以油润滑比脂润滑佳，这时滚珠丝杠副的温升较小。油润滑的补充润滑量和间隔，按下表，按表中的油量，至少可以达到8 小时的补充润滑时间。2、脂润滑 采用脂润滑的优点可以使滚珠丝杠传动系统在一段很长时间后才需进行补充。也就是说，在多数情况下，可以省去一套补充润滑的装置。补充润滑脂的限量为大约填入螺母内空间容积的一半。可以使用所有高级滚动轴承润滑脂，但要注意润滑脂厂家的说明和提示。润滑脂的补充通常在半年或一年进行更换，更换前应清除旧润滑脂后才能更换新的润滑脂 3、防尘与隔离 滚珠螺杠与滚动轴承一样，如果污物及异物（切屑碎屑）

37、进入就会很快使它磨耗，成为损坏的原因。困此，必须采用防护装置（折叠式或伸缩式丝杠防尘罩）将丝杠轴完全防护起来。另外虽没有别的异物，但有浮尘时要在螺母两端采用刮屑式防尘圈。滚珠丝杠副设计使用中应注意的问题：(1)为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。(2)防逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件自重而产生螺旋副的逆传动(特别是在垂直方向上传动时)，防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。(3)滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。

38、(4)防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。(5)细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小自重弯曲变形的措施。(6)防护与密封，尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，还需要为丝杠选择防护

39、装置。(7)合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节，接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。(8)正确选择预紧力，滚珠丝杠副出厂时已经按要求调节好所需要的预紧力，严禁自行拆卸滚珠丝杠副的各个部件，以免影响其精度。严禁敲击和拆卸导珠管，以免造成滚珠堵塞，运转不流畅。(9)建议采用适应于数控机床的大接触轴承以提高传动刚度。(10)用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙，并该端所有外圆尺寸均小于丝杠螺纹底径d2,否则无法装配螺母。(11)水

40、平位置采用外循环滚珠丝杠副，最好是插管放置再丝杠轴线上面。(12)为便于丝杠加工，丝杠上最大外圆处的直径最好不要大于丝杠的外径d1。2.3 导向光杆和直线轴承的设计 通过丝杆螺母连接法兰，带动整个成型腔和储料腔做上下运行，为了要保证平稳，需要有导向装置，这里就需要设计导向光杆和直线轴承配合整个丝杆螺母装置。2.3.1直线轴承的选择 POM工程式塑料保持器适用于2080CC工作测试；钢保持器适用于为4080CC工作温度；不锈钢轴承适合于水、蒸气、硝酸等腐蚀介质及真空工作场合，轴承型号按下述计算公式确定。硬度系数FH：硬度HRC58以上，FH=1.0；硬度HRC52-58，FH=0.6-1.0。温

41、度系数FT：工作温度小于100oC，FT=1.0，工作温度100oC-125oC，FT=1.0-0.95。接触系数FC：每根轴装一套轴承，FC=1.0 每根轴装二套轴承，FC=0.81 每根轴装三套轴承，FC=0.72 每根轴装四套轴承，FC=0.66 载荷系数FW：运行速度小于15米/分钟，无冲击、无振动，FW=1.0-1.5；运行速度小于60米/分钟，微小冲或振动，FW=1.5-2.0；运行速度大于60米/分钟，或有较大冲击、振动，FW=2.0-5.0。时间寿命Lh=(10000*L)/2*L(S*n1*60)(位单：h小时)L：长度寿命(万米)，LS：工作行程(米)，N1：每分钟往复次数

42、 已知整个装置行程L=0.5米，工作温度60oC，每分钟往复次数n1=20，微小 冲击，轴承工作载荷PC=200Kg，硬度大于HRC60，期望寿命Lh=5000小时，试选择轴承型号。按以上工作条件：1.0,1.0,0.81=1 0.2 10=2m/min=运行速度，属于一般冲击，选取FW 2.0FHFTFCV 根据本次载荷重量为200N，我们选用4个导向光杆加上丝杆螺母，这样滑动轴承的所受负载就平均分配，上下 4个滑动轴承分别连接底板和连接上固定圆盘，两边轴承座为固定式的，中间4个为可以随着丝杆螺母上下滑动。4个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑动轴承处的所受负载为 126N。本次设计

43、中所 选择的滑动轴承为带法兰形状的。根据每个滑动轴承的负载承受126N，我们选用滑动轴承为LMF20，轴承中间孔径为20mm，这样导向光杆的直径也为20mm。2.直线轴承安装：轴承座孔公差推荐采用H7、J7级，直线轴公差推荐采用g6、h6级，轴承安装必须用台阶芯轴压入；直线轴安装必须对准轴承孔插入，动作轻缓，轴倾斜插入会导至保持器变型 和钢球脱落，轴承安装方向应按照表1所示，可以提高轴承承载能力，延长寿命。轴承座孔有可能压缩轴承，引志游隙变小，此时用手转动直线轴，如果轴能接触钢球且能轻松转动，配合游隙为 0+0.01mm；如果稍加力才能转动，配合游隙为-0.010mm（已过盈）；如果加力也不能

