金属材料型3D打印机设计

金属材料型3D打印机设计摘要在近几年来，随着制造业的蓬勃发展，快速成型技术的研究和开发一直以来都受到全世界机械制造领域的高度重视，从目前社会对于快速成型技术最火热的设备话题就是3D打印机，随着这几年3D打印机的不断发展与完善，很多通过传统加工难以甚至不能实现的加工零件在3D打印技术的基础上得到了实现。然而，纵观现有的3D打印机，大多的都只能对某些合成材料进行3D打印，比如：弹性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等，能对大多数金属材料进行3D打印的设备极少，而在现代社会，不管是哪个领域对金属材料都有极大的需求，因此，研发一款能对金属材料进行3D打印的设备显得格外有意义。本文围绕快速原型技术之一-选择性激光烧结技术（SLS）展开研究，以SLS技术为核心原理对打印机的结构做出了设计。内容包括金属粉末激光烧结快速成型技术的工艺原理，工序流程。其次分析了SLS工艺的参数对打印制件的影响，包括激光的功率、扫描的速度、扫描方式和每一层的厚度等。最后对如何实现驱动3D打印机各轴的运动做了设计，其中包括定位系统步进电机的选择计算和控制电路部分单片机的应用做了详细介绍。关键词：快速成型；3D打印；激光烧结；步进电机；单片机The design ofmetal material3DprinterAbstract Inrecent years,with the rapiddevelopment of manufacturing industry , the research and development ofrapid prototyping technologyhas attractedgreat attention in the worldin the field of machinery manufacturing . At present, The most popular in the society of rapid prototypingequipmentis3D printer . With the past few years of the development and perfect of 3 D printers, many traditional machining parts which are difficult to achieve have been realized on 3D printing technology . But on the current market, especially in the domestic market , 3D printingproductsalmostlyare limited tonon-metallic materials, for example, such as elastic plastic (EP), poly lactic acid (PLA) and so on. The equipment that can make 3D printing for most metals is rare. In the modern society, No matter which field has a great demand for metal materials . Therefore, developing an 3D printing on metal materials equipment is meaningful. This paper revolves around one of the rapid prototyping technology( selective laser sintering technology (SLS) )study, and make a design of the structure of the printer based on SLS technology. It includes process principle of powderlaser sintering technology and technological process. Secondly, it analyzed influence of SLS parameters on printing, Including thethickness,laser power,scanning mode andscanning speedetc. At last, this article introduces how to realize the motion of the axis of the3D printer . Including thepositioning