并聯(lián)3D打印機結構設計與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip
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2016年第二屆控制、自動化、和機器人的國際會議?;谌切螜C器人運動學的球形運動地址在臺灣省臺南市大學路一號701,Chung-Ping Young和Yen-Bor Lin成功大學計算機科學與信息工程系,電子郵箱:cpyoung mail.ncku.edu.tw.yen_bor yahoo.com.tw。摘 要工業(yè)中使用的機器人手臂被分為兩類,包括串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人兩類。與串聯(lián)機器人相比,并聯(lián)機器人具有精度高,剛度大、承載能力強、速度快、慣性小等優(yōu)點。這次工作提出并實施了一種機制,基于Delta的機器的修改和實驗,即可執(zhí)行球形運動。實驗結果表明,這種設計在使用中是實用和穩(wěn)定的。根據(jù)定量評估,誤差在幾毫米之內(nèi)。關鍵詞:并聯(lián)機器人 球面運動 Delta機器 自由度 逆運動學 機器人手臂。一 介紹工業(yè)中使用的機器人手臂被分為兩類:包括串聯(lián)機器人手和并聯(lián)機器人手。如圖一(a)和(b)所示, (a)串聯(lián)機器人 (b)并聯(lián)機器人圖1.兩類機器人工業(yè)手臂與串聯(lián)機器人相比,并聯(lián)機器人具有精度高,剛度大、承載能力強、速度快、慣性小等優(yōu)點。Stewart平臺1誕生之后其應用程序也誕生了,研究人員創(chuàng)造了許多不同的機制。Delta機器人是最受歡迎的解決方案之一,被廣泛應用于許多領域。用戶可以選擇適合他們自由度和末端執(zhí)行器來應用,如機器人手臂移動重物、3D打印噴漆、表面檢查、如隱形眼鏡質(zhì)量檢測、表面處理、和激光切割等。如今,基于笛卡爾式和三角形的機器是3D打印機中流行的兩種類型。典型地,笛卡爾3D打印機放置一個方形的平臺,它的頭部運動被分解為x、y和z軸,且軸的每個方向的運動都由電機單獨驅動。相比之下Delta 3D打印機將三個手臂布置成三角形結構,負載分部在三個部分,每個電機承受較小的負載。這種不同有利于打印的速度和準確性。雖然還有其他類型3D打印,那些都超出了本文的范圍。末端執(zhí)行器可以直接與對象交互,像噴涂繪畫、擠壓機、機械爬行、激光切割機、作為符合應用最終效應器。然而, 大多數(shù)常用的Delta機器人末端執(zhí)行器僅限于平行移動到基礎平臺。雖然有幾個機器人執(zhí)行球形運動,但是他們都沒有為Delta機器人專門設計。一般來說,需要更多的電機和更復雜的接頭來使末端執(zhí)行器完成球形運動并增加運動的自由度。在本文中,我們的目標是提出一個新的機制,以稍微增加或同等的成本使機器人執(zhí)行球形運動。如移動平臺和連桿的重新設計使得相應的逆運動學分析也可以實現(xiàn)這一任務,最初的Delta 3D打印機由三角形移動平臺兩側的一對平行桿組成,如圖2(a)所示, (a)平行聯(lián)動 (b)擬議鏈接圖2. Delta機器人框架的原始設計和建議設計他們確保移動平臺的平面保持平行于基座,這種特性與我們執(zhí)行球形運動的目標相沖突。為了支持球形運動,機器人需要使末端執(zhí)行器偏移,俯仰和翻轉為此還提出了一些輔助結構來使系統(tǒng)穩(wěn)定,為此對固件進行了修改,以配合新提出的物理機制。為了導出末端執(zhí)行器的方向和位置,正向運動學理論上是關節(jié)角度和連桿長度已知或測量時的方法。相反地,反向運動學是指定末端效應器的期望位置時導出關節(jié)角度的方法。由于前向運動學方法可能會遇到多種解決方案,因此逆向運動學將在這項工作中得以實現(xiàn)。有許多開源固件可以驅動包含Sprinter,RepRap,Grbl和Marlin的3D打印機,它們可以驅動Sprinter和Grbl。 用戶可以修改配置以滿足機器的需求。Marlin被選擇在本工作中進行修改,以便為示范的實用性和性能提供示例實施。二 相關工作多項研究致力于機器人的球面運動。桂林楊采用三個相同的轉動連接棱柱關節(jié)和球形(RPRS)腿來支撐移動平臺2,Yan-Jin提出了一種選擇性致動的并聯(lián)機構,機器人的末端執(zhí)行器可以執(zhí)行6種自由度運動,即3自由度球面運動和3自由度平移三自由度運動3。雖然它們的機構設計與我們提出的機構設計不同,但運動學分析對于我們構建球形運動系統(tǒng)是有用的。1965年,斯圖爾特發(fā)明了斯圖爾特平臺作為飛行模擬器。傳統(tǒng)的斯圖爾特平臺使用六條可伸展腿。這是執(zhí)行球形運動的最完整的并聯(lián)機器人,其運動算法有助于設計我們的系統(tǒng)。Indrawanto介紹了Stewart平臺的設計和控制,以討論其特性和局限性。實驗結果進行評估控制器的性能4。Mamoon提出了一種改進的Stewart平臺,并允許使用便宜的步進電機作為執(zhí)行器5。其他類似Delta或Stewart-lie的機器人也被開發(fā)出來。Patane.F開發(fā)了一種電動并聯(lián)機器人,由一個由三個固定式線性電動執(zhí)行器控制的移動底座組成,該執(zhí)行器連接到相應的浮動和長度固定臂6。在文獻7中,Xianqiang Y.使他們的機器人模仿人體肩部的運動,四根電纜在運動平臺上對稱分布。 電纜的一端連接到移動平臺,另一端連接到地下室的電機。張力傳感器和滑輪用于控制電纜。Angelm L.提出并行Delta型工業(yè)機器人的設計和硬件。他們還討論了轉向運動學特性和逆運動學8。 在9中,Aleksandrovich描述了一種新的三自由度操縱器。 機器人使用三條運動鏈,每條鏈包含一個平行四邊形或兩個位于底部的萬向節(jié)。平四邊形通過旋轉對連接到基座。總之,上述機器人在機構和運動算法上是復雜的。 本文提出了一種簡單的解析解法來簡化球面運動的設計。三 實施本節(jié)介紹基于Rostock 3D打印機的示例實施,以表明所提出的設計能夠成功實現(xiàn)目標。硬件組件和軟件組件之間的關系如圖3所示,Software LayerStep motorUkimaker1.5.7MarlinArduino mega 2560Hardware Layer圖3.系統(tǒng)概述Arduino mega 2560被用來開發(fā)用于所提議的想法的程序。我們使用Ultimaker 1.5.7 pcb和A4988芯片來控制步進器和接收歸位信號。不僅修改了硬件部分,還修改了軟件部分以使它們正確地一起工作。 細節(jié)將在下面進行描述。A.硬件實現(xiàn)圖4說明了這個示例實現(xiàn)的硬件體系結構。ArduinoMega2560PC SD cardUltimaker1.5.7pcbX-axis Homing SwitchY-axis Homing SwitchA4988Z-axis Homing SwitchA4988A4988 StepmotorY-axisStepmotorZ-axisStepmotorX-axis圖4.硬件體系結構g代碼是從連接的個人計算機或SD讀卡器的串行端口獲得的,收到的信息在Arduino mage 2560上進行分析和處理,然后發(fā)送給Ultimaker,通過GPIO信號達到1.5.7 pcb,pcb上的三個A4988芯片有助于發(fā)送控制信號來驅動步進器。此外,還有三個歸位開關提供信號脈沖來終止歸位過程,而末端執(zhí)行器重新到達目標位置。Arduino mega 2560是基于ATmega2560微控制器的主板。 它與Ultimaker 1.5.7兼容,且開發(fā)環(huán)境良好。該Ultimaker也是一個電路板,并能夠支持多達5個步進器。在我們提出的設計中只需要3個步進器。它采用高于12伏的電壓來驅動步進電機,以獲得更大的扭矩和更高的最大速度。其上的A4988芯片是全功能雙極微步進電機驅動器,內(nèi)置翻譯器,處于停止,四分之一,八分之一以及十六分之一階段模式。使用這些芯片,步進器的控制變得更容易,更多的引腳可以執(zhí)行其他任務。羅斯托克3D打印機是由Johann在美國西雅圖于2012年建造的線性三角洲3D打印機。Github和Thingiverse網(wǎng)站上發(fā)布了大量固件和相關開發(fā)工具。任何人都可以免費修改配置和軟件包以適合指定的機器。如圖5所示的原始圖像是為這個示例實現(xiàn)而構建的。圖5. 羅斯托克3D打印機最初如圖6所示從左至右移除平行連桿。圖6.去除并行鏈接對的一個鏈接因此,移動平臺能夠旋轉(偏航,俯仰和滾轉),但它變得不穩(wěn)定并且失去了重復性。這意味著對于給定的執(zhí)行機構位置不固定。為了保持穩(wěn)定,需要考慮一些限制條件。如圖2(b)所示,增加了三對彈簧。對稱彈簧提供平衡力并防止移動平臺偏航。在三對彈簧的作用下,移動平臺再次變得穩(wěn)定和可重復,并且還設計了一種新的控制該機器的算法。B.軟件實現(xiàn)Marlin是選擇的開源項目,它結合了名為Sprinter和Grbl的兩個固件。它設計用于驅動控制面板,讀取g代碼,控制步進電機,控制擠出機,控制加熱器以及操作SD卡。軟件結構體系如圖7所示,Use ProcessMain processMain libraryPlan motion libraryHardware Abstract LayerHardware DriveMessage receive/transmiterStepper libServo libHeater libLCD libSD librarySerial library圖7.軟件體系結構我們專注于兩部分,包括運動算法和計劃運動庫。對于本文中的陳述,如圖8所示的笛卡爾坐標用于聲明符號,相對于x軸,y軸和z軸方向的旋轉定義為滾動,俯仰和偏航。圖8.Cartesian坐標此外,角度分別為a,b,和。對于擬議的聯(lián)動機制,提出一項新動議模型是為了計算逆運動學而建立的。由于彈性平衡,禁止偏航。根據(jù)提出的設計,移動平臺保持朝向基座的中心,如圖9所示,圖9.移動平臺保持朝向基地的中心我們假設在工作平面上有一個虛擬中心標記為C,然后觀察到移動平臺上中心的軌跡是半徑R到虛擬中心C的球體的一部分,如圖10(a)所示。如圖10(b)所示,從左到右:(a)移動平臺上中心的軌跡(b)移動平臺的圓柱形工作空間(c)三角機器人的運動學模型(d)位置矢量圖 圖10.球形軌跡和幾何參數(shù)當移動平臺沿著z軸方向移動時,該移動平臺在工作空間內(nèi)以頂部和底部的一部分球體在圓柱形狀中移動。所提出的系統(tǒng)的幾何參數(shù)將基于圖10(c)中的符號和圖10(d)中定義的位置矢量來導出。P1,P2和P3是移動平臺的三個峰值。