金屬材料型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)含三維圖,金屬材料,打印機(jī),設(shè)計(jì),三維
金屬材料型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)
作者姓名：張濤 專業(yè)班級(jí)：機(jī)械四班 指導(dǎo)教師：劉念聰
摘要
在近幾年來(lái)，隨著制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，快速成型技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)一直以來(lái)都受到全世界機(jī)械制造領(lǐng)域的高度重視，從目前社會(huì)對(duì)于快速成型技術(shù)最火熱的設(shè)備話題就是3D打印機(jī)，隨著這幾年3D打印機(jī)的不斷發(fā)展與完善，很多通過(guò)傳統(tǒng)加工難以甚至不能實(shí)現(xiàn)的加工零件在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上得到了實(shí)現(xiàn)。然而，縱觀現(xiàn)有的3D打印機(jī)，大多的都只能對(duì)某些合成材料進(jìn)行3D打印，比如：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等，能對(duì)大多數(shù)金屬材料進(jìn)行3D打印的設(shè)備極少，而在現(xiàn)代社會(huì)，不管是哪個(gè)領(lǐng)域?qū)饘俨牧隙加袠O大的需求，因此，研發(fā)一款能對(duì)金屬材料進(jìn)行3D打印的設(shè)備顯得格外有意義。
本文圍繞快速原型技術(shù)之一----選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）展開(kāi)研究，以SLS技術(shù)為核心原理對(duì)打印機(jī)的結(jié)構(gòu)做出了設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括金屬粉末激光燒結(jié)快速成型技術(shù)的工藝原理，工序流程。其次分析了SLS工藝的參數(shù)對(duì)打印制件的影響，包括激光的功率、掃描的速度、掃描方式和每一層的厚度等。最后對(duì)如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)做了設(shè)計(jì)，其中包括定位系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算和控制電路部分單片機(jī)的應(yīng)用做了詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞：快速成型；3D打??；激光燒結(jié)；步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)
The design of?metal material?3D?printer
Abstract
In?recent years,?with the rapid?development of manufacturing industry , the research and development of?rapid prototyping technology?has attracted?great attention in the world?in the field of ?machinery manufacturing . At present, The most popular ?in the society? of rapid prototyping?equipment?is?3D 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 printing?products?almostly?are limited to?non-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 ?powder?laser sintering technology and technological process. Secondly, it analyzed influence of SLS parameters on ?printing, Including the?thickness,?laser power,?scanning mode and?scanning speed?etc. At last, this article introduces how to realize ?the ?motion? of the axis of the?3D printer . Including the?positioning system?of the stepper motor?selection and calculation, and the application of SCM in control circuit.
Key words: Rapid prototyping;?3D printing;?laser sintering;?stepping motor;?MCU
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1引言 1
1.2快速成型技術(shù)概述 2
1.2.1快速成型技術(shù)的基本原理 3
1.2.3快速原型技術(shù)的分類(lèi) 5
1.3 3D打印核心方案的確定 7
第2章 結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計(jì) 8
2.1 打印機(jī)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì) 8
2.1.1 打印部分定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9
2.2 SLS的基本工藝 10
2.2.1前處理過(guò)程 10
2.1.2分層燒結(jié)堆積過(guò)程 12
2.1.3后處理過(guò)程 13
2.2 燒結(jié)過(guò)程中為防止金屬被氧化可采取的措施 14
2.3縱向精度監(jiān)測(cè)控制裝置設(shè)計(jì) 14
2.3.1 縱向精度監(jiān)測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)的由來(lái) 14
2.3.2 縱向精度監(jiān)測(cè)控制裝置的原理 15
第3章 電路部分的設(shè)計(jì) 16
3.1電機(jī)的選擇 16
3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 16
3.2.1 豎直方向（z軸）兩個(gè)電機(jī)的的選擇： 17
3.2.2 XY軸方向步進(jìn)電機(jī)的選擇： 22
3.3控制電路的設(shè)計(jì) 23
3.3.1基于電子電路的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)： 23
3.3.2 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)： 23
3.3.3基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)： 24
4 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24
4.1 電路組成和工作原路 25
4.1.2分頻和頻率選擇模塊 26
4.2 精確轉(zhuǎn)速的實(shí)現(xiàn) 27
5 升降速的控制 28
5.1 基本原理 28
5.2 實(shí)現(xiàn)方法 28
6 結(jié)束語(yǔ) 29
第4章 結(jié)論與展望 30
4.1 結(jié)論 30
4.2 展望 30
致謝 31
參考文獻(xiàn) 33
V
成都理工大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1引言
