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金屬材料型3D打印機設計
作者姓名：張濤 專業(yè)班級：機械四班 指導教師：劉念聰
摘要
在近幾年來，隨著制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，快速成型技術的研究和開發(fā)一直以來都受到全世界機械制造領域的高度重視，從目前社會對于快速成型技術最火熱的設備話題就是3D打印機，隨著這幾年3D打印機的不斷發(fā)展與完善，很多通過傳統(tǒng)加工難以甚至不能實現(xiàn)的加工零件在3D打印技術的基礎上得到了實現(xiàn)。然而，縱觀現(xiàn)有的3D打印機，大多的都只能對某些合成材料進行3D打印，比如：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等，能對大多數(shù)金屬材料進行3D打印的設備極少，而在現(xiàn)代社會，不管是哪個領域對金屬材料都有極大的需求，因此，研發(fā)一款能對金屬材料進行3D打印的設備顯得格外有意義。
本文圍繞快速原型技術之一----選擇性激光燒結技術（SLS）展開研究，以SLS技術為核心原理對打印機的結構做出了設計。內(nèi)容包括金屬粉末激光燒結快速成型技術的工藝原理，工序流程。其次分析了SLS工藝的參數(shù)對打印制件的影響，包括激光的功率、掃描的速度、掃描方式和每一層的厚度等。最后對如何實現(xiàn)驅動3D打印機各軸的運動做了設計，其中包括定位系統(tǒng)步進電機的選擇計算和控制電路部分單片機的應用做了詳細介紹。
關鍵詞：快速成型；3D打??；激光燒結；步進電機；單片機
The design of?metal material?3D?printer
Abstract
In?recent years,?with the rapid?development of manufacturing industry , the research and development of?rapid prototyping technology?has attracted?great attention in the world?in the field of ?machinery manufacturing . At present, The most popular ?in the society? of rapid prototyping?equipment?is?3D printer . With the past few years of the development and perfect of 3 D printers, many traditional machining parts which are difficult to achieve have been ?realized ?on? 3D printing technology . But on the current ?market, ?especially in the domestic market ,? 3D printing?products?almostly?are limited to?non-metallic materials, for example, such as ?elastic plastic (EP), poly lactic acid (PLA) and so on. The equipment that can make 3D printing for most metals is rare. In the modern society, No matter which field has a great demand for metal materials . Therefore, developing an 3D printing on metal materials equipment is meaningful.
This paper revolves around one of the rapid prototyping technology( selective laser sintering technology (SLS) )study, and make a design of the structure of the printer based on ?SLS technology. It includes process principle of ?powder?laser sintering technology and technological process. Secondly, it analyzed influence of SLS parameters on ?printing, Including the?thickness,?laser power,?scanning mode and?scanning speed?etc. At last, this article introduces how to realize ?the ?motion? of the axis of the?3D printer . Including the?positioning system?of the stepper motor?selection and calculation, and the application of SCM in control circuit.
Key words: Rapid prototyping;?3D printing;?laser sintering;?stepping motor;?MCU
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1引言 1
