基于3D打印技術的空間槽輪機構的研究與模型制作

基于3D打印技術的空間槽輪機構的研究與模型制作

　　摘要：隨著機械工業化的發展，空間槽輪機構在各行各業中的實際生產中廣泛應用。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打印技術的加工制作來進行闡述，設計并改進提出的創新方案，然后進行方案可行性驗證，以期該創新機構具備沖擊和振動更小、磨損更低、運行更平穩、耐用性更強，具有更加優異的性能。

　　關鍵詞：空間槽輪;運動仿真;3D打印;三維建模

　　一、引言

　　槽輪機構是機械傳動在當今社會中應用最為廣泛的傳動裝置之一，它具有構造簡單、制造容易、工作可靠和機械效率高等特點。本文所研究的空間槽輪機構主要是由一個球面槽輪和一個主動軸曲柄撥銷以及支架所組成的機構，當主動曲柄軸作等速轉動時，從動球面槽輪軸呈間歇分度運動規律，它不僅能較平穩地，間歇進行轉位，而且高效率地將兩相交軸之間進行間歇傳動。這種典型的間歇運動機構，在實際生產中用于包裝機械、自動化生產線及某些自動機構中，以實現分度轉位和間歇運動。本文介紹設計以曲柄撥銷軸為主動軸，驅動球面槽輪的空間槽輪機構，并在UG·NX軟件中進行三維建模和運動仿真，并運用3D打印技術加工制作完成。

　　二、傳動原理及創新設計

　　如圖1所示，這一機構在運動時，主動撥輪和撥銷是主動件，從動槽輪是從動件。主動件以恒定的角速度做連續回轉，從動件以一動一停的周期性運動做間歇回轉。在撥銷和槽輪尚未嚙合時，槽輪靜止不動;撥銷剛剛進入槽輪徑向槽時，槽輪的鎖止弧和撥輪上的鎖止弧馬上處于脫離狀態，槽輪因撥銷的作用而轉動;在主動件的撥銷離開槽輪從動件的徑向槽時，槽輪的鎖止弧和撥輪的鎖止弧又互相卡住，槽輪停止運動。一動一停，這便是空間槽輪機構間歇運動的一個周期。此結構實際為兩構件的球面機構，無論槽數多少，槽輪每完成一次運動，撥銷都要轉過180°。也就是說空間槽輪機構的運動與停歇的時間比為1：1。而平面槽輪機構的動停比永遠小于1：1。

　　撥盤以等角速度轉動，當傳動銷剛進入輪槽的瞬間，不起傳動作用，也無沖擊。但隨傳動銷的轉動，便會產生驅動槽輪的分力。所以在傳動過程中，存在不平衡性。但當槽數較多(Z≥8)時，平衡性較好。

　　空間槽輪機構以結構簡單、工作較為可靠等特點，在自動機械中被廣泛采用，但該機構也存在固有缺陷，即撥銷進入和退出槽輪瞬時，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，限制了機器速度和定位精度的提高。

　　針對以上幾點問題，我們選用ABS材料進行3D打印，ABS塑料原料是世界上產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，具有優異的耐沖擊性、良好的低溫性能和耐化學藥品性、尺寸穩定性好、表面光澤度好、容易涂裝和著色。由于ABS具有優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、剛相均衡的優良力學性能。

　　(1) 力學性能：ABS塑料有極好的沖擊強度，高抗沖型ABS樹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的載荷經過兩年半的時間，ABS制品的尺寸無明顯變化。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題。

　　(2) 熱性能：ABS塑料的熱變形溫度在載荷為1.82 MPa時約為93℃，隨著加工過程中退火的處理，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℃時仍有相當的強度，制品的使用溫度在-40℃～lOO℃。ABS各等級的線膨脹系數從6.4×10-5/℃～11.0×10-5/℃，在熱塑性塑料中是線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) 耐化學品性能：ABS樹脂耐化學藥品性能較好，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;不溶于乙醇等大部分醇類，但在甲醇中數小時就軟化;與烴類溶劑長期接觸會溶漲;ABS樹脂在應力作用下其表面受醋酸、植物油等化學試劑的侵蝕會產生應力開裂。

　　通過文獻可知，槽輪機構的撥輪角速度恒定的時候，槽輪的角加速度和角速度大小和槽數的多少有一定關系。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優勢：空間槽輪機構的運動特性及動力特性均優于平面槽輪機構;在相同的阻力矩條件下驅動力矩比平面槽輪機構小;造價低廉。

　　綜上所述，以ABS為主體材料進行空間槽輪機構的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、振動等缺陷的影響，并提高一定的定位精度。而且在實際應用中，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進行三維建模與運動仿真，以下介紹整個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。

　　(1) 球面槽輪建模。球面槽輪是整個裝置的主體部分，一個抽殼后的半球，其上有4個輪槽;以及輪槽間的4個定位弧，起到鎖止球面槽輪作用，與主動軸上的定位圓弧相配合以達到良好的緩沖作用。

　　(2) 主動軸曲柄撥銷建模。在撥銷邊緣處倒角，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品牌太爾時代的UP!系列中的便攜式桌面3D打印設備。配合其配套的UP軟件進行模型的打印預覽和參數設置。如圖2所示。使用ABS材質作為主體材質和支撐材料，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

　　通過本文的介紹，這種通過3D打印技術的研究設計是可行的，其具備運行平穩，耐用性強，具有更加優異的性能。在實際應用中是可以發揮重要作用的，稍加改善便可以應用到各種機械傳動的加工環節。加工制作實物后，基本滿足設計要求，運行結果令人滿意。我們能希望通過此次的創新設計，使其成為一個更加穩定可靠的工作部件，為更多的生產加工線提供更好的部件選擇，在今后的發展中得到更切實的應用實踐。

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