毕业设计论文(基于Solidworks的3D打印机设计-USB迷|专注于互联网分享

2024年2月12日发(作者：从凯)

摘要 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- II

Abstract ---------------------------------------------------------------------------------------------------- III

第一章绪论 ------------------------------------------------------------------------------------------ - 1 -

1.1 3D打印的原理及其历史发展 ---------------------------------------------------------------- - 1 -

1.2 3D打印的发展前景 ---------------------------------------------------------------------------- - 3 -

第二章设计软件的选择 --------------------------------------------------------------------------- - 5 -

2.1 Solidworks软件介绍 --------------------------------------------------------------------------- - 5 -

2.2 Solidworks与其他三维制图软件的对比 --------------------------------------------------- - 7 -

第三章 3D打印机的结构设计 -------------------------------------------------------------------- - 9 -

3.1 3D打印机的参数 ------------------------------------------------------------------------------- - 9 -

3.2 整体结构设计 ------------------------------------------------------------------------------------ - 9 -

3.3 电机和联轴器的选择 ------------------------------------------------------------------------- - 13 -

第四章 3D打印机主要部件受力分析 --------------------------------------------------------- - 22 -

4.1 X方向运动光杆的受力分析 ---------------------------------------------------------------- - 22 -

4.2 丝杠的受力计算 ------------------------------------------------------------------------------- - 24 -

4.3 导轨的选型及计算 ---------------------------------------------------------------------------- - 24 -

4.4 丝杠和螺母自锁校核计算 ------------------------------------------------------------------ - 25 -

第五章 Solidworks设计3D打印机 ------------------------------------------------------------ - 26 -

5.1 草图设计 ---------------------------------------------------------------------------------------- - 26 -

5.2 零件建模特征 ---------------------------------------------------------------------------------- - 31 -

总结 ------------------------------------------------------------------------------------------------ - 45 -

致谢 ------------------------------------------------------------------------------------------------ - 46 -

参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------- - 47 -

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摘要

3D打印是最近两年开始流行的一种快速成形技术。它以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来构造物体。我们日常生活中的打印机能打印一些平面纸张材料。而3D打印机打印出的是立体产品。本文章对3D打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，综述3D打印技术的基本概念、发展简史、打印过程原理、应用领域、广泛影响以及面临的问题等。在介绍3D技术的发展历程、3D打印技术的工作原理流程及特点的基础上，分析了3D打印技术的创新点和存在的问题，展望了3D打印技术的未来发展趋势。

根据相应的指标、参数在满足标准化型材的前提下对3D打印机进行整体结构设计，对某些重要的零部件详细分析它的参数和原理作用。3D打印机在工作过程中因受应力的影响可能会发生变形，所以接下来应用材料力学的知识对X方向运动的光杆进行受力分析校核，以确保三维打印机能打印出精度比较高的产品。

3D打印机工作的时候是三个方向一起运动，而打印机要精准稳定地做X、Y、Z方向的运动，必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三个方向上自由地运动是我对打印机研究的非常重要的部分，而3D打印机要求的是在最小的尺寸空间里实现三个运动方向运动范围的最大化。设计中主要使用了Solidworks三维制图软件，受力方面结合材料力学力的知识对3D打印机的主要部件进行了受力分析。

关键词：3D打印技术；结构设计；受力分析；Solidworks

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Abstract

3D printing is the beginning of the last two years a popular rapid prototyping technology. It is based on a digital model file, by the way printed layer by layer construct objects. Our daily lives printer can print some paper material plane. The 3D printer to print out the three-dimensional product. This article is for 3D printing technology system and domestic and foreign industry development status, development trend made a comprehensive presentation, review the basic concepts of 3D printing technology, development history, the printing process principles, applications, and the problems faced by a broad impact and so on. On the basis of the development process of introduction of 3D technology, 3D printing technologies work processes and characteristics, analyzes the innovation of 3D printing technology and problems, look to the future development trend of 3D printing technology.

According to relevant indicators, parameters in meeting the standardization of 3D printer

profiles premise overall structural design, some important parts of a detailed analysis of its

parameters and principles of action. 3D printer due to the impact of stress may be deformed in

the course of their work, so the next application of knowledge of the mechanical movement of

the light pole X direction stress analysis check to make sure that the 3D printer can print out

high precision products.

When the 3D printer to work together is a motion in three directions, and the printer

you want to do accurate and stable movement X, Y, Z direction, there must be a stable orbit

precise bearing, can freely move in three directions my printer is a very important part of the

research, and 3D printers achieve the required range of motion in three directions of

movement in the smallest size to maximize space. The main use of Solidworks design

three-dimensional mapping software, by combining the mechanical aspects of knowledge

force strength of the main components were stress analysis 3D printer.

Keywords：3D printing; design; stress analysis; Solidworks

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第一章绪论

1.1 3D打印的原理及其历史发展

1.1.1 3D打印的原理

3D打印，即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打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而3D打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

1.1.2 3D打印的历史发展

1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。

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1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。

1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。

2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。

2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。

3D打印技术目前是一种高新技术，3D打印技术作为一种高科技技术，目前应用到很多领域，如制造业，航空领域，医疗领域，化学技术，还有材料学科等方面。3D打印技术的推广使得更多制造业有了相应的变革，打印技术可以使制造效率不断挺高，方便快捷。而广泛应用的领域有医疗领域，建筑领域，和机械设计制造领域。有些精密的制造业也可以通过3D打印技术完成。在医疗领域上，3D打印机可以用人培养的细胞作为打印原材料打印器官，这就给病人提供了对自己不排斥的器官。前段时间有个小孩因为天生没有鼻子，于是医院就通过3D打印机打印出了一个与他个人相匹配的鼻子，并且成功应用上去。这些成功的例子无疑在说明3D打印技术已经越来越接近我们的生活，改变我们的生活。建筑领域，3D打印技术可以快速的打印出一栋很建筑模型，可以省略很多传统的东西，某些工艺水平也是，传统工艺所不能企及的。[1]

3D打印技术已经有了十多年的发展，目前分辨率可以达到6000pi，厚度精确到0.001毫米，这样的技术几乎可以打印出你肉眼能看得出来的东西，可见这精度已经非常高了。当然我们可以应用3D打印技术高精确性，打印出更多纯制造业很难完成的任务。[3]

目前国内很多家公司相继完成了他们的3D打印机的生产和销售，虽然他们的公司大小不能与国外大型公司相媲美，而且所做的产品的整体质量也没有国外的那么好，但在中国的市场还是非常不错的。国内生产的3D打印机在材料，模型结构，打印精准度方面还不能很好的满足消费者的需求。而在第三产业领域在国内某些发达城市有很多企业引进了国外先进的3D打印设备，在此基础上不断学习借鉴，并且有了技术上的提高。总之国内的3D打印技术还不够成熟，还需进一步的发展技术。 [3]

目前在西方国家，3D打印技术已经大范围的应用到了商业。比如在某些汽车制造业和电子制造厂商。3D打印技术的优势可以体现在高效率的基础上打印出廉价的部件。纽约有一家公司手机了很多客户所实际需要的模型，或者产品，收集之后用3D打印技术把收集来的方案打印成他们所需的实物，并且获得了较好的成果。[5]

目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。

3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。

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目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。

1.2 3D打印的发展前景

从历史发展中，我们可以发现，3D打印机要想成功的占领市场还需要面临很多挑战和困难。其中打印机的生产价格，打印的材料，打印精准性，结构设计等方面还有很多需要研究的地方，所以3D打印机的问世，既是一种机遇也是一种挑战。

第一，生产成本方面。3D打印机的生产成本比较高，从刚开始设计一台3D打印机到买材料，组装，测试校核等程序使得打印机的成本大大提高，为了普及3D打印机很多商家生产出比较廉价的打印机，并且邀请那些对此比较有兴趣的人共同开发，降低生产成本。第二，材料方面。目前3D打印机的成型材料多为化学聚合物，打印出来的物体也大多是激光烧结后的化学聚合物。然而作为3D打印机材料的多样性直接决定了生产多样性，可以见其的作用在整个打印机中占的比例很大。总之要想成功的普及3D打印机在材料上下功夫是不容忽视的。第三，打印精度方面。当前3D打印机的整体体积相对来说不是很大，这就限制了打印物体的体积大小。很多人认为3D打印机想打印什么就打印什么，其实还有很多因素要考虑，比如说打印的体积大小，和精度。3D打印技术的精度相对于现在的高精度制造业来说，还是有很大差距的。第四，研究开发方面。3D打印机的发展越来越进步的同时，外界对其的要求也会越来越高。不仅仅是满足目前打印几个简单的3D模型，更重要的是应用到实际的生产生活中，比如说医院要打印出病人的某些器官，这些要求的技术室非常高的。研究人员需要花很大的时间去学习这些领域，也要相互合作才能达到目的。3D打印机的应用也不仅仅是医疗，生物，制造，工程等都可应用到。第五，市场。大家都知道开发一种产品除了其能服务大众，还有一个很重要的目的是产生经济效益。要想产生大的经济效益就要占领足够的市场份额，目前3D打印机不像二维打印机那么普遍。或者说3D打印机很少人会用得上，这就需要研发者研发出更多实用的打印机走进千家万户。[1]

