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1、并聯(lián)臂3D打印機控制篇 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? 零件進行分層切片，并生成G1弋研 _ : e : 1爭機器與目連，采用自己編寫的上 位機軟件將明碼分條發(fā)送的機器 「機器接機玳碼，并運動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，主要是作為一個中性文件， 作為不 同切片軟件的標準識別方式。 將生成好的stl文

2、件在RepetierHost中進行分層處理，變成機器能直接識別的 G代碼。 下圖為對一個方盒件，進行切片處理。 之后采用VB2010編寫上位機，采用串口通信的方式，將 G代碼分條發(fā)送給機器。機器 接收到加工指令后， 進行分析轉化成加工運動， 將熔化的PLA線材分層打印，直至加工成完 整零件。 2底層電路的設計 底層電路的設計采用模塊化連接， 這樣極大的減少了設計和焊接電路的工作量。 以下為 模塊連接圖： 1四個步進電機? _ 介 _ _ 性且A49S8步進電機強動模塊 眥限位性］G ' ) 度光甩眼｛斷關模到 ?c 100&熱敏電聞Q mm核心板■=>■的個歆熱風庖

3、 ［自靛機］V J ［g個6N：W 一速光超j 蠲溫所用場效應管IRF5聞 笆SB轉串口頻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) 過內部倍頻，能達到72MHz這樣的運算速度完全可以控制機器的運行。 機器的電機選用 42 步進電機，所采用驅動芯片為 A4988。A4988能直接驅動小功率兩相四線步進電機，能進行 最高16細分。A4988內部含有電流快速衰減電路， 很好的抑制了電機發(fā)熱，比原來采用L298N 驅動效果好得多。它的價格目前為 10RM的右，是性價比很高的步進電機驅動芯片。 在打印機的頂部有 3個光電限

4、位開關，主要用于開機使用時， 保證每個同步帶運行到相 同高度。底層的限位開關，用于檢測底面，保證打印機運動底面與機器承件底面一致。 由于 在底部的限位開關比加熱頭的高度要低，因而加熱頭會接觸不到承件底面，所以加設一個 9g舵機。當要檢測底面時，可以讓舵機將底層限位開關放下來；當檢測完畢后，再將開關 放到高處。 3D 打印機采用的塑料線材為 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，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，電阻為100ko溫度與電阻的關系大致可以描述為： 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，功率跳變太大，直接導致電機 誤動作。在加大濾波穩(wěn)流電容后，效果有所改變。但是，偶爾還有誤動作。所以暫時選用 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。調溫采用

6、 PWMT式，所用的控制管為場效應管 IRF540。 在送料的過程中，加熱頭要對材料進行加熱。但是加熱的線材長度不能過長， 不然就會 使線材在管喉中變軟，導致管喉堵塞。其原理可用下圖表示： 管喉為鐵管，導熱能力很強。如果管喉過長， 就會使溫度梯度拉長變緩。所以盡量減短 管喉的長度。經(jīng)過反復試驗，最終將管喉長度定為 5mm剛能加一個固定螺母。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， 導熱能力差。在管喉和四氟管的連接處 加入一個散熱風扇，在此處溫度梯度很陡峭， 熱量上傳被阻斷。另一個風扇安裝在加熱管底 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。快速冷凝就用風扇散熱。 最后是機器的通訊設計。機械的通訊采用 USB專串口模塊，將數(shù)據(jù)與 PC進行對接。由 于，為了節(jié)省成本，電源采用的是普通臺式機主機電源。這個電源的 GNDW USB的GNDW 0.5V的壓差，這就導致在高速通訊( 57600pbs)時，出現(xiàn)亂碼。為了解決該問題，則加入 兩個高速光耦6N137。以下為制作完畢的電路： 3程序設計 程序設計包括兩部分：一個是底層STM32代碼的編寫，另一個是上位機G代碼發(fā)送的設 計。 STM32代碼所用編譯環(huán)境為 Keil uVision4 。要編

8、寫底層代碼，包括 STM32的內部硬件 初始化、機械結構參數(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內部 初始化可分為系統(tǒng)時鐘初始化、 I\O初始化、定時器和串口的初始化。 STM32的系統(tǒng)時鐘可 以設置為 72MHz； I\O 的設置有控制電機驅動芯片、溫控驅動、舵機和風扇的推免輸出，讀 取熱敏電阻的浮空輸入， 串口的推免和上拉輸入等； 定時器和串口的初始化及其中斷向量的 設置。 機械結構參數(shù)初始化包括步進電機的步進角、 同步帶齒距、 機架結構、 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、串轉成相應的指令， 并執(zhí)行相應的動作。 加工參數(shù)初始化主要是速度的設置。 由于直接 采用 RepetierHost 的速度運行，將會出現(xiàn)很大的震動，所以加入速度上限閾值，防止運行 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 此命令代表運動到(10.920,-13.440 )的位置，同時送絲的總量達到 25.21437mmi采 用的運動方式為， 先記錄上一次的位置信息和送絲量， 然后與這一次做差。 機器能運動的最 小距離為0.1ms將生成的距離差值除以 0.1 ,得到運動次數(shù)。STM3縱用

