家居3D打印机机械系统设计

肖弟向，杨韵帆，郭 强，王岩松，李 明，李延辉，喻 鹏

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

1 概述

当前3D打印机的发展相当迅速，但是家用3D打印机应用还不是很广泛。针对这一现象，文章设计一套符合家居使用的3D打印机。其主要对丝杠和步进电机进行了计算和验算，在满足设计要求的前提下，设计出尺寸小巧，使用方便的桌面级3D打印机，使其能渐渐走进每个家庭。

2 机械系统总体设计

3D打印机的结构主要有：X、Y、Z轴步进电机，框架，直线运动导轨，进料头，打印托盘，挡块等。

总的设计流程如图1所示。

图1 设计流程图

（1）丝杠设计。滚珠丝杆螺旋副的负荷包括运动部件的重量和进给抗力。横向丝杆的最大轴向载荷为2000N，支撑件最大的距离高400mm，要求定位精度为0.001mm，按照式（1）进行计算，之后再进行验算。应按额定静载荷选用：

式中：fd为载荷性质系数，fH为动载荷硬度影响系数，pmax为最大轴向载荷；定载荷为C0≥2000N，查表的使用寿命时间为T=15000h，初选丝杆螺距t=5mm的丝杆转速：

由于丝杆螺距为5mm，可选W系列完循环丝副尺寸系列W2005-2.5全系列。

（2）刚度验算。滚珠丝杠收工作负载P引起的导程Lp的变化量，选择45号钢作为计算材料，由式（2）计算，再核对C级精度的允许误差：

式中，E为杨氏模量，S为丝杠截面面积；

Y轴轴向向所受牵引力大。故应该用Y向参数计算工作负载P=400N，导程Lp=0.5m，E=20.6×106N/m3

丝杆因受扭矩而引起的导程变化量ΔL2很小，可以忽略，所以导程误差：

查表C级精度的允许误差小于6μm，故刚度足够。

（3）稳定性验算。由部件自重产生使丝杆回转的扭矩Mf由式（3）计算，再核对电机的额定转矩，确定电机不会发生逆向转动。

式中，G为移动部件自重；S为导程；η为逆传动效率；移取G=200N，S=0.5m，查表 η=96%，由式（3）算得：

可知反应式步进的电动机带动丝杠螺母副时不会发生逆向转动。

（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。丝杠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6002的基本额定负载C1=4.32kN，基本额定负载荷Cor=2050kN。选用轴承的型号为UCFU203轴承。

轴承的寿命为：

温度系数为f1=1，载荷系数fp=1，UCFU203轴承座，寿命指数 ε=3，得：

该轴承符合该结构的强度要求。

3 电机设计

假设喷头、支撑板、光杆和喷料的重量为30kg，由于步进电机的工作原理，所以没有额定的转速。负载速度V1为2mm/min左右，有速度可知道上升50mm/s，l=1.2m。（1）电机转速

（2）负载转矩：摩擦系数μ取0.3；负载重量Mg取300N；丝杠导程P取5mm；η为传动效率取90%；

（3）负载惯量。上下垂直运动转动惯量：

丝杠螺母转动惯量：

式中，丝杆密度ρ取铁的7.87kg·m3；丝杆长度L取0.5m；丝杆直径D取；J总=JB+JL=0.000144827kg/m2将惯量转换成转矩，所以电机转矩：

S为安全系数，这里取1.0，根据以上得出的数据，所以选择110ST-M02030步进电机。

4 结语

文章对家居3D打印机的机械系统结构进行了详细的分析和设计，同时对丝杠和步进电机进行了详细计算和校核。通过和支撑板的结合，完成了3D打印机的结构设计，并按照设计要求组装出如图2所示的打印机模型。该模型基本实现了最初的设计要求。

［1］杨伟群.3D设计与3D打印［M］.北京：清华大学出版社，2015.

［2］王世刚，王树才.机械设计实践与创新［M］.北京：国防工业出版社，2015.

［3］闻邦椿.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［5］王晓荣，余颖.电工电子技术基础［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2010.