根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。[1]

但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，精品文档，知识共享！

目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。

总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

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第二章设计软件的选择

本次3D打印机的设计主要选择了Solidworks三维制图软件进行绘图制作，下面就简单介绍一下Solidworks这款软件和选择这款制图软件的好处。

2.1 Solidworks软件介绍

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。

由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业中高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。

由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。

据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。

在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、中山大学、中南大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。

Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上可以用SolidWorks 来搞设计。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文精品文档，知识共享！

件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者”。

在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

SolidWorks 提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。特征模板为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。

配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。

SolidWorks 提供了技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作。通过eDrawings方便地共享CAD文件。eDrawings是一种极度压缩的、可通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。通过三维托管网站展示生动的实体模型。三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看产品结构。SolidWorks 支持Web目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就像存本地硬盘一样方便。用3D Meeting通过互联网实时地协同工作。3D Meeting是基于微软 NetMeeting的技术而开发的专门为SolidWorks设计人员提供的协同工作环境。

在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。

SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。使用RapidDraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。[14]

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2.2 Solidworks与其他三维制图软件的对比

目前选择 SolidWorks的最大优点就是简单容易上手，功能比较全面，但是也不需要和专业的软件比较的，因为他简单易学，功能上能满足设计的需求即可。与其它主流的三维制图软件相比，SolidWorks如果做机械机构设计，钣金设计，管道设计等是具有很大的优势的。但他的各种高级造型功能相对说来较弱（主要是复杂曲面几乎都用CATIA，或者UG解决的还有行业因素），但是完全能够满足如：机械机构设计，钣金设计，管道设计等。由于行业原因，如果做模具，或者对数控加工要求较高的用UG

PROE。汽车行业几乎都用CATIA。做非标机械设计方面的您可以考虑SolidWorks。（除了机械机构设计，钣金设计，管道设计等。SolidWorks的工程图相比其它三维尤其出色）SolidWorks的发展很迅速，在行业内的市场份额迅速增加，功能逐步完善，性价比十分高，潜力无限，估计会成为三维设计软件的领头羊。

SolidWorks与其他三维绘图软件比较：

orks与Pro/E使用对比

Pro/E的性价比低，而SolidWorks的性价比高。当 Pro/ E提升到与SolidWorks差不多的功能时其价格是SolidWorks的四倍之多：Pro/E的易用性低，而SolidWorks的易用性高，易学易用是大家选择CAD软件的重要指标之一。SolidWorks 是基于Windows操作平台是易于操作的CAD软件，windows中的很多功能也可以在这里实现，比如：“复制”、“粘贴”。但是Pro/E的建构于UNIX系统，必须学习二种不同的操作接口：一个是旧有的下拉式选单，一个是视窗的操作方式没，用起来比较麻烦；就地位而言，SolidWorks目前是口碑不错的3 D制图软件，Pro/E是应用的范围和功能相异。但是其中的诸多功能还是有相同之处，若说今后的发展趋势，那当属SolidWorks了。

很多人都知道Pro/E的架构是属于“纯”参数的设计方式，因此在用Pro/E时，在绘制零件中最重要的工作变成注意草图是否已经“完全定义”；而这样的设计过程将容易让整个设计意念因而分心导致影响你的设计与创造力。也常因此你的设计意念不得不妥协于这样的限制之下。所以这个应该是SolidWorks最为核心的优势，让大家不局限在软件的使用上，而是专注于设计本身。

Pro/E可自动地通过简单地选择模具开模方向创建分型线，设计分型面，包括刚性关闭曲面通过开模和干涉检查，检查模具锁死条件计算填充量，使用分型面将模具分开，并创建实体模型的模具元件，例如型芯、型腔和滑块。SolidWorks在模具设计上逊色于 Pro/E。

orks与UG使用对比

很多人认为UG属于高端产品，其实现在大家对高低、端的区分存在很多的分歧，记得之前有朋友这样说过，感觉cad软件就像一个师傅的几个徒弟一样，学的武艺，差别都不是很大，只是打出的招数不同而已。在3D建模方面，大同小异，如果随便看看，感觉差异很小的，但是如果插入心窝，感觉还是有点差异。我也很是认同他的观点，现在来说一下我的想法。

SolidWorks最大的优势在于易学易用，很适合新手使用，再说SolidWorks公司是专业的软件公司，所以新手用这款软件还是很好的选择；在大型装配、智能设计、以及CAE分析方面，solidworks的优势还是比较明显的，在这些方面有要求的朋友可以用SolidWorks；在设计验证上，做的也是很好，我个人非常喜欢这个软件。

UG在加工能力，曲面能力，数据库管理能力等，都是很强的。经常设计曲面的朋精品文档，知识共享！

友可以倾向于UG；UG是快成模具行来的代名词，越来越多的模具厂在使用UG做为设计软件，对于选择其他软件作为其模具设计不多；UG可以实现G2连续，可以做到A面的要求也不是问题。其实，我觉得最好要掌握两种以上的软件，才可以适应不同的工作。而且，工作的内容也是选择软件的一个非常重要的理由，所以自己的定位非常重要的。说白了，对你来说，用哪个软件最顺手，最容易掌握，那个软件就是最好的。

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第三章 3D打印机的结构设计

3.1 3D打印机的参数

打印机的运行尺寸：260×260×100mm

打印的最大范围：260×260×100mm

标准型材的尺寸：25×25mm

电机的转速：3600r/min

3.2 整体结构设计

3.2.1 工作原理

3D打印机在工作的时候是中间两根标准型材是立起的，立起的时候能提供打印机在X,Z方向的运动空间。打印机总共有4个电机，一个电机用在Z轴方向，一个用在X轴方向，一个用在Y轴方向，剩下一个是传送材料到喷头用的。在打印机上边装有一个电机连接丝杆，带动喷头所在的光杆做Z方向运动。X方向的打印是通过喷头左右运动完成的，电机带连接在喷头的齿形带，使喷头运动。而Y轴方向是底座的电机带动底板来回运动。

3.2.2 3D打印机的组成

标准型材：25×25mm，100mm×2，260mm×4，240mm×5

步进电机：四个

丝杆：三根

联轴器：三个

齿形带：两条

光杆：六根

六角螺栓+螺母

非标准件包括底座，底座梁支架，底座支架，喷头结构，提手，型材之间的连接件等。

3.2.3 框架结构

打印机的结构主要由大小25x25mm的标准型材构成，底座由八根型材组成，这样的底座稳固性非常强，能保证打印机在工作的时候不会发生摇动以至于打印精度下降。打印机的Z轴传动通过立在中间的丝杆完成，顶上的电机转动通过联轴器带动丝杆完成喷头上下运动。喷头与光杆衔接左右运动。底座支架与底座的光杆衔接通过带动底板做前后运动。为了是打印机工作平稳，底座上下两根型材分别与立杆用连接部件固定，其精品文档，知识共享！

中上面的型材与部件固定，拆卸时需拧下螺钉，而下面的型材则与部件通过六角螺栓活动链接。这样就可以实现打印机在不使用的情况下把立杆放下，便于携带。部件的统一厚度为5mm。

3.2.4 底座支架结构

该结构的视图如下，它的主要作用是连接支撑底板，并带动底板做前后运动。

图3.1 底座支架结构图

底座支架在打印机中起关键作用，它的运动决定了底板的运动。上图中支架的导槽与底座的光杆导套连接，支架中间在于齿形带固定。电机工作通过带动支架在光杆上来回运动。然而底板与支架通过杆固定连接，实现了底座支架带动底板的来回运动。

底座梁支架的作用就是支撑整个底板和固定光杆、电机。考虑到受力，底座梁支架锁在型材上，左右各有一个支架固定两根光杆。一边的支架中间有固定电机的地方，而且那块板相对来说比较厚，因为要承受比较大的力，包括电机自重，和齿形带的拉力。

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图3.2 底座支架三维下视图

3.2.5 X轴方向运动的设计

X轴方向的运动主要靠联轴器带动齿轮连杆运动完成，喷头固定在上下两根光杆上，增加了运动时的稳定性。喷头的运动方向是光杆的轴向，为了使喷头运动时不受摩擦力影响，还需在喷头上套上光杆轴套，保证喷头能平稳运动。齿形带传动通过左边的电机带动同步联轴器完成。这部分主要介绍X方向喷头结构的简单设计。

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图3.3 X轴方向运动三维图

3.2.6 Z轴方向运动的设计

图3.4 Z轴方向运动三维图

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3.3 电机和联轴器的选择

电机和联轴器的种类繁多，根据3D打印的的不同参数要求，选择合理的电机和联轴器是非常重要的，这样才能保证3D打印机的正常运行。

3.3.1 电机的选择

一、负载转矩的计算

PMSM定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。(同性相斥，异性相吸)

其中θ为失调角，也称功率角；K与定子端电压和转子磁势（磁密)的乘积成正比。Fy和Fs分别是转子、定子的磁势或磁密；p为极对数。

当θ为90度角时，对应最大转矩，称最大同步转矩。对之前我们算得的负载转矩Jt=3.0×10-3kg.m2进行惯量匹配。

根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T=系统传动惯量J×角加速度角”。加速度α影响系统的动态特性，α越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果α变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于电机选定后最大输出T值不变，如果希望α的变化小，则J应该尽量小。

