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1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)編編 號號本本科科生生畢畢業(yè)業(yè)設設計計（ 論論文文 ）題目：題目：自行式食品 3D 打印機器人結構設計 機械工程機械工程 學院 機械工程 專業(yè)學 號 學生姓名 金思宇 指導教師 張超鋒 副教授 精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)二一七年六月精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)設計總說明設計總說明本課題來源于工業(yè)生產實際隨著時代的進步與發(fā)展，3d 打印技術已經(jīng)走進了許多人的視線中來，其中，食品 3d打印技術，這 3d 打印技術的一員，也在慢慢的前進發(fā)展，現(xiàn)如今，食品 3d 打印技術還沒有真的意義上的普及，許多食品制造業(yè)還在用傳統(tǒng)的食品加工技

2、術，而新生代人們對于新興技術的欲望是非常強烈的，現(xiàn)如今，已經(jīng)有越來越多的食品 3d 打印設備逐漸的走進了人們的眼中，豐富了人們的視野，也是今后食品發(fā)展的一大趨勢，為以后的食品制造業(yè)，創(chuàng)立了一個新的方向，也是食品制造，走向營養(yǎng)化，健康化，美觀化的一個新的起點。本次設計基于食品 3d 打印機與自行式機器人所相結合，制造出符合 21 世紀的社會中的新產品，能夠使該自行式食品 3d 打印機器人能夠符合人們的需求，滿足人們日常使用其制造 3d 打印食品的需求。本次設計內容，基于實際，大體分為驅動系統(tǒng)和擠出裝置的設計，基于食品 3d 打印機的基本參數(shù)完成對自行式食品 3d 打印機器人的設計計算，畫出相應裝

3、配圖，零件圖，設計出重要零件并計算重要零件的尺寸。然后，對說明書進行撰寫修繕，完善圖紙工作，并對即將到來的答辯進行準備。本設計應達到的要求：1.完成一篇 8000 到 10000 字符的關于食品 3d 打印的國外文獻2.在相關企業(yè)進行生產實習，通過在企業(yè)學到的知識來充實自己，使自己在實際的生產中完善自己關于機械方面的知識，同時，完成相關的實習報告，書寫自己關于生產實習的心得。3.收集關于食品 3d 打印方面的書籍與資料，提高自己對食品 3d 打印方面的了解，并撰寫開題報告，完成自行式食品 3d 打印機器人的設計的前期工作。4.完成自行式食品 3d 打印機器人圖紙的繪制，裝配圖和零件圖要求機構合

4、理，視圖正確，標注得當。5.完成最終的設計說明書的撰寫工作，要求計算部分正確完整，文字敘述準確，格式工整，圖，表等清楚詳細。關鍵詞關鍵詞:食品，食品，3d 打印，自行式機器人打印，自行式機器人精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)ABSTRACTThis topic comes from the actual industrial productionWith the progress of the times and the development of 3d printing technology has entered the line of sight of many people

5、, of which, one of the 3d printing technology, is also slowly moving forward, now, food 3d Printing technology has not really sense the popularity of many food manufacturing industry is still using the traditional food processing technology, and the new generation of peoples desire for emerging tech

6、nology is very strong, and now, there have been more and more food 3d Printing equipment gradually into the eyes of people, enrich the peoples vision, but also a major trend in the future development of food for the future of food manufacturing, the creation of a new direction, but also food manufac

7、turing, nutrition, health A new starting point for beauty. This design is based on the combination of food 3d printers and self-propelled robots to create new products in line with the 21st century society, enabling the self-propelled food 3d print robots to meet peoples needs and meet peoples daily

8、 use. Food demand. The design content, based on the actual, roughly divided into the design of the drive system and extrusion device, based on the basic parameters of food 3d printer to complete the design of self-propelled food 3d print robot calculation, draw the corresponding assembly drawings, p

9、arts, Important parts and calculate the size of important parts. Then, write the instructions to repair, improve the drawings work, and prepare for the upcoming reply. The design should meet the requirements:1. Complete a foreign document of 8,000 to 10,000 characters on food 3d2. In the relevant bu

10、siness production practice, through the knowledge learned in the enterprise to enrich themselves, so that their actual production in the improvement of their own mechanical knowledge, at the same time, complete the relevant internship report, write their own experience on the production practice The

11、3. Collection of books and information on the printing of food 3d, to improve their understanding of the food 3d printing, and write an open report, to complete the self-propelled food 3d print robot design work.4. Complete the self-propelled food 3d print robot drawings drawing, assembly drawings a

12、nd parts drawings require a reasonable mechanism, the view is correct, marked properly.5. To complete the final design of the design work, requiring the calculation of part of the correct integrity, accurate description of the text, format neat, plans, tables and other clear and detailed.Keywords: f

13、ood, 3d print, self-propelled robot精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目目 錄錄121.2 研究現(xiàn)狀.21.1.1 國外研究現(xiàn)狀.21.1.2 國內研究現(xiàn)狀.31.3 研究目的及意義.4555666710113.1 驅動系統(tǒng)的底盤設計計算.133.1.1 底座設計.133.1.2 底座的電機選擇.133.1.3 底座的萬向輪選擇.143.2 驅動系統(tǒng)行走部分的設計計算.143.2.1 升降裝置系統(tǒng)電機的選擇.143.2.2 升降部分聯(lián)軸器的選擇.1517174.1.1 螺桿的設計計算.174.1.2 擠出裝置聯(lián)軸器的選擇.17184.2.1 螺桿的設計

14、計算.184.2.2 螺桿的校核.184.3 軸承的計算與校核.19精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)4.3.1 初選軸徑.194.3.2 軸的剛度校核.204.4 軸承的壽命計算.204.4.1 初選軸承型號.204.4.2 計算軸承的當量動載荷.204.4.3 軸承的壽命計算.20第 5 章 總結與展望.2324精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第第 1 章章 緒論緒論1.1 研究背景研究背景隨著 3d 打印技術的興起，越來越多的產品開始運用到 3d 打印技術，如同最早運用的零部件到后來出現(xiàn)的汽車。現(xiàn)今社會中，對智能化的需求越來越高，許多產業(yè)尤其是制造業(yè)在不斷發(fā)展的基礎上開