1.2快速成型技術概述 2
1.2.1快速成型技術的基本原理 3
1.2.3快速原型技術的分類 5
1.3 3D打印核心方案的確定 7
第2章 結構及原理設計 8
2.1 打印機結構的整體設計 8
2.1.1 打印部分定位結構的設計 9
2.2 SLS的基本工藝 10
2.2.1前處理過程 10
2.1.2分層燒結堆積過程 12
2.1.3后處理過程 13
2.2 燒結過程中為防止金屬被氧化可采取的措施 14
2.3縱向精度監(jiān)測控制裝置設計 14
2.3.1 縱向精度監(jiān)測控制裝置設計的由來 14
2.3.2 縱向精度監(jiān)測控制裝置的原理 15
第3章 電路部分的設計 16
3.1電機的選擇 16
3.2步進電機的選擇計算 16
3.2.1 豎直方向（z軸）兩個電機的的選擇： 17
3.2.2 XY軸方向步進電機的選擇： 22
3.3控制電路的設計 23
3.3.1基于電子電路的步進電機控制系統(tǒng)： 23
3.3.2 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)： 23
3.3.3基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)： 24
4 基于單片機的步進電機的控制系統(tǒng)設計 24
4.1 電路組成和工作原路 25
4.1.2分頻和頻率選擇模塊 26
4.2 精確轉速的實現(xiàn) 27
5 升降速的控制 28
5.1 基本原理 28
5.2 實現(xiàn)方法 28
6 結束語 29
第4章 結論與展望 30
4.1 結論 30
4.2 展望 30
致謝 31
參考文獻 33
V
成都理工大學2015屆本科畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒論
1.1引言
早在上個世紀九十年代初期，市場的格局發(fā)生了很大轉變。首先表現(xiàn)最明顯的是消費者的需求在日益變化，變得多樣化，變得更有個性；其次，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家都越來越重視激烈的全球化市場競爭中。對于市場，設計師不僅要快速地設計出人們所需要的消費產(chǎn)品，而且還得能快速地生產(chǎn)出來所設計的產(chǎn)品，從而搶得市場先機。隨著現(xiàn)代計算機科技和計算機輔助制造、計算機輔助設計（CAD/CAM）不斷發(fā)展，在現(xiàn)代生產(chǎn)制造中得到了越來越廣泛的應用，使得產(chǎn)品從設計到制造都有了一個全新的面貌，大大降低了產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)以及更新的周期。生產(chǎn)制造商的發(fā)展戰(zhàn)略也在這種背景下從以前的“怎么樣做的更多”、“怎么樣做得便宜”和“怎么樣才能做得更好”發(fā)展到現(xiàn)如今的“怎么樣才能做得更快”。所以，在面對一個需求變化不定的買方市場的時候，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式就顯得越來越被動，越來越無力。因此，快速應對市場對產(chǎn)品的需求已經(jīng)是制造業(yè)發(fā)展的主要方向。為此，許多工業(yè)化城市乃至很多國家都一直在努力的開發(fā)先進制造技術從而提高其制造業(yè)的水平，隨之計算機技術的日益強大、自動化技術的不斷完善和新材料的不斷研制以及現(xiàn)代企業(yè)管理技術的不斷進步，產(chǎn)生了一批全新的現(xiàn)代化制造生產(chǎn)模式，制造業(yè)工程取得了輝煌的成就。
快速原型制造技術（也稱快速成型技術）（Rapid Prototyping Manufacturing簡稱RPM）也就在這背景下一步步逐漸形成并且發(fā)展起來的。它是借助于計算機、精密傳動裝置、激光以及數(shù)控技術等現(xiàn)代方法，將計算機輔助設計CAD和計算機復制制造CAM融為一體，通過系統(tǒng)在計算機上構建的三維實體模型，可以直接快速地加工出產(chǎn)品模型來，不需要傳統(tǒng)的模具和加工機床[1]。這項技術開創(chuàng)了研制新產(chǎn)品的全新模式，設計師用這種方法可以更直觀的感受體會設計的感覺，并能直接驗證或者檢驗所設計的產(chǎn)品的外形和結構的精確性。這也使得設計工作達到了一個全新的境界，改善了傳統(tǒng)生產(chǎn)設計過程中繁瑣的過程，產(chǎn)品設計周期和更新?lián)Q代的周期得到了大幅度縮減，企業(yè)投資新產(chǎn)品的風險程度也大大降低了。將計算機輔助設計CAD和計算機復制制造CAM融為一體，根據(jù)系統(tǒng)在計算機上構建的三維模型，能在短時間內(nèi)快速直接制造出產(chǎn)品樣品來，不需要傳統(tǒng)的模具和加工機床。
在國外，一些發(fā)達國家已經(jīng)能基本成熟地運用3D打印機對很多種金屬或者是金屬混合物進行打印并得到形狀結構以及具有很強可靠性和實用性的產(chǎn)品，比如美國已經(jīng)用3D打印技術打印出了渦輪葉輪（如圖1）和IN718鎳基高溫合金轉子（如圖2），這些產(chǎn)品不管是在表面精度、零件強度等方面都具有很強的可靠性。而在技術研發(fā)方面，早在1989年美國的斯科特?克倫普就對熔融沉積成型（FDM）成功申請了專利，這種技術成型精度和成型物的強度都很高，并且可以實現(xiàn)彩色成型。這種技術陳本也不貴。另一種方法是選擇性激光燒結技術（SLS）,這也是由美國人Carl Dechard早在1989年研制成功的技術，并且在1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設備SinterStationt[2][3]。
