3D打印机自动控制元件及线路Word文档格式.docx
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接着确定我们的传动机构，以保证系统机械性能可行；
下一步，选取恰当的电机种类——交流伺服电动机作为传动的能量来源。
接着，选取适合的设计参数（包括传动和打印效果等方面），进一步选取电机型号，以满足打印速度、打印分辨率、传动转矩与功率要求。
然后对系统的控制分析，采用PD以及PID反馈，来确保控制精度。
我们对传感器经行分析选取，并选择合适的控制器——DSP，基本完成方案，最后估计成本，并对比市场成品，反思总结。
关键词：
3D打印机交流伺服电动机热敏传感器
一、背景简介
3D打印技术又叫“快速成形技术”，简称RPM技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。
它的基本原理是"
分层制造，逐层叠加"
，类似数学上的积分过程。
形象讲，快速成形系统就像是一台"
立体打印机"
。
RPM技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。
它的经济效益显著，可以提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。
3D打印机技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用3D打印机技术，使得3D打印机技术有着广阔的前景。
设计指标与要求
我们的设备主要用于办公环境，对照市场上的成品，其目标技术参数是：
喷头两个，打印速度为：
彩色2层/分；
打印材料包括：
高分子聚合物、金属、陶瓷、覆膜砂、生物活性材料等粉末材料及其中2种或2种以上的复合粉；
输入输出格式：
包括ＳＴＬ、ＺＣＰ、ＩＧＳ等；
成型厚度：
0.005~0.05mm；
成型尺寸为各边长350mm到400mm的长方体；
机械精度：
0.005；
电源：
２２０Ｖ；
操作系统：
ｗｉｎ７、ＸＰ、２００３等。
二、工艺确定
确定打印技术
方法
优点
缺点
主要用途
SLA
光固化成型法
最早的快速成型工艺，成熟度高；
成型速度快，精度高
树脂固化收缩，产生应力或引起形变；
SLA系统成本高，环境要求苛刻
传统手段难于成型的原型和模具；
成型件多为树脂类
SLS
选择性激光烧结法
成型材料非常广泛，无需复杂的支撑系统；
制造工艺简单，柔性度高
激光系统昂贵
尤其适合硬质合金材料微型元件成型
LOM
分层实体制造法
工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高
前后处理费时费力，不适合中空结构构件
快速制造新产品样件，模型，或是铸用木模
FDM
熔积成型法
污染小，材料可回收
对温度要求比较苛刻
塑料件，铸造用蜡模，样件或模型，适合中、小型成型
3DP
3维喷射粘结法
设备和材料便宜，运行成本低，操作简单，成形无污染，适合办公环境，打印速度快
我们打算设计一个办公用的3D打印机，并且考虑到激光烧结的激光系统过于昂贵，熔融沉积法对温度要求苛刻，最终确定3DP打印方案。
以下是3DP打印的原理图：
3DP具体工作过程如下：
（1）采集粉末原料
（2）将粉末铺平到打印区域
（3）打印机喷头在模型横截面定位，喷粘结剂；
（4）送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印
（5）重复上述过程直至模型打印完毕
（6）去除多余粉末，固化模型，进行后处理操作
3DP是美国麻省理工学院EmanualSachs等人开发的，E.M.Sachs在1989年申请了3DP专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。
3DP工艺原理：
该工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。
所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。
用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。
具体工艺过程如下：
上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：
0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。
喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。
铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。
如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。
未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。
对于粘剂的选取：
我们参考上海交通大学的胡发宗等学长关于解决喷头堵塞的方法：
考虑打印精度问题，采用多糖混合物——玉米淀粉，由直链（约20%）和支链（约80%）组成；
加入NaOH使溶液呈碱性，同时加入NaClO使呈一定氧化性；
加入硼砂，有交联增强粘结作用。
得到优良的成形材料配置：
水
NaOH
NaClO
硼砂
淀粉
100g
18g
30g
5g
基本流程
三、控制器选择
控制器是整个控制系统数据计算和处理的中心，其运算速度和处理能力一定
程度上决定了控制系统的优劣。
目前常用的控制器有单片机、数字信号处理器
（DSP）、可编程逻辑控制器（PLC）以及工控机。
下面对其进行比较：
表1控制器的比较
控制器种类
单片机
结构简单，程序编写简
单，成本低。
速度慢，功能不强，抗干
扰能力差，精度低。
DSP
受温度对元件值的容限不敏感，
、环境等外部参与
影响小；
容易实现集成；
可以分时复用，共享处理
器；
方便调整处理器的系
数实现自适应滤波。
需要模数转换；
受采样频
率的限制，处理频率范围
有限；
数字系统由耗电的
有源器件构成，没有无源
设备可靠。
PLC
连线与编程相对简单，抗
干扰能力强，模块化，易
组成控制网络。
价格高，性价比一般，不
适合小规模使用。
工控机
机箱采用钢结构，有较高
的防磁、防尘、防冲击的
能力；
机箱内有专门电
源，电源有较强的抗干扰
能力。
配置硬盘容量小；
数据安
全性低；
存储选择性小；
价格高。
根据上述分析结合成本与系统实际，主要是所要选用的传感器，DSP成为最
佳选择，如果在对速度要求不高以及干扰屏蔽较好的情况下，单片机也是一种最为廉价合适的选择。
四、机械结构
4.1传动方式的选择
直线导轨可分为：
滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精
度较高。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
2）高精度的保证
滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·
湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3）微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4）无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。
