Kossel3D打印機組裝說明

1、基于并聯(lián)機構(gòu)的FDM 三維打印機設(shè)計1.1 FDM 三維打印機的原理三維打印技術(shù)：首先利用三維設(shè)計軟件對零件進行三維CAD 實體建模，并將得到的三維實體模型以一定的厚度進行分層切片處理，生成二維的截面信息，然后根據(jù)每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀。這一過程反復(fù)進行，各截面層層疊加，最終形成三維實體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄，生成的零件精度越高。FDM 熔融層積成型技術(shù)是目前常用的3D 打印技術(shù)之一。基于 FDM 三維打印機的工作原理如圖2-1 所示。計算機控制快速成型機的加熱噴頭，依據(jù)每一層截面數(shù)據(jù)作x-y 平面運動。送絲機構(gòu)將絲材送至噴頭，經(jīng)過加熱、熔化，從噴頭

2、擠出的打印材料粘結(jié)到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每當(dāng)其中一層截面打印完成后，工作臺將下降前一次打印完成的高度，然后繼續(xù)下一層的打印。如此循環(huán)重復(fù)，直到整個實體的造型完成。線材供給圖 2-1 FDM 三維打印機工作原理圖1.2 基于并聯(lián)機構(gòu)的FDM 三維打印機的系統(tǒng)組成根據(jù) FDM 三維打印機的工作原理可知，這種三維打印設(shè)備涉及到機械、電氣、 控制、 信息和材料等多個學(xué)科，是一種典型的多學(xué)科交叉和綜合應(yīng)用的復(fù)雜機械電子系統(tǒng)。本文設(shè)計的三維打印機的系統(tǒng)主要由軟件控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和硬件控制系統(tǒng)組成。1.2.1 機械系統(tǒng)FDM 機械系統