1、山東農業大學畢業論文題目：3D打印機設計學 院機電學院專業班級電氣五班屆次 2014屆學生姓名 姜云飛學號指導教師 宋洪軍二。一四年五月十二日目錄摘要I.Abstractn引言 21緒論 21.1 國內外3D打印機的研究現狀 21.1.1 國外3D打印機的研究現狀 21.1.2 國內3D打印機的研究現狀 31.2 3D打印機的發展趨勢 31.2.1 3D打印產業的未來發展前景 31.2.2 3D打印技術未來發展的主要趨勢 41.3 3D打印機的工作原理及特點 41.4 發展創新與突破 62總體方案及結構設計 72.1 弓|言 72.2 總體框架的設計 82.3 溫度控制回路的設計 82.4 X

2、YZ方向控制電機的設計 92.5 噴頭移動及噴出量調節的設計 93機械結構 103.1 傳動方式的選擇 103.2 轉動慣量的計算 113.3 噴頭的選擇 124電機的選擇 134.1 伺服電機和步進電機的對比 134.2 直流交流伺服電機對比 154.3 負載轉矩的計算 154.4 打印速度的初步估計 165傳感器 165.1 溫度傳感器對比 165.2 機械位置傳感器 185.3 壓力傳感器 196 3D打印機的優點及面臨問題 216.1 3D打印機的優點 216.2 3D打印技術面臨的問題 21參考文獻 22致謝 23ContentsSummary iAbstract n1 Introd

3、uction21.1 Research Status 3D printer at 3D printer21.1.2Research Statusof domestic 3Dprinters31.2 Trends of 3D printer31.2.1 Future prospects of 3D printing industry31.2.2 3D printing technology for future development41.3 3D printer works and features41.4 The development of innovative and breakthro

4、ugh61.5 Chapter Summary72 Overall program and structural design72.1 Introduction72.2 The overall design of the framework82.3 Temperature control loop design82.4 XYZ three directional control motor design92.5 Mobile and spray nozzle design volume adjustment93 Mechanical structure103.1 Select Transmis

5、sion103.2 Calculation of moment of inertia113.3 Select nozzle124 Select motor134.1 Comparison of servo motors and stepper motors134.2 Comparison of DC servo motor154.3 The calculated of load torque154.4 Preliminary estimates Print Speed165 Sensor165.1 Comparison Temperature Sensor165.2 Mechanical po

6、sition sensor 185.3 Pressure sensor19216 Advantages of 3D printers and the problems faced6.1 Advantages 3D printer216.2 3D printing technology issues facing the21References 22Acknowledgements233D打印機畢業設計作者：姜云飛指導教師：宋洪軍【摘要】3D打印是最近兩年開始流行的一種快速成形技術，它以數字模型文件為基礎，通過逐層打印的方式來構造物體 .我們日常生活中的打印機能打印一些平面紙張材料，而3D打印機

7、打印出的是立體塑品產品 .文章對3D打印的技術體系和國內外產業發展現狀、發展 態勢作了綜合介紹，綜述 3D打印技術的基本概念、發展簡史、打印過程原理、應用領域、 廣泛影響以及面臨的問題等.在介紹3D技術的發展歷程、3D打印技術的工作原理流程及特 點的基礎上，分析了 3D打印技術的創新點和存在的問題，展望了3D打印技術的未來發展趨勢.關鍵詞：3D打印機；快速成型；結構設計；社會制造3D printer GraduationAuthor: Jiang Yunfei Instructor: Song HongjunAbstract : 3D printing is one of the last t

8、wo years became popular rapid prototyping technology, which is based digital model files, through over the printed layer by layer approach to construct objects. Our daily lives printer can print some flat sheet material, and 3D printer to print out the three-dimensional plastic goods products. Artic

9、le on 3D printing technology system status and domestic industrial development, development made a comprehensive presentation situation, review the basic concepts of 3D printing technology, development the development process of introduction of 3D technology, working principle and characteristics of

