并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip
并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip,并聯(lián),打印機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制,CATIA,三維,16,CAD
并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制開(kāi)題報(bào)告
１、課題論證
1.1課題研究的目的與意義
眾所周知，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，一個(gè)國(guó)家的進(jìn)步與發(fā)展靠的是先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，3D打印技術(shù)采用逐層疊加的制造方式，這使得許多傳統(tǒng)工藝無(wú)法加工的復(fù)雜零件的問(wèn)題迎刃而解。它不僅打破了傳統(tǒng)的流水線的生產(chǎn)模式，而且相比于傳統(tǒng)的制造工藝，3D打印具有傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其是在注重經(jīng)濟(jì)環(huán)保當(dāng)下，深受制造行業(yè)的重視。英國(guó)的著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志指出，3D打印將推動(dòng)第三次工業(yè)革命?！督鹑跁r(shí)報(bào)》也稱 3D 打印機(jī)將像蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、計(jì)算機(jī)一樣開(kāi)創(chuàng)一個(gè)嶄新的工業(yè)時(shí)代。為了抓住這次機(jī)遇推動(dòng)我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)政府也大力頒布相關(guān)政策支持3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本課題來(lái)源于目前日益蓬勃發(fā)展的3D打印技術(shù)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完成一臺(tái)并聯(lián)3D打印機(jī)，了解打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu),控制功能。
1.2文獻(xiàn)綜述（相關(guān)課題國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀）
1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀：
在1892年地質(zhì)學(xué)家Blanther就提出了用分層切片的方法制作三維地圖模型，由于當(dāng)時(shí)的制造水平還很落后,該想法只作為一個(gè)概念模型存在,隨著社會(huì)的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,直到19世紀(jì)80年代 Charles W.Hull在美國(guó) UVP公司的支持下，設(shè)計(jì)并完成了第一臺(tái)能實(shí)現(xiàn)完整打印功能的零部件制造系統(tǒng)（SLA-1）,這可以看做是3D打印發(fā)展的里程碑事件。在隨后的幾十年的發(fā)展中,3D打印技術(shù)不斷發(fā)展,不斷走向進(jìn)步。美國(guó)3D System公司在1988年采用“立體平版印刷快速成型”（Steren Lithography）SL 技術(shù)，通過(guò)紫外激光線束照射掃描光敏樹(shù)脂經(jīng)其固化，逐層凝結(jié)累加制造出三維實(shí)體模型并推出的首臺(tái)商用“液態(tài)光敏樹(shù)脂選擇性固化成型機(jī)”（SLA-250），標(biāo)志著 3D 打印技術(shù)的誕生。1992 年美國(guó)麻省理工學(xué)院的 Saches E.M.和 Cima M.J.等首次對(duì) 3D 打印技術(shù)做出了概念性的描述。麻省理工大學(xué)在1993年獲得三維印刷技術(shù)(3DP)專利。3D打印機(jī)的名字首次在1996年被使用。創(chuàng)建于 1998 年的 Objet 公司，致力于開(kāi)發(fā) 3D 打印設(shè)備及成型材料，并于 2007 年推出 Eden 系列產(chǎn)品得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出具有不同性能的多種光敏樹(shù)脂打印材料。美國(guó) 3D systems 和 Stratasys 兩家公司在世界 3D 打印領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)。2005 年，Z Croporation 公司生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)高精度彩色 3D 打印機(jī) Spectrum Z510，同年，英國(guó)巴恩大學(xué)的 Arian Bowyer 發(fā)起開(kāi)源 3D 打印機(jī)項(xiàng)目 Rep Rap，從此桌面 3D 打印機(jī)進(jìn)入 DIY 時(shí)代。2010年，Stratasys 公司與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司建立了 OME 合作關(guān)系，生產(chǎn) HP品牌的 3D 打印機(jī)。2011年美國(guó)宣布一項(xiàng)新政策，向3D打印產(chǎn)業(yè)支出5億美元來(lái)提升美國(guó)在制造行業(yè)的領(lǐng)先地位。奧巴馬說(shuō)他希望3D打印技術(shù)能夠成為重新振興美國(guó)制造業(yè)的一條捷徑。2012 年，《The Economist》指出 3D 打印技術(shù)將帶動(dòng)第三次工業(yè)革命，引起 3D 打印技術(shù)的研究熱潮。2013年，3D 打印在《環(huán)球科學(xué)》最值得銘記、對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生影響最為深遠(yuǎn)的十大新聞中排名第九。在此基礎(chǔ)上各國(guó)也加大了對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)的支持力度, 在 2012美國(guó)年就成立了“國(guó)家增材制造中心”，重點(diǎn)發(fā)展 3D 打印業(yè)。2007 年到 2013 年，歐盟投資 1.6 億歐元支持了 60 個(gè) 3D 打印項(xiàng)目。2014 年11 月，韓國(guó)發(fā)布了一個(gè)長(zhǎng)達(dá) 10 年的 3D 打印戰(zhàn)略規(guī)劃，以推動(dòng)和發(fā)展 3D 打印技術(shù)。此外，荷蘭、意大利、日本、澳大利亞等國(guó)家均在 3D 打印研發(fā)上投入了大量資金?，F(xiàn)如今越來(lái)越多的國(guó)家注重發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，這也說(shuō)明3D打印產(chǎn)業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)，國(guó)家發(fā)展過(guò)程中重要的地位。
1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀:
在國(guó)內(nèi)3D技術(shù)的發(fā)展起步較晚,但是在政府部門(mén)和國(guó)內(nèi)高校的大力支持下,許多發(fā)達(dá)的城市都建立了3D打印的服務(wù)機(jī)構(gòu)和3D打印的研究場(chǎng)所。這使得我國(guó)的3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展，很快與國(guó)際社會(huì)接軌。以聚乳酸（Polylacitc Acid）作為 3D 打印材料的3D打印設(shè)備在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)，像3D打印Delta機(jī)器人，打印的一般產(chǎn)品能滿足我們的需要。2010年經(jīng)過(guò)十幾年的努力，華中科技大學(xué)成功研制的工業(yè)級(jí) 1.2 米×1.2米制造裝備，該設(shè)備具有很大的成型工作空間，可以打印較大的模型，其性能超過(guò)了國(guó)外3D打印公司的同類(lèi)產(chǎn)品。這是當(dāng)時(shí)世界上最大成型空間的快速制造裝備。西安交通大學(xué)自主研發(fā)了一套基于光固化成型的 3D 打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)的精度達(dá)到 0.2mm。中國(guó)科技大學(xué)推出了具有轉(zhuǎn)換功能的八噴頭組合噴射裝置，在微制造及光電器件領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。雖然我國(guó)生產(chǎn)的3D打印機(jī)裝備的功能已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平，但是一些打印機(jī)的關(guān)鍵部件仍需要從國(guó)外進(jìn)口，此外我國(guó)的材料品種也遠(yuǎn)沒(méi)有國(guó)外豐富，許多研發(fā)材料都需要從國(guó)外進(jìn)口，從而也導(dǎo)致了3D打印技術(shù)的研發(fā)成本大大提高，成為阻礙了該技術(shù)推廣的絆腳石。但是我國(guó)支持3D打印產(chǎn)業(yè)的決心沒(méi)有改變，特別是近年來(lái)，2013 年3D 打印產(chǎn)業(yè)入選了《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域、2014 年度備選項(xiàng)目征集指南》，其中提到，要突破 3D打印核心關(guān)鍵技術(shù)，研制重點(diǎn)裝備產(chǎn)品，并在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展驗(yàn)證，初步具備開(kāi)展全面推廣應(yīng)用的技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)化條件。2015 年，《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016 年)》以及《中國(guó)制造 2025》相繼出臺(tái)，表明了我國(guó)對(duì)3D打印支持的力度與決心。雖然我國(guó)在3D打印領(lǐng)域還有很長(zhǎng)的路要走，但同時(shí)也說(shuō)明了我國(guó)在該項(xiàng)領(lǐng)域的發(fā)展空間巨大。