早在上個(gè)世紀(jì)九十年代初期，市場(chǎng)的格局發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變。首先表現(xiàn)最明顯的是消費(fèi)者的需求在日益變化，變得多樣化，變得更有個(gè)性；其次，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家都越來(lái)越重視激烈的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中。對(duì)于市場(chǎng)，設(shè)計(jì)師不僅要快速地設(shè)計(jì)出人們所需要的消費(fèi)產(chǎn)品，而且還得能快速地生產(chǎn)出來(lái)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，從而搶得市場(chǎng)先機(jī)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科技和計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD/CAM）不斷發(fā)展，在現(xiàn)代生產(chǎn)制造中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造都有了一個(gè)全新的面貌，大大降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)以及更新的周期。生產(chǎn)制造商的發(fā)展戰(zhàn)略也在這種背景下從以前的“怎么樣做的更多”、“怎么樣做得便宜”和“怎么樣才能做得更好”發(fā)展到現(xiàn)如今的“怎么樣才能做得更快”。所以，在面對(duì)一個(gè)需求變化不定的買(mǎi)方市場(chǎng)的時(shí)候，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式就顯得越來(lái)越被動(dòng)，越來(lái)越無(wú)力。因此，快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求已經(jīng)是制造業(yè)發(fā)展的主要方向。為此，許多工業(yè)化城市乃至很多國(guó)家都一直在努力的開(kāi)發(fā)先進(jìn)制造技術(shù)從而提高其制造業(yè)的水平，隨之計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益強(qiáng)大、自動(dòng)化技術(shù)的不斷完善和新材料的不斷研制以及現(xiàn)代企業(yè)管理技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)生了一批全新的現(xiàn)代化制造生產(chǎn)模式，制造業(yè)工程取得了輝煌的成就。
快速原型制造技術(shù)（也稱快速成型技術(shù)）（Rapid Prototyping Manufacturing簡(jiǎn)稱RPM）也就在這背景下一步步逐漸形成并且發(fā)展起來(lái)的。它是借助于計(jì)算機(jī)、精密傳動(dòng)裝置、激光以及數(shù)控技術(shù)等現(xiàn)代方法，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD和計(jì)算機(jī)復(fù)制制造CAM融為一體，通過(guò)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建的三維實(shí)體模型，可以直接快速地加工出產(chǎn)品模型來(lái)，不需要傳統(tǒng)的模具和加工機(jī)床[1]。這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了研制新產(chǎn)品的全新模式，設(shè)計(jì)師用這種方法可以更直觀的感受體會(huì)設(shè)計(jì)的感覺(jué)，并能直接驗(yàn)證或者檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的外形和結(jié)構(gòu)的精確性。這也使得設(shè)計(jì)工作達(dá)到了一個(gè)全新的境界，改善了傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中繁瑣的過(guò)程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和更新?lián)Q代的周期得到了大幅度縮減，企業(yè)投資新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)程度也大大降低了。將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD和計(jì)算機(jī)復(fù)制制造CAM融為一體，根據(jù)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建的三維模型，能在短時(shí)間內(nèi)快速直接制造出產(chǎn)品樣品來(lái)，不需要傳統(tǒng)的模具和加工機(jī)床。
在國(guó)外，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)能基本成熟地運(yùn)用3D打印機(jī)對(duì)很多種金屬或者是金屬混合物進(jìn)行打印并得到形狀結(jié)構(gòu)以及具有很強(qiáng)可靠性和實(shí)用性的產(chǎn)品，比如美國(guó)已經(jīng)用3D打印技術(shù)打印出了渦輪葉輪（如圖1）和IN718鎳基高溫合金轉(zhuǎn)子（如圖2），這些產(chǎn)品不管是在表面精度、零件強(qiáng)度等方面都具有很強(qiáng)的可靠性。而在技術(shù)研發(fā)方面，早在1989年美國(guó)的斯科特?克倫普就對(duì)熔融沉積成型（FDM）成功申請(qǐng)了專利，這種技術(shù)成型精度和成型物的強(qiáng)度都很高，并且可以實(shí)現(xiàn)彩色成型。這種技術(shù)陳本也不貴。另一種方法是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）,這也是由美國(guó)人Carl Dechard早在1989年研制成功的技術(shù)，并且在1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStationt[2][3]。
圖1 3D打印的渦輪葉輪 圖2 3D打印的IN718鎳基高溫合金轉(zhuǎn)子
在國(guó)內(nèi)方面，目前還沒(méi)有自主研發(fā)的能對(duì)金屬材料實(shí)現(xiàn)3D打印的機(jī)器，并且現(xiàn)有的3D打印機(jī)也都幾乎來(lái)自于進(jìn)口，這些3D打印機(jī)針對(duì)的打印材料也大多都是：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等[4]。
1.2快速成型技術(shù)概述
快速成型技術(shù)不同于傳統(tǒng)加工方法的通過(guò)部分去除大于工件毛坯上的材料來(lái)得到所需形狀結(jié)構(gòu)的工件，而是采用全新的“增長(zhǎng)”加工方式，通過(guò)將原材料一層一層地逐步堆疊成大零件，把復(fù)雜的三維加工分解成簡(jiǎn)單容易的二維加工，然后組合的方法。所以，它不需要使用傳統(tǒng)制造所需要的磨具以及機(jī)床,便可以生產(chǎn)加工出磨具和產(chǎn)品，加工所需時(shí)間僅僅是傳統(tǒng)加工方式的百分之十到百分之三十，成本也僅僅是他的百分之二十到百分之三十五。就是因?yàn)榭焖僭图夹g(shù)具有以上這些相對(duì)傳統(tǒng)加工的突出優(yōu)點(diǎn),并在近幾年得到快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域里最核心最關(guān)鍵的技術(shù),實(shí)現(xiàn)并行工程(Concurrent Engineering，CE)必不可少的手段[5]。
設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)
增長(zhǎng)式快速成型
焊接
鍛壓
鑄造
磨具
磨具
半成品
毛坯
去除式切削加工
模具
樣品
工件
工件
（a） 傳統(tǒng)加工 （b） 快速成型
圖1-1傳統(tǒng)加工與快速成型對(duì)比
1.2.1快速成型技術(shù)的基本原理
