摘要3D打印技術(shù)又稱增材制造（AM）技術(shù)，是近30年發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)之一。熔融沉積（FDM）技術(shù)是3D打印技術(shù)中發(fā)展最快的技術(shù)之一?；贔DM技術(shù)開發(fā)的3D打印機(jī)具有成本低、設(shè)備輕、工作環(huán)境要求低等特點(diǎn)，但也存在系統(tǒng)穩(wěn)定性差、打印精度低、后期處理支持困難等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了3D打印機(jī)市場的發(fā)展。本論文主要對FDM型3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于打印建筑零件等，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括打印機(jī)的龍門架、傳動裝置、送料裝置、電控元件等方面。通過對龍門式移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選用電動機(jī)、傳動裝置的設(shè)計(jì)，并利用三維軟件Solidworks，進(jìn)行對建筑式3D打印機(jī)三維模型建立，然后對關(guān)鍵零部件的校核，在參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上對其繪制二維AutoCAD圖紙，本文對于FDM型龍門式建筑3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵字：龍門式；建筑式；3D打印機(jī)；仿真分析；SolidWorks；

Abstract

3Dprintingtechnology,alsoknownasadditivemanufacturing(AM)technology,isoneoftheadvancedmanufacturingtechnologiesdevelopedinthepast30years.

Meltdeposition(FDM)isoneofthefastestdeveloping3Dprintingtechnologies.

3DprintersdevelopedbasedonFDMtechnologyarecharacterizedbylowcost,lightequipmentandlowrequirementsforworkingenvironment,buttheyalsohavedisadvantagessuchaspoorsystemstability,lowprintingaccuracyanddifficultpost-processingsupport,whichseriouslyaffectthedevelopmentof3Dprintermarket.

ThispapermainlydesignsthemechanicalstructureofFDM3Dprinter,whichisusedtoprintbuildingparts,etc.Themechanicalstructureofthispapermainlyincludesthegantryframe,transmissiondevice,feedingdevice,electroniccontrolcomponentsandsoon.

Inthispaper,thedesignofmotorandtransmissiondeviceisselected,andthe3DsoftwareSolidworksisusedtoestablishthe3Dmodelof3Dprinter,andthenthemotionsimulation,andtheselectionofelectroniccontrolcabinetcomponentsof3Dprinter,thecheckofkeyparts,andthenonthebasisofparameteroptimizationtodrawtwo-dimensionalAutoCADdrawings.

ThispaperhasacertainreferencepriceforthedesignofFDMgantrybuilding3Dprinter

Keywords:Gantrytype;

Constructiontype;

3Dprinter;

Simulationanalysis;

SolidWorks;

目錄Abstract 2第一章引言 31.1研究背景 31.2建筑3D打印機(jī)研究現(xiàn)狀 41.2.1國外研究現(xiàn)狀 41.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 121.2.3FDM熔融沉積快速成型 141.3目前建筑3D打印的缺陷及發(fā)展趨勢 151.3.1目前缺陷 151.3.2發(fā)展趨勢 161.4本章研究內(nèi)容 17第二章龍門建筑打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及總體方案設(shè)計(jì) 182.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)要求 182.2設(shè)計(jì)研究內(nèi)容及框架 182.3整理布置結(jié)構(gòu)形式 192.3.1移動橋式 192.3.2L形橋式 192.3.3龍門式 202.3.4固定橋式 212.3.5水平懸臂移動式 222.4總體方案設(shè)計(jì) 222.5本章小結(jié) 23第三章傳動系統(tǒng)選型計(jì)算 243.1電機(jī)的計(jì)算選型 243.1.1類型確定 243.1.2負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量估算 243.1.3計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩 263.1.4計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動機(jī)軸上的各種所需的力矩 273.1.5選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號 283.2驅(qū)動齒輪的設(shè)計(jì) 303.2.1齒數(shù)的確定 303.2.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 303.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 323.2.4齒輪的尺寸參數(shù) 333.3齒條的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì) 333.4定位精度的計(jì)算 343.4.1計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的方向死區(qū) 343.4.2計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 353.5導(dǎo)軌的選型 353.6本章小結(jié) 36第四章基于Solidworks的建筑打印機(jī)建模 374.1Solidworks建模簡介 374.2總體裝配圖 374.3關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì) 384.3.1傳動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 384.3.2機(jī)架及X軸導(dǎo)軌 395.3.3打印噴頭的設(shè)計(jì) 395.3.4導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 405.4打印的控制過程簡介 405.5本章小結(jié) 41總結(jié)與展望 42參考文獻(xiàn) 43致謝 45