三個標記為T1,T2和T3的接頭將移動平臺連接到基座。因此,如圖10(c)所示,存在兩個協(xié)調(diào)系統(tǒng):名為K(O-xyz)的固定全局協(xié)調(diào)系統(tǒng)和名為K(O-xyz)的局部協(xié)調(diào)系統(tǒng)。關系在下面的(1)至(4)中給出。OA=OB=OC=ROP1=OP2=OP3=r點A,B和C的坐標從以下(2)中獲得。A=Rcos6 Rsin-6 ZB=Rcos2 Rsin2 ZC=Rcos-76 Rsin-76 Z類似地,從(3)獲得點P1,P2和P3的坐標。P1=rcos6 rsin-6 0P2=rcos2 rsin2 0P3=rcos-76= rsin-76 0為了組合這兩個坐標,分析位置矢量。如圖11所示,圖11移動平臺從點M移動到點T.在從點M移動到點T的情況下。OP1=OO+OPi,i=1,2,3OT=OM+PmOP1=OT+Pt其中OM和OT是從O到O的向量,P,和P是從位置M到T和從位置T到P1的向量,其中t=1,2,3。由于矩陣計算是關聯(lián)性的而不是交換性的,因此確定旋轉矩陣的操作的排序是非常重要的。該順序表示根據(jù)哪個方向旋轉,請注意,提出的機器人不會偏航。我們的目標是在給出標記0的末端執(zhí)行器的位置時計算三個執(zhí)行器的坐標。如(5)所述,這些是T1,T2和T3,它們支配飛機Ti。Ti=TiX Tiy Tiz,i=1,2,3L2=(xi-Tix)2+(yi-Tiy)2+(Zi-Tiz)2,i=1,2,3其中L表示三個聯(lián)系的公共長度。 然后導出下面的等式Tiz=L2-(xi-Tix)2-(yi-Tiy)2+Zi,i=1,2,3在此示例實施中,第一項的符號選擇為負數(shù)。Marline軟件包中名為calculate delta的函數(shù)計算執(zhí)行器與目標坐標的位置,主要針對新提出的逆運動學修改輸入。設置了一些基本配置來驅動使用過的主板以及步進器,并添加了名為DELTA FIXMID OFFSET的參數(shù)來表示移動平臺與虛擬中心C之間的距離。4 實驗結果檢查建議設計的正確性,并按本節(jié)所述評估準確性。首先,在MATLAB中實現(xiàn)一個邏輯模型,以便可視化地觀察狀態(tài)。其次,進行了驗證的物理實施,以證明其實用性和穩(wěn)定性。最后,給出了數(shù)值評估以顯示許多突發(fā)運行的性能。他們將在下面的小結中描述。A. 如圖12所示,圖12.邏輯模型以可視化方式呈現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)坐標在文本字段中給出,然后導出旋轉角度并顯示在以下兩個字段中。有了這個工具,移動手勢就清晰地展現(xiàn)出來了。B. 物理驗證為了驗證移動平臺有意朝向虛擬中心,實施的3D打印機制作了一個半徑5厘米,高7厘米,半球形的圓柱體,如圖13左側所示,圖13.圓柱體和產(chǎn)生的半球。該特性已經(jīng)過驗證,使激光筆處于法線方向。 圖14(a)表示當建議的3D打印機在固定高度移動并執(zhí)行球形運動時激光點穿過同心圖的軌跡,從左到右:(a)產(chǎn)生圓柱體和半球的移動路徑 (b)側面圖14(a)。圖14.保持向虛擬中心的檢查。檢查了不同的旋轉角度0,并在IV-C部分給出了正確性和穩(wěn)定性。開始時,激光點被校準為與底座垂直。 激光指示器在末端執(zhí)行器上放置的任何輕微角度誤差都會產(chǎn)生大量的位置誤差放大距離效應。因此,我們用圖6(a)所示的六個螺絲擰緊激光指示器,它們便于調(diào)節(jié)角度和位置。 我們焚燒移動平臺,從工作區(qū)域的上限到下限遍歷,并多次返回原位。如果激光點停留在半徑為0.25mm的內(nèi)圓區(qū)域,整個建議的系統(tǒng)應該是正確的,如圖15所示,15(b)經(jīng)過十次試驗后。從這個實驗結果來看,它已經(jīng)完成了。從左到右(a)用六個螺絲調(diào)整位置和角度(b)激光指向有界區(qū)域圖15.原始位置停留在內(nèi)部圓形區(qū)域C. 定量評估安裝了5V激光指示器作為末端執(zhí)行器,并雇傭了一臺附加的網(wǎng)絡攝像機記錄實驗。定量評估以5個不同的旋轉度進行,測試程序使用OpenCV庫進行編碼,以便在機器執(zhí)行測試項目時記錄視頻數(shù)據(jù)。 我們計算了從激光指示器位置到工作平面中心位置的位置偏移量,正如第IV-B節(jié)所述的10次爆發(fā)錯誤。 在工作平面中心位置坐標為(307,183)的情況下,位置偏移形式的位置誤差如表1所示。每個像素代表0.192mm,通過測量的13個像素的0.25cm距離得出??傊?,如圖16所示,圖16.10次爆炸后旋轉角度不同的位置誤差隨著旋轉度增加,位置偏移從0.7mm增加到2.91mm。錯誤來自不平衡的彈性和關節(jié)摩擦。這表明激光指向工作平面的軌跡組裝在中心位置的狹窄區(qū)域。因此,這種設計是穩(wěn)定的,準確性是可以接受的。我們還將我們提出的系統(tǒng)的生產(chǎn)性能與工業(yè)市場上的5軸數(shù)控機床的生產(chǎn)性能進行了比較,如表II所示。與具有相似的執(zhí)行球形運動能力的類似機器相比,發(fā)現(xiàn)成本顯著較低。記錄的激光位置旋轉角度5.0010.0015.0020.0025.00X位置平均313.00310.67306.26301.49293.01Y位置平均185.75186.41187.52184.73180.68最大錯誤1.873.563.947.1611.96X坐標的最大誤差1.352.883.136.449.42Y坐標的最大誤差1.291.922.413.137.37產(chǎn)生性能的比較機器自由度準確性工作區(qū)價格CROSS-I I06ill,30.005900x600x6001500000AweaFV-96050.01960x600x4801200000CNC 3040 Table ColumnType Engraving Machine50.02300x400x15050840This Work3470x70x200110005 結論和未來的工作所提出的系統(tǒng)在Arduino mega 2560平臺上引入并實現(xiàn),以獲得實驗結果,功能得以實現(xiàn),位置偏移得到了良好的控制。該系統(tǒng)是一個很好的解決方案,可以滿足幾毫米精度的應用要求。 未來,電子彈簧被認為是集成在一起,以更精確的方式進行控制,以提高該系統(tǒng)的精度。參考文獻:1 B. Dasgupta and T. Mruthyunjaya, T he stewart platform manipulator:a review, Mechanism and Machine Theory, vol. 35, no. I, pp. 15-40,2000.2 G. Yang, I.-M. Chen, W. Chen, and W. Lin, Kinematic design of asix-dof parallel-kinematics machine with decoupled-motionarchitecture, Robotics, IEEE Transactions on, vol. 20, no. 5, pp. 876-887, Oct 2004.3 Y. Jin, I.-M. Chen, and G. Yang, Kinematics analysis of a 6-dofselectively actuated parallel manipulator, in Robotics, Automationand Mechatronics, 2004 IEEE Conference on, vol. I, Dec 2004, pp.231-236 vol.l. 4 Indrawanto and A. Santoso, Design and control of the stewartplatform robot, Asia International Conference on Modelling &Simulation, vol. 0, pp. 475-480, 2009.5 M. Mamoon and Saifullah, Inverse kinematics and path planning ofstewart platform using crank arm actuation system, in AppliedSciences and Technology (IBCAST), 2014 11th InternationalBhurban Conference on, Jan 2014, pp. 175-18.6 F. Patane and P. Cappa, A 3-dofparallel robot with spherical motionfor the rehabilitation and evaluation of balance performance, Neura lSystems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol.19, no. 2, pp. 157-166, April 2011.7 X. You, W. Chen, S. Yu, and X. Wu, Dynamic control of a 3-dofcabledriven robot based on backstepping technique, in Industr ialElectronics and Applications (ICIEA), 2011 6th IEEE Conference on,June 2011, pp. 1302-1307.8 L. Angel, J. Bermudez, and O. Munoz, Dynamic optimization andbuilding of a parallel delta-type robot, in Robotics and Biomimetics(ROBIO), 2013 IEEE International Conference on, Dec 2013, pp.444-449.9 M. Aleksandrovich, S. Sergeevna, and M. Yurievich, Determinationof motion freedom and direct kinematic problem solution of themechanism similar to delta robot, in Electrical Engineering,Computing Science and Automatic Control (CCE), 2014 11thInternational Co nf erence on, Sept 2014, pp. 1-5.