5）高速进给可能
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。
4.2转动惯量的计算
滚珠丝杠根据国家标准JB/T9893－1999选用
长度L=1.0m，公称直径D=12mm,公称导程
对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为：
其中i为两齿轮的传动比，此处取
=
；
其他符号说明如下：
——齿轮l及其轴的转动惯量；
——齿轮2的转动惯量，取
——丝杠转动惯量，
——为工作台折算到丝杠上的动惯量；
W——工作台重量，工作台轻，取6kg；
S——丝杠螺距，4mm；
g——重力加速度，
圆柱体的转动惯量：
M----圆柱体质量；
D----圆柱体直径；
而且选用丝杠的密度（类于铁）为
滚珠丝杠的转动惯量为：
从而
可见，
很小——主要由两个齿轮的转动惯量来决定，从而对电机的功率输出要求不苛刻，在功率不高情况下，可以实现高转速。
这是一个小惯量的系统，该系统启动，加速，制动的性能好，反应快，比较理想。
此类电机最高转速一般是3000r/min上下，取3000为参考研究
按360dpi的分辨率来考虑，则每英寸25.4mm对应360个色点，每两个色点的距离为25.4/360=0.07mm,又打印喷头为双排的，所以，打印喷头周期移动距离
，喷墨一次，喷粘剂一次，两个喷头喷出同步；
设定机械精度：
0.005mm，对应的脉冲当量:
由i=1，求得丝杆转一圈，喷头前进4mm。
则机械精度对应
丝杆转一周，上位机应该发出的指令脉冲为4mm/0.005mm=800（个）
则对应转速约为3000，上位机脉冲能力至少800*3000/60=40000r/s；
对应6000转的转速，则上位机脉冲能力80000r/s，电子齿轮比不变.
CMX：
电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。
CDV：
电子齿轮比的分母是上位机的给定脉冲（指令脉冲）。
电子齿轮比=CMX/CDV=（131072×
100）/80000=6553600/200000=32.8。
在此计算电子齿轮比的目的——电子齿轮比把上位机的给定脉冲要换算成与电机编码器反馈脉冲同等意义的信号，便于控制中心按给定指令要求控制伺服转动定位。
此外，通过上位机的脉冲能力的估算，对比实现的可能性，得知我们方案的合理性。
4.3喷头选择
选用Konica512L型号，实现宽度尽可能满足，分辨率满足，控制X轴方向运动，Y轴方向由另一电机控制，控制方式类似，单次位移为36.1mm,精度控制一样。
双排式排列方式，使得走完一个幅面的时间相对于单排式减半，利于打印速度的提高。
五、电机的选择
5.1伺服电机和步进电机对比
控制电机的比较与选取：
电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类。
伺服有速度控制和位置控制模式。
速度控制模式下，通过伺服电机的CL信号和INH信号，选择伺服电机转动的4档内部速度，这四档内部速度由驱动器的四个内部储存器记录，其数值为零就是停转，数值为零是顺时针旋转，小于零则为逆时针，也可通过ZEROSPD控制电机停转。
伺服电机
步进电机
控制类型
闭环控制
开环控制
控制精度
两相混合式步进电机步距角一般为1.8°
、0.9°
，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°
、0.36°
带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°
/131072=0.0027466°
，是步距角为1.8°
的步进电机的脉冲当量的1/655
低频特性
步进电机在低速时易出现低频振动现象
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象
矩频特性
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600r/min
交流伺服电机为恒力矩输出，其额定转速一般为2000r/min~3000r/min，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出
过载能力
在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
步进电机一般不具有过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
运行性能
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
速度响应性能
交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。
5.2直流交流伺服电机对比
在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。
控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。
我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。
虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。
伺服电机可以考虑直流和交流两种：
但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。
换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。
而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。
在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。
PMSM主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。
定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。
转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。
位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。
5.3负载转矩计算
PMSM定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。
其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。
两个磁场相互作用产生转矩。
定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。
（同性相斥，异性相吸）
其中
为失调角，也称功率角；
K与定子端电压和转子磁势（磁密）的乘积成正比。
分别是转子、定子的磁势或磁密；
p为极对数。
当
为
时，对应最大转矩，称最大同步转矩。
对之前我们算得的负载转矩
进行惯量匹配。
根据牛顿第二定律：
“进给系统所需力矩T=系统传动惯量J×
角加速度
角”。
加速度
影响系统的动态特性，
越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。
如果
