并联式熔融3D打印机论文

摘要3D熔融打印是最近两年开始流行的一种成形技术。它以数字模型文件为基础,通过逐层熔融打印的方式来构造物体。我们日常生活中的熔融打印机能熔融打印一些平面纸张材料。而3D熔融打印机熔融打印出的是立体产品。本文章对3D熔融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熔融打印技术的基本概念、发展简史、熔融打印过程原理、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熔融打印技术的工作原理流程及特点的基础上，分析了3D熔融打印技术的创新点和存在的问题，展望了3D熔融打印技术的未来发展趋势。根据相应的指标、参数在满足标准化型材的前提下对3D熔融打印机进行整体结构设计，对某些重要的零部件详细分析它的参数和原理作用。3D熔融打印机在工作过程中因受应力的影响可能会发生变形，所以接下来应用材料力学的知识对X方向运动的光杆进行受力分析校核，以确保三维熔融打印机能熔融打印出精度比较高的产品。3D熔融打印机工作的时候是三个方向一起运动，而熔融打印机要精准稳定地做X、Y、Z方向的运动，必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三个方向上自由地运动是我对熔融打印机研究的非常重要的部分，而3D熔融打印机要求的是在最小的尺寸空间里实现三个运动方向运动范围的最大化。设计中主要使用了Solidworks三维制图软件，受力方面结合材料力学力的知识对3D熔融打印机的主要部件进行了受力分析。关键词：3D熔融打印技术；结构设计；SolidworksAbstract3Dprintingisthebeginningofthelasttwoyearsapopularrapidprototypingtechnology.Itisbasedonadigitalmodelfile,bythewayprintedlayerbylayerconstructobjects.Ourdailylivesprintercanprintsomepapermaterialplane.The3Dprintertoprintoutthethree-dimensionalproduct.Thisarticleisfor3Dprintingtechnologysystemanddomesticandforeignindustrydevelopmentstatus,developmenttrendmadeacomprehensivepresentation,reviewthebasicconceptsof3Dprintingtechnology,developmenthistory,theprintingprocessprinciples,applications,andtheproblemsfacedbyabroadimpactandsoon.Onthebasisofthedevelopmentprocessofintroductionof3Dtechnology,3Dprintingtechnologiesworkprocessesandcharacteristics,analyzestheinnovationof3Dprintingtechnologyandproblems,looktothefuturedevelopmenttrendof3Dprintingtechnology.Accordingtorelevantindicators,parametersinmeetingthestandardizationof3Dprinterprofilespremiseoverallstructuraldesign,someimportantpartsofadetailedanalysisofitsparametersandprinciplesofaction.3Dprinterduetotheimpactofstressmaybedeformedinthecourseoftheirwork,sothenextapplicationofknowledgeofthemechanicalmovementofthelightpoleXdirectionstressanalysischecktomakesurethatthe3Dprintercanprintouthighprecisionproducts.Whenthe3Dprintertoworktogetherisamotioninthreedirections,andtheprinteryouwanttodoaccurateandstablemovementX,Y,Zdirection,theremustbeastableorbitprecisebearing,canfreelymoveinthreedirectionsmyprinterisaveryimportantpartoftheresearch,and3Dprintersachievetherequiredrangeofmotioninthreedirectionsofmovementinthesmallestsizetomaximizespace.ThemainuseofSolidworksdesignthree-dimensionalmappingsoftware,bycombiningthemechanicalaspectsofknowledgeforcestrengthofthemaincomponentswerestressanalysis3Dprinter.Keywords：3Dprinting;design;stressanalysis;Solidworks目录Abstract 