任務書 XXX 學院 XXX 專業(yè) XXXX 屆 題 目并聯(lián)3D打印機的結構設計與控制專業(yè)班級學生姓名指導老師任務書下發(fā)日期設計截止日期難度系數(shù)畢業(yè)設計(論文)的主要內(nèi)容:本題目來源于3D打印制造業(yè)領域。并聯(lián)3D打印機因其具有動態(tài)性能好、運動精度高、靈活性強、壽命長等優(yōu)點,被應用于制造業(yè)中。本次畢業(yè)設計是應用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機的結構設計與控制。通過該設計,使學生在設備總體方案設計、機械結構設計、以及零件強度計算、電路圖繪制、查閱文獻和設計軟件應用能力方面受到一次綜合訓練,達到鞏固和綜合運用所學知識,掌握正確設計思想與方法,培養(yǎng)學生的工程應用能力。并聯(lián)3D打印機的結構設計與控制要求完成傳動機構設計與計算、連桿的設計計算與校核。電機的選型與計算,最終完成其機械與控制部分整體設計。畢業(yè)設計(論文)的主要要求:設計完成:(1) 機電設備總體方案設計;(2) 機械總裝配設計、零件詳細結構設計;(3) 電機、驅動器、控制部分選型及設計設計要求:打印范圍180mm*180mm* 350mm;最快打印速度20mm/s,成型方式FDM,打印材料選擇ABS;設備總裝配圖(計算機出圖);設備所有零件圖(計算機出圖);手繪圖A1張;設計圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙;設計說明書不少于1.5萬字,正文頁數(shù)不少于30頁;譯文與開題報告不少于3000字。 主要參考文獻:1羅晉 , 葉春生 , 黃樹槐 .FDM 系統(tǒng)重要工藝參數(shù)及其控制技術研究 J. 新技術新工藝,2005(6):77-802李小麗, 馬劍雄, 李萍, 等. 3D 打印技術及應用趨勢J. 自動化儀表, 2014, 35(1): 1-5.3陳浩正. 3D 造像:前沿技術引發(fā)無限想象J. 人像攝影, 2013, (6):208-212.任務書編制教師(簽章): 年 月 日教研室審核意見:教研室主任(簽章): 年 月 日學院審核意見:學院院長(簽章): 年 月 日備注注:任務書中的數(shù)據(jù)、圖表及其他文字說明可作為附件附在任務書后面,并在主要要求中標明:“見附件”并聯(lián)3D打印機結構設計與控制開題報告、課題論證1.1課題研究的目的與意義眾所周知,科學技術是第一生產(chǎn)力,一個國家的進步與發(fā)展靠的是先進的科學技術,3D打印技術采用逐層疊加的制造方式,這使得許多傳統(tǒng)工藝無法加工的復雜零件的問題迎刃而解。它不僅打破了傳統(tǒng)的流水線的生產(chǎn)模式,而且相比于傳統(tǒng)的制造工藝,3D打印具有傳統(tǒng)制造工藝無法比擬的優(yōu)勢,尤其是在注重經(jīng)濟環(huán)保當下,深受制造行業(yè)的重視。英國的著名雜志經(jīng)濟學人雜志指出,3D打印將推動第三次工業(yè)革命。金融時報也稱 3D 打印機將像蒸汽機、內(nèi)燃機、計算機一樣開創(chuàng)一個嶄新的工業(yè)時代。為了抓住這次機遇推動我國3D打印技術的發(fā)展,我國政府也大力頒布相關政策支持3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本課題來源于目前日益蓬勃發(fā)展的3D打印技術,本次畢業(yè)設計設計完成一臺并聯(lián)3D打印機,了解打印機的機械結構,控制功能。1.2文獻綜述(相關課題國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀)1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀:在1892年地質(zhì)學家Blanther就提出了用分層切片的方法制作三維地圖模型,由于當時的制造水平還很落后,該想法只作為一個概念模型存在,隨著社會的進步,科學技術的不斷發(fā)展,直到19世紀80年代 Charles W.Hull在美國 UVP公司的支持下,設計并完成了第一臺能實現(xiàn)完整打印功能的零部件制造系統(tǒng)(SLA-1),這可以看做是3D打印發(fā)展的里程碑事件。在隨后的幾十年的發(fā)展中,3D打印技術不斷發(fā)展,不斷走向進步。美國3D System公司在1988年采用“立體平版印刷快速成型”(Steren Lithography)SL 技術,通過紫外激光線束照射掃描光敏樹脂經(jīng)其固化,逐層凝結累加制造出三維實體模型并推出的首臺商用“液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型機”(SLA-250),標志著 3D 打印技術的誕生。1992 年美國麻省理工學院的 Saches E.M.和 Cima M.J.等首次對 3D 打印技術做出了概念性的描述。麻省理工大學在1993年獲得三維印刷技術(3DP)專利。3D打印機的名字首次在1996年被使用。創(chuàng)建于 1998 年的 Objet 公司,致力于開發(fā) 3D 打印設備及成型材料,并于 2007 年推出 Eden 系列產(chǎn)品得到市場的廣泛認可,已經(jīng)成功開發(fā)出具有不同性能的多種光敏樹脂打印材料。美國 3D systems 和 Stratasys 兩家公司在世界 3D 打印領域占據(jù)了絕大部分市場。2005 年,Z Croporation 公司生產(chǎn)了世界上第一臺高精度彩色 3D 打印機 Spectrum Z510,同年,英國巴恩大學的 Arian Bowyer 發(fā)起開源 3D 打印機項目 Rep Rap,從此桌面 3D 打印機進入 DIY 時代。2010年,Stratasys 公司與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司建立了 OME 合作關系,生產(chǎn) HP品牌的 3D 打印機。2011年美國宣布一項新政策,向3D打印產(chǎn)業(yè)支出5億美元來提升美國在制造行業(yè)的領先地位。奧巴馬說他希望3D打印技術能夠成為重新振興美國制造業(yè)的一條捷徑。2012 年,The Economist指出 3D 打印技術將帶動第三次工業(yè)革命,引起 3D 打印技術的研究熱潮。2013年,3D 打印在環(huán)球科學最值得銘記、對人類社會產(chǎn)生影響最為深遠的十大新聞中排名第九。在此基礎上各國也加大了對3D打印產(chǎn)業(yè)的支持力度, 在 2012美國年就成立了“國家增材制造中心”,重點發(fā)展 3D 打印業(yè)。2007 年到 2013 年,歐盟投資 1.6 億歐元支持了 60 個 3D 打印項目。2014 年11 月,韓國發(fā)布了一個長達 10 年的 3D 打印戰(zhàn)略規(guī)劃,以推動和發(fā)展 3D 打印技術。此外,荷蘭、意大利、日本、澳大利亞等國家均在 3D 打印研發(fā)上投入了大量資金。現(xiàn)如今越來越多的國家注重發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè),這也說明3D打印產(chǎn)業(yè)在工業(yè)生產(chǎn),國家發(fā)展過程中重要的地位。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀:在國內(nèi)3D技術的發(fā)展起步較晚,但是在政府部門和國內(nèi)高校的大力支持下,許多發(fā)達的城市都建立了3D打印的服務機構和3D打印的研究場所。這使得我國的3D打印技術得到了快速的發(fā)展,很快與國際社會接軌。以聚乳酸(Polylacitc Acid)作為 3D 打印材料的3D打印設備在國內(nèi)出現(xiàn),像3D打印Delta機器人,打印的一般產(chǎn)品能滿足我們的需要。2010年經(jīng)過十幾年的努力,華中科技大學成功研制的工業(yè)級 1.2 米1.2米制造裝備,該設備具有很大的成型工作空間,可以打印較大的模型,其性能超過了國外3D打印公司的同類產(chǎn)品。這是當時世界上最大成型空間的快速制造裝備。西安交通大學自主研發(fā)了一套基于光固化成型的 3D 打印系統(tǒng),該系統(tǒng)的精度達到 0.2mm。中國科技大學推出了具有轉換功能的八噴頭組合噴射裝置,在微制造及光電器件領域有著很好的應用前景。雖然我國生產(chǎn)的3D打印機裝備的功能已經(jīng)接近世界先進水平,但是一些打印機的關鍵部件仍需要從國外進口,此外我國的材料品種也遠沒有國外豐富,許多研發(fā)材料都需要從國外進口,從而也導致了3D打印技術的研發(fā)成本大大提高,成為阻礙了該技術推廣的絆腳石。但是我國支持3D打印產(chǎn)業(yè)的決心沒有改變,特別是近年來,2013 年3D 打印產(chǎn)業(yè)入選了國家高技術研究發(fā)展計劃、國家科技支撐計劃制造領域、2014 年度備選項目征集指南,其中提到,要突破 3D打印核心關鍵技術,研制重點裝備產(chǎn)品,并在相關領域開展驗證,初步具備開展全面推廣應用的技術、裝備和產(chǎn)業(yè)化條件。2015 年,國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016 年)以及中國制造 2025相繼出臺,表明了我國對3D打印支持的力度與決心。雖然我國在3D打印領域還有很長的路要走,但同時也說明了我國在該項領域的發(fā)展空間巨大。1.2.3并聯(lián)機構的研究現(xiàn)狀并聯(lián)機構(Parallel mechanism)是一種閉環(huán)機構,其動平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少個獨立的運動鏈與機架相聯(lián)接。早在1965年德國Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機構,用于制作飛行模擬器來訓練飛行員。澳大利亞著名機構學教授Hun在1978年提出Stewart機構接近人體結構,并將該結構用于機器人手臂。加拿大著名機構學教授對并聯(lián)機構的構型綜合,運動學分析,奇異性分析等建立了完整的理論體系。國內(nèi)機構學專家Fang和Huang等提出了螺旋理論并聯(lián)機構的構型綜合方法。隨后的發(fā)展過程中,石明提出了3-P-(2SS)并聯(lián)機構,該機構的平臺是采用3個非對稱的結構方式分布,有較大的工作空間。