(完整版)3D打印机毕业设计

1、山东农业大学毕业论文题目：3D打印机设计学 院机电学院专业班级电气五班届次 2014届学生姓名 姜云飞学号指导教师 宋洪军二。一四年五月十二日目录摘要.IAbstractn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 弓|言 72.2 总体框架的设计 82.3 温度控制回路的设计 82.4 X

2、YZ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 93机械结构 103.1 传动方式的选择 103.2 转动惯量的计算 113.3 喷头的选择 124电机的选择 134.1 伺服电机和步进电机的对比 134.2 直流交流伺服电机对比 154.3 负载转矩的计算 154.4 打印速度的初步估计 165传感器 165.1 温度传感器对比 165.2 机械位置传感器 185.3 压力传感器 196 3D打印机的优点及面临问题 216.1 3D打印机的优点 216.2 3D打印技术面临的问题 21参考文献 22致谢 23ContentsSummary.Abstract.n1Introdu

3、ction .21.1 Research Status 3D printer at3Dprinter21.1.2ResearchStatus of domestic 3Dprinters31.2Trendsof3Dprinter31.1.1 Futureprospects of 3D printingindustry31.1.2 3D printing technology for futuredevelopment41.3 3Dprinterworksandfeatures41.4 The development of innovativeandbreakthrough61.5 Chapte

4、rSummary72 Overallprogramandstructuraldesign72.1 Introduction72.2 Theoveralldesignoftheframework82.3 Temperaturecontrolloopdesign82.4 XYZ three directionalcontrol motordesign92.5 Mobile and spray nozzle design volume adjustment93 Mechanicalstructure103.1Transmission103.2 Calculationofinertia11nozzle

5、124 motor134.1 Comparison of servo motors motors134.2 Comparisonofmotor154.3 Thecalculatedtorque154.4 PreliminaryestimatesSpeed165 Sensor.16 5.1ComparisonSensor165.1 Mechanicalsensor18Selectmomentof3.3SelectSelectandstepperDCservoofloadPrintTemperatureposition5.2 Pressure sensor196 Advantages of 3D

6、printers and the problems faced216.1 Advantages3Dprinter216.2 3D printing technology issues facingthe21References .22Acknowledgements.233D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

7、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3D printer GraduationAuthor: Jiang Yunfei Instructor: Song Hongjun【Abstract : 3D printing is one of the last two years became popular rapid prototyping technology, which

8、 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 ind

9、ustrial development, development made a comprehensive presentation situation, review the basic concepts of 3D printing technology, development the development process of introduction of 3D technology, working principle and characteristics of the process of 3D printing technology based on the analysi

10、s 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 manufacture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

11、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

12、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25mmB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。止匕外，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和 Shapeways英国的Reprap等。3D Systems 公司

13、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&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。

14、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

15、和成型材料111;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

16、业化的快速成型服务，具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。但3D打印技

17、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 进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。Gartner公司

18、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

19、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

20、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CADCAPPRP 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

21、匀材料的模型等 .图1是三维打印成型机的剖面示意图.其工艺是先由铺粉辗从左往右 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，再由铺粉辗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，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的.XY平面运动<>打印头OOO ,.左右运动OOO打印零件铺粉辐供粉加Z成型缸图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

22、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 CADProe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，

23、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 0. 3mmz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。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

24、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，具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

25、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Open3D囹新小组宣布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

26、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300mm5秒的极限，达到350mm5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

27、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4000x2000x1000mm寸的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 。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勺3D设计平台3DTin ,另外，微软谷

28、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

29、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3D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，

30、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3D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

31、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ABSPLA!材熔点为230c左右，分解温度260c以上，故其通常成型温 度在250c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。控制回路方框图如下：设置的空气温度-单片机- DA转换器-加热电路-当前温度-温度传感器-AD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

32、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融状态并将料丝送人液化器；3）流道功能：提

33、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

34、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3.2转动惯量的计算直线导轨可分为：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

35、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13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 13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 13。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。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，

36、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）。滚珠丝杠根据国家标准 JBT989” 1999 选用长度L=1.0m,公称直径D=12mM称导程mmPh40】对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为：Jt=Zi+1i2Z2+js+jq（kg.m 2）其中i为两齿轮的传动比，此处取i=ZiZ2=1其他符号说明如下：乙齿轮l 及其轴的转动惯量；Ji=0.

