3D打印機系統(tǒng)設(shè)計

--WORD格式--可編輯--HarbinInstituteofTechnology課程設(shè)計說明書課程名稱：自動控制元件及線路設(shè)計題目：3D打印機的研究與設(shè)計方案 院系：航天學(xué)院自動化 班級：1104104 設(shè)計者： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師: 設(shè)計時間：10.15--12.22 哈爾濱工業(yè)大學(xué)

摘要本次課程設(shè)計通過對2D打印機的了解和對電機傳感器的認(rèn)識，通過類比和分析來初步設(shè)計3D打印機。本文主要內(nèi)容為電機類型，型號選擇及參數(shù)的測算，并且應(yīng)用了PWM控制等數(shù)字信號在電機控制中進行驅(qū)動。比較了不同種類傳感器的優(yōu)劣，選出了對比優(yōu)化方案及元件。利用控制理論實現(xiàn)了3維定位和實現(xiàn)打印功能，給出初步設(shè)計方案。關(guān)鍵詞：步進電機、傳感器、3D、定位控制系統(tǒng)、數(shù)字信號處理器一、國內(nèi)外在該方面的研究現(xiàn)狀分析及研究的目的意義1、現(xiàn)狀及研究意義：3D打印快速成型技術(shù)實質(zhì)是“快速成型技術(shù)”，也被稱為“增量技術(shù)”、“增材技術(shù)”，是傳統(tǒng)制造技術(shù)與新材料的完美結(jié)合，并且將帶動工業(yè)設(shè)計、新材料、精益制造等多個領(lǐng)域顛覆性的改變。3D打印技術(shù)作為目前最具有生命力的快速成型技術(shù)之一，適用于家用電器、辦公室用品、建筑模型、醫(yī)學(xué)模型等領(lǐng)域的新產(chǎn)品開發(fā)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空航天等軍事領(lǐng)域和大型復(fù)雜構(gòu)件的一次成型制造，在國外，3D打印機已經(jīng)商品化。作為一種經(jīng)濟型快速成型技術(shù)，綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù),光化學(xué)以及材料科學(xué)等緒多方面的技術(shù)和知識，讓產(chǎn)品設(shè)計、建筑設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療用品設(shè)計等領(lǐng)域的設(shè)計者，第一時間方便輕松的獲得全彩色實物模型，便于重新修定CAD設(shè)計模型,從而節(jié)省了為錯誤設(shè)計制造工藝裝備的費用,并節(jié)省了研制時間。它具有成本低、系統(tǒng)可靠性高，設(shè)備體積小、噪聲小、成型速度快、產(chǎn)品材料與顏色可多樣化等優(yōu)點，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，三維打印技術(shù)還擁有如下優(yōu)勢：通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；大幅減少了材料浪費。具有巨大的應(yīng)用潛能和廣闊的市場前景。 當(dāng)下，我國的3D打印技術(shù)還處于起步階段，3D打印技術(shù)基本由大學(xué)和一些小企業(yè)在做研究，尚未有成品出現(xiàn)，在軟件和材料方面相對落后，但是，就在2012年10月17日，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)成立，這就意味著中國開始越來越重視該技術(shù)。因此，開展三維打印快速成型機控制系統(tǒng)的研發(fā)，具有重要的現(xiàn)實意義。本課題通過對該機械系統(tǒng)的研究，探索并深入了解電機，傳感器及反饋系統(tǒng)，達到加深對課內(nèi)知識的理解的目的，并利用控制理論實現(xiàn)了3維定位和實現(xiàn)打印功能，給出初步設(shè)計方案。。 2、基本原理：每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可得到模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。任務(wù)分析確定實現(xiàn)系統(tǒng)功能：設(shè)計一個3D打印機，可以實現(xiàn)用熱能加熱熔融材料，并從噴頭噴出，逐層堆積出模型。由3D打印機的基本原理我們分析其功能需求大致有:分層軟件、疊加粘貼、輸入圖形、定位監(jiān)測等。3D打印與2D打印相同之處在于，其都是采用逐漸掃描，掃描完畢再輸出的設(shè)備。2、性能指標(biāo)：（1）.溫度范圍：儲存溫度：0-32℃工作溫度：15-32℃（2）.工作空間速度尺寸（cm）最大工作長（寬）度30最大工作高度38打印速度精度：定位精度：x、y軸0.011mm，z軸0.0025mm打印速度：4s/層每層厚度:0.18mm噴嘴直徑：0.4mm運動軸速度：40mm/s三、技術(shù)實現(xiàn)方案1.結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要分為三大部分，一為電機控制位移系統(tǒng)，二為傳感反饋系統(tǒng)，三為電源系統(tǒng)。電機控制分為驅(qū)動噴頭和控制位移兩大部分。傳感反饋分為位置傳感器、溫濕度傳感和壓力傳感器。機械結(jié)構(gòu)X軸機構(gòu)選用導(dǎo)軌-同步齒形帶機構(gòu);Y軸機構(gòu)選用光杠-同步齒形帶機構(gòu);Z軸機構(gòu)選用兩副光杠-絲杠機構(gòu)；鋪粉輥機構(gòu)選用導(dǎo)軌-同步齒形帶機構(gòu)。