李江濱對基于并聯(lián)結構的 3D 打印機的部分關鍵技術進行了研究,提出在通過對 3D 打印機的運動學誤差標定來提高打印機的打印精度。還有不少學者在并聯(lián)機構的應用上做出了很大的貢獻,提出許多不同的并聯(lián)機構的結構形式,并對進行了大量的分析研究工作,都是可以較好的應用在熔融沉積制造的 3D 打印技術上。并聯(lián)機構,在近年來發(fā)展迅速,被廣泛應用于,工業(yè)機器人,3D打印等各項領域。1.3課題研究的內(nèi)容、總體方案及技術路線、進度安排等 1.3.1論文的主要內(nèi)容及總體方案:目前3D打印還是采用傳統(tǒng)的串聯(lián)機械結構,由于自身的先天條件不足。不能更好的適應市場高速度,高精度的需求。并聯(lián)3D打印機因其具有承載能力強、動態(tài)性能好、運動精度高、多功能靈活性強、壽命長等優(yōu)點被應用于工業(yè)生產(chǎn)中。本次畢業(yè)設計是應用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機結構設計與控制。通過本次設計,完成設備總體方案的設計、機械結構設計、零件強度校核計算、繪制并聯(lián)3D打印機的工程圖、電控系統(tǒng)設計、編寫控制程序、繪制控制電路圖、查閱相關參考文獻、從而達到鞏固綜合運用所學知識,掌握正確的設計思想與方法目的。1.3.2設計要求具體參數(shù):打印范圍:180mm直徑350mm高度,成型方式FDM,打印材料ABS設計圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙;設計說明書不少于1.5萬字,正文頁數(shù)不少于30頁;譯文與開題報告不少于3000字。1.3.3章節(jié)安排第一章:闡述選題的背景與意義,3D打印技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,論文的主要內(nèi)容。第二章:總體方案的確立,技術參數(shù)的確定,以及選擇符合要求的驅動裝置。第三章:機械結構的設計,電機的選型與計算、驅動器的選型與計算、完成同步帶、連桿設計計算與校核,并繪制裝配圖,零件圖。第四章:控制系統(tǒng)的設計,編寫程序,繪制電路圖。第五章:結論,總結全文。第六章:注明參考文獻,致謝。1.3.4進度安排及設計線路時間設計任務及要求第1周分析、查閱資料,熟悉設備技術要求、背景,學習與畢業(yè)設計相關知識,做好前期準備工作。第2周撰寫開題報告 和外文翻譯,準備開題報告答辯PPT。第3-4周總體方案的設計,機械部分與控制部分選型設計第5-6周電機與驅動器的選型計算,編寫電機控制程序,繪制電路圖第7周完成3D打印機控制部分的設計工作第8-9周機械結構的設計,完成關鍵零部件的選型與校核第10-11周完成機械部分的設計,畫工程圖,零件圖第13周整理編寫設計說明書,交指導老師審定,制作答辯提綱,設計定稿,打印,準備畢業(yè)設計答辯。第14周進行畢業(yè)設計答辯。1.3.5注意存在的問題1. 設計方案,進度安排要詳細具體。2. 論文格式,參考文獻要規(guī)范。3. 論文內(nèi)容要充實詳細。4. 繪制圖紙時要規(guī)范,應有標題欄,標注要詳細。5. 按照畢業(yè)設計任務書要求,獨立認真完成畢業(yè)設計。1.4參考文獻1 李小麗, 馬劍雄, 李萍, 等. 3D 打印技術及應用趨勢J. 自動化儀表, 2014, 35(1): 1-5.2 陳浩正. 3D 造像:前沿技術引發(fā)無限想象J. 人像攝影, 2013, (6):208-212.3 羅晉 , 葉春生 , 黃樹槐 .FDM 系統(tǒng)重要工藝參數(shù)及其控制技術研究 J. 新技術新工藝,2005(6):77-804 重慶設計出 3D 打印并聯(lián)機器人J. 機器人技術與應用,2013,06:25.5 黃真并聯(lián)機器人及其機構學理論燕山大學學報1998.6 李紅兵. 3D 打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析J. 安徽省科學技術情報研究所, 2013(9):55-56.7 汪開勇,劉又午等.熔融沉積制造的熱學模型和工藝控制研究J.中國機械工程, 1999,10(6):636-638 24潘東杰,黃列群,沈永華等.快速成型一先進的現(xiàn)代制造技術明,鑄造技術,1999, 4: 37-398 方躍法,黃真?蘭階螺旋系主螺旋識別的解析方法化機械工程學報.9 楊斌. 3-RSR 并聯(lián)機構的精度研究D.中北大學,2014.10 Scans E M, Haggerty J S, Cima M J. Three Dimensional Printing TechniqueP:US pantent, NO.5204055,1993.1李堅,許民,包文慧.影響未來的顛覆性技術:多元材料混合智造的3D打印.東北林業(yè)大學木材仿生智能科學研究中心,哈爾濱,2015年6月. 2羅晉,葉春生,黃樹槐.FDM系統(tǒng)重要工藝參數(shù)及其控制技術研究J.新技術新工藝,2005(6):77-80.3王雪瑩.3D打印技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析J.中國高新技術企業(yè)旬刊, 2012(9):3-5. 14 Scans.EM.Haggerty J S. Cima .M J. Three Dimensional Printing echniqueP:US pantent, NO.5204055,1993.5 上海大學.朱華.3D打印技術的發(fā)展歷史及未來商業(yè)趨勢. 2013-10-01.6陳立,陳勝遷.3D打印未來制造業(yè)新模式J.輕工科技,2013(9):40-41.7汪開勇,劉又午等.熔融沉積制造的熱學模型和工藝控制研究J.中國機械工程,1999,10(6):636-638 24潘東杰,黃列群,沈永華等.快速成型一先進的現(xiàn)代制造技術明,鑄造技術,1999, 4: 37-39.8杜宇雷,孫菲菲,原光,翟世先,翟海平.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀2014年3月.9供稿余冬梅,方奧,張建斌.3D打印材料2014年第5期.20孫聚杰.絲網(wǎng)印刷2013.(12:34-39).2、答辯組論證結論(1)方案可行,技術路線清晰 (2)方案可行,技術路線基本清晰 (3)方案基本可行,技術路線不很清晰 (4)方案和技術路線不很清晰 (5)方案和技術路線不清晰 3、指導教師意見: 教研室主任意見:指導教師(簽名): 教研室主任(簽名):年 月 日 年 月 日注:(1) 開題報告是用文字體現(xiàn)的設計(論文)總構想,篇幅不必過大,但要把計劃設計的課題、如何設計、理論依據(jù)和研究現(xiàn)狀等主要問題說清楚;(2) 字數(shù)不少于3000字,參考文獻不少于6篇,印刷字符在10萬印刷符以上。 并聯(lián)3D打印機結構設計與控制Design and Control of Parallel 3D Printer Structure摘 要3D打印技術在20世紀90年代中期出現(xiàn),經(jīng)過十幾年的發(fā)展,由最開始的打印機數(shù)量之少,和受到打印材料單一的限制,打印產(chǎn)品比較單一,到現(xiàn)在打印方法多樣,涉及領域廣泛,隨著3D打印技術的興起,使得許多傳統(tǒng)加工遇到的問題得到解決,縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期,提高了生產(chǎn)效率。本文根據(jù)畢業(yè)設計任務書的具體要求,對并聯(lián)3D打印機的機械結構進行設計計算,其中包括驅動元件步進電機的選型計算與強度校核、傳動機構的選型計算與強度校核,這其中包括同步帶的選型計算與強度校核,以及為了保證3D打印機的精度,采用張緊輪對同步帶進行預緊。因為并聯(lián)式3D打印機的運動方式是將同步帶輪的旋轉運動轉換成滑塊沿導軌直線運動,所以對滑塊連桿機構進行選型計算與強度校核。接著3D打印技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹,闡述了3D打印的優(yōu)勢與不足,介紹了3D打印的工作原理,幾種典型的3D打印成型方式,和成型材料。介紹了3D打印機的硬件控制系統(tǒng),選擇Arduino作為控制器,A4988作為步進電機驅動器,ramps1.4作為控制板。關鍵詞:3D打印 強度 并聯(lián) Arduino Abstract3D printing technology emerged in the mid-1990s. After more than 10 years of development, the number of printers from the very beginning was small, and the printing materials were limited. The printing products were relatively simple. Now the printing methods are diverse, covering a wide range of fields. With the rise of 3D printing technology, many of the problems encountered in traditional processing have been solved, shortening the production cycle and increasing the production efficiency.According to the specific requirements of the graduation design task book, the paper designs and calculates the mechanical structure of the parallel 3D printer, including the selection calculation and strength check of the stepping motor of the drive element, the selection calculation and the strength check of the transmission mechanism. Including timing belt selection calculation and strength check, and in order to ensure the accuracy of the 3D printer, the tension pulley is used to