并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip

并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip,并聯(lián),打印機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制,CATIA,三維,16,CAD 2016年第二屆控制、自動(dòng)化、和機(jī)器人的國際會(huì)議。基于三角形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的球形運(yùn)動(dòng)地址在臺灣省臺南市大學(xué)路一號701，Chung-Ping Young和Yen-Bor Lin成功大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)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(jī)器人手臂被分為兩類，包括串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩類。與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有精度高，剛度大、承載能力強(qiáng)、速度快、慣性小等優(yōu)點(diǎn)。這次工作提出并實(shí)施了一種機(jī)制，基于Delta的機(jī)器的修改和實(shí)驗(yàn)，即可執(zhí)行球形運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)在使用中是實(shí)用和穩(wěn)定的。根據(jù)定量評估,誤差在幾毫米之內(nèi)。關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)器人 球面運(yùn)動(dòng) Delta機(jī)器 自由度 逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)器人手臂。一 介紹工業(yè)中使用的機(jī)器人手臂被分為兩類：包括串聯(lián)機(jī)器人手和并聯(lián)機(jī)器人手。如圖一（a）和（b）所示， (a)串聯(lián)機(jī)器人 (b)并聯(lián)機(jī)器人圖1.兩類機(jī)器人工業(yè)手臂與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有精度高，剛度大、承載能力強(qiáng)、速度快、慣性小等優(yōu)點(diǎn)。Stewart平臺1誕生之后其應(yīng)用程序也誕生了，研究人員創(chuàng)造了許多不同的機(jī)制。Delta機(jī)器人是最受歡迎的解決方案之一，被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。用戶可以選擇適合他們自由度和末端執(zhí)行器來應(yīng)用，如機(jī)器人手臂移動(dòng)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(jī)器是3D打印機(jī)中流行的兩種類型。典型地，笛卡爾3D打印機(jī)放置一個(gè)方形的平臺，它的頭部運(yùn)動(dòng)被分解為x、y和z軸，且軸的每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。相比之下Delta 3D打印機(jī)將三個(gè)手臂布置成三角形結(jié)構(gòu)，負(fù)載分部在三個(gè)部分，每個(gè)電機(jī)承受較小的負(fù)載。這種不同有利于打印的速度和準(zhǔn)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(jī)、機(jī)械爬行、激光切割機(jī)、作為符合應(yīng)用最終效應(yīng)器。然而, 大多數(shù)常用的Delta機(jī)器人末端執(zhí)行器僅限于平行移動(dòng)到基礎(chǔ)平臺。雖然有幾個(gè)機(jī)器人執(zhí)行球形運(yùn)動(dòng)，但是他們都沒有為Delta機(jī)器人專門設(shè)計(jì)。一般來說，需要更多的電機(jī)和更復(fù)雜的接頭來使末端執(zhí)行器完成球形運(yùn)動(dòng)并增加運(yùn)動(dòng)的自由度。在本文中，我們的目標(biāo)是提出一個(gè)新的機(jī)制，以稍微增加或同等的成本使機(jī)器人執(zhí)行球形運(yùn)動(dòng)。如移動(dòng)平臺和連桿的重新設(shè)計(jì)使得相應(yīng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析也可以實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，最初的Delta 3D打印機(jī)由三角形移動(dòng)平臺兩側(cè)的一對平行桿組成，如圖2（a）所示， （a）平行聯(lián)動(dòng) （b）擬議鏈接圖2. Delta機(jī)器人框架的原始設(shè)計(jì)和建議設(shè)計(jì)他們確保移動(dòng)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(yùn)動(dòng)的目標(biāo)相沖突。為了支持球形運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人需要使末端執(zhí)行器偏移，俯仰和翻轉(zhuǎn)為此還提出了一些輔助結(jié)構(gòu)來使系統(tǒng)穩(wěn)定，為此對固件進(jìn)行了修改，以配合新提出的物理機(jī)制。為了導(dǎo)出末端執(zhí)行器的方向和位置，正向運(yùn)動(dòng)學(xué)理論上是關(guān)節(jié)角度和連桿長度已知或測量時(shí)的方法。相反地，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)是指定末端效應(yīng)器的期望位置時(shí)導(dǎo)出關(guān)節(jié)角度的方法。由于前向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法可能會(huì)遇到多種解決方案，因此逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)將在這項(xiàng)工作中得以實(shí)現(xiàn)。有許多開源固件可以驅(qū)動(dòng)包含Sprinter，RepRap，Grbl和Marlin的3D打印機(jī)，它們可以驅(qū)動(dòng)Sprinter和Grbl。 用戶可以修改配置以滿足機(jī)器的需求。Marlin被選擇在本工作中進(jìn)行修改，以便為示范的實(shí)用性和性能提供示例實(shí)施。二 相關(guān)工作多項(xiàng)研究致力于機(jī)器人的球面運(yùn)動(dòng)。桂林楊采用三個(gè)相同的轉(zhuǎn)動(dòng)連接棱柱關(guān)節(jié)和球形（RPRS）腿來支撐移動(dòng)平臺2，Yan-Jin提出了一種選擇性致動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的末端執(zhí)行器可以執(zhí)行6種自由度運(yùn)動(dòng)，即3自由度球面運(yùn)動(dòng)和3自由度平移三自由度運(yùn)動(dòng)3。雖然它們的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與我們提出的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，但運(yùn)動(dòng)學(xué)分析對于我們構(gòu)建球形運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的最完整的并聯(lián)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)算法有助于設(shè)計(jì)我們的系統(tǒng)。Indrawanto介紹了Stewart平臺的設(shè)計(jì)和控制，以討論其特性和局限性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評估控制器的性能4。Mamoon提出了一種改進(jìn)的Stewart平臺，并允許使用便宜的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器5。其他類似Delta或Stewart-lie的機(jī)器人也被開發(fā)出來。Patane.F開發(fā)了一種電動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人，由一個(gè)由三個(gè)固定式線性電動(dòng)執(zhí)行器控制的移動(dòng)底座組成，該執(zhí)行器連接到相應(yīng)的浮動(dòng)和長度固定臂6。在文獻(xiàn)7中，Xianqiang Y.使他們的機(jī)器人模仿人體肩部的運(yùn)動(dòng)，四根電纜在運(yùn)動(dòng)平臺上對稱分布。 電纜的一端連接到移動(dòng)平臺，另一端連接到地下室的電機(jī)。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(jī)器人的設(shè)計(jì)和硬件。他們還討論了轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)8。 在9中，Aleksandrovich描述了一種新的三自由度操縱器。 機(jī)器人使用三條運(yùn)動(dòng)鏈，每條鏈包含一個(gè)平行四邊形或兩個(gè)位于底部的萬向節(jié)。平四邊形通過旋轉(zhuǎn)對連接到基座。總之，上述機(jī)器人在機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)算法上是復(fù)雜的。 本文提出了一種簡單的解析解法來簡化球面運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)。三 實(shí)施本節(jié)介紹基于Rostock 3D打印機(jī)的示例實(shí)施，以表明所提出的設(shè)計(jì)能夠成功實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。硬件組件和軟件組件之間的關(guān)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(jìn)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(xì)節(jié)將在下面進(jìn)行描述。A.硬件實(shí)現(xiàn)圖4說明了這個(gè)示例實(shí)現(xiàn)的硬件體系結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)g代碼是從連接的個(gè)人計(jì)算機(jī)或SD讀卡器的串行端口獲得的，收到的信息在Arduino mage 2560上進(jìn)行分析和處理，然后發(fā)送給Ultimaker，通過GPIO信號達(dá)到1.5.7 pcb，pcb上的三個(gè)A4988芯片有助于發(fā)送控制信號來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)器。此外，還有三個(gè)歸位開關(guān)提供信號脈沖來終止歸位過程，而末端執(zhí)行器重新到達(dá)目標(biāo)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(gè)電路板，并能夠支持多達(dá)5個(gè)步進(jìn)器。在我們提出的設(shè)計(jì)中只需要3個(gè)步進(jìn)器。它采用高于12伏的電壓來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)器的控制變得更容易，更多的引腳可以執(zhí)行其他任務(wù)。羅斯托克3D打印機(jī)是由Johann在美國西雅圖于2012年建造的線性三角洲3D打印機(jī)。Github和Thingiverse網(wǎng)站上發(fā)布了大量固件和相關(guān)開發(fā)工具。任何人都可以免費(fèi)修改配置和軟件包以適合指定的機(jī)器。如圖5所示的原始圖像是為這個(gè)示例實(shí)現(xiàn)而構(gòu)建的。圖5. 羅斯托克3D打印機(jī)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(gè)鏈接因此，移動(dòng)平臺能夠旋轉(zhuǎn)（偏航，俯仰和滾轉(zhuǎn)），但它變得不穩(wěn)定并且失去了重復(fù)性。這意味著對于給定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dòng)平臺偏航。在三對彈簧的作用下，移動(dòng)平臺再次變得穩(wěn)定和可重復(fù)，并且還設(shè)計(jì)了一種新的控制該機(jī)器的算法。