3D打印機的設計最新（精華版）

1、3d打印機總體方案及結構設計專業(yè)班級機械電子工程 1 班屆次2013 屆學生姓名揭碩學號指導教師題目 :3d 打印機設計二 o一六年十月十二日一、總體框架得設計系統(tǒng)概述系統(tǒng)由輸人設備制定部分參數(shù),從存儲設備或者直接從計算機中得到事先建好得三維 模型 ,由單片機對模型進行分析,切片 ,建立 必要得支撐結構,再從單片機輸出控制指令,控制噴頭型材料融化 ,并通過一定得驅(qū)動電路驅(qū)動電機,帶動噴頭進行 x 、y 、z 三個方向得移動 , 并控制噴頭得噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料得多少。每打好一層,從外 部設備讀取下一層得參數(shù), 再打印下一 層,直到全部模型完成。完成模型得打印之后 ,還需要后期得材料回收工作。系

2、統(tǒng)框架輸入設備、存儲外設、上位機、溫度傳感器得測量值-單片機分析溫度控制回路、xyz 各方向電機控制、噴出量控制、顯示設備打印耗材得選用為了實現(xiàn) 3 d 打印機得功能 ,所選材料也很重要。既要由較低得熔點,也要有較好得粘滯性,同時也需要快速成型。綜合考慮,我們最終選擇了 p l aa /b s 耗材。設計思路概述abs/pla耗材熔點為 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斍皽囟?反饋回路保證了溫度保持恒定,控制器統(tǒng)一使用了單 片機來輸出指令(3)控制回路方框圖如下 :設置得空氣溫度單片機d/a轉(zhuǎn)換器加熱電路當前溫度溫度傳感器a/d轉(zhuǎn)

3、換器單片機x y z 三方向控制電機得設計采用化繁為簡得思路 ,將三維打印轉(zhuǎn)化為二維進而轉(zhuǎn)化為一維打印。即 z 方向采用步進電機 ,由步進電機固定得給量算出所需得步進角,用這種方式將三維打印先轉(zhuǎn)化為每一平面內(nèi)得二維打印 ,再由 y 方向也為步進電機帶動,則每一平面內(nèi)得二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條直線上得一維打印。噴頭移動及噴出量調(diào)節(jié)得設計熔融擠出系統(tǒng)對噴頭系統(tǒng)得基本要求就是 :將成型料絲送人液化器中,在其中及時而充分地熔化 ,由固態(tài)變 為熔融態(tài) ,然后再進一步從更小直徑得噴嘴中以極細絲狀擠出,按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描速度相匹配,以保證均勻一致得材料堆積路徑。成型工藝對噴頭系統(tǒng)得功能要

4、求可以分解為以下幾點:1) 供應功能 :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功能:將送進得固態(tài)料絲及時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)定流動得通道;4) 定徑功能 :對擠出熔融態(tài)物料進行定徑,變?yōu)闈M足要求得細小直徑得絲材進行堆積;5) 出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ?出絲速度可控 ,能根據(jù)掃描速度進行調(diào)整,實現(xiàn)互相匹配。出絲應能根據(jù)路徑掃描要求及時起停,以保證高質(zhì)量得成型路徑,尤其就是在路徑起停處。在采用熔絲擠出方式得工藝原理時,就就是借助液化器中未熔絲材得活塞作用,將熔融材料擠出噴嘴 ,出絲推力近似等于送絲驅(qū)動力,所以

5、在此特定得工藝原理中,送絲功能與基礎功能就是等效得。噴頭實現(xiàn)方法設計基于所選擇得打印耗材,噴出技術采用熔融沉積成型技術,根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描 ,同時控制熔融液體得體積流量,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溫度得要求極其嚴格,噴頭出絲溫度與成型室得溫度嚴格處于一定得溫度范圍之內(nèi),且一旦設定溫度控制值之后, 須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài),不能產(chǎn)生較大得擾動 ,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 ,我們需要加入上述得溫度控制回路來嚴格控制液化器得溫度。二、 機械結構傳動方式得選擇直線導軌可分為

6、 :滾輪直線導軌與滾珠直線導軌兩種,前者速度快精度稍低,后者速度慢精度較高。滾珠絲杠就是工具機與精密機械上最常使用得傳動元件,其主要功能就是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動 ,或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力,同時兼具高精度、 可逆性與高效率得特點。1) 與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3由于滾珠絲杠副得絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高得運動效率。與過去得滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3 以下,即達到同樣運動結果所需得動力為使用滾動絲杠副得1/3。在省電方面很有幫助。2) 高精度得保證滾珠絲杠副就是用日本制造得世界最高水平得機械設備連貫生產(chǎn)出來得 ,特別就是在研削、組裝、檢查各工序得工

7、廠環(huán)境方面 ,對溫度濕度進行了嚴格得控制 ,由于完善得品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。3) 微進給可能滾珠絲杠副由于就是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣得爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確得微進給。4) 無側(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到負值,進而得到較高得剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠得斥力可使絲母部得剛性增 強) 。5) 高速進給可能滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動 )。轉(zhuǎn)動慣量得計算滾珠絲杠根據(jù)國家標準 jb/t9893 1999 選用長度 l=1 、0m,公稱直徑 d=12mm, 公稱導

