本科畢業(yè)設(shè)計(jì)-kossel+3d打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGE河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書河北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)說明書作者：歐陽長天學(xué)號(hào)：110497學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院系(專業(yè))：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化題目：Kossel3D打印機(jī)—機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)者：賈曉輝講師(姓名)(專業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者：(姓名)(專業(yè)技術(shù)職務(wù))2015年5月15日

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要題目Kossel3D打印機(jī)—機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：以前的零部件設(shè)計(jì)完全取決于生產(chǎn)加工工業(yè)，而通過3D打印，可以使零部件的生產(chǎn)不在考慮生產(chǎn)工藝的問題，因?yàn)槠淇梢詫⑷魏螐?fù)雜的形狀直接打印出來。為了縮短生產(chǎn)周期，使用3D打印機(jī)從計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)模型，提高了效率。雖有不完善的地方，但其具有極大的市場潛能，勢必會(huì)成為未來制造行業(yè)眾多突破技術(shù)之一。本次設(shè)計(jì)是為了探究kossel結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種能提高裝配精度，打印精度，使機(jī)構(gòu)小巧、緊湊，制造成本低，使用壽命長的機(jī)型。同時(shí)提高綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)的理論知識(shí)、生產(chǎn)實(shí)踐能力，掌握產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，提高資料收集能力和查閱能力，熟悉機(jī)械設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。關(guān)鍵詞：kossel結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3D打印技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書PAGEPAGE3畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要TitleThedesignofKossel3Dprinter-MechanicalSystemAbstractPreviouspartsofthedesigndependsonindustrialproductionandprocessing,andbya3Dprintercanmakepartsoftheproductionisnotinconsiderationoftheproductionprocess,becauseitcanbeanycomplexshapedirectlyprintout.Thegraphicsdataobtaineddirectlyfromthecomputer,soastoreducetheproductioncycle,improveproductivity.Althoughimperfectplace.However,ithasgreatpotentialinthemarket,isboundtobecomeoneofthemanybreakthroughsintechnologyindustrymanufacturinginthefuture.ThedesignisinordertoexplorethemechanicalstructuralsystemKosselstructureof3Dprinters,designakindofassemblyprecisioncanbeimproved,theprintingprecision,smallsize,compact,lowmanufacturingcost,theuseoflonglifemodels.Whileimprovingtheintegrateduseoftheprofessionaltheoreticalknowledgeandpracticeability,tomasterthebasicmethodsandproceduresoftheproductdevelopmentanddesign,improvetheabilityofinformationcollectionandaccessability,familiarwithmechanicaldesignstandardsandnorms.Keywords：ThestructureofKossel，3Dprinter，Thedesignofmechanicalstructuresystem，3Dprintingtechnology目錄TOC\o"1-1"\t"標(biāo)題2,1,標(biāo)題3,1"\h\u177011引言 -1-271761．