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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題目 3D打印機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系 別 工程技術(shù)系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名 邱 陵
學(xué) 號(hào) 05211601
指導(dǎo)教師 楊運(yùn)強(qiáng)
職 稱 教授
2015 年 04 月 18 日
本科畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠信承諾書
畢業(yè)論文
（設(shè)計(jì)）題目
3D打印機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
邱陵
專業(yè)
機(jī)制
學(xué)號(hào)
05211601
指導(dǎo)老師
楊運(yùn)強(qiáng)
職稱
教授
所在系別
工程技術(shù)系
誠信承諾
本人慎重承諾和聲明：
我承諾在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）活動(dòng)中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，在本人的畢業(yè)論文中不剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果，不篡改研究數(shù)據(jù)，如有違規(guī)行為發(fā)生，我愿承擔(dān)一切責(zé)任，接受學(xué)校的處理。
學(xué)生（簽名）：
年 月 日
中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
學(xué)生姓名
邱陵
班級(jí)
機(jī)制6班
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師
楊運(yùn)強(qiáng)
職稱
教授
單位
工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目
3D打印機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
開題報(bào)告（闡述課題的目的、意義、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容、研究方案、進(jìn)度安排、預(yù)期結(jié)果、參考文獻(xiàn)等）
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容和要求：
3D打?。ㄈS打印 或3D printing），它是一種快速成形技術(shù)，一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。
3D打印機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：成型體積（長×寬×高）： 200mm×200mm×200mm；打印速度：300mm/s(建議使用速度150mm/s）；打印精度：XY軸：0.1mm（推薦42步進(jìn)電機(jī)）；Z軸：0.05mm（42步進(jìn)電機(jī)帶螺桿）；最大加熱溫度：300℃；噴嘴直徑：0.4mm；耗材直徑：1.75mm；噴頭數(shù)量：1。
設(shè)計(jì)該款3D打印機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部分，完成方案規(guī)劃，設(shè)計(jì)計(jì)算，圖紙繪制。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求：(1)字?jǐn)?shù)要求2.0萬左右； (2)外文資料翻譯不少于3千漢字(或2萬印刷符）；(3)折算圖紙工作量不少于1″圖3張（包括總體圖、部件裝配圖、零件圖等）。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參考資料：
[1] 嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，2003.
[2] 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[3] 王金娥等．機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M]．北京大學(xué)出版社，2012．
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要工作：
(5) 了解本課題研究意義，調(diào)研本課題國內(nèi)外研究情況及存在問題；寫出調(diào)研報(bào)告。
(6) 進(jìn)行課題方案規(guī)劃和詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成全部設(shè)計(jì)。
(7) 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，字?jǐn)?shù)不少于5000字，且打印輸出并裝訂、格式一律參照“中國地質(zhì)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）寫作規(guī)范”要求，提交畢業(yè)設(shè)計(jì)Word文檔電子版并打??；
(8) 提交AutoCAD圖紙電子版并打印圖紙。
指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
教研室意見：
審查結(jié)果： 同 意□ 不 同 意□
教研室主任簽名：
年 月 日
中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)生姓名
邱陵
學(xué)號(hào)
05211601
專業(yè)班級(jí)
11級(jí)機(jī)制6班
指導(dǎo)教師
楊運(yùn)強(qiáng)
職稱
教授
單 位
工程學(xué)院
課題性質(zhì)
設(shè)計(jì)√ 論文□
課題來源
科研□ 教學(xué)√ 生產(chǎn)□ 其它□
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目
3D打印機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
開題報(bào)告（闡述課題的目的、意義、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容、研究方案、進(jìn)度安排、預(yù)期結(jié)果、參考文獻(xiàn)等）
一、課題的目的及意義
1、研究目的：
3D打印帶來了全世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，將會(huì)顛覆這一生產(chǎn)思路，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，它無需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體， 從而極大地所縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。
2、研究意義：
本課題研究的3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)則出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。
二、研究現(xiàn)狀
在國外經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長足的進(jìn)步，目前已經(jīng)能夠在 0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的精細(xì)分辨率。目前國際上較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)25mm厚度的垂直速率，并可實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩色打印。
在國內(nèi)，自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。近年來，國內(nèi)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)共同的特點(diǎn)是由海外歸國團(tuán)隊(duì)建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)與國外廠商同類產(chǎn)品相比尚處于低端。目前，國產(chǎn)3D打印機(jī)在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術(shù)水平有待進(jìn)一步提升。在服務(wù)領(lǐng)域，我國東部發(fā)達(dá)城市已普遍有企業(yè)應(yīng)用進(jìn)口3D打印設(shè)備開展了商業(yè)化的快速成型服務(wù)，其服務(wù)范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設(shè)計(jì)、文物復(fù)原等多個(gè)領(lǐng)域。
三、研究內(nèi)容
本報(bào)告研究的3D打印機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由輸人設(shè)備制定部分參數(shù),從存儲(chǔ)設(shè)備或者直接從計(jì)算機(jī)中得到事先建好的三維模型,由單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分析,切片,建立 必要的支撐結(jié)構(gòu),再從單片機(jī)輸出控制指令,控制噴頭型材料融化,并通過一定的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī),帶動(dòng)噴頭進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng),并控制噴頭的噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料的多少。每打好一層,從外 部設(shè)備讀取下一層的參數(shù),再打印下一層,直到全部模型完成。完成模型的打印之后,還需要后期的材料回收工作。
四、研究方案
3D打印機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：
成型體積（長×寬×高）： 200mm×200mm×200mm；打印速度：300mm/s(建議使用速度150mm/s）；打印精度：XY軸：0.1mm（推薦42步進(jìn)電機(jī)）；Z軸：0.05mm（42步進(jìn)電機(jī)帶螺桿）；最大加熱溫度：300℃；噴嘴直徑：0.4mm；耗材直徑：1.75mm；噴頭數(shù)量：1。
設(shè)計(jì)該款3D打印機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部分，完成方案規(guī)劃，設(shè)計(jì)計(jì)算，圖紙繪制。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求：(1)字?jǐn)?shù)要求2.0萬左右； (2)外文資料翻譯不少于3千漢字(或2萬印刷符）；(3)折算圖紙工作量不少于1″圖3張（包括總體圖、部件裝配圖、零件圖等）。
五、進(jìn)度安排
2、2014-12-01至2015-01-07 編寫論文提綱，撰寫開題報(bào)告，進(jìn)行開題。
3、2015-01-08至2015-01-20 實(shí)習(xí)期間進(jìn)行一步查找資料，作社會(huì)調(diào)查。
4、2015-01-21至2015-02-20 撰寫論文，完成第一稿，并交指導(dǎo)教師。
5、2015-02-20至2015-04-15 完善論文并繪制圖紙。
10、2015-04-16至2015-04-30 專家評(píng)閱。
11、2015-05-01至2015-05-15 畢業(yè)論文答辯。
六、預(yù)期結(jié)果
1. 了解本課題研究意義，調(diào)研本課題國內(nèi)外研究情況及存在問題；寫出調(diào)研報(bào)告。
2. 進(jìn)行課題方案規(guī)劃和詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成全部設(shè)計(jì)。
3. 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，字?jǐn)?shù)不少于5000字，且打印輸出并裝訂、格式一律參照“中國地質(zhì)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）寫作規(guī)范”要求，提交畢業(yè)設(shè)計(jì)Word文檔電子版并打印；
4. 提交AutoCAD圖紙電子版并打印圖紙。
七、參考文獻(xiàn)
[1] 嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，2003.