控制系統(tǒng)圖2位移快速定位系統(tǒng)在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，普遍采用步進電機作為伺服驅(qū)動部件。步進電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)按一定的規(guī)律運動。高精度的位置控制常采用全閉環(huán)控制。然而全閉環(huán)位置控制不僅需要高精度的位置檢測裝置，而且控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含非線性環(huán)節(jié)導(dǎo)致控制系統(tǒng)模型復(fù)雜化，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。1.選擇電機：電動機型式、電壓與轉(zhuǎn)速的選擇（1）根據(jù)電機啟動頻率，有無調(diào)速要求選擇是使用直流電動機或交流電動機；（2）選擇電動機額定電壓的大??；（3）根據(jù)轉(zhuǎn)速要求及傳動設(shè)備的質(zhì)量選取它的額定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩；（4）由生產(chǎn)機械所需要的功率大小來決定電動機的額定功率（容量）。綜合以上方面考慮，最后選擇與要求相符的電動機。b.幾種電機的參數(shù)性能比較：步進電機直流電機伺服電機力矩和速度在低速下滿轉(zhuǎn)矩，速度增加轉(zhuǎn)矩明顯下降在速度增大的情況下，轉(zhuǎn)矩變化很小幾乎線性化的力、速度曲線動態(tài)特性（速度和加速度）小小良好的加速度特性，高速穩(wěn)定性加速的時候固定平率的振動會引發(fā)問題，細(xì)分控制可減少此類問題整個動態(tài)范圍內(nèi)平滑、安靜運動寬動態(tài)范圍內(nèi)平穩(wěn)運動目標(biāo)位置準(zhǔn)確達到目標(biāo)位置；自然力矩保持位置穩(wěn)；開環(huán)控制下，如果過載或者超速，目標(biāo)位置無法達到通過閉環(huán)控制達到目標(biāo)位置（有未知錯誤糾正功能）；PID整定不正確的情況下，糾正位置錯誤；可能出現(xiàn)位置超出或持續(xù)誤差更高速度、更小步距、無后沖。表5.1.1各電機參數(shù)性能比較我們主要對比了步進電機和伺服電機的性能參數(shù)：1、控制精度不同。步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同；一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。3、低頻特性不同；步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點便于系統(tǒng)調(diào)整。4、矩頻特性不同；步進電機的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機為恒力矩輸出。5、過載能力不同；步進電機一般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。6、運行性能不同；步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。7、速度響應(yīng)性能不同；步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。從性能角度出發(fā)，通過以下幾方面的考慮我們選擇使用方案一的步進電機：將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度；2.可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；3.同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的；4.可以精確地到達目標(biāo)位置，精度相比直流無刷電機更加高，開環(huán)便于控制；5.使用細(xì)分功率放大器并使用高輸入信號頻率可基本消除共振現(xiàn)象。綜上所述，步進電機不需要反饋信號，就可以對系統(tǒng)的位置、速度輸出直接控制，而且價格較為便宜，雖然打印速度不快，而我們所做的3D打印機并不要求高速運轉(zhuǎn)，所以選用步進電機作為驅(qū)動裝置。使用步進電機，步進電機的最大優(yōu)點就是可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。這個優(yōu)點正滿足我們所設(shè)計的電機的要求，雖然步進電機存在‘失步’以及自身振蕩等缺點，但是由于他無位置誤差積累的優(yōu)點，使它在控制各軸運動定位時能夠避免產(chǎn)生較大的誤差，從而可以精確地到達目標(biāo)位置，精度相比其他種類電機更加高，開環(huán)便于控制。而且，在此選擇使用細(xì)分功放并使用高輸入信號頻率可有效降低共振現(xiàn)象。因控制器具有采樣周期的時間限制，當(dāng)升速率較高時步進電機的轉(zhuǎn)速容易穿越開關(guān)線，形成極限環(huán)，造成系統(tǒng)振蕩，無法正常工作。針對上述情況步進電機快速準(zhǔn)確定位系統(tǒng)控制器的設(shè)計，步進電機快速準(zhǔn)確定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由位置補償表、位置控制器、升降速控制器、信號轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)速及位置檢測器和轉(zhuǎn)速反饋及失步檢測器等功能模塊組成。