基于Mach3控制板的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

閔暢+李錦+沈新明+劉佳麗+劉洋

摘 要：3D打印制造是現(xiàn)代興起的累積成型技術(shù)，是當(dāng)代制造業(yè)方面具有前景的技術(shù)之一。3D打印之前常用于設(shè)計(jì)制造模具，打印零件等領(lǐng)域的制造模式，現(xiàn)在常用于直接生產(chǎn)某種產(chǎn)品，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和興起，使其逐漸成為一項(xiàng)新型的主流加工技術(shù)。文章以Mach3控制板為基礎(chǔ)，對(duì)3D打印機(jī)的框架結(jié)構(gòu)、3D打印機(jī)的傳動(dòng)部分、3D打印機(jī)控制主板部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，講述了控制系統(tǒng)的主控板，詳細(xì)說(shuō)明了Mach3主機(jī)平臺(tái)的工作原理。同時(shí)通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行分析對(duì)3D打印機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)存在的問(wèn)題進(jìn)行了合理的規(guī)避。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；Mach3控制板；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0030-04

Abstract： 3D printing manufacturing is a modern cumulative forming technology， which is one of the promising technologies in the contemporary manufacturing industry. 3D printing used to design and manufacture mould， printing parts and other fields of manufacturing mode， now often used to directly produce a product， 3D printing technology and the emergence and rise， making it gradually become a new mainstream processing technology. Based on Mach3 control board， this paper designs and analyzes the frame structure of 3D printer， the drive part of 3D printer and the control motherboard of 3D printer， and describes the main control board of the control system. The working principle of Mach3 host platform is explained in detail. At the same time， through the analysis of some problems in the design process， the problems existing in the design of 3D printer are reasonably avoided.

Keywords： 3D printer； Mach3 control board； structural design； parameter calculation

引言

伴著時(shí)代進(jìn)步和社會(huì)科技發(fā)展，制造業(yè)設(shè)計(jì)加工規(guī)模的發(fā)展迅速猛進(jìn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也愈來(lái)愈大，3D打印機(jī)成為加工制造業(yè)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，一些主要的計(jì)算機(jī)技術(shù)（CAD、并行工程）等技術(shù)的出現(xiàn)給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)帶來(lái)了不容小覷的方便[1]。目前國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)還在探索和初步應(yīng)用階段，需要更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，飛機(jī)鈦合金構(gòu)件的打印、基于粉末床的SLS技術(shù)的打印技術(shù)、重型金屬的3D打印開(kāi)啟了制造業(yè)的新時(shí)代，象征我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展擁有無(wú)限的創(chuàng)新空間[2]。

3D打印技術(shù)的仿真性強(qiáng)、效率高，成本便宜，簡(jiǎn)單易于操作等優(yōu)點(diǎn)給人們帶來(lái)了巨大的方便。但是，在用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和加工制造零件時(shí)，由于3D打印設(shè)備自身局限性的存在，使得零件在設(shè)計(jì)和制造加工方面有很大的關(guān)聯(lián)，因此加工工藝等是影響零件的重要因素之一。基于Mach3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，在一定程度上，能夠降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工難度，改變某些復(fù)雜零件在傳統(tǒng)工藝上無(wú)法加工的格局。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)、新材料和新技術(shù)的進(jìn)步不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)將有一個(gè)更廣泛的運(yùn)動(dòng)來(lái)提升平臺(tái)，未來(lái)3D打印技術(shù)將更加準(zhǔn)確、智能、便捷，總的發(fā)展方向[3-4]。提高3D打印效率，讓用戶感覺(jué)簡(jiǎn)易上手，復(fù)雜程度低，同時(shí)要求降低技術(shù)成本，將該技術(shù)推廣到更多的技術(shù)領(lǐng)域以造福人類。

1 3D打印技術(shù)及3D打印機(jī)工作原理

1.1 現(xiàn)有常用的3D打印技術(shù)