快速成型技術(shù)是一項(xiàng)借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和實(shí)體反求方法來(lái)采集物體原型的相關(guān)信息（包括形狀結(jié)構(gòu)、材料的組合形式等），以此獲取到原型的概念并且建立起數(shù)字化模型，然后再把獲取到的信息輸入進(jìn)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，采用先點(diǎn)后面的方式逐步將材料堆疊成型,然后再通過(guò)一些后續(xù)處理使成型的原件在外觀、強(qiáng)度以及性能方面達(dá)到預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，精確迅速的加工出實(shí)際產(chǎn)品模型或零件的加工方法。其技術(shù)原理見(jiàn)圖1-2。
目前，分層疊加方法是快速成型技術(shù)的核心原理，通過(guò)CAD造型、生成STL文件和分層切片等步驟進(jìn)行分層處理，借助于計(jì)算機(jī)控制成型設(shè)備實(shí)現(xiàn)原料的幾何結(jié)構(gòu)的制造 [6]。其原理圖如圖1-2所示：
CAD造型
集成制造
原型或零件
數(shù)據(jù)處理
原型概念設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集
反求獲取
圖1-2快速原型制造技術(shù)的原理
(1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建模型或三維掃描系統(tǒng)實(shí)體掃描
要設(shè)計(jì)一個(gè)工件，設(shè)計(jì)者首先要在計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)三維實(shí)體模型，這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)使用計(jì)算機(jī)三維CAD系統(tǒng)。建立好模型之后，計(jì)算機(jī)將生成各式為STL的文件并將其輸入到快速成型設(shè)備上進(jìn)行模擬制造。從理論上來(lái)講，快速成型技術(shù)能夠生成出任何結(jié)果形狀復(fù)雜的零件，特別是對(duì)那種傳統(tǒng)加工難以實(shí)現(xiàn)的的零件加工有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但事實(shí)上對(duì)于十分復(fù)雜的零件，現(xiàn)在的CAD軟件難以實(shí)現(xiàn)，通常得要借助其他科技手段，比如逆向工程手段，來(lái)建立物體的數(shù)字化模型。它采用激光掃描的方式對(duì)零件進(jìn)行掃描，再把掃描結(jié)果轉(zhuǎn)換為三維立體圖像，并在CAD軟件上進(jìn)行調(diào)整和修改，最后通過(guò)快速成型設(shè)備加工制造出模型[7]。
(2)三維CAD模型轉(zhuǎn)換為STL文件格式
由于目前還沒(méi)有對(duì)計(jì)算機(jī)三維CAD系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，RPM系統(tǒng)還不能直接采用計(jì)算機(jī)三維CAD模型制造出實(shí)物，還需要轉(zhuǎn)換成一種特殊的格式。目前，美國(guó)3D系統(tǒng)公司研發(fā)的STI格式在全球范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，大部分的計(jì)算機(jī)三維CAD系統(tǒng)均可生產(chǎn)該格式的文件，快速成型設(shè)備采用切片軟件把STL文件作為輸入的數(shù)據(jù)，以此生成三維實(shí)體的切片層。如今，國(guó)際上已經(jīng)把STL文件視為一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式[8]。
(3)快速原型制造
快速成型設(shè)備根據(jù)輸出的計(jì)算機(jī)三維CAD模型轉(zhuǎn)換之后得到的STL數(shù)據(jù)，沿著垂直于模型高度的水平方向，將模型切割為一定厚度的層片，再用塑料粉末、金屬粉末或感光樹(shù)脂等可打印材料，通過(guò)激光燒結(jié)或光敏固化等方法在需要制造的模型上一層一層逐步堆積起來(lái)，形成加工零件的模型。一般情況下，切片層的厚度在0.1mm左右，所需時(shí)間為60秒到80秒，這樣加工一個(gè)零件的模型大約在幾個(gè)小時(shí)，大的零件也可在幾天內(nèi)完成，加工時(shí)間相比傳統(tǒng)加工大有縮短，生產(chǎn)效率大大提高[9]。
1.2.3快速原型技術(shù)的分類(lèi)
快速成型技術(shù)從二十世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)開(kāi)始現(xiàn)在，因?yàn)榇思夹g(shù)的高柔性、高集成性和快速性使得其發(fā)展迅速，現(xiàn)如今已經(jīng)發(fā)展了十多種快速成型技術(shù)的方法，下面對(duì)幾種最常用的方法做簡(jiǎn)要介紹：
(l)立體光刻成型(SLA一Stereolithography Apparatus)
立體光刻成型技術(shù)過(guò)程中，通過(guò)氦-鎘激光器發(fā)出的高能量紫外線激光光束（UV）在環(huán)氧樹(shù)脂表層面按物體片層形狀進(jìn)行掃描，每層掃描厚度約25微米到300微米之間，從底部往上，依次逐層生成實(shí)物，液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)在激光能量超過(guò)一定值之后開(kāi)始凝固。當(dāng)一層固化完成后，控制系統(tǒng)控制工作臺(tái)下降，在先前凝固的樹(shù)脂材料表面涂上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，這個(gè)掃描再固化的過(guò)程循環(huán)進(jìn)行直至最頂層也就是最后一層固化完成，此時(shí)將工作臺(tái)升起，取出通過(guò)上述方法得到的實(shí)體模型并進(jìn)行一些后續(xù)清理工作，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原型的加工[10]。
(2)選擇性激光燒結(jié)成型(SLS一Selected Laser Sintering)
選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是通過(guò)二氧化碳激光器發(fā)射高能激光束燒結(jié)熔化粉末材料并逐層堆疊形成三維實(shí)體的技術(shù)，這種粉末材料可以是金屬粉末、陶瓷粉末、塑料粉末或者它們的混合體等材料。在加工區(qū)域內(nèi)用滾筒將所需成型的粉末材料均勻地鋪一層在工作臺(tái)上，然后用激光器在鋪的那一層粉末材料上按所需加工物體的截面形狀進(jìn)行掃面，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在上面“畫(huà)”出物體截面形狀，高能激光產(chǎn)生的熱量會(huì)使粉末材料熔化，當(dāng)激光過(guò)之后便會(huì)凝結(jié)。當(dāng)一層掃描結(jié)束后再鋪上新的一層，再進(jìn)行上述掃面工作，那么新的一層便會(huì)在舊層接觸點(diǎn)處粘接，如此反復(fù)直至切片的最后一層燒結(jié)完畢，便得到了所需成型的物體。用這種方法可以直接制造出產(chǎn)品原型以及實(shí)行鑄造用的消失模、用覆膜砂制作鑄型以及鑄造用的母模等成型件。
(3)疊層實(shí)體成型(LOM一Laminated Object Manufacturing)
疊成實(shí)體成型技術(shù)也是一種分層加工方法，它是將事先制定好的具有一定厚度的一層材料一整塊一整塊地通過(guò)熱粘接將其一層一層地粘接在一起，使其成為一個(gè)整塊。在每一層被覆蓋之前通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的二氧化碳激光器發(fā)射出的激光束將其割出實(shí)體的輪廓。通常為了便于清理輪廓外的多余余料，也將輪廓外的部分切割成小塊。當(dāng)所有疊成都形成以后，所制作的原型就埋在方塊材料里面，取出方塊，去除原型外的材料就得到了所制作的原型。采用這種方法得到的原型不存在內(nèi)應(yīng)力也沒(méi)有變形，所以其精度是非常高的。在整個(gè)成型過(guò)程中，激光器不需要照射整個(gè)截面，因此其耗能也較低，成型效率高。一般這種成型技術(shù)得到的原型精度可達(dá)到±0.1mm，并且原型的制作不需要支撐，因此成本相對(duì)也較低。