10、 the process of 3D printing technology based on the analysis of 3D printing technology innovations and problems, looked to the future development trend of 3D printing technology.Key words : 3D printers; rapid prototyping; structural design; social manufacture引言隨著時代的進步，我們的生活水平日漸提升，同時，人口也在急劇的增長, 我們需要越

11、來越多的物品來滿足物質生活條件。這就勢必造成我們對物品的要 求也會越來越高，做工精細、獨特且非量產的物品會受廣大人們的喜愛。如今， 我們擁有了 3D打印這一先進的技術，我們可以通過 3D打印機來打印各種我們 所需要的、想要的。3D打印技術應用面廣，它可以用于醫療行業、科學研究、 產品模型、建筑設計、制造業及食品等，前景廣泛。3D 打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可 粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印機則出現在上世紀90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打 印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“印材料”，與電

12、腦連接后, 通過電腦控制把“打印材料” 一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實 物。如今這一技術在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽 車、巧克力甜品等。1緒論1.1 國內外3D打印機的研究現狀1.1.1 國外3D打印機的研究現狀經過十多年的探索和發展，3D打印技術有了長足的進步，目前已經能夠在 0.01mm的單層厚度上實現600dpi的精細分辨率。目前國際上較先進的產品可以 實現每小時25mnB度的垂直速率，并可實現 24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印機行業，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的 產品占據了絕大多數市場份額。止匕外，在此領域具有較強

13、技術實力和特色的企 業、研發團隊還有美國的和 Shapeways英國的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速成型設備開發公司。于 2011年11月收 購了 3D打印技術的最早發明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領域的龍頭地位。Stratasys公司2010年與傳統 打印行業巨頭惠普公司簽訂了 OEM&作協議，生產HP品牌的3D打印機。繼2011 年5月收購Solidscape 公司之后，Stratasys 又于2012年4月與以色列著名 3D打印系統提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印機制造業正處于迅

14、速的 兼并與整合過程中，行業巨頭正在加速崛起。目前在歐美發達國家，3D打印技術已經初步形成了成功的商用模式。如在 消費電子業、航空業和汽車制造業等領域，3D打印技術可以以較低的成本、較高的效率生產小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。另外，3D打印技術獲得應用的領域是個性化消費品產業。如紐約一家創意消費品公司Quirky通過在線征集用戶的設計方案，以3D打印技術制成實物產品并通過電子市場銷售， 每年能夠推出60種創新產品，年收入達到100萬美元。1.1.2 國內3D打印機的研究現狀自20世紀90年代以來，國內多所高校開展了 3D打印技術的自主研發。清 華大學在現代成型學理論、分層實體制造、F

15、DMtt藝等方面都有一定的科研優勢； 華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料；西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，并開發了光固化成型 系統及相應成型材料，成型精度達到40.2mni中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領域得到應用。但總體而言，國內 3D 打印技術研發水平與國外相比還有較大差距。近年來，國內企業已實現了 3D打印機的整機生產和銷售，這些企業共同的 特點是由海外歸國團隊建立，規模較小，產品技術與國外廠商同類產品相比尚 處于低端。目前，國產3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持 等方面還難以滿足商用的需

16、求，技術水平有待進一步提升。在服務領域，我國 東部發達城市已普遍有企業應用進口3D打印設備開展了商業化的快速成型服務，其服務范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設計、文物復原等多個領域。 與內地相比，我國港臺地區3D打印技術引入起步較早，應用更為廣泛，但港臺 主要著重于技術應用，而非自主研發。1.2 3D打印機的發展趨勢1.2.1 3D打印產業的未來發展前景根據國際快速制造行業權威報告Wohlers Report 2011 »發布的調查結 果，全球3D打印產業產值在19882010年間保持著26.2%的年均增長速度。報 告預期，3D打印產業未來仍將持續較快地增長，到 2016年，包含設

17、備制造和服 務在內的產業總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。但3D打印技術要進一步擴展其產業應用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸 和挑戰：一是成本方面，現有 3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及 應用帶來了困難。二是才T印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱 患。三是精度、速度和效率方面，目前 3D打印成品的精度還不盡人意，打印效 率還遠不適應大規模生產的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與 速度之間存在嚴重沖突。四是產業環境方面，3D打印技術的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業面對