引言1.1研究背景3D打印技術(shù)無疑是創(chuàng)造各種小物件的天堂，但隨著技術(shù)的成熟逐漸被用于打造諸如汽車、建筑之類的大型物品。3D打印的出現(xiàn)讓許多行業(yè)都發(fā)生了改變，不管是從制造業(yè)、建筑業(yè)還是到汽車和航空航天業(yè)。3D打印技術(shù)已經(jīng)從以前被一些人視為新奇或小眾解決方案的技術(shù)，轉(zhuǎn)變成為了一種較為成熟的技術(shù)——即從“快速原型制造”轉(zhuǎn)向“增材制造”發(fā)展。近年來，3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用越來越頻繁，技術(shù)研發(fā)與市場應(yīng)用開始融合，3D建筑打印技術(shù)已成為改變未來建筑業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。3D打印技術(shù)已經(jīng)十分成熟，并且在許多領(lǐng)域上都得到廣泛的應(yīng)用，特別是在一些需要模型進(jìn)行參考分析的行業(yè)內(nèi)，更是得到重視，3D打印機(jī)憑借其快速造型技術(shù)在建筑行業(yè)受到熱烈歡迎。目前，3D打印機(jī)除了在建筑業(yè)大放光彩外，在其他領(lǐng)域也有十分出色的表現(xiàn)。如在制造業(yè)，3D打印機(jī)的快速建模無論是精準(zhǔn)度還是工作效率都比以往有了大幅度的提高，而且其成本相對于以往來說更是大大減少，3D打印機(jī)的前途無可限量。首例原位3D打印雙層示范建筑是世界上第一座原地3D打印兩層示范建筑。該項(xiàng)目是由中國建筑技術(shù)中心的示范項(xiàng)目。建筑面積230平方米，總高度7.2米，一次印刷成型的，采用可粘合混合材料，逐層打印而成。它是世界上最大的現(xiàn)場“輪廓處理”3D打印多層建筑。這也標(biāo)志著現(xiàn)場3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的突破，為3D打印技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。世界首例原位3D打印雙層示范建筑1.2建筑3D打印機(jī)研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀近日來自巴塞羅那加泰羅尼亞高級建筑學(xué)院的一組科研人員成功研發(fā)建筑用3D的打印機(jī)，能夠不受打印機(jī)大小的限制打印出所需要的建筑。東京大學(xué)SekisuiHouse-KumaLab的“T-BOX”選擇了Ultimaker作為解決方案，以滿足其建筑系的研究需求。2015年。俄羅斯研究的S-1160建筑3D打印機(jī)，有一個107米的巨大工作區(qū)，可以打印高達(dá)5.5米的建筑和120平方米的房屋。能夠?qū)摻詈凸艿栏魺釋拥绕渌M件集成到印刷結(jié)構(gòu)中，可以支持多種建筑材料，從傳統(tǒng)水泥到耐火高嶺土混合物，可用于建造一些熱敏性項(xiàng)目俄羅斯S-1160建筑3D打印機(jī)芬蘭3D打印初創(chuàng)公司platonics為其3D打印機(jī)ark稱為“第一臺專門為建筑師設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)”，其目的是“讓建筑師簡單、高效、快速地進(jìn)行3D打印”。但是只能打印比例模型，不能打印真實(shí)建筑。Ark自動化了大量技術(shù)性的東西，鑒于大多數(shù)建筑師沒有3D打印經(jīng)驗(yàn)，Ark會將CAD文件轉(zhuǎn)換成可3D可打印的STL文件，并在此過程中修復(fù)內(nèi)部設(shè)計(jì)錯誤，可以自動校準(zhǔn)、自動配置。最小分辨率為60微米，打印頭速度為100毫米/秒，噴嘴溫度為170-250℃。打印機(jī)支持直徑為0.3和0.5毫米的噴嘴。2018年，意大利3D打印公司W(wǎng)ASP憑借其12米高的BigDelta3D打印機(jī)大受歡迎。在過去兩年中，該公司一直在開發(fā)一種新的建筑系統(tǒng)，用于cranewasp3D打印，Cranewasp是一個具有多種配置的協(xié)作式模塊化3D打印系統(tǒng)。Cranewasp是從bigdelta12m發(fā)展而來，采用相同的模塊化機(jī)械部件，可拆卸或組裝，便于運(yùn)輸，單個模塊的打印區(qū)域直徑為6.60米，高度為3米。它可以打印水泥和生物水泥等天然材料。同時，通過引入橫梁和機(jī)械手，可以擴(kuò)展單個模塊，生成數(shù)字制造系統(tǒng)。Cranewasp打印系統(tǒng)由建筑3D打印公司cobod制造的BOD23D打印機(jī)，建造能力為12x27x9米，即每層300平方米，這是該公司迄今為止生產(chǎn)的最大配置。，可以以每秒100厘米的速度擠出混凝土。BranchTechnology已開發(fā)出一種用于3D打印聚合物晶格結(jié)構(gòu)的方法，稱為“蜂窩結(jié)構(gòu)（C-Fab）”，然后可以對其噴涂絕緣材料和混凝土，以制造出極其輕巧但結(jié)構(gòu)上令人印象深刻的預(yù)制件。該過程依賴于配備有聚合物擠出機(jī)并連接到大型導(dǎo)軌的工業(yè)機(jī)械臂，從而成為迄今為止最大的自由形式3D打印系統(tǒng)之一。用C-Fab打印的3D元素使用的材料比傳統(tǒng)的分層打印少20倍，同時仍可實(shí)現(xiàn)出色的強(qiáng)度重量比。自2015年推出以來，BranchTechnology繼續(xù)完成了許多項(xiàng)目，這些項(xiàng)目展示了C-Fab的某些可能性，包括在芝加哥菲爾德自然歷史博物館展出的“自然云”空中花園和位于紐約的OneCity帶殼。在芝加哥菲爾德自然歷史博物館展出的3D打印空中花園“自然云”Branch現(xiàn)在提供四種特定產(chǎn)品，其中包括FreeformPolymerMatrix：裸露的3D打印聚合物結(jié)構(gòu)，主要用于美學(xué)目的。填充+研磨復(fù)合材料產(chǎn)品采用了上述基質(zhì)并添加了其他材料，但缺少最終的外部涂層。這可以在完成的外墻面板產(chǎn)品中找到，該產(chǎn)品建立在具有GFRC或合成灰泥外墻的填充+碾磨復(fù)合材料上，從而完成了墻體。最后，可以使用Connections+Hardware來安裝這些墻以創(chuàng)建大面板。BranchTechnologyC-Fab機(jī)器人因?yàn)楹商m著名的建筑3D打印公司cyBE最近開發(fā)了世界上第一臺可以“自行行走”的履帶式混凝土3D打印機(jī)，cyBE使用履帶而不是車輪，所以它有很強(qiáng)的越野能力，可以在崎嶇的地面上移動，同時擁有可伸縮支撐系統(tǒng)，它還可以在垂直方向上移動（如下圖所示），打印范圍：2750毫米，打印速度：平均200mm/s，最大600mm/s，最大打印高度：4.5米。荷蘭cyBE履帶式混凝土3D打印機(jī)25歲的俄羅斯設(shè)計(jì)師Nikita提出的APIcor圓形3D打印機(jī)不使用傳統(tǒng)的XYZ三軸設(shè)置。它有一個旋轉(zhuǎn)底座和起重機(jī)一樣的手臂，可以向各個方向旋轉(zhuǎn)，從內(nèi)到外打印整個房子，無需繁重的體力勞動，也無需昂貴的運(yùn)輸材料成本，尺寸為5.5×1×1.5米，非常緊湊，可以裝載在標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)輸卡車上，打印機(jī)能耗低，不會產(chǎn)生建筑垃圾。與傳統(tǒng)方法相比，可節(jié)省高達(dá)70%的框架施工成本，APIcor3D打印機(jī)使用其專有的復(fù)合材料，主要由混凝土和纖維組成，每層打印的最小尺寸可達(dá)1×1英寸。2016年，羅馬尼亞的Austrocasa開發(fā)了一種新的建筑3D打印機(jī)robovast，它不僅可以使用水泥，還可以使用各種其他材料，包括粘土、陶瓷、木材甚至塑料，能夠與建筑3D打印技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)完美融合，讓房屋有更多材料和樣式選擇，更具環(huán)保與可持續(xù)性。

日本五大建筑公司之一的大林組開發(fā)出了日本首個3D打印混凝土工藝。由此，日本就成為了繼中國、荷蘭、美國、俄羅斯，以及西班牙之后又一個進(jìn)入了建筑3D打印領(lǐng)域的國家。成型方式都是通過噴嘴擠出混凝土，然后層層堆積，所用材料都是采用特殊配方的混凝土，可在被擠出后迅速固化，保持住形狀。因此幾乎不需要打印支撐結(jié)構(gòu)，能有效減少材料消耗，降低成本，縮短工期。