37、0018kg.m2Z2齿轮2 的转动惯量，取J2=0.0018kg.m2Js丝杠转动惯量，kg.m2Jw-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，4mmg重力加速度，9.8ms2;圆柱体的转动惯量：J=18MDM-圆柱体质量；D-圆柱体直径；而且选用丝杠的密度（类于铁）为7.8gm3滚珠丝杠的转动惯量为：Js=14兀 D2pl*18D2=3.14*0.012 4*1.0*780032=1.59*10 -5（ kg.m 2 ）Jw=6*0.004 2(9.8*4 兀 2)=2.48*10 -7( kg.m 2 )从而 J t=3*10-3 ( kg.m 2)

38、可见，Jt很小一一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 3000rmin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25.4360=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，对应的月冲当量：由i=1 ,求得丝杆转一圈，喷头前进 4mm则机械精度对

39、应丝杆转一周，上位机应该发出的指令脉冲为4mm0.005mm=8004")则对应转速约为3000,上位机脉冲能力至少800*300060=40000rs ; 对 应6000转的转速，则上位机脉冲能力 80000rs,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=CMXCDV=131072X 100)80000=0=32.8。在此计算电子齿轮比的目的一一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。止匕外，通过上位机的脉冲能力

40、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。伺服电机步进电机控制类型闭环控制开环控制控制精度两相混合式步进电机步距角一般为1.8。、0.9。,五相混合式步进电机步距角一般为。72。、0.3

41、6°带17位编码器的电机而言,驱动器 每接收131072个脉冲电机转一圈, 即其脉冲当量为 360°/131072=0.0027466°,是步 距角为1.8°的步进电机的脉冲当就 的1/655低频特性步进电机在低速时易出现低频振动现象交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象矩频特性步进电机的输出力矩随转速升高而 下降，且在较高转速时会急剧下降, 所以其最高r作转速一般在300- 600r/min交流伺服电机为恒力矩输出，其额定转速一般为2000r/m in-3000r/m in,都能输出额定转如，4额定转速以上为恒功率输出过我能力在选型时

42、为了克服这种惯性力矩.往往需要选取较大转矩的电机，而 机器在正常工作期间又不需要那么 大的转矩，便出现了力矩浪费的现 象。步进电机一般不具有过我能力，在选 型时为了克服这种惯性力矩，往往需 要选取较大转矩的电机，而机器在正 常工作期间又不需要那么大的转矩, 便出现了力矩浪费的现象.运行性能交流伺服驱动系统为闭环控制，卵 动器可口接对电机编码器反馈信号 进行采样，内部构成位置环和速度 环，一般不会出现步进电机的丢步 或过冲的现象,控制性能更为可靠。在选型时为了克版这种惯性力矩,往 往需要选取较大转矩的电机，而机器 在正常工作期间又不需要那么大的转 矩，便出现了力矩浪费的现象。速度响应性能交流伺服

43、系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停步进电机从静止加速到L作转速（一 般为每分钟几百转）需要200-400 毫秒。4.2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

44、虑直流和交流两种161: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10%70%,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。PMSME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

45、 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PMSM6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9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8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

46、律：“进给系统所需力矩T =系统传动惯量 J X。加速度a影响系统的动态特性，a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 a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a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。

47、对于功率P=2冗*nT60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 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 360mml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。求电机匀加速需要时间

48、。电机300ms表示静止加速到额定转速的时间，角加速度为_.2a =50*2 兀 0.3=1047radsM=Ma+fMM=(I m+I t) aM=仙WS24l式中Ma-电机启动加速力矩；Jm, Jt 电机自身惯量与负载惯量(kg m3);Mf导轨摩擦折算至电机的转矩(NI - mj)以一一摩擦系数，取0.1 ;” 传递机械效率，在此取 0.15。齿轮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 ;的传动效率为0.93;总传动效率为：4=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866导轨磨擦折算至电机侧的转矩：M=0.1*6*0.004(2 _-4*0.866*1)=

49、4.4*10需要的输出力矩为：T=J“+M=(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 温度传感器对比方式接触式非接触式测量条件感温元件要。被测对象良好接触;感温 元件的加入几乎不改变对象的温度:被测制度不超过域温几件能承受的1:限 温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率：被测对象的输射能充分超射到检测元件匕测气范雨特别适介I200C以下、热容大、无腐 蚀性对象的连续在线那温，对高于1加0七以上的温度测最较困难糜理上测量范围可以从超低温道及 高温!但