1.2.3并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel mechanism）是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其動(dòng)平臺(tái)或稱末端執(zhí)行器通過(guò)至少２個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)架相聯(lián)接。早在1965年德國(guó)Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于制作飛行模擬器來(lái)訓(xùn)練飛行員。澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授Hun在1978年提出Stewart機(jī)構(gòu)接近人體結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)用于機(jī)器人手臂。加拿大著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，奇異性分析等建立了完整的理論體系。國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)學(xué)專家Fang和Huang等提出了螺旋理論并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合方法。隨后的發(fā)展過(guò)程中，石明提出了3-P-(2SS)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的平臺(tái)是采用3個(gè)非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)方式分布，有較大的工作空間。李江濱對(duì)基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的 3D 打印機(jī)的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出在通過(guò)對(duì) 3D 打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差標(biāo)定來(lái)提高打印機(jī)的打印精度。還有不少學(xué)者在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用上做出了很大的貢獻(xiàn)，提出許多不同的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)進(jìn)行了大量的分析研究工作，都是可以較好的應(yīng)用在熔融沉積制造的 3D 打印技術(shù)上。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在近年來(lái)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于，工業(yè)機(jī)器人，3D打印等各項(xiàng)領(lǐng)域。
1.3課題研究的內(nèi)容、總體方案及技術(shù)路線、進(jìn)度安排等
1.3.1論文的主要內(nèi)容及總體方案：
目前3D打印還是采用傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于自身的先天條件不足。不能更好的適應(yīng)市場(chǎng)高速度，高精度的需求。并聯(lián)3D打印機(jī)因其具有承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)動(dòng)精度高、多功能靈活性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是應(yīng)用專業(yè)知識(shí)完成一臺(tái)并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，完成設(shè)備總體方案的設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件強(qiáng)度校核計(jì)算、繪制并聯(lián)3D打印機(jī)的工程圖、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)控制程序、繪制控制電路圖、查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)、從而達(dá)到鞏固綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，掌握正確的設(shè)計(jì)思想與方法目的。
1.3.2設(shè)計(jì)要求
具體參數(shù)：打印范圍:180mm直徑350mm高度，成型方式FDM，打印材料ABS設(shè)計(jì)圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)不少于1.5萬(wàn)字，正文頁(yè)數(shù)不少于30頁(yè)；譯文與開(kāi)題報(bào)告不少于3000字。
1.3.3章節(jié)安排
第一章：闡述選題的背景與意義，3D打印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，論文的主要內(nèi)容。
第二章：總體方案的確立，技術(shù)參數(shù)的確定，以及選擇符合要求的驅(qū)動(dòng)裝置。
第三章：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電機(jī)的選型與計(jì)算、驅(qū)動(dòng)器的選型與計(jì)算、完成同步帶、連桿設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，并繪制裝配圖，零件圖。
第四章：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序，繪制電路圖。
第五章：結(jié)論，總結(jié)全文。
第六章：注明參考文獻(xiàn)，致謝。
1.3.4進(jìn)度安排及設(shè)計(jì)線路
時(shí)間
設(shè)計(jì)任務(wù)及要求
第1周
分析、查閱資料，熟悉設(shè)備技術(shù)要求、背景，學(xué)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，做好前期準(zhǔn)備工作。
第2周
撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告 和外文翻譯，準(zhǔn)備開(kāi)題報(bào)告答辯PPT。
第3-4周
總體方案的設(shè)計(jì),機(jī)械部分與控制部分選型設(shè)計(jì)
第5-6周
電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的選型計(jì)算，編寫(xiě)電機(jī)控制程序，繪制電路圖
第7周
完成3D打印機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)工作
第8-9周
機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成關(guān)鍵零部件的選型與校核
第10-11周
完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，畫(huà)工程圖，零件圖
第13周
整理編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，交指導(dǎo)老師審定，制作答辯提綱，設(shè)計(jì)定稿，打印，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
第14周
進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
1.3.5注意存在的問(wèn)題
1. 設(shè)計(jì)方案,進(jìn)度安排要詳細(xì)具體。
2. 論文格式，參考文獻(xiàn)要規(guī)范。
3. 論文內(nèi)容要充實(shí)詳細(xì)。
4. 繪制圖紙時(shí)要規(guī)范，應(yīng)有標(biāo)題欄，標(biāo)注要詳細(xì)。
5. 按照畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，獨(dú)立認(rèn)真完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
1.4參考文獻(xiàn)
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2、答辯組論證結(jié)論
（1）方案可行，技術(shù)路線清晰 □ （2）方案可行，技術(shù)路線基本清晰 □
（3）方案基本可行，技術(shù)路線不很清晰 □ （4）方案和技術(shù)路線不很清晰 □
（5）方案和技術(shù)路線不清晰 □
3、指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 教研室主任意見(jiàn)：
指導(dǎo)教師（簽名）： 教研室主任（簽名）：
年 月 日 年 月 日
注：(1) 開(kāi)題報(bào)告是用文字體現(xiàn)的設(shè)計(jì)（論文）總構(gòu)想，篇幅不必過(guò)大，但要把計(jì)劃設(shè)計(jì)的課題、如何設(shè)計(jì)、理論依據(jù)和研究現(xiàn)狀等主要問(wèn)題說(shuō)清楚；
(2) 字?jǐn)?shù)不少于3000字，參考文獻(xiàn)不少于6篇，印刷字符在10萬(wàn)印刷符以上。
并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制
Design and Control of Parallel 3D Printer Structure
摘 要
3D打印技術(shù)在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，由最開(kāi)始的打印機(jī)數(shù)量之少，和受到打印材料單一的限制，打印產(chǎn)品比較單一，到現(xiàn)在打印方法多樣，涉及領(lǐng)域廣泛，隨著3D打印技術(shù)的興起，使得許多傳統(tǒng)加工遇到的問(wèn)題得到解決，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。
本文根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的具體要求，對(duì)并聯(lián)3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其中包括驅(qū)動(dòng)元件步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算與強(qiáng)度校核、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型計(jì)算與強(qiáng)度校核，這其中包括同步帶的選型計(jì)算與強(qiáng)度校核，以及為了保證3D打印機(jī)的精度，采用張緊輪對(duì)同步帶進(jìn)行預(yù)緊。因?yàn)椴⒙?lián)式3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式是將同步帶輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑塊沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)滑塊連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型計(jì)算與強(qiáng)度校核。接著3D打印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，闡述了3D打印的優(yōu)勢(shì)與不足，介紹了3D打印的工作原理，幾種典型的3D打印成型方式，和成型材料。介紹了3D打印機(jī)的硬件控制系統(tǒng)，選擇Arduino作為控制器，A4988作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，ramps1.4作為控制板。
關(guān)鍵詞：3D打印 強(qiáng)度 并聯(lián) Arduino
Abstract
3D printing technology emerged in the mid-1990s. After more than 10 years of development, the number of printers from the very beginning was small, and the printing materials were limited. The printing products were relatively simple. Now the printing methods are diverse, covering a wide range of fields. With the rise of 3D printing technology, many of the problems encountered in traditional processing have been solved, shortening the production cycle and increasing the production efficiency.
