(完整版)3D打印機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文題目：3D打印機(jī)設(shè)計(jì)學(xué) 院機(jī)電學(xué)院專業(yè)班級(jí)電氣五班屆次 2014屆學(xué)生姓名 姜云飛學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師 宋洪軍二。一四年五月十二日目錄摘要.IAbstractn引言 21緒論 21.1 國內(nèi)外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 21.1.1 國外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 21.1.2 國內(nèi)3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 31.2 3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 31.2.1 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景 31.2.2 3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì) 41.3 3D打印機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 41.4 發(fā)展創(chuàng)新與突破 62總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 72.1 弓|言 72.2 總體框架的設(shè)計(jì) 82.3 溫度控制回路的設(shè)計(jì) 82.4 X

2、YZ三方向控制電機(jī)的設(shè)計(jì) 92.5 噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì) 93機(jī)械結(jié)構(gòu) 103.1 傳動(dòng)方式的選擇 103.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 113.3 噴頭的選擇 124電機(jī)的選擇 134.1 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比 134.2 直流交流伺服電機(jī)對(duì)比 154.3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 154.4 打印速度的初步估計(jì) 165傳感器 165.1 溫度傳感器對(duì)比 165.2 機(jī)械位置傳感器 185.3 壓力傳感器 196 3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及面臨問題 216.1 3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 216.2 3D打印技術(shù)面臨的問題 21參考文獻(xiàn) 22致謝 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打印機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)作者：姜云飛 指導(dǎo)教師：宋洪軍【摘要】3D打印是最近兩年開始流行的一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體 .我們?nèi)粘Ｉ钪械拇蛴C(jī)能打印一些平面紙張材料，而3D打印機(jī)打印出的是立體塑品產(chǎn)品 .文章對(duì)3D打印的技術(shù)體系和國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展態(tài)勢(shì)作了綜合介紹，綜述3D打印技術(shù)的

7、基本概念、發(fā)展簡(jiǎn)史、打印過程原理、應(yīng)用領(lǐng)域、廣泛影響以及面臨的問題等.在介紹3D技術(shù)的發(fā)展歷程、3D打印技術(shù)的工作原理流程及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了3D打印技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)和存在的問題，展望了 3D打印技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì).關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；快速成型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；社會(huì)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引言隨著時(shí)代的進(jìn)步，我們的生活水平日漸提升，同時(shí)，人口也在急劇的 增長，我們需要越來越多的物品來滿足物質(zhì)生活條件。這就勢(shì)必造成我們 對(duì)物品的要求也會(huì)越來越高，做工精細(xì)、獨(dú)特且非量產(chǎn)的物品會(huì)受廣大人 們

11、的喜愛。如今，我們擁有了 3D打印這一先進(jìn)的技術(shù)，我們可以通過 3D 打印機(jī)來打印各種我們所需要的、想要的。3D打印技術(shù)應(yīng)用面廣，它可以 用于醫(yī)療行業(yè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品模型、建筑設(shè)計(jì)、制造業(yè)及食品等，前景 廣泛。3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)， 運(yùn)用粉末狀金屬或塑料 等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)則出現(xiàn) 在上世紀(jì)90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝 置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印 材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料” 一層層疊加起來，最 終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。如今這一技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到

12、應(yīng)用，人們 用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。1緒論1.1 國內(nèi)外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀1.1.1 國外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長足的進(jìn)步，目前已經(jīng) 能夠在0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的精細(xì)分辨率。目前國際上較先 進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)25mmB度的垂直速率，并可實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩 色打印。目前，在全球3D打印機(jī)行業(yè)，美國 3D Systems和Stratasys 兩家 公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。止匕外，在此領(lǐng)域具有較強(qiáng)技術(shù)實(shí)力和特色的企業(yè)、研發(fā)團(tuán)隊(duì)還有美國的和 Shapeways英國的Reprap等。3D Systems 公司

13、是全世界最大的快速成型設(shè)備開發(fā)公司。于 2011年 11月收購了 3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領(lǐng)域的龍頭地位。Stratasys公 司2010年與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了 OEM&作協(xié)議，生產(chǎn)HP品 牌的3D打印機(jī)。繼2011年5月收購Solidscape公司之后，Stratasys 又 于2012年4月與以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。當(dāng)前， 國際3D打印機(jī)制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加 速崛起。目前在歐美發(fā)達(dá)國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式。

14、如在消費(fèi)電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的 成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的造型。另外，3D打印技術(shù)獲得應(yīng)用的領(lǐng)域是個(gè)性化消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)。如紐約一家創(chuàng)意消費(fèi)品公司Quirky通過在線征集用戶的設(shè)計(jì)方案，以 3D打印技術(shù)制成實(shí)物產(chǎn)品 并通過電子市場(chǎng)銷售，每年能夠推出60種創(chuàng)新產(chǎn)品，年收入達(dá)到100萬美元。1.1.2 國內(nèi)3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了 3D打印技術(shù)的自主研 發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢(shì)；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢(shì)，并已推出 了 HRP系列成型機(jī)

