3D打印机毕业设计.pdf

.山 东 农 业 大 学毕 业 论 文题目：3D 打印机设计装订线.学院机电学院专业班级电气五班届次2014 届学生姓名姜云飞学号20100776 指导教师宋洪军二 O一四年五月十二日目录摘要.Abstract.引言.21 绪论.21.1 国内外 3D打印机的研究现状.21.1.1 国外 3D打印机的研究现状.21.1.2 国内 3D打印机的研究现状.31.2 3D打印机的发展趋势.31.2.1 3D 打印产业的未来发展前景.31.2.2 3D 打印技术未来发展的主要趋势.41.3 3D打印机的工作原理及特点.41.4 发展创新与突破.62 总体方案及结构设计.72.1 引言.72.2 总体框架的设计.82.3 温度控制回路的设计.82.4 XYZ三方向控制电机的设计.92.5 喷头移动及喷出量调节的设计.错误!未定义书签。3 机械结构 .错误!未定义书签。3.1 传动方式的选择.错误!未定义书签。3.2 转动惯量的计算.错误!未定义书签。3.3 喷头的选择.12 4 电机的选择 .13 4.1 伺服电机和步进电机的对比.13 4.2 直流交流伺服电机对比.15 4.3 负载转矩的计算.15 4.4 打印速度的初步估计.16 5 传感器 .16 5.1 温度传感器对比.16 5.2 机械位置传感器.185.3 压力传感器.19 6 3D 打印机的优点及面临问题.21 6.1 3D打印机的优点.21 6.2 3D打印技术面临的问题.21参考文献.22 致谢.23 ContentsSummary.Abstract.1 Introduction.2 1.1 Research Status 3D printer at home and abroad.2 1.1.1 Research Status of Foreign 3D printer.2 1.1.2 Research Status of domestic 3D printers.3 1.2 Trends of 3D printer.3 1.2.1 Future prospects of 3D printing industry.3 1.2.2 3D printing technology for future development.4 1.3 3D printer works and features.4 1.4 The development of innovative and breakthrough.6 1.5 Chapter Summary.7 2 Overall program and structural design.7 2.1 Introduction.7 2.2 The overall design of the framework.8 2.3 Temperature control loop design.8 2.4 XYZ three directional control motor design.9 2.5 Mobile and spray nozzle design volume adjustment.9 3 Mechanical structure.10 3.1 Select Transmission.10 3.2 Calculation of moment of inertia.11 3.3 Select nozzle.12 4 Select motor.13 4.1 Comparison of servo motors and stepper motors.13 4.2 Comparison of DC servo motor.15 4.3 The calculated of load torque.15 4.4 Preliminary estimates Print Speed.16 5 Sensor.16 5.1 Comparison Temperature Sensor.16 5.2 Mechanical position sensor.18 5.3Pressure sensor.19 6 Advantages of 3D printers and the problems faced.21 6.1 Advantages 3D printer.21 6.2 3D printing technology issues facing the.21 References.22 Acknowledgements.23I 3D打印机毕业设计作者：姜云飞指导教师：宋洪军【摘要】3D打印是最近两年开始流行的一种快速成形技术,它以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来构造物体.我们日常生活中的打印机能打印一些平面纸张材料,而 3D打印机打印出的是立体塑品产品.文章对 3D打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，综述3D打印技术的基本概念、发展简史、打印过程原理、应用领域、广泛影响以及面临的问题等.在介绍 3D 技术的发展历程、3D 打印技术的工作原理流程及特点的基础上，分析了 3D打印技术的创新点和存在的问题，展望了 3D打印技术的未来发展趋势.关键词:3D打印机;快速成型;结构设计;社会制造II 3D printer Graduation Author:Jiang Yunfei Instructor:Song Hongjun【Abstract】：3D printing is one of the last two years became popular rapid prototyping technology,which is based digital model files,through over the printed layer by layer approach to construct objects.Our daily lives printer can print some flat sheet material,and 3D printer to print out the three-dimensional plastic goods products.Article on 3D printing technology system status and domestic industrial development,development made a comprehensive presentation situation,review the basic concepts of 3D printing technology,development history,the printing process principles,applications,and the problems faced widespread impact,etc.In the development process of introduction of 3D technology,working principle and characteristics of the process of 3D printing technology based on the analysis of 3D printing technology innovations and problems,looked to the future development trend of 3D printing technology.Key words：3D printers;rapid prototyping;structural design;social manufacture2引言随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。如今，我们拥有了 3D打印这一先进的技术，我们可以通过 3D打印机来打印各种我们所需要的、想要的。3D 打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛。3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D 打印机则出现在上世纪90 年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。1 绪论1.1 国内外 3D打印机的研究现状1.1.1 国外 3D打印机的研究现状经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi 的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时 25mm 厚度的垂直速率，并可实现24 位色彩的彩色打印。