D打印機(jī)設(shè)計綜合傳感功放執(zhí)行器

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科生自動控制元件及線路設(shè)計（論文） Harbin Institute of Technology課程設(shè)計說明書（論文）課程名稱： 自動控制元件及線路 設(shè)計題目： 3D打印機(jī) 院 系： 航天學(xué)院 班 級： 1004105 設(shè) 計 者： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間： 2012年11、12月 哈爾濱工業(yè)大學(xué)目錄一、背景簡介3二、工藝確定4三、控制器選擇7四、機(jī)械結(jié)構(gòu)84.1傳動方式的選擇84.2轉(zhuǎn)動慣量的計算94.3噴頭選擇11五、電機(jī)的選擇125.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)對比125.2直流交流伺服電機(jī)對比145.3負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算145.4打印速度的初步估計155.5所選電機(jī)的型號和具體參數(shù)17

2、六、驅(qū)動器196.1功放部分196.2SVPWM介紹20七、傳感器227.1溫度傳感器對比227.2機(jī)械位置傳感器247.3壓力傳感器26系統(tǒng)的整體評價及感悟27參考文獻(xiàn)28摘要基于3D打印技術(shù)，我們計劃做一個辦公用的簡易的彩色打印機(jī)，目標(biāo)是：它打印出一些結(jié)構(gòu)比較精細(xì)的手工設(shè)計樣品，科研樣品。我們采取以下步驟進(jìn)行展開：對整個打印過程有了比較好的把握后，首先，通過比較分析，選取合適的快速成型技術(shù)3DP打印技術(shù)；接著確定我們的傳動機(jī)構(gòu)，以保證系統(tǒng)機(jī)械性能可行；下一步，選取恰當(dāng)?shù)碾姍C(jī)種類交流伺服電動機(jī)作為傳動的能量來源。接著，選取適合的設(shè)計參數(shù)（包括傳動和打印效果等方面），進(jìn)一步選取電機(jī)型號，以滿足

3、打印速度、打印分辨率、傳動轉(zhuǎn)矩與功率要求。然后對系統(tǒng)的控制分析，采用PD以及PID反饋，來確保控制精度。我們對傳感器經(jīng)行分析選取，并選擇合適的控制器DSP，基本完成方案，最后估計成本，并對比市場成品，反思總結(jié)。關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)交流伺服電動機(jī)熱敏傳感器一、背景簡介3D打印技術(shù)又叫“快速成形技術(shù)”，簡稱RPM技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)。它的基本原理是"分層制造，逐層疊加"， 類似數(shù)學(xué)上的積分過程。形象講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺"立體打印機(jī)"。RPM技術(shù)集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科

4、學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?。它的?jīng)濟(jì)效益顯著，可以提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極大的降低了新品開發(fā)的成本及風(fēng)險，對于外形尺寸較小，異形的產(chǎn)品尤其適用。3D打印機(jī)技術(shù)經(jīng)過這些年的發(fā)展，技術(shù)上已基本上形成了一套體系，同樣，可應(yīng)用的行業(yè)也逐漸擴(kuò)大，從產(chǎn)品設(shè)計到模具設(shè)計與制造，材料工程、醫(yī)學(xué)研究、文化藝術(shù)、建筑工程等等都逐漸的使用 3D打印機(jī)技術(shù)，使得 3D打印機(jī)技術(shù)有著廣闊的前景。設(shè)計指標(biāo)與要求我們的設(shè)備主要用于辦公環(huán)境，對照市場上的成品，其目標(biāo)技術(shù)參數(shù)是：噴頭兩個，打印速度為：彩色2層/分；打印材料包括：高分子聚合物、金