圖1 3D打印的渦輪葉輪 圖2 3D打印的IN718鎳基高溫合金轉子
在國內(nèi)方面，目前還沒有自主研發(fā)的能對金屬材料實現(xiàn)3D打印的機器，并且現(xiàn)有的3D打印機也都幾乎來自于進口，這些3D打印機針對的打印材料也大多都是：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等[4]。
1.2快速成型技術概述
快速成型技術不同于傳統(tǒng)加工方法的通過部分去除大于工件毛坯上的材料來得到所需形狀結構的工件，而是采用全新的“增長”加工方式，通過將原材料一層一層地逐步堆疊成大零件，把復雜的三維加工分解成簡單容易的二維加工，然后組合的方法。所以，它不需要使用傳統(tǒng)制造所需要的磨具以及機床,便可以生產(chǎn)加工出磨具和產(chǎn)品，加工所需時間僅僅是傳統(tǒng)加工方式的百分之十到百分之三十，成本也僅僅是他的百分之二十到百分之三十五。就是因為快速原型技術具有以上這些相對傳統(tǒng)加工的突出優(yōu)點,并在近幾年得到快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代先進制造技術領域里最核心最關鍵的技術,實現(xiàn)并行工程(Concurrent Engineering，CE)必不可少的手段[5]。
設計
設計
增長式快速成型
焊接
鍛壓
鑄造
磨具
磨具
半成品
毛坯
去除式切削加工
模具
樣品
工件
工件
（a） 傳統(tǒng)加工 （b） 快速成型
圖1-1傳統(tǒng)加工與快速成型對比
1.2.1快速成型技術的基本原理
快速成型技術是一項借助于計算機輔助設計（CAD）和實體反求方法來采集物體原型的相關信息（包括形狀結構、材料的組合形式等），以此獲取到原型的概念并且建立起數(shù)字化模型，然后再把獲取到的信息輸入進通過計算機控制的傳動控制系統(tǒng)，采用先點后面的方式逐步將材料堆疊成型,然后再通過一些后續(xù)處理使成型的原件在外觀、強度以及性能方面達到預先設定的標準，精確迅速的加工出實際產(chǎn)品模型或零件的加工方法。其技術原理見圖1-2。
目前，分層疊加方法是快速成型技術的核心原理，通過CAD造型、生成STL文件和分層切片等步驟進行分層處理，借助于計算機控制成型設備實現(xiàn)原料的幾何結構的制造 [6]。其原理圖如圖1-2所示：
CAD造型
集成制造
原型或零件
數(shù)據(jù)處理
原型概念設計
數(shù)據(jù)采集
反求獲取
圖1-2快速原型制造技術的原理
(1)計算機輔助設計構建模型或三維掃描系統(tǒng)實體掃描
要設計一個工件，設計者首先要在計算機上建立一個三維實體模型，這個過程可以通過使用計算機三維CAD系統(tǒng)。建立好模型之后，計算機將生成各式為STL的文件并將其輸入到快速成型設備上進行模擬制造。從理論上來講，快速成型技術能夠生成出任何結果形狀復雜的零件，特別是對那種傳統(tǒng)加工難以實現(xiàn)的的零件加工有著明顯的優(yōu)勢。但事實上對于十分復雜的零件，現(xiàn)在的CAD軟件難以實現(xiàn)，通常得要借助其他科技手段，比如逆向工程手段，來建立物體的數(shù)字化模型。它采用激光掃描的方式對零件進行掃描，再把掃描結果轉換為三維立體圖像，并在CAD軟件上進行調整和修改，最后通過快速成型設備加工制造出模型[7]。
(2)三維CAD模型轉換為STL文件格式
由于目前還沒有對計算機三維CAD系統(tǒng)的設備驅動程序，RPM系統(tǒng)還不能直接采用計算機三維CAD模型制造出實物，還需要轉換成一種特殊的格式。目前，美國3D系統(tǒng)公司研發(fā)的STI格式在全球范圍內(nèi)應用最為廣泛，大部分的計算機三維CAD系統(tǒng)均可生產(chǎn)該格式的文件，快速成型設備采用切片軟件把STL文件作為輸入的數(shù)據(jù)，以此生成三維實體的切片層。如今，國際上已經(jīng)把STL文件視為一種標準的數(shù)據(jù)格式[8]。
(3)快速原型制造
快速成型設備根據(jù)輸出的計算機三維CAD模型轉換之后得到的STL數(shù)據(jù)，沿著垂直于模型高度的水平方向，將模型切割為一定厚度的層片，再用塑料粉末、金屬粉末或感光樹脂等可打印材料，通過激光燒結或光敏固化等方法在需要制造的模型上一層一層逐步堆積起來，形成加工零件的模型。一般情況下，切片層的厚度在0.1mm左右，所需時間為60秒到80秒，這樣加工一個零件的模型大約在幾個小時，大的零件也可在幾天內(nèi)完成，加工時間相比傳統(tǒng)加工大有縮短，生產(chǎn)效率大大提高[9]。
1.2.3快速原型技術的分類
快速成型技術從二十世紀80年代后期出現(xiàn)開始現(xiàn)在，因為此技術的高柔性、高集成性和快速性使得其發(fā)展迅速，現(xiàn)如今已經(jīng)發(fā)展了十多種快速成型技術的方法，下面對幾種最常用的方法做簡要介紹：
(l)立體光刻成型(SLA一Stereolithography Apparatus)
立體光刻成型技術過程中，通過氦-鎘激光器發(fā)出的高能量紫外線激光光束（UV）在環(huán)氧樹脂表層面按物體片層形狀進行掃描，每層掃描厚度約25微米到300微米之間，從底部往上，依次逐層生成實物，液態(tài)環(huán)氧樹脂會在激光能量超過一定值之后開始凝固。當一層固化完成后，控制系統(tǒng)控制工作臺下降，在先前凝固的樹脂材料表面涂上一層新的液態(tài)樹脂，這個掃描再固化的過程循環(huán)進行直至最頂層也就是最后一層固化完成，此時將工作臺升起，取出通過上述方法得到的實體模型并進行一些后續(xù)清理工作，這樣就實現(xiàn)了對原型的加工[10]。
