《3D打印机的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3D打印机的设计（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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机械电子工程1班届 次学生姓名 揭硕学 号指导教师二 O 一六年十月十二日一、总体框架的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的三维 模型，由单片机对模型进行分析，切片，建立必要的支撑结构，再从单片机输出控制指令，控制 喷头型材料融化，并通过一定的驱动电路驱动电机，带动喷头进行X、丫、Z三个方向的移动, 并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。每打好一层，从外部设备读取下一层的参数, 再打印下一层，直到全部模型完成。完成模型的打印之后，还需要后期的材料回收工作。铺粉馄供粉缸z.打印头000圧右运
2、动OQO成型缸：.J.L.：；：；：；：；：；3I : r： ： ： ： ： ： S Z L E L ： I ： : ：! E! E ? 5 ! EU； ； !； S； ； Si hi； n系统框架输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值-单片机分析-温度控制回路、 XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备打印耗材的选用为了实现3D打印机的功能，所选材料也很重要。既要由较低的熔点，也要有较好的粘滞 性,同时也需要快速成型。综合考虑，我们最终选择了 P 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260C。以上,故其通常成型温度在250C。以下 控
3、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：设置的空气温度T单片机TD/A转换器T加热电路T当前温度T温度传感器TA/D转 换器T单片机x y z三方向控制电机的设计采用化繁为简的思路，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,由步进电机固定的 给量算出所需的步进角,用这种方式将三维打印先转化为每一平面 内的二维打印,再由 Y 方向也为步进电机带动,则每一平面内的二维打印又转化为很多条 直 线上的一维打印。喷头移动及喷出量调节的设计熔融挤出系统对喷头系统的基本要求 是:将成型料丝送人液化器中,在
4、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的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 致的材料堆积路径。成型工 艺对喷头系统的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:将送进的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的通道;4) 定径功能:对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积;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
5、能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径 起停 处。在采用熔丝挤出方式的工艺原理时,就是借助液化器中未熔丝材的活塞作用,将熔融材料 挤出喷嘴,出丝推力近似等于送丝驱动力 ,所以在此特定的工艺原理中,送丝功能和基础功能 是等效的。喷头实现方法设计 基于所选择的打印耗材,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,同时控制熔融液体的体积 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的要求极其严 格,喷头出丝温度和成型室的温度严格处于一定的温度范围之内,且一旦设定温度控制值之后, 须保
6、证其温度保持在平稳状态,不能产生较大 的扰动,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,我们需要加入上述的温度控制回路来严格控制液化器的温 度。二、机械结构传动方式的选择直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速 度慢精度较高。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换 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、可逆性和高效率的特点。1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运 动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到
7、1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力 为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2）高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、 组装、检查各工序的工厂环境方面对温度湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制 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的爬行现象,能保证实现精确的微进给。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,进而得到较高的刚性（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,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增 强）。5）