B.軟件實(shí)現(xiàn)Marlin是選擇的開源項(xiàng)目，它結(jié)合了名為Sprinter和Grbl的兩個(gè)固件。它設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)控制面板，讀取g代碼，控制步進(jìn)電機(jī)，控制擠出機(jī)，控制加熱器以及操作SD卡。軟件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)我們專注于兩部分，包括運(yùn)動(dòng)算法和計(jì)劃運(yùn)動(dòng)庫。對于本文中的陳述，如圖8所示的笛卡爾坐標(biāo)用于聲明符號，相對于x軸，y軸和z軸方向的旋轉(zhuǎn)定義為滾動(dòng)，俯仰和偏航。圖8.Cartesian坐標(biāo)此外，角度分別為a，b，和。對于擬議的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，提出一項(xiàng)新動(dòng)議模型是為了計(jì)算逆運(yùn)動(dòng)學(xué)而建立的。由于彈性平衡，禁止偏航。根據(jù)提出的設(shè)計(jì)，移動(dòng)平臺保持朝向基座的中心，如圖9所示，圖9.移動(dòng)平臺保持朝向基地的中心我們假設(shè)在工作平面上有一個(gè)虛擬中心標(biāo)記為C，然后觀察到移動(dòng)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(dòng)平臺上中心的軌跡（b）移動(dòng)平臺的圓柱形工作空間（c）三角機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（d）位置矢量圖 圖10.球形軌跡和幾何參數(shù)當(dāng)移動(dòng)平臺沿著z軸方向移動(dòng)時(shí)，該移動(dòng)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(dòng)。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(dǎo)出。P1，P2和P3是移動(dòng)平臺的三個(gè)峰值。三個(gè)標(biāo)記為T1，T2和T3的接頭將移動(dòng)平臺連接到基座。因此，如圖10（c）所示，存在兩個(gè)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(guān)系在下面的（1）至（4）中給出。OA=OB=OC=ROP1=OP2=OP3=r點(diǎn)A，B和C的坐標(biāo)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(diǎn)P1，P2和P3的坐標(biāo)。P1=rcos6 rsin-6 0P2=rcos2 rsin2 0P3=rcos-76= rsin-76 0為了組合這兩個(gè)坐標(biāo)，分析位置矢量。如圖11所示，圖11移動(dòng)平臺從點(diǎn)M移動(dòng)到點(diǎn)T.在從點(diǎn)M移動(dòng)到點(diǎn)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(jì)算是關(guān)聯(lián)性的而不是交換性的，因此確定旋轉(zhuǎn)矩陣的操作的排序是非常重要的。該順序表示根據(jù)哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn),請注意，提出的機(jī)器人不會(huì)偏航。我們的目標(biāo)是在給出標(biāo)記0的末端執(zhí)行器的位置時(shí)計(jì)算三個(gè)執(zhí)行器的坐標(biāo)。如（5）所述，這些是T1，T2和T3，它們支配飛機(jī)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(gè)聯(lián)系的公共長度。 然后導(dǎo)出下面的等式Tiz=L2-(xi-Tix)2-(yi-Tiy)2+Zi，i=1,2,3在此示例實(shí)施中，第一項(xiàng)的符號選擇為負(fù)數(shù)。Marline軟件包中名為calculate delta的函數(shù)計(jì)算執(zhí)行器與目標(biāo)坐標(biāo)的位置，主要針對新提出的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)修改輸入。設(shè)置了一些基本配置來驅(qū)動(dòng)使用過的主板以及步進(jìn)器，并添加了名為DELTA FIXMID OFFSET的參數(shù)來表示移動(dòng)平臺與虛擬中心C之間的距離。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢查建議設(shè)計(jì)的正確性，并按本節(jié)所述評估準(zhǔn)確性。首先，在MATLAB中實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯模型，以便可視化地觀察狀態(tài)。其次，進(jìn)行了驗(yàn)證的物理實(shí)施，以證明其實(shí)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(yùn)行的性能。他們將在下面的小結(jié)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(jì)數(shù)據(jù)坐標(biāo)在文本字段中給出，然后導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角度并顯示在以下兩個(gè)字段中。有了這個(gè)工具，移動(dòng)手勢就清晰地展現(xiàn)出來了。B. 物理驗(yàn)證為了驗(yàn)證移動(dòng)平臺有意朝向虛擬中心，實(shí)施的3D打印機(jī)制作了一個(gè)半徑5厘米，高7厘米，半球形的圓柱體，如圖13左側(cè)所示，圖13.圓柱體和產(chǎn)生的半球。該特性已經(jīng)過驗(yàn)證，使激光筆處于法線方向。 圖14（a）表示當(dāng)建議的3D打印機(jī)在固定高度移動(dòng)并執(zhí)行球形運(yùn)動(dòng)時(shí)激光點(diǎn)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(dòng)路徑 （b）側(cè)面圖14（a）。圖14.保持向虛擬中心的檢查。檢查了不同的旋轉(zhuǎn)角度0，并在IV-C部分給出了正確性和穩(wěn)定性。開始時(shí)，激光點(diǎn)被校準(zhǔn)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(huì)產(chǎn)生大量的位置誤差放大距離效應(yīng)。因此，我們用圖6（a）所示的六個(gè)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(dòng)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(diǎn)停留在半徑為0.25mm的內(nèi)圓區(qū)域，整個(gè)建議的系統(tǒng)應(yīng)該是正確的，如圖15所示，15（b）經(jīng)過十次試驗(yàn)后。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，它已經(jīng)完成了。從左到右（a）用六個(gè)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(luò)攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)。定量評估以5個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)度進(jìn)行，測試程序使用OpenCV庫進(jìn)行編碼，以便在機(jī)器執(zhí)行測試項(xiàng)目時(shí)記錄視頻數(shù)據(jù)。 我們計(jì)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(cuò)誤。 在工作平面中心位置坐標(biāo)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(gè)像素代表0.192mm，通過測量的13個(gè)像素的0.25cm距離得出?？傊鐖D16所示，圖16.10次爆炸后旋轉(zhuǎn)角度不同的位置誤差隨著旋轉(zhuǎn)度增加，位置偏移從0.7mm增加到2.91mm。錯(cuò)誤來自不平衡的彈性和關(guān)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(shè)計(jì)是穩(wěn)定的，準(zhǔn)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(jī)床的生產(chǎn)性能進(jìn)行了比較，如表II所示。與具有相似的執(zhí)行球形運(yùn)動(dòng)能力的類似機(jī)器相比，發(fā)現(xiàn)成本顯著較低。記錄的激光位置旋轉(zhuǎn)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(cuò)誤1.873.563.947.1611.96X坐標(biāo)的最大誤差1.352.883.136.449.42Y坐標(biāo)的最大誤差1.291.922.413.137.37產(chǎn)生性能的比較機(jī)器自由度準(zhǔn)確性工作區(qū)價(jià)格CROSS-I I06ill,30.005900x600x6001500000AweaFV-96050.01960x600x4801200000CNC 3040 Table ColumnType Engraving Machine50.02300x400x15050840This Work3470x70x200110005 結(jié)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(shí)現(xiàn)，以獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，功能得以實(shí)現(xiàn)，位置偏移得到了良好的控制。該系統(tǒng)是一個(gè)很好的解決方案，可以滿足幾毫米精度的應(yīng)用要求。 未來，電子彈簧被認(rèn)為是集成在一起，以更精確的方式進(jìn)行控制，以提高該系統(tǒng)的精度。參考文獻(xiàn)：1 B. 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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(wù)書 XXX 學(xué)院 XXX 專業(yè) XXXX 屆 題 目并聯(lián)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制專業(yè)班級學(xué)生姓名指導(dǎo)老師任務(wù)書下發(fā)日期設(shè)計(jì)截止日期難度系數(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容：本題目來源于3D打印制造業(yè)領(lǐng)域。并聯(lián)3D打印機(jī)因其具有動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)動(dòng)精度高、靈活性強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于制造業(yè)中。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是應(yīng)用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。通過該設(shè)計(jì)，使學(xué)生在設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及零件強(qiáng)度計(jì)算、電路圖繪制、查閱文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用能力方面受到一次綜合訓(xùn)練，達(dá)到鞏固和綜合運(yùn)用所學(xué)知識，掌握正確設(shè)計(jì)思想與方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。并聯(lián)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求完成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算、連桿的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核。