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修建3D打印机机械体系及操控计划规划

发布时间:2021-12-18 07:45:33 来源:环球体育注册

  摘 要:现在,修建3D 打印作为这项新式技能的一个分支备受社会重视,故提出了一种修建3D 打印机机械体系与操控体系计划。选用龙门式的结构以及链传动的传动方法规划了一种修建用3D 打印机机械结构,并运用有限元剖析证明了机械计划的可行性。选用固高公司的运动操控卡对打印机操控体系进行规划,论述了操控思路与打印流程。定论标明,3D 打印技能使用于修建行业切实可行,关于处理传统修建行业结构单一、资料运用率低一级问题具有重要意义。

  修建3D 打印技能作为新式数字制作技能,它集成了计算机技能、数控技能、资料成型技能等,由计算机获取三维修建模型的形状、尺度及其他相关信息,然后对其进行必定的处理,运用资料分层叠加的基本原理,按某一方向( 一般为Z 向) 将模型分解成具有必定厚度的层片文件,然后对层片文件进行查验或批改,最后由数控体系操控机械设备依照指定途径运动完结修建物或构筑物的主动制作,这项技能也被称为增材制作[1-3]。本文根据修建用3D 打印机与一般桌面级打印机的差异,对修建用3D 打印机进行机械结构规划,并进行有限元剖析,查验了结构计划的可行性。并选用固高公司的运动操控卡作为主控板,介绍了操控体系构成以及具体的打印流程。

  修建用3D 打印机的机械结构首要由喷头体系、支撑结构和三维运动组织组成,其结构暗示如图1 所示。不同与一般桌面级3D 打印机,修建用3D 打印机因为其尺度巨大,作业环境恶劣,因而关于全体组织具有更高的强度、刚度以及安稳性要求。本文规划的修建3D打印机选用以工字钢作为基础构件的龙门式结构进行规划,各个方向运动彼此独立,操控简略,操作简略,具有精度高、速度快的特色。考虑到修建用3D 打印机运动跨度较大,因而不宜运用蜗杆传动以及齿轮传动方法,而作业时运动相对缓慢,且需求较为精确的传动比,因而不宜运用冲突轮及带传动方法,故选用链传动为传动方法,对X、Y、Z 三个方向的运动部件进行传动。实物图如图2 所示。

  打印机X 向运动简图如图3 所示,考虑到为进步打印质量,喷头需尽量受力平衡,故选用两组链轮带动喷头在X 向运动。打印时,电动机经过联轴器以及减速器,将动力传输至主动轴上,主动轴继而带动传动轴滚动,然后驱动两组链轮做正反转运动,喷头与链轮之间的链条进行衔接,然后完结来回往复运动。

  电动机经过联轴器及减速器将动力传输至驱动轴,如图4 所示,然后带动两组链轮一起做同向运动,然后完结X 向传动组织在Y 向的往复运动。考虑到全体结构跨度较大,若运用单根驱动轴,会发生刚度不行的问题,故选用增加轴承数量的方法,以处理刚度不行的问题。或选用中段运用空心圆管的方法,经过联轴器将两头衔接,本次规划选用增加轴承数量的方法处理刚度问题。

  Z 向运动首要由链轮组1、2、3、4 拖动整个X、Y渠道完结,如图5 所示,电机经过联轴器与减速器将动力传输至驱动轴,驱动轴经过链轮组5 将动力传至链轮组2、3 地点轴上,使得链轮组1、2、3、4 能够一起同方向进行运动,以完结X、Y 平面在Z 向的往复运动。

  打印机结构承载着作业平面,作业平面又承载在X向导轨,X 向导轨又承载着喷头,喷头的方位直接影响着打印精度,因而需求别离对打印机结构、XY 作业平面进行静力学剖析,剖析其强度刚度是否符合要求。本次剖析运用Ansys Workbench 13.0,剖析前将模型进行网格化,最小单位为0.01 m,并增加重力方向以及相关束缚或许载荷[4]。

  确认剖析类型后,将模型导入,然后界说资料特点,本次剖析首要为结构剖析,故资料均定为钢。进行网格区分,网格区分影响剖析精度,网格区分越细,结构越精确,可在全体网格区分之后,对部分进行细化,本次剖析最小单位为0.01 m。施加载荷以及束缚,确认边界条件,包含力、力矩、固定平面束缚等。进行求解,得到全体变形,等效应力等。

