桌面級(jí)3D打印機(jī)設(shè)計(jì)（含CAD圖紙）

桌面級(jí)3D打印機(jī)設(shè)計(jì)（含CAD圖紙）,桌面,打印機(jī),設(shè)計(jì),CAD,圖紙 注：頁(yè)眉，居中，楷體，五號(hào)。閱后刪除此文本框。 摘 要 當(dāng)今社會(huì)正處在一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)代，隨著一系列新技術(shù)的成熟和應(yīng)用，人們的生活方式產(chǎn)生了快速而多樣化的改變。而近年來(lái)對(duì)人們影響最深遠(yuǎn)的核心技術(shù)群可以概括為新能源技術(shù)、新互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及新制造技術(shù)。在新制造技術(shù)中，最令人矚目的3D 打印技術(shù)，被認(rèn)為是顛覆制造業(yè)體系的革命性技術(shù)。? 本文選用STM32F103VCT6作為核心控制器，采用 Allegro 帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的 DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器 A4988，設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的X、Y、Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并根據(jù)3D打印機(jī)工作流程，利用keil編譯工具，對(duì)3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行編程，分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，完成3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本文設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能?穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：3D打印；STM32；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 目 錄 摘 要 1 目 錄 2 引 言 4 1.1研究的目的和意義 4 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1.3 研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求 5 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 7 2.1系統(tǒng)總體概述 7 2.2研究方案 7 2.3 課題的主要研究工作： 8 2.4 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì) 9 2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 9 2.6 3D 打印技術(shù)的類型 10 2.7 3D 打印技術(shù)的現(xiàn)有利弊 11 2.5 本章小結(jié) 12 第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 3.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路: 13 3. 2伺服系統(tǒng)初步參數(shù)確定 13 3.3步進(jìn)電機(jī) 14 3.4導(dǎo)軌的參數(shù)確定 18 3.5 3D打印機(jī)Y軸進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)及計(jì)算 19 第四章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 4.1總體機(jī)械設(shè)計(jì) 23 4.2龍門(mén)框架機(jī)械設(shè)計(jì) 23 4.3底盤(pán)—Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)—熱床部件設(shè)計(jì) 25 4.4 X軸傳動(dòng)設(shè)計(jì) 27 4.5打印噴頭設(shè)計(jì) 28 第五章 電路設(shè)計(jì) 31 5.1 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路組成 31 5.2 驅(qū)動(dòng)電路 31 5.3 限位電路 32 5.4 電源電路 33 5.5 微處理器電路 34 5.6 本章小結(jié) 36 第六章 程序設(shè)計(jì)部分 37 6.1 系統(tǒng)整體流程圖 37 6.2軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 37 6.3程序設(shè)計(jì)流程 37 6.3軟件各功能模塊設(shè)計(jì) 38 6.4本章小結(jié) 43 第七章 系統(tǒng)調(diào)試及遇到的問(wèn)題 44 7.1電路調(diào)試 44 7.2軟件功能調(diào)試 45 7.3小結(jié) 45 結(jié) 論 46 參考文獻(xiàn) 47 致 謝 48 引 言 1.1研究的目的和意義 隨著近年來(lái)許多革命性的技術(shù)體系逐漸成熟，制造業(yè)乃至整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)體系正在醞釀著一場(chǎng)深刻的變革，以往的制造體系和設(shè)計(jì)理念都將面臨革新。3D 打印技術(shù)已發(fā)展數(shù)十年，雖然在工業(yè)級(jí)領(lǐng)域已取得非常深入的發(fā)展，并取得了一定的成就。 近些年來(lái)，由于軟件技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，桌面級(jí) 3D 打印機(jī)開(kāi)始走進(jìn)大眾視野，并以一種高姿態(tài)高科技挺進(jìn)市場(chǎng)，希望能夠走進(jìn)千家萬(wàn)戶用以展現(xiàn)其科技價(jià)值，改變普通大眾的生活形態(tài)。但受限于各方面的因素，諸如材料技術(shù)、打印技術(shù)等，桌面級(jí) 3D 打印機(jī)一直處于不溫不火的狀態(tài)，如今仍然在不斷的研發(fā)設(shè)計(jì)之中，但在這個(gè)過(guò)程中，工程師們更多把它當(dāng)做一種打印工具，因而關(guān)注更多的是其技術(shù)方面的突破，而殊不知桌面級(jí) 3D 打印機(jī)是一種是實(shí)實(shí)在在與人交互的產(chǎn)品，更應(yīng)該在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)關(guān)注其良好的用戶體驗(yàn)。本論文的目的就是希望在桌面級(jí) 3D 打印機(jī)發(fā)展的這個(gè)特殊階段，在人們普遍關(guān)注其技術(shù)突破的同時(shí)，喚起人們對(duì)桌面級(jí) 3D 打印機(jī)良好用戶體驗(yàn)的重視。當(dāng)然，作為身處變革時(shí)代的設(shè)計(jì)師，從用戶體驗(yàn)的角度來(lái)看待桌面級(jí) 3D 打印機(jī)這個(gè)可能具有劃時(shí)代意義的高科技產(chǎn)品，顯得尤為重要，肯定會(huì)對(duì)未來(lái)桌面級(jí)3D 打印機(jī)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用與借鑒意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來(lái)，3D 打印技術(shù)雖然在部份國(guó)家或地區(qū)非?；鸨?，但是它距離大規(guī)模步入桌面端還有很大距離，主要原因還是價(jià)格因素的影響，制約著它的普及進(jìn)程。3D 打印的魅力是非常大的，它吸引著我們把目光及注意力不斷投入它的身上。但是與它給我們的吸引力相反的是，3D打印機(jī)距離普及還有非常長(zhǎng)的路要走。制約3D 打印普及的原因很簡(jiǎn)單，主要是價(jià)格太貴，不適合桌面端推廣，即使它非常熱門(mén)。業(yè)內(nèi)人士表示，小型桌面 3D 打印機(jī)已經(jīng)變得很便宜了，售價(jià)大概為 1.8 萬(wàn)元。不過(guò)便宜也是相對(duì)而言，對(duì)桌面設(shè)備來(lái)說(shuō)，1.8萬(wàn)對(duì)于普通大眾階層還是過(guò)于偏高，并且的它的成品率也并不能保證是百分之百的成功，有一定良品率限制，打印材料不光種類少，價(jià)格也相對(duì)較貴。此外，3D 打印機(jī)打印速度是還是相對(duì)比較慢，和成熟的工業(yè)流水線生產(chǎn)相比，不具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，專家認(rèn)為，3D 打印創(chuàng)造了很多新的機(jī)會(huì)。小批量制造和個(gè)性化產(chǎn)品制造已經(jīng)成為生意。而且，互聯(lián)網(wǎng)與 3D 打印跨界組合將產(chǎn)生更多創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)。