传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

通常负载的惯量不要大于电机惯量的5倍，最大不要超过10倍。

对于功率P2nT60对旋转运动的物体来说，转矩和惯量的关系正如直线运动物体的受力和质量的关系。

二、打印速度的初步估计

每打一个，计划在Y轴方向移动10次，使宽度达到361mm对此，计算喷头走完1个幅面的时间T，计划彩印周期T秒，暂时忽略10次Y方向移动时间，有：

电机一转对应丝杆1转对应10个导程共4mm，360mm需要电机转90r，最高转速时，电机每秒转50r，对应时间为1.8s。则10个来回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间6s;走完一个幅面，需要大概24秒，加上其余误差时间，30秒就可以完成一个幅面，T=30s，基本实现1分钟打印两个幅面的要求[7]。

求电机匀加速需要时间。

电机300ms，表示静止加速到额定转速的时间，角加速度为：

5020.31047rads2

MMaMMaImIt

(3.1)

(3.2)

MS2 (3.3)

式中：

Ma——电机启动加速力矩；

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Im，It——电机自身惯量与负载惯量（kg·m3）；

Mf——导轨摩擦折算至电机的转矩（N·m）

μ——摩擦系数，取0.1；

η——传递机械效率，在此取0.15。

滚动螺旋传动的传动效率取0.95；滚动球轴承传动效率为0.99；齿轮的传动效率为0.93；总传动效率为：0.950.990.930.990.866 (3.4)

M0.160.00420.86614.4104 导轨磨擦折算至电机侧的转矩：

需要的输出力矩为:

TJM3.01050.33810410474.41043.18N•m （3.5）

出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81 ，满足要求。

三、步进电机和交流伺服电机性能比较

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

1.控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

2.低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

3.矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

4.过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺精品文档，知识共享！

服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

5.运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

6.速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素下，我选用了步进电机。桌面级别的3D打印机，一般用42步进电机就够了，电流可以1.5A都没什么问题，一般电流用1A就够用的了，具体的电机型号为SST43D2165 11520G。

查表选择11520G型步进电机，如图3.5、图3.6所示：

图3.5 步进电机

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图3.6 步进电机外形尺寸

3.3.2 联轴器的选择

联轴器属于机械通用零部件范畴，用来连接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的连接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器，齿式联轴器，梅花联轴器，滑块联轴器，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。

常用的精密联轴器有：弹性联轴器，膜片联轴器，波纹管联轴器，滑块联轴器，梅花联轴器，刚性联轴器。

其各自特点：

1.弹性联轴器

(1)一体成型的金属弹性体

(2)零回转间隙、可同步运转

(3)弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差

(4)高扭矩刚性和卓越的灵敏度

(5)顺时针和逆时针回转特性完全相同

(6)免维护、抗油和耐腐蚀性

(7)有铝合金和不锈钢材料供选择

(8)固定方式主要有顶丝和夹紧两种。

2.膜片联轴器

(1)高刚性、高转矩、低惯性

(2)采用环形或方形弹性不锈刚片变形

(3)大扭矩承载，高扭矩刚性和卓越的灵敏度

(4)零回转间隙、顺时针和逆时针回转特性相同

(5)免维护、超强抗油和耐腐蚀性

(6)双不锈钢膜片可补偿径向、角向、轴向偏差，单膜片则不能补偿径向偏差。

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3.波纹管联轴器

(1)无齿隙、扭向刚性、连接可靠、耐腐蚀性、耐高温

(2)免维护、超强抗油，波纹管形结构补偿径向、角向和轴向偏差，偏差存在的情况下也可保持等速作动

(3)顺时针和逆进针回转特性完全相同

(4)波纹管材质有磷青铜和不锈钢供选择

(5)可适合用于精度和稳定性要求较高的系统。

4.滑块联轴器

(1)无齿隙的连接，用于小扭矩的测量传动结构简单

(2)使用方便、容易安装、节省时间、尺寸范围广、转动惯量小，便于目测检查

(3)抗油腐蚀，可电气绝缘，可供不同材料的滑块弹性体选择

(4)轴套和中间件之间的滑动能容许大径向和角向偏差，中间件的特殊凸点设计产生支撑的作用，容许较大的角度偏差，不产生弯曲力矩，侃轴心负荷降至最低。

5.梅花联轴器

(1)紧凑型、无齿隙，提供三种不同硬度弹性体

(2)可吸收振动，补偿径向和角向偏差

(3)结构简单、方便维修、便于检查

(4)免维护、抗油及电气绝缘、工作温度20℃-60℃

(5)梅花弹性体有四瓣、六瓣、八瓣和十瓣

(6)固定方式有顶丝，夹紧，键槽固定。

6.刚性联轴器

(1)重量轻，超低惯性和高灵敏度

(2)免维护，超强抗油和耐腐蚀性

(3)无法容许偏心，使用时应让轴尽量外露

(4)主体材质可选铝合金/不锈钢

(5)固定方式有夹紧、顶丝固定。

联轴器其各自主要用途：

弹性联轴器：适用于旋转编码器、步进电机

膜片联轴器：适用于伺服电机、步进电机

波纹管联轴器：适用于伺服电机

滑块联轴器：适用于普通微型电机

梅花联轴器：适用于伺服电机、步进电机

刚性联轴器：适用于伺服电机、步进电机。

联轴器型号：

联轴器的型号由组别代号、品种代号、型式代号、规格代号组成。联轴器的组别代号、品种代号、型式代号，取其名称的第一汉语拼音字母代号，如有重复时，则取第二个字母，或名称中第二、三个字母的第一、第二汉语拼音字母，或选其名称中具有特点字的第一、第二汉语拼音字母，以在同一组别、品种、型式中相互之间不得重复为原则。联轴器的主参数为公称转矩Tn，单位为N·m。公称转矩系列顺序号，为联轴器规格代号。