According to the specific requirements of the graduation design task book, the paper designs and calculates the mechanical structure of the parallel 3D printer, including the selection calculation and strength check of the stepping motor of the drive element, the selection calculation and the strength check of the transmission mechanism. Including timing belt selection calculation and strength check, and in order to ensure the accuracy of the 3D printer, the tension pulley is used to pre-tighten the timing belt. Because the parallel type 3D printer's movement method is to convert the rotational motion of the timing belt pulley into a linear movement of the slider along the guide rail, the selection and calculation of the slider linkage mechanism and the strength check are performed. Then the development status of 3D printing technology at home and abroad was introduced. The advantages and disadvantages of 3D printing were described. The working principles of 3D printing, several typical 3D printing methods, and molding materials were introduced. The hardware control system of the 3D printer was introduced. The Arduino controller was selected as the controller, the A4988 was used as the stepper motor driver, and the ramps1.4 was used as the control board
Key words：3D printing strength in parallel Arduino
目 錄
1 緒論 1
1.1 選題的背景與意義 1
1.1.1 選題的背景 1
1.1.2 選題的意義 1
1.2 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3 研究的目的與意義 5
1.4 論文的主要內(nèi)容 5
1.5 章節(jié)安排 5
2 總體方案的設(shè)計(jì) 5
2.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述 5
2.2 并聯(lián)3D打印機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 5
2.3 并聯(lián)3D打印機(jī)的硬件控制系統(tǒng) 7
2.4 并聯(lián)3D打印機(jī)的軟件控制系統(tǒng) 11
2.5 3D打印機(jī)的工作機(jī)理分析及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 11
2.5.1 3D打印的原理 11
2.5.2 3D打印累計(jì)技術(shù)原理 12
2.5.3 幾種工藝性能的對(duì)比 14
2.5.4 3D打印所用的材料 14
2.6 五種工藝打印耗材 14
2.7 串并聯(lián)3D打印機(jī)對(duì)比 14
3 并聯(lián)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15
3.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理 15
3.2 構(gòu)型設(shè)計(jì) 16
3.3 整體尺寸的計(jì)算 16
3.4 連桿長(zhǎng)度的確定與強(qiáng)度的校核 17
3.5 電機(jī)的選型與計(jì)算 18
3.6 同步帶的選型與計(jì)算 22
3.6.1 傳動(dòng)方案的選擇 22
3.6.2 選型計(jì)算與壽命校核 23
3.7 同步帶輪的設(shè)計(jì)選取 25
3.8 導(dǎo)軌的選擇計(jì)算與強(qiáng)度校核 26
3.9 滾動(dòng)軸承 27
4 3D打印編程技術(shù)與通用算法 27
4.1 3D打印機(jī)固件開(kāi)發(fā)環(huán)境 27
4.2 3D打印的數(shù)據(jù)處理 29
4.3 3D打印與Gcode 29
5 總結(jié)與展望 30
5.1 全文總結(jié) 30
5.2 展望 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 34
附錄 35
1 緒論
1.1 選題的背景與意義
1.1.1 選題的背景
一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展程度是衡量生產(chǎn)力水平的重要標(biāo)志，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)受到了各國(guó)制造業(yè)的廣泛關(guān)注。據(jù)英國(guó)著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》報(bào)道：3D打印技術(shù)使制造個(gè)性化、產(chǎn)品定制化成為可能，人們可以在沒(méi)有復(fù)雜模具的情況下任意打印自己想要的零部件，甚至是傳統(tǒng)制造業(yè)無(wú)法加工的結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)，因此，3D打印技術(shù)將帶動(dòng)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)生重大變革[1]。
為加快3D打印技術(shù)的發(fā)展，早在2012年美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬就撥款3000萬(wàn)美元，在俄亥俄州建立了國(guó)家級(jí)3D打印添加劑研究中心，并計(jì)劃累計(jì)投入5億美元資金用于3D打印技術(shù)[2]，《時(shí)代》周刊也將3D打印列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的產(chǎn)業(yè)之一[3]”；歐盟的大學(xué)、企業(yè)、政府之間建立了眾多的技術(shù)聯(lián)盟包括“大型航空航天部件快速生產(chǎn)計(jì)劃”（RAPOLAC），面向大規(guī)?？蛻舳ㄖ坪退幤飞a(chǎn)的“自定制”（Custom Fit）計(jì)劃等。為了抓住這次機(jī)遇，推動(dòng)我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)政府也大力頒布相關(guān)政策支持3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2015年，相繼出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》及《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)規(guī)劃計(jì)劃（2015-2016）》，計(jì)劃指出要在2016年，初步建立比較完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平與國(guó)際同步。《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)規(guī)劃計(jì)劃（2017-2020）》計(jì)劃到2020年，增材制造產(chǎn)業(yè)年銷(xiāo)售收入超過(guò)200億元，年均增速在30%以上[4]?？梢哉f(shuō)未來(lái)的3D打印將成為《中國(guó)制造2025》發(fā)展的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。在2015年《求是》雜志第20版發(fā)表的李克強(qiáng)總理的題為《催生新的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)發(fā)展升級(jí)》的文章中也多次提到3D打印[5]。全國(guó)政協(xié)經(jīng)濟(jì)委員會(huì)副主任，工信部前部長(zhǎng)李毅中在第三屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)的開(kāi)幕式致辭時(shí)表示，“在《中國(guó)制造2025》規(guī)劃當(dāng)中，有五個(gè)地方出現(xiàn)了3D打印[6]，并且把3D打印列為制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程之一”在他看來(lái)打造3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，可以推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，具有十分重要的意義。相信借助《中國(guó)制造2025》的東風(fēng)，在不久的將來(lái)我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)將會(huì)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
1.1.2 選題的意義
隨著社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)商品的個(gè)性化要求日益提高，對(duì)于一些形狀復(fù)雜的商品，傳統(tǒng)加工工藝具有一定的局限性，帶來(lái)了一系列的生產(chǎn)問(wèn)題，例如：制造精度難以保證，成型困難、加工成本高等等。正是在這些因素的驅(qū)動(dòng)下，3D打印技術(shù)具有極大的商機(jī)與潛力。相比于傳統(tǒng)的制造工藝，3D打印具有傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：
(1) 針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品而言，成本較低。這使得許多傳統(tǒng)工藝無(wú)法加工的復(fù)雜產(chǎn)品問(wèn)題迎刃而解[7]。例如我國(guó)珠寶首飾行業(yè)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和加工，它替代了傳統(tǒng)工藝中“起銀版、壓膠模、開(kāi)膠模、注蠟、種蠟樹(shù)、灌石膏、抽真空、烘干” 全部流程并減免相應(yīng)的設(shè)備、場(chǎng)地、人員的開(kāi)銷(xiāo)[8]。如商家用3D噴蠟打印和失蠟鑄造法制作一些工藝品。如圖1-1所示，
圖1-1數(shù)字建模打印的雙面浮雕花卉銀盒實(shí)物
(2) 無(wú)需組裝：傳統(tǒng)大規(guī)模的生產(chǎn)需要建立在組裝線基礎(chǔ)上，并且加工產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗時(shí)和成本就越多。3D打印機(jī)能使部件一體化成型，不需要組裝。