10、定時器，在指定 時間內定向運動這么多次，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)， 進而增加了指令的動態(tài)顯示， 即顯示當前正在執(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)進行統(tǒng)計，顯示打印進度。 以下為編寫好的上位機， 紅色字體為已執(zhí)行完畢的代碼， 藍色

11、為正在執(zhí)行代碼， 黑色為 未執(zhí)行代碼。 叼3 0打印機 |「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進度；1羯 當前狀態(tài):正在運行 4總結 此并聯(lián)臂3D打印機主要為練習使用 STM32故嵌入式開發(fā)、掌握3D打印技術的要領。整 臺機器的價格為1000RMB屬于低成本機器?，F(xiàn)在這臺機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，比如：剛度不夠、精度不足、斷絲不當、只支持在線打印等。這些 問題還需日后完善。 并聯(lián)臂3D打印機之結構篇 3D打印機是一種增材制造技術，通過對原材料逐層打印的方式來構造物體

12、。 3D打印機的依靠結構劃分，可分為串聯(lián)組合機構型和并聯(lián)組合機構型。下面先 簡單說說這兩個機構的區(qū)別。 市場上常見的3D打印機是采用串聯(lián)組合機構，即打印機的三個運動機構順 次相連。如果將最開始的機構固定，那么只有一個機構與執(zhí)行末端相連。串聯(lián)組 相對于串聯(lián)組合機構而言，并聯(lián)組合機構就是每個機構都直接與運動末端相 連。圖2為并聯(lián)組合機構示意圖，其中底下的圓盤代表機座，上面的圓盤代表運 動末端。這樣的組合機構，縮短了單個機構和執(zhí)行末端的距離。 使用并聯(lián)組合機構的3D打印機又稱并聯(lián)臂3D打印機。并聯(lián)臂3D打印機相 比于串聯(lián)組合機構的打印機，它的打印速度快、結構簡單等。不過最吸引我，并 讓我

13、決定做并聯(lián)臂3D打印機，還就是它獨特優(yōu)美的結構。圖 3是我用了將近3 個月的時間做的打印機。 圖3并聯(lián)臂3D打印機 在下手制作打印機之前，我先在網(wǎng)上找了很多的資料，了解了一下主流的 3D打印結構設計，但是關于并聯(lián)臂的打印機資料很少，僅有一些圖片資料。于 是，我也就照的產畫瓢，硬著頭皮直接上馬了。下面介紹一下我的制作經(jīng)驗。 首先用3維制圖軟件制作了一個模型，用于查看各個設計是否合理。在這個 設計中，機架用5mnS的亞克力板和硬質光軸制作。亞克力板分為上板和下板。 上板上設置方孔，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。 圖5上板 圖6下板

14、圖4 3維模型 步進電機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步進電機的安裝 圖8上板同步帶輪的安裝 上下兩個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 會打滑，固定不住。所以光軸連接件采用標準件一一光軸支撐座， 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機架的安裝 圖12同步帶及移動板 在上下板之間安裝同步帶及同步帶上的移動板。 由于長時間運行會導致同

15、步 帶變松，于是在同步帶上安裝了一個簡易的張緊裝置。 可以調節(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圓形玻璃板，用做承物平臺。玻璃板采用三點固定，并 在固定處加設調高彈簧，用于調整玻璃板的水平度。由于我手頭沒有耐溫美紋紙 和其他耐溫材料，所以暫時在玻璃板上貼上醫(yī)用膠帶，當做打印底面。 圖13圓形玻璃板 圖14移動平臺骨架 移動平臺可以先單獨連接，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、風扇等器件，構成移動平臺 ■ 圖15移動平臺 圖16移動平臺主要部件 移動平臺與機架的連接，是通過并聯(lián)臂實現(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，就是有點貴。于是我嘗 試用竹碳桿，結果還是可以的。至于那個小球較，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，機器的大體結構已經(jīng)成型，但是還沒有加擠出裝置。對于擠出裝置， 我一開始設計的是用銅齒輪擠出線材時，盡可能讓銅齒接觸線材。這樣就導致在 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初次設計。在接下來，用做機架剩下的角料，簡單做了個擠 出裝置。經(jīng)過測試，這個裝置工作穩(wěn)定。 圖19擠出裝置 最后，連接控制電路。至恥匕，整機基本上就做完了。這是我首次設計機器， 盡管大體結構還是仿制的，但是所有的細節(jié)都是自己設計并改進的。 在這個過程 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