基于3D打印機(jī)的裝配關(guān)鍵技術(shù)與精度測試的研究*

陳金英，史利娟，牛小鐵

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，北京 100042)

基于3D打印機(jī)的裝配關(guān)鍵技術(shù)與精度測試的研究*

陳金英，史利娟，牛小鐵

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，北京 100042)

針對3D打印機(jī)在裝配過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)與精度測試的問題，對其核心部件組裝方式進(jìn)行詳細(xì)具體的闡述。采用實(shí)驗(yàn)研究方式對打印產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分析，提出了解決3D 打印技術(shù)在提高精度層面的一些建議，為相關(guān)操作技術(shù)人員提供了技術(shù)參考。

3D打印機(jī)；裝配；精度

0 引言

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的全面實(shí)施，社會對人才提出了新需求和新挑戰(zhàn)，要逐步適應(yīng)現(xiàn)代化制造技術(shù)和生產(chǎn)管理。其中，3D打印技術(shù)是我國當(dāng)前發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)方向，同時(shí)作為一種新興的制造技術(shù)，正在逐漸融入現(xiàn)代制造行業(yè)中且起到重要而又獨(dú)特的作用?；?D打印開源的技術(shù)與理念，國內(nèi)外產(chǎn)生了各種形式和不同品牌的產(chǎn)品，有工業(yè)級與桌面級等多種形式并存，其中桌面級的可以自主進(jìn)行組裝，探索與體驗(yàn)3D技術(shù)。在近兩年的使用中，不斷深入地查找、學(xué)習(xí)和摸索中，積累了大量的裝配和調(diào)試精度的經(jīng)驗(yàn)，在此就使用過程中裝配設(shè)計(jì)問題和調(diào)試精度方法總結(jié)出來，為眾多愛好者提供參考。

1 3D打印機(jī)的組件及作用

3D打印機(jī)分為硬件和軟件兩大部分。硬件含有元器配件、常用工具、固件上傳工具、切片軟件；軟件系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、底層控制軟件、應(yīng)用軟件和接口驅(qū)動(dòng)單元組成。

(1)3D打印機(jī)硬件部分

目前打印機(jī)的類型比較多，無論是桌面級的還是工業(yè)級的，基本由幾十個(gè)甚至上百個(gè)零件組合而成，本次項(xiàng)目所需的主要元器件如表1所示。

表1 主要元器配件

常用工具主要有螺絲刀、剝線鉗、壓線鉗、電烙鐵、鑷子、片口、尖嘴鉗、高溫膠帶等。

上傳固件使用Arduino IDE軟件。首先，下載固件Marlin；其次，配置固件參數(shù)；最后，接上USB線，上傳固件，實(shí)現(xiàn)上傳。此時(shí)把控制程序等固化到mega 2560板子中，控制3D打印機(jī)各配件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以完成復(fù)雜的打印工作。

切片軟件是使3D打印機(jī)正確識別與讀取3D模型并轉(zhuǎn)化為G代碼，是識別控制代碼的必要工具。切片軟件的種類較多，常用的有XBuilder，Makerbot，Cura等。

(2)3D打印機(jī)軟件部分

該部分有由算機(jī)、底層控制軟件、應(yīng)用軟件和接口驅(qū)動(dòng)單元。

計(jì)算機(jī)采用兩級控制，分別是上位機(jī)和下位機(jī)，二者之間通過特定的通信協(xié)議進(jìn)行雙向通信，構(gòu)成控制部分所需的雙層結(jié)構(gòu)。其接口部分選用通信速率較高，數(shù)據(jù)傳輸量大的PCI接口，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)控制的運(yùn)動(dòng)。上位主控機(jī)主要采用配置較高、運(yùn)行較快的PC機(jī)，下位機(jī)則主要采用嵌入式系統(tǒng)DSP，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為提高數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性，上位機(jī)和下位機(jī)的。上位機(jī)的主要功能是：①讀取CAD模型，生成符合打印工藝的數(shù)據(jù)信息；②設(shè)置打印參數(shù)；③監(jiān)控打印情況并接收與反饋運(yùn)動(dòng)參數(shù)；④實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互模式，實(shí)時(shí)顯示打印進(jìn)度等；⑤滿足不同加工材料和工藝要求。下位機(jī)則控制打印運(yùn)動(dòng)和向噴頭傳送打印數(shù)據(jù)。

