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家庭式3D打印机步进电机驱动的分析工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划旨在提升制造业的智能化水平建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂。而今年中国政府推出了《中国制造2025》计划并确定以智能制造为主攻方向。在工业4.0战略中就包括3D打印。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。人们所知晓的技术应用方向包括桌面级别和工业级别产品细分大到航空航天、汽车以及建筑工程小到珠宝、鞋类、牙科及教育。今天所要讨论的3D打印不单指向工业级别的应用领域目前众多家庭生活可以接触的3D产品已经被外界报道食物、衣服、鞋子甚至房屋等。本文章将具体阐述3D打印家庭化的趋势和未来。一、3D打印机技术概述3D打印技术始于1980年的美国至2015年该技术因可延展性和创造性被人们所知晓或运用。全球市场研究公司Gartner发布报告称2014年全球3D打印市场规模已经达到38亿美元今年出货量可达217350台增幅高达l00%。该机构预测到2018年该市场出货量将超过230万台规模可望达到125亿美元。中国政府也将目光对准这一些新兴领域。工信部在3月份正式发布了《国家增材制造产业发展推进计划(20152016年)》文件提出增材制造(即3D打印)产业销售收入要实现年均增速30%以上的快速增长。所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同只是打印材料不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料打印机与电脑连接后通过电脑控制可以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。目前3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、重金属、橡胶类材料。目前市场上的主流技术为熔融沉积式(FDM)技术使用材料为热塑性塑料、共晶系统金属以及可食用材料基于FDM技术的3D打印机根据软件预设的坐标加热纤维并挤压半液态的热塑性塑料自下而上逐层打印零件。FDM技术在打印过程中不使用任何化学物质或粉状物质不仅环保还可以便捷被办公室或家庭使用。二、3D打印机内部分析普通3D打印机主要包括三部分电子部分:系统板、主板、电机驱动板、加热管、热电偶(或者热敏电阻)、热床;机械部分:步进电机、支架、同步轮、同步带等;软件部分:固件、上位机程序、烧录软件。图1为FDM3D打印机的外观机构图。(1底座2平台3穿孔板4喷嘴5喷头6丝材管7滚轮轴8打印材料9指示灯10初始化按钮)器械部分作为3D打印的重要部分电子部分控制其更好地进行打印操作。而排除老生常谈的主控部分步进驱动器仍是众多技术人员的关注点尤其是作为3D打印机的一部分步进驱动器还主要控制打印机主体步进电机。步进驱动是一种能使步进电机运转的功率放大器能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移电机的转速与脉冲频率成正比所以控制脉冲频率可以精确调速控制脉冲数就可以精确定位。目前主流的3D打印机都是使用细分驱动技术采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率减小转矩波动避免低频共振及降低运行噪声进而使3D打印机降低噪声。细分驱动技术是一种电流波形控制技术其基本思想是控制每相绕组电流的波形使其阶梯上升或下降即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。其中V――电机转速(R/S)P脉冲频率(Hz);θe――电机固有步距角;m――细分数。步进电机一定时供给驱动器的电压值对电机性能影响大电压越高步进电机能产生的力矩越大越有利于需要高速应用的场合(例如3D打印所需高速环境)但电机的发热随着电压、电流的增加而加大所以要注意电机的温度不能超过最大限值。针对家庭用的3D打印机一款适合的驱动可以更好地配合电机以及平衡噪声及热量。适合3D打印电机驱动的东芝步进电机驱动在国内仍有部分人对“细分”还不是特别了解细分不仅是为了提高精度其主要是改善电机的运行性能现说明如下:步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的以二相电机为例假如电机的额定相电流为3A如果使用常规驱动器(如常用的恒流斩波方式)驱动该电机电机每运行一步其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0相电流的巨大变化必然会引起电机运行的振动和噪声。如果使用细分驱动器在10细分的状态下驱动该电机电机每运行一微步其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A且电流是以正弦曲