3D巧克力打印机结构设计

绪论1.1课题背景及研究意义1.1.1课题背景毕业设计题目为：3D巧克力打印机结构与系统设计。课题来源为实验室自选课题。3D打印技术应用领域众多，比如航空航天、工业设计、教育、建筑、食品等领域[1]。3D食品打印是3D打印的主要分支之一，它的异军突起引人注目。近几年兴起的3D打印技术越来越被消费者接受，并且近两年3D打印技术在食品领域取得很多突破，目前3D打印技术广泛应用在食品行业，现在已经能够通过3D打印技术成功制作巧克力、糖果等。3D打印食品口感丰富、外观精致，效率提高，降低生产成本，并且可以实现一些烘焙厨师实现不了的功能，现代人的生活越来越需求健康营养，3D食品行业能实现健康饮食的需求，能够实现更为科学搭配的饮食结构。这使得3D打印食品非常受人们喜爱，因此3D食品行业的市场非常巨大，研究3D巧克力打印机非常具有经济价值。3D食品打印机造型轻巧、成型速度快、操作方便简单,因此被越来越多的面包房、蛋糕店、西餐厅甚至是普通家庭所使用。3D巧克力打印机独特的造型能力使其非常受孩子们喜欢，并且能满足消费者的特定需求，它具有巨大的创新性。综上所述，研究设计一台3D巧克力打印机来满足社会与市场需求非常具有意义。从目前的发展形势来看，3D食品打印会对食品个性化需求及人类生活饮食方式产生深远影响。巧克力本身就是被广大消费者热爱的休闲食品，并加上巧克力里蕴含天然的抗氧化剂黄酮素，能有效防止血管老化变硬、提高心肌活力，对防治心血管疾病有一定功效[2]。将巧克力与3D打印技术结合，通过一定设计与技术可以得到个性化形状的巧克力产品，使得3D巧克力打印在具有上述各种好处外，还将具备特别的乐趣和创造性。在科技创新发展的国家战略推动下，对于处于快速发展转型时期的我国食品加工制造行业来说，相对保守与传统的食品加工技术也正在经历着翻天覆地的变革。但是传统食品加工行业存在局限性，传统食品加工过程中存在利润空间小、耗能高、产品缺乏创新、独立研发的核心技术缺少等问题，这些问题严重制约食品制造行业的前进。随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国人民的饮食方式正在发生转变，越来越多的人更加注重饮食质量和讲究个性品味，追求有特色的服务。随着当前信息与自动化产业的快速发展，产品研发设计和生产销售音争越来越激烈。面对这样的大环境与大趋势，我们不可避免要用更高的要求去开发新产品。因此在这种形势下我们把3D打印技术引入食品加工领域，3D食品打印技术应运而生。3D打印技术与食品加工制造的结合将产生巨大影响，我们可以看到3D食品打印拥有巨大的潜力和价值，3D食品打印拥有强大的生命力[3]。1.1.2研究意义如今3D打印技术发展势头十分迅猛，在中国3D打印技术受到政府和社会的大力支持。在2015年2月份，国家工业和信息化部、国家发展和改革委员会与财政部为3D打印产业的发展特别制定了一份《国家增材制造产业发展推进计划》(简称“《计划》”)。这个《计划》中，3D打印产业在国家发展中的战略定位是作为未来产业发展新的增长点来重点培养。因此，对3D打印技术进行研究与进一步开发都有巨大意义。面对食品加工行业的巨大需求、社会发展的需要，研发设计一台3D巧克力打印机有着非常重要的现实意义与经济价值。虽然目前3D打印技术还受到许多限制，但人们已经在许多领域看到了它巨大的潜力和价值。尤其在食品领域，3D食品打印的兴起必然会带来巨大变化，因此我们研究设计3D巧克力打印机很有前景[4]。1.23D打印技术简介3D打印技术的专业名称叫增材制造技术(AdditiveManufacturing),也可以称作快速成型技术，也可以被称为快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing)。目前国内习惯把增材制造技术形象地称为“3D打印技术”。3D打印技术可以形象地表述为:3D打印是一种以数字模型文件为基础的直接制造技术，该技术原理的基本过程分为软件建模、分层处理、逐层累加打印3个重要过程。1.2.13D打印技术分类3D打印的方法多种多样，由于堆叠方式不同，3D打印机在打印机理以及打印材料上都有所差异。当前广泛使用的技术:熔融沉积造型(FDM)、层片叠加制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、光固化立体造型(SLA)等。其中FDM熔融沉积技术是目前占有市场份额最多的技术，也是目前普及度较高的打印方法[5]。而且目前食品打印领域都是基于熔融沉积技术的打印机，这是由于打印技术对打印材料的范围有要求，对于食物打印材料来说前面三种方法不能很好适用，我们做3D食品打印需要重点学习FDM熔融沉积技术的3D打印机原理，因此下面主要介绍基于FDM熔融沉积技术的3D打印机。基于FDM的3D打印系统由挤出机构、传动机构、运动平台、加热装置等几部分构成。FDM熔融沉积技术的原理:首先由计算机对需要打印的模型进行三维建模，然后将三维模型保存为STL格式并导入上位机的切片软件，对模型进行切片分层处理后生成G代码，再将G代码转换成控制系统能够识别处理的机器语言并发送给控制系统。在微控制器精准控制下，挤出头根据产品模型的截面轮廓信息作X-Y平面二维填充。同时打印耗材被进丝机构不断送给挤出机构，耗材在挤出头中熔化并被挤出在工作台上，直到一个层面完成，该原理打印的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上。最后耗材在室温下冷却、粘接、固化，随之运动平台在Z方向移动-一个层高，挤出头接着填充第二个层面，层层叠加成三维实体问。原理如图1-1所示。可以看出来FDM设备结构简单,成本较低，技术相对成熟，因此我们设计的3D巧克力打印机选择FDM熔融沉积成型技术作为原理。图1-1熔融沉积成型FDM技术特点[7]：环境干净无污染，操作简单，一次成型；支持制造复杂模型，材料众多，支持多种材料；系统构造原理及操作都很简单；维护便捷经济、使用安全可靠。1.2.2经济与环境分析3D巧克力打印机的工作原理使其拥有低碳环保的特点，采用增材制造的加工方式能减少物料损失。并且3D打印机能对废料回收再利用，减少资源的很费。因此3D打印技术不同于传统加工方式，传统切削的加工方式属于减材制造，必然会使一些物料无法利用，因此3D打印的加工方式较为环保，加工过程能耗较低，能极大减少资源的浪费，特别符合现在国家政策倡导的可持续发展的理念。不仅是失败的打印件而且使用过的模型都能被重新利用，-方面减小成本，另一方面实现加工制造物料的可循环，因此3D巧克力打印机具有对环境友好的特点。1.3基于FDM技术的3D打印机国内外发展现状1.3.1国外发展研究现状3D打印技术开始出现于20世纪80年代，被称为近30年来加工制造领域一项伟大的发明。熔融沉积制造技术被ScottCrump与1992年发明，随后美国麻省理工学院的E.M.Scans和M.J.Cima等率先提出“3D打印”。