systemof the stepper motorselection and calculation, and the application of SCM in control circuit.Key words: Rapid prototyping;3D printing;laser sintering;stepping motor;MCU目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1引言11.2快速成型技术概述21.2.1快速成型技术的基本原理31.2.3快速原型技术的分类51.3 3D打印核心方案的确定7第2章 结构及原理设计82.1 打印机结构的整体设计82.1.1 打印部分定位结构的设计92.2 SLS的基本工艺102.2.1前处理过程102.1.2分层烧结堆积过程122.1.3后处理过程132.2 烧结过程中为防止金属被氧化可采取的措施142.3纵向精度监测控制装置设计142.3.1 纵向精度监测控制装置设计的由来142.3.2 纵向精度监测控制装置的原理15第3章 电路部分的设计163.1电机的选择163.2步进电机的选择计算163.2.1 竖直方向（z轴）两个电机的的选择：173.2.2 XY轴方向步进电机的选择：223.3控制电路的设计233.3.1基于电子电路的步进电机控制系统：233.3.2 基于单片机的步进电机控制系统：233.3.3基于PLC的步进电机控制系统：244 基于单片机的步进电机的控制系统设计244.1 电路组成和工作原路254.1.2分频和频率选择模块264.2 精确转速的实现275升降速的控制285.1基本原理285.2实现方法286 结束语29第4章 结论与展望304.1 结论304.2 展望30致谢31参考文献33三维图片第1章 绪论1.1引言早在上个世纪九十年代初期，市场的格局发生了很大转变。首先表现最明显的是消费者的需求在日益变化，变得多样化，变得更有个性；其次，产品生产厂家都越来越重视激烈的全球化市场竞争中。对于市场，设计师不仅要快速地设计出人们所需要的消费产品，而且还得能快速地生产出来所设计的产品，从而抢得市场先机。随着现代计算机科技和计算机辅助制造、计算机辅助设计（CAD/CAM）不断发展，在现代生产制造中得到了越来越广泛的应用，使得产品从设计到制造都有了一个全新的面貌，大大降低了产品的开发、生产以及更新的周期。生产制造商的发展战略也在这种背景下从以前的“怎么样做的更多”、“怎么样做得便宜”和“怎么样才能做得更好”发展到现如今的“怎么样才能做得更快”。所以，在面对一个需求变化不定的买方市场的时候，传统的生产模式就显得越来越被动，越来越无力。因此，快速应对市场对产品的需求已经是制造业发展的主要方向。为此，许多工业化城市乃至很多国家都一直在努力的开发先进制造技术从而提高其制造业的水平，随之计算机技术的日益强大、自动化技术的不断完善和新材料的不断研制以及现代企业管理技术的不断进步，产生了一批全新的现代化制造生产模式，制造业工程取得了辉煌的成就。快速原型制造技术（也称快速成型技术）（Rapid Prototyping Manufacturing简称RPM）也就在这背景下一步步逐渐形成并且发展起来的。它是借助于计算机、精密传动装置、激光以及数控技术等现代方法，将计算机辅助设计CAD和计算机复制制造CAM融为一体，通过系统在计算机上构建的三维实体模型，可以直接快速地加工出产品模型来，不需要传统的模具和加工机床1。这项技术开创了研制新产品的全新模式，设计师用这种方法可以更直观的感受体会设计的感觉，并能直接验证或者检验所设计的产品的外形和结构的精确性。这也使得设计工作达到了一个全新的境界，改善了传统生产设计过程中繁琐的过程，产品设计周期和更新换代的周期得到了大幅度缩减，企业投资新产品的风险程度也大大降低了。将计算机辅助设计CAD和计算机复制制造CAM融为一体，根据系统在计算机上构建的三维模型，能在短时间内快速直接制造出产品样品来，不需要传统的模具和加工机床。在国外，一些发达国家已经能基本成熟地运用3D打印机对很多种金属或者是金属混合物进行打印并得到形状结构以及具有很强可靠性和实用性的产品，比如美国已经用3D打印技术打印出了涡轮叶轮（如图1）和IN718镍基高温合金转子（如图2），这些产品不管是在表面精度、零件强度等方面都具有很强的可靠性。而在技术研发方面，早在1989年美国的斯科特克伦普就对熔融沉积成型（FDM）成功申请了专利，这种技术成型精度和成型物的强度都很高，并且可以实现彩色成型。这种技术陈本也不贵。另一种方法是选择性激光烧结技术（SLS）,这也是由美国人Carl Dechard早在1989年研制成功的技术，并且在1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterStationt23。 