3D打印机的设计资料

1、3D打印机总体方案及结构设计题目：3D打印机设计专业班级 机械电子工程1班届 次 2013届学生姓名揭硕学 号指导教师二。一六年十月十二日、总体框架的设计系统概述系统由输人设备制定部分参数，从存储设备或者直接从计算机中得到事先建好的三维模型，由单片机对模型进行分析，切片，建立必要的支撑结构，再从单片机输出控制指令，控制喷头型材料融化，并通过一定的驱动电路驱动电机 ，带动喷头进行 X、Y、Z三个方向的移动并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。每打好一层，从外部设备读取下一层的参数再打印下一 层，直到全部模型完成。完成 模型的打印之后，还需要后期的材料回收工作。供粉缸XY平面运动打印头OOO左右

2、运动OOOZ向上下，,卷成型缸系统框架输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值-单片机分析-温度控制回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备打印耗材的选用为了实现3 D打印机的功能，所选材料也很重要。既要由较低的熔点，也要有较好的粘滞性，同时也需要快速成型。综合考虑，我们最终选择了 P L AA /B S耗材。设计思路概述ABS/PLA耗材熔点为230c左右，分解温度260c以上，故其通常成型温度在 250 c以下。 控制回路使用温度传感器返回当前温度，反馈回路保证了温度保持恒定 ，控制器统一使用了单片机来输出指令(3)控制回路方框图如下：设置的空气温度一单片机一 D/A转换器一

3、加热电路一当前温度一温度传感器一A/D转换器-单片机x y z三方向控制电机的设计采用化繁为简的思路 ,将三维打印转化为二维进而转化为一维打印。 即 Z 方向采用步进电机,由步进电机固定的给量算出所需的步进角,用这种方式将三维打印先转化为每一平面内的二维打印,再由 Y 方向也为步进电机带动,则每一平面内的二维打印又转化为很多条直线上的一维打印。喷头移动及喷出量调节的设计熔融挤出系统对喷头系统的基本要求是 :将成型料丝送人液化器中 ,在其中及时而充分地熔化,由固态变为熔融态,然后再进一步从更小直径的喷嘴中以极细丝状挤出,按扫描路径堆积成型。而且送丝速度要与扫描速度相匹配, 以保证均匀一 致的材料

4、堆积路径。成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点 :1) 供应功能 :将料丝从丝筒上拉出 ,提供成型材料 ;2) 熔丝功能与料丝送进功能:将送进的固态料丝及时且充分地熔化成为熔融状态并将料丝送人液化器;3) 流道功能 :提供熔融态材料稳定流动的通道;4) 定径功能 :对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积;5) 出丝速度匹配与出丝起停控制功能:出丝速度可控,能根据扫描速度进行调整,实现互相匹配。 出丝应能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径起停处。在采用熔丝挤出方式的工艺原理时,就是借助液化器中未熔丝材的活塞作用,将熔融材料挤出喷嘴 ,

5、出丝推力近似等于送丝驱动力 ,所以在此特定的工艺原理中 ,送丝功能和基础功能是等效的。喷头实现方法设计基于所选择的打印耗材,喷出技术采用熔融沉积成型技术,根据片层参数控制加热喷头沿模型断面层扫描, 同时控制熔融液体的体积流量 ,使粘稠液体物料均匀地铺洒在断面层上。液化器中使用电热丝提供热量使料丝熔融。 熔融挤压快速成型工艺对温度的要求极其严格 , 喷头出丝温度和成型室的温度严格处于一定的温度范围之内,且一旦设定温度控制值之后须保证其温度保持在平稳状态,不能产生较大的扰动,否则成型质量将受到影响。这就要求液化器温度必须保持稳定。因此,我们需要加入上述的温度控制回路来严格控制液化器的温度。二、 机

6、械结构传动方式的选择直线导轨可分为： 滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种， 前者速度快精度稍低， 后者速度慢精度较高。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件， 其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。1） 与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。 与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2）高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别

