3D打印机的设计.docx

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1、3D 打印机总体方案及构造设计题目：3D 打印机设计专业班级 机械电子工程 1 班届次 2023 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局部参数,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,由单片机对模型进展分析,切片,建立 必要的支撑构造,再从单片机输出把握指令,把握喷头型材料溶化,并通过确定的驱动电路驱动电机,带动喷头进展 X、Y、Z 三个方向的移动, 并把握喷头的喷出系统调整喷出材料的多少。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

2、输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值-单片机分析温度把握回路、XYZ 各方向电机把握、喷出量把握、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。把握回路使用温度传感器返回当前温度,反响回路保证了温度保持恒定,把握器统一使用了单 片机来输出指令(3)把握回路方框图如下：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

3、机x y z 三方向把握电机的设计承受化繁为简的思路,将三维打印转化为二维进而转化为一维 打印。即 Z 方向承受步进电机,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整的设计熔融挤出系统对喷头系统的根本要求 是:将成型料丝送人液化器中,在其中准时而充分地熔化,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,按扫描路径积存成型。而且送丝速度要与扫描速度相匹配,以保证均匀一 致的材料积存路径。成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为

4、以下几点:1) 供给功能:将料丝从丝筒上拉出,供给成型材料;2) 熔丝功能与料丝送进功能:将送进的固态料丝准时且充分地 熔化成为熔融状态并将料丝送人液化器;3) 流道功能:供给熔融态材料稳定流淌的通道;4) 定径功能:对挤出熔融态物料进展定径,变为满足要求的细小直径的丝材进展积存;5) 出丝速度匹配与出丝起停把握功能:出丝速度可控,能依据扫描速度进展调整,实现相互匹配。出丝应能依据路径扫描要求准时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径 起停处。在承受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

5、能和根底功能 是等效的。喷头实现方法设计基于所选择的打印耗材,喷出技术承受熔融沉积成型技术,依据片层参数把握加热喷头沿模型断面层扫描,同时把握熔融液体的体积 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供给热量使料丝熔融。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确定的温度范围之内,且一旦设定温度把握值之后, 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需保持稳 定。因此,我们需要参与上述的温度把握回路来严格把握液化器的温度。二、 机械构造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

6、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周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到达1/3 以下,即到达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,对温度湿度进展了严格的

7、把握,由于完善的品质治理体 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,所以启动力矩微小,不会消灭滑动运动那样的爬行现象, 能保证明现准确的微进给。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到达负值,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加)。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依据国家标准JB/T98931999 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

8、上的总惯量为：Jt=Z1+1/i2Z2+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=1/8MD2M-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=1/4D2pl*1/8D2=3.14*0.0

9、124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )Jw=6*0.0042/(9.8*42)=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打算，从而对电机的功率输出要求不苛刻，在功率不高状况下，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，反响快，比较抱负。此类电机最高转速一般是 3000r/min 上下，取 3000 为参考争论按 360dpi 的区分率来考虑，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

10、，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，上位机应当发出的指令脉冲为4mm/0.005mm=800个则对应转速约为 3000，上位机脉冲力气至少 800*3000/60=40000r/s； 对应 6000 转的转速，则上位机脉冲力气 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响脉冲。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=131072100/ 8

11、0000=6553600/202300=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 器反响脉冲同等意义的信号，便于把握中心按给定指令要求把握伺服转动定位。此外，通过上位机的脉冲力气的估算，比照实现的可能性，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，区分率满足，把握X 轴方向运动，Y 轴方向由另一电机把握，把握方式类似，单次位移为 36.1mm,精度把握一样。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比照把握电机的比较与选取：电机把握系统依据运动

12、过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类。伺服有速度把握和位置把握模式。沟通直流伺服电机比照在 20 世纪 60 年月，最早是直流电机作为主要执行部件，在 70 年月以后，沟通伺服电机的性价比不断提高，渐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。把握器的功能是完成伺服系统的闭环把握，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把握器的根本功能和功率放大局部。虽然承受功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在 90 年月的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是快速被沟通伺服所取代。伺服电机可以考虑直流和沟通两种：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，需常常维护。换向器换

13、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，而且直流电动机构造简洁，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造 本钱高。而沟通电动机，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，沟通电动机输出功率可比直流电动机提高1070， 此外，沟通电动机的容量可比直流电动机造得大，到达更高的电压和转速。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，承受三相对称绕组构造，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P

14、MSM 定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是一样的。其不同点是转子为永磁体且 n 与 ns 一样同步。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 进展惯量匹配。依据牛顿其次定律：“进给系统所需力矩 T = 系统传动惯量J 角加速度a 角”。加速度影响系统的动态特性，越小，则由把握器发出

15、指令到系统执行完毕的时间越长，系统反响越慢。假设变化，则系统反响将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T 值不变，假设期望的变化小，则J 应当尽量小。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，简洁产生谐振，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=2*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

16、度的初步估量每打一个，打算在Y 轴方向移动 10 次，使宽度到达 361mm=对此，计算喷头走完 1个幅面的时间T，打算彩印周期T 秒，临时无视 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，需要或许 24 秒，加上其余误差时间，30 秒就可以完成一个幅面， T=30s，根本实现 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

17、速度为=50*2/0.3=1047rad/s2M=Ma+MfMa=(Im+It) Mf=WS/2式中 Ma电机启动加速力矩； Jm，Jt电机自身惯量与负载惯量kgm3； Mf导轨摩擦折算至电机的转矩Nm 摩擦系数，取 0.1； 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：=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/(2*0.866*1)=4.4*10-4 需要的输出力矩为:T=J+Mf=(3.0*10-3+0.388*10-4)

18、*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、 传感器温度传感器比照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构造简洁、体积小、牢靠、维护便利、价格低廉，并且可以可便利地组成多路集中测量与把握系统。上面表分析，非接触时的对于 1000 摄氏度以下误差较大，应当承受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-50150，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根本不受力，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 当使用状况检测。但物量不够的时候，反响，提示用户参与颜料、粘剂或粉末。对应以上表格，可以承受电位器来做测量，且能到达比较高的精度。