图1 3D打印的涡轮叶轮 图2 3D打印的IN718镍基高温合金转子在国内方面，目前还没有自主研发的能对金属材料实现3D打印的机器，并且现有的3D打印机也都几乎来自于进口，这些3D打印机针对的打印材料也大多都是：弹性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等4。1.2快速成型技术概述 快速成型技术不同于传统加工方法的通过部分去除大于工件毛坯上的材料来得到所需形状结构的工件，而是采用全新的“增长”加工方式，通过将原材料一层一层地逐步堆叠成大零件，把复杂的三维加工分解成简单容易的二维加工，然后组合的方法。所以，它不需要使用传统制造所需要的磨具以及机床,便可以生产加工出磨具和产品，加工所需时间仅仅是传统加工方式的百分之十到百分之三十，成本也仅仅是他的百分之二十到百分之三十五。就是因为快速原型技术具有以上这些相对传统加工的突出优点,并在近几年得到快速发展，现在已经成为现代先进制造技术领域里最核心最关键的技术,实现并行工程(Concurrent Engineering，CE)必不可少的手段5。设计设计增长式快速成型焊接锻压铸造磨具磨具半成品毛坯去除式切削加工模具样品工件工件 （a） 传统加工 （b） 快速成型图1-1传统加工与快速成型对比1.2.1快速成型技术的基本原理快速成型技术是一项借助于计算机辅助设计（CAD）和实体反求方法来采集物体原型的相关信息（包括形状结构、材料的组合形式等），以此获取到原型的概念并且建立起数字化模型，然后再把获取到的信息输入进通过计算机控制的传动控制系统，采用先点后面的方式逐步将材料堆叠成型,然后再通过一些后续处理使成型的原件在外观、强度以及性能方面达到预先设定的标准，精确迅速的加工出实际产品模型或零件的加工方法。其技术原理见图1-2。目前，分层叠加方法是快速成型技术的核心原理，通过CAD造型、生成STL文件和分层切片等步骤进行分层处理，借助于计算机控制成型设备实现原料的几何结构的制造 6。其原理图如图1-2所示：CAD造型集成制造原型或零件数据处理原型概念设计数据采集反求获取图1-2快速原型制造技术的原理(1)计算机辅助设计构建模型或三维扫描系统实体扫描要设计一个工件，设计者首先要在计算机上建立一个三维实体模型，这个过程可以通过使用计算机三维CAD系统。建立好模型之后，计算机将生成各式为STL的文件并将其输入到快速成型设备上进行模拟制造。从理论上来讲，快速成型技术能够生成出任何结果形状复杂的零件，特别是对那种传统加工难以实现的的零件加工有着明显的优势。但事实上对于十分复杂的零件，现在的CAD软件难以实现，通常得要借助其他科技手段，比如逆向工程手段，来建立物体的数字化模型。它采用激光扫描的方式对零件进行扫描，再把扫描结果转换为三维立体图像，并在CAD软件上进行调整和修改，最后通过快速成型设备加工制造出模型7。 (2)三维CAD模型转换为STL文件格式由于目前还没有对计算机三维CAD系统的设备驱动程序，RPM系统还不能直接采用计算机三维CAD模型制造出实物，还需要转换成一种特殊的格式。目前，美国3D系统公司研发的STI格式在全球范围内应用最为广泛，大部分的计算机三维CAD系统均可生产该格式的文件，快速成型设备采用切片软件把STL文件作为输入的数据，以此生成三维实体的切片层。如今，国际上已经把STL文件视为一种标准的数据格式8。 (3)快速原型制造快速成型设备根据输出的计算机三维CAD模型转换之后得到的STL数据，沿着垂直于模型高度的水平方向，将模型切割为一定厚度的层片，再用塑料粉末、金属粉末或感光树脂等可打印材料，通过激光烧结或光敏固化等方法在需要制造的模型上一层一层逐步堆积起来，形成加工零件的模型。一般情况下，切片层的厚度在0.1mm左右，所需时间为60秒到80秒，这样加工一个零件的模型大约在几个小时，大的零件也可在几天内完成，加工时间相比传统加工大有缩短，生产效率大大提高9。1.2.3快速原型技术的分类 快速成型技术从二十世纪80年代后期出现开始现在，因为此技术的高柔性、高集成性和快速性使得其发展迅速，现如今已经发展了十多种快速成型技术的方法，下面对几种最常用的方法做简要介绍： (l)立体光刻成型(SLA一Stereolithography Apparatus)立体光刻成型技术过程中，通过氦-镉激光器发出的高能量紫外线激光光束（UV）在环氧树脂表层面按物体片层形状进行扫描，每层扫描厚度约25微米到300微米之间，从底部往上，依次逐层生成实物，液态环氧树脂会在激光能量超过一定值之后开始凝固。当一层固化完成后，控制系统控制工作台下降，在先前凝固的树脂材料表面涂上一层新的液态树脂，这个扫描再固化的过程循环进行直至最顶层也就是最后一层固化完成，此时将工作台升起，取出通过上述方法得到的实体模型并进行一些后续清理工作，这样就实现了对原型的加工10。 (2)选择性激光烧结成型(SLS一Selected Laser Sintering)选择性激光烧结技术是通过二氧化碳激光器发射高能激光束烧结熔化粉末材料并逐层堆叠形成三维实体的技术，这种粉末材料可以是金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末或者它们的混合体等材料。在加工区域内用滚筒将所需成型的粉末材料均匀地铺一层在工作台上，然后用激光器在铺的那一层粉末材料上按所需加工物体的截面形状进行扫面，简单的说就是在上面“画”出物体截面形状，高能激光产生的热量会使粉末材料熔化，当激光过之后便会凝结。当一层扫描结束后再铺上新的一层，再进行上述扫面工作，那么新的一层便会在旧层接触点处粘接，如此反复直至切片的最后一层烧结完毕，便得到了所需成型的物体。用这种方法可以直接制造出产品原型以及实行铸造用的消失模、用覆膜砂制作铸型以及铸造用的母模等成型件。 (3)叠层实体成型(LOM一Laminated Object Manufacturing)叠成实体成型技术也是一种分层加工方法，它是将事先制定好的具有一定厚度的一层材料一整块一整块地通过热粘接将其一层一层地粘接在一起，使其成为一个整块。在每一层被覆盖之前通过计算机控制的二氧化碳激光器发射出的激光束将其割出实体的轮廓。通常为了便于清理轮廓外的多余余料，也将轮廓外的部分切割成小块。当所有叠成都形成以后，所制作的原型就埋在方块材料里面，取出方块，去除原型外的材料就得到了所制作的原型。采用这种方法得到的原型不存在内应力也没有变形，所以其精度是非常高的。在整个成型过程中，激光器不需要照射整个截面，因此其耗能也较低，成型效率高。一般这种成型技术得到的原型精度可达到0.1mm，并且原型的制作不需要支撑，因此成本相对也较低。 (4)熔融沉积法(FDM一Fused Deposition Modeling)熔融沉积法是通过熔化热塑性纤维材料，将其从传送头送出来在底座上逐层堆叠沉积。这种快速成型技术依赖于材料快速固化的性能（大约0.1s）。熔融状态的材料在底座上从底部逐层往上进行快速沉积成薄膜，直至最顶部一块模块的沉积完成，便得到了快速成型原型11。表1-1 几种典型的快速原型制造技术特点及常用材料成型方法成型速度原型精度成型特点常用材料SLA较快较高设备昂贵、原材料贵、加工成本高、适用于制造小件、精密件。热固性光敏树脂LOM快较高原材料成本低,激光器寿命长,适用于制造大型实心件,直接成型铸造木模。纸、金属箔、塑料薄膜等SLS较快较高制件强度和韧性好,既可做样件也可做蜡模,运行成本低。石蜡、塑料、金属、,覆膜砂FDM较慢较低自动加支撑、操作难度小,制件硬度高,韧性稍差,不致密有间隙。石蜡、尼龙、ABS、低熔点合金等1.3 3D打印核心方案的确定在上述几种快速成型技术方法中，介于粉末激光烧结技术（SLS）可以成型的材料种类多，并且能对金属材料进行烧结，加之在国内机械水平方面，激光烧结技术也已经达到了技术成熟的阶段，成本低，制件精度也较高，而且通过这种技术制造出来的产品通过必要的后处理工艺就能具有一定的使用功能性。另一方面，中国华中科技大学对粉末激光烧结技术处于同行业领先水平，他们研发的HRPS系列成型系统，它的精确性和可靠性以及产品性能可与国外同类产品相比美，此系列的快速成型系统已经被国内外大量用户所认可，因此，基于以上SLS的技术特点以及国内自主技术水平，本次金属材料型3D打印机的设计的打印部分就采用SLS技术。第2章 结构及原理设计2.1 打印机结构的整体设计图2-1 打印机结构示意图如图2-1所示,粉末材料选择性激光烧结工艺技术成型原理（选择性激光烧结技术SLS）:通过计算机控制二氧化碳激光束按照所需成型模型的截面形状信息在工作台上铺好的一层金属粉末材料上进行扫描，扫描过程中，单个的金属微粒就会在高能激光束的作用下熔化，激光扫过之后便迅速凝结，这样当激光束扫描过一段距离之后，金属微粒便会按照扫描的路径凝固成一片层实体12。当一层扫描结束后，计算机控制工作台下降一层固定厚度的高度，然后铺粉小车再在工作台上铺上一层新的金属粉末，重复上述扫描的过程，那么新的一次扫描就会在先凝固的一层上再凝固，如此过程反复进行，直至所需制造的三维实体的生成。等到工作室温度降下来后取出打印的工件，去除包裹在成型件外部多余的金属粉末，再按照设计的要求进行必要的后处理工序，比如去应力退火、淬火和上漆等13。2.1.1 打印部分定位结构的设计 图2-2 XY轴结构设计图2-3 Z轴结构设计打印机机械结构部分工作台定位的结构设计采用三轴定位，其中X Y轴结构设计如图2-2所示，通过电机驱动丝杆转动使图中标注区域沿着箭头指示反向移动，这样便实现了工作台在X轴和Y轴方向上的定位。Z轴方向的设计如图2-3所示，通过步进电机驱动载物台下的丝杆转动使载物台能沿着箭头指示的方向移动，丝杆与载物台的连接处焊入轴承，通过轴承与丝杆连接，当电机驱动丝杆转动的时候才能保持载物台在X Y方向上的静止，这样就实现了工作台在Z轴方向上的定位设计。