7、是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3）微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象能保证实现精确的微进给。4）无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压 , 由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 ,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。5）高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动 ）。转动惯量的计算滚珠丝杠根据国家标准JB/T9893 1999选用长度L=1.0m,公称直径 D=12mm

8、,公称导程 mmPh40对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为：Jt=Z1+1/i2Z2+JS+JW(kg.m2)+=其中i为两齿轮的传动比，此处取 i=Z1/Z2=1其他符号说明如下：Z1齿轮l及其轴的转动惯量；J1=0.0018kg.m2Z2齿轮 2的转动惯量，取 J2=0.0018kg.m2 x =；Js丝杠转动惯量，kg.m2 x ；Jw-为工作台折算到丝杠上的动惯量；W工作台重量，工作台轻，取 6kg;S丝杠螺距，4mm；g重力加速度，9.8m/s2;圆柱体的转动惯量：J=1/8MD2M圆柱体质量；D圆柱体直径；而且选用丝杠的密度(类于铁)为 7.8g/m3=r；滚珠丝杠的转

9、动惯量为：JS=1/4 兀 D2Pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10 -5( kg.m2 )Jw=6*0.0042/(9.8*4 兀 2)=2.487( kg.m2 )从而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。可见，Jt很小一一主要由两个齿轮的转动惯量来决定，从而对电机的功率输出要求不苛刻，在功率不高情况下，可以实现高转速。这是一个小惯量的系统，该系统启动，加速，制动的性能好，反应快，比较理想。此类电机最高转速一般是3000r/min上下，取3000为参考研究按360dpi的分辨率来考虑，则每英寸 25.4mm对应360个色点，每两个色点的距离为

10、d=0.07*2=0.14mm25.4/360=0.07mm, 又打印喷头为双排的，所以，打印喷头周期移动距离 喷墨一次，喷粘剂一次，两个喷头喷出同步；设定机械精度： 0.005mm ，对应的脉冲当量:由 i=1 ，求得丝杆转一圈，喷头前进4mm 。则机械精度对应丝杆转一周，上位机应该发出的指令脉冲为 4mm/0.005mm=800 （个）则对应转速约为 3000 ， 上位机脉冲能力至少800*3000/60=40000r/s ； 对应 6000 转的转速，则上位机脉冲能力 80000r/s ，电子齿轮比不变.CMX ：电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。CDV ：电子齿轮比的分母是上位机的

11、给定脉冲（指令脉冲） 。电子齿轮比=CMX/CDV=（131072X 100） / 80000=6553600/200000=32.8。在此计算电子齿轮比的目的电子齿轮比把上位机的给定脉冲要换算成与电机编码器反馈脉冲同等意义的信号， 便于控制中心按给定指令要求控制伺服转动定位。 此外， 通过上位机的脉冲能力的估算，对比实现的可能性，得知我们方案的合理性。喷头的选择选用 Konica512L 型号，实现宽度尽可能满足，分辨率满足，控制 X 轴方向运动， Y 轴 方向由另一电机控制，控制方式类似，单次位移为36.1mm,精度控制一样。双排式排列方式， 使得走完一个幅面的时间相对于单排式减半，利于打

12、印速度的提高。三、电机的选择伺服电机和步进电机的对比控制电机的比较与选取： 电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类。伺服有速度控制和位置控制模式。伺服电机步进电机控制类型闭环控制开环控制控制精度两相混介式步进电机步距角一般为1.8。、0.9。,五相混合式步进电机步距角一般为。72。、0.36°带17位编码器的电机而茁 驱动器 每接收131072个脉冲电机转一圈, 即其脉冲当量为 360°/131072=0.0027466°,是步 距角为1. 8。的步进电机的脉冲当收的 1/655低频特性步进电机在低速时易出现低频振动现象交流伺服电机运转非常平稳