8、程 mmph40對本系統(tǒng)而言 ,絲杠傳動折算到馬達軸上得總慣量為: jt=z1+1/i2z2+js+jw(kg、m2)+=其中 i 為兩齒輪得傳動比,此處取 i=z1/z2=1其她符號說明如下:z1齒輪 l 及其軸得轉(zhuǎn)動慣量 ;j1=0、 0018kg、m2 z2齒輪 2 得轉(zhuǎn)動慣量 ,取 j2=0、0018kg 、m2 =; js絲杠轉(zhuǎn)動慣量 ,kg、m2 ;jw- 為工作臺折算到絲杠上得動慣量; w工作臺重量 ,工作臺輕 ,取 6kg; s絲杠螺距 ,4mm;g重力加速度 ,9、8m/s2;圓柱體得轉(zhuǎn)動慣量 :j=1/8md2m- 圓柱體質(zhì)量 ; d- 圓柱體直徑 ;而且選用絲杠得密度 (

9、類于鐵 )為 7、8g/m3=r;滾珠絲杠得轉(zhuǎn)動慣量為:js=1/4 d2pl*1/8d2=、3 14*0 、0124*1 、0*7800/32=1 、59*10-5( kg 、m2 )jw=6*0 、0042/(9 、8*4 2)=、2從而 jt=3*10-3 ( kg 、m2)- 。48*10-7( kg 、m2 )可見 ,jt很小主要由兩個齒輪得轉(zhuǎn)動慣量來決定,從而對電機得功率輸出要求不苛刻,在功率不高情況下 ,可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。這就是一個小慣量得系統(tǒng),該系統(tǒng)啟動 ,加速,制動得性能好 ,反應快 ,比較理想。此類電機最高轉(zhuǎn)速一般就是3000r/min 上下,取 3000 為參考研究按 36

10、0dpi 得分辨率來考慮,則每英寸 25、4mm 對應 360 個色點 ,每兩個色點得距離為25、4/360=0 、07mm,又打印噴頭為雙排得 ,所以,打印噴頭周期移動距離d=0、 07*2=0 、14mm, 噴墨一次 ,噴粘劑一次 ,兩個噴頭噴出同步 ;設定機械精度 :0、 005mm,對應得脈沖當量 :由 i=1, 求得絲桿轉(zhuǎn)一圈 ,噴頭前進 4mm。則機械精度對應絲桿轉(zhuǎn)一周 ,上位機應該發(fā)出得指令脈沖為4mm/0 、005mm=800( 個)則對應轉(zhuǎn)速約為 3000,上位機脈沖能力至少800*3000/60=40000r/s;對應 6000 轉(zhuǎn)得轉(zhuǎn)速 ,則上位機脈沖能力80000r/s

11、,電子齒輪比不變、cmx : 電子齒輪比得分子就是電機編碼器反饋脈沖。cdv : 電子齒輪比得分母就是上位機得給定脈沖(指令脈沖 ) 。電子齒輪比 =cmx/cdv=(131072 100)/ 80000=6553600/200000=32 、8。在此計算電子齒輪比得目得電子齒輪比把上位機得給定脈沖要換算成與電機編碼器反饋脈沖同等意義得信號,便于控制中心按給定指令要求控制伺服轉(zhuǎn)動定位。此外,通過上位機得脈沖能力得估算,對比實現(xiàn)得可能性,得知我們方案得合理性。噴頭得選擇選用 konica512l 型號 ,實現(xiàn)寬度盡可能滿足 ,分辨率滿足 ,控制 x 軸方向運動 ,y 軸方向由另一電機控制 ,控制

12、方式類似 ,單次位移為 36、1mm, 精度控制一樣。雙排式排列方式 ,使得走完一個幅面得時間相對于單排式減半 ,利于打印速度得提高。三、電機得選擇伺服電機與步進電機得對比控制電機得比較與選取:電機控制系統(tǒng)按照運動過程得需要分為驅(qū)動伺服與驅(qū)動步進兩大類。伺服有速度控制與位置控制模式。交流直流伺服電機對比在 20 世紀 60 年代 ,最早就是直流電機作為主要執(zhí)行部件,在 70 年代以后 ,交流伺服電機得性價比不斷提高 ,逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)得主導執(zhí)行電機?？刂破鞯霉δ芫褪峭瓿伤欧到y(tǒng)得閉環(huán)控制,包括力矩、速度與位置等。我們通常說得伺服驅(qū)動器已經(jīng)包括了控制器得基本功能與功率放大部分。雖然采

13、用功率步進電機直接驅(qū)動得開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在 90 年代得所謂經(jīng)濟型數(shù)控領域獲得廣泛使用,但就是迅速被交流伺服所取代。伺服電機可以考慮直流與交流兩種:但直流電動機都存在一些固有得缺點,如電刷與換向器易磨損 ,需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花,使電動機得最高速度受到限制 ,也使應用環(huán)境受到限制 ,而且直流電動機結構復雜,制造困難 ,所用鋼鐵材料消耗大 ,制造成本高。 而交流電動機 ,特別就是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點,且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機小,使得動態(tài)響應更好。在同樣體積下 ,交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10 70,此外 ,交流電動機得容量可比直流電動機造得大,達到更高得電壓與轉(zhuǎn)速。pm