美国Stratasys公司开发出世界上第一台FDM设备FDM-1650在1993年。2008年，RepRap1.0“达尔文”3D打印机被设计创造出来，它成为世界上首台开源的并具有复制自我能力的3D打印机。国外对基于FDM技术的3D打印机的研究起步早，经过几十年的研究，3D打印技术已经相对成熟，目前已经在机械结构的改进创新、控制系统的开发设计、打印材料扩展等方面都取得了巨大进步[8]。国外在3D食品打印技术领域也是快速发展，成果显著，在3D食品打印方面处于领先地位。英国的埃克塞特大学在2011年研究设计出世界上第一台巧克力打印机[9]，该团队在巧克力打印机中设计安装加热和冷却装置，这样挤出的巧克力经过打印后迅速经历凝固过程，然后再打印下一层。两年后，NASA巨资研发用于给航天员搭配食品的基于FDM技术的3D打印机。2014年，一所3D打印研究机构设计出糖果打印机，支持许多水果口味。在国外3D食品打印机的打印材料是十分丰富，比如巧克力、披萨、糖果、冰激凌等材料都可以被打印,能看到国外3D食品打印技术研究逐渐深入,其应用领域也不断扩展。通过上面分析，我们可以发现不同的3D食品结构的基础上，对不同材料的挤出机构和凝固成型方法进行研究设计，最终完成3D打印机却有一个共同点,他们都是在-般通用3D打印机的基本机械打印技术在食物领域的应用。1.3.2国内发展研究现状我国对于3D打印技术的研究始于1991年，最开始是些大学科研机构做这方面的研究，如清华大学、西安交通大学等[10]。在成型精度与速度方面，相对于国外稍微落后[11]。近几年来，我国3D打印技术飞速发展。当前国内有一批优秀的3D打印公司，基于FDM技术的3D打印机是他们主要产品，具体为:宁波的速美科技公司、北京的太尔时代公司、杭州的闪铸科技公司等一大批年轻的公司。他们的科研技术人员和学校老师在基于FDM技术的3D打印机的成型质量、打印速度以及材料的拓展开发等方面做了大量实验探索，目前已经获得一系列显著成果，我国3D打印技术的快速发展离不开他们的努力奉献。我国从事3D食品打印研究的工作者主要分布在大学的研究所中,这些团队的研究主要集中在打印饼类、糕点和节日月饼等面食。比如浙江大学课题组和南京大学研究人员制作的3D打印饼干和月饼等食物，都是采用现代3D打印技术的方式加工食品模具，发挥3D打印技术优势[1]。这些产品具有减少成本，扩展艺术性，创造力强的特点，特别受市场欢迎。清华大学实验人员设计的3D煎饼打印机是一款安装有3D打印系统的煎饼加工机器。如图1-2所示:清华大学团队制造的3D食品打印机正在打印煎饼。除了高校研究团队以外，国内还有一些公司也做3D食品打印的研究,江苏淮安的孙铁波等人对3D奶油打印技术做了深入研究。图1-2清华大学研发的3D打印煎饼随着3D打印技术在食品领域的快速发展，国内也出现以巧克力作为打印材料的3D巧克力打印机。2013年在武汉成立的巧意科技有限公司对3D巧克力打印技术做了突破性的探究，该公司是世界上第一家成立的3D巧克力打印公司。2015年,一种活塞注射式3D食品打印笔被我国浙江大学的科研团队设计成功,该机器实现了对液态食材巧克力等材料的打印[9]。在3D巧克力打印成型精度与质量方面，相对做的优秀单位是武汉巧意科技有限公司与北京沃夫森科技有限公司，这两家生产的3D巧克力打印机存在的问题是目前只能平面打印。在这个问题上实现突破的是哈尔滨工业大学与上海万物智能打印科技有限公司，他们设计出可以实现固体连续进料的3D巧克力打印机，并且降低了打印模型对工作环境温度的要求[2]。综上所述，我国3D食品打印机在食品领域主要是两种类型。第一种是3D打印技术辅助食品加工；第二种是对3D打印机的挤出头和材料输送机构进行改进,实现食品物料打印。以上两种类型都对3D食品打印的发展具有非常积极意义。本项目所研究的就是第二种类型，使用巧克力进行成型打印。1.4本文的主要研究内容与目标1.4.1主要研究内容首先是了解巧克力的材料特性，设计巧克力挤出头，实现巧克力上料、保温和挤出等功能。其次就是研究FDM3D打印机的传动形式和机械结构，根据巧克力挤出头的结构和特点设计打印机传动结构。最后完成可调平托盘、支撑结构、壳体等相关零件和结构的设计。最后完成电路原理图、程序流程图，优化巧克力成型参数。完成3D巧克力打印机的结构与系统设计。1.4.2研究目标设计指标要求如下:(a)所设计机器的最大打印(成型)体积:200mm*200mm*230mm；(b)最大打印速度:15mm/s；(c)巧克力料筒容量:30mL且实现针头直径:0.4mm和0.7mm可换；(d)实现最小打印层高:0.2mm的精度；()温控设计要求料简保温温度:28~34℃可调并且实现挤出头温度:31.8℃。第2章3D巧克力打印机机械结构设计2.1引言基于FDM原理的3D打印机根据其机械结构的不同，主要可以分为:Ultimaker机型、RepRap机型、MakerBot机型三种主流的机型[12]。由于三种机型的机械结构的差异，导致他们加工、安装、工作等各方面区别很大，即机械结构的不同导致他们成型精度、机器成本、打印速度等方面有很大差别，每一种机型都各有优缺点。只有根据自己需求合理选择机械结构实现设计目标，才能更好完成设计任务。表2-1列出这三种典型机型的优缺点。表2-1三种典型机型优缺点对比机型类别优点缺点Ultimaker机型最快的打印速度、打印范围较大、长期打印稳定性较高、最高的打印精度与质量成本相对较高、.组装复杂且费时RepRap机型成本低、部件少、打印范围适中、打印速度适中调试复杂、稳定性差MakerBot机型标准化零件、安装简单且时间短、易组装长时间稳定性未知、成本相对更高图2-1是RepRap机型的图片，RepRap是世界上第一台具有自我复制能力的3D打印机，它的主要优点是成本低、体积小、部件少。不过缺点就是打印精度与稳定性都不好，机器装配非常耗时。图2-1RepRap机型图2.2是MalerBot机型，MakeBaol机型相对RpRap机型容易组装，因此发售更快，特别受市场欢迎。同时长时间工作也比RepRap机型更稳定，而且成本相对较低。不过缺点就是打印范围较小，很难适应大体积打印模型的需要。图2-2MakerBot机型图2-3是Utimaker机型的打印机实物图，尽管Utimaker机型没有上面两种机型历史悠久，但是Utimaker公司制作出来市场上打印速度最快的3D打印机。Ultimaker机型还具备几乎最大的打印空间。该打印机的设计特色是将加热头与挤出头一-并设计为可以在XY复合运动下快速响应移动的机构。而且这种机型长期工作的稳定性与打印精度保持性特别好，它的这种机身结构有利于打印的稳定性。图2-3Ultimaker机型通过以上对目前主流的3D打印机机型的比较，对比他们的打印速度、精度、价格、打印区域等参数.我们优先考虑打印速度与精度这两个参数，最终我们选择Ultimaker机型。因为较快的打印速度能保证时间成本，并且较大的打印范围可以保证能在较大尺寸的蛋糕上打印巧克力，因此该机型能很好满足我们的需求。