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1、基于Solidworks的3D打印机设计毕业论文 第一章 绪论1.1 3D打印的原理及其历史发展1.1.1 3D打印的原理 3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，
2、实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。 设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。 打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从
3、而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。 打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维Systems ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度
4、而定的。 传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而3D打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为
5、支撑物。1.1.2 3D打印的历史发展 1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。 1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。 1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。 2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。 2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。 2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。 2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。 2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。 2
6、012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。 2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。 2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。 3D打印技术目前是一种高新技术，3D打印技术作为一种高科技技术，目前应用到很多领域，如制造业，航空领域，医疗领域，化学技术，还有材料学科等方面。3D打印技术的推广使得更多制造业有了相应的变革，打印技术可以使制造效率不断挺高，方便快捷。而广泛应用的领域有医疗领域，建筑领域，和机械设计制造领域。有些精密的制造业也可以通过3D
7、打印技术完成。在医疗领域上，3D打印机可以用人培养的细胞作为打印原材料打印器官，这就给病人提供了对自己不排斥的器官。前段时间有个小孩因为天生没有鼻子，于是医院就通过3D打印机打印出了一个与他个人相匹配的鼻子，并且成功应用上去。这些成功的例子无疑在说明3D打印技术已经越来越接近我们的生活，改变我们的生活。建筑领域，3D打印技术可以快速的打印出一栋很建筑模型，可以省略很多传统的东西，某些工艺水平也是，传统工艺所不能企及的。1 3D打印技术已经有了十多年的发展，目前分辨率可以达到6000pi，厚度精确到0.001毫米，这样的技术几乎可以打印出你肉眼能看得出来的东西，可见这精度已经非常高了。当然我们可
8、以应用3D打印技术高精确性，打印出更多纯制造业很难完成的任务。3 目前国内很多家公司相继完成了他们的3D打印机的生产和销售，虽然他们的公司大小不能与国外大型公司相媲美，而且所做的产品的整体质量也没有国外的那么好，但在中国的市场还是非常不错的。国内生产的3D打印机在材料，模型结构，打印精准度方面还不能很好的满足消费者的需求。而在第三产业领域在国内某些发达城市有很多企业引进了国外先进的3D打印设备，在此基础上不断学习借鉴，并且有了技术上的提高。总之国内的3D打印技术还不够成熟，还需进一步的发展技术。 3 目前在西方国家，3D打印技术已经大范围的应用到了商业。比如在某些汽车制造业和电子制造厂商。3D
9、打印技术的优势可以体现在高效率的基础上打印出廉价的部件。纽约有一家公司手机了很多客户所实际需要的模型，或者产品，收集之后用3D打印技术把收集来的方案打印成他们所需的实物，并且获得了较好的成果。5 目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的FabHome和Shapeways、英国的Reprap等。 3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Sys
10、tems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。
11、如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。1.2 3D打印的发展前景 从历史发展中，我们可以发现，3D打印机要想成功的占领市场还需要面临很多挑战和困难。其中打印机的生产价格，打印的材料，打印精准性，结构设计等方面还有很多需要研究的地方，所以3D打印机的问世，既是一种机遇也是一种挑战。第一，生产成本方面。3D打印机的生产成本比较高，从刚开始设计一台3D打印机到买材料，组装，测试校核等程序使得打印机的成本大大提高，为了普及3D打印机很多商家生产出比较廉价的打印机，并且邀请那些对此
12、比较有兴趣的人共同开发，降低生产成本。第二，材料方面。目前3D打印机的成型材料多为化学聚合物，打印出来的物体也大多是激光烧结后的化学聚合物。然而作为3D打印机材料的多样性直接决定了生产多样性，可以见其的作用在整个打印机中占的比例很大。总之要想成功的普及3D打印机在材料上下功夫是不容忽视的。第三，打印精度方面。当前3D打印机的整体体积相对来说不是很大，这就限制了打印物体的体积大小。很多人认为3D打印机想打印什么就打印什么，其实还有很多因素要考虑，比如说打印的体积大小，和精度。3D打印技术的精度相对于现在的高精度制造业来说，还是有很大差距的。第四，研究开发方面。3D打印机的发展越来越进步的同时，外
13、界对其的要求也会越来越高。不仅仅是满足目前打印几个简单的3D模型，更重要的是应用到实际的生产生活中，比如说医院要打印出病人的某些器官，这些要求的技术室非常高的。研究人员需要花很大的时间去学习这些领域，也要相互合作才能达到目的。3D打印机的应用也不仅仅是医疗，生物，制造，工程等都可应用到。第五，市场。大家都知道开发一种产品除了其能服务大众，还有一个很重要的目的是产生经济效益。要想产生大的经济效益就要占领足够的市场份额，目前3D打印机不像二维打印机那么普遍。或者说3D打印机很少人会用得上，这就需要研发者研发出更多实用的打印机走进千家万户。1 根据国际快速制造行业权威报告Wohlers Report
14、 2011发布的调查结果，全球3D打印产业产值在19882010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。1 但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应
15、大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。 Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要510年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。 总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，
