并聯(lián)3D打印機結構設計與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip

并聯(lián)3D打印機結構設計與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip,并聯(lián),打印機,結構設計,控制,CATIA,三維,16,CAD 并聯(lián)3D打印機結構設計與控制 Design and Control of Parallel 3D Printer Structure 摘 要 3D打印技術在20世紀90年代中期出現(xiàn)，經過十幾年的發(fā)展，由最開始的打印機數(shù)量之少，和受到打印材料單一的限制，打印產品比較單一，到現(xiàn)在打印方法多樣，涉及領域廣泛，隨著3D打印技術的興起，使得許多傳統(tǒng)加工遇到的問題得到解決，縮短了產品生產周期，提高了生產效率。 本文根據(jù)畢業(yè)設計任務書的具體要求，對并聯(lián)3D打印機的機械結構進行設計計算，其中包括驅動元件步進電機的選型計算與強度校核、傳動機構的選型計算與強度校核，這其中包括同步帶的選型計算與強度校核，以及為了保證3D打印機的精度，采用張緊輪對同步帶進行預緊。因為并聯(lián)式3D打印機的運動方式是將同步帶輪的旋轉運動轉換成滑塊沿導軌直線運動，所以對滑塊連桿機構進行選型計算與強度校核。接著3D打印技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹，闡述了3D打印的優(yōu)勢與不足，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打印機的硬件控制系統(tǒng)，選擇Arduino作為控制器，A4988作為步進電機驅動器，ramps1.4作為控制板。 關鍵詞：3D打印 強度 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打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3 研究的目的與意義 5 1.4 論文的主要內容 5 1.5 章節(jié)安排 5 2 總體方案的設計 5 2.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述 5 2.2 并聯(lián)3D打印機械結構系統(tǒng) 5 2.3 并聯(lián)3D打印機的硬件控制系統(tǒng) 7 2.4 并聯(lián)3D打印機的軟件控制系統(tǒng) 11 2.5 3D打印機的工作機理分析及機構設計方案 11 2.5.1 3D打印的原理 11 2.5.2 3D打印累計技術原理 12 2.5.3 幾種工藝性能的對比 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打印機對比 14 3 并聯(lián)3D打印機機械結構的設計 15 3.1 結構組成與工作原理 15 3.2 構型設計 16 3.3 整體尺寸的計算 16 3.4 連桿長度的確定與強度的校核 17 3.5 電機的選型與計算 18 3.6 同步帶的選型與計算 22 3.6.1 傳動方案的選擇 22 3.6.2 選型計算與壽命校核 23 3.7 同步帶輪的設計選取 25 3.8 導軌的選擇計算與強度校核 26 3.9 滾動軸承 27 4 3D打印編程技術與通用算法 27 4.1 3D打印機固件開發(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 總結與展望 30 5.1 全文總結 30 5.2 展望 32 參考文獻 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 一個國家制造業(yè)的發(fā)展程度是衡量生產力水平的重要標志，隨著科學技術的不斷進步，3D打印技術受到了各國制造業(yè)的廣泛關注。據(jù)英國著名雜志《經濟學人》報道：3D打印技術使制造個性化、產品定制化成為可能，人們可以在沒有復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)無法加工的結構也可以實現(xiàn)，因此，3D打印技術將帶動全球制造業(yè)經濟發(fā)生重大變革[1]。 為加快3D打印技術的發(fā)展，早在2012年美國總統(tǒng)奧巴馬就撥款3000萬美元，在俄亥俄州建立了國家級3D打印添加劑研究中心，并計劃累計投入5億美元資金用于3D打印技術[2]，《時代》周刊也將3D打印列為“美國十大增長最快的產業(yè)之一[3]”；歐盟的大學、企業(yè)、政府之間建立了眾多的技術聯(lián)盟包括“大型航空航天部件快速生產計劃”（RAPOLAC），面向大規(guī)模客戶定制和藥品生產的“自定制”（Custom Fit）計劃等。為了抓住這次機遇，推動我國3D打印產業(yè)的發(fā)展，我國政府也大力頒布相關政策支持3D打印產業(yè)的發(fā)展。