并聯(lián)臂3D打印機(jī)介紹

1、并聯(lián)臂3D打印機(jī) 控制篇 1 系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)流程圖： 為了打印零件，首先用三維軟件生成零件。這些零件的表面可以用三角形面來(lái)表示，這種表示方法就是stl文件格式所采用的。生成stl文件，主要是作為一個(gè)中性文件，作為不同切片軟件的標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別方式。 將生成好的stl文件在RepetierHost中進(jìn)行分層處理，變成機(jī)器能直接識(shí)別的G代碼。下圖為對(duì)一個(gè)方盒件，進(jìn)行切片處理。 之后采用VB2010編寫(xiě)上位機(jī)，采用串口通信的方式，將G代碼分條發(fā)送給機(jī)器。機(jī)器接收到加工指令后，進(jìn)行分析轉(zhuǎn)化成加工運(yùn)動(dòng)，將熔化的PLA線(xiàn)材分層打印，直至加工成完整零件。2 底層電路的設(shè)計(jì) 底層電路的設(shè)計(jì)采用模塊化連接，這樣極大

2、的減少了設(shè)計(jì)和焊接電路的工作量。以下為模塊連接圖： 中心器件為STM32核心板，核心板整合了STM32最小系統(tǒng)。它所采用8MHz的外部晶振，經(jīng)過(guò)內(nèi)部倍頻，能達(dá)到72MHz。這樣的運(yùn)算速度完全可以控制機(jī)器的運(yùn)行。機(jī)器的電機(jī)選用42步進(jìn)電機(jī)，所采用驅(qū)動(dòng)芯片為A4988。A4988能直接驅(qū)動(dòng)小功率兩相四線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)，能進(jìn)行最高16細(xì)分。A4988內(nèi)部含有電流快速衰減電路，很好的抑制了電機(jī)發(fā)熱，比原來(lái)采用L298N驅(qū)動(dòng)效果好得多。它的價(jià)格目前為10RMB左右，是性?xún)r(jià)比很高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 在打印機(jī)的頂部有3個(gè)光電限位開(kāi)關(guān)，主要用于開(kāi)機(jī)使用時(shí)，保證每個(gè)同步帶運(yùn)行到相同高度。底層的限位開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)底面

3、，保證打印機(jī)運(yùn)動(dòng)底面與機(jī)器承件底面一致。由于在底部的限位開(kāi)關(guān)比加熱頭的高度要低，因而加熱頭會(huì)接觸不到承件底面，所以加設(shè)一個(gè)9g舵機(jī)。當(dāng)要檢測(cè)底面時(shí)，可以讓舵機(jī)將底層限位開(kāi)關(guān)放下來(lái)；當(dāng)檢測(cè)完畢后，再將開(kāi)關(guān)放到高處。 3D打印機(jī)采用的塑料線(xiàn)材為PLA。PLA屬于晶體，它的融化溫度為200攝氏度左右。在打印零件時(shí)，需要保持溫度的恒定。測(cè)溫傳感器選用NTC 100K熱敏電阻。該電阻在25攝氏度時(shí)，電阻為100k。溫度與電阻的關(guān)系大致可以描述為：Rt = R *EXP(B*(1/T1-1/T2) 對(duì)上面的公式解釋如下： 1.   Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值； 2. 

4、  R是熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱(chēng)阻值； 3.  B值是熱敏電阻的材料常數(shù)； 4.   EXP是e的n次方； 5.    這里T1和T2指的是K度即開(kāi)爾文溫度，K度=273.15(絕對(duì)溫度)+攝氏度； 加熱管原本選用12V 30W的，可是由于在開(kāi)啟加熱管時(shí)，功率跳變太大，直接導(dǎo)致電機(jī)誤動(dòng)作。在加大濾波穩(wěn)流電容后，效果有所改變。但是，偶爾還有誤動(dòng)作。所以暫時(shí)選用24V 30W的加熱管。由于還是采用12V的電源，則所輸出功率為原來(lái)的四分之一，即7.5W。這樣盡管加熱慢了，但是沒(méi)有原來(lái)的干擾。調(diào)溫采用PWM方式