13、,即使在低速时也不会出现振动现象矩频特性步进电机的输出力矩随转速升高而 下降,且在较高转速时会急剧下降, 所以其最高工作转速一般在300 600r/min交流伺服电机为恒力矩输出，其额定 转速一般为2000r/m in 3000r/m in,都能输出 额定转兔办在额定转速以上为恒功率 输出过我能力在选型时为了克服这种惯性力矩.往往需要选取较大转矩的电机，而 机器在正常工作期间又不需要那么 大的转矩，便出现了力矩浪费的现 等。步进电机一般不具有过我能力，在选 型时为了克服这种惯性力矩，往往需 要选取较大转矩的电机，而机器在正 常工作期间又不需要那么大的转矩, 便出现了力矩浪费的现象.运行性能交流

14、伺服驱动系统为闭环控制，驱 动器可匕接对电机编码器反馈信号 进行采样,内部构成位置环和速度 环，一般不会出现步进电机的丢步 或过冲的现象,控制性能更为可靠。在选型时为了克服这种惯性力矩,往 往需要选取较大转矩的电机，而.机器 在正常工作期间又不需要那么大的转 矩,便出现了力矩浪费的现象。速度响应性能交流伺服系统的加速性能较好，从 静止加速到其额定转速3000RPM 仅需几毫秒,可用于要求快速扃停 的控制场合。步进电机从静止加速到L作转速（ 般为每分钟几百转）需要200-400 毫秒。交流直流伺服电机对比在 20 世纪 60 年代， 最早是直流电机作为主要执行部件， 在 70 年代以后， 交流伺

15、服电机的性价比不断提高， 逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。 控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制， 包括力矩、 速度和位置等。 我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90 年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。伺服电机可以考虑直流和交流两种： 但直流电动机都存在一些固有的缺点， 如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的 最高速度受到限制，也使应用环境受到限制， 而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大， 制造成本高。 而交流电动机， 特别是鼠笼

16、式感应电动机没有上述缺点， 且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10 %70%,此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。PMSM 主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似， 采用三相对称绕组结构， 它们的轴线在空间彼此相差120 度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。负载转矩的计算PMSM 定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且 n 与 ns 相同（同步） 。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁

17、场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。（同性相斥，异性相吸）其中。为失调角，也称功率角；K与定子端电压和转子磁势（磁密）的乘积成正比。Fy和Fs分别是转子、定子的磁势或磁密；p为极对数。当。为90度角时，对应最大转矩，称最大同步转矩。对之前我们算得的负载转矩 Jt=3.0*10-3kg.m2 进行惯量匹配。根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩 T =系统传动惯量J X角加速度a角”。加速 度a影响系统的动态特性，a越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长， 系统 反应越慢。如果a变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望 a的变化小，则

18、J应该尽量小。传动惯量对伺服系统的精度， 稳定性， 动态响应都有影响。 惯量大， 系统的机械常数大， 响应慢，会使系统的固有频率下降， 容易产生谐振，因而限制了伺服带宽， 影响了伺服精度和响应速度， 惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利， 因此， 机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。通常负载的惯量不要大于电机惯量的 5 倍，最大不要超过 10 倍。对于功率P=2兀*nT/60对旋转运动的物体来说，转矩和惯量的关系正如直线运动物体的受力和质量的关系。打印速度的初步估计每打一个，计划在 丫轴方向移动10次，使宽度达到361mm=对此，计算口头走完 1个幅面的时间T,计划彩印周期

19、T秒，暂时忽略10次Y方向移动时间，有：电机一转对应丝杆1 转对应 10 个导程共 4mm ， 360mm 需要电机转90r， 最高转速时，电机每秒转50r,对应时间为1.8s。则10个来回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间6s;走完一个幅面，需要大概24秒，加上其余误差时间，30秒就可以完成一个幅面，T=30s ，基本实现1 分钟打印 2 页的要求。求电机匀加速需要时间。电机300ms,表示静止加速到额定转速的时间，角加速度为a =50*2 兀 /0.3=1047rad/s2M=Ma+MfMa=(Im+It) aMf=科 WS/2 兀 r c式中Ma 电机启动加速力矩；Jm, Jt