pre-tighten the timing belt. Because the parallel type 3D printers movement method is to convert the rotational motion of the timing belt pulley into a linear movement of the slider along the guide rail, the selection and calculation of the slider linkage mechanism and the strength check are performed. Then the development status of 3D printing technology at home and abroad was introduced. The advantages and disadvantages of 3D printing were described. The working principles of 3D printing, several typical 3D printing methods, and molding materials were introduced. The hardware control system of the 3D printer was introduced. The Arduino controller was selected as the controller, the A4988 was used as the stepper motor driver, and the ramps1.4 was used as the control boardKey words:3D printing strength in parallel Arduino目 錄1 緒論11.1 選題的背景與意義11.1.1 選題的背景11.1.2 選題的意義11.2 3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀31.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀31.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀31.3 研究的目的與意義51.4 論文的主要內(nèi)容51.5 章節(jié)安排52 總體方案的設計52.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述52.2 并聯(lián)3D打印機械結構系統(tǒng)52.3 并聯(lián)3D打印機的硬件控制系統(tǒng)72.4 并聯(lián)3D打印機的軟件控制系統(tǒng)112.5 3D打印機的工作機理分析及機構設計方案112.5.1 3D打印的原理112.5.2 3D打印累計技術原理122.5.3 幾種工藝性能的對比142.5.4 3D打印所用的材料142.6 五種工藝打印耗材142.7 串并聯(lián)3D打印機對比143 并聯(lián)3D打印機機械結構的設計153.1 結構組成與工作原理153.2 構型設計163.3 整體尺寸的計算163.4 連桿長度的確定與強度的校核173.5 電機的選型與計算183.6 同步帶的選型與計算223.6.1 傳動方案的選擇223.6.2 選型計算與壽命校核233.7 同步帶輪的設計選取253.8 導軌的選擇計算與強度校核263.9 滾動軸承274 3D打印編程技術與通用算法274.1 3D打印機固件開發(fā)環(huán)境274.2 3D打印的數(shù)據(jù)處理294.3 3D打印與Gcode295 總結與展望305.1 全文總結305.2 展望32參考文獻33致 謝34附錄351 緒論1.1 選題的背景與意義1.1.1 選題的背景一個國家制造業(yè)的發(fā)展程度是衡量生產(chǎn)力水平的重要標志,隨著科學技術的不斷進步,3D打印技術受到了各國制造業(yè)的廣泛關注。據(jù)英國著名雜志經(jīng)濟學人報道:3D打印技術使制造個性化、產(chǎn)品定制化成為可能,人們可以在沒有復雜模具的情況下任意打印自己想要的零部件,甚至是傳統(tǒng)制造業(yè)無法加工的結構也可以實現(xiàn),因此,3D打印技術將帶動全球制造業(yè)經(jīng)濟發(fā)生重大變革1。為加快3D打印技術的發(fā)展,早在2012年美國總統(tǒng)奧巴馬就撥款3000萬美元,在俄亥俄州建立了國家級3D打印添加劑研究中心,并計劃累計投入5億美元資金用于3D打印技術2,時代周刊也將3D打印列為“美國十大增長最快的產(chǎn)業(yè)之一3”;歐盟的大學、企業(yè)、政府之間建立了眾多的技術聯(lián)盟包括“大型航空航天部件快速生產(chǎn)計劃”(RAPOLAC),面向大規(guī)模客戶定制和藥品生產(chǎn)的“自定制”(Custom Fit)計劃等。為了抓住這次機遇,推動我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,我國政府也大力頒布相關政策支持3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2015年,相繼出臺了中國制造2025及國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進規(guī)劃計劃(2015-2016),計劃指出要在2016年,初步建立比較完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系,整體技術水平與國際同步。國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進規(guī)劃計劃(2017-2020)計劃到2020年,增材制造產(chǎn)業(yè)年銷售收入超過200億元,年均增速在30%以上4??梢哉f未來的3D打印將成為中國制造2025發(fā)展的一個支柱產(chǎn)業(yè)。在2015年求是雜志第20版發(fā)表的李克強總理的題為催生新的動能實現(xiàn)發(fā)展升級的文章中也多次提到3D打印5。全國政協(xié)經(jīng)濟委員會副主任,工信部前部長李毅中在第三屆世界3D打印技術產(chǎn)業(yè)大會的開幕式致辭時表示,“在中國制造2025規(guī)劃當中,有五個地方出現(xiàn)了3D打印6,并且把3D打印列為制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程之一”在他看來打造3D打印產(chǎn)業(yè)鏈,可以推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級,具有十分重要的意義。相信借助中國制造2025的東風,在不久的將來我國的3D打印產(chǎn)業(yè)將會取得突飛猛進的發(fā)展。1.1.2 選題的意義隨著社會進步與發(fā)展,人們對商品的個性化要求日益提高,對于一些形狀復雜的商品,傳統(tǒng)加工工藝具有一定的局限性,帶來了一系列的生產(chǎn)問題,例如:制造精度難以保證,成型困難、加工成本高等等。正是在這些因素的驅動下,3D打印技術具有極大的商機與潛力。相比于傳統(tǒng)的制造工藝,3D打印具有傳統(tǒng)制造工藝無法比擬的優(yōu)勢:(1) 針對復雜結構產(chǎn)品而言,成本較低。這使得許多傳統(tǒng)工藝無法加工的復雜產(chǎn)品問題迎刃而解7。例如我國珠寶首飾行業(yè)利用3D打印技術進行產(chǎn)品研發(fā)和加工,它替代了傳統(tǒng)工藝中“起銀版、壓膠模、開膠模、注蠟、種蠟樹、灌石膏、抽真空、烘干” 全部流程并減免相應的設備、場地、人員的開銷8。如商家用3D噴蠟打印和失蠟鑄造法制作一些工藝品。如圖1-1所示,圖1-1數(shù)字建模打印的雙面浮雕花卉銀盒實物(2) 無需組裝:傳統(tǒng)大規(guī)模的生產(chǎn)需要建立在組裝線基礎上,并且加工產(chǎn)品組成部件越多,組裝耗時和成本就越多。3D打印機能使部件一體化成型,不需要組裝。(3) 設計空間廣闊:傳統(tǒng)制造技術生產(chǎn)的產(chǎn)品形狀有限,制造形狀的能力受限于使用的工具,如制模機僅能制造模鑄形狀,3D打印機可以突破這些局限,使制造產(chǎn)品不受工具限制9。(4) 制造技能門檻降低:傳統(tǒng)的制造機器仍需要熟練的專業(yè)人員對機器進行調(diào)整和校準,3D打印機在制造產(chǎn)品的時候直接把計算機繪制的三維模型打印出來,降低了對技術人員的依賴程度并且3D打印機的操作技能相比傳統(tǒng)機器的操作技能要更低。(5) 占地空間小、便攜制造:與傳統(tǒng)的制造機器相比,3D打印機非常的靈巧便捷,占地空間小,可以自由移動。(6) 減少廢棄金屬浪費:尤其是在注重經(jīng)濟環(huán)保當下,3D打印深受制造行業(yè)的重視。傳統(tǒng)金屬加工生產(chǎn)過程中浪費大量金屬材料,3D打印機在制造金屬產(chǎn)品過程中浪費量較少,符合國家提倡的綠色制造范疇10。(7) 不同原材料之間可以相互結合:傳統(tǒng)的機器將不同的原材料結合加工成一件產(chǎn)品是件難事,因為在加工過程中受到機器加工方法和成型機器種類的限制。隨著多材料3D打印技術的發(fā)展,人們可以將以前無法融合的原材料混合后形成新材料。如PC-ABS材料一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料,被廣泛的應用于汽車、家電和通信行業(yè)111.2 3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀1892年,地質(zhì)學家Blanther為了能夠制作精密的三維地圖模型,提出了一種分層切片方法。然而,由于當時技術水平比較落后,這個想法僅僅稱為一個概念模型。直到19世紀80年代,在美國 UVP公司的支持幫助下,Charles W.Hull設計完成了第一臺能實現(xiàn)完整打印零部件功能的制造系統(tǒng),可以看做是3D打印技術發(fā)展的里程碑事件12;1988年,美國3D System公司,采用“立體平版印刷快速成型”(Steren Lithography)SL 技術,該技術先用紫外激光照射掃描光敏樹脂經(jīng)其固化,然后通過逐層凝結累加制造出三維實體。并且推出了首臺商用“液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型機”(SLA-250),如圖1-2所示,這標志著 3D 打印技術的誕生13。