机电系统设计课程设计-桌面级3D打印机的设计

桌面级3DPrinter课程设计机电系统设计课程设计题目：桌面级3D打印机的设计目录TOC\o"1-4"\h\z\u总述 5第一章：机械系统设计 6第一节：总体方案设计 61.1机械系统设计要求 61.2机械传动方案设计 71.2.1X轴方向传动方案 71.2.2Y轴方向传动方案 71.2.3Z轴方向传动方案 7第二节：同步带选型 82.1同步带传动特点及应用 82.2同步带的主要结构及分类 82.2.1同步带的材料 82.2.2同步带主要类型 82.3同步带传动的设计与计算 92.3.1选定同步带类型 92.3.2选定带的型号和节距Pb 92.3.3选定带轮的齿数z 92.3.4载荷的校核 9第三节：丝杆螺母选型 93.1丝杆螺母副的工作原理与特点 93.1.1丝杆螺母副的工作原理 93.1.2滚珠丝杆螺母副的特点 103.2丝杆螺母副的主要参数 113.3丝杆螺母副选型设计 11第四节：联轴器选型 114.1联轴器分类 114.1.1刚性联轴器 114.1.2挠性联轴器 114.2联轴器的选型设计 12第五节：直线滑动导轨设计与选型 125.1直线滑动导轨的分类及其特点 135.1.1矩形导轨 135.1.2三角形导轨 135.1.3燕尾形导轨 135.1.4圆柱形导轨 135.2导轨的设计与选型 13第二章：控制系统的设计 14第一节：控制系统总体方案设计 141.1系统任务要求 141.2系统设计思路 151.3系统结构及工作原理 15第二节：元器件选型 152.1控制器选择 152.1.1ArduinoUNO控制板参数 162.2执行器（步进电机） 17第三节：步进驱动芯片 193.1步进驱动芯片特点 193.2步进驱动芯片与步进电机连接图 203.3Arduino控制板与驱动芯片互连图 20第四节：硬件连接图 214.1Arduino控制板与传感器、限位开关、挤出头等连接图 214.2整体硬件互连原理图 224.3硬件互连实物示意图 23第三章:软件系统设计 23第一节：3D打印的一般流程 23第二节：软件系统组成 242.1切片软件Cura 242.2Repetier-Host软件 262.3Arduino开发环境 27第四章：心得体会 28第一节：陈成的体会感悟 28第二节：江祺杨的体会感悟 28第三节：闫峘宇的体会感悟 28第四节：杨东的体会感悟 29参考文献 29附件1：日志 30第一节：陈成的日志 30第二节：江祺杨的日志 30第三节：闫峘宇的日志 31第四节：杨东的日志 32附件2：步进电机参数及校核 32第一节：最大静转矩 32第二节：启动转矩 32第三节：等效负载转动惯量和等效负载转矩的计算 33第四节：工作最高转速时电机输出转矩 33第五节：启动频率、启动转矩和启动时间 34第六节：步进电机的校核 34任务分配表机械系统的同步带、丝杆、联轴器、导轨选型；控制系统的控制板、驱动芯片、步进电机选型；独立完成设计说明书第一章、第二章的书写；说明书的部分编辑工作。机械零件的SOLIDWORKS三维建模，合作装配整体机构，使用AutoCAD生成二维零件图，以及负责部分说明书的编辑。机械零件的SOLIDWORKS三维建模，以及主要负责整体机构的装配，使用AutoCAD生成二维装配图，负责部分的结构上的机械设计。固件下载并进行参数的配置，学习Arduino开发环境、cura、Repetier-Host等软件，熟悉软件的参数设置和各按钮功能，软件部分设计说明书的编写。总述3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。(=1\*romani)有些3D打印机使用“喷墨”的方式。即使用打印机喷头(挤出头)将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。然后铸模托盘下降一定距离（即上一层涂层的厚度），使得下一层涂层能堆叠上来。也有些是使得喷头（挤出头）上升一定距离来满足下一层涂层的喷涂。(=2\*romanii)还有的使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

(=3\*romaniii)还有一些系统使用一种叫做“激光烧结”的技术，以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。(=4\*romaniv)有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。第一章：机械系统设计第一节：总体方案设计我们参考DIY项目中3DPrinter的设计方案，以下图1-1作为初步方案，然后根据设定打印件尺寸（热床大小以及Z向高度）来确定设计的基本尺寸以及传动方式。我们采用龙门式的设计，龙门由一个横梁和两个立柱构成。分为横梁固定、横梁靠定位块锁定分段升降和横梁任意升降三种类型。横梁固定型结构机床刚性好，但不适合加工高大的工件，因为在加工靠近工作台面的工件部位时，滑枕伸出长度过大，加工刚性较差，影响加工尺寸精度；横梁靠定位块锁定分段升降型结构机床刚性较好，但横梁升降运动不能与滑枕上下移动联动，且操作较复杂；横梁任意升降型结构横梁升降运动可以与滑枕上下移动联动，加工范围较广，适合新产品开发。