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表3—1 联轴器型号分类表

类别

组别

名称

代号

品种

名称

凸缘式

套筒式

刚性联轴器

夹壳式

径向键式

平行轴式

滑块式

无

弹

性

元

件

挠

性

联

轴

器

代号

型式

名称

基本型

有对中榫型

基本型

立式

滚动轴承型

滑动轴承型

基本型

双面分体式

单面分体式

鼓形齿式

接中间轴式

接中间套式

垂直安装式

带制动轮式

带制动盘式

直齿式

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代号

规格

30/24

30/25

型号

名称

凸缘联轴器

有对中榫凸缘联轴器

套筒联轴器

夹壳联轴器

立式夹壳联轴器

径向键凸缘联轴器

滚动轴承平行轴联轴器

滑动轴承平行轴联轴器

滑块联轴器

鼓形齿联轴器

双面鼓形齿联轴器

单面鼓形齿联轴器

接中间轴鼓形齿联轴器

接中间套鼓形齿联轴器

垂直安装鼓形齿联轴器

带制动轮鼓形齿联轴器

带制动盘鼓形齿联轴器

直齿联轴器

新

GYD

GJN

GPG

GPH

WGS

WGD

WGJ

WGT

WGS

WGZ

WGP

旧

YKD

PLG

PLH

挠性联轴器

W G

滚子链

齿形链式

套筒链式

双排链

单排链

整体叉头型

部分轴承座型

整体轴承座型

小型

基本型

大倾角型

11~13

滚子链联轴器

单排链联轴器

齿形链联轴器

套筒链联轴器

整体叉头十字轴万向联轴器

部分轴承座十字轴万向联轴器

整体轴承座十字轴万向联轴器

十字轴万向联轴器

球笼万向联轴器

大倾角球笼万向联轴器

球叉万向联轴器

凸块万向联轴器

三球销万向联轴器

三销万向联轴器

铰杆万向联轴器

球铰万向联轴器

球铰柱塞万向联轴器

钢球联轴器

WZD

WSC

WSP

WSZ

WQD

SWC

十字轴式

P 14 SWP

SWZ

QWL

QWLZ

球笼式

球叉式

凸块式

三球销式

三销式

铰杆式

球铰式

球铰柱塞式

钢球式

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三叉杆式

球面滚子式

基本型

三叉杆万向联轴器

球面滚子联轴器

A型球面滚子联轴器

轮胎式联轴器

整体轮胎式联轴器

开口轮胎式联轴器

弹性套柱销联轴器

带制动轮弹性套柱销联轴器

弹性柱销联轴器

带制动轮弹性柱销联轴器

弹性柱销齿式联轴器

圆锥轴孔弹性柱销齿林联轴器

接中间轴弹性柱销齿式联轴器

带制动轮弹性柱销齿式联轴器

梅花形弹性联轴器

单法兰梅花弹性联轴器

双法兰梅花弹性联轴器

分体式制动WD

WJA

LUN

LYK

LTZ

LHZ

LZD

WJA

TLL

HLL

ZLD

A型

带骨架型

轮胎式

U 整体型

开口型

基本型

非

金

属

弹

性

元

件

挠

性

联

轴

器

弹性套柱销式

带制动轮型

基本型

弹性柱销式

带制动轮型

基本型

圆锥轴孔型

D 13

弹性柱销齿式

接中间轴型

带制动轮型

基本型

J 23 LZJ ZLZ

LZZ

LMD

LMS

LMZLL

MLZ

MLS

MLL-I

梅花形

单法兰型

双法兰型

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制动轮型

整体式制动轮型

凹型环式

弹性套筒式

弹性板式

多角式

基本型

芯型 N

双法兰型

基本型

H型弹性块

接中间轴型

带制动轮型

Ⅰ

轮梅花型弹性联轴器

13/19

整体式制动轮梅花型弹性联轴器

凹型环式联轴器

弹性套筒联轴器

弹性板联轴器

多角形弹性联轴器

芯型弹性联轴器

双法兰芯型弹性联轴器

橡胶金属环联轴器

H型弹性块联轴器

接中间轴H型弹性块联轴器

带制动轮H型弹性块联轴器

ZⅡ

A/B

LMZⅡ

LNS

LRJ

MLL-Ⅱ

NLS

HTLA

HTLE

弹性环

Z 7/9

LRZ

综上所述，选择弹性联轴器LS2-75-0304作为此3D打印机的传动装置最为合适。

弹性联轴器各技术参数：

LS2：系列号，材料为铝合金

75：外径尺寸：19.1mm，夹紧螺丝固定

03：D1轴径为：3mm

04：D2轴径为：4mm

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第四章 3D打印机主要部件受力分析

4.1 X方向运动光杆的受力分析

因为x方向运动有两根相同的光杆支撑，他们所受的力的大小方向都是一样的，所以在做受力分析的时候先把它作为一根来算。先取光杆随意一点C，就是喷头运动的位置作受力分析剪切力。同时求x1,x2位置的剪切力和弯矩。光杆受力的剪力图和弯矩图如下。现在根据实际尺寸，算出喷头在实际工作中光杆某点的剪力和弯矩。

图4.1 光杆的受力图

图4.2 剪力图

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图4.3 弯矩图

光杆长：266mm

令a=100mm,b=166mm

F=3N

确定约束力：

MA0，MB0

FAyFb1FByFa1 （4.1）

FAy30.1660.2661.87N

取X1=0.08,求出喷头力作用在X1点处时剪力和弯矩的大小

FBy30.10.2661.13N

Fsx1Fbl0x1aMx1Fbx1l0x1a (4.2)

Fsx130.1660.2661.87

0x1a1

取X2=0.12，求出喷头力作用在X2点处时剪力和弯矩的大小

Mx30.1660.080.2660.15N•M

0x1a

Fsx2Fal

ax2lMx2Falx2l

ax2l

（4.3）

Fsx230.10.2661.13N

ax2lMx230.10.2660.120.2660.16N•M

ax2l

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4.2 丝杠的受力计算

滚珠丝杠副已经标准化，因此只需选择合适的型号即可；滚珠丝杠的负荷包括打印材料的重力及摩擦引起的阻力。

经查表和前述计算可以的出如下参数：

查表得，使用寿命 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，且已经知道Z轴下降的最大的下降速度是Vmax0.048 mmin

所以丝杠转速

取丝杠转速n1000vmaxt10000.048412rmin

n12rmin6L6012150001010.8转所以额定动载荷：

设计其精度为3级，可靠性为90%

`CfwF(60nLn)/100fafc （4.4) 则由am13其中可查出精度系数fa1，可靠性系数fc1，荷性质系数fw1.2，且已知Lh15000

F1527N

n12rmin

上述数据代入公式后，可得：

`C1.21572(601215000)/1000114169.7Nam

查表（机械设计手册），取滚珠丝杠的直径d0=6mm，选用滚珠丝杠螺母副型号为3206-3，其额定负荷为6766N，足够用。

4.3 导轨的选型及计算

导轨刚度检验：

滚珠丝杠受工作负荷P引起的导程L0的变化量

L其中：FNLEA (4.5)

FN1574L0.4cm，

2262E20.610N/cm ，AR8.04cm

所以：

导轨因受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略

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LFNL15740.43.8106cm6EA20.6108.08

所以导程总误差：

查表知6级精度的丝杠允许误差13μm，（中国机械设计手册卷4）故刚度足够。所选丝杠符合要求。

aa6361.2x20.72m2.5

4.4 丝杠和螺母自锁校核计算

螺纹升角arctanLd2 (4.6)

arctanfcos2其中 L——导程；d2——螺纹中径（一般而言，d2d-0.5p）；

螺纹摩擦角 (4.7)

其中 f——静摩擦系数；

α——螺纹牙型角；

若

，则传动螺纹具有自锁特性。

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第五章 Solidworks设计3D打印机

5.1 草图设计

5.1.1草图的基本知识

一、草图绘制基准面

草图是由点、直线、圆弧等基本几何元素构成的封闭或者不封闭的几何形状，草图又分为平面草图和3D草图。在Solidworks中，草图大多数情况下都是用于生成三维实体特征的，一个相同的草图可以采用不同类型特征所生成实体。草图与特征紧密相关，草图离开了特征就无法生成三维实体，特征离开了草图就失去了操作对象。所以，在某种程度上可以说灵活掌握草图绘制技巧是全面掌握三维设计的基础。

绘制草图主要包括绘制图形、添加几何约束和尺寸标注等3个步骤，对于平面草图而言，选择草图绘制基准面是首先要解决的问题。

SolidWorks系统默认提供3个基准面如图5.1，分别是前视基准面、上视基准面和右视基准面。一般情况下，可以根据设计意图选择系统的三个默认基准面之一作为草图绘制基准面。

图5.1 草图基准面

通过选择下拉菜单【文件】/【新建】/【零件】命令进入系统，鼠标左键单击屏幕左上角的“草图”图标，可进入草图绘制环境。然后，鼠标右键单击要选择的默认基准面，在弹出菜单中左键单击“草图绘制”按钮，被选择的默认基准面会自动旋转到与屏幕平行的位置（这种情况只在零件绘制第一个草图时发生）。

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选择草图绘制基准面工作完成后，会在屏幕右上角出现草图指示器，显示【确定】和【取消】2个按钮。单击【确定】按钮确定当前的草图操作，单击【取消】按钮将撤消当前的草图操作。

二、草图反馈

SolidWorks提供了一种实时反馈功能，这种系统反馈的作用是提示当前的操作和自动几何关系，并贯穿于草图绘制、建立模型和工程图等操作中，有效地提高了操作中的可视性。

草图有很多类型的反馈特征，通过改变光标的形状，显示出当前绘制的几何实体的种类，同时还可以表明对现有实体的捕捉情况，如捕捉到端点、中点或与所选择实体重合等类型。

（1）草图状态反馈

在使用绘图命令时，系统的反馈光标提示的是目前绘制的内容是什么。其特点是鼠标的形状是一只“笔”的形状，在笔的左下角提示当前绘图的基本形状。这些反馈分别（2）编辑状态反馈

对草图元素的延伸、裁剪等操作的反馈。其特点是鼠标指针的右下角提示当前的编辑状态如：标注尺寸、延伸、裁剪到最近端等。

（3）状态和捕捉反馈

在绘图过程中到水平或垂直位置上时，光标中会出现一些附加符号，例如水平、垂直、这说明绘制的实体处于水平或垂直状态，绘制一条水平线，系统将自动添加“水平”几何关系。

在绘图过程中，系统会自动捕捉草图中或其他特征的几何元素，并为所绘制的实体自动添加相应的约束关系，如图3-8所示，在鼠标向下移动时，系统会自动捕捉到：端点、直线中点等。

（4）数值反馈

在绘制这些基本形状时，在光标的右上角有一个变化的数值，提示当前操作的主要参数，在笔的右上端显示的是直线的长度和角度。

三、草图状态

Solidworks草绘有3种状态，分别定义为欠定义、完全定义和过定义状态，其在属性管理器设计树中显示的符号是不同的，草图状态由草图中几何体与定义的尺寸之间的几何关系来决定。

（1）欠定义

这是草图的不确定的定义状态，需要用尺寸和约束来确定几何关系。在这种情况下，可以随时为草图添加其他定义来改变草绘。一个未定义的草图几何体的颜色是蓝色的，在设计树中的草图名称前用“（－）”来表示。

（2）完全定义

说明当前绘制的实体是：直线、圆、矩形、样条曲线。

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草图具有完整信息，所有几何体的位置都用尺寸或约束完全地描述出来。完全定义的草图几何元素是黑色的。在设计树中的草图名称前面无符号标识。一般情况下，草图都应该是完全定义的。

（3）过定义

草图中有重复的尺寸或互相冲突的约束关系，直到修改后才能够使用，应该删除多余的尺寸和约束。过定义草图其几何体是红色的。在设计树中的草图名称前通过“（＋）”来表示。

5.1.2 草图绘制简介

一、草图绘制工具

Solidworks提供了丰富的绘图工具，其中基本工具包括绘制直线、边角矩形、多边形、圆、圆弧、椭圆、抛物线、样条曲线、点和文字等，辅助工具包括圆角、倒角、镜向、等距实体、剪裁、延伸、线性草图排列和复制、圆周草图排列和复制、转化实体引用等。下面简单介绍几种常用的绘图工具。