16、但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。 随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。 提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料
17、打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。 第二章 设计软件的选择 本次3D打印机的设计主要选择了Soli
18、dworks三维制图软件进行绘图制作，下面就简单介绍一下Solidworks这款软件和选择这款制图软件的好处。2.1 Solidworks软件介绍 SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业
19、杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。 由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术
20、队伍继续独立运作，成为CAD行业中高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。 由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学
21、生通过SolidWorks的培训课程。 据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。 在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、中山大学、中南大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学
22、等也在应用SolidWorks进行教学。 Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上可以用SolidWorks 来搞设计。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Wind
23、ows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者”。 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程
24、图之间的是全相关的。 SolidWorks 提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。特征模板为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以
25、保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。 配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。 SolidWorks 提供了技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作。通过eDrawings方便地共享CAD文件。eDrawings是一种极度压缩的、可通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。通过三维托管网站展示生动的实体模型。三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看产品结构。SolidWor
26、ks 支持Web目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就像存本地硬盘一样方便。用3D Meeting通过互联网实时地协同工作。3D Meeting是基于微软NetMeeting的技术而开发的专门为SolidWorks设计人员提供的协同工作环境。 在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。
27、智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中
28、剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。使用RapidDraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。142.2 Solidworks与其他三维制图软件的对比 目前选择 SolidWorks的最大优点就是简单容易上手，功能比较全面，但是也不需要和专业的软件比较的，因为他简单易学，功能上能满足设计的需求即可。与其它主流的三维制图软件相比，SolidWorks
29、如果做机械机构设计，钣金设计，管道设计等 是具有很大的优势的。但他的各种高级造型功能相对说来较弱（主要是复杂曲面几乎都用CATIA，或者UG解决的 还有行业因素），但是完全能够满足如：机械机构设计，钣金设计，管道设计等。由于行业原因，如果做模具，或者对数控加工要求较高的用UG PROE。汽车行业几乎都用CATIA。做非标机械设计方面的您可以考虑SolidWorks。（除了机械机构设计，钣金设计，管道设计等。SolidWorks的工程图相比其它三维尤其出色）SolidWorks的发展很迅速，在行业内的市场份额迅速增加，功能逐步完善，性价比十分高，潜力无限，估计会成为三维设计软件的领头羊。Soli
30、dWorks与其他三维绘图软件比较：1.SolidWorks与Pro/E使用对比 Pro/E的性价比低，而SolidWorks的性价比高。当Pro/ E提升到与SolidWorks差不多的功能时其价格是SolidWorks的四倍之多：Pro/E的易用性低，而SolidWorks的易用性高，易学易用是大家选择CAD软件的重要指标之一。SolidWorks是基于Windows操作平台是易于操作的CAD软件，windows中的很多功能也可以在这里实现，比如：“复制”、“粘贴”。但是Pro/E的建构于UNIX系统，必须学习二种不同的操作接口：一个是旧有的下拉式选单，一个是视窗的操作方式没，用起来比较麻
31、烦；就地位而言，SolidWorks目前是口碑不错的3 D制图软件，Pro/E是应用的范围和功能相异。但是其中的诸多功能还是有相同之处，若说今后的发展趋势，那当属SolidWorks了。 很多人都知道Pro/E的架构是属于“纯”参数的设计方式，因此在用Pro/E时，在绘制零件中最重要的工作变成注意草图是否已经“完全定义”；而这样的设计过程将容易让整个设计意念因而分心导致影响你的设计与创造力。也常因此你的设计意念不得不妥协于这样的限制之下。所以这个应该是SolidWorks最为核心的优势，让大家不局限在软件的使用上，而是专注于设计本身。 Pro/E可自动地通过简单地选择模具开模方向创建分型线，设
32、计分型面，包括刚性关闭曲面通过开模和干涉检查，检查模具锁死条件计算填充量，使用分型面将模具分开，并创建实体模型的模具元件，例如型芯、型腔和滑块。SolidWorks在模具设计上逊色于Pro/E。2.SolidWorks与UG使用对比 很多人认为UG属于高端产品，其实现在大家对高低、端的区分存在很多的分歧，记得之前有朋友这样说过，感觉cad软件就像一个师傅的几个徒弟一样，学的武艺，差别都不是很大，只是打出的招数不同而已。在3D建模方面，大同小异，如果随便看看，感觉差异很小的，但是如果插入心窝，感觉还是有点差异。我也很是认同他的观点，现在来说一下我的想法。 SolidWorks最大的优势在于易学易
