3D打印机系统设计资料

1 Harbin Institute of Technology 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
2 摘 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
3 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
4 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 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
5 最大工作高度 38 （3）打印速度精度： 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 1.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 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
6 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 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）。
7 综合以上方面考虑，最后选择与要求相符的电动机。 b.几种电机的参数性能比较： 步进电机 直流电机 伺服电机 力矩和速度 在低速下满转矩，速度增加转矩明显下降

在速度增大的情况下，转矩变化很小 几乎线性化的力、速度曲线 动态特性（速度和加速度） 小 小 良好的加速度特性，高速 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 整个动态范围内平滑、安静运动 宽动态范围内平稳运动 目标位置 准确达到目标位置；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 通过闭环控制达到目标位置（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 更高速度、更小步距、无后冲。 表5.1.1 各电机参数性能比较 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
8 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，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 7、速度响应性能不同；步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 从性能角度出发，通过以下几方面的考虑我们选择使用方案一的步进电机： 1. 将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度； 2.可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的
9 目的； 3.同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的； 4.可以精确地到达目标位置，精度相

比直流无刷电机更加高，开环便于控制； 5.使用细分功率放大器并使用高输入信号频率可基本消除共振现象。 综上所述，步进电机不需要反馈信号，就可以对系统的位置、速度输出直接控制，而且价格较为便宜，虽然打印速度不快，而我们所做的3D打印机并不要求高速运转，所以选用步进电机作为驱动装置。 使用步进电机，步进电机的最大优点就是可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。这个优点正满足我们所设计的电机的要求，虽然步进电机存在‘失步’以及自身振荡等缺点，但是由于他无位置误差积累的优点，使它在控制各轴运动定位时能够避免产生较大的误差，从而可以精确地到达目标位置，精度相比其他种类电机更加高，开环便于控制。而且，在此选择使用细分功放并使用高输入信号
10 频率可有效降低共振现象。 因控制器具有采样周期的时间限制，当升速率较高时步进电机的转速容易穿越开关线，形成极限环，造成系统振荡，无法正常工作。针对上述情况步进电机快速准确定位系统控制器的设计，步进电机快速准确定位系统的结构框图，由位置补偿表、位置控制器、升降速控制器、信号转换器、转速及位置检测器和转速反馈及失步检测器等功能模块组成。上位机向步进电机定位系统下达位置指令X0根据起始位置、目标位置和转向查找位置补偿表得到补偿位置?X，形成实际位置指令Xs，进而得到位置偏差e，位置控制器根据偏差e和步进电机当前转速nf发出转速指令ns，再由升降速控制器按照一定的规律计算出当前步进电机的转速n，之后由信号转换器解析为转向信号dir和脉冲信号cp,控制步进电机的转速和转向，使步进电机以一定规律的速度到达指令位置X0。当系统到达指令位置X0时，位置控制器必须使步进电机的转速降为可停车转速，从而达到快速准确定位控制的要求。 3D打印机在功能上与2D不同的即为增加了一个维度上的控制。对于如何增加z轴的控制，我们做了如下分析： 一种方案为，采取喷嘴直接喷热固性塑料在加热底板上，在喷嘴处有一电机控制喷嘴高度，高度一点一点增加，即可慢慢打印出想要的样品。 另一种方案为，采用原料与黏胶分别放置的办法，采用滚桶将原料槽