電機(jī)的選型與計(jì)算，最終完成其機(jī)械與控制部分整體設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要要求:設(shè)計(jì)完成:（1） 機(jī)電設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)；（2） 機(jī)械總裝配設(shè)計(jì)、零件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3） 電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制部分選型及設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(shè)備總裝配圖（計(jì)算機(jī)出圖）；設(shè)備所有零件圖（計(jì)算機(jī)出圖）；手繪圖A1張；設(shè)計(jì)圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設(shè)計(jì)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(bào)告不少于3000字。 主要參考文獻(xiàn)：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(shù)研究 J. 新技術(shù)新工藝,2005(6):77-802李小麗, 馬劍雄, 李萍, 等. 3D 打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢J. 自動(dòng)化儀表, 2014, 35(1): 1-5.3陳浩正. 3D 造像:前沿技術(shù)引發(fā)無限想象J. 人像攝影, 2013, (6):208-212.任務(wù)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(xué)院審核意見:學(xué)院院長(簽章): 年 月 日備注注：任務(wù)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(wù)書后面，并在主要要求中標(biāo)明：“見附件”并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制開題報(bào)告、課題論證1.1課題研究的目的與意義眾所周知，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，一個(gè)國家的進(jìn)步與發(fā)展靠的是先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，3D打印技術(shù)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(fù)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(jì)環(huán)保當(dāng)下，深受制造行業(yè)的重視。英國的著名雜志經(jīng)濟(jì)學(xué)人雜志指出，3D打印將推動(dòng)第三次工業(yè)革命。金融時(shí)報(bào)也稱 3D 打印機(jī)將像蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、計(jì)算機(jī)一樣開創(chuàng)一個(gè)嶄新的工業(yè)時(shí)代。為了抓住這次機(jī)遇推動(dòng)我國3D打印技術(shù)的發(fā)展，我國政府也大力頒布相關(guān)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(shù)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完成一臺并聯(lián)3D打印機(jī)，了解打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu),控制功能。1.2文獻(xiàn)綜述（相關(guān)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(xué)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(dāng)時(shí)的制造水平還很落后,該想法只作為一個(gè)概念模型存在,隨著社會(huì)的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,直到19世紀(jì)80年代 Charles W.Hull在美國 UVP公司的支持下，設(shè)計(jì)并完成了第一臺能實(shí)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(shù)不斷發(fā)展,不斷走向進(jìn)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(shù)，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(jié)累加制造出三維實(shí)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(jī)”（SLA-250），標(biāo)志著 3D 打印技術(shù)的誕生。1992 年美國麻省理工學(xué)院的 Saches E.M.和 Cima M.J.等首次對 3D 打印技術(shù)做出了概念性的描述。麻省理工大學(xué)在1993年獲得三維印刷技術(shù)(3DP)專利。3D打印機(jī)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(shè)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(rèn)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(lǐng)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(jī) Spectrum Z510，同年，英國巴恩大學(xué)的 Arian Bowyer 發(fā)起開源 3D 打印機(jī)項(xiàng)目 Rep Rap，從此桌面 3D 打印機(jī)進(jìn)入 DIY 時(shí)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(guān)系，生產(chǎn) HP品牌的 3D 打印機(jī)。2011年美國宣布一項(xiàng)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(lǐng)先地位。奧巴馬說他希望3D打印技術(shù)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(shù)將帶動(dòng)第三次工業(yè)革命，引起 3D 打印技術(shù)的研究熱潮。2013年，3D 打印在環(huán)球科學(xué)最值得銘記、對人類社會(huì)產(chǎn)生影響最為深遠(yuǎn)的十大新聞中排名第九。在此基礎(chǔ)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(diǎn)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(gè) 3D 打印項(xiàng)目。2014 年11 月，韓國發(fā)布了一個(gè)長達(dá) 10 年的 3D 打印戰(zhàn)略規(guī)劃，以推動(dòng)和發(fā)展 3D 打印技術(shù)。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(shù)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(dá)的城市都建立了3D打印的服務(wù)機(jī)構(gòu)和3D打印的研究場所。這使得我國的3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展，很快與國際社會(huì)接軌。以聚乳酸（Polylacitc Acid）作為 3D 打印材料的3D打印設(shè)備在國內(nèi)出現(xiàn)，像3D打印Delta機(jī)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(xué)成功研制的工業(yè)級 1.2 米1.2米制造裝備，該設(shè)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(dāng)時(shí)世界上最大成型空間的快速制造裝備。西安交通大學(xué)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(dá)到 0.2mm。中國科技大學(xué)推出了具有轉(zhuǎn)換功能的八噴頭組合噴射裝置，在微制造及光電器件領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。雖然我國生產(chǎn)的3D打印機(jī)裝備的功能已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平，但是一些打印機(jī)的關(guān)鍵部件仍需要從國外進(jìn)口，此外我國的材料品種也遠(yuǎn)沒有國外豐富，許多研發(fā)材料都需要從國外進(jìn)口，從而也導(dǎo)致了3D打印技術(shù)的研發(fā)成本大大提高，成為阻礙了該技術(shù)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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、國家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域、2014 年度備選項(xiàng)目征集指南，其中提到，要突破 3D打印核心關(guān)鍵技術(shù)，研制重點(diǎn)裝備產(chǎn)品，并在相關(guān)領(lǐng)域開展驗(yàn)證，初步具備開展全面推廣應(yīng)用的技術(shù)、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(jìn)計(jì)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(lǐng)域還有很長的路要走，但同時(shí)也說明了我國在該項(xiàng)領(lǐng)域的發(fā)展空間巨大。1.2.3并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel mechanism）是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其動(dòng)平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)架相聯(lián)接。早在1965年德國Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于制作飛行模擬器來訓(xùn)練飛行員。澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授Hun在1978年提出Stewart機(jī)構(gòu)接近人體結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)用于機(jī)器人手臂。加拿大著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，奇異性分析等建立了完整的理論體系。國內(nèi)機(jī)構(gòu)學(xué)專家Fang和Huang等提出了螺旋理論并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)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(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的平臺是采用3個(gè)非對稱的結(jié)構(gòu)方式分布，有較大的工作空間。李江濱對基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的 3D 打印機(jī)的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出在通過對 3D 打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差標(biāo)定來提高打印機(jī)的打印精度。還有不少學(xué)者在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用上做出了很大的貢獻(xiàn)，提出許多不同的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，并對進(jìn)行了大量的分析研究工作，都是可以較好的應(yīng)用在熔融沉積制造的 3D 打印技術(shù)上。