(2)選擇性激光燒結成型(SLS一Selected Laser Sintering)
選擇性激光燒結技術是通過二氧化碳激光器發(fā)射高能激光束燒結熔化粉末材料并逐層堆疊形成三維實體的技術，這種粉末材料可以是金屬粉末、陶瓷粉末、塑料粉末或者它們的混合體等材料。在加工區(qū)域內(nèi)用滾筒將所需成型的粉末材料均勻地鋪一層在工作臺上，然后用激光器在鋪的那一層粉末材料上按所需加工物體的截面形狀進行掃面，簡單的說就是在上面“畫”出物體截面形狀，高能激光產(chǎn)生的熱量會使粉末材料熔化，當激光過之后便會凝結。當一層掃描結束后再鋪上新的一層，再進行上述掃面工作，那么新的一層便會在舊層接觸點處粘接，如此反復直至切片的最后一層燒結完畢，便得到了所需成型的物體。用這種方法可以直接制造出產(chǎn)品原型以及實行鑄造用的消失模、用覆膜砂制作鑄型以及鑄造用的母模等成型件。
(3)疊層實體成型(LOM一Laminated Object Manufacturing)
疊成實體成型技術也是一種分層加工方法，它是將事先制定好的具有一定厚度的一層材料一整塊一整塊地通過熱粘接將其一層一層地粘接在一起，使其成為一個整塊。在每一層被覆蓋之前通過計算機控制的二氧化碳激光器發(fā)射出的激光束將其割出實體的輪廓。通常為了便于清理輪廓外的多余余料，也將輪廓外的部分切割成小塊。當所有疊成都形成以后，所制作的原型就埋在方塊材料里面，取出方塊，去除原型外的材料就得到了所制作的原型。采用這種方法得到的原型不存在內(nèi)應力也沒有變形，所以其精度是非常高的。在整個成型過程中，激光器不需要照射整個截面，因此其耗能也較低，成型效率高。一般這種成型技術得到的原型精度可達到±0.1mm，并且原型的制作不需要支撐，因此成本相對也較低。
(4)熔融沉積法(FDM一Fused Deposition Modeling)
熔融沉積法是通過熔化熱塑性纖維材料，將其從傳送頭送出來在底座上逐層堆疊沉積。這種快速成型技術依賴于材料快速固化的性能（大約0.1s）。熔融狀態(tài)的材料在底座上從底部逐層往上進行快速沉積成薄膜，直至最頂部一塊模塊的沉積完成，便得到了快速成型原型[11]。
表1-1 幾種典型的快速原型制造技術特點及常用材料
成型方法
成型速度
原型精度
成型特點
常用材料
SLA
較快
較高
設備昂貴、原材料貴、加工成本高、
適用于制造小件、精密件。
熱固性光敏樹脂
LOM
快
較高
原材料成本低,激光器壽命長,適用于制
造大型實心件,直接成型鑄造木模。
紙、金屬箔、塑料薄膜等
SLS
較快
較高
制件強度和韌性好,既可做樣件也可做蠟模,運行成本低。
石蠟、塑料、金屬、,覆膜砂
FDM
較慢
較低
自動加支撐、操作難度小,制件硬度高,
韌性稍差,不致密有間隙。
石蠟、尼龍、ABS、低熔點合金等
1.3 3D打印核心方案的確定
在上述幾種快速成型技術方法中，介于粉末激光燒結技術（SLS）可以成型的材料種類多，并且能對金屬材料進行燒結，加之在國內(nèi)機械水平方面，激光燒結技術也已經(jīng)達到了技術成熟的階段，成本低，制件精度也較高，而且通過這種技術制造出來的產(chǎn)品通過必要的后處理工藝就能具有一定的使用功能性。另一方面，中國華中科技大學對粉末激光燒結技術處于同行業(yè)領先水平，他們研發(fā)的HRPS系列成型系統(tǒng)，它的精確性和可靠性以及產(chǎn)品性能可與國外同類產(chǎn)品相比美，此系列的快速成型系統(tǒng)已經(jīng)被國內(nèi)外大量用戶所認可，因此，基于以上SLS的技術特點以及國內(nèi)自主技術水平，本次金屬材料型3D打印機的設計的打印部分就采用SLS技術。
第2章 結構及原理設計
2.1 打印機結構的整體設計
圖2-1 打印機結構示意圖
如圖2-1所示,粉末材料選擇性激光燒結工藝技術成型原理（選擇性激光燒結技術SLS）:通過計算機控制二氧化碳激光束按照所需成型模型的截面形狀信息在工作臺上鋪好的一層金屬粉末材料上進行掃描，掃描過程中，單個的金屬微粒就會在高能激光束的作用下熔化，激光掃過之后便迅速凝結，這樣當激光束掃描過一段距離之后，金屬微粒便會按照掃描的路徑凝固成一片層實體[12]。當一層掃描結束后，計算機控制工作臺下降一層固定厚度的高度，然后鋪粉小車再在工作臺上鋪上一層新的金屬粉末，重復上述掃描的過程，那么新的一次掃描就會在先凝固的一層上再凝固，如此過程反復進行，直至所需制造的三維實體的生成。等到工作室溫度降下來后取出打印的工件，去除包裹在成型件外部多余的金屬粉末，再按照設計的要求進行必要的后處理工序，比如去應力退火、淬火和上漆等[13]。
2.1.1 打印部分定位結構的設計
圖2-2 XY軸結構設計
圖2-3 Z軸結構設計
打印機機械結構部分工作臺定位的結構設計采用三軸定位，其中X Y軸結構設計如圖2-2所示，通過電機驅動絲桿轉動使圖中標注區(qū)域沿著箭頭指示反向移動，這樣便實現(xiàn)了工作臺在X軸和Y軸方向上的定位。Z軸方向的設計如圖2-3所示，通過步進電機驅動載物臺下的絲桿轉動使載物臺能沿著箭頭指示的方向移動，絲桿與載物臺的連接處焊入軸承，通過軸承與絲桿連接，當電機驅動絲桿轉動的時候才能保持載物臺在X Y方向上的靜止，這樣就實現(xiàn)了工作臺在Z軸方向上的定位設計。打印機機械結構整體模型如圖2-4所示：
圖2-4 打印機三軸定位結構示意圖
2.2 SLS的基本工藝
和其他所以快速原型技術工藝過程一樣,選擇性激光燒結快速原型工藝過程也同樣分為前處理、疊層制造及后處理三個過程。下面以制件的原型制作為例介紹粉末選擇性激光燒結快速成型的工藝過程。
2.2.1前處理過程
(1)CAD模型