15、和成型材料111;西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴 頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到 40.2mm中 國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng) 域得到應(yīng)用。但總體而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。近年來，國內(nèi)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了 3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè) 共同的特點(diǎn)是由海外歸國團(tuán)隊(duì)建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)與國外廠商同類 產(chǎn)品相比尚處于低端。目前，國產(chǎn) 3D打印機(jī)在打印精度、打印速度、打 印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術(shù)水平有待進(jìn)一步提 升。在服務(wù)領(lǐng)域，我國東部發(fā)達(dá)城市已普遍有企業(yè)應(yīng)用進(jìn)口3D打印設(shè)備開展了商

16、業(yè)化的快速成型服務(wù)，具服務(wù)范圍涉及到模具制作、樣品制作、 輔助設(shè)計(jì)、文物復(fù)原等多個(gè)領(lǐng)域。與內(nèi)地相比，我國港臺(tái)地區(qū) 3D打印技 術(shù)引入起步較早，應(yīng)用更為廣泛，但港臺(tái)主要著重于技術(shù)應(yīng)用，而非自主 研發(fā)。1.2 3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景根據(jù)國際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)告 Wohlers Report 2011 »發(fā)布的 調(diào)查結(jié)果，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在19882010年間保持著26.2%的年均 增長速度。報(bào)告預(yù)期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長，到 2016年, 包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到 31億美元，2020年將達(dá)到 52億美元。但3D打印技

17、術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面 的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有 3D打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給 進(jìn)進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難。二是打印材料方面，目前 3D打印的成型 材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而 且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前 3D打印 成品的精度還不盡人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受 打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán) 境方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對(duì)的 盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。Gartner公司

18、2011年發(fā)布的最新技術(shù)發(fā)展展望報(bào)告判斷：3D打印技 術(shù)目前正在進(jìn)入概念炒作的高峰階段，其技術(shù)還有待充分成熟，主流市場(chǎng) 也有待進(jìn)一步培育。Gartner公司研究人員認(rèn)為，3D打印技術(shù)成熟到適應(yīng) 市場(chǎng)需求還將需要510年的時(shí)間。在這一較為漫長的發(fā)展過程中，產(chǎn)業(yè) 可能會(huì)面臨增長期望落空、技術(shù)遭遇瓶頸以及投資撤離等風(fēng)險(xiǎn)?？傊瑥闹虚L期看來3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前 產(chǎn)業(yè)距離成熟階段尚有較大距離，對(duì)于3D打印市場(chǎng)規(guī)模的短期發(fā)展不宜過分高估。因此，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)界對(duì) 3D打印領(lǐng)域的投入應(yīng)以加強(qiáng)創(chuàng)新研發(fā)、 技術(shù)引進(jìn)和儲(chǔ)備為主，尤其要重視自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的建設(shè)和維護(hù)，爭(zhēng)取在未 來的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利

19、地位。如受到概念炒作影響，在技術(shù)尚未充分完 善的現(xiàn)階段大規(guī)模投入產(chǎn)能擴(kuò)張，則投資回報(bào)將面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)。1.2.2 3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技 術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未 來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主 要趨勢(shì)。提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件 打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能， 以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的 3D打印材料，如智能材料、 功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特

20、別是金屬材料直 接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)；3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡(jiǎn)便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與 制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求； 軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CADCAPPRP 的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造；拓展在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè) 領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。1.3 3D打印機(jī)的工作原理及特點(diǎn)1.3.1 3D打印的工作原理三維打印技術(shù)是使用噴頭噴出粘結(jié)劑，選擇性地將零件的截面印刷在 材料粉末上面，最后層層將各個(gè)截面粘結(jié)起來.可用于制造復(fù)雜形狀的模 型中空模型，或者制造復(fù)合材料或非均

21、勻材料的模型等 .圖1是三維打印成型機(jī)的剖面示意圖.其工藝是先由鋪粉輾從左往右 移動(dòng)，將供粉缸里的粉末在成型缸上均勻鋪上一層.然后按照計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件底層截面的形狀 然后成型缸平臺(tái)向下移動(dòng)一定距離，再由鋪粉輾從供粉缸中平鋪一層粉末 到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘 結(jié)劑，層層遞進(jìn)，最后得到的零件整體是由各個(gè)橫截面層層重疊起來的.XY平面運(yùn)動(dòng)<>打印頭OOO ,.左右運(yùn)動(dòng)OOO打印零件鋪粉輻供粉加Z成型缸圖1三維快速打印技術(shù)工作原理示意圖3D打印的主要工作流程如圖2所示，其中3D建模是3D打印的前提， 相當(dāng)于平面