所以我们采用的是横梁任意升降型结构。立柱和横梁的横截面为矩形，刚性好，长期保持高精度。图1-1机械系统结构图1.1机械系统设计要求桌面级3D打印机的打印件是二维薄层（XY平面）沿Z方向堆积形成，因此要求机械系统能有X、Y、Z三个方向的自由度。设定打印尺寸为X=400mm、Y=500mm、Z=300mm即热床大小，考虑到电机尺寸和安装板以及连线所占空间，整个机械系统X方向总长设为600mm,Y方向长度设为720mm,Z方向长度设为600mm。为了减轻重量以及降低载荷考虑，非运动件材料选择铝合金，底座上有升降螺母以用于调节平台的水平状态。1.2机械传动方案设计1.2.1X轴方向传动方案X轴方向载荷以滚动轮与导轨间滚动摩擦阻力为主，载荷很轻，采用单个步进电机结合同步带方式驱动——电机轴与带轮1直接相连，带轮1与同步带配合。将同步带两端固定情况下，随着电机转动带动带轮转动，而同步带不能伸长，因此电机（包括带轮、转向轮1、轮2、挤出头等）就沿着X方向进行直线运动，该方向直线进给运动速度取决于电机转速和带轮节圆直径。图1-2同步带传动结构图1.2.2Y轴方向传动方案Y轴方向载荷也以滚动轮与导轨间滚动摩擦阻力为主，载荷也不大，采用双步进电机结合同步带方式驱动——电机轴与带轮2直接相连，齿轮2与同步带配合，其传动方式与X轴方向类似。但Y轴方向若采取单电机驱动，则需将电机传动结构中置于X轴方向的正中间，这样会使得传动结构以及部分零件变得复杂，将两步进电机分别置于X轴方向两端，采用与X轴方向类似的传动结构，可以很容易满足结构设计要求。此外Y轴方向阻力明显大于X轴方向（数倍），采用双电机驱动，可以使得选型上X轴方向与Y轴方向采用同类型电机，便于后面控制系统中硬件的设计，同时还能保证X方向、Y方向几乎相等的进给速度，便于提高控制精度。1.2.3Z轴方向传动方案Z轴方向采用电机驱动丝杆，丝杆带动螺母运动的传动方式。由于在进行XY平面打印时，需要保持Z值不变即自锁，因此必须选择丝杆螺母传动方式，而不宜采用齿轮同步带传动方式。用于整体结构采用龙门结构，因此采用双步进电机驱动方式。第二节：同步带选型2.1同步带传动特点及应用同步带传动属于啮合型带传动，工作时，依靠带的凸齿与带轮齿槽相啮合，来传递运动和动力，同步带与带轮间没有相对滑动，从而使主动轮与从动轮间基本保证无滑差的同步传动。同步带传动基本结构如左图所示。同步带传动主要由小带轮、大带轮和同步带通过带齿间的啮合连接而成，同时还要其他辅件，如张紧带轮等。同步带是一根内周表面具有等间距齿的封闭环行传动带，带轮则具有相应齿的圆轮。而本系统中，将旋转运动转化为直线运动，设计方案如图1-2，此时直线运动速度等于带轮转速与带轮分度圆直径乘积的一半。2.2同步带的主要结构及分类2.2.1同步带的材料同步带主要由橡胶、抗拉体线绳、齿面包布组合而成，其结构如左下图所示。橡胶使用主要是氯丁橡胶，抗拉线体绳为同步带主要强力材质，它一般用高强度和高韧性的钢丝绳、芳纶（芳香族聚酰胺）线绳或玻璃纤维制成。齿面包布一般采用加有氯纶或氨纶的耐磨尼龙布（变形纱）。图1-3同步带组成图2.2.2同步带主要类型1、一般工业用同步带一般工业用同步带，即梯形齿工业同步带。它主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。2、高转矩同步带高转矩同步带，又称HTD带（HighTorqueDrive）或STPD（SuperTorquePositiveDrive）。由于其齿形呈圆弧状，又称圆弧齿同步带，它主要用于重型机械的传动，如运输机械（飞机、汽车），石油机械和机床，发电机等的传动。3、特种规格同步带这是根据具体机器特殊需要而采用的特种规格同步带，如工业缝纫机用的、汽车发电机用的同步带传动。4、特殊用途同步带该种同步带主要用于满足适应特殊工作环境而制造的同步带。2.3同步带传动的设计与计算2.3.1选定同步带类型由于不论在X轴方向还是Y轴方向传动中，载荷都不大，而且对速度要求也不高，因此选择一般工业用同步带即梯形齿工业同步带就可以满足要求。2.3.2选定带的型号和节距Pb根据同步带传动的设计功率Pd和主动带轮转速n1,由同步带选型图来确定所需采用带的型号和节距。假定Pd=30W，带轮最高速度n1=200r/min，根据同步带选型图，选择T5型同步带。表1-1梯形齿同步带的型号和齿形尺寸齿型类别型号节距Pb/mm齿高hf/mm带高hs/mm角度/Deg公制梯形齿T551.22.2402.3.3选定带轮的齿数z同步带传动中小带轮的最小许用齿数zmin,可按照表来查找。根据带型以及带轮转速，选择zmin=10,因此小带轮的节圆直径d=z*Pb/pi=10*5/3.14=15.92mm。对应最大速度Vmax=2.3.4载荷的校核由同步带所带载荷很小，同步带抗拉能力较强，而且实际打印过程平均运动速度远未达到最大速度，因此无需校核应力，即可认定同步带的符合要求。第三节：丝杆螺母选型3.1丝杆螺母副的工作原理与特点3.1.1丝杆螺母副的工作原理普通丝杆螺母副没有滚珠，只是丝杆上外螺纹与螺母的内螺纹啮合传动，将丝杆的旋转运动转换为螺母的直线运动；而滚珠丝杆螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，其结构如下图1-4所示。