并聯(lián)式桌面3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

引言

自2008年起,桌面式3D打印機(jī)進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段,這主要是因?yàn)閞eprap的開源技術(shù)得到了極大的推廣應(yīng)用,從而產(chǎn)生了多個(gè)制造桌面3D打印機(jī)的知名企業(yè)(如Makebot、Ultimaker等)。經(jīng)過不斷改進(jìn),在開源3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上逐漸出現(xiàn)了sLs、sLA、DLP、3DP等多種打印技術(shù),對制造業(yè)的進(jìn)步發(fā)展產(chǎn)生了重大意義。而3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了門架體系結(jié)構(gòu)、雙光軸結(jié)構(gòu)、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)等多種形式,其中并聯(lián)式具有結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械傳動反應(yīng)速度快等優(yōu)勢,因而推廣應(yīng)用價(jià)值較大。

然而,并聯(lián)式3D打印機(jī)算法復(fù)雜,裝配要求和加工要求也比較高。目前,FDM(熔融沉積成型)類型的3D打印機(jī)已經(jīng)開發(fā)到第3代了,但所制造設(shè)備一直受限于笛卡兒坐標(biāo)系,沒有進(jìn)一步突破原有的結(jié)構(gòu),打印速度和打印精度遇到了瓶頸。由于并聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有快速、定位精度高等優(yōu)點(diǎn),其打印速度比普通坐標(biāo)系打印機(jī)要快,因此有必要對并聯(lián)式3D打印機(jī)進(jìn)行研究。查閱相關(guān)資料可知,并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動可以通過換算,轉(zhuǎn)化成笛卡兒坐標(biāo)系的運(yùn)動,最終用于設(shè)計(jì)并聯(lián)式3D打印機(jī)。

1并聯(lián)式3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1工作原理

3D打印機(jī)主要工作原理是通過電腦的切片軟件將三維模型按照設(shè)置的層厚切成一層一層,再根據(jù)切片算法,把面化成線的填充,再轉(zhuǎn)化為G代碼。3D打印機(jī)控制軟件通過串口通信的方式,把數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)的主控板,主控板上的固件主要由G代碼解釋器組成,G代碼解釋器把數(shù)據(jù)流解釋為3個(gè)驅(qū)動噴頭運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)和1個(gè)擠料電機(jī)的運(yùn)動,通過A4988驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動[4]。同時(shí),它的溫控系統(tǒng)用了PID閉環(huán)控制,可以把溫度穩(wěn)定地控制在某個(gè)值,從而保證塑料的熔化,使噴頭能夠均勻出絲。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主體由陽極氧化的鋁板和4040鋁型材組成,基座執(zhí)行器主要由CsK直線導(dǎo)軌、線軌滑塊、GT2皮帶和42步進(jìn)電機(jī)組成,末端執(zhí)行器主要由賽鋼材質(zhì)加工而成的平臺、萬向關(guān)節(jié)、斜桿組合而成。

1.2.1打印耗材料架

傳統(tǒng)打印機(jī)的耗材料架一般采用三種方式設(shè)計(jì)。第一種是脫離3D打印機(jī)本體的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)雖然輕便,但在使用上并不方便,在3D打印的過程中,偶爾料架會被帶動偏移,導(dǎo)致打印失敗。第二種是采用內(nèi)藏式的結(jié)構(gòu),為了在外形上容納耗材料架,3D打印機(jī)機(jī)身體積會進(jìn)一步增大,為使體積盡可能縮小,一般會把存放耗材的空間做得非常小,這種設(shè)計(jì)并不利于長時(shí)間打印。第三種是頂置式,頂置式對耗材的存放空間沒有限制,因此,設(shè)計(jì)一套不需要完全拆卸的頂置式料架,如圖1所示,料架兩側(cè)板根部用合頁與頂板連接。當(dāng)需要上料的時(shí)候,把兩側(cè)板立起來,再放上一根支撐橫梁即可。當(dāng)需要運(yùn)輸拆卸時(shí)只需把橫梁提起來,兩側(cè)板往外折攤平即可。

圖13D打印耗材料架結(jié)構(gòu)

1.2.2LCD面板

為縮小體積,傳統(tǒng)的LCD面板一般內(nèi)藏在外壁上,與水平面成90o角,然而,當(dāng)操作人員操作面板時(shí),必須彎腰觀察操作,而且可視角度差。因此,設(shè)計(jì)LCD面板傾斜角度可調(diào),如圖2所示,以適應(yīng)不同高度的人:而且面板采用可折疊設(shè)計(jì),不占用地方,方便實(shí)用。

圖2LCD面板結(jié)構(gòu)