現(xiàn)有的常用的3D打印技術(shù)包括SLA、SLS、LOM、FDM四種[5]。SLA（立體光固化成型法）SLA技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛，精度高，成型速度更快，系統(tǒng)穩(wěn)定，但需要設(shè)計(jì)支持結(jié)構(gòu)。需要在不完全固化的情況下去除支撐結(jié)構(gòu)，容易破壞模制部件。由于材料是樹(shù)脂，所以溫度容易融化，容易開(kāi)裂。SLS技術(shù)相比于其他工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）材料的多樣性。（2）制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。（3）材料利用率高，可重復(fù)使用，基本實(shí)現(xiàn)無(wú)浪費(fèi)。（4）無(wú)須支撐結(jié)構(gòu)。（5）變形小且應(yīng)用廣泛。LOM（分層實(shí)體制造法）LOM技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、效率高、損耗花費(fèi)高、精密零件要求高等特點(diǎn)。FDM技術(shù)又稱熔化沉積技術(shù)。FDM技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可選用多種材料，制造簡(jiǎn)單，易于構(gòu)建鏤空工件，污染小。但該技術(shù)的運(yùn)用使得整體受溫度影響較大，成品的效果達(dá)不到預(yù)期的穩(wěn)定狀態(tài)，故對(duì)精度要求高的成品，一般不采用此技術(shù)[6]。

1.2 Mach3控制板的簡(jiǎn)介

硬件平臺(tái)Mach3板：Mach3是一個(gè)數(shù)控硬件平臺(tái)，是由美國(guó)公司開(kāi)發(fā)和研究出來(lái)的。必須在Windows XP和Windows 2000版本下運(yùn)行。Mach3軟件使用USB端口作為設(shè)備輸入和輸出端。為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的良好控制，該軟件支持各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G代碼，高達(dá)6軸可以控制?？梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的高精度加工最大的0.0001mm控制精度復(fù)雜的功能要求，MODBUS設(shè)備可以用來(lái)控制刀庫(kù)，夾具和碎屑運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的控制，可以實(shí)現(xiàn)具有并行端口的簡(jiǎn)單系統(tǒng)[7]。endprint

系統(tǒng)特點(diǎn)：Mach3 CNC控制軟件是一個(gè)開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，具有開(kāi)放，性能穩(wěn)定，成本低的新型數(shù)控系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的PC電腦完全轉(zhuǎn)換為全功能數(shù)控控制器，高達(dá)6軸數(shù)控連接，用于各種DXF，BMP，JPG格式的直接支持和HPGL文件格式輸入，Visual G代碼顯示，直接生成G代碼，主軸速度控制，多中繼控制，手脈沖生成，包括大量的處理策略，視頻顯示，可以使用觸摸屏，全屏顯示，數(shù)字化。3D動(dòng)態(tài)顯示跟蹤，自動(dòng)刀，程序跳躍（斷點(diǎn)記憶）間距補(bǔ)償，間隙補(bǔ)償，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，刀尖半徑補(bǔ)償和磨損補(bǔ)償功能。軸向運(yùn)動(dòng)加速度和速度調(diào)節(jié)界面可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)高速高精度加工。

1.3 基于Mach3控制板的3D打印機(jī)原理

3D打印機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)是控制組件、機(jī)械組件、計(jì)算機(jī)技術(shù)、打印頭耗材等框架結(jié)構(gòu)組成，主要分為控制模塊，運(yùn)動(dòng)模塊、打印模塊三大模塊。3D打印機(jī)進(jìn)行三維制件時(shí)最基本的條件是打印頭和平臺(tái)可以共同完成x-y-z三個(gè)平面上的運(yùn)動(dòng)[8-9]。X-Y軸組成平面運(yùn)動(dòng)，其中X軸電機(jī)通過(guò)非標(biāo)準(zhǔn)件安裝在光軸的滑塊上，Y軸電機(jī)安裝在框架上；電機(jī)帶動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平面x-y打印，Z軸由伺服電機(jī)控制上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分層打印驅(qū)動(dòng)[10-11]。在打印過(guò)程中上機(jī)位軟件首先讀取由Cura軟件根據(jù)三維數(shù)字模型（STL）生成的G Code代碼，然后再將G Code轉(zhuǎn)成X3G文件，通過(guò)串口通信或脫機(jī)方式（用USB）傳遞到下層的Mach3控制平臺(tái)，同時(shí)得知Mach3控制平臺(tái)所反饋位置坐標(biāo)信息。