并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在近年來發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于，工業(yè)機(jī)器人，3D打印等各項(xiàng)領(lǐng)域。1.3課題研究的內(nèi)容、總體方案及技術(shù)路線、進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)，由于自身的先天條件不足。不能更好的適應(yīng)市場高速度，高精度的需求。并聯(lián)3D打印機(jī)因其具有承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)動(dòng)精度高、多功能靈活性強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是應(yīng)用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。通過本次設(shè)計(jì)，完成設(shè)備總體方案的設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件強(qiáng)度校核計(jì)算、繪制并聯(lián)3D打印機(jī)的工程圖、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編寫控制程序、繪制控制電路圖、查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)、從而達(dá)到鞏固綜合運(yùn)用所學(xué)知識，掌握正確的設(shè)計(jì)思想與方法目的。1.3.2設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設(shè)計(jì)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(bào)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(shù)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(shù)參數(shù)的確定，以及選擇符合要求的驅(qū)動(dòng)裝置。第三章：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電機(jī)的選型與計(jì)算、驅(qū)動(dòng)器的選型與計(jì)算、完成同步帶、連桿設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，并繪制裝配圖，零件圖。第四章：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，編寫程序，繪制電路圖。第五章：結(jié)論，總結(jié)全文。第六章：注明參考文獻(xiàn)，致謝。1.3.4進(jìn)度安排及設(shè)計(jì)線路時(shí)間設(shè)計(jì)任務(wù)及要求第1周分析、查閱資料，熟悉設(shè)備技術(shù)要求、背景，學(xué)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)知識，做好前期準(zhǔn)備工作。第2周撰寫開題報(bào)告 和外文翻譯，準(zhǔn)備開題報(bào)告答辯PPT。第3-4周總體方案的設(shè)計(jì),機(jī)械部分與控制部分選型設(shè)計(jì)第5-6周電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的選型計(jì)算，編寫電機(jī)控制程序，繪制電路圖第7周完成3D打印機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)工作第8-9周機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成關(guān)鍵零部件的選型與校核第10-11周完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，畫工程圖，零件圖第13周整理編寫設(shè)計(jì)說明書，交指導(dǎo)老師審定，制作答辯提綱，設(shè)計(jì)定稿，打印，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。第14周進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。1.3.5注意存在的問題1. 設(shè)計(jì)方案,進(jìn)度安排要詳細(xì)具體。2. 論文格式，參考文獻(xiàn)要規(guī)范。3. 論文內(nèi)容要充實(shí)詳細(xì)。4. 繪制圖紙時(shí)要規(guī)范，應(yīng)有標(biāo)題欄，標(biāo)注要詳細(xì)。5. 按照畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，獨(dú)立認(rèn)真完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。1.4參考文獻(xiàn)1 李小麗, 馬劍雄, 李萍, 等. 3D 打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢J. 自動(dòng)化儀表, 2014, 35(1): 1-5.2 陳浩正. 3D 造像:前沿技術(shù)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(shù)研究 J. 新技術(shù)新工藝,2005(6):77-804 重慶設(shè)計(jì)出 3D 打印并聯(lián)機(jī)器人J. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2013,06:25.5 黃真并聯(lián)機(jī)器人及其機(jī)構(gòu)學(xué)理論燕山大學(xué)學(xué)報(bào)1998.6 李紅兵. 3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析J. 安徽省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所, 2013(9):55-56.7 汪開勇，劉又午等.熔融沉積制造的熱學(xué)模型和工藝控制研究J.中國機(jī)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(jìn)的現(xiàn)代制造技術(shù)明，鑄造技術(shù)，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(jī)械工程學(xué)報(bào).9 楊斌. 3-RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精度研究D.中北大學(xué),2014.10 Scans E M, Haggerty J S, Cima M J. Three Dimensional Printing TechniqueP:US pantent, NO.5204055,1993.1李堅(jiān)，許民，包文慧.影響未來的顛覆性技術(shù)：多元材料混合智造的3D打印.東北林業(yè)大學(xué)木材仿生智能科學(xué)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(shù)研究J.新技術(shù)新工藝,2005(6):77-80.3王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析J.中國高新技術(shù)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(xué).朱華.3D打印技術(shù)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(xué)模型和工藝控制研究J.中國機(jī)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(jìn)的現(xiàn)代制造技術(shù)明，鑄造技術(shù)，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(jié)論（1）方案可行，技術(shù)路線清晰 （2）方案可行，技術(shù)路線基本清晰 （3）方案基本可行，技術(shù)路線不很清晰 （4）方案和技術(shù)路線不很清晰 （5）方案和技術(shù)路線不清晰 3、指導(dǎo)教師意見： 教研室主任意見：指導(dǎo)教師（簽名）： 教研室主任（簽名）：年 月 日 年 月 日注：(1) 開題報(bào)告是用文字體現(xiàn)的設(shè)計(jì)（論文）總構(gòu)想，篇幅不必過大，但要把計(jì)劃設(shè)計(jì)的課題、如何設(shè)計(jì)、理論依據(jù)和研究現(xiàn)狀等主要問題說清楚；(2) 字?jǐn)?shù)不少于3000字，參考文獻(xiàn)不少于6篇，印刷字符在10萬印刷符以上。 并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制Design and Control of Parallel 3D Printer Structure摘 要3D打印技術(shù)在20世紀(jì)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(jī)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(lǐng)域廣泛，隨著3D打印技術(shù)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(shè)計(jì)任務(wù)書的具體要求，對并聯(lián)3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其中包括驅(qū)動(dòng)元件步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算與強(qiáng)度校核、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型計(jì)算與強(qiáng)度校核，這其中包括同步帶的選型計(jì)算與強(qiáng)度校核，以及為了保證3D打印機(jī)的精度，采用張緊輪對同步帶進(jìn)行預(yù)緊。因?yàn)椴⒙?lián)式3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式是將同步帶輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑塊沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)，所以對滑塊連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型計(jì)算與強(qiáng)度校核。接著3D打印技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)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(jī)的硬件控制系統(tǒng)，選擇Arduino作為控制器，A4988作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，ramps1.4作為控制板。關(guān)鍵詞：3D打印 強(qiáng)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(shù)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(shè)計(jì)52.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述52.2 并聯(lián)3D打印機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)52.3 并聯(lián)3D打印機(jī)的硬件控制系統(tǒng)72.4 并聯(lián)3D打印機(jī)的軟件控制系統(tǒng)112.5 3D打印機(jī)的工作機(jī)理分析及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案112.5.1 3D打印的原理112.5.2 3D打印累計(jì)技術(shù)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(jī)對比143 并聯(lián)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)153.