1設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的目的、意義和國內(nèi)外研究概況 -1-156431.1.1設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的目的、意義 -1-8271.1.2國內(nèi)外研究概況 -1-95001.1.3課題研究的內(nèi)容 -2-38822設(shè)計(jì)的理論依據(jù) -2-73322.1打印原理 -2-85082.2機(jī)械結(jié)構(gòu) -3-73133Kossel3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的功能分析與中總體方案設(shè)計(jì) -5-78503.1Kossel3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程分析 -5-199073.2功能分解與基本實(shí)現(xiàn)方案 -6-110633.2.1打印頭的功能 -6-291373.2.2熱熔絲的選擇 -7-254913.2.3傳動(dòng)方式的選擇 -8-220973.2.4滑塊的運(yùn)動(dòng)與實(shí)現(xiàn) -8-71623.3總體方案設(shè)計(jì) -9-203613.4總體方案確定 -9-196274Kossel3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) -9-239414.1標(biāo)準(zhǔn)件（外購件）選型 -9-253844.1.1步進(jìn)電機(jī) -9-304284.1.2導(dǎo)軌 -13-98214.1.3電源 -15-37604.1.4控制板 -18-33634.1.5噴頭 -19-224514.1.6熱床 -21-86354.1.7微動(dòng)開關(guān) -23-51634.1.8型材 -24-87514.1.9同步帶和同步帶輪 -24-8524.2連接件設(shè)計(jì) -26-196514.2.1連接件設(shè)計(jì)原則 -26-160144.2.2連接件材料選擇 -26-213結(jié)論 -27-11575參考文獻(xiàn) -28-24545致謝 -29-河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4-1引言網(wǎng)絡(luò)媒體、雜志、報(bào)紙、電視等，到處可以見到有關(guān)3D打印技術(shù)的報(bào)道。3D打印機(jī)，有時(shí)也稱為立體制造或者快速成型制造，這是一種使用塑料或者金屬原料將數(shù)字設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換成三維實(shí)物的新興技術(shù)。這個(gè)技術(shù)實(shí)際已有25年之久，最初只是少數(shù)人在使用，如工程師、設(shè)計(jì)師，如今3D打印機(jī)已經(jīng)開始對(duì)每一個(gè)人的生活產(chǎn)生影響，更加便宜、便捷、小巧的3D打印設(shè)備來到我們身邊，讓每個(gè)有不滿足的好奇心之人，能夠運(yùn)用3D打印機(jī)制作出各式各樣的東西。1．1設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的目的、意義和國內(nèi)外研究概況1.1.1設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的目的、意義日常生活中的普通打印機(jī)可以打印平面的圖形，而3D打印機(jī)則可以打印出實(shí)物。我們通常使用的打印機(jī)是在紙上用墨汁或者粉末打印，但是3D打印卻不同，其能夠用各種各樣的材料打印出三維實(shí)物，甚至可以幾種材料混合打印。房屋、食物、器官等等意想不到的東西都可以被打印出來，所以說3D打印機(jī)是可以打印真實(shí)物體的設(shè)備。以前的零部件設(shè)計(jì)完全取決于生產(chǎn)加工工業(yè)，而通過3D打印，可以使零部件的生產(chǎn)不在考慮生產(chǎn)工藝的問題，因?yàn)槠淇梢詫⑷魏螐?fù)雜的形狀直接打印出來。為了縮短生產(chǎn)周期，使用3D打印機(jī)從計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)模型，提高了效率。雖有不完善的地方，但其具有極大的市場潛能，勢必會(huì)成為未來制造行業(yè)眾多突破技術(shù)之一。本次設(shè)計(jì)是為了探究kossel結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種能提高裝配精度，打印精度，使機(jī)構(gòu)小巧、緊湊，制造成本低，使用壽命長的機(jī)型。同時(shí)提高綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)的理論知識(shí)、生產(chǎn)實(shí)踐能力，掌握產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，提高資料收集能力和查閱能力，熟悉機(jī)械設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。1.1.2國內(nèi)外研究概況國內(nèi)情況現(xiàn)如今，國內(nèi)的3D打印技術(shù)在各個(gè)方面還不能滿足商業(yè)上的使用要求，比如其速度慢，精度低等等。只有等待科技水平的進(jìn)一步發(fā)展才能更好的使用。很早之前在港澳臺(tái)地區(qū)就有使用3D打印技術(shù)機(jī)構(gòu)，但是這些技術(shù)都是國外引進(jìn)，并且這些機(jī)構(gòu)也只是看中技術(shù)的應(yīng)用。在內(nèi)地的一些東部沿海地區(qū)的企業(yè)目前也開始使用進(jìn)口的3D打印設(shè)備，通過3D打印機(jī)為客戶提供快速成型服務(wù)，這些服務(wù)包括模具制造、樣品制造、輔助設(shè)計(jì)、物品復(fù)原等等。