硬件系統(tǒng)由Mach3控制板、加熱棒、傳感器、電機(jī)以及打印頭組成。Mach3硬件控制器根據(jù)代碼中的坐標(biāo)位置和設(shè)置溫度等信息，控制工作平臺(tái)溫度和打印頭溫度，以及風(fēng)扇和加熱裝置，并將信息實(shí)時(shí)反饋給上機(jī)位。

2 3D打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)

2.1 3D打印機(jī)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的3D打印機(jī)有如下幾種結(jié)構(gòu)：三角形3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)、矩形桿式的3D打印結(jié)構(gòu)，但考慮到耗材、簡(jiǎn)易程度、精度上的要求。所選取的結(jié)構(gòu)要保證少耗低費(fèi)用并且相對(duì)精度較高[12]。

三角形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是3D打印機(jī)的框架結(jié)構(gòu)是三角形的，它的底部是用來(lái)放置熱床的地方，X軸是跟著Z軸零部件構(gòu)成的平面上帶動(dòng)打印頭實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，Z軸則一般在三角形的中心線的部分，它的XYZ軸的運(yùn)動(dòng)方式互不干擾，使得機(jī)架受力分布均勻不容易歪。所以從精度上來(lái)說(shuō)框架結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)選擇三角形桿式是很好的選擇。

2.2 3D打印機(jī)的傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)的傳動(dòng)部分主要有打印頭XZ方向上的移動(dòng)，工作平臺(tái)Y方向的運(yùn)動(dòng)，XY方向運(yùn)動(dòng)首先需要將軸承座安裝在機(jī)架上，軸承座之間用光桿連接，光軸上安裝有直線軸承，由于設(shè)計(jì)打印范圍為200mm×200mm×220mm所以選擇光軸直徑為8mm，底座用300mm×300mm的鋁型材，高度用400mm的鋁型材將其用角碼連接在一起，其中連接在非標(biāo)準(zhǔn)件處帶動(dòng)打印頭做X方向上的光軸選用300mm的進(jìn)行切割，切割成100mm長(zhǎng)度，這樣才不會(huì)對(duì)打印行程造成影響。

當(dāng)然傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)少不了非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，在光軸上的同步帶輪與同步帶之間需要非標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行緊固以帶動(dòng)X軸的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)的圖紙如圖1、2所示：

左邊非標(biāo)準(zhǔn)件偏左邊的2個(gè)φ5的孔是為了將這整個(gè)非標(biāo)件與X軸電機(jī)連接，中間四個(gè)口裝配上光軸座，兩邊對(duì)稱的四個(gè)孔是為了給Z軸絲桿的固定做準(zhǔn)備的。同樣右邊的非標(biāo)準(zhǔn)件上左邊上下對(duì)稱的四個(gè)孔是固定兩個(gè)軸承座，軸承座之間裝備上100mm的光軸，在100mm的光軸上安裝同步帶輪，然后在繞上同步帶使其與電機(jī)平行，這樣在電機(jī)的帶動(dòng)下打印頭就可以實(shí)現(xiàn)X軸方向運(yùn)動(dòng)。

其次Y軸上的運(yùn)動(dòng)需要電機(jī)帶動(dòng)，3D打印機(jī)要想能夠正常工作，就一定需要能夠分時(shí)運(yùn)行的幾個(gè)電機(jī)。所以電機(jī)的安放位置也要考慮，這樣就能夠節(jié)省內(nèi)部空間。Y軸運(yùn)動(dòng)主要由兩根光軸和一個(gè)絲桿來(lái)完成，工作平臺(tái)通過(guò)光軸座和絲桿座與底下的光軸和絲桿固定，電機(jī)用兩根70mm長(zhǎng)的鋁型材與電機(jī)座連接固定，然后再將絲桿與絲桿相連，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)絲桿也會(huì)隨著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)在Y軸上的移動(dòng)。