展望未來(lái)，3D 打印將讓制造業(yè)供應(yīng)鏈鏈條縮短，使得設(shè)計(jì)、打印、物流更好的整合。 ?自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)多所高校開(kāi)展了 3D 打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM 工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢(shì)；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢(shì)，并已推出了 HRP 系列成型機(jī)和成型材料；西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開(kāi)發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到 0.2mm；中國(guó)科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。但總體而言，國(guó)內(nèi) 3D 打印技術(shù)研發(fā)水平與國(guó)外相比還有較大差距。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了 3D 打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)共同的特點(diǎn)是由海外歸國(guó)團(tuán)隊(duì)建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)與國(guó)外廠商同類產(chǎn)品相比尚處于低端。目前，國(guó)產(chǎn) 3D 打印機(jī)在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術(shù)水平有待進(jìn)一步提升。在服務(wù)領(lǐng)域，我國(guó)東部發(fā)達(dá)城市已普遍有企業(yè)應(yīng)用進(jìn)口 3D 打印設(shè)備開(kāi)展了商業(yè)化的快速成型服務(wù)，其服務(wù)范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設(shè)計(jì)、文物復(fù)原等多個(gè)領(lǐng)域。與內(nèi)地相比，我國(guó)港臺(tái)地區(qū) 3D 打印技術(shù)引入起步較早，應(yīng)用更為廣泛，但港臺(tái)主要著重于技術(shù)應(yīng)用，而非自主研發(fā)。 1.3 研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求 3D打印帶來(lái)了全世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，將會(huì)顛覆這一生產(chǎn)思路，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它無(wú)需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地所縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。 本文通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究，主要利用PWM控制等數(shù)字信號(hào)在電機(jī)控制中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用STM32F103VCT6作為核心控制器，采用 Allegro 帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的 DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器 A4988，并設(shè)計(jì)3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 要求提交的成果形式包括： (1) 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路圖； (2) 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)程序； (3) 相關(guān)論文一篇； （4）機(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖一張。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)總體概述 基于熔融沉積3D打印機(jī)基本原理是逐層打印。計(jì)算機(jī)中導(dǎo)入STL三維模型文件，通過(guò)上位機(jī)與3D打印機(jī)的控制主板進(jìn)行連接，由分層軟件將三維模型分成二維CAD模型，并將其轉(zhuǎn)換成控制板可以識(shí)別、讀取。執(zhí)行、加工的的G代碼，從而控制進(jìn)給機(jī)構(gòu)電機(jī)的運(yùn)行方向、擠出速度等參數(shù)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成打印工作?；贔DM工藝的3D打印機(jī)從控制結(jié)構(gòu)上看，分上位機(jī)和底層控制兩層，上位機(jī)主要運(yùn)行三維設(shè)計(jì)軟件、切片軟件、打印控制軟件等。底層控制包括嵌入式微控制器、主板、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、限位開(kāi)關(guān)、熱塑材料擠出機(jī)、打印平臺(tái)、溫度傳感器等。主要系統(tǒng)框圖如下： 圖2.1 3D打印機(jī)控制系統(tǒng) 2.2研究方案 本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要通過(guò)查閱相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)資料，選擇合適的傳動(dòng)方式，然后通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行仿真和運(yùn)動(dòng)分析，確定所立方案的可行性，并用來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸是否合理，以確定各項(xiàng)尺寸參數(shù)，最后繪制圖紙，通過(guò)購(gòu)買(mǎi)或加工出零部件。本研究課題主要是熔融沉積3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析。主要研究方法如下： 1）參閱機(jī)械設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)導(dǎo)軌副、絲杠螺母副裝置等。 2）根據(jù)性能要求選擇進(jìn)給伺服系統(tǒng)。 3）通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)造型，確定結(jié)構(gòu)的可行性和尺寸參數(shù)。 4）做出3D打印機(jī)的整機(jī)裝配工程圖、重要零部件裝配工程圖、重要零件工程圖等。 5）購(gòu)買(mǎi)零部件，完成機(jī)械及控制系統(tǒng)，安裝并調(diào)試3D打印樣機(jī)，打印出較高成型質(zhì)量的零件。 2.3 課題的主要研究工作： 2.3.1整體布局 2.3.1.1導(dǎo)軌副的選用 本畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的桌面級(jí)熔融沉積3D打印機(jī)的傳動(dòng)制裝置承受的載荷較小，定位精度一般，因此選用直線光桿為導(dǎo)軌副，其主要優(yōu)點(diǎn)有，成本低廉，使用方便，摩擦系數(shù)小，安裝結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。 2.3.1.2絲杠螺母副的選用 熔融沉積3D打印機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)絲杠螺母轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其中X、Y采用滾珠絲杠，Z軸采用兩個(gè)平行的普通絲杠螺母機(jī)構(gòu)。整個(gè)擠出機(jī)都可以在Z上運(yùn)動(dòng)， X軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝有擠出頭。 2.3.1.步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)是熔融沉積3D打印機(jī)的動(dòng)力裝置，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)XYZ三軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件，使擠出頭裝置可以按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，另一方面步進(jìn)電機(jī)可協(xié)調(diào)控制著進(jìn)給機(jī)構(gòu)與擠出機(jī)構(gòu)之間的相互配合，從而避免斷絲和較大的粗糙度等。 