图1-4滚珠丝杆螺母副结构图在丝杆1和螺母2上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道4，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠3.当丝杆旋转时，滚珠在滚道内既自传又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或滚珠丝杆）轴向移动。3.1.2滚珠丝杆螺母副的特点（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杆螺母副的传动效率为0.92~0.98,比普通丝杆（梯形丝杆）高3~4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杆的1/4~1/3。（2）能够预紧。若给予适当预紧，可以消除丝杆螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载区，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度，从而使丝杆的定位精度高，刚度好；同时增加的摩擦力矩相对不大。而普通丝杆则存在反向间隙，无法消除。（3）运动平稳，传动精度高。滚动摩擦系数接近常数，启动与工作的摩擦力矩差别很小，启动时无冲击，低速时无爬行。而普通丝杆在低速运行时容易出现爬行。（4）具有可逆性，既可以从旋转运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成螺旋运动。而一些普通丝杆可以自锁，直线运动与旋转运动之间不能互相转换。（5）磨损小，使用寿命长。滚珠丝杆螺母副的表面为高硬度(HRC58~62)、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性，寿命为滑动丝杆副的4~10倍以上。（6）制造成本较高。滚珠丝杆和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，由于滚珠丝杆副的结构和制造工艺复杂，故制造成本高，价格往往以长度mm为单位计算。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杆，由于其自重和惯性力的作用，下降是当传动切断后，不能立即停止运动，故必须在系统中附加自锁或制动装置。（8）定位精度和重复定位精度高。由于滚珠丝杆螺母副摩擦小，温升少，无爬行、无间隙，通过预紧可以进行预拉伸的热膨胀补偿，因此能达到较高的定位精度和重复定位精度。(9)同步性好。用几套相同的滚珠丝杆螺母副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。（10）可靠性高。润滑密封装置结构简单，维修方便。3.2丝杆螺母副的主要参数公称直径d0：是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态下时包括滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杆螺母副的特征尺寸。公称直径d0越大，承载能力和刚度越大。对于普通丝杆公称直径d0则表示与丝杆外螺纹的牙顶相重合的假想圆柱面的直径。基本导程L0：是指丝杆相对螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移。3.3丝杆螺母副选型设计从滚珠丝杆螺母副特点可以知道，在垂直方向布置滚珠丝杆螺母副，由于不能自锁，需要设计自动制动装置，无形中增加了机械系统的的复杂程度。此外对于桌面级3D打印机，其精度要求不高，若采用滚珠丝杆螺母副，费用过高，精度利用率不高，经济性不强，因此综合考虑滚珠丝杆与普通滑动丝杆的性能，最终选择普通滑动丝杆。普通丝杆选择M8x1.25mm，其刚度足以承受载荷，由于是单头螺纹，因此能很好地满足自锁要求。第四节：联轴器选型联轴器是一种常用的机械传动装置，主要用于来连接轴与轴（或连接轴与其他回转零件）以传递运动和转矩。此外，联轴器还具有补偿两轴相对位移、缓冲和减震，以及安全防护等功能。4.1联轴器分类4.1.1刚性联轴器刚性联轴器两轴轴线的许用相对位移量甚微，通常的许用相对径向位移为0.002~0.05mm，许用相对角位移在1m长度上不超过0.05mm。但这类联轴器具有结构简单、成本低廉、能保持准确的传动比等优点，因此，在需要使两轴牢固地刚性连接、启动频繁、速度变化大的场合仍常使用。刚性联轴器的主要形式有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等4.1.2挠性联轴器挠性联轴器结构原理如图1-5所示，压圈用螺钉与连轴套相连，通过拧紧压圈上的螺钉，可使压圈对锥环施加轴向压力。锥环又分为内锥环和外锥环，它们成对使用；由于锥环之间的楔紧作用，压圈上的轴向压力使内锥环和外锥环分别产生径向收缩和胀大的弹件变形，从而消除间隙。