22、印刷中的原稿，3D建模質(zhì)量的好壞決定了 3D打印的質(zhì)量.一 般現(xiàn)有的3D建模軟件都可以實(shí)現(xiàn)建模，比如 CADProe等矢量建模軟件， 都可以輕易地實(shí)現(xiàn)3D建模.3D分割將建立的3D模型分成一個(gè)個(gè)的薄片， 每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料及打印機(jī)的結(jié)構(gòu)決定，厚度一般為幾十微米到幾百微米不等.分割工序也是由軟件來實(shí)現(xiàn)，類似于打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序 噴墨打印中將成型材料一層層噴涂在基材上 .目前比較流行的做法是先噴一層膠水 ，然后再在上面撒一層粉末，如 此反復(fù)，噴頭一般可采用噴墨打印機(jī)的噴頭，目前也有一些設(shè)備廠商提供專用的噴頭.打印完成后，還需要對(duì)打印出來的 3D模型進(jìn)行后處理， 比如固化處理剝離模型的修整等等，

23、最終完成所需要的模型的制作 .1.3.2 3D打印的特點(diǎn)與傳統(tǒng)模型制作相比，3D打印具有傳統(tǒng)模具制作所不具備的優(yōu)勢(shì)， 主 要表現(xiàn)如下：1 .制作精度高。 經(jīng)過20年的發(fā)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。傳統(tǒng)模型制作往往需要經(jīng)過模具的設(shè)計(jì)模具的制作 制作模型修整等工序，制作的周期長。而3D打印則去除了模具的制作過程，使得模型的生產(chǎn)時(shí)間大大縮短，一般幾個(gè)小時(shí)甚至幾十分鐘就可以完 成一個(gè)模型的打印。3 .可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作。 對(duì)于傳統(tǒng)模型的制作，個(gè)性化模型的生產(chǎn) 就顯得力不從心，或者是成本高昂。 而3D打印對(duì)于打印的數(shù)

24、量沒有限制， 不管是一個(gè)還是多個(gè)，都可以以相同的成本制作出來。4 .制作材料的多樣性。 一個(gè)3D打印系統(tǒng)往往可以實(shí)現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領(lǐng)域的需要。比如金屬石料高分子材料都可以應(yīng)用于3D打印。5 .制作成本相對(duì)低。雖然現(xiàn)在3D打印系統(tǒng)和3D打印材料比較貴， 但是如果用來制作個(gè)性化產(chǎn)品，具制作成本就相對(duì)較低了 加上現(xiàn)在新的材 料不斷出現(xiàn)，其成本下降將是未來的一種趨勢(shì)。1.4發(fā)展創(chuàng)新與突破3D打印被用作經(jīng)濟(jì)學(xué)人雜志封面，主題為看制造業(yè)新技術(shù)如何改變世 界，詳細(xì)介紹了 3D打印的歷史和發(fā)展，可見人們對(duì)于 3D打印成為一項(xiàng)可 以改變世界的影響力日益關(guān)注。而3D打印的價(jià)值體現(xiàn)在

25、想象力馳騁的各個(gè)領(lǐng)域，人們利用3D打印為自己所在的領(lǐng)域貼上了個(gè)性化的標(biāo)簽。人們紛紛展示了如何3D打印馬鈴薯巧克力小鎮(zhèn)模型，甚至擴(kuò)展到用 3D打印汽車和飛機(jī)，3D打印行業(yè)的發(fā)展始終凸顯著創(chuàng)新突破這一關(guān)鍵特 質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.4.1 3D打印應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展延伸3D打印的優(yōu)勢(shì)在2011年被充分應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，利用3D打印進(jìn) 行生物組織直接打印的概念日益受到推崇。比較典型的包括Open3D囹新小組宣布3D打印在打印骨骼組織上的應(yīng)用獲得成功，利用 3D打印技術(shù) 制造人類骨骼組織的技術(shù)已經(jīng)成熟；哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一個(gè)研究小組則 成功研制了一款可以實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞打印的設(shè)備 ；另外，3D打印人體器

26、官的 嘗試也正在研究中。隨著3D打印材料的多樣化發(fā)展以及打印技術(shù)的革新， 3D打印不僅在傳統(tǒng)的制造行業(yè)體現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿?，同時(shí)其魅力更延伸至食品制造服裝奢侈品影視傳媒以及教育等多個(gè)與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng) 域。1.4.2 3D打印速度尺寸及技術(shù)日新月異在速度突破上，2011年，個(gè)人使用3D打印機(jī)的速度已突破了送絲速 度300mm5秒的極限，達(dá)到350mm5秒在體積突破上，3D打印機(jī)體積為適 合不同行業(yè)的需求，也呈現(xiàn)輕盈和大尺寸的多樣化選擇。目前已有多款適合辦公室打印的小巧3D打印機(jī)，并在不斷挑戰(zhàn)輕盈極限，為未來進(jìn)入家 庭奠定基礎(chǔ)。在ViennaUniversityof Technology的一