[2] 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[3] 王金娥等．機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M]．北京大學(xué)出版社，2012．
指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
教研室意見：
審查結(jié)果： 同 意□ 不 同 意□
教研室主任簽名：
年 月 日
中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述
系 別： 工程技術(shù)系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名： 邱陵
學(xué) 號(hào)： 05211601
2015年 4月 1 日
3D打印機(jī)的發(fā)展前景
1、3D打印概念
3D打印（3D printing），即快速成型技術(shù)的一種，也稱為增材制造技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”?？焖俪尚图夹g(shù)誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)。3D打印技術(shù)被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”，早在20世紀(jì)90年代中期就已出現(xiàn)，但由于價(jià)格昂貴，技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推廣普及。經(jīng)過20多年的發(fā)展，該技術(shù)已更加?jì)故臁⒕_，且價(jià)格有所降低。
2、3D打印機(jī)工作原理
“3D打印”層層印刷的原理和噴墨打印機(jī)類似，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制采用分層加工，疊加成型的方式來“造型”，會(huì)將設(shè)計(jì)產(chǎn)品分為若干薄層，每次用原材料生成一個(gè)薄層，一層一層疊加起來，最終在計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變?yōu)閷?shí)物。
3D打印是一種直接數(shù)字化制造技術(shù)，是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。
每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域?yàn)⒁粚犹厥饽z水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散，然后是噴灑一層均勻的粉末。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用，加工過程僅需確定所需塑料、樹脂、金屬等物料，材料耗費(fèi)僅相當(dāng)于傳統(tǒng)制造的十分之一，而誤差可輕易控制到0.1mm之內(nèi)。它無需生產(chǎn)線，亦可制造那些常規(guī)方法無法生產(chǎn)的奇形怪狀的零件。
三維打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。分步驟描述如下：
1、 三維建模
通過goSCAN之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的 DIY掃描設(shè)備獲取對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成二維模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二維建模軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。
2、分層切割
由于描述方式的差異，3D打印機(jī)并不能直接操作3D模型。當(dāng)3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機(jī)配備的專業(yè)軟件來進(jìn)一步處理，即將模型切分成一層層的薄片，每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機(jī)的規(guī)格決定。
3、打印噴涂
由打印機(jī)將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到二維空間中，根據(jù)工作原理的不同，有多種實(shí)現(xiàn)方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復(fù)；或是通過高能激光融化合金材料，一層一層地熔結(jié)成模型。整個(gè)過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)和工藝耗時(shí)幾分鐘到數(shù)天不等。
4、后期處理
模型打印完成后一般都會(huì)有毛刺或是粗糙的截面。這時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等等，才能最終完成所需要的模型的制作。
3、3D打印機(jī)的國內(nèi)外現(xiàn)狀
在國外經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長足的進(jìn)步，美國加州大學(xué)最新開發(fā)的“輪廓工藝”技術(shù)，在美國航天局的出資贊助下，可以在24小時(shí)以內(nèi)打印一棟兩層樓的房子。澳洲一家石墨礦公司和一家3D打印公司合作已經(jīng)可以用石墨烯打印電池，充放電速度比普通電池快1000倍。3D打印技術(shù)也已經(jīng)到發(fā)展到生物打印，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的3D生物打印技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用肋骨的軟骨組織打印出新的耳朵。
在國內(nèi)，多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。根據(jù)美國3D打印機(jī)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)WohlersAssociates公布的權(quán)威報(bào)告指出，中國華東科技大學(xué)已經(jīng)獲得多項(xiàng)3D打印機(jī)研究成果，另外清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等眾多大學(xué)也取得一些研發(fā)成果。近年來，國內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，浙江湘湖已經(jīng)逐漸建立起了3D小鎮(zhèn)，整個(gè)3D產(chǎn)業(yè)園區(qū)為3D打印企業(yè)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，抱團(tuán)發(fā)展。3D打印技術(shù)作為制造業(yè)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革命，我國已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空、航天等軍事領(lǐng)域和大型復(fù)雜構(gòu)件的一次成型制造，我國的3D打印技術(shù)也正在蓬勃發(fā)展。
4、3D打印相關(guān)軟件