44、转动，配合游隙已多于0.01mm，这种情况钢球滚动时可能同时作滑动，会降低轴承和轴的作用寿命，只有在轻载、低速且定心要求高的情况下才可采用。调整型、开口型轴承内、外径在割口前测量，割口后会有一些弹性变形，配合游隙应装入轴承座内测量（钢保持器轴承、KH轴承情况类似）。游隙可调节的轴承座调节方向应和轴承割口方向垂直以保证游隙均匀，直线轴承结构特点不能作旋转运动，同时要求有良好的导向性，所以直线 轴承一般以二根轴+四套轴承或二根轴+二套加长型轴承为一个组合使用，二根轴安装要平直，整个组合装配后，用手推拉必须灵活无阻滞才可安装传动机构，传动动力要足够克服轴承磨擦阻力，直线轴承磨擦阻力近似为千分之一工作

45、载荷。3.直线轴承润滑和防尘：轴承出厂涂有防锈油，使用时需加润滑剂。油脂润滑噪音较低，常用的有2号锂基脂和低噪音轴承润滑脂，填脂量为保持器空隙的三分之一。油润滑不需清除防锈油，根据工作测试采用15#100#润滑油，工作温度低采用低粘度油，工作测试高采用高粘度油，常用的有透平油，机械油 和锭子油，无密封轴承把油滴在轴上即可，带密封轴承需把油加到轴承内，本公司为用户准备了带油孔的轴承和轴承座。对于一些不允许有油（脂）的工作场所，先清除防锈油，干燥后在每列钢球上喷一些市售的二硫化钼喷剂，再次干燥后即可使用，带密封轴承应避免密封圈和轴干磨擦引起密封唇口挤入轴承内，造成轴承的非预期损坏。铁屑会极大地降低

46、轴承寿命，粉尘和脏物会阻塞保持器球道，使钢球不能回转，引起保持器损坏、钢球挤胶。带密封轴承可用于一般带粉尘工场所，像木工机械、铸造机械等多粉尘场合，请在轴承两端另加密封，防止粉尘进入并可减少油脂损耗。4.轴承的载荷和寿命：轴承运动和换向时承受过大的冲击负荷，或当轴承静止时，由于机器振动等因素都会使接触处形成凹坑。外界硬粒进入轴承内，也可在接触表面形成压痕，这种永久变形量超过一定限度，就会防碍直线运动平稳性，引起振动和噪音，振动会进一步冲击凹坑周围材料，造成恶性循环，使凹坑面积扩大，这种永久变形量用基本额定静载荷限定。钢球和套圈接触点两者永久变形量之和等于钢球直径的万分之一时的静载荷，定义为基本

47、额定静载荷C0。轴承使用时，冲击力很难测定，常用选取适当的静载荷安全系统来保证轴承静载荷不超过基本额定静载荷。选型时使轴承承受的静载荷P0 C0/FS，不受振动和冲击场合FS取1.0 1.5，受振动和冲击工作场合FS取2.07.0。轴承由于反复承受工作载荷，首先在表面下一定深度处，强度较弱部分形成裂纹，继而发展到接触表面，使金属成片状剥落下来，这种剥落称为疲劳剥落。在安装、润滑、密封正常的情况下，绝大多数轴承的破坏是疲劳破坏，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命。直线轴承额定寿命规定为5万米，通过限定基本额定 动载荷C来保证。由于轴承寿命具有分散性，即同一批材料、相同工艺生产、相同使用条件下

48、的轴承寿命不相同，所以轴承基本额定动载荷C定义为一批相同的轴承在相同条件下运行5万米，轴承不生任何疲劳剥落现象所能承受的动载荷。2.4 联轴器的选择 由于整个成型腔和储料腔载荷平稳，速度不高，无特殊要求，考虑装拆方便及经济问题，我们选用弹性套柱销联轴器，取工作情况系数 1.3k。由于电机输出轴径为 12mm，选择联轴器类型为 HLA12-14，联轴器承受转矩 001.3 0.39550955082.2.125.3000cKPTN mTN mn故：合适 2.5 同步带轮设计 1.设定功率 =0.6 w241.0=1.0=w电机A，假定电动机每天使用小时左右，查表如下图得到工作情况系数为，则计算功

49、率P KP 1.2KPKKAKA 2.计算小同步带轮转速 375/min2260vnrr 3.选定同步带带型和节距 由同步带选型图可以看出，由于在本次设计中功率转速都不大，所以带轮的型号可以任意选取，我们选择 H 型带，此带为轻型，节距 Pb=12.7mm 5.选取主动轮齿数，即小齿轮齿数 Z1 查表知道小同步带轮最小齿数为 14，本次我们选取小同步带轮齿数为 15.6.小同步带轮节圆直径确定 mpzb6.6014.37.1215d11 7.大同步带轮数据确定 本次设计我们选用的同步带的传动比大致为2.1，由于小同步带轮齿数为15，则12112znnizz 5.373015)5.22(2z 我

50、们选用传动比为 2.1 则大同步带轮齿数为32，实际传动比为 2322.133333115ZiZ 大同步带轮节圆直径27.1232d22bpz=129.36mm 8.同步带速确定 3.14 60.6 750.5/max60 100060 1000dnvm sV 9.确定轴间间距 根据公式0.7(12)02(12)mmamm195mm得1330 380本次选取ddadd 10.同步带带长及其齿数确定 02 0(12)22 195(60.64 129.36)2688.3Laddmm 11.带轮啮合齿数计算 在本次传动设计中，啮合齿数为带轮齿数的一半，即小同步带齿数的一半，为 7 12.基本额定功率