27、個(gè)研究項(xiàng)目中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了迄今為止世界上最小的3D打印設(shè)備，并且降低了打印設(shè)備的制造成本， 也有望未來進(jìn)駐家庭在大尺寸領(lǐng)域，在德國的3D打印公 司發(fā)布了4000x2000x1000mm寸的3D打印機(jī)，該款大尺寸3D打印機(jī)使打印大尺寸 部件一次成型成為可能 。3D打印技術(shù)日新月異，在2011年Lexus對(duì)外 發(fā)布了新3D打印技術(shù)，該技術(shù)基于高科技循環(huán)編織技術(shù)，使用激光進(jìn)行 3D打印，能夠以編織的方式制作復(fù)雜的 3D模型1.4.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)革新基于3D打印民用化普及的趨勢(shì)，3D打印的設(shè)計(jì)平臺(tái)正從專業(yè)設(shè)計(jì)軟 件向簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)應(yīng)用發(fā)展，其中比較成熟的平臺(tái)有基于WEB勺3D設(shè)計(jì)平臺(tái)3DTin ,另外，微軟谷

28、歌以及其他軟件行業(yè)巨頭也相繼推出了基于各 種開放平臺(tái)的3D打印應(yīng)用，大大降低了 3D設(shè)計(jì)的門檻，甚至有的應(yīng)用已 經(jīng)可以讓普通用戶通過類似玩樂高積木的方式設(shè)計(jì)3D模型。2總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1引言3 D打印機(jī)，專業(yè)領(lǐng)域又稱快速原型機(jī)，是數(shù)字化增材技術(shù)。經(jīng)過幾十年發(fā)展后的逐漸走向民用市場(chǎng)的技術(shù)成果。其推廣不僅意味著科技的進(jìn)步 更為工業(yè)制造概念增添了新的內(nèi)涵，有著廣闊的發(fā)展前景。本文擬對(duì)3 D打印機(jī)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在綜合考慮性能與經(jīng)濟(jì)性的基 礎(chǔ)上完成其元件的討論與選型。3 D打印機(jī)利用不同的材料打印立體模型，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出一個(gè)初步模型之后，例如一座建筑亦或是人工心臟瓣膜 ,之

29、后通 過3 D打印機(jī) 進(jìn)行打印。打印的原料種類繁多，有機(jī)材料、無 機(jī)材料均可使用。例如塑料、橡膠等。打印材質(zhì)視具體情況而定。3 D 打印機(jī)在9 0年代中期就出現(xiàn)了。隨著科技的發(fā)展，它已經(jīng)投人到 各種科技工作的領(lǐng)域當(dāng)中。通過一層一層堆積的液體和粉末來生產(chǎn)物體,可以用來制造一次性的機(jī)械產(chǎn)品以及模型。牙科醫(yī)生利用3D打印機(jī)掃描患者的牙齒輪廓后復(fù)制出合適的矯正模具；產(chǎn)品生產(chǎn)廠商用 它來完成對(duì)產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)，以避免在大規(guī)模生產(chǎn)后修改設(shè)計(jì)；展覽館用 它復(fù)制真品，以避免真品被參觀者損毀。2.2 總體框架的設(shè)計(jì)2.2.1 系統(tǒng)概述系統(tǒng)由輸人設(shè)備制定部分參數(shù)，從存儲(chǔ)設(shè)備或者直接從計(jì)算機(jī)中得到事先建好的三維模型，

30、由單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分析，切片，建立 必要的支 撐結(jié)構(gòu)，再從單片機(jī)輸出控制指令，控制噴頭型材料融化，并通過一定的驅(qū) 動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)噴頭進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，并控制噴頭的噴 出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料的多少。每打好一層，從外部設(shè)備讀取下一層的參 數(shù)，再打印下一 層，直到全部模型完成。完成 模型的打印之后，還需要后 期的材料回收工作。2.2.2 系統(tǒng)框架輸入設(shè)備、存儲(chǔ)外設(shè)、上位機(jī)、溫度傳感器的測(cè)量值-單片機(jī)分析- 溫度控制回路、XYZ各方向電機(jī)控制、噴出量控制、顯示設(shè)備2.3 溫度控制回路設(shè)計(jì)2.3.1 打印耗材的選用為了實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的功能，所選材料也很重要。既要由較低的熔點(diǎn)， 也要有較好的

31、粘滯性，同時(shí)也需要快速成型。綜合考慮，我們最終選擇了 P L AA B S耗材。2.3.2 設(shè)計(jì)思路概述ABSPLA!材熔點(diǎn)為230c左右，分解溫度260c以上，故其通常成型溫 度在250c以下?？刂苹芈肥褂脺囟葌鞲衅鞣祷禺?dāng)前溫度，反饋回路保證了 溫度保持恒定，控制器統(tǒng)一使用了單片機(jī)來輸出指令。控制回路方框圖如下：設(shè)置的空氣溫度-單片機(jī)- DA轉(zhuǎn)換器-加熱電路-當(dāng)前溫度-溫度傳感器-AD轉(zhuǎn)換器-單片機(jī)2.4 x y z三方向控制電機(jī)的設(shè)計(jì)采用化繁為簡(jiǎn)的思路，將三維打印轉(zhuǎn)化為二維進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一維打印。即Z方向采用步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)固定的 給量算出所需的步進(jìn)角,用這 種方式將三維打印先轉(zhuǎn)化為每一平