(4)熔融沉積法(FDM一Fused Deposition Modeling)
熔融沉積法是通過(guò)熔化熱塑性纖維材料，將其從傳送頭送出來(lái)在底座上逐層堆疊沉積。這種快速成型技術(shù)依賴于材料快速固化的性能（大約0.1s）。熔融狀態(tài)的材料在底座上從底部逐層往上進(jìn)行快速沉積成薄膜，直至最頂部一塊模塊的沉積完成，便得到了快速成型原型[11]。
表1-1 幾種典型的快速原型制造技術(shù)特點(diǎn)及常用材料
成型方法
成型速度
原型精度
成型特點(diǎn)
常用材料
SLA
較快
較高
設(shè)備昂貴、原材料貴、加工成本高、
適用于制造小件、精密件。
熱固性光敏樹(shù)脂
LOM
快
較高
原材料成本低,激光器壽命長(zhǎng),適用于制
造大型實(shí)心件,直接成型鑄造木模。
紙、金屬箔、塑料薄膜等
SLS
較快
較高
制件強(qiáng)度和韌性好,既可做樣件也可做蠟?zāi)?運(yùn)行成本低。
石蠟、塑料、金屬、,覆膜砂
FDM
較慢
較低
自動(dòng)加支撐、操作難度小,制件硬度高,
韌性稍差,不致密有間隙。
石蠟、尼龍、ABS、低熔點(diǎn)合金等
1.3 3D打印核心方案的確定
在上述幾種快速成型技術(shù)方法中，介于粉末激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）可以成型的材料種類(lèi)多，并且能對(duì)金屬材料進(jìn)行燒結(jié)，加之在國(guó)內(nèi)機(jī)械水平方面，激光燒結(jié)技術(shù)也已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)成熟的階段，成本低，制件精度也較高，而且通過(guò)這種技術(shù)制造出來(lái)的產(chǎn)品通過(guò)必要的后處理工藝就能具有一定的使用功能性。另一方面，中國(guó)華中科技大學(xué)對(duì)粉末激光燒結(jié)技術(shù)處于同行業(yè)領(lǐng)先水平，他們研發(fā)的HRPS系列成型系統(tǒng)，它的精確性和可靠性以及產(chǎn)品性能可與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比美，此系列的快速成型系統(tǒng)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外大量用戶所認(rèn)可，因此，基于以上SLS的技術(shù)特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)自主技術(shù)水平，本次金屬材料型3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)的打印部分就采用SLS技術(shù)。
第2章 結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計(jì)
2.1 打印機(jī)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)
圖2-1 打印機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
如圖2-1所示,粉末材料選擇性激光燒結(jié)工藝技術(shù)成型原理（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)SLS）:通過(guò)計(jì)算機(jī)控制二氧化碳激光束按照所需成型模型的截面形狀信息在工作臺(tái)上鋪好的一層金屬粉末材料上進(jìn)行掃描，掃描過(guò)程中，單個(gè)的金屬微粒就會(huì)在高能激光束的作用下熔化，激光掃過(guò)之后便迅速凝結(jié)，這樣當(dāng)激光束掃描過(guò)一段距離之后，金屬微粒便會(huì)按照掃描的路徑凝固成一片層實(shí)體[12]。當(dāng)一層掃描結(jié)束后，計(jì)算機(jī)控制工作臺(tái)下降一層固定厚度的高度，然后鋪粉小車(chē)再在工作臺(tái)上鋪上一層新的金屬粉末，重復(fù)上述掃描的過(guò)程，那么新的一次掃描就會(huì)在先凝固的一層上再凝固，如此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直至所需制造的三維實(shí)體的生成。等到工作室溫度降下來(lái)后取出打印的工件，去除包裹在成型件外部多余的金屬粉末，再按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行必要的后處理工序，比如去應(yīng)力退火、淬火和上漆等[13]。
2.1.1 打印部分定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖2-2 XY軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2-3 Z軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分工作臺(tái)定位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用三軸定位，其中X Y軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-2所示，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)使圖中標(biāo)注區(qū)域沿著箭頭指示反向移動(dòng)，這樣便實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)在X軸和Y軸方向上的定位。Z軸方向的設(shè)計(jì)如圖2-3所示，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)下的絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)使載物臺(tái)能沿著箭頭指示的方向移動(dòng)，絲桿與載物臺(tái)的連接處焊入軸承，通過(guò)軸承與絲桿連接，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候才能保持載物臺(tái)在X Y方向上的靜止，這樣就實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)在Z軸方向上的定位設(shè)計(jì)。打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)整體模型如圖2-4所示：
圖2-4 打印機(jī)三軸定位結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 SLS的基本工藝
和其他所以快速原型技術(shù)工藝過(guò)程一樣,選擇性激光燒結(jié)快速原型工藝過(guò)程也同樣分為前處理、疊層制造及后處理三個(gè)過(guò)程。下面以制件的原型制作為例介紹粉末選擇性激光燒結(jié)快速成型的工藝過(guò)程。
2.2.1前處理過(guò)程
(1)CAD模型
每一種快速成型制造系統(tǒng)的原型制作過(guò)程都是在三維CAD模型的驅(qū)動(dòng)下完成的，所以也有人講這種技術(shù)稱為數(shù)字化成型技術(shù)。在整個(gè)模型制作過(guò)程中，CAD模型相當(dāng)于在傳統(tǒng)加工工藝流程中的圖紙，為整個(gè)三維制作過(guò)程提供數(shù)據(jù)信息。通常用于構(gòu)件模型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件必須具有強(qiáng)大的三維造型功能，這包括實(shí)體造型(Solid Modelling)和表面造型(Surface Modelling),表面造型對(duì)構(gòu)件復(fù)雜的曲面有很突出的作用。
(2)三維模型的切片處理