每一種快速成型制造系統(tǒng)的原型制作過程都是在三維CAD模型的驅動下完成的，所以也有人講這種技術稱為數(shù)字化成型技術。在整個模型制作過程中，CAD模型相當于在傳統(tǒng)加工工藝流程中的圖紙，為整個三維制作過程提供數(shù)據(jù)信息。通常用于構件模型的計算機輔助設計軟件必須具有強大的三維造型功能，這包括實體造型(Solid Modelling)和表面造型(Surface Modelling),表面造型對構件復雜的曲面有很突出的作用。
(2)三維模型的切片處理
因為快速原型技術是按工件截面形狀一層一層來加工的，所以，在加工之前必須在三維模型上，應用切片軟件對三維模型進行切片處理，切片方向沿成型高度的方向，并設定一定的切片厚度從而提取到截面的輪廓信息，切片的厚度根據(jù)生產(chǎn)效率和成型件的精度要求來設定，厚度越小，成型件的精度就越高，但加工成型所需時間就越長，厚度越大，加工成型時間縮短，但成型件的精度就降低，（通過實驗認定間隔的范圍為0.1到0.3mm為宜，通常設定為0.2mm，在取這個值的情況下,加工出的工件能保持較光滑的成型曲面和合適的加工時間[13]。
激光燒結全過程流程圖如圖2-2所示：
構件三維模型
模型近似處理
前處理
成型方向選擇
切片處理
激光
分層疊加成型
燒結粉末
三維產(chǎn)品
后處理
工件剝離
后處理
圖2-2 激光燒結工藝流程圖
2.1.2分層燒結堆積過程
(1)工藝參數(shù)
從快速成型技術原理可以看出，SLS制造系統(tǒng)主要有控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)。激光器以及冷卻系統(tǒng)組成。SLS快速原型技術工藝的主要參數(shù)如下：
1) 激光掃描速度
激光掃描的速度直接影響著燒結金屬粉末過程中能量的吸入和燒結速率，這將根據(jù)激光器的規(guī)格和型號來選定。
2) 激光功率
激光的功率跟燒結過程中激光掃描的速度和掃描速度等因素都有很大關系，對于激光功率的設定要根據(jù)激光器的規(guī)格和型號的不同按百分比來設定。
3) 燒結間距
燒結間距大小對燒結路線的疏密程度起著決定性作用，并且影響燒結過程中金屬粉末對激光能量的吸入。
4) 單層厚度
每一層的厚度對整個零件加工的效率、零件的表面質量有著最直接的影響，每一單層厚度越薄，加工出來的零件精度就越高，跟設定的零件形狀越接近，但是加工的時間會較長。 同樣，單層厚度這因素對激光燒結過程中激光能量的吸入也有影響。
5) 掃描方式
這里所謂的掃描方式就是激光束根據(jù)工件截面形狀掃過金屬粉末過程所遵循的規(guī)則，簡單的說就是怎么“繪制”出截面輪廓形狀，這對燒結成型工件表面質量和燒結效率有一定影響。
(2)原型燒結
1) 預熱
由于金屬粉末的燒結是要在一個較高的溫度條件下熔化金屬材料，為了提高金屬燒結的效率，改善金屬粉末燒結的質量，我們采取事先將金屬粉末預熱的方法，在燒結之前先把金屬粉末加熱到一個臨界溫度。
2.1.3后處理過程
從打印系統(tǒng)中取出所打印的工件的原型后，需要對包裹在工件表面的金屬粉末進行清理，大多數(shù)金屬零件還需要進行修補、拋光、打磨和強化處理，包括去應力退火，淬火強化等處理措施，這些工序稱為后處理。
（1） 制件清理
制件清理就是打印結束后將附著在制件表面為燒結的金屬粉末從制件上清理出來，露出制件真實表面形狀結構的過程。這一過程是一個很細致的工作，如果操作不當將會對制件的質量產(chǎn)生影響。一般情況下附著在零件表層的金屬粉末可以用毛刷直接清理，對于某些附著較緊或者零件的某些細節(jié)處不能用毛刷直接清理的需剔除。對于零件的清理是加工過程中一個重要的環(huán)節(jié)，要使得加工的零件保持美觀和完整，需要操作此工序的操作手對原型很熟悉，和具備良好的清理技巧。
（2） 后處理
在取出工件并進行過清理工作之后，零件在某些性能方面仍然還達不到使用要求，比如：機械強度、穩(wěn)定性、精度等。這時就還需要對制件進行后處理工藝，一般情況下，對于具有最終使用性功能要求的金屬原型制件,通常采取淬火的方法對其進行強化和去除內(nèi)應力。
2.2 燒結過程中為防止金屬被氧化可采取的措施
由于在整個對金屬粉末燒結的過程中都處于一個高溫的環(huán)境，不得不考慮防止打印過程金屬被氧化的因素，如果這一環(huán)節(jié)沒有得到有效解決的話將會對打印制件的質量產(chǎn)生致命的損壞，因此為了防止這一因素的發(fā)生，這里采取的措施是：1、對整個打印室做密封處理，使其在一個密閉的環(huán)境下燒結；2、在對打印室密封之前進行除氧處理，具體的辦法是：在關閉打印室之前，使用一塊用酒精（）浸泡過的濕布塊兒點燃后放入裝置內(nèi)，然后關閉打印室。這樣便會將裝置內(nèi)在打印之前的氧氣給消耗掉，創(chuàng)造一個無氧氣的環(huán)境，其除氧原理為：
2.3縱向精度監(jiān)測控制裝置設計
2.3.1 縱向精度監(jiān)測控制裝置設計的由來
由于每一個打印工件的CAD原型都會被切成若干個片層，那么相應的承載打印工件的Z軸也將下降若干次，而對于整個裝置來說，在這細微的情況下Z軸的下降難免會存在誤差，在此做一個假設，假如一個直徑為20cm球形CAD原型，根據(jù)之前參考的每層切片為0.1~0.3mm，這里我們設定每一層切片為0.2mm，那么此原型將被切為1000層，相應的在打印過程中，每一次Z軸就下降0.2mm，總共下降1000次。試想如果其中的100次下降都產(chǎn)生了+0.01mm的誤差，那么這100次累計下來將產(chǎn)生的誤差就是：0.01mm 100 = 1mm 。這將產(chǎn)生的結果是打印出來的球體在豎直方向多了1mm，并且球的頂部就多出了一個部分，這對精密制件來說是一個巨大的誤差，所以這里設計了這個縱向精度監(jiān)測控制裝置來解決這一可能存在的問題。
2.3.2 縱向精度監(jiān)測控制裝置的原理