上位機向步進電機定位系統(tǒng)下達位置指令X0控制器根據(jù)起始位置、目標(biāo)位置和轉(zhuǎn)向查找位置補償表得到補償位置?X，形成實際位置指令Xs，進而得到位置偏差e，位置控制器根據(jù)偏差e和步進電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速nf發(fā)出轉(zhuǎn)速指令ns，再由升降速控制器按照一定的規(guī)律計算出當(dāng)前步進電機的轉(zhuǎn)速n，之后由信號轉(zhuǎn)換器解析為轉(zhuǎn)向信號dir和脈沖信號cp,控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使步進電機以一定規(guī)律的速度到達指令位置X0。當(dāng)系統(tǒng)到達指令位置X0時，位置控制器必須使步進電機的轉(zhuǎn)速降為可停車轉(zhuǎn)速，從而達到快速準(zhǔn)確定位控制的要求。3D打印機在功能上與2D不同的即為增加了一個維度上的控制。對于如何增加z軸的控制，我們做了如下分析：一種方案為，采取噴嘴直接噴熱固性塑料在加熱底板上，在噴嘴處有一電機控制噴嘴高度，高度一點一點增加，即可慢慢打印出想要的樣品。另一種方案為，采用原料與黏膠分別放置的辦法，采用滾桶將原料槽升起所供應(yīng)的原料顆粒推至加工平面，然后采用噴嘴直接噴灑黏膠在所需面積上，每加工完一層，加工平面即下降一層的高度以容納下一層，直至樣品打印結(jié)束。另外結(jié)構(gòu)上，我們還參考借鑒已經(jīng)成型的DeltaRobot的工作方式（如圖1），使用如下的三縱軸3D打印機結(jié)構(gòu)。該打印機與傳統(tǒng)3D打印機有所不同，關(guān)鍵在于對打印點的定位方式。傳統(tǒng)的3D打印機采用自然坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸定義，在X,Y,Z三個維度上都采用螺桿絲杠傳動,用電機帶動絲杠從而對噴頭進行控制與定位。而RostockMAX采用的是三傾斜桿與噴頭的二自由度連接，通過控制三個傾斜桿頂端的滑塊移動來實現(xiàn)對噴頭在工作區(qū)域的定位。圖1.DeltaRobot在第一種中，x,y,z軸均在噴嘴處控制，而第二種中對于噴嘴而言，加工平面高度是不變的，由加工平面下的電機來不斷調(diào)整z軸的高度。第一種的優(yōu)勢在于，想法簡單，結(jié)構(gòu)簡單。但其缺點在于，如要打印空腔型的物體（譬如收口很小的高腳杯）則無法打印。而第二種可以打印出空腔型物體。由于第二種可以采用顆粒支撐內(nèi)部所以可以實現(xiàn)。并且第二種的廢料不存在浪費，完全可以繼續(xù)裝填回原料槽，也符合了環(huán)保的理念。我們選擇了第二種方案。執(zhí)行元件包括步進電機、噴膠噴頭和加熱器。工作流程先建立預(yù)加工的計算機三維實體模型,結(jié)合CAD、CAM將其以彩色STL、ply、wrl等數(shù)據(jù)格式存儲,之后采用彩色三維模型切片軟件對該彩色三維模型進行切片分層,得到一系列具有色彩信息的二維切片,再進行切片光柵圖像處理RIP分析,獲得每層的加工信息。然后進行以下步驟：1、采集粉末原料;2、將粉末鋪平到打印區(qū)域;3、打印機噴頭在模型橫截面定位,噴豁結(jié)劑;4、送粉活塞上升一層,實體模型下降一層以繼續(xù)打印;5、重復(fù)上述過程直至模型打印完畢三維打印法采用了與噴墨打印機類似的技術(shù),首先鋪粉機構(gòu)在加工平臺上精確地鋪上一薄層粉末材料,噴頭在每一層鋪好的粉末材料上有選擇地噴射粘合劑,噴有粘合劑的地方材料被粘結(jié)在一起,其它地方仍為粉末。做完一層,加工平臺自動下降一個截面層的高度,儲料桶上升一個截面層的高度,滾桶由升高了的儲料桶上方把粉末推至工作平臺,并把粉末推平,再噴粘結(jié)劑,如此循環(huán)直到把一個零件的所有層打印完畢,然后把未固化的粉末清理掉,最后進行燒結(jié),即可得到一個三維實物原型。X,Y軸(打印機)組成平面掃描運動框架,由伺服電機驅(qū)動控制噴頭的掃描運動;Z軸由伺服電機驅(qū)動控制工作臺(供粉缸、成型缸)作垂直于XY平面的運動。打印機構(gòu)幾乎不受載荷,但運動速度較高,具有運動的慣性,因此應(yīng)具有良好的隨動性。Z軸應(yīng)具備一定的承載能力和運動平穩(wěn)性。因此,在本系統(tǒng)中,X軸機構(gòu)選用導(dǎo)軌-同步齒形帶機構(gòu);Y軸機構(gòu)選用光杠-同步齒形帶機構(gòu);Z軸機構(gòu)選用兩副光杠-絲杠機構(gòu),由兩個伺服電機分別驅(qū)動送粉缸和成型缸內(nèi)的活塞作垂直于XY平面的運動。鋪粉輥機構(gòu)選用導(dǎo)軌-同步齒形帶機構(gòu),實現(xiàn)成型粉末材料的鋪平和壓實功能。綜上所述：共有5個電機需要選擇。X，Y軸的兩個電機：方案一對于X,Y軸，要實現(xiàn)輪廓掃描，需要較高的運行速度和定位精度，因此選擇絲杠--圓導(dǎo)軌這種運動方案，同時也能滿足驅(qū)動工作臺需一定承載能力的要求，由于橫向移動走絲精度要求較高,考慮到無刷直流電機無論是在調(diào)速精度、力矩波動大小方面還是在輸出力矩大小方面都具有很大的優(yōu)勢所以選擇無刷直流電動機。