(3) 設(shè)計(jì)空間廣闊：傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受限于使用的工具，如制模機(jī)僅能制造模鑄形狀，3D打印機(jī)可以突破這些局限，使制造產(chǎn)品不受工具限制[9]。
(4) 制造技能門(mén)檻降低：傳統(tǒng)的制造機(jī)器仍需要熟練的專業(yè)人員對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，3D打印機(jī)在制造產(chǎn)品的時(shí)候直接把計(jì)算機(jī)繪制的三維模型打印出來(lái)，降低了對(duì)技術(shù)人員的依賴程度并且3D打印機(jī)的操作技能相比傳統(tǒng)機(jī)器的操作技能要更低。
(5) 占地空間小、便攜制造：與傳統(tǒng)的制造機(jī)器相比，3D打印機(jī)非常的靈巧便捷，占地空間小，可以自由移動(dòng)。
(6) 減少?gòu)U棄金屬浪費(fèi):尤其是在注重經(jīng)濟(jì)環(huán)保當(dāng)下，3D打印深受制造行業(yè)的重視。傳統(tǒng)金屬加工生產(chǎn)過(guò)程中浪費(fèi)大量金屬材料，3D打印機(jī)在制造金屬產(chǎn)品過(guò)程中浪費(fèi)量較少，符合國(guó)家提倡的綠色制造范疇[10]。
(7) 不同原材料之間可以相互結(jié)合：傳統(tǒng)的機(jī)器將不同的原材料結(jié)合加工成一件產(chǎn)品是件難事，因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中受到機(jī)器加工方法和成型機(jī)器種類(lèi)的限制。隨著多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，人們可以將以前無(wú)法融合的原材料混合后形成新材料。如PC-ABS材料一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，被廣泛的應(yīng)用于汽車(chē)、家電和通信行業(yè)[11]
1.2 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
1892年，地質(zhì)學(xué)家Blanther為了能夠制作精密的三維地圖模型，提出了一種分層切片方法。然而，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平比較落后,這個(gè)想法僅僅稱為一個(gè)概念模型。直到19世紀(jì)80年代，在美國(guó) UVP公司的支持幫助下，Charles W.Hull設(shè)計(jì)完成了第一臺(tái)能實(shí)現(xiàn)完整打印零部件功能的制造系統(tǒng),可以看做是3D打印技術(shù)發(fā)展的里程碑事件[12]；1988年，美國(guó)3D System公司，采用“立體平版印刷快速成型”（Steren Lithography）SL 技術(shù)，該技術(shù)先用紫外激光照射掃描光敏樹(shù)脂經(jīng)其固化，然后通過(guò)逐層凝結(jié)累加制造出三維實(shí)體。并且推出了首臺(tái)商用“液態(tài)光敏樹(shù)脂選擇性固化成型機(jī)”（SLA-250），如圖1-2所示，這標(biāo)志著 3D 打印技術(shù)的誕生[13]。
圖1-2液態(tài)光敏樹(shù)脂高精度3D打印機(jī)
1992年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的 Sache E.M.和 Cima M.J.等首次對(duì) 3D 打印原理做出了概念性的描述[14]。1996年，3D打印機(jī)的名字首次被使用。1998 年，Objet 公司創(chuàng)建。該公司致力于開(kāi)發(fā)3D打印設(shè)備及成型材料，且在2007年推出 Eden 系列產(chǎn)品，得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。2005年，Z Croporation公司生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)高精度彩色 3D 打印機(jī)Spectrum Z510，同年，英國(guó)巴恩大學(xué)的Arian Bowyer發(fā)起開(kāi)源3D打印機(jī)項(xiàng)目 RepRap，從此桌面 3D 打印機(jī)進(jìn)入 DIY 時(shí)代[15]。2010年，Stratasys公司與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司建立了 OME 合作關(guān)系，生產(chǎn) HP品牌3D打印機(jī)。2012年Stratasys公司在收購(gòu)Solidscape公司之后又與以色列著名的3D打印系統(tǒng)提供商O(píng)bject正式合并[16]。在國(guó)外3D打印已經(jīng)應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如電子業(yè)、航天航空、汽車(chē)制造業(yè)等等。
1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
在國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)發(fā)展起步較晚，但在政府部門(mén)的大力支持下，許多發(fā)達(dá)城市都建立了3D打印服務(wù)機(jī)構(gòu)和3D打印研究場(chǎng)所。這使得我國(guó)3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并且很快與國(guó)際社會(huì)接軌。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校開(kāi)展了3D打印技術(shù)自主研發(fā)，清華大學(xué)在現(xiàn)代成型理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面的研究具有一定的優(yōu)勢(shì)。其自主研發(fā)的3D打印機(jī)如圖1-3所示，
圖1-3清華大學(xué)自主研發(fā)的3D打印機(jī)
經(jīng)過(guò)十多年的刻苦研究，華中科技大學(xué)成功研制出工業(yè)級(jí)制造裝備，如圖1-4所示，
圖1-4 華中科技大學(xué)研制1.2 米×1.2打印設(shè)備
該設(shè)備具有很大的成型工作空間，可以打印較大的模型，其性能超過(guò)了國(guó)外3D打印公司的同類(lèi)產(chǎn)品，是當(dāng)時(shí)世界上最大成型空間的快速制造裝備。中國(guó)科技大學(xué)推出了具有轉(zhuǎn)換功能的八噴頭組合噴射裝置，在微制造及光電器件領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景[17]。
北京航天航空大學(xué)，湖南大學(xué)等高校已經(jīng)研發(fā)了激光3D打印機(jī)來(lái)打印鈦合金等金屬制品。在國(guó)內(nèi)許多家公司也在3D打印機(jī)研究方面取得了不俗的成果，2010年北京太爾時(shí)代科技有限公司推出了世界上首款3D打印機(jī)UP Plus，之后又將其更新為UP Plus2。南京紫金立德公司，其采用的分層實(shí)體制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。并且該公司已有專利技術(shù)11項(xiàng)，自主專利7項(xiàng)。
雖然在最近一段時(shí)間內(nèi)我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，但在技術(shù)上仍存在瓶頸：
（1）有的打印設(shè)備對(duì)打印材料要求非常苛刻，如彩色石膏材料、人造骨粉材料、細(xì)胞生物原材、以及砂糖食品材料都是針對(duì)專門(mén)的3D打印設(shè)備研發(fā)的[18]。
（2）打印成本的限制，市面上的一些打印機(jī)和打印材料價(jià)格昂貴，普通大眾承受不起。例如1kg用于3D打印的鈦金屬粉末的價(jià)格為200~400美元[19]。
（3）在成型尺寸、制造精度和穩(wěn)定性上急需提高，3D打印設(shè)備由于受到機(jī)器自身精度和打印材料之間的沖突，造成打印速度低，導(dǎo)致打印產(chǎn)品精度不夠不近如人意。
近年來(lái)隨著中國(guó)政府對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)支持力度日益增大，中國(guó)在3D打印技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距日益減小，但在一些領(lǐng)域仍有較大差距。我相信隨著我國(guó)科技人員的不斷努力下，未來(lái)我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)的前景將會(huì)一片光明。
1.3 研究的目的與意義
目前3D打印還是采用傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于自身的先天條件不足。不能更好的適應(yīng)市場(chǎng)高速度，高精度的需求。并聯(lián)3D打印機(jī)因其具有承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)動(dòng)精度高、多功能靈活性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。
1.4 論文的主要內(nèi)容
3D打印的許多問(wèn)題都與打印設(shè)備有關(guān)，作為3D打印設(shè)備核心的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能對(duì)其打印成型影響巨大。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是從3D打印機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出發(fā)從而提高3D打印機(jī)的性能。應(yīng)用專業(yè)知識(shí)完成一臺(tái)并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，完成3D打印機(jī)總體方案的設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件強(qiáng)度校核計(jì)算、用繪圖軟件繪制并聯(lián)3D打印機(jī)的三維圖、工程圖。完成電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)控制程序、繪制控制電路圖、并查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，從而達(dá)到鞏固綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，掌握正確的設(shè)計(jì)思想與方法目的。
1.5 章節(jié)安排
第一章：闡述并聯(lián)3D打印機(jī)選題的背景與意義，國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，研究目的與意義、論文主要內(nèi)容、和章節(jié)安排。
第二章：總體方案設(shè)計(jì)，完成并聯(lián)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇合適打印材料和成型方式。
第三章：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，打印機(jī)整體尺寸的計(jì)算，完成電機(jī)的計(jì)算同步帶、連桿設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度校核，并繪制裝配圖，零件圖。