打印机机械结构整体模型如图2-4所示：图2-4 打印机三轴定位结构示意图2.2 SLS的基本工艺和其他所以快速原型技术工艺过程一样,选择性激光烧结快速原型工艺过程也同样分为前处理、叠层制造及后处理三个过程。下面以制件的原型制作为例介绍粉末选择性激光烧结快速成型的工艺过程。 2.2.1前处理过程(1)CAD模型每一种快速成型制造系统的原型制作过程都是在三维CAD模型的驱动下完成的，所以也有人讲这种技术称为数字化成型技术。在整个模型制作过程中，CAD模型相当于在传统加工工艺流程中的图纸，为整个三维制作过程提供数据信息。通常用于构件模型的计算机辅助设计软件必须具有强大的三维造型功能，这包括实体造型(Solid Modelling)和表面造型(Surface Modelling),表面造型对构件复杂的曲面有很突出的作用。 (2)三维模型的切片处理因为快速原型技术是按工件截面形状一层一层来加工的，所以，在加工之前必须在三维模型上，应用切片软件对三维模型进行切片处理，切片方向沿成型高度的方向，并设定一定的切片厚度从而提取到截面的轮廓信息，切片的厚度根据生产效率和成型件的精度要求来设定，厚度越小，成型件的精度就越高，但加工成型所需时间就越长，厚度越大，加工成型时间缩短，但成型件的精度就降低，（通过实验认定间隔的范围为0.1到0.3mm为宜，通常设定为0.2mm，在取这个值的情况下,加工出的工件能保持较光滑的成型曲面和合适的加工时间13。激光烧结全过程流程图如图2-2所示：构件三维模型模型近似处理前处理成型方向选择切片处理激光分层叠加成型烧结粉末三维产品后处理工件剥离后处理图2-2 激光烧结工艺流程图2.1.2分层烧结堆积过程(1)工艺参数从快速成型技术原理可以看出，SLS制造系统主要有控制系统、机械系统。激光器以及冷却系统组成。SLS快速原型技术工艺的主要参数如下：1) 激光扫描速度 激光扫描的速度直接影响着烧结金属粉末过程中能量的吸入和烧结速率，这将根据激光器的规格和型号来选定。2) 激光功率 激光的功率跟烧结过程中激光扫描的速度和扫描速度等因素都有很大关系，对于激光功率的设定要根据激光器的规格和型号的不同按百分比来设定。3) 烧结间距 烧结间距大小对烧结路线的疏密程度起着决定性作用，并且影响烧结过程中金属粉末对激光能量的吸入。4) 单层厚度每一层的厚度对整个零件加工的效率、零件的表面质量有着最直接的影响，每一单层厚度越薄，加工出来的零件精度就越高，跟设定的零件形状越接近，但是加工的时间会较长。 同样，单层厚度这因素对激光烧结过程中激光能量的吸入也有影响。5) 扫描方式这里所谓的扫描方式就是激光束根据工件截面形状扫过金属粉末过程所遵循的规则，简单的说就是怎么“绘制”出截面轮廓形状，这对烧结成型工件表面质量和烧结效率有一定影响。 (2)原型烧结1) 预热 由于金属粉末的烧结是要在一个较高的温度条件下熔化金属材料，为了提高金属烧结的效率，改善金属粉末烧结的质量，我们采取事先将金属粉末预热的方法，在烧结之前先把金属粉末加热到一个临界温度。2.1.3后处理过程从打印系统中取出所打印的工件的原型后，需要对包裹在工件表面的金属粉末进行清理，大多数金属零件还需要进行修补、抛光、打磨和强化处理，包括去应力退火，淬火强化等处理措施，这些工序称为后处理。（1） 制件清理制件清理就是打印结束后将附着在制件表面为烧结的金属粉末从制件上清理出来，露出制件真实表面形状结构的过程。这一过程是一个很细致的工作，如果操作不当将会对制件的质量产生影响。一般情况下附着在零件表层的金属粉末可以用毛刷直接清理，对于某些附着较紧或者零件的某些细节处不能用毛刷直接清理的需剔除。对于零件的清理是加工过程中一个重要的环节，要使得加工的零件保持美观和完整，需要操作此工序的操作手对原型很熟悉，和具备良好的清理技巧。（2） 后处理 在取出工件并进行过清理工作之后，零件在某些性能方面仍然还达不到使用要求，比如：机械强度、稳定性、精度等。这时就还需要对制件进行后处理工艺，一般情况下，对于具有最终使用性功能要求的金属原型制件,通常采取淬火的方法对其进行强化和去除内应力。2.2 烧结过程中为防止金属被氧化可采取的措施 由于在整个对金属粉末烧结的过程中都处于一个高温的环境，不得不考虑防止打印过程金属被氧化的因素，如果这一环节没有得到有效解决的话将会对打印制件的质量产生致命的损坏，因此为了防止这一因素的发生，这里采取的措施是：1、对整个打印室做密封处理，使其在一个密闭的环境下烧结；2、在对打印室密封之前进行除氧处理，具体的办法是：在关闭打印室之前，使用一块用酒精（）浸泡过的湿布块儿点燃后放入装置内，然后关闭打印室。