1.3電控和軟件

電控部分主要由Mega2560、J-head加熱噴頭、熱敏電阻、Ramp1.4、A4988、MK2PCB熱床、限位開關(guān)等部件組成。桌面式3D打印機(jī)的優(yōu)勢體現(xiàn)在其簡單易用,開源社區(qū)里發(fā)布了很多優(yōu)秀的3D打印控制軟件,其中有Cura和Printrun[5]。Cura的界面如圖3所示,優(yōu)點(diǎn)在于圖形化界面,簡單易用。Printrun的界面如圖4所示,優(yōu)點(diǎn)在于可以控制多種3D打印機(jī),功能選項(xiàng)較多。并聯(lián)式3D打印機(jī)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,它的打印起始點(diǎn)與普通打印機(jī)不同,另外它的打印范圍是一個(gè)圓,有別于普通打印的正方形,因此選擇了設(shè)置參數(shù)比較多的Printrun。

2并聯(lián)式運(yùn)動算法設(shè)計(jì)

2.1運(yùn)動算法設(shè)計(jì)

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)特殊,它與普通直聯(lián)式不一樣,并不是通過三維坐標(biāo)xy:的三個(gè)參數(shù)來直接對應(yīng)控制三個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)所走的參數(shù)。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)所用的坐標(biāo)系不是笛卡兒坐標(biāo)系,它的三維坐標(biāo)點(diǎn)需要進(jìn)行一個(gè)換算,映射到端點(diǎn)坐標(biāo)中,然后根據(jù)端點(diǎn)坐標(biāo)來推算3個(gè)軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動參數(shù)。

如圖5所示,將并聯(lián)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡化。因?yàn)镕DM熔融沉積打印技術(shù)是通過熔化的塑料層層堆積,因此,要使打印平臺工作時(shí)提升1mm(兩斜桿為剛性材料,忽略其形變),A點(diǎn)和B點(diǎn)同時(shí)往上提升1mm即可,而A點(diǎn)和B點(diǎn)的上升運(yùn)動則通過其對應(yīng)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動進(jìn)行轉(zhuǎn)化。設(shè)兩斜桿長度都為5,平臺長度為2,初始位置,斜桿與水平面所成夾角為459,因此A點(diǎn)和B點(diǎn)與水平面距離都為5V2/2,平臺需要向左移動5V2/2-3的距離時(shí),不難得出,A點(diǎn)上升4-5V2/2,B點(diǎn)下降5V2/2-3,平臺依然保持水平狀態(tài)。

同理,在三維坐標(biāo)中,G代碼給出的是噴頭噴嘴的坐標(biāo),因此需要把噴嘴坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個(gè)基座執(zhí)行器的坐標(biāo)。

設(shè)噴嘴坐標(biāo)為)x,y,:),噴頭平臺三點(diǎn)坐標(biāo)A(ax1,ay1,az1),B(bx1,by1,bz1),C(cx1,cy1,cz1)。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系,易得出噴嘴坐標(biāo)與噴頭平臺A、B、C點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系,jh為打印噴頭高度,R為噴頭平臺外接圓半徑,關(guān)系如表1所示。

同理,對于基座執(zhí)行器,設(shè)噴頭基座執(zhí)行器三點(diǎn)坐標(biāo),基座A(ax2,ay2,az2),基座B(bx2,by2,bz2),基座C(cx2,cy2,cz2),同時(shí)得出噴嘴坐標(biāo)與基座執(zhí)行器坐標(biāo)之間的關(guān)系,如表2所示。

因此,設(shè)la、lb、lc為x、y、:三個(gè)軸到打印平臺萬向軸的水平距離,可得:

設(shè)3個(gè)基座與平臺之間的垂直距離分別為ha、hb、hc,可得:

所以,可以從噴頭平臺映射到3個(gè)基座執(zhí)行器坐標(biāo)的:軸坐標(biāo)如下:

斜桿相關(guān)部分的實(shí)際尺寸如圖6所示。

圖6斜桿相關(guān)部分尺寸圖

通過以上理論基礎(chǔ)計(jì)算,控制程序可以轉(zhuǎn)化為C語言,如下所示:

部分并聯(lián)3D打印機(jī)的核心算法

//斜桿所在兩萬向節(jié)之間的實(shí)際長度

#defineBINGLIANLONGОIxGAN186E0//..

//末端執(zhí)行器噴頭中心到線軌之間的水平距離

#defineBINGLIANsHUIPINGОIANGUITOPIN-GTAIZHONGОIN140E0

//末端執(zhí)行器中心到其萬向節(jié)的水平距離

#defineINGLIANsHUIPINGОIANGUITOОIAO-YINGoI19E9//..

//線軌到滑塊萬向節(jié)的水平距離

#defineBINGLIANsHUIPINGMODUANZHIОI-NGoITOwANОINGJIx19E5//..