日本的混凝土3D打印工藝有能力讓日本的建筑業(yè)變得更好，因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)方式更靈活，可以輕松建造出模仿生物結(jié)構(gòu)（如骨骼）的結(jié)構(gòu)。而這樣結(jié)構(gòu)不但強(qiáng)度和耐用性不會比傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)差，重量還會減輕許多。托馬斯·愛迪生（ThomasEdison）的多項(xiàng)發(fā)明和創(chuàng)新改變了美國人的工作和生活方式，他也因此聞名于世。但他并不是完美的，他曾經(jīng)失敗過，其中一次失敗是建造灌澆混凝土房屋的系統(tǒng)太過昂貴，使得改變住宅建筑的努力功虧一簣。100多年后，研究者嘗試通過利用3D打印實(shí)現(xiàn)愛迪生未能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。其中一種最新的3D打印系統(tǒng)可通過手機(jī)、跟蹤平臺，將建筑技術(shù)擴(kuò)展到偏遠(yuǎn)地區(qū)和環(huán)境惡劣的地區(qū)。麻省理工學(xué)院（MIT）仍然在研究機(jī)器人3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)能夠在不到14小時內(nèi)，成功建造直徑50英尺、高12英尺的穹頂建筑。其開發(fā)者指出，該系統(tǒng)可利用多種材料進(jìn)行“打印”，不但包括混凝土，還包括機(jī)器本身在現(xiàn)場挖掘出的土壤，并能夠完成錐形墻及其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件等。MIT媒體實(shí)驗(yàn)室介導(dǎo)物質(zhì)研究小組（MMG）的StevenKeating指出，總體構(gòu)想是“將生物學(xué)作為靈感和設(shè)計(jì)工具”，在建筑業(yè)內(nèi)推動產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)和方法。MMG專注于自然啟發(fā)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)不利用零部件設(shè)計(jì)和建造結(jié)構(gòu)，而是利用3D打印平臺構(gòu)建結(jié)構(gòu)和外觀，然后再形成諸如內(nèi)部橫梁或窗戶等構(gòu)件。設(shè)備由一個巨大的機(jī)械液壓臂構(gòu)成，該液壓臂被固定在一輛改裝過的卡車上，末端有一個較小的機(jī)械臂，由太陽能光伏板提供動力。這種組合擴(kuò)大了可用材料的范圍和靈活性。，這與正在研究中的其他大型3D打印機(jī)之間存在很大不同。多數(shù)3D打印機(jī)通過龍門起重機(jī)或軌道移動，并由一個固定結(jié)構(gòu)支撐噴嘴，由于支撐系統(tǒng)物理尺寸的限制，因此也限制了建筑結(jié)構(gòu)的尺寸。Keating指出，可自由移動的移動式平臺能夠建造任何尺寸的物體，因其占地面積小，因此適用于多數(shù)建筑工地。Keating指出，該系統(tǒng)的關(guān)鍵是能夠隨著打印的進(jìn)行而改變材料密度，從而形成錐形墻或建造懸垂部分，并達(dá)到建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。該系統(tǒng)還能夠混合諸如土壤等材料，用于建造壓制土工結(jié)構(gòu)。可以在機(jī)械臂上安裝具有其他功能的工具，如：挖掘或磨銑工具。中空泡沫塊中填有混凝土，用于形成墻體，并將內(nèi)外構(gòu)件與之連接。Keating指出，材料可在30秒之內(nèi)凝固，整個測試可在14個小時之內(nèi)完成，結(jié)果顯示符合現(xiàn)有的建筑規(guī)范要求。此外，他還指出，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠成功打印穹頂建筑，這是一種雙曲結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)建筑物相比，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。由于設(shè)備能夠在移動時打印傳感器將根據(jù)場地相對于太陽的具體位置，進(jìn)行測量后確定安裝窗戶的最佳位置。地面雷達(dá)將決定地基的最佳位置，打印機(jī)則根據(jù)方向形成厚度不等的隔熱墻：朝南的墻壁厚度可以比朝北的墻壁厚度小一些?？筛鶕?jù)承載要求，使墻體形成錐形。自建筑公司PERIGroup宣布于2020年開始建造“世界上第一座”3D打印商業(yè)公寓樓以來，多個項(xiàng)目已使用增材制造技術(shù)來制造商業(yè)住宅和房屋，LafargeHolcim的Zimbabwean分公司計(jì)劃使用混凝土3D打印方法建造建造經(jīng)濟(jì)型低碳住宅，荷蘭建筑公司CyBeConstruction已開始與混凝土專家BetonindustrieBrievengat(BIB)合作建造其首個位于加勒比地區(qū)的3D打印家園。2021年3月，在美國國內(nèi)房屋市場上市首個3D打印房屋后，德克薩斯州3D打印公司ICON宣布，它正在德克薩斯州奧斯汀建造迄今為止最大的3D打印的房屋社區(qū)。2022年，建筑3D打印機(jī)制造商COBOD的系統(tǒng)已為居住在美國農(nóng)村的人們建造了三座新的低成本住宅，建筑3D打印公司AzurePrintedHomes已獲得一個項(xiàng)目，在CaliforniaRidgecrest交付14座3D打印制造的房屋，此房屋完全由再生塑料制成。2022年diamondage的一個機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動化，解決建筑行業(yè)大量勞動力短缺的問題。根據(jù)diamondage的數(shù)據(jù)，在建造傳統(tǒng)房屋時，自動化平臺和機(jī)器人系統(tǒng)相當(dāng)于勞動力的55%。DiamondAge正在建造一套26臂末端機(jī)器人系統(tǒng)，具有3D打印功能。這些機(jī)器人可以沿著龍門系統(tǒng)移動，打印房屋的內(nèi)外墻。2016年，意大利設(shè)計(jì)師恩里科·迪尼設(shè)計(jì)了一款將液體浸入沙子中并使其固化的3D打印機(jī)，并建造了一座占地1100平方米的Mobius風(fēng)格的條形建筑，長兩米，一次可以打印6*6米的區(qū)域。迪拜使用一臺高6米、長36米、寬12米的大型3D打印，采用自動機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)打印過程，可打印出適合居住的房屋，從一個巨大的噴嘴噴射“油墨”，以“Z”的形狀層層地堆疊起來，形成高墻，運(yùn)到現(xiàn)場組裝最后混凝土用于二次“打印”澆筑，形成一個整體。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀像Obayashi公司的這種混凝土3D打印技術(shù)，中國早就已經(jīng)掌握并且開始嘗試應(yīng)用了。在這方面，北京的華商騰達(dá)和上海的盈創(chuàng)等公司都是佼佼者—前者于2016年6月在北京通州成功打印了一棟別墅，總面積400平米，耗時僅為45天，據(jù)說還能抗8級地震；后者于2016年為迪拜成功打印了全球首座3D打印辦公室，總耗時僅17天。2017年，迅實(shí)科技的3D打印城堡在展會上受到推崇，迅實(shí)技術(shù)所使用的3D打印技術(shù)被稱為輪廓雕刻，這是由南加州大學(xué)什尼維斯發(fā)明的。2018年，在景寧縣一位果農(nóng)開發(fā)了一臺建筑3D打印機(jī)，長6米，寬1.5米，高3米，建筑模型和墻壁由普通硅酸鹽水泥和細(xì)砂制成，材料成本非常低，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，將建筑3D打印機(jī)疊加并逐層打印，形成空心墻體構(gòu)件。中空墻體可填充保溫材料，具有良好的保溫性能。印刷機(jī)的噴嘴不斷擠出條狀的“油墨”，并將“油墨”層層堆疊成一堵墻。河南太空灰公司的一臺建筑3D打印機(jī)，長24米、寬12米、高6米，屬于中型設(shè)備，可以打印小型房屋建筑及雕塑等，打印設(shè)備采用模塊化、輕量化設(shè)計(jì)，安裝、拆卸簡便，運(yùn)輸方便，滿足了國內(nèi)外不同地域客戶的采購需求。既可以工廠打印，也可以非常方便搬運(yùn)到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地打印，打印模式選擇更加多樣化，優(yōu)化了系統(tǒng)軟件，操作人員使用中更加簡單方便。