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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届 次学生姓名 揭硕学 号指导教师二。一六年十月十二日一、总体框架得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得三维 模型，由单片机对模型进行分析，切片，建立必要得支撑结构，再从单片机输出控制指令，控制 喷头型材料融化,并通过一定得驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向得移动, 并控制喷头得喷出系统调节喷出材料得多少。每打好一层，从外部设备读取下一层得参数, 再打印下一层，直到全部模型完成。完成模型得打印之后，还需要后期得材料回收工作。铺粉辗成型缸供粉缸Z-Q蘑金腭 罗列XY平面运动 打印头
2、系统框架输入设备、存储外设、上位机、温度传感器得测量值一一-一单片机分析-温度控制 回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备打印耗材得选用为了实现3 D打印机得功能，所选材料也很重要。既要由较低得熔点，也要有较好得粘滞 性,同时也需要快速成型。综合考虑，我们最终选择了臼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2 6 0。以上,故其通常成型温度在250C 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：设置得空气温度一单片机一 D/A转换器一加热电路一当前温度一温度
3、传感器一 A/D转 换器一单片机x y z三方向控制电机得设计采用化繁为简得思路，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，由步进电机固定得给量算出所需得步进角,用这种方式将三维打印先转化为每一平面 内得二维打印，再由Y方向也为步进电机带动,则每一平面内得二维打印又转化为很多条 直 线上得一维打印、喷头移动及喷出量调节得设计熔融挤出系统对喷头系统得基本要求就是: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得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,以保证均匀一致得材料堆积路径、 成型工艺对喷头
4、系统得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:将送进得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得通道；4）定径功能:对挤出熔融态物料进行定径，变为满足要求得细小直径得丝材进行堆积；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，以保证高质量得成型路径，尤其就是在路径起 停处。在采用熔丝挤出方式得工艺原理时,就就是借助液化器中未熔丝材得活塞作用，将熔融材 料挤出喷嘴，出丝推力近似等于送丝驱动力,所以在此特
5、定得工艺原理中，送丝功能与基础功 能就是等效得。喷头实现方法设计基于所选择得打印耗材，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，同时控制熔融液体得体积流量,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得要求极其严 格，喷头出丝温度与成型室得温度严格处于一定得温度范围之内，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,不能产生较大得扰动，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，我们需要加入上述得温度控制回路来严格控制液化器得温 度。二、机械结构传动方式得选择直线导轨可分为:滚
6、轮直线导轨与滚珠直线导轨两种,前者速度快精度稍低，后者速度 慢精度较高。滚珠丝杠就是工具机与精密机械上最常使用得传动元件，其主要功能就是将旋转运动 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、可逆性与高效率得特点。1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3由于滚珠丝杠副得丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高得运 动效率、与过去得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得动力 为使用滚动丝杠副得1/3。在省电方面很有帮助。2）高精度得保证滚珠丝杠副就是用日本制造得世界最高水平得机械设备连贯生产出来得,特别就是在研 削、组装、检查各工序得工厂环
7、境方面,对温度湿度进行了严格得控制，由于完善得品质管 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就是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样得爬行现 象,能保证实现精确得微进给。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,进而得到较高得刚性（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，由于滚珠得斥力可使丝母部得刚性增 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）。转动惯量得计算滚珠丝杠根据国家标准JB/T9 8 9 3- 1 999选用长度L=1、0m,公称直径D=12mm, 公称导程mmP h
