3d打印机自动控制元件及线路--大学毕业设计论文

Harbin Institute of Technology

课程设计说明书（论文）

课程名称：自动控制元件及线路

设计题目：3D打印机

院系：航天学院

班级：1004105

设计者：

指导教师：

设计时间：2012年11、12月

哈尔滨工业大学

目录

一、背景简介 (4)

二、工艺确定 (5)

三、控制器选择 (8)

四、机械结构 (9)

4.1传动方式的选择 (9)

4.2转动惯量的计算 (10)

4.3喷头选择 (12)

五、电机的选择 (13)

5.1伺服电机和步进电机对比 (13)

5.2直流交流伺服电机对比 (15)

5.3负载转矩计算 (15)

5.4打印速度的初步估计 (16)

5.5所选电机的型号和具体参数 (18)

六、驱动器 (20)

6.1功放部分 (20)

6.2SVPWM介绍 (21)

七、传感器 (23)

7.1温度传感器对比 (23)

7.2机械位置传感器 (25)

7.3压力传感器 (27)

系统的整体评价及感悟 (28)

参考文献 (29)

摘要

基于3D打印技术，我们计划做一个办公用的简易的彩色打印机，目标是：它打印出一些结构比较精细的手工设计样品，科研样品。

我们采取以下步骤进行展开：对整个打印过程有了比较好的把握后，首先，通过比较分析，选取合适的快速成型技术——3DP打印技术；接着确定我们的传动机构，以保证系统机械性能可行；下一步，选取恰当的电机种类——交流伺服电动机作为传动的能量来源。

接着，选取适合的设计参数（包括传动和打印效果等方面），进一步选取电机型号，以满足打印速度、打印分辨率、传动转矩与功率要求。然后对系统的控制分析，采用PD以及PID反馈，来确保控制精度。我们对传感器经行分析选取，并选择合适的控制器——DSP，基本完成方案，最后估计成本，并对比市场成品，反思总结。

关键词：3D打印机交流伺服电动机热敏传感器

一、背景简介

3D打印技术又叫“快速成形技术”，简称RPM技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。它的基本原理是"分层制造，逐层叠加"，类似数学上的积分过程。形象讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。

RPM技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。它的经济效益显著，可以提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。

3D打印机技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用 3D打印机技术，使得 3D打印机技术有着广阔的前景。

设计指标与要求

我们的设备主要用于办公环境，对照市场上的成品，其目标技术参数是：喷头两个，打印速度为：彩色2层/分；打印材料包括：高分子聚合物、金属、陶瓷、覆膜砂、生物活性材料等粉末材料及其中2种或2种以上的复合粉；输入输出格式：包括ＳＴＬ、ＺＣＰ、ＩＧＳ等；成型厚度：0.005~0.05mm；成型尺寸为各边长350mm到400mm的长方体；机械精度：0.005；电源：２２０Ｖ；操作系统：ｗｉｎ７、ＸＰ、２００３等。

二、工艺确定确定打印技术

我们打算设计一个办公用的3D打印机，并且考虑到激光烧结的激光系统过于昂贵，熔融沉积法对温度要求苛刻，最终确定3DP打印方案。以下是3DP打印的原理图：

3DP具体工作过程如下：

（1）采集粉末原料

（2）将粉末铺平到打印区域

（3）打印机喷头在模型横截面定位，喷粘结剂；

（4）送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印

（5）重复上述过程直至模型打印完毕

（6）去除多余粉末，固化模型，进行后处理操作

3DP是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人开发的，E.M.Sachs在1989年申请了3DP 专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。

3DP工艺原理：该工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

对于粘剂的选取：我们参考上海交通大学的胡发宗等学长关于解决喷头堵塞的方法：考虑打印精度问题，采用多糖混合物——玉米淀粉，由直链（约20%）和支链（约80%)组成；加入NaOH使溶液呈碱性，同时加入NaClO使呈一定氧化性；加入硼砂，有交联增强粘结作用。得到优良的成形材料配置：