32、面內(nèi)的二維打印，再由Y方向也為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，則每一平面內(nèi)的二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條直線上的一維打印。2.5 噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)2.5.1 噴頭系統(tǒng)的功能要求熔融擠出系統(tǒng)對(duì)噴頭系統(tǒng)的基本要求是：將成型料絲送人液化器中，在其中及時(shí)而充分地熔化，由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后再進(jìn)一步從更小直徑 的噴嘴中以極細(xì)絲狀擠出，按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描 速度相匹配，以保證均勻一致的材料堆積路徑。成型工藝對(duì)噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點(diǎn)：1）供應(yīng)功能：將料絲從絲筒上拉出，提供成型材料；2）熔絲功能與料絲送進(jìn)功能：將送進(jìn)的固態(tài)料絲及時(shí)且充分地熔化成為熔融狀態(tài)并將料絲送人液化器；3）流道功能：提

33、供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動(dòng)的通道；4）定徑功能：對(duì)擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑，變?yōu)闈M足要求的細(xì)小直徑 的絲材進(jìn)行堆積；5）出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ埽撼鼋z速度可控，能根據(jù)掃描速 度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)互相匹配。出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時(shí)起停 ，以保證 高質(zhì)量的成型路徑，尤其是在路徑起停處。在采用熔絲擠出方式的工藝原理時(shí) ，就是借助液化器中未熔絲材的 活塞作用，將熔融材料擠出噴嘴，出絲推力近似等于送絲驅(qū)動(dòng)力，所以在此 特定的工藝原理中，送絲功能和基礎(chǔ)功能是等效的。2.5.2 噴頭實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)基于所選擇的打印耗材，噴出技術(shù)采用熔融沉積成型技術(shù) ，根據(jù)片層 參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描，同時(shí)控制熔融液體的

34、體積流量,使 粘稠液體物料均勻地鋪灑在斷面層上。液化器中使用電熱絲提供熱量使料絲熔融。熔融擠壓快速成型工藝對(duì) 溫度的要求極其嚴(yán)格，噴頭出絲溫度和成型室的溫度嚴(yán)格處于一定的溫度 范圍之內(nèi)，且一旦設(shè)定溫度控制值之后，須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài)，不 能產(chǎn)生較大 的擾動(dòng)，否則成型質(zhì)量將受到影響。這就要求液化器溫度必須 保持穩(wěn)定。因此，我們需要加入上述的溫度控制回路來嚴(yán)格控制液化器的 溫度。3機(jī)械結(jié)構(gòu)3.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算直線導(dǎo)軌可分為：滾輪直線導(dǎo)軌和滾珠直線導(dǎo)軌兩種，前者速度快精 度稍低，后者速度慢精度較高。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是 將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ?/p>

35、轉(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具 高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。1）與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為13由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng) ，所以 能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 13以下, 即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 13。在省電方面很有 幫助。2）高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面 ，對(duì)溫度濕度進(jìn) 行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。3）微進(jìn)給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng) 運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，

36、能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。4）無側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓，由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，進(jìn)而得 到較高的剛性（滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，在實(shí)際用于機(jī)械裝置等 時(shí)，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)）。5）高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給 （運(yùn)動(dòng)）。滾珠絲杠根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) JBT989” 1999 選用長度L=1.0m,公稱直徑D=12mM稱導(dǎo)程mmPh40】對(duì)本系統(tǒng)而言，絲杠傳動(dòng)折算到馬達(dá)軸上的總慣量為：Jt=Zi+1i2Z2+js+jq（kg.m 2）其中i為兩齒輪的傳動(dòng)比，此處取i=ZiZ2=1其他符號(hào)說明如下：乙齒輪l 及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ji=0.

37、0018kg.m2Z2齒輪2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取J2=0.0018kg.m2Js絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2Jw-為工作臺(tái)折算到絲杠上的動(dòng)慣量；W工作臺(tái)重量，工作臺(tái)輕，取 6kg;S絲杠螺距，4mmg重力加速度，9.8ms2;圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=18MDM-圓柱體質(zhì)量；D-圓柱體直徑；而且選用絲杠的密度（類于鐵）為7.8gm3滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：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 )從而 J t=3*10-3 ( kg.m 2)