國際情況在國外，多年以前就開始了對(duì)3D打印技術(shù)的研究和探索，這使得這項(xiàng)技術(shù)在國外快速的發(fā)展并且受到廣泛重視。歐美國家的各項(xiàng)領(lǐng)域里已經(jīng)形成的3D打印技術(shù)商業(yè)化的模式，特別是電子、航空、汽車制造等等。同時(shí)越來越細(xì)分的辨析率，越來越快速的打印速度，以及幾種材料的混合打印等技術(shù)方面的不斷發(fā)展，使3D打印可以更快、更好、更便捷地制造出小批量產(chǎn)品。相對(duì)于傳統(tǒng)加工，這項(xiàng)技術(shù)有著更低的成本、更高的效率、更大的柔性。1.1.3課題研究的內(nèi)容(1)使用reprap開源打印機(jī)中的kossel3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)，Kossel結(jié)構(gòu)是最新的開源機(jī)型結(jié)構(gòu)，即delta并聯(lián)結(jié)構(gòu)。(2)有限空間內(nèi)保障要求行程，采用滑軌形式采用導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)；(3)靈活裝配的實(shí)現(xiàn)形式，采用鋁合金型材、角接件等標(biāo)件；(4)加熱系統(tǒng)的選擇，采用市場上現(xiàn)有的加熱裝置并在設(shè)計(jì)中進(jìn)行局部改造。2設(shè)計(jì)的理論依據(jù)2.1打印原理3D打印是一種快速成型技術(shù)，它通過累積材料來構(gòu)造三維實(shí)物，在計(jì)算機(jī)中建好模型后，將數(shù)據(jù)傳給打印機(jī)，打印機(jī)就可以把材料通過不同方式結(jié)合到一起，生成實(shí)物。3D打印機(jī)堆積薄層的形式有多種。1、使用“噴墨”的方式。即使用打印機(jī)噴頭將一層極薄的液態(tài)塑膠物質(zhì)噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進(jìn)行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆棧上來。2、“熔積成型”技術(shù)是以薄層成型方式，其工作時(shí)先加熱碰頭把材料熔化，再把材料沉積形成薄層。熔積成型在制件時(shí)需要有支撐，這是為了節(jié)省材料成本提高制件效率，所以熔積成型設(shè)備一般采用雙噴頭。一個(gè)噴頭用于制造模型，另一個(gè)頭用于制造支撐，一般來說，模型料細(xì)而貴并且沉積效率低，支持料粗而便宜，效率高。為了便于在成型后去除支撐，常選擇一些可溶材料。比如水溶材料，或者低于模型材料熔點(diǎn)的熱熔材料。熔積成型件的翹曲變形小，材料利用率高，但成型件的表面有明顯的條紋，材料貴。3、使用“激光燒結(jié)”的技術(shù)，其以粉末微粒作為打印介質(zhì)。打印材料被均勻撒在工作平臺(tái)上形成一層極薄的材料層，然后熔鑄成指定形狀，最后通過液態(tài)粘合劑進(jìn)行固化。激光燒結(jié)成型過程中會(huì)有很多粉塵，這些粉塵會(huì)污染工作空間，所以一般使用激光燒結(jié)打印時(shí)需要一個(gè)獨(dú)立的工作空間。激光燒結(jié)的實(shí)體一般不能直接進(jìn)行裝配和性能檢驗(yàn)，成型件需要較長的一段時(shí)間來釋放內(nèi)應(yīng)力，表面質(zhì)量一般。能耗大、成本高。4、利用真空中的電子流熔化粉末材料，如果出現(xiàn)了復(fù)雜的懸臂結(jié)構(gòu)或者孔時(shí)，打印過程終究需要添加支撐來填補(bǔ)空缺的空間。這部分粉末不會(huì)被熔鑄，最后只需用水或氣流沖洗掉支撐物便可形成孔隙。5、使用“熔絲制造”的方法，將直徑為1.75mm或者3mm的聚乳酸（PLA）或者ABS樹脂絲通過擠出機(jī)送入加熱噴頭熔化，隨著不斷的送絲，熔化的絲在噴頭出頭會(huì)被擠出，噴頭在一個(gè)平面移動(dòng)時(shí)形成一條有厚度的線，噴頭不斷運(yùn)動(dòng)，線會(huì)變?yōu)槊妫?dāng)打印完一層后噴頭太高一定高度繼續(xù)打印第二次，依此往復(fù)堆積形成一個(gè)實(shí)體。熔絲制造的材料成本較低，設(shè)備成本則有所需精度決定，實(shí)現(xiàn)起來較為容易，保養(yǎng)維護(hù)也很方便。2.2機(jī)械結(jié)構(gòu) 3D打印機(jī)的主流結(jié)構(gòu)有開源的reprap系列、Ultimaker、printrbot還有曾經(jīng)開源的Makebot系類。reprap系列基本上是三角形的，而Ultimaker、Makebot系列是矩形盒狀，printrbot是矩形支架的。從精度，裝備，價(jià)格等權(quán)衡，選取三角型結(jié)構(gòu)是比較好的，在三角形結(jié)構(gòu)中，reprap系列最為流行，而其分支眾多，主要有mendel、huxley和Prusa這三個(gè)分支。其結(jié)構(gòu)簡單、組裝維修等都很方便，對(duì)于光軸等切割的要求不高，需要的部件少。但其自作精度低，打印是物體隨熱床在Y軸方向移動(dòng)。圖2.1三角洲結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)圖2.2delta結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)目前市場上最為普及的機(jī)型是矩形盒式結(jié)構(gòu)，從3D打印機(jī)的發(fā)展來看，這種機(jī)械業(yè)是較為完整的。其打印精度高、打印速度快，安裝精度高。但其裝配較為復(fù)雜，維修困難，部件加工精度要求高，整機(jī)成本高。