目前，在全球 3D打印机行业，美国3D Systems 和 Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的FabHome 和 Shapeways、英国的 Reprap等。3D Systems 公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011 年 11 月收购了 3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在 3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司 2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM 合作协议，生产HP品牌的 3D打印机。继 2011年5 月收购 Solidscape公司之后，Stratasys又于 2012 年 4 月与以色列著名3D打印系统提供商Objet 宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。目前在欧美发达国家，3D 打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D 打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D 打印技术3获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky 通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出 60 种创新产品，年收入达到100 万美元。1.1.2 国内 3D打印机的研究现状自 20 世纪 90 年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM 工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了 HRP系列成型机和成型材料【1】；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到40.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。1.2 3D 打印机的发展趋势1.2.1 3D打印产业的未来发展前景根据国际快速制造行业权威报告Wohlers Report 2011发布的调查结果，全球 3D打印产业产值在19882010年间保持着 26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31 亿美元，2020年将达到 52亿美元【2】。但 3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D 打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。4Gartner 公司 2011 年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。Gartner 公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要510 年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。提升 3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D 打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现 CAD/CAPP/RP 的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。1.3 3D 打印机的工作原理及特点1.3.1 3D打印的工作原理三维打印技术是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面印刷在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来.可用于制造复杂形状的模型中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等.图 1 是三维打印成型机的剖面示意图.其工艺是先由铺粉辊从左往右移动,将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状,然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件5整体是由各个横截面层层重叠起来的.图 1 三维快速打印技术工作原理示意图 3D 打印的主要工作流程如图2 所示,其中 3D建模是 3D打印的前提，相当于平面印刷中的原稿，3D建模质量的好坏决定了3D打印的质量.一般现有的 3D建模软件都可以实现建模，比如CADPro/e等矢量建模软件，都可以轻易地实现3D建模.3D分割将建立的 3D模型分成一个个的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料及打印机的结构决定,厚度一般为几十微米到几百微米不等.分割工序也是由软件来实现，类似于打印机的驱动程序.喷墨打印中将成型材料一层层喷涂在基材上.目前比较流行的做法是先喷一层胶水,然后再在上面撒一层粉末，如此反复,喷头一般可采用喷墨打印机的喷头，目前也有一些设备厂商提供专用的喷头.打印完成后，还需要对打印出来的3D模型进行后处理，比如固化处理剥离模型的修整等等，最终完成所需要的模型的制作.1.3.2 3D打印的特点与传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的优势，主要表现如下:1 制作精度高。经过 20年的发展，3D打印精度有了大幅度的提高。目前市面上的 3D打印成型的精度基本上都可以03mm 以下。2 制作周期短。传统模型制作往往需要经过模具的设计模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期长。而 3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。6 3 可以实现个性化制作。对于传统模型的制作，个性化模型的生产就显得力不从心，或者是成本高昂。而 3D打印对于打印的数量没有限制，不管是一个还是多个，都可以以相同的成本制作出来。4 制作材料的多样性。一个 3D打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。比如金属石料高分子材料都可以应用于 3D打印。5 制作成本相对低。虽然现在 3D打印系统和 3D打印材料比较贵，但是如果用来制作个性化产品，其制作成本就相对较低了加上现在新的材料不断出现，其成本下降将是未来的一种趋势。1.4 发展创新与突破3D打印被用作经济学人杂志封面，主题为看制造业新技术如何改变世界，详细介绍了 3D打印的历史和发展，可见人们对于 3D打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注。而 3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯巧克力小镇模型，甚至扩展到用 3D打印汽车和飞机，3D打印行业的发展始终凸显着创新突破这一关键特质，主要表现在以下几个方面。1.4.1 3D打印应用领域扩展延伸3D打印的优势在 2011年被充分应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。比较典型的包括 Open3DP 创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用 3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟;哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备;另外，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造服装奢侈品影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。1.4.2 3D打印速度尺寸及技术日新月异在速度突破上，2011 年，个人使用 3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm 每秒在体积突破上，3D打印机体积为适合不同行业的需求，也呈现轻盈和大尺寸的多样化选择。