升起所供应的原料颗粒推至加工平面，然后采用喷嘴直接喷洒黏
11 胶在所需面积上，每加工完一层，加工平面即下降一层的高度以容纳下一层，直至样品打印结束。 另外结构上，我们还参考借鉴已经成型的Delta Robot的工作方式（如图1），使用如下的三纵轴3D打印机结构。该打印机与传统3D打印机有所不同，关键在于对打印点的定位方式。传统的3D打印机采用自然坐标系的坐标轴定义，在X,Y,Z三个维度上都采用螺杆丝杠传动,用电机带动丝杠从而对喷头进行控制与定位。而Rostock MAX采用的是三倾斜杆与喷头的二自由度连接，通过控制三个倾斜杆顶端的滑块移动来实现对喷头在工作区域的定位。 图1. Delta Robot 在第一种中，x,y,z轴均在喷嘴处控制，而第二种中对于喷嘴而言，加工平面高度是不变的，由加工平面下的电机来不断调整z轴的高度。 第一种的优势在于，想法简单，结构简单。但其缺点在于，如要打印空腔型的物体（譬如收口很小的高脚杯）则无法打印。而第二种可以打印出空腔型物体。由于第二种可以采用颗粒支撑内部所以可以实现。并且第二种的废料不存在浪费，完全可以继续装填回原料槽，
12 也符合了环保的理念。我们选择了第二种方案。 执行元件包括步进电机、喷胶喷头和加热器。 工作流程 先建立预加工的计算机三维实体模型, 结合CAD、CAM将其以彩色STL、ply、w rl等数据格式存储, 之后采用彩色三维模型切片软件对该彩色三维模型进行切片分层, 得到一系列具有色彩信息的二维切片, 再进行切片光栅图像处理RIP分析, 获得每层的加工信息。然后进行以下步骤： 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, 喷豁结剂;
13 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 三维打印法采用了与喷墨打印机类似的技术, 首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料, 喷头在每一层铺好的粉末材料上有选择地喷射粘合剂, 喷有粘合剂的地方材料被粘结在一起, 其它地方仍为粉末。做完一层,加工平台自动下降一个截面层的高度, 储料桶上升一个截面层的高度, 滚桶由升高了的储料桶上方把粉末推至工作平台, 并把粉末推平, 再喷粘结剂, 如此循环直到把一个零件的所有层打印完毕,然后把未固化的粉末清理掉,最后进行烧结, 即可得到一个三维实物原型。 X,Y轴(打印机)组成平面扫描运动框架, 由伺服电机驱动控制喷头的扫描运动; Z轴由伺服电机驱动控制工作台(供粉缸、成型缸)作垂直于XY平面的运动。打印机构几乎不受载荷, 但运动速度较高, 具有运动的惯性,

因此应具有良好的随动性。Z轴应具备一定的承载能力和运动平稳性。因此, 在本系统中, X轴机构选用导轨-同步齿形带机构; Y轴机构选用光杠-同步齿形带机构;Z轴机构选用两副光杠-丝杠机构,由两个伺服电机分别驱动送粉缸和成型缸内的活塞作垂直于XY平面的运动。铺粉辊机构选用导轨-同步齿形带机构,实现成型粉末材料的铺平和压实功能。
14 综上所述：共有5个电机需要选择。 (一) X，Y轴的两个电机： 方案一 1) 对于X,Y轴，要实现轮廓扫描，需要较高的运行速度和定位精度，因此选择丝杠--圆导轨这种运动方案，同时也能满足驱动工作台需一定承载能力的要求，由于横向移动走丝精度要求较高,考虑到无刷直流电机无论是在调速精度、力矩波动大小方面还是在输出力矩大小方面都具有很大的优势 所以选择无刷直流电动机。 2) 计算选择电动机的型号:通过分析得到喷头的质量m约为1kg;根据要求绕丝小车横向移动速度v为0～60m/min;导轨的摩擦系数μ约为0.2，wP=F·v,F=m·g·μ,把m、g、μ、v代入公式得,wP=1.96W; 由于采用双圆柱形导轨,故电动机所需功率P为0P=2wP/n;从电动机到转轴之间的传动装置的总效率n总为:n总=n轴承·bn，查得轴承效率n轴承=0.99, 带轮效率bn=0.98,
15 即:n总=0.99×0.98=0.9702,0P=2wP/n总=2×1.96/0.9702=4.04W;选取电动机额定功率pm,使pm=2.50P(1～3)0P，取pm=2.50P=10W,所以根据文献[5]表6-3,电机选用直流无刷电机45ZWN60-2430,其具体参数如下： 方案二选用的X轴和Y轴步进电机都是MakerBot Nema 17，其具体参数指标如下表： NEMA型号 17 保持扭矩（标准单位） 43 oz-in 保持扭矩（公制单位） 0.3N-m 每分钟最大转数 3000RPM 步进角 1.8? 测角精度 ±3% 单/双轴 单轴 绕组型式（Winding Type） 4线 并行 相电阻（Phase Resistance） 5.25 Ohm
16 相电流（Phase Current） 1A 电感 7.7mH 物理标准 长度 42.7mm 宽度 42.7mm 高度 35.1mm 最低操作温度 -20°C 最高操作温度 40°C 轴直径 8mm 其价格在500到700元不等。 Z轴所选用的电机为Moons leadscrew Nema 17步进电机： 图中四线为电机绕组。 型号 leadscrew Nema 1 步进角 1.8? 测角精度 ±3% 螺杆长径比 0-100mm 支撑轴 单轴或者双轴 相位 2 保持扭矩（标准单位） 63oz-in 保持扭矩（公制单位） 0.44N-m 每分钟最大转数 3000RPM 单/双轴 单轴 绕组型式（Winding Type） 4线 并行 相电阻（Phase Resistance） 5.25 Ω 相电流（Phase Current） 1A 电感（inductance） 7.7mH 物理标准 长度 42.7mm
17 宽度 42.7mm 高度 35.1mm 最低操作温度 -10°C 最高操作温度 50°C 轴直径 8mm 其价格在650到800元之间。 (二) 铺粉电机： 铺粉电机运动只需要控制电机的起停和设定转速，用普通直流电机即可满足要求。通过铺粉辊筒转动和

