基于3D打印技術(shù)的空間槽輪機(jī)構(gòu)的研究與模型制作

基于3D打印技術(shù)的空間槽輪機(jī)構(gòu)的研究與模型制作[摘要]隨著機(jī)械工業(yè)化的開展，空間槽輪機(jī)構(gòu)在各行各業(yè)中的實(shí)際消費(fèi)中廣泛應(yīng)用。本文主要介紹了一種基于傳統(tǒng)空間槽輪機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、研究及制作，基于UG0鸑X的三維建模和設(shè)計(jì)，并應(yīng)用3D打印技術(shù)的加工制作來進(jìn)展闡述，設(shè)計(jì)并改良提出的創(chuàng)新方案，然后進(jìn)展方案可行性驗(yàn)證，以期該創(chuàng)新機(jī)構(gòu)具備沖擊和振動(dòng)更小、磨損更低、運(yùn)行更平穩(wěn)、耐用性更強(qiáng)，具有更加優(yōu)異的性能。[關(guān)鍵詞]空間槽輪；三維建模；運(yùn)動(dòng)仿真；3D打印1引言槽輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械傳動(dòng)在當(dāng)今社會(huì)中應(yīng)用最為廣泛的傳動(dòng)裝置之一，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造容易、工作可靠和機(jī)械效率高等特點(diǎn)。本文所研究的空間槽輪機(jī)構(gòu)主要是由一個(gè)球面槽輪和一個(gè)主動(dòng)軸曲柄撥銷以及支架所組成的機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)曲柄軸作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)球面槽輪軸呈間歇分度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它不僅能較平穩(wěn)地，間歇進(jìn)展轉(zhuǎn)位，而且高效率地將兩相交軸之間進(jìn)展間歇傳動(dòng)。這種典型的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在實(shí)際消費(fèi)中用于包裝機(jī)械、自動(dòng)化消費(fèi)線及某些自動(dòng)機(jī)構(gòu)中，以實(shí)現(xiàn)分度轉(zhuǎn)位和間歇運(yùn)動(dòng)。本文介紹設(shè)計(jì)以曲柄撥銷軸為主動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)球面槽輪的空間槽輪機(jī)構(gòu)，并在UG0鸑X軟件中進(jìn)展三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，并運(yùn)用3D打印技術(shù)加工制作完成。2傳動(dòng)原理及創(chuàng)新設(shè)計(jì)如圖1所示，這一機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)撥輪和撥銷是主動(dòng)件，從動(dòng)槽輪是從動(dòng)件。主動(dòng)件以恒定的角速度做連續(xù)回轉(zhuǎn)，從動(dòng)件以一動(dòng)一停的周期性運(yùn)動(dòng)做間歇回轉(zhuǎn)。在撥銷和槽輪尚未嚙合時(shí)，槽輪靜止不動(dòng)；撥銷剛剛進(jìn)入槽輪徑向槽時(shí)，槽輪的鎖止弧和撥輪上的鎖止弧馬上處于脫離狀態(tài)，槽輪因撥銷的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)；在主動(dòng)件的撥銷分開槽輪從動(dòng)件的徑向槽時(shí)，槽輪的鎖止弧和撥輪的鎖止弧又互相卡住，槽輪停頓運(yùn)動(dòng)。一動(dòng)一停，這便是空間槽輪機(jī)構(gòu)間歇運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期。此構(gòu)造實(shí)際為兩構(gòu)件的球面機(jī)構(gòu)，無論槽數(shù)多少，槽輪每完成一次運(yùn)動(dòng)，撥銷都要轉(zhuǎn)過180°。也就是說空間槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與停歇的時(shí)間比為1：1。而平面槽輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)停比永遠(yuǎn)小于1：1。撥盤以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)傳動(dòng)銷剛進(jìn)入輪槽的瞬間，不起傳動(dòng)作用，也無沖擊。但隨傳動(dòng)銷的轉(zhuǎn)動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)槽輪的分力。