下面主要是对传动机构、机身结构、工作平台等机械结构进行研究设计。2.23D巧克力打印机机械结构总体设计基于FDM技术的3D巧克力打印机主要由机械系统与控制系统组成。其中机械系统包括传动机构、打印平台、挤出机构、动力装置以及机身壳体。其中工作v平台即打印运动平台，作为放置打印工件并移动的机构。传动机构是将动力装置的驱动力传递至工作平台及挤出头来驱动他们运动。机身壳体是机架起到支撑整个系统的作用。机械系统的重要机构与关键结构会影响3D巧克力打印机的精度与速度，因此机械结构设计尤为重要，对于设计-一台3D巧克力打印机，首先需要选择确定各部分合适的结构类型。2.2.1XYZ结构与三角洲结构对比目前3D打印机传动机构和对应机身结构分类众多，每一种结构都对3D巧克力打印机的打印方式、打印精度与质量、稳定性、打印速度有很大影响。对于基于熔融沉积原理的3D打印机结构主要有两类:笛卡尔坐标系(XYZ结构)和Delta坐标系(三角洲结构)，如图2-4所示两种结构原理示意图[1]。图2-4XYZ结构（左）与三角洲结构（右）从两种结构的原理示意图对比可以看出，两种打印机结构区别很大。XYZ结构3D打印机对软牛控制程序的要求较低并且成型精度高，拥有更好的稳定性，但是它加工成本高、结构较为复杂并且打印速度慢。而三角洲结构3D打印机软件控制程序复杂，其坐标计算比较复杂，还有就是Z轴方向高度更大，空间利用率较低，最重要的不足是成型精度低[4]。不过其优点是打印成型速度快，加工成本较低并且结构与直角坐标系相比更简单。两种结构的基本参数对比分析见表2-2。表2-2XYZ结构与三角洲结构3D打印机基本参数对比表3D打印机XYZ结构三角洲结构打印速度慢快打印精度高低加工成本高低控制操作简单复杂组成结构复杂简单对于设计3D巧克力打印机，考虑到挤出头的质量与安装尺寸较大，由于三角洲结构属于并联型结构，受并联杆件刚性限制，需要挤出头的质量与安装尺寸满足结构的要求，并且普遍采用远端供料方式。我们设计的3D巧克力打印机挤出头相对较重，而且考虑近端送料方式对3D巧克力打印机更合理，并且需要3D巧克力打印机机型轻巧满足市场需求，而XYZ结构在这些方面相对更好，因此综合以上原因采用XYZ结构来研究设计3D巧克力打印机。2.2.2三轴运动方式选择从具体的三轴运动方式分析，XYZ结构(笛卡尔坐标系)主要的具体方式有几种:挤出机构沿X轴独立运动、龙门式、运动平台沿Z轴独立运动。从上面分析我们可以知道，确定三轴运动方式就可以确定运动平台、传动结构、机身结构。因此下面将从这三方面具体分析每一种三轴运动方式，最终确定采用哪一种三轴运动方式。(a)在Y轴与Z轴形成的复合平面里打印平台做YZ复合运动，X轴方向只有挤出机构独立运动。该方式空间利用率较低，结构相对复杂并且成本较高。这种结构导致打印精度低，特别是Y轴方向稳定性差。如图2-5所示:UP!plus2(北京太尔时代科技有限公司的产品)。图2-5UP!plus2(b)在Y轴方向打印平台独立运动，在X轴和Z轴形成的XZ平面内挤出机构做复合运动。采用这样的传动机构有龙门式的3D打印机，适合打印大体积的零件，较大不足是精度较差，如图2-6所示。图2-6龙门结构3D打印机(c)在Z轴方向上打印平台单独运动，在X,Y复合平面内挤出机构做复合运动。只有挤出机构在快速移动并且挤出机构的质量较轻，它的惯性小，对于提高打印速度与打印精度有很大帮助，在挤出机构的快速移动过程中打印件在XY方向不会产生运动，对于打印稳定性与成型精度也有很大提高。并且在打印同样大小的零件情况下，其所需要的空间小，具有很高的空间利用率。这种箱式机身结构是未来基于FDM技术的3D打印机的主要发展方向，箱式机身结构工作稳定性更好，目前Utimaker机型等都是此类结构的典型代表。图2-7是本论文研究设计的3D巧克力打印机三维装配体模型[13]。图2-7设计的箱式3D巧克力打印机模型从上面分析可以得到以下结论:在X轴和Y轴复合平面内挤出机构做复合运动，在Z轴方向打印平台单独做直线运动。这种三轴运动方式所需要的运动空间最小，即它的空间利用率最高，并且它能够实现更快的速度、更高精度、更稳定的打印。另-方面对于巧克力作为打印原材料，打印过程中巧克力打印件的强度较差，它对于频繁振动、剧烈冲击的要求相对其他的塑料材料(如PLA与ABS)更为严格，避免打印过程中出现抖动、倾斜或者坍塌等情况。因此对于XY方向振动要尽可能避免，巧克力融化后作为高粘度的流动体，从三轴运动方式上考虑更应该避免巧克力打印件的频繁运动。运动平台独立z轴运动能很好避免上述问题，因此综合上述三种结构的优缺点与对巧克力的加工需要，应该选择第三种方案工作平台独立Z轴升降作为3D打印机的三轴运动布局方式。2.3传动机构设计传动机构作为3D巧克力打印机机械系统的核心结构，对打印模型的精度与打印速度都有影响。合理的传动机构才能保证打印平台与挤出机构的定位精度与运动速度，才能提高打印效率，得到高质量的打印产品。在上面研究确定3D打印机三轴布局方式的基础上，接下来进行传动机构的设计。目前常用的实现直线运动的机构有很多，比如丝杠螺母运动机构、同步带传，动、凸轮连杆机构、齿轮齿条机构、曲柄滑块机构等。从3D打印机的工作场合及传动需求来选择，丝杠螺母机构与同步带传动较适合，其中同步带传动方式结构简单方便、成本较低。同步带传动原理:由步进电机驱动同步齿形带的主动轮转动(动力装置不一定是步进电机)，进而光轴上的滑块被同步带拉动前后移动。同步齿形带具有噪声小、移动快速、价格便宜等优点。一般来讲，同步带具有比滚珠丝杠更快的传动速度，并且同步带没有传动临界速度的限制，因此对于3D巧克力的挤出头移动来讲，同步带具有很大优势。查阅资料对比可知，步进电机驱动同步带精度较低，一般运动精度可达到0.02mm。同步带运动精度要低于滚珠丝杠一一些，步进电机驱动滚珠丝杠运动精度为0.01mm。现在3D打印机广泛采用丝杆螺母传动机构与同步带传动，因此Z轴方向的工作平台采用丝杆螺母传动，XY轴采用同步带传动控制挤出头运动。2.3.1H型与十字型结构由于打印材料为巧克力，因此设计3D巧克力打印机应该采用近端送丝方式。原因如下:对于远端送丝来讲，存在沿程阻力过大，挤出量的控制精度低，回抽速度不够等困难，而且这些困难很难克服，所以采用近端送丝方式。这样结构设计是将挤出机构整体都直接放在XY运动机构上。目前xY运动机构主要有H型结构(见图2-8)和十字型结构(见图2-9)两种问。XY运动机构形式对挤出头放置会产生很重要影响。图2-8H型运动结构H型结构会增加挤出头的质量，存在一个X轴方向的传动装置在Y轴运动基础上运动(这里选择是X轴上面带有挤出头)，因此H型结构会增加运动部分的质量。随着运动部分质量增加则惯性增加，必然导致打印过程中的运动滞后现象出现。这样就与3D打印机的原理违背，3D打印机需要各个轴运动同步协调一致，对同步性要求很高。需要挤出机构、三轴运动机构密切同步协调，否则将会对打印精度与质量产生巨大影响。