2绪论 1第一章熔融打印的背景 21.1熔融打印技术概论 21.2熔融打印技术的特点 21.3熔融打印技术-工艺过程 31.4熔融打印技术的应用 4第二章总体方案及结构设计 62.1总体设计要求 62.2熔融打印机床的结构运动方案 6第三章电机方案的选择及选型 73.1电机方案的比较 73.2步进电机的选型 8第四章丝杆的计算 114.1电机选型 114.2丝杆轴的刚性计算 124.3丝杆扭矩计算： 134.4X向轴的校核 154.5Y向轴的校核 16第五章打印头挤压装置的设计 185.1打印头挤压装置的基本原理及功能 185.2打印头挤压装置的组成 19第六章控制系统的设计 206.1控制系统有几种分类方法 206.2控制方案设计 21总结 25致谢 26参考文献 27绪论美国Stratasys公司推出的FDM设备是由ScottCrump于1988年最早开发出来打印技术。材料包括聚酯、ABS、人造橡胶、熔模铸造用蜡和聚脂热塑性塑料等。熔融打印的工作原理是将热熔性材料（ABS、蜡）通过加热器熔化，材料先抽成丝状，通过送丝机构送进热熔喷头，在喷头内被加热融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径打印头挤压并在指定的位置凝固成形，并与周围的材料粘结，层层堆积打印，有效的缩短了产品的开发周期。在熔融打印中，打印精度对最终产品的质量起着决定性的作用。熔融成形工艺比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。该技术无需激光系统，因而价格低廉，运行费用很低且可靠性高。目前在汽车、家电、电动工具、医疗、机械加工、精密铸造、航天航空、工艺品制作以及儿童玩具等行业，已经在以下几个方面起到重要作用：1)产品样本、设计评审、性能测试及装配实验。用户根据制造的打印对设计方案进行评审，进行模拟性能测试和模拟装配试验，然后评估生产的可能性，最后将改进信息提供给设计人员，以便以后的修改和优化。2)将FDM技术和传统的模具制造技术结合在一起，模具制造技术可以缩短模具的开发周期，提高生产效率。3)在生物医学领域，根据扫描得到的人体分层截面数据，制造出人体局部组织或器官的模型，可以用于临床医学辅助诊断复杂手术方案的确定，即制造解剖学体外模型（体外模型）；也可以制造组织工程细胞载体支架结构（人体器官），即作为生物制造工程中的一项关键技术。4)在微型机械方面，采用某些工艺加工方法，如光固化法方法，打印制造技术可以用于微型机械的制造和装配。5)在其他领域，如打印技术还可以用于复制文物，制作工艺品的设计原型，展览模型等。第一章熔融打印的背景1.1熔融打印技术概论随着聚合物加工的高效率和应用领域的不断扩大和延伸,打印头挤压打印制品的种类不断出新,打印头挤压打印的新工艺层出不穷,其中主要有反应打印头挤压工艺、固态打印头挤压工艺、共打印头挤压工艺、木塑复合材料打印头挤压工艺、精密打印头挤压工艺、气体辅助打印、微孔发泡打印头挤压打印工艺。熔融打印的工作原理是将热熔性材料（ABS、蜡）通过加热器熔化，材料先抽成丝状，通过送丝机构送进热熔喷头，在喷头内被加热融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径打印头挤压并在指定的位置凝固成形，并与周围的材料粘结，层层堆积打印。这种新兴的制造技术不受打印几何实体外形限制，直接将三维的立体模型加工变为平面加工,形状特别复杂的物体和简单的物体可以用同样的方法进行制造。1.2熔融打印技术的特点打印技术优缺点：(1)性采用打印技术，从设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型原型，一般只需几个小时至几十个小时，从而可以对产品设计进行评估、测试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争的能力。(2)集成性打印机通过计算机直接执行CAD模型的数控指令，避免了数控中的复杂编程，真正实现了设计制造一体化，大大提高了加工效率。与反求工程(Bioengineering)、Tao技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品开发的有力工具。(3)高度柔性若要生产不同形状的零件模型，只需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可，打印过程中不需要专门的夹具和工具，打印零件与CAD模型具有直接关联，零件可随时修改，随时制造。(4)无限制性打印不受零件的形状和复杂程度的限制，可打印任意形状的造型，这就摆脱了传统夹具、工具加工的限制，使高难度、高复杂度的模型的加工变得相对较容易。(5)材料的广泛性打印技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型。(6)低造价性(7)精度低精度相对国外SLA工艺较低，最高精度0.127mm。