第四章：3D打印的編程與通用算法，3D打印機(jī)的固件開(kāi)發(fā)環(huán)境、3D打印與Gcode等
第五章：結(jié)論，總結(jié)全文。注明參考文獻(xiàn)，致謝。
2 總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述
并聯(lián)3D打印機(jī)系統(tǒng)由打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)組成。該類(lèi)型的3D打印設(shè)備涉及機(jī)械、材料、控制、電氣等多個(gè)學(xué)科，是一種復(fù)雜的機(jī)械電子系統(tǒng)。
2.2 并聯(lián)3D打印機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
并聯(lián)3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括：電機(jī)、電源、導(dǎo)軌、絲杠或同步帶、加熱板/熱床、擠出機(jī)、機(jī)身結(jié)構(gòu)組成。
(1) 電機(jī)：電機(jī)是3D打印機(jī)的主要控制部件，對(duì)于精度要求不高的一般選擇步進(jìn)電機(jī)，對(duì)于精度要求較高的一般選擇伺服電機(jī)。且伺服電機(jī)的價(jià)格較高，本文選擇的是步進(jìn)電機(jī)。
(2) 電源：對(duì)于打印機(jī)的電源一般應(yīng)選擇輸入電壓范圍寬泛、效率高、體積小重量輕、抗干擾性能好、具有短路過(guò)載保護(hù)功能。 電源為整個(gè)3D打印機(jī)裝置提供能量的支持，其供電的對(duì)象包括步進(jìn)電機(jī)、打印噴頭、熱床、控制板、風(fēng)扇、LED顯示屏等。綜合考慮選擇電壓為12V功率為360W的電源，且內(nèi)部帶有風(fēng)扇。其輸入電壓為220V轉(zhuǎn)12V，其具體尺寸為215mm×119mm×52mm。其使用效率為80%，且具有短路、過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫度保護(hù)措施等。
(3) 導(dǎo)軌：按運(yùn)動(dòng)軌跡可分為直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和圓運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，光軸導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精度較低、直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，價(jià)格和精度要比光軸導(dǎo)軌要高。本文選擇的是直線導(dǎo)軌
(4) 并聯(lián)3D打印機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般有同步帶和絲杠兩種形式，絲杠傳動(dòng)效率高但是成本高。同步帶傳動(dòng)精度較高，成本低、耐磨、抗老化等。本文選擇的是同步帶
(5) 加熱板/熱床：加熱板/熱床可以減輕ABS、PLA材料在打印過(guò)程中翹曲程度，完成較高質(zhì)量的打印。
(6) 擠出機(jī)：擠出機(jī)是3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中重要的部分之一，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)將打印的原材料送入到加熱頭的噴嘴內(nèi)，將絲加熱到預(yù)定的溫度。并且由電熱調(diào)節(jié)器或熱電偶來(lái)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)與監(jiān)控。當(dāng)先進(jìn)入的材料融化后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)將未融化的材料前進(jìn)并將融化的材料擠出。
(7) 機(jī)身結(jié)構(gòu)：3D打印機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有三角形結(jié)構(gòu)、三角爪式結(jié)構(gòu)、矩形盒式結(jié)構(gòu)、矩形桿式結(jié)構(gòu)，從精度、裝配、價(jià)格等權(quán)衡，選擇三角形結(jié)構(gòu)是較好的。
(8) 打印頭：噴出技術(shù)采用熔融沉積型技術(shù)，成型工藝對(duì)噴頭系統(tǒng)的功能要求可以為以下幾點(diǎn)：
1）熔絲功能與送料功能，將送進(jìn)的固態(tài)料絲以及時(shí)充分熔化成熔融狀態(tài)，并從噴嘴噴出；
2）流道功能：為熔融材料提供穩(wěn)定流動(dòng)的通道；
3）出絲速度匹配與出絲啟停控制功能：出絲速度可控，可以根據(jù)掃描速度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)速度互相匹配。特別是在路徑起始和停止處。
在魚(yú)眼效應(yīng)器吊臺(tái)下面通過(guò)螺栓連接著打印機(jī)的噴頭。魚(yú)眼效應(yīng)器吊臺(tái)其組成材料是鋁合金。噴頭將擠出機(jī)送來(lái)的的打印材料加熱融化以后，由擠出噴嘴擠出。擠出噴頭裝置主要由進(jìn)料管、噴嘴、散熱風(fēng)扇（40mm×40mm×10mm）組成。擠出噴頭如圖2-1所示，熱端是擠出機(jī)的重要部分，材料絲從噴嘴的入口進(jìn)入，一般3mm的材料絲用5mm的入口噴嘴，1.7mm的使用2mm的入口噴嘴。本文的噴嘴直徑是0.5mm，材料絲入口直徑是4mm。規(guī)格越小的噴嘴越難加工，規(guī)格大的噴嘴擠出精度一般較差。因?yàn)殂~的導(dǎo)熱性非常好，所以噴嘴一般用黃銅來(lái)制作。噴嘴一邊放熱敏電阻，阻值一般為5-9W。另一側(cè)是一個(gè)加熱器對(duì)材料進(jìn)行加熱。材料在冷端時(shí)的溫度必須低于80度，以免材料變軟失去下推力。圓圈內(nèi)的區(qū)域?yàn)楹砉軈^(qū)，這個(gè)區(qū)域的材料是軟的，所以越短越好，以免影響出料精度。熱端則要求材料液化后保持良好的流動(dòng)性，并且在噴嘴尖端讓材料盡量達(dá)到固化點(diǎn)，保證材料從噴嘴流出接觸空氣后立刻冷卻凝固。冷端與熱端需隔斷，可以避免擠出絲被過(guò)度熔化，隔斷的材料需采用耐高溫的隔熱材料和膠帶。
散熱片
進(jìn)料管
加熱管
散熱風(fēng)扇
熱敏電阻
噴嘴
圖2-1擠出噴嘴原理示意圖
2.3 并聯(lián)3D打印機(jī)的硬件控制系統(tǒng)
在進(jìn)行3D打印機(jī)系統(tǒng)整體尺寸的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制至關(guān)重要，其硬件系統(tǒng)主要包括核心處理模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、成型溫度控制模塊、人機(jī)交互模塊、擠出模塊和通信模塊等，由上述可知，3D打印機(jī)的硬件控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示，本文設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由Arduino Mega 2560主控板、RAMPS1.4擴(kuò)展板和4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板組成。
計(jì)算機(jī)
在線打印控 制
生成G代碼
三 維 建 模
人機(jī)交互模塊控制
主控制模塊
成型溫度控制模塊
LCD操作面板
核心控制器Atmage2560
熱敏電阻
PCB加熱熱床
SD讀取顯卡
參數(shù)設(shè)定
打印控制
功能擴(kuò)展板RAMPS
擠出控制模塊
運(yùn)動(dòng)控制模塊
其他輔助模塊控制功能
步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)器
擠出機(jī)送絲機(jī)
X軸步進(jìn)電機(jī)
模型冷卻風(fēng)扇
回零形成開(kāi)關(guān)
手動(dòng)調(diào)平工作臺(tái)
熱敏電阻
擠出頭溫度控制器
Y軸步進(jìn)電機(jī)
加熱頭
Z軸步進(jìn)電機(jī)
圖2-2控制系統(tǒng)框架圖
a) 下面著重介紹一下Arduino Mega 2560采用USB接口，使用ATmega2560處理器，具有54個(gè)數(shù)字輸出輸入接口，（其中14個(gè)具有PWM輸出能力） ，16路模擬輸入，4路UAET接口，一個(gè)16MHz的晶體振蕩器，一個(gè)USB連接器，一個(gè)電源插座，以及一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕組成了Arduino Mega 2560組板如圖2-3所示
數(shù)字接口
模擬輸入
串口指示燈
USB接口
重置按鈕
穩(wěn)壓器
晶振
USB接口芯片
單片機(jī)
電源接口
圖2-3Arduino mega2560
b) A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本文選擇A4988作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。下圖是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下圖2-4所示，主控制板上通過(guò)對(duì)芯片上ENABLE、DIR、和STEP三個(gè)引腳的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。ENABLE是A4988輸出使能端口，當(dāng)端口為高電位時(shí)，輸出端無(wú)電流輸出，當(dāng)其為低電位時(shí)，才有電流輸出，從而電機(jī)才能工作。DIR端口來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)其端口為高電位時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，低電位時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。STEP為脈沖信號(hào)輸入端口，當(dāng)脈沖為上升沿時(shí)有效。A4988可以對(duì)步進(jìn)量進(jìn)行細(xì)分，端口MS1、MS2、MS3可以設(shè)置不同的步進(jìn)模式。OUT_1A、OUT_1B引腳接到步進(jìn)電機(jī)其中一項(xiàng)的兩端，OUT_2A、OUT_2B接到步進(jìn)電機(jī)的另一項(xiàng)的兩端，Vref用于控制電流。420BYG250C步進(jìn)電機(jī)的步距角是1.8°，需要200個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈，如果采用1/16細(xì)分之后，需要3200個(gè)脈沖電機(jī)才能轉(zhuǎn)一圈，又因?yàn)殡姍C(jī)軸上連接的同步帶輪的齒數(shù)為24個(gè)且齒距為5.080mm，所以轉(zhuǎn)一圈的路程為122mm，一個(gè)脈沖的路程為0.03mm/step。
2-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖
c) 在3D打印機(jī)經(jīng)常使用主板RAPMS1.4，原因之一就是花低成本，而且在小尺寸的電路板上就集成了Reprap所需要的所有的電路接口，并且有充足的擴(kuò)展空間，RAPMS除了連接Arduino MEGA平臺(tái)之外，還提供了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的接口，各軸限位開(kāi)關(guān)接口、擠出機(jī)接口、加熱床輸出LED，風(fēng)扇輸出LED、是一款非常便捷的軟件，具有強(qiáng)大的升級(jí)能力。Arduino擴(kuò)展板其結(jié)構(gòu)如下圖2-5所示。所以本文選擇RAPMS1.4作為3D打印機(jī)的主控制板。