2.3.2機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.2.1送絲機(jī)構(gòu)及噴頭機(jī)構(gòu) 3D打印機(jī)的送絲狀機(jī)構(gòu)，主要包括用于輸送主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、噴頭、等組件，主動(dòng)輪的動(dòng)力由為步進(jìn)電機(jī)提供，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸上套有一薄壁的外嚙合齒輪，從動(dòng)輪類似以鏈條的一個(gè)鏈節(jié)，外面有一個(gè)套筒，并且主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的嚙合可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由一個(gè)裝有彈簧的松緊機(jī)構(gòu)通過(guò)旋動(dòng)螺紋進(jìn)退實(shí)現(xiàn)。 圖2.2 噴頭原理 2.3.2.2框架設(shè)計(jì) 本畢設(shè)3D打印機(jī)主體框架結(jié)構(gòu)擬采用亞克力板，該板可以用激光切割，成型質(zhì)量好，價(jià)格便宜，強(qiáng)度高?？蚣苤饕δ転楣潭?、支撐打印機(jī)各個(gè)部件如噴頭、絲杠螺母機(jī)構(gòu)。擬設(shè)計(jì)成龍門(mén)框架的樣式，使得結(jié)構(gòu)緊湊。 2.3.2.3傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 熔融沉積3D打印機(jī)進(jìn)給部分主要分X、Y、Z三軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)，其中擠出機(jī)部件主要由安裝在X軸上，進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以保證噴頭可以在預(yù)定的路線時(shí)間運(yùn)動(dòng)，擠出機(jī)主要保證擠出絲能夠合理地噴射出粗細(xì)均勻且滿足要求的打印絲，是熔融沉積桌面級(jí)3D打印機(jī)整機(jī)最重要進(jìn)給機(jī)構(gòu)。 2.4 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì) 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以STM32F103VCT6單片機(jī)為控制核心，利用PWM控制等數(shù)字信號(hào)在電機(jī)控制中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用Allegro 帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的 DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器 A4988，設(shè)計(jì)3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，系統(tǒng)可靠性高，便于實(shí)現(xiàn)。 2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用成熟的PWM驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行技術(shù)。該3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：驅(qū)動(dòng)電路、 限位電路、電源電路、微處理器電路組成。 圖2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 2.6 3D 打印技術(shù)的類型 （1） 熔融沉積型? 熔融沉積類技術(shù)是普及率最高的 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)不需要苛刻的環(huán)境條件，沒(méi)有高能耗的組件，僅僅由噴頭，控制芯片，步進(jìn)電機(jī)及簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)件組成。硬件成本在各類3D打印技術(shù)中是最低的。同時(shí)由由英國(guó)巴斯大學(xué)機(jī)械學(xué)院的?Adrian?Bowyer 等人設(shè)計(jì)的reprap3D 打印機(jī)的所有軟件和硬件都是開(kāi)源的，沒(méi)有專利限制，這也是FDM類技術(shù)普及的重要原因。人們甚至在家中就可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)的開(kāi)源組件自己組裝reprap3D打印機(jī)。 同時(shí)FDM 類技術(shù)所用的材料價(jià)格也極為低廉，其中應(yīng)用最廣的是ABS 工程塑料和聚乳酸樹(shù)脂，材料性能優(yōu)異與毒性極小，聚乳酸樹(shù)脂更是無(wú)毒的可降解環(huán)保材料。但正是因?yàn)槌尚头绞揭约霸O(shè)備成本的低廉使FDM 類技術(shù)尚無(wú)法達(dá)到較高的成型精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。 （2） 激光燒結(jié)型 激光燒結(jié)及電子束類技術(shù)的原理是通過(guò)激光束成電子束照射材料粉末，使材料逐層熔融然合冷凝結(jié)合在一起，從而固化成型。因?yàn)槌尚途雀?，同時(shí)高溫成型參使模型具有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以在特殊材料成型和復(fù)雜的特種零件成型等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)的F22、F35戰(zhàn)斗機(jī)和我國(guó)的殲20戰(zhàn)斗機(jī)都應(yīng)用了這一技術(shù)來(lái)制造大型鈦合金承力構(gòu)件。 該技術(shù)能耗較大，對(duì)成型材料和工作環(huán)境有較高要求，同時(shí)設(shè)備成本較高，并不適合民用，在大型制造企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用較多。 （3） 光固化型 光固化技術(shù)是一類結(jié)合了前文的兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的成型方式。該技術(shù)用光敏樹(shù)脂作為成型材料，通過(guò)紫外光發(fā)生器產(chǎn)生的光束照射液態(tài)樹(shù)脂原料，觸發(fā)照射點(diǎn)的聯(lián)合反應(yīng)從而固化成型，當(dāng)一層打印好之合，步進(jìn)機(jī)構(gòu)將已完成部分抬升成沉降到液面之下，繼續(xù)下一層的打印，這樣逐層成型。光固化成型精度高予FDM類技術(shù)，是民用3D打印技術(shù)中精度最高的。但由于設(shè)備成本較高，材料的毒性較大，使用的范圍不如FDM類技術(shù)。? （4） 粉末層噴膠型 粉末噴頭打印技術(shù)是通過(guò)噴頭在粉末層上涂布膠水實(shí)現(xiàn)固化的成型技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是非常環(huán)保，而也可以打印全彩的模型，非常適合商業(yè)化，國(guó)內(nèi)外有多家企業(yè)提供的三維人像打印服務(wù)就是應(yīng)用這類技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。? 2.7 3D 打印技術(shù)的現(xiàn)有利弊 3D打印技術(shù)是大批量制造模式向個(gè)性化制造模式發(fā)展的式領(lǐng)技術(shù)，其突出優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。其核心理念就是逐層增加的成型方式，這種方式?jīng)Q定了3D打印技術(shù)只需要關(guān)注物位在空問(wèn)位置上的有無(wú)，而不會(huì)發(fā)到會(huì)統(tǒng)的減材制造所需要考慮各類材料的加工方式的限制。單一而集中的成型動(dòng)作可以大大提高能源的使用效率和材料的利用率，這使3D打印技術(shù)在能耗和環(huán)保上也具有很大的優(yōu)勢(shì)。 3D打印技術(shù)早已有之，然而這項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的可能卻目到最近幾年才建始顯現(xiàn)。 一方面原因是3D打印技術(shù)的成本一目居高不下，目到近年來(lái)才真正進(jìn)入企業(yè)和個(gè)人可以接發(fā)的范圍之內(nèi)。要進(jìn)行精確的打印，必須建立一個(gè)精確的坐標(biāo)系統(tǒng)，這就涉及到涵蓋軟硬件兩方面的諸多問(wèn)題。以選擇性激光燒結(jié)技術(shù)為例，該技術(shù)需要一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)反射鏡，將工作光源所產(chǎn)生的激光投射到相應(yīng)的位置，這對(duì)機(jī)構(gòu)的精確度要求很高，同時(shí)需要軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)配合，才能實(shí)現(xiàn)高效的打印過(guò)程。