尹晨晨，朱陽，陳佳慧，張鵬，陳勁松

（江蘇海洋大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，制造業(yè)的智能化和個(gè)性化加工已成世界關(guān)注的要點(diǎn)。智能化是指將通信，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，智能控制為一體的應(yīng)用。個(gè)性化是指隨著高端制造業(yè)特種零件的需求增多，非通用零件往往具有獨(dú)特、另類的特征。3D 打印技術(shù)是個(gè)性化，智能化加工的集合體，受到了世界各國的重視。本文基于CoreXY 結(jié)構(gòu)的3D 打印機(jī)的實(shí)現(xiàn)，以CoreXY 結(jié)構(gòu)為主體，作為3D打印機(jī)的平臺(tái)，選用合理的上位機(jī)，用于X、Y、Z 軸的回零校準(zhǔn)和打印指令的輸入，編寫人機(jī)交互的控制程序。該CoreXY 結(jié)構(gòu)的3D 打印機(jī)可以作為教學(xué)的輔助設(shè)備，結(jié)構(gòu)透明，可以作為一臺(tái)原理機(jī)，提高學(xué)生對(duì)3D 打印技術(shù)的興趣，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到上位機(jī)到下位機(jī)操作的操作過程。該3D 打印機(jī)也可以進(jìn)一步改進(jìn)，為深層次的機(jī)器開發(fā)做基礎(chǔ)，作為教育機(jī)有重要研究意義，并且有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國國內(nèi)的3D 打印技術(shù)起步較晚，近些年剛剛開始發(fā)展。相關(guān)的企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種加工模式，但是礙于當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，并沒有能力將其應(yīng)用到自己生產(chǎn)制造過程中。一方面，是因?yàn)榧庸こ杀靖?，國?nèi)的3D 打印機(jī)的發(fā)展還存在一系列的缺陷；另一方面，是企業(yè)不能擺脫傳統(tǒng)制造的思維模式。國外的3D 打印水平相比而言較高。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

從3D 打印技術(shù)的發(fā)展史可以得出，隨著3D 打印技術(shù)的種類變多，被打印出的東西也千變?nèi)f化。雖然對(duì)于普通用戶和制造業(yè)，3D 打印的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化時(shí)機(jī)還沒有成熟，但我們也看到3D 打印機(jī)開始向兩極分化，除了百萬元級(jí)的大型3D 打印機(jī)外，國內(nèi)目前也出現(xiàn)了面向個(gè)人用戶的數(shù)千元的3D 打印機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1.1 CoreXY 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CoreXY 是一種結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)的、速度敏捷的機(jī)構(gòu)。所要研究的方向即擠出機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，簡單來說，主要研究X 軸和Y 軸機(jī)構(gòu)是如何聯(lián)動(dòng)的。M1、M2 兩電機(jī)是固定的，如圖1 所示。

圖1 XY 傳動(dòng)帶聯(lián)動(dòng)圖

該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是通過一根皮帶來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)可以有效地減少打印誤差，避免了安裝絲杠以及移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)的負(fù)擔(dān)，使整體結(jié)構(gòu)簡約，擠出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)更加靈動(dòng)?？梢院艽蟪潭壬咸岣叽蛴C(jī)的工作效率。

如下推導(dǎo)位移△X、△Y，和電機(jī)M1，電機(jī)M2 的線位移△A，△B 的函數(shù)關(guān)系，如下所示：

提取電機(jī)線位移，可得方程組：

在如上所示的式子中，△X、△Y 分別為3D 打印機(jī)的擠出機(jī)在平面坐標(biāo)上面沿著X 軸和Y 軸的正方向上面的位移，而△A、△B 則為步進(jìn)電機(jī)輸出的線位移。在計(jì)算上我們?nèi)【€位移順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。

由公式可得，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)以相同的旋轉(zhuǎn)方向和速率時(shí)：

擠出機(jī)構(gòu)會(huì)向X 軸方向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)M1 與步進(jìn)電機(jī)M2 反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過公式我們可以推導(dǎo)出：

擠出機(jī)構(gòu)會(huì)沿著Y 軸方向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)M1 轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)M2 靜止時(shí)，通過公式我們可以推導(dǎo)出：

擠出機(jī)構(gòu)會(huì)沿著Y=X 方向移動(dòng)。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)M2 轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)M1 不動(dòng)的時(shí)候，通過公式我們可以推導(dǎo)出：