最后是Z軸的運(yùn)動(dòng)，Z軸的上下運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)分層打印，我所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)Z方向采用兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)上分別連有絲桿，運(yùn)動(dòng)需要絲桿和絲桿螺母，絲桿不能高速轉(zhuǎn)動(dòng)、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)具有良好的承載能力、傳動(dòng)效率高，最重要是具有自鎖性，這些優(yōu)點(diǎn)可以讓我們優(yōu)先選用絲桿和絲桿螺母。

絲杠和螺母自鎖校核計(jì)算

螺紋升角？準(zhǔn)=arctan（L/π×d2）

其中：L-導(dǎo)程；d2-螺紋中徑；螺紋摩擦角？茁=arctan[f/cos（？墜/2）]

其中：f-靜摩擦系數(shù)；？墜-螺紋牙型角；

若？準(zhǔn)？燮？茁，則傳動(dòng)螺紋具有自鎖特性。

2.3 3D打印機(jī)控制主板部分設(shè)計(jì)

主板套件包括Mach3接口板、42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TB6600、cnc接口板，其他配件包括：12V電源、熱床、42步進(jìn)電機(jī)、REX-C100溫控器、熱電偶溫度傳感器、打印機(jī)延長(zhǎng)線（并口線）、USB公對(duì)公線。

其中Mach3的接口板接四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)XYZ軸的運(yùn)動(dòng)和打印頭部分的擠絲。其次P12、P13、P15分別接X(jué)、Y、Z軸的限位開(kāi)關(guān)，以限制三軸運(yùn)動(dòng)的最大位置和最小位置。并口針引腳的輸出定義：連接電腦的并口類似凹槽型，箭頭方向指輸入信息在電腦中的流動(dòng)方向。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)主板的控制，需要安裝Mach3軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)，讓電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。首先Mach3軟件安裝完成后并不知道直接打開(kāi)使用。而是根據(jù)所使用的并口引腳和所選驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行設(shè)置。這樣才能保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。電機(jī)單位需要設(shè)置為mm，然后在打開(kāi)設(shè)置菜單，進(jìn)入端口和引腳菜單選項(xiàng)，對(duì)引腳參數(shù)進(jìn)行修改?；绢l率的設(shè)置是影響電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的話，一般更改為25000Hz即可。endprint

3 設(shè)計(jì)所需注意事項(xiàng)

3.1 打印頭與粘合問(wèn)題

在打印頭和打印平臺(tái)的位置，打印起先，打印平臺(tái)會(huì)從上向下運(yùn)動(dòng)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的同步帶帶動(dòng)打印頭實(shí)現(xiàn)X-Z方向運(yùn)動(dòng)，而工作平臺(tái)做前后運(yùn)動(dòng)。

在打印過(guò)程中，由于打印頭溫度很高而且原料的熔點(diǎn)低，很快就會(huì)熔化，絲料擠出后，瞬間凝結(jié)。由于生成模型時(shí)設(shè)計(jì)溫度和使用材料上有不同，打印頭的設(shè)計(jì)打印溫度自然也不同。為了防止打印物體粘合不上、翹邊等問(wèn)題，打印平臺(tái)一般也會(huì)保持一定的溫度，同時(shí)為了便于打印成品的剝離，打印平臺(tái)上一般貼上藍(lán)色膠帶或?qū)ζ脚_(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 送絲機(jī)構(gòu)