还有一个问题是:Y轴的负载质量过大，在较快的打印速度下将导致Y轴电机会出现丢步或者失步的现象，这样将降低打印机的打印速度。H型机构的第二个问题就是挤出头与X轴都是运动的，会出现布线的困难，需要设计拖线来解决，这样也无法避免拖线移动带来的阻力。综上所述，我们下面考虑十字型结构放置挤出头。十字型结构是采用光轴作为导轨，XY轴电机都是固定在机身上，减轻运动机构质量。为了增加运动的稳定性，可以增加光轴的数量。挤出机构同时安装在XY交叉方向上，需要XY方向电机协调控制其运动。对比上面H型结构问题，设计采用十字型结构。这样运动速度快，结构简单方便，布线简单。采用这种结构，打印速度会提高很大。2.3.2XY传动结构对于XY方向分别采用两个平行光轴作为移动块的导轨，并且这四根光轴全部通过轴承安装在机身上，交叉的十字光轴穿过一一个固定挤出机构的固定块。这样两个主动带轮被步进电机驱动转动，带动光轴上的滑块沿轴滑动，两个方向的运动协调形成复合运动从而带动挤出机构按照切片生成路径运动。XY轴运动形成的复合运动就是挤出机构的运动，复合运动有利于实现更快的打印速度与稳定性。光轴支撑在壳体上的法兰轴承内，光轴的旋转运动是由固定在光轴上的同步带轮传动，所有的同步带轮都是用紧定螺钉与光轴固定。因此最重要是确定轴线之间的距离及设计出来XY轴移动块及挤出头的安装固定块，按照设计参数中的打印范围来计算XY工作行程，考虑XY两个交叉轴的空间距离及跨距来设计尺寸，根据打印范围大小确定同步带轮布置位置与数量，只要满足设计要求的工作范围即可。如图2-9所示，两个X方向移动块光轴长为355mm,两个Y轴方向移动块光轴长度为403mm,固定块中的光轴:一个X轴方向长为335mm,两个Y轴方向长为346mm.这七个光轴直径全为8mm,都采用轴承钢淬火镀铬。同时根据3D巧克力打印机设计的整体考虑，将主动同步带轮确定下来位置，即相应确定XY轴步进电机的安装固定位置。考虑同步带工作的性能与其松紧有关系，在每一个，移动快上设计有可以调节松紧的螺钉。图2-9XY轴传动结构装配体因为打印过程中，需要移动块的快速高须往复运动，为了减小移动快的运动噪音、振动，尺寸，需要采用轴承减小厚源阻力。对于轴承的选择需要考您工作条件，这里移动块与光轴之间的接触运动，不仅仅是直线运动，直线运动同时光轴也在旋转。因此一-般金属滚珠直线轴承不适用这样的工作场合，而且普通金属直线轴承体积过大，也不适合与3D巧克力打印机的工作条件。为了解决这个问题，查阅资料，发现工程塑料轴承可以适用上述工作条件，移动块中安装工程塑料圆柱轴承减小与光轴之间的摩擦。安装完成后可以在光轴上涂抹润滑脂来提高润滑效果，在涂抹润滑脂的过程中要时刻保持机器整洁，防止灰尘与杂质的混入。由于这种塑料圆柱轴承特别薄:外径9mm、内径8mm、长15mm。为了使这种轴承工作效果达到最好，需要满足产品要求的公差配合。查阅资料得到，厂家规定塑料圆柱轴承孔加工的上极限偏差是+0.015mm,公差是0.015mm时效果最好。由于轴承孔过长，无法加工这样精度长孔，因此设计结构为两端各15mm的该精度孔，中间采用直径8.5mm的光孔。加工时首先用直径8.5mm的转头打一个通孔，在分别在两边加工对应公差的轴承孔。加工示意图如图2-10所示。图2-10固定块的剖视图2.4机身结构与平台设计对于XY方向分别采用两根平行光轴作为移动块的导轨，交叉的十字光轴穿过一个用来固定挤出机构的固定块。这样通过步进电机驱动主动轮转动，带动滑块沿光轴运动，从而协调带动挤出机构按照轨迹运动。下面按照传动机构尺寸设计机身结构。2.4.1微型法兰轴承的选择因为旋转光轴需要支撑润滑，选择微型法兰轴承主要作为光轴支撑及减小旋转摩擦阻力，因为法兰轴承是标准件，只需要根据光轴直径尺寸选择相应微型法兰轴承内径即可。选择时注意轴承的配合，设计安装法兰轴承孔时要注意与微型法兰轴承外径的配合问题。最终选择的微型法兰轴承是MF128ZZ型号。内径8mm、外径12mm、法兰外径13.2mm、高度3.5mm。2.4.2壳体设计考虑到3D打印机零件较多、结构复杂且紧凑，为了后续安装及调试打印机省时省力，需要增加安装空间并提高安装质量与效率。壳体设计参考国外著名3D打印机公司Ultimaker箱式壳体结构，并对他们的不足进行改进设计，总结之前安装设计经验，将3D巧克力打印机的壳体两个侧板设计成L型支撑板。这样设计的好处是大大增加了安装空间及调整安装顺序，提高安装效率及提高机器质量。箱式机身壳体也会使打印更加稳定。改进后的安装顺序:首先固定底板与前后板，然后安装两个L型侧板，L型侧板位于底板上方和前后板之间，最后安装紧固顶板。壳体板材之间通过螺钉连接，整体结构轻巧。2.4.3Z轴及运动平台的设计由设计技术指标知道Z轴行程230mm,并且最小打印层高是0.2mm。其中打印层高要求Z轴输出的脉冲当量小于0.2mm。因为T型丝杠工作性能稳定、运动精度较高并且成本较低，可以满足设计要求，因此选择T型丝杆作为执行元件。由于Z轴运动平台质量高，并且是一个类似悬臂梁的结构，所以采用两个直径12mm的光轴作为支撑导向作用。Z轴的步进电机选择42直线丝杆步进电机，因为通过下面的计算，42步进电机驱动力矩足够，为了节省竖直方向空间，所以减少了减速器与联轴器。如图2-11所示。图2-1142丝杆步进电机选择的42直线丝杆步进电机导程8mm、螺距2mm、步距角1.8度。42型号:丝杆步进电机的电机高度一共有四种，分别34mm,40mm,48mm,60mm。不一样的电机高度对应不一一样的驱动力矩。丝杆步进电机由于没有减速器则减速比为1，根据下面公式计算X。其中θ是步距角，L是丝杠导程，x是移动部件的脉冲当量(2-1)通过带入计算得到脉冲当量0.04mm，小于最小打印层高。即需要四个脉冲能移动一个层高，只要输出转矩满足要求即可。从四种机身高度中选择满足扭矩的步进电机，最终Z轴丝杆步进电机的电机高度为40mm,扭矩是0.43Nm。下面进行扭矩的校验。用丝杠把负载(螺母)连接到步进电机上，有:(2-2)其中θ——丝杠转角H——丝杠导程X——负载直线位移:(2-3)其中TL——负载力矩F——推力带入驱动力矩为0.43Nm,导程为8mm.由于T型丝杆传动效率较低约30%左右，因此得到z轴最大推力为130N左右。打印平台质量约为1.8Kg,因此驱动力矩满足设计要求。两个导向光轴两端采用卧式光轴支撑固定，为了减小运动摩擦采用加长直线法兰轴承与运动平台相固定。卧式光轴支撑与加长直线法兰轴承都是标准件，只需要选择相应内径即可。加长直线法兰轴承见图2-12，两个光轴直径为12mm,长度为425mm。图中所示平台即为打印平台，平板厚度为4mm,通过四角的调平螺母进行手动调平。步进电机驱动丝杆转动，螺母带着运动平台沿着两个光轴上移动[14]。图2-12打印平台上的加长直线法兰轴承将上面设计的传动系统、机身壳体结构、Z轴运动结构加工，完成最终的装配工作，所设计3D巧克力打印机实物如图2-13所示。机器整体采用白色，是因为巧克力打印属于食品加工，白色更受人们喜爱。大部分零件是用铝合金6160加工制造，机器整体质量较轻、外观轻巧。