18、的盜版風險大增，現有知識產權保護機制難以適 應產業未來發展的需求。Gartner公司2011年發布的最新技術發展展望報告判斷：3D打印技術目前 正在進入概念炒作的高峰階段，其技術還有待充分成熟，主流市場也有待進一 步培育。Gartner公司研究人員認為，3D打印技術成熟到適應市場需求還將需 要510年的時間。在這一較為漫長的發展過程中，產業可能會面臨增長期望 落空、技術遭遇瓶頸以及投資撤離等風險。總之，從中長期看來3D打印產業具有較為廣闊的發展前景，但目前產業距 離成熟階段尚有較大距離，對于 3D打印市場規模的短期發展不宜過分高估。因 此，現階段產業界對3D打印領域的投入應以加強創新研發、技術

19、引進和儲備為 主，尤其要重視自主知識產權的建設和維護，爭取在未來的市場競爭中占據有 利地位。如受到概念炒作影響，在技術尚未充分完善的現階段大規模投入產能 擴張，則投資回報將面臨著較大的風險。1.2.2 3D打印技術未來發展的主要趨勢隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等 不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發展將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續打印、大件打印、 多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質量、力學和物理性能，以實現直接 面向產品的制造；開發更為多樣

20、的 3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、 納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成 為今后研究與應用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低 廉，操作更簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日 常應用的需求；軟件集成化，實現 CADCAPPRP一體化，使設計軟件和生產控 制軟件能夠無縫對接，實現設計者直接聯網控制的遠程在線制造；拓展在生物 醫學、建筑、車輛、服裝等更多行業領域的創造性應用。1.3 3D打印機的工作原理及特點1.3.1 3D打印的工作原理三維打印技術是使用噴頭噴出粘結劑，選擇性地將零件的截面印刷在材料 粉末上面，最后

21、層層將各個截面粘結起來 .可用于制造復雜形狀的模型中空模 型，或者制造復合材料或非均勻材料的模型等.圖1是三維打印成型機的剖面示意圖.其工藝是先由鋪粉輾從左往右移動， 將供粉缸里的粉末在成型缸上均勻鋪上一層.然后按照計算機上設計好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件底層截面的形狀，然后成型缸平臺向下移動一定距離，再由鋪粉輾從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層 上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結劑，層層遞進，最后得到的零件整體是由各個橫截面層層重疊起來的XY平面運動打E|J頭OOO左右運動ooo鋪粉幅供粉缸Z向上下一篙：£ E ； ： ： ： £ ：

22、M ； lEinsai； ESI；二：；打印零件成型缸圖1三維快速打印技術工作原理示意圖3D打印的主要工作流程如圖2所示，其中3D建模是3D打印的前提，相 當于平面印刷中的原稿，3D建模質量的好壞決定了 3D打印的質量.一般現有的 3D建模軟件都可以實現建模，比如 CADProe等矢量建模軟件，都可以輕易地實 現3D建模.3D分割將建立的3D模型分成一個個的薄片，每個薄片的厚度由噴 涂材料及打印機的結構決定，厚度一般為幾十微米到幾百微米不等.分割工序 也是由軟件來實現，類似于打印機的驅動程序.噴墨打印中將成型材料一層層噴涂在基材上.目前比較流行的做法是先噴一層膠水，然后再在上面撒一層粉末，如此

23、反復 噴頭一般可采用噴墨打印機的噴頭，目前也有一些設備廠商提供專用的噴頭 .打印完成后，還需要對打印出來的 3D模型進行后處理，比如固化處理剝離模型 的修整等等，最終完成所需要的模型的制作.1.3.2 3D打印的特點與傳統模型制作相比，3D打印具有傳統模具制作所不具備的優勢，主要表 現如下：1 .制作精度高。 經過20年的發展，3D打印精度有了大幅度的提高。目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以 0. 3mmz下。2 .制作周期短。傳統模型制作往往需要經過模具的設計模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期長。而3D打印則去除了模具的制作過程，使得模型的生產時間大大縮短，一般幾個小時甚至幾十