5、，所用的控制管為場(chǎng)效應(yīng)管IRF540。 在送料的過(guò)程中，加熱頭要對(duì)材料進(jìn)行加熱。但是加熱的線(xiàn)材長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)，不然就會(huì)使線(xiàn)材在管喉中變軟，導(dǎo)致管喉堵塞。其原理可用下圖表示： 管喉為鐵管，導(dǎo)熱能力很強(qiáng)。如果管喉過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)使溫度梯度拉長(zhǎng)變緩。所以盡量減短管喉的長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終將管喉長(zhǎng)度定為5mm，剛能加一個(gè)固定螺母。管喉的上端接入四氟管。四氟管有很好的耐高溫和自潤(rùn)滑特性，導(dǎo)熱能力差。在管喉和四氟管的連接處加入一個(gè)散熱風(fēng)扇，在此處溫度梯度很陡峭，熱量上傳被阻斷。另一個(gè)風(fēng)扇安裝在加熱管底部的擠出頭的下方。由于200攝氏度的PLA線(xiàn)材從加熱塊流出后，還是熔融狀態(tài)，需要快速冷凝，才能形成致密平整的零

6、件斷面和表面?？焖倮淠陀蔑L(fēng)扇散熱。 最后是機(jī)器的通訊設(shè)計(jì)。機(jī)械的通訊采用USB轉(zhuǎn)串口模塊，將數(shù)據(jù)與PC進(jìn)行對(duì)接。由于，為了節(jié)省成本，電源采用的是普通臺(tái)式機(jī)主機(jī)電源。這個(gè)電源的GND與USB的GND有0.5V的壓差，這就導(dǎo)致在高速通訊（57600pbs）時(shí)，出現(xiàn)亂碼。為了解決該問(wèn)題，則加入兩個(gè)高速光耦6N137。以下為制作完畢的電路：3 程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)包括兩部分：一個(gè)是底層STM32代碼的編寫(xiě)，另一個(gè)是上位機(jī)G代碼發(fā)送的設(shè)計(jì)。 STM32代碼所用編譯環(huán)境為Keil uVision4 。要編寫(xiě)底層代碼，包括STM32的內(nèi)部硬件初始化、機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)初始化、加工參數(shù)初始化、串口通訊識(shí)別與指令執(zhí)行

7、等。STM32內(nèi)部初始化可分為系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、IO初始化、定時(shí)器和串口的初始化。STM32的系統(tǒng)時(shí)鐘可以設(shè)置為72MHz；IO的設(shè)置有控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、溫控驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)和風(fēng)扇的推免輸出，讀取熱敏電阻的浮空輸入，串口的推免和上拉輸入等；定時(shí)器和串口的初始化及其中斷向量的設(shè)置。 機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)初始化包括步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角、同步帶齒距、機(jī)架結(jié)構(gòu)、擠出齒輪直徑和線(xiàn)材直徑等參數(shù)的確定。串口從PC接收到的指令都是字符串形式的G代碼，STM32將這些字符串轉(zhuǎn)成相應(yīng)的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。加工參數(shù)初始化主要是速度的設(shè)置。由于直接采用RepetierHost的速度運(yùn)行，將會(huì)出現(xiàn)很大的震動(dòng)，所以加入速度上限閾值，防止