5、屬、陶瓷、覆膜砂、生物活性材料等粉末材料及其中2種或2種以上的復(fù)合粉；輸入輸出格式：包括、等；成型厚度：0.0050.05mm；成型尺寸為各邊長350mm到400mm的長方體；機(jī)械精度：0.005；電源：；操作系統(tǒng)：、等。二、工藝確定確定打印技術(shù)方法優(yōu)點缺點主要用途SLA光固化成型法最早的快速成型工藝，成熟度高；成型速度快，精度高樹脂固化收縮，產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變；SLA系統(tǒng)成本高，環(huán)境要求苛刻傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具；成型件多為樹脂類SLS選擇性激光燒結(jié)法成型材料非常廣泛，無需復(fù)雜的支撐系統(tǒng)；制造工藝簡單，柔性度高 激光系統(tǒng)昂貴尤其適合硬質(zhì)合金材料微型元件成型LOM分層實體制造法工作可靠，

6、模型支撐性好，成本低，效率高前后處理費時費力，不適合中空結(jié)構(gòu)構(gòu)件快速制造新產(chǎn)品樣件，模型，或是鑄用木模FDM熔積成型法 污染小，材料可回收對溫度要求比較苛刻塑料件，鑄造用蠟?zāi)?，樣件或模型，適合中、小型成型3DP3維噴射粘結(jié)法設(shè)備和材料便宜，運(yùn)行成本低，操作簡單，成形無污染，適合辦公環(huán)境，打印速度快我們打算設(shè)計一個辦公用的3D打印機(jī)，并且考慮到激光燒結(jié)的激光系統(tǒng)過于昂貴，熔融沉積法對溫度要求苛刻，最終確定3DP打印方案。以下是3DP打印的原理圖：3DP具體工作過程如下：（1） 采集粉末原料（2） 將粉末鋪平到打印區(qū)域（3） 打印機(jī)噴頭在模型橫截面定位，噴粘結(jié)劑；（4） 送粉活塞上升一層，實體模型

7、下降一層以繼續(xù)打?。?） 重復(fù)上述過程直至模型打印完畢（6） 去除多余粉末，固化模型，進(jìn)行后處理操作3DP是美國麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人開發(fā)的，E.M.Sachs在1989年申請了3DP專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝原理：該工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，還須后處理。具體工藝過程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個距離（等于層厚：0.0130.1mm）,供粉缸上升一高度，推出

8、若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實。噴頭在計算機(jī)控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結(jié)束后，比較容易去除。對于粘劑的選取：我們參考上海交通大學(xué)的胡發(fā)宗等學(xué)長關(guān)于解決噴頭堵塞的方法：考慮打印精度問題，采用多糖混合物玉米淀粉，由直鏈（約20%）和支鏈（約80%)組成；加入NaOH使溶液呈堿性，同時加入NaClO使呈一定氧化性；加入硼砂，有交聯(lián)增強(qiáng)粘結(jié)作用。得到優(yōu)良的成形材料配置：水NaOHNaClO硼砂淀

9、粉 100g 18g 30g 5g 100g基本流程三、控制器選擇控制器是整個控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算和處理的中心，其運(yùn)算速度和處理能力一定程度上決定了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。目前常用的控制器有單片機(jī)、數(shù)字信號處理器（DSP）、可編程邏輯控制器（PLC）以及工控機(jī)。下面對其進(jìn)行比較： 表1 控制器的比較 控制器種類優(yōu)點缺點單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，程序編寫簡單，成本低。速度慢，功能不強(qiáng)，抗干擾能力差，精度低。DSP受溫度對元件值的容限不敏感，、環(huán)境等外部參與影響?。蝗菀讓崿F(xiàn)集成；可以分時復(fù)用，共享處理器；方便調(diào)整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波。需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，