（1）直线

单击工具栏中【直线】按钮，可用2种方法绘制直线。

a.单击/单击方式

b.单击/拖动方式

另外，有一种技巧可方便的用直线绘制工具来绘制与直线相连的圆弧。方法是绘制一条直线后，在直线的终点按下鼠标左键（不松开）移动光标远离直线终点，然后移动光标返回至直线的终点，并再次移动光标远离直线终点，这时在绘图区域中会显示出将要绘制的圆弧预览，鼠标旁的文字提示为圆弧半径及圆弧角。值得注意的是，光标的不同移动方位可以绘制出不同转向的圆弧。

（2）圆

（3）矩形

（4）圆角、倒角

绘制圆角和倒角主要用于对线段之间添加圆角或倒角，通过单击草图工具栏中的【绘制圆角】或【绘制倒角】按钮，或选择下拉菜单【工具】/【草图工具】/【圆角】（或【倒角】）命令，系统会自动弹出其属性管理器。

“圆角”管理器中的设置项目有：半径、保持拐角处约束条件。

完成“绘制圆角”属性管理器设置后，鼠标左键在绘图区中点击要添加圆角的2条直线或2条直线的交点，单击【确定】按钮，便可以为草图添加圆角。

在“绘制倒角”属性管理器，选中“角度距离”单选项，并分别在“距离”和“角度”栏中输入距离和角度值。然后，鼠标左键在绘图区中点击要添加倒角的2条直线或2条直线的交点，单击【确定】按钮，便可以为草图添加倒角。

“绘制倒角”属性管理器中的“距离-距离”选项，要求分别输入距直线交点的距离值。

（5）剪裁和延伸

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剪裁实体和延伸实体工具侧重点有所不同，剪裁实体是将草图中多余的草图实体剪掉，而延伸实体是将草图实体延长。

通过单击草图工具栏中的【剪裁实体】按钮，弹出“剪裁”属性管理器，分别有5种选项，它们是强劲剪裁、边角、在内剪除、在外剪除、剪裁到最近端。

延伸实体工具可将草图实体直线、中心线或圆弧等延长到指定的元素。

（6）镜向

镜向实体工具用来将草图的一部分按对称性复制到另一侧，镜向直线的端点、圆弧的圆心之间有一一对应关系，如果更改被镜向的实体，则其镜向图像也会随之更改，镜向实体工具特别适合用于绘制具有对称性的草图。

“镜向”管理器中的设置项目有：要镜向的实体、镜向点、复制。

（7）草图阵列

草图阵列的功能是对草图中的局部结构进行复制，并将这些复制的结构按一定的排列方式进行布置，草图阵列又分为线性草图阵列和圆周草图阵列。

利用线性草图阵列工具是把草图中的复制结构按线性排列方式进行布置，通过单击草图工具栏中的【线性草图阵列】按钮，或选择下拉菜单【工具】/【草图工具】/【线性阵列】命令，系统会自动弹出“线性阵列”属性管理器。

“线性阵列”管理器中的设置项目有：阵列方向、间距、数量、要阵列的实体。

圆周草图阵列是将草图中的复制结构按圆周排列方式进行布置。

通过单击草图工具栏中的【线性草图阵列】/【圆周草图阵列】按钮，系统会弹出“圆周草图阵列”管理器。

“中心X”和“中心Y”文本框中需要输入圆周阵列的圆心坐标值，“数量”文本框中需要输入要阵列的实例数，激活“要阵列的实体”选项，在绘图区中用鼠标选中要复制的局部特征。

（8）等距实体

等距实体工具是按特定的距离等距诸如样条曲线或圆弧、模型边线组、环等等之类的草图实体。

通过在打开的草图中选择一个或多个草图实体，单击草图绘制工具栏中的【等距实体】按钮，或选择下拉菜单【工具】/【草图绘制工具】/【等距实体】命令，可以进行等距实体操作。

（9）转换实体引用

利用转换实体引用工具可以将三维实体的端面投影到绘图基准面上，在基准面上形成端面几何图形的投影草图，这是一种方便快捷的草图绘制方法，在创建三维实体模型时常常用到。

二、草图几何关系

草图几何关系亦称几何关系主要用来限制和约束草图元素的行为。一些几何关系是系统自动添加的，别一些则要在需要时手动添加的。

（1）自动草图几何关系

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自动添加几何关系是指在绘图过程中，系统会根据几何元素的相对位置，自动赋予几何意义，不需要另行添加几何关系。

当系统处于自动添加几何关系状态时，可将绘图时光标提示的几何关系自动添加给所绘图几何元素。

（2）添加草图几何关系

对于那些无法自动添加的几何关系，可以使用通过手动方式来添加几何关系。

通过单击草图工具栏中【显示∕删除几何关系】按钮展开其下拉菜单，并单击【添加几何关系】按钮，打开“添加几何关系”属性管理器，然后选择需要添加几何关系的草图实体，进行几何关系设定。也可以通过按住Ctrl键，鼠标左键选择需要添加几何关系的草图实体，在属性管理器中选择相应的几何关系进行添加。

（3）显示∕删除几何关系

通过单击所需显示几何关系的几何元素，可以在其属性管理器中显示“现有几何关系”。如果需要删除其几何关系，鼠标右击“现有几何关系”列表中的相应几何关系，选择快捷菜单中的【删除】命令，即可删除。

三、草图尺寸标注

四、 SolidWorks的尺寸标注是动态预览的，因此当选定了要标注尺寸的元素时，尺寸会依据放置位置不同来确定尺寸标注类型。标注尺寸时，可以在属性管理器中修改尺寸的公差形式、公差值、尺寸箭头形式以及尺寸文本。

通过选择下拉菜单【工具】/【标注尺寸】命令，可以选择标注尺寸工具。

SolidWorks是一个尺寸驱动的三维设计软件，草图实体的大小最终由标注的尺寸值来决定。例如绘制了一个圆，在没有标注尺寸前该圆的大小并没有完全确定，但当给圆标注了尺寸值以后，系统根据标注尺寸的数值决定圆的真实大小。

SolidWorks的尺寸包括两大类，即驱动尺寸和从动尺寸。

驱动尺寸是指能够改变几何体形状或大小的尺寸，改变尺寸的数值将引来几何体的变化。

从动尺寸是指尺寸的数值是有几何体来确定的，它不能用来改变几何体的大小，只能显示几何体的大小。

在SolidWorks系统中，一般采用“智能尺寸”方式来标注草图尺寸。

（1）线性尺寸标注

线性尺寸一般分为水平尺寸和垂直尺寸，可用来标注线段长度或2端点间的距离。

单击鼠标左键将尺寸放置在合适位置后，系统会自动弹出“修改”对话框显示当前尺寸值。可以用鼠标中键来增大或减小尺寸值，也可以直接输入新的尺寸值，单击【确定】按钮，完成线性尺寸的标注。

利用中心线标注尺寸主要用于“旋转”特征建模，见“3.3旋转特征”。

（2）角度尺寸标注

在“智能尺寸”标注状态下，鼠标左键选择2条不平行或不垂直直线，或者选择3个不共线直线的点就可以进行角度尺寸标注。

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通过移动光标，可以标注所选草图元素间的内部或外部角度尺寸、锐角或钝角。

（3）圆弧尺寸标注

圆弧尺寸标注分为标注圆弧半径、标注圆弧的弧长和标注圆弧对应弦长的线性尺寸。

a.圆弧半径标注

鼠标左键单击要标注的圆弧，移动光标拖出半径尺寸后，在合适位置放置尺寸，并在弹出的“修改”对话框中输入尺寸数值，单击【确定】按钮。

b.圆弧弧长标注

鼠标左键分别单击圆弧的2个端点，再单击圆弧，移动光标拖出的尺寸即为圆弧弧长，在“修改”对话框中输入尺寸数值，单击【确定】按钮。

c.圆弧弦长标注

鼠标左键分别单击圆弧的2个端点，并在“修改”对话框中输入尺寸数值，单击【确定】按钮。

（4）尺寸编辑

在草图设计的过程中，常常需要对尺寸进行编辑。

a.修改尺寸数值

在草图绘制状态下，移动鼠标至需修改数值的尺寸附近，当尺寸被以高亮显示时双击鼠标，在弹出“修改”对话框的输入栏中输入尺寸数值，单击【确定】按钮，可完成尺寸的修改。

b.修改尺寸属性

所谓尺寸的属性是指包含尺寸数值在内的尺寸的特征，如尺寸的箭头类型、公差、显示精度、尺寸的前缀和后缀文字信息等。

SolidWorks2008取消了尺寸属性对话框，将尺寸的属性整合到了属性管理器中，使得属性修改更加快捷。

c.删除尺寸

如果需要删除某些已经标注的尺寸，则只需鼠标左键单击要删除的尺寸，然后按Delete键即可。

Delete键是SolidWorks常用的按键之一。需要删除操作时，选择需要删除的内容按“Delete”键，即可删除被选择的内容。

5.2 零件建模特征

5.2.1 零件模板定制

在SolidWorks中，通过设置相关的选项可以定制出符合不同企业要求的零件模板，将定制好的零件模板保存为模板文件，在以后的设计工作中就可以很方便的使用已有的模板文件进行统一格式的零件建模。