因?yàn)榭焖僭图夹g(shù)是按工件截面形狀一層一層來(lái)加工的，所以，在加工之前必須在三維模型上，應(yīng)用切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，切片方向沿成型高度的方向，并設(shè)定一定的切片厚度從而提取到截面的輪廓信息，切片的厚度根據(jù)生產(chǎn)效率和成型件的精度要求來(lái)設(shè)定，厚度越小，成型件的精度就越高，但加工成型所需時(shí)間就越長(zhǎng)，厚度越大，加工成型時(shí)間縮短，但成型件的精度就降低，（通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)定間隔的范圍為0.1到0.3mm為宜，通常設(shè)定為0.2mm，在取這個(gè)值的情況下,加工出的工件能保持較光滑的成型曲面和合適的加工時(shí)間[13]。
激光燒結(jié)全過(guò)程流程圖如圖2-2所示：
構(gòu)件三維模型
模型近似處理
前處理
成型方向選擇
切片處理
激光
分層疊加成型
燒結(jié)粉末
三維產(chǎn)品
后處理
工件剝離
后處理
圖2-2 激光燒結(jié)工藝流程圖
2.1.2分層燒結(jié)堆積過(guò)程
(1)工藝參數(shù)
從快速成型技術(shù)原理可以看出，SLS制造系統(tǒng)主要有控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)。激光器以及冷卻系統(tǒng)組成。SLS快速原型技術(shù)工藝的主要參數(shù)如下：
1) 激光掃描速度
激光掃描的速度直接影響著燒結(jié)金屬粉末過(guò)程中能量的吸入和燒結(jié)速率，這將根據(jù)激光器的規(guī)格和型號(hào)來(lái)選定。
2) 激光功率
激光的功率跟燒結(jié)過(guò)程中激光掃描的速度和掃描速度等因素都有很大關(guān)系，對(duì)于激光功率的設(shè)定要根據(jù)激光器的規(guī)格和型號(hào)的不同按百分比來(lái)設(shè)定。
3) 燒結(jié)間距
燒結(jié)間距大小對(duì)燒結(jié)路線的疏密程度起著決定性作用，并且影響燒結(jié)過(guò)程中金屬粉末對(duì)激光能量的吸入。
4) 單層厚度
每一層的厚度對(duì)整個(gè)零件加工的效率、零件的表面質(zhì)量有著最直接的影響，每一單層厚度越薄，加工出來(lái)的零件精度就越高，跟設(shè)定的零件形狀越接近，但是加工的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。 同樣，單層厚度這因素對(duì)激光燒結(jié)過(guò)程中激光能量的吸入也有影響。
5) 掃描方式
這里所謂的掃描方式就是激光束根據(jù)工件截面形狀掃過(guò)金屬粉末過(guò)程所遵循的規(guī)則，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是怎么“繪制”出截面輪廓形狀，這對(duì)燒結(jié)成型工件表面質(zhì)量和燒結(jié)效率有一定影響。
(2)原型燒結(jié)
1) 預(yù)熱
由于金屬粉末的燒結(jié)是要在一個(gè)較高的溫度條件下熔化金屬材料，為了提高金屬燒結(jié)的效率，改善金屬粉末燒結(jié)的質(zhì)量，我們采取事先將金屬粉末預(yù)熱的方法，在燒結(jié)之前先把金屬粉末加熱到一個(gè)臨界溫度。
2.1.3后處理過(guò)程
從打印系統(tǒng)中取出所打印的工件的原型后，需要對(duì)包裹在工件表面的金屬粉末進(jìn)行清理，大多數(shù)金屬零件還需要進(jìn)行修補(bǔ)、拋光、打磨和強(qiáng)化處理，包括去應(yīng)力退火，淬火強(qiáng)化等處理措施，這些工序稱為后處理。
（1） 制件清理
制件清理就是打印結(jié)束后將附著在制件表面為燒結(jié)的金屬粉末從制件上清理出來(lái)，露出制件真實(shí)表面形狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這一過(guò)程是一個(gè)很細(xì)致的工作，如果操作不當(dāng)將會(huì)對(duì)制件的質(zhì)量產(chǎn)生影響。一般情況下附著在零件表層的金屬粉末可以用毛刷直接清理，對(duì)于某些附著較緊或者零件的某些細(xì)節(jié)處不能用毛刷直接清理的需剔除。對(duì)于零件的清理是加工過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，要使得加工的零件保持美觀和完整，需要操作此工序的操作手對(duì)原型很熟悉，和具備良好的清理技巧。
（2） 后處理
在取出工件并進(jìn)行過(guò)清理工作之后，零件在某些性能方面仍然還達(dá)不到使用要求，比如：機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性、精度等。這時(shí)就還需要對(duì)制件進(jìn)行后處理工藝，一般情況下，對(duì)于具有最終使用性功能要求的金屬原型制件,通常采取淬火的方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化和去除內(nèi)應(yīng)力。
2.2 燒結(jié)過(guò)程中為防止金屬被氧化可采取的措施
由于在整個(gè)對(duì)金屬粉末燒結(jié)的過(guò)程中都處于一個(gè)高溫的環(huán)境，不得不考慮防止打印過(guò)程金屬被氧化的因素，如果這一環(huán)節(jié)沒(méi)有得到有效解決的話將會(huì)對(duì)打印制件的質(zhì)量產(chǎn)生致命的損壞，因此為了防止這一因素的發(fā)生，這里采取的措施是：1、對(duì)整個(gè)打印室做密封處理，使其在一個(gè)密閉的環(huán)境下燒結(jié)；2、在對(duì)打印室密封之前進(jìn)行除氧處理，具體的辦法是：在關(guān)閉打印室之前，使用一塊用酒精（）浸泡過(guò)的濕布?jí)K兒點(diǎn)燃后放入裝置內(nèi)，然后關(guān)閉打印室。這樣便會(huì)將裝置內(nèi)在打印之前的氧氣給消耗掉，創(chuàng)造一個(gè)無(wú)氧氣的環(huán)境，其除氧原理為：
2.3縱向精度監(jiān)測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)
2.3.1 縱向精度監(jiān)測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)的由來(lái)
由于每一個(gè)打印工件的CAD原型都會(huì)被切成若干個(gè)片層，那么相應(yīng)的承載打印工件的Z軸也將下降若干次，而對(duì)于整個(gè)裝置來(lái)說(shuō)，在這細(xì)微的情況下Z軸的下降難免會(huì)存在誤差，在此做一個(gè)假設(shè)，假如一個(gè)直徑為20cm球形CAD原型，根據(jù)之前參考的每層切片為0.1~0.3mm，這里我們?cè)O(shè)定每一層切片為0.2mm，那么此原型將被切為1000層，相應(yīng)的在打印過(guò)程中，每一次Z軸就下降0.2mm，總共下降1000次。試想如果其中的100次下降都產(chǎn)生了+0.01mm的誤差，那么這100次累計(jì)下來(lái)將產(chǎn)生的誤差就是：0.01mm 100 = 1mm 。這將產(chǎn)生的結(jié)果是打印出來(lái)的球體在豎直方向多了1mm，并且球的頂部就多出了一個(gè)部分，這對(duì)精密制件來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的誤差，所以這里設(shè)計(jì)了這個(gè)縱向精度監(jiān)測(cè)控制裝置來(lái)解決這一可能存在的問(wèn)題。
2.3.2 縱向精度監(jiān)測(cè)控制裝置的原理
這里本文采用的是激光測(cè)距的方式來(lái)解決這一難題，具體的原理如下：在工作臺(tái)的上方某處安裝固定一個(gè)激光測(cè)距儀，激光測(cè)距儀與計(jì)算機(jī)連接控制，并把測(cè)距結(jié)果反饋到計(jì)算機(jī)上，由計(jì)算機(jī)綜合處理。假定正常情況下激光測(cè)距儀到工作臺(tái)的距離為10.000cm，也就是說(shuō)在精確的情況下，激光測(cè)距儀測(cè)出到工作臺(tái)粉末表面的距離為10.000cm。當(dāng)每一層打印結(jié)束，Z軸下降一次，鋪粉小車(chē)把工作臺(tái)上重新鋪上一層新的金屬粉末后，激光測(cè)距儀都將對(duì)這一新的粉末平面測(cè)一次距離，并將測(cè)得的結(jié)果反饋到控制的計(jì)算機(jī)上，并由計(jì)算機(jī)記下每一次誤差的正負(fù)值并疊加每次的誤差值（設(shè)疊加值為R），當(dāng)0.1mm ≤ R≤0.3mm時(shí)，控制計(jì)算機(jī)不對(duì)打印機(jī)做出動(dòng)作控制，打印機(jī)正常工作。當(dāng)R＜0.1mm或R＞0.3mm時(shí)，控制計(jì)算機(jī)對(duì)打印機(jī)做出反饋，然后控制打印機(jī)的控制系統(tǒng)調(diào)整Z軸升降，具體升降數(shù)值為：假如R=0.08mm，那么Z軸就下降0.12mm，假如R=0.32mm，那么Z軸就上升0.12mm，計(jì)算機(jī)控制鋪粉小車(chē)重新對(duì)工作臺(tái)鋪一次金屬粉末，使激光測(cè)距儀測(cè)出的距離重新回到10.000cm，這樣使鋪上的這一層粉末重新回到0.2mm，以保證打印的精度。如此反復(fù)，只要R的值小于了0.1毫米或大于了0.3毫米，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就做出以上反饋，直至打印結(jié)束。如圖2-3所示，方形塊兒所示部件就是激光測(cè)距裝置：