Blender、SketchUp、AutoCAD
在3D打印的制作過程中，用到軟件的方面應(yīng)該是在3D打印的三維模型設(shè)計(jì)上（不包括其余過程中的常用的操作軟件）。模型的設(shè)計(jì)可以說是整個(gè)3D打印過程的核心部分，是3D打印產(chǎn)品的根本。在此介紹幾種建立三維數(shù)字化模型的建模軟件。
Blender：Blender是一個(gè)開源的多平臺(tái)輕量級(jí)全能三維動(dòng)畫制作軟件，提供從建模，動(dòng)畫，材質(zhì)，渲染，到音頻處理，視頻剪輯的一系列動(dòng)畫短片制作解決方案。blender以python為內(nèi)建腳本，支持yafaray渲染器，同時(shí)還內(nèi)建游戲引擎。
完整集成的創(chuàng)作套件，提供了全面的3D創(chuàng)作工具，包括建模（modeling）、uv映射（uv-mapping）、貼圖（texturing）、索鏈關(guān)連（rigging）、蒙皮（skinning）、動(dòng)畫（animation）、粒子（particle）和其它系統(tǒng)的模擬、腳本控制（scripting）、渲染（rendering）、合成（compositing）、后期處理（post-production）和游戲制作；
SketchUp：Google Sketchup是一套直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過程的設(shè)計(jì)工具，其創(chuàng)作過程不僅能夠充分表達(dá)設(shè)計(jì)師的思想而且完全滿足與客戶即時(shí)交流的需要，它使得設(shè)計(jì)師可以直接在電腦上進(jìn)行十分直觀的構(gòu)思，是三維建筑設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。google?SketchUp軟件同3dmax等3維制作軟件同樣，有豐富的模型資源，在設(shè)計(jì)中可以直接調(diào)用、插入、復(fù)制等進(jìn)行編輯任務(wù)。
AutoCAD：AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美國Autodesk公司首次于1982年開發(fā)的自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì)?，F(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。它的多文檔設(shè)計(jì)環(huán)境，讓非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員也能很快地學(xué)會(huì)使用。在不斷實(shí)踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行。
5、3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
5.1、優(yōu)點(diǎn)
一是最直接的好處就是節(jié)省材料，不用剔 除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產(chǎn)線而降低了 成本；二是能做到很高的精度和復(fù)雜程度，除了可以表 現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計(jì)；三是不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾 具和機(jī)床或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生 成任何形狀的零件；四是它可以自動(dòng)、快速、直接和精 確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件 或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；五是3D打印 能在數(shù)小時(shí)內(nèi)成形，它讓設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)了從 平面圖到實(shí)體的飛躍；六是它能打印出組裝好的產(chǎn)品， 因此它大大降低了組裝成本，它甚至可以挑戰(zhàn)大規(guī)模生 產(chǎn)方式。
5.2、缺點(diǎn)
任何一個(gè)產(chǎn)品都應(yīng)該具有功能性，而如今 由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產(chǎn)品 在實(shí)用性上要打一個(gè)問號(hào)。①強(qiáng)度問題：房子、車子固 然能“打印”出來，但是否能抵擋得住風(fēng)雨，是否能在 路上順利跑起來？②精度問題：由于分層制造存在 “臺(tái)階效應(yīng)”，每個(gè)層次雖然很薄，但在一定微觀尺度 下，仍會(huì)形成具有一定厚度的一級(jí)級(jí)“臺(tái)階”，如果需 要制造的對(duì)象表面是圓弧形，那么就會(huì)造成精度上的偏 差；③材料的局限性：目前供3D打印機(jī)使用的材料非 常有限，無外乎石膏、無機(jī)粉料、光敏樹脂、塑料等。 能夠應(yīng)用于3D打印的材料還是很單一，以塑料為主， 并且打印機(jī)對(duì)單一材料也非常挑剔。
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3D打印機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
打印機(jī)發(fā)出指令，這樣3D打印機(jī)打印出來的的切片就會(huì)逐漸累積復(fù)制模型.文章對(duì)3D打印技術(shù)、3D打印機(jī)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)極其面臨問題等做了綜合介紹,綜述了3D打印機(jī)工作原理和特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)并展望了3D打印機(jī)未來的發(fā)展和突破,闡述了本文3D打印機(jī)的總體方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)與傳感器的選擇.
關(guān)鍵詞:3D打印機(jī);未來發(fā)展;發(fā)展突破;方案設(shè)計(jì)
ABSTRACT
printer?instructions,?this?section?will be?the?3D printer to print out the cumulative?replication?model.?The article on the 3D?3D printer?printing technology,?the domestic and foreign research,?the advantage of?3D printerproblems faced?to do a comprehensive?introduction,?summarized the?working principle and characteristics of?3D printer?and its development trend?and prospect of?3D printer?the future development?and
breakthrough,?expounds the?overall scheme and structure?design,?the 3D printer?mechanical structure and?motor and?sensor selection.