圖2.3矩形盒式打3D打印機(jī)圖2.4矩形盒式3D打印機(jī)此次設(shè)計(jì)中所用的是delta結(jié)構(gòu)，它有3個(gè)自由度，即X軸，Y軸，Z軸3個(gè)方向上的位移，將噴頭作為動(dòng)平臺(tái)。3Kossel3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的功能分析與中總體方案設(shè)計(jì)3.1Kossel3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程分析23142314圖3.1.1運(yùn)動(dòng)過程原理圖Kossel3D打印機(jī)各部件的運(yùn)動(dòng)方向如圖所示，當(dāng)紅色部件（即滑塊）同時(shí)分別運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以使藍(lán)色部件(即打印頭)在一定空間范圍內(nèi)達(dá)到任意位置。左邊滑塊1向上或向下運(yùn)動(dòng)打印頭4向運(yùn)動(dòng)滑塊方向靠近同時(shí)上升或遠(yuǎn)離同時(shí)下降；左邊滑塊2向上或向下運(yùn)動(dòng)打印頭4向運(yùn)動(dòng)滑塊方向靠近同時(shí)上升或遠(yuǎn)離同時(shí)下降；左邊滑塊3向上或向下運(yùn)動(dòng)打印頭4向運(yùn)動(dòng)滑塊方向靠近同時(shí)上升或遠(yuǎn)離同時(shí)下降。當(dāng)三個(gè)滑塊同時(shí)運(yùn)動(dòng)相互配合時(shí)，可以使打印頭在水平平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一層一層的打印堆疊。3.2功能分解與基本實(shí)現(xiàn)方案3D打印機(jī)基本功能的方案選擇和實(shí)現(xiàn)方式如下。3.2.1打印頭的功能本可以采用的是“熔絲成型”的方法原理在構(gòu)建這臺(tái)打印設(shè)備，故選擇使用電加熱型噴頭，配合熱熔絲使用。圖3.2.1加熱噴頭結(jié)構(gòu)圖3.2.2加熱噴頭打印頭用于將固體打印材料融化并通過噴嘴噴出形成線條，又由線構(gòu)成面。市場上現(xiàn)有噴嘴口徑有0.2mm/0.25mm/0.3mm/0.35mm/0.4mm/0.5mm/0.6mm/0.8mm等，可以用于打印不同精度的物體。3.2.2熱熔絲的選擇熱熔絲相當(dāng)于傳統(tǒng)打印機(jī)中的墨水或者碳粉。目前最為常見的的熱熔絲材料有兩種，一種是PLA（即生物降解塑料聚乳酸；別稱聚乳酸），另一種是ABS樹脂。ABS樹脂是一種耐用的熱熔材料，可以打磨、上色、粘合，抗沖擊、耐熱，打印擠出溫度在210℃左右。打印時(shí)需要熱床，熱床溫度為110℃，若無熱床則打印件會(huì)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。ABS是先出現(xiàn)的材料，現(xiàn)在更多的人選用了PAL。PAL是一種生物材料，在一定情況下可以降解。PLA更是一種環(huán)保材料，加熱時(shí)不會(huì)像ABS那樣發(fā)出刺激氣味，它的熔點(diǎn)相對(duì)ABS低一些，在180℃的既然頭中可以擠出，但冷卻后非常堅(jiān)硬。PLA打印時(shí)可以不配熱床，如果想提高打印質(zhì)量可用熱床，溫度設(shè)置在60℃，PLA材料的冷卻時(shí)間很長，打印時(shí)需要在噴頭處配合一個(gè)供冷卻用的小風(fēng)扇。熱熔絲直接一般為1.75mm和3mm，最開始使用的標(biāo)準(zhǔn)為3mm，但1.75mm逐漸被更多人使用。本設(shè)計(jì)中，將使用1.75mmPLA熱熔絲作為打印機(jī)的打印材料，目前市場上的PLA材料在68-200元/盤不等，一盤一般為1kg，長約400m。圖3.2.3PLA耗材3.2.3傳動(dòng)方式的選擇傳動(dòng)裝置作為傳遞力和運(yùn)動(dòng)的裝置，他的主要作用是能量分配、運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)、運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換、變速。本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)動(dòng)是滑塊的垂直運(yùn)動(dòng)，考慮到的傳動(dòng)方式主要為兩種，一種是滾珠絲杠螺母傳動(dòng)，另一種是同步輪同步帶傳動(dòng)。滾珠絲杠螺母傳動(dòng)滾珠絲杠螺母傳動(dòng)可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或者把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其機(jī)構(gòu)雖然復(fù)雜、制造成本高，但是其摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高，通常高達(dá)92%-98%，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛。同步輪同步帶傳動(dòng)同步輪同步帶傳動(dòng)可將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變?yōu)橥綆У闹本€運(yùn)動(dòng)，帶內(nèi)側(cè)為齒狀，同步帶傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)比準(zhǔn)確，對(duì)軸的作用力小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、耐磨、耐油、抗老化、可低速運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)比兩種傳動(dòng)方式，同步帶傳動(dòng)成本相對(duì)較低，并可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，所以選擇同步帶傳動(dòng)作為此設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方式。