2015年，相繼出臺了《中國制造2025》及《國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進規(guī)劃計劃（2015-2016）》，計劃指出要在2016年，初步建立比較完善的增材制造產業(yè)體系，整體技術水平與國際同步?！秶以霾闹圃飚a業(yè)發(fā)展推進規(guī)劃計劃（2017-2020）》計劃到2020年，增材制造產業(yè)年銷售收入超過200億元，年均增速在30%以上[4]。可以說未來的3D打印將成為《中國制造2025》發(fā)展的一個支柱產業(yè)。在2015年《求是》雜志第20版發(fā)表的李克強總理的題為《催生新的動能實現(xiàn)發(fā)展升級》的文章中也多次提到3D打印[5]。全國政協(xié)經濟委員會副主任，工信部前部長李毅中在第三屆世界3D打印技術產業(yè)大會的開幕式致辭時表示，“在《中國制造2025》規(guī)劃當中，有五個地方出現(xiàn)了3D打印[6]，并且把3D打印列為制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程之一”在他看來打造3D打印產業(yè)鏈，可以推動傳統(tǒng)產業(yè)優(yōu)化升級，具有十分重要的意義。相信借助《中國制造2025》的東風，在不久的將來我國的3D打印產業(yè)將會取得突飛猛進的發(fā)展。 1.1.2 選題的意義 隨著社會進步與發(fā)展，人們對商品的個性化要求日益提高，對于一些形狀復雜的商品，傳統(tǒng)加工工藝具有一定的局限性，帶來了一系列的生產問題，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動下，3D打印技術具有極大的商機與潛力。相比于傳統(tǒng)的制造工藝，3D打印具有傳統(tǒng)制造工藝無法比擬的優(yōu)勢： (1) 針對復雜結構產品而言，成本較低。這使得許多傳統(tǒng)工藝無法加工的復雜產品問題迎刃而解[7]。例如我國珠寶首飾行業(yè)利用3D打印技術進行產品研發(fā)和加工，它替代了傳統(tǒng)工藝中“起銀版、壓膠模、開膠模、注蠟、種蠟樹、灌石膏、抽真空、烘干” 全部流程并減免相應的設備、場地、人員的開銷[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物 (2) 無需組裝：傳統(tǒng)大規(guī)模的生產需要建立在組裝線基礎上，并且加工產品組成部件越多，組裝耗時和成本就越多。3D打印機能使部件一體化成型，不需要組裝。 (3) 設計空間廣闊：傳統(tǒng)制造技術生產的產品形狀有限，制造形狀的能力受限于使用的工具，如制模機僅能制造模鑄形狀，3D打印機可以突破這些局限，使制造產品不受工具限制[9]。 (4) 制造技能門檻降低：傳統(tǒng)的制造機器仍需要熟練的專業(yè)人員對機器進行調整和校準，3D打印機在制造產品的時候直接把計算機繪制的三維模型打印出來，降低了對技術人員的依賴程度并且3D打印機的操作技能相比傳統(tǒng)機器的操作技能要更低。 (5) 占地空間小、便攜制造：與傳統(tǒng)的制造機器相比，3D打印機非常的靈巧便捷，占地空間小，可以自由移動。 (6) 減少廢棄金屬浪費:尤其是在注重經濟環(huán)保當下，3D打印深受制造行業(yè)的重視。傳統(tǒng)金屬加工生產過程中浪費大量金屬材料，3D打印機在制造金屬產品過程中浪費量較少，符合國家提倡的綠色制造范疇[10]。 (7) 不同原材料之間可以相互結合：傳統(tǒng)的機器將不同的原材料結合加工成一件產品是件難事，因為在加工過程中受到機器加工方法和成型機器種類的限制。隨著多材料3D打印技術的發(fā)展，人們可以將以前無法融合的原材料混合后形成新材料。如PC-ABS材料一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料，被廣泛的應用于汽車、家電和通信行業(yè)[11] 1.2 3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 1892年，地質學家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，由于當時技術水平比較落后,這個想法僅僅稱為一個概念模型。直到19世紀80年代，在美國 UVP公司的支持幫助下，Charles W.Hull設計完成了第一臺能實現(xiàn)完整打印零部件功能的制造系統(tǒng),可以看做是3D打印技術發(fā)展的里程碑事件[12]；1988年，美國3D System公司，采用“立體平版印刷快速成型”（Steren Lithography）SL 技術，該技術先用紫外激光照射掃描光敏樹脂經其固化，然后通過逐層凝結累加制造出三維實體。并且推出了首臺商用“液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型機”（SLA-250），如圖1-2所示，這標志著 3D 打印技術的誕生[13]。 圖1-2液態(tài)光敏樹脂高精度3D打印機 1992年，美國麻省理工學院的 Sache E.M.和 Cima M.J.等首次對 3D 打印原理做出了概念性的描述[14]。1996年，3D打印機的名字首次被使用。