在后端新增了自動攪拌系統(tǒng)，完全可以實(shí)現(xiàn)無人值守、設(shè)備系統(tǒng)智能化程度高。河南太空灰公司的一臺建筑3D打印機(jī)北京華商陸海開發(fā)的打印設(shè)備不僅可以在陸地上打印房屋，還可以在深水中建造房屋。由華商陸海開發(fā)的3D打印機(jī)可以攜帶骨料，并可以在綁定的鋼筋周圍澆筑和打印混凝土。目前，該工藝在3D打印建筑行業(yè)尚屬首例，墻體能夠抗震、抗剪，混凝土中有粘結(jié)鋼筋。2021年，三帝科技：建筑3D打印機(jī)AFS-BRT4000三帝科技，可打印固體廢棄物等水泥基復(fù)合材料；獨(dú)立攪拌輸送系統(tǒng)，便于維護(hù)管理；機(jī)械臂采用具備7自由度的多關(guān)節(jié)工業(yè)級機(jī)器人，移動平臺穩(wěn)定可靠；可實(shí)現(xiàn)高效循環(huán)連續(xù)打印，減少因待機(jī)導(dǎo)致的水泥凝固。華商陸海能開發(fā)出如此大型的3D打印建筑機(jī)械，是因?yàn)橹袊能浻布呀?jīng)達(dá)到了一定的科學(xué)技術(shù)水平，國家整體水平的提高與機(jī)械制造業(yè)整體水平的提高是同步的。先進(jìn)機(jī)械設(shè)備的成功研發(fā)是社會和國家進(jìn)步的產(chǎn)物。中國的環(huán)境對研發(fā)的成功起到了決定性的作用。1.2.3FDM熔融沉積快速成型熔融沉積成型（FDM）采用熱熔噴嘴進(jìn)行半流動使半流動狀態(tài)的材料根據(jù)CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑，將處于動態(tài)狀態(tài)的材料擠壓并沉積在指定位置，層層沉積和固化后形成整個原型或零件。這種技術(shù)也被稱為熔體堆積法、熔體擠出成型法等。絲狀材料選擇性包覆（FDM），也稱為熔融沉積建模，是一種不依賴激光作為成型能量，而是加熱和熔化各種金屬絲的成型方法，通過熔融絲綢的層層凝固形成三維產(chǎn)品。FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性和粘結(jié)性，通過計(jì)算機(jī)控制下層的堆積成型，如圖2所示，在計(jì)算機(jī)的控制下，加熱噴嘴可以根據(jù)截面輪廓信息在X-Y平面和高度Z方向上移動。絲狀熱塑性材料通過送絲機(jī)構(gòu)送至噴嘴，在噴嘴中加熱至熔融狀態(tài)，然后選擇性地涂覆在工作臺上。快速冷卻后，形成橫截面輪廓，然后逐層涂覆。圖8FDM制造工藝原理FDM技術(shù)也稱為“熔融沉積”技術(shù)，加熱頭將熱熔材料（ABS樹脂、尼龍、蠟等）加熱至臨界狀態(tài)，顯示出半流體性質(zhì)。在計(jì)算機(jī)的控制下，噴嘴沿CAD確定的幾何信息的運(yùn)動軌跡擠壓半流動材料并凝固，形成具有輪廓形狀的薄層。1.3目前建筑3D打印的缺陷及發(fā)展趨勢1.3.1目前缺陷雖然世界掀起了3D打印建筑的巨大浪潮，但對3D打印的質(zhì)疑聲從未停止過，目前，3D打印建筑有兩個硬性指標(biāo)：一個是3D打印機(jī)應(yīng)在現(xiàn)場打印，另一個是打印的墻壁和地板承重板必須具有強(qiáng)度，并符合國家建筑法規(guī)。因此，越來越多地采用諸如建筑信息模型（BIM）之類的新技術(shù)來嘗試使建筑盡可能地可預(yù)測和可管理。預(yù)制將在確保單個組件的質(zhì)量控制方面走很長的路要走，但是仍然有很大的進(jìn)步。3D打印具有將某些建筑元素的結(jié)構(gòu)數(shù)字化的潛力，隨著整個增材制造領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)字建筑行業(yè)的輪廓已初具規(guī)模。雖然目前的混凝土3D打印機(jī)已經(jīng)取得了很好的打印質(zhì)量，但它們大多數(shù)都不具備獨(dú)立移動的能力，而且體積巨大，工作范圍仍然非常有限——這帶來了很多麻煩：如果采用現(xiàn)場打印方式，打印機(jī)需要移動多次，通常需要工程車輛的協(xié)助；如果采用“先打印出房屋部件，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場組裝”的方法，雖然可以避免“移動困難”的問題，但仍然需要支付大量的運(yùn)輸和組裝成本。由于其相對于傳統(tǒng)方法的諸多優(yōu)勢（如高速性和靈活性），建筑3D打印技術(shù)近年來發(fā)展越來越快。然而，目前的建筑3D打印機(jī)有一個明顯的缺點(diǎn)，即大多數(shù)只能使用水泥材料。1.3.2發(fā)展趨勢深圳3D打印景觀廣場效果圖3D打印房屋3D打印建設(shè)的推進(jìn)，將過去的房地產(chǎn)開發(fā)、設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、施工公司建設(shè)三方模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蠂H標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)營模式。3D打印技術(shù)可以用于從設(shè)計(jì)到施工的實(shí)現(xiàn)建筑的的自動化和智能化，使用先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行施工。3D打印不僅是一種新的建筑方法，也是一種顛覆傳統(tǒng)建筑模式的方法。更耐用、環(huán)保、高效、節(jié)能。它不僅解放了人力，而且大大降低了施工成本。3D打印最大的亮點(diǎn)是建筑垃圾的再利用，同時允許新建筑不產(chǎn)生新的建筑垃圾。3D打印建筑物時，不會破壞傳統(tǒng)的建筑體系，且采用與傳統(tǒng)建筑一樣的混凝土材料，安全性甚至高于傳統(tǒng)建筑。傳統(tǒng)住宅采用C20強(qiáng)度的混凝土，3D打印建筑則使用的高強(qiáng)度混凝土，如C80甚至C120，這些皆可以在油墨中進(jìn)行調(diào)試達(dá)到，然后基于個性化的建筑圖紙，3D打印出不同的建筑物。3D打印出的建筑物安全性，在選擇材料和傳統(tǒng)建筑建造時使用的類似，這些材料都要經(jīng)過一系列嚴(yán)格測試，以確保其可靠性，此外，3D打印建筑的維護(hù)、保養(yǎng)也與普通房屋無差別。在建筑行業(yè)，工程師和設(shè)計(jì)師已經(jīng)接受了用3D打印機(jī)打印的建筑模型，該方法快速、低成本、環(huán)保、精細(xì)，完全符合設(shè)計(jì)師的要求，同時可以節(jié)省大量材料。1.4本章研究內(nèi)容本文是基于FDM原理的龍門建筑三維打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動裝置的合理布置、傳動裝置部件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。首先，查閱相關(guān)資料，分析龍門式建筑FDM3D打印機(jī)的應(yīng)用及國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀和未來發(fā)展的趨勢，了解龍門式建筑3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)，以及打印的方式、打印效果、優(yōu)點(diǎn)。龍門建筑3D打印機(jī)的主要部件是機(jī)械設(shè)備、電路結(jié)構(gòu)件和電氣控制部件。本文主要設(shè)計(jì)了龍門樓3D打印機(jī)機(jī)械裝置部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和，龍門式施工打印機(jī)的機(jī)械裝置主要由以下部件組成：驅(qū)動裝置、傳動裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。考慮到龍門結(jié)構(gòu)打印機(jī)的整體性能和應(yīng)用場合，驅(qū)動裝置采用電機(jī)為整個裝置提供驅(qū)動力，傳動裝置應(yīng)保證打印頭在XYZ三個方向上的運(yùn)動，傳動采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用單頭打印噴嘴結(jié)構(gòu)，打印速度快，效率高。利用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行龍門式建筑3D打印機(jī)三維建模，繪制龍門式建筑3D打印機(jī)的裝配圖和各個主要零部件圖總結(jié)本課題研究情況，分析不足待改進(jìn)的地方。