計算選擇電動機的型號:通過分析得到噴頭的質(zhì)量m約為1kg;根據(jù)要求繞絲小車橫向移動速度v為0～60m/min;導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)μ約為0.2，=F·v,F=m·g·μ,把m、g、μ、v代入公式得,=1.96W;由于采用雙圓柱形導(dǎo)軌,故電動機所需功率P為=2/n;從電動機到轉(zhuǎn)軸之間的傳動裝置的總效率為:=·，查得軸承效率=0.99,帶輪效率=0.98,即:=0.99×0.98=0.9702,=2/=2×1.96/0.9702=4.04W;選取電動機額定功率,使=2.5(1～3)，取=2.5=10W,所以根據(jù)文獻[5]表6-3,電機選用直流無刷電機45ZWN60-2430,其具體參數(shù)如下：方案二選用的X軸和Y軸步進電機都是MakerBotNema17，其具體參數(shù)指標(biāo)如下表：NEMA型號17保持扭矩（標(biāo)準(zhǔn)單位）43oz-in保持扭矩（公制單位）0.3N-m每分鐘最大轉(zhuǎn)數(shù)3000RPM步進角1.8?測角精度±3%單/雙軸單軸繞組型式（WindingType）4線并行相電阻（PhaseResistance）5.25Ohm相電流（PhaseCurrent）1A電感7.7mH物理標(biāo)準(zhǔn)長度42.7mm寬度42.7mm高度35.1mm最低操作溫度-20°C最高操作溫度40°C軸直徑8mm其價格在500到700元不等。Z軸所選用的電機為MoonsleadscrewNema17步進電機：圖中四線為電機繞組。型號leadscrewNema1步進角1.8?測角精度±3%螺桿長徑比0-100mm支撐軸單軸或者雙軸相位2保持扭矩（標(biāo)準(zhǔn)單位）63oz-in保持扭矩（公制單位）0.44N-m每分鐘最大轉(zhuǎn)數(shù)3000RPM單/雙軸單軸繞組型式（WindingType）4線并行相電阻（PhaseResistance）5.25Ω相電流（PhaseCurrent）1A電感（inductance）7.7mH物理標(biāo)準(zhǔn)長度42.7mm寬度42.7mm高度35.1mm最低操作溫度-10°C最高操作溫度50°C軸直徑8mm其價格在650到800元之間。鋪粉電機：鋪粉電機運動只需要控制電機的起停和設(shè)定轉(zhuǎn)速，用普通直流電機即可滿足要求。通過鋪粉輥筒轉(zhuǎn)動和平動，將粉末材料從儲粉腔添加到成型腔，同時壓實粉末，平整粉末表面。鋪粉輥筒的在粉末平面的轉(zhuǎn)動方向與鋪粉輥筒的平動方向相同，通過輥筒的轉(zhuǎn)動將輥筒前面堆積的多余粉末卷起，讓粉末材料翻滾前進，減小了粉末與已打印的截面層之間的摩擦力。為減小對模型Y向尺寸精度的影響，鋪粉輥筒平動的速度不宜過快。系統(tǒng)中鋪粉輥筒采用外徑為20mm的不銹鋼管精密磨制，表面光滑，且不易腐蝕。轉(zhuǎn)速200r/min，平動速度為0.2m/s時成型質(zhì)量和效率較為滿意。對具有微小結(jié)構(gòu)的部件，可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)動和平動速度。設(shè)輥筒與平面之間摩擦系數(shù)為0.4，輥筒質(zhì)量記為0.5kg，則可計算轉(zhuǎn)矩為：功率計算如下：=Fv=μmg*v=0.2*2=0.4W機械傳動部分效率較低估計為0.6，減速器效率估計為0.8=·=0.6*0.8=0.48所以電機功率=2.08(1～3)，取=2.5=1W根據(jù)計算所得，我們選擇以下型號的永磁式直流伺服電動機20SY01儲料室電機及成型室電機：根據(jù)要求，選用公稱直徑16mm，螺距4mm的絲杠時，x，y，z軸方向變化0.01mm，電機轉(zhuǎn)動角度a為：a=360o×0.01÷4=0.9o所以x，y軸電機只要滿足步距角α≤0.9o即可代入數(shù)據(jù)得：如果采用自啟動方式驅(qū)動1秒鐘，則驅(qū)動脈沖速度這樣計算：1800[Pulse]/1[sec]=1.8[kHz]但是，自啟動速度不可能是1.8kHz，應(yīng)該采用加/減速運行方式來驅(qū)動，如圖。如果加/減速時間設(shè)置為定位時間的25%，啟動脈沖速度為500[Hz]，則計算方法如下：驅(qū)動脈沖速度[Hz]＝1800[脈沖]－500[Hz]×0.25[秒]1[秒]－0.25[秒]＝2.23[kHz]如果是水平方向負(fù)載，則滾軸絲桿驅(qū)動負(fù)載，效率為90%，負(fù)載重量為3千克，則負(fù)載力矩的計算方法如下：=3[kg]×0.18[mm]10*2π×0.9×10.1＝9.55[N·cm]因為是垂直方向的負(fù)載，則力矩應(yīng)該是此結(jié)果的2倍，而且此結(jié)果僅包括負(fù)載力矩，電機的總負(fù)載還應(yīng)該包括加/減速力矩，但是，計算中很難得到準(zhǔn)確的負(fù)載慣性慣量，因此，為了解決這個問題，在實際計算負(fù)載力矩的時候，特別是自啟動或需要迅速加/減速的情況，我們應(yīng)該在此基礎(chǔ)上再乘以一個安全系數(shù)。=2**ε=2*0.0955*1.2=0.23[N·m]根據(jù)計算及以下電機參數(shù)，我們選擇42BYG250B-0151兩相混合步進電機。四、執(zhí)行元件執(zhí)行元件包括步進電機、噴膠噴頭和加熱器。噴膠噴頭選擇：方案一由日本精工電子集團所生產(chǎn)，精工最先是在生產(chǎn)精密鐘表方面在全世界家喻戶曉，如今在生產(chǎn)集裝壓電式噴頭方面就已經(jīng)具備相當(dāng)雄厚的實力與基礎(chǔ)，穩(wěn)定性方面就如其生產(chǎn)的精工表一樣品質(zhì)超眾.SPT噴頭在綜合以往所有噴頭的性能優(yōu)點最終設(shè)計而成，在集中以往優(yōu)點的同時另外還主要體現(xiàn)在：