圖2-5RAPMS1.4擴(kuò)展板
圖2-5RAPMS接線圖
2.4 并聯(lián)3D打印機(jī)的軟件控制系統(tǒng)
3D打印機(jī)的軟件控制系統(tǒng)主要包括：有控制打印的計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口單元組成。
控制打印的計(jì)算機(jī)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩級(jí)控制，上位機(jī)選擇性能較好的PC機(jī)，上位機(jī)用于打印數(shù)據(jù)的處理和總體的控制任務(wù)，其功能如下：
1) 把3D模型快速生成打印成型的工藝特點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。
2) 可以設(shè)置打印參數(shù)。
3) 對(duì)打印成型情況進(jìn)行監(jiān)控并接受運(yùn)動(dòng)的反饋。
4) 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供打印型速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與相關(guān)信息的顯示。
5) 提供多種打印參數(shù)的選擇。
目前3D打印機(jī)的上位機(jī)控制軟件Printrun和Repetier-Host等被應(yīng)用的較為廣泛， Printrun上位機(jī)如圖2-6所示，界面簡(jiǎn)單，操作方便。Printrun是一款基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的3D打印控制軟件，主要包括printcore、pronsole及pronterface 3個(gè)模塊和其他相關(guān)腳本。其中printcore.py是一個(gè)使寫(xiě)RepRap上位機(jī)控制軟件變得更加簡(jiǎn)單的Python函數(shù)庫(kù)。printcore.py是一個(gè)命令行（Console）交互軟件，pronterface.py與pronsole功能相同，但可以提供圖形界面。
圖2-6Printrun軟件界面
下位機(jī)對(duì)打印機(jī)打印時(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，并將打印數(shù)據(jù)傳遞給噴頭。
2.5 3D打印機(jī)的工作機(jī)理分析及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
2.5.1 3D打印的原理
3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型為文件基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料和粉末狀金屬等可粘合的材料，通過(guò)逐層打印方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[20]。
2.5.2 3D打印累計(jì)技術(shù)原理
隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，目前有5種比較成熟的工藝。
(1) 光固化立體成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）
如圖2-7所示，將光敏樹(shù)脂放在一個(gè)液槽中，逐層打印固化，邊固化工作臺(tái)邊下降，然后在固化好的表面再涂一層新的液態(tài)樹(shù)脂，就這樣新一層牢固的粘接在上一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)模型加工完畢。
液面
光敏樹(shù)脂
紫外激光
成形零件
工作臺(tái)
刮平器
圖2-7 SLA工作原理
(2) 分層實(shí)體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）
如圖2-8所示，其基本原理是利用激光等工具逐層面切割、堆積薄板材料，最終形成三維實(shí)體。
激光器
熱壓輥
加工平面
計(jì)算機(jī)
供紙卷
收紙卷
升降臺(tái)
圖2-8 LOM工作原理
(3) 選擇性激光燒結(jié)成型（Selective Laser Sintering，SLS）
如圖2-9所示，首先在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄的粉末，然后激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再重新鋪粉進(jìn)行下一層燒結(jié)。待全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，最后進(jìn)行打磨、烘干處理。
平整輥
激光器
粉沫
激光束
掃面鏡
圖2-9 SLS工作原理
(4) 熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）
如圖2-10所示，材料以絲的形狀進(jìn)入打印頭，在打印頭中融化后經(jīng)過(guò)噴嘴流出又凝結(jié)為固態(tài)，在打印頭打印的過(guò)程中材料形態(tài)重復(fù)固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)，最終形成產(chǎn)品模型。
產(chǎn)品
工作臺(tái)
打印頭
打印頭
材料絲
圖2-10 FDM工作原理
(5) 三維打印技術(shù)
如圖2-11所示，采用粉末材料（如陶瓷粉末、金屬粉末）打印成型。3DP技術(shù)的材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的，而是通過(guò)噴頭用粘結(jié)劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上。但是用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，需要進(jìn)行后期處理。
回收材料槽
成型室
打印材料
進(jìn)料輥
粘合劑噴頭
圖2-11三維打印原理圖
2.5.3 幾種工藝性能的對(duì)比
如表1-1所示幾種打印形式的對(duì)比
SLA
LOM
SLS
FDM
3DP
尺寸精度
高
中等
較高
較低
一般
速度
快
較慢
較慢
較慢
較快
制造成本
高
較低
較高
較低
較低
材料利用率
接近100%
差
接近100%
接近100%
中等
毒性氣體
有
無(wú)
有
無(wú)
無(wú)
表面質(zhì)量
高
高
中等
較低
一般
材料價(jià)格
較貴
較便宜
中等
較貴
中等
2.5.4 3D打印所用的材料
3D打印材料的發(fā)展是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要組成部分，同時(shí)它也是制約著3D打印技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。目前3D打印材料主要包括工程塑料（ABS、PLA等）、光敏樹(shù)脂、橡膠類(lèi)材料、金屬材料、陶瓷材料等，除此之外還有彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物材料等也在3D打印領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如3D打印材料的形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、片層狀、液體狀等，打印材料的粒子直徑也不同，這些材料都是為專門(mén)的3D打印設(shè)備和工藝專門(mén)研發(fā)的。
2.6 五種工藝打印耗材
如表1-2所示打印耗材的對(duì)比
FDM材料
SLA材料
SLS材料
LOM
粘結(jié)成型材料
ABS
紙
石蠟
熱塑性塑料
金屬膜
尼龍
光敏樹(shù)脂
金屬粉末
塑料薄膜
石膏
聚碳酸酯
陶瓷粉末
PLA
本文采用的是ABS作為打印材料，F(xiàn)DM成型工藝，因?yàn)槠鋬r(jià)格相對(duì)低廉、成型簡(jiǎn)單，目前被廣泛的應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。
2.7 串并聯(lián)3D打印機(jī)對(duì)比
目前3D打印機(jī)按機(jī)構(gòu)執(zhí)行類(lèi)型分為串聯(lián)式3D打印機(jī)和,并聯(lián)式3D打印機(jī)。
a) 串聯(lián)式3D打印機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)機(jī)器人，其主要結(jié)構(gòu)包括，熱床，光桿、電機(jī)、帶輪、同步帶。其機(jī)構(gòu)如下圖2-12所示，用于驅(qū)動(dòng)的電機(jī)和傳動(dòng)的部件都固定在運(yùn)動(dòng)的零件上，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的慣性變大，動(dòng)力性能降低，這樣打印機(jī)打印很短的時(shí)間電機(jī)就發(fā)熱，降低了電機(jī)的使用壽命。并且熱床和噴頭由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)速度不一樣從而使打印精度降低。
圖2-12串聯(lián)式3D打印機(jī)
b) 并聯(lián)式3D打印機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)
其機(jī)械部分的機(jī)構(gòu)主要有，電機(jī)、同步帶、帶輪、直線導(dǎo)軌、支架、熱床、擠出機(jī)等如圖2-13所示。其優(yōu)點(diǎn)是，并聯(lián)3D機(jī)的打印頭是可以移動(dòng)的，并且3個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)方向的精度統(tǒng)一。其打印速度也比串聯(lián)機(jī)構(gòu)要快。
圖2-13并聯(lián)式3D打印機(jī)
3 并聯(lián)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理
本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)式3D打印機(jī)，基本組成結(jié)構(gòu)：鋁型材三角支撐架結(jié)構(gòu)、并聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、打印噴頭、和工作平臺(tái)組件組成。并聯(lián)式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)組成主要包括,工作平臺(tái)、打印頭、同步帶、同步帶輪、滑塊、連桿、導(dǎo)軌、電機(jī)等組成。在導(dǎo)軌的下方安裝三臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上的帶輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同步帶輪依靠與滑塊固定在一起的同步帶，將帶輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛瑝K的直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上來(lái)回滑動(dòng)，滑塊與打印頭之間依靠連桿連接，所以當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，從而依靠連桿帶動(dòng)打印頭運(yùn)動(dòng)。為保證噴頭有良好的運(yùn)動(dòng)軌跡和較高的打印精度,該并聯(lián)機(jī)構(gòu)要限制噴頭在各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,從而實(shí)現(xiàn)噴頭在平面內(nèi)工作。
