设计总说明

3D打印：各行各业在发展变革中热议的多数为工业4.0，而三维打印作为一项颠覆性的技术自然备受关注.3D打印技术（我们也称3DP技术）是重要的快速成型技术之一，该技术是以以数字模型的文件信息作为为基础，再利用可粘合的材料（比如塑料及粉末状金属），通过依次逐层打印的技术来构造模型物体.自从2003年以来，3D打印机销售逐渐扩大，价格也开始下降，生活中也越来越多的出现3D打印，3D打印不需要机械加工，可将设计师计算机上的蓝图直接变成实物，并通过一次加工实现节能环保，3D打印是一种预言可以代替传统工业的快速成形打印技术，3D打印技术已经运用在产品模型、科学研究、医疗行业和建筑设计等多个领域，并将给人类带来无限价值.

PWM控制技术：PWM控制技术就是我们所说的脉宽控制技术，这种技术主要是通过一系列对脉冲宽度的调制，来获得等效的所需波形，PWM技术的重要基础理论是面积等效原理,通俗的说就是通过控制开关通断对输出波形进行控制，也就是调节占空比来达到控制输出波形的目的.

设计原则：首先深入学习了解3D打印机发展历史、工作原理以及发展前景等，由于在大学期间学习过PWM技术，但仍需深入探究结合实际，所以要结合设计题目：“PWM控制技术在3D打印机中的应用”，着重研究PWM控制技术以及该技术在3D打印机中的应用.对比设计了此次项目各主要构成单元如机体框架、外围电路、控制电路、挤出加热机构、直流伺服电机的种类和驱动方式等.方案采用独立的三个XYZ轴分别带动打印头在三维空间里移动的方式构建打印机的主体框架.采用开源arduino MEGA元器件作为主体控制电路，同时配合集成的外围电路形成打印机的控制中心.并且是利用场效应管及直流电机等工作器件来构成3D打印机的工作动力.打印的原则上应满足精度在0.1-0.3的可控制范围内.考虑到此次设计的打印机面向的用户和创新之处，因此要保证整体制造成本应在1500元以内.拟定的设计期望还包括打印机的自我复制，希望在原则上能实现3D打印机能自己打印自己的设计功能.本文将在介绍分析3D打印机的机械结构和工作原理的过程当中，分析该3D打印机的包含的创新点以及其存在的不足之处.

主要技术资料：Reprap3D打印开源资源和arduino官网的芯片说明说和知乎论坛以及咨询导师获得的相关知识得到的学习资源实现.

第1章 绪论

1.1 3D打印机的研究现状与发展趋势

1.1.1 3D打印机的研究现状

3D打印机技术在经历了十几年的发展后已经可以在薄至0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率，与此同时也实现了在垂直速率方面的提升，目前垂直速率已经达到25mm/h，并实现了多达24位的多色彩打印.但是3D打印技术在发达国家的发展速度较快，总的来说美国的两家三维打印公司占据了绝大多数的三维打印市场份额.此外英国等其它发达国家的企业也同样具有较强的技术实力以及制造特色.同时，3D打印技术在国外已经初具规模，目前应用较多的产业主要集中在电子业、汽车制造业、航空业、生物医疗以及个性化定制等方面，完成较为复杂而精细造型的小批量个性化订制部件.但是仍存在阻碍，第一是打印机成本较高，给3D打印机的应用和普及带来困难.第二是打印材料的选择局限性比较大，大多数是化学聚合物，安全问题堪忧.第三是精度、效率和速度还有很大的提升空间，所以说目前3D打印技术仍然处在初步发展的阶段，将该技术大量应用于生产还需时日.第四则是知识产权方面存在的问题，3D打印技术的普及及其飞速发展使得物体的复制加工变得极其简便，这使得盗版风险在工业制造业急剧增加，而且现有的知识产权体系仍不完善仍存在漏洞.