第二章龍門建筑打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及總體方案設(shè)計(jì)2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)要求建筑3D打印技術(shù)包含控制系統(tǒng)軟件、設(shè)備、材料及打印工藝四大組成，龍門式移動機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)是打印機(jī)總體設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)的最基本基礎(chǔ)，可以最好地反映產(chǎn)品性能。隨著建筑工業(yè)化的不斷發(fā)展，相應(yīng)的PC組件生產(chǎn)設(shè)備也在不斷完善，這對打印機(jī)總的整體性能提出了新的要求。基本參數(shù)包括：打印頭重量，升降高度，移動速度及輸送行程等。根據(jù)任務(wù)書提出的龍門式打印機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)要求：1.X軸、Y軸、Z軸有效工作范圍:3300x1600x2000mm；2.X軸、Y軸、Z軸定位精度：±0.2mm；3. X軸、Y軸.Z軸移動速度：0-10m/min可調(diào)；4. 成型層厚：3-15nun；5. 打印速度：l-4m/min；6. 噴嘴規(guī)格：50-200mm。X方向、Y方向、Z方向移動采用直線導(dǎo)軌，驅(qū)動源采用步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動速度可調(diào)；2.2設(shè)計(jì)研究內(nèi)容及框架第一章，首先對建筑3D打印的研究背景進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并結(jié)合當(dāng)今社會的現(xiàn)狀分析了研究的目的及意義，為后續(xù)論文的進(jìn)行奠定了優(yōu)良的基礎(chǔ)。第二章，介紹了本章首先介紹了建筑3D打印的設(shè)計(jì)參數(shù)，并提出設(shè)計(jì)特點(diǎn)，然后對建筑3D打印的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了總結(jié)與歸納，對建筑3D打印的總體方案機(jī)器工作原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對本文研究的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了介紹，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的開展工作做了鋪墊。第三章，本章主要是設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)結(jié)果對其中涉及到的設(shè)備進(jìn)行計(jì)算選型，首先對建筑3D打印的電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算選型，然后又對導(dǎo)建筑3D打印的帶傳動進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并對其中所用的軸承與鍵進(jìn)行了選型與校核，最后對其中使用螺栓連接的部分進(jìn)行了強(qiáng)度校核，為后續(xù)對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。第四章，主要利用三維制圖軟件對建筑3D打印進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制出了它的重要零部件的二維圖紙，并對其主要零部件的功能及材料進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對它的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解，以及對建筑3D打印的控制部分原理進(jìn)行簡單介紹和設(shè)計(jì)最后是結(jié)論與展望，總結(jié)了全文，并且對本設(shè)計(jì)中研究的主要成果進(jìn)行概括總結(jié)，并且提出本設(shè)計(jì)中的不足之處，以及后續(xù)需要改進(jìn)的地方。2.3整理布置結(jié)構(gòu)形式2.3.1移動橋式市場上最常見的結(jié)構(gòu)之一，又稱為“門式”。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。材料成本可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，打印有比較大的空間。缺點(diǎn)：X軸（橫梁部分）不能太重，否則會造成Y向移動時，移動重心與導(dǎo)軌面(粉色面)距離太大。在打印的瞬間，由于慣性會給導(dǎo)軌面上的空氣軸承造成較大的力矩，可能會使氣墊發(fā)生變化（空氣墊一般為3~8um），因此造成打印偏差。該結(jié)構(gòu)適合中小型3D打印機(jī)，并且X軸適合使用鋁合金材質(zhì)或工業(yè)陶瓷（通常不會使用工業(yè)陶瓷，屬于：中低端的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)+高端的材質(zhì)）等輕質(zhì)材質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)移動部分重量最小。圖2-1移動橋式龍門式結(jié)構(gòu)2.3.2L形橋式市場上最常見的結(jié)構(gòu)之一，最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)之一。移動部分形成一個"L"形狀，主導(dǎo)軌做成高架結(jié)構(gòu)，來減少移動部分的重心與導(dǎo)軌面的距離。優(yōu)點(diǎn)：X軸（橫梁部分）的重心與導(dǎo)軌面距離極小，大大消除了“移動橋式”的弊端。其性能在中型3D打印機(jī)中對比“移動橋式”會有更優(yōu)異的表現(xiàn)。缺點(diǎn)：材料成本略有增加。右側(cè)支腿部分（如下圖所示：字母“X”下端的可移動立柱），還是會增加Y軸兩側(cè)空氣軸承的負(fù)擔(dān)，引起空氣墊變化，因此造成誤差。所以對于更大型3D打印機(jī)，要去除右側(cè)的支腿。該結(jié)構(gòu)適合中小型3D打印機(jī)，尤其適合中型3D打印機(jī)。特別是X軸使用花崗巖材質(zhì)時，由于移動部分重量增加，更適合該種結(jié)構(gòu)。圖2-2L形橋式龍門式結(jié)構(gòu)2.3.3龍門式在“L形橋式三坐標(biāo)測量機(jī)"的基礎(chǔ)上，去除了右側(cè)的支腿，替換為高架結(jié)構(gòu)。所以該結(jié)構(gòu)又被成為“雙邊高架式”。我們根據(jù)是否帶有整體的工作臺，又可以分為兩種結(jié)構(gòu)。帶工作臺的龍門式打印機(jī)優(yōu)點(diǎn)：高精度3D打印機(jī)的標(biāo)配結(jié)構(gòu)，將打印誤差降低到最低，工作臺一般為花崗石結(jié)構(gòu)，由于其花崗石在物理、化學(xué)方面的穩(wěn)定性，也可以實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：只能從前后側(cè)上下工件。成本比前種結(jié)構(gòu)都有所增加。由于工作臺一般為花崗石結(jié)構(gòu)，受石材限制，如果做成超大型3D打印機(jī)，成本為很高，甚至無法生產(chǎn)。圖2-3帶工作臺的龍門式不帶工作臺的龍門式優(yōu)點(diǎn)：由于沒有工作臺的限制，相比“帶工作臺的龍門式”可以做成超大尺寸的3D打印機(jī)，并實(shí)現(xiàn)高精度。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性會在很大程度上受地基的影響，如果地基發(fā)生變化，會直接影響到測量機(jī)的穩(wěn)定性及精度（主要是垂直度等方面的變化）。如果使用環(huán)境有震動，無法在3D打印機(jī)與地面間直接使用減震裝置，只能地基整體做防震，成本較高。圖2-4不帶工作臺的龍門式測量機(jī)2.3.4固定橋式該結(jié)構(gòu)，X&Z軸不會在Y方向上進(jìn)行移動，而是直接固定在基座上，工作臺在Y方向上的移動來實(shí)現(xiàn)Y軸的數(shù)據(jù)的采集。優(yōu)點(diǎn)：超高精密3D打印機(jī)的標(biāo)配,由于X,Y軸獨(dú)立運(yùn)行，減少了一些復(fù)合誤差。并最大程度減少了打印誤差。該結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)最高的精度（0.5um甚至0.3um）。缺點(diǎn)：可移動工作臺承重有限，不能測量極重的工件或需要和廠家訂制。圖2-3固定橋式2.3.5水平懸臂移動式該結(jié)構(gòu)一般會做為大型3D打印機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：在所有的結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)可以做的很大，甚至十多米的打印范圍。適合于精度要求不高的，3D打印機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)雙懸臂機(jī)的同時打印，提高工作效率。缺點(diǎn)：由于本身的臂長，重心結(jié)構(gòu)，變形等的影響，一般結(jié)構(gòu)最高打印精度只能做到>10um。不適合打印精度要求較高的零部件。圖2-4水平懸臂移動式還有一些形式出于成本、穩(wěn)定性、精度方面的考慮，在實(shí)際應(yīng)用中不常見，或因?yàn)橐恍┨囟ㄔ?，會做為一些特定設(shè)備出現(xiàn)，比如“現(xiàn)場型3D打印機(jī)等此處不再簡述。由于龍門式的測量方式對于3D打印機(jī)的精度最高，以及其他因素綜合考慮后，故本文使用不帶工作臺的龍門式3D打印機(jī)。2.4總體方案設(shè)計(jì)龍門式3D打印機(jī)的核心部件是直線運(yùn)動單元，即直線導(dǎo)軌，它由精制鋁型材，齒形帶，直線運(yùn)動滑軌和異步電動機(jī)組成。整個系統(tǒng)的負(fù)荷集中在導(dǎo)軌上導(dǎo)軌必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以確保所需的機(jī)械強(qiáng)度和直線度?；壪到y(tǒng)由滑軌和移動滑軌組成。傳動裝置可根據(jù)不同的任務(wù)要求采用齒形皮帶，齒條和齒輪嚙合或滾珠絲杠。該機(jī)器的特點(diǎn)是負(fù)載范圍大，從幾公斤到幾噸；運(yùn)行速度快，速度可調(diào)；動作靈活，可以完成復(fù)雜的建筑打印工作；可靠性高，維護(hù)簡單。整機(jī)主要組成部分包括輸送緩沖裝置、直線導(dǎo)軌、打印頭、機(jī)架、電機(jī)和控制系統(tǒng)等。根據(jù)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，本機(jī)使用1個打印頭，工作過程為：直線導(dǎo)軌水平運(yùn)動，打印頭垂直下降，打印頭到達(dá)指定位置時，通過內(nèi)部的打印噴頭進(jìn)行作業(yè)。在建筑打印機(jī)的擠壓頭上使用齒輪傳動裝置，為房屋建造基礎(chǔ)和墻壁，它的原理與用泥土制磚的原理非常相似，建成的建筑物可以抵御地震和其他自然災(zāi)害，不僅造價(jià)低廉，施工速度快，而且環(huán)保，大大降低了施工成本和材料。直線導(dǎo)軌副負(fù)責(zé)貨叉的水平運(yùn)動，垂直升降機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)貨叉的縱向移動，貨叉夾取機(jī)構(gòu)則可以當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時完成夾取紙箱板和松開紙箱板的動作，機(jī)械手可以通過再如下的X、Y、Z三軸自由運(yùn)動，如圖3.3圖龍門式建筑3D打印機(jī)總體方案圖2.5本章小結(jié)本章首先介紹了建筑3D打印的發(fā)展趨勢，并提出今后建筑3D打印的發(fā)展方向，然后對建筑3D打印的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了總結(jié)與歸納，最后對本文研究的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了介紹，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的開展工作做了鋪墊。