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理153.2 構(gòu)型設(shè)計(jì)163.3 整體尺寸的計(jì)算163.4 連桿長度的確定與強(qiáng)度的校核173.5 電機(jī)的選型與計(jì)算183.6 同步帶的選型與計(jì)算223.6.1 傳動(dòng)方案的選擇223.6.2 選型計(jì)算與壽命校核233.7 同步帶輪的設(shè)計(jì)選取253.8 導(dǎo)軌的選擇計(jì)算與強(qiáng)度校核263.9 滾動(dòng)軸承274 3D打印編程技術(shù)與通用算法274.1 3D打印機(jī)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(jié)與展望305.1 全文總結(jié)305.2 展望32參考文獻(xiàn)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(gè)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(biāo)志，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)受到了各國制造業(yè)的廣泛關(guān)注。據(jù)英國著名雜志經(jīng)濟(jì)學(xué)人報(bào)道：3D打印技術(shù)使制造個(gè)性化、產(chǎn)品定制化成為可能，人們可以在沒有復(fù)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(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)，因此，3D打印技術(shù)將帶動(dòng)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)生重大變革1。為加快3D打印技術(shù)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(jì)劃累計(jì)投入5億美元資金用于3D打印技術(shù)2，時(shí)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(xué)、企業(yè)、政府之間建立了眾多的技術(shù)聯(lián)盟包括“大型航空航天部件快速生產(chǎn)計(jì)劃”（RAPOLAC），面向大規(guī)?？蛻舳ㄖ坪退幤飞a(chǎn)的“自定制”（Custom Fit）計(jì)劃等。為了抓住這次機(jī)遇，推動(dòng)我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國政府也大力頒布相關(guān)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(jìn)規(guī)劃計(jì)劃（2015-2016），計(jì)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(shù)水平與國際同步。國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)規(guī)劃計(jì)劃（2017-2020）計(jì)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(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。在2015年求是雜志第20版發(fā)表的李克強(qiáng)總理的題為催生新的動(dòng)能實(shí)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(jì)委員會(huì)副主任，工信部前部長李毅中在第三屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)的開幕式致辭時(shí)表示，“在中國制造2025規(guī)劃當(dāng)中，有五個(gè)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(shè)工程之一”在他看來打造3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，可以推動(dòng)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(fēng)，在不久的將來我國的3D打印產(chǎn)業(yè)將會(huì)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。1.1.2 選題的意義隨著社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展，人們對商品的個(gè)性化要求日益提高，對于一些形狀復(fù)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(qū)動(dòng)下，3D打印技術(shù)具有極大的商機(jī)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fù)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(shù)進(jìn)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(yīng)的設(shè)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(shí)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(chǔ)上，并且加工產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗時(shí)和成本就越多。3D打印機(jī)能使部件一體化成型，不需要組裝。(3) 設(shè)計(jì)空間廣闊：傳統(tǒng)制造技術(shù)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(jī)僅能制造模鑄形狀，3D打印機(jī)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(jī)器仍需要熟練的專業(yè)人員對機(jī)器進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，3D打印機(jī)在制造產(chǎn)品的時(shí)候直接把計(jì)算機(jī)繪制的三維模型打印出來，降低了對技術(shù)人員的依賴程度并且3D打印機(jī)的操作技能相比傳統(tǒng)機(jī)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(jī)器相比，3D打印機(jī)非常的靈巧便捷，占地空間小，可以自由移動(dòng)。(6) 減少廢棄金屬浪費(fèi):尤其是在注重經(jīng)濟(jì)環(huán)保當(dāng)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(fèi)大量金屬材料，3D打印機(jī)在制造金屬產(chǎn)品過程中浪費(fèi)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(jié)合：傳統(tǒng)的機(jī)器將不同的原材料結(jié)合加工成一件產(chǎn)品是件難事，因?yàn)樵诩庸み^程中受到機(jī)器加工方法和成型機(jī)器種類的限制。隨著多材料3D打印技術(shù)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(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，被廣泛的應(yīng)用于汽車、家電和通信行業(yè)111.2 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀1892年，地質(zhì)學(xué)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(dāng)時(shí)技術(shù)水平比較落后,這個(gè)想法僅僅稱為一個(gè)概念模型。直到19世紀(jì)80年代，在美國 UVP公司的支持幫助下，Charles W.Hull設(shè)計(jì)完成了第一臺能實(shí)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(shù)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(shù)，該技術(shù)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(jié)累加制造出三維實(shí)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(jī)”（SLA-250），如圖1-2所示，這標(biāo)志著 3D 打印技術(shù)的誕生13。圖1-2液態(tài)光敏樹脂高精度3D打印機(jī)1992年，美國麻省理工學(xué)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(jī)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(shè)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(rèn)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(jī)Spectrum Z510，同年，英國巴恩大學(xué)的Arian Bowyer發(fā)起開源3D打印機(jī)項(xiàng)目 RepRap，從此桌面 3D 打印機(jī)進(jìn)入 DIY 時(shí)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(guān)系，生產(chǎn) HP品牌3D打印機(jī)。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(yīng)用到許多領(lǐng)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(shù)發(fā)展起步較晚，但在政府部門的大力支持下，許多發(fā)達(dá)城市都建立了3D打印服務(wù)機(jī)構(gòu)和3D打印研究場所。這使得我國3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并且很快與國際社會(huì)接軌。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)許多高校開展了3D打印技術(shù)自主研發(fā)，清華大學(xué)在現(xiàn)代成型理論、分層實(shí)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(jī)如圖1-3所示，圖1-3清華大學(xué)自主研發(fā)的3D打印機(jī)經(jīng)過十多年的刻苦研究，華中科技大學(xué)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(xué)研制1.2 米1.2打印設(shè)備該設(shè)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(dāng)時(shí)世界上最大成型空間的快速制造裝備。中國科技大學(xué)推出了具有轉(zhuǎn)換功能的八噴頭組合噴射裝置，在微制造及光電器件領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景17。北京航天航空大學(xué)，湖南大學(xué)等高校已經(jīng)研發(fā)了激光3D打印機(jī)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(jī)研究方面取得了不俗的成果，2010年北京太爾時(shí)代科技有限公司推出了世界上首款3D打印機(jī)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(shí)體制造技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。并且該公司已有專利技術(shù)11項(xiàng)，自主專利7項(xiàng)。雖然在最近一段時(shí)間內(nèi)我國的3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得長足進(jìn)展，但在技術(shù)上仍存在瓶頸：（1）有的打印設(shè)備對打印材料要求非?？量?，如彩色石膏材料、人造骨粉材料、細(xì)胞生物原材、以及砂糖食品材料都是針對專門的3D打印設(shè)備研發(fā)的18。