圖2-3 縱向精度檢測(cè)控制裝置
控制流程圖如圖2-4：
激光測(cè)距
計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制
0.1≤R≤0.3
否
Z軸(升/降)
是
正常打印
圖2-4 縱向精度監(jiān)測(cè)控制流程圖
第3章 電路部分的設(shè)計(jì)
3.1電機(jī)的選擇
電機(jī)的選用采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種可以把數(shù)字信號(hào)輸入脈沖轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)或者直線運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電流脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)大小為步距角的角度。輸入的脈沖數(shù)數(shù)量越多，步進(jìn)電機(jī)回轉(zhuǎn)角的總量越大，脈沖的輸入頻率越快，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快[14]。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品里面一個(gè)關(guān)鍵的部件，通?？梢杂脕?lái)控制定速和控制定位。步進(jìn)電機(jī)具有定位精度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、控制簡(jiǎn)單、無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。很多機(jī)電一體化產(chǎn)品都使用了這種電機(jī)，如：機(jī)械手臂、數(shù)控機(jī)床、復(fù)印機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、傳真機(jī)等。
3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算
3.2.1 豎直方向（z軸）兩個(gè)電機(jī)的的選擇：
在整個(gè)機(jī)械構(gòu)件中，左邊物料箱和右邊打印構(gòu)件箱將是承載重量最大的部分，因此以物料箱和打印構(gòu)件箱的規(guī)格參數(shù)來(lái)計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格，又因?yàn)樵谡麄€(gè)打印過(guò)程中左邊物料箱必須滿足金屬粉末的量要大于所打印構(gòu)件需要的金屬粉末的量，也就是左邊物料箱的重量一定將是大于右邊構(gòu)件箱的重量的，所以在此基礎(chǔ)上，對(duì)于豎直方向兩根軸和步進(jìn)電機(jī)的選擇可以完全以物料箱的規(guī)格來(lái)計(jì)算：
物料箱重量：長(zhǎng)寬高密度（普通鐵粉）=1010156.0
=9000g
這是儲(chǔ)料的重量，另外加上儲(chǔ)料箱的質(zhì)量，所以左邊部分的總重量取個(gè)大概值：
G=10kg
絲桿的選擇：
考慮到在長(zhǎng)期的使用過(guò)程當(dāng)中，對(duì)絲桿會(huì)有磨損，為了能更好的保證精度，這里選擇使用滾珠絲桿，從而更好的保證加工的進(jìn)度，在本設(shè)計(jì)中由于對(duì)承載的重要要求不高（10kg），因此著重考慮螺紋螺距的選擇：這里選用公稱直徑10mm，導(dǎo)程1mm的外循環(huán)插管式右旋向滾珠絲杠[15]，具體型號(hào)為：CM1001-3-T4
滾珠絲桿：CM1001-3-T4
C：表示“外循環(huán)插管式”的滾珠循環(huán)方式；
M：表示“導(dǎo)珠管埋入式”的結(jié)構(gòu)特征；
10：表示“公稱直徑”10mm；
01：表示“基本導(dǎo)程”1mm；
01后面的表示是：螺紋旋向，沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)的為右旋，左旋用“LH”表示，這里為右旋；
3：表示“滾珠圈數(shù)”，此處為3圈；
T：表示傳動(dòng)滾珠絲杠副
4：表示精度等級(jí)，4級(jí)。
（1）計(jì)算齒輪的減速比
齒輪減速比i的計(jì)算:
i=(φ.S)/(360.Δ) (3-1)
式中：
φ ---步進(jìn)電機(jī)的步距角（度/脈沖）
S ---絲桿螺距（mm)
Δ---(mm/脈沖）
（2）計(jì)算絲桿和齒輪折算到轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸上的慣量Jt。
（3-2）
式中：
---折算至電機(jī)軸上的慣量()
、 ---齒輪慣量()
----絲桿慣量() W---工作臺(tái)重量（N）
S ---絲桿螺距（cm）
（3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩M
（3-3）
（3-4）
式中：
---電機(jī)啟動(dòng)的加速力矩（N.m)
、---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)
---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min）
---電機(jī)升速時(shí)間（s）
（3-5）
式中：
---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m)
---摩擦系數(shù)
η---傳遞效率
（3-6）
式中：
Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m)
Pt---最大切削力（N）
（4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算?？刂齐姍C(jī)的啟動(dòng)頻率、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量三者的關(guān)系式為 ：
（3-7）
式中：
---帶載起動(dòng)頻率（Hz）
---空載起動(dòng)頻率
如果負(fù)載轉(zhuǎn)速不能夠精確的確定,那么可以按照=1/2進(jìn)行估算。
（5）因?yàn)殡姍C(jī)的輸出力矩與頻率成反比，所以當(dāng)達(dá)到最高頻率時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩就能驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
（6）負(fù)載力矩和最大靜力矩。負(fù)載力矩的計(jì)算按照公式（3-5）和（3-6）進(jìn)行，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速最高時(shí)，矩頻特性決定的電機(jī)的輸出力矩要比和之和要大，并且留夠余量。一般來(lái)說(shuō)，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2 ～0.4) 。
在選用上述CM1001-3-P4滾珠絲桿和物料箱重量的基礎(chǔ)上，根據(jù)上訴步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算公式，選取型號(hào)為23HS8630型步進(jìn)電機(jī)[16]：
型號(hào)： 23HS8610?