3.2 構(gòu)型設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)并聯(lián)式3D打印機(jī)采用了Delta式機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中連桿與動(dòng)平臺(tái)的連接模型如圖3-1所示，驅(qū)動(dòng)桿與機(jī)架間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。其自由度F可以利用Kutzbach-Grubler公式計(jì)算：
-運(yùn)動(dòng)桿數(shù)目
-運(yùn)動(dòng)副數(shù)
-運(yùn)動(dòng)副具有的自由度數(shù)目
在該空間機(jī)構(gòu)中由于有冗余自由度的存在，導(dǎo)致3組平行四邊形不能扭轉(zhuǎn)所以限制了3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是3個(gè)移動(dòng)自由度。并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)保持平行。，將以上數(shù)據(jù)帶入公式得
（3-1）
圖3-1并聯(lián)式結(jié)構(gòu)
3.3 整體尺寸的計(jì)算
原始的成型尺寸直徑是180mm×180mm×320mm，整體尺寸的計(jì)算如下圖3-2所示，在等邊三角形ABC中，圓O為其內(nèi)切圓，其中DO=EO=FO=90mm，AF^BC，BE^AC，DC^AB，由三角形的幾何關(guān)系可得，AB=AC=BC=2BF=2FOtan60°=211.769mm。綜合考慮，取三棱柱的底邊邊長(zhǎng)為300mm，豎直高度取600mm。所以本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)3D打印機(jī)的整體框架選擇鋁型材。相比于其它的材料，鋁型材具有質(zhì)量輕，而且比較容易生產(chǎn)加工，且在廢棄之后不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。鋁型材的基本尺寸為300mm×15mm×15mm。
圖3-2整體框架的簡(jiǎn)化投影視圖
3.4 連桿長(zhǎng)度的確定與強(qiáng)度的校核
帶動(dòng)打印機(jī)打印頭的6根連桿的長(zhǎng)度是相同的。下面要確定連桿的最大的長(zhǎng)度值，保證打印機(jī)的三棱柱的整體的外形尺寸不變，當(dāng)該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的6根連桿共面時(shí)其處于極限位置時(shí)連桿的長(zhǎng)度取得最值，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型如下圖3-3所示。
圖3-3運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖
由投影簡(jiǎn)圖可知，DABC為等邊三角形，其中AB=AC=BC=300mm，AF^BC，BE^AC，DC^AB，由等邊三角形的三線合一的性質(zhì)可知，O為DABC的中心，所以AO=BO=CO=23AF=23ABsin60°=0.67×300×sin60°=174.066mm，所以連桿的最小長(zhǎng)度為174.066。當(dāng)滑塊移動(dòng)最高位置時(shí)，噴頭處于極限位置，連桿長(zhǎng)度取得最大值，此時(shí)該簡(jiǎn)化的機(jī)構(gòu)模型如圖3-4所示，
圖3-4運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖
其中a=174.066，b=600，由勾股定理得
（3-2）
所以連桿的最大長(zhǎng)度為624.739mm
綜上可得，連桿長(zhǎng)度L的取值范圍為174.066mm≤L≤624.739mm，所以取直徑8mm為長(zhǎng)度為190mm。
連桿的強(qiáng)度校核計(jì)算：連桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到一定程度的拉伸，所以要校核連桿的強(qiáng)度。直徑為8mm的304不銹鋼桿。打印機(jī)在打印過(guò)程中連桿和打印頭的質(zhì)量都很?。ù蛴☆^的質(zhì)量在300g左右，），他們對(duì)連桿的強(qiáng)度影響可以忽略不計(jì)，綜上連桿所受的力約為10N。
（3-3）
經(jīng)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得，304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度，所以選擇直徑為8mm的不銹鋼滿足設(shè)計(jì)要求。
3.5 電機(jī)的選型與計(jì)算
電機(jī)控制系統(tǒng)按照運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為驅(qū)動(dòng)伺服和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)兩大類(lèi)它們的優(yōu)缺點(diǎn)如下表3-2所示，綜合考慮到控制要求，和成本要求，以及所設(shè)計(jì)的并聯(lián)3D打印機(jī)的實(shí)際工作要求。我選擇目前普遍使用的步進(jìn)電機(jī)作為3D打印機(jī)的滑塊提供動(dòng)力，即通過(guò)同步帶使滑塊在導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)噴頭運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的選型要計(jì)算在各種工作情況下所需的等效負(fù)載力距、最大靜轉(zhuǎn)距、和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、功率、等特性選擇適合的步進(jìn)電機(jī)。在本文中，要使打印機(jī)的噴頭最大移動(dòng)速度達(dá)到20mm/s，要小于步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)要克服滑塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)要克服自身的重力和連桿壓力的最大阻力，并且在電機(jī)停止時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可以保持最大靜轉(zhuǎn)矩有效防止滑塊因自身的重力而下落。而且要保證擠出機(jī)在出料的時(shí)候不失步，步進(jìn)電機(jī)要提供足夠的轉(zhuǎn)矩。
表3-2伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的比較
伺服電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)
控制類(lèi)型
閉環(huán)控制
開(kāi)環(huán)控制
控制方式不同
伺服電機(jī)是通過(guò)控制脈沖的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的
步進(jìn)電機(jī)是將接收的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械的角位移信號(hào)，每接收一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角
低頻特性
交流伺服電機(jī)工作非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。
步進(jìn)電機(jī)在低頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。
過(guò)載能力
交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性轉(zhuǎn)矩。
步進(jìn)電機(jī)無(wú)過(guò)載能力，有時(shí)為了克服慣性轉(zhuǎn)矩，往往選擇轉(zhuǎn)矩較大的電機(jī)。
負(fù)載最大功率的計(jì)算:
（3-4）
（3-5）
（3-6）
（3-7）
由以上幾個(gè)公式推導(dǎo)出功率，由已知條件可知最大移動(dòng)速度為，總的轉(zhuǎn)矩
（3-8）
又因?yàn)橥綆У膫鲃?dòng)效率較高，且材質(zhì)較輕一般預(yù)緊后折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)。所以。打印機(jī)的噴頭的質(zhì)量在約為300g，且載荷分配在6根相同的連桿上，滑塊質(zhì)量約為100g，一根連桿的質(zhì)量約為300g，摩擦因數(shù)μ非常小約為0.02所以
（3-9）
帶入上述公式得P=1.8×10-4W根據(jù)計(jì)算初選電機(jī)北京升瑪興業(yè)科技有限公司的森創(chuàng)42BYG250CK二相混合式步進(jìn)電機(jī)。其具體參數(shù)如表3-3、3-4所示，
表3-3具體參數(shù)
品牌
森創(chuàng)
型號(hào)
420BYG250C
額定功率
36(W)
產(chǎn)品類(lèi)型
步進(jìn)電機(jī)
額定電壓
24(V)
額定電流
1.5(A)
額定轉(zhuǎn)速
85-240(r/min)
額定轉(zhuǎn)矩
0.54(N*m)
外型尺寸
42*42*48(mm)
產(chǎn)品認(rèn)證
ce
適用范圍
自動(dòng)化控制
功率
93%
25
絕緣電阻—500VDC 100MW Min
軸向間隙—1mm Max
徑向跳動(dòng)—0.02mm Max
溫升—65K Max
絕緣強(qiáng)度—500VAC 1Min
絕緣等級(jí)—B級(jí)
使用環(huán)境溫度—-25°C~+40°C
表3-4具體參數(shù)
21
相
數(shù)
步 距 角 （°）
靜 態(tài) 相 電 流（A）
相 電 阻 （W）
相 電 感 （mH）
保 持 轉(zhuǎn) 矩 （N*M）
定 位 轉(zhuǎn) 矩 （N*M）
轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 （g?cm3）
空 載 啟 動(dòng) 頻 率 （KHZ）
重 量
2
0.9/1.8
1.5
1.3
2.1
0.23
0.012
38
1.6
0.21
2
0.9/1.8
1.5
1.3
2.1
0.23
0.012
38
1.6
0.21
2
0.9/1.8
1.5
2.1
5.0
0.43
0.015
57
1.5
0.23
2
0.9/1.8
1.5
2.1
5.0
0.43
0.015
57
1.5
0.23
2
0.9/1.8
1.5
2.0
3.85
0.54
0.025
82
1.5
0.36
2
0.9/1.8
1.5
2.0
3.85
0.54
0.025
82
1.5
0.36
（1）典型適配驅(qū)動(dòng)器：SH-20402N SH-20403N SH-20806E SD-20403 SD-20504
則加在步進(jìn)電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3-10）
（3-11）
（3-12）
（3-13）
（3-14）
（3-15）
其中：電機(jī)軸所承受的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩，：折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
（3-17）
—步進(jìn)電機(jī)加速所用時(shí)間（s），一般在0.3~1s之間選取，所以取0.67s
—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位.