而打印所需的材料也需要特別的工藝來(lái)制備。 另一方面原因就是3D打印技術(shù)在此之前缺義大量應(yīng)用的環(huán)境。制造業(yè)自18世紀(jì)工業(yè)革命建始與手工業(yè)分離以合，就不再是每個(gè)人都會(huì)從事的工作。技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了職業(yè)的分化，到現(xiàn)在的大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，制造工人甚至只能專精予制造流水線上的某一加工步驟，而設(shè)計(jì)市必須和工程市合作才能解決設(shè)計(jì)需求和生產(chǎn)工藝之間的平衡，沒(méi)有人能獨(dú)立的完成一個(gè)批量化生產(chǎn)的產(chǎn)品的研發(fā)制造。而與除了工程市和設(shè)計(jì)市，大部分人并不具備批量化生產(chǎn)的相關(guān)知識(shí)。3D?打印技術(shù)需要的數(shù)字模型作為藍(lán)本來(lái)進(jìn)行成型，而構(gòu)建三維模型的軟件大部分都需要復(fù)雜的操作技巧，需要一定時(shí)問(wèn)的了解和學(xué)習(xí)，并不是所有人都可以熟練使用的工具。而這些問(wèn)題隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的興起，都在一定程度上被解決了。 但從制造層面來(lái)講，3D打印技術(shù)還存在許多制約其發(fā)展的瓶頸，而針對(duì)這些問(wèn)題的解決方案也是相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)。首先是打印質(zhì)量的限制。目前3D打印機(jī)的精度差別很大，工業(yè)級(jí)的高端機(jī)型可以達(dá)到與會(huì)統(tǒng)制造技術(shù)相媲美甚至更高的制造精度，但由予成本限制，目前還難以普及。而已經(jīng)建始商品化的框面級(jí)3D打印機(jī)卻存在著精度較低的問(wèn)題，打印的產(chǎn)品無(wú)論尺寸公差還是表面質(zhì)量都很難達(dá)到較高的使用要求。所以提高3D打印機(jī)的精度是未來(lái)技術(shù)層面研究的一個(gè)重點(diǎn)；然合是材料的限制。目前可以用予3D打印的材料種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法同會(huì)統(tǒng)制造業(yè)相比，而與由予成型工藝的問(wèn)題，導(dǎo)致成型合的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度普遍偏低，打印完成合仍需要燒處理等各種方法來(lái)增加強(qiáng)度，這大大限制了3D打印技術(shù)可以應(yīng)用的范圍；多材質(zhì)打印的限制。一個(gè)產(chǎn)品是一系列功能部件的組合，而這些部件由予所滿足的需求不同，所需的材料性質(zhì)也不同。而目前3D打印技術(shù)還不能實(shí)現(xiàn)任意幾類材質(zhì)的同時(shí)打印，這就意味著我們現(xiàn)在只能通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)制作那些功能和結(jié)構(gòu)都相對(duì)單一的產(chǎn)品，類似予電子產(chǎn)品這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍然要通過(guò)會(huì)統(tǒng)的制造技術(shù)來(lái)完成。隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被探向更高的層面。 2.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的主要組成以及工作原理，并簡(jiǎn)單的介紹了3D 打印技術(shù)和3D 打印技術(shù)的現(xiàn)有利弊。通過(guò)本章，可以使我們對(duì)3D 打印技術(shù)有一定的了解，同時(shí)也為接下來(lái)的3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路: 熔融沉積型3D打印機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)，從本質(zhì)上講，實(shí)質(zhì)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化機(jī)械化設(shè)計(jì)。首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行確定，計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件的慣性變量，從而確定驅(qū)動(dòng)源即電機(jī)的負(fù)載，功率，轉(zhuǎn)速等參數(shù)，并完成傳動(dòng)元件（這里指絲杠螺母）及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。與普通數(shù)控機(jī)床不一樣，3D打印是層層堆積打印，所以并不會(huì)對(duì)整個(gè)工作臺(tái)產(chǎn)生較大的切削力，因此預(yù)估計(jì)為5N。本章關(guān)于伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如：進(jìn)給系統(tǒng)的分類選型，傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩等方面的計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)負(fù)載及選用、絲杠螺母、光桿滑動(dòng)導(dǎo)軌，聯(lián)軸器計(jì)算與型號(hào)等都將做一一選擇和說(shuō)明。 3. 2伺服系統(tǒng)初步參數(shù)確定 3.2.1步距角 當(dāng)一個(gè)脈沖通過(guò)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)角，這里稱其為步進(jìn)電機(jī)的步距角。其計(jì)算公式如下： 其中 ----步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)； -----步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)； ----繞組通電方式單排時(shí)，K=1；雙拍時(shí)，K=2。 市場(chǎng)上常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)步距角有等。 3.2.2脈沖當(dāng)量 本畢業(yè)設(shè)計(jì)擬采用脈沖當(dāng)量為=0.01mm/脈沖。 由下式可得 3.2.3傳動(dòng)比 傳動(dòng)比計(jì)算公式：　　 其中： 為步進(jìn)電機(jī)的步距角， 為滾珠絲杠導(dǎo)程， 為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。 因此本畢業(yè)設(shè)計(jì)擬采用步矩角=，初選絲杠導(dǎo)程為4mm，。 故則其傳動(dòng)比: 3.3步進(jìn)電機(jī) 3.3.1步進(jìn)電機(jī)參數(shù)及選型 3.3.1.1步進(jìn)電機(jī)選型的步驟 1）由3D打印機(jī)的機(jī)械機(jī)械結(jié)構(gòu)，求得加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 2）計(jì)算3D打印機(jī)在多個(gè)工況下的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并取得其最大值作為最大靜轉(zhuǎn)矩； 3）根據(jù)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩頻率特性、啟動(dòng)慣性頻率等關(guān)系，對(duì)初步選擇進(jìn)行的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行校核。 3.3.1.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇 其中 為步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)力矩； 為步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)打印工作要從靜止上升到最大快進(jìn)速度時(shí)折算后的力矩； 為空載時(shí)折算后的摩擦力矩； 為絲杠預(yù)緊折算后的附加摩擦力矩。 ①加速度力矩　　　　 　由 初設(shè)運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間。則 加速度力矩 ②空載摩擦力矩　 空載摩擦力矩： 式中： G為運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）， ； 為所選用光桿導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， 且； 為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。 