步距角： 1.8
機(jī)身長(zhǎng): 76mm
電壓： 8.6V
電流： 1A
電阻： 8.6Ω
電感： 14mH
靜力矩：189N.cm (雙極驅(qū)動(dòng)）
135N.cm (單極驅(qū)動(dòng)）
定位力矩：6.8N.cm
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：480g.cm2
引出線： 6
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8度時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需要的脈沖數(shù)量為 n=360/1.8=200個(gè)。也就是說(shuō)，在這種情況下，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Z軸CM1001-3-P4滾珠絲桿移動(dòng)1mm所需要的脈沖數(shù)為200個(gè)，因此，在本文金屬粉末打印的過(guò)程設(shè)計(jì)中，對(duì)于每次Z軸下降0.2mm的設(shè)定值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖數(shù)為40個(gè)。
表3-1 23HS系列步進(jìn)電機(jī)型號(hào)參數(shù)一覽表
型號(hào)
步距角
機(jī)身長(zhǎng)mm
電壓V
電流A
電阻Ω
電感mH
靜力矩N.cm
定位力矩N.cm
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量g.cm2
23HS7425
1.8
64
3.75
2.5
1.5
4.5
150
5
380
23HS7430
1.8
64
2.4
3
0.8
2.3
150
5
380
23HS7442
1.8
64
2.31
4.2
0.55
1.2
150
5
380
23HS8610
1.8
76
8.6
1
8.6
14
135
6.8
480
23HS8615
1.8
76
6.75
1.5
4.5
7.8
140
6
440
23HS8620
1.8
76
4.5
2
2.25
3.6
135
6.8
480
23HS8425
1.8
76
4.5
2.5
1.8
6.5
180
6
440
23HS8630
1.8
76
3
3
1
1.6
135
6.8
480
23HS8430
1.8
76
3
3
1
3.5
180
6
440
3.2.2 XY軸方向步進(jìn)電機(jī)的選擇：
在XY軸方向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)受力矩的影響不大，因此可選用常規(guī)打印機(jī)或醫(yī)療設(shè)備所采用的微型步進(jìn)電機(jī)，這種設(shè)備大多采用28BYG系列微型步進(jìn)電機(jī)[17]，其參數(shù)見(jiàn)表3-2:
圖3-1 28BYG系列微型步進(jìn)電機(jī)
表3-2 28BYG微型步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
序
28BYG系列步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
相數(shù)
電壓
電流
電感
保持轉(zhuǎn)矩
定位轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
重量
接線圖
機(jī)身長(zhǎng)度
電阻
號(hào)
規(guī)格
2
V
A
mH
N.cm
N.cm
g
mm
Ω
1
2401
2
7.2
0.6
2.2
4.5
0.3
6
105
B
28
0.42
2
2402
2
5.7
0.35
5.8
4.5
0.3
6
105
B
28
12
3
3401
2
2.8
0.6
3.2
6.0
0.4
8
110
B
33
5.5
4
3402
2
7.2
0.35
9.2
6.0
0.4
8
110
B
33
15
5
4401
2
2.4
0.6
6.0
6.0
0.5
11
140
B
41
7.0
6
4402
2
12.2
0.35
15
6.0
0.5
11
140
B
41
20
7
5401
2
2.8
0.6
7.2
10
0.8
13
180
B
55
9
8
5401
2
2.4
0.35
18.5
10
0.8
13
180
B
55
24
這里選用28BYG2401型，步距角為0.9度。那么該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需要的脈沖數(shù)為n=360/0.9=400個(gè)，同樣選用上訴滾珠絲桿 CM1001-3-P4，那么該步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)該絲桿移動(dòng)0.1mm所需要的脈沖數(shù)為40個(gè)。
注：28BYG系列主要用于醫(yī)療設(shè)備、檢測(cè)儀器、機(jī)器人、打印機(jī)、教學(xué)儀器、開(kāi)關(guān)量的控制、智能玩具、鐘表、磁盤(pán)、精密定位等?配HSM20401驅(qū)動(dòng)器。
3.3控制電路的設(shè)計(jì)
常見(jiàn)的對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制一般有三種：一、基于電子電路的控制系統(tǒng)；二、基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)；三、基于PLC的控制系統(tǒng)。
3.3.1基于電子電路的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：
驅(qū)動(dòng)電機(jī)
脈沖控制器
環(huán)形分配器
步進(jìn)電機(jī)
圖3-2 基于電子電路控制系統(tǒng)
如圖3-2所示，這類(lèi)系統(tǒng)主要是由基于電子電路的脈沖控制器而產(chǎn)生脈沖來(lái)控制信號(hào)，再用過(guò)環(huán)形分配器將脈沖分配后送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)將功率進(jìn)行放大處理，從而便有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機(jī)
驅(qū)動(dòng)電機(jī)
單片機(jī)系統(tǒng)
3.3.2 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：
外圍電路
圖3-3 基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)
如圖2-1所示，本系統(tǒng)采用單片機(jī)來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，其實(shí)也就是通過(guò)把硬件和軟件相結(jié)合起來(lái)，環(huán)形分配器用軟件來(lái)代替，從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制[18]。系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路通過(guò)采用片機(jī)接口線直接控制，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，還能根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)計(jì)大量的外圍電路，比如用鍵盤(pán)就可控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能。
基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)還有以下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)使用單片機(jī)軟件編程的方法可以使原本十分復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及精確控制，能避免因失步和震蕩造成的精度誤差；環(huán)形分配器可用軟件來(lái)替代，只需通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，可以用同一種硬件電路結(jié)構(gòu)控制并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這樣借口電路的靈活性和通用性就大大提高了；功能強(qiáng)大的單片機(jī)使復(fù)位電路、鍵盤(pán)電路等外部電路實(shí)現(xiàn)了有效結(jié)合，從而讓系統(tǒng)的交互性也大大提高了。
3.3.3基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：
基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
PLC
功率驅(qū)動(dòng)器
環(huán)形分配器
圖3-4 基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