1998 年，Objet 公司創(chuàng)建。該公司致力于開發(fā)3D打印設備及成型材料，且在2007年推出 Eden 系列產品，得到市場的廣泛認可。2005年，Z Croporation公司生產了世界上第一臺高精度彩色 3D 打印機Spectrum Z510，同年，英國巴恩大學的Arian Bowyer發(fā)起開源3D打印機項目 RepRap，從此桌面 3D 打印機進入 DIY 時代[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 合作關系，生產 HP品牌3D打印機。2012年Stratasys公司在收購Solidscape公司之后又與以色列著名的3D打印系統(tǒng)提供商Object正式合并[16]。在國外3D打印已經應用到許多領域，如電子業(yè)、航天航空、汽車制造業(yè)等等。 1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 在國內3D打印技術發(fā)展起步較晚，但在政府部門的大力支持下，許多發(fā)達城市都建立了3D打印服務機構和3D打印研究場所。這使得我國3D打印技術得到了快速的發(fā)展，并且很快與國際社會接軌。自20世紀90年代以來，國內許多高校開展了3D打印技術自主研發(fā)，清華大學在現(xiàn)代成型理論、分層實體制造、FDM工藝等方面的研究具有一定的優(yōu)勢。其自主研發(fā)的3D打印機如圖1-3所示， 圖1-3清華大學自主研發(fā)的3D打印機 經過十多年的刻苦研究，華中科技大學成功研制出工業(yè)級制造裝備，如圖1-4所示， 圖1-4 華中科技大學研制1.2 米×1.2打印設備 該設備具有很大的成型工作空間，可以打印較大的模型，其性能超過了國外3D打印公司的同類產品，是當時世界上最大成型空間的快速制造裝備。中國科技大學推出了具有轉換功能的八噴頭組合噴射裝置，在微制造及光電器件領域有著很好的應用前景[17]。 北京航天航空大學，湖南大學等高校已經研發(fā)了激光3D打印機來打印鈦合金等金屬制品。在國內許多家公司也在3D打印機研究方面取得了不俗的成果，2010年北京太爾時代科技有限公司推出了世界上首款3D打印機UP Plus，之后又將其更新為UP Plus2。南京紫金立德公司，其采用的分層實體制造技術在國內處于領先地位。并且該公司已有專利技術11項，自主專利7項。 雖然在最近一段時間內我國的3D打印產業(yè)已經取得長足進展，但在技術上仍存在瓶頸： （1）有的打印設備對打印材料要求非?？量蹋绮噬嗖牧?、人造骨粉材料、細胞生物原材、以及砂糖食品材料都是針對專門的3D打印設備研發(fā)的[18]。 （2）打印成本的限制，市面上的一些打印機和打印材料價格昂貴，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打印設備由于受到機器自身精度和打印材料之間的沖突，造成打印速度低，導致打印產品精度不夠不近如人意。 近年來隨著中國政府對3D打印產業(yè)支持力度日益增大，中國在3D打印技術方面與發(fā)達國家的差距日益減小，但在一些領域仍有較大差距。我相信隨著我國科技人員的不斷努力下，未來我國的3D打印產業(yè)的前景將會一片光明。 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)機械結構，由于自身的先天條件不足。不能更好的適應市場高速度，高精度的需求。并聯(lián)3D打印機因其具有承載能力強、動態(tài)性能好、運動精度高、多功能靈活性強、壽命長等優(yōu)點被應用于工業(yè)生產中。 1.4 論文的主要內容 3D打印的許多問題都與打印設備有關，作為3D打印設備核心的執(zhí)行機構的性能對其打印成型影響巨大。本次畢業(yè)設計是從3D打印機執(zhí)行機構出發(fā)從而提高3D打印機的性能。應用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機結構設計與控制。通過本次設計，完成3D打印機總體方案的設計、機械結構設計、零件強度校核計算、用繪圖軟件繪制并聯(lián)3D打印機的三維圖、工程圖。完成電控系統(tǒng)設計、編寫控制程序、繪制控制電路圖、并查閱相關參考文獻，從而達到鞏固綜合運用所學知識，掌握正確的設計思想與方法目的。 1.5 章節(jié)安排 第一章：闡述并聯(lián)3D打印機選題的背景與意義，國內外發(fā)展現(xiàn)狀，研究目的與意義、論文主要內容、和章節(jié)安排。 第二章：總體方案設計，完成并聯(lián)3D打印機機械結構系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)設計，選擇合適打印材料和成型方式。 第三章：機械結構的設計，打印機整體尺寸的計算，完成電機的計算同步帶、連桿設計計算與強度校核，并繪制裝配圖，零件圖。 第四章：3D打印的編程與通用算法，3D打印機的固件開發(fā)環(huán)境、3D打印與Gcode等 第五章：結論，總結全文。注明參考文獻，致謝。 2 總體方案的設計 2.