第三章傳動系統(tǒng)選型計(jì)算3.1電機(jī)的計(jì)算選型3.1.1類型確定在選擇合適的伺服電機(jī)時，應(yīng)本著實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和安全的基本原則，要考慮類型、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等四個因素不同條件下需要選擇不同的轉(zhuǎn)速，同時，在送料機(jī)構(gòu)啟動時容易瞬間超載，故電動機(jī)功率需略大于螺桿的工作功率；根據(jù)以上條件選擇伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的生產(chǎn)廠家很多，類型也有很多種，在低成本的伺服電機(jī)類型中，大力矩的為交流伺服電機(jī)，其通過間斷矩形波控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過控制矩形波的周期，波形、頻率等相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的、角度實(shí)現(xiàn)精度控制，并且生產(chǎn)成本低控制簡單。3.1.2負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量估算本章以Z軸主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，X、Y軸的計(jì)算方法相同，此處不作闡述。（1）計(jì)算齒條的平動慣量。齒輪齒條導(dǎo)軌上的重物M不是轉(zhuǎn)動慣量，是平動慣量，平動慣量計(jì)算公式Jr=M(A/2π）2，M是質(zhì)量，A是導(dǎo)程，為齒條每移動一個齒距重物M的移動量由后文可知，本文齒輪齒數(shù)為25，模數(shù)為3，則法向齒距為由于齒條的質(zhì)量目前沒有較好的計(jì)算方法，本文通過Solidworks建模后設(shè)定材料進(jìn)行質(zhì)量估算，選用45#，質(zhì)量為7.2kg，本文取7.5kg。.齒條的質(zhì)量估算則齒條的平動慣量計(jì)算齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。齒輪的轉(zhuǎn)動慣量可以使用剛體轉(zhuǎn)動慣量公式=1/8mr2計(jì)算。齒輪的分度圓半徑：由Solidworks估算質(zhì)量為1.31kg，本文取1.5kg，則（3）計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量。已知打印機(jī)主軸執(zhí)行部件（即工作臺、工件、夾具）的總質(zhì)量為133.8kg，考慮結(jié)構(gòu)安裝等取為，電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，主軸執(zhí)行部件在軸上移動的距離,則由式得（4）由式計(jì)算加在電動機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。3.1.3計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩（1）計(jì)算負(fù)載力矩。已知在打印狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，執(zhí)行部件在軸向移動的距離，進(jìn)給傳動系統(tǒng)總效率，由式得（2）計(jì)算摩擦負(fù)載力矩按式,計(jì)算在吧切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。W坐標(biāo)軸上移動部件的全部重量（包括機(jī)床夾具和工件的重量，N）；鑲條緊固力（N）,其推薦值可查表23得鑲條緊固力=25N，則表23鑲條緊固力推薦值導(dǎo)軌形式主電動機(jī)功率/kw2.23.75.57.5111518貼塑滑動導(dǎo)軌50080015002000250030003500滾動直線導(dǎo)軌254075100125150175=0.15×（130×9.8+500）N=266.1N摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式不同而不同，對于帖塑導(dǎo)軌，=0.15；對于滾動直線導(dǎo)軌，=0.01；由式,得3.1.4計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動機(jī)軸上的各種所需的力矩（1）計(jì)算線性加速力矩 取最大移動速度為10m/min，計(jì)算所需轉(zhuǎn)速由于轉(zhuǎn)速太低，無法滿足電機(jī)選擇的需要，取電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為3000rpm。已知打印執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動時電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益，加速時間，由式得，（2）計(jì)算階躍加速力矩。已知加速時間，由式得3.1.5選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號(1)選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號根據(jù)以上計(jì)算和查參考文獻(xiàn)[1]表2--47，選擇1FL6062-1AC61-0AA，額定功率1kW，額定轉(zhuǎn)速為2000rpm，最大速度3000rpm，額定扭矩4.78Nm，最大扭矩14.3Nm，額定電流3A，最大電流7.5A，最大慣量15.7kgcm2,交流伺服電動機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的5-10倍，均大于本文的線性運(yùn)動所需的力矩，故本電動機(jī)均滿足驅(qū)動力矩要求。SIMOTICSS_1FL6系列電機(jī)數(shù)據(jù)圖SEQ圖\*ARABIC11FL6062-1AC61-0AA1西門子V90高慣量伺服電機(jī)（2）慣量匹配驗(yàn)算。為了使機(jī)械傳動系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足式而在本設(shè)計(jì)中，故滿足慣量匹配要求。同時由于轉(zhuǎn)速過高，選擇德國阿爾法ALPHA減速機(jī)SP140S-MF1-5-1K1-2S，減速比為140。最終可得電機(jī)輸出的額定轉(zhuǎn)速下齒輪的轉(zhuǎn)速為：3.2驅(qū)動齒輪的設(shè)計(jì)3.2.1齒數(shù)的確定圖3-4齒輪齒條傳動的工作原理參考相關(guān)3D打印機(jī)，采用齒輪傳動時模數(shù)通常很小，可以節(jié)省空間，本文擬定齒輪模數(shù)為3，考慮根切及嚙合條件等，為使齒輪免于根切，對于=20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，應(yīng)取z≥17，初選取齒輪齒數(shù)為25，標(biāo)準(zhǔn)壓力角為=20°。對齒輪厚度選擇為30mm，其齒寬系數(shù)為，通常將齒輪做懸臂布置。