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3D打印机总体方案及结构
设计
题目： 3D打印机设计
专业班级 机械电子工程1班 届 次 2013届 学生姓名 揭硕 学 号 指导教师
二O一六年十月十二日
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一、总体框架的设计 系统概述
系统由输人设备制定部分参数,从存储设备或者直接从计算机 中得到事先建好的三维模型,由单片机对模型进行分析,切片,建立 必要的支撑结构,再从单片机输出控制指令,控制喷头型材料融化,并通过一定的驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向的移动,并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。每打好一 层,从外 部设备读取下一层的参数,再打印下一 层,直到全部模型完成。完成 模型的打印之后,还需要后期的材料回收工作。
系统框架
输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值----单片机分析----温度控制回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备
打印耗材的选用
为了实现3 D打印机的功能,所选材料也很重要。既要由较低的熔点,也要有较好的粘滞性,同时也需要快速成型。综合考虑,我们最终选择了P L AA /B S耗材。
设计思路概述
ABS/PLA耗材熔点为230℃左右,分解温度260℃以上,故其通常成型温度在250℃以下。控制回路使用温度传感器返回当前温度,反馈回路保证了温度保持恒定,控制器统一使用了单片机来输出指令
(3)控制回路方框图如下：
设置的空气温度→单片机→D/A转换器→加热电路→当前温度→温度传感器→A/D转-------------------------------------------------------------------------------
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换器→单片机
x y z三方向控制电机的设计
采用化繁为简的思路,将三维打印转化为二维进而转化为一维 打印。即Z方向采用步进电机,由步进电机固定的 给量算出所需的步进角,用这种方式将三维打印先转化为每一平面内的二维打印,再由Y方向也为步进电机带动,则每一平面内的二维打印又转化为很多条 直线上的一维打印。
喷头移动及喷出量调节的设计
熔融挤出系统对喷头系统的基本要求 是:将成型料丝送人液化器中,在其中及时而充分地熔化,由固态变 为熔融态,然后再进一步从更小直径的喷嘴中以极细丝状挤出,按扫描路径堆积成型。而且送丝速度要与扫描速度相匹配,以保证均匀一 致的材料堆积路径。成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点:
1) 供应功能:将料丝从丝筒上拉出,提供成型材料;
2) 熔丝功能与料丝送进功能:将送进的固态料丝及时且充分地 熔化成为熔融状态并将料丝送人液化器;
3) 流道功能:提供熔融态材料稳定流动的通道;
4) 定径功能:对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积; 5) 出丝速度匹配与出丝起停控制功能:出丝速度可控,能根据扫描速度进行调整,实现互相匹配。出丝应能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径 起停处。
在采用熔丝挤出方式的工艺原理时,就是借助液化器中未熔丝材的活塞作用,将熔融材料挤出喷嘴,出丝推力近似等于送丝驱动力,所以在此特定的工艺原理中,送丝功能和基础功能是等效的。
喷头实现方法设计
基于所选择的打印耗材,喷出技术采用熔融沉积成型技术,根据片层参数控制加热喷头沿模型断面层扫描,同时控制熔融液体的体积 流量,使粘稠液体物料均匀地铺洒在断面层上。
液化器中使用电热丝提供热量使料丝熔融。熔融挤压快速成型工艺对温度的要求极其严格,喷头出丝温度和成型室的温度严格处于一定的温度范围之内,且一旦设定温度控制值之后,须保证其温度保持在平稳状态,不能产生较大 的扰动,否则成型质量将受到影响。这就要求液化器温度必须保持稳 定。因此,我们需要加入上述的温度控制回路来严格控制液化器的温度。
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二、 机械结构
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)。
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mmPh40
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对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为： Jt=Z1+1/i2[Z2+JS+JW](kg.m2)++=
其中i为两齿轮的传动比，此处取i=Z1/Z2=1 其他符号说明如下：
Z1——齿轮l 及其轴的转动惯量；J1=0.0018kg.m2 Z2——齿轮2 的转动惯量，取J2=0.0018kg.m2×=； Js——丝杠转动惯量，kg.m2×； Jw----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，9.8m/s2； 圆柱体的转动惯量：J=1/8MD2 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7.8g/m3=r； 滚珠丝杠的转动惯量为：
JS=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 ) Jw=6*0.0042/(9.8*4π2)=2.48*10-7( kg.m2 ) 从而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。
可见，Jt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-------------------------------------------------------------------------------
3D打印机的设计