15、始追求新興的技術，而 3d 打印技術就是其中之一。3d 打印技術對于如今的制造業(yè)而言絕對是一步重大的革新，因為 3d 打印無論是在速度，設計和質量上都要強于傳統(tǒng)技術，它能快速，高效的制造出高質量的產品，極大的滿足的現(xiàn)今對于速度和質量的需求。而 3d 打印技術的適用面也十分廣泛，汽車制造業(yè)，建筑業(yè)，醫(yī)療，科研，越來越多的產業(yè)都會需要它的技術來提高自己的發(fā)展。圖 1-1 3d 打印出的產品而食品就是其中之一，利用 3d 打印技術制造出的食品，突破了原有制造食品的障礙，還能有效的保留了食品中的營養(yǎng)。不僅能大幅提升食品的外觀，而且使食品的營養(yǎng)更不易流失，同時保證了食品的安全性。當今社會，廣大人民群眾越

16、來越重視食品的安全性與營養(yǎng)價值。而流水線上的食物已經(jīng)越來越不能滿足人們對于健康的需求了，所以，食品 3d 打印越來越受人重視，成為食品界中一顆冉冉升起的新星。食品 3d 打印能夠在不損耗食品營養(yǎng)價值的前提下，突破食品成型的限制，使例如巧克力，冰淇凌等食品的造型變得花樣百出。圖 1-2 食品 3d 打印而自行式食品 3d 打印就是食品打印的一種，普通的 3d 打印是一臺大型的箱體機器，雖然容量大，效率高，但是美中不足的是其太過于笨重而導致人們不能隨時隨地的享受 3d 打印食品的美味，而自行式 3d 打印機器人，輕便而小巧，極大的滿足了一般食品 3d 打印機的局限性。他能靈活的運用于各個場所，比如

17、你突然在辦公室，餐廳，賓館等地方想來一頓美味的 3d 打印小吃，那么自行式食品 3d 打印機器人應當是你說一不二的選擇。而且，小型的自行式食品 3d 打印機器人也能對更多的一般民眾普及食品 3d 打印方面的新奇之處，使人們認識和了解 3d 打印技術，從而使更多的人開始關注食品 3d 打印，相對于箱型或者三角洲型的食品 3d 打印機，自行式食品 3d 打印機器人能夠在突破場地的限制，在任何平地內打印出精美的食品造型而不需要打印平臺，對于維護和保養(yǎng)來說，自行式食品 3d 打印機器人比那些傳統(tǒng)的食品 3d 打印機更容易保養(yǎng)，零部件的更換也比傳統(tǒng)食品 3d 打印機要容易許多。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上

18、專心-專注-專業(yè)總而言之，自行式食品 3d 打印機器人雖然比起許多傳統(tǒng)食品 3d 打印機有一些精度上和功率上的不足之處，但是，其結構簡單，便利輕便，易于保養(yǎng)的特點在今后的食品 3d 打印的技術發(fā)展中肯定能夠有自己的一定地位的，并且能夠創(chuàng)造食品 3d 打印技術的新高。1.2 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀就世界范圍內而言，3d 打印技術無疑相當于一次重大的技術革新，如果說第一次工業(yè)革命是蒸汽機，第二次工業(yè)革命是電氣的應用的話，那么第三次工業(yè)革命無疑是 3d 打印技術，現(xiàn)在世界的 3d 打印機的市場份額成幾何速率增長，如今，在歐美的等先進國家的支持下，3d 打印正在逐漸取代傳

19、統(tǒng)技術。圖 1-3 3d 打印機而在食品方面的 3d 打印技術雖然沒有那些在機械方面，醫(yī)療方面的重視程度，但是很多國家仍然展現(xiàn)了他們在食品 3d 打印方面獲得的成就，比如有國家在利用食品 3d 打印技術研發(fā)新型的太空食物，以保障宇航員的營養(yǎng)需求。像美國這樣的國家也在為了其軍隊更好的后勤食物的健康和味道營養(yǎng)的保障正在研究新型的軍隊速食套餐，就連全世界的許多慈善機構現(xiàn)在也開始關注食品 3d 打印，他們發(fā)現(xiàn)食品 3d 打印的新型技術能夠有效的將人類不能食用的營養(yǎng)如昆蟲，藻類等結合起來，滿足貧困地區(qū)對于食物的需求。除此之外，在許多發(fā)達國家，食品 3d 打印機已經(jīng)逐漸進入人們的視線中來，大到知名企業(yè)，

20、小到家庭個人，雖然對于現(xiàn)今社會來說，3d 打印技術還有很多地方要研究，但是在國外，已經(jīng)有很多創(chuàng)意者開辦了自己的食品 3d 打印餐廳，其中的所有食物均由食品 3d 打印機制作而成。還有現(xiàn)在的許多工廠也開始了自己的食品 3d 打印的生產線，而且，國外的許多商場內，也開始有各種 3d 打印食品進一步的上到柜臺上，雖然價格偏高，但是仍然抵擋不住民眾購買的熱情。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 1-4 餐廳中制作的 3d 打印食品在越來越多的國家中，3d 打印機已成為人們接近時尚的新寵，而在這一新興的時尚中，自行式食品 3d 打印機器人也因其輕便小巧而獲得了廣大民眾的喜愛，也導致國外各大廠商