Key words：3D printer;?future development;?development?breakthrough;scheme design
目 錄
引言 1
1緒論 2
1.1 國內(nèi)外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 2
1.1.1 國外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 2
1.1.2國內(nèi)3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 2
1.2 3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.2.1 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景 2
1.2.2 3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì) 3
1.3 3D打印機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 3
1.3.1 3D打印的工作原理 3
1.3.2 3D打印的特點(diǎn) 4
1.4 發(fā)展創(chuàng)新與突破 4
1.4.1 3D打印應(yīng)用領(lǐng)域拓展延伸 5
1.4.2 3D打印速度尺寸及技術(shù)日新月異 5
1.4.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)革新 5
2 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 引言 5
2.2 總體框架的設(shè)計(jì) 6
2.3 溫度控制回路的設(shè)計(jì) 6
2.4 XYZ三方向控制電機(jī)的設(shè)計(jì) 6
2.5 噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì) 7
3 機(jī)械結(jié)構(gòu) 7
3.1 傳動(dòng)方式的選擇 7
3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 8
3.3 噴頭的選擇 8
4 電機(jī)的選擇 9
4.1 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比 9
4.2 直流交流伺服電機(jī)對(duì)比 10
4.3負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 11
4.4 打印速度的初步估計(jì) 11
4.5加速和減速運(yùn)動(dòng)的控制 11
4.6 振動(dòng)和噪音 12
5 傳感器 12
5.1 溫度傳感器對(duì)比 12
5.2 機(jī)械位置傳感器 14
5.3 壓力傳感器 15
6 3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及面臨問題 17
6.1 3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 17
6.2 3D打印技術(shù)面臨的問題 17
參考文獻(xiàn) 18
致謝 19
中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院2015屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
引 言
隨著時(shí)代的進(jìn)步，我們的生活水平不斷提高，與此同時(shí)，人口的增長形成了鮮明的對(duì)比，我們需要更多的商品來滿足物質(zhì)生活的條件。這肯定會(huì)引起我們對(duì)商品的需求也將越來越高，做工精細(xì)，獨(dú)特的貨物生產(chǎn)將流行在人民群眾之中?，F(xiàn)在，我們有先進(jìn)的技術(shù)—3D打印，我們可以通過三維打印機(jī)打印出所有的東西，我們需要的和想要的。三維打印技術(shù)廣泛應(yīng)用，它可以應(yīng)用在醫(yī)療行業(yè)，科研，產(chǎn)品模型，架構(gòu)設(shè)計(jì)，制造和食品等，前景廣闊。
3D打印技術(shù),數(shù)字模型文件是基于使用金屬或塑料粉材料通過一層一層地印刷技術(shù)來構(gòu)造對(duì)象。3 D打印機(jī)出現(xiàn)在1990年代中期,光固化快速成型設(shè)備和紙張紋理技術(shù)的使用。它基本上也是作為一個(gè)普通的打印機(jī),打印機(jī)由液體或粉“印度材料”與電腦連接,電腦控制印刷材料層復(fù)合在一起,最終成為藍(lán)圖的電腦。今天,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在許多領(lǐng)域,人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜點(diǎn)。
0
1 緒論
1.1 國內(nèi)外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀
1.1.1 國外3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀
經(jīng)過十年的探索和發(fā)展,3D打印技術(shù)在國外已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,加州大學(xué)的新開發(fā)的“等值過程”技術(shù),在美國國家航空航天局(NASA)的贊助下,您可以打印在不到24小時(shí)內(nèi)設(shè)置兩層的房子。澳大利亞石墨礦公司的3 d印刷公司已經(jīng)可以打印石墨烯電池,充電和放電速度快1000倍，比普通電池。3 d打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的生物打印，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院蘇黎世3D打印技術(shù)團(tuán)隊(duì)使用肋軟骨打印新的耳朵。
1.1.2 國內(nèi)3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀
在國內(nèi)，已經(jīng)有多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。根據(jù)美國3D打印機(jī)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)公布的權(quán)威報(bào)告指出，中國華東科技大學(xué)已經(jīng)獲得多項(xiàng)3D打印機(jī)研究成果，另外包括清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等眾多大學(xué)也取得一些研發(fā)成果。近年來，國內(nèi)已經(jīng)有一些企業(yè)開始研發(fā)和生產(chǎn)3D打印機(jī)，比較突出的是浙江已經(jīng)逐漸建立起了3D小鎮(zhèn)，建立起一個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)區(qū)，為眾多生產(chǎn)商提供了一個(gè)聚集生產(chǎn)3D打印機(jī)的平臺(tái)。3D打印技術(shù)作為制造業(yè)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革命，我國在航空、航天等眾多領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛使用大型復(fù)雜構(gòu)件的一次成型制造，可以看出，我國的3D打印產(chǎn)業(yè)也在同世界看齊。