平动，将粉末材料从储粉腔添加到成型腔，同时压实粉末，平整粉末表面。铺粉辊筒的在粉末平面的转动方向与铺粉辊筒的平动方向相同，通过辊筒的转动将辊筒前面堆积的多余粉末卷起，让粉末材料翻滚前进，减小了粉末与已打印的截面层之间的摩擦力。为减小对模型Y向尺寸精度的影响，铺粉辊筒平动的速度不宜过快。系统中铺粉辊筒采用外径为20mm 的不锈钢管精密磨制，表面光滑，且不易腐蚀。转速200r/min，平动速度为0.2m/s 时成型质量和效率较为满意。对具有微小结构的部件，可以适当降低转动和平动速度。 设辊筒与平面之间摩擦系数为0.4，辊筒质量记为0.5kg，则可计算转矩为： 功率计算如下： 0P=Fv=μmg*v=0.2*2=0.4W 机械传动部分效率较低估计为0.6，减速器效率估计为0.8
18 n总=n轴承·bn=0.6*0.8=0.48 所以电机功率pm=2.080P(1～3)0P，取pm=2.50P=1W 根据计算所得，我们选择以下型号的永磁式直流伺服电动机20SY01 (三) 储料室电机及成型室电机： 根据要求，选用公称直径16mm，螺距4mm的丝杠时，x，y，z轴方向变化0.01mm，电机转动角度a为： a=360o×0.01÷4=0.9o 所以x，y轴电机只要满足步距角α≤0.9o即可 360=物体移动的距离必要脉冲数电机旋转一周移动的距离步距角 代入数据得： 18360==1800[]40.9必要脉冲数脉冲 如果采用自启动方式驱动1秒钟，则驱动脉冲速度这样计算： 1800[Pulse]/1[sec]=1.8[kHz] 但是，自启动速度不可能是1.8kHz，应该采用加/减速运行方式来驱动，如图。
19 如果加/减速时间设置为定位时间的25%，启动脉冲速度为500[Hz]，则计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]＝ 1800[脉冲]－500[Hz]×0.25[秒] 1[秒]－0.25[秒] ＝2.23[kHz] 如果是水平方向负载，则滚轴丝杆驱动负载，效率为90%，负载重量为3千克，则负载力矩的计算方法如下： *1=[N*]10*2BLmPTcmi LT= 3[kg]×0.18[mm] 10*2π×0.9 × 1 0.1 ＝9.55 [N·cm] 因为是垂直方向的负载，则力矩应该是此结果的2倍，而且此结果仅包括负载力矩，电机的总负载还应该包括加/减速力矩，但是，计算中很难得到准确的负载惯性惯量，因此，为了解决这个问题，在实际计算负载力矩的时候，特别是自启动或需要迅速加/减速的情况，我们应该在此基础上再乘以一个安全系数。 emT=2*LT*ε=2*0.0955*1.2=0.23[N·m] 根据计算及以下电机参数，我们选择42BYG250B-0151两相混合步进电机。
20 四、执行元件 执行元件包括步进电机、喷胶喷头和加热器。 喷胶喷头选择：方案一 由日本精工电子集团所生产，精工最先是在生产精密钟表方面在全世界家喻户晓，如今在生产集装压电式喷头方面就已经具备相当雄厚的实力与基础，稳定性方面就如其生产的精工表一