這里本文采用的是激光測距的方式來解決這一難題，具體的原理如下：在工作臺的上方某處安裝固定一個激光測距儀，激光測距儀與計算機連接控制，并把測距結果反饋到計算機上，由計算機綜合處理。假定正常情況下激光測距儀到工作臺的距離為10.000cm，也就是說在精確的情況下，激光測距儀測出到工作臺粉末表面的距離為10.000cm。當每一層打印結束，Z軸下降一次，鋪粉小車把工作臺上重新鋪上一層新的金屬粉末后，激光測距儀都將對這一新的粉末平面測一次距離，并將測得的結果反饋到控制的計算機上，并由計算機記下每一次誤差的正負值并疊加每次的誤差值（設疊加值為R），當0.1mm ≤ R≤0.3mm時，控制計算機不對打印機做出動作控制，打印機正常工作。當R＜0.1mm或R＞0.3mm時，控制計算機對打印機做出反饋，然后控制打印機的控制系統(tǒng)調整Z軸升降，具體升降數(shù)值為：假如R=0.08mm，那么Z軸就下降0.12mm，假如R=0.32mm，那么Z軸就上升0.12mm，計算機控制鋪粉小車重新對工作臺鋪一次金屬粉末，使激光測距儀測出的距離重新回到10.000cm，這樣使鋪上的這一層粉末重新回到0.2mm，以保證打印的精度。如此反復，只要R的值小于了0.1毫米或大于了0.3毫米，計算機控制系統(tǒng)就做出以上反饋，直至打印結束。如圖2-3所示，方形塊兒所示部件就是激光測距裝置：
圖2-3 縱向精度檢測控制裝置
控制流程圖如圖2-4：
激光測距
計算機監(jiān)測控制
0.1≤R≤0.3
否
Z軸(升/降)
是
正常打印
圖2-4 縱向精度監(jiān)測控制流程圖
第3章 電路部分的設計
3.1電機的選擇
電機的選用采用步進電機。步進電機是一種可以把數(shù)字信號輸入脈沖轉化為轉動或者直線運動的電磁執(zhí)行元件。每當輸入一個電流脈沖，步進電機轉軸轉動一個大小為步距角的角度。輸入的脈沖數(shù)數(shù)量越多，步進電機回轉角的總量越大，脈沖的輸入頻率越快，步進電機的轉速就越快[14]。步進電機是機電一體化產(chǎn)品里面一個關鍵的部件，通?？梢杂脕砜刂贫ㄋ俸涂刂贫ㄎ弧２竭M電機具有定位精度高、轉動慣量低、控制簡單、無累積誤差等特點。很多機電一體化產(chǎn)品都使用了這種電機，如：機械手臂、數(shù)控機床、復印機、計算機外圍設備、傳真機等。
3.2步進電機的選擇計算
3.2.1 豎直方向（z軸）兩個電機的的選擇：
在整個機械構件中，左邊物料箱和右邊打印構件箱將是承載重量最大的部分，因此以物料箱和打印構件箱的規(guī)格參數(shù)來計算選擇步進電機的規(guī)格，又因為在整個打印過程中左邊物料箱必須滿足金屬粉末的量要大于所打印構件需要的金屬粉末的量，也就是左邊物料箱的重量一定將是大于右邊構件箱的重量的，所以在此基礎上，對于豎直方向兩根軸和步進電機的選擇可以完全以物料箱的規(guī)格來計算：
物料箱重量：長寬高密度（普通鐵粉）=1010156.0
=9000g
這是儲料的重量，另外加上儲料箱的質量，所以左邊部分的總重量取個大概值：
G=10kg
絲桿的選擇：
考慮到在長期的使用過程當中，對絲桿會有磨損，為了能更好的保證精度，這里選擇使用滾珠絲桿，從而更好的保證加工的進度，在本設計中由于對承載的重要要求不高（10kg），因此著重考慮螺紋螺距的選擇：這里選用公稱直徑10mm，導程1mm的外循環(huán)插管式右旋向滾珠絲杠[15]，具體型號為：CM1001-3-T4
滾珠絲桿：CM1001-3-T4
C：表示“外循環(huán)插管式”的滾珠循環(huán)方式；
M：表示“導珠管埋入式”的結構特征；
10：表示“公稱直徑”10mm；
01：表示“基本導程”1mm；
01后面的表示是：螺紋旋向，沒標準的為右旋，左旋用“LH”表示，這里為右旋；
3：表示“滾珠圈數(shù)”，此處為3圈；
T：表示傳動滾珠絲杠副
4：表示精度等級，4級。
（1）計算齒輪的減速比
齒輪減速比i的計算:
i=(φ.S)/(360.Δ) (3-1)
式中：
φ ---步進電機的步距角（度/脈沖）
S ---絲桿螺距（mm)
Δ---(mm/脈沖）
（2）計算絲桿和齒輪折算到轉動電機軸上的慣量Jt。
（3-2）
式中：
---折算至電機軸上的慣量()
、 ---齒輪慣量()
----絲桿慣量() W---工作臺重量（N）
S ---絲桿螺距（cm）
（3）計算電機輸出的總力矩M
（3-3）
（3-4）
式中：
---電機啟動的加速力矩（N.m)
、---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2)
---電機所需達到的轉速（r/min）
---電機升速時間（s）
（3-5）
式中：
---導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m)
---摩擦系數(shù)
η---傳遞效率
（3-6）
式中：
Mt---切削力折算至電機力矩（N.m)
Pt---最大切削力（N）
（4）負載起動頻率估算?？刂齐姍C的啟動頻率、負載轉矩和慣量三者的關系式為 ：
（3-7）
式中：
---帶載起動頻率（Hz）
---空載起動頻率
如果負載轉速不能夠精確的確定,那么可以按照=1/2進行估算。
（5）因為電機的輸出力矩與頻率成反比，所以當達到最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩就能驅動負載。
（6）負載力矩和最大靜力矩。負載力矩的計算按照公式（3-5）和（3-6）進行，當電機轉速最高時，矩頻特性決定的電機的輸出力矩要比和之和要大，并且留夠余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2 ～0.4) 。
在選用上述CM1001-3-P4滾珠絲桿和物料箱重量的基礎上，根據(jù)上訴步進電機的選型計算公式，選取型號為23HS8630型步進電機[16]：
型號： 23HS8610?