8、 40对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上得总惯量为:J t =Z 1 +1 / i2 Z2+J S+JW （kg、m2）+=其中i为两齿轮得传动比,此处取i=Z1/Z2=1其她符号说明如下：Z1齿轮l及其轴得转动惯量;J1=0、0018kg.m2Z2-齿轮2 得转动惯量，取J2=0。0018kg、m2X=；Js丝杠转动惯量,kg.m2X；J w-一为工作台折算到丝杠上得动惯量；W工作台重量,工作台轻，取6kg;S-丝杠螺距,4 mm;g-重力加速度,98m/s2;圆柱体得转动惯量:J=1/8MD2M-圆柱体质量；D -一圆柱体直径；而且选用丝杠得密度(类于铁)为7.8g/m3 =r;滚珠丝杠
9、得转动惯量为：JS=1/4nD2pl*1/8D2=3、14*0、0124*1。0 大 7 8 00/32= 1 .59 大 105( kg.m2 )Jw=6*0。0042/(9.8 大 4n 2 )=2、48*107( kg.m2 )从而 Jt= 3 大 1 03 ( k g、m2 )-。可见,Jt很小一-主要由两个齿轮得转动惯量来决定，从而对电机得功率输出要求不苛刻, 在功率不高情况下，可以实现高转速、这就是一个小惯量得系统，该系统启动，加速，制动得性能好,反应快，比较理想、此类电机最高转速一般就是3000r/m in上下，取3 000为参考研究按360dpi得分辨率来考虑，则每英寸25.4
10、mm对应3 60个色点，每两个色点得距离为25、 4/3 6 0=0、0 7 mm,又打印喷头为双排得，所以，打印喷头周期移动距离d= 0、0 7 * 2=0。14 mm,喷墨一次,喷粘剂一次,两个喷头喷出同步；设定机械精度：0、0 0 5 mm,对应得脉冲当量：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，上位机应该发出得指令脉冲为4mm/0。0 0 5mm=800(个)则对应转速约为3000,上位机脉冲能力至少800大3000/6 0 =4 0 0 0 Or/s ;对应6000 转得转速，则上位机脉冲能力800 0 0 r / s，电子齿轮比不变.CMX :电子齿轮比
11、得分子就是电机编码器反馈脉冲。CDV :电子齿轮比得分母就是上位机得给定脉冲(指令脉冲)、电子齿轮比=CMX/CDV=(1 3107 2 X100)/ 80000=65 5 3 60 0 / 2 00000=32o 8、在此计算电子齿轮比得目得-一电子齿轮比把上位机得给定脉冲要换算成与电机编码器 反馈脉冲同等意义得信号，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 机得脉冲能力得估算，对比实现得可能性，得知我们方案得合理性。喷头得选择选用Konica51 2 L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，
12、精度控制一样。双排式排列方式，使得 走完一个幅面得时间相对于单排式减半，利于打印速度得提高。三、电机得选择伺服电机与步进电机得对比控制电机得比较与选取:电机控制系统按照运动过程得需要分为驱动伺服与驱动步进两 大类。伺服有速度控制与位置控制模式。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合式步进电机步押角一般为 1.8。、0.9。，五相混合式步进电机 步距角一般为0,72。、0.36带7位编码器的电机而言,驱动器 每接收131072个脉冲电机转一圈, 即其脉冲当 M 为 360/131072=0.0027466,是步 距角为1.8。的步进电机的脉冲当量 的 1/655低频特性步进电机
13、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，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 3000m in,都能输出 额定转短，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1 ：作期间又不需要那么 大的转矩，便出现了力矩浪费的现安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
14、大的转短， 便出现力知浪费的现象。运行性能交流伺服驱动系统为闭环控制，驱 动器可直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，-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 在正常工作期问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 仅需几宅秒，可用于要求快速后停 的控制场合。步进电机从静止加速到工作转速（- 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2 0世纪6 0年代，最早就是直流电机作为
15、主要执行部件，在7 0年代以后，交流伺服电机得性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统得主导执行电机。控制器得功能就是 完成伺服系统得闭环控制，包括力矩、速度与位置等、我们通常说得伺服驱动器已经包括了 控制器得基本功能与功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动得开环伺服系统曾经在 90年代得所谓经济型数控领域获得广泛使用，但就是迅速被交流伺服所取代。伺服电机可以考虑直流与交流两种:但直流电动机都存在一些固有得缺点，如电刷与换 向器易磨损，需经常维护、换向器换向时会产生火花，使电动机得最高速度受到限制,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,特别就是鼠笼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%7 0%，此外,交流电 动机得容量可比直流电动机造得大，达到更高得电压与转速。PMSM主要由定子、转子及测量转子位置得传感器构成、定子与一般得三相感应电机 类似，采用三相对称绕组结构,它们得轴线在空间彼此相差1 20