1.2 3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景
根據(jù)3D產(chǎn)業(yè)權(quán)威報(bào)告《Wohlers Report 2014》發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增長速度。近幾年更是增長迅速，預(yù)計(jì)在2016年，3D打印設(shè)備制造和服務(wù)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將增加到30億美元，預(yù)計(jì)在2020年將達(dá)到51億美元。中國3D打印產(chǎn)業(yè)近兩年開始迅猛發(fā)展，我國已經(jīng)有幾家年銷售額過億的3D打印企業(yè)，并且隨著EOS,Formlabs，3D Systems等國外知名的3D打印企業(yè)在國內(nèi)大幅拓展中國市場(chǎng)，對(duì)我國的3D打印技術(shù)有著促進(jìn)作用。但是現(xiàn)在研制生產(chǎn)銷售的設(shè)備大多都是ABS和PLA材料，能提供金屬粉末和陶瓷等材料的企業(yè)還是只有幾家，所以材料問題是未來3D打印產(chǎn)業(yè)不得不解決的問題。隨著金屬粉末設(shè)備的迅速發(fā)展，未來對(duì)金屬粉末的需求會(huì)大大增加，所以國內(nèi)對(duì)于金屬粉末的投資力度也越來越大。
1.2.2 3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)
最初的3D打印技術(shù)是用來驗(yàn)證工業(yè)的設(shè)計(jì)方案，再生成模型，對(duì)于創(chuàng)新為核心的3D打印技術(shù)，在未來的發(fā)展中一定會(huì)進(jìn)入到更多的領(lǐng)域里，這是3D打印的高效率和低成本優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)工業(yè)都是采用減法工藝，通過車、銑、刨、摩、鉆等切削工藝對(duì)材料進(jìn)行加工，這種工藝對(duì)材料有很大的浪費(fèi)，復(fù)雜的工序也需要很長的制作周期。而3D打印機(jī)就很好的解決了這樣的問題，加法制造可以節(jié)省大量的原材料，制作周期也大大的減少。
1.3 3D打印機(jī)的工作原理及特點(diǎn)
1.3.1 3D打印的工作原理
三維打印技術(shù)是使用噴頭噴出粘結(jié)劑,進(jìn)行熔融沉淀造型(Fused deposition modeling，之后簡稱FDM).FDM是目前使用最為廣泛的3D打印工藝，通過加熱頭把熱熔性材料(如ABD樹脂、尼龍等)加熱到半流體狀態(tài)，然后加熱頭會(huì)在電腦軟件指定的軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)噴頭將半流體狀態(tài)下的材料擠壓出來，材料瞬時(shí)凝固形成有輪廓的薄層。
圖1是3D打印機(jī)的簡易示意圖. 這個(gè)過程是首先鋪粉輥從左到右移動(dòng),將粉杠里的粉末在成型缸槽均勻覆蓋著一層。然后依據(jù)計(jì)算機(jī)模型，由打印頭設(shè)計(jì)粉末噴射截面的第一層，在該形狀的底部上，然后形成筒平臺(tái)從一層粉末向下移動(dòng)一定的距離, 再由鋪粉輥從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結(jié)劑，層層遞進(jìn)，最后得到的零件整體是由各個(gè)橫截面層層重疊起來的。
圖1 三維快速打印技術(shù)工作原理示意圖
3D打印的主要工作流程如圖1所示, 首先要在電腦軟件上進(jìn)行3D建模，3D建模質(zhì)量越好3D打印出來的質(zhì)量就越好. 現(xiàn)在CADPro/e等矢量建模軟件都可以實(shí)現(xiàn)建模. 3首先是將模型分割成一片片薄片，每個(gè)薄片厚度由材料決定。然后再進(jìn)行分割，最后像噴墨打印中將成型材料那樣逐層打印到打印面板上面。
1.3.2 3D打印的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的工業(yè)制作相比，3D打印技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，主要優(yōu)勢(shì)如下:
1． 精度高。 一開始的3D打印精度并不高，但是隨著技術(shù)的不斷成熟與突破，如今的3D打印精度已經(jīng)可以達(dá)到制作需求。
2． 周期短。 3D打印不像傳統(tǒng)的制作那樣，先要設(shè)計(jì)模具然后再休整之后進(jìn)行制作，需要的周期很長，有時(shí)需要數(shù)周，直接建模之后增量生產(chǎn)，短時(shí)間之內(nèi)就能將一個(gè)模型制作出來。
3． 個(gè)性化制作。 以前訂做模型往往需要花費(fèi)巨大的資金成本，但是對(duì)于3D打印而言，制作模型的數(shù)量是隨意的，都可以輕松制作出來，且成本都是一樣的。
4． 材料的多樣性。 3D打印材料的更新速度也是非?？?，如今金屬石料高分子材料都可以應(yīng)用于3D打印。
1.4 發(fā)展創(chuàng)新與突破
3D打印已經(jīng)逐漸被人所熟知，進(jìn)入了世界各大期刊雜志，普遍認(rèn)為它將會(huì)改變我們的世界，可以看到人們已經(jīng)開始關(guān)注并且對(duì)它感興趣。3D打印的飛速發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下方面。
1.4.1 3D打印應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展延伸
3D打印已經(jīng)逐步走向生物領(lǐng)域，這是3D打印對(duì)于醫(yī)學(xué)的重大貢獻(xiàn)，包括之前的打印出耳朵組織，打印心臟的成功，標(biāo)志著3D打印在生物領(lǐng)域的不斷成熟，也是眾多病人的福音。3D打印不僅是在現(xiàn)有的領(lǐng)域有出眾的潛力，相信還會(huì)有更多的領(lǐng)域等待著它去突破。
1.4.2 3D打印速度尺寸及技術(shù)日新月異
3D打印的速度已經(jīng)逐漸加快，如今最快的3D打印機(jī)已經(jīng)可以每秒送絲超過400mm，在不同行業(yè)里，已經(jīng)有多鐘3D打印機(jī)的誕生不斷的刷新著打印速度的記錄，相信在不久的將來，3D打印機(jī)的打印速度會(huì)達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1000mm每秒的夢(mèng)想。
1.4.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)革新
3D打印未來民用化已是大勢(shì)所趨，如何使其簡單化也是重點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)有部分企業(yè)著重于推出簡單成熟的3D設(shè)計(jì)平臺(tái)，并且大力開發(fā)3D打印應(yīng)用，從而讓所有人都能進(jìn)去3D打印的世界。
2 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 引言
3 D打印機(jī),從推出至今，已經(jīng)逐漸走向我們的身邊。它的推出被人推崇為第三次工業(yè)革命，代表著時(shí)代的進(jìn)步以及科技的革新，為未來的工業(yè)帶來了更加廣闊的未來。
本文是針對(duì)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)各個(gè)原件的選擇是考慮到整體的合理性以及經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過分析后進(jìn)行的選擇。