20、电机自身惯量与负载惯量(kg - m3);Mf 导轨摩擦折算至电机的转矩(N m)科一一摩擦系数，取 0.1;Y传递机械效率，在此取 0.15。滚动螺旋传动的传动效率取 0.95 ； 滚动球轴承传动效率为 0.99； 齿轮的传动效率为 0.93；总传动效率为：Y =0.95*0.99*0.93*0.99=0.866= ''=h导轨磨擦折算至电机侧的转矩：Mf=0.1*6*0.004/(2兀*0.866*1)=4.4*10-4需要的输出力矩为 :T=J a +Mf=(3.0*10-3+0.388*10-4)*1047+4.4*10-4=3.18N.m出力力矩 T=3.18 ，小于

21、最大出力力矩=3.81 ，满足要求。四、传感器温度传感器对比方式接触式非接触式感温元件要。被副对象良好接触;感温 元件的加入几乎不改变对象的温度:被 测温度不超过感温几件能承受的卜限 温度:被测对象不时感温元件产生腐蚀需准闹知道被测对象表而发射率：被溶对象的辐射能充分超射到检测元件t溺量范围特别适介”00 C以下、热容大、无腐 独性对象的连续在线测温，对映于 】30(rc以上的瀛度测俄较困难原理上测量范围可以从超低温道及 高温,但1000C以下，测量误格大， 能测运动物体和热容小的物体温度精度【业用表通常为1.0. 1.5, 0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.

22、5级响应速度慢,通常为几1秒到几分钟快，通常为23$n他特点整个测温系统结构筋单、体积小、可靠.维护方便,价格低廉,仪表读数直接反 映被测物体实除温度:可方便地组成多 路案中测盘。控制系统整个潮温系统结构且杂、体积大】调整麻烦、价格昂贵；仪我也强通 常只反映被测物体表现温度(需进赤转换其不易组成测温.、控温体化的温度控制装置温度传感器的接触式特别适合1200c以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温,并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以可方便地组 成多路集中测量与控制系统。蒯温方式传感器类型测温莉围（Dffi 度(%)特点水银lOOYOO011玷构简单.耐用，

23、但樵温部体积较膨取金属-50-5001-3大喉不液-100 600式力气200 600热色嘛1000-28000.30.5种类多,适应性强,结构简雎，应电柏卷柏0M6000 2 0.5用广泛:需注意冷端温度补隹及动接触式偶It他.200 120()0%1.0圈式仪表电阻对测量结果的影晦AM句-200-60001-0.3标准化程度高，精度及出敏度均较电银-150-3000.2-0.5好；感温部大，需注意环境温度1门阻50-1500.1-0.3影响热敏电阻-50-300O.3W5体积小.响应快，灵敏度高:线性差，需注意环境温度的影响非接触辐射温度计100-35001非接触测温，不干扰被测温度场，式

24、光高温计200-3200摘射率影响小.应用简便，不能用于低温热电探测器200-20001北接触测温，不干扰被测温度场，热敏电阻探测器-50200响应快,测温范围大，适于测温度光f探测器0-3500分布,易受外界扰，定标困难上面表分析，非接触时的对于1000摄氏度以下误差较大，应该采用接触式的温度传感器。其中，热敏电阻的铜的温度测量范围在-50150C,精度在0.1%0.3%之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲铜更加适合作为温度传感器。机械位置传感器支持直线运动的传动方式主要就是螺杆，和皮带两种，螺杆的精度比皮带高， 载荷也大,但速度低一些。三维打印机的打印头基本不受力，对载荷没有要求，打印机的运动特点时，在水平两个方向上速度越快越好，在垂直方向上精度越高越好，速度无所谓（打完一层才动一次）。因此打印机的传动设计一般都是在水平方向使用皮带（同步带）,垂直方向用螺杆。压力传感器还有固体粉末压力传感器用于检测两个喷头分别对应的三原色颜料用量和粘剂的用量，当使用情况检测。但物量不够的时候，反馈，提醒用户加入颜料、粘剂或粉末。对应以上表 格，可以采用电位器来做测量，且能达到比较高的精度。电测式压力计态压力,由于电压元件存在电泄露，故不宜测量缓慢变化的压 力和静态压力.电容式压力传感器采用变电容式剌量原理.将被测压力引起的惮性元件的位移变 形变为电容的变