則 ③附加摩擦力矩　 附加摩擦力距： 其中： 為預(yù)緊力，一般取的1/3； 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率。 則： 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： 因此，通過(guò)上面計(jì)算可以算出步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩 則 3.3.1.3總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 其中： 為作用在打印機(jī)工作臺(tái)的合力折算后的轉(zhuǎn)矩。 其中指的是的部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩；且 根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩和步距角初步選出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)XY42STH34-1506，其技術(shù)參數(shù)如下： 型號(hào) 電壓 電流 電阻 電感 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 定位力矩 機(jī)身外徑 機(jī)身長(zhǎng)度 額定速度 XY42STH34-1506 （V） （A） （Ω） （mH） Kg.cm2 N.cm mm mm rpm 12 1.5 8 2.5 35 120 42 34 1000 3.3.1.4步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸 所選用的步進(jìn)電機(jī)XY42STH34-1506其機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸如下圖3.1所示 圖3.1 步進(jìn)電機(jī)XY42STH34-1506結(jié)構(gòu)尺寸 3.4導(dǎo)軌的參數(shù)確定 3.4.1導(dǎo)軌簡(jiǎn)要介紹 導(dǎo)軌是熔融沉積桌面級(jí)3D打印機(jī)的重要部件之一，在功能上它的選擇對(duì)打印機(jī)工作臺(tái)的剛度，精度與精度保持性等有著十分重要的影響，本畢業(yè)設(shè)計(jì)XYZ三軸進(jìn)給均采用光桿導(dǎo)軌，光桿導(dǎo)軌價(jià)格低廉，便于安裝和拆卸，基本上滿足桌面打印的要求。 3.4.2.直線滑塊工作載荷Fm的計(jì)算 工作載荷對(duì)于導(dǎo)軌副的使用壽命有著較大的影響，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)中立在底盤(pán)主要由Y軸導(dǎo)軌承受。因此，根據(jù)載荷公式可得其單個(gè)滑塊所能承受的最大垂直方向載荷為： ； 已知打印機(jī)工作臺(tái)的移動(dòng)部件總重約G=40N；外加載荷約為5N，因此得到追到工作載荷為25N。 關(guān)于導(dǎo)軌，考慮到安裝和拆卸的方便，擬采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。由于畢設(shè)要求的工作平面尺寸為200mm*200mm。因此取得的導(dǎo)軌長(zhǎng)度為380mm，直徑為初選為8mm.。 3.4.3距離額定壽命L的計(jì)算 由于3D打印機(jī)的工作臺(tái)進(jìn)給速度不高，載荷較小，查閱技術(shù)文獻(xiàn)可取得設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 硬度系數(shù)1.0； 溫度系數(shù)1.0； 接觸系數(shù)0.81； 精度系數(shù)0.9； 載荷系數(shù)1.5； 代入下式 1062Km。 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于期望值50Km，因此距離額定壽命完全滿足要求。 3.5 3D打印機(jī)Y軸進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)及計(jì)算 3.5.1、最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算 ； 查表得系數(shù)，，壽命值預(yù)計(jì)3D打印機(jī)使用壽命T=15000h，初選絲杠螺距=4mm ； 所以 Y向絲杠牽引力 為當(dāng)量摩擦系數(shù)； 所以最大動(dòng)負(fù)荷 Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 的型號(hào)為 GD1604-3其額定動(dòng)載荷為390N，足夠用。 3.5.2滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算 名稱 代號(hào) 參數(shù) 公稱直徑 16 導(dǎo)程 4 滾珠直徑 2.381 絲杠底徑 13.1 絲杠外徑 15.3 循環(huán)列數(shù) 3*2 螺母安裝尺寸 28 52 38 65 10 6 5.8 10 油杯 M6 額定載荷 () 4612 () 8779 剛度 () 279 3.5.3傳動(dòng)效率計(jì)算 式中： ——摩擦角； ——絲杠螺紋升角； 其中=； 3.5.4剛度驗(yàn)算 3.5.4.1Y軸進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠的拉壓變形量 其中： 為在工作載荷作用下絲杠變形量； 為絲杠的工作載荷； L為滾珠絲杠在支撐座的受力長(zhǎng)度，取； E為材料彈性模量，其中鋼； A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積，， 則 。 3.6.5.2Y軸進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 其中： 為滾珠直徑， 為滾珠總數(shù)量 ，Z為一圈的滾珠數(shù)，， 為滾珠絲杠的公稱直徑， 為預(yù)緊力， 為滾珠絲杠的工作載荷 查表可得 ， 3.5.4.3滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量，查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，根據(jù)打印機(jī)的定位精度可得為0.023mm，。因此所選的Y軸進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠副剛度符合要求。 同理，可以按照上述方法對(duì)X軸進(jìn)給系統(tǒng)絲杠螺母進(jìn)行選型。 第四章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1總體機(jī)械設(shè)計(jì) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)流程是：主要運(yùn)用三維建模軟件Solidworks進(jìn)行模型的建立，以此來(lái)驗(yàn)證所選擇的方案的可行性、正確性。整機(jī)的機(jī)械部件主要可以分為龍門(mén)框架部件設(shè)計(jì)、底盤(pán)--絲杠螺母部件設(shè)計(jì)、X軸傳動(dòng)設(shè)計(jì)，和3D打印機(jī)的噴頭部件設(shè)計(jì)。熔融沉積3D打印機(jī)的總體尺寸為400mm*400mm*400mm，基本滿足桌面級(jí)打印零件要求。 4.2龍門(mén)框架機(jī)械設(shè)計(jì) 龍門(mén)框架是本畢業(yè)設(shè)計(jì)的組主要支撐架，連接這個(gè)傳動(dòng)軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，使之可以固定在特定位置，實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能。設(shè)計(jì)工作主要考慮以下幾點(diǎn)： 1）保證3D打印機(jī)機(jī)架在幾何上的穩(wěn)定性，可以較為簡(jiǎn)便的站立在大多數(shù)平面內(nèi)，承擔(dān)整機(jī)的在各個(gè)方向所產(chǎn)生的力，主要來(lái)自Z軸方向上的壓力。 2）機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，外觀整潔，美觀大方，具有工業(yè)設(shè)計(jì)美感，具有空間整體性。各個(gè)部件可以方便的協(xié)調(diào)配配合，滿足3D打印的工作尺寸區(qū)間即：200mm*200mm*200mm。 3）為Z軸電機(jī)、絲杠螺母、導(dǎo)軌等提供豎直方向的安裝位置，保證導(dǎo)軌緊固，不發(fā)生徑向和軸向的松動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)絲杠螺母的精確進(jìn)給，保證打印層質(zhì)量；為底盤(pán)框架實(shí)現(xiàn)在Y軸的的固定，使得底盤(pán)與框架便于安裝、調(diào)整和拆卸。 