同时，在被连接的轴与内锥环、内锥环与外锥环、外锥环与连轴套之间的接合面上产生很大的接触压力，就是依靠这个接触压力产生的摩擦力来传递扭矩的。为了能补偿两轴的安装位置误差（同轴度及垂直度误差）引起的“干涉”现象，采用柔性片结构。柔性片分别用螺钉和球面垫圈与两边的连轴套相连，通过柔性片传递扭矩。柔性片每片的厚度约为0.25mm，材质一般为不锈钢。两端的位置偏差就是由柔性片的变形来抵消的。采用这种挠性片联轴器把电机与丝杆直接连接，不仅简化结构，减少噪声，而且能够消除传动间隙，提高传动刚度。图1-5挠性联轴器结构图4.2联轴器的选型设计对于Z轴的步进电机与丝杆连接之间的联轴器，优于转速、转矩都不大，对精度要求不高，考虑到经济性，优先选用刚性联轴器。为了简化机械结构，选用刚性套筒式联轴器。具体结构如下图1-6图1-6联轴器设计结构图第五节：直线滑动导轨设计与选型直线滑动导轨有若干个平面，从制造、装备和检验来说，平面的数量应尽量少。常用的直线滑动导轨的截面积形状有矩形、三角形、燕尾形和圆形，各个平面所起的作用也各不相同。在矩形导轨和三角形导轨中，M面主要起支承作用，N面是保证直线移动精度的导向面，J面是防止运动附件抬起的压板面；在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支承作用。根据支承导轨的凹凸状态，又可以将导轨分成凸形导轨和凹形导轨。其中，凸形三角导轨称为山形导轨，凹形三角导轨称为V形导轨。凸形导轨不易存储润滑油，但易清楚导轨面的切屑等杂物。凹形导轨易存储润滑油，但易落入切屑和杂物，必须设置防护装置。图1-7各型导轨截面图5.1直线滑动导轨的分类及其特点5.1.1矩形导轨矩形导轨易加工制造，刚度和承载能力大，安装调整方便。矩形导轨中M面起支承兼导向作用，起主要导向作用的N面磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置。它适用于载荷大且导向精度要求不高的机床。5.1.2三角形导轨此导轨由M、N面两个平面组成，起支承和导向作用，在垂直载荷作用下，导轨磨损后可以自动补偿，不产生间隙，导向精度高，但仍需设置压板面间隙调整装置。三角形顶角夹角一般90度。若重型机床承受载荷大时，为增大承载面积，夹角可取110~120度，但导向精度差。精密机床可以采用小于90度的夹角，以提高导向精度。5.1.3燕尾形导轨这是闭式导轨中接触最少的一种结构，磨损后不能自动补偿，需要用镶条调整。燕尾面（M面）起导向作用。燕尾导轨制造。检验和维修复杂，摩擦阻力大，可以承受颠覆力矩，刚度较差，导轨的夹角为55度，用于高度小的多层移动部件。5.1.4圆柱形导轨这种导轨刚度高，易制造，内孔可以通过珩磨达到精密配合，但磨损后间隙调整困难。它适用于受轴向载荷的场合，如压力机、珩磨机、攻螺纹机和机械手等。5.2导轨的设计与选型各种导轨特点各不相同，选择时考虑刚度和承载力，导向精度，工艺性好、制造、检验都方便，结构紧凑性等因素。对于桌面级3D打印机，矩形导轨导向精度不高而且承载能力无法充分利用，而燕尾形导轨则工艺性较差，圆形导轨比较适用于受轴向载荷的场合，因此综合考虑导向精度、工艺性以及承载能力等因素，选择三角形导轨。第二章：控制系统的设计第一节：控制系统总体方案设计1.1系统任务要求控制对象如图2-1所示，主要由Y、Z双轴控制台及安装在轴端的步进电机，X控制台以及安装在轴端的步进电机，打印机挤出头（喷头）以及安装在轴端的步进电机组成。X、Y、Z方向都分别安装两组限位开关，一组用于实现回零操作，另一组用于机械保护。此外热床、挤出头都需要保证一定温度，需要进行温度的控制，还有风扇对挤出头或电源控制箱进行散热。系统可以满足电动和G程序运行，其精度为毫米级。图2-1机械系统设计结构图1.2系统设计思路从系统的控制要求的位移精度为毫米级出发，优先选择步进电机，且不需要测量位移的反馈。此处控制器采用ArduinoUno控制板，用以控制所有的步进电机的运动，通过USB接口与桌面PC连接，写进控制程序，在桌面PC上实现对电机的控制。热平台以及挤出头温度利用ArduinoUNO控制板来进行温度控制。1.3系统结构及工作原理图2-2控制系统框图系统的结构如图2-2所示，主要分为模块：软件模块、控制模块、驱动模块、执行模块。软件模块主要是安装在PC上的各类软件，控制模块主要是ArduinoUno控制板，驱动模块是步进电机驱动芯片，执行模块主要是步进电机，此外还有电源、传感器、风扇以及挤出头等。首先通过PC中软件系统来设置各种具体参数，写入ArduinoUno控制板中，进而控制步进电机的转速和角位移来实现X、Y、Z轴向的运动，而回零限位开关获得信号传入ArduinoUno控制板可以在X、Y、Z轴向回零后将步进电机停下，保护限位开关可以防止X、Y、Z轴超出行程，温度传感器用于测量热床、挤出头温度从而控制相应执行件（如风扇、热床、挤出头）对应端口得电或失电。第二节：元器件选型2.1控制器选择控制器选择ArduinoUNO控制板。控制器是整个控制系统的数据计算和处理中心，其运算速度和处理能力一定程度上决定了控制系统的优劣。Arduino是一个开放源代码的单芯片微控制器，它使用了AtmelAVR单片机，采用了基于开放源代码的软硬件平台，构建于简易输出/输入（SimpleI/O）接口板，并且具有使用类似Java，C语言的Processing/Wiring开发环境。