自从3D打印理论的提出，三维打印的研究和推广在中国就从未停息过，并且已经在部分技术方面领先世界技术水平，尤其是在成型理论、分层制造等一系列三维打印学术方面，不仅形成了我国自己的学术技术备份存库.也逐渐研发制造了一系列成型机和材料，并且可以制造出在三维打印中属于较为领先的三维打印设备.尤其是我国独创的3D打印机的喷头，不仅可以允许多种颜色同时打印，并且可以将打印的精度提高到0.02mm.总的来说，国内的3D打印技术也在迅速的发展，在某些领域也形成了独具特色的技术优势，这些领先技术的发展进度也足以让3D打印在国内迅速发展，运用该技术能推动经济的发展，并且也能拓宽科学的边界.虽然国内的3D打印技术在迅速的发展同时也处在较高的水平，但是该技术的平均研发水平与发达国家的研发水平相比仍然有相当大的一段差距.与此同时进口3D打印设备已经在部分东部发达城市的企业使用用于制造模具、样品以及辅助设计等，但是这些国内三维打印服务使用的设备主要还是依赖进口.虽然3D打印技术在我国发展较晚，但其目前的发展速度及发展层次较高，相信在我国科学工作者不懈努力下，我国3D打印技术必将有无限的前景.

1.1.2 国内外3D打印机的发展趋势

Wohlers Associates近日发布了一份来自多个制造商、多个国家以及多个科学家的增材制造现状报告，其中显示3D打印行业市场规模已经连续两年增长了10亿美元，总计达到51.65亿美元.在智能生活和科技不断飞速进步下，以及人类对私人物品的个性化要求，工业制造会更多的运用到各领域的科学技术，包括电学、应用化学、机械、光学等等，因而来说3D打印技术将各学科技术的发展而不断进化与发展.在不久的将来三维打印技术必定会在便捷化、普及化、通用性、智能化以及精密化等方面有飞跃的发展和提升.简单地说就是3D打印会在打印速度、打印效率、打印精度等方面大有提升，降低产品的制造成本，提高制造表面精度.此外要通过实现打印的大批量、打印的不断电以及多种同类或不同类材料打印等方法来增强产品在力学等物理性能，同时提升其质量水平.同时必然会开发出更多的实用性更强，性能更佳的3D打印的材料，尤其是像金属材料直接成型技术^[1]这样先进的技术，使得更多的材料物品可以实现3维打印，另外软件集成化以及3D打印机的小型化、桌面化、物联网化等也将是未来三维打印技术发展的趋势.

3维打印在生物医药等方面的发展也是最受关注的，例如定制假肢、制造骨骼等技术也让3维打印成为医疗界新宠，美国30%的骨科手术已经运用三维打印技术，三维打印还能让医生全方位了解患者疾病情况，便于完善手术，当下最受瞩目的便是活体器官打印，虽然哈佛大学成功将3D打印技术用于打印生物细胞^[2].对于器官移植需求的日益增加，人体器官打印的科研行动也在不断地发展和进步中.但是随着时代和科技的进步，3维打印的精确度及打印材料的种类将迅速发展，其技术水平也将发生彻底的革新，3维打印不仅效力于传统的制造行业，同时会延伸至食品制造、服装制造、互动服务业以及科学教育等多个与人们生活息息相关的各个领域^[3].

3D打印机的打印速度在不断地提高，根据2011年的统计资料，家用型的3D打印机的打印速度已突破了350mm/s.3D打印机体积也有了新的突破来适合不同用户的不同产品需求，其中包括大尺寸和小尺寸的自由选择.小巧的桌面机打印机已经不鲜见，这预示着未来3维打印机会得到更多应用.德国的3D打印公司发布的4000x2000x1000mm尺寸的3D打印机使大尺寸部件打印成为现实，更有无数的科学手工爱好者在三维打印中投入大量心血，经常看到一些三维打印技术创造的小奇迹，如近日香港平面设计师制造的3D打印的仿生机器人，综合时下最火热的三维打印和机器人技术，让人惊叹科学魅力.更有像中科大这样的机构近日提出一种快速廉价的制造大物体的技术，将三维打印和平面激光切割结合，可以比传统制造节省60%的材料和时间.

为了让三维打印机从家喻户晓到走进千家万户，设计平台逐渐走出专业软件，走着更简单路线.此次项目涉及的3D打印机类型除去刚性结构要求较强的金属材料、电机及控制板、支撑材料之外，其他的部件与材料均可由打印机本身来制造.