  XY 平面首要由四根工字钢组成,剖析全体刚度问题,因而将喷头部分以及两头传动轴部分删去,在X 向导轨平面接近极限方位处建两个1 mm 厚的平面,施加以力模仿喷头运动到极限方位时的状况,将XY 平面上衔接链条衔接器的平面设置为固定平面,并增加重力方向,如图6 所示。

  最大位移量为1.560 4×10-3 m,如图7 所示,坐落加载处,最大应力为35.308 MPa,Y 向导轨以及支撑工字钢位移均小于1.5 mm,满意强度刚度条件。

  剖析全体结构如图8 所示,将全体XY 作业平面作为力载荷,加载于上方链轮组上,并将底部支撑座平面以及横梁工字钢底面设置固定平面,并增加重力方向,完结对结构的束缚。然后进行求解,由图9 能够看出,最大位移量为1.626 7×10-3 m,坐落上部工字钢中心处,对喷头方位影响较小,最大应力为31.437 MPa,满意刚度条件。

  操控体系结构框图如图10 所示,主控板选用固高公司的GTS-VB 四轴运动操控器,作业时刺进PC 机的PCI 插槽,经过上位机软件进行操控。操控卡信号经过线缆衔接至端子板上,轴接口1、2、3 别离担任操控3个方向组织的运动,轴接口4 操控供料的运送。三路行程及限位开关首要担任原点定位以及各向方位限制。确保运动进程的安全性与精确性。操控体系经过电源电路进行供电。考虑到步进电机扭矩力不行,选用SEW 公司CMP 系列同步伺服电机作为三向运动电机,配套变频器对电机进行操控[5,6]。

  为进步打印精度,体系选用闭环操控形式,经过模仿电压进行速度操控。体系作业时,由上位机指定规划方位及相应速度,经过操控卡将模仿电压发送至变频器,变频器承受指令后,输出相应转速操控电机滚动,并接纳到电机编码器反应回来的方位信息,变频器再将方位信息反应至端子板上,完结方位及速度的闭环操控。

  变频器与端子板接线 所示。端子板使能端口、编码器信息接纳端口别离与变频器使能端口、编码器信息发送端口衔接。端子板模仿量输出口与变频器模仿量输进口进行衔接。关于电机转向的操控,可将变频器的作业形式设置为双极性形式,模仿量输进口承受来自端子板的差分信号。

  修建3D 打印与桌面级3D 打印流程如图12 所示,均是首要获取三维模型,并生成STL 文件,依照三维模型进行切片,然后逐层打印。将模型生成的STL 文件导入切片软件Cura 中,完结3D 模型的切片并恰当调整模型方位,点击文件中“生成geode 格式文件”即可生成Gcode 文件,再将G 代码传送至运动操控卡进行处理。

  准备作业安排妥当后,上位机程序首要判别喷头是否处于原点方位,假如不是,则进行回原点操作。回原点完毕后,开端进行打印。上位机逐行读取处理往后的G 代码文件,并计算出相应地坐标方位以及速度信息,然后操控电机运动。

  根据修建用3D 打印机与一般桌面级打印机的差异,对修建用3D 打印机机械体系和操控体系进行了规划。定论为:1)所规划的机械结构满意刚度及强度要求。2)操控体系满意打印基本要求。

  针对现在规划的修建3D 打印机,之后可侧重重视打印机操控精度,从组织运动与喷料操控的视点动身,进行研究与改善。

  [1] 丁烈云,徐捷,覃亚伟. 修建3D 打印数字制作技能研究使用总述[J]. 土木工程与办理学报,2015,32(3):1-10.

  [3] 肖绪文,田伟,苗冬梅.3D 打印技能在修建范畴的使用[J].施工技能,2015,44(10):79-83.

  [4] 朱秀娟. 有限元剖析网格区分的要害技巧[J]. 机械工程与主动化,2009(1):185,186.

  [6] 周永欣,马文斌. 六自在工业机器人操控体系硬件规划[J]. 电子世界,2017(2):154,155.

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