定制零件模板的操作步骤如下：

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（1）单击【新建】按钮，弹弹出的对话框，在对话框中选择“高级”按钮。在“模板”选项卡下选择“零件”，单击“确定”按钮，创建新的零件模板。

（2）选择下拉菜单【工具】/【选项】命令，切换到“文件属性”选项卡。在这里可以根据需要详细设置尺寸标注方式、零件序号排列方式、箭头样式、字体、单位、材料属性、颜色等选项。设置完毕后，点击【确定】按钮。

（3）选择下拉菜单【文件】/【另存为】命令，保存类型选择“Part Templates (*.prtdot)”，文件名称为“我的零件模板”，保存并关闭当前文档。

再次新建文件时，我们保存的“我的零件模板”出现在“模板”选项卡中。选用它创建零件将继承它的文件属性。因此使用模板就可以避免每次重复输入文件属性及自定义变量。

5.2.2 零件建模的基本规则

一般说来，同一个零件模型可以有若干不同的建模方法。一个好的建模方法应当充分考虑高效、精确和视角佳3方面因素。模型良好的视角有助于在工程图中较好的表达其结构特点，装配图中也能较好的反映其装配关系。

在零件设计的过程中，需要遵循以下几点规则：

一、确定最佳观察视角

通过对零件形体结构进行深入分析，确定了零件的放置方位及主视方向后，才能确定最佳观察视角。最佳观察视角的确定主要应从以下几个方面综合考虑：

（1）零件放置方位应使主要面与基准面平行，主要轴线与基准面垂直。

（2）所选方向应尽可能多地反映零件的特征形状。

（3）较好的反映各结构形体之间的位置关系。

（4）有利于减少工程视图中的虚线，并方便布置视图等。

二、合理选择零件最佳轮廓

这里所讲的零件最佳轮廓是指建立零件第一个特征应选择的草图。设计人员的设计意图直接决定了零件最佳轮廓。只有通过深入分析零件的结构特点，加之设计者丰富的机械方面的知识及经验，才能制定良好设计意图。

一般而言，可以把分析重点放在找出零件的主体结构方面，最能反映零件主体结构的草图往往可作为零件最佳轮廓。

三、合理选择第一参考基准面

SolidWorks提供了3个默认的参考基准面，即前视基准面、上视基准面和右视基准面，草图设计应从哪一个基准面开始，这是需要认真考虑的。

四、合理分解零件结构

在建立模型之前，必须要对零件结构进行合理分解，以便有效使用各种建模特征，这一点要求设计人员具有良好的机械制图、机械设计和机械制造等诸多方面的相关知识才能完成。

五、合理使用特征

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SolidWorks的零件建模特征较多，基础特征主要有拉伸、旋转、切除、扫描及放样等，附加特征主要有圆角、倒角及加筋等，参考特征主要有基准面、基准轴和坐标系等。但总体上讲，特征效果无非是“增料”和“减料”两大类。

特征使用在很大程度上会影响零件后期的修改方法和修改的便利性，合理的特征建模应当充分考虑零件的加工方法和结构特点。

5.2.3 拉伸凸台/基体

“拉伸”就是把一个草图沿垂直方向伸长，伸长的方向可以是单向或双向的。某种程度上，拉伸也可以看作是无路径和引导线的特殊形式的“扫描”，拉伸特征主要分为拉伸凸台/基体特征、拉伸薄壁特征和拉伸切除特征3种类型。

在零件建模过程中，若通过拉伸特征给零件“增料”，此时可称为拉伸凸台，如果伸特征零件建模的第一个特征，此时可称为拉伸基体。

拉伸凸台/基体的操作方法：

（1）选择下拉菜单【插入】/【凸台/基体】/【拉伸】命令。

（2）在特征工具栏中单击【拉伸凸台/基体】按钮。

建立拉伸特征的主要条件：

（1）必须有一个草绘作为操作对象。

（2）必须对拉伸属性进行相关的设置。

另外，拉伸凸台/基体操作要求草图必须是封闭的。如图5.2所示

图5.2 拉伸草图

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5.2.4 拉伸薄壁

薄壁特征不要求草绘是封闭的，可以是非封闭的。当绘制的草图是一个非封闭轮廓时，薄壁特征标签就会出现在拉伸特征对话框中。当绘制草图是一个封闭的轮廓时，则需要在拉伸选项框中选择薄壁特征，如图5.3所示。

（1）非封闭草图生成薄壁特征

在“前视基准面”绘制的草图后，在特征工具栏中单击【拉伸凸台/基体】按钮，由于草图不封闭，系统会自动生成薄壁特征。在弹出的“拉伸”属性管理器中设置“终止条件”选项为“给定深度”，并设置拉伸“深度”为10；在“薄壁特征”选项框中设置薄壁拉伸方向为单向，薄壁厚度为2mm, 勾选“自动加圆角”复选框，设置圆角半径为2mm, 单击【确定】按钮。

（2）封闭草图生成薄壁特征

在“上视基准面”绘制的草图，单击特征工具栏中【拉伸凸台/基体】按钮，由于草图是封闭的，因此自动拉伸为实体。要生成薄壁特征，需要在“拉伸”属性管理器中选中“薄壁特征”复选框。

图5.3 拉伸薄壁

5.2.5 拔模拉伸

“拉伸凸台/基体”工具提供了拔模角度属性，可以直接对拉伸的实体进行拔模处理。

如图5.4所示

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图5.4 拉伸凸台

5.2.6 拉伸切除

“拉伸切除”工具与“拉伸凸台/基体”工具操作非常相似，但拉伸凸台/基体属于“增料”特征，而拉伸切除则是“减料”特征，两者都需要基于草图才能完成操作。

拉伸切除的操作方法：

（1）选择下拉菜单【插入】/【切除】/【拉伸】命令。

（2）在特征工具栏中单击【拉伸切除】按钮。

圆台上表面为草图绘制基准面，绘制同心ф15的圆，退出草图状态后，单击特征工具栏中的【拉伸切除】按钮，将“拉伸切除”属性管理器中的“终止条件”选项设置为“完全贯穿”。

5.2.7 组合

“组合”操作可以对多个重叠实体求交集，这在一些复杂零件建模时常会用到。

5.2.8 旋转凸台/基体

“旋转”特征是使草图绕中心线旋转生成实体的，旋转有旋转基体／凸台、旋转切除和旋转曲面等3类特征。

旋转凸台/基体的操作方法：

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(1)选择下拉菜单【插入】/【凸台/基体】/【旋转】命令。

(2)在特征工具栏中单击【旋转凸台/基体】按钮。

建立旋转特征的主要条件：

(1)要旋转的草绘中，必须含有一条旋转轴。

(2)需要旋转的草图截面只能绘制在中心线的一侧。

(3)旋转的草绘必须封闭。

在SolidWorks2012中，不再强制要求草图必须有中心线，草图的任意一条线段都可以充当旋转轴。

5.2.9 旋转切除

“旋转切除”特征与“旋转凸台/基体”特征所不同的是通过对草图轮廓的旋转来切除材料，属于“减料”特征。

旋转切除的操作方法：

(1)选择下拉菜单【插入】/【切除】︱【旋转】命令。

(2)在特征工具栏中单击【旋转切除】按钮。

5.2.10 圆角和倒角

一、圆角

“圆角”和“倒角”都属于辅助特征，主要对已生成实体进行细节性的辅助操作。圆角的分类主要有混合面圆角、等半径圆角、变半径圆角等。

现以指针式控制器的设计为例，说明各种圆角特征的使用方法。

（1）创建零件基体

新建一个零件文件，在“前视基准面”上绘制草图，并进行“拉伸凸台/基体”操作，“终止条件”选项框中选择“给定深度”。

（2）创建指针

在右视基准面上绘制草图，“拉伸凸台/基体”操作的“终止条件”选择“给定深度”。

（3）创建等半径圆角

单击工具栏中的【圆角】按钮，设置“圆角”属性管理器，在“圆角类型”中选择“等半径”圆角，设置半径值为0.5mm, 并用鼠标左键在绘图区选中要加圆角的棱线。单击【确定】按钮，完成等半径圆角的创建。

（4）创建多半径圆角

单击工具栏中的【圆角】按钮，设置“圆角”属性管理器，在“圆角类型”中选择“等半径”，在“圆角项目”中勾选“多半径圆角”复选框。

激活（边线、面、特征和环）选项框后，在绘图区单击选中要加圆角的棱线，此时会在选择的实体边线上出现2个参数文本框，可以直接在图形区域中单击文本框进行半径值的修改，分别设置边线半径值。

（5）创建面圆角

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单击工具栏中的【圆角】按钮后，在“圆角”属性管理器的“圆角类型”里选中“面圆角”，设置半径值，并在绘图区中单击选择要加面圆角的2个面。

也可以使用控制线来定义面圆角的半径，所选控制线必须为实体的一条边线，“圆角”属性管理器的“包络控制线”可选择“边线”。

（6）创建变半径圆角

激活的“圆角”属性管理器中，选择“变半径”单选钮。这时系统只允许选择实体的边线，在绘图区单击边线（由两段圆弧和两条线段组成），被选择的边线以亮红色显示，并以边线的两端点作为半径值的两个初始控制点。