21、紛紛轉向自行式的食品 3d 打印機器人設計中去。1.2.2 國內研究現(xiàn)狀國內研究現(xiàn)狀 對于國內來說，3d 打印雖說已經(jīng)普及到每個人的腦海中，但是對于并沒有在絕大多數(shù)中國的企業(yè)中普及，因為對于具體的研發(fā)中國還沒有做到位，而從國外引進又導致成本太高，使許多企業(yè)放棄了 3d 打印技術，繼續(xù)使用傳統(tǒng)技術來制造，從而引起了 3d 打印技術的滯后。 雖然隨著國外 3d 打印的熱潮，開始有越來越多的大學開始涉獵這方面的研究，其實包括很多名牌大學例如北大，清華等等的大學開始由國外的技術研究資料，開始挖掘國內現(xiàn)階段的技術與材料支持，但是，由于起步較晚還有資金的匱乏，導致國內的大學迄今為止并沒有做出什么相應的成果

22、。 而在這其中食品 3d 打印技術又是其最受影響的 3d 打印技術之一，就目前來說，中國絕大多數(shù)人都從來沒有想到采用食品 3d 打印技術來制造食物，絕大多數(shù)的食品企業(yè)也忽略了食品 3d 打印技術的優(yōu)勢所在，而且，國內的絕大多數(shù)企業(yè)，缺乏資金，也缺乏動力，去研究新型的食品制造設備，然而特別是在食品 3d 打印技術隨著 3d 打印技術的潮流飛速發(fā)展的今天。但是在全球化的世界中，中國遲早會認識到食品 3d 打印技術的強大之處，據(jù)權威機構的預測，中國在三年到五年后會在食品 3d 打印技術上得到普及與推廣。就中國現(xiàn)在的食品 3d 打印技術而言，實在不夠重視，所以以下幾點建議希望對于食品 3d 打印技術能

23、有所幫助：1.加大科研力度，對于食品 3d 打印技術而言，如果國家能夠大力扶持和發(fā)展，依托高科技的控制和軟件設計，加上高精度的打印設備的幫助，能夠有效幫助研究人員取得食品 3d 打印技術的突破性進展。2.培養(yǎng)相關人才，對于食品 3d 打印技術來說，正是因為國家和相關企業(yè)不夠重視導致很少有人涉足這項，如果國家能給予足夠的重視，并在有關學校設計專門的學科，加強海內外交流的話，一定能為國家培養(yǎng)許多可用的關于食品 3d 打印技術的人才的。3.加大宣傳，現(xiàn)在食品 3d 打印技術對于絕大多數(shù)人來說都是個陌生的概念，如果國家通過網(wǎng)絡，電視，報紙等相關媒體有效普及的話，能使更多的人了解食品 3d 打印技術，從

24、而促進食品 3d 打印技術在國內的發(fā)展。但是，現(xiàn)如今的中國食品 3d 打印并沒有停滯不前，還是有一些有識之士開始認識到了未來食品制造發(fā)展的趨勢，發(fā)掘出了隱藏在食品 3d 打印中巨大的經(jīng)濟效益，開始著手研究及推廣食品 3d 打印技術，迄今為止，雖說沒有什么大型的食品企業(yè)著手于食品 3d 打印，但是網(wǎng)絡上已經(jīng)開始出現(xiàn)已推廣加盟為主的食品 3d 打印企業(yè)，靠其前衛(wèi)的技術與發(fā)展理念逐漸吸引許多投資的目光。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)1.3 研究目的及意義研究目的及意義 隨著 3d 打印技術的不斷發(fā)展，未來的 3d 打印技術必將成為社會科技創(chuàng)新發(fā)展的主流，而在這之中，食品 3d 打印也肯定

25、能成為這個主流中不可或缺的科技力量，未來對于食品 3d 打印技術的發(fā)展肯定是一片光明，因為無論是研究者還是大眾，都已經(jīng)把目光聚集在了這門新興技術上，有人說第一次工業(yè)革命是蒸汽機，第二次是內燃機，第三次是電氣的運用，第四次則是信息化的進程，而現(xiàn)在越來越多的人將 3d 打印技術稱之為又一次嶄新的工業(yè)革命，那么隨著越來越多的關注，3d 打印技術的發(fā)展肯定會更好。 當今社會，人們對食品 3d 打印技術還是了解甚少，而對于自行式食品 3d 打印技術，就更罕有人知道。那么隨著食品 3d 打印技術的不斷發(fā)展，如何去設計和改進自行式食品 3d 打印機器人必將獲得足夠的重視，在現(xiàn)如今的食品 3d 打印技術中，還

26、是存在著許多的缺陷，如機器太大太笨重，食物必須以液體或者固態(tài)漿糊的形式才能進行打印等等，而對于家用式的食品 3d 打印機來說，還沒有得到真正的普及，就更不要說自行式食品 3d 打印機器人了。本次設計除了本著一個對自行式食品 3d 技術機器人的一個大膽的嘗試與猜想，希望本次設計能使越來越多的人們開始關注食品 3d 打印技術，也開始關注自行式食品 3d 打印機器人。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第第 2 章章 自行式食品 3d 打印機器人的初步設計2.1 食品食品 3d 打印機器人的種類與結構特征打印機器人的種類與結構特征食品 3d 打印機的基本原理食品 3d 打印是將食品搗碎或攪拌，

27、濃縮成漿，然后裝在食物儲蓄倉內，然后在電腦上的控制面板設計要打印出來的模型，最后通過通過食品 3d 打印機的噴頭一層一層的打印出來。2.1.1 食品食品 3d 打印機的種類打印機的種類現(xiàn)如今為止，食品現(xiàn)如今為止，食品 3d 打印包括打印包括 30 多種食品類型，主要分為六大類：多種食品類型，主要分為六大類：1. 糖果類2. 烘培類（包括面包，餅干，甜點等）3. 零食類（包括薯片等）4. 水果蔬菜類（各種水果和蔬菜的漿液）5. 肉類6. 奶制品（奶酪，酸奶等）圖 2-2 食品 3d 打印機打印食品造型如果按噴頭結構來劃分，則大體分為兩類：如果按噴頭結構來劃分，則大體分為兩類：1. 壓力式 通過壓