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述 并聯(lián)3D打印機系統(tǒng)由打印機機械結構系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)組成。該類型的3D打印設備涉及機械、材料、控制、電氣等多個學科，是一種復雜的機械電子系統(tǒng)。 2.2 并聯(lián)3D打印機械結構系統(tǒng) 并聯(lián)3D打印機的機械結構系統(tǒng)主要包括：電機、電源、導軌、絲杠或同步帶、加熱板/熱床、擠出機、機身結構組成。 (1) 電機：電機是3D打印機的主要控制部件，對于精度要求不高的一般選擇步進電機，對于精度要求較高的一般選擇伺服電機。且伺服電機的價格較高，本文選擇的是步進電機。 (2) 電源：對于打印機的電源一般應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、具有短路過載保護功能。 電源為整個3D打印機裝置提供能量的支持，其供電的對象包括步進電機、打印噴頭、熱床、控制板、風扇、LED顯示屏等。綜合考慮選擇電壓為12V功率為360W的電源，且內部帶有風扇。其輸入電壓為220V轉12V，其具體尺寸為215mm×119mm×52mm。其使用效率為80%，且具有短路、過載、過壓、過流、過溫度保護措施等。 (3) 導軌：按運動軌跡可分為直線運動導軌和圓運動導軌，光軸導軌結構簡單精度較低、直線導軌結構略復雜，價格和精度要比光軸導軌要高。本文選擇的是直線導軌 (4) 并聯(lián)3D打印機的傳動機構一般有同步帶和絲杠兩種形式，絲杠傳動效率高但是成本高。同步帶傳動精度較高，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材料在打印過程中翹曲程度，完成較高質量的打印。 (6) 擠出機：擠出機是3D打印機機械結構系統(tǒng)中重要的部分之一，通過步進電機將打印的原材料送入到加熱頭的噴嘴內，將絲加熱到預定的溫度。并且由電熱調節(jié)器或熱電偶來進行溫度調節(jié)與監(jiān)控。當先進入的材料融化后，電機轉動會將未融化的材料前進并將融化的材料擠出。 (7) 機身結構：3D打印機機身結構有三角形結構、三角爪式結構、矩形盒式結構、矩形桿式結構，從精度、裝配、價格等權衡，選擇三角形結構是較好的。 (8) 打印頭：噴出技術采用熔融沉積型技術，成型工藝對噴頭系統(tǒng)的功能要求可以為以下幾點： 1）熔絲功能與送料功能，將送進的固態(tài)料絲以及時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)掃描速度進行調整，實現(xiàn)速度互相匹配。特別是在路徑起始和停止處。 在魚眼效應器吊臺下面通過螺栓連接著打印機的噴頭。魚眼效應器吊臺其組成材料是鋁合金。噴頭將擠出機送來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料管、噴嘴、散熱風扇（40mm×40mm×10mm）組成。擠出噴頭如圖2-1所示，熱端是擠出機的重要部分，材料絲從噴嘴的入口進入，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。因為銅的導熱性非常好，所以噴嘴一般用黃銅來制作。噴嘴一邊放熱敏電阻，阻值一般為5-9W。另一側是一個加熱器對材料進行加熱。材料在冷端時的溫度必須低于80度，以免材料變軟失去下推力。圓圈內的區(qū)域為喉管區(qū)，這個區(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性，并且在噴嘴尖端讓材料盡量達到固化點，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 進料管 加熱管 散熱風扇 熱敏電阻 噴嘴 圖2-1擠出噴嘴原理示意圖 2.3 并聯(lián)3D打印機的硬件控制系統(tǒng) 在進行3D打印機系統(tǒng)整體尺寸的設計時，對整個硬件系統(tǒng)的控制至關重要，其硬件系統(tǒng)主要包括核心處理模塊、運動控制模塊、成型溫度控制模塊、人機交互模塊、擠出模塊和通信模塊等，由上述可知，3D打印機的硬件控制系統(tǒng)是一個比較復雜的機電控制系統(tǒng)。其結構如下圖2-2所示，本文設計的3D打印機核心驅動系統(tǒng)由Arduino Mega 2560主控板、RAMPS1.4擴展板和4988步進電機驅動板組成。 計算機 在線打印控 制 生成G代碼 三 維 建 模 人機交互模塊控制 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)設定 打印控制 功能擴展板RAMPS 擠出控制模塊 運動控制模塊 其他輔助模塊控制功能 步 進 電 機 驅 動 器 步進電機驅動器動器 擠出機送絲機 X軸步進電機 模型冷卻風扇 回零形成開關 手動調平工作臺 熱敏電阻 擠出頭溫度控制器 Y軸步進電機 加熱頭 Z軸步進電機 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個數(shù)字輸出輸入接口，（其中14個具有PWM輸出能力） ，16路模擬輸入，4路UAET接口，一個16MHz的晶體振蕩器，一個USB連接器，一個電源插座，以及一個ICSP header和一個復位按鈕組成了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 電源接口 圖2-3Arduino mega2560 b) A4988是一款帶轉換器和過流保護的DMOS微步進電機驅動器。