8、運(yùn)行過(guò)快。對(duì)于執(zhí)行G代碼命令，主要就是使送絲和走刀一致。G代碼主要命令格式如下： G1 X10.920 Y-13.440 E25.21437 此命令代表運(yùn)動(dòng)到（10.920,-13.440）的位置，同時(shí)送絲的總量達(dá)到25.21437mm。采用的運(yùn)動(dòng)方式為，先記錄上一次的位置信息和送絲量，然后與這一次做差。機(jī)器能運(yùn)動(dòng)的最小距離為0.1mm。將生成的距離差值除以0.1，得到運(yùn)動(dòng)次數(shù)。STM32使用定時(shí)器，在指定時(shí)間內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)這么多次，即可完成指令的執(zhí)行。 編寫(xiě)程序的流程圖如下： 上位機(jī)的編寫(xiě)采用VB2010。VB2010集合了串口這一控件，極大地方便上層軟件的編寫(xiě)。編寫(xiě)的代碼包括Gcode 格式的

9、文件讀取、指令的分行發(fā)送、等待底層指令執(zhí)行完畢標(biāo)志等。Gcode 格式的文件的讀取可采用打開(kāi)文件這一控件，將Gcode讀到內(nèi)存中。然后將代碼放到富文本框中顯示。為了方便顯示打印狀態(tài)，進(jìn)而增加了指令的動(dòng)態(tài)顯示，即顯示當(dāng)前正在執(zhí)行的指令和已經(jīng)執(zhí)行過(guò)的指令，并對(duì)已執(zhí)行指令條數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯示打印進(jìn)度。 以下為編寫(xiě)好的上位機(jī)，紅色字體為已執(zhí)行完畢的代碼，藍(lán)色為正在執(zhí)行代碼，黑色為未執(zhí)行代碼。4 總結(jié) 此并聯(lián)臂3D打印機(jī)主要為練習(xí)使用STM32做嵌入式開(kāi)發(fā)、掌握3D打印技術(shù)的要領(lǐng)。整臺(tái)機(jī)器的價(jià)格為1000RMB，屬于低成本機(jī)器?，F(xiàn)在這臺(tái)機(jī)器能夠方便的打印出簡(jiǎn)單幾何形狀，如下圖： 但是還有很多缺點(diǎn)，比如：剛

10、度不夠、精度不足、斷絲不當(dāng)、只支持在線(xiàn)打印等。這些問(wèn)題還需日后完善。并聯(lián)臂3D打印機(jī) 之 結(jié)構(gòu)篇 3D打印機(jī)是一種增材制造技術(shù)，通過(guò)對(duì)原材料逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。3D打印機(jī)的依靠結(jié)構(gòu)劃分，可分為串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)型和并聯(lián)組合機(jī)構(gòu)型。下面先簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的區(qū)別。 市場(chǎng)上常見(jiàn)的3D打印機(jī)是采用串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)，即打印機(jī)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)順次相連。如果將最開(kāi)始的機(jī)構(gòu)固定，那么只有一個(gè)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行末端相連。串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)示意圖如圖1，其中圖中的三個(gè)桿代表三個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，A點(diǎn)代表運(yùn)動(dòng)末端，B代表最開(kāi)始的機(jī)構(gòu)。 圖1 串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)示意圖 圖2 并聯(lián)組合機(jī)構(gòu)示意圖 相對(duì)于串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)而言，并聯(lián)組合機(jī)構(gòu)就是每個(gè)機(jī)構(gòu)都直接

11、與運(yùn)動(dòng)末端相連。圖2為并聯(lián)組合機(jī)構(gòu)示意圖，其中底下的圓盤(pán)代表機(jī)座，上面的圓盤(pán)代表運(yùn)動(dòng)末端。這樣的組合機(jī)構(gòu)，縮短了單個(gè)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行末端的距離。 使用并聯(lián)組合機(jī)構(gòu)的3D打印機(jī)又稱(chēng)并聯(lián)臂3D打印機(jī)。并聯(lián)臂3D打印機(jī)相比于串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)的打印機(jī)，它的打印速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。不過(guò)最吸引我，并讓我決定做并聯(lián)臂3D打印機(jī)，還就是它獨(dú)特優(yōu)美的結(jié)構(gòu)。圖3是我用了將近3個(gè)月的時(shí)間做的打印機(jī)。圖3 并聯(lián)臂3D打印機(jī) 在下手制作打印機(jī)之前，我先在網(wǎng)上找了很多的資料，了解了一下主流的3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是關(guān)于并聯(lián)臂的打印機(jī)資料很少，僅有一些圖片資料。于是，我也就照葫蘆畫(huà)瓢，硬著頭皮直接上馬了。下面介紹一下我的制作經(jīng)驗(yàn)。 首