3.2.4滑塊的運(yùn)動(dòng)與實(shí)現(xiàn)圖3.2.4滑塊運(yùn)動(dòng)原理伺服電機(jī)軸上裝有齒輪，導(dǎo)桿上方也裝有齒輪，將同步帶的兩端固定在滑塊上，并將同步帶套在兩齒輪上。當(dāng)伺服電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)上的齒輪旋轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，同步帶又帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑塊在導(dǎo)桿上的上下運(yùn)動(dòng)。3.3總體方案設(shè)計(jì)通過上述分析與綜合，并閱讀參考文獻(xiàn)，得出以下兩種總體方案。第一種為雙導(dǎo)桿滑塊方案，通常采用的是滑動(dòng)軸承，即采用兩根圓柱形導(dǎo)桿來配合一個(gè)滑塊，這種方案的導(dǎo)桿的加工精度低，使得打印精度也低，導(dǎo)桿安裝精度要求高，需要保證兩桿的平行度；但平穩(wěn)性較好，成本低。第二種為單導(dǎo)桿滑塊方案，即采用直線導(dǎo)軌來配合一個(gè)滑塊，導(dǎo)桿采用現(xiàn)成直線導(dǎo)軌配合鋁合金型材構(gòu)成，這種方案的有點(diǎn)：導(dǎo)桿的安裝精度高，零件加工裝配簡單，同時(shí)總體結(jié)構(gòu)簡化；但成本高。3.4總體方案確定兩種方案相比較，第一種方案雖然精度不夠高，第二種方案精度更高一些，并且其結(jié)構(gòu)更為簡單可滿足拆解方便、結(jié)構(gòu)小巧的要求，同時(shí)調(diào)整維護(hù)更為方便，成本較相差不大。故綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)選擇方案二。4Kossel3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1標(biāo)準(zhǔn)件（外購件）選型4.1.1步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或直線位移的一種執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度連續(xù)發(fā)送脈沖轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)輸出量角位移與輸入量電脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，即控制了脈沖個(gè)數(shù)、頻率和定子通電方式，就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)具有如下幾個(gè)特點(diǎn):快速啟停；（2）精度高；（3）能夠直接接收數(shù)字信號(hào)；（4）不需要位移傳感器就可以較為精確的定位。（5）控制性能好，在啟停、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。另外步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不容易受到各種干擾因素的影響，比如電源電壓波動(dòng)、電流大小與波形變化、溫度等，只要在這些因素未引起步進(jìn)電機(jī)“丟步”，其就可以正常工作。步進(jìn)電機(jī)的步距角會(huì)存在誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)后悔出現(xiàn)誤差的累積，不過當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，累積誤差會(huì)消失。因而將步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于開環(huán)控制機(jī)電一體化系統(tǒng)中是很好的，不僅簡化了系統(tǒng)，還能獲得較高的位置精度。步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算：已知：直線平臺(tái)垂直方向上運(yùn)動(dòng)，見圖3.2.4,重復(fù)定位誤差≦0.05mm，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為M=260g=0.26kg。運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算平均速度V=30mm/s=0.003m/s設(shè)加速度時(shí)間為0.1s（步進(jìn)電機(jī)一般取加速度時(shí)間為0.1s），則加減速時(shí)間一共為0.2s；平臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)加速度：=0.3-9.8=9.5m/s2平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)加速度：=0.3+9.8=10.1m/s2運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算垂直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌滑塊摩擦力f=0同步帶上需要的拉力：+f=0.26x9.5=2.47N+f=0.26x10.1=2.626