3D打印機(jī)的送絲機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)、齒輪、喉管、熱電偶、噴嘴等等，進(jìn)料口處有齒輪，塑料絲在齒輪的帶動(dòng)下，經(jīng)過(guò)導(dǎo)管至噴嘴中，其中噴嘴外部的熱電偶對(duì)塑料絲進(jìn)行加熱，將原料加熱成熔融狀態(tài)后擠出逐層打印，直到得出實(shí)體。進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)與原料的進(jìn)料速度和擠出速度有關(guān)，這也將影響3D加工精度和加工質(zhì)量，如送料裝置由于長(zhǎng)時(shí)間的工作打印出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，造成走絲緩慢，不均勻，打滑等問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要保持彈簧對(duì)壓板穩(wěn)定的壓力和噴嘴的合適溫度，既保證打印精度和工件強(qiáng)度，又避免了因絲料加熱后膨脹造成的退料時(shí)卡住的情況。

3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上主要有X-Y-Z運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其中打印噴頭在兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)同步帶輪、光桿、同步帶實(shí)現(xiàn)X-Z方向上的運(yùn)動(dòng)，Z軸的定位精度影響分層打印的精度，為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高打印精度，傳動(dòng)效率，Z軸上采用絲桿，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)螺紋咬合，工作平臺(tái)會(huì)沿著Z軸上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分層打印。由于步進(jìn)電機(jī)可以將產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成角位移或線位移，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。這種結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制但僅有一個(gè)打印頭在工作，因而效率不高。

3.4 工作平臺(tái)

3D打印機(jī)的工作平臺(tái)具有水平微調(diào)結(jié)構(gòu)，在工作平臺(tái)四個(gè)腳旁邊配有帶彈簧的微調(diào)螺桿（可以實(shí)現(xiàn)調(diào)平），這樣既可以防止打印頭與打印平臺(tái)接觸太緊，產(chǎn)生巨大摩擦力而對(duì)打印頭自身造成損壞，又可以防止出現(xiàn)打印頭距離平臺(tái)太遠(yuǎn)而使熔融絲料無(wú)法粘合在其表面，使打印失效（工作平臺(tái)的鋁片采用2mm厚度，這樣方便切割所需形狀、便于打孔、更減輕整體重量）。此處熱床這樣設(shè)計(jì)減輕整體重量，并且受力均勻，不會(huì)對(duì)打印造成影響。桌面3D打印機(jī)模型平臺(tái)中間有熱床，由于工作溫度高，所以使用一塊金屬鋁材料，使用陽(yáng)極氧化工藝，表面非常光滑，良好的導(dǎo)熱性，可以讓工作平臺(tái)保持一定范圍內(nèi)的溫度，不會(huì)讓擠出絲受到溫度差的影響，減少產(chǎn)品的尺寸誤差。在打印過(guò)程中，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，絲料與金屬工作平臺(tái)的附著力比較差，這就導(dǎo)致在打印的零件與工作平臺(tái)底部接觸面積較小時(shí)，容易出現(xiàn)工件的晃動(dòng)甚至出現(xiàn)移位的現(xiàn)象，這無(wú)疑會(huì)打印出廢品，所以也要考慮到工作平臺(tái)的粘合性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要是對(duì)基于Mach3的打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝應(yīng)用，完成了簡(jiǎn)易的桌面3D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)校核、電路設(shè)計(jì)。首先介紹3D打印機(jī)研究的背景及意義，了解了3D打印的用途、先進(jìn)性，并分析了國(guó)內(nèi)目前3D打印技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，也對(duì)比了國(guó)內(nèi)外該技術(shù)存在的差距，通過(guò)研究實(shí)例表明了今后3D打印的發(fā)展趨勢(shì)。然后提及了幾種常見(jiàn)的3D打印技術(shù)，對(duì)這幾種打印技術(shù)做出了具體的原理介紹。概述3D打印機(jī)的組成原理機(jī)制，并對(duì)所涉及內(nèi)容做出概括。然后是對(duì)3D打印機(jī)框架、傳動(dòng)部分做了主要分析，后續(xù)還校核絲杠和螺母的自鎖（看是否滿足自鎖條件）?？偨Y(jié)了在設(shè)計(jì)時(shí)要注意的事項(xiàng)，對(duì)硬件主板Mach3做了詳細(xì)的介紹。

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