本文選擇A4988作為步進電機驅動器來驅動步進電機。下圖是步進電機驅動電路原理圖如下圖2-4所示，主控制板上通過對芯片上ENABLE、DIR、和STEP三個引腳的控制，從而實現(xiàn)對步進電機的控制。ENABLE是A4988輸出使能端口，當端口為高電位時，輸出端無電流輸出，當其為低電位時，才有電流輸出，從而電機才能工作。DIR端口來控制步進電機的正反轉，當其端口為高電位時電機正轉，低電位時電機反轉。STEP為脈沖信號輸入端口，當脈沖為上升沿時有效。A4988可以對步進量進行細分，端口MS1、MS2、MS3可以設置不同的步進模式。OUT_1A、OUT_1B引腳接到步進電機其中一項的兩端，OUT_2A、OUT_2B接到步進電機的另一項的兩端，Vref用于控制電流。420BYG250C步進電機的步距角是1.8°，需要200個脈沖轉一圈，如果采用1/16細分之后，需要3200個脈沖電機才能轉一圈，又因為電機軸上連接的同步帶輪的齒數(shù)為24個且齒距為5.080mm，所以轉一圈的路程為122mm，一個脈沖的路程為0.03mm/step。 2-4步進電機驅動電路原理圖 c) 在3D打印機經常使用主板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，并且有充足的擴展空間，RAPMS除了連接Arduino MEGA平臺之外，還提供了步進電機驅動的接口，各軸限位開關接口、擠出機接口、加熱床輸出LED，風扇輸出LED、是一款非常便捷的軟件，具有強大的升級能力。Arduino擴展板其結構如下圖2-5所示。所以本文選擇RAPMS1.4作為3D打印機的主控制板。 圖2-5RAPMS1.4擴展板 圖2-5RAPMS接線圖 2.4 并聯(lián)3D打印機的軟件控制系統(tǒng) 3D打印機的軟件控制系統(tǒng)主要包括：有控制打印的計算機、應用軟件、底層控制軟件和接口單元組成。 控制打印的計算機分為上位機和下位機兩級控制，上位機選擇性能較好的PC機，上位機用于打印數(shù)據(jù)的處理和總體的控制任務，其功能如下： 1) 把3D模型快速生成打印成型的工藝特點的數(shù)據(jù)信息。 2) 可以設置打印參數(shù)。 3) 對打印成型情況進行監(jiān)控并接受運動的反饋。 4) 實現(xiàn)人機交互，提供打印型速度的實時監(jiān)控與相關信息的顯示。 5) 提供多種打印參數(shù)的選擇。 目前3D打印機的上位機控制軟件Printrun和Repetier-Host等被應用的較為廣泛， Printrun上位機如圖2-6所示，界面簡單，操作方便。Printrun是一款基于Python語言開發(fā)的3D打印控制軟件，主要包括printcore、pronsole及pronterface 3個模塊和其他相關腳本。其中printcore.py是一個使寫RepRap上位機控制軟件變得更加簡單的Python函數(shù)庫。printcore.py是一個命令行（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 下位機對打印機打印時的運動進行控制，并將打印數(shù)據(jù)傳遞給噴頭。 2.5 3D打印機的工作機理分析及機構設計方案 2.5.1 3D打印的原理 3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型為文件基礎，運用塑料和粉末狀金屬等可粘合的材料，通過逐層打印方式來構造物體的技術[20]。 2.5.2 3D打印累計技術原理 隨著3D打印技術的快速發(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，將光敏樹脂放在一個液槽中，逐層打印固化，邊固化工作臺邊下降，然后在固化好的表面再涂一層新的液態(tài)樹脂，就這樣新一層牢固的粘接在上一層上，如此重復直到整個模型加工完畢。 液面 光敏樹脂 紫外激光 成形零件 工作臺 刮平器 圖2-7 SLA工作原理 (2) 分層實體制造（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，最終形成三維實體。 激光器 熱壓輥 加工平面 計算機 供紙卷 收紙卷 升降臺 圖2-8 LOM工作原理 (3) 選擇性激光燒結成型（Selective Laser Sintering，SLS） 如圖2-9所示，首先在工作臺上均勻鋪上一層很薄的粉末，然后激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結，一層完成后再重新鋪粉進行下一層燒結。待全部燒結完后去掉多余的粉末，最后進行打磨、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，材料以絲的形狀進入打印頭，在打印頭中融化后經過噴嘴流出又凝結為固態(tài)，在打印頭打印的過程中材料形態(tài)重復固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)，最終形成產品模型。 產品 工作臺 打印頭 打印頭 材料絲 圖2-10 FDM工作原理 (5) 三維打印技術 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技術的材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘結劑（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度較低，需要進行后期處理。 回收材料槽 成型室 打印材料 進料輥 粘合劑噴頭 圖2-11三維打印原理圖 2.5.3 幾種工藝性能的對比 如表1-1所示幾種打印形式的對比 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 有 無 無 表面質量 高 高 中等 較低 一般 材料價格 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打印技術發(fā)展的重要組成部分，同時它也是制約著3D打印技術發(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）、光敏樹脂、橡膠類材料、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、細胞生物材料等也在3D打印領域得到廣泛應用。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的3D打印設備和工藝專門研發(fā)的。 2.6 五種工藝打印耗材 如表1-2所示打印耗材的對比 FDM材料 SLA材料 SLS材料 LOM 粘結成型材料 ABS 紙 石蠟 熱塑性塑料 金屬膜 尼龍 光敏樹脂 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，因為其價格相對低廉、成型簡單，目前被廣泛的應用生產實踐當中。 2.7 串并聯(lián)3D打印機對比 目前3D打印機按機構執(zhí)行類型分為串聯(lián)式3D打印機和,并聯(lián)式3D打印機。 a) 串聯(lián)式3D打印機的執(zhí)行機構采用串聯(lián)機器人，其主要結構包括，熱床，光桿、電機、帶輪、同步帶。其機構如下圖2-12所示，用于驅動的電機和傳動的部件都固定在運動的零件上，從而導致整個系統(tǒng)的慣性變大，動力性能降低，這樣打印機打印很短的時間電機就發(fā)熱，降低了電機的使用壽命。并且熱床和噴頭由兩個電機驅動，由于運動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 b) 并聯(lián)式3D打印機的執(zhí)行機構采用delta并聯(lián)機構 其機械部分的機構主要有，電機、同步帶、帶輪、直線導軌、支架、熱床、擠出機等如圖2-13所示。其優(yōu)點是，并聯(lián)3D機的打印頭是可以移動的，并且3個坐標軸的運動方向的精度統(tǒng)一。其打印速度也比串聯(lián)機構要快。 圖2-13并聯(lián)式3D打印機 3 并聯(lián)3D打印機機械結構的設計 3.1 結構組成與工作原理 本文設計的并聯(lián)式3D打印機，基本組成結構：鋁型材三角支撐架結構、并聯(lián)傳動機構、打印噴頭、和工作平臺組件組成。并聯(lián)式3D打印機的結構組成主要包括,工作平臺、打印頭、同步帶、同步帶輪、滑塊、連桿、導軌、電機等組成。在導軌的下方安裝三臺電機，每臺電機驅動軸上的帶輪做旋轉運動，同步帶輪依靠與滑塊固定在一起的同步帶，將帶輪的旋轉運動變?yōu)榛瑝K的直線運動，從而帶動滑塊在導軌上來回滑動，滑塊與打印頭之間依靠連桿連接，所以當滑塊運動時，從而依靠連桿帶動打印頭運動。為保證噴頭有良好的運動軌跡和較高的打印精度,該并聯(lián)機構要限制噴頭在各個方向的轉動自由度,從而實現(xiàn)噴頭在平面內工作。 3.2 構型設計 根據(jù)設計要求，本文設計并聯(lián)式3D打印機采用了Delta式機械結構，其中連桿與動平臺的連接模型如圖3-1所示，驅動桿與機架間通過轉動副連接。其自由度F可以利用Kutzbach-Grubler公式計算： -運動桿數(shù)目 -運動副數(shù) -運動副具有的自由度數(shù)目 在該空間機構中由于有冗余自由度的存在，導致3組平行四邊形不能扭轉所以限制了3個轉動自由度，在實際的運動過程中是3個移動自由度。并且在運動過程中動平臺與靜平臺保持平行。，將以上數(shù)據(jù)帶入公式得 （3-1） 圖3-1并聯(lián)式結構 3.3 整體尺寸的計算 原始的成型尺寸直徑是180mm×180mm×320mm，整體尺寸的計算如下圖3-2所示，在等邊三角形ABC中，圓O為其內切圓，其中DO=EO=FO=90mm，AF^BC，BE^AC，DC^AB，由三角形的幾何關系可得，AB=AC=BC=2BF=2FOtan60°=211.769mm。