28、力裝置的加壓，將食物儲蓄倉內的漿液擠出噴頭，完成打印。圖 2-3 壓力式食品 3d 打印機的噴頭2. 熔融式 通過加熱裝置的加熱，將食物儲蓄倉內不易流動的固態(tài)食物變成液態(tài)，流出噴頭，在打印平面上冷卻凝固后完成塑形。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-4 熔融式食品 3d 打印機的噴頭2.1.2 食品食品 3d 打印與普通食品制造的比較打印與普通食品制造的比較食品 3d 打印的優(yōu)點：1. 產品多樣且不增加成本，普通食品的制造如果改變造型或者其他一些東西的話，從設計到生產可能要改變相當多的東西，而食品 3d 打印只需要一張新的設計圖和新的材料而已。2. 制造復雜食品造型不需要增加成本

29、，對于復雜造型來說，3d 打印比起傳統(tǒng)的食品加工要更加方便，因為食品 3d 打印無論是打印一個圓柱也好還是打印一個復雜的造型也好都是幾乎相同的工作量。3. 減少廢棄的副產品，如果是普通的食物加工，或多或少都會出現(xiàn)邊角余料，但是如果對于食品 3d 打印來說，那么久基本等于沒有。4. 設計空間很廣，食品 3d 打印較傳統(tǒng)食品制造可以加工出更加復雜而造型奇特的食物，而不需要考慮傳統(tǒng)食品加工具有很大的局限性，食品 3d 打印可以突破這些限制。5. 零時間交付，當客戶需要制造特定的食品造型時，如果是使用普通的食品加工設備，則要進行改進甚至重新設計或購買新的食品加工設備，但是食品 3d 打印機可以直接將新

30、的食品樣式打印出來，十分便利。食品食品 3d 打印的缺陷：打印的缺陷：1. 制造速度慢，食品 3d 打印制造食品是一層一層將食品打印在打印平臺上，相較于傳統(tǒng)的食品制造例如烘培等方法，成型較慢。2. 表面比較粗糙，相比于傳統(tǒng)的食品制造，3d 打印打印出的食品因為技術還不夠成熟所導致的成型的食品表面會很粗糙，影響美觀3. 材料的限制，普通食品制造的材料可以多種多樣，但是用于食品 3d 打印的材料只能是磨成漿液的食物原材料。4. 打印的穩(wěn)定性較差，作為一門新興的技術，因為其不成熟，所以一臺食品 3d 打印機相比較于普通的食品制造設備來說，它的使用時間和壽命都不如普通的食品加工設備。5. 價格偏高，食

31、品 3d 打印作為一門新興的技術，一臺食品 3d 打印機的價格相比較于同等的普通食品加工設備，成本太高，導致使用范圍很小。2.2 自行式食品自行式食品 3d 打印機器人的基本結構與特征打印機器人的基本結構與特征2.2.1 自行式食品自行式食品 3d 打印機器人的優(yōu)劣勢打印機器人的優(yōu)劣勢在食品 3d 打印機還沒有全面普及時，一種致力于小型的便捷攜帶的，用于家庭或者個人能夠突破傳統(tǒng)食品 3d 打印機在打印場地限制的自行式食品 3d 打印機器人走向人們精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)的眼前。自行式食品 3d 打印機在原有的食品 3d 打印機基礎上進行了小型化和輕量化的改進，并且使他能夠進行

32、一定的移動，改變了以往食品 3d 打印機只能固定在一個位置上的打印的問題。圖 2-5 自行式全向輪機器人2.2.2 自行式食品自行式食品 3d 打印機器人的基本結構設計打印機器人的基本結構設計自行式食品 3d 打印機器人分為三部分，一部分是底下的驅動部分，一部分是中間的升降部分，最后是食物的儲藏與打印部分結構設計要點1. 結構簡潔，同時在保證精度的前提下，要保證該自行式食品 3d 打印機器人能夠實現(xiàn)在原地任意方向運動的能力，而且還要具有良好的穩(wěn)定性，除此之外，因為該結構并不是用于大規(guī)模生產食品的 3d 打印機器人，而是用作家用機器人，所以應該保證該自行式食品 3d 打印機器人的結構易保養(yǎng)和維修

33、，所以設計要結構簡潔。2. 運動可靠，一定要保證結構的運動完整可靠，要保證自行式食品 3d 打印機器人在X，Y，Z 三個方向運動的同時也要保證其食物儲藏與擠出裝置的工作，兩種運動同時滿足，才能使自行式食品 3d 打印機器人能夠正常穩(wěn)定的工作。3. 具有一定經(jīng)濟性，因為設計一款產品最終都是要面向社會的，而這款自行式食品 3d打印機則是面向未來的新概念社會用于制造簡單有趣的食品造型的一種新型的家用的小型食品 3d 打印機，所以要保證它所有的價格要在普通人能夠承受的起的范圍內，所以在選擇材料等方面要注意，同時要保持其外觀的吸引性，能夠促使一般人能夠喜愛和購買這款自行式食品 3d 打印機器人。最終采用

34、的結構設計方案如下精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-6 自行式食品 3d 打印機器人三維圖1. 驅動部分驅動部分包括底部的輪軸驅動部分和升降驅動部分驅動部分采用麥克輪結構，由電機電機連接聯(lián)軸器帶動特殊的萬向輪進行運動，從而保證該驅動裝置能自由的在 X，Y 直線方向自由運動，保證自行式食品 3d 打印機器人在 X，Y 移動，同時由于萬向輪的特殊性，可以不光做直線運動，也可以做使底盤旋轉，所以采用分別的電機來驅動萬向輪，在自行式食品 3d 打印機器人要旋轉時，通過不同的電機的運行與停止達到底盤的旋轉，從而保證 X，Y 旋轉方向上的自由度。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖

35、 2-7 驅動部分的三維簡圖升降部分升降部分采用滾珠絲杠副結構，滾珠絲杠能將旋轉的運動轉化為直線運動，通過軸承的帶動，帶動螺母內的滾珠進行運動，從而使螺桿與螺母產生相對運動，該結構能有效的消減摩擦力的影響。選用滾珠絲杠副具體要消除軸向的間隙，消除滾珠與螺母在軸向上的變形，得到更高的精度，同時正是因為滾珠絲杠的材質的硬度，能保證結構的剛性，同時滾珠絲杠升降結構的傳輸效率很高，而且耐用性很高，運動平穩(wěn)，同步性好，同時與液壓系統(tǒng)比較的話，保養(yǎng)比較簡單，故障率低。同時利用滾珠絲杠則滿足了自行式食品 3d 打印機器人在 Z 軸上的移動自由度。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-8 升降系統(tǒng)

36、三維簡圖2. 食物儲藏與輸送部分擠出裝置選用螺桿式擠出裝置，因為活塞注射式的擠出裝置，其擠出并不均勻，而且能連續(xù)打印，換料困難，對食品 3d 打印機的維修與維護有很大的影響，且對食品 3d 打印機的損耗很大，而螺桿式的食品擠出裝置，因為其螺旋剪切作用，使擠出的食物濃漿充分混合，使擠出的成品能夠質地均勻，而且能夠更好的上料，且能夠更有效的進行維護和保養(yǎng)，同等食品 3d 打印條件下，螺桿式對打印機的損耗也較小。雖然就價格來說，一般的螺桿式結構要比同等條件下的活塞注射式的擠出裝置要貴一些，但是就其他各方面來說，還是在價格可接受的范圍內選擇螺桿式結構。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-

37、8 食物儲藏和擠出系統(tǒng)三維簡圖2.2.3 自行式食品自行式食品 3d 打印機器人的基本功能的實現(xiàn)打印機器人的基本功能的實現(xiàn)利用步進電機驅動聯(lián)軸器連接軸接麥克輪，來保證麥克輪的自由轉動，然后升降部分由步進電機連接聯(lián)軸器連接滾珠絲杠，保證最后的 3d 打印平臺能上下運動。食品儲存與輸送部分由步進電機驅動。使儲藏在食物儲藏管里的食物被擠出噴頭，完成 3d 打印，這樣既保證了結構的強度和各個方向的運動，也保證了其輕便性，使其便于攜帶與運送。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第第 3 章章 自行式食品 3d 打印機器人驅動部分設計及計算3.1 驅動系統(tǒng)的

38、底盤設計計算驅動系統(tǒng)的底盤設計計算 3.1.1 底座設計底座設計食品 3d 打印機器人可要求的最大轉速:100mm/s整機重量：不超過 1 千克工作溫度:室溫環(huán)境下 1035C底座材料選擇因為追求結構的輕量化所以選擇塑性材料作為底座底板的材料底盤材料最終尺寸：MM150 150 43底座的傳動系統(tǒng)設計輪子最大轉速:100mm/s整機重量：不超過 1 千克工作溫度:室溫環(huán)境下 1035C相對濕度不大于 80%；周圍無震動，無腐蝕性介質和無較強電磁場干擾的環(huán)境中；在穩(wěn)固的基礎上正確安裝，水平度不超過 0.2/1000.結構設計 保持結構的簡單性和輕便性，選用步進電機直接連接萬向輪的方法電機彈性聯(lián)軸

39、器軸萬向輪3.1.2 底座的電機選擇底座的電機選擇底盤承重 3kg最大移動速度 100mm/s摩擦系數(shù) 輪子主體為橡膠材料，摩擦系數(shù)為 0.5聯(lián)軸器傳動效率 ： 199%滾動軸承的傳動效率 ：298%則總傳動效率： 總120.9702則f = mgw = 3 9.8 0.5 = 14.7 = 14.7 0.1/0.972 = 1.51取安全系數(shù)為 1.21.21.51=1.812w出P根據(jù)參考資料可知，最終選擇電機額定功率為 1.92w，額定電壓為 6v，額定電流為 0.16A，額定轉速為 21r/min。尺寸為25mm05圖 3-1 電機圖樣精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3.1.

40、3底座的萬向輪選擇底座的萬向輪選擇萬向輪根據(jù)底盤尺寸和萬向輪最大載重選擇，首先要保證能夠承受自行式食品 3d 打印機器人的重量，還要保證其正常運作下的自行式食品 3d 打印機器人的打印精度，綜上，選擇直徑為 58 毫米的萬向輪，其參數(shù)如下車輪車輪直徑直徑 58MM 輥輥直徑直徑 13MM 閥閥體材體材質質 尼龍 輥輥材材質質 TPR 負載負載容量容量 3Kg 產產品重量品重量 60g 圖 3-3 萬向輪3.2 驅動系統(tǒng)升降部分的設計計算驅動系統(tǒng)升降部分的設計計算3.2.1 升降裝置系統(tǒng)電機的選升降裝置系統(tǒng)電機的選擇 3D 打印食品機的電機為 XYZ 三坐標進給機構中的步進電機。本次設計對電機的

41、要求高，故采用步進電機，XYZ 軸的進給系統(tǒng)運動直接影響打印精度。驅動系統(tǒng)的運動性能一樣采用同種步進電機。 （1）升降部分的步進電機的選擇 選用進給系統(tǒng)的動力源時，主要需要考慮轉動力矩的大小應滿足使用要求，響應要迅速，不產生丟步現(xiàn)象等等。計算電機力矩，根據(jù)電機的力矩選擇電機的型號。 （3-1）mgF計算得：NF1 . 1111 . 0絲桿軸的直徑為 16mm，則所需力矩為 精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)10002FT計算得：mNT0055. 010002161 . 1考慮滾珠絲桿副的摩擦和轉動慣量等因素，同時，步進電機在速度變化時應該保證恒轉矩，所以安全系數(shù)選 3 比較穩(wěn)妥，故電機