(7)速度慢1.3熔融打印技术-工艺过程产品三维模型的构建由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,Fieldworks,UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。三维模型的近似处理由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为打印领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL文件有二进制码和ASCll码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出stl格式文件的功能。三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在打印高度方向上用一定间隔的平行面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。间隔越小，打印精度越高，但打印时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。打印加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的打印头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。打印零件的后处理。从打印系统里取出打印件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。1.4熔融打印技术的应用目前熔融打印技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）--造型设计--结构设计--基本功能评估--模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。打印的应用主要体现在以下几个方面：（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。熔融打印技术可地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。（2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用熔融打印技术进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用熔融打印技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，熔融原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，打印技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接打印，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过铸造或直接金属件打印获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。模具制造。通过各种转换技术将熔融打印转换成各种模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。打印应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。打印技术在各行业中的应用：汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。

轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的制造。医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。第二章总体方案及结构设计2.1总体设计要求熔融打印装置涉及多轴联动，且设备的主要运动关节采用直线元件驱动，形成相互联动运动机构的运动形式，具有打印速度高，材料使用效率好，精度可控，消耗功率低而制造成本低的特点。2.2熔融打印机床的结构运动方案结构运动方案说明图1为熔融打印装置运动示意简图，该熔融打印装置主要由电机，同步齿形带，光杆，丝杆，滑块和喷头等部件组成。从上图可以看出，通过步进电机1，可以实现带有喷头的装置光杆上沿Z轴方向左右移动；电机3带动工作台在X轴左右移动，电机2带动喷头在Y轴的上下移动。喷头可以上下左右移动，工作台前后移动，其加工轨迹可以是直线也可以是曲线，从而实现了单层的二维加工，以及分层加工。在一层一层的叠加以后，就可以得出设计的相应零件。第三章电机方案的选择及选型3.1电机方案的比较由熔融打印装置运动示意简图我们可以知道，XYZ轴各需要一个电机，加上喷头的电机，总共就需要4个电机的带动，该设备才能正常的运动。能够驱动XYZ轴运动的电机分别有：步进电机、伺服电机和直线电机究竟选择哪个电机比较合适，我们做了一些对比如下表：电机的比较电机因素步进电机伺服电机直线电机成本低高高平稳性低频存在振动低频平稳存在边端效应控制简单复杂复杂结构简单复杂简单分辨率较高高高尺寸小较小较小出于成本、应用场合和尺寸的考虑，选择步进电机作为熔融打印装置的动力元件。