a.主要表現(xiàn)為全不銹鋼設(shè)計,具備超強的耐壽命,每只噴頭的管道為510個.

b.噴頭電壓可隨溫度變化而變化,因此能夠以往其他噴頭因溫度等外界因素造成的斷墨煩惱.

c.其噴頭的數(shù)據(jù)端口能夠適應(yīng)不同的打印軟件,并且打印濃度也比以往噴頭更恃?

d.能夠采用多種模式生產(chǎn),墨點顆粒為35PL和12PL,最高標(biāo)準(zhǔn)精度為720DPI和1440DPI,色彩飽和度無可挑剔.

e.噴頭打印寬幅為75mm,是普通噴頭的4倍,可進行快速輸出.

f.適用面較廣,目前已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)與商業(yè)打印的范圍之內(nèi).

g.配套墨水的生產(chǎn)流水線全部由日方精工電子集團專業(yè)人員檢測,每次生產(chǎn)的墨水全部由精工集團認(rèn)證之后方可投放于市場銷售.

h.成本較低,趨于大眾化.最終選型為：

SEIKOSPT25535PL(極限主流噴頭)有效打印條寬度35.7mm方案二：噴頭部分主要由以下零件構(gòu)成:1．PEEK法蘭圖5.6.1法蘭樣圖2．散熱銅鍋圖5.6.2銅鍋樣圖3．支撐鋁管4．PTFE內(nèi)襯5．上托架(塑料件)6．下托架(環(huán)氧樹脂)7．加熱塊(鋁)圖5.6.3鋁塊樣圖8噴嘴(0.5mm鋁)圖5.6.4噴嘴樣圖9加熱電阻(6.8Om,防火水泥封裝,PTFE保護引腳)，加熱材料，實現(xiàn)塑造。10熱敏電阻(100k,防火水泥封裝,PTFE保護引腳)，防止加熱溫度過高損壞元件。總體噴頭部分結(jié)構(gòu)如圖：圖5.6.5噴頭結(jié)構(gòu)示意圖選擇步進電機驅(qū)動器根據(jù)所選步進電機，確定步距角為1.8°，傳動桿結(jié)構(gòu)如圖：圖5.3.1傳動桿結(jié)構(gòu)我們選用半徑1.75cm的齒輪，由公式n為細(xì)分驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)?？山獾胣=8。故選用相匹配的DQ542MA型細(xì)分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器。圖5.3.2DQ542MA型細(xì)分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器。DQ542MA型細(xì)分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器，采用直流18～50V供電，適合驅(qū)動電壓18V～50V，電流小于4.0A外徑42～86毫米的兩相混合式步進電機。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進行細(xì)分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。高速時力矩也大大高于其它二相驅(qū)動器，定位精度高。廣泛適用于雕刻機、數(shù)控機床、包裝機械等分辨率要求較高的設(shè)備上。a.主要特點：1.平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出2.直流18～50V供電3.光電隔離信號輸入/輸出4.有過壓、欠壓、過流、相間短路保護功能5.十五檔細(xì)分和自動半流功能6.八檔輸出相電流設(shè)置7.具有脫機命令輸人端子8.電機的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)9.高啟動轉(zhuǎn)速10.高速力矩大b.電氣參數(shù)輸入電壓直流24～50V輸入輸入電流小于4安培輸出電流1.0A～4.2A功