这样便会将装置内在打印之前的氧气给消耗掉，创造一个无氧气的环境，其除氧原理为： 2.3纵向精度监测控制装置设计2.3.1 纵向精度监测控制装置设计的由来 由于每一个打印工件的CAD原型都会被切成若干个片层，那么相应的承载打印工件的Z轴也将下降若干次，而对于整个装置来说，在这细微的情况下Z轴的下降难免会存在误差，在此做一个假设，假如一个直径为20cm球形CAD原型，根据之前参考的每层切片为0.10.3mm，这里我们设定每一层切片为0.2mm，那么此原型将被切为1000层，相应的在打印过程中，每一次Z轴就下降0.2mm，总共下降1000次。试想如果其中的100次下降都产生了+0.01mm的误差，那么这100次累计下来将产生的误差就是：0.01mm 100 = 1mm 。这将产生的结果是打印出来的球体在竖直方向多了1mm，并且球的顶部就多出了一个部分，这对精密制件来说是一个巨大的误差，所以这里设计了这个纵向精度监测控制装置来解决这一可能存在的问题。2.3.2 纵向精度监测控制装置的原理 这里本文采用的是激光测距的方式来解决这一难题，具体的原理如下：在工作台的上方某处安装固定一个激光测距仪，激光测距仪与计算机连接控制，并把测距结果反馈到计算机上，由计算机综合处理。假定正常情况下激光测距仪到工作台的距离为10.000cm，也就是说在精确的情况下，激光测距仪测出到工作台粉末表面的距离为10.000cm。当每一层打印结束，Z轴下降一次，铺粉小车把工作台上重新铺上一层新的金属粉末后，激光测距仪都将对这一新的粉末平面测一次距离，并将测得的结果反馈到控制的计算机上，并由计算机记下每一次误差的正负值并叠加每次的误差值（设叠加值为R），当0.1mm R0.3mm时，控制计算机不对打印机做出动作控制，打印机正常工作。当R0.1mm或R0.3mm时，控制计算机对打印机做出反馈，然后控制打印机的控制系统调整Z轴升降，具体升降数值为：假如R=0.08mm，那么Z轴就下降0.12mm，假如R=0.32mm，那么Z轴就上升0.12mm，计算机控制铺粉小车重新对工作台铺一次金属粉末，使激光测距仪测出的距离重新回到10.000cm，这样使铺上的这一层粉末重新回到0.2mm，以保证打印的精度。如此反复，只要R的值小于了0.1毫米或大于了0.3毫米，计算机控制系统就做出以上反馈，直至打印结束。如图2-3所示，方形块儿所示部件就是激光测距装置：图2-3 纵向精度检测控制装置控制流程图如图2-4：激光测距计算机监测控制0.1R0.3否Z轴(升/降)是正常打印图2-4 纵向精度监测控制流程图第3章 电路部分的设计3.1电机的选择电机的选用采用步进电机。步进电机是一种可以把数字信号输入脉冲转化为转动或者直线运动的电磁执行元件。每当输入一个电流脉冲，步进电机转轴转动一个大小为步距角的角度。输入的脉冲数数量越多，步进电机回转角的总量越大，脉冲的输入频率越快，步进电机的转速就越快14。步进电机是机电一体化产品里面一个关键的部件，通常可以用来控制定速和控制定位。步进电机具有定位精度高、转动惯量低、控制简单、无累积误差等特点。很多机电一体化产品都使用了这种电机，如：机械手臂、数控机床、复印机、计算机外围设备、传真机等。3.2步进电机的选择计算 3.2.1 竖直方向（z轴）两个电机的的选择：在整个机械构件中，左边物料箱和右边打印构件箱将是承载重量最大的部分，因此以物料箱和打印构件箱的规格参数来计算选择步进电机的规格，又因为在整个打印过程中左边物料箱必须满足金属粉末的量要大于所打印构件需要的金属粉末的量，也就是左边物料箱的重量一定将是大于右边构件箱的重量的，所以在此基础上，对于竖直方向两根轴和步进电机的选择可以完全以物料箱的规格来计算：物料箱重量：长宽高密度（普通铁粉）=1010156.0=9000g这是储料的重量，另外加上储料箱的质量，所以左边部分的总重量取个大概值：G=10kg丝杆的选择： 考虑到在长期的使用过程当中，对丝杆会有磨损，为了能更好的保证精度，这里选择使用滚珠丝杆，从而更好的保证加工的进度，在本设计中由于对承载的重要要求不高（10kg），因此着重考虑螺纹螺距的选择：这里选用公称直径10mm，导程1mm的外循环插管式右旋向滚珠丝杠15，具体型号为：CM1001-3-T4滚珠丝杆：CM1001-3-T4C：表示“外循环插管式”的滚珠循环方式； M：表示“导珠管埋入式”的结构特征； 10：表示“公称直径”10mm；01：表示“基本导程”1mm；01后面的表示是：螺纹旋向，没标准的为右旋，左旋用“LH”表示，这里为右旋； 3：表示“滚珠圈数”，此处为3圈； T：表示传动滚珠丝杠副 4：表示精度等级，4级。（1）计算齿轮的减速比 齿轮减速比i的计算: i=(.S)/(360.) (3-1) 式中： -步进电机的步距角（度/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） （2）计算丝杆和齿轮折算到转动电机轴上的惯量Jt。 （3-2） 式中：-折算至电机轴上的惯量() 、 -齿轮惯量() -丝杆惯量() W-工作台重量（N） S -丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的总力矩M （3-3） （3-4） 式中：-电机启动的加速力矩（N.m)、-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)-电机所需达到的转速（r/min）-电机升速时间（s） （3-5） 式中： -导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) -摩擦系数 -传递效率 （3-6） 式中： Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）负载起动频率估算。控制电机的启动频率、负载转矩和惯量三者的关系式为 ： （3-7） 式中：-带载起动频率（Hz） -空载起动频率 如果负载转速不能够精确的确定,那么可以按照=1/2进行估算。 （5）因为电机的输出力矩与频率成反比，所以当达到最高频率时，由矩频特性的输出力矩就能驱动负载。 （6）负载力矩和最大静力矩。负载力矩的计算按照公式（3-5）和（3-6）进行，当电机转速最高时，矩频特性决定的电机的输出力矩要比和之和要大，并且留够余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 0.4) 。 在选用上述CM1001-3-P4滚珠丝杆和物料箱重量的基础上，根据上诉步进电机的选型计算公式，选取型号为23HS8630型步进电机16：型号： 23HS8610步距角： 1.8机身长: 76mm电压： 8.6V电流： 1A电阻： 8.6电感： 14mH静力矩：189N.cm (双极驱动）135N.cm (单极驱动）定位力矩：6.8N.cm转动惯量：480g.cm2引出线： 6当步进电机的步距角为1.8度时，电机转动一圈所需要的脉冲数量为 n=360/1.8=200个。也就是说，在这种情况下，步进电机带动Z轴CM1001-3-P4滚珠丝杆移动1mm所需要的脉冲数为200个，因此，在本文金属粉末打印的过程设计中，对于每次Z轴下降0.2mm的设定值时，步进电机所需要的脉冲数为40个。表3-1 23HS系列步进电机型号参数一览表型号步距角机身长mm电压V电流A电阻电感mH静力矩N.cm定位力矩N.cm转动惯量g.cm223HS74251.8643.752.51.54.5150538023HS74301.8642.430.82.3150538023HS74421.8642.314.20.551.2150538023HS86101.8768.618.6141356.848023HS86151.8766.751.54.57.8140644023HS86201.8764.522.253.61356.848023HS84251.8764.52.51.86.5180644023HS86301.8763311.61356.848023HS84301.8763313.518064403.2.2 XY轴方向步进电机的选择：在XY轴方向电机的驱动受力矩的影响不大，因此可选用常规打印机或医疗设备所采用的微型步进电机，这种设备大多采用28BYG系列微型步进电机17，其参数见表3-2:图3-1 28BYG系列微型步进电机表3-2 28BYG微型步进电机参数序28BYG系列步进电机型号相数电压电流电感保持转矩定位转矩转动惯量重量接线图机身长度电阻号规格2VAmHN.cmN.cmgmm1240127.20.62.24.50.36105B280.422240225.70.355.84.50.36105B28123340122.80.63.26.00.48110B335.54340227.20.359.26.00.48110B33155440122.40.66.06.00.511140B417.064402212.20.35156.00.511140B41207540122.80.67.2100.813180B5598540122.40.3518.5100.813180B5524这里选用28BYG2401型，步距角为0.9度。那么该步进电机转动一周所需要的脉冲数为n=360/0.9=400个，同样选用上诉滚珠丝杆 CM1001-3-P4，那么该步进电机带动该丝杆移动0.1mm所需要的脉冲数为40个。注：28BYG系列主要用于医疗设备、检测仪器、机器人、打印机、教学仪器、开关量的控制、智能玩具、钟表、磁盘、精密定位等配HSM20401驱动器。3.3控制电路的设计常见的对于步进电机的控制一般有三种：一、基于电子电路的控制系统；二、基于单片机的控制系统；三、基于PLC的控制系统。