10、沒有無源設(shè)備可靠。PLC連線與編程相對簡單，抗干擾能力強(qiáng)，模塊化，易組成控制網(wǎng)絡(luò)。價格高，性價比一般，不適合小規(guī)模使用。工控機(jī)機(jī)箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力；機(jī)箱內(nèi)有專門電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力。配置硬盤容量小；數(shù)據(jù)安全性低；存儲選擇性??；價格高。 根據(jù)上述分析結(jié)合成本與系統(tǒng)實際，主要是所要選用的傳感器，DSP 成為最佳選擇，如果在對速度要求不高以及干擾屏蔽較好的情況下，單片機(jī)也是一種最為廉價合適的選擇。四、機(jī)械結(jié)構(gòu)4.1傳動方式的選擇直線導(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元件，

11、其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1)與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運(yùn)動,所以能得到較高的運(yùn)動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的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)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度·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

12、運(yùn)動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運(yùn)動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進(jìn)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(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機(jī)械裝置等時,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)動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動)。4.2轉(zhuǎn)動慣量的計算滾珠絲杠根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T98931999 選用長度L =1.0m，公稱直徑D = 12mm ,公稱導(dǎo)程。對本系統(tǒng)而言，絲杠傳動折算到馬達(dá)軸上的總慣量為：其中i 為兩齒輪的傳動比，此處取=；其他符號說明如下：齒輪l 及其軸的轉(zhuǎn)動慣量

13、；齒輪2 的轉(zhuǎn)動慣量，取；絲杠轉(zhuǎn)動慣量，；為工作臺折算到絲杠上的動慣量；W工作臺重量，工作臺輕，取6kg；S絲杠螺距，4mm；g重力加速度，；圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量：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；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為：從而?？梢?，很小主要由兩個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量來決定，從而對電機(jī)的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。這是一個小慣量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動，加速，制動的性能好，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的分辨率來考慮，則每英寸25.4mm對應(yīng)360個色點，每兩個色點的距離為25.4/360

14、=0.07mm,又打印噴頭為雙排的，所以，打印噴頭周期移動距離，噴墨一次，噴粘劑一次，兩個噴頭噴出同步；設(shè)定機(jī)械精度：0.005mm，對應(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）則對應(yīng)轉(zhuǎn)速約為3000，上位機(jī)脈沖能力至少800*3000/60=40000r/s；對應(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=（131072×10

15、0）/ 80000=6553600/200000=32.8。在此計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，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(jī)的脈沖能力的估算，對比實現(xiàn)的可能性，得知我們方案的合理性。4.3噴頭選擇選用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(yùn)動，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，使得走完一個幅面的時間相對于單排式減半，利于打印速度的提高。五、電機(jī)的選擇5.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)對比控制電機(jī)的比較與選取：電機(jī)控制系統(tǒng)按照

16、運(yùn)動過程的需要分為驅(qū)動伺服和驅(qū)動步進(jìn)兩大類。伺服有速度控制和位置控制模式。速度控制模式下，通過伺服電機(jī)的CL信號和INH信號，選擇伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動的4檔內(nèi)部速度，這四檔內(nèi)部速度由驅(qū)動器的四個內(nèi)部儲存器記錄，其數(shù)值為零就是停轉(zhuǎn)，數(shù)值為零是順時針旋轉(zhuǎn)，小于零則為逆時針，也可通過ZEROSPD控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制類型閉環(huán)控制開環(huán)控制控制精度兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收131072個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131

17、072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655低頻特性步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象矩頻特性步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600r/min交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，其額定轉(zhuǎn)速一般為2000r/min3000r/min，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出過載能力在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，在

18、選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。運(yùn)行性能交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)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(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。速度響應(yīng)性能交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200400毫秒。5

19、.2直流交流伺服電機(jī)對比在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)。控制器的功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅(qū)動器已經(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)動的開環(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：但直流電動機(jī)都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使電動機(jī)的 最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動機(jī)結(jié)

20、構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)沒有上述缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動機(jī)輸出功率可比直流電動機(jī)提高1070，此外，交流電動機(jī)的容量可比直流電動機(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 。5.3負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算PMSM定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)理與感應(yīng)電機(jī)是相同的。其不同點是轉(zhuǎn)子為永磁體且n與ns相同（同