38、可見，Jt很小一一主要由兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來決定，從而對(duì)電機(jī)的功 率輸出要求不苛刻，在功率不高情況下，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。這是一個(gè)小慣量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動(dòng)，加速，制動(dòng)的性能好，反應(yīng)快，比較理想。此類電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般是 3000rmin上下，取3000為參考研究按360dpi的分辨率來考慮，則每英寸 25.4mm對(duì)應(yīng)360個(gè)色點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè) 色點(diǎn)的距離為25.4360=0.07mm,又打印噴頭為雙排的，所以，打印噴頭周 期移動(dòng)距離d=0.07*2=0.14mm,噴墨一次，噴粘劑一次，兩個(gè)噴頭噴出同 步；設(shè)定機(jī)械精度：0.005mm，對(duì)應(yīng)的月沖當(dāng)量：由i=1 ,求得絲桿轉(zhuǎn)一圈，噴頭前進(jìn) 4mm則機(jī)械精度對(duì)

39、應(yīng)絲桿轉(zhuǎn)一周，上位機(jī)應(yīng)該發(fā)出的指令脈沖為4mm0.005mm=8004")則對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約為3000,上位機(jī)脈沖能力至少800*300060=40000rs ; 對(duì) 應(yīng)6000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，則上位機(jī)脈沖能力 80000rs,電子齒輪比不變.CMX :電子齒輪比的分子是電機(jī)編碼器反饋脈沖。CDV :電子齒輪比的分母是上位機(jī)的給定脈沖(指令脈沖)。電子齒輪比=CMXCDV=131072X 100)80000=0=32.8。在此計(jì)算電子齒輪比的目的一一電子齒輪比把上位機(jī)的給定脈沖要換算 成與電機(jī)編碼器反饋脈沖同等意義的信號(hào)，便于控制中心按給定指令要求 控制伺服轉(zhuǎn)動(dòng)定位。止匕外，通過上位機(jī)的脈沖能力

40、的估算，對(duì)比實(shí)現(xiàn)的可 能性，得知我們方案的合理性。3.3噴頭的選擇選用Konica512L型號(hào)，實(shí)現(xiàn)寬度盡可能滿足，分辨率滿足，控制軸方向運(yùn)動(dòng)，Y軸方向由另一電機(jī)控制，控制方式類似，單次位移為36.1mm, 精度控制一樣。雙排式排列方式，使得走完一個(gè)幅面的時(shí)間相對(duì)于單排式 減半，利于打印速度的提高。4電機(jī)的選擇4.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比控制電機(jī)的比較與選?。弘姍C(jī)控制系統(tǒng)按照運(yùn)動(dòng)過程的需要分為驅(qū)動(dòng) 伺服和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)兩大類。伺服有速度控制和位置控制模式。伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制類型閉環(huán)控制開環(huán)控制控制精度兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為1.8。、0.9。,五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為。72。、0.3

41、6°帶17位編碼器的電機(jī)而言,驅(qū)動(dòng)器 每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈, 即其脈沖當(dāng)量為 360°/131072=0.0027466°,是步 距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)就 的1/655低頻特性步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象矩頻特性步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而 下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降, 所以其最高r作轉(zhuǎn)速一般在300- 600r/min交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，其額定轉(zhuǎn)速一般為2000r/m in-3000r/m in,都能輸出額定轉(zhuǎn)如，4額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出過我能力在選型時(shí)

42、為了克服這種慣性力矩.往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而 機(jī)器在正常工作期間又不需要那么 大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn) 象。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過我能力，在選 型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需 要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正 常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩, 便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象.運(yùn)行性能交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，卵 動(dòng)器可口接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào) 進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度 環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步 或過沖的現(xiàn)象,控制性能更為可靠。在選型時(shí)為了克版這種慣性力矩,往 往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器 在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn) 矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。速度響應(yīng)性能交流伺服

43、系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到L作轉(zhuǎn)速（一 般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200-400 毫秒。4.2交流直流伺服電機(jī)對(duì)比在20世紀(jì)60年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，在 70年代 以后，交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng) 的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、 速度和位置等。我們通常說的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和 功率放大部分。雖然采用功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在90年代的所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用， 但是迅速被交流伺服所取代。伺服電機(jī)可以考

44、慮直流和交流兩種161:但直流電動(dòng)機(jī)都存在一些固有 的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花， 使電動(dòng)機(jī)的 最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動(dòng) 機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動(dòng) 機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沒有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小， 使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī) 提高10%70%,此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到 更高的電壓和轉(zhuǎn)速。PMSME要由定子、轉(zhuǎn)子及測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的傳感器構(gòu)成。定子和一般的 三相感應(yīng)電機(jī)類似，采用三相對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間彼此相差

45、 120度。轉(zhuǎn)子上貼有磁性體，一般有兩對(duì)以上的磁極。位置傳感器一般為 光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。4.3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算PMSM6子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的機(jī)理與感應(yīng)電機(jī)是相同的。其不同點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為永磁體且n與ns相同（同步）。兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子 繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可看作一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極吸引轉(zhuǎn)子的磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。 （同性相斥，異性相吸）其中9為失調(diào)角，也稱功率角；K與定子端電壓和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)（磁密） 的乘積成正比。Fy和Fs分別是轉(zhuǎn)子、定子的磁勢(shì)或磁密；p為極對(duì)數(shù)。當(dāng)8為90度角時(shí)，對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，稱最大同步轉(zhuǎn)矩。對(duì)之前我們算 得的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Jt=3.0*10 -3kg.m2進(jìn)行慣量匹配。根據(jù)牛頓第二定