图2-133D巧克力打印机实物2.5ANSYS变形分析2.5.1XY轴跨距与变形的问题采用ANSYS软件分析其变形:采用镀铬轴承钢作为光轴材料，下表是ANSYS内部材料钢的屈服强度和抗拉强度(具体数值设置见图2-14)。接下来的ANSYS分析采用的就是下表的材料属性。图2-14光轴材料属性设置采用的约束是固定约束，将XY装配体八个法兰轴承端添加固定约束(理论上是简支约束，但两个差别特别小，这里采用了简化的方法，方便进行变形分析计算，具体作用点见图2-15)。图2-15固定约束添加示意图网格划分:由于都是一般的简单结构，采用智能网格划分对实体进行网格划分，其中轴采用六面体微元，移动块采用四面体微元)，划分结果如图2-16。图2-16网格划分效果因为挤出头的质量约17N左右，因此分析时采用集中载荷是17N.作用点选择在挤出头固定块的中心位置(如图2-17红色箭头指示位置)。图2-17负载作用位置示意图通过ANSYS求解分析的可以看到XY轴装配体在挤出头的质量下，其中心部分变形最大(图2-18、2-19)，约为0.049mm。查阅资料可知，打印时挤出头的针头需要距离打印平台或打印平面1-2mm范围，对比这个范围，XY轴装配体变形导致的挤出头移动过程中针头高度最大变化量为0.049mm,这个高度远远小于1-2mm这个范围，即这个0.049mm变形量不会对打印质量产生影响。通过上面分析可以知道XY轴装配体的变形满足要求，因此光轴跨距可以满足设计要求。图2-18总变形云图图2-19总变形云图正视图2.5.2Z轴运动平台结构变形分析z轴运动平台的结构类似于悬臂梁结构，重力作用下会自然下垂变形，会影响打印平面的水平精度。由于打印平台底板厚度为4mm,悬臂长度是300mm。为了减小变形有两个措施，首先采用镂空的结构来减轻质量，再增加两个筋在下面提高抗弯截面模量。采取上述两个措施后通过ANSYS来分析变形大小，将Z轴结构简化出来并划分网格如下。图2-20网格智能划分结果自动划分的结果不准确(见图2-20效果)，并在后续求解过程中出现无解错误，因此需要将结构简化，用固定约束去掉光轴，去掉加长直线轴承等。对网格进行重新设置，将复杂部位的网格尺寸设置更小，使在复杂部位网格更细(如图2-21所示)。图2-21设置网格参数及其效果图ANSYS分析条件:在重力条件下设置重力加速度，认为打印模型质量为N,载荷是在四个角分别作用1.75N的力，网格大小是0.5mm(见图2.21中所给网格值)。图2-22运动平台总变形云图由ANSYS分析结果0.149mm(图2-22运动平台总变形云图)可以知道运动平台变形还是比较大，通过实验可以得到调平旋钮的调节能力在4-6mm以内，所以这个变形量还在调平旋钮的调节范围内，通过对调平旋钮的正确操作使用能保证打印平台工作过程的水平。ANSYS变形分析结果是运动平台设计满足打印要求。2.6本章小结本章分析设计了3D巧克力打印机的机械结构，具体设计传动结构、机身结构、运动平台。首先分析对比笛卡尔结构与三角洲结构两种打印机结构，接着对于笛卡尔结构选择三轴运动方式，最终采用运动平台Z轴独立运动的方式。选择三轴传动方式:XY轴采用同步齿形带、Z轴采用T型丝杆。挤出头采用十字形结构固定，这样结构简单并且满足更高的打印速度与打印质量。然后根据传动机构设计机身结构和运动平台。最后运用ANSYS分析软件对所设计的结构进行变形分析，对结构进行优化设计使其满足设计目标。第3章3D巧克力打印机挤出机构设计3.1挤出方案的选取由于巧克力是高粘度材料，在打印过程中，不能采用像堆叠加工的打印方式，需要通过挤出的方式沉积到工作平台上，进行层层累积，这样必须保证巧克力处于熔融浆料状态。熔融状态的浆料是高粘度的半固体状态，虽然常见的挤出机构有几种方案，但是对于巧克力而言，需要分析各种挤出方式特点、适用范围。现在有气压、螺杆、活塞三种挤出方式[15](如图3-1).他们挤出特性、使用范围、性能有很大差别。我们需要选择一种对粘度变化不敏感的挤出方式，才能保证打印精度。下面是这三种挤出方式的特点和应用范围:图3-1三种挤出方式模型(a)气体辅助挤出:挤出力比较小，对于这样高粘度的巧克力材料不适用。并且气体压缩比较大，无法做到高精度控制挤出量，由于打印工艺需要回抽过程[16]，但是气体挤出很难实现回抽。还有就是挤出力波动，气体挤出的响应速度也无法满足要求[17]。(b)螺杆机构挤出:因为螺杆机构挤出的量与材料的粘度有关系，受材料粘度变化影响较大，因此对于巧克力这样粘度变化的材料不适用，还有就是螺杆机构工作的时候内摩擦力比较大，导致螺杆机构工作时候发热也比较严重，也会改变巧克力的粘度。无法达到挤出要求的效果，即稳定性不足，并且清洗维护比较困难。(c)活塞挤出方式:由于活塞挤出结构简单，挤出速度仅取决于活塞头的运动速度和活塞缸的横截面积。这样只要控制好步进电机的速度，就可以精确控制挤出参数。可以通过外接适当的减速器装置，可以得到较大的驱动力[18]。不仅挤出力较大并且挤出容量也可以精准控制。对比三种挤出方式的特点与应用范围，挤出机构采用活塞挤出方式适合巧克力打印机的工作环境，更能保证打印成型精度。3.2活塞式挤出头结构设计3D巧克力打印机的传动结构和一般基于FDM原理的打印机一致，只是传统的基于FDM的3D打印机一般采用硬质线材挤出，而3D巧克力打印机是采用粘稠态巧克力。挤出机构作为3D巧克力打印机的重要部分，关系到打印产品质量的好坏。其主要功能就是加热、保温、挤出并沉积到工作平台，详细过程就是将固态巧克力材料加热至熔融状态，然后由传动装置(动力装置)将处于融化液态的巧克力从针头中挤压出。查阅相关参考资料可知，典型的活塞式挤出机构的主要零部件包括针头、加热棒、保温铜块、保温内胆、保温料筒、加热片以及测温热敏电阻(热电偶)。其基本机理是通过步进电机完成对物料的输送，将料筒内熔融状态材料由喷嘴挤出。挤出机构的各零部件均通过螺纹连接的方式彼此连接。简而言之，3D巧克力打印机挤出头的功能就是使进入料简的巧克力加热至合适温度融化并保温，之后将粘稠态的巧克力挤出[19]。目前3D巧克力挤出头主要有螺杆式挤出、活塞式挤出两种(见图3-2)。为了进一步说明选择活塞式的原因，下面将活塞式与螺杆式的结构进行对比。螺杆式挤出结构:挤出电机通过联轴器带动挤出螺杆传动，将巧克力粉从料简中挤出，由加热棒给料简加热使巧克力融化。虽然螺杆式结构挤出力大、挤出控制稳定、材料应用范围广，但是存在成本高、挤出头尺寸大、重量大、采用变距螺杆工艺复杂等不足[20]，而丝杆传动具有轻量化的特点，不足就是挤出力不如螺杆式、挤出温度不能过低等。因此采用丝杆活塞式最重要是控制温度，可以采用导热更好的金属料筒，并且将头部集中加热改为料简加热与头都保温结合的方式。这样温度控制稳定后，挤出力自然就减小[21]。活塞式的挤出头采用丝杠传动来驱动活塞挤出，步进电机经过传动系统将动力传通到挤出丝杆上，驱动丝杆上下移动。为了限制丝杆螺母旋转，需要设计直线导轨限制丝杆螺母的旋转。