2.1.1ArduinoUNO控制板参数处理器ATmegaAT328工作电压5V输入电压（推荐）7~12V输入电压（范围）6~20V数字I/O脚14（其中6路作为PWM输出模拟输入脚6）I/O脚直流电流40mA3.3V脚直流电流50mAFlashMemory32KB（ATmega328，其中0.5KB用于bootloader）SRAM2KB（ATmega328）EEPROM1KB（ATmega328）工作时钟16MHZ图2-3Arduino控制板实物由于给定的ArduinoUNO控制板，只有14个I/O口，而需要控制的电机多达4组，因此使用扩展的Arduino控制板，其扩展结构原理图如下图2-4所示。图2-4扩展的Arduino控制板原理图2.2执行器（步进电机）显然对于桌面级3D打印机，选择开环控制的步进电机就足以满足精度要求。步进电机是将电脉冲信号转换成机械角位移信号的执行元件，每接收一个电脉冲信号，步进电机转过一个步距角。步进电机转子的角位移与输入脉冲的个数成正比，转速与输入脉冲的频率成正比，转向取决于绕组的通电相序。因此，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。先根据三维模型计算出等效负载和负载的的等效转动惯量。根据机械原理，折算到电机轴上的等效负载转动惯量和等效负载转矩分别为Jeq=j=1Teq=j=1p表2-1步进电机的电气性能参数型号步距角电流电阻电感保持转矩转动惯量引线数重量机身长品牌DegA/mH/NcmgpinkgMm1705HS20DX1.82.01.636512040.663汉德保结合资料以及他人的项目实际情况，先选择汉德保42mm系列2相混合式步进电机，型号1705HS20DX,步距角为1.8°，最大静转矩为0.65N∙m，转动惯量为120g.cm2，重量Z轴方向载荷：丝杆——430mm,M8x1.25，0.169kg；联轴器——0.053kg；螺母——0.021kg；连接板——0.452kg；X方向横架——0.635kg；挤出头连接板1——0.466kg；挤出头连接板2——0.366kg；连接螺栓若干（5g/个）设每一薄层打印物厚度为0.3mm，而丝杆导程为1.25mm，步距角为1.8°，因此脉冲当量δ=6.25um，挤出头每上抬一层需要48个脉冲，而两相电机通电两次一个循环即需要24个循环。假定Z轴方向上升速度为0.3mm/s，即通电频率为24Hz，步进电机转速n=等效转动惯量Jeq=120*假定丝杆下端以及丝杆螺母之间的最大静摩擦阻力矩M1=0.2Nm，直线位移部分阻力：F=(1+0.3)*(0.452+0.635/2+0.466/2+0.366/2+0.1)*9.8=16.5N，等效负载转矩Teq=采用两相步进电机采用四拍式的通电方式，可以降低电机换相时的抖动，电机启启动转矩T由于上面计算本来就将阻力矩和阻力认为放大，而此时电机仍旧能满足正常启动，因此该类型电机足以满足Z轴方向需要。对比Y方向的阻力情况，受到载荷重量还包括上面两个竖直支架等结构，不存在重力型阻力，而摩擦力系数本来就很小，虽然运行速度要高一些（假定3mm/s），但仍旧还是以丝杆与螺母的摩擦阻力矩为主，因此Y轴方向也足以满足要求。至于X轴方向，其载荷最小，一定能满足要求。假定Y轴方向速度最大为170mm/s，脉冲当量δ=θb360∙πd=0.25mm，最大转速nmax=60Vmaxπd=(60*170/3/15.92)=204r/min空载时启动转矩约为数千转，对应频率为10^2Hz级别，而等效到电机轴上的总的转动惯量本身几乎与电机轴的转动惯量差不多，因此总转动惯量对应的启动频率与空载时启动频率在一个数量级，而这个值是远大于本系统最大运行速度所对应的最大频率，所以步进电机不会出现失步情况。第三节：步进驱动芯片选择TOSHIBA的TB62206FG步进驱动芯片。TB62206FG芯片用于驱动两双极步进电机，该芯片能承受的最大电压是40V,最大输出电流1.8A。其原理图如图2-4所示。图2-6端口功能表注：只有在STANDBY’处在高电平时，芯片才能工作，只有相应输出端口的ENABLE处于高电平时，才能有输出。图2-5步进驱动芯片原理图3.1步进驱动芯片特点双极步进电机驱动芯片；内置的PWM电流控制；两相或单相励磁；高电压和电流输出40V/1.8A；热关闭电路，过流保护电流和重置3.2步进驱动芯片与步进电机连接图ENABLEA、ENABLEB、PASHEA、PASHEB分别与Arduino控制板的I/0口相连，STANDBY’置于高电平用来启动驱动芯片，输出的OUTB、OUTB’、OUTA、OUTA’分别与电机两相线圈相连。芯片本身由电源供电，完成功率放大和环形分配的功能。图2-7为芯片与电机互连图。图2-7步进驱动芯片与步进电机互连图3.3Arduino控制板与驱动芯片互连图Arduino控制板的4个I/O口分别与驱动芯片的ENABLEA、ENABLEB、PASHEA、PASHEB相连，用于控制芯片的输出。图2-8Arduino控制板与驱动芯片互连图第四节：硬件连接图4.1Arduino控制板与传感器、限位开关、挤出头等连接图对于热床、挤出头、电源箱风扇等与控制板POWER处5V的输出端口相连，分别用于加热热床、加热挤出头、对电源箱散热。