綜合考慮，取三棱柱的底邊邊長為300mm，豎直高度取600mm。所以本文設計的并聯(lián)3D打印機的整體框架選擇鋁型材。相比于其它的材料，鋁型材具有質量輕，而且比較容易生產加工，且在廢棄之后不會對環(huán)境造成污染。鋁型材的基本尺寸為300mm×15mm×15mm。 圖3-2整體框架的簡化投影視圖 3.4 連桿長度的確定與強度的校核 帶動打印機打印頭的6根連桿的長度是相同的。下面要確定連桿的最大的長度值，保證打印機的三棱柱的整體的外形尺寸不變，當該運動機構的6根連桿共面時其處于極限位置時連桿的長度取得最值，此時的運動機構的模型如下圖3-3所示。 圖3-3運動模型簡圖 由投影簡圖可知，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，所以連桿的最小長度為174.066。當滑塊移動最高位置時，噴頭處于極限位置，連桿長度取得最大值，此時該簡化的機構模型如圖3-4所示， 圖3-4運動模型簡圖 其中a=174.066，b=600，由勾股定理得 （3-2） 所以連桿的最大長度為624.739mm 綜上可得，連桿長度L的取值范圍為174.066mm≤L≤624.739mm，所以取直徑8mm為長度為190mm。 連桿的強度校核計算：連桿在運動過程中會受到一定程度的拉伸，所以要校核連桿的強度。直徑為8mm的304不銹鋼桿。打印機在打印過程中連桿和打印頭的質量都很?。ù蛴☆^的質量在300g左右，），他們對連桿的強度影響可以忽略不計，綜上連桿所受的力約為10N。 （3-3） 經查機械設計手冊可得，304不銹鋼的抗拉強度，所以選擇直徑為8mm的不銹鋼滿足設計要求。 3.5 電機的選型與計算 電機控制系統(tǒng)按照運動過程分為驅動伺服和驅動步進兩大類它們的優(yōu)缺點如下表3-2所示，綜合考慮到控制要求，和成本要求，以及所設計的并聯(lián)3D打印機的實際工作要求。我選擇目前普遍使用的步進電機作為3D打印機的滑塊提供動力，即通過同步帶使滑塊在導軌上做直線運動，從而帶動噴頭運動。電機的選型要計算在各種工作情況下所需的等效負載力距、最大靜轉距、和啟動轉矩、功率、等特性選擇適合的步進電機。在本文中，要使打印機的噴頭最大移動速度達到20mm/s，要小于步進電機的額定轉速，電機要克服滑塊在運動時要克服自身的重力和連桿壓力的最大阻力，并且在電機停止時，步進電機可以保持最大靜轉矩有效防止滑塊因自身的重力而下落。而且要保證擠出機在出料的時候不失步，步進電機要提供足夠的轉矩。 表3-2伺服電機與步進電機的比較 伺服電機 步進電機 控制類型 閉環(huán)控制 開環(huán)控制 控制方式不同 伺服電機是通過控制脈沖的時間長短來控制轉動角度的 步進電機是將接收的脈沖信號轉換成機械的角位移信號，每接收一個電脈沖信號，步進電機轉過一個步距角 低頻特性 交流伺服電機工作非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。 步進電機在低頻時會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。 過載能力 交流伺服電機具有較強的過載能力，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性轉矩。 步進電機無過載能力，有時為了克服慣性轉矩，往往選擇轉矩較大的電機。 負載最大功率的計算: （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） 由以上幾個公式推導出功率，由已知條件可知最大移動速度為，總的轉矩 （3-8） 又因為同步帶的傳動效率較高，且材質較輕一般預緊后折算到電機軸上的附加摩擦轉矩可以忽略不計。所以。打印機的噴頭的質量在約為300g，且載荷分配在6根相同的連桿上，滑塊質量約為100g，一根連桿的質量約為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)計算初選電機北京升瑪興業(yè)科技有限公司的森創(chuàng)42BYG250CK二相混合式步進電機。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 420BYG250C 額定功率 36(W) 產品類型 步進電機 額定電壓 24(V) 額定電流 1.5(A) 額定轉速 85-240(r/min) 額定轉矩 0.54(N*m) 外型尺寸 42*42*48(mm) 產品認證 ce 適用范圍 自動化控制 功率 93% 25 絕緣電阻—500VDC 100MW Min 軸向間隙—1mm Max 徑向跳動—0.02mm Max 溫升—65K Max 絕緣強度—500VAC 1Min 絕緣等級—B級 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 矩 （N*M） 定 位 轉 矩 （N*M） 轉 動 慣 量 （g?cm3） 空 載 啟 動 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）典型適配驅動器：SH-20402N SH-20403N SH-20806E SD-20403 SD-20504 則加在步進電機上的轉動慣量為： （3-10） （3-11） （3-12） （3-13） （3-14） （3-15） 其中：電機軸所承受的等效負載轉矩，加速轉矩，：折算到電機軸上的摩擦轉矩 （3-17） —步進電機加速所用時間（s），一般在0.3~1s之間選取，所以取0.67s —電動機的轉速，單位. （3-18） 式中—空載最快移動速度，本文選??