24、分鐘就可以完成一個模型的打印。3 .可以實現個性化制作。 對于傳統模型的制作，個性化模型的生產就顯得 力不從心，或者是成本高昂。 而3D打印對于打印的數量沒有限制，不管是一 個還是多個，都可以以相同的成本制作出來。4 .制作材料的多樣性。一個3D打印系統往往可以實現不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領域的需要。比如金屬石料高分子材料都可以應用于3D打印。5 .制作成本相對低。雖然現在3D打印系統和3D打印材料比較貴，但是如果用來制作個性化產品，具制作成本就相對較低了加上現在新的材料不斷出現，其成本下降將是未來的一種趨勢。1.4發展創新與突破3D打印被用作經濟學人雜志封面，主題為看制

25、造業新技術如何改變世界， 詳細介紹了 3D打印的歷史和發展，可見人們對于 3D打印成為一項可以改變世 界的影響力日益關注。 而3D打印的價值體現在想象力馳騁的各個領域，人們 利用3D打印為自己所在的領域貼上了個性化的標簽。人們紛紛展示了如何3D打印馬鈴薯巧克力小鎮本K型，甚至擴展到用3D打印汽車和飛機，3D打印行業的發展始終凸顯著創新突破這一關鍵特質，主要表 現在以下幾個方面。1.4.1 3D打印應用領域擴展延伸3D打印的優勢在2011年被充分應用于生物醫藥領域，利用 3D打印進行生 物組織直接打印的概念日益受到推崇。比較典型的包括Open3D囹新小組宣布3D打印在打印骨骼組織上的應用獲得成功

26、，利用3D打印技術制造人類骨骼組織 的技術已經成熟；哈佛大學醫學院的一個研究小組則成功研制了一款可以實現 生物細胞打印的設備；另外，3D打印人體器官的嘗試也正在研究中。 隨著3D打 印材料的多樣化發展以及打印技術的革新，3D打印不僅在傳統的制造行業體現出非凡的發展潛力，同時其魅力更延伸至食品制造服裝奢侈品影視傳媒以及教 育等多個與人們生活息息相關的領域。1.4.2 3D打印速度尺寸及技術日新月異在速度突破上，2011年，個人使用3D打印機的速度已突破了送絲速度 300mm 每秒的極限，達到350mm5秒在體積突破上，3D打印機體積為適合不同行業的 需求，也呈現輕盈和大尺寸的多樣化選擇。目前已有

27、多款適合辦公室打印的小巧3D打印機，并在不斷挑戰輕盈極限，為未來進入家庭奠定基礎。在ViennaUniversityof Technology的一個研究項目中，該團隊設計了迄今為止世界上最小的3D打印設備，并且降低了打印設備的制造成本，也有望未來進駐家庭在大尺寸領域，在德國的 3D打印公 司發布了 4000x2000x1000m求 寸的3D打印機，該款大尺寸3D打印機使打印大尺寸部件一次成型成為可能。3D打印技術日新月異，在2011年Lexus對外發布了新3D打印技術，該技術基 于高科技循環編織技術，使用激光進行 3D打印，能夠以編織的方式制作復雜的 3D模型1.4.3 設計平臺革新基于3D打

28、印民用化普及的趨勢，3D打印的設計平臺正從專業設計軟件向簡 單設計應用發展，其中比較成熟的平臺有基于WEB勺3D設計平臺一一3DTin ,另外，微軟谷歌以及其他軟件行業巨頭也相繼推出了基于各種開放平臺的3D打印應用，大大降低了 3D設計的門檻，甚至有的應用已經可以讓普通用戶通過類 似玩樂高積木的方式設計3D模型。2總體方案及結構設計2.1引言3 D打印機，專業領域又稱快速原型機，是數字化增材技術。經過幾十年發展 后的逐漸走向民用市場的技術成果。其推廣不僅意味著科技的進步，更為工業制造概念增添了新的內涵，有著廣闊的發展前景。本文擬對3D打印機的控制結構進行設計，在綜合考慮性能與經濟性的基礎上完