样品质超众. SPT喷头在综合以往所有喷头的性能优点最终设计而成，在集中以往优点的同时另外还主要体现在： a.主要表现为全不锈钢设计,具备超强的耐寿命,每只喷头的管道为510个. b.喷头电压可随温度变化而变化,因此能够以往其他喷头因温度等外界因素造成的断墨烦恼. c.其喷头的数据端口能够适应不同的打印软件,并且打印浓度也比以往喷头更恃?
21 d.能够采用多种模式生产,墨点颗粒为35PL和12PL,最高标准精度为720DPI和1440DPI,色彩饱和度无可挑剔. e.喷头打印宽幅为75mm,是普通喷头的4倍,可进行快速输出. f.适用面较广,目前已经应用于工业与商业打印的范围之内. g.配套墨水的生产流水线全部由日方精工电子集团专业人员检测,每次生产的墨水全部由精工集团认证之后方可投放于市场销售. h.成本较低,趋于大众化. 最终选型为： SEIKO SPT 255 35PL(极限主流喷头) 有效打印条宽度35.7mm 方案二：喷头部分主要由以下零件构成: 1．PEEK 法兰 图5.6.1 法兰样图 2．散热铜锅
22 图5.6.2 铜锅样图 3．支撑铝管 4．PTFE内衬 5．上托架(塑料件) 6．下托架(环氧树脂) 7．加热块(铝) 图5.6.3 铝块样图 8 喷嘴(0.5mm 铝) 图5.6.4 喷嘴样图 9 加热电阻(6.8Om,防火水泥封装, PTFE保护引脚)，加热材料，实现塑造。 10 热敏电阻(100k,防火水泥封装, PTFE保护引脚)，防止加热温度过高损坏元件。
23 总体喷头部分结构如图： 图5.6.5 喷头结构示意图 选择步进电机驱动器 根据所选步进电机，确定步距角为1.8°，传动杆结构如图： 图5.3.1 传动杆结构 我们选用半径1.75cm的齿轮，由公式 n为细分驱动器细分数。可解得n=8。故选用相匹配的DQ542MA型细分型两相混合式步进电机驱动器。
24 图5.3.2 DQ542MA型细分型两相混合式步进电机驱动器。 DQ542MA型细分型两相混合式步进电机驱动器，采用直流18～50V供电，适合驱动电压18V～50V，电流小于4.0A外径42～86毫米的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音。高速时力矩也大大高于其它二相驱动器，定位精度高。广泛适用于雕刻机、数控机床、包装机械等分辨率要求较高的设备上。 a.主要特点： 1.平均电流控制，两相正弦电流驱动输出 2.直流18～50V供电 3.光电隔离信号输入/输出 4.有过压、欠压、过流、相间短路保护功能 5.十五档细分和自动半流功能 6.八档输出相电流设置
25 7.具有脱机命令输人端子 8.电机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关 9.高启动转速 10.高速力矩大 b.电气参数 输入电压 直流24～50V输入 输入电流 小于4安培 输