温度传感器用于测量热床和挤出头处温度，测得模拟信号接入控制板的ANALOGIN，当温度存在问题时，用于控制其他端口得电或失电来控制温度，而限位开关则即可与ANALOGIN端口相连也可与I/O口连接，用于控制电机启停。如下图2-8所示，限位开关只画出两个（分别用于同一方向的回零和保护作用）。图2-9Arduino控制板与传感器等互连图4.2整体硬件互连原理图对于Z轴和Y轴方向采用双电机，由相同的4个I/0口接线控制。图2-10硬件互连图4.3硬件互连实物示意图图2-11硬件互连实物示意图第三章:软件系统设计第一节：3D打印的一般流程1、使用制图软件画出3D模型，并导出.stl文件，制图软件用的最多的有CAD、SolidWorks、openSCAD等。这里我们选用SolidWorks作为制图软件。；2、通过切片软件对.stl文件进行切片，转换成GCODE文件（机器识别码），切片软件用的最多的有Slic3r、Cura，Slic3r软件有着非常丰富的配置选项，但是它运行速度慢，内存占用高；而Cura则不同，它的特点是切片速度快，用户体验好，并且切片的效果并不差，而且随时改变参数设置后，软件马上重新进行切片处理，所以这里我们选择Cura作为我们的切片软件；3、通过串口/蓝牙传输gcode到打印机控制打印。因为我们是通过PC来控制打印，这里就需要用到上位机软件。用的比较多的上位机软件是pronterface，其界面简单，操作起来也非常简单；还有RepetierHost也比较常用，其界面更加直接，但是操作相对复杂些。这里我们选择的是pronterface软件。上位机作用就是读取由切片软件生成的gcode文件，并传输相应的指令给3D打印机，控制打印。因为其还有很多手动控制功能，在调试3D打印机的时候是不可缺少的。

4、固件烧写软件：arduino开发环境。整体软件数据流动过程如下图所示。图3-1软件数据流程图第二节：软件系统组成2.1切片软件Cura基础（basic）设置界面图3-2切片软件Cura质量（Quality）栏，层高（Layerheight）指切片每一层的高度。这个设置最直接影响到打印的速度，很明显层高越小，打印时间越长，同时可以获得相对好的打印精度，这里我们选择层高为0.1mm。外壳厚度（Shellthickness）指模型切面最外层的厚度，通常设置成喷嘴直径的倍数。外壳厚度很大程度上影响了3D打印件的坚固程度。开启回抽（Enableretraction）指的是在两次打印间隔时是否将塑料丝回抽，以防止多余的塑料在间隔期挤出，产生拉丝，影响打印质量。填充（Fill）栏，底/顶厚度（Bottom/Topthickness）与外壳厚度类似，这个值和外壳厚度最好接近，并且是层厚和喷嘴直径的公倍数。填充密度（FillDensity）指的就是原本实心的3D模型，内部网格状塑料填充的密度，通常情况下20%的填充密度就足够了。速度和温度（SpeedandTemperature）栏，打印速度（Printspeed）指的是每秒挤出多少毫米的塑料丝，这个值在50~60毫米之间就可以。打印温度（Printingtemperature）随使用材料的不同而不同。PLA材料通常将这个值设定在185度。热床温度（Bedtemperature）设定在60度。支撑（Support）栏，支撑类型（Supporttype）可以在无支撑（None）、接触平台支撑（Touchingbuildplate）或者到处支撑（Everywhere）之间进行选择。平台附着类型（Platformadhesiontype）是指是否加强模型与热床之间的附着特性。耗材（Filament）栏，这一栏要指定好耗材的直径，RepRapPrusai3似乎只能使用1.75mm的耗材，因此直径（Diameter）要改为1.75。流（Flow）这一栏可以设置挤出塑料量相对于缺省值的百分比。高级切片设置界面图3-3切片软件Cura设置界面挤出头尺寸（Nozzlesize），把它设置为你实际使用的挤出头尺寸值。回抽（Retraction）栏，可以设定回抽的速度（Speed）和距离（Distance）。保持缺省值就可以。质量（Quality）栏中，首层厚度（Initiallayerthickness）一般设置为与层高一样就可以，首层线宽（Initiallayerlinewidth）也与3D打印对象和热床之间的粘合相关，一些情况下，可以指定一个大于100%的值，加强这个粘合的强度。剪平对象底部（Cutoffobjectbottom）用于一些不规则形状的3D对象，如果对象的底部与热床的连接点太少，也会造成无法粘合的情况，这时将这个值设置为一个大于0的值，3D对象将被从底部剪平，自然可以更好的粘在热床上了。速度（Speed）栏，就是用来指定各种3D打印阶段的打印机运行速度。制冷（Cool）栏，用来控制制冷风扇的参数。这两栏基本不需要进行修改，保持缺省值就好。最后输出G-code文件。虽然cura软件也有控制功能，但是其在与固件配合方面有很大的问题，所以这里不能作为控制软件进行使用，所以我们选择了另外的控制软件来完成后面的操作。