綜合考慮以上設(shè)計(jì)要求，龍門(mén)框架設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)如下圖所示： 圖4.1 龍門(mén)框架機(jī)械機(jī)構(gòu)三維模型圖 框架總體尺寸為370mm*130mm*410mm，整個(gè)框架主要一塊中間切割成方形的框架和兩塊切去邊角的側(cè)板連接通過(guò)方形的插槽和插齒和M3的螺栓連接而成，三塊連接板厚度均為10mm，可以較好保證其結(jié)構(gòu)上的剛度及穩(wěn)定性。 整個(gè)3D打印機(jī)其結(jié)構(gòu)上功能為安裝Y軸底盤(pán)框架、Z軸傳動(dòng)裝置。在Y軸上，方形框架底部軸線位置處切去一個(gè)R=30的圓弧形，以便于給安裝Y軸的絲杠螺母座預(yù)留下空間。在兩側(cè)開(kāi)的R=5的圓弧形對(duì)稱切邊主要用于安裝底盤(pán)的導(dǎo)軌，兩處圓弧對(duì)稱地分布在相距170mm的軸線兩側(cè)，從而基本上確定了Y軸底盤(pán)的導(dǎo)軌間距。電機(jī)與支架之間用3個(gè)在軸向M3的螺釘相聯(lián)結(jié)。支架與龍門(mén)框架之間連接則是與電機(jī)機(jī)身與框架X-Z想貼合面用3個(gè)相距約20mm的M3螺栓向連接，進(jìn)而達(dá)到固定Z軸傳動(dòng)裝置和機(jī)身框架的目的。 圖4.2 龍門(mén)框架機(jī)械機(jī)構(gòu)CAD圖 4.3底盤(pán)—Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)—熱床部件設(shè)計(jì) 本部分主要由底盤(pán)框架、Y軸絲杠螺母副、導(dǎo)軌、熱床等裝置組成，由于此部分中前述的幾個(gè)部件都有著比較重要的轉(zhuǎn)配關(guān)系，故采用將底盤(pán)—Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)—熱床裝配成完整的子裝配體。下面將分別各個(gè)部件的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。主要需要考慮的方面有： 1）底盤(pán)支架主要功能基本上和龍門(mén)框架要求大致相同，一方面需要在機(jī)械幾何上滿足其穩(wěn)定性，另一方面需要有比較好支撐以便于適應(yīng)在XY平面的放置。 2）底盤(pán)導(dǎo)軌和熱床裝置聯(lián)結(jié)，為保證打印質(zhì)量，整個(gè)熱床要求水平。且對(duì)導(dǎo)軌的平行度，直線度，以及導(dǎo)軌和滑塊的同軸度、有一定的安裝要求。也需要和龍門(mén)框架進(jìn)行固定，因此再設(shè)計(jì)上需要對(duì)框架附加易于安裝，容易調(diào)整，且穩(wěn)定性能好等要求從而保證絲杠螺母可以完成較好的位移傳動(dòng)。 3）電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠，絲杠軸支撐等再設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的同軸度配合要求。 綜合以上考慮點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，本畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖： 圖4.3 底盤(pán)—Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)—熱床部件三維模型圖 底盤(pán)—Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)—熱床部件子轉(zhuǎn)配體總體尺寸為480mm*170mm*90mm。其中框架尺寸由四個(gè)相同的支座提供，為360mm*170mm。支座在X方向?yàn)閮蓚€(gè)豎直上平行的相距為20mm的直徑為8的通孔。兩個(gè)通孔中都8*210的光桿，光桿與支座兩側(cè)都用墊片和螺母相連接，從而實(shí)現(xiàn)了Y軸光桿在X方向的調(diào)整。而Y軸方向下部為直徑為10mm的光桿，以確保整個(gè)底盤(pán)在Y軸上的剛度、穩(wěn)定性等。上方為直徑8mm的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌端部與支架的半圓形弧型槽槽底直接面面配合支承工作臺(tái)，這樣安裝，保證了熱床可以較好的在導(dǎo)軌中精確位移運(yùn)動(dòng)。 絲杠有效長(zhǎng)度為170mm，兩端和連接在X方向同軸支撐，其中一端通過(guò)梅花形聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，從而把電機(jī)的周轉(zhuǎn)角度位移型號(hào)轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 熱床的結(jié)構(gòu)尺寸也就是3D打印機(jī)工作臺(tái)的打印尺寸，本設(shè)計(jì)要求為200mm*200mm。熱床與下部連接板用套有彈簧的M6的螺栓連接，為充分利用工作臺(tái)尺寸，四個(gè)連接孔的與熱床板邊相距5mm，連接板和熱床相距10mm。彈簧絲直徑為1mm，中徑為d2=7mm，彈簧作用主要是防止Z軸電機(jī)越過(guò)極限位置，從而減少引起擠出機(jī)噴頭與熱床產(chǎn)生剛性沖擊，增強(qiáng)對(duì)工作臺(tái)的保護(hù)作用。 圖4.4 底盤(pán)—Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)—熱床部件CAD圖 4.4 X軸傳動(dòng)設(shè)計(jì) X軸傳動(dòng)裝置實(shí)際上整體在X_Z平面上運(yùn)動(dòng)，一方面為Z軸電機(jī)帶動(dòng)的絲杠配合提供螺母副，控制整體向上或者向下位移。因此Z軸絲杠螺母副中的兩個(gè)豎直方向上的直徑為5mm螺母應(yīng)該安裝在在X軸上。為防止Z軸螺母松動(dòng)，本文創(chuàng)新性將中徑6mm的彈簧引入到放置螺母的凹槽中，很好實(shí)現(xiàn)了螺母緊固。 圖4.5 X軸傳動(dòng)三維模型圖 如上圖所示，整個(gè)X軸傳動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)支架、聯(lián)軸器、X軸絲杠、導(dǎo)軌及絲杠支架、蓋板等部件組成。兩個(gè)平行的Z軸光桿套孔里面都緊貼著上下端面緊配合安裝了M8的滑動(dòng)軸承，其原理基本上與Y軸導(dǎo)軌類似。與之不同的是Z軸螺母安裝在六角形凹槽中，上下兩端的螺母用彈簧在其中，減少Z軸的松動(dòng)，增強(qiáng)Z軸進(jìn)給精確度。 圖4.6 X軸傳動(dòng)CAD圖 4.5打印噴頭設(shè)計(jì) 打印噴頭是熔融沉積最為關(guān)鍵部件之一，F(xiàn)DM工藝一般是將固態(tài)的低熔點(diǎn)絲狀材料加熱到半熔融狀態(tài)，熔融，擠出材料均在打印噴頭中進(jìn)行，出絲速度和出絲直徑的均勻穩(wěn)定程度是決定3D打印機(jī)加工精度和表面質(zhì)量的最重要因素，本部件設(shè)計(jì)主要送料裝置和加熱頭的設(shè)計(jì)，來(lái)保證擠出頭出絲的均勻和穩(wěn)定。 圖4.7 打印噴頭三維模型圖 整個(gè)擠出機(jī)分為滾珠絲杠螺母，導(dǎo)軌副的套筒及其支座，整個(gè)擠出裝置是安裝在該支座上的。支座安裝有步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)上按裝有主動(dòng)小齒輪，主動(dòng)小齒輪與安裝在擠出機(jī)蓋板上可以調(diào)整松緊的滾輪相咬合，齒輪與滾輪之間的間隙可以根據(jù)擠出絲直徑調(diào)整，主要通過(guò)穿在含有M3螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)其間隙大小可以實(shí)現(xiàn)擠出不同直徑細(xì)絲的功能。當(dāng)絲料被送料輪緊緊抓住，通過(guò)送絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)能夠可靠地把絲料擠入擠出頭的喉管中。擠出頭喉管外部是層狀的散熱片，可以減輕整個(gè)機(jī)構(gòu)的重量，保證出絲的穩(wěn)定。 圖4.8 打印噴頭CAD圖 第五章 電路設(shè)計(jì) 5.1 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路組成 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成部分應(yīng)包括：驅(qū)動(dòng)電路、 限位電路、電源電路、微處理器電路組成。 5.2 驅(qū)動(dòng)電路 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路選用Allegro 帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的 DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器 A4988進(jìn)行設(shè)計(jì)。 A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的?DMOS?微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8?及?1/16?