同時可求得齒輪的基圓齒距——齒輪基圓齒距，mm齒輪選用45號鋼或20CrMnTi制造并經(jīng)調(diào)質(zhì)，表面硬度均應(yīng)在56HRC以上。為減輕質(zhì)量，選擇用45號鋼。由于螺旋榨汁及轉(zhuǎn)速低，是一般的機(jī)械，故選擇7級精度。3.2.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由于本文齒輪的模數(shù)較小，其雖然充分節(jié)省了空間尺寸，但其強(qiáng)度受到影響，故本章對其強(qiáng)度進(jìn)行校核。由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即d1t≥2.32確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分配系數(shù)，即該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為輕微沖擊，工作機(jī)器為螺旋榨汁機(jī)，原動機(jī)為電動機(jī)，因此使用系數(shù)取1.3。動載系數(shù)為了計(jì)及動載荷的影響，引入了動載系數(shù)。如圖所示。圖3-5動載系數(shù)表由于速度v很小，根據(jù)上圖查得取1.0齒間載荷分配系數(shù)對于直齒輪及修形齒輪，取=1齒輪載荷分布系數(shù)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表取試選載荷系數(shù)。按齒面硬度差的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600MPa；預(yù)計(jì)工作壽命每年300個工作日，每個工作日8個小時，預(yù)計(jì)工作十年。計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。N1=60n1jLh=60×14.47×1×﹙10×300×8×1﹚＝2.8×10接觸疲勞壽命系數(shù)=0.95取失效率為1％，安全系數(shù)S=1，得＝=MPa＝570MPa齒輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩）：計(jì)算小齒輪分度圓直徑d1t，代入[]中較小的值。d1≥2.32＝2.32·故本文選擇的d1=75mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求。3.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為m≥1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限500MPa;齒條的彎曲強(qiáng)度極限380MPa（2）疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)=0.91,=0.93(3)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得MPa=325MPaMPa=252.43MPa(4)計(jì)算載荷系數(shù)K。1.25×1.05×1×1.32=1.7325(5)查取齒形系數(shù)。2.65，2.20(6)查取應(yīng)力校正系數(shù)。1.58,1.78(7)計(jì)算齒輪、齒條的并加以比較。==0.012883==0.0155132）設(shè)計(jì)計(jì)算。m≥而本文選定的m=3mm也是滿足使用要求。經(jīng)校核，齒輪滿足強(qiáng)度及剛度的要求。3.2.4齒輪的尺寸參數(shù)齒頂高齒根高齒高齒頂圓直徑齒根圓直徑基圓直徑齒距由于齒輪作為主動，帶動從動齒條對壓板進(jìn)行傳動，將齒寬取整，選擇齒輪齒條的厚度均為30mm。3.3齒條的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn)：(1)齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合，而齒條的中線只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪正確安裝時才與其節(jié)圓相重合.(2)齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角.取齒條的模數(shù)m=3,壓力角200，故齒距取，選擇齒條的升降距離為1m，則齒數(shù)取，考慮齒條移動兩端的余量，將其取整選為130。則齒條長度，將其取整為1225mm。齒頂高齒根高齒條選用45號鋼或20CrMnTi制造并經(jīng)調(diào)質(zhì)，表面硬度均應(yīng)在56HRC以上，選擇7級精度。將齒條通過螺栓安裝在底座上。為了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，同時考慮螺栓在底座的安裝，選取齒條的頂線高度。則齒條的齒體厚度為作用在齒條上的圓周力大小：作用在齒條上的徑向力大?。?.4定位精度的計(jì)算3.4.1計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的方向死區(qū)查閱相關(guān)資料，取進(jìn)給傳動滑臺的最小綜合拉壓剛度，最大綜合拉壓剛度導(dǎo)軌的靜摩擦力，則由式得即故滿足要求。3.4.2計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差由式得本文要求的定位精度為0.2mm，故滿足要求。3.5導(dǎo)軌的選型在本次設(shè)計(jì)中，選用的導(dǎo)軌為國產(chǎn)的上銀品牌的導(dǎo)軌，它的供貨周期相對短一些，并且價(jià)格相對會低一些，在精度方面也能夠得到滿足本設(shè)計(jì)的使用需求。上銀導(dǎo)軌的選用步驟可以分為以下幾點(diǎn)。直線滾動導(dǎo)軌副用于x軸和y軸，承受垂直的載荷。（1）計(jì)算滑塊承受工作載荷及選取導(dǎo)軌型號影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素通常是工作載荷。本設(shè)計(jì)中的x軸和y軸都為為水平布置，y軸是采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式，而x采用左右兩個導(dǎo)軌模塊，每個也是采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承。x軸和y軸采用相同規(guī)格的導(dǎo)軌副，因?yàn)閦軸受到的載荷最大，則只需要z軸的選型計(jì)算即可。工作時，其不利的情況是一個滑塊承擔(dān)垂直于臺面的全部工作載荷，可計(jì)算出這個單滑塊所受的最大垂向載荷為：其中，移動部件重量約為，假設(shè)外加載荷F=Fz=1500N（z軸上下運(yùn)動時產(chǎn)生的沖擊）載荷，代入式得最大工作載荷。查書本《系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-41，可以初選直線導(dǎo)軌副的型號為KL系列的型，直線滾動導(dǎo)軌副的額定靜載荷，其額定動載荷。由直線滾動導(dǎo)軌副標(biāo)準(zhǔn)長度，可以選取導(dǎo)軌的長度為。