圖1-2液態(tài)光敏樹脂高精度3D打印機1992年,美國麻省理工學院的 Sache E.M.和 Cima M.J.等首次對 3D 打印原理做出了概念性的描述14。1996年,3D打印機的名字首次被使用。1998 年,Objet 公司創(chuàng)建。該公司致力于開發(fā)3D打印設備及成型材料,且在2007年推出 Eden 系列產(chǎn)品,得到市場的廣泛認可。2005年,Z Croporation公司生產(chǎn)了世界上第一臺高精度彩色 3D 打印機Spectrum Z510,同年,英國巴恩大學的Arian Bowyer發(fā)起開源3D打印機項目 RepRap,從此桌面 3D 打印機進入 DIY 時代15。2010年,Stratasys公司與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司建立了 OME 合作關系,生產(chǎn) HP品牌3D打印機。2012年Stratasys公司在收購Solidscape公司之后又與以色列著名的3D打印系統(tǒng)提供商Object正式合并16。在國外3D打印已經(jīng)應用到許多領域,如電子業(yè)、航天航空、汽車制造業(yè)等等。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在國內(nèi)3D打印技術發(fā)展起步較晚,但在政府部門的大力支持下,許多發(fā)達城市都建立了3D打印服務機構和3D打印研究場所。這使得我國3D打印技術得到了快速的發(fā)展,并且很快與國際社會接軌。自20世紀90年代以來,國內(nèi)許多高校開展了3D打印技術自主研發(fā),清華大學在現(xiàn)代成型理論、分層實體制造、FDM工藝等方面的研究具有一定的優(yōu)勢。其自主研發(fā)的3D打印機如圖1-3所示,圖1-3清華大學自主研發(fā)的3D打印機經(jīng)過十多年的刻苦研究,華中科技大學成功研制出工業(yè)級制造裝備,如圖1-4所示,圖1-4 華中科技大學研制1.2 米1.2打印設備該設備具有很大的成型工作空間,可以打印較大的模型,其性能超過了國外3D打印公司的同類產(chǎn)品,是當時世界上最大成型空間的快速制造裝備。中國科技大學推出了具有轉換功能的八噴頭組合噴射裝置,在微制造及光電器件領域有著很好的應用前景17。北京航天航空大學,湖南大學等高校已經(jīng)研發(fā)了激光3D打印機來打印鈦合金等金屬制品。在國內(nèi)許多家公司也在3D打印機研究方面取得了不俗的成果,2010年北京太爾時代科技有限公司推出了世界上首款3D打印機UP Plus,之后又將其更新為UP Plus2。南京紫金立德公司,其采用的分層實體制造技術在國內(nèi)處于領先地位。并且該公司已有專利技術11項,自主專利7項。雖然在最近一段時間內(nèi)我國的3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得長足進展,但在技術上仍存在瓶頸:(1)有的打印設備對打印材料要求非??量蹋绮噬嗖牧稀⑷嗽旃欠鄄牧?、細胞生物原材、以及砂糖食品材料都是針對專門的3D打印設備研發(fā)的18。(2)打印成本的限制,市面上的一些打印機和打印材料價格昂貴,普通大眾承受不起。例如1kg用于3D打印的鈦金屬粉末的價格為200400美元19。(3)在成型尺寸、制造精度和穩(wěn)定性上急需提高,3D打印設備由于受到機器自身精度和打印材料之間的沖突,造成打印速度低,導致打印產(chǎn)品精度不夠不近如人意。近年來隨著中國政府對3D打印產(chǎn)業(yè)支持力度日益增大,中國在3D打印技術方面與發(fā)達國家的差距日益減小,但在一些領域仍有較大差距。我相信隨著我國科技人員的不斷努力下,未來我國的3D打印產(chǎn)業(yè)的前景將會一片光明。1.3 研究的目的與意義目前3D打印還是采用傳統(tǒng)的串聯(lián)機械結構,由于自身的先天條件不足。不能更好的適應市場高速度,高精度的需求。并聯(lián)3D打印機因其具有承載能力強、動態(tài)性能好、運動精度高、多功能靈活性強、壽命長等優(yōu)點被應用于工業(yè)生產(chǎn)中。1.4 論文的主要內(nèi)容3D打印的許多問題都與打印設備有關,作為3D打印設備核心的執(zhí)行機構的性能對其打印成型影響巨大。本次畢業(yè)設計是從3D打印機執(zhí)行機構出發(fā)從而提高3D打印機的性能。應用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機結構設計與控制。通過本次設計,完成3D打印機總體方案的設計、機械結構設計、零件強度校核計算、用繪圖軟件繪制并聯(lián)3D打印機的三維圖、工程圖。完成電控系統(tǒng)設計、編寫控制程序、繪制控制電路圖、并查閱相關參考文獻,從而達到鞏固綜合運用所學知識,掌握正確的設計思想與方法目的。1.5 章節(jié)安排第一章:闡述并聯(lián)3D打印機選題的背景與意義,國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,研究目的與意義、論文主要內(nèi)容、和章節(jié)安排。第二章:總體方案設計,完成并聯(lián)3D打印機機械結構系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)設計,選擇合適打印材料和成型方式。第三章:機械結構的設計,打印機整體尺寸的計算,完成電機的計算同步帶、連桿設計計算與強度校核,并繪制裝配圖,零件圖。第四章:3D打印的編程與通用算法,3D打印機的固件開發(fā)環(huán)境、3D打印與Gcode等 第五章:結論,總結全文。注明參考文獻,致謝。2 總體方案的設計2.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述并聯(lián)3D打印機系統(tǒng)由打印機機械結構系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)組成。該類型的3D打印設備涉及機械、材料、控制、電氣等多個學科,是一種復雜的機械電子系統(tǒng)。2.2 并聯(lián)3D打印機械結構系統(tǒng)并聯(lián)3D打印機的機械結構系統(tǒng)主要包括:電機、電源、導軌、絲杠或同步帶、加熱板/熱床、擠出機、機身結構組成。(1) 電機:電機是3D打印機的主要控制部件,對于精度要求不高的一般選擇步進電機,對于精度要求較高的一般選擇伺服電機。且伺服電機的價格較高,本文選擇的是步進電機。(2) 電源:對于打印機的電源一般應選擇輸入電壓范圍寬泛、效率高、體積小重量輕、抗干擾性能好、具有短路過載保護功能。 電源為整個3D打印機裝置提供能量的支持,其供電的對象包括步進電機、打印噴頭、熱床、控制板、風扇、LED顯示屏等。綜合考慮選擇電壓為12V功率為360W的電源,且內(nèi)部帶有風扇。其輸入電壓為220V轉12V,其具體尺寸為215mm119mm52mm。其使用效率為80%,且具有短路、過載、過壓、過流、過溫度保護措施等。(3) 導軌:按運動軌跡可分為直線運動導軌和圓運動導軌,光軸導軌結構簡單精度較低、直線導軌結構略復雜,價格和精度要比光軸導軌要高。本文選擇的是直線導軌(4) 并聯(lián)3D打印機的傳動機構一般有同步帶和絲杠兩種形式,絲杠傳動效率高但是成本高。同步帶傳動精度較高,成本低、耐磨、抗老化等。本文選擇的是同步帶(5) 加熱板/熱床:加熱板/熱床可以減輕ABS、PLA材料在打印過程中翹曲程度,完成較高質(zhì)量的打印。(6) 擠出機:擠出機是3D打印機機械結構系統(tǒng)中重要的部分之一,通過步進電機將打印的原材料送入到加熱頭的噴嘴內(nèi),將絲加熱到預定的溫度。并且由電熱調(diào)節(jié)器或熱電偶來進行溫度調(diào)節(jié)與監(jiān)控。當先進入的材料融化后,電機轉動會將未融化的材料前進并將融化的材料擠出。(7) 機身結構:3D打印機機身結構有三角形結構、三角爪式結構、矩形盒式結構、矩形桿式結構,從精度、裝配、價格等權衡,選擇三角形結構是較好的。(8) 打印頭:噴出技術采用熔融沉積型技術,成型工藝對噴頭系統(tǒng)的功能要求可以為以下幾點:1)熔絲功能與送料功能,將送進的固態(tài)料絲以及時充分熔化成熔融狀態(tài),并從噴嘴噴出;2)流道功能:為熔融材料提供穩(wěn)定流動的通道;3)出絲速度匹配與出絲啟??刂乒δ埽撼鼋z速度可控,可以根據(jù)掃描速度進行調(diào)整,實現(xiàn)速度互相匹配。特別是在路徑起始和停止處。在魚眼效應器吊臺下面通過螺栓連接著打印機的噴頭。魚眼效應器吊臺其組成材料是鋁合金。噴頭將擠出機送來的的打印材料加熱融化以后,由擠出噴嘴擠出。擠出噴頭裝置主要由進料管、噴嘴、散熱風扇(40mm40mm10mm)組成。擠出噴頭如圖2-1所示,熱端是擠出機的重要部分,材料絲從噴嘴的入口進入,一般3mm的材料絲用5mm的入口噴嘴,1.7mm的使用2mm的入口噴嘴。本文的噴嘴直徑是0.5mm,材料絲入口直徑是4mm。規(guī)格越小的噴嘴越難加工,規(guī)格大的噴嘴擠出精度一般較差。因為銅的導熱性非常好,所以噴嘴一般用黃銅來制作。噴嘴一邊放熱敏電阻,阻值一般為5-9W。另一側是一個加熱器對材料進行加熱。材料在冷端時的溫度必須低于80度,以免材料變軟失去下推力。圓圈內(nèi)的區(qū)域為喉管區(qū),這個區(qū)域的材料是軟的,所以越短越好,以免影響出料精度。熱端則要求材料液化后保持良好的流動性,并且在噴嘴尖端讓材料盡量達到固化點,保證材料從噴嘴流出接觸空氣后立刻冷卻凝固。冷端與熱端需隔斷,可以避免擠出絲被過度熔化,隔斷的材料需采用耐高溫的隔熱材料和膠帶。散熱片進料管加熱管散熱風扇熱敏電阻噴嘴圖2-1擠出噴嘴原理示意圖2.3 并聯(lián)3D打印機的硬件控制系統(tǒng) 在進行3D打印機系統(tǒng)整體尺寸的設計時,對整個硬件系統(tǒng)的控制至關重要,其硬件系統(tǒng)主要包括核心處理模塊、運動控制模塊、成型溫度控制模塊、人機交互模塊、擠出模塊和通信模塊等,由上述可知,3D打印機的硬件控制系統(tǒng)是一個比較復雜的機電控制系統(tǒng)。其結構如下圖2-2所示,本文設計的3D打印機核心驅動系統(tǒng)由Arduino Mega 2560主控板、RAMPS1.4擴展板和4988步進電機驅動板組成。