3.2步进电机的选型修正矩频特性曲线电机型号电流静转矩步距角负载选择电机一般应遵循以下步骤：修正矩频特性曲线电机型号电流静转矩步距角负载电机最大速度选择步进电机最大速度一般在600～1200rpm。在设计熔融装置机械传动系统时根据此参数设计。2.电机定位精度的选择由于喷头打印头挤压机构的打印头挤压速度很低，是在步进电机的低频区域内，因此容易出现振动和爬行等不良现象，故选择打印头挤压机构的减速比为4：1，XYZ轴的步进电机减速比为1：1。3.电机力矩选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）转动惯量计算物体的转动惯量为：(3-1)式中：V为体积元，r为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：(3-2)传动机构的负载为w=2kg，减速比GL=1，小齿轮直径D=17mm所以：加速度计算控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如下图所示。图3.1加减速过程已知加速时间、最大速度Max，可得电机的角加速度：(rad/s2)(3-3)所以：电机力矩计算力矩计算公式为：(3-4)式中：为系统外力折算到电机上的力矩；h为传动系统的效率，表3.2所示。表3.2常用机构的机械效率η表：机构机械效率滑动丝杠0.5~0.8滚珠丝杠0.9齿条和齿轮0.8齿轮减速器0.8~0.95蜗轮减速器0.5~0.7皮带传动0.95链条传动0.9因此传动系统的效率则：根据计算出的力矩T再加上一定的安全系数为1.2则。力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功第四章丝杆的计算4.1电机选型马达额定转速3000最高速度250mm/s=5mm=5mmm3000根据行程长度100mm则确定丝杆长度150mm轴向容许负荷的计算：C0a:基本额定静负荷（kN）Famax:容许轴向最大负荷（kN）fs:静的安全系数FamaxFamax=C0aC0a=10*3.0=30KN选者滚珠丝杆轴径￠20mm其支撑方法为固定自由型滚珠丝杆的临界转速计算N1:临界转速（min-1)Lb安装间距E：杨氏模量（2.06*105N/mm2)I:螺杆轴的最小断面二次矩(mm4)I=πd41/64(d1螺杆轴沟槽直径）r:密度(7.85*106kg/mm3)A:d:丝杆轴沟槽直径（mm)λ：安装方式系数D:滚珠中心径N1=λ*(d/L2b）*107=3.4*（17.2/1502)*107=51078.6rpmN2=7000/D=7000/20.75=3373.5rpm由于N2<N1所以选较小的为临界转速，即滚珠丝杆的临界转速为N2故选马达的转速为3000rpm4.2丝杆轴的刚性计算Ks螺杆轴轴向刚性E：杨氏模量（2.06*105N/mm2)d:螺杆轴沟槽直径（mm)L:安装间距（mm)Ks=πd2E/(4*1000*L)=3.14*17.22*2.06*105/(4*1000*150）=318.9N/um而BNF2005的刚性为380N/um,故满足其要求。定位精度La50La50Lb150当压头由La运行到Lb时，轴向刚性产生的误差Ks1=(π*17.22*2.06*105)/4000*50=956.8N/umKs2=(π*17.22*2.06*105)/4000*150=318.9N/umδ1=1891/956.8=1.976umδ2=1891/318.9=8.929um则定位误差为：δ2-δ1=6.9um4.3丝杆扭矩计算：T1摩擦扭矩(N/mm)Fa轴向负荷（N）ι丝杆导程（mm)η丝杆的效率（0.9~0.95）A减速比M上模盖和滚珠螺母的质量和（Kg)a加速度g重力加速度Tmax=T3=Fa3*ι*A/(2*π*η)=3.63N/mFa1=M（a-g)=23.6*(5-9.8)=113.28NFa2=M(g+a)=23.6*(5+9.8)=349.28NFa3=10000+M(a+g)=10000+23.6(1.21+9.8)=10259.84NFa4=Fa5=Fa7=Mg=23.6*9.8=231.28NFa6=Fa2=349.28NFa8=Fa1=113.28N加速时所需的扭矩：Ｊ惯性矩（Kg/m2)ω角加速度（rad/s2)M上模盖和滚珠螺母的质量和（Kg)ι丝杆导程（mm)ＪA丝杆侧齿轮的惯性矩（Kg/m2)ＪB马达侧齿轮的惯性矩N马达的每分钟转速rpmt加速时间sD齿轮直径mmω=2π*N/(60*t)=2*3.14*3000/(60*0.05)=6280rad/s2ＪA=M齿轮*D2/(8*106)=1.1*1002/(8*106)=0.001375Kg/m2ＪB=M齿轮*D2/(8*106)=0.13*402/(8*106)=2.6*10-5Ｊ=M(L/2π)2*A2*106+Ｊs*A2+ＪA*A2+ＪB=22.8*(5/2*3.14)2*(2/5)2*10-6+1.23*10-3*(2/5)2+1.3*10-3*(2/5)2+2.6*10-5=428.3*10-6Kg/m2T加=Ｊ*ω*103=428.3*10-6*6280*103=2.7N/mTn在行程Ln阶段的扭矩T1=Fa1*ι*A/(2*π*η)-T加=2.66N/mT2=Fa2*ι*A/(2*π*η)+T加=2.82N/mT3=Fa