（2）打印成本的限制，市面上的一些打印機(jī)和打印材料價(jià)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(jià)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(shè)備由于受到機(jī)器自身精度和打印材料之間的沖突，造成打印速度低，導(dǎo)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(shù)方面與發(fā)達(dá)國家的差距日益減小，但在一些領(lǐng)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(huì)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(jī)械結(jié)構(gòu)，由于自身的先天條件不足。不能更好的適應(yīng)市場高速度，高精度的需求。并聯(lián)3D打印機(jī)因其具有承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)動(dòng)精度高、多功能靈活性強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)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(shè)備有關(guān)，作為3D打印設(shè)備核心的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能對其打印成型影響巨大。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是從3D打印機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出發(fā)從而提高3D打印機(jī)的性能。應(yīng)用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。通過本次設(shè)計(jì)，完成3D打印機(jī)總體方案的設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件強(qiáng)度校核計(jì)算、用繪圖軟件繪制并聯(lián)3D打印機(jī)的三維圖、工程圖。完成電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編寫控制程序、繪制控制電路圖、并查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，從而達(dá)到鞏固綜合運(yùn)用所學(xué)知識，掌握正確的設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)，完成并聯(lián)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇合適打印材料和成型方式。第三章：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，打印機(jī)整體尺寸的計(jì)算，完成電機(jī)的計(jì)算同步帶、連桿設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)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(jī)的固件開發(fā)環(huán)境、3D打印與Gcode等 第五章：結(jié)論，總結(jié)全文。注明參考文獻(xiàn)，致謝。2 總體方案的設(shè)計(jì)2.1 并聯(lián)3D打印的系統(tǒng)概述并聯(lián)3D打印機(jī)系統(tǒng)由打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shè)備涉及機(jī)械、材料、控制、電氣等多個(gè)學(xué)科，是一種復(fù)雜的機(jī)械電子系統(tǒng)。2.2 并聯(lián)3D打印機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)并聯(lián)3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括：電機(jī)、電源、導(dǎo)軌、絲杠或同步帶、加熱板/熱床、擠出機(jī)、機(jī)身結(jié)構(gòu)組成。(1) 電機(jī)：電機(jī)是3D打印機(jī)的主要控制部件，對于精度要求不高的一般選擇步進(jìn)電機(jī)，對于精度要求較高的一般選擇伺服電機(jī)。且伺服電機(jī)的價(jià)格較高，本文選擇的是步進(jìn)電機(jī)。(2) 電源：對于打印機(jī)的電源一般應(yīng)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(hù)功能。 電源為整個(gè)3D打印機(jī)裝置提供能量的支持，其供電的對象包括步進(jìn)電機(jī)、打印噴頭、熱床、控制板、風(fēng)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(fēng)扇。其輸入電壓為220V轉(zhuǎn)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(hù)措施等。(3) 導(dǎo)軌：按運(yùn)動(dòng)軌跡可分為直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和圓運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，光軸導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單精度較低、直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，價(jià)格和精度要比光軸導(dǎo)軌要高。本文選擇的是直線導(dǎo)軌(4) 并聯(lián)3D打印機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般有同步帶和絲杠兩種形式，絲杠傳動(dòng)效率高但是成本高。同步帶傳動(dòng)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(jī)：擠出機(jī)是3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中重要的部分之一，通過步進(jìn)電機(jī)將打印的原材料送入到加熱頭的噴嘴內(nèi)，將絲加熱到預(yù)定的溫度。并且由電熱調(diào)節(jié)器或熱電偶來進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)與監(jiān)控。當(dāng)先進(jìn)入的材料融化后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)將未融化的材料前進(jìn)并將融化的材料擠出。(7) 機(jī)身結(jié)構(gòu)：3D打印機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有三角形結(jié)構(gòu)、三角爪式結(jié)構(gòu)、矩形盒式結(jié)構(gòu)、矩形桿式結(jié)構(gòu)，從精度、裝配、價(jià)格等權(quán)衡，選擇三角形結(jié)構(gòu)是較好的。(8) 打印頭：噴出技術(shù)采用熔融沉積型技術(shù)，成型工藝對噴頭系統(tǒng)的功能要求可以為以下幾點(diǎn)：1）熔絲功能與送料功能，將送進(jìn)的固態(tài)料絲以及時(shí)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(dòng)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(jìn)行調(diào)整，實(shí)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(yīng)器吊臺下面通過螺栓連接著打印機(jī)的噴頭。魚眼效應(yīng)器吊臺其組成材料是鋁合金。噴頭將擠出機(jī)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(jìn)料管、噴嘴、散熱風(fēng)扇（40mm40mm10mm）組成。擠出噴頭如圖2-1所示，熱端是擠出機(jī)的重要部分，材料絲從噴嘴的入口進(jìn)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?yàn)殂~的導(dǎo)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(cè)是一個(gè)加熱器對材料進(jìn)行加熱。材料在冷端時(shí)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?yàn)楹砉軈^(qū)，這個(gè)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(dòng)性，并且在噴嘴尖端讓材料盡量達(dá)到固化點(diǎn)，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(jìn)料管加熱管散熱風(fēng)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(jī)的硬件控制系統(tǒng) 在進(jìn)行3D打印機(jī)系統(tǒng)整體尺寸的設(shè)計(jì)時(shí)，對整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制至關(guān)重要，其硬件系統(tǒng)主要包括核心處理模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、成型溫度控制模塊、人機(jī)交互模塊、擠出模塊和通信模塊等，由上述可知，3D打印機(jī)的硬件控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示，本文設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由Arduino Mega 2560主控板、RAMPS1.4擴(kuò)展板和4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板組成。計(jì)算機(jī)在線打印控 制生成G代碼三 維 建 模人機(jī)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(shè)定打印控制功能擴(kuò)展板RAMPS擠出控制模塊運(yùn)動(dòng)控制模塊其他輔助模塊控制功能步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)器擠出機(jī)送絲機(jī)X軸步進(jìn)電機(jī)模型冷卻風(fēng)扇回零形成開關(guān)手動(dòng)調(diào)平工作臺熱敏電阻擠出頭溫度控制器Y軸步進(jìn)電機(jī)加熱頭Z軸步進(jìn)電機(jī)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(gè)數(shù)字輸出輸入接口，（其中14個(gè)具有PWM輸出能力） ，16路模擬輸入，4路UAET接口，一個(gè)16MHz的晶體振蕩器，一個(gè)USB連接器，一個(gè)電源插座，以及一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)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(jī)電源接口圖2-3Arduino mega2560b) A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本文選擇A4988作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。下圖是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)引腳的控制，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。ENABLE是A4988輸出使能端口，當(dāng)端口為高電位時(shí)，輸出端無電流輸出，當(dāng)其為低電位時(shí)，才有電流輸出，從而電機(jī)才能工作。DIR端口來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)其端口為高電位時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，低電位時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。STEP為脈沖信號輸入端口，當(dāng)脈沖為上升沿時(shí)有效。A4988可以對步進(jìn)量進(jìn)行細(xì)分，端口MS1、MS2、MS3可以設(shè)置不同的步進(jìn)模式。OUT_1A、OUT_1B引腳接到步進(jìn)電機(jī)其中一項(xiàng)的兩端，OUT_2A、OUT_2B接到步進(jìn)電機(jī)的另一項(xiàng)的兩端，Vref用于控制電流。