1、3D打印機總體方案及結構設計 題目： 3D打印機設計 專業班級 機械電子工程1班 屆 次 2013屆 學生姓名 揭碩 學 號 指導教師 二O一六年十月十二日1 / 18一、總體框架的設計系統概述系統由輸人設備制定部分參數,從存儲設備或者直接從計算機 中得到事先建好的三維模型,由單片機對模型進行分析,切片,建立 必要的支撐結構,再從單片機輸出控制指令,控制噴頭型材料融化,并通過一定的驅動電路驅動電機,帶動噴頭進行X、Y、Z三個方向的移動,并控制噴頭的噴出系統調節噴出材料的多少。每打好一 層,從外 部設備讀取下一層的參數,再打印下一 層,直到全部模型完成。完成 模型的打印之后,還需要后期的材料回收

2、工作。系統框架輸入設備、存儲外設、上位機、溫度傳感器的測量值-單片機分析-溫度控制回路、XYZ各方向電機控制、噴出量控制、顯示設備打印耗材的選用為了實現3 D打印機的功能,所選材料也很重要。既要由較低的熔點,也要有較好的粘滯性,同時也需要快速成型。綜合考慮,我們最終選擇了P L AA /B S耗材。設計思路概述ABS/PLA耗材熔點為230左右,分解溫度260以上,故其通常成型溫度在250以下。控制回路使用溫度傳感器返回當前溫度,反饋回路保證了溫度保持恒定,控制器統一使用了單片機來輸出指令(3)控制回路方框圖如下：設置的空氣溫度單片機D/A轉換器加熱電路當前溫度溫度傳感器A/D轉換器單片機x

3、y z三方向控制電機的設計采用化繁為簡的思路,將三維打印轉化為二維進而轉化為一維 打印。即Z方向采用步進電機,由步進電機固定的 給量算出所需的步進角,用這種方式將三維打印先轉化為每一平面內的二維打印,再由Y方向也為步進電機帶動,則每一平面內的二維打印又轉化為很多條 直線上的一維打印。噴頭移動及噴出量調節的設計 熔融擠出系統對噴頭系統的基本要求 是:將成型料絲送人液化器中,在其中及時而充分地熔化,由固態變 為熔融態,然后再進一步從更小直徑的噴嘴中以極細絲狀擠出,按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描速度相匹配,以保證均勻一 致的材料堆積路徑。成型工藝對噴頭系統的功能要求可以分解為以下幾點:1)

4、 供應功能:將料絲從絲筒上拉出,提供成型材料;2) 熔絲功能與料絲送進功能:將送進的固態料絲及時且充分地 熔化成為熔融狀態并將料絲送人液化器;3) 流道功能:提供熔融態材料穩定流動的通道;4) 定徑功能:對擠出熔融態物料進行定徑,變為滿足要求的細小直徑的絲材進行堆積;5) 出絲速度匹配與出絲起停控制功能:出絲速度可控,能根據掃描速度進行調整,實現互相匹配。出絲應能根據路徑掃描要求及時起停,以保證高質量的成型路徑,尤其是在路徑 起停處。在采用熔絲擠出方式的工藝原理時,就是借助液化器中未熔絲材的活塞作用,將熔融材料擠出噴嘴,出絲推力近似等于送絲驅動力,所以在此特定的工藝原理中,送絲功能和基礎功能是

5、等效的。噴頭實現方法設計基于所選擇的打印耗材,噴出技術采用熔融沉積成型技術,根據片層參數控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描,同時控制熔融液體的體積 流量,使粘稠液體物料均勻地鋪灑在斷面層上。液化器中使用電熱絲提供熱量使料絲熔融。熔融擠壓快速成型工藝對溫度的要求極其嚴格,噴頭出絲溫度和成型室的溫度嚴格處于一定的溫度范圍之內,且一旦設定溫度控制值之后,須保證其溫度保持在平穩狀態,不能產生較大 的擾動,否則成型質量將受到影響。這就要求液化器溫度必須保持穩 定。因此,我們需要加入上述的溫度控制回路來嚴格控制液化器的溫度。二、 機械結構傳動方式的選擇 直線導軌可分為：滾輪直線導軌和滾珠直線導軌兩種，前者速度快