2.2pronterface软件软件主界面如下：图3-4pronterface软件界面部分按钮介绍：Watch按钮用于打印头和热床温度的显示控制，checktemp用于温度显示异常时的矫正；Extrude用于控制挤出机挤出动作，Reverse控制挤出机后退动作。下面对打印过程做一个简单的介绍：1、通过connect将打印机与电脑连接；2、点击各轴较小单位按钮对电机进行检查；3、点击loadfile按钮，加载G代码；4、点击加热头（Heat）及热床（Bed）的加热开关（set），开始加热；5、当温度达到规定温度时，开启挤出机风扇（在界面右下角命令框输入M106S200，S200为风扇速度的PWM值，最高255，但不能低于150），如果想关闭则输入M107，不过开始正式打印时应保持风扇的开启；6、点击Print，打印机各轴开始运行，打印头确定原点位置，打印开始。2.3Arduino开发环境图3-5Arduino开发界面这个是负责固件烧写的软件，这里我们选择了marlin固件。只有将固件烧写进ArduinoUno板子里面，控制软件才能与打印机连接。第四章：心得体会对这次3D打印机设计，我们采用龙门式传动，其中丝杆螺母副中螺母的设计很有特色，既起到直线运动作用，又支承其整个X方向重量。Y方向（或X方向）采用同步带传动方式，一般情况下，同步带多用于圆运动之间的传动，但这次我们将圆运动转化成了直线运动，这是机械原理中未曾见到的传动方式。当然，还有一些细节如螺钉（确实太多）没有一一画出，而且阻力也未能准确地计算，还有未能实际动手制作实物都是遗憾，希望今后能亲自动手做一台3D打印机。第一节：陈成的体会感悟经历三周的课程设计，于今天告一段落，这次我作为组长，担任分配任务以及负责控制系统的设计部分工作。通过学习对Arduino控制板有了一定了解，初步弄明白了各个端口的功能与作用。个人认为这是学习Arduino的基础，只有明白各个端口的作用，才能利用Arduino进行进一步的功能扩展。通过课程设计学习，对步进电机的特点以及驱动芯片的作用也有了更为深入了解，知道如何根据哪些参数进行选择。更为重要的是，从硬件层面对控制系统的各器件的连接情况有了一定认识，这于今后的实践显得尤为重要。虽然这次没有进行实践的测试，但对我全面把握控制系统有很多帮助。此外，我也学习了AltiumDesigner软件的使用，虽然对电路的知识掌握还不够，但已经可以通过软件，画出简易原理图。作为组长，我也发现此次课设在某些方面确实存在问题，不过由于精力和能力限制未能改善，但大家还是非常认真的做事完成自己的工作。第二节：江祺杨的体会感悟经过为期三个星期的课程设计，我感觉我得到了很充分的锻炼。从接到题目开始的一无所知，之后再找参考资料时的若有所悟，再和搭档们一起讨论原理和结构设计，到完全了解3D打印机的工作过程和结构设计的这一个学习过程，我确实收获不小。然后因为我平时擅长于建模画图这方面的工作，而且这个模型的零部件有点多，于是我就和闫峘宇二人搭档负责建模和画图方面的工作。一开始我们小组商讨3D打印机的结构，就决定用龙门式的，之后就沿着这个思路去设计与画图。画三维图的过程是复杂的，建模大约用了一个多星期，之后我们便将三维图生成二维零件图和装配图。在这整个课程设计的过程中，我的画图能力得到了锻炼，能将零件众多的设备有条理的装配起来，并且将机械设计部分的知识回顾了一遍，锻炼了我的查阅资料的能力，回顾了以前的知识并增长了新的知识，我想这就是课程设计给我带来的收获吧。第三节：闫峘宇的体会感悟在这次的课程设计过程中，我是被分配机械设计方面的工作，主要做了画零件图和装配图的工作。经过这段时间的课程设计，我感觉自己的画图水平得到了一定的锻炼，那么多的繁琐零件和复杂的装配也经过分析慢慢地画出来了。也通过查阅资料学会了不少关于桌面级3D打印机的知识。刚开始被通知做这个课程设计的时候感觉好难，但是通过查阅资料以及和搭档们的讨论，便很快得到一些设计思路，我觉得这个课程设计也培养了我们团队合作的能力。第四节：杨东的体会感悟三个星期的课程设计结束了，这次的课设是小组合作完成的，所以从开始就让每个人都有了自己的任务，而我主要负责控制软件这一块。感觉自己还是学到了很多东西，从对软件的完全不了解，到了解各种软件的优劣和对软件的最终选择，再通过网上查阅各种软件的使用说明和教程，再到可以对一些常用的参数进行设置和一些控制按钮的使用。虽然只对软件的部分功能进行了学习，没有完全掌握软件的各种功能，收获还是不少的。这是我们大学的最后一个课程设计了，虽然做的不是足够好，但还是算为大学课设划上了一个句号。参考文献[1]王金娥罗生道机电一体化设计指导书[M].北京：北京大学出版社.2011[2]冯清秀邓星钟机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社.2011[3]唐增宝常建娥机械设计课程设计[M].武汉：华中科技大学出版社.2011[4]吴昌林张卫国姜柳林机械设计[M].武汉：华中科技大学出版社.2011[5]黄文恺伍冯杰陈虹Arduino开发实站指南[M].北京：机械工业出版社.2014[6]PatrickHood-DanielJamesFloydKellyBuildYourOwnCNCMachine[M].US:Springer-VerlagNewYork,Inc.