移动鼠标选择一个红色控制点，系统将增加一个半径文本框，同时在文本框中增加百分数项目，表示此点的位置。

通过单击文本框中的“未指定”字样，可设置半径数值。

二、倒角

倒角是指在所选的边线或顶点上生成一个倾斜的平面的操作。在机械加工中，为了减少锐边及角的不安全性，经常需要进行倒角处理。倒角的分类有角度-距离、距离-距离、顶点倒角3种类型。

“角度-距离”倒角需要在绘图区中单击选中加倒角的棱线，并在“倒角”属性管理器中设置“角度”和“距离”值；“距离-距离”倒角也需要在绘图区中单击选中加倒角的棱线，可在弹出的半径文本框中修改值；“顶点”倒角要使用顶点和三个方向的距离值来设置顶点处的倒角。

如果选中“倒角”属性管理器的“通过面选择”复选框，可以在绘图区中单击选中被面隐藏的边线。另外，“保持特征”复选框被选中后，可以保留倒角处的特征（如拉伸、切除等），否则这些特征将被移除。如图5.5所示

图5.5 生成倒角

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5.2.11 阵列

一、线性阵列

所谓“阵列”是将零件的“特征”或“实体”按要求的定位重复的生成，运用阵列特征可以方便、快捷、精确地创建零件的重复结构，阵列特征类型主要有线性阵列、圆周阵列、草图驱动的阵列和镜向等。

线性阵列用于沿一条或两条直线路径进行特征或实体的复制，使源特征产生多个副本。

线性阵列的操作方法：

（1）选择下拉菜单【插入】/【阵列/镜向】/【线性阵列】命令。

（2）在特征工具栏中单击【线性阵列】按钮。

二、圆周整列

“圆周阵列”是将源特征以周向排列方式进行复制，使源特征产生多个副本。

“圆周阵列”属性管理器的“参数”项有“阵列轴”、“总角度”和“实例数”，圆周阵列的总角度是360°，实例数为5，可通过在绘图区中鼠标点击法兰圆柱面来选中阵列轴，然后勾选“等间隔”复选框，单击【确定】按钮便可完成法兰的圆周阵列操作。

如果零件中没有可供圆周阵列的轴，可利用工具栏中的【参考几何体】/【基准轴】来建立阵列轴，或选择下拉菜单【视图】/【临时轴】在实体中显示临时轴。

另外，可通过对阵列的编辑来删除其中的一个元素，在设计树中双击阵列，然后在绘图区中点击选中要删除的元素，再按下DEL键弹出对话框，注意对话框中的“删除阵列实例”表明第4个实例被删除。

三、草图驱动的整列

“草图驱动的阵列”是将源特征复制到由草图指定的位置，一般情况是以草绘点的形式表示来指定阵列位置。

当在基座上创建孔和草图后，单击工具栏中的【草图驱动的阵列】按钮，在“草图驱动的阵列”属性管理器中选择由4个草绘点所组成的草图，“要阵列的特征”选择圆孔。

四、镜像

“镜像”是将源特征相对一个平面（这个平面称为镜像基准面）进行复制，在某种程度上可以看作是只有一个方向和2个实例数的特殊线性阵列，镜像特征非常便于具有对称结构零件的建模。

创建基准面是“镜像”的关键，经验丰富的设计人员往往建模初期就会考虑镜像基准面的问题，否则需要在镜像时临时创建镜像基准面。

在工具栏中单击【参考几何体】/【基准面】按钮，选择“基准面”属性管理的“点和平行面”。然后在绘图区中鼠标左键选中键的棱边中点，并在设计树中选中“右视基准面”。单击【确定】按钮，这样就创建一个过键棱边中点，并平行与“右视基准面”的镜像基准面。

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单击工具栏中的【镜像】按钮，并设置“镜像”属性管理器。在设计树中鼠标选中“镜像面/基准面”为上面所创建的镜像基准面，选择孔作为“要镜像的特征”，单击【确定】按钮。

5.2.12 扫描

一、简单扫描

“扫描”是通过沿着一条路径移动轮廓来生成基体、凸台、切除或曲面。简单的说，就是沿着一条路径增加或削减实体。

扫描的操作方法：

（1）选择下拉菜单【插入】/【凸台/基体】/【扫描】命令。

（2）在特征工具栏中单击【扫描】按钮。

扫描有简单扫描和使用引导线扫描2种类型，简单扫描的关键是扫描路径和扫描轮廓建立。

扫描路径一般是开环或闭环的线元素，对于基体或凸台扫描特征的轮廓必须是闭环的，但对于曲面扫描特征则轮廓可以是闭环的也可以是开环的，路径和轮廓不得在同一草图，路径的起点必须位于轮廓的基准面上。另外，要注意扫描轮廓的截面尺寸不能过大，否则可能导致扫描特征的交叉情况。

二、使用引导线扫描

如果在简单扫描中再绘制一个草图，用于控制扫描过程中轮廓形变，则后一个草图称为引导线，这时的扫描就称为使用引导线扫描。

值得注意的是，引导线与路径不得属于同一草图，引导线的起点必须在轮廓上，引导线可以不止一条。

使用引导线扫描的步骤：

1.创建扫描路径；2.创建扫描引导线；3.创建扫描轮廓；4.扫描特征。

5.2.13 放样

“放样”特征将一组形状不同的平面草图沿其边线用过渡曲面连接形成一个连续的实体，放样特征可以有2个或多个草图截面，但仅第一个或最后一个轮廓可以是点，也可以这两个轮廓均为点，利用放样特征可以建立凸台，基体或切除。

放样特征类型有简单放样、空间轮廓放样、分割线放样、平面轮廓引导线放样、空间轮廓引导线放样和中心线放样。

下面说明使用放样的操作步骤：

一、创建草图截面

1.第1个草图截面

在上视基准面建立草图，单击图形区域右上角的单击【确定】按钮，完成第1个草图截面。

2.第2个草图截面

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单击特征工具栏中的【参考几何体】/【基准面】按钮，显示“基准面”属性管理器。然后鼠标左键选中设计树中的前视基准面，选择“两面夹角”选项，输入0°。再选中“等距距离”选项，输入40mm，单击【确定】按钮，完成“基准面1”的创建。选择基准面1为草图绘制基准面，并绘制草图。如图5.6所示

图5.6 草图截面

二、放样特征

单击特征工具栏中的【放样凸台/基体】按钮，显示“放样”属性管理器，激活“轮廓”选项框，在绘图区中鼠标左键选中绘制的两个草图。激活“起始/结束约束”选项框，并设置“开始约束”和“结束约束”均为“垂直于轮廓”。单击鼠标右键“显示所有接头”，调整接头到合适的位置。单击【确定】按钮，完成放样特征的创建。

5.2.14 抽壳与筋

一、抽壳

“抽壳”特征是通过移除所选面的材料，形成一个有一定壁厚的内部空腔实体，该空腔可以是封闭的，也可以是开放的。在使用该命令时，要注意各特征的创建次序，如果想在零件上添加圆角，应当在抽壳之前对零件进行圆角处理。

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抽壳特征类型主要等壁厚抽壳和多壁厚抽壳。

（1）等壁厚抽壳

a.创建抽壳基体

以上视基准面为草图绘制基准面，绘制草图，并进行拉伸特征，设置拉伸的深度。

b.抽壳特征

单击特征工具栏中的【抽壳】按钮，显示“抽壳”属性管理器，设置抽壳的厚度为8mm，单击“移除的面”选项框。然后在图形区域中选择抽壳基体顶面。单击【确定】按钮，抽壳特征。

（2）多壁厚抽壳

在上面的抽壳基体上创建多壁厚抽壳。在特征管理器设计树中鼠标右键单击“抽壳1”，选择“编辑特征”，显示“抽壳”属性管理器。抽壳的厚度仍然设置为8mm，要移除的面仍然为基体的顶面，激活“多厚度设定”选项框。然后在图形区域中选择基体的侧面为“多厚度面”，并设置多厚度。单击【确定】按钮，完成多壁厚抽壳。

二、筋

在许多机械零件中，常常利用筋来增加零件的强度。筋特征的创建与拉伸特征基本相似，所不同的是筋特征的草图可以只是一条直线。筋特征类型主要有等壁厚抽壳和多壁厚抽壳。

（1）创建筋基体

以前视基准面为草图绘制基准面，绘制草图，并进行拉伸特征，设置拉伸的终止条件为“两侧对称”。

（2）筋特征

首先在前视基准面上绘制一条作为筋特征草图的线段，要注意线段的上端点可以不与基体侧面边线重合，但是它的延长线必须交于基体的边线。

单击特征工具栏中的【筋】按钮，显示“筋”属性管理器，指定厚度类型为“两侧”，拉伸方向为“平行于草图”，设置“筋厚度”，单击【确定】按钮，完成筋特征。

合理设置“筋”属性管理器中的选项是创建筋特征的关键。

激活“筋”属性管理器中的“所选轮廓”选项，并选中草图中的一条线段来创建筋特征，设置“拉伸方向”分别为“平行于草图”和“垂直于草图”。

如果“所选轮廓”选项分别设置为整个“井”草图和“井”草图中央局部范围，“拉伸方向”为“垂直于草图”。

5.2.15 拔模

“拔模”特征可以将选择的实体面斜削一定角度，也就是将垂直的面斜削为具有坡度的面。它在机械加工中的应用是为了使型腔零件更容易脱出模具。拔模特征类型主要有中性面拔模、分型线拔模和阶梯拔模。