变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。
由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望
的变化小，则J应该尽量小。
传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。
惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。
通常负载的惯量不要大于电机惯量的5倍，最大不要超过10倍。
对于功率
对旋转运动的物体来说，转矩和惯量的关系正如直线运动物体的受力和质量的关系。
5.4打印速度的初步估计
每打一个，计划在Y轴方向移动10次，使宽度达到
对此，计算喷头走完1个幅面的时间T，计划彩印周期T秒，暂时忽略10次Y方向移动时间，有：
电机一转对应丝杆1转，对应10个导程共4mm，360mm需要电机转90r，最高转速时，电机每秒转50r，对应时间为1.8s。
则10个来回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间
;
走完一个幅面，需要大概24秒，加上其余误差时间，30秒就可以完成一个幅面，T=30s，基本实现1分钟打印2页的要求。
求电机匀加速需要时间。
电机300ms，表示静止加速到额定转速的时间，角加速度为
式中Ma——电机启动加速力矩；
Jm，Jt——电机自身惯量与负载惯量（kg·
m3）；
Mf——导轨摩擦折算至电机的转矩（N·
m）
μ——摩擦系数，取0.1；
η——传递机械效率，在此取0.15。
滚动螺旋传动的传动效率取0.95；
滚动球轴承传动效率为0.99；
齿轮的传动效率为0.93；
总传动效率为：
导轨磨擦折算至电机侧的转矩：
需要的输出力矩为:
出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81，满足要求。
5.5所选电机的型号和具体参数
六、驱动器
6.1功放部分
脉宽调制种类
工作特点
PWM
脉冲宽度调制（PWM），晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；
晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；
这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。
SPWM
正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。
三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。
逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。
SVPWM
1.在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。
2.利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单。
3.逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15%
6.2SVPWM介绍
SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。
传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控:
制。
CLARKE变换
首先是将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物理量变换到2轴的定子静止坐标系中。
该过程称为Clarke变换，
PARK变换
此刻，已获得基于αβ2轴正交坐标系的定子电流矢量。
下一步是将其变换至随转子磁通同步旋转的2轴系统中。
该变换称为Park变换
在矢量控制中包括以下系统变换
从三相变换成二相系统Clarke变换
直角坐标系的旋转（αβ静止）到（旋转dq），称为Park变换
反之为Park反变换
关于park变换
从数学意义上讲，park变换没有什么，只是一个坐标变换而已，从abc坐标变换到dq0坐标，ua,ub,uc,ia,ib,ic,磁链a,磁链b,磁链c这些量都变换到dq0坐标中，如果有需要可以逆变换回来。
从物理意义上讲，park变换就是将ia,ib,ic电流投影，等效到d,q轴上，将定子上的电流都等效到直轴和交轴上去。
对于稳态来说，这么一等效之后，iq,id正好就是一个常数了。
从观察者的角度来说，我们的观察点已经从定子转移到转子上去，我们不再关心定子三个绕组所产生的旋转磁场，而是关心这个等效之后的直轴和交轴所产生的旋转磁场了。
Clarke变换将原来的三相绕组上的电压回路方程式简化成两相绕组上的电压回路方程式，从三相钉子A－B—C坐标系变换到两相定子α－β坐标系。
也称为3/2变换。
但Clarke变换后，转矩仍然依靠转子通量，为了方便控制和计算，再对其进行Park变换变换后的坐标系以转子相同的速度旋转，且d轴与转子磁通位置相同，则转矩表达式仅与θ有关。
id、iq可以通过对iA、iB、iC的Clarke变换（3/2变换）和Park变换（交/直变换）求得，因此id、iq是直流量
PMSM驱动器的主回路（交-直-交结构）
七、传感器
7.1温度传感器对比
方式
接触式
非接触式
测量条件
感温元件要与被测对象良好接触；
感温元件的加入几乎不改变对象的温度；
被测温度不超过感温元件能承受的上限温度；
被测对象不对感温元件产生腐蚀
需准确知道被测对象表面发射率；
被测对象的辐射能充分超射到检测元件上
测量范围
特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于1300℃以上的温度测量较困难
原理上测量范围可以从超低温道及高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度
精度
工业用表通常为1.0、1.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级
通常为1.0、1.5、2.5级
响应速度
慢，通常为几十秒到几分钟
快，通常为2~3s
其他特点
整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；
可方便地组成多路集中测量与控制系统
整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；
仪表读数通常只反映被测物体表现温度（需进一步转换）；
不易组成测温、控温一体化的温度控制装置
温度传感器的接触式特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以可方便地组成多路集中测量与控制系统。
测温方式
传感器类型
测温范围（℃）
精度（%）
特点
热膨胀式
水银
-100~-600
0.1~1
结构简单、耐用，但感温部体积较大
双金属
-50~500
1~3
压力
液
-100~600
1
气
-200~-600
热电偶
钨-铼
1000~2800
0.3~0.5
种类多，适应性强，结构简单，应用广泛；
需注意冷端温度补偿及动圈式仪表电阻对测量结果的影响
铂铑-铂
0~1600
0.2~0.5
其他
-200~1200
0.4~1.0
热电阻
铂
-200~600
0.1~0.3
升级会员 