21、步）。兩個磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場可看作一對旋轉(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（磁密)的乘積成正比。分別是轉(zhuǎn)子、定子的磁勢或磁密；p為極對數(shù)。當(dāng)為時，對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，稱最大同步轉(zhuǎn)矩。對之前我們算得的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(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)傳動慣量J × 角加速度角”。    加速度影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，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。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值

22、不變，如果希望的變化小，則J應(yīng)該盡量小。 傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(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有利，因此，機(jī)械設(shè)計時在不影響系統(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10倍。對于功率對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體來說，轉(zhuǎn)矩和慣量的關(guān)系正如直線運(yùn)動物體的受力和質(zhì)量的關(guān)系。5.4打印速度的初步估計每打一個，計劃在Y軸方向移動10次，使寬度達(dá)到對此，計算噴頭走完1個幅面的時間T，計劃彩印周期T秒，暫時忽略10次Y方向移動時

23、間，有：電機(jī)一轉(zhuǎn)對應(yīng)絲桿1轉(zhuǎn)，對應(yīng)10個導(dǎo)程共4mm，360mm需要電機(jī)轉(zhuǎn)90r，最高轉(zhuǎn)速時，電機(jī)每秒轉(zhuǎn)50r，對應(yīng)時間為1.8s。則10個來回大約18秒，x軸方向10次加減速，對應(yīng)總時間;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頁的要求。求電機(jī)勻加速需要時間。電機(jī)300ms，表示靜止加速到額定轉(zhuǎn)速的時間，角加速度為式中Ma電機(jī)啟動加速力矩；Jm，Jt電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量（kg·m3）；Mf導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N·m）摩擦系數(shù)，取0.1；傳遞機(jī)械效率，在此取0.15。滾動螺旋傳動的傳動效率取0.95；

24、滾動球軸承傳動效率為0.99；齒輪的傳動效率為0.93；總傳動效率為：導(dǎo)軌磨擦折算至電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)矩：需要的輸出力矩為:出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81 ，滿足要求。5.5所選電機(jī)的型號和具體參數(shù)六、驅(qū)動器6.1功放部分脈寬調(diào)制種類工作特點PWM脈沖寬度調(diào)制(PWM)，晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機(jī)上；晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機(jī)斷開；這樣通過改變晶閘管的導(dǎo)通時間（即調(diào)占空比ton）就可以調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，從而進(jìn)行調(diào)速。SPWM正弦波脈寬調(diào)制，將正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來替代。三角波載波信號U

25、t與一組三相對稱的正弦參考電壓信號Ura、Urb、Urc比較后，產(chǎn)生的SPWM脈沖序列波Uda 、Udb、Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。逆變器輸出電壓的基波正是調(diào)制時所要求的正弦波，調(diào)節(jié)正弦波參考信號的幅值和頻率就可以調(diào)節(jié)SPWM逆變器輸出電壓的幅值和頻率。SVPWM1.在每個小區(qū)間雖有多次開關(guān)切換，但每次開關(guān)切換只涉及一個器件，所以開關(guān)損耗小。2.利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡單。3.逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比一般的SPWM逆變器輸出電壓高15%6.2SVPWM介紹SVPWM的主要思想是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)

26、準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便于微處理器的實時控:制。CLARKE 變換首先是將基于3 軸、2 維的定子靜止坐標(biāo)系的各物理量變換到2 軸的定子靜止坐標(biāo)系中。該過程稱為 Clarke 變換，PARK 變換此刻，已獲得基于 2軸正交坐標(biāo)系的定子電流矢量。下一步是將其變換至隨轉(zhuǎn)子磁通同步旋轉(zhuǎn)的 2 軸系統(tǒng)中。該變換稱為Park 變換在矢量控制中包括以下系統(tǒng)變換􀁺 從三相

