并聯(lián)臂3D打印機(jī)介紹

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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： 廠 采用三維軟件（PmE、UG^）建 立零件模型n并生成3tl格式的文件 二 0 二 用開源軟件RpHerHoaI將弓咻式編? 零件進(jìn)行分層切片，并生成G1弋研 _ : e : 1爭機(jī)器與目連，采用自己編寫的上 位機(jī)軟件將明碼分條發(fā)送的機(jī)器 「機(jī)器接機(jī)玳碼，并運(yùn)動(dòng)J 工所需零件，直到加工完畢 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)識別方式。 將生成好的stl文

2、件在RepetierHost中進(jìn)行分層處理，變成機(jī)器能直接識別的 G代碼。 下圖為對一個(gè)方盒件，進(jìn)行切片處理。 之后采用VB2010編寫上位機(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： 1四個(gè)步進(jìn)電機(jī)? _ 介 _ _ 性且A49S8步進(jìn)電機(jī)強(qiáng)動(dòng)模塊 眥限位性］G ' ) 度光甩眼｛斷關(guān)模到 ?c 100&熱敏電聞Q mm核心板■=>■的個(gè)歆熱風(fēng)庖

3、 ［自靛機(jī)］V J ［g個(gè)6N：W 一速光超j 蠲溫所用場效應(yīng)管IRF5聞 笆SB轉(zhuǎn)串口頻I ［加瓢直 中心器件為STM32核心板，核心板整合了 STM3渥小系統(tǒng)。它所采用 8MHz的外部晶振，經(jīng) 過內(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，比原來采用L298N 驅(qū)動(dòng)效果好得多。它的價(jià)格目前為 10RM的右，是性價(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

4、位開關(guān)，主要用于開機(jī)使用時(shí)， 保證每個(gè)同步帶運(yùn)行到相 同高度。底層的限位開關(guān)，用于檢測底面，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)要檢測底面時(shí)，可以讓舵機(jī)將底層限位開關(guān)放下來；當(dāng)檢測完畢后，再將開關(guān) 放到高處。 3D 打印機(jī)采用的塑料線材為 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。測溫傳感器選用 NTC100K熱敏電阻。該電阻在 25攝氏 度時(shí)，電阻為100ko溫度與電阻的關(guān)系大致可以描述為： Rt = R *EXP(B*(1/T1-

5、1/T2)) 對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. R是熱敏電阻在 T2常溫下的標(biāo)稱阻值； 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度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度； 加熱管原本選用12V 30W勺，可是由于在開啟加熱管時(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的四分之一，即 7.5W。 這樣盡管加熱慢了，但是沒有原來的干擾。調(diào)溫采用

6、 PWMT式，所用的控制管為場效應(yīng)管 IRF540。 在送料的過程中，加熱頭要對材料進(jìn)行加熱。但是加熱的線材長度不能過長， 不然就會(huì) 使線材在管喉中變軟，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)。如果管喉過長， 就會(huì)使溫度梯度拉長變緩。所以盡量減短 管喉的長度。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終將管喉長度定為 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線材從加熱

7、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專串口模塊，將數(shù)據(jù)與 PC進(jìn)行對接。由 于，為了節(jié)省成本，電源采用的是普通臺式機(jī)主機(jī)電源。這個(gè)電源的 GNDW USB的GNDW 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，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

8、寫底層代碼，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、串口通訊識別與指令執(zhí)行等。 STM32內(nèi)部 初始化可分為系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、 I\O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； I\O 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

9、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，防止運(yùn)行 過快。對于執(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 25.21437mmi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0.1ms將生成的距離差值除以 0.1 ,得到運(yùn)動(dòng)次數(shù)。STM3縱用

10、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。 編寫程序的流程圖如下： 上位機(jī)的編寫采用 VB2010b VB2010集合了串口這一控件，極大地方便上層軟件的編寫。 編寫的代碼包括 Gcode格式的文件讀取、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)行過的指令，并對已執(zhí)行指令條數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯示打印進(jìn)度。 以下為編寫好的上位機(jī)， 紅色字體為已執(zhí)行完畢的代碼， 藍(lán)色

11、為正在執(zhí)行代碼， 黑色為 未執(zhí)行代碼。 叼3 0打印機(jī) |「I回 正在使用的端口:匚刖14 茶特辜：5年m數(shù)據(jù)位2 8苛倡校哈;無 交本行數(shù);‘7306進(jìn)度；1羯 當(dāng)前狀態(tài):正在運(yùn)行 4總結(jié) 此并聯(lián)臂3D打印機(jī)主要為練習(xí)使用 STM32故嵌入式開發(fā)、掌握3D打印技術(shù)的要領(lǐng)。整 臺機(jī)器的價(jià)格為1000RMB屬于低成本機(jī)器?，F(xiàn)在這臺機(jī)器能夠方便的打印出簡單幾何形狀， 如下圖： 但是還有很多缺點(diǎn)，比如：剛度不夠、精度不足、斷絲不當(dāng)、只支持在線打印等。這些 問題還需日后完善。 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)，通過對原材料逐層打印的方式來構(gòu)造物體

12、。 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 簡單說說這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的區(qū)別。 市場上常見的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 相對于串聯(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，其中底下的圓盤代表機(jī)座，上面的圓盤代表運(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)簡單等。不過最吸引我，并 讓我

13、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，我也就照的產(chǎn)畫瓢，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5mnS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；下板與上板類似，只是安裝同步電 機(jī)。 圖5上板 圖6下板

14、圖4 3維模型 步進(jìn)電機(jī)座都是用亞克力板做的，然后用專用膠水將其粘接到一塊。這樣做 很簡潔，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)板通過光軸連接起來，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)件一一光軸支撐座， 這樣省去很多 麻煩。在連接上下板之前，先將直線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。 由于長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致同

15、步 帶變松，于是在同步帶上安裝了一個(gè)簡易的張緊裝置。 可以調(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。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)平臺骨架 移動(dòng)平臺可以先單獨(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 ■ 圖15移動(dòng)平臺 圖16移動(dòng)平臺主要部件 移動(dòng)平臺與機(jī)架的連接，是通過并聯(lián)臂實(shí)現(xiàn)的。我參考了一下別的作品，絕

16、大多數(shù)都是用碳纖桿和一種小球較做的。 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)小球較，我一直也沒找到成品，最終也 就用普通的大球錢代替了。 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，但是還沒有加擠出裝置。對于擠出裝置， 我一開始設(shè)計(jì)的是用銅齒輪擠出線材時(shí)，盡可能讓銅齒接觸線材。這樣就導(dǎo)致在 銅齒輪處，線材曲率半徑過小，擠出線材阻力變大。因而，經(jīng)常出現(xiàn)送料打滑， 最后不得不放棄這個(gè)初次設(shè)計(jì)。在接下來，用做機(jī)架剩下的角料，簡單做了個(gè)擠 出裝置。經(jīng)過測試，這個(gè)裝置工作穩(wěn)定。 圖19擠出裝置 最后，連接控制電路。至恥匕，整機(jī)基本上就做完了。這是我首次設(shè)計(jì)機(jī)器， 盡管大體結(jié)構(gòu)還是仿制的，但是所有的細(xì)節(jié)都是自己設(shè)計(jì)并改進(jìn)的。 在這個(gè)過程 中，遇到了很多的問題，不過還好，靠著自己的興趣，就這么一步步走下來了。 圖20完成圖