如圖3-4所示，PLC也被稱為可編程控制器，控制系統(tǒng)通過(guò)采用PLC來(lái)產(chǎn)生控制脈沖，再通過(guò)PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖。因?yàn)镻LC的掃描周期幾乎都在幾毫秒到幾十毫秒之間，因此頻率最高也只能到幾百M(fèi)Hz。然而步進(jìn)電機(jī)不能在高頻條件下工作，高速條件不能實(shí)現(xiàn)精確控制，而且當(dāng)其速度較高時(shí)，受PLC控制系統(tǒng)掃描周期的影響，精度的控制也會(huì)大幅度降低。經(jīng)過(guò)以上三種常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的方案對(duì)比，基于本次設(shè)計(jì)研究的現(xiàn)實(shí)需求，此次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制系統(tǒng)方案。
4 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本次金屬材料型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)的電路設(shè)計(jì)部分將采用AT89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)8155的14位減法計(jì)數(shù)器產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的脈沖信號(hào)，大幅度減少了對(duì)單片機(jī)CPU資源的占用，同時(shí)通過(guò)選用不同的8155TIMER IN端的輸入頻率，精確控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，能大大提高系統(tǒng)的可靠性[19]。
4.1 電路組成和工作原路
本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、基準(zhǔn)頻率發(fā)生器、8155接口電路、分頻電路、驅(qū)動(dòng)電路、環(huán)形分配器、鍵盤(pán)等部分構(gòu)成?？梢酝ㄟ^(guò)使用鍵盤(pán)預(yù)先設(shè)置所需要的轉(zhuǎn)速，89S52單片機(jī)經(jīng)過(guò)判斷預(yù)先設(shè)置的轉(zhuǎn)速選取不同的頻率給8155的TIMER IN端處，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算裝上一個(gè)值到8155的計(jì)數(shù)器，8155的TIMER OUT端處輸出同樣頻率的連續(xù)的方波，此脈沖通過(guò)環(huán)形分配器，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，直接使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到預(yù)先設(shè)置的轉(zhuǎn)速值。
電路結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3-5。
89s52單片機(jī)
鍵盤(pán)顯示接口電路
環(huán)形分配器
8155接口
頻率選擇
驅(qū)動(dòng)電路
分頻電路
步進(jìn)電機(jī)
6M晶振
圖3-5 電路結(jié)構(gòu)框圖
4.1．1 連續(xù)方波產(chǎn)生模塊
8155是由一個(gè)減法計(jì)數(shù)器，和兩個(gè)寄存器組成，以其中的一個(gè)低十四位構(gòu)成計(jì)數(shù)器，余下兩個(gè)高位(M2,M1)用于設(shè)置計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)。計(jì)數(shù)工作時(shí)，從外圍引進(jìn)計(jì)數(shù)脈沖，設(shè)置M2M1=01，輸出頻率為f的連續(xù)方波，這個(gè)頻率f只跟輸入頻率f1和計(jì)數(shù)長(zhǎng)度L有關(guān)，三者的關(guān)系為： f=f1/L。運(yùn)用這種方式，單片機(jī)便只會(huì)在需要的時(shí)候給計(jì)數(shù)器設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)長(zhǎng)度，這樣對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制不僅僅很顯得方便，并且?guī)缀醪粫?huì)占89S52CPU資源。
4.1.2分頻和頻率選擇模塊
為了使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)精確的值，8155TIMER IN端處需輸入不同的頻率。此方案通過(guò)對(duì)6M的晶振源分頻處理從而得到所需要的頻率，通過(guò)74LS90和74LS92組成的分頻電路對(duì)6 M晶振源分頻，從而得到6 M、500 K、100 K 3個(gè)不同頻率。單片在判斷步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小之后決定在8155TIMER IN端處輸入哪一個(gè)頻率。如圖3-6所示， 當(dāng)P1.0、P1.1、P1.2為100時(shí)，8155TIMER IN端輸入頻率為500 kHz，同理當(dāng)P1.0、P1.1、P1.2為010時(shí)，8155TIMER IN端輸入頻率為6 MHz，當(dāng)P1.0、P1.1、P1.2為001時(shí)，8155TIMER IN端輸入頻率為100 kHz。
圖3-6分頻和頻率選擇電路
4.2 精確轉(zhuǎn)速的實(shí)現(xiàn)
如前文所述，步進(jìn)電機(jī)是一種可把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電機(jī)內(nèi)某一繞組通電時(shí)，兩個(gè)磁極就將形成S-N級(jí)而產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子形成磁路。若此時(shí)定子小齒沒(méi)有和轉(zhuǎn)子對(duì)齊，在磁場(chǎng)力的作用下就會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，從而使定子小齒和轉(zhuǎn)子對(duì)齊，這樣便實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)向前“走”了一步。在這種情況下，單片機(jī)有順序地給繞組有序的輸入電流脈沖，電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了，這樣也就將數(shù)字轉(zhuǎn)換成了角度。施加的脈沖數(shù)量越多，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就越多，施加脈沖的頻率越高，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越大。
為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)高精度轉(zhuǎn)速，依據(jù)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，可將輸入8155TIMER IN端處的輸入頻率分為三種情況：
（1）當(dāng)步進(jìn)電機(jī)所需要的調(diào)速脈沖頻率f在40 Hz到100 Hz之間時(shí)，選擇8155TIMER IN端處的輸入頻率f1為100 kHz。這樣，當(dāng)f=100 Hz，a=1時(shí)，(Δf/f)max=0.001，又因?yàn)閍<1，最大相對(duì)誤差<0.1%，所以當(dāng)輸入的脈沖頻率f為 40 Hz 到 100 Hz之間時(shí)，8155TIMER IN 端處輸入頻率為100kHz時(shí)相對(duì)誤差小于0.1%。
（2）當(dāng)步進(jìn)電機(jī)所需要的調(diào)速脈沖頻率f在100Hz到500 Hz時(shí)，選擇8155TIMER IN端處輸入頻率f1為500 kHz。這樣，當(dāng)f=500 Hz，a=1時(shí)，(△f/f)max=0.001，又因?yàn)閍<1，最大相對(duì)誤差<0.1%，所以當(dāng)輸入脈沖頻率為 100 Hz < f ≤ 500 Hz，8155TIMER IN 端處輸入頻率為500 kHz 時(shí)，相對(duì)誤差<0.1%。
（3）當(dāng)步進(jìn)電機(jī)所需要的調(diào)速脈沖頻率f在500Hz到6000Hz時(shí)，選擇8155TIMER IN端處輸入頻率f1為6 MHz。這樣，當(dāng)f=6000Hz，a=1時(shí)，(△f/f)max=0.001，又因?yàn)閍<1，最大相對(duì)誤差<0.1%，所以當(dāng)輸入脈沖頻率f在500Hz到6000Hz,8155TIMER IN端處輸入的頻率為6MHz時(shí)，相對(duì)誤差<0.1%。當(dāng)輸入脈沖頻率6 000 Hz
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