基本流程

三、控制器选择

控制器是整个控制系统数据计算和处理的中心，其运算速度和处理能力一定

程度上决定了控制系统的优劣。目前常用的控制器有单片机、数字信号处理器

（DSP）、可编程逻辑控制器（PLC）以及工控机。下面对其进行比较：

表1 控制器的比较

根据上述分析结合成本与系统实际，主要是所要选用的传感器，DSP 成为最佳选择，如果在对速度要求不高以及干扰屏蔽较好的情况下，单片机也是一种最为廉价合适的选择。

四、机械结构

4.1传动方式的选择

直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精 度较高。

滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。

1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3

由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。

2)高精度的保证

滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

3)微进给可能

滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

4)无侧隙、刚性高

滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。

5)高速进给可能

滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。

4.2转动惯量的计算

滚珠丝杠根据国家标准JB/T9893－1999 选用

长度L =1.0m ，公称直径D = 12mm ,公称导程mm P h 40 。

对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为：

[])(/12221m kg J J Z i Z J w s t ?+++=

其中i 为两齿轮的传动比，此处取2

1Z Z i =

=1； 其他符号说明如下： 1Z ——齿轮l 及其轴的转动惯量；210018.0m kg J ?=

2Z ——齿轮2 的转动惯量，取220018.0m kg J ?=；

s J ——丝杠转动惯量，2m kg ?；

()

22

2π??=g S W J w ——为工作台折算到丝杠上的动惯量； W ——工作台重量，工作台轻，取6kg ；

S ——丝杠螺距，4mm ； g ——重力加速度，2/8.9s m ； 圆柱体的转动惯量：28

1MD J =

M ----圆柱体质量； D ----圆柱体直径；

而且选用丝杠的密度（类于铁）为3/8.7cm g =ρ；

滚珠丝杠的转动惯量为：

)(1059.13278000.1012.014.38

14125422m kg D L D J s ??=÷???=?=-ρπ )(1048.2)2(8.9004.06)(27222

m kg S

g W J w ??=÷÷?==-ππ 从而23100.3m kg J t ??=-。

可见，

J很小——主要由两个齿轮的转动惯量来决定，从而对电机的功率输出

t

要求不苛刻，在功率不高情况下，可以实现高转速。

这是一个小惯量的系统，该系统启动，加速，制动的性能好，反应快，比较理想。

此类电机最高转速一般是3000r/min上下，取3000为参考研究

按360dpi的分辨率来考虑，则每英寸25.4mm对应360个色点，每两个色点的距离为25.4/360=0.07mm,又打印喷头为双排的，所以，打印喷头周期移动距离.0=

=，喷墨一次，喷粘剂一次，两个喷头喷出同步；

07

?

2

d14

mm

.0

设定机械精度：0.005mm，对应的脉冲当量:

由i=1，求得丝杆转一圈，喷头前进4mm。则机械精度对应

丝杆转一周，上位机应该发出的指令脉冲为4mm/0.005mm=800（个）

则对应转速约为3000，上位机脉冲能力至少800*3000/60=40000r/s；

对应6000转的转速，则上位机脉冲能力80000r/s，电子齿轮比不变.

CMX ：电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。

CDV ：电子齿轮比的分母是上位机的给定脉冲（指令脉冲）。

电子齿轮比=CMX/CDV=（131072×100）/ 80000=6553600/200000=32.8。

在此计算电子齿轮比的目的——电子齿轮比把上位机的给定脉冲要换算成与电机编码器反馈脉冲同等意义的信号，便于控制中心按给定指令要求控制伺服转动定位。此外，通过上位机的脉冲能力的估算，对比实现的可能性，得知我们方案的合理性。

4.3喷头选择

选用Konica512L型号，实现宽度尽可能满足，分辨率满足，控制X轴方向运动，Y轴方向由另一电机控制，控制方式类似，单次位移为36.1mm,精度控制一样。双排式排列方式，

使得走完一个幅面的时间相对于单排式减半，利于打印速度的提高。

五、电机的选择

5.1伺服电机和步进电机对比

控制电机的比较与选取：电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类。伺服有速度控制和位置控制模式。速度控制模式下，通过伺服电机的CL信号和INH 信号，选择伺服电机转动的4档内部速度，这四档内部速度由驱动器的四个内部储存器记录，其数值为零就是停转，数值为零是顺时针旋转，小于零则为逆时针，也可通过ZEROSPD控制电机停转。

5.2直流交流伺服电机对比

在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。

伺服电机可以考虑直流和交流两种：但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的 最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。

PMSM 主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。

5.3负载转矩计算

PMSM 定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且n 与ns 相同（同步）。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。(同性相斥，异性相吸)

其中θ为失调角，也称功率角；K 与定子端电压和转子磁势（磁密)的乘积成正比。s r F F 和分别是转子、定子的磁势或磁密；p 为极对数。

当θ为角?90时，对应最大转矩，称最大同步转矩。对之前我们算得的负载转矩23100.3m kg J t ??=-进行惯量匹配。

θsin ?=r s F KF T min)/(60r p f n s =