27、變換成二相系統(tǒng)Clarke 變換􀁺 直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)（靜止）到（旋轉(zhuǎn)d q） ，稱為Park 變換反之為Park 反變換關(guān)于park變換從數(shù)學(xué)意義上講，park變換沒有什么，只是一個坐標(biāo)變換而已，從abc坐標(biāo)變換到dq0坐標(biāo)，ua,ub,uc,ia,ib,ic,磁鏈a,磁鏈b,磁鏈c這些量都變換到dq0坐標(biāo)中，如果有需要可以逆變換回來。從物理意義上講，park變換就是將ia,ib,ic電流投影，等效到d,q軸上，將定子上的電流都等效到直軸和交軸上去。對于穩(wěn)態(tài)來說，這么一等效之后，iq,id正好就是一個常數(shù)了。 從觀察者的角度來說，我們的觀察點已經(jīng)從定子轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子上去，我們不再

28、關(guān)心定子三個繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，而是關(guān)心這個等效之后的直軸和交軸所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場了。Clarke變換將原來的三相繞組上的電壓回路方程式簡化成兩相繞組上的電壓回路方程式，從三相釘子ABC坐標(biāo)系變換到兩相定子坐標(biāo)系。也稱為3/2變換。 但Clarke變換后，轉(zhuǎn)矩仍然依靠轉(zhuǎn)子通量，為了方便控制和計算，再對其進(jìn)行Park變換變換后的坐標(biāo)系以轉(zhuǎn)子相同的速度旋轉(zhuǎn)，且d 軸與轉(zhuǎn)子磁通位置相同，則轉(zhuǎn)矩表達(dá)式僅與有關(guān)。id、iq可以通過對iA、iB、iC的Clarke變換(3/2變換)和Park變換(交/直變換)求得，因此id、iq是直流量PMSM驅(qū)動器的主回路（交-直-交結(jié)構(gòu)）七、傳感器7.1溫度傳感器對比

29、方式接觸式非接觸式測量條件感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度；被測對象不對感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準(zhǔn)確知道被測對象表面發(fā)射率；被測對象的輻射能充分超射到檢測元件上測量范圍特別適合1200以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，對高于1300以上的溫度測量較困難原理上測量范圍可以從超低溫道及高溫，但1000以下，測量誤差大，能測運(yùn)動物體和熱容小的物體溫度精度工業(yè)用表通常為1.0、1.5、0.2及0.1級，實驗室用表可達(dá)0.01級通常為1.0、1.5、2.5級響應(yīng)速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘快，通常為23s其他特點整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡

30、單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測物體實際溫度；可方便地組成多路集中測量與控制系統(tǒng)整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測物體表現(xiàn)溫度（需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換）；不易組成測溫、控溫一體化的溫度控制裝置溫度傳感器的接觸式特別適合1200以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，并且接觸式測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護(hù)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)。測溫方式傳感器類型測溫范圍（）精度（%）特點接觸式熱膨脹式水銀-100-6000.11結(jié)構(gòu)簡單、耐用，但感溫部體積較大雙金屬-5050013壓力液-1006001氣-200

31、-600熱電偶鎢-錸100028000.30.5種類多，適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛；需注意冷端溫度補(bǔ)償及動圈式儀表電阻對測量結(jié)果的影響鉑銠-鉑016000.20.5其他-20012000.41.0熱電阻鉑-2006000.10.3標(biāo)準(zhǔn)化程度高，精度及靈敏度均較好；感溫部大，需注意環(huán)境溫度的影響鎳-1503000.20.5銅-501500.10.3熱敏電阻-503000.30.5體積小，響應(yīng)快，靈敏度高；線性差，需注意環(huán)境溫度的影響非接觸式輻射溫度計10035001非接觸測溫，不干擾被測溫度場，輻射率影響小，應(yīng)用簡便，不能用于低溫光高溫計2003200熱電探測器20020001非接觸測溫，不干