步距角： 1.8
機身長: 76mm
電壓： 8.6V
電流： 1A
電阻： 8.6Ω
電感： 14mH
靜力矩：189N.cm (雙極驅動）
135N.cm (單極驅動）
定位力矩：6.8N.cm
轉動慣量：480g.cm2
引出線： 6
當步進電機的步距角為1.8度時，電機轉動一圈所需要的脈沖數(shù)量為 n=360/1.8=200個。也就是說，在這種情況下，步進電機帶動Z軸CM1001-3-P4滾珠絲桿移動1mm所需要的脈沖數(shù)為200個，因此，在本文金屬粉末打印的過程設計中，對于每次Z軸下降0.2mm的設定值時，步進電機所需要的脈沖數(shù)為40個。
表3-1 23HS系列步進電機型號參數(shù)一覽表
型號
步距角
機身長mm
電壓V
電流A
電阻Ω
電感mH
靜力矩N.cm
定位力矩N.cm
轉動慣量g.cm2
23HS7425
1.8
64
3.75
2.5
1.5
4.5
150
5
380
23HS7430
1.8
64
2.4
3
0.8
2.3
150
5
380
23HS7442
1.8
64
2.31
4.2
0.55
1.2
150
5
380
23HS8610
1.8
76
8.6
1
8.6
14
135
6.8
480
23HS8615
1.8
76
6.75
1.5
4.5
7.8
140
6
440
23HS8620
1.8
76
4.5
2
2.25
3.6
135
6.8
480
23HS8425
1.8
76
4.5
2.5
1.8
6.5
180
6
440
23HS8630
1.8
76
3
3
1
1.6
135
6.8
480
23HS8430
1.8
76
3
3
1
3.5
180
6
440
3.2.2 XY軸方向步進電機的選擇：
在XY軸方向電機的驅動受力矩的影響不大，因此可選用常規(guī)打印機或醫(yī)療設備所采用的微型步進電機，這種設備大多采用28BYG系列微型步進電機[17]，其參數(shù)見表3-2:
圖3-1 28BYG系列微型步進電機
表3-2 28BYG微型步進電機參數(shù)
序
28BYG系列步進電機型號
相數(shù)
電壓
電流
電感
保持轉矩
定位轉矩
轉動慣量
重量
接線圖
機身長度
電阻
號
規(guī)格
2
V
A
mH
N.cm
N.cm
g
mm
Ω
1
2401
2
7.2
0.6
2.2
4.5
0.3
6
105
B
28
0.42
2
2402
2
5.7
0.35
5.8
4.5
0.3
6
105
B
28
12
3
3401
2
2.8
0.6
3.2
6.0
0.4
8
110
B
33
5.5
4
3402
2
7.2
0.35
9.2
6.0
0.4
8
110
B
33
15
5
4401
2
2.4
0.6
6.0
6.0
0.5
11
140
B
41
7.0
6
4402
2
12.2
0.35
15
6.0
0.5
11
140
B
41
20
7
5401
2
2.8
0.6
7.2
10
0.8
13
180
B
55
9
8
5401
2
2.4
0.35
18.5
10
0.8
13
180
B
55
24
這里選用28BYG2401型，步距角為0.9度。那么該步進電機轉動一周所需要的脈沖數(shù)為n=360/0.9=400個，同樣選用上訴滾珠絲桿 CM1001-3-P4，那么該步進電機帶動該絲桿移動0.1mm所需要的脈沖數(shù)為40個。
注：28BYG系列主要用于醫(yī)療設備、檢測儀器、機器人、打印機、教學儀器、開關量的控制、智能玩具、鐘表、磁盤、精密定位等?配HSM20401驅動器。
3.3控制電路的設計
常見的對于步進電機的控制一般有三種：一、基于電子電路的控制系統(tǒng)；二、基于單片機的控制系統(tǒng)；三、基于PLC的控制系統(tǒng)。
3.3.1基于電子電路的步進電機控制系統(tǒng)：
驅動電機
脈沖控制器
環(huán)形分配器
步進電機
圖3-2 基于電子電路控制系統(tǒng)
如圖3-2所示，這類系統(tǒng)主要是由基于電子電路的脈沖控制器而產(chǎn)生脈沖來控制信號，再用過環(huán)形分配器將脈沖分配后送到驅動電機內(nèi)將功率進行放大處理，從而便有足夠的功率來驅動步進電機運轉。
步進電機
驅動電機
單片機系統(tǒng)
3.3.2 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)：
外圍電路
圖3-3 基于單片機的控制系統(tǒng)
如圖2-1所示，本系統(tǒng)采用單片機來對步進電機進行控制，其實也就是通過把硬件和軟件相結合起來，環(huán)形分配器用軟件來代替，從而達到對步進電機的控制[18]。系統(tǒng)中步進電機各相驅動線路通過采用片機接口線直接控制，由于單片機功能強大，還能根據(jù)實際需要來設計大量的外圍電路，比如用鍵盤就可控制步進電機的正轉、反轉和停止功能。
基于單片機的控制系統(tǒng)還有以下優(yōu)點：通過使用單片機軟件編程的方法可以使原本十分復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制以及精確控制，能避免因失步和震蕩造成的精度誤差；環(huán)形分配器可用軟件來替代，只需通過對單片機進行設置，可以用同一種硬件電路結構控制并驅動步進電機，這樣借口電路的靈活性和通用性就大大提高了；功能強大的單片機使復位電路、鍵盤電路等外部電路實現(xiàn)了有效結合，從而讓系統(tǒng)的交互性也大大提高了。
3.3.3基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)：
基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)
PLC
功率驅動器
環(huán)形分配器
圖3-4 基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)