N慣性力：=0.26x9.5=2.47N=0.26x10.1=2.626N(3)選擇同步帶長度C和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)m主動(dòng)輪高度H1=30mm；從動(dòng)輪高度：H2=575mm同步帶周長C=2x（H2-H1）=2x（575-30）=1090mm核算定位精度：C/（360°/1.8°xm）<0.05細(xì)分度數(shù)：m>C/（200x0.05）=1090/（200x0.05）=109mm核算最轉(zhuǎn)速：n=V/C=0.03/（1090/1000）=0.028r/s主動(dòng)輪：φ1=10mm從動(dòng)輪：φ2=10mm傳動(dòng)比i=1:1=1電機(jī)最大轉(zhuǎn)速：=1/ixV/C=1x0.03/1090=0.028r/s驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)：m>C/（200x0.05/i）=1090/（200x0.05/1）=109mm計(jì)算電機(jī)力矩，選擇電機(jī)實(shí)際脈沖當(dāng)量：δ=C/（200xm/i）=1090/（200x109/1）=0.05mm，即滿足重復(fù)定位精度誤差≦0.05mm主動(dòng)輪上的力矩：=2.47x0.010/2=12.35xN·m=2.626x0.010/2=13.13xN·m次設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)主要作為3D打印機(jī)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置以及進(jìn)料裝置的驅(qū)動(dòng)裝置。市場上常用于kossel結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)的步進(jìn)電機(jī)為42步2相4線步距角18°的步進(jìn)電機(jī)。市場價(jià)格35-50元不等，且購買用步進(jìn)電機(jī)時(shí)還需購買驅(qū)動(dòng)。以下是步進(jìn)電機(jī)的詳細(xì)信息：類型和規(guī)格:驅(qū)動(dòng)方式：恒流斬波驅(qū)動(dòng)；勵(lì)磁方式：2相勵(lì)磁（2相四拍運(yùn)行），可正反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向：按AB-BC-CD-DA順序通電，從軸伸端看C.W額定電流（單相）：1.5ADC額定電壓:2.4V步距角：1.8°絕緣等級(jí)：B級(jí)絕緣參數(shù):工作條件：環(huán)境溫度：-20~50℃

相對(duì)濕度：90%MAx安裝位置：軸水平或垂直安裝試驗(yàn)條件（以上參數(shù)在正常試驗(yàn)大氣條件測定）繞組直流電阻（25℃）：1.6Ω±10%繞組電感：3.2mH±20%定位轉(zhuǎn)矩：18mN.mREF保持轉(zhuǎn)矩(兩相通額定電流)：≥420mN.m（I=1.5A）最大空載起動(dòng)頻率：≥1300pps最大空載運(yùn)行頻率：≥8000pps溫升：<80K步距角精度：1.8°±5%轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：57g.cm2電機(jī)重量:0.39Kg/PCREF絕緣電阻：電機(jī)定子鐵心與接線端子間冷態(tài)絕緣電阻應(yīng)大于100MΩ（用DC500V兆歐表測量）介電強(qiáng)度：電機(jī)定子鐵心與接線端子間應(yīng)能承受AC600V/1S不擊穿，泄漏電流小于1mA

詳細(xì)圖紙參考圖表4.1.1步進(jìn)電機(jī)尺寸參數(shù)4.1.2導(dǎo)軌目前所見到的kossel結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)導(dǎo)軌滑塊裝置主要有兩類，一類是用型材構(gòu)成的支架直接作為導(dǎo)軌，以這類導(dǎo)軌制造的打印機(jī)的精度受型材的影響很大，精度不易保證。另一類是使用直線導(dǎo)軌，即為標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)軌，以這類導(dǎo)軌制造的打印機(jī)可更好的保證打印精度。市場上用于3D打印機(jī)的導(dǎo)軌價(jià)格在130元/米左右，并且需要配合相應(yīng)的滑塊來使用。直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)：體積小、輕量化，特別適合小型化設(shè)備使用。直線導(dǎo)軌，包含滑塊、導(dǎo)軌及其它金屬配件如鋼珠、保持器等，皆使用軸承鋼材質(zhì)，具備高強(qiáng)度的特性。采用哥德型四點(diǎn)接觸設(shè)計(jì)，可承受各方向負(fù)荷，具備剛性強(qiáng)，精度高等特性。有鋼珠保持器設(shè)計(jì)，在精度允許下具備互換性，產(chǎn)品精度高。此設(shè)計(jì)中由于選用2020鋁合金型材，配合型材選用MGN12-H型導(dǎo)軌滑塊的組合。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中導(dǎo)軌垂直放置，滑塊主要受到垂直向下的力（即平行于導(dǎo)軌），這個(gè)力又由固定在滑塊上的同步帶承擔(dān)，故導(dǎo)軌滑塊可認(rèn)為只作為滑動(dòng)副而沒有受力。由于所購買的熱床直徑尺寸為220mm加熱范圍200mm，為使打印范圍高度適中，確定打印高度為200mm，現(xiàn)已知推桿長度200mm，打印噴頭高度為70mm,當(dāng)噴頭在中心位置時(shí)，噴頭下端距導(dǎo)軌160mm，所增加50mm是為了保證噴頭在熱床極限位置時(shí)不與同步帶發(fā)生碰撞，噴頭下端距推桿下端20mm。故可以得出所需導(dǎo)軌長度計(jì)算公式如下：推桿在極限位置時(shí)，推桿下端S=160-110-20=30mm故選擇導(dǎo)軌長度為400mm導(dǎo)軌L導(dǎo)S=30mm打印高度H=200mm噴頭h=70mm推桿L導(dǎo)軌L導(dǎo)S=30mm打印高度H=200mm噴頭h=70mm推桿L推=200mm圖4.1.2導(dǎo)軌長度計(jì)算簡圖（深色為中心位置，淺色為極限位置）詳細(xì)圖紙參考圖表4.1.3直線導(dǎo)軌尺寸4.1.3電源電源用于為整個(gè)3D打印機(jī)提供電力支持，包括控制板、電機(jī)、噴頭、熱床等。kossel結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)所用的電源通常為12V，但目前也出現(xiàn)了24V的。市場價(jià)格從60-100元不等。設(shè)計(jì)中選用熱床120W；噴頭加熱6x20單頭電熱管加熱管打印頭加熱頭12V40W；風(fēng)扇12Vx0.12A=1.44W；步進(jìn)電機(jī)1.5Ax2x2.4V=7.5W；總功率計(jì)算如下：120W+40W+1.44W+7.5Wx4=191.44W考慮到以后可以對(duì)整機(jī)進(jìn)行改造并流出余量，故選擇電源為12V30A360W的監(jiān)控電源。以下為電源的詳細(xì)信息：產(chǎn)品特點(diǎn)型號(hào)：12V30A360W尺寸：21.5x11.5x51（帶風(fēng)扇）尺寸：20x11x4.9（慢轉(zhuǎn)款無風(fēng)扇）輸入電壓：220V轉(zhuǎn)12V輸入頻率：50-60HZ負(fù)載穩(wěn)定度：正負(fù)2%工作效率：80%輸出端口：三組線路輸出散熱方式：空氣自然對(duì)流冷卻產(chǎn)品特點(diǎn)：（1）過載保護(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)、100%負(fù)載老化（2）采用進(jìn)口元器件，可靠性高、直流紋波小，工作效率高（3）采用脈寬調(diào)制（Pmm）開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)，由新型智能高效開關(guān)電源芯片組成，可靠性高；（4）內(nèi)置EMI濾波器，抗干擾性能好、設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路，交流浪涌電流限制（5）工作溫度低，使用壽命長、絕緣性能好，抗電強(qiáng)度高（6）滿載高溫?zé)龣C(jī)100%老化測試、輸入電壓范圍寬，符合全球使用標(biāo)準(zhǔn)（7）體積小，重量輕，外觀精美產(chǎn)品參數(shù)輸入電壓&頻率范圍110VAC/220VAC轉(zhuǎn)換(47～63Hz)輸出范圍DC12V±10%額定輸出電壓啟動(dòng)沖擊電流30A@120VAC(冷啟動(dòng))過載保護(hù)105%～200%(額定負(fù)載)，自恢復(fù)過壓保護(hù)115%～135%（額定輸出電壓）短路保護(hù)自恢復(fù)散熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)溫度55°C過熱保護(hù)溫度70°C輸出啟動(dòng)時(shí)間≤2S@120VAC≤1.0S@230VAC輸出保持時(shí)間≥10mS@120VAC,≥20mS@230VAC工作環(huán)境—10℃～50℃；20%～90%RH(無凝露)一、產(chǎn)品尺寸、重量20x11x5CM(0.9kg)無帶風(fēng)扇款慢轉(zhuǎn)款21.5x11.5x51有帶散熱風(fēng)扇二、產(chǎn)品使用注意事項(xiàng)及安裝方法1、使用注意事項(xiàng)（1）、輸入電壓應(yīng)接在規(guī)定的工作范圍內(nèi)（輸入電壓115-245VAC）（2）、嚴(yán)禁在高溫環(huán)境下使用，電源應(yīng)有良好的散熱空間與環(huán)境。（3）、嚴(yán)禁將電源安裝在易燃物上（如木制品、易燃塑料等），要遠(yuǎn)離油站或禁止煙火的地方。圖4.1.4電源4.1.4控制板控制板作為3D打印機(jī)的“大腦”負(fù)責(zé)控制、協(xié)調(diào)、接收、輸出等任務(wù)。市場上現(xiàn)有的控制板分為兩類，一類是常用的RAMPS板，它是由兩塊板組合起來的控制器，包括一塊ArduinoMega微控制器板和一塊專門的擴(kuò)展板；另一類是新出現(xiàn)的一體板，它是參照RAMPS結(jié)構(gòu)制造的只有一塊板，但功能與RAMPS一樣同時(shí)也兼容RAMPS的程序。市場上出售的一體板價(jià)格在200元左右。詳細(xì)信息：1、將2560及ramps1.4集合在一塊板子上，解決了Ramps1.4組合接口繁瑣，易出故障的問題。2、可更換電機(jī)驅(qū)動(dòng)，支持4988驅(qū)動(dòng)和8825驅(qū)動(dòng)。3、電路板采用高質(zhì)量的4層板，并專門作了散熱優(yōu)化處理；ramps是2層板。4、采用高質(zhì)量MOSFET管，散熱效果更好。5、采用專用電源芯片，支持12V-24V電源輸入，解決Ramps電壓轉(zhuǎn)換芯片發(fā)熱問題。6、可以接受24V輸入，同樣系統(tǒng)功率下可以把熱床電流減小到1/4，有效解決熱床MOS管發(fā)熱問題。7、固件可以使用開源固件Marlin，配置和ramps1.4完全相同，可直接替代Ramps1.4。8、可直接連接Ramps1.4,2004LCD控制板及12864LCD控制板。9、預(yù)留電機(jī)脈沖和方向輸出端口，方便外掛大電流要外接大電流（如2A,5A）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。10、保留Ramps1.4上Servos、AUx-1、AUx-2接口，提供3個(gè)5V輸出、3個(gè)12V輸出接口。參考圖：圖4.1.5控制板尺寸4.1.5噴頭噴頭的作用是將進(jìn)料裝置送來的料熔化，然后從噴嘴擠出。噴頭包括以下幾個(gè)部分：噴嘴、加熱裝置、冷卻裝置、風(fēng)扇。通常市場上可以直接買到除風(fēng)扇外的一整套噴頭部件，但也可以分開購買。一個(gè)噴頭的價(jià)格在60元左右，噴嘴的口徑是可選的有很多種。噴頭詳細(xì)信息：（1）內(nèi)置鐵氟龍管是指喉管(進(jìn)料管)內(nèi)置鐵氟龍管（2）適用于1.75mm/3mm耗材（3）噴嘴默認(rèn)配0.4mm口徑。如果親需要其他口徑的請(qǐng)?jiān)趥渥⒗镎f明標(biāo)注一下，可供選擇的噴嘴口徑有0.2mm/0.25mm/0.3mm/0.35mm/0.4mm/0.5mm/0.6mm/0.8mm（4）重量大約37.5克（5）3D打印機(jī)6x20單頭電熱管加熱管打印頭加熱頭12V40W參考圖:圖4.1.6噴頭結(jié)構(gòu)風(fēng)扇詳細(xì)信息：規(guī)格尺寸：40x40x10mm工作電壓:

12V電流：0.12A額定電流：60ma轉(zhuǎn)速：5000rbm噪音：18dBA接線：二線長20CM-25cm左右重：13g參考圖：圖4.1.7風(fēng)扇尺寸和性能4.1.6熱床熱床可以有效增加打印件的黏著力并防止翹邊，適合用于打印ABS等材料，也可以用于改善PLA的打印效果。不同材料收縮率不同，所以翹邊程度也不同，但是有一點(diǎn)可以肯定，翹邊是必然的，但能夠減輕翹邊的影響。熱床的市場價(jià)格為60元左右。熱床參數(shù)：加熱直徑：20cm外圍直徑：22cm工作電壓：12v熱床型號(hào)：MK2aY熱床為何能夠減小翹邊熱床不能根除翹邊，只能減弱。主要原理是，通過加熱熱床，讓打印件維持在一個(gè)較高的溫度（PLA60℃ABS100攝氏度），防止在打印過程中材料冷卻，模型翹邊。熱床性能分析（1）聚酰亞胺加熱片（黃色軟的，可以加膠帶那種），加熱不均勻，容易損壞，需要加3M膠帶固定到鋁板上，需要定做（2）加熱棒和鋁板加熱不均勻，鋁板需要很厚（3）PCB熱床，是目前最好的熱床，加熱均勻，可以不加鋁板，可以增加手動(dòng)調(diào)平，工作穩(wěn)定，不易損壞。四、PCB熱床原理PCB熱床主要靠電阻熱效應(yīng)來加熱的，電流通過電阻，會(huì)發(fā)熱，P=(UxU)/R,通常加熱功率為120W,在12V電壓條件下，電阻約為1歐姆，電流10A。根據(jù)公式，點(diǎn)提高，將會(huì)大幅度提高加熱功率。所以使用時(shí)候不要隨意提高供電電壓，以免發(fā)生危險(xiǎn)。五、熱床使用指導(dǎo)（1）供電電壓與熱床的額定電壓要相同，或者略高，不能高出太多，電壓提高一倍，熱床功率將升高為原來的4倍，這會(huì)引起過熱、燒毀其他元件的危險(xiǎn)情況。（2）要閉環(huán)使用熱床，就是要有溫度測量加上反饋加上溫度控制，主板一般都帶著溫度控制系統(tǒng)，而熱床上已經(jīng)焊接了熱敏電阻。（3）熱床溫度升高太慢時(shí)，可以提高一點(diǎn)點(diǎn)供電電壓，例如12v熱床，用15V供電，功率會(huì)變?yōu)樵瓉淼?.5倍。（4）配線一定要足夠粗，10A電流，推薦2.5平方毫米線徑。圖4.1.8熱床4.1.7微動(dòng)開關(guān)微動(dòng)開關(guān)是由規(guī)定行程和規(guī)定力進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作的具有微小觸點(diǎn)的快動(dòng)機(jī)構(gòu)。Kossel結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)中使用到4個(gè)微動(dòng)開關(guān)，分別是3個(gè)零位，1個(gè)調(diào)平。所選用的微動(dòng)開關(guān)為OMRONSS-5GL。使用微動(dòng)開關(guān)上有以下幾個(gè)注意事項(xiàng)：安裝微動(dòng)開關(guān)時(shí)，使用M2.5的螺栓固定，需要扭矩為0.098N.m以下的扭矩，同時(shí)為防止螺栓松動(dòng)，可以使用墊圈。微動(dòng)開關(guān)在自由狀態(tài)下使用時(shí)，應(yīng)在按鈕垂直方向上，不應(yīng)直接作用與按鈕或者激勵(lì)器上。注意不要把執(zhí)行裝置設(shè)置在限度位置上，否則會(huì)在開關(guān)過行程時(shí)產(chǎn)生沖擊，縮短壽命。在小電流、電壓下使用時(shí)，使用小功率電路。詳細(xì)信息：圖4.1.9微動(dòng)開關(guān)參數(shù)4.1.8型材構(gòu)成3D打印機(jī)的支架，主要起到支持執(zhí)行裝置的作用，由于執(zhí)行裝置質(zhì)量較輕并考慮方便導(dǎo)軌的安裝，故選用20x20的鋁合金型材。圖4.1.10鋁合金型材尺寸參數(shù)4.1.9同步帶和同步帶輪同步帶和同步帶輪是間接驅(qū)動(dòng)（即電機(jī)）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝置。同步輪與同步帶齒距相同，運(yùn)動(dòng)時(shí)同步輪與同步帶的齒相互嚙合傳遞力和運(yùn)動(dòng)，其具備了皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)的有點(diǎn)。使用同步輪可以提高傳動(dòng)的準(zhǔn)確性，工作過程中無滑動(dòng)，傳動(dòng)比較穩(wěn)定；傳動(dòng)平穩(wěn)可以減震、緩沖、降噪；其傳動(dòng)效率較高，節(jié)能效果較好；相比鏈傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)更易維護(hù)保養(yǎng)，不用潤滑降低了維