6、精度稍低，后者速度慢精度較高。 滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1)與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2)高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面,對溫度·濕度進行了嚴格的控制,由于

7、完善的品質管理體制使精度得以充分保證。 3)微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。 4)無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5)高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發熱小、所以可實現高速進給(運動)。轉動慣量的計算滾珠絲杠根據國家標準JB/T98931999 選用長度L=1.0m，公稱直徑D=12mm,公稱導程mmPh40對本系統而言，絲杠傳動折算到馬達軸上的總慣量為：

8、 Jt=Z1+1/i2Z2+JS+JW(kg.m2)+= 其中i為兩齒輪的傳動比，此處取i=Z1/Z2=1其他符號說明如下： Z1齒輪l 及其軸的轉動慣量；J1=0.0018kg.m2 Z2齒輪2 的轉動慣量，取J2=0.0018kg.m2×=； Js絲杠轉動慣量，kg.m2×；Jw-為工作臺折算到絲杠上的動慣量； W工作臺重量，工作臺輕，取6kg； S絲杠螺距，4mm； g重力加速度，9.8m/s2； 圓柱體的轉動慣量：J=1/8MD2 M-圓柱體質量； D-圓柱體直徑； 而且選用絲杠的密度（類于鐵）為7.8g/m3=r； 滾珠絲杠的轉動慣量為：JS=1/4D2pl*1/

9、8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )Jw=6*0.0042/(9.8*42)=2.48*10-7( kg.m2 )從而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。可見，Jt很小主要由兩個齒輪的轉動慣量來決定，從而對電機的功率輸出要求不苛刻，在功率不高情況下，可以實現高轉速。 這是一個小慣量的系統，該系統啟動，加速，制動的性能好，反應快，比較理想。 此類電機最高轉速一般是3000r/min上下，取3000為參考研究 按360dpi的分辨率來考慮，則每英寸25.4mm對應360個色點，每兩個色點的距離為25.4/360=0.07mm,又打印噴頭

10、為雙排的，所以，打印噴頭周期移動距離d=0.07*2=0.14mm，噴墨一次，噴粘劑一次，兩個噴頭噴出同步； 設定機械精度：0.005mm，對應的脈沖當量: 由i=1，求得絲桿轉一圈，噴頭前進4mm。則機械精度對應 絲桿轉一周，上位機應該發出的指令脈沖為4mm/0.005mm=800（個） 則對應轉速約為3000，上位機脈沖能力至少800*3000/60=40000r/s； 對應6000轉的轉速，則上位機脈沖能力80000r/s，電子齒輪比不變. CMX ：電子齒輪比的分子是電機編碼器反饋脈沖。 CDV ：電子齒輪比的分母是上位機的給定脈沖（指令脈沖）。 電子齒輪比=CMX/CDV=（1310

11、72×100）/ 80000=6553600/200000=32.8。 在此計算電子齒輪比的目的電子齒輪比把上位機的給定脈沖要換算成與電機編碼器反饋脈沖同等意義的信號，便于控制中心按給定指令要求控制伺服轉動定位。此外，通過上位機的脈沖能力的估算，對比實現的可能性，得知我們方案的合理性。噴頭的選擇選用Konica512L型號，實現寬度盡可能滿足，分辨率滿足，控制X軸方向運動，Y軸方向由另一電機控制，控制方式類似，單次位移為36.1mm,精度控制一樣。雙排式排列方式，使得走完一個幅面的時間相對于單排式減半，利于打印速度的提高。三、電機的選擇伺服電機和步進電機的對比控制電機的比較與選取：電

12、機控制系統按照運動過程的需要分為驅動伺服和驅動步進兩大類。伺服有速度控制和位置控制模式。交流直流伺服電機對比 在20世紀60年代，最早是直流電機作為主要執行部件，在70年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機。控制器的功能是完成伺服系統的閉環控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅動器已經包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進電機直接驅動的開環伺服系統曾經在90年代的所謂經濟型數控領域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。 伺服電機可以考慮直流和交流兩種：但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經常維護。換向