14、sm主要由定子、轉(zhuǎn)子及測量轉(zhuǎn)子位置得傳感器構成。定子與一般得三相感應電機類似 ,采用三相對稱繞組結構,它們得軸線在空間彼此相差120 度。轉(zhuǎn)子上貼有磁性體,一般有兩對以上得磁極。位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。負載轉(zhuǎn)矩得計算pmsm定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場得機理與感應電機就是相同得。其不同點就是轉(zhuǎn)子為永磁體且 n 與 ns 相同 (同步 )。兩個磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組產(chǎn)生得旋轉(zhuǎn)磁場可瞧作一對旋轉(zhuǎn)磁極吸引轉(zhuǎn)子得磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。(同性相斥 ,異性相吸 )其中為失調(diào)角 ,也稱功率角 ;k 與定子端電壓與轉(zhuǎn)子磁勢(磁密 )得乘積成正比。 fy 與 fs分別就是轉(zhuǎn)子、定子得磁勢或磁密;p

15、為極對數(shù)。當為 90 度角時 ,對應最大轉(zhuǎn)矩 ,稱最大同步轉(zhuǎn)矩。對之前我們算得得負載轉(zhuǎn)矩jt=3、0*10-3kg 、m2 進行慣量匹配。根據(jù)牛頓第二定律:“進給系統(tǒng)所需力矩t =系統(tǒng)傳動慣量j 角加速度 a 角”。加速度影響系統(tǒng)得動態(tài)特性,越小 ,則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢得時間越長,系統(tǒng)反應越慢。如果變化 ,則系統(tǒng)反應將忽快忽慢,影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出t 值不變 ,如果希望得變化小 ,則 j 應該盡量小。傳動慣量對伺服系統(tǒng)得精度,穩(wěn)定性 ,動態(tài)響應都有影響。 慣量大 ,系統(tǒng)得機械常數(shù)大,響應慢,會使系統(tǒng)得固有頻率下降,容易產(chǎn)生諧振 ,因而限制了伺服帶寬,影響了伺服精度與

16、響應速 度,慣量得適當增大只有在改善低速爬行時有利,因此 ,機械設計時在不影響系統(tǒng)剛度得條件下,應盡量減小慣量。通常負載得慣量不要大于電機慣量得5 倍,最大不要超過10 倍。對于功率 p=2 *nt/60 對旋轉(zhuǎn)運動得物體來說,轉(zhuǎn)矩與慣量得關系正如直線運動物體得受力與質(zhì)量得關系。打印速度得初步估計每打一個 ,計劃在 y 軸方向移動10 次,使寬度達到 361mm=對此 ,計算噴頭走完 1 個幅面得時間 t,計劃彩印周期t 秒,暫時忽略 10 次 y 方向移動時間 ,有:電機一轉(zhuǎn)對應絲桿1 轉(zhuǎn)對應 10 個導程共 4mm,360mm 需要電機轉(zhuǎn) 90r,最高轉(zhuǎn)速時 ,電機每秒轉(zhuǎn) 50r,對應時間

17、為 1、8s。則 10 個來回大約 18 秒,x 軸方向 10 次加減速 ,對應總時間6s;走完一個幅面 ,需要大概 24 秒,加上其余誤差時間 ,30 秒就可以完成一個幅面,t=30s,基本實現(xiàn) 1 分鐘打印 2 頁得要求。求電機勻加速需要時間。電機 300ms,表示靜止加速到額定轉(zhuǎn)速得時間,角加速度為 =50*2/0、3=1047rad/s2m=ma+mfma=(im+it)mf= ws/2式中 ma 電機啟動加速力矩;jm,jt電機自身慣量與負載慣量(kg m3);mf 導軌摩擦折算至電機得轉(zhuǎn)矩摩擦系數(shù) ,取 0、1;(n m)傳遞機械效率 ,在此取 0、15。滾動螺旋傳動得傳動效率取0

18、、95;滾動球軸承傳動效率為0、99;齒輪得傳動效率為0、93;總傳動效率為 : =0、95*0 、 99*0 、93*0 、99=0 、866=h導軌磨擦折算至電機側(cè)得轉(zhuǎn)矩:mf=0 、 1*6*0 、 004/(2 *0 、866*1)=4 、4*10-4需要得輸出力矩為: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比溫度傳感器得接觸式特別適合1200以下、熱容大、無腐蝕性對象得連續(xù)在線測溫,并且接觸式測溫系統(tǒng)結構簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉,并且可以可方便地組成 多路集中測量與控制系統(tǒng)。上面表分析 ,非接觸時得對于 1000 攝氏度以下誤差較大 ,應該采用接觸式得溫度傳感器。其中 ,熱敏電阻得銅得溫度測量范圍在-50150 , 精度在 0、1%0 、3% 之間 ,標準化程度高 , 精度及靈敏度均較好 ,對于本設計來講銅更加適合作為溫度傳感器。機