丝杆嫘母连接活塞杆，活塞下端安装有料筒，料筒里是熔融状态的巧克力浆料。在丝杆螺母向下运动时对料简上的活塞杆施加压力，带动话塞将熔发态的巧克力挤出。其中通过加热块给料简头部加热使巧克力融化。针头是用螺纹连接到料简底部，这样方便更换不同针头。为了有效加热巧克力，并使巧克力保持培融的浆料状态，分别在料简内壁与针头两个地方加热保温。下面图右边是丝杆传动活塞式挤出头的原理示意图。图3-2螺杆式和丝杆传动活塞式挤出打印头根据上面对丝杆传动活塞式挤出头的结构分析，考虑目前有减速器与步进电机集成的产品，可以设计用带有减速器的步进电机通过联轴器直接带动丝杆传动。按照上面示意图与分析结果，需要设计两个保温座(可贴加热片)、加热块、电机减速器的固定安装座、整体挤出头的固定板等零件。3.3活塞式挤出机构零件选择通过上面对比各种挤出方式，最终采取活塞挤出方式。现在需要对两个保温座(可贴加热片)、加热块、电机减速器的固定安装座、整体挤出头的固定板等零件进行设计。为了得到更高精度控制挤出量及挤出速度响应。根据设计指标中对于挤出头性能参数的要求，具体指标是最大打印速度15mm/s和最小打印层高0.2mm,根据这个参数可以计算出对丝杆的转速及脉冲当量的要求。因为对定位精度的要求非常高，并且要克服巧克力融化后在针简中的阻力。因此对电机输出力矩要求很高，响应的频率也是非常高的，并且要运行噪音较低，动态特性好。因为T型丝杠工作性能稳定、运动精度较高并且成本较低，可以满足设计要求，可以采用T型丝杠驱动活塞挤出巧克力。并且步进电机可以通过安装减速器来提高输出力矩，为了节省空间及降低质量，我们采用二级行星齿轮减速器。根据计算及参考实验数据确定减速比及丝杠的参数，满足最大打印速度的要求。通过实验及计算发现，28步进电机虽然力矩满足挤出要求，但是满足力矩同时速度不足，进步选择与计算发现35步进电机驱动力矩与速度都能满足要求。对于42步进电机虽然速度、驱动力矩都能够满足要求，但是质量等都太大，步进电机在能达到性能时需要质量尽可能小，来减小移动部分的质量，增加打印速度。因此选择35步进电机，具体选择原因见下面分析。步进电机步距角公式:（3-1）式中zr——转子齿数m——电机相数K——状态系数（1或2）N——电机运行拍数步进电机转速公式:（3-2）式中f——脉冲频率因此控制脉冲频率即可控制步进电机转速，具体脉冲频率看细分与系统需求。用丝杠把负载(螺母)连接到步进电机上，有:（3-3）式中θ——丝杠转角h——丝杠导程x——负载直线位移：（3-4）式中TL——负载力矩F——推力由上面可以知道导程越小则负载的等效惯量越低。同样驱动力矩，加速度就越大，同样导程越小，会导致脉冲当量减小，同样频率与传动比，螺母移动速度会降低。因此导程太小，就会导致螺母移动速度太小，无法满足最大打印速度的要求，即活塞挤出速度跟不上挤出头移动速度。不过导程越大同样不好，会导致螺母挤出力不足，螺母运动推力无法挤出巧克力。因此要兼顾螺母的移动速度与挤出推力的协调，即转速与驱动力矩的关系。这点同样可以从频率与力矩特性曲线(图3-3)看出来。上面分析可以看到导程对打印速度与挤出力的影响，较大导程对应丝杆螺母移动速度快，打印速度会提高。因此在该丝杠产品系列中，从导程1mm、2mm、4mm、8mm中，选择导程为4mm,螺距为1mm的直径6mmT型丝杠。不过由步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性(图3-3)，力矩随着速度增加而减小，速度越高，力矩越小。选择步进电机时，应该是保证力矩与频率对应工作点位于矩频特性曲线下。才能保证步进电机不失步的正常运行，做到速度与驱动力矩的均衡协调。查阅相关资料及实验得到巧克力融化后阻力在50N-60N之间，由公式(3-4)中代入推力F=60N，导程为4mm,加之T型丝杆传动效率为30%左右，可以得到减速器输出端负载力矩是1.27NM。要保证负载转矩、频率特性都有一定的余量，需要选择大一点的电机，保证以后工作的稳定。因为步进电机与行星齿轮减速器一体化了，所以根据输出端力矩，选择驱动力矩是1.91NM，减速比是14的35步进电机行星齿轮减速器，这里的35步进电机定位力矩是0.15NM。TdmFstTstTLf启动矩频特性运行矩频特性图3-3步进电机的矩频特性对于传动比，可以由步距角与移动部件的脉冲当量用下面的公式来计算:（3-6）其中θ是步距角，L是丝杠导程，x是移动部件的脉冲当量。因为步进电机与行星齿轮减速器体化并且有一系列型号，因此这里先选择的传动比，可以用上面公式倒推计算移动部件脉冲当量，来分析验证是否满足设计要求。通过带入计算得到对应的脉冲当量为0.0014mm每脉冲。下面的计算主要验证活塞挤出速度与挤出头移动速度能否满足最大打印速度15mm/s的设计要求。由于料筒内径为22mm,设计采用两种针头，针头内径分别为0.4mm、0.7mm。因为只要较大的0.7mm针头满足要求，小一点的0.4mm的针头一定满足要求。当挤出头以15mm/s速度移动时，假设挤出的巧克力丝为直径0.7mm的圆柱形线料，那么圆柱形线料挤出速度为15mm/s。每一秒挤出巧克体积为可以计算出来，用这个体积除以料筒的内横截面积，就可以得到活塞的最小移动速度。通过上面计算，需要活塞移动速度大于0.015mm/s。由上面选择的步进电机脉冲当量为0.0014每脉冲，则需要步进电机每秒11个脉冲就能满足活塞移动速度要求。或者是步进电机频率超过每秒11个，即可以螺母移动速度大于0.015mm/s。换算为步进电机转速是3.3r/min,满足35步进电机的性能参数。因为XY轴步进电机没有安装减速器，并且同步带轮齿数分别为20齿与25齿，所以XY轴步进电机能满足挤出头的移动速度，这里不进行具体计算验证。最终选择步距角为1.8度的35步进电机，导程为4mm与螺距为1mm的T6丝杆，公称减速比为14(实际减速比i-3696/289)的二级行星齿轮减速器，实物如图3.4所示。由参数表可知减速器输出端驱动力矩是1.91NM,通过上面计算可知丝杠螺母推力是90N,大于巧克力阻力60N,其中丝杠螺母和T型丝杠如图3-5所示。图3-4带二级行星齿轮加速器的35步进电机图3-5丝杠螺母与T6丝杠3.3.1减速器联轴器的选择联轴器分类:梅花联轴器、刚性联轴器、膜片联轴器等。所设计丝杆一段自由，又因为这里的丝杠不能有轴向串动的误差(假如有轴向串动，将对挤出精度的控制产生影响)，又因为刚性联轴器不允许有偏差，在工作中易卡死，所以需要弹性的联轴器。对于梅花联轴器，因为使用时是竖着，并且丝杠一段是自由端，导致梅花联轴器会产生空隙，影响传动精度。对于绕线联轴器而言，会产生轴向弹性变形，影响挤出精度的控制。综合以上几点原因，选择单膜片联轴器(见图3-6)。图3-6单膜片联轴器3.3.2导轨滑块的选择导轨滑块起到支撑导向并且减小摩擦的作用，由于导轨滑块是标准件。只需要根据安装尺选择相应的标准件即可。最终选择如图3-7所示的MGN7C标准滑块，导轨长度是115mm。