13、器換向時會產生火花，使電動機的 最高速度受到限制，也使應用環境受到限制，而且直流電動機結構復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態響應更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高1070，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。 PMSM主要由定子、轉子及測量轉子位置的傳感器構成。定子和一般的三相感應電機類似，采用三相對稱繞組結構，它們的軸線在空間彼此相差120度。轉子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極。位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉變壓器。負載轉矩的計算PMSM定

14、子轉組產生旋轉磁場的機理與感應電機是相同的。其不同點是轉子為永磁體且n與ns相同（同步）。兩個磁場相互作用產生轉矩。定子繞組產生的旋轉磁場可看作一對旋轉磁極吸引轉子的磁極隨其一起旋轉。(同性相斥，異性相吸) 其中為失調角，也稱功率角；K與定子端電壓和轉子磁勢（磁密)的乘積成正比。Fy和Fs分別是轉子、定子的磁勢或磁密；p為極對數。 當為90度角時，對應最大轉矩，稱最大同步轉矩。對之前我們算得的負載轉矩Jt=3.0*10-3kg.m2進行慣量匹配。根據牛頓第二定律：“進給系統所需力矩T = 系統傳動慣量J × 角加速度a角”。加速度影響系統的動態特性，越小，則由控制器發出指令到系統執行

15、完畢的時間越長，系統反應越慢。如果變化，則系統反應將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望的變化小，則J應該盡量小。 傳動慣量對伺服系統的精度，穩定性，動態響應都有影響。慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會使系統的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統剛度的條件下，應盡量減小慣量。 通常負載的慣量不要大于電機慣量的5倍，最大不要超過10倍。 對于功率P=2*nT/60對旋轉運動的物體來說，轉矩和慣量的關系正如直線運動物體的受力和質量的關系。打印速度的初步估計 每打一

16、個，計劃在Y軸方向移動10次，使寬度達到361mm=對此，計算噴頭走完1個幅面的時間T，計劃彩印周期T秒，暫時忽略10次Y方向移動時間，有： 電機一轉對應絲桿1轉對應10個導程共4mm，360mm需要電機轉90r，最高轉速時，電機每秒轉50r，對應時間為1.8s。則10個來回大約18秒，x軸方向10次加減速，對應總時間6s;走完一個幅面，需要大概24秒，加上其余誤差時間，30秒就可以完成一個幅面，T=30s，基本實現1分鐘打印2頁的要求。 求電機勻加速需要時間。 電機300ms，表示靜止加速到額定轉速的時間，角加速度為 =50*2/0.3=1047rad/s2M=Ma+MfMa=(Im+It)

17、Mf=WS/2式中Ma電機啟動加速力矩； Jm，Jt電機自身慣量與負載慣量（kg·m3）； Mf導軌摩擦折算至電機的轉矩（N·m） 摩擦系數，取0.1； 傳遞機械效率，在此取0.15。 滾動螺旋傳動的傳動效率取0.95；滾動球軸承傳動效率為0.99；齒輪的傳動效率為0.93；總傳動效率為：=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866=´´´=h 導軌磨擦折算至電機側的轉矩：Mf=0.1*6*0.004/(2*0.866*1)=4.4*10-4需要的輸出力矩為: T=J+Mf=(3.0*10-3+0.388*10-4)*1047+4.4*10-4=3.18N.m 出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81 ，滿足要求。四、 傳感器溫度傳感器對比溫度傳感器的接觸式特別適合1200以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續在線測溫，并且接觸式測溫系統結構簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉，并且可以可方便地組成多路集中測量與控制系統。上面表分析，非接觸時的對于1000攝氏度以下誤差較大，應該采用接觸式的溫度傳感器。其中，熱敏電阻的銅的溫度測量范圍在-50150，精度在0.1%0.3%之間，標準化程度高，精度及靈敏度均較好，對于本設計來講銅更加適合作為