出电流 1.0A～4.2A 功 耗 功耗：80W； 内部保险：6A 温 度 工作温度-10～45℃；存放温度-40℃～70℃ 湿 度 不能结露，不能有水珠 气 体 禁止有可燃气体和导电灰尘 重 量 200克 细分驱动器参数表 加热器选择 由于加工平台要求一定温度，为了和温度传感器构成闭环控制系统，我们需要在加工平台下安装一个加热器。当温度达到要求则加热器断电，当温度低于要求温度时，加热器启动开始加热。 选择PTC陶瓷加热板。 其特性与优势为： 1.安全：PTC产品具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小等传统发热元件无法比拟的优势, 在电热器具中的应
26 用越来越受到研发工程师的青睐。 2.节能：PTC产品有自动节能的特性，当加热器把环境温度提升后，其功率会逐渐降低，只有额定功率的90%，80%，或更少。 3.寿命长：PTC产品正常使用时不因为自身原因损坏的，甚至上万次的反复开关对其性能也无影响，衡量其寿命的标准是其老化程度。一般的标准为工作2000小时后的功率衰减小于10%。 干烧功率：环境温度24度，真空或无风密闭空间内，产品吊挂在空中或至于不导热介质上，测得的产品功率。此时用热电偶或针形温度计测量，表温在正负公差10度内。 最大功率：在理想状态下，可以达到的稳态最大功率。例如：在0度以下的环境中，隔着金属壳体加热流速极快的低温液体。 额定功率：干烧功率的2倍。 冲击功率：最大功率的1.5倍至2倍。 产品实际耗散功率一般处于最大功率和干烧功率之间 工作电压：220V （裸线接出，不分正负极，接额定电压即可） 外观尺寸：77x62x5.5mm （包括安装孔部分） 干烧表温：270度左右 （内部PTC加热芯片温度为300度左右） 额定功率：100W （实际耗散功率35~300W）干烧功率：50W左右 最大功率：300W
27 五、测量元件 1、温度传感器 温度传感器用于测定加工平面温度是否达到材料所需温度，温度传感器应安装于加工平面底部。 工作原理： 热电偶或热电阻传感器将被测温度转换成电信号，再将该信号送入变送器的输入网络，该网络包含调零和热电偶补偿等相关电路。经调零后的信号输入 到运算放大器进行信号放大，放大的信号一路经V/I转换器计算处理后以4－20mA直流电流输出；另一路经A/D转换器处理后到表头显示。变送器的线性化电路有两种，均采用反馈方式。对热电阻传感器，用正反馈方式校正，对热电偶传感器，用多段折线逼近法进行校正。一体化数字显示温度变送器有两种显示方式。LCD显示的温度变送器用两线制方式输出，LED显示的温度变送器用三线制方式输出。 最终选择温度传感

器如下： 产品型号:CRZ2005-1000 性能和参数解释如下： 1.铂电阻元件的温度系数TCR TCR=R100-R0/ R0×100 其中，R100为在100℃时的电阻值，R0为在0℃时的电阻值
28 2.铂电阻元件的温度-电阻特性 RT=R0[1+aT-bT2-cT3 (T-100)] RT--在温度T时的电阻值，R0--在零度时的电阻值 a b c系数，TCR=0.003851时的系数如下表： 温度 a b c T＜0 3.90802×10-3 5.80195×10-7 4.27351×10-12 T≥0 3.90802×10-3 5.80195×10-7 0 3．铂电阻元件的误差 级 别 零度时阻值误差（%） 温 度 误 差（℃） 温度系数TCR误差(ohm/ohm/℃) 1/3DIN ±0.04 ±(0.10+0.0017|T|) 0.003851±0.000004 A ±0.06 ±(0.15+0.002|T|) 0.003851±0.000005 B ±0.12 ±(0.30+0.005|T|) 0.003851±0.000012 2B ±0.25 ±(0.60+0.01|T|) 0.003851±0.000024 4.铂电阻元件的稳定性 铂电阻元件有良好的长期稳定性。例如CRZ-1632在400℃时持续300小时，0℃时的最大温度漂移仅为0.02℃。 5.铂电阻元件的热响应时间 型号 热响应时间T0.9(秒) 空气 水 V=1.0m/s V=3.0m/s CRZ-1632 10 7 0.3 CRZ-2005 16 11 0.3
29 8．温度—阻值表 标称阻值（Ω） 100 500 1000 TCR（10-6/K） 3851 温 度（℃） 电阻值（Ω） -50 80．31 401．53 803．07 0 100．00 500．00 1000．00 50 119．40 596．98 1193．95 100 138．51 692．50 1385．00 150 157．33 786．57 1573．15 200 175．86 879．20 1758．40 250 194．10 970．37 1940．74 300 212．05 1060．09 2120．19 350 229．72 1148．37 2296．73 400 247．09 1235．19 2470．38 450 264．18 1320．56 2641．12 500 280．98 1404．48 2808．96 550 297．49 1486．95 2973．90 600 313．71 1567．97 3135．94 650 329．64 1647．54 3295．08 CRZ薄膜元件应用的注意事项: 1.直接使用元件或制成温度传感器测温时，避免超过测温量程，短时间内虽不会损坏亦影响产品寿命和精度。 2.用CRZ元件组装温度传感器时，在使用高温固化环氧胶灌封时，应注意其在固化过程中应力的变化，否则可能损坏元件(一般为开路)；在使用氧化镁或氧化铝充填过程中，应避免元件直接接触保护管尖锐的内表面，否则在振动过程中，有可能使元件的瓷片边
30 缘破损，造成元件开路损坏。 3. 在制做温度传感器时，必须保证灌封材料的高度绝缘性能，否则会导致产品的电气绝缘性能降低，并且影响元件的测试数据，一般会导致测试电阻值偏低。 价格为17元左右。 2、湿度传感器 湿度传感器用于测定内部加工平面的环境是否合适的测量元件，所以此处湿度传感器应安装于加工平面周围很近的地方。 工作原理： 湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量

