3D打印机的设计资料

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2013届

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、Y、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。

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3 D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230℃左右,分解温度260℃以上,故其通常成型温度在250℃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：

设置的空气温度→单片机→D/A转换器→加热电路→当前温度→温度传感器→A/D转

换器→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)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=Z1+1/i2[Z2+JS+JW](kg.m2)++=

其中i为两齿轮的传动比，此处取i=Z1/Z2=1

其他符号说明如下：

Z1——齿轮l 及其轴的转动惯量；J1=0.0018kg.m2

Z2——齿轮2 的转动惯量，取J2=0.0018kg.m2×=；

Js——丝杠转动惯量，kg.m2×；

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——丝杠螺距，4mm；

g——重力加速度，9.8m/s2；

圆柱体的转动惯量：J=1/8MD2

M----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=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )

Jw=6*0.0042/(9.8*4π2)=2.48*10-7( kg.m2 )

从而Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。

可见，Jt很小——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=CMX/CDV=（131072×100）/ 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，Y轴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。

交流直流伺服电机对比

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主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。

负载转矩的计算

PMSM定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。(同性相斥，异性相吸)

其中θ为失调角，也称功率角；K与定子端电压和转子磁势（磁密)的乘积成正比。Fy 和Fs分别是转子、定子的磁势或磁密；p为极对数。

当θ为90度角时，对应最大转矩，称最大同步转矩。对之前我们算得的负载转矩Jt=3.0*10-3kg.m2进行惯量匹配。

根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J ×角加速度a角”。加速度α影响系统的动态特性，α越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果α变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望α的变化小，则J应该尽量小。

传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度

和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

通常负载的惯量不要大于电机惯量的5倍，最大不要超过10倍。

对于功率P=2π*nT/60对旋转运动的物体来说，转矩和惯量的关系正如直线运动物体的受力和质量的关系。

打印速度的初步估计

每打一个，计划在Y轴方向移动10次，使宽度达到361mm=对此，计算喷头走完1个幅面的时间T，计划彩印周期T秒，暂时忽略10次Y方向移动时间，有：电机一转对应丝杆1转对应10个导程共4mm，360mm需要电机转90r，最高转速时，电机每秒转50r，对应时间为1.8s。则10个来回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间6s;走完一个幅面，需要大概24秒，加上其余误差时间，30秒就可以完成一个幅面，T=30s，基本实现1分钟打印2页的要求。

求电机匀加速需要时间。

电机300ms，表示静止加速到额定转速的时间，角加速度为

α=50*2π/0.3=1047rad/s2

M=Ma+Mf

Ma=(Im+It)α

Mf=μWS/2πηι

式中Ma——电机启动加速力矩；

Jm，Jt——电机自身惯量与负载惯量（kg·m3）；

Mf——导轨摩擦折算至电机的转矩（N·m）

μ——摩擦系数，取0.1；

η——传递机械效率，在此取0.15。

滚动螺旋传动的传动效率取0.95；滚动球轴承传动效率为0.99；齿轮的传动效率为0.93；总传动效率为：

η=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866=′′′=h

导轨磨擦折算至电机侧的转矩：Mf=0.1*6*0.004/(2π*0.866*1)=4.4*10-4

需要的输出力矩为:

T=Jα+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 ，满足要求。

四、传感器

温度传感器对比

温度传感器的接触式特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以可方便地组成多路集中测量与控制系统。

上面表分析，非接触时的对于1000摄氏度以下误差较大，应该采用接触式的温度传感器。其中，热敏电阻的铜的温度测量范围在-50~150℃，精度在0.1%~0.3%之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲铜更加适合作为温度传感器。

机械位置传感器

支持直线运动的传动方式主要就是螺杆，和皮带两种，螺杆的精度比皮带高，载荷也大，但速度低一些。三维打印机的打印头基本不受力，对载荷没有要求，打印机的运动特点时，在水平两个方向上速度越快越好，在垂直方向上精度越高越好，速度无所谓（打完一层才动一次）。因此打印机的传动设计一般都是在水平方向使用皮带（同步带),垂直方向用螺杆。

压力传感器

压力传感器用于检测两个喷头分别对应的三原色颜料用量和粘剂的用量，还有固体粉末当使用情况检测。但物量不够的时候，反馈，提醒用户加入颜料、粘剂或粉末。对应以上表格，可以采用电位器来做测量，且能达到比较高的精度。