擠出機(jī)構(gòu)沿著Y=-X 方向移動(dòng)。

由上可知，CoreXY 機(jī)構(gòu)可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)于X 軸、Y 軸，以及對(duì)角線方向上的運(yùn)動(dòng)。

2.1.2 CoreXY 鋁合金骨架搭建

CoreXY 結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)所要求的3D 打印機(jī)方案的可實(shí)現(xiàn)性。在整體結(jié)構(gòu)框架上，使用TDT 歐標(biāo)的2020 鋁合金型材作為結(jié)構(gòu)，尺寸為20mm×20mm。在整體硬件骨架四角安裝腳墊，減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng)所帶來對(duì)打印精度所產(chǎn)生的影響。

2.1.3 CoreXY 打印件框架搭建

電機(jī)的同步輪及從動(dòng)輪等均是通過皮帶進(jìn)行傳動(dòng)。通過建模設(shè)計(jì)出自己所需要的3D 打印構(gòu)件，用以約束同步輪與同步帶。在X 軸光軸上套有兩個(gè)光軸座，用于擠出頭的前后，即Y 方向上面的移動(dòng)。在雙光軸座上具有安裝法蘭軸承的卡口。用于在Y 軸光軸上進(jìn)行滑動(dòng)。由于CoreXY 結(jié)構(gòu)的特殊分布，其左右光軸支座也不是對(duì)稱的。如圖2 所示。

圖2 左右X 軸光軸支座

由于CoreXY 所獨(dú)有的結(jié)構(gòu)，其在四角都有安裝用于約束同步輪的3D 打印機(jī)裝置，固定方式則是采用M4的內(nèi)六角平頭螺釘和歐標(biāo)M4 的型材螺母固定而成。如圖3 所示。

圖3 骨架光軸支架

為提高擠出機(jī)在XY 軸中可運(yùn)動(dòng)的范圍。擠出機(jī)架在3D 打印機(jī)所打印出來的塑料件上，塑料件可安裝軸承，用于在光軸上位移，可以實(shí)現(xiàn)相較其他方案更迅捷的打印加速度。其為散熱管支架整體。連接著擠出頭及其散熱機(jī)構(gòu)。如圖4 所示。

圖4 散熱管結(jié)構(gòu)件

2.1.4 CoreXY 的亞克力板切割件搭建

整體框架除了XY 軸的電機(jī)以外，輔助CoreXY 結(jié)構(gòu)的還有雙Z 軸結(jié)構(gòu)。雙Z 軸是指打印平臺(tái)的左右兩側(cè)各有一份電機(jī)組合。電機(jī)通過聯(lián)軸器，與絲杠相連。雙電機(jī)在平衡受力增加穩(wěn)定性的同時(shí)，最主要的作用是控制打印的升降。與擠出機(jī)完成相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)Z坐標(biāo)的變化。Z 軸的固定主要是通過亞克力切割件進(jìn)行。

2.2 電氣系統(tǒng)

2.2.1 控制機(jī)構(gòu)

本論文中，所采用的控制板為MKS GEN—L V2.1，控制板由其中的主控芯片和周邊的輔助電路構(gòu)成，控制板中有外接電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源輸入、擠出頭輸入、限位信號(hào)輸入、熱敏信號(hào)輸入、觸摸屏輸入以及拓展端口等。對(duì)于電流具有大電壓、大電流，以及欠壓等情況有報(bào)警與保護(hù)功能。

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是整個(gè)CoreXY 結(jié)構(gòu)的3D 打印機(jī)重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)于X、Y、Z 軸輸出的穩(wěn)定性，是整個(gè)打印系統(tǒng)能否正常完成任務(wù)的擠出。選用新佳勝的42 步進(jìn)電機(jī)。X 軸，Y 軸使用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，基于CoreXY 結(jié)構(gòu)所得到的位移算法，在機(jī)器運(yùn)動(dòng)打印工作中，兩部電機(jī)配合運(yùn)作，完成對(duì)擠出頭的平面位置調(diào)整帶。Z 軸使用兩部電機(jī)控制熱床打印平臺(tái)的升降。本設(shè)計(jì)中的打印機(jī)與目前市面上的打印機(jī)關(guān)于Z 軸的運(yùn)動(dòng)方式不同，而是打印頭不動(dòng)平臺(tái)動(dòng)的。Z 軸的雙電機(jī)結(jié)構(gòu)具有相同且同步的脈沖信號(hào)，以用來確保平臺(tái)不會(huì)發(fā)生傾斜，從而導(dǎo)致打印件的失效。