湿度。 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。 经过比较我们选择BST的HR202湿度传感模块，特征如下：
31 基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构 高精度：±2%RH，极好的线形输出 宽量程：1~99%RH，宽工作温度范围 –40~140℃ 湿度输出受温度影响极小，常温使用无须温度补偿 响应时间 5秒，浸水或结露后10秒钟迅速恢复 抗静电，防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性气体物质 长期稳定性及可靠性，年漂移量 0.5%RH/年 互换性好 电容与湿度变化 0.34pf/%RH，典型值180pf@55%RH 价格在15元左右每只 3、压力传感器 压力传感器用于测定料槽与墨盒中是否有料，无料则示警的装置，压力传感器安装于原料槽底部和墨盒底部。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 我们采用压力传感器来测定墨盒与原料槽中

32 原料充足，不会因原料不足而对加工过程产生影响。由于大多数压力传感器应用与工业，其量程过大，均为几吨至十几吨不等，所以根据我们所需的量程范围选定以下（上海聚人牌）微型压力传感器： Force Sensing Resistor 压力感应电阻是著名Interlink Electronics 公司生产的一款重量轻，体积小，感测精度高，超薄型压力传感器。当压力感测电阻器感应面的压力增加时，其阻抗就会减少，从而取得压力数据。其可用于机械手末端夹持器感测夹持物品有无，仿生机器人足下行走地面感测，哺乳类动物咬力测试生物实验，应用范围及其广泛。 Sensing area（感测范围）: 0.2” circle Output signal（输出信号）: Passive variable resistance Force sensitive range（压力感测范围）: 0 to 10 kg Lifetime（使用寿命）: > 10 million actuations 价格为80元左右每只。 4、位移传感器
33 位移传感器用于测定x,y,z轴的定位，x,y轴传感器用于喷头后面，z轴传感器则安装于原料槽推板和工作平面推板。这里的位移传感器需要精度很高。 工作原理： 电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 光电式位移

传感器利用激光三角反射法利用激光三角反射法进行测量，进行测量，对被测物体材质没有任何要求，主要影响为环境光强和被测面是否平整。比如公路测量用到真尚有的激光位移传感器，就对传感器进行了特殊配置，与普通情况不一样。 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 由量程范围可以选择以下位移传感器，上海聚人RS-WY150，缺点在于此位移传感器需要定期更换。 依据量程、价格还有精确度，我们考虑了以下位移传感器： （1）、 有效行程规格（mm）：300
34 机械行程（mm）：有效行程+7mm（每端缓冲3.5mm） 电阻（KΩ±10%）：5（75～550mm有效行程）； 独立线性精度（%）：0.05（275～650mm有效行程） 最大容许电压：DC36V/5KΩ～20KΩ 输出类型：0-100%给定输入工作电压（随位移变化而变化） 解析度：无限分辨； 最大工作速度：10m/s； 使用温度范围：-60～150Co 价格为265元左右每只 （2）、直线光栅系统 根据传感器特点，可将三个直线光栅传感器分别装上测量，三个度均确定后就能算出喷头的X-Y-Z坐标，把该坐标反馈给控制器形成闭环回路。 优点：精度非常高，响应速度快。 缺点：成本较高，安装要求比较高。
35 所选元件：雷尼绍RG2直线光栅系统 价格（人民币）：2000+ Renishaw—RG2 （3）、使用激光测距传感器 根据它的性能优点，可以将其固定在喷嘴所在托盘上，令激光测距传感器面向操作台，并检测到与操作台的距离，然后将距离信号传送给控制电路，从而控制电机转动，前近到与操作台某固定距离时停止，准备打印。 优点：测量精确，结构简单，易于控制。 缺点：响应速度慢，同时成本过高，从经济性的角度来讲并不适用。 参考器件：Renishaw RLE10 Lazer System 价格：数千美金。
36 图5.4.5 Renishaw RLE10 Lazer System 5、功放选型 在控制系统中，执行元件的工作往往需要较大的电功率，而控制元件仅能输出控制信号，其输出功率非常小，无法实现驱动执行元件的目的，故在控制系统中，往往需要对不同的执行元件选配合适的功率放大元件。 根据此前在电机选型中的说明，本系