12、先用3維制圖軟件制作了一個(gè)模型，用于查看各個(gè)設(shè)計(jì)是否合理。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，機(jī)架用5mm厚的亞克力板和硬質(zhì)光軸制作。亞克力板分為上板和下板。上板上設(shè)置方孔，用于安裝肋板和同步帶輪；下板與上板類(lèi)似，只是安裝同步電機(jī)。 圖5 上板 圖6 下板圖4 3維模型 步進(jìn)電機(jī)座都是用亞克力板做的，然后用專(zhuān)用膠水將其粘接到一塊。這樣做很簡(jiǎn)潔，不需再添加其他零件。唯一的缺陷就是，一旦用膠水粘好了，就不能再修改了。 圖7 步進(jìn)電機(jī)的安裝 圖8 上板同步帶輪的安裝 上下兩個(gè)板通過(guò)光軸連接起來(lái)，而要固定光軸需要很大的壓力才行，不然就會(huì)打滑，固定不住。所以光軸連接件采用標(biāo)準(zhǔn)件光軸支撐座，這樣省去很多麻煩。在連接上下板之前，

13、先將直線(xiàn)軸承和軸承支座套在光軸上。 圖9 光軸與光軸支撐座 圖10 直線(xiàn)軸承和軸承支座 圖11 機(jī)架的安裝 圖12 同步帶及移動(dòng)板 在上下板之間安裝同步帶及同步帶上的移動(dòng)板。由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致同步帶變松，于是在同步帶上安裝了一個(gè)簡(jiǎn)易的張緊裝置?？梢哉{(diào)節(jié)張緊裝置上的彈簧，使得同步帶松緊適宜 在下底板要安裝一個(gè)圓形玻璃板，用做承物平臺(tái)。玻璃板采用三點(diǎn)固定，并在固定處加設(shè)調(diào)高彈簧，用于調(diào)整玻璃板的水平度。由于我手頭沒(méi)有耐溫美紋紙和其他耐溫材料，所以暫時(shí)在玻璃板上貼上醫(yī)用膠帶，當(dāng)做打印底面。 圖13 圓形玻璃板 圖14 移動(dòng)平臺(tái)骨架 移動(dòng)平臺(tái)可以先單獨(dú)連接，它的骨架也是用亞克力板粘制而成。在骨架上加裝墊片、加熱頭、舵機(jī)、風(fēng)扇等器件，構(gòu)成移動(dòng)平臺(tái)。 圖15 移動(dòng)平臺(tái) 圖16 移動(dòng)平臺(tái)主要部件 移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)架的連接，是通過(guò)并聯(lián)臂實(shí)現(xiàn)的。我參考了一下別的作品，絕大多數(shù)都是用碳纖桿和一種小球鉸做的。碳纖桿固然好，就是有點(diǎn)貴。于是我嘗試用竹碳桿，結(jié)果還是可以的。至于那個(gè)小球鉸，我一直也沒(méi)找到成品，最終也就用普通的大球鉸代替了。 圖17 并聯(lián)臂桿 圖18 連接并聯(lián)臂 此時(shí)，機(jī)器的大體結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，但是還沒(méi)有加擠出裝置。對(duì)于擠出裝置，我一開(kāi)始設(shè)計(jì)的是用銅齒輪擠出線(xiàn)材時(shí)，盡可能讓銅齒接