（3-18）
式中—空載最快移動(dòng)速度，本文選?。?
——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為1.8°；
——脈沖當(dāng)量， 脈沖；
求得：
（3-19）
（3-20）
式中——滑塊與導(dǎo)軌間摩擦因數(shù)，選取的滾動(dòng)導(dǎo)軌為0.02；
為電動(dòng)機(jī)與帶輪轉(zhuǎn)速之比
（3-21）
（3-22）
（3-23）
（3-24）
安全系數(shù)，對(duì)于開(kāi)環(huán)控制，一般應(yīng)在2.5~4之間。本文中取安全系數(shù)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
（3-25）
綜上所訴選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為42BYG250CK，該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為，遠(yuǎn)大于。可見(jiàn)滿足要求。又因?yàn)橐慌_(tái)3D打印機(jī)上的3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成相同，所以其余兩組的電機(jī)的選擇情況同上。
3.6 同步帶的選型與計(jì)算
3.6.1 傳動(dòng)方案的選擇
由打印機(jī)的整體尺寸和工作原理可知，本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)屬于直線傳動(dòng)，可選用的傳動(dòng)方式可分為螺桿傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)兩種方式，兩種傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表3-4所示：
表3-4螺桿傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的比較
過(guò)載保護(hù)能力
結(jié)構(gòu)
工作速度
傳動(dòng)效率
制造和安裝精度
緩沖吸振能力
螺桿傳動(dòng)
無(wú)
復(fù)雜
較低
較低
較高
無(wú)
皮帶傳動(dòng)
較好
簡(jiǎn)單
較高
較高
較低
較好
綜合上表所示的情況以及3D打印機(jī)的各方面的情況考慮，本文設(shè)計(jì)中選擇皮帶傳動(dòng)，而皮帶傳動(dòng)又分為同步帶傳動(dòng)和V帶傳動(dòng)，如下表3-5將對(duì)兩種傳動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比：
表3-5V帶傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的比較
相對(duì)滑動(dòng)
傳動(dòng)效率
節(jié)能效率
結(jié)構(gòu)
工作環(huán)境要求
外廓尺寸
V帶
有
低
差
簡(jiǎn)單
較高
較大
同步帶
無(wú)
高
好
復(fù)雜
較低
較小
由上表的比較不難發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性對(duì)于保證3D打印機(jī)工作精度是至關(guān)重要的，同步帶比帶的傳動(dòng)更加平穩(wěn)準(zhǔn)確，因此本文選擇同步帶傳動(dòng)。同步帶也稱同步齒形帶或齒形帶,是一種工作面為齒形的環(huán)形膠帶。
3.6.2 選型計(jì)算與壽命校核
（1）電機(jī)最大輸出功率的計(jì)算：
（3-26）
（2）設(shè)計(jì)功率：
查現(xiàn)代機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)第一章4-45得到工況系數(shù)
（3-27）
（3）小帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算：
因?yàn)楸疚挠玫耐綆Х浅５谋?，所以滑塊的滑動(dòng)速度可以近似的看作帶輪的速度。
（3-28）
(4)選定同步帶的帶型與節(jié)距，由下表可以看出，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中功率和轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號(hào)可以任意的選擇，現(xiàn)在選擇XL型帶，查現(xiàn)代機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)得節(jié)距
（5）選取主動(dòng)輪的齒數(shù)
查表4.1-67可知，XL型帶當(dāng)速度小于時(shí)最小齒數(shù)為10，現(xiàn)取主動(dòng)輪齒數(shù)為24。
（6）主動(dòng)輪節(jié)圓直徑的確定
（3-29）
（7）從動(dòng)輪相關(guān)參數(shù)確定
由于上下兩個(gè)帶輪的大小一樣，傳動(dòng)比為1:1，所以從動(dòng)輪的參數(shù)和主動(dòng)輪的參數(shù)完全一樣，z2=16，pb=25.278mm
（8）帶速v的確定
（3-30）
（9）初定中心距
得又因?yàn)榇蛴〉母叨葹?20mm,查表4-43可知中心距可以根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定，所以初定中心距。
（10）初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù)
（3-31）
根據(jù)表4.1-59和表4.1-60選擇接近的值及齒數(shù)，
（11）實(shí)際中心距
（3-32）
（12）帶輪的嚙合齒數(shù)
（3-33）
查表知道對(duì)于XL型，一般
(13)基本額定功率
（3-34）
，
帶寬為的拉力，見(jiàn)表4.1-74。
M-帶寬為的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量kg/m，見(jiàn)表4.1-74。
（14）帶寬
（3-35）
bs0-選定型號(hào)的基準(zhǔn)帶寬mm，見(jiàn)表4.1-74
（15）切應(yīng)力驗(yàn)算
（3-36）
-許用應(yīng)力
（16）壓強(qiáng)驗(yàn)算
（3-37）
-許用應(yīng)力，見(jiàn)表4.1-77
（17）作用在軸上的力
（3-38）
表3-6所選的同步帶的幾何參數(shù)如下表所示
型號(hào)
節(jié)距
齒形角
齒高
齒根圓半徑
齒頂圓半徑
帶高
帶寬
XL
5.080
50°
1.27
0.38
0.38
2.27
6.4
3.7 同步帶輪的設(shè)計(jì)選取
(1)周節(jié)制同步帶輪有漸開(kāi)線齒形和梯形齒形兩種標(biāo)準(zhǔn)的齒形。
(2)同步帶輪的材料一般由鋼、鋁合金、灰鑄鐵、黃銅、和工程塑料的材料制造，當(dāng)帶輪速度v≤30m/s 時(shí)常采用HT200,所以本文同步帶輪的材料。
根據(jù)同步帶的幾何參數(shù)查現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)其具體參數(shù)如表3-7所示
表3-7同步帶具體參數(shù)
型號(hào)
齒數(shù)
齒高
節(jié)距
齒厚
齒頂圓角直徑
齒根圓角半徑
齒寬
XL
24
1.40mm
0.5085mm
1.27mm
0.61mm
0.61mm
7.9mm
因?yàn)楸疚脑O(shè)置的帶輪有擋圈所以表4.1-83的XL型擋圈的最小高度為K=1.0，擋圈的厚度t取1.44mm，
帶輪的外圓直徑：
（3-39）
外圓節(jié)徑：
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