8、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）。转动惯量的计算滚珠丝杠根据国家标准JB/T9893-1999选用长度L=1.0m,公称直径D = 12mm,公称导程 mmPh40对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为：Jt二Z1+1/i2Z2+JS+JW(kg.m2)+ + =其中i为两齿轮的传动比，此处取i二Z1/Z2=1其他符号说明如下：Z1齿轮丨及其轴的转动惯量；J1=0.0018kg.m2Z2齿轮2的转动惯量，取J2=0.0018kg.m2x二；Js丝杠转动惯量，kg.m2x;Jw-为工作台折算到丝杠上的动惯量；W工作台重量，工作台轻，取6kg ；S丝
9、杠螺距，4mm ；g重力加速度，9.8m/s2 ；圆柱体的转动惯量：J = 1/8MD2M圆柱体质量；D圆柱体直径；而且选用丝杠的密度(类于铁)为7.8g/m3=r ；滚珠丝杠的转动惯量为：JS=1/4nD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )Jw=6*0.0042/(9.8*4n2)=2.48*10-7( kg.m2 )从而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。可见，Jt很小一一主要由两个齿轮的转动惯量来决定，从而对电机的功率输出要求不苛 刻，在功率不高情况下，可以实现高转速。这是一个小惯量的系统，该系统启动，加速，制动的
10、性能好，反应快，比较理想。此类电机最高转速一般是3000r/min上下，取3000为参考研究按360dpi的分辨率来考虑，则每英寸25.4mm对应360个色点，每两个色点的距离为 25.4/360=0.07mm，又打印喷头为双排的，所以，打印喷头周期移动距离d=0.07*2=0.14mm， 喷墨一次，喷粘剂一次，两个喷头喷出同步；设定机械精度：0.005mm，对应的脉冲当量：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，上位机应该发出的指令脉冲为4mm/0.005mm=800 （个）则对应转速约为3000，上位机脉冲能力至少800*3000/60=40000r/s；对
11、应6000转的转速，则上位机脉冲能力80000r/s，电子齿轮比不变.CMX ：电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。CDV ：电子齿轮比的分母是上位机的给定脉冲（指令脉冲）。电子齿轮比二CMX/CDV二（131072x100） / 80000=6553600/200000=32.8。在此计算电子齿轮比的目的电子齿轮比把上位机的给定脉冲要换算成与电机编码 器反馈脉冲同等意义的信号，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 上位机的脉冲能力的估算，对比实现的可能性，得知我们方案的合理性。喷头的选择选用Konica512L型号，实现宽度尽可能满足，分辨率满足，控制X轴方向运动，丫轴
12、方向由另一电机控制，控制方式类似，单次位移为36.1mm,精度控制一样。双排式排列方式, 使得走完一个幅面的时间相对于单排式减半，利于打印速度的提高。三、电机的选择伺服电机和步进电机的对比控制电机的比较与选取：电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两 大类。伺服有速度控制和位置控制模式。伺服电机步进电机控制賢型闭环控丽开坏控制控制精度两槽混香式步进电机步跖角一般为1.8. 0.9,五相混合武步进电机步距甬一般为0.72 , 0.36苗17位编码器的电机而吉,驰动器 每接收131072个脉冲电机转-圈, 即其駄冲当量为 3607131072 = 0.0027466&+ 宦步 雕角为
13、1,8。的步进电机的脉冲当M 的 1/655低频特性步进电机在低速时M出現低城振动交流何服电机运转非常平稳即使在低鹿时虫不空出现援动现象矩频特性歩进电机的输出h矩随髓升高而 下降，且在较高转速时会急剧下降， 所以其垠高工作转速一般在300- 600r/min交流伺服电机为恒力矩输出，其额矩 转速一般为2000r/min3000r/min+ 都能输出 额迫转矩，在额迫转速以上为怛功率 输出过载能力在选型时为了克服这种惯性力矩， 往往需喪选取较大转矩的电机+ W 机器在正常工柞期间又不需要那么 大的转矩，便出观了h矩浪费的现步进电机一般不具有过載號丿几 征选 型时为了克腮这种惯性力範，往往需 :要
14、选収较大转矩的电机阳机器在正 常3:作朗间:Z不需要那么k的转审、 便出现力孙浪费的现熱运行性能交浦伺服驱动系统为闭环控制，驱 动器可直接对电机编码器反惯信号 进行采样.内部构成位罢环和速度 环，一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。遅彊型时为了講廉这种惯性力矩i往 往需要选取较大转矩的电机，而机器 在击常匸作期间又不篙耍那么大的转 矩，悭出现了力矩浪费的现紀速度嚥应性傩交流何服聚统的加運性能较好$从 靜止加速到其额窕转速3000RPM 汉需几龍秒，可用于璧求快速启停 的控制场合匚步进电机臥静止加速到匸作转速（- 般为每分轟几百转密需要 200-400 瞬秒亠交流直流伺服电
15、机对比在 20 世纪 60 年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在 70 年代以后，交流伺服 电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是 完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了 控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在 90 年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。伺服电机可以考虑直流和交流两种：但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和 换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的 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%70%, 此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。PMSM
