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基于3D打印技術(shù)的空間槽輪機構的研究與模型制作
摘要：隨著(zhù)機械工業(yè)化的發(fā)展，空間槽輪機構在各行各業(yè)中的實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應用。本文主要介紹了一種基于傳統空間槽輪機構的創(chuàng )新設計、研究及制作，基于UG·NX的三維建模和設計，并應用3D打印技術(shù)的加工制作來(lái)進(jìn)行闡述，設計并改進(jìn)提出的創(chuàng )新方案，然后進(jìn)行方案可行性驗證，以期該創(chuàng )新機構具備沖擊和振動(dòng)更小、磨損更低、運行更平穩、耐用性更強，具有更加優(yōu)異的性能。
關(guān)鍵詞：空間槽輪;運動(dòng)仿真;3D打印;三維建模
一、引言
槽輪機構是機械傳動(dòng)在當今社會(huì )中應用最為廣泛的傳動(dòng)裝置之一，它具有構造簡(jiǎn)單、制造容易、工作可靠和機械效率高等特點(diǎn)。本文所研究的空間槽輪機構主要是由一個(gè)球面槽輪和一個(gè)主動(dòng)軸曲柄撥銷(xiāo)以及支架所組成的機構，當主動(dòng)曲柄軸作等速轉動(dòng)時(shí)，從動(dòng)球面槽輪軸呈間歇分度運動(dòng)規律，它不僅能較平穩地，間歇進(jìn)行轉位，而且高效率地將兩相交軸之間進(jìn)行間歇傳動(dòng)。這種典型的間歇運動(dòng)機構，在實(shí)際生產(chǎn)中用于包裝機械、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)及某些自動(dòng)機構中，以實(shí)現分度轉位和間歇運動(dòng)。本文介紹設計以曲柄撥銷(xiāo)軸為主動(dòng)軸，驅動(dòng)球面槽輪的空間槽輪機構，并在UG·NX軟件中進(jìn)行三維建模和運動(dòng)仿真，并運用3D打印技術(shù)加工制作完成。
二、傳動(dòng)原理及創(chuàng )新設計
如圖1所示，這一機構在運動(dòng)時(shí)，主動(dòng)撥輪和撥銷(xiāo)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回轉，從動(dòng)件以一動(dòng)一停的周期性運動(dòng)做間歇回轉。在撥銷(xiāo)和槽輪尚未嚙合時(shí)，槽輪靜止不動(dòng);撥銷(xiāo)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(xiāo)的作用而轉動(dòng);在主動(dòng)件的撥銷(xiāo)離開(kāi)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，槽輪停止運動(dòng)。一動(dòng)一停，這便是空間槽輪機構間歇運動(dòng)的一個(gè)周期。此結構實(shí)際為兩構件的球面機構，無(wú)論槽數多少，槽輪每完成一次運動(dòng)，撥銷(xiāo)都要轉過(guò)180°。也就是說(shuō)空間槽輪機構的運動(dòng)與停歇的時(shí)間比為1：1。而平面槽輪機構的動(dòng)停比永遠小于1：1。
撥盤(pán)以等角速度轉動(dòng)，當傳動(dòng)銷(xiāo)剛進(jìn)入輪槽的瞬間，不起傳動(dòng)作用，也無(wú)沖擊。但隨傳動(dòng)銷(xiāo)的轉動(dòng)，便會(huì )產(chǎn)生驅動(dòng)槽輪的分力。所以在傳動(dòng)過(guò)程中，存在不平衡性。但當槽數較多(Z≥8)時(shí)，平衡性較好。
空間槽輪機構以結構簡(jiǎn)單、工作較為可靠等特點(diǎn)，在自動(dòng)機械中被廣泛采用，但該機構也存在固有缺陷，即撥銷(xiāo)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，因而引起噪聲和振動(dòng)，限制了機器速度和定位精度的提高。
針對以上幾點(diǎn)問(wèn)題，我們選用ABS材料進(jìn)行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(shù)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、尺寸穩定性好、表面光澤度好、容易涂裝和著(zhù)色。由于A(yíng)BS具有優(yōu)良的綜合物理和機械性能，極好的低溫抗沖擊性能。尺寸穩定性、電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性、成品加工和機械加工較好，并兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能。