图3-7MGN7C标准滑块导轨3.4活塞式挤出机构零件设计及装配完成保温座A、保温座B、保温铜块、针头、电机固定座、保温内胆、活塞柱、料筒等零件的设计、出图及装配。其中针头采用导热性能较好的金属针头，并且巧克力属于高粘度的流体，为了减小挤出力并防止堵塞，设计锥形的针头。对于保温块也采用铜加工而成，因为针头对温度控制要求较高，铜的导热率高，对于喷嘴的保温效果更好，可以达到对温度的更高精度控制。料筒需要采用高刚度的材料，否则挤出过大将导致内胆膨胀变形，使巧克力流出产生时滞，对打印件的精度影响巨大。本设计采用的不锈钢料筒，具有很好的刚度。挤出头的具体设计见零件图及装配体剖视图(见图3-8)，最终设计的结构与上面原理图基本一致。零件的装配及加热片热电偶的接线如图3-9与图3-10所示，从装配体的剖视图可以看到，保温内胆与保温座之间留有空隙，这个空隙是贴加热片的空间，并留有走线及布线的空间。将加热片与热敏电偶贴在保温内胆的外表面，其中热敏电偶功能是检查内胆的温度，将检测温度反馈给主控制板。保温铜块上留有两个小孔，设计用来插入放置一个加热棒及高灵敏度的热敏电偶，通讨负反馈的调节，最终能保证针头处巧克力的温度达到任务书要求的31.8度顺利实现巧克力打印工艺参数。图3-8挤出头装配体剖视图图3-9贴有加热片的内胆及保温铜座图3-10装配与接线完成的挤出头料筒的工作及安装方式如下面三维装配体3-11所示，打开磁铁旋扣，则保温座B可以绕下面的轴旋转一定角度，之后就可以取出料简来完成换料工作。其中保温座的目的是为了使料简中巧克力一直稳定保持融化状态，一方面可以减少挤出的阻力，另一方面有利于保温铜块对温度控制。加工上述零件并完成挤出头的实物装配，具体实物见图3-12展示。图3-11挤出头料筒安装示意图图3-12挤出头装配实物3.5本章小结本章主要对3D巧克力打印机的挤出机构进行研究设计:首先结合巧克力材料的性质，对比各种挤出方式的原理与结构，最终采用活塞式挤出方式。再研究设计挤出机构，包括步进电机、行星齿轮减速器、丝杆螺母、导轨、料简内胆、针头、保温铜块等重要零件，最终完成挤出头的装配及接线工作。第4章控制系统研究4.1引言本章主要介绍基于FDM原理的3D巧克力打印机的控制系统，控制系统由硬件控制系统与软件控制系统组成。3D巧克力打印机控制系统从功能上划分是由运动控制系统及温度控制系统组成。运动控制系统发送运动命令并保证运动精度，温度控制系统保证温度控制的精度。这两个控制系统直接关系到打印工件的精度。我们下面从硬件控制系统与软件控制系统角度介绍。4.2硬件控制系统执行部件选择硬件控制系统一般主要有微控制器、主板、步进电机细分驱动器、各个轴的限位开关、各轴步进电机、LCD显示屏、加热片及热电偶等，所有外围的电子器件通过主板与微控制器相连接02。他们一起构成整个机器的控制系统。图4-1是控制系统的结构框架图。图4-1控制系统的结构框架图4.2.1主板的选择微控制器相当于一台小型电脑，微控制器通过运行-种叫做“固件”的特殊代的获取传感器信息，来控制电机驱动实现挤出头的运动轨迹，使用MOSEET告达制加热片等大电流的电子器件。控制板的质量好坏直接影响打印模型的质量，因此选择一款合适的控制板至关重要[23]。本设计的3D巧克力打印机控制系统采用的主板是搭载M3内核32位高速ARM芯片，选择STM32F103微处理器(见图4-2)。它兼具开源固件优点，固件配置方式简单，更新方便快捷。操作界面简洁并且灵敏度高，支持断点续打与断点保存。下表4-1是主板的一些性能参数:表4-1控制板的性能参数参数类别具体数值微处理器STM32F103外观尺寸150mm*100mm输入电压12V-24V/10-15A电机驱动器AllegroA4988温度传感器接口两路100KNTC(热敏电阻)支持文件格式G-code可扩展模块WIFI模块、SD卡模块等主板照片及管脚布局如图4-3:图4-2基于STM32的主控制板图4-3主控板引脚标注4.2.2XYZ轴步进电机选择考虑到电机成本、控制精度、技术需求、性能指标、应用场合等方面，应该选择步进电机作为动力驱动元件。目前3D打印机都是选择步进电机作为动力驱动元件，虽然3D打印机对精度要求以及位置控制要求都是非常高的，但是伺服控制的交直流电机控制复杂，即需要安装光电码盘等做闭环控制并且成本高，而3D巧克力打印机的市场定位及其性能指标不满足使用伺服控制的交直流电机。另一方面伺服控制的交直流电机其控制精度远远高于3D打印机的精度要求，而且步进电机没有累计误差，广泛应用在各种开环控制系统中，步进电机的控制精度完全可以保证3D打印机定位以及旋转方向所需要的精度，从而保证了打印产品的快速成型设计的准确度[24]。步进电机是通过电流脉冲来精确控制转动量(转角的角度)的开环控制电动机，步进电机输入量是脉冲数与频率，输出量是角位移或步进运动。正常运动时，每转一周具有固定的步数;步进电机性能优异的地方是:做连续步进运动时，其转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接被数字量控制，因此特别适宜采用微控制器进行控制[25]。电流脉冲是步进电机驱动单元传递的，步进电机是整个3D打印机的动力来源，因此步进电机的质量对3D巧克力打印机的工作状态非常关键。选择工作噪音小、发热小、运动速度、步距角与转矩合适。对于每一个运动方向都采用相应驱动器来细分驱动，保证打印的速度、精度与稳定性。为了3D巧克力打印机打印得更精确，我们需要更小的步进角度，这样打印更平稳、转矩更大、精度更高，缺点就是牺牲最大转速。步进电机都有固定的步距角，通过给每组线圈发送正弦波或者余弦波增加步进电机步数，因此每步的步进角减小，可以提高步进电机的精度与驱动频率，相应降低振动，使整体运动更平滑或平缓。不过这样带来的问题是减小了转矩，相应减小了最大转速。4.2.3步进电机驱动板的选择驱动器选择集成式驱动模块，本设计选择的驱动步进电机驱动板是3D打印机专门的电机驱动板，这种驱动板使用的是AllegroA4988步进电机驱动芯片[26]。这种驱动板目前市场上已经很多，并且价格便宜。不过每一个驱动器只能驱动一个步进电机，因此对于3D巧克力打印机需要四个驱动器来驱动四个步进电机。驱动3D巧克力打印机XYZ轴的步进电机选择42两相步进电机，对于每一个运动方向都采用相应驱动器来细分驱动，保证打印的速度、精度与稳定性。相应步进电机的参数如表4-2所示:表4-242两相步进电机参数表名称数值步距角1.8度电流1.3A静力矩0.4NM定位力矩0.022NM机身长度40mm质量0.28Kg4.3软件控制系统的选择操作3D打印机的软件控制系统，一共分三个部分:切片软件Slicer(又称G代码生成器)、三维建模软件、主控板固件，下面对他们分别进行介绍。4.3.1切片软件对于待打印的三维模型，要生成能控制挤出头与打印平台运动的路径文件，需要分层切片软件进行处理。把三维模型分层生成适应于打印的机器代码，这些代码能够被微处理器识别，从而控制整个3D巧克力打印机的动作，生成的文件中每一行代码都是一条运动指令[27]。