3 D打印機(jī)可以運(yùn)用種類繁多的材料進(jìn)行打印,運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模,例如一輛汽車模型也可能是一個(gè)器官模型,之后通過3 D打印機(jī)使用不同的材料進(jìn)行打印。打印的原料已經(jīng)不再單調(diào)，如今已經(jīng)從以前的幾種單一的打印材料增加到現(xiàn)在的上百種材料。
2.2總計(jì)框架的設(shè)計(jì)
2.2.1系統(tǒng)概述
部分參數(shù)都是由系統(tǒng)輸入設(shè)備制定的，從儲(chǔ)蓄設(shè)備或者計(jì)算機(jī)中獲得事先建立好的三維模型，有單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行先進(jìn)行分析和切片，然后再建立需要的支撐結(jié)構(gòu)，噴頭接收單片機(jī)的指令對(duì)材料進(jìn)行融化并發(fā)動(dòng)電機(jī)，從而控制噴頭在X，Y，Z三個(gè)方向的移動(dòng)，同時(shí)噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)材料的噴出量，逐層打印，直到全部模型完全打印出來，最后再進(jìn)行后期的修整和材料回收。
2.2.2系統(tǒng)框架
輸入設(shè)備，存儲(chǔ)外設(shè)，上位機(jī)，傳感器系統(tǒng)—單片機(jī)分析—溫度控制系統(tǒng)，X，Y，Z方向控制系統(tǒng)，噴出量控制系統(tǒng)。
2.3溫度控制回路設(shè)計(jì)
2.3.1打印耗材的選用
一方面需要熔點(diǎn)低，并且要很好的粘滯性，另一方面還需要快速成型。基于以上綜合考慮，最終選擇了PLA/ABS耗材。
2.3.2設(shè)計(jì)思路概況
ABS/PLA耗材的熔點(diǎn)大約為230℃，分解溫度大約在260℃以上，因此可以初步確定成型溫度約在250℃以下?？刂苹芈愤\(yùn)用溫度傳感器來返回當(dāng)前溫度，控制回路返回當(dāng)前溫度保證了溫度的恒定，而控制器統(tǒng)一使用了單片機(jī)來傳達(dá)命令。
控制回路的順序如下：
設(shè)置空氣溫度—單片機(jī)—D/A轉(zhuǎn)換器—加熱電路—當(dāng)前溫度—溫度傳感器—A/D轉(zhuǎn)換器—單片機(jī)。
2.4 X Y Z三方向控制電機(jī)設(shè)計(jì)
把二維打印與一維打印結(jié)合成三維打印。就是在Z方向使用步進(jìn)電機(jī)，將步進(jìn)電機(jī)固定的量算出需要的步進(jìn)角，控制噴頭豎直方向的速度，再把X,Y方向也使用電機(jī)帶動(dòng)，就像噴墨打印機(jī)的原理，這樣結(jié)合就使得每一個(gè)平面的二維打印進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維打印。
2.5噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)
2.5.1噴頭系統(tǒng)的功能要求
熔融擠出系統(tǒng)：把成型材料放入液化器中，材料在液化器充分融化變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后經(jīng)過內(nèi)徑極小的噴嘴以直徑很小的絲狀噴出，經(jīng)過單片機(jī)的命令在與掃描速度相匹配的送絲速度堆積成型，以此來保證它的均勻和一致。
2.5.2噴頭實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)
本3D打印機(jī)選擇的是PLA/ABS型打印材料，采用熔融沉積成型技術(shù)，每一片的參數(shù)控制噴頭的的路徑以及噴出量，使打印材料均勻鋪在打印面板上。
液化器中電熱絲在系統(tǒng)控制的熱量范圍使材料熔融，并在設(shè)定溫度值之后盡量保證恒溫，不能產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，不然就會(huì)影響成型的質(zhì)量，所以我們必須加入合適的溫度控制回路來控制液化器的溫度。
3機(jī)械結(jié)構(gòu)
3.1傳動(dòng)方式的選擇
支持直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式主要是螺桿，和皮帶兩種，螺桿精度高，載荷大，速度低。3D打印機(jī)打印頭基本不受力，沒有載荷要求，打印機(jī)X,Y軸方向需要的速度較高，在Z軸方向上需要精度較高，對(duì)于速度的要求不高。3D打印機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)一般都是在水平方向使用帶傳動(dòng),垂直方向用螺桿。
滾珠絲杠和滑動(dòng)絲杠的選擇：滾珠絲杠效率高，傳動(dòng)速度高；滑動(dòng)絲杠有自鎖性，價(jià)格低。
滾珠絲杠是如今精密器械最常用的傳動(dòng)元件，傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上，是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上。
①與滑動(dòng)絲桿相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3
因?yàn)闈L珠絲杠副的絲杠軸和絲母之間有很多在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的滾珠，所以運(yùn)動(dòng)效率比較高，跟滑動(dòng)絲杠副相比，驅(qū)動(dòng)力矩在1/3以下，效率可以達(dá)到滑動(dòng)絲杠副的三倍，節(jié)省電力。
②無間隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加入一定的與壓力，可以讓軸向間隙為負(fù)值，提高剛性。
③使用壽命高
滾珠絲杠副所受損傷比滑動(dòng)絲杠副所受損傷小很多，只要清潔和潤滑達(dá)到要求，滾珠絲杠副的使用壽命可以高很多。
④價(jià)格差異不大
如今的自動(dòng)化設(shè)備逐漸增多，滾珠絲杠副的產(chǎn)量也越來越大，因此現(xiàn)在的滾珠絲杠副已經(jīng)和滑動(dòng)絲杠副的價(jià)格差異越來越小。
3.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
滾珠絲杠依采用JB/T9893—1999，長度=1m，公稱直徑=12mm，公稱導(dǎo)程mmPh40.
對(duì)本體系來說，絲杠傳動(dòng)折算到馬達(dá)軸上的總慣量為：Jt=Z1+1/i2[Z2+JS+JW](kg.m2)
其中i是兩齒輪的傳動(dòng)比，設(shè)i=Z1/Z2=1
其他符號(hào)說明如下：
Z1——齒輪l?及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1=0.0018kg. m2?；
Z2——齒輪2?的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取J2=0.0018kg. m2?；
Js——絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg. m2?；
Jw----為工作臺(tái)折算到絲杠上的動(dòng)慣量；?
W——工作臺(tái)重量，工作臺(tái)輕，取6kg；?
S——絲杠螺距，4mm；??
g——重力加速度，9.8m/ s2；?
圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=1/8MD2?；
M----圓柱體質(zhì)量；???D----圓柱體直徑；?