應(yīng)用軟件的功能如表2所示。

表2 應(yīng)用軟件的功能

底層控制軟件部分主要由下位機(jī)控制X、Y軸等電機(jī)以完成各平面的運(yùn)動(dòng)。

接口驅(qū)動(dòng)單元是連接上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁。

2 打印機(jī)的組裝與調(diào)試過程

2.1 打印機(jī)的組裝

本次項(xiàng)目所選用的機(jī)型分為三部分，即機(jī)械結(jié)構(gòu)部分即為整體框架、控制、加熱部分。

(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

主要是支持各元器件的框架，三個(gè)運(yùn)動(dòng)X、Y、Z軸導(dǎo)軌框架。

先找出三塊板子并對齊各板的孔位，組裝主體結(jié)構(gòu)，采用螺栓緊固，安裝的方向一定要如圖1所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)圖示

(2)控制部分

主要由42步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制板及同步輪同步帶等。

①冷卻風(fēng)扇主架冷卻口后方；

②電源固定在相對于風(fēng)扇的一側(cè)；

③2560開發(fā)板與風(fēng)扇同側(cè)的主架上；

④安裝各軸步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊；

⑤安裝同步輪同步帶。

(3)加熱部分

主要由加熱床，擠出機(jī)即為加熱頭組成。

①熱床固定于Y軸的光杠上面；

②將擠出機(jī)固定于X軸的光杠上面。

(4)線路連接

電源、主板、電機(jī)、風(fēng)扇及顯示器等部分的線路連接，其布線原理如圖2所示。

圖2 布線原理

然后對各接口進(jìn)行連線，如圖3所示。

圖3 線路連接調(diào)試

2.2 打印機(jī)的調(diào)試

主要是在斷電的情況下，認(rèn)真檢查元器件的連接情況；在通電的情況下，認(rèn)真檢查各部件的運(yùn)行情況，因此建議大家調(diào)試時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)關(guān)鍵事項(xiàng)。

(1)確認(rèn)打印頭的感溫電阻在準(zhǔn)確位置，否則溫度會一直上升，產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，燒毀器件。

(2)確認(rèn)電線連接無異樣的情況下再通電，觀察調(diào)試限位器的位置功能是否正常，尤其是Z軸的限位器功能。

(3)斷電的情況下檢查打印平臺與打印頭之間的平行狀況，控制好間隙。通電情況下檢查打印頭的原始位置與打印平臺的間距，確保位置準(zhǔn)確。

(4)認(rèn)真檢查Z軸絲杠的變形情況，否則會影響打印質(zhì)量。

3 打印機(jī)精度分析與調(diào)整措施

打開Cura軟件，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置中心，設(shè)置打印頭溫度200℃、底板溫度60℃。選到Print form SD，選取打印的模型，主板顯示加熱中，當(dāng)加熱溫度達(dá)到設(shè)置的溫度時(shí)開始進(jìn)行打印。其打印質(zhì)量等參數(shù)設(shè)置詳見圖4，打印零件表面質(zhì)量見圖5。

圖4 參數(shù)設(shè)置

圖5 零件打印質(zhì)量

從圖5的打印質(zhì)量分析檢測3D打印機(jī)的各部件，其解決措施如下。

(1)降低開始打印底層的速度，由50mm/s降低到30mm/s，解決了底層材料附著性；

(2)更換打印材料，由原來使用的國內(nèi)80元左右的PLA材料更換為進(jìn)口材料。解決了打印頭堵塞的問題，消除了打印產(chǎn)品表面的點(diǎn)點(diǎn)，不光滑問題，提高了打印的表面質(zhì)量；

(3)調(diào)整緊固螺絲與Z軸絲杠的垂直，采用直角尺和千分尺進(jìn)行測量法，保證Z軸絲杠與XY平面的垂直；再次清潔絲杠，涂抹潤滑油，使其在打印的過程中運(yùn)行平穩(wěn)。

