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