3*ι*A/(2*π*η)-T加=3.3N/mT4=T5=T7=0.082N/mT6=T2=2.82N/mT8=T1=2.66N/mt1=0.05st2=0.043st3=0.029st4=0.1st5=0.057st6=0.05st7=0.108st8=0.05sTrms=［(T21*t1+T22*t2+T23*t3+T24*t4+T25*t5+T26*t6+T27*t7+T28*t8)/(t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7+t8)］1/2=2.01N/mTmax=T3=3.63N/mＪ电机>1/5J=0.856*10-4Kg/m2K1负载系数K2运转时间系数K3起停频率系数T联轴器≥T电机*K1*K2*K3=15.76N/m4.4X向轴的校核(1)选择轴材料40CrMnMo(2)初步确定轴端直径表6-1-19A=97电机轴25取一轴直径40(3)轴受力分析(a)计算齿轮啮合力(b)求水平支承力作用平面内弯矩图a(c)垂直面内支承反力，作垂直平面内弯矩图b(d)支承反力作合成弯矩图、转矩图c4.5Y向轴的校核(1)选择轴材料40Cr(2)轴受力分析表6-1-19d取50mm(3)轴受力分析(a)计算齿轮啮合力(b)水平面水平弯矩图(c)垂直面内支承反力，作垂直平面内弯矩图(d)支承反力，作合成弯矩图、转矩图第五章打印头挤压装置的设计5.1打印头挤压装置的基本原理及功能打印头挤压机构是实现熔丝成形的关键部件，在机械运动控制的精密控制下，从原材料的棒料形态转换到堆积路径单元的形态，层层堆积粘结形成三维实体。打印头挤压机构系统在熔丝成形装置的基本原理是：将原料丝材送入加热腔中，在其中及时而充分地熔化，变为熔融态，然后从满足精度要求的喷嘴中打印头挤压成细丝状，按预设的扫描路径填充堆积成形。喷头的功能可以分解为以下几点：l)将原料丝材从丝筒上拉出。2)将原料丝材送入加热腔。3)将送进的固态原料丝材及时而充分地熔化成为熔融态。4)提供熔融态材料稳定流动的通道。5)将熔融材料打印头挤压喷嘴。6)对打印头挤压熔融态物料进行沿零件截面轮廓和填充。在进行打印头挤压头系统设计时，考虑到工艺优化的要求以及其他特殊要求等，包括以下方面：l)在合适的加热功率下按一定速度送入加热腔的材料经过熔化充分均匀，在加热腔中处于合适的熔融区间(靠控温系统实现)。2)加热腔加热功率应尽量小，该部分应采取隔热措施。一方面减少热量损失，减少能源消耗，另一方面减少高温对其它部件的影响。3)送丝机构应能提供足够大的推动力，以克服高聚物材料打印头挤压时产生的阻力。4)加热腔和喷嘴结构对流动的阻力尽量小。在满足要求的前提下加热腔流道应尽量短，既减少流动阻力，又可减小打印头挤压头总体尺寸。5)结构合理易于安装和拆卸，并可方便地与系统其他部件集成。6)符合人机工程原理，方便人工操作和维护。5.2打印头挤压装置的组成打印头挤压装置结构简图如下图所示：熔融打印头挤压装置分别由导管、打印头挤压机构、散热快、喉管、加热块、喷嘴组成。丝料通过导管进入打印头挤压机构，经过两侧管轮进行加压处理，在经过喉管，通过加热块将丝料处于熔融状态，再通过喷嘴将溶质按CAD分层数据控制的路径打印头挤压并在指定的位置凝固成形，并与周围的材料粘结，层层堆积打印。图2熔融打印头挤压装置1.导管2.打印头挤压机构3.散热快4.加热快5.喉管6.喷嘴第六章控制系统的设计6.1控制系统有几种分类方法1、按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。闭环控制系统闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。2、按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。恒值控制系统给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。随动控制系统给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。控制系统程序控制系统给定值按一定时间函数变化。如程控机床。6.2控制方案设计1.结构设计：主要分为三大部分，一为电机控制位移系统，二为传感反馈系统，三为电源系统。电机控制分为驱动喷头和控制位移两大部分。传感反馈分为位置传感器、温湿度传感和压力传感器。机械结构X轴机构选用导轨-同步齿形带机构;Y轴机构选用光杠-同步齿形带机构;Z轴机构选用两副光杠-丝杠机构；铺粉辊机构选用导轨-同步齿形带机构。控制系统图2位移定位系统在经济型数控机床中，普遍采用步进电机作为伺服驱动部件。步进电机将电脉冲信号转换成角位移，驱动执行机构按一定的规律运动。高精度的位置控制常采用全闭环控制。然而全闭环位置控制不仅需要高精度的位置检测装置，而且控制系统结构包含非线性环节导致控制系统模型复杂化，影响系统的稳定性和性。1.选择电机：电动机型式、电压与转速的选择（1）根据电机启动频率，有无调速要求选择是使用直流电动机或交流电动机；（2）选择电动机额定电压的大小；（3）根据转速要求及传动设备的质量选取它的额定转速与转矩；（4）由生产机械所需要的功率大小来决定电动机的额定功率（容量）。综合以上方面考虑，最后选择与要求相符的电动机。b.