42、力矩為 mN 0165. 030055. 0故選步進電機型號為 LC57HS0601 步進電機，其靜力矩為 ,步矩角 ,相電流 0.5A ,重mN 065. 009 . 0量為 0.12kg,尺寸為。mm2057573.2.2 升降部分聯(lián)軸器的選升降部分聯(lián)軸器的選擇擇 在本次的設計上，采用的是步進電機直接通過聯(lián)軸器帶動絲桿軸，這樣就減少了減速箱這一部分的結構設計。在聯(lián)軸器的選擇上，在不考慮工作臺的基礎上，本次的設計的是驅動機構中的步進電機的聯(lián)軸器，軸頸較小，扭矩也較小。步進電機聯(lián)軸器，主要用于聯(lián)接步進電機軸與其他軸來傳遞扭矩，并且需要有精密的傳動能力。應該具有以下的特點，沒有間隙，聯(lián)軸器的整體

43、在傳動運行的過程中不能有間隙；合適的的剛性，聯(lián)軸器不可以出現(xiàn)傳動的滯后性，否則將嚴重影響步進電機傳動的和工作的精度。比較小的慣量，在強度的基礎之上，應降低步進電機聯(lián)軸器的重量。柔性應該較好，有精密要求的的步進電機聯(lián)軸器，不僅需要剛性高，同時需要校正在安裝過程中產生的主動軸與從動軸之間的各種各樣的誤差。選擇彈性柱銷聯(lián)軸器，GB/T 5014-2003，型號為 LX1，公稱轉矩為 250Nm，軸頸 18mm，D 為90mm，b 為 20mm，質量為 2kg。圖 3-2 彈性柱銷聯(lián)軸器精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第第 4 章章 自行式食品 3d

44、 打印機器人擠出裝置的設計計算4.1 擠出裝置部件的設計擠出裝置部件的設計 在本次設計的擠出裝置是應用單螺桿擠出機的原理，參照其原理進行簡化設計。我們擠出的材料為熔融的巧克力。把這種擠出機也稱為熔體擠出機。熔體擠出機的功能是泵送、加壓和混合熔體。從這些功能看亦可認為熔體擠出機是一種特殊形式的螺桿泵。根據(jù)熔體擠出機的功能要求，與塑化擠出機相比，有下列特點。 螺桿直徑可選用較大尺寸。這是因為輸送的熔體質是受螺桿直徑和螺槽深度影響較小，如最大宜徑可達 300 mm。螺桿長徑比較小，一極不超過 22 mm。顯然這是由于熔體擠出螺桿不擔負固體輸送和熔融物料的緣故。螺桿結構不一定采用三段式分段，如采用長區(qū)

45、漸變式全錐形結構。一般只要求裝設混和元件，僅在特殊需要時才裝設剪切元件。為防止剪切過熱螺桿速度可取較低值。同時需要的驅動功率也較小。根據(jù)自熱擠出原理，若取高螺桿轉速時，加熱功率必然很低。機筒加熱器的主要作用是保持熔體溫度。因此需要的加熱功率較低。一般進料區(qū)不設冷卻裝置。擔負輸送熱敏性物料的擠出機，為防止過熱，可沿機簡裝設冷風系統(tǒng)濕度控制系統(tǒng)較簡單。一般不配置加料斗或料倉，而用熔體管直接輸入熔體。在聚合物加工工業(yè)小應用熔體擠出機作熔體輸送、配科等工作。4.1.1 擠出裝置系統(tǒng)電機的選擇擠出裝置系統(tǒng)電機的選擇 擠出裝置系統(tǒng)的動力系統(tǒng)有下列的要求。首先分辨率應該高，速度調節(jié)方便快速，受環(huán)境等因素的影

46、響小，并且額定功率小，并且可用在數(shù)控開環(huán)的系統(tǒng)。而 BF 系列步進電機是反應式步進電動機。綜合以上的因素，我們選用了型號 LC57HS0602 的電動機作為本次設計主運動的動力源。額定功率為 0.37kW，額定轉矩 0.882Nm，外形尺寸 75mm。 選用時主要有以下幾個步驟：根據(jù)需要的脈沖當量和綜合最大靜轉矩電機型號，來初選步進電機號，并從機械設計手冊中查到步距角,由于 （3-3） poiL360b綜合考慮，初選了，i =2.08，可滿足以上公式。步進電機最大靜轉距是指電機5 . 1b1M的額定的轉距。步進電機的最大啟動轉矩與最大靜轉矩的存在一定的比例關系是：mMjM （3-4）jMMm步

47、進電機的空載啟動是這樣定義的，一臺步進電機在沒有外加工作負載情況下的啟動，這時步進電機所需要的空載轉矩。動力式計算如下： (3-5)02MMMMfk在式中：Mk 為空載啟動轉矩；M2 為空載啟動時部件，由靜止一直到到最大快進速度，從而折算到電機軸上的加速產生的力矩；Mf 為電機在空載時，來折算到電機軸上的摩擦轉矩。 并且，我們需要保證初選電機型號時，需要滿足步進電動機的所需空載啟動力矩應該小于步進電機名義啟動轉矩。經(jīng)過計算和校核，步進電機 LC57HS0602 滿足要求。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)4.1.2 擠出裝置聯(lián)軸器的選擇擠出裝置聯(lián)軸器的選擇擠出裝置上的聯(lián)軸器的要求與驅動

48、系統(tǒng)上的有很大的不同。它傳遞的轉矩小，軸頸也較小，因此選用剛性聯(lián)軸器。選用聯(lián)軸器 LS9 -32-1214 L41，LS9 表示系列號，材料為鋁合金 。32 表示外徑尺寸為 32mm，定位螺絲固定 12mm，D1 軸徑為 12mm。4.2 螺桿的計算與校核螺桿的計算與校核4.2.1 螺桿的設計計算螺桿的設計計算 螺桿的材料選擇 38CrMoAIA 鋼。螺桿的幾何結構直接決定螺桿的性能。設計螺桿的主要任務就是確定其合理的幾何形狀及尺寸。 (1) 螺桿的徑向尺寸食品熔體輸送速率計算 螺桿直徑 Ds 系指螺桿外徑，其名義尺寸與機筒內孔直徑 Db 相等。螺桿的直徑是螺桿擠出的標稱尺寸。這是由于螺桿直徑