1.1 3D打印机的特点及其工作原理

顾名思义，3维打印分为三个维度，即三个坐标轴，根据实际情况，坐标可以分为直角坐标、极坐标等^[4]，它是对二维打印的延伸，并且是一种快速成型方法，是一种可以将设计期望直接转换成设计产品的机器，它的基础是以数字为模型的文件，经过软件进行“切片”，然后根据实际需要用塑料、陶瓷、金属等其他可以粘合亦可分解成粉末、颗粒的单元，通过一层层的涂抹或烧结等不同技术来逐层制造三维的物体.早期三维打印机只被设计师、艺术家等运用，近几年三位打印机主要用来制造产品.其原理是通过把上位机对单片机或DSP等控制芯片输入指令，单片机按照预定的程序输出信号控制电机、喷嘴等一系列工作元件工作.然后把产品一层层地造出来.3D打印机与以前的打印机相比有很大的不同之处，主要在于它工作的运动空间和使用的打印材料，前者是在三维空间内运动，而后者则是在二维空间内，同时前者使用有一定体积的最小单元，后者使用的是普通的墨水.3D打印机利用传统打印机在平面薄层打印的形式有多种多样，再配合堆叠的多样性，可以通过打印这一形式生产很多种产品.3维打印可以用到的“墨水”多种多样，包括各种类型的塑料、还有特种水泥以及特殊的金属材料^[5].3D打印不仅会掀起制造业革命，也会颠覆很多学科的研究，推动各个领域发展，没有三维打印机产品生产要受限制于机械模具的加工工艺，3D打印技术能使设计不再受到生产工艺的干扰，促进很多因为制造工艺导致生产成本很高或很难实现生产的优良作品.三位打印让制造的阻碍大大减少.

1.2 PWM控制技术基本原理

运用PWM技术对直流伺服电动机地控制主要是通过对输入的脉冲信号开和关的时间进行改变来实现对输出信号大小地控制，以此实现对直流伺服电机的调速及定位等进行操控.PWM控制技术是将输入的脉冲信号的开和关的周期及频率固定，利用调整导通脉冲的宽度来调节直流伺服电机的平均电压.在该控制技术的过程中由于脉冲频率的固定，有利于消除系统中出现的由功率器件开关导致的固定频率的电磁干扰^[6].

随伴随着全控性功率电子器件的迅速发展，开关功率电路与PWM控制技术成为主流技术，而其具有的减小功率器件导通损耗，提高驱动效率等优势也使得开关功率电路与PWM控制技术在功率应用中基本上取代了线性功率放大电路.在PWM控制技术中，当负载为直流伺服电动机时，也就实现了电动机的调压调速控制^[6].脉宽调制PWM控制技术在控制系统中有着广泛的应用，例如如电梯、机器臂和电机等，其中一个重要的原因就是PWM实现了模拟控制的数字化，并且产生PWM的方法也比较简单且较为灵活.PWM控制技术一直都是一项备受关注的应用研究，最为热门的就是它的数字化实现技术，这一技术的实现主要是依赖于微电子技术及电力电子技术的迅速发展下，所以PWM的数字化实现方法就是PWM控制技术的主要实现形式.其中PWM应用中一个非常重要的问题就是对器件非理想特性的补偿问题，这些问题包括对功率器件开关时间、控制延时以及对死区的补偿等等，而这些问题中最为棘手的就是死区的补偿问题，例如偏差电压影响输出，导致低次谐波增大输出转矩脉动等等问题，所以必须解决的就是死区补偿问题.目前PWM控制技术已经在交流-交流变频电路、直流斩波电路、整流电路及逆变电路等领域得到快速发展，同时也发挥越来越重要的作用.

1.2.1 PWM控制技术理论基础

“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同.”这是采样控制理论中一个重要的结论，其中涉及的冲量代表的是窄脉冲与时间轴围成的面积，效果的基本相同则代表波形的输出在环节上是大致相同的.输出响应波形在低频段非常接近，仅在高频段有所差异.此结论通常被称为面积等效原理，该面积等效原理是PWM控制技术的最重要的基础理论之一.

1.2.2 PWM控制技术控制原理

PWM控制技术的理论基础就是面积等效原理.该技术通过对半导体开关器件的关断和导通进行控制，这样使得输出端信号得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，并以这些脉冲来代替正弦波或其它所需要的波形.

按照特定的规律将各个脉冲的宽度改变，这样便可以此来调整输出频率的高低，也可以此来调整电路输出电压的高低.脉宽中一系列变化的脉冲称之为脉宽调制信号，脉冲可以连续存在几个固定的时间周期，而每个时间周期内只能包含一个脉冲，这的个固定的时间周期称为为PWM周期.PWM脉冲的宽度由另一个称为调制信号的序列决定与调制.在电机控制的过程中，主要是通过PWM信号来控制开关功率器件的开与关的时间，传递所需的能量给直流伺服电机.相电流、相电压的波形以及频率传递给电机的能量决定了电机的转矩和速度，施加于电机的控制电流或电压则称之为调制信号，就频率高低来比较的话，调制信号一般情况下要比PWM载波低很多