3.3.1基于电子电路的步进电机控制系统：驱动电机脉冲控制器环形分配器步进电机图3-2 基于电子电路控制系统如图3-2所示，这类系统主要是由基于电子电路的脉冲控制器而产生脉冲来控制信号，再用过环形分配器将脉冲分配后送到驱动电机内将功率进行放大处理，从而便有足够的功率来驱动步进电机运转。步进电机驱动电机单片机系统3.3.2 基于单片机的步进电机控制系统：外围电路 图3-3 基于单片机的控制系统如图2-1所示，本系统采用单片机来对步进电机进行控制，其实也就是通过把硬件和软件相结合起来，环形分配器用软件来代替，从而达到对步进电机的控制18。系统中步进电机各相驱动线路通过采用片机接口线直接控制，由于单片机功能强大，还能根据实际需要来设计大量的外围电路，比如用键盘就可控制步进电机的正转、反转和停止功能。基于单片机的控制系统还有以下优点：通过使用单片机软件编程的方法可以使原本十分复杂的控制过程实现自动控制以及精确控制，能避免因失步和震荡造成的精度误差；环形分配器可用软件来替代，只需通过对单片机进行设置，可以用同一种硬件电路结构控制并驱动步进电机，这样借口电路的灵活性和通用性就大大提高了；功能强大的单片机使复位电路、键盘电路等外部电路实现了有效结合，从而让系统的交互性也大大提高了。3.3.3基于PLC的步进电机控制系统：基于PLC的步进电机控制系统PLC功率驱动器环形分配器 图3-4 基于PLC的步进电机控制系统如图3-4所示，PLC也被称为可编程控制器，控制系统通过采用PLC来产生控制脉冲，再通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲。因为PLC的扫描周期几乎都在几毫秒到几十毫秒之间，因此频率最高也只能到几百MHz。然而步进电机不能在高频条件下工作，高速条件不能实现精确控制，而且当其速度较高时，受PLC控制系统扫描周期的影响，精度的控制也会大幅度降低。经过以上三种常见步进电机的控制系统的方案对比，基于本次设计研究的现实需求，此次设计采用单片机控制系统方案。4 基于单片机的步进电机的控制系统设计 本次金属材料型3D打印机设计的电路设计部分将采用AT89S52单片机控制系统对步进电机进行控制，通过8155的14位减法计数器产生控制步进电机运行的脉冲信号，大幅度减少了对单片机CPU资源的占用，同时通过选用不同的8155TIMER IN端的输入频率，精确控制步进电机的运转速度，能大大提高系统的可靠性19。4.1 电路组成和工作原路 本系统主要由AT89S52单片机、基准频率发生器、8155接口电路、分频电路、驱动电路、环形分配器、键盘等部分构成。可以通过使用键盘预先设置所需要的转速，89S52单片机经过判断预先设置的转速选取不同的频率给8155的TIMER IN端处，然后经过计算装上一个值到8155的计数器，8155的TIMER OUT端处输出同样频率的连续的方波，此脉冲通过环形分配器，然后通过驱动电路，直接使步进电机达到预先设置的转速值。电路结构框图见图3-5。89s52单片机键盘显示接口电路环形分配器8155接口频率选择驱动电路分频电路步进电机6M晶振图3-5 电路结构框图4.11 连续方波产生模块8155是由一个减法计数器，和两个寄存器组成，以其中的一个低十四位构成计数器，余下两个高位(M2,M1)用于设置计数器的输出信号。计数工作时，从外围引进计数脉冲，设置M2M1=01，输出频率为f的连续方波，这个频率f只跟输入频率f1和计数长度L有关，三者的关系为： f=f1/L。运用这种方式，单片机便只会在需要的时候给计数器设置一个计数长度，这样对步进电机的控制不仅仅很显得方便，并且几乎不会占89S52CPU资源。4.1.2分频和频率选择模块为了使步进电机的转速达到一个精确的值，8155TIMER IN端处需输入不同的频率。此方案通过对6M的晶振源分频处理从而得到所需要的频率，通过74LS90和74LS92组成的分频电路对6 M晶振源分频，从而得到6 M、500 K、100 K 3个不同频率。单片在判断步进电机转速的大小之后决定在8155TIMER IN端处输入哪一个频率。如图3-6所示， 当P1.0、P1.1、P1.2为100时，8155TIMER IN端输入频率为500 kHz，同理当P1.0、P1.1、P1.2为010时，8155TIMER IN端输入频率为6 MHz，当P1.0、P1.1、P1.2为001时，8155TIMER IN端输入频率为100 kHz。图3-6分频和频率选择电路4.2 精确转速的实现如前文所述，步进电机是一种可把电脉冲信号转变成角位移的电动机，当电机内某一绕组通电时，两个磁极就将形成S-N级而产生磁场，并与电机内部的转子形成磁路。若此时定子小齿没有和转子对齐，在磁场力的作用下就会使转子转动一个角度，从而使定子小齿和转子对齐，这样便实现了步进电机向前“走”了一步。在这种情况下，单片机有顺序地给绕组有序的输入电流脉冲，电机就可以转动起来了，这样也就将数字转