[7]徐灏机械设计手册（第3卷）[M].北京：机械工业出版社.1992附件1：日志第一节：陈成的日志3月2日 完成对本小组的任务（机械系统与控制系统）分配；对机械结构的运动情况有了大致了解，很多细节需要与组员讨论，由此确定控制系统的参数；参考课程设计指导书，确定需要精细阅读。3月3日 深入了解步进电机原理以及主要参数和选型需要考虑因素；理解步进驱动器的原理和功能；仔细阅读书籍PrintinginPlasticBuildyourown3DPrinter，了解到软件的组成分为ReplicatorG、Java、Python以及一些Configuration文件，用于在PC上实际操作运行3DPrinter。3月4日 结合网站上草图，与同组成员讨论了3DPrinter的机械传动结构，基本弄明白全部的传动结构；对于桌面级3DPrinter本身的精度是毫米级，因此采用丝杆双驱动时没有进行反馈控制。此外运行位移精度都是靠步进电机的转角位移来决定，没有闭环控制。3月5日 与机械设计组员深入讨论了机械传动结构的细节；完成了控制系统的总体设计方案，画出系统结构及工作原理图；了解ArduinoUno控制板的基本结构；搜索了部分驱动器以及步进电机类型的基本情况，正在选型中。3月6日 查找电机与驱动器，进行初步选型；完成对机械系统的部分物理量的估算，正在进行电机参数的校核；大致了解Arduino控制板的工作原理，进一步了解各个端口的作用，以及端口连接方式。3月9日 已经完成步进电机选型以及校核；完成驱动芯片选择；初步了解各个电子器件间的连接情况。3月10日 对Arduino控制板各个端口进行进一步了解；对步进驱动芯片的各个端口的功能进行了解；初步完成硬件部分的互连图，详细部分正在继续。3月11日 部分完成机械系统设计说明书以及控制系统说明书。3月12日 完成机械传动方案中同步带的选型；了解滚珠丝杆选型情况，正在综合考虑。3月13日 综合考虑滚珠丝杆与普通丝杆的优缺点，结合项目实际情况，完成丝杆选型；了解联轴器的类型，完成联轴器选型。3月15日 完成导轨选型设计；安装AltiumDesigner软件，学习使用该软件。3月16日 学习利用AltiumDesigner软件创建Arduino控制板的原理图以及连接Arduino控制板与驱动芯片、电机、传感器、限位开关等；书写并修改说明书。3月17日 利用AltiumDesigner完成硬件互连原理图；设计说明书编写和修订；完成课程设计感想3月18日 说明书修订以及排版。 第二节：江祺杨的日志3月4日 今天和小组成员讨论3D打印机X，Y，Z方向上的运动原理以及整体的一些问题，感觉有了大致思路，还需要细细研究。整体的3D打印机的工作原理已经弄清楚了，可以开始着手建模了。3月5日 由于我和小组另一成员之前被分配的是机械方面的任务，我们今天开始讨论设计方案并且开始画图。讨论分析了网上那人的设计方案，在我们力所能及的范围内作了修改，开始着手用solidworks画图了。3月6日 今天也没干别的，就是继续画图建模。边画边分析，对3D打印机的一些结构有了更加明确的认识。3月9日 这几天都在画图，工作进度不是很快，零件图快画完了，明天开始装配那些零件图，这样子建模的任务应该就在这几天可以完成了吧。3月10日 今天开始搭装配图，花了一白天和搭档只装配了一半。估计是个大工程，明天还要继续。3月11日 今天也是生成装配图，装配图已经做好了，真的很累。明天开始生成工程图。3月12日 今天画了零件图生成的工程图，有些软件的新功能没用过，还在学习和熟悉的过程中。3月13日 今天是向老师中期汇报的日子，我们小组四点去机械大楼B408向老师汇报，讲述了每个人的任务分配以及干了什么，老师给予了点评，指导了我们之后要改进的一些东西，然后我们就回去了。3月16日 对工程图的细节进行了修改，修改了尺寸和明细表。3月17日 今天做了最后收尾的工作，整理了工程图，已经可以出图了，然后一起整理了任务设计书，写了些课程设计心得体会。第三节：闫峘宇的日志3月2日 今天完成了对小组课程设计的分工，我主要负责机械部分的设计任务；对桌面级3D打印机进行了一定的了解，有了一定的认识；在网上查阅了一些关于机械结构的资料，与小组成员进行讨论。3月3日 今天主要上网查询了一些关于3D打印机的机械结构；对3D打印机各个零件的装配有了一定的认识；准备明天着手开始设计。3月4日 今天与小组的成员进行了讨论，将X,Y,Z三个轴的运动实现方式进行了分析，已经对各个轴的运动有了了解。3月5日 今天完成了对建模工作具体的分工，并完成了一些零件的三维建模；继续设计运动传动部分的机构。3月6日 完成对X,Y,Z三轴的机械传动部分的分析以及设计；继续完成机构的三维建模。3月9日 完成3D打印机机械部分所有机构的建模工作；完成对联轴器、丝杠的选型。3月10日 完成3D打印机所有零件的建模，完成部分零件的装配。3月11日 完成所有零件的装配工作。3月12日 将装配好的SOLIDWORKS导入CAD，进行装配图的绘制。3月13日 进行装配图的绘制。3月16日 装配图绘制基本完成；整理设计说明书。3月17日 完成装配图的标注，明细栏部分；将设计说明书进行排版，整理。3月18日 完成对设计说明书的整理，撰写课设心得。第四节