2.2.3 擠出機(jī)機(jī)構(gòu)

擠出機(jī)的選擇在3D 打印機(jī)里具有舉足輕重的地位。在廣義上講，3D 打印機(jī)里的擠出機(jī)承擔(dān)著將材料擠壓成FDM 所需要的形狀，將加熱快的物料運(yùn)輸至噴嘴上的工作。擠出機(jī)也可以視為將材料遞送到噴嘴上的部件。選用的是泰坦擠出機(jī)傳動(dòng)比為3∶1，擠出力度大，軟硬材料均可以適用，控制精準(zhǔn)。E3D 泰坦擠出機(jī)又是泰坦擠出機(jī)中最經(jīng)典的一款，產(chǎn)品緊湊小巧，兼容性強(qiáng)，更適合本設(shè)計(jì)中這種模塊化的3D 打印生態(tài)系統(tǒng)。

2.2.4 電源

電源選擇開關(guān)電源，三維立方生產(chǎn)，功率360W，支持110V/220V 交流電壓輸入，輸出的電壓12V，電流最大可達(dá)30A，具有短路保護(hù)和過壓保護(hù)的功能。

2.2.5 鋁基板及打印平臺(tái)配件

鋁基板即所謂的熱床，作用是用于加熱剛打印出來的擠出材料。防止材料冷卻過快出現(xiàn)翹邊等現(xiàn)象。鋁基板選取300×200×3mm 的12V/24V 通用MK2A 型號(hào)。鋁基板正中間具有用于裝熱敏電阻的中心空，用膠帶粘住即可。鋁基板上面墊著相匹配的晶格玻璃。其主要參數(shù)，耐熱為400℃，硬度為8 莫氏，表面進(jìn)行高分子納米材料處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于CoreXY 結(jié)構(gòu)的3D 打印機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要集中在打印中噴嘴運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)、上位機(jī)的設(shè)計(jì)、下位機(jī)實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)。在上位機(jī)人機(jī)交互界面中可以設(shè)計(jì)一些手動(dòng)功能，例如，開始打印、X、Y、Z 軸的回零等。由于整機(jī)選用的是Marlin 固件，所以我們只要在Marlin 官網(wǎng)上選用合適的各類組件，并且在VScode 或者Arduino 中進(jìn)行編譯，將選用的硬件在程序中調(diào)出，并且根據(jù)實(shí)際情況的屬性進(jìn)行修改，編譯成功后，通過串口進(jìn)行上傳固件即可。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)出來的3D 打印機(jī)能實(shí)現(xiàn)空間利用率的提升，進(jìn)行材料PLA 和ABS 精度達(dá)到0.1mm 的打印要求。具體設(shè)計(jì)過程總結(jié)如下：（1）3D 打印件的設(shè)計(jì)過程并不完善，沒有考慮填充程度以及未考慮間隙配合的尺寸保留，致使在加工完成打印材料后，不能較為輕松地將光軸插入打印材料中，還需要將孔進(jìn)行銼刀打磨。（2）電機(jī)的組裝模式考慮不完善，機(jī)械的整體少有柔性，在3D 打印機(jī)的五個(gè)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，有三個(gè)都是高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的震動(dòng)未經(jīng)削弱便徑直傳遞到打印機(jī)骨架上，容易造成打印機(jī)的組件螺絲等松散。實(shí)際過程中應(yīng)該在五個(gè)電機(jī)上面安裝緩沖振動(dòng)的機(jī)械彈簧。（3）在CoreXY結(jié)構(gòu)的打印機(jī)上，XY 軸是通過同步帶進(jìn)行傳輸?shù)?，電機(jī)及其上面的齒輪、同步輪、同步輪帶，在計(jì)算XY 軸運(yùn)動(dòng)所需要的脈沖數(shù)目的時(shí)候，會(huì)不可避免地產(chǎn)生誤差。在3D 打印機(jī)使用時(shí)間較長后，同步帶繃緊的時(shí)間會(huì)較長，不可避免地會(huì)老化以及產(chǎn)生受力方向的應(yīng)變，給3D打印機(jī)的長期使用帶來了較大的煩惱。