目前切片软件众多，本设计采用的是Simplify3D切片软件。对于每一个需要打印的三维模型应保存为.stl格式。在切片之前，需要在Simplify3D里面设置对应打印关键参数，比如线径、回抽速度、打印层高、打印速度等，这些参数对打印质量会产生巨大影响。4.3.2主控板的固件固件是运行在控制板里面的程序，它控制电子元器件工作，主要负责解释上位机传递过来的命令，这种命令称为G代码，并从中获取有效的指令，从而控制其他的外围元器件。主控板固件分析并解读G代码，控制3D打印机硬件执行命令。对于G代码也称为预备代码，通俗来讲就是告诉3D巧克力打印机执行什么操作，比如:快速移动、挤出速度、打印速度等。G代码分为即时命令与延时命令，例如G代码命令为:G1X0Y0Z0,主控板判断X、Y、Z轴需要被移动到零点位置，步进电机运动触发限位开关，X、Y、Z分别被归零。代码M0会终止任何操作然后关机，所有的电机与加热器全部被关闭掉。根据对应控制电路板来选择相应固件，使用时只需要修改就相应参数就可以工作。由于3D打印机的控制板种类众多，所以相应的固件也特别多。本设计采用是改进的Marlin固件，Marlin已经成为目前主流的3D打印机固件。它支持绝大多数的控制主板，我们控制板里的固件也是根据Marlin做了一些优化。它修改与使用都比较简单方便，并且功能全面、兼容性好。使用固件时，首先要根据3D巧克力打印机的硬件设备通过配置文件的方式对固件进行相应参数修改。主要是修改主板类型、打印参数、波特率、XYZ轴运动行程、运动速度、单位脉冲等。4.3.3程序流程图软件控制系统除了上面介绍的软件外，还有主控制板中的程序。位于主控板中的程序代码是提前烧录进去，对于控制程序而言，程序流程图至关重要，它决定程序的成功与否及效率高低[28]。下面主要介绍主程序流程图和两个关键的子程序流程图。主程序是整个打印过程中程序的工作步骤。图4-4就是控制主程序的流程图，其代表着打印过程中控制程序的工作流程，从导入文件到打印完成。该流程图可以清晰说明3D巧克力打印机的内部工作流程，从系统上电初始化到执行打印命令，读取并翻译G代码文件，然后对执行元件发出控制指令。具体的打印过程涉及到许多模块来处理数据，这个流程图只是程序执行的大致顺序。具体的各个模块与功能如何实现需要看下面的子程序流程图。图4-4主程序流程图图4-5温控子程序流程图3D巧克力打印机工作中还必须有温控程序的执行，温控程序用来对加热及保温进行精确控制，这些温控子程序也有程序流程图。具体温度控制程序流程见图4-5分析所示。图4-6是读取G-code代码程序流程图，导入的G代码文件需要在微控制器中进行翻译，能让控制硬件识别，读取G-code代码程序就是完成这个任务的程序[29]。图4-6读取G-code代码程序流程图4.4外围元器件3D打印机都拥有众多的外围设备，其中最重要的是:限位开关、SD卡、LCD液晶屏、加热棒、热敏电偶、步进电机驱动板等器件。其中限位开关是检测每个周运动方向位置，起到限位定位作用，保证每-次打印不超过最大行程，并且能高定位精度回到原点，本设计3D巧克力打印机-共采用4个行程开关。SD卡是为了导入G-code代码实现脱机打印而设计。LCD液晶屏是与3D巧克力打印机的控制软件连接，可以显示打印进度，设置打印参数等。属于设备的人机交互界面，可以通过显示屏实现打开文件、暂停打印等一系列功能。加热棒与热敏电偶都是加热、保温作用，其中加热棒有两个，热敏电偶也有两个，都是与主控制板相连接。4.5本章小结本章对3D巧克力打印机的控制系统从硬件控制系统与软件控制系统角度进行分析。重点介绍控制系统的结构框架图及对主控制板、控制器、驱动器、步进电机等硬件的说明。对软件控制系统组成进行介绍，并画出软件控制流程图，包括主程序流程图、温控程序流程图、读取G代码程序流程图，绘制系统的电路原理图A1一张(见附图)。第5章实验测试验证5.1机器装配与调试3D巧克力打印机实物是根据设计内容制造与装配，包括挤出头、传动机构、运动平台、机身壳体这几部分构成。将上述装配完成后，需要进行电路部分的连线工作，整个机器的电路接线工作由我独立完成。首先将外围设备与主控制板进行对应连接，外围设备包括步进电机、LCD显示屏、行程开关等电子元器件。将电源及降压模块等进行线路连接，将之前挤出头接出的加热片及热敏电偶与主控板连接。上述电路全部位于机器底板背面，如图5-1所示。装配完成以后首先需要完成手动调平工作，具体操作方法是:调整打印平台与挤出头位置，使挤出头上的针头几乎与打印平台接触。然后移动挤出头到打印平台四周，旋转调平螺母使打印平台每-处位置都与喷嘴保存相同距离，即调平完成。3D打印机的XYZ轴通过触发行程开关来确定初始位置，行程开关影响各轴起始位置。调试的第二个工作是测量并设置Z轴的行程:由于本设计Z方向行程开关位于下面，而打印平台最开始工作位置在上面，因此需要设置实际的Z轴行程来保证打印最开始的打印平台与喷嘴之间只有一张纸的厚度。其次是设置XYZ三轴的行程开关的正反，与相应固件一致。完成行程开关的调试以后，需要运行复位命令观察是否正常归位，最后打印测试件进行实验。图5-1电路接线图首先是在三维软件SolidWorks中建模一个实体零件，然后保存为STL文件格式，用切片软件Simplif3D打开这个实体零件。下面需要的就是在切片软件中进行打印参数设置，将最终生成G代码导入3D打印机的控制板，完成打印任务，上述即为打印实验流程[30]。5.2打印参数设置打印参数设置分为:层设置、填充设置、速度设置、温度设置、回抽速度设置等方面。我们需要重点关注的参数是:打印层高、打印速度、回抽速度、温度、线径。打印层高与线径：在其他条件不变情况下，打印层高越小，将使打印件质量越高，打印时间越长;相反，打印层高越大，打印件越粗糙，打印时间越短。设置打印层高时需要参考挤出头的挤出直径。最合适的打印层高为挤出直径的60%，这个层高下打印模型精度与时间可以很好平衡。其中线径也会影响挤出速度，需:要通过实验找到合适的线径。打印速度是3D巧克力打印机的一项重要参数，过高打印速度，打印质量会下降。因为高打印速度时，挤出头内部产生压力，使其打印不均匀，影响打印质量。最佳打印速度需要通过实验获得。最好的调试方法是小幅度增加打印速度大小，观测对打印模型质量影响。回抽速度:在每打印一条线条以后挤出头会有一个缩回动作，防止在空行程时、换层时出现堆积过多问题，挤出机从一个打印点移动到另一个打印点时，挤出头步进电机控制材料回缩，不挤出材料。它对打印模型的整体质量提高有很大帮助。需要通过实验来确定回抽速度，并设置在切片软件中。材料的回抽长度主要取决于挤出步进电机性能与传动装置。温度:巧克力材料需要加热到融化状态，在保温铜块里保温的温度将会对打印模型质量产生巨大影响，温度过大，巧克力成为液态，导致打印模型无法及时凝固，并且线条不均匀，回抽速度达不到要求;温度过低时，出现挤出阻力过大，堵塞或者材料断续现象。因此实验测试出恰当温度十分重要