29、成其元件的討論與選型。3 D打印機利用不同的材料打印立體模型，利用計算機軟件技術，設計者設計 出一個初步模型之后，例如一座建筑亦或是人工心臟瓣膜,之后通過3 D打印機 進行打印。打印的原料種類繁多，有機材料、無機材料均可使用。例如塑料、橡膠等。打印材質視具體情況而定。3D 打印機在90年代中期就出現了。隨著科技的發展，它已經投人到各種 科技工作的領域當中。通過一層一層堆積的液體和粉末來 生產物體，可以用來 制造一次性的機械產品以及模型。牙科醫生利用3D打印機掃描患者的牙齒輪廓后復制出合適的矯正模具 ；產品生產廠商用它來 完成對產品功能的設計，以避免在大規模生產后修改設計；展覽館用它復制真品 以

30、避免真品被參觀者損毀。2.2 總體框架的設計2.2.1 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工作。2.2.2 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

31、出量控制、顯示設備2.3 溫度控制回路設計2.3.1 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。2.3.2 設計思路概述ABSPLA耗材熔點為230c左右，分解溫度260c以上，故其通常成型溫度在 250c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 。控制回路方框圖如下：設置的空氣溫度-單片機-DA轉換器-加熱電路-當前溫度-溫度傳感器- AD 轉換器-單片機2.4 x y z三方向控制電機的設計采用

32、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。2.5 噴頭移動及噴出量調節的設計2.5.1 噴頭系統的功能要求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

33、：1）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

34、功能是等效的。2.5.2 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。3機械結構3.1傳動方式的選擇直線導軌可分為：滾輪直線導軌和滾

35、珠直線導軌兩種，前者速度快精度稍低，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13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 13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 13。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

36、的控制，由于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）。3.2 轉動慣量的計算滾珠絲杠根據國家標準JBT9893 1999 選用長度L=1.0m,公稱直徑D=12mm, 公稱導程mmPh40a對本系統而言，絲杠傳動折算到馬

37、達軸上的總慣量為：Jt=Zi+1i2Z2+Js+jq（kg.m 2）其中i為兩齒輪的傳動比，此處取i=ZiZ2=1其他符號說明如下：Zi齒輪l 及其軸的轉動慣量；Ji=0.0018kg.m2Z2齒輪2 的轉動慣量，取 J2=0.0018kg.m2J s絲杠轉動慣量，kg.m2Jw-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，4mmg重力加速度，9.8ms2;圓柱體的轉動慣量：J=18MDM-圓柱體質量；D-圓柱體直徑；而且選用絲杠的密度（類于鐵）為7.8gm3滾珠絲杠的轉動慣量為：J=14兀 D2pl*18D2=3.14*0.012 4*1.0*780032=

38、1.59*10 -5( kg.m 2 )Jw=6*0.004 2(9.8*4 兀 2)=2.48*10 -7( kg.m 2 )從而 J t=3*10-3 ( kg.m 2)可見，Jt很小一一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3000rmin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25.4360=0.07mm,又打印噴頭為雙排的，所以，打印噴頭周期移動距離 d=

39、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對應的月沖當量：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4mm0.005mm=8004")則對應轉速約為3000,上位機脈沖能力至少 800*300060=40000rs ; 對應6000轉的轉速，則上位機脈沖能力 80000rs,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=CMXCDV=131072X 100)80000=0=32.8。在此計算

40、電子齒輪比的目的一一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。止匕外，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。3.3 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。4電機的選擇4.1 伺服電機和步進電機的對比控制電機的比較與選取：電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

41、有速度控制和位置控制模式伺服電機步進電機控制類型閉環控制開環控制控制精度兩相混合式步進電機步距角一般為1.8。、0.9。,五相混合式步進電機步距角一般為0.72。、0.36°帶17位編碼器的電機而工 驅動器 每接收131072個脈沖電機轉一圈, 即其脈沖當量為 360°/131072=0.0027466°,是步 跑角為L8。的步進電機的脈沖當t的 1/655低頻特性步進電機在低速時易出現低頻振動現象交流伺服電機運轉非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象矩頻特性步進電機的輸出力矩隨轉速升高而 下降，且在較高轉速時會急劇下降， 所以其最高工作轉速一般在300 600