目前已有多款适合办公室打印的小巧 3D打印机，并在不断挑战轻盈极限，为未来进入家庭奠定基础。在 ViennaUniversityof Technology 的一个研究项目中，该团队设计了迄今为止世界上最小的3D打印设备，并且降低了打印设备的制造成本，也有望未来进驻家庭在大尺寸领域，在德国的3D打印公 司发布了 4000 x2000 x1000mm 尺寸7的 3D打印机，该款大尺寸 3D打印机使打印大尺寸部件一次成型成为可能【3】。3D打印技术日新月异，在 2011 年 Lexus 对外发布了新 3D打印技术，该技术基于高科技循环编织技术，使用激光进行3D打印，能够以编织的方式制作复杂的3D模型1.4.3 设计平台革新基于 3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于WEB 的 3D设计平台 3DTin，另外，微软谷歌以及其他软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。2 总体方案及结构设计2.1 引言 3 D打印机,专业领域又称快速原型机,是数字化增材技术。经过几十年发展后的逐渐走向民用市场的技术成果。其推广不仅意味着科技的进步,更为工业制造概念增添了新的内涵,有着广阔的发展前景。本文拟对 3 D 打印机的控制结构进行设计,在综合考虑性能与经济性的基础上完成其元件的讨论与选型。3 D打印机利用不同的材料打印立体模型,利用计算机软件技术,设计者设计出一个初步模型之后,例如一座建筑亦或是人工心脏瓣膜,之后通过3 D 打印机进行打印。打印的原料种类繁多,有机材料、无机材料均可使用。例如塑料、橡胶等。打印材质视具体情况而定。3 D打印机在 9 0 年代中期就出现了。随着科技的发展,它已经投人到各种科技工作的领域当中。通过一层一层堆积的液体和粉末来生产物体,可以用来制造一次性的机械产品以及模型。牙科医生利用3 D 打印机扫描患者的牙齿轮廓后复制出合适的矫正模具;产品生产厂商用它来完成对产品功能的设计,以避免在大规模生产后修改设计;展览馆用它复制真品,以避免真品被参观者损毁。2.2 总体框架的设计2.2.1 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8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。2.2.2 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2.3 温度控制回路设计2.3.1 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。2.3.2 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【4】。(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2.4 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。2.5 喷头移动及喷出量调节的设计2.5.1 喷头系统的功能要求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9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。2.5.2 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。3 机械结构3.1 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。1 0 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)。3.2 转动惯量的计算滚珠丝杠根据国家标准JB/T98931999 选用长度 L=1.0m，公称直径D=12mm,公称导程 mmPh40【5】。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/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.m2Z2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；滚珠丝杠的转动惯量为：1 1JS=1/4D2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5(kg.m2)Jw=6*0.0042/(9.8*4 2)=2.48*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=（131072100）/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。3.3 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。4 电机的选择4.1 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。1 21 34.2 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【6】：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1070，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。4.3 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 角加速度角”。加速度影响系统的动态特性，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1 4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。4.4 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【7】。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=50*2/0.3=1047rad/s2 M=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（N m）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)*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。5 传感器5.1 温度传感器对比1 5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。1 6由上面两个表分析，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-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。5.2 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1 7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。5.3 压力传感器1 8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。1 96 3D 打印机的优点及面临问题6.1 3D 打印机的优点 3D打印技术主要有以下优点：1.制造快速3D 打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用8。2.CAD/CAM 技术的集成快速成型技术集成CAD.CAM 激光技术.数控技术.化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。3.完全再现三维效果经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。4.材料种类繁多到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。5.创造显著的经济效益与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10 倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程