46、律：“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T =系統(tǒng)傳動(dòng)慣量 J X。加速度a影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，a越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時(shí)間越長，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果 a變化， 則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望a的變化小，則J應(yīng)該盡量小。傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響。慣量大， 系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振， 因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有 在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下， 應(yīng)盡量減小慣量。通常負(fù)載的慣量不要大于電機(jī)慣量的 5倍，最大不要超過10倍。

47、對(duì)于功率P=2冗*nT60對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體來說，轉(zhuǎn)矩和慣量的關(guān)系正 如直線運(yùn)動(dòng)物體的受力和質(zhì)量的關(guān)系。4.4 打印速度的初步估計(jì)每打一個(gè)，計(jì)劃在 Y軸方向移動(dòng)10次，使寬度達(dá)到361mm 計(jì)算噴頭走完1個(gè)幅面的時(shí)間T,計(jì)劃彩印周期T秒，暫時(shí)忽略10次Y方 向移動(dòng)時(shí)間，有：電機(jī)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)絲桿1轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)10個(gè)導(dǎo)程共4mm 360mml要電機(jī)轉(zhuǎn)90r, 最高轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)每秒轉(zhuǎn)50r,對(duì)應(yīng)時(shí)間為1.8s。則10個(gè)來回大約18秒, x軸方向10次加減速，對(duì)應(yīng)總時(shí)間6s;走完一個(gè)幅面，需要大概 24秒， 加上其余誤差時(shí)間，30秒就可以完成一個(gè)幅面，T=30s,基本實(shí)現(xiàn)1分鐘打印2頁的要求。求電機(jī)勻加速需要時(shí)間

48、。電機(jī)300ms表示靜止加速到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間，角加速度為_.2a =50*2 兀 0.3=1047radsM=Ma+fMM=(I m+I t) aM=仙WS24l式中Ma-電機(jī)啟動(dòng)加速力矩；Jm, Jt 電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(kg m3);Mf導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(NI - mj)以一一摩擦系數(shù)，取0.1 ;” 傳遞機(jī)械效率，在此取 0.15。齒輪滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的傳動(dòng)效率取0.95 ;滾動(dòng)球軸承傳動(dòng)效率為0.99 ;的傳動(dòng)效率為0.93;總傳動(dòng)效率為：4=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866導(dǎo)軌磨擦折算至電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)矩：M=0.1*6*0.004(2 _-4*0.866*1)=

49、4.4*10需要的輸出力矩為：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,滿足要求。5傳感器5.1 溫度傳感器對(duì)比方式接觸式非接觸式測(cè)量條件感溫元件要。被測(cè)對(duì)象良好接觸;感溫 元件的加入幾乎不改變對(duì)象的溫度:被測(cè)制度不超過域溫幾件能承受的1:限 溫度;被測(cè)對(duì)象不對(duì)感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準(zhǔn)確知道被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率：被測(cè)對(duì)象的輸射能充分超射到檢測(cè)元件匕測(cè)氣范雨特別適介I200C以下、熱容大、無腐 蝕性對(duì)象的連續(xù)在線那溫，對(duì)高于1加0七以上的溫度測(cè)最較困難糜理上測(cè)量范圍可以從超低溫道及 高溫!但

50、1000C以下,測(cè)量誤龐大， 能測(cè)運(yùn)動(dòng)物體和熱容小的物體溫度沛攵業(yè)用表通常為】d 1.5, 0.2及0級(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級(jí)通常為10. 15 25 St響應(yīng)速度慢,通常為幾1秒到幾分鐘快,通常為人3$冗他特點(diǎn)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、 維護(hù)方便,價(jià)格低廉,儀表讀數(shù)直接反 映被測(cè)物體實(shí)除溫度:可方便地組成多 路案中測(cè)最?？刂葡到y(tǒng)整個(gè)源溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)&雜、體積大、 調(diào)整麻煩、價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通 常只反映被測(cè)物體表現(xiàn)溫度 （需進(jìn)力轉(zhuǎn)換卜不易組成測(cè)溫、控溫體化的溫度控制裝置1200c以下、熱容大、無腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，并且接觸式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、測(cè)

51、溫方式傳感躡類型測(cè)溫耙國tr)精 度(%)特點(diǎn)執(zhí)水銀“006000JM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用,但感溫部體枳較膨雙金屬-5050013大暇液-100-60。式力氣-200-600熱鈣-鐮1000-28000.3-0.5種類多,適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)電，應(yīng)電笛卷鉗0M600020.5用廣泛，需注意冷端凝度補(bǔ)償及動(dòng)接觸式偶11:他=20012000.4-L0圈式儀表電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響魏柏-200-601)043標(biāo)準(zhǔn)化程度高，精度及足敏度均較電鎮(zhèn)-50-3000.2 4 5好；感溫部大，需注意環(huán)境溫度的阻銅-50-1500.1-03影響熱敏電阻-50-30003-0.5體積小，響應(yīng)快，靈敏度高：線性 差,需注意環(huán)