； ——步進電動機步距角，預選電動機為1.8°； ——脈沖當量， 脈沖； 求得： （3-19） （3-20） 式中——滑塊與導軌間摩擦因數(shù)，選取的滾動導軌為0.02； 為電動機與帶輪轉速之比 （3-21） （3-22） （3-23） （3-24） 安全系數(shù)，對于開環(huán)控制，一般應在2.5~4之間。本文中取安全系數(shù)，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （3-25） 綜上所訴選擇步進電動機型號為42BYG250CK，該型號電動機的最大靜轉矩為，遠大于?？梢姖M足要求。又因為一臺3D打印機上的3組傳動機構的組成相同，所以其余兩組的電機的選擇情況同上。 3.6 同步帶的選型與計算 3.6.1 傳動方案的選擇 由打印機的整體尺寸和工作原理可知，本文設計的傳動屬于直線傳動，可選用的傳動方式可分為螺桿傳動和皮帶傳動兩種方式，兩種傳動的優(yōu)缺點比較如下表3-4所示： 表3-4螺桿傳動和皮帶傳動的比較 過載保護能力 結構 工作速度 傳動效率 制造和安裝精度 緩沖吸振能力 螺桿傳動 無 復雜 較低 較低 較高 無 皮帶傳動 較好 簡單 較高 較高 較低 較好 綜合上表所示的情況以及3D打印機的各方面的情況考慮，本文設計中選擇皮帶傳動，而皮帶傳動又分為同步帶傳動和V帶傳動，如下表3-5將對兩種傳動方式進行對比： 表3-5V帶傳動和皮帶傳動的比較 相對滑動 傳動效率 節(jié)能效率 結構 工作環(huán)境要求 外廓尺寸 V帶 有 低 差 簡單 較高 較大 同步帶 無 高 好 復雜 較低 較小 由上表的比較不難發(fā)現(xiàn)，傳動的平穩(wěn)性和準確性對于保證3D打印機工作精度是至關重要的，同步帶比帶的傳動更加平穩(wěn)準確，因此本文選擇同步帶傳動。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 選型計算與壽命校核 （1）電機最大輸出功率的計算： （3-26） （2）設計功率： 查現(xiàn)代機械師設計手冊第一章4-45得到工況系數(shù) （3-27） （3）小帶輪轉速計算： 因為本文用的同步帶非常的薄，所以滑塊的滑動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，在本次設計當中功率和轉速都比較小，所以帶的型號可以任意的選擇，現(xiàn)在選擇XL型帶，查現(xiàn)代機械師設計手冊得節(jié)距 （5）選取主動輪的齒數(shù) 查表4.1-67可知，XL型帶當速度小于時最小齒數(shù)為10，現(xiàn)取主動輪齒數(shù)為24。 （6）主動輪節(jié)圓直徑的確定 （3-29） （7）從動輪相關參數(shù)確定 由于上下兩個帶輪的大小一樣，傳動比為1:1，所以從動輪的參數(shù)和主動輪的參數(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 得又因為打印的高度為320mm,查表4-43可知中心距可以根據(jù)結構要求而定，所以初定中心距。 （10）初定帶的節(jié)線長度及齒數(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）實際中心距 （3-32） （12）帶輪的嚙合齒數(shù) （3-33） 查表知道對于XL型，一般 (13)基本額定功率 （3-34） ， 帶寬為的拉力，見表4.1-74。 M-帶寬為的單位長度的質量kg/m，見表4.1-74。 （14）帶寬 （3-35） bs0-選定型號的基準帶寬mm，見表4.1-74 （15）切應力驗算 （3-36） -許用應力 （16）壓強驗算 （3-37） -許用應力，見表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 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 同步帶輪的設計選取 (1)周節(jié)制同步帶輪有漸開線齒形和梯形齒形兩種標準的齒形。 (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，當帶輪速度v≤30m/s 時常采用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)代機械設計手冊其具體參數(shù)如表3-7所示 表3-7同步帶具體參數(shù) 型號 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 因為本文設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：