耗功耗：80W；

內(nèi)部保險：6A溫

度工作溫度-10～45℃；存放溫度-40℃～70℃濕

度不能結(jié)露，不能有水珠氣

體禁止有可燃?xì)怏w和導(dǎo)電灰塵重

量200克細(xì)分驅(qū)動器參數(shù)表加熱器選擇由于加工平臺要求一定溫度，為了和溫度傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，我們需要在加工平臺下安裝一個加熱器。當(dāng)溫度達到要求則加熱器斷電，當(dāng)溫度低于要求溫度時，加熱器啟動開始加熱。選擇PTC陶瓷加熱板。其特性與優(yōu)勢為：1.安全：PTC產(chǎn)品具有恒溫發(fā)熱、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小等傳統(tǒng)發(fā)熱元件無法比擬的優(yōu)勢,在電熱器具中的應(yīng)用越來越受到研發(fā)工程師的青睞。

2.節(jié)能：PTC產(chǎn)品有自動節(jié)能的特性，當(dāng)加熱器把環(huán)境溫度提升后，其功率會逐漸降低，只有額定功率的90%，80%，或更少。

3.壽命長：PTC產(chǎn)品正常使用時不因為自身原因損壞的，甚至上萬次的反復(fù)開關(guān)對其性能也無影響，衡量其壽命的標(biāo)準(zhǔn)是其老化程度。一般的標(biāo)準(zhǔn)為工作2000小時后的功率衰減小于10%。干燒功率：環(huán)境溫度24度，真空或無風(fēng)密閉空間內(nèi)，產(chǎn)品吊掛在空中或至于不導(dǎo)熱介質(zhì)上，測得的產(chǎn)品功率。此時用熱電偶或針形溫度計測量，表溫在正負(fù)公差10度內(nèi)。最大功率：在理想狀態(tài)下，可以達到的穩(wěn)態(tài)最大功率。例如：在0度以下的環(huán)境中，隔著金屬殼體加熱流速極快的低溫液體。額定功率：干燒功率的2倍。沖擊功率：最大功率的1.5倍至2倍。產(chǎn)品實際耗散功率一般處于最大功率和干燒功率之間工作電壓：220V（裸線接出，不分正負(fù)極，接額定電壓即可）

外觀尺寸：77x62x5.5mm（包括安裝孔部分）干燒表溫：270度左右（內(nèi)部PTC加熱芯片溫度為300度左右）額定功率：100W（實際耗散功率35~300W）干燒功率：50W左右最大功率：300W五、測量元件1、溫度傳感器溫度傳感器用于測定加工平面溫度是否達到材料所需溫度，溫度傳感器應(yīng)安裝于加工平面底部。工作原理：熱電偶或熱電阻傳感器將被測溫度轉(zhuǎn)換成電信號，再將該信號送入變送器的輸入網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包含調(diào)零和熱電偶補償?shù)认嚓P(guān)電路。經(jīng)調(diào)零后的信號輸入到運算放大器進行信號放大，放大的信號一路經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換器計算處理后以4－20mA直流電流輸出；另一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器處理后到表頭顯示。變送器的線性化電路有兩種，均采用反饋方式。對熱電阻傳感器，用正反饋方式校正，對熱電偶傳感器，用多段折線逼近法進行校正。一體化數(shù)字顯示溫度變送器有兩種顯示方式。LCD顯示的溫度變送器用兩線制方式輸出，LED顯示的溫度變送器用三線制方式輸出。最終選擇溫度傳感器如下：產(chǎn)品型號:CRZ2005-1000性能和參數(shù)解釋如下：1.鉑電阻元件的溫度系數(shù)TCRTCR=R100-R0/R0×100其中，R100為在100℃時的電阻值，R0為在0℃時的電阻值2.鉑電阻元件的溫度-電阻特性RT=R0[1+aT-bT2-cT3(T-100)]RT--在溫度T時的電阻值，R0--在零度時的電阻值abc系數(shù)，TCR=0.003851時的系數(shù)如下表：溫度abcT＜03.90802×10-35.80195×10-74.27351×10-12T≥03.90802×10-35.80195×10-703．鉑電阻元件的誤差級別零度時阻值誤差（%）溫度誤差（℃）溫度系數(shù)TCR誤差(ohm/ohm/℃)1/3DIN±0.04±(0.10+0.0017|T|)0.003851±0.000004A±0.06±(0.15+0.002|T|)0.003851±0.000005B±0.12±(0.30+0.005|T|)0.003851±0.0000122B±0.25±(0.60+0.01|T|)0.003851±0.0000244.鉑電阻元件的穩(wěn)定性鉑電阻元件有良好的長期穩(wěn)定性。例如CRZ-1632在400℃時持續(xù)300小時，0℃時的最大溫度漂移僅為0.02℃。5.鉑電阻元件的熱響應(yīng)時間型號熱響應(yīng)時間T0.9(秒)空氣水V=1.0m/sV=3.0m/sCRZ-16321070.3CRZ-200516110.38．溫度—阻值表標(biāo)稱阻值（Ω）1005001000TCR（10-6/K）3851溫度（℃）電阻值（Ω）-5080．31401．53803．070100．00500．001000．0050119．40596．981193．95100138．51692．501385．00150157．33786．571573．15200175．86879．201758．40250194．10970．371940．74300212．051060．092120．19350229．721148．372296．73400247．091235．192470．38450264．181320．562641．12500280．981404．482808．96550297．491486．952973．90600313．711567．973135．94650329．641647．543295．08CRZ薄膜元件應(yīng)用的注意事項:1.直接使用元件或制成溫度傳感器測溫時，避免超過測溫量程，短時間內(nèi)雖不會損壞亦影響產(chǎn)品壽命和精度。2.用CRZ元件組裝溫度傳感器時，在使用高溫固化環(huán)氧膠灌封時，應(yīng)注意其在固化過程中應(yīng)力的變化，否則可能損壞元件(一般為開路)；在使用氧化鎂或氧化鋁充填過程中，應(yīng)避免元件直接接觸保護管尖銳的內(nèi)表面，否則在振動過程中，有可能使元件的瓷片邊緣破損，造成元件開路損壞。3.在制做溫度傳感器時，必須保證灌封材料的高度絕緣性能，否則會導(dǎo)致產(chǎn)品的電氣絕緣性能降低，并且影響元件的測試數(shù)據(jù)，一般會導(dǎo)致測試電阻值偏低。價格為17元左右。2、濕度傳感器濕度傳感器用于測定內(nèi)部加工平面的環(huán)境是否合適的測量元件，所以此處濕度傳感器應(yīng)安裝于加工平面周圍很近的地方。工作原理：濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。

濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。

濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。經(jīng)過比較我們選擇BST的HR202濕度傳感模塊，特征如下：基于獨特工藝設(shè)計的電容元件，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)

高精度：±2%RH，極好的線形輸出

寬量程：1~99%RH，寬工作溫度范圍–40~140℃

濕度輸出受溫度影響極小，常溫使用無須溫度補償

響應(yīng)時間5秒，浸水或結(jié)露后10秒鐘迅速恢復(fù)

抗靜電，防灰塵，有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)

長期穩(wěn)定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/年

互換性好

電容與濕度變化0.34pf/%RH，典型值180pf@55%RH價格在15元左右每只3、壓力傳感器壓力傳感器用于測定料槽與墨盒中是否有料，無料則示警的裝置，壓力傳感器安裝于原料槽底部和墨盒底部。力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。壓力傳感器我們采用壓力傳感器來測定墨盒與原料槽中原料充足，不會因原料不足而對加工過程產(chǎn)生影響。由于大多數(shù)壓力傳感器應(yīng)用與工業(yè)，其量程過大，均為幾噸至十幾噸不等，所以根據(jù)我們所需的量程范圍選定以下（上海聚人牌）微型壓力傳感器：壓力傳感器ForceSensingResistor壓力感應(yīng)電阻是著名InterlinkElectronics公司生產(chǎn)的一款重量輕，體積小，感測精度高，超薄型壓力傳感器。當(dāng)壓力感測電阻器感應(yīng)面的壓力增加時，其阻抗就會減少，從而取得壓力數(shù)據(jù)。其可用于機械手末端夾持器感測夾持物品有無，仿生機器人足下行走地面感測，哺乳類動物咬力測試生物實驗，應(yīng)用范圍及其廣泛。Sensingarea（感測范圍）:0.2”circle