步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)?35?V?及?±2?，A4988?包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。? 轉(zhuǎn)換器是?A4988?易于實(shí)施的關(guān)鍵。只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步。無(wú)須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程。A4988?界面非常適合復(fù)雜的微處理器不可用或過(guò)載的應(yīng)用。 A4988產(chǎn)品特點(diǎn): 1、只有簡(jiǎn)單的步進(jìn)和方向控制接口；? 2、五個(gè)不同的步進(jìn)模式：全、半、1/4、1/8和1/16；? 3、可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)最大電流輸出，從而獲得更高的步進(jìn)率；? 4、自動(dòng)電流衰減模式檢測(cè)/選擇；? 5、過(guò)熱關(guān)閉電路、欠壓鎖定、交叉電流保護(hù)；? 6、接地短路保護(hù)和加載短路保護(hù)。 A4988 包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作 在微步運(yùn)行時(shí)， A4988內(nèi)的斬波控制可自動(dòng)選擇電流衰減模式( 慢或混合) 混合衰減電流控制方案能減少可聽(tīng)到的電動(dòng)機(jī)噪音 增加步進(jìn)精確度并減少功耗，降低驅(qū)動(dòng)芯片的溫度，提供內(nèi)部同步整流控制電路， 以改善脈寬調(diào)制( PWM) 操作時(shí)的功率消耗內(nèi)部電路保護(hù)包括帶滯后的過(guò)熱關(guān)機(jī)欠壓鎖定及交叉電流保護(hù)， 不需要特別的通電排序。 A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及外圍電路如圖 5.1。微控制器只要控制 ENABLE、DIＲ、STEP 這3 路端口就能完全實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。ENABLE 端口使能 A4988 內(nèi)部的 FET 輸出， ENABLE 端口輸入為高電平時(shí)不使能輸出， 電機(jī)不運(yùn)動(dòng)，處于鎖緊狀態(tài); 只有 ENABLE 端口為低電平時(shí)使能輸出，電機(jī)才可以運(yùn)動(dòng) DIＲ 端口輸入信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， 為高電平時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 STEP 端口輸入微步信號(hào)，就能夠控制步進(jìn)電機(jī)工作。 圖5.1 A4988驅(qū)動(dòng)電路 進(jìn)電機(jī)工作 通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān) MS1、MS2、MS3控制細(xì)分步進(jìn)量， 細(xì)分方法如表5.1 所示。 表5.1 A4988驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)控制邏輯表 MS1 MS2 MS3 步進(jìn)量 激勵(lì)方式 L L L 全步進(jìn) 2 相 H L L 半步進(jìn) 1-2 相 L H L 1 /4 步進(jìn) W1-2 相 H H L 1 /8 步進(jìn) 2W1-2 相 H H H 1 /16 步進(jìn) 4W1-2 相 為了克服步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在的低頻振蕩 高頻出力不足容易失步以及定位精度不高等缺點(diǎn)，文中系統(tǒng)采用1 /16 步進(jìn)量細(xì)分法， 同時(shí)能夠使步進(jìn)電機(jī)具有良好平滑運(yùn)行性能 OUT1B 和OUT1A 引腳分別連接到2 相步進(jìn)電機(jī)其中一相線圈的兩端， OUT2B 和 OUT2A 引腳分別連接到2 相步進(jìn)電機(jī)其中另一相線圈的兩端。 5.3 限位電路 為了防止3D打印機(jī)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)超過(guò)X或Y或Z軸工作區(qū)域，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)限位電路。3D打印機(jī)限位開(kāi)關(guān)一般選用光電開(kāi)關(guān)或接觸式行程開(kāi)關(guān)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了限位電路，其可以與光電開(kāi)關(guān)或接觸式行程開(kāi)關(guān)相連。 限位電路選用光耦PS2703進(jìn)行設(shè)計(jì)電路。PS2703采用貼片雙列4腳SOP封裝，高隔離電壓為3750V，包含一個(gè)砷化鎵發(fā)光二極管和一個(gè)NPN型硅光電晶體管。 光耦PS2703特性如下： · 高隔離電壓(BV = 3,750 Vr.m.s.) · 高集電極-發(fā)射極電壓(VCEO?= 120 V) · SOP（小外型封裝）型 · 每個(gè)封裝為單獨(dú)的隔離通道 · 高速轉(zhuǎn)換(tr，tf?= 10 μs典型值)。 限位電路的二極管D4防止電源正負(fù)極接錯(cuò)從而更好的保護(hù)后面的電路，具體電路如下圖： 圖5.2 限位電路 5.4 電源電路 電源電路選用LM1117進(jìn)行設(shè)計(jì)3.3V電源電路。LM1117是一個(gè)低壓差三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。它與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過(guò)2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25～13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號(hào)。 LM1117工作特性?: 1. 提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V和可調(diào)電壓的型號(hào)； 2. 節(jié)省空間的SOT-223和LLP封裝；??·? 3. 電流限制和熱保護(hù)功能；????·? 4. 輸出電流可達(dá)800mA?； 5. 線性調(diào)整率：0.2%?(Max)????·? 6. 負(fù)載調(diào)整率：0.4%?(Max)????·? 7. 溫度范圍?：0℃~125℃? 電源電路利用LM1117進(jìn)行設(shè)計(jì)電路，并利用發(fā)光二極管D1進(jìn)行電源指示，其如下圖： 圖5.3 電源電路 5.5 微處理器電路 微處理器電路選用STM32F103VCT6作為核心控制器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。 STM32F103xx增強(qiáng)型系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計(jì)，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。 STM32F103結(jié)構(gòu)與功能：? 1.內(nèi)核：ARM32位的Cortex?-M3CPU； 2.工作頻率：72MHz，1.25DMips/MHz； 3.低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機(jī)模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT； 4. 調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口； 5. DMA：12通道DMA控制器； 微處理器電路選用STM32F103VCT6進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，利用32.768K晶振Y1和8M晶振Y2設(shè)計(jì)微處理器電路的晶振電路；將STM32F103VCT6的BOOT0引腳和BOOT1引腳分別連接到GND，使STM32F103VCT6程序從Flash開(kāi)始啟動(dòng)；STM32F103VCT6選用JTAG方式，具體電路如下圖。 圖5.4 微處理器電路 5.6 本章小結(jié) 本章對(duì)3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路、 限位電路、電源電路、微處理器電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)各模塊功能的結(jié)合和3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)工作。 第六章 程序設(shè)計(jì)部分 6.1 系統(tǒng)整體流程圖 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由系統(tǒng)時(shí)鐘初始化模塊、端口初始化模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊三部分組成。