計算機在線打印控 制生成G代碼三 維 建 模人機交互模塊控制主控制模塊成型溫度控制模塊LCD操作面板核心控制器Atmage2560熱敏電阻PCB加熱熱床SD讀取顯卡參數(shù)設定打印控制功能擴展板RAMPS擠出控制模塊運動控制模塊其他輔助模塊控制功能步 進 電 機 驅 動 器步進電機驅動器動器擠出機送絲機X軸步進電機模型冷卻風扇回零形成開關手動調(diào)平工作臺熱敏電阻擠出頭溫度控制器Y軸步進電機加熱頭Z軸步進電機圖2-2控制系統(tǒng)框架圖a) 下面著重介紹一下Arduino Mega 2560采用USB接口,使用ATmega2560處理器,具有54個數(shù)字輸出輸入接口,(其中14個具有PWM輸出能力) ,16路模擬輸入,4路UAET接口,一個16MHz的晶體振蕩器,一個USB連接器,一個電源插座,以及一個ICSP header和一個復位按鈕組成了Arduino Mega 2560組板如圖2-3所示數(shù)字接口模擬輸入串口指示燈USB接口重置按鈕穩(wěn)壓器晶振USB接口芯片單片機電源接口圖2-3Arduino mega2560b) A4988是一款帶轉換器和過流保護的DMOS微步進電機驅動器。本文選擇A4988作為步進電機驅動器來驅動步進電機。下圖是步進電機驅動電路原理圖如下圖2-4所示,主控制板上通過對芯片上ENABLE、DIR、和STEP三個引腳的控制,從而實現(xiàn)對步進電機的控制。ENABLE是A4988輸出使能端口,當端口為高電位時,輸出端無電流輸出,當其為低電位時,才有電流輸出,從而電機才能工作。DIR端口來控制步進電機的正反轉,當其端口為高電位時電機正轉,低電位時電機反轉。STEP為脈沖信號輸入端口,當脈沖為上升沿時有效。A4988可以對步進量進行細分,端口MS1、MS2、MS3可以設置不同的步進模式。OUT_1A、OUT_1B引腳接到步進電機其中一項的兩端,OUT_2A、OUT_2B接到步進電機的另一項的兩端,Vref用于控制電流。420BYG250C步進電機的步距角是1.8,需要200個脈沖轉一圈,如果采用1/16細分之后,需要3200個脈沖電機才能轉一圈,又因為電機軸上連接的同步帶輪的齒數(shù)為24個且齒距為5.080mm,所以轉一圈的路程為122mm,一個脈沖的路程為0.03mm/step。 2-4步進電機驅動電路原理圖c) 在3D打印機經(jīng)常使用主板RAPMS1.4,原因之一就是花低成本,而且在小尺寸的電路板上就集成了Reprap所需要的所有的電路接口,并且有充足的擴展空間,RAPMS除了連接Arduino MEGA平臺之外,還提供了步進電機驅動的接口,各軸限位開關接口、擠出機接口、加熱床輸出LED,風扇輸出LED、是一款非常便捷的軟件,具有強大的升級能力。Arduino擴展板其結構如下圖2-5所示。所以本文選擇RAPMS1.4作為3D打印機的主控制板。圖2-5RAPMS1.4擴展板圖2-5RAPMS接線圖2.4 并聯(lián)3D打印機的軟件控制系統(tǒng)3D打印機的軟件控制系統(tǒng)主要包括:有控制打印的計算機、應用軟件、底層控制軟件和接口單元組成??刂拼蛴〉挠嬎銠C分為上位機和下位機兩級控制,上位機選擇性能較好的PC機,上位機用于打印數(shù)據(jù)的處理和總體的控制任務,其功能如下:1) 把3D模型快速生成打印成型的工藝特點的數(shù)據(jù)信息。2) 可以設置打印參數(shù)。3) 對打印成型情況進行監(jiān)控并接受運動的反饋。4) 實現(xiàn)人機交互,提供打印型速度的實時監(jiān)控與相關信息的顯示。5) 提供多種打印參數(shù)的選擇。目前3D打印機的上位機控制軟件Printrun和Repetier-Host等被應用的較為廣泛, Printrun上位機如圖2-6所示,界面簡單,操作方便。Printrun是一款基于Python語言開發(fā)的3D打印控制軟件,主要包括printcore、pronsole及pronterface 3個模塊和其他相關腳本。其中printcore.py是一個使寫RepRap上位機控制軟件變得更加簡單的Python函數(shù)庫。printcore.py是一個命令行(Console)交互軟件,pronterface.py與pronsole功能相同,但可以提供圖形界面。圖2-6Printrun軟件界面下位機對打印機打印時的運動進行控制,并將打印數(shù)據(jù)傳遞給噴頭。2.5 3D打印機的工作機理分析及機構設計方案2.5.1 3D打印的原理3D打印是快速成型技術的一種,它是一種以數(shù)字模型為文件基礎,運用塑料和粉末狀金屬等可粘合的材料,通過逐層打印方式來構造物體的技術20。2.5.2 3D打印累計技術原理隨著3D打印技術的快速發(fā)展,目前有5種比較成熟的工藝。(1) 光固化立體成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)如圖2-7所示,將光敏樹脂放在一個液槽中,逐層打印固化,邊固化工作臺邊下降,然后在固化好的表面再涂一層新的液態(tài)樹脂,就這樣新一層牢固的粘接在上一層上,如此重復直到整個模型加工完畢。液面光敏樹脂紫外激光成形零件工作臺刮平器圖2-7 SLA工作原理(2) 分層實體制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)如圖2-8所示,其基本原理是利用激光等工具逐層面切割、堆積薄板材料,最終形成三維實體。激光器 熱壓輥加工平面計算機供紙卷收紙卷升降臺圖2-8 LOM工作原理(3) 選擇性激光燒結成型(Selective Laser Sintering,SLS)如圖2-9所示,首先在工作臺上均勻鋪上一層很薄的粉末,然后激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結,一層完成后再重新鋪粉進行下一層燒結。待全部燒結完后去掉多余的粉末,最后進行打磨、烘干處理。平整輥激光器粉沫激光束掃面鏡圖2-9 SLS工作原理(4) 熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,F(xiàn)DM)如圖2-10所示,材料以絲的形狀進入打印頭,在打印頭中融化后經(jīng)過噴嘴流出又凝結為固態(tài),在打印頭打印的過程中材料形態(tài)重復固態(tài)-液態(tài)-固態(tài),最終形成產(chǎn)品模型。產(chǎn)品工作臺打印頭打印頭材料絲圖2-10 FDM工作原理(5) 三維打印技術如圖2-11所示,采用粉末材料(如陶瓷粉末、金屬粉末)打印成型。3DP技術的材料粉末不是通過燒結連接起來的,而是通過噴頭用粘結劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上。但是用粘接劑粘接的零件強度較低,需要進行后期處理。回收材料槽成型室打印材料進料輥粘合劑噴頭圖2-11三維打印原理圖2.5.3 幾種工藝性能的對比如表1-1所示幾種打印形式的對比SLALOMSLSFDM3DP尺寸精度高中等較高較低一般速度快較慢較慢較慢較快制造成本高較低較高較低較低材料利用率接近100%差接近100%接近100%中等毒性氣體有無有無無表面質(zhì)量高高中等較低一般材料價格較貴較便宜中等較貴中等2.5.4 3D打印所用的材料3D打印材料的發(fā)展是3D打印技術發(fā)展的重要組成部分,同時它也是制約著3D打印技術發(fā)展的主要瓶頸。目前3D打印材料主要包括工程塑料(ABS、PLA等)、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料、陶瓷材料等,除此之外還有彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物材料等也在3D打印領域得到廣泛應用。如3D打印材料的形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、片層狀、液體狀等,打印材料的粒子直徑也不同,這些材料都是為專門的3D打印設備和工藝專門研發(fā)的。2.6 五種工藝打印耗材如表1-2所示打印耗材的對比FDM材料SLA材料SLS材料LOM粘結成型材料ABS紙石蠟熱塑性塑料金屬膜尼龍光敏樹脂金屬粉末塑料薄膜石膏聚碳酸酯陶瓷粉末PLA本文采用的是ABS作為打印材料,F(xiàn)DM成型工藝,因為其價格相對低廉、成型簡單,目前被廣泛的應用生產(chǎn)實踐當中。2.7 串并聯(lián)3D打印機對比目前3D打印機按機構執(zhí)行類型分為串聯(lián)式3D打印機和,并聯(lián)式3D打印機。a) 串聯(lián)式3D打印機的執(zhí)行機構采用串聯(lián)機器人,其主要結構包括,熱床,光桿、電機、帶輪、同步帶。其機構如下圖2-12所示,用于驅動的電機和傳動的部件都固定在運動的零件上,從而導致整個系統(tǒng)的慣性變大,動力性能降低,這樣打印機打印很短的時間電機就發(fā)熱,降低了電機的使用壽命。并且熱床和噴頭由兩個電機驅動,由于運動速度不一樣從而使打印精度降低。圖2-12串聯(lián)式3D打印機b) 并聯(lián)式3D打印機的執(zhí)行機構采用delta并聯(lián)機構其機械部分的機構主要有,電機、同步帶、帶輪、直線導軌、支架、熱床、擠出機等如圖2-13所示。其優(yōu)點是,并聯(lián)3D機的打印頭是可以移動的,并且3個坐標軸的運動方向的精度統(tǒng)一。其打印速度也比串聯(lián)機構要快。圖2-13并聯(lián)式3D打印機3 并聯(lián)3D打印機機械結構的設計3.1 結構組成與工作原理本文設計的并聯(lián)式3D打印機,基本組成結構:鋁型材三角支撐架結構、并聯(lián)傳動機構、打印噴頭、和工作平臺組件組成。并聯(lián)式3D打印機的結構組成主要包括,工作平臺、打印頭、同步帶、同步帶輪、滑塊、連桿、導軌、電機等組成。在導軌的下方安裝三臺電機,每臺電機驅動軸上的帶輪做旋轉運動,同步帶輪依靠與滑塊固定在一起的同步帶,將帶輪的旋轉運動變?yōu)榛瑝K的直線運動,從而帶動滑塊在導軌上來回滑動,滑塊與打印頭之間依靠連桿連接,所以當滑塊運動時,從而依靠連桿帶動打印頭運動。為保證噴頭有良好的運動軌跡和較高的打印精度,該并聯(lián)機構要限制噴頭在各個方向的轉動自由度,從而實現(xiàn)噴頭在平面內(nèi)工作。3.2 構型設計根據(jù)設計要求,本文設計并聯(lián)式3D打印機采用了Delta式機械結構,其中連桿與動平臺的連接模型如圖3-1所示,驅動桿與機架間通過轉動副連接。其自由度F可以利用Kutzbach-Grubler公式計算:-運動桿數(shù)目-運動副數(shù)-運動副具有的自由度數(shù)目在該空間機構中由于有冗余自由度的存在,導致3組平行四邊形不能扭轉所以限制了3個轉動自由度,在實際的運動過程中是3個移動自由度。并且在運動過程中動平臺與靜平臺保持平行。,將以上數(shù)據(jù)帶入公式得 (3-1)圖3-1并聯(lián)式結構3.3 整體尺寸的計算原始的成型尺寸直徑是180mm180mm320mm,整體尺寸的計算如下圖3-2所示,在等邊三角形ABC中,圓O為其內(nèi)切圓,其中DO=EO=FO=90mm,AFBC,BEAC,DCAB,由三角形的幾何關系可得,AB=AC=BC=2BF=2FOtan60=211.769mm。