//滑塊萬向節(jié)到末端效應(yīng)器萬向節(jié)的水平距離

#defineBINGLIANwITHBANJING

對于該設(shè)備3個(gè)鋁型材支架上xy平面的坐標(biāo)點(diǎn)(圖7),可以轉(zhuǎn)化代碼如下:

//Effectivex/YpositionsofthethreeverticalGAoTAs

#definesIN一66.8一一625463784438一

#defineCos一66.5

#defineBINGLIANGAoTAlx-sIN一6*BINGLI-ANwITHBANJING//frontleftGAoTA

#defineBINGLIANGAoTAlY-Cos一6*BINGL-IANwITHBANJING

#defineBINGLIANGAoTA2xsIN一6*BINGL-IANwITHBANJING//frontrightGAoTA

#defineBINGLIANGAoTA2Y-Cos一6*BINGL-IANwITHBANJING

#defineBINGLIANGAoTA3x6.6//backmiddleGAoTA

#defineBINGLIANGAoTA3YBINGLIANwIT-HBANJING

圖7并聯(lián)結(jié)構(gòu)中鋁型材俯視圖坐標(biāo)點(diǎn)

2.2步進(jìn)電機(jī)算法驅(qū)動

該設(shè)備所用的步進(jìn)電機(jī)步距角為l.89,所以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈:3一69/l.89=266步(6.99步距角的電機(jī)為466)。在沒有使用細(xì)分驅(qū)動器的情況下,需要給步進(jìn)電機(jī)266個(gè)脈沖,電機(jī)才會旋轉(zhuǎn)一周。在電控部分中,該設(shè)備采用A4988電機(jī)驅(qū)動器,利用其最高的細(xì)分?jǐn)?shù)一l一細(xì)分,因此使用細(xì)分驅(qū)動器的情況下,轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖:266×l一=3266。

該設(shè)備采用GT2同步帶,齒型間距為2mm,采用16一齒的GT2同步輪。

因此,步進(jìn)電機(jī)每走lmm所需脈沖根據(jù)下式計(jì)算:

并聯(lián)式3D打印機(jī)上三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動方式是相同的,所以不難得出,另外兩軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動參數(shù)也是相等的,同時(shí)設(shè)備上擠出機(jī)的步進(jìn)電機(jī)也用了同樣的電機(jī)驅(qū)動板,電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)也為l一。因?yàn)閿D出機(jī)的細(xì)分直接決定模型表面打印質(zhì)量,所以要精細(xì)控制其擠出量。擠出機(jī)采用了遠(yuǎn)程供料結(jié)構(gòu),所以必須使用齒輪減速,以克服3D打印耗材和導(dǎo)料管間的摩擦力。在齒輪減速機(jī)構(gòu)中,該設(shè)備采用了行星輪減速機(jī)構(gòu),減速比為5.l8,擠出輪齒輪直徑為l2mm。所以,擠出輪使耗材每走lmm所需脈沖根據(jù)下式計(jì)算:

由于實(shí)際運(yùn)動和計(jì)算存在一定的誤差,因此調(diào)試設(shè)備時(shí),可以打印一個(gè)長方體,根據(jù)其長寬高的實(shí)際長度和模型設(shè)計(jì)長度之間的比例關(guān)系,重新映射到X、Y、Z三軸每毫米的脈沖。因此對應(yīng)更改Marlin固件的參數(shù)配置,更改如下:

//默認(rèn)參數(shù)設(shè)置

#definemorenAsPU(l66,l66,l66,439.9l5l}//默認(rèn)xyze電機(jī)的脈沖數(shù)

#definemorenMJINGEI(866,866,866,866}//單位mm/s

#definemorenMJIAsUDU(l766,l766,l766,l766}

//4軸電機(jī)最大加速度

#definemorenJIAsUDU2966

//打印情況下最大加速度

#definemorenFUwEIJIAsUDU2966

//復(fù)位情況下最大加速度

3結(jié)語

本文介紹了并聯(lián)式3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算,包括該設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控部分和上位機(jī)軟件。通過solidworks三維建模軟件模擬分析,采用運(yùn)動算法計(jì)算,采用步進(jìn)電機(jī)算法對其進(jìn)行控制,采用Printrun3D打印控制軟件,最終設(shè)計(jì)并制造出并聯(lián)式3D打印機(jī)。經(jīng)過后期測試驗(yàn)證,其打印速度最快達(dá)到96mm/s,打印精度±6.2mm。設(shè)備整體尺寸僅為266mm×266mm×266mm,能作為桌面式教學(xué)設(shè)備,而且操作簡單,造價(jià)成本較低,具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。