選用絲杠的密度（類于鐵）：7.8g/m3；
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
JS=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )
Jw=6*0.0042/(9.8*4π2)=2.48*10-7( kg.m2 )
因此 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。
從上述計(jì)算公式可以看出，Jt很小，主要是由兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來決定的，這樣對(duì)電機(jī)的功率輸出要求不那么過于嚴(yán)厲，在功率不高的情況下，可是完成高轉(zhuǎn)速。制動(dòng)性能和反應(yīng)都比較好。
這類電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了3000r/min左右，假如最高轉(zhuǎn)速在3000，按照360dpi的分辨率來思考，則每英寸25.4mm對(duì)應(yīng)360個(gè)色點(diǎn)，每兩個(gè)色點(diǎn)之間的距離是25.4/360=0.07mm,加上打印所使用的噴頭為雙排，因此打印噴頭的周期移動(dòng)距離d=0.07×2=0.14mm，噴墨和噴粘劑各一次，兩個(gè)噴頭同步噴出。
假設(shè)機(jī)械精度為0.005mm，所對(duì)應(yīng)的脈沖當(dāng)量為：i=1是，求得絲杠轉(zhuǎn)一圈，噴頭前進(jìn)4mm，則機(jī)械精度所對(duì)應(yīng)的絲杠轉(zhuǎn)一周，上位機(jī)所發(fā)出的脈沖指令時(shí)4mm/0.005mm=800(個(gè))，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為3000，上位機(jī)脈沖的能力在800×3000/60=40000r/s，對(duì)應(yīng)的6000轉(zhuǎn)速，上位機(jī)脈沖能力為80000r/s，電齒輪不變。
CMX?：電子齒輪比的分子是電機(jī)編碼器反饋脈沖。?
CDV?：電子齒輪比的分母是上位機(jī)的給定脈沖（指令脈沖）。?
電子齒輪比=CMX/CDV=（131072×100）/?80000=6553600/200000=32.8。??
上述計(jì)算電子齒輪比方便控制中心按給定指令要求控制伺服轉(zhuǎn)動(dòng)定位，所以，通過上位機(jī)的脈沖能力計(jì)算，等對(duì)比實(shí)現(xiàn)的可能性，知道我們方案的合理性。
3.3噴頭的選擇
選用3DA-001B型號(hào)，寬度和分辨率都達(dá)到規(guī)定要求。
4電機(jī)的選擇
4.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比
控制電機(jī)的選取和比較：電機(jī)控制系統(tǒng)依據(jù)運(yùn)動(dòng)過程的需要可分為驅(qū)動(dòng)伺服和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)兩大類，而伺服又有速度控制盒位置控制模式。
伺服電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)
控制類型
控制精度
低頻特性
矩頻特性
過載能力
運(yùn)行性能
速度響應(yīng)性能
閉環(huán)控制
兩種混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般是1.8°，0.9°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角是0.72°，0.36°。
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，并且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以最高工作轉(zhuǎn)速在300—600r/min。
為了克服這種慣性力矩，在選取轉(zhuǎn)矩的電機(jī)的時(shí)候，機(jī)器在正常工作期間又需要大的轉(zhuǎn)矩，就會(huì)出現(xiàn)力矩浪費(fèi)。
交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是閉環(huán)控制，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，通常情況下不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過載現(xiàn)象。
交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般把它用在需要快速開啟快速停止的控制場(chǎng)合。
開環(huán)控制
帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即便在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。
交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，其額定轉(zhuǎn)速一般在2000r/min—3000r/min,所以它可以輸出額定轉(zhuǎn)矩。
步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橐话悴痪哂羞^載能力，所以通常需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)來克服慣性力矩，但是機(jī)器只需要較小的轉(zhuǎn)矩就可以正常工作，所以會(huì)出現(xiàn)力矩浪費(fèi)。
在選型時(shí)一般選擇更大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)來克服慣性力矩但是機(jī)器只需要較小的轉(zhuǎn)矩就可以正常工作，所以會(huì)出現(xiàn)力矩浪費(fèi)。
步進(jìn)電機(jī)到工作轉(zhuǎn)速所需時(shí)間非常短，一般在200—400毫秒。
4.2交流直流伺服電機(jī)對(duì)比?
伺服電機(jī)可以考慮直流和交流兩種：直流電機(jī)因?yàn)樽陨淼娜秉c(diǎn)，需要經(jīng)常維護(hù)。與直流電動(dòng)機(jī)相比，相同體積的交流電動(dòng)機(jī)要比直流電動(dòng)機(jī)提高20﹪～70﹪的輸出功率。?