420BYG250C步進(jìn)電機(jī)的步距角是1.8，需要200個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈，如果采用1/16細(xì)分之后，需要3200個(gè)脈沖電機(jī)才能轉(zhuǎn)一圈，又因?yàn)殡姍C(jī)軸上連接的同步帶輪的齒數(shù)為24個(gè)且齒距為5.080mm，所以轉(zhuǎn)一圈的路程為122mm，一個(gè)脈沖的路程為0.03mm/step。 2-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖c) 在3D打印機(jī)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(kuò)展空間，RAPMS除了連接Arduino MEGA平臺之外，還提供了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的接口，各軸限位開關(guān)接口、擠出機(jī)接口、加熱床輸出LED，風(fēng)扇輸出LED、是一款非常便捷的軟件，具有強(qiáng)大的升級能力。Arduino擴(kuò)展板其結(jié)構(gòu)如下圖2-5所示。所以本文選擇RAPMS1.4作為3D打印機(jī)的主控制板。圖2-5RAPMS1.4擴(kuò)展板圖2-5RAPMS接線圖2.4 并聯(lián)3D打印機(jī)的軟件控制系統(tǒng)3D打印機(jī)的軟件控制系統(tǒng)主要包括：有控制打印的計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口單元組成?？刂拼蛴〉挠?jì)算機(jī)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩級控制，上位機(jī)選擇性能較好的PC機(jī)，上位機(jī)用于打印數(shù)據(jù)的處理和總體的控制任務(wù)，其功能如下：1) 把3D模型快速生成打印成型的工藝特點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。2) 可以設(shè)置打印參數(shù)。3) 對打印成型情況進(jìn)行監(jiān)控并接受運(yùn)動(dòng)的反饋。4) 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供打印型速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與相關(guān)信息的顯示。5) 提供多種打印參數(shù)的選擇。目前3D打印機(jī)的上位機(jī)控制軟件Printrun和Repetier-Host等被應(yīng)用的較為廣泛， Printrun上位機(jī)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(gè)模塊和其他相關(guān)腳本。其中printcore.py是一個(gè)使寫RepRap上位機(jī)控制軟件變得更加簡單的Python函數(shù)庫。printcore.py是一個(gè)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(jī)對打印機(jī)打印時(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，并將打印數(shù)據(jù)傳遞給噴頭。2.5 3D打印機(jī)的工作機(jī)理分析及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案2.5.1 3D打印的原理3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型為文件基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)20。2.5.2 3D打印累計(jì)技術(shù)原理隨著3D打印技術(shù)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(gè)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(fù)直到整個(gè)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(shí)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(shí)體。激光器 熱壓輥加工平面計(jì)算機(jī)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(jié)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(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再重新鋪粉進(jìn)行下一層燒結(jié)。待全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，最后進(jìn)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(jìn)入打印頭，在打印頭中融化后經(jīng)過噴嘴流出又凝結(jié)為固態(tài)，在打印頭打印的過程中材料形態(tài)重復(fù)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(shù)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(shù)的材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘結(jié)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(qiáng)度較低，需要進(jìn)行后期處理?；厥詹牧喜鄢尚褪掖蛴〔牧线M(jìn)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(jià)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(shù)發(fā)展的重要組成部分，同時(shí)它也是制約著3D打印技術(shù)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(xì)胞生物材料等也在3D打印領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shè)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(jié)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?yàn)槠鋬r(jià)格相對低廉、成型簡單，目前被廣泛的應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。2.7 串并聯(lián)3D打印機(jī)對比目前3D打印機(jī)按機(jī)構(gòu)執(zhí)行類型分為串聯(lián)式3D打印機(jī)和,并聯(lián)式3D打印機(jī)。a) 串聯(lián)式3D打印機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)機(jī)器人，其主要結(jié)構(gòu)包括，熱床，光桿、電機(jī)、帶輪、同步帶。其機(jī)構(gòu)如下圖2-12所示，用于驅(qū)動(dòng)的電機(jī)和傳動(dòng)的部件都固定在運(yùn)動(dòng)的零件上，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的慣性變大，動(dòng)力性能降低，這樣打印機(jī)打印很短的時(shí)間電機(jī)就發(fā)熱，降低了電機(jī)的使用壽命。并且熱床和噴頭由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)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(jī)b) 并聯(lián)式3D打印機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)其機(jī)械部分的機(jī)構(gòu)主要有，電機(jī)、同步帶、帶輪、直線導(dǎo)軌、支架、熱床、擠出機(jī)等如圖2-13所示。其優(yōu)點(diǎn)是，并聯(lián)3D機(jī)的打印頭是可以移動(dòng)的，并且3個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)方向的精度統(tǒng)一。其打印速度也比串聯(lián)機(jī)構(gòu)要快。圖2-13并聯(lián)式3D打印機(jī)3 并聯(lián)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)式3D打印機(jī)，基本組成結(jié)構(gòu)：鋁型材三角支撐架結(jié)構(gòu)、并聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、打印噴頭、和工作平臺組件組成。并聯(lián)式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌、電機(jī)等組成。在導(dǎo)軌的下方安裝三臺電機(jī)，每臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上的帶輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同步帶輪依靠與滑塊固定在一起的同步帶，將帶輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛瑝K的直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上來回滑動(dòng)，滑塊與打印頭之間依靠連桿連接，所以當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，從而依靠連桿帶動(dòng)打印頭運(yùn)動(dòng)。為保證噴頭有良好的運(yùn)動(dòng)軌跡和較高的打印精度,該并聯(lián)機(jī)構(gòu)要限制噴頭在各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,從而實(shí)現(xiàn)噴頭在平面內(nèi)工作。3.2 構(gòu)型設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)并聯(lián)式3D打印機(jī)采用了Delta式機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中連桿與動(dòng)平臺的連接模型如圖3-1所示，驅(qū)動(dòng)桿與機(jī)架間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。其自由度F可以利用Kutzbach-Grubler公式計(jì)算：-運(yùn)動(dòng)桿數(shù)目-運(yùn)動(dòng)副數(shù)-運(yùn)動(dòng)副具有的自由度數(shù)目在該空間機(jī)構(gòu)中由于有冗余自由度的存在，導(dǎo)致3組平行四邊形不能扭轉(zhuǎn)所以限制了3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過程中是3個(gè)移動(dòng)自由度。并且在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)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(jié)構(gòu)3.3 整體尺寸的計(jì)算原始的成型尺寸直徑是180mm180mm320mm，整體尺寸的計(jì)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(guān)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(shè)計(jì)的并聯(lián)3D打印機(jī)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(huì)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(qiáng)度的校核帶動(dòng)打印機(jī)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(jī)的三棱柱的整體的外形尺寸不變，當(dāng)該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的6根連桿共面時(shí)其處于極限位置時(shí)連桿的長度取得最值，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型如下圖3-3所示。