首先初始化微處理器的時(shí)鐘，并初始化驅(qū)動(dòng)芯片A4988的控制引腳，微處理器利用控制引腳實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。。 6.2軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以STM32系列單片機(jī)為核心展開(kāi)的，該系列單片機(jī)所采用的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，針對(duì)此系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程發(fā)布的指令集也相當(dāng)齊全，極大的簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，考慮到軟件開(kāi)發(fā)的編程難度，單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。 C語(yǔ)言是一門(mén)通用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，應(yīng)用廣泛。C語(yǔ)言的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一種能以簡(jiǎn)易的方式編譯、處理低級(jí)存儲(chǔ)器、產(chǎn)生少量的機(jī)器碼以及不需要任何運(yùn)行環(huán)境支持便能運(yùn)行的編程語(yǔ)言。 本系統(tǒng)編譯器選用Keil作為編譯工具。Keil是美國(guó)Keil Software公司出品的STM32系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語(yǔ)言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。 6.3程序設(shè)計(jì)流程 3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首先對(duì)微處理器STM32的時(shí)鐘、控制端口進(jìn)行初始化，而后利用控制引腳對(duì)A4988驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制，其具體工作流程如下圖。 圖6.1 系統(tǒng)流程圖 。 6.3軟件各功能模塊設(shè)計(jì) 1. 系統(tǒng)時(shí)鐘初始化模塊設(shè)計(jì) STM32F103VCT6利用PLL技術(shù)將，外圍晶振8M倍頻到72M，提高系統(tǒng)工作主頻，具體函數(shù)如下： void SetSysClockTo(void) { ErrorStatus HSEStartUpStatus; //時(shí)鐘控制寄存器全部恢復(fù)默認(rèn)值 RCC_DeInit(); //使能外部高速時(shí)鐘源開(kāi)啟（8M晶振） RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON); //等待外部時(shí)鐘就緒 HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp(); //如果時(shí)鐘啟動(dòng)成功 if(HSEStartUpStatus == SUCCESS) { //定義AHB設(shè)備時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘1分頻 RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); //定義APB2設(shè)備時(shí)鐘為HCLK時(shí)鐘1分頻 RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1); //定義APB1設(shè)備時(shí)鐘為HCLK時(shí)鐘2分頻 RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2); //設(shè)定內(nèi)部FLASH的的延時(shí)周期為2周期 FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); //使能FLASH預(yù)存取緩沖區(qū) FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable); //配置PLL時(shí)鐘為外部高速時(shí)鐘的9倍頻，8MHz * 9 = 72 MHz RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); //使能PLL時(shí)鐘 RCC_PLLCmd(ENABLE); //等待PLL時(shí)鐘設(shè)置完成準(zhǔn)備就緒 while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET) { } /使用PLL時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘源 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); //返回系統(tǒng)所用時(shí)鐘源確認(rèn)為外部高速晶振，8M晶振。 while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08) { } } } 2. 端口初始化模塊設(shè)計(jì) 微控制器利用ENABLE、DIＲ、STEP 這3 路引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，配置控制引腳ENABLE、DIＲ、STEP引腳為普通推挽輸出，配置限位輸入引腳up_limit、down_limit為上拉輸入，具體函數(shù)如下： void init_GPIO() { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //使能時(shí)鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //配置 輸出引腳 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //使能時(shí)鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); //配置 輸出引腳 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2; // GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); //使能時(shí)鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE ); //配置輸入引腳 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //使能時(shí)鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE ); //配置輸入引腳 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉 GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); } 6. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) ENABLE 端口為高電平時(shí)， 電機(jī)不運(yùn)動(dòng)，處于鎖緊狀態(tài); 只有 ENABLE 端口為低電平時(shí)，電機(jī)才可以運(yùn)動(dòng)。DIＲ 端口輸入信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， 為高電平時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 STEP 端口輸入微步信號(hào)，就能夠控制步進(jìn)電機(jī)工作，具體函數(shù)如下： 參數(shù)NO為：電機(jī)通道號(hào)； 參數(shù)dir為：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向； 參數(shù)step為：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖數(shù)，其頻率決定電機(jī)速度； void run_location(u8 NO,u8 dir,u8 step) { u8 i; switch(NO) { case 1: enalbe1_1; if(dir==1) { dir1_1; } else { dir1_0; } // 如果達(dá)到限位，電機(jī)自動(dòng)停止 for(i=step;i>=1;i--) { if(up_limit1==1 || down_limit1==1) { break; } step1_1; delay_ms(10); step1_0; delay_ms(10); } enalbe1_0; break; case 2: enalbe2_1; if(dir==1) { dir2_1; } else { dir2_0; }