通過上述調(diào)整后其打印質(zhì)量如圖6所示。

圖6 調(diào)整后零件打印質(zhì)量

4 結(jié)論

目前，3D打印是一種比較先進(jìn)的制造技術(shù)手段，是相對于傳統(tǒng)制造技術(shù)體系的一種補(bǔ)充。本項(xiàng)目通過對打印機(jī)的組裝與精度調(diào)試實(shí)踐，解決了各軸的不垂直等問題對產(chǎn)品精度的影響，其中絲杠的質(zhì)量也會影響機(jī)器的運(yùn)行，同時(shí)影響到打印質(zhì)量。應(yīng)用開源的設(shè)計(jì)理念，對機(jī)器的參數(shù)調(diào)試也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。也希望大家在使用打印機(jī)的過程中不僅會用還要會維護(hù)與維修。同時(shí)也希望我們在長期的、大量的應(yīng)用實(shí)踐研究中，不斷獲取與發(fā)現(xiàn)、解決問題的好辦法，使3D打印技術(shù)的應(yīng)用不斷向深、廣度方向發(fā)展。

[1] 董秀麗,尹德強(qiáng),方輝,等. FDM 3D打印尺寸誤差及其工藝補(bǔ)償方法研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2016(8):39-41.

[2] 許向榮,宋現(xiàn)春,鹿群鵬,等. 雙絲杠驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元軸向剛度與有限元模態(tài)分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2016(9):5-8.

[3] 劉曉初,陳凡,何銓鵬,等. GCr15軸承鋼超高速磨削表面粗糙度與燒傷試驗(yàn)分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2016(9):32-34,39.

[4] 劉鑫,余翔. 3D打印技術(shù)對專利實(shí)施的潛在挑戰(zhàn)與對策思考[J]. 科技進(jìn)步與對策,2015(10):101-106.

[5] 蘇秦,楊陽. 3D打印顛覆性創(chuàng)新應(yīng)用及商業(yè)模式研究[J]. 科技進(jìn)步與對策,2016(1):9-15.

[6] 孟炯. 滿足個(gè)性化需求的3D打印定制模式創(chuàng)新——兼論實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制模式的商業(yè)化策略[J]. 科技進(jìn)步與對策,2016(15):22-29.

[7] 陳金英. 基于BV75數(shù)控銑床熱誤差的檢測與分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2015(4):101-103,114.

[8] 陳金英,史利娟.基于球桿儀檢測與分析XK714數(shù)控銑床的精度[J].煤礦機(jī)械,2013,34(4):99-100.

[9] 姚雨良,趙飛,張東升.基于球桿儀的空間誤差測量分析方法研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011(8):72-75.

[10] 朱赤洲，陳蔚芳，趙鵬，等.數(shù)控機(jī)床三維空間誤差建模及補(bǔ)償技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012(4):16-19,24.

[11] 李小麗,馬劍雄,李萍,等. 3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J]. 自動(dòng)化儀表,2014(1):1-5.

[12] 李繼中.數(shù)控機(jī)床螺距誤差補(bǔ)償與分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010(2):98-101.

[13] 劉利剛,徐文鵬,王偉,等. 3D打印中的幾何計(jì)算研究進(jìn)展[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2015,38(6):1243-1267.

[14] 張楠,李飛. 3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),2013,30(7):97-99.

[15] 張學(xué)軍,唐思熠,肇恒躍,等. 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 材料工程,2016,44(2):122-128.

(編輯 李秀敏)

Research on Key Technology and Precision Measurement of Assembly Based on 3D Printer

CHEN Jin-ying，SHI Li-juan，NIU Xiao-tie

(Department of Mechanical and Electronic Engineering,Beijing Vocational & Technical Institute of Industry, Beijing 100042,China)

In the assembly process of 3D printers, some key technologies and precision testing of the problem, the core components of the assembly method of detailed description. We used experimental research methods to analyze the quality of printing products, and put forward some suggestions to improve the accuracy of the 3D printing technology, and provides technical reference for related operation technical personnel.

3D printer；assembling；accuracy

1001-2265(2017)08-0131-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.034

2016-10-27；

2016-11-27

北京市科研計(jì)劃項(xiàng)目(KM201610853003)；學(xué)院科研課題(bgzyky201723z)(bgzyky 201724z)(bgzyky 201730)

陳金英(1976—)，女，山東濟(jì)寧人，北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床故障診斷與3D打印技術(shù)研究，(E-mail)vegachjy@163.com；通訊作者：牛小鐵(1970—)，男，河南焦作人，北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)控加工及3D打印技術(shù)，(E-mail) niuxt@163.com。

TH162；TG506

A