圖3-3運(yùn)動(dòng)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(dāng)滑塊移動(dòng)最高位置時(shí)，噴頭處于極限位置，連桿長度取得最大值，此時(shí)該簡化的機(jī)構(gòu)模型如圖3-4所示，圖3-4運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度校核計(jì)算：連桿在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到一定程度的拉伸，所以要校核連桿的強(qiáng)度。直徑為8mm的304不銹鋼桿。打印機(jī)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(qiáng)度影響可以忽略不計(jì)，綜上連桿所受的力約為10N。 （3-3）經(jīng)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可得，304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度，所以選擇直徑為8mm的不銹鋼滿足設(shè)計(jì)要求。3.5 電機(jī)的選型與計(jì)算電機(jī)控制系統(tǒng)按照運(yùn)動(dòng)過程分為驅(qū)動(dòng)伺服和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)兩大類它們的優(yōu)缺點(diǎn)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(shè)計(jì)的并聯(lián)3D打印機(jī)的實(shí)際工作要求。我選擇目前普遍使用的步進(jìn)電機(jī)作為3D打印機(jī)的滑塊提供動(dòng)力，即通過同步帶使滑塊在導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)噴頭運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的選型要計(jì)算在各種工作情況下所需的等效負(fù)載力距、最大靜轉(zhuǎn)距、和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、功率、等特性選擇適合的步進(jìn)電機(jī)。在本文中，要使打印機(jī)的噴頭最大移動(dòng)速度達(dá)到20mm/s，要小于步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)要克服滑塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)要克服自身的重力和連桿壓力的最大阻力，并且在電機(jī)停止時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可以保持最大靜轉(zhuǎn)矩有效防止滑塊因自身的重力而下落。而且要保證擠出機(jī)在出料的時(shí)候不失步，步進(jìn)電機(jī)要提供足夠的轉(zhuǎn)矩。表3-2伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的比較伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制類型閉環(huán)控制開環(huán)控制控制方式不同伺服電機(jī)是通過控制脈沖的時(shí)間長短來控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的步進(jìn)電機(jī)是將接收的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械的角位移信號，每接收一個(gè)電脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角低頻特性交流伺服電機(jī)工作非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)在低頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。過載能力交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)無過載能力，有時(shí)為了克服慣性轉(zhuǎn)矩，往往選擇轉(zhuǎn)矩較大的電機(jī)。負(fù)載最大功率的計(jì)算: （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）由以上幾個(gè)公式推導(dǎo)出功率，由已知條件可知最大移動(dòng)速度為，總的轉(zhuǎn)矩 （3-8） 又因?yàn)橥綆У膫鲃?dòng)效率較高，且材質(zhì)較輕一般預(yù)緊后折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)。所以。打印機(jī)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(jì)算初選電機(jī)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(jìn)電機(jī)。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(jìn)電機(jī)額定電壓24(V)額定電流1.5(A)額定轉(zhuǎn)速85-240(r/min)額定轉(zhuǎn)矩0.54(N*m)外型尺寸42*42*48(mm)產(chǎn)品認(rèn)證ce適用范圍自動(dòng)化控制功率93%25 絕緣電阻500VDC 100MW Min軸向間隙1mm Max 徑向跳動(dòng)0.02mm Max溫升65K Max 絕緣強(qiáng)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(zhuǎn) 矩 （N*M）定 位 轉(zhuǎn) 矩 （N*M）轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 （gcm3）空 載 啟 動(dòng) 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(qū)動(dòng)器：SH-20402N SH-20403N SH-20806E SD-20403 SD-20504則加在步進(jìn)電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3-10） （3-11） （3-12） （3-13） （3-14） （3-15）其中：電機(jī)軸所承受的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩，：折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 （3-17）步進(jìn)電機(jī)加速所用時(shí)間（s），一般在0.31s之間選取，所以取0.67s電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位. （3-18）式中空載最快移動(dòng)速度，本文選??；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為1.8；脈沖當(dāng)量， 脈沖；求得： （3-19） （3-20） 式中滑塊與導(dǎo)軌間摩擦因數(shù)，選取的滾動(dòng)導(dǎo)軌為0.02；為電動(dòng)機(jī)與帶輪轉(zhuǎn)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(yīng)在2.54之間。本文中取安全系數(shù)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （3-25）綜上所訴選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號為42BYG250CK，該型號電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為，遠(yuǎn)大于?？梢姖M足要求。又因?yàn)橐慌_3D打印機(jī)上的3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成相同，所以其余兩組的電機(jī)的選擇情況同上。3.6 同步帶的選型與計(jì)算3.6.1 傳動(dòng)方案的選擇由打印機(jī)的整體尺寸和工作原理可知，本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)屬于直線傳動(dòng)，可選用的傳動(dòng)方式可分為螺桿傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)兩種方式，兩種傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表3-4所示：表3-4螺桿傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的比較過載保護(hù)能力結(jié)構(gòu)工作速度傳動(dòng)效率制造和安裝精度緩沖吸振能力螺桿傳動(dòng)無復(fù)雜較低較低較高無皮帶傳動(dòng)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(jī)的各方面的情況考慮，本文設(shè)計(jì)中選擇皮帶傳動(dòng)，而皮帶傳動(dòng)又分為同步帶傳動(dòng)和V帶傳動(dòng)，如下表3-5將對兩種傳動(dòng)方式進(jìn)行對比：表3-5V帶傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的比較相對滑動(dòng)傳動(dòng)效率節(jié)能效率結(jié)構(gòu)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(fù)雜較低較小由上表的比較不難發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性對于保證3D打印機(jī)工作精度是至關(guān)重要的，同步帶比帶的傳動(dòng)更加平穩(wěn)準(zhǔn)確，因此本文選擇同步帶傳動(dòng)。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(jì)算與壽命校核（1）電機(jī)最大輸出功率的計(jì)算： （3-26）（2）設(shè)計(jì)功率：查現(xiàn)代機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊第一章4-45得到工況系數(shù) （3-27）（3）小帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算：因?yàn)楸疚挠玫耐綆Х浅５谋?，所以滑塊的滑動(dòng)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(shè)計(jì)當(dāng)中功率和轉(zhuǎn)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(jī)械師設(shè)計(jì)手冊得節(jié)距（5）選取主動(dòng)輪的齒數(shù)查表4.1-67可知，XL型帶當(dāng)速度小于時(shí)最小齒數(shù)為10，現(xiàn)取主動(dòng)輪齒數(shù)為24。（6）主動(dòng)輪節(jié)圓直徑的確定 （3-29）（7）從動(dòng)輪相關(guān)參數(shù)確定由于上下兩個(gè)帶輪的大小一樣，傳動(dòng)比為1:1，所以從動(dòng)輪的參數(shù)和主動(dòng)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?yàn)榇蛴〉母叨葹?20mm,查表4-43可知中心距可以根據(jù)結(jié)構(gòu)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(shí)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(zhǔn)帶寬mm，見表4.1-74（15）切應(yīng)力驗(yàn)算 （3-36） -許用應(yīng)力（16）壓強(qiáng)驗(yàn)算 （3-37）-許用應(yīng)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)帶輪速度v30m/s 時(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)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?yàn)楸疚脑O(shè)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：