几种电机的参数性能比较：步进电机直流电机伺服电机力矩和速度在低速下满转矩，速度增加转矩明显下降在速度增大的情况下，转矩变化很小几乎线性化的力、速度曲线动态特性（速度和加速度）小小良好的加速度特性，高速稳定性加速的时候固定平率的振动会引发问题，细分控制可减少此类问题整个动态范围内平滑、安静运动宽动态范围内平稳运动目标位置准确达到目标位置；自然力矩保持位置稳；开环控制下，如果过载或者超速，目标位置无法达到通过闭环控制达到目标位置（有未知错误纠正功能）；PID整定不正确的情况下，纠正位置错误；可能出现位置超出或持续误差更高速度、更小步距、无后冲。表5.1.1各电机参数性能比较我们主要对比了步进电机和伺服电机的性能参数：1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同；一个是开环控制，一个是闭环控制。3、低频特性不同；步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，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。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统调整。4、矩频特性不同；步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩输出。5、过载能力不同；步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。6、运行性能不同；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直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。7、速度响应性能不同；步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求启停的控制场合。从性能角度出发，通过以下几方面的考虑我们选择使用方案一的步进电机：将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度；2.可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；3.同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；4.可以精确地到达目标位置，精度相比直流无刷电机更加高，开环便于控制；5.使用细分功率放大器并使用高输入信号频率可基本消除共振现象。综上所述，步进电机不需要反馈信号，就可以对系统的位置、速度输出直接控制，而且价格较为便宜，虽然打印速度不快，而我们所做的3D打印机并不要求高速运转，所以选用步进电机作为驱动装置。使用步进电机，步进电机的最大优点就是可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。这个优点正满足我们所设计的电机的要求，虽然步进电机存在‘失步’以及自身振荡等缺点，但是由于他无位置误差积累的优点，使它在控制各轴运动定位时能够避免产生较大的误差，从而可以精确地到达目标位置，精度相比其他种类电机更加高，开环便于控制。而且，在此选择使用细分功放并使用高输入信号频率可有效降低共振现象。因控制器具有采样周期的时间限制，当升速率较高时步进电机的转速容易穿越开关线，形成极限环，造成系统振荡，无法正常工作。针对上述情况步进电机准确定位系统控制器的设计，步进电机准确定位系统的结构框图，由位置补偿表、位置控制器、升降速控制器、信号转换器、转速及位置检测器和转速反馈及失步检测器等功能模块组成。上位机向步进电机定位系统下达位置指令X0控制器根据起始位置、目标位置和转向查找位置补偿表得到补偿位置∆X，形成实际位置指令Xs，进而得到位置偏差e，位置控制器根据偏差e和步进电机当前转速nf发出转速指令ns，再由升降速控制器按照一定的规律计算出当前步进电机的转速n，之后由信号转换器解析为转向信号dir和脉冲信号cp,控制步进电机的转速和转向，使步进电机以一定规律的速度到达指令位置X0。当系统到达指令位置X0时，位置控制器必须使步进电机的转速降为可停车转速，从而达到准确定位控制的要求。总结本文是对3D熔融打印机机械结构的设计，基于Solidworks对熔融打印机机械结构的优化研究，针对3D熔融打印机的机械结构进行校核、对比验证。3D熔融打印机成本较低，也可以应用学校教学，对今后3D熔融打印机的普及起到很大作用，主要结论如下：(1)首先根据3D熔融打印机国内外现有技术水平，阐述了软件开发的难度，分析了其原因，国内的软件开发的进程和突破。表明了我国在这方面的研究虽然是自己开发、自成体系，但不是相对封闭。(2)首先明确了本次设计的主要工作，确定了设计工作参数，把设计思路清晰的分为了四个大步骤，为了后面的设计和Solidworks画图做了很好的准备。(3)然后决定了机械部分的设计包括机械结构传动装置和3D熔融打印机的整体布局设计。解决了从电机到执行部分采取几种解决方案，通过各个方案的比较最终确定了传动装置选择同步带传动。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，通过对步进电机和交流伺服电机等的对比和验证，确定使用SST43D216511520G电机型号。辅助传动装置确定了导轨、丝杠的型号以及喷头