42、r/min交流伺服電機為恒力矩輸出，其額定 轉速一般為2000r/m in 3000r/m in,都能輸出 額定轉矩,在額定轉速以上為恒功率 輸出過我能力在選型時為了克服這種慣性力矩.往往需要選取較大轉矩的電機，而 機器在正常工作期間又不需要那么 大的轉矩，便出現了力矩浪費的現 豫。步進電機一般不具有過我能力，在選 型時為了克服這種慣性力矩，往往需 要選取較大轉矩的電機，而機器在正 常工作期間又不需要那么大的轉矩, 便出現了力矩浪費的現象.運行性能交流伺服驅動系統為閉環控制,駁 動器可11接對電機編碼器反饋信號 進行采樣，內部構成位置環和速度 環，一般不會出現步進電機的丟步 或過沖的現象，控制

43、性能更為可靠。在選型時為了克服這種慣性力矩,往 往需要選取較大轉矩的電機，而機瑞 在正常工作期間又不需要那么大的轉 矩，便出現了力矩浪費的現象。速度響應性能交流伺服系統的加速性能較好，從 靜止加速到其額定轉速3000RPM 僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停 的控制場合。步進電機從靜止加速到L作轉速（ 般為每分鐘幾百轉）需要200-400 毫秒。4.2 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

44、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10%70%,此外，交流電動機的容量可

45、比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。PMSMfc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。4.3 負載轉矩的計算PMSMt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8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

46、轉子、定子的磁勢或磁密；p為極對數。當8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 X 角加 o加速度a影響系統的動態特性，a越小，則由控制器發出指令到系 統執行完畢的時間越長，系統反應越慢。如果 a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a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

47、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冗*nT60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。4.4 打印速度的初步估計每打一個，計劃在Y軸方向移動10次，使寬度達到361mm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 360mml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 1

48、0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 問，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_2a =50*2 兀 0.3=1047radsM=Ma+fMM=(I m+It) aM=仙WS24l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 , n)以一一摩擦系數，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

49、.93 ;總傳動效率為：4=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866導軌磨擦折算至電機側的轉矩：M=0.1*6*0.004(2兀*0.866*1)=4.4*10 -4需要的輸出力矩為：T=j“+M=(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。5傳感器5.1 溫度傳感器對比方式接觸式非接觸式海溫元件要與被測對象良好接觸;感溫 元件的加入幾乎不改變對象的溫度:被 測溫度不超過感溫元件能承受的上限 溫度：被測對象不對感溫元件產生腐飩需準確知道被測對象表而發射率；被測對象的隔射能充分超射

50、到檢測元件h泅量范圍特別適介I200C以下“熱容大、無腐 獨性對象的連續在線測溫，對高f 1300七以上的溫度測量較困難原理上測量范圍可以從超低溫道及 高溫.但UXXTC以下.測量誤串大， 能測運動物體和熱容小的物體溫度精度工業用表通常為1.0,卜品0.2及0,1級.寰驗室M表可達0.01級遹常為L0. 1.5, 2.5級響應速度慢.通常為幾1杪到幾分鐘快，通常為2先其他特點整個測溫系統結構箭單、體積小、可靠、 維護方便,僑格低廉.儀表讀數直接反 映被測物體實際溫度:可方便地組成多 路集中測業。控制系統整個測溫系統結構且雜、體積大、 調整麻煩、價格昂母；儀表讀數通 常只反映被測物體表現溫度（需

51、進 一步轉換卜不揚組成蠲溫、控溫二 體化的溫度控制裝置1200c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、價格低測溫方式傳感需類型測溫范IN（D精 度(%)特點水銀-IOO6X)結構簡單，耐用，但感溫部體枳較膨雙金屬-50-5001-3大腺3液100-600式力氣-200-600熱1000-28000.3-0.5種類多,適應性強,結構筒中，應電銷恪銷0M6000.295用廣泛:力:注意冷端溫度補償及動接觸式偶找他-200-12000.4MJ)圈式儀表電阻對測量結果的影崛執鉗-2006000J-03標準化程度高.精度及以敏度均較電鑲-150-3