如圖3-4所示，PLC也被稱為可編程控制器，控制系統(tǒng)通過采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖，再通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖。因為PLC的掃描周期幾乎都在幾毫秒到幾十毫秒之間，因此頻率最高也只能到幾百MHz。然而步進電機不能在高頻條件下工作，高速條件不能實現(xiàn)精確控制，而且當其速度較高時，受PLC控制系統(tǒng)掃描周期的影響，精度的控制也會大幅度降低。經(jīng)過以上三種常見步進電機的控制系統(tǒng)的方案對比，基于本次設計研究的現(xiàn)實需求，此次設計采用單片機控制系統(tǒng)方案。
4 基于單片機的步進電機的控制系統(tǒng)設計
本次金屬材料型3D打印機設計的電路設計部分將采用AT89S52單片機控制系統(tǒng)對步進電機進行控制，通過8155的14位減法計數(shù)器產(chǎn)生控制步進電機運行的脈沖信號，大幅度減少了對單片機CPU資源的占用，同時通過選用不同的8155TIMER IN端的輸入頻率，精確控制步進電機的運轉速度，能大大提高系統(tǒng)的可靠性[19]。
4.1 電路組成和工作原路
本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、基準頻率發(fā)生器、8155接口電路、分頻電路、驅動電路、環(huán)形分配器、鍵盤等部分構成?？梢酝ㄟ^使用鍵盤預先設置所需要的轉速，89S52單片機經(jīng)過判斷預先設置的轉速選取不同的頻率給8155的TIMER IN端處，然后經(jīng)過計算裝上一個值到8155的計數(shù)器，8155的TIMER OUT端處輸出同樣頻率的連續(xù)的方波，此脈沖通過環(huán)形分配器，然后通過驅動電路，直接使步進電機達到預先設置的轉速值。
電路結構框圖見圖3-5。
89s52單片機
鍵盤顯示接口電路
環(huán)形分配器
8155接口
頻率選擇
驅動電路
分頻電路
步進電機
6M晶振
圖3-5 電路結構框圖
4.1．1 連續(xù)方波產(chǎn)生模塊
8155是由一個減法計數(shù)器，和兩個寄存器組成，以其中的一個低十四位構成計數(shù)器，余下兩個高位(M2,M1)用于設置計數(shù)器的輸出信號。計數(shù)工作時，從外圍引進計數(shù)脈沖，設置M2M1=01，輸出頻率為f的連續(xù)方波，這個頻率f只跟輸入頻率f1和計數(shù)長度L有關，三者的關系為： f=f1/L。運用這種方式，單片機便只會在需要的時候給計數(shù)器設置一個計數(shù)長度，這樣對步進電機的控制不僅僅很顯得方便，并且?guī)缀醪粫?9S52CPU資源。
4.1.2分頻和頻率選擇模塊
為了使步進電機的轉速達到一個精確的值，8155TIMER IN端處需輸入不同的頻率。此方案通過對6M的晶振源分頻處理從而得到所需要的頻率，通過74LS90和74LS92組成的分頻電路對6 M晶振源分頻，從而得到6 M、500 K、100 K 3個不同頻率。單片在判斷步進電機轉速的大小之后決定在8155TIMER IN端處輸入哪一個頻率。如圖3-6所示， 當P1.0、P1.1、P1.2為100時，8155TIMER IN端輸入頻率為500 kHz，同理當P1.0、P1.1、P1.2為010時，8155TIMER IN端輸入頻率為6 MHz，當P1.0、P1.1、P1.2為001時，8155TIMER IN端輸入頻率為100 kHz。
圖3-6分頻和頻率選擇電路
4.2 精確轉速的實現(xiàn)
如前文所述，步進電機是一種可把電脈沖信號轉變成角位移的電動機，當電機內(nèi)某一繞組通電時，兩個磁極就將形成S-N級而產(chǎn)生磁場，并與電機內(nèi)部的轉子形成磁路。若此時定子小齒沒有和轉子對齊，在磁場力的作用下就會使轉子轉動一個角度，從而使定子小齒和轉子對齊，這樣便實現(xiàn)了步進電機向前“走”了一步。在這種情況下，單片機有順序地給繞組有序的輸入電流脈沖，電機就可以轉動起來了，這樣也就將數(shù)字轉換成了角度。施加的脈沖數(shù)量越多，轉動的角度就越多，施加脈沖的頻率越高，轉動速度越大。
為了實現(xiàn)步進電機高精度轉速，依據(jù)電動機的調速范圍，可將輸入8155TIMER IN端處的輸入頻率分為三種情況：
（1）當步進電機所需要的調速脈沖頻率f在40 Hz到100 Hz之間時，選擇8155TIMER IN端處的輸入頻率f1為100 kHz。這樣，當f=100 Hz，a=1時，(Δf/f)max=0.001，又因為a<1，最大相對誤差<0.1%，所以當輸入的脈沖頻率f為 40 Hz 到 100 Hz之間時，8155TIMER IN 端處輸入頻率為100kHz時相對誤差小于0.1%。
（2）當步進電機所需要的調速脈沖頻率f在100Hz到500 Hz時，選擇8155TIMER IN端處輸入頻率f1為500 kHz。這樣，當f=500 Hz，a=1時，(△f/f)max=0.001，又因為a<1，最大相對誤差<0.1%，所以當輸入脈沖頻率為 100 Hz < f ≤ 500 Hz，8155TIMER IN 端處輸入頻率為500 kHz 時，相對誤差<0.1%。
（3）當步進電機所需要的調速脈沖頻率f在500Hz到6000Hz時，選擇8155TIMER IN端處輸入頻率f1為6 MHz。這樣，當f=6000Hz，a=1時，(△f/f)max=0.001，又因為a<1，最大相對誤差<0.1%，所以當輸入脈沖頻率f在500Hz到6000Hz,8155TIMER IN端處輸入的頻率為6MHz時，相對誤差<0.1%。當輸入脈沖頻率6 000 Hz
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