（2）計(jì)算距離額定壽命

初選的導(dǎo)軌副的滾道硬度可以取，在工作時，溫度不會大于100℃，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，其導(dǎo)軌副可取4級精度。查書本《系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-36至表3-40，得則可以計(jì)算出其距離壽命：計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于期望值50km，則該選用導(dǎo)軌副符合其使用要求。3.6本章小結(jié)本章主要是設(shè)計(jì)計(jì)算，首先對龍門3D打印裝置的總體機(jī)器工作原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)結(jié)果，對其中涉及到的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行理論計(jì)算校核，首先對電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算選型，為后續(xù)對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。

第四章基于Solidworks的建筑打印機(jī)建模4.1Solidworks建模簡介Solidworks作為第一個以windows為基礎(chǔ)開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)符合CAD新時代下的發(fā)展，solidworks在市場上十分的成功。SolidWorks以簡單、穩(wěn)定、創(chuàng)新為基準(zhǔn)不斷的改進(jìn)創(chuàng)新為設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)提供了便利。Solidworks可以動態(tài)的查看裝配部件的運(yùn)動情況，并可以對零件進(jìn)行動態(tài)干涉分析，還可以進(jìn)行仿真分析。本文通過龍門式建筑3D打印機(jī)的選型，然后對其進(jìn)行Solidworks三維建模，在對3D打印機(jī)進(jìn)行三維建模時主要有標(biāo)準(zhǔn)建模、簡單建模、復(fù)雜建模3種主要類型。（1）標(biāo)準(zhǔn)幾何體建模就是在通過圖形設(shè)計(jì)特征直接輸入生成所需的形狀，例如球體、正方體等。（2）簡單幾何體需要先進(jìn)行二維草圖繪制然后在進(jìn)行由二維轉(zhuǎn)換三維的步驟例如拉伸、掃描等生成所需要的實(shí)體。（3）復(fù)雜的幾何圖形需要完成簡單幾何體的繪制在通過凹臺、腔體等命令生成所需要的三維幾何體。在進(jìn)行設(shè)計(jì)建模時一定要注意3D打印機(jī)的整體布局，有了好的布局對3D打印機(jī)的建模十分重要，確定好的布局有利于對切3D打印機(jī)的配合，和位置關(guān)系的確定，有利于建模。4.2總體裝配圖通過Solidworks的裝配圖特征，如鏡像、線性陣列等，再配以相應(yīng)的配合關(guān)系，最終的龍門式3D打印機(jī)的三維模型如下圖所示。圖4.1龍門式建筑3D打印機(jī)的三維裝配圖4.3關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)4.3.1傳動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)的功能，傳動裝置需要三個方向的運(yùn)動和轉(zhuǎn)動。其動作的實(shí)現(xiàn)是通電機(jī)和齒輪齒條配合實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)軸出來通過配對齒輪的連接方式，主動輪帶動齒條的轉(zhuǎn)動（圖4.3所示），打印頭整體安裝在固定在螺母副上的安裝板上，從在齒條轉(zhuǎn)動的同時帶動整體裝置沿著豎向進(jìn)行移動。圖4.3傳動系統(tǒng)的三維模型（Y軸）4.3.2機(jī)架及X軸導(dǎo)軌機(jī)架是3D打印機(jī)的基礎(chǔ)，機(jī)身的尺寸設(shè)計(jì)會影響機(jī)器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的合理性會直接影響機(jī)器的強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)的龍門式建筑打印機(jī)。導(dǎo)軌設(shè)計(jì)在機(jī)架床身工作臺頂部兩側(cè)，機(jī)架主要考慮本身的重力、驅(qū)動系統(tǒng)的分力和零件的影響，本設(shè)計(jì)可將所受力直接傳遞到機(jī)架的床身上，提高穩(wěn)定性。機(jī)架及X軸導(dǎo)軌的三維模型5.3.3打印噴頭的設(shè)計(jì)本文對打印噴頭選擇直徑為200mm，通過外置獨(dú)立電機(jī)的驅(qū)動使從動齒輪與安裝在杠桿上的槽輪嚙合實(shí)現(xiàn)打印絲的進(jìn)給，這樣可提高打印的精度、保證工作的穩(wěn)定性，同時由于打印時采用FDM溶化成型，故打印頭為高溫工作，在外置安裝風(fēng)扇進(jìn)行散熱。5.3.4導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌的X、Y、Z方向采用兩根導(dǎo)軌，固定在床身、橫梁及連接座上。因此，導(dǎo)軌的定位精度對超精密加工設(shè)備也有一定的影響，機(jī)身由鋼板拼焊制成，導(dǎo)軌通過緊定螺釘連接在機(jī)座上，兩端安裝固定直接用于連接緩沖塊，在打印的過程中可以避免發(fā)生損壞，挺高穩(wěn)定性。5.4打印的控制過程簡介控制系統(tǒng)方案本文龍門式建筑打印機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC控制。通過啟動停止按鈕控制打印機(jī)動作，通過異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來控制位置調(diào)整的動作。PLC系統(tǒng)選型西門子S7-1200連續(xù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：更高的范圍包括標(biāo)準(zhǔn)的功能，該程序的執(zhí)行速度更快，通信功能圓滿完成，供給各種能量，以各國的世界和大量模塊的特殊功能，以滿足個性化需求。我們可以提供最大的自動化應(yīng)用系統(tǒng)具有靈活性和控制多樣性?？刂葡到y(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化控制模式。整個系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線，把碼垛機(jī)立庫系統(tǒng)PLC、碼垛機(jī)立庫系統(tǒng)觸摸屏、變頻器以及編程開發(fā)計(jì)算機(jī)等均通過以太網(wǎng)連接起來。I/O點(diǎn)數(shù)模塊確定1）PLC輸入信號輸入信號：啟動、停止按鈕需要2個輸入端子。2）PLC輸出信號輸出信號：電機(jī)信號2個，電機(jī)方向信號2個，打印控制閥信號1個，共需5個輸出。選用西門子s7200-CPU224PLC,共10點(diǎn)DC輸入,8點(diǎn)繼電器輸出。PLC控制原理接線圖見附圖1系統(tǒng)工作流程本系統(tǒng)的工作過程如下,通過啟動停止按鈕控制打印機(jī)運(yùn)行以及打印噴頭電磁閥的動作，出料口電磁閥間隔延時10秒動作輸出次，輸出打開時間2秒。停止按鈕按下后設(shè)備停止運(yùn)行。I/O地址分配表表5.1PLCI/O分配表輸入功能符號輸出功能符號I0.0啟動Q0.0電機(jī)1I0.1停止Q0.1電機(jī)2I0.2Q0.2電機(jī)方向1I0.3Q0.3電機(jī)方向2I0.4Q0.4打印控制閥15.5本章小結(jié)本章主要利用三維制圖軟件對龍門式3D打印機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制出了它的重要零部件的二維圖紙，并對其主要零部件在整個裝置的作用及材料進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對它的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。

總結(jié)與展望在此設(shè)計(jì)過程中，計(jì)算和工程圖還存在許多困擾我的問題。當(dāng)遇到問題時，得到老師的耐心指導(dǎo)和幫助，并最終成功完成了該工作。最后階段主要是修改設(shè)計(jì)中的一些詳細(xì)錯誤以及圖紙的修改和完善，所有這些都已完成，并學(xué)習(xí)許多詳細(xì)知識和專業(yè)知識。本文適用于建筑的龍門