綜合考慮,取三棱柱的底邊邊長為300mm,豎直高度取600mm。所以本文設計的并聯(lián)3D打印機的整體框架選擇鋁型材。相比于其它的材料,鋁型材具有質(zhì)量輕,而且比較容易生產(chǎn)加工,且在廢棄之后不會對環(huán)境造成污染。鋁型材的基本尺寸為300mm15mm15mm。圖3-2整體框架的簡化投影視圖3.4 連桿長度的確定與強度的校核帶動打印機打印頭的6根連桿的長度是相同的。下面要確定連桿的最大的長度值,保證打印機的三棱柱的整體的外形尺寸不變,當該運動機構的6根連桿共面時其處于極限位置時連桿的長度取得最值,此時的運動機構的模型如下圖3-3所示。圖3-3運動模型簡圖由投影簡圖可知,DABC為等邊三角形,其中AB=AC=BC=300mm,AFBC,BEAC,DCAB,由等邊三角形的三線合一的性質(zhì)可知,O為DABC的中心,所以AO=BO=CO=23AF=23ABsin60=0.67300sin60=174.066mm,所以連桿的最小長度為174.066。當滑塊移動最高位置時,噴頭處于極限位置,連桿長度取得最大值,此時該簡化的機構模型如圖3-4所示,圖3-4運動模型簡圖其中a=174.066,b=600,由勾股定理得 (3-2)所以連桿的最大長度為624.739mm綜上可得,連桿長度L的取值范圍為174.066mmL624.739mm,所以取直徑8mm為長度為190mm。連桿的強度校核計算:連桿在運動過程中會受到一定程度的拉伸,所以要校核連桿的強度。直徑為8mm的304不銹鋼桿。打印機在打印過程中連桿和打印頭的質(zhì)量都很?。ù蛴☆^的質(zhì)量在300g左右,),他們對連桿的強度影響可以忽略不計,綜上連桿所受的力約為10N。 (3-3)經(jīng)查機械設計手冊可得,304不銹鋼的抗拉強度,所以選擇直徑為8mm的不銹鋼滿足設計要求。3.5 電機的選型與計算電機控制系統(tǒng)按照運動過程分為驅動伺服和驅動步進兩大類它們的優(yōu)缺點如下表3-2所示,綜合考慮到控制要求,和成本要求,以及所設計的并聯(lián)3D打印機的實際工作要求。我選擇目前普遍使用的步進電機作為3D打印機的滑塊提供動力,即通過同步帶使滑塊在導軌上做直線運動,從而帶動噴頭運動。電機的選型要計算在各種工作情況下所需的等效負載力距、最大靜轉距、和啟動轉矩、功率、等特性選擇適合的步進電機。在本文中,要使打印機的噴頭最大移動速度達到20mm/s,要小于步進電機的額定轉速,電機要克服滑塊在運動時要克服自身的重力和連桿壓力的最大阻力,并且在電機停止時,步進電機可以保持最大靜轉矩有效防止滑塊因自身的重力而下落。而且要保證擠出機在出料的時候不失步,步進電機要提供足夠的轉矩。表3-2伺服電機與步進電機的比較伺服電機步進電機控制類型閉環(huán)控制開環(huán)控制控制方式不同伺服電機是通過控制脈沖的時間長短來控制轉動角度的步進電機是將接收的脈沖信號轉換成機械的角位移信號,每接收一個電脈沖信號,步進電機轉過一個步距角低頻特性交流伺服電機工作非常平穩(wěn),即使在低速時也不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。步進電機在低頻時會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。過載能力交流伺服電機具有較強的過載能力,可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性轉矩。步進電機無過載能力,有時為了克服慣性轉矩,往往選擇轉矩較大的電機。負載最大功率的計算: (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)由以上幾個公式推導出功率,由已知條件可知最大移動速度為,總的轉矩 (3-8) 又因為同步帶的傳動效率較高,且材質(zhì)較輕一般預緊后折算到電機軸上的附加摩擦轉矩可以忽略不計。所以。打印機的噴頭的質(zhì)量在約為300g,且載荷分配在6根相同的連桿上,滑塊質(zhì)量約為100g,一根連桿的質(zhì)量約為300g,摩擦因數(shù)非常小約為0.02所以 (3-9)帶入上述公式得P=1.810-4W根據(jù)計算初選電機北京升瑪興業(yè)科技有限公司的森創(chuàng)42BYG250CK二相混合式步進電機。其具體參數(shù)如表3-3、3-4所示,表3-3具體參數(shù)品牌森創(chuàng)型號420BYG250C額定功率36(W)產(chǎn)品類型步進電機額定電壓24(V)額定電流1.5(A)額定轉速85-240(r/min)額定轉矩0.54(N*m)外型尺寸42*42*48(mm)產(chǎn)品認證ce適用范圍自動化控制功率93%25 絕緣電阻500VDC 100MW Min軸向間隙1mm Max 徑向跳動0.02mm Max溫升65K Max 絕緣強度500VAC 1Min絕緣等級B級 使用環(huán)境溫度-25C+40C表3-4具體參數(shù)21相數(shù)步 距 角 ()靜 態(tài) 相 電 流(A)相 電 阻 (W)相 電 感 (mH)保 持 轉 矩 (N*M)定 位 轉 矩 (N*M)轉 動 慣 量 (gcm3)空 載 啟 動 頻 率 (KHZ)重 量20.9/1.81.51.32.10.230.012381.60.2120.9/1.81.51.32.10.230.012381.60.2120.9/1.81.52.15.00.430.015571.50.2320.9/1.81.52.15.00.430.015571.50.2320.9/1.81.52.03.850.540.025821.50.3620.9/1.81.52.03.850.540.025821.50.36(1)典型適配驅動器:SH-20402N SH-20403N SH-20806E SD-20403 SD-20504則加在步進電機上的轉動慣量為: (3-10) (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) (3-15)其中:電機軸所承受的等效負載轉矩,加速轉矩,:折算到電機軸上的摩擦轉矩 (3-17)步進電機加速所用時間(s),一般在0.31s之間選取,所以取0.67s電動機的轉速,單位. (3-18)式中空載最快移動速度,本文選??;步進電動機步距角,預選電動機為1.8;脈沖當量, 脈沖;求得: (3-19) (3-20) 式中滑塊與導軌間摩擦因數(shù),選取的滾動導軌為0.02;為電動機與帶輪轉速之比 (3-21) (3-22) (3-23) (3-24)安全系數(shù),對于開環(huán)控制,一般應在2.54之間。本文中取安全系數(shù),則步進電動機的最大靜轉矩應滿足: (3-25)綜上所訴選擇步進電動機型號為42BYG250CK,該型號電動機的最大靜轉矩為,遠大于。可見滿足要求。又因為一臺3D打印機上的3組傳動機構的組成相同,所以其余兩組的電機的選擇情況同上。3.6 同步帶的選型與計算3.6.1 傳動方案的選擇由打印機的整體尺寸和工作原理可知,本文設計的傳動屬于直線傳動,可選用的傳動方式可分為螺桿傳動和皮帶傳動兩種方式,兩種傳動的優(yōu)缺點比較如下表3-4所示:表3-4螺桿傳動和皮帶傳動的比較過載保護能力結構工作速度傳動效率制造和安裝精度緩沖吸振能力螺桿傳動無復雜較低較低較高無皮帶傳動較好簡單較高較高較低較好綜合上表所示的情況以及3D打印機的各方面的情況考慮,本文設計中選擇皮帶傳動,而皮帶傳動又分為同步帶傳動和V帶傳動,如下表3-5將對兩種傳動方式進行對比:表3-5V帶傳動和皮帶傳動的比較相對滑動傳動效率節(jié)能效率結構工作環(huán)境要求外廓尺寸V帶有低差簡單較高較大同步帶無高好復雜較低較小由上表的比較不難發(fā)現(xiàn),傳動的平穩(wěn)性和準確性對于保證3D打印機工作精度是至關重要的,同步帶比帶的傳動更加平穩(wěn)準確,因此本文選擇同步帶傳動。同步帶也稱同步齒形帶或齒形帶,是一種工作面為齒形的環(huán)形膠帶。3.6.2 選型計算與壽命校核(1)電機最大輸出功率的計算: (3-26)(2)設計功率:查現(xiàn)代機械師設計手冊第一章4-45得到工況系數(shù) (3-27)(3)小帶輪轉速計算:因為本文用的同步帶非常的薄,所以滑塊的滑動速度可以近似的看作帶輪的速度。 (3-28)(4)選定同步帶的帶型與節(jié)距,由下表可以看出,在本次設計當中功率和轉速都比較小,所以帶的型號可以任意的選擇,現(xiàn)在選擇XL型帶,查現(xiàn)代機械師設計手冊得節(jié)距(5)選取主動輪的齒數(shù)查表4.1-67可知,XL型帶當速度小于時最小齒數(shù)為10,現(xiàn)取主動輪齒數(shù)為24。(6)主動輪節(jié)圓直徑的確定 (3-29)(7)從動輪相關參數(shù)確定由于上下兩個帶輪的大小一樣,傳動比為1:1,所以從動輪的參數(shù)和主動輪的參數(shù)完全一樣,z2=16,pb=25.278mm(8)帶速v的確定 (3-30)(9)初定中心距得又因為打印的高度為320mm,查表4-43可知中心距可以根據(jù)結構要求而定,所以初定中心距。(10)初定帶的節(jié)線長度及齒數(shù) (3-31)根據(jù)表4.1-59和表4.1-60選擇接近的值及齒數(shù),(11)實際中心距 (3-32)(12)帶輪的嚙合齒數(shù) (3-33)查表知道對于XL型,一般 (13)基本額定功率 (3-34) , 帶寬為的拉力,見表4.1-74。M-帶寬為的單位長度的質(zhì)量kg/m,見表4.1-74。(14)帶寬 (3-35)bs0-選定型號的基準帶寬mm,見表4.1-74(15)切應力驗算 (3-36) -許用應力(16)壓強驗算 (3-37)-許用應力,見表4.1-77(17)作用在軸上的力 (3-38)表3-6所選的同步帶的幾何參數(shù)如下表所示型號節(jié)距齒形角齒高齒根圓半徑齒頂圓半徑帶高帶寬XL5.080501.270.380.382.276.43.7 同步帶輪的設計選取(1)周節(jié)制同步帶輪有漸開線齒形和梯形齒形兩種標準的齒形。 (2)同步帶輪的材料一般由鋼、鋁合金、灰鑄鐵、黃銅、和工程塑料的材料制造,當帶輪速度v30m/s 時常采用HT200,所以本文同步帶輪的材料。根據(jù)同步帶的幾何參數(shù)查現(xiàn)代機械設計手冊其具體參數(shù)如表3-7所示表3-7同步帶具體參數(shù)型號齒數(shù)齒高節(jié)距齒厚齒頂圓角直徑齒根圓角半徑齒寬XL241.40mm0.5085mm1.27mm0.61mm0.61mm7.9mm因為本文設置的帶輪有擋圈所以表4.1-83的XL型擋圈的最小高度為K=1.0,擋圈的厚度t取1.44mm,帶輪的外圓直徑: (3-39)外圓節(jié)徑:
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