3D打印机系统设计资料

Harbin Institute of TechnologyHarbin Institute of Technology 课程设计说明书课程设计说明书 课程名称：自动控制元件及线路 设计题目：3D 打印机的研究与设计方案 院系：航天学院自动化 班级：1104104 设计者： 学号： 指导教师: 设计时间：10.15--12.22 哈尔滨工业大学 1 摘摘要要 本次课程设计通过对 2D 打印机的了解和对电机传感器的认识，通过 类比和分析来初步设计 3D 打印机。本文主要内容为电机类型，型号 选择及参数的测算， 并且应用了 PWM 控制等数字信号在电机控制中 进行驱动。比较了不同种类传感器的优劣， 选出了对比优化方案及元 件。利用控制理论实现了 3 维定位和实现打印功能，给出初步设计方 案。 关键词：步进电机、传感器、3D、定位控制系统、数字信号处理器 2 一、国内外在该方面的研究现状分析及研究的目的意义一、国内外在该方面的研究现状分析及研究的目的意义 1、现状及研究意义： 3D 打印快速成型技术实质是“快速成型技 术” ，也被称为“增量技术” 、 “增材技术” ，是传统制造技术与新材料 的完美结合，并且将带动工业设计、新材料、精益制造等多个领域颠 覆性的改变。3D 打印技术作为目前最具有生命力的快速成型技术之 一，适用于家用电器、办公室用品、建筑模型、医学模型等领域的新 产品开发， 已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一 次成型制造，在国外，3D 打印机已经商品化。作为一种经济型快速 成型技术，综合应用了 CAD/CAM 技术、激光技术,光化学以及材料 科学等绪多方面的技术和知识，让产品设计、建筑设计、工业设计、 医疗用品设计等领域的设计者， 第一时间方便轻松的获得全彩色实物 模型，便于重新修定 CAD 设计模型,从而节省了为错误设计制造工艺 装备的费用,并节省了研制时间。它具有成本低、系统可靠性高，设 备体积小、噪声小、成型速度快、产品材料与颜色可多样化等优点， 与传统技术相比，三维打印技术还拥有如下优势： 通过摒弃生产线而 降低了成本；大幅减少了材料浪费。具有巨大的应用潜能和广阔的市 场前景。 当下，我国的 3D 打印技术还处于起步阶段， 3D 打印技术基 本由大学和一些小企业在做研究， 尚未有成品出现，在软件和材料方 面相对落后，但是，就在 2012 年 10 月 17 日，中国 3D 打印技术产 业联盟已经成立，这就意味着中国开始越来越重视该技术。因此，开 展三维打印快速成型机控制系统的研发， 具有重要的现实意义。本课 题通过对该机械系统的研究， 探索并深入了解电机，传感器及反馈系 统，达到加深对课内知识的理解的目的， 并利用控制理论实现了 3 维 3 定位和实现打印功能，给出初步设计方案。 。 2、基本原理：每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的 区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷 洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区 域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下， 实体模型将 会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可得到模型， 而剩余粉末还可循环利用。 二、任务分析二、任务分析 1、确定实现系统功能：设计一个 3D 打印机，可以实现用热能 加热熔融材料，并从喷头喷出，逐层堆积出模型。 由 3D 打印机的基本原理我们分析其功能需求大致有:分层软件、 叠加粘贴、 输入图形、 定位监测等。 3D 打印与 2D 打印相同之处在于， 其都是采用逐渐扫描，扫描完毕再输出的设备。 2、性能指标： （1）.温度范围： 储存温度：0-32℃ 工作温度：15-32℃ （2）.工作空间 速度尺寸（cm） 最大工作长（宽）度30 4 最大工作高度 （3）打印速度精度： 38 定位精度：x、y 轴 0.011mm，z 轴 0.0025mm 打印速度：4s/层每层厚度:0.18mm 喷嘴直径：0.4mm运动轴速度：40mm/s 三、技术实现方案三、技术实现方案 1.1.结构设计：结构设计：主要分为三大部分，一为电机控制位移系统，二为传感 反馈系统，三为电源系统。电机控制分为驱动喷头和控制位移两大部 分。传感反馈分为位置传感器、温湿度传感和压力传感器。 机械结构机械结构 X 轴机构选用导轨-同步齿形带机构;Y 轴机构选用光杠-同步齿形带 5 机构;Z 轴机构选用两副光杠-丝杠机构；铺粉辊机构选用导轨-同步 齿形带机构。 控制系统控制系统 图 2 位移快速定位系统 在经济型数控机床中，普遍采用步进电机作为伺服驱动部件。 步 进电机将电脉冲信号转换成角位移，驱动执行机构按一定的规律运 动。高精度的位置控制常采用全闭环控制。 然而全闭环位置控制不仅 需要高精度的位置检测装置， 而且控制系统结构包含非线性环节导致 控制系统模型复杂化，影响系统的稳定性和快速性。 1.选择电机：电动机型式、电压与转速的选择 （1）根据电机启动频率，有无调速要求选择是使用直流电动机 或交流电动机； （2）选择电动机额定电压的大小； （3） 根据转速要求及传动设备的质量选取它的额定转速与转矩； （4） 由生产机械所需要的功率大小来决定电动机的额定功率 （容 量） 。 6 综合以上方面考虑，最后选择与要求相符的电动机。 b.b.几种电机的参数性能比较：几种电机的参数性能比较： 力矩和速度 步进电机 在低速下满转矩，速 度增加转矩明显下 降 动态特性（速度和加 速度） 稳定性加速的时候固定平 率的振动会引发问 题，细分控制可减少 此类问题 目标位置准确达到目标位置；通过闭环控制达到 自然力矩保持位置 稳；开环控制下，如 果过载或者超速，目 标位置无法达到 目标位置（有未知错 误纠正功能） ； PID 整 定不正确的情况下， 纠正位置错误；可能 出现位置超出或持 续误差 表 5.1.1 各电机参数性能比较 更高速度、更小步 距、无后冲。 整个动态范围内平 滑、安静运动 小小良好的加速度特性， 高速 宽动态范围内平稳 运动 直流电机 在速度增大的情况 下，转矩变化很小 伺服电机 几乎线性化的力、速 度曲线 我们主要对比了步进电机和伺服电机的性能参数： 1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越 高， 伺服电机取块于自带的编码器， 编码器的刻度越多， 精度就越高。 2、控制方式不同；一个是开环控制，一个是闭环控制。 3、低频特性不同；步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它 工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象， 伺 7 服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。 交流伺服 系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有 频率解析机能（FFT） ，可检测出机械的共振点便于系统调整。 4、矩频特性不同；步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交 流伺服电机为恒力矩输出。 5、过载能力不同；步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具 有较强的过载能力。 6、运行性能不同；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或 负载过大易丢步或堵转的现象， 停止时转速过高易出现过冲现象， 交 流伺服驱动系统为闭环控制， 驱动器可直接对