(1) 力學(xué)性能：ABS塑料有極好的沖擊強度，高抗沖型ABS樹(shù)脂在室溫下的懸臂梁沖擊強度可達到400J/m左右，即使在-40℃低溫下其數值也大于120J/m。且其具有較寬的拉伸強度范圍和優(yōu)良的抗蠕變性能，拉伸強度范圍一般為33～52MPa，在承受7.2MPa的載荷經(jīng)過(guò)兩年半的時(shí)間，ABS制品的尺寸無(wú)明顯變化。又由于它具有良好的耐磨性和尺寸穩定性，所以可以減緩柔性沖擊和定位精度等問(wèn)題。
(2) 熱性能：ABS塑料的熱變形溫度在載荷為1.82 MPa時(shí)約為93℃，隨著(zhù)加工過(guò)程中退火的處理，可增加6℃～lO℃。耐熱型ABS的熱變形溫度可達到115℃左右。ABS的脆化溫度為-7℃，通常在- 40℃時(shí)仍有相當的強度，制品的使用溫度在-40℃～lOO℃。ABS各等級的線(xiàn)膨脹系數從6.4×10-5/℃～11.0×10-5/℃，在熱塑性塑料中是線(xiàn)膨脹系數較小的一種。
(3) 電性能：ABS塑料原料在寬廣的頻率范圍內有良好的電絕緣性能，而且很少受溫度或濕度的影響。
(4) 耐化學(xué)品性能：ABS樹(shù)脂耐化學(xué)藥品性能較好，幾乎不受稀酸、稀堿及鹽類(lèi)的影響，但能溶于酮、醛、酯和鹵代烴中;不溶于乙醇等大部分醇類(lèi)，但在甲醇中數小時(shí)就軟化;與烴類(lèi)溶劑長(cháng)期接觸會(huì )溶漲;ABS樹(shù)脂在應力作用下其表面受醋酸、植物油等化學(xué)試劑的侵蝕會(huì )產(chǎn)生應力開(kāi)裂。
通過(guò)文獻可知，槽輪機構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的多少有一定關(guān)系。所以增加槽數也可增加穩定性。而且相較于平面槽輪機構具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：空間槽輪機構的運動(dòng)特性及動(dòng)力特性均優(yōu)于平面槽輪機構;在相同的阻力矩條件下驅動(dòng)力矩比平面槽輪機構小;造價(jià)低廉。
綜上所述，以ABS為主體材料進(jìn)行空間槽輪機構的3D打印，完全符合設計要求，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，并提高一定的定位精度。而且在實(shí)際應用中，在設計要求的允許范圍內，盡可能地增加輪槽槽數，也可以提高一定的穩定性。所以ABS為主體材料的3D打印的空間槽輪機構在一些非極端惡劣的環(huán)境中可以完全勝任工作。
三、UG·NX建模設計
本項目主要運用UG·NX8.5進(jìn)行三維建模與運動(dòng)仿真，以下介紹整個(gè)裝置中的部分主要零部件機構的建模，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)裝置的主體部分，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達到良好的緩沖作用。
(2) 主動(dòng)軸曲柄撥銷(xiāo)建模。在撥銷(xiāo)邊緣處倒角，使其平穩柔和地與球面槽輪輪槽接觸。
(3) 整體機架建模。將主體部件安置于其上，使整體裝置更平穩。
四、3D打印技術(shù)的加工制作
空間槽輪機構的設計加工，3D打印設備采用的是國產(chǎn)品牌太爾時(shí)代的UP!系列中的便攜式桌面3D打印設備。配合其配套的UP軟件進(jìn)行模型的打印預覽和參數設置。如圖2所示。使用ABS材質(zhì)作為主體材質(zhì)和支撐材料，該機型的打印精度可達到0.15mm，逐層疊加的方式打印，打印完成后再去除支撐材料。
五、結論
通過(guò)本文的介紹，這種通過(guò)3D打印技術(shù)的研究設計是可行的，其具備運行平穩，耐用性強，具有更加優(yōu)異的性能。在實(shí)際應用中是可以發(fā)揮重要作用的，稍加改善便可以應用到各種機械傳動(dòng)的加工環(huán)節。加工制作實(shí)物后，基本滿(mǎn)足設計要求，運行結果令人滿(mǎn)意。我們能希望通過(guò)此次的創(chuàng )新設計，使其成為一個(gè)更加穩定可靠的工作部件，為更多的生產(chǎn)加工線(xiàn)提供更好的部件選擇，在今后的發(fā)展中得到更切實(shí)的應用實(shí)踐。
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