统中供使用了三种电机，直流无刷电机45ZWN60-2430，永磁式直流伺服电动机20SY01，42BYG250B-0151两相混合步进电机。 1) 电机的全桥式驱动电路，这是直流电机调速使用最多的调速方法。目前市场上有很多种电机驱动的集成电路，效率高，电路简单，使用也比较广泛，但是其驱动方法大多与全桥式驱动一样。PWM控制方法配合桥式驱动电路，是目前直流电机调速最普遍的方法。我们在驱动直流电机时采用H型桥式驱动电路和PWM 控制相结合，以实现对电机转速和转动方向的控制。对于直流无刷电机
37 45ZWN60-2430选用小功率 HM-WZ-10 直流无刷电机驱动器，其具体参数如下： 输入电压范围12～24VDC(电压可根据客户要求定制)； 最大输出电流3A； 最大输出功率72W； 保护动作电流4A； 保护功能电压小于10V时欠压保护动作，芯片过热型值为170℃； HALL信号错误，过流(PWM周期瞬间电流大于4A则电流保护)； 转速范围：0～最高转速，对3400RPM电机试验； 单价：300元 2) 对于永磁式直流伺服电动机20SY01，选用L298N双H桥直流电机驱动器，其具体参数如下： 1.驱动芯片：L298N双H桥直流电机驱动芯片 2.驱动部分端子供电范围Vs：＋5V～＋35V ；如需要板内取电，则供电范围Vs：+7V～+35V 3.驱动部分峰值电流Io：2A 4.逻辑部分端子供电范围Vss：＋5V～＋7V（可板内取电＋5V） 5.逻辑部分工作电流范围:0～36mA 6.控制信号输入电压范围：低电平：－0.3V≤Vin≤1.5V，高电平：2.3V≤Vin≤Vss 7.使能信号输入电压范围：低电平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信号无效） 高电平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信号有效） 8.最大功耗：20W（温度T＝75℃时） 9.存储温度：－25℃～＋130℃ 10.驱动板尺寸:55mm*49mm*33mm(带固定铜柱，散热片高度) 11.驱动板重量：33g
38 12.单价：30元 3) 2BYG250B-0151两相混合步进电机，选用MAL-404驱动器，可以兼顾电机的高低频性能，高频时，电机在高速运行状态下力矩提高20%以上，低频时，电机在低速运行状态子啊，噪声减少，平稳性增加，其细分功能使电机运转清毒大大提高，能够保证在高细分的情况相爱，每一微步都是准确的。其具体参数如下： 单价：1元
39 控制系统：硬件电路系统： 三维打印快速成型硬件电路主要由上位机与下位机接口板，DSP控制芯片，外围存储器，喷头小车运动板，自举供墨（提供粘结剂）系统，喷头驱动电路组成。 1）PCI接口：充当上位机与下位机的通信桥梁； 2）DSP控制芯片：下位机打印数据的管理、传输、电机运动控制、喷头喷射粘结剂与电机运动的协调控制、打印过程信号的检测等； 3）外围存储器：存储准备打印的数据和控制参数； 4）喷头小车运动板：控制

