基于3D打印技術(shù)的空間槽輪機構(gòu)的研究與模型制作

于奉天 信麗華 李世賢

[摘要] 隨著機械工業(yè)化的發(fā)展，空間槽輪機構(gòu)在各行各業(yè)中的實際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。本文主要介紹了一種基于傳統(tǒng)空間槽輪機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計、研究及制作，基于UG·NX的三維建模和設(shè)計，并應(yīng)用3D打印技術(shù)的加工制作來進行闡述，設(shè)計并改進提出的創(chuàng)新方案，然后進行方案可行性驗證，以期該創(chuàng)新機構(gòu)具備沖擊和振動更小、磨損更低、運行更平穩(wěn)、耐用性更強，具有更加優(yōu)異的性能。

[關(guān)鍵詞] 空間槽輪；三維建模；運動仿真；3D打印

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2015.24.057

1 引言

槽輪機構(gòu)是機械傳動在當今社會中應(yīng)用最為廣泛的傳動裝置之一，它具有構(gòu)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(gòu)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(gòu)，當主動曲柄軸作等速轉(zhuǎn)動時，從動球面槽輪軸呈間歇分度運動規(guī)律，它不僅能較平穩(wěn)地，間歇進行轉(zhuǎn)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(gòu)，在實際生產(chǎn)中用于包裝機械、自動化生產(chǎn)線及某些自動機構(gòu)中，以實現(xiàn)分度轉(zhuǎn)位和間歇運動。本文介紹設(shè)計以曲柄撥銷軸為主動軸，驅(qū)動球面槽輪的空間槽輪機構(gòu)，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(shù)加工制作完成。

2 傳動原理及創(chuàng)新設(shè)計

如圖1所示，這一機構(gòu)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(xù)回轉(zhuǎn)，從動件以一動一停的周期性運動做間歇回轉(zhuǎn)。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(tài)，槽輪因撥銷的作用而轉(zhuǎn)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(gòu)間歇運動的一個周期。此結(jié)構(gòu)實際為兩構(gòu)件的球面機構(gòu)，無論槽數(shù)多少，槽輪每完成一次運動，撥銷都要轉(zhuǎn)過180°。也就是說空間槽輪機構(gòu)的運動與停歇的時間比為1：1。而平面槽輪機構(gòu)的動停比永遠小于1：1。

撥盤以等角速度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，便會產(chǎn)生驅(qū)動槽輪的分力。所以在傳動過程中，存在不平衡性。但當槽數(shù)較多（Z≥8）時，平衡性較好。

空間槽輪機構(gòu)以結(jié)構(gòu)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(gòu)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(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、表面光澤度好、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(shù)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(wěn)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?shù)膹姸?，制品的使用溫度?40℃～lOO℃。ABS各等級的線膨脹系數(shù)從6.4×10_-5/℃～11.0×10_-5/℃，在熱塑性塑料中是線膨脹系數(shù)較小的一種。

（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。

（4） 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；不溶于乙醇等大部分醇類，但在甲醇中數(shù)小時就軟化；與烴類溶劑長期接觸會溶漲；ABS樹脂在應(yīng)力作用下其表面受醋酸、植物油等化學(xué)試劑的侵蝕會產(chǎn)生應(yīng)力開裂。

通過文獻可知，槽輪機構(gòu)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(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構(gòu)具有以下幾點優(yōu)勢：空間槽輪機構(gòu)的運動特性及動力特性均優(yōu)于平面槽輪機構(gòu)；在相同的阻力矩條件下驅(qū)動力矩比平面槽輪機構(gòu)??；造價低廉。

綜上所述，以ABS為主體材料進行空間槽輪機構(gòu)的3D打印，完全符合設(shè)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(yīng)用中，在設(shè)計要求的允許范圍內(nèi)，盡可能地增加輪槽槽數(shù)，也可以提高一定的穩(wěn)定性。所以ABS為主體材料的3D打印的空間槽輪機構(gòu)在一些非極端惡劣的環(huán)境中可以完全勝任工作。

3 UG·NX建模設(shè)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(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(wěn)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(wěn)。

4 3D打印技術(shù)的加工制作

空間槽輪機構(gòu)的設(shè)計加工，3D打印設(shè)備采用的是國產(chǎn)品牌太爾時代的UP！系列中的便攜式桌面3D打印設(shè)備。配合其配套的UP軟件進行模型的打印預(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。

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)計是可行的，其具備運行平穩(wěn)，耐用性強，具有更加優(yōu)異的性能。在實際應(yīng)用中是可以發(fā)揮重要作用的，稍加改善便可以應(yīng)用到各種機械傳動的加工環(huán)節(jié)。加工制作實物后，基本滿足設(shè)計要求，運行結(jié)果令人滿意。我們能希望通過此次的創(chuàng)新設(shè)計，使其成為一個更加穩(wěn)定可靠的工作部件，為更多的生產(chǎn)加工線提供更好的部件選擇，在今后的發(fā)展中得到更切實的應(yīng)用實踐。