所以在傳動(dòng)過程中，存在不平衡性。但當(dāng)槽數(shù)較多〔Z≥8〕時(shí)，平衡性較好?？臻g槽輪機(jī)構(gòu)以構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作較為可靠等特點(diǎn)，在自動(dòng)機(jī)械中被廣泛采用，但該機(jī)構(gòu)也存在固有缺陷，即撥銷進(jìn)入和退出槽輪瞬時(shí)，槽輪的角速度為零，但是角加速度不為零，存在柔性沖擊，而且角加速度峰值偏高，因此引起噪聲和振動(dòng)，限制了機(jī)器速度和定位精度的進(jìn)步。針對(duì)以上幾點(diǎn)問題，我們選用ABS材料進(jìn)展3D打印，ABS塑料原料是世界上產(chǎn)量最大的通用工程塑料，其為淺黃色粒狀或粉狀不透明樹脂，具有優(yōu)異的耐沖擊性、良好的低溫性能和耐化學(xué)藥品性、尺寸穩(wěn)定性好、外表光澤度好、容易涂裝和著色。由于ABS具有優(yōu)良的綜合物理和機(jī)械性能，極好的低溫抗沖擊性能。尺寸穩(wěn)定性、電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性、成品加工和機(jī)械加工較好，并兼具韌、硬、剛相平衡的優(yōu)良力學(xué)性能。〔3〕電性能：ABS塑料原料在寬廣的頻率范圍內(nèi)有良好的電絕緣性能，而且很少受溫度或濕度的影響?！?〕耐化學(xué)品性能：ABS樹脂耐化學(xué)藥品性能較好，幾乎不受稀酸、稀堿及鹽類的影響，但能溶于酮、醛、酯和鹵代烴中；不溶于乙醇等大局部醇類，但在甲醇中數(shù)小時(shí)就軟化；與烴類溶劑長(zhǎng)期接觸會(huì)溶漲；ABS樹脂在應(yīng)力作用下其外表受醋酸、植物油等化學(xué)試劑的侵蝕會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力開裂。通過文獻(xiàn)可知，槽輪機(jī)構(gòu)的撥輪角速度恒定的時(shí)候，槽輪的角加速度和角速度大小和槽數(shù)的多少有一定關(guān)系。所以增加槽數(shù)也可增加穩(wěn)定性。而且相較于平面槽輪機(jī)構(gòu)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：空間槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)力特性均優(yōu)于平面槽輪機(jī)構(gòu)；在一樣的阻力矩條件下驅(qū)動(dòng)力矩比平面槽輪機(jī)構(gòu)小；造價(jià)低廉。綜上所述，以ABS為主體材料進(jìn)展空間槽輪機(jī)構(gòu)的3D打印，完全符合設(shè)計(jì)要求，而且這種材料可以有效地降低柔性沖擊和噪聲、振動(dòng)等缺陷的影響，并進(jìn)步一定的定位精度。而且在實(shí)際應(yīng)用中，在設(shè)計(jì)要求的允許范圍內(nèi)，盡可能地增加輪槽槽數(shù)，也可以進(jìn)步一定的穩(wěn)定性。所以ABS為主體材料的3D打印的空間槽輪機(jī)構(gòu)在一些非極端惡劣的環(huán)境中可以完全勝任工作。3UG0鸑X建模設(shè)計(jì)本工程主要運(yùn)用UG0鸑X8.5進(jìn)展三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真，以下介紹整個(gè)裝置中的局部主要零部件機(jī)構(gòu)的建模，以及整體裝配的最終狀態(tài)。〔1〕球面槽輪建模。球面槽輪是整個(gè)裝置的主體局部，一個(gè)抽殼后的半球，其上有4個(gè)輪槽；以及輪槽間的4個(gè)定位弧，起到鎖止球面槽輪作用，與主動(dòng)軸上的定位圓弧相配合以到達(dá)良好的緩沖作用。〔2〕主動(dòng)軸曲柄撥銷建模。在撥銷邊緣處倒角，使其平穩(wěn)柔和地與球面槽輪輪槽接觸。〔3〕整體機(jī)架建模。將主體部件安置于其上，使整體裝置更平穩(wěn)。43D打印技術(shù)的加工制作空間槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工，3D打印設(shè)備采用的是國(guó)產(chǎn)品牌太爾時(shí)代的UP！系列中的便攜式桌面3D打印設(shè)備。配合其配套的UP軟件進(jìn)展模型的打印預(yù)覽和參數(shù)設(shè)置。如圖2所示。使用ABS材質(zhì)作為主體材質(zhì)和支撐材料，該機(jī)型的打印精度可到達(dá)0.15mm，逐層疊加的方式打印，打印完成后再去除支撐材料。5結(jié)論通過本文的介紹，這種通過3D打印技術(shù)的研究設(shè)計(jì)是可行的，其具備運(yùn)行平穩(wěn)，耐用性強(qiáng)，具有更加優(yōu)異的性能。在實(shí)際應(yīng)用中是可以發(fā)揮重要作用的，稍加改善便可以應(yīng)用到各種機(jī)械傳動(dòng)的加工環(huán)