49、越大，機器產量越高，用螺桿直徑可大體估計機器的生產能力。取 Ds=32 mm。實際上機筒內徑與螺桿外徑之間存在徑向間隙 f。顯然有如下關系： （3-6）rbDD 21f代入數(shù)據(jù)得：2 . 06 .31325 . 0f螺桿螺紋表面與機筒內孔表面形成近似于矩形截面的物料流道，通常稱螺槽。螺槽深度 H 與螺槽內容料體積有關，是重要的幾何參數(shù)。當忽略徑向間隙時，螺槽深度即為螺桿螺紋高度。（2）螺桿的軸向尺寸 螺桿具有一般螺紋件的共同要素螺紋導程 S 和螺旋角。導程 S=32 mm。大多數(shù)單螺桿擠出機都配有單頭螺紋螺扦，因此螺距等于導程。螺旋角將螺桿的徑向尺寸和軸向尺寸聯(lián)系起來，具有如下關系： （3-7

50、）bDstan 代入數(shù)據(jù)得： 即螺旋角318. 03214. 332tan067.17螺槽軸向寬度 B 是沿螺桿軸向量取的螺槽寬度。同樣螺的軸向寬度為 b。4bmm 二者與螺距有下列關系： B=S-b=32-4=28mm定義垂直于螺紋方向量取的尺寸為螺槽法向寬度 W 和螺棱以向寬度 e，并有下列關系式： (3-8)coscosbSBW代入數(shù)據(jù)得： mmW3 .2767.17cos28mmbe9 . 3cos （3） 食品熔體輸送速率計算 根據(jù)上述的設計，螺桿直徑 Ds=32 mm，螺距 S=32mm，螺槽的深度為 4 mm，螺旋角。參照巧克力的物料參數(shù)，熔體粘度熔體密度067.17spa200

51、。 計算熔體輸送速率。31017. 1mp (3-9)LpDHnHDsQ2322sin121sincos21代入數(shù)據(jù)得：smQ/0031. 034.2.2 螺桿的校核螺桿的校核（1）強度校核 已知螺桿材料為 38CrMoAIA 鋼，許用應力，機頭的壓力 P=10 MPa，螺桿2/278mMN精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)的最高轉速，驅動電機功率為 1.5 kW，驅動裝置效率。 計算軸向min/80r95. 0力 由常規(guī)螺桿的經(jīng)驗關系式： （3-10）PAgPPa0941. 33059. 4帶入得：MNgPa0609. 0104810100941. 33059. 442由式： （3-

52、11）raAP計算壓應力：224/7 .246 . 51040609. 0mMN由式 （3-12）maxmax9549nnNM 計算扭矩：mNMn249595. 080229549由式 （3-13）610nnWM計算剪應力：2638/4 .72106 . 510162495mMN由式 （3-14） 24r計算螺桿強度： 222/14694 .7247 .24mMN校核結果：螺桿強度符合要求。（2）剛度校核 根據(jù)螺桿的材料為 38CrMoAIA 鋼，螺桿的許用扭轉角3 . 02/200mGNE 。 m/10由式 (3-15) 411167EDMn計算扭轉角： m/46. 0108102003 .

53、 012495116708-49校核結果：剛度符合要求。4.3 軸承的計算與校核軸承的計算與校核在本次設計中有多個軸，比如進給機構中的三根絲桿軸，擠出裝置機構中的一個傳動軸。由于擠出裝置中的軸是豎直安裝，所受載荷小。軸的結構也簡單，故不需校核其剛度和強度。本設計中對 XYZ 進給精度要求高，而且軸的跨度較大。比較 XYZ 軸所受載荷的大小，YZ 軸的安裝都是豎直的，所以其受的載荷相對 X 軸的工作臺要小些。且絲桿軸只考慮其彎曲形變。在這里我們選取了一個具有典型意義的軸，X 軸上所在的絲桿軸。4.3.1 初估軸徑初估軸徑軸的材料均采用 45#鋼，為加強其性能，采用調質處理。由機械設計手冊查得MP

54、a，查得 C=110，由公式得：MPab640精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) （3-16） 3npcd 確定該軸最最小軸處的軸徑。一般情況下，開一個鍵槽軸徑應增大 5%；開鍵軸可將估算的軸頸 d 的值增大 7%作為其小徑。由已知數(shù)據(jù)，求得軸徑并適當取整為：mmd8 .101000753 .4391103 由于所求 d 應該為受扭部分的最細處，即安裝帶輪處，此處的軸徑應該有一個鍵槽，故軸徑應該增大 5%。則：mmd34.118 .1005. 1min 取整得此處軸徑大小為，此處安裝聯(lián)軸器。軸的各處軸徑依次分別為mmd121，此處安裝角接觸球軸承；，此處尺寸的確定是根據(jù)軸承的安裝要mm

55、d162mmd123求來確定的。 4.3.2 軸的剛度校核軸的剛度校核將絲桿軸簡化為簡支梁。簡化過程：絲桿軸兩端有軸承支撐，分別簡化成 A、B 鉸支點。將 X 工作臺的重力簡化成集中力，并作用于中點處，因為處于中點時絲桿軸的撓度最大。也就是對工作臺的精度影響最明顯。設工作臺整體重量。NFC301)計算變形。絲桿軸橫截面的慣性矩為 (3-17)464DI代入數(shù)據(jù)得：4432151664mmI當 Fc 作用時會引起中點 C 處產生撓度和截面的轉角，分別為： (3-18)EIFlwc483 (3-19) EIFlBA162代入數(shù)據(jù)得：mmwc0074. 0102103215482003033radB