32、擾被測溫度場，響應(yīng)快，測溫范圍大，適于測溫度分布，易受外界干擾，定標(biāo)困難熱敏電阻探測器-503200光子探測器03500由上面兩個表分析，非接觸時的對于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，對于本設(shè)計來講銅更加適合作為溫度傳感器7.2機(jī)械位置傳感器初始位置傳感器 簧片開關(guān)對于初始位置檢測，只要噴頭到位，傳感部分，伺服交流電機(jī)自帶光電碼盤，實現(xiàn)比較好的位移反饋，反饋信號傳給DSP，作PID運(yùn)算。光電碼盤將機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)化為脈沖或數(shù)字量，有體積小、精度高、工作可靠、接口數(shù)

33、字化等特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回旋臺、伺服支持直線運(yùn)動的傳動方式主要就是螺桿，和皮帶兩種，螺桿的精度比皮帶高，載荷也大，但速度低一些。三維打印機(jī)的打印頭基本不受力，對載荷沒有要求，打印機(jī)的運(yùn)動特點時，在水平兩個方向上速度越快越好，在垂直方向上精度越高越好，速度無所謂（打完一層才動一次）。因此打印機(jī)的傳動設(shè)計一般都是在水平方向使用皮帶（同步帶),垂直方向用螺桿。7.3壓力傳感器壓力檢測儀表具體分類特點彈性壓力計彈性元件其彈性特性與材料、加工和熱處理有關(guān)，還與環(huán)境溫度有關(guān)。結(jié)構(gòu)形式有彈簧管式、波紋管式和彈性模式。彈簧管壓力計壓力作用下，彈簧管變形相對較小，一般用于測量較大壓力場合，為提高靈敏度，

34、可采用多圈彈簧。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，測壓范圍寬，精度可達(dá)0.1%波紋管壓力計以波紋管作為壓力-位移轉(zhuǎn)換元件，由于金屬波紋管在壓力作用下容易變形，所以測壓靈敏度高，常用與低壓或負(fù)壓測壓。波紋管既是彈性測壓元件，有作為隔離元件隔離被測介質(zhì)。為改變量程，在波紋管上可加輔助彈簧。彈性壓力計信號遠(yuǎn)傳方式在普通彈性壓力計上增加轉(zhuǎn)換部件，將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換為電信號輸出，就可使就地顯示壓力之外，兼有信號遠(yuǎn)傳功能。不同的轉(zhuǎn)換方法有不同的壓力計，有電位器式、霍爾式和差動變壓器式。膜式壓力計有膜片壓力計和膜盒壓力計兩種，前者用于測量腐蝕性介質(zhì)或非凝固、非結(jié)晶的黏性介質(zhì)的壓力，后者用于測量氣體微壓和負(fù)壓

35、。電測式壓力計應(yīng)變式壓力傳感器通過測量彈性元件因壓力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)變來間接測量壓力的傳感器，其精度高、體積小、重量輕、測量范圍寬，同時抗振動、抗沖擊性能良好。有應(yīng)變筒式、平膜式、壓阻式壓力傳感器。壓電式壓力傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，多用于檢測動態(tài)壓力，由于電壓元件存在電泄露，故不宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。電容式壓力傳感器采用變電容式測量原理，將被測壓力引起的彈性元件的位移變形變?yōu)殡娙莸淖兓?，測量電容，就可知被測壓力的大?。黄潇`敏度高，輸出信號大，測量精度高；結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能承受高過載，耐沖擊與振動，可在高溫下工作；可動極板質(zhì)量小，故固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快。易受分布電容影響，制造難度大。諧振式壓力傳感器靠被測壓力所引起的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。用于氣體壓力的測量，其體積小，輸出頻率高，重復(fù)性好，耐震；精度高，可達(dá)0.1%至0.01%,且具有良好的穩(wěn)定性。壓力傳感器用于檢測兩個噴頭分別對應(yīng)的三原色顏料用量和粘劑