33、用，很适合新手使用，再说SolidWorks公司是专业的软件公司，所以新手用这款软件还是很好的选择；在大型装配、智能设计、以及CAE分析方面，solidworks的优势还是比较明显的，在这些方面有要求的朋友可以用SolidWorks；在设计验证上，做的也是很好，我个人非常喜欢这个软件。 UG在加工能力，曲面能力，数据库管理能力等，都是很强的。经常设计曲面的朋友可以倾向于UG；UG是快成模具行来的代名词，越来越多的模具厂在使用UG做为设计软件，对于选择其他软件作为其模具设计不多；UG可以实现G2连续，可以做到A面的要求也不是问题。其实，我觉得最好要掌握两种以上的软件，才可以适应不同的工作。而且，
34、工作的内容也是选择软件的一个非常重要的理由，所以自己的定位非常重要的。说白了，对你来说，用哪个软件最顺手，最容易掌握，那个软件就是最好的。 第三章 3D打印机的结构设计3.1 3D打印机的参数打印机的运行尺寸：260260100mm打印的最大范围：260260100mm标准型材的尺寸：2525mm电机的转速：3600r/min3.2 整体结构设计3.2.1 工作原理3D打印机在工作的时候是中间两根标准型材是立起的，立起的时候能提供打印机在X,Z方向的运动空间。打印机总共有4个电机，一个电机用在Z轴方向，一个用在X轴方向，一个用在Y轴方向，剩下一个是传送材料到喷头用的。在打印机上边装有一个电机连
35、接丝杆，带动喷头所在的光杆做Z方向运动。X方向的打印是通过喷头左右运动完成的，电机带连接在喷头的齿形带，使喷头运动。而Y轴方向是底座的电机带动底板来回运动。3.2.2 3D打印机的组成标准型材：2525mm，100mm2，260mm4，240mm5步进电机：四个丝杆：三根联轴器：三个齿形带：两条光杆：六根六角螺栓+螺母非标准件包括底座，底座梁支架，底座支架，喷头结构，提手，型材之间的连接件等。3.2.3 框架结构打印机的结构主要由大小25x25mm的标准型材构成，底座由八根型材组成，这样的底座稳固性非常强，能保证打印机在工作的时候不会发生摇动以至于打印精度下降。打印机的Z轴传动通过立在中间的丝
36、杆完成，顶上的电机转动通过联轴器带动丝杆完成喷头上下运动。喷头与光杆衔接左右运动。底座支架与底座的光杆衔接通过带动底板做前后运动。为了是打印机工作平稳，底座上下两根型材分别与立杆用连接部件固定，其中上面的型材与部件固定，拆卸时需拧下螺钉，而下面的型材则与部件通过六角螺栓活动链接。这样就可以实现打印机在不使用的情况下把立杆放下，便于携带。部件的统一厚度为5mm。3.2.4 底座支架结构该结构的视图如下，它的主要作用是连接支撑底板，并带动底板做前后运动。 图3.1 底座支架结构图底座支架在打印机中起关键作用，它的运动决定了底板的运动。上图中支架的导槽与底座的光杆导套连接，支架中间在于齿形带固定。电
37、机工作通过带动支架在光杆上来回运动。然而底板与支架通过杆固定连接，实现了底座支架带动底板的来回运动。底座梁支架的作用就是支撑整个底板和固定光杆、电机。考虑到受力，底座梁支架锁在型材上，左右各有一个支架固定两根光杆。一边的支架中间有固定电机的地方，而且那块板相对来说比较厚，因为要承受比较大的力，包括电机自重，和齿形带的拉力。 图3.2 底座支架三维下视图3.2.5 X轴方向运动的设计 X轴方向的运动主要靠联轴器带动齿轮连杆运动完成，喷头固定在上下两根光杆上，增加了运动时的稳定性。喷头的运动方向是光杆的轴向，为了使喷头运动时不受摩擦力影响，还需在喷头上套上光杆轴套，保证喷头能平稳运动。齿形带传动通
38、过左边的电机带动同步联轴器完成。这部分主要介绍X方向喷头结构的简单设计。 图3.3 X轴方向运动三维图3.2.6 Z轴方向运动的设计 图3.4 Z轴方向运动三维图3.3 电机和联轴器的选择 电机和联轴器的种类繁多，根据3D打印的的不同参数要求，选择合理的电机和联轴器是非常重要的，这样才能保证3D打印机的正常运行。3.3.1 电机的选择一、负载转矩的计算 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
39、与定子端电压和转子磁势（磁密)的乘积成正比。Fy和Fs分别是转子、定子的磁势或磁密；p为极对数。当为90度角时，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Jt=3.010-3kg.m2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。由于电机选定后最大输出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
40、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。二、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361mm=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
41、回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间6s;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分钟打印两个幅面的要求7。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： (3.1) (3.2) (3.3)式中：Ma电机启动加速力矩；，电机自身惯量与负载惯量（kgm3）；Mf导轨摩擦折算至电机的转矩（Nm）摩擦系数，取0.1；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：=h(3.4) 导轨磨擦折算至电机侧的转矩： 需要的
42、输出力矩为: （3.5） 出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81，满足要求。三、 步进电机和交流伺服电机性能比较 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1.控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，
43、五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动
44、器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 2.低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 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。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能
45、（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3.矩频特性不同 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300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4.过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，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
46、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。 5.运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。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。 6.速度响应性能不同 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200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，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。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角