52、境溫度的比響非接觸輻射溫度計(jì)100-3500)非接觸測(cè)溫，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，式光高溫計(jì)200-3200輻射率影響小.成用簡(jiǎn)便.不能用于低溫?zé)犭娞綔y(cè)器200-20001力接觸測(cè)溫，不干擾被常溫度場(chǎng)，熱敏電阻探翻8-50-3200響應(yīng)快,測(cè)溫范圍大,適于測(cè)混度光子探測(cè)耦(M500分布，易受外界干擾，定標(biāo)困難由上面兩個(gè)表分析，非接觸時(shí)的對(duì)于1000攝氏度以下誤差較大，應(yīng)該采用接觸式的溫度傳感器。其中，熱敏電阻的銅的溫度測(cè)量范圍在-50150C,精度在0.1%0.3叱問，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，精度及靈敏度均較好, 對(duì)于本設(shè)計(jì)來講銅更加適合作為溫度傳感器。5.2 機(jī)械位置傳感器支持直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式主要就是螺桿

53、，和皮帶兩種，螺桿的精度比皮 帶高，載荷也大，但速度低一些。三維打印機(jī)的打印頭基本不受力，對(duì)載 荷沒有要求，打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)時(shí)，在水平兩個(gè)方向上速度越快越好，在 垂直方向上精度越高越好，速度無所謂（打完一層才動(dòng)一次）。因此打印 機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)一般都是在水平方向使用皮帶（同步帶 ），垂直方向用螺桿5.3壓力傳感器電測(cè)式壓力計(jì)態(tài)壓力，由于電壓元件存在電泄露，故不宜測(cè)量緩慢變化的加 力和靜態(tài)壓力.電容式壓力傳感器采用變電容式測(cè)量原理,將被測(cè)壓力引起的憚性元件的位移變 形變?yōu)殡娙莸淖兓隽侩娙?就可知被測(cè)壓力的大小t箕武 敏度高，輸出信號(hào)大，測(cè)。精度心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)怛牢固，叫M 高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能承受高過裁

54、，耐沖擊與振動(dòng)，可在匍御 下口歸可動(dòng)極板質(zhì)最小，故網(wǎng)有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,易受 分布電容影響，制造難度大諧振式比力傳靠被利壓力所引起的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率,通過利量 頻率信號(hào)的變化來檢溺壓力.用于氣體壓力的測(cè)量，其體枳小， 輸出頻率高，重復(fù)性好，耐震：精度高，uj達(dá)0.1%至0. 01% 且具有良好的穗定性.壓力檢測(cè)儀表具體分類特點(diǎn)彈性壓力計(jì)彈性元件其彈性特性與材料、加工和熱處理有關(guān)，還。環(huán)境溫度市關(guān)。結(jié)構(gòu)形式布.沖簧管式、波紋管式和弗性模式.彈簧管壓力計(jì)壓力作用卜，弛簧管變形相對(duì)較小.般用尸流量較大壓力場(chǎng) 合，為提高靈敏度，可采用多圈彈簧。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便, 價(jià)格低廉,測(cè)壓范圍寬，

55、精度可達(dá)0.1%波紋管壓力計(jì)以波紋管作為壓力-位移轉(zhuǎn)換元件，由于金屬波紋管在壓力作 用下容易變形,所以測(cè)壓靈敏度高，常用與低壓或負(fù)樂測(cè)壓。波紋管既是彈性測(cè)壓元件，行作為隔離元件琳離被測(cè)介質(zhì)“為 改變盤程，在波紋管上可加輔助彈簧.彈性壓力計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳方式在普通彈性壓力計(jì)上增加轉(zhuǎn)換部件,將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換為 電優(yōu)i號(hào)輸出,就可使就地顯示EE力之外,施仃信耳遠(yuǎn)傳功能。不同的轉(zhuǎn)換方法皆不同的壓力計(jì),仃電位器式、霍爾式和差動(dòng) 變壓器式。膜式壓力計(jì)有膜片壓力計(jì)和膜盒壓力計(jì)兩種,前者用于測(cè)量腐蝕性介質(zhì)或 非凝固、非結(jié)晶的黏性介質(zhì)的壓力,后者用于測(cè)量氣體微壓和 負(fù)壓。應(yīng)變式壓力傳感器通過測(cè)量仲性元件因壓力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)變來間接測(cè)認(rèn)壓 力的傳感器，其精度高、體枳小、重顯輕、測(cè)量范圍寬，同時(shí) 抗振動(dòng)、抗沖擊性能良好。有應(yīng)變簡(jiǎn)式、平膜式、壓阻式壓力 傳感器。壓電式壓力傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被利壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào).苴體積 小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠,