3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)

1、3D打印機(jī)總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 題目： 3D打印機(jī)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械電子工程1班 屆 次 2013屆 學(xué)生姓名 揭碩 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 二O一六年十月十二日一、總體框架的設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述系統(tǒng)由輸人設(shè)備制定部分參數(shù),從存儲(chǔ)設(shè)備或者直接從計(jì)算機(jī) 中得到事先建好的三維模型,由單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分析,切片,建立 必要的支撐結(jié)構(gòu),再?gòu)膯纹瑱C(jī)輸出控制指令,控制噴頭型材料融化,并通過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī),帶動(dòng)噴頭進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng),并控制噴頭的噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料的多少。每打好一 層,從外 部設(shè)備讀取下一層的參數(shù),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。系統(tǒng)框

2、架輸入設(shè)備、存儲(chǔ)外設(shè)、上位機(jī)、溫度傳感器的測(cè)量值-單片機(jī)分析-溫度控制回路、XYZ各方向電機(jī)控制、噴出量控制、顯示設(shè)備打印耗材的選用為了實(shí)現(xiàn)3 D打印機(jī)的功能,所選材料也很重要。既要由較低的熔點(diǎn),也要有較好的粘滯性,同時(shí)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。設(shè)計(jì)思路概述ABS/PLA耗材熔點(diǎn)為230左右,分解溫度260以上,故其通常成型溫度在250以下?？刂苹芈肥褂脺囟葌鞲衅鞣祷禺?dāng)前溫度,反饋回路保證了溫度保持恒定,控制器統(tǒng)一使用了單片機(jī)來(lái)輸出指令(3)控制回路方框圖如下：設(shè)置的空氣溫度單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器加熱電路當(dāng)前溫度溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)x y z三方向

3、控制電機(jī)的設(shè)計(jì)采用化繁為簡(jiǎn)的思路,將三維打印轉(zhuǎn)化為二維進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一維 打印。即Z方向采用步進(jìn)電機(jī),由步進(jìn)電機(jī)固定的 給量算出所需的步進(jìn)角,用這種方式將三維打印先轉(zhuǎn)化為每一平面內(nèi)的二維打印,再由Y方向也為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng),則每一平面內(nèi)的二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條 直線上的一維打印。噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì) 熔融擠出系統(tǒng)對(duì)噴頭系統(tǒng)的基本要求 是:將成型料絲送人液化器中,在其中及時(shí)而充分地熔化,由固態(tài)變 為熔融態(tài),然后再進(jìn)一步從更小直徑的噴嘴中以極細(xì)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(duì)噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點(diǎn):1) 供應(yīng)功能:

4、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(jìn)功能:將送進(jìn)的固態(tài)料絲及時(shí)且充分地 熔化成為熔融狀態(tài)并將料絲送人液化器;3) 流道功能:提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動(dòng)的通道;4) 定徑功能:對(duì)擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑,變?yōu)闈M足要求的細(xì)小直徑的絲材進(jìn)行堆積;5) 出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ?出絲速度可控,能根據(jù)掃描速度進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)互相匹配。出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時(shí)起停,以保證高質(zhì)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(shí),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(qū)動(dòng)力,所以在此特定的工藝原理中,送絲功能和基礎(chǔ)功能是等效的。噴頭

5、實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)基于所選擇的打印耗材,噴出技術(shù)采用熔融沉積成型技術(shù),根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描,同時(shí)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(duì)溫度的要求極其嚴(yán)格,噴頭出絲溫度和成型室的溫度嚴(yán)格處于一定的溫度范圍之內(nèi),且一旦設(shè)定溫度控制值之后,須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài),不能產(chǎn)生較大 的擾動(dòng),否則成型質(zhì)量將受到影響。這就要求液化器溫度必須保持穩(wěn) 定。因此,我們需要加入上述的溫度控制回路來(lái)嚴(yán)格控制液化器的溫度。二、 機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方式的選擇 直線導(dǎo)軌可分為：滾輪直線導(dǎo)軌和滾珠直線導(dǎo)軌兩種，前者速度快精度稍低，后

6、者速度慢精度較高。 滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。 1)與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3 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(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。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(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度

7、得以充分保證。 3)微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 4)無(wú)側(cè)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(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。 5)高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算滾珠絲杠根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T98931999 選用長(zhǎng)度L=1.0m，公稱直徑D=12mm,公稱導(dǎo)程mmPh40對(duì)本系統(tǒng)而言，絲杠傳動(dòng)折算到馬達(dá)軸上的總慣量為： Jt=Z1+1/i2Z

8、2+JS+JW(kg.m2)+= 其中i為兩齒輪的傳動(dòng)比，此處取i=Z1/Z2=1其他符號(hào)說(shuō)明如下： Z1齒輪l 及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1=0.0018kg.m2 Z2齒輪2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取J2=0.0018kg.m2=； Js絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；Jw-為工作臺(tái)折算到絲杠上的動(dòng)慣量； W工作臺(tái)重量，工作臺(tái)輕，取6kg； S絲杠螺距，4mm； g重力加速度，9.8m/s2； 圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=1/8MD2 M-圓柱體質(zhì)量； D-圓柱體直徑； 而且選用絲杠的密度（類于鐵）為7.8g/m3=r； 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：JS=1/4D2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800

9、/32=1.59*10-5( kg.m2 )Jw=6*0.0042/(9.8*42)=2.48*10-7( kg.m2 )從而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-?？梢?jiàn)，Jt很小主要由兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)決定，從而對(duì)電機(jī)的功率輸出要求不苛刻，在功率不高情況下，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。 這是一個(gè)小慣量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動(dòng)，加速，制動(dòng)的性能好，反應(yīng)快，比較理想。 此類電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般是3000r/min上下，取3000為參考研究 按360dpi的分辨率來(lái)考慮，則每英寸25.4mm對(duì)應(yīng)360個(gè)色點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)色點(diǎn)的距離為25.4/360=0.07mm,又打印噴頭為雙排的，所以，打印噴頭周期移動(dòng)距離d=0.07

10、*2=0.14mm，噴墨一次，噴粘劑一次，兩個(gè)噴頭噴出同步； 設(shè)定機(jī)械精度：0.005mm，對(duì)應(yīng)的脈沖當(dāng)量: 由i=1，求得絲桿轉(zhuǎn)一圈，噴頭前進(jìn)4mm。則機(jī)械精度對(duì)應(yīng) 絲桿轉(zhuǎn)一周，上位機(jī)應(yīng)該發(fā)出的指令脈沖為4mm/0.005mm=800（個(gè)） 則對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約為3000，上位機(jī)脈沖能力至少800*3000/60=40000r/s； 對(duì)應(yīng)6000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，則上位機(jī)脈沖能力80000r/s，電子齒輪比不變. CMX ：電子齒輪比的分子是電機(jī)編碼器反饋脈沖。 CDV ：電子齒輪比的分母是上位機(jī)的給定脈沖（指令脈沖）。 電子齒輪比=CMX/CDV=（131072100）/ 80000=6553600/20

11、0000=32.8。 在此計(jì)算電子齒輪比的目的電子齒輪比把上位機(jī)的給定脈沖要換算成與電機(jī)編碼器反饋脈沖同等意義的信號(hào)，便于控制中心按給定指令要求控制伺服轉(zhuǎn)動(dòng)定位。此外，通過(guò)上位機(jī)的脈沖能力的估算，對(duì)比實(shí)現(xiàn)的可能性，得知我們方案的合理性。噴頭的選擇選用Konica512L型號(hào)，實(shí)現(xiàn)寬度盡可能滿足，分辨率滿足，控制X軸方向運(yùn)動(dòng)，Y軸方向由另一電機(jī)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(gè)幅面的時(shí)間相對(duì)于單排式減半，利于打印速度的提高。三、電機(jī)的選擇伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比控制電機(jī)的比較與選?。弘姍C(jī)控制系統(tǒng)按照運(yùn)動(dòng)過(guò)程的需要分為驅(qū)動(dòng)伺服和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)兩大類。伺

12、服有速度控制和位置控制模式。交流直流伺服電機(jī)對(duì)比 在20世紀(jì)60年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，在70年代以后，交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說(shuō)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)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(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在90年代的所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。 伺服電機(jī)可以考慮直流和交流兩種：但直流電動(dòng)機(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的 最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)

13、境受到限制，而且直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高1070，此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。 PMSM主要由定子、轉(zhuǎn)子及測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的傳感器構(gòu)成。定子和一般的三相感應(yīng)電機(jī)類似，采用三相對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間彼此相差120度。轉(zhuǎn)子上貼有磁性體，一般有兩對(duì)以上的磁極。位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算PMSM定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的機(jī)理與感應(yīng)電機(jī)是相同的。其不同點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為

14、永磁體且n與ns相同（同步）。兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可看作一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極吸引轉(zhuǎn)子的磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。(同性相斥，異性相吸) 其中為失調(diào)角，也稱功率角；K與定子端電壓和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)（磁密)的乘積成正比。Fy和Fs分別是轉(zhuǎn)子、定子的磁勢(shì)或磁密；p為極對(duì)數(shù)。 當(dāng)為90度角時(shí)，對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，稱最大同步轉(zhuǎn)矩。對(duì)之前我們算得的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Jt=3.0*10-3kg.m2進(jìn)行慣量匹配。根據(jù)牛頓第二定律：“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T = 系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J 角加速度a角”。加速度影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度

15、。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望的變化小，則J應(yīng)該盡量小。 傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響。慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。 通常負(fù)載的慣量不要大于電機(jī)慣量的5倍，最大不要超過(guò)10倍。 對(duì)于功率P=2*nT/60對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)矩和慣量的關(guān)系正如直線運(yùn)動(dòng)物體的受力和質(zhì)量的關(guān)系。打印速度的初步估計(jì) 每打一個(gè)，計(jì)劃在Y軸方向移動(dòng)10次，使寬度達(dá)到361mm=對(duì)此，計(jì)算噴頭走完1個(gè)

16、幅面的時(shí)間T，計(jì)劃彩印周期T秒，暫時(shí)忽略10次Y方向移動(dòng)時(shí)間，有： 電機(jī)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)絲桿1轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)10個(gè)導(dǎo)程共4mm，360mm需要電機(jī)轉(zhuǎn)90r，最高轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)每秒轉(zhuǎn)50r，對(duì)應(yīng)時(shí)間為1.8s。則10個(gè)來(lái)回大約18秒，x軸方向10次加減速，對(duì)應(yīng)總時(shí)間6s;走完一個(gè)幅面，需要大概24秒，加上其余誤差時(shí)間，30秒就可以完成一個(gè)幅面，T=30s，基本實(shí)現(xiàn)1分鐘打印2頁(yè)的要求。 求電機(jī)勻加速需要時(shí)間。 電機(jī)300ms，表示靜止加速到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間，角加速度為 =50*2/0.3=1047rad/s2M=Ma+MfMa=(Im+It)Mf=WS/2式中Ma電機(jī)啟動(dòng)加速力矩； Jm，Jt電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量

17、（kgm3）； Mf導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（Nm） 摩擦系數(shù)，取0.1； 傳遞機(jī)械效率，在此取0.15。 滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的傳動(dòng)效率取0.95；滾動(dòng)球軸承傳動(dòng)效率為0.99；齒輪的傳動(dòng)效率為0.93；總傳動(dòng)效率為：=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866=h 導(dǎo)軌磨擦折算至電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)矩：Mf=0.1*6*0.004/(2*0.866*1)=4.4*10-4需要的輸出力矩為: T=J+Mf=(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。四、 傳感器溫度傳感器對(duì)比溫度傳感器的接觸式特別適合1200以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，并且接觸式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，并且可以可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)。上面表分析，非接觸時(shí)的對(duì)于1000攝氏度以下誤差較大，應(yīng)該采用接觸式的溫度傳感器。其中，熱敏電阻的銅的溫度測(cè)量范圍在-50150，精度在0.1%0.3%之間，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，精度及靈敏度均較好，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)講銅更加適合作為溫度傳感器。機(jī)械位置