Outputsignal（輸出信號）:Passivevariableresistance

Forcesensitiverange（壓力感測范圍）:0to10kg

Lifetime（使用壽命）:>10millionactuations價格為80元左右每只。4、位移傳感器位移傳感器用于測定x,y,z軸的定位，x,y軸傳感器用于噴頭后面，z軸傳感器則安裝于原料槽推板和工作平面推板。這里的位移傳感器需要精度很高。工作原理：電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制。光電式位移傳感器利用激光三角反射法利用激光三角反射法進行測量，進行測量，對被測物體材質(zhì)沒有任何要求，主要影響為環(huán)境光強和被測面是否平整。比如公路測量用到真尚有的激光位移傳感器，就對傳感器進行了特殊配置，與普通情況不一樣。位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達到納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。由量程范圍可以選擇以下位移傳感器，上海聚人RS-WY150，缺點在于此位移傳感器需要定期更換。依據(jù)量程、價格還有精確度，我們考慮了以下位移傳感器：（1）、有效行程規(guī)格（mm）：300機械行程（mm）：有效行程+7mm（每端緩沖3.5mm）電阻（KΩ±10%）：5（75～550mm有效行程）；獨立線性精度（%）：0.05（275～650mm有效行程）最大容許電壓：DC36V/5KΩ～20KΩ輸出類型：0-100%給定輸入工作電壓（隨位移變化而變化）解析度：無限分辨；最大工作速度：10m/s；使用溫度范圍：-60～150Co價格為265元左右每只（2）、直線光柵系統(tǒng)根據(jù)傳感器特點，可將三個直線光柵傳感器分別裝上測量，三個度均確定后就能算出噴頭的X-Y-Z坐標(biāo)，把該坐標(biāo)反饋給控制器形成閉環(huán)回路。優(yōu)點：精度非常高，響應(yīng)速度快。缺點：成本較高，安裝要求比較高。所選元件：雷尼紹RG2直線光柵系統(tǒng)價格（人民幣）：2000+Renishaw—RG2（3）、使用激光測距傳感器根據(jù)它的性能優(yōu)點，可以將其固定在噴嘴所在托盤上，令激光測距傳感器面向操作臺，并檢測到與操作臺的距離，然后將距離信號傳送給控制電路，從而控制電機轉(zhuǎn)動，前近到與操作臺某固定距離時停止，準(zhǔn)備打印。優(yōu)點：測量精確，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。缺點：響應(yīng)速度慢，同時成本過高，從經(jīng)濟性的角度來講并不適用。參考器件：RenishawRLE10LazerSystem價格：數(shù)千美金。圖5.4.5RenishawRLE10LazerSystem5、功放選型在控制系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的工作往往需要較大的電功率，而控制元件僅能輸出控制信號，其輸出功率非常小，無法實現(xiàn)驅(qū)動執(zhí)行元件的目的，故在控制系統(tǒng)中，往往需要對不同的執(zhí)行元件選配合適的功率放大元件。根據(jù)此前在電機選型中的說明，本系統(tǒng)中供使用了三種電機，直流無刷電機45ZWN60-2430，永磁式直流伺服電動機20SY01，42BYG250B-0151兩相混合步進電機。電機的全橋式驅(qū)動電路，這是直流電機調(diào)速使用最多的調(diào)速方法。目前市場上有很多種電機驅(qū)動的集成電路，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛，但是其驅(qū)動方法大多與全橋式驅(qū)動一樣。PWM控制方法配合橋式驅(qū)動電路，是目前直流電機調(diào)速最普遍的方法。我們在驅(qū)動直流電機時采用H型橋式驅(qū)動電路和PWM控制相結(jié)合，以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。對于直流無刷電機45ZWN60-2430選用小功率HM-WZ-10直流無刷電機驅(qū)動器，其具體參數(shù)如下：輸入電壓范圍12～24VDC(電壓可根據(jù)客戶要求定制)；最大輸出電流3A；最大輸出功率72W；保護動作電流4A；保護功能電壓小于10V時欠壓保護動作，芯片過熱型值為170℃；HALL信號錯誤，過流(PWM周期瞬間電流大于4A則電流保護)；轉(zhuǎn)速范圍：0～最高轉(zhuǎn)速，對3400RPM電機試驗；單價：300元對于永磁式直流伺服電動機20SY01，選用L298N雙H橋直流電機驅(qū)動器，其具體參數(shù)如下：1.驅(qū)動芯片：L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片2.驅(qū)動部分端子供電范圍Vs：＋5V～＋35V

；如需要板內(nèi)取電，則供電范圍Vs：+7V～+35V3.驅(qū)動部分峰值電流Io：2A4.邏輯部分端子供電范圍Vss：＋5V～＋7V（可板內(nèi)取電＋5V）5.邏輯部分工作電流范圍:0～36mA6.控制信號輸入電壓范圍：低電平：－0.3V≤Vin≤1.5V，高電平：2.3V≤Vin≤Vss7.使能信號輸入電壓范圍：低電平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信號無效）

高電平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信號有效）8.最大功耗：20W（溫度T＝75℃時）9.存儲溫度：－25℃～＋130℃10.驅(qū)動板尺寸:55mm*49mm*33mm(帶固定銅柱，散熱片高度)11.驅(qū)動板重量：33g12.單價：30元2BYG250B-0151兩相混合步進電機，選用MAL-404驅(qū)動器，可以兼顧電機的高低頻性能，高頻時，電機在高速運行狀態(tài)下力矩提高20%以上，低頻時，電機在低速運行狀態(tài)子啊，噪聲減少，平穩(wěn)性增加，其細(xì)分功能使電機運轉(zhuǎn)清毒大大提高，能夠保證在高細(xì)分的情況相愛，每一微步都是準(zhǔn)確的。其具體參數(shù)如下：單價：1元控制系統(tǒng)：硬件電路系統(tǒng)：三維打印快速成型硬件電路主要由上位機與下位機接口板，DSP控制芯片，外圍存儲器，噴頭小車運動板，自舉供墨（提供粘結(jié)劑）系統(tǒng)，噴頭驅(qū)動電路組成。1）PCI接口：充當(dāng)上位機與下位機的通信橋梁；2）DSP控制芯片：下位機打印數(shù)據(jù)的管理、傳輸、電機運動控制、噴頭噴射粘結(jié)劑與電機運動的協(xié)調(diào)控制、打印過程信號的檢測等；3）外圍存儲器：存儲準(zhǔn)備打印的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)；4）噴頭小車運動