52、000.2-0.5好：感溫部大，需注意環境溫度的阻銅-5(1500.1-0.3影響熱敏電阻-50-3000.345體積小.響應快,靈敏度曲h線性差，需注意環境溫度的影響猿接觸福射溫度計100-3500非接觸測溫，不干擾被測溫度場.式光高溫計200-3200輔射率影響小.應用藺便，不能用 于低溫熱電探測器200-20001北接觸測溫.不干擾被測溫度場，熱敏電阻探測器-50-3200響應快,測溫范用大,適于測溫度 分布，易受外界優，定標困難光予探測器04500由上面兩個表分析，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-50150C

53、,精度在0.1%0.3%1問，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 適合作為溫度傳感器。5.2 機械位置傳感器支持直線運動的傳動方式主要就是螺桿，和皮帶兩種，螺桿的精度比皮帶高， 載荷也大，但速度低一些。三維打印機的打印頭基本不受力，對載荷沒有要求， 打印機的運動特點時，在水平兩個方向上速度越快越好，在垂直方向上精度越 高越好，速度無所謂（打完一層才動一次）。因此打印機的傳動設計一般都是在水平方向使用皮帶（同步帶），垂直方向用螺桿5.3 壓力傳感器電測式壓力計態壓力.由于電壓元件存在電泄露.故不宜測量緩慢變化的加 力和靜態壓力.電容式用:力傳感那采用變電容式制量原理1將被測壓

54、力弓起的彈性元件的位移變 形變為電容的變化，測晶電容，就可知被測田力的大小：其靈 敏度裔,輸出信號大，測量精度高1結構藺單、軍固.可靠性 高，環境適應性強,徙承受高過載.耐沖擊與振動，可在高溫 下工作；打動極板質最小，故同行頻率高,動態響應快.易受 分布電容影響，制造難度大.諧振式壓力傳感器靠被測壓力所引起的應力改變彈性元件的諧振頻率，通過側量 頻率信號的變化來檢溶壓力.用于氣體壓力的測量，其體枳小奧 輸出頻率離，重復性好，耐震：精度高，可達0.1%至0. 01% 且具有鑿好的糙定性口壓力檢測儀表具體分類特點痛性壓 力律彈性元件其抑性特性。材料、加工和熱處理rr關，還與環境溫度有關.結構形式有

55、彈簧管式、波紋管式和彈性模式.建簧管壓力計壓力作用下，彈簧管變形相對較小* 般用測量較大壓力場 合，為提高靈敏度，可采用多圈彈簧.其結構簡單，使用方便， 價格低廉.測地范圍寬，鞘度M達也1%波紋管壓力計以波紋曾作為壓力-位移轉換元件,由于金屬波紋管在正力作 用F容易變形.所以#（壓靈敏度高.常用與低壓或負壓涌壓. 波紋管既是彈性測壓元件，有作為隔離元件隔離被漓介質.為 改變鼠程，在波紋管匕可加輔助彈簧.彈性壓力計信號遠傳方式在普通彈性壓力計上增加轉換部件,將彈性元件的變形轉換為 電信號輸出.就可使就地顯示壓力之外，兼有信號遠傳功能. 不同的轉換方法有不同的壓力計,仃電位器式、霍爾式和差動 變壓器心膜式壓力汁有膜片壓力ii網膜優出力計兩種,前者用手測星腐蝕性介質或IE凝固、非結晶的黏性介質的壓力，后者用于澧量氣體微壓和 位壓.應變式樂力傳感器通過測量彈性元件因壓力的作用而產生的斶變來間接測；iHK 力的傳感器，其精度高、體積小，重量輕、測量范圍寬,同時 抗振動,抗沖擊性力良好有應變簡式,平膜式、壓阻式壓力 傳感器.壓電式壓力傳感器利用氏電材料的夜電效應將被測張力轉換為噌信“，其體枳 小，結構簡單，工作可靠，測M范用寬，打測100MP8以卜的 壓力；涌量精度高；頻率響他高，可達30