喷头小车在X、Y平面的运动方向和轨迹； 5）自举供墨系统：自动检测粘结剂的供应量，并随时定量提供所需的粘结剂； 6）喷头驱动电路：产生喷头喷射使能信号，喷射数据的驱动信号。 软件系统： 主要由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成。 1）计算机一般采用上位机和下位机两级控制。其中上位主控机一般采用配置高、运行速度快的PC机；下位机采用嵌入式系统DSP，驱动执行机构。上位机和下位机通过特定的通信协议进行双向通信，构成控制的双层结构。为提高数据传输速度和可靠性，上位机和下位机的接口可选用通信速率高，数据传输量大的PCI接口，实现多重复杂控制任务的高效性与协调运动。 上位机完成打印数据处理和总体控制任务，主要功能有： （1）从CAD模型生成符合快速打印成型工艺特点的数据信息； （2）设置打印参数信息； （3）对打印成型情况进行监控并接收运动参数的反馈，必要时通过上位机对成型设备的运动状态进行干涉；
40 （4）实现人机交互，提供打印成型进度的实时显示； （5）提供可选加工参数询问，满足不同材料和加工工艺的要求。 下位机进行打印运动控制和打印数据向喷头的传送。它按照预定的顺序向上位机反馈信息，并接受控制命令和运动参数等控制代码，对运动状态进行控制。 2）应用软件主要包括下列模块处理部分： （1）切片模块：基于STL文件切片模块； （2）数据处理：具有切片模块到打印位图数据的转换，打印区域的位图排版；对于彩色打印还需要对彩色图像进行分色处理； （3）工艺规划：具有打印控制方式，打印方向控制等模块； （4）安全监控：设备和打印过程故障自诊断，故障自动停机保护。 3）底层控制软件：主要用于下位机控制各个电机，以完成铺粉辊的平移和自转、粉缸升降、打印小车系统的X、Y平面运动。 4）接口驱动单元：主要完成上位机与下位机接口部分驱动。 1）数控的主体部分由一块Rambo board（如图1）实现。 图5.7.1 Rambo board 只需将电机驱动器，限位开关输入和加热电路接入相应的接口。 （2）电机驱动器接口如图2所示
41 图5.7.2 驱动器接口 （3）停止开关，在这些接口，储存器中的指令在最大位置处会发出信号，用这个最大信号停止电机动作，将其接在Rambo的MAX接口处。（如图3） 图5.7.3 停止开关接口 （4）加热电路部分包括热敏电阻，成型扇，加热床。 成型扇需要PLA（可编程逻辑阵列）的配合使用，接法如图4
42 图5.7.4 加热电路 七、系统评估 我们的3D打印机的设计在结构上采用X，Y，Z三个轴向的直线运动，相对简单容易控制，也比较容

易控制精度，稳定性也较好。在电机的选择上，我们采用直流无刷电机和步进电机进行控制，无刷电机避免了电刷磨损带来的不便，控制精度高，步进电机是开环控制，具有容易控制，为系统节省了很多环节，又没有误差积累，使系统更稳定。在加工平面我们采取温度传感器作为反馈，加热器作为执行元件形成闭环，以更好控制加工平面的环境。 但是我们的打印机系统也有很多不足之处，采用XYZ三轴传动无用损耗较大，机械安装也可能带来不便。而采用步进电机，则会遇到的主要问题是调节不当可能会导致丢步、低频震荡等。而我们的3D打印机喷头与平台垂直，并没有给喷头加任何自由度。材料只能竖直喷出，导致限制了一些特殊立体模型的成功打印。在价格的考量上，直流无刷电机、驱动器及传感器仍然存在过贵的问题，应该再进一步寻找更合适的电机与传感器。此外，我们还未考虑喷头的位置测量问题，即便步进电机不需要测量元件，但每次3D打印机开机的时候仍然有寻零的需要，以及测量在运动过程中可能产生的丢步和共振的需求。在参数的选择方面，由于缺少经验，很多选择还不能够很确定。 参考文献 【1】《一种步进电机快速准确定位系统的设计及其分析》李汉 【2】ZPrinter310系统X- Y执行机构中的Y轴设计* 张会 机械管理开发 【3】三维打印机ZPrinter310 系统Z向升降台的结构设计* 张昌明 机械管理开发 【4】基于喷墨打印机的三维打印快速成型系统开发及实验研究* 张鸿海 机械设计与制造
43 【5】 周稀章、周全.如何正确选用电动机.北京: 机械工业出版社