5.2.16 异型孔向导

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异型孔向导工具有助快速的创建各种类型的孔特征，“孔类型”属性管理器中提供了6种孔类型：（柱孔）、（锥孔）、（孔）、（螺纹孔）、（管螺纹孔）、（旧制孔）。

1.设置孔类型

建立实体模型后，单击特征工具栏中【异型孔导向】按钮，设置孔类型为“柱孔”，GB标准的六角螺栓为M15。

2.设置孔位置

激活孔“位置”管理器，鼠标左键点击创建沉孔的端面，并标尺寸，单击【确定】按钮，完成沉孔的创建工作。

5.2.17 系列零件设计

手动建立配置

手动建立配置可以根据需要来修改模型以生成不同的结构变化，可以通过编辑零件尺寸或压缩零件特征方式进行手动配置。

5.2.18 系列零件设计表

如果系列零件的数量较多，如建立标准件库，可以利用Microsoft Excel工作表来生成系列零件设计表，对配置进行驱动，自动生成配置。要使用系列零件设计表，计算机上必须安装Microsoft Excel软件。

一、尺寸命名

右击特征管理器设计树中的“注解”图标，选择“显示特征尺寸”。

二、建立系列零件设计表

选择下拉菜单【插入】/【系列零件设计表】命令，弹出“系列零件设计表”属性管理器，各选项的含义如下：

（1）“源”设置

空白：选择该单选钮，则插入可填入参数的空白系列零件设计表。

自动生成：选择该单选钮，则自动生成新的系列零件设计表。

来自文件：选择该单选钮，则“浏览”按钮和“链接到文件”复选框被激活。单击“浏览”按钮可以找出已绘制好的表格。

（2）“编辑控制”设置

允许模型编辑以更新系列零件设计表：选择该单选钮，如果更改模型，则所做的更改将在系列零件设计表中更新。

阻止更新系列零件设计表的模型编辑：选择该单选钮，如果更改系列零件设计表，则不允许更新模型。

（3）“选项”设置

新参数：勾选该复选框，如果为模型添加新参数，则将为系列零件设计表添加新的行和列。

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新配置：勾选该复选框，如果为模型添加新配置，则将为系列零件设计表添加新的行和列。

更新系列零件设计表时警告：勾选该复选框，警告用户若更改模型中的参数，则系列零件设计表中也将会发生相应的改变。

三、生成系列零件配置

系列零件设计表图标出现在配置管理器设计树中，如果要编辑系列零件设计表，则右击系列零件设计表，然后在快捷菜单中选择“编辑表格”命令，工作表会重新出现在窗口中，编辑完毕以后在表格外的空白处单击将关闭系列零件设计表。

四、查看系列零件配置

单击窗口顶部的配置管理器按钮，进入配置管理状态，依次激活各配置，观察模型的变化。

5.2.19 特征库

一、生成库特征

特征库是将常用的特征或特征组合保存在库中以便以后使用，这样可以节省时间，而且有助于保证模型统一性，SolidWorks中大多数类型的特征都可作为特征使用。

二、添加库特征

通过下列步骤可以将库特征从设计库拖动到零件上，以便在零件模型上生成特征。

（1）添加库特征

通过浏览找出要添加的库特征，鼠标左键选定零件要添加特征的面，然后将库特征拖动到该面上，并鼠标右键单击刚添加的特征，在弹出快捷菜单中单击“解散库特征”。

（2）编辑库特征草图

展开设计树中的库特征，鼠标右键单击库特征下的草图，单击【编辑草图】按钮，修改草图中的尺寸。

（3）编辑特征

鼠标右键单击所添加的特征，在快捷菜单中单击【编辑特征】按钮，在弹出的“拉伸”管理器中将“终止条件”设置为“完全贯穿”，单击【确定】按钮，完成添加的特征。

5.2.20 零件模型的装饰

一、装饰螺纹线

使用装饰螺纹线工具可使零件模型的螺纹或螺孔更加形象和逼真。装饰螺纹线的操作步骤：

（1）设置文件属性

选择下拉菜单【工具】/【选项】命令，在“系统选项”管理器中选择“文件属性”，并选中“注解显示”栏中的“装饰螺纹线”和“上色的装饰螺纹线”复选框。

（2）建立装饰螺纹线

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选择下拉菜单中的【插入】/【注解】/【装饰螺纹线】命令，系统弹出“装饰螺纹线”管理器。

管理器中的“螺纹标注”栏输入的标注可在工程中自动标注。

5.2.21 零件模型外观色彩

SolidWorks可以通过多种方法来改变零件、特征或面实体的的外观色彩，使之具有一定的艺术效果。

1.编辑材料

鼠标右键单击特征管理器设计树中的“材质”，并在快捷菜单中选择“编辑材料”项，系统会弹出“材质编辑器”，通过设置材质就可以改变零件的颜色。

2.上色

鼠标右键单击零件任何面或特征，在快捷菜单中选择“外观标注”，并在展开菜单中选中“零件”项。系统会弹出“颜色和光学”管理器。通过选择不同和“颜色属性”和“光学属性”就可以为零件上色。

另外，通过“前导视图工具”中的“应用布景”菜单也可以改变零件的外观着色。

3.贴图

4.渲染向导

SolidWork的PhotoWorks插件专门用于将零部件渲染成具有真实感的图像。

最后做出3D打印机三维图如图：

图5.7 3D打印机三维结构图

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总结

本文是对3D打印机机械结构的设计，基于Solidworks对打印机机械结构的优化研究，针对3D打印机的机械结构进行校核、对比验证。3D打印机成本较低，也可以应用学校教学，对今后3D打印机的普及起到很大作用，主要结论如下：

(1)首先根据3D打印机国内外现有技术水平，阐述了软件开发的难度，分析了其原因，国内的软件开发的进程和突破。表明了我国在这方面的研究虽然是自己开发、自成体系，但不是相对封闭。

(2)首先明确了本次设计的主要工作，确定了设计工作参数，把设计思路清晰的分为了四个大步骤，为了后面的设计和Solidworks画图做了很好的准备。

(3)然后决定了机械部分的设计包括机械结构传动装置和3D打印机的整体布局设计。解决了从电机到执行部分采取几种解决方案，通过各个方案的比较最终确定了传动装置选择同步带传动。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，通过对步进电机和交流伺服电机等的对比和验证，确定使用SST43D2165 11520G电机型号。辅助传动装置确定了导轨、丝杠的型号以及喷头和打印机整体框架的设计。然后利用三维制图软件Solidworks进行各个零部件的绘制，再进行组装校核验证。

(4) 再次对机械部分总体设计的计算，针对前面对导轨、丝杠、步进电机、喷头等再一次进行了核对、校核、验证、对它们的受力、额定寿命、等效转动惯量、转动力矩以及传动效率进行了再一次的计算，最后要保证他们在合理范围之内。

(5)最后简单对3D打印机构做了介绍，并阐述了它的结构最终确定了3D打印机机构。

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致谢

从开始做毕业设计到今天一个月多了，做毕业设计是一件非常需要耐心的事情。本次毕业设计主要是运用Solidworks对3D打印机进行结构设计，开始对论文题目还不够熟悉，无从下手，后来通过网上了解和图书馆借的资料慢慢做起了设计。这次的毕业设计学到了很多专业方面的知识，特别是三维软件的应用。期间遇到困难时主动跟同学老师探讨，问题得到了有效的解决。最后设计出来的3D打印机结构基本达到了预期的效果。

光阴荏苒，美好的大学时光即将画上一个句号。回望过去，仿佛昨日。孜孜不倦的老师，善良可爱的同学，美丽幽静的校园，一直陪伴着我，见证了我的成长。

毕业论文暂告收尾，这也意味着我在武汉工程大学邮电与信息工程学院的四年学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

首先,我要感谢我的导师魏化中老师。论文是在老师的悉心指导下完成的。老师对本选题十分重视。提纲、完成初稿、修改完善到最后的定稿都一一过问，花费了大量心血。导师严谨的治学态度、渊博的学识、独特的学术思维、一丝不苟的工作作风、热情待人的品质，使我满怀敬意。

其次，我要感谢我的父母对我二十多年来辛勤的养育之恩，正是你们的支持和鼓励，才使我顺利地完成学业；正是你们的关心和默默的奉献，给我创造了优越的条件，使我在学习的道路上乐观向上、勇往直前。

然后，我还要十分感谢四年来与我朝夕相处的老师与同学们，感谢老师与同学们四年来的关心和鼓励，因为你们使我的大学生活充满了感动。因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业论文才会顺利完成。

感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。感谢我的母校--武汉工程大学邮电与信息工程学院。

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示真诚的感谢，谢谢。