50、1000C以下,测量误庞大， 能测运动物体和热容小的物体温度沛攵业用表通常为】d 1.5, 0.2及0级，实验室用表可达0.01级通常为10. 15 25 St响应速度慢,通常为几1秒到几分钟快,通常为人3$冗他特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、 维护方便,价格低廉,仪表读数直接反 映被测物体实除温度:可方便地组成多 路案中测最。控制系统整个源温系统结构&杂、体积大、 调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通 常只反映被测物体表现温度 （需进力转换卜不易组成测温、控温体化的温度控制装置1200c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、测

51、温方式传感蹑类型测温耙国tr)精 度(%)特点执水银“006000JM结构简单、耐用,但感温部体枳较膨双金属-5050013大暇液-100-60。式力气-200-600热钙-镰1000-28000.3-0.5种类多,适应性强,结构简电，应电笛卷钳0M600020.5用广泛，需注意冷端凝度补偿及动接触式偶11:他=20012000.4-L0圈式仪表电阻对测量结果的影响魏柏-200-601)043标准化程度高，精度及足敏度均较电镇-50-3000.2 4 5好；感温部大，需注意环境温度的阻铜-50-1500.1-03影响热敏电阻-50-30003-0.5体积小，响应快，灵敏度高：线性 差,需注意环

52、境温度的比响非接触辐射温度计100-3500)非接触测温，不干扰被测温度场，式光高温计200-3200辐射率影响小.成用简便.不能用于低温热电探测器200-20001力接触测温，不干扰被常温度场，热敏电阻探翻8-50-3200响应快,测温范围大,适于测混度光子探测耦(M500分布，易受外界干扰，定标困难由上面两个表分析，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-50150C,精度在0.1%0.3叱问，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

53、，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压力传感器电测式压力计态压力，由于电压元件存在电泄露，故不宜测量缓慢变化的加 力和静态压力.电容式压力传感器采用变电容式测量原理,将被测压力引起的惮性元件的位移变 形变为电容的变化，泅量电容,就可知被测压力的大小t箕武 敏度高，输出信号大，测。精度心结构简怛牢固，叫M 高，环境适应性强，能承受高过裁

54、，耐冲击与振动，可在匍御 下口归可动极板质最小，故网有频率高，动态响应快,易受 分布电容影响，制造难度大谐振式比力传靠被利压力所引起的应力改变弹性元件的谐振频率,通过利量 频率信号的变化来检溺压力.用于气体压力的测量，其体枳小， 输出频率高，重复性好，耐震：精度高，uj达0.1%至0. 01% 且具有良好的穗定性.压力检测仪表具体分类特点弹性压力计弹性元件其弹性特性与材料、加工和热处理有关，还。环境温度市关。结构形式布.冲簧管式、波纹管式和弗性模式.弹簧管压力计压力作用卜，弛簧管变形相对较小.般用尸流量较大压力场 合，为提高灵敏度，可采用多圈弹簧。其结构简单,使用方便, 价格低廉,测压范围宽，

55、精度可达0.1%波纹管压力计以波纹管作为压力-位移转换元件，由于金属波纹管在压力作 用下容易变形,所以测压灵敏度高，常用与低压或负乐测压。波纹管既是弹性测压元件，行作为隔离元件琳离被测介质“为 改变盘程，在波纹管上可加辅助弹簧.弹性压力计信号远传方式在普通弹性压力计上增加转换部件,将弹性元件的变形转换为 电优i号输出,就可使就地显示EE力之外,施仃信耳远传功能。不同的转换方法皆不同的压力计,仃电位器式、霍尔式和差动 变压器式。膜式压力计有膜片压力计和膜盒压力计两种,前者用于测量腐蚀性介质或 非凝固、非结晶的黏性介质的压力,后者用于测量气体微压和 负压。应变式压力传感器通过测量仲性元件因压力的作用而产生的应变来间接测认压 力的传感器，其精度高、体枳小、重显轻、测量范围宽，同时 抗振动、抗冲击性能良好。有应变简式、平膜式、压阻式压力 传感器。压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将被利压力转换为电信号.苴体积 小，结构简单，工作可靠,