4.3 負(fù)載的分類
（1）Tf力矩負(fù)載：
Tf = G·r
G 重物重量 r 半徑
（2）TJ慣性負(fù)載：
J = M（R12+R22）/ 32 （Kg·cm）
M：質(zhì)量
R1：外徑
R2：內(nèi)徑
TJ = J·dw/dt dw/dt 為角加速度
4.4 力矩曲線圖的說明
步進(jìn)電機(jī)的輸出特性可以用力矩曲線圖表現(xiàn)，下面對(duì)力矩曲線圖的關(guān)鍵詞做出說明。
說明：
1. 工作頻率點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)在該點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值。單位：Hz
n=Θ*Hz / （360*D）
n 轉(zhuǎn)/秒
Hz 該點(diǎn)的頻率值
D 電路的細(xì)分值，
Θ 步進(jìn)電機(jī)的步距角
4.5 加速和減速運(yùn)動(dòng)的控制
系統(tǒng)在力矩曲線圖區(qū)域之內(nèi)工作，需要在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加減速。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩在高速時(shí)很低，但是在低速卻很平穩(wěn)。
4.5.1 直線加速度運(yùn)動(dòng)
電機(jī)負(fù)載為TL，要從F0 在最短時(shí)間tr內(nèi)加速到F1，求tr 和 加速脈頻率F（t）
A．確定TJ，一般TJ =70% Tm。
B．tr = 1.8*10-5*J*Θ*（F1-F0）/ （TJ-TL）
C.Ｆ（ｔ）＝（Ｆ１－Ｆ０）＊ｔ／ｔｒ＋Ｆ０ ， 0 < t < tr
4.5.2 指數(shù)加速運(yùn)動(dòng)
電機(jī)負(fù)載為TL，要從F0 在最短時(shí)間tr內(nèi)加速到F1，求tr 和 加速脈頻率F（t）
A.確定TJ０，ＴＪ１一般TJ０ =70% Tm０,TJ１ =70% Tm１,TL=60%Tm1
B．tr = F4*ln[(TJ0-TL)/(TJ1-TL)]
C.Ｆ（ｔ）＝F2*[1-e^(-t/F4)]＋Ｆ０ ， 0 < t < tr
其中，F(xiàn)2=(TL-TJ0)*(F1-F0)/(TJ1-TJ0)
F4=1.8*10-5*J*Θ*F2 /( TJ0-TL)
4.6 振動(dòng)和噪音
步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)，在200pp振動(dòng)最為嚴(yán)重，還可能出現(xiàn)失步現(xiàn)象。一般解決的辦法是避開振動(dòng)區(qū)，使電機(jī)的工作頻率不在這個(gè)范圍內(nèi)。
5 傳感器
5.1 溫度傳感器對(duì)比
?′溫度傳感器的接觸式特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，并且接觸式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，并且可以可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)。a
從以上兩個(gè)表可以看出，溫度在1000℃以下的誤差較大，所以選擇接觸式傳感器。本設(shè)計(jì)選用溫度范圍為-50℃～150℃的銅材料熱敏電阻，精度以及靈敏度都符合本設(shè)計(jì)所需要的傳感器。
5.2 機(jī)械位置傳感器
X,Y軸傳動(dòng)使用帶傳動(dòng)，Z軸使用的是滾珠絲杠。傳感器的位置在傳動(dòng)路線終點(diǎn)。
5.3 壓力傳感器
用壓力傳感器檢測(cè)噴頭的噴出量以及粉末使用量，在分量不夠或者超過的時(shí)候進(jìn)行反饋和提示。
6 3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及面臨問題
6.1 3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
3D打印技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.3D打印技術(shù)可以有效的加工工程中任何復(fù)雜的零部件結(jié)構(gòu)，提高企業(yè)的研發(fā)效率。
2.CAD/CAM技術(shù)的集成，快速成型技術(shù)集成CAD.CAM激光技術(shù).數(shù)控技術(shù).化工材料工程等多項(xiàng)技術(shù),使得設(shè)計(jì)制造一體化的概念完美實(shí)現(xiàn)。
3.作為增材制造，對(duì)材料的使用率高，基本上可以做到無消耗。
4.材料種類多，推出新材料的速度也越來越快，可以選擇不同的材料制作個(gè)性化的產(chǎn)品。
5. 節(jié)省勞動(dòng)成本，利用3D打印技術(shù)，工廠可以快速設(shè)計(jì)制造模具，從而批量生產(chǎn)。
6.2 3D打印技術(shù)面臨的問題
現(xiàn)在3D打印機(jī)還需要解決很多問題，3D打印機(jī)價(jià)格偏高，材料價(jià)格虛高，外購3D打印機(jī)和打印耗材的稅收也是相當(dāng)高，所以還沒有實(shí)現(xiàn)普及。
3D打印機(jī)的速度也需要大幅度提升才能進(jìn)行真正意義上的大規(guī)模批量生產(chǎn)。
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[8]胡發(fā)宗，趙毅，等.《三維立體打印機(jī)的成形技術(shù)》，上海交通大學(xué),2012(8):16-18.
致 謝
時(shí)光匆匆，四年的大學(xué)生涯即將畫上句號(hào)。大學(xué)四年感謝孜孜不倦的老師，還有善良可愛同學(xué)們，中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院陪伴了我四年，不但教會(huì)了我知識(shí)，更是讓我懂得了成長需要的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)，成熟與穩(wěn)重。
畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院的四年學(xué)習(xí)生活既將結(jié)束?；赝^去，四年的大學(xué)生涯，讓我在眾多老師的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)了我未來所需的知識(shí)，也讓我在離家數(shù)千公里的保定有了另一個(gè)家，這里的老師和同學(xué)們就像我的家人一樣，那么的親切可愛。
在這里，首先我要感謝我的導(dǎo)師楊運(yùn)強(qiáng)教授。感謝老師的悉心指導(dǎo)我才能順利完成我的論文。在選題之前我對(duì)3D打印機(jī)特別感興趣，感謝老師對(duì)本選題的重視，從提綱、完成初稿、修改再到定稿都一一過問，花費(fèi)了大量心血。導(dǎo)師對(duì)學(xué)生論文一絲不茍的精神深深促動(dòng)了我，也鼓勵(lì)我要成為這樣的人，不只是在對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)還是未來的路，都要認(rèn)真踏實(shí)的對(duì)待。
其次，我必須感謝父母對(duì)我學(xué)業(yè)的支持，雖然離家較遠(yuǎn)，但是父母的關(guān)心無時(shí)不在，讓我備受感動(dòng)。
然后，我要感謝大學(xué)所有的老師和同學(xué)們，謝謝你們的關(guān)心和鼓勵(lì)，謝謝你們的幫助與支持，讓我度過了一個(gè)有意義有陽光的大學(xué)。
感謝在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候所有給我?guī)椭娜?，謝謝你們幫我戰(zhàn)勝困難，堅(jiān)持到最后完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。感謝我的母校--中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院。
?最后，我要向百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱，和參與本人論文答辯的各位老師表示真誠的感謝，謝謝。
邱陵
2015年4月20日
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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯
系 別： 工程技術(shù)系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名： 邱陵
學(xué) 號(hào)： 05211601
2015年 4 月 1 日
3D打印機(jī)
3D打印技術(shù)（英語：3Dprinting），即快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常