56、A0022. 01021032151620030322)校核剛度由于 X 軸進給精度為 0.01mm,所以許用撓度與許用轉角： mmlw440001. 001. 0 rad01. 0所以，,故滿足剛度要求。 wwc BA4.4 軸承的壽命計算軸承的壽命計算4.4.1 初選軸承型號初選軸承型號根據(jù)工作條件和軸頸直徑，初選軸 1 的支撐軸承型號為 C7205。有機械設計手冊查得：最大靜載荷，額定靜載荷,，,KNCr5 .16KNCr5 .10022. 0e00. 1X0Y4.4.2 計算軸承的當量動載荷計算軸承的當量動載荷 在 XYZ 進給系統(tǒng)中，軸的最高轉速為 682r/min，且軸承所承受的軸

57、向力較大。所以對于軸承進行校核。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)B 點所受的力 , NFnh2 .1811NFnv1 .14801D 點所受得力 ,NFnh6 .1722NFnv6 .14612在 B 點所受徑向載荷 （3-20）21211nhnvrFFF在 D 點所受徑向載荷 （3-21）22222nhnvrFFF代入數(shù)據(jù)得：,NFr14911NFr2 .14722因為在 B 點的徑向的載荷大于在 D 點的所受的徑向的載荷，所以按 B 點處軸承計算軸承壽命。4.4.3 軸承的壽命計算軸承的壽命計算因為本次設計工作環(huán)境溫度低于 120，由機械設計相關表查得溫度系數(shù) 1tf，所以該軸承

58、的壽命為： （3-22）pcfnLth6010610式中，C 表示額定靜載荷，P 表示所受的載荷，n 表示轉速，表示溫度系數(shù)。 代入數(shù)據(jù)tf得，故選用 7205C 軸承能滿足使用要求。hhLh120001305710精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第第 5 章章 結論與展望結論與展望這次歷時 4 個月的畢業(yè)設計，使我懂得了設計并不是嘴上說說，而是要經(jīng)過大量的考據(jù)與計算得來的，雖說以前也有過機械設計類似的經(jīng)驗，但是和畢業(yè)設計相比，要考慮的東西增加了太多太多，以前我總是片面的去考慮許多機械設計方面的問題，沒有考慮一個整體應該去考慮的東西，通過這次

59、畢業(yè)設計，使我的考慮更加全面，設計和計算的結構也更加完善。總的來說，從 12 月底制定命題，開始我因為從沒有過具體的設計的經(jīng)歷，而手足無措，不知道該如何下手，但是在不斷的學習與查閱資料后，我逐漸的找到了設計該自行式食品 3d 打印機器人的方法和手段，通過書籍和導師的幫助下慢慢的對設計該自行式食品 3d 打印機器人有了自己的看法和理解，從無到有，對于自行式食品 3d 打印機器人從內容到結構，經(jīng)歷了幾次對結構理解的錯誤后，終于在導師的指導下，找對了方向，最終成功的設計出來這樣一款自行式食品 3d 打印機器人。對未來而言，3d 打印技術正在成為這個社會的主流中的主流，食品 3d 打印自然而然的也是未

60、來食品制造的主流之一，對于未來來說，食品制造裝置的小型化至關重要，輕便簡潔的食品制造裝置既可以減少用地面積，也可以減少能源的損耗，至此，自行式食品 3d 打印機器人也將成為新一代人們關注的對象，從家用到工業(yè)生產，相信今后的食品制造業(yè)在不斷追求營養(yǎng)健康，花樣繁多，綠色環(huán)保的食品制造中一定對大力的支持和研究自行式食品 3d 打印機器人的。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)參考文獻參考文獻1 成大先.機械設計手冊M.5 版. 北京：化學工業(yè)出版社，2010.2 任嘉卉. 公差與配合手冊M.3 版.北京：機械工業(yè)出版社，2013.3 機械設計使用手冊編

61、委會. 機械設計使用手冊D. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.4.4 孫靖民，梁迎春. 機械優(yōu)化設計-5 版D. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.5.5 崇凱. 機械制造技術基礎課程設計指南-2 版D. 北京：化學工業(yè)出版社，2015.4.6 濮良貴，陳國定. 機械設計M.9 版.北京：高等教育出版社，2012.7 吳世嘉，張輝，賈敬敦. 3D 打印技術在我國食品加工中的發(fā)展前景和建議A，中國農業(yè)科技導報，中文核心期刊，2015.8 龍航. J. 杭州科技. 2013.59 一平. J.交通與運輸. 2013.610朱福珍,潘慶勇,張興福, J.農場經(jīng)濟管理. 2013.311Elena Ba

62、ssoli Andrea Gatto Luca Iuliano Maria Grazia Violante. Rapid, J. Prototyping Journal, 2007,312Daniel Gnther Bastian Heymel Johannes Franz Gnther, Ingo Ederer. J. Rapid Prototyping Journal. 2014 ,413Periard Dan,Schaal Noy,Schaal Maor,et al. Printing food. 18th Solid Freeform Fabrication Symposium (SF

63、F 2007) . 200714Millen Caleb,Gupta Gourab Sen,Archer Richard,et al. Investigations into colour distribution for voxel deposition in 3Dfood formation. International Conference on Control Automation and Information Sciences (ICCAIS 2012) . 201215Jin Gong,Mariko Shitara,Ryo Serizawa,Masato Makino,M.J Materials Science Forum . 2014 精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)致致 謝謝這次機械的畢業(yè)設計，使我對機械方面加深了了解，鞏固了我以前學過的知識，加強了我對機械方面的認識，使我對以后的機械方向有了更深的了解，對我今后的發(fā)展有了十足的信心。 在這里我要感謝我們張老師對我的悉心教導，也要感謝我的同學們對我的熱情幫助，是他們給了我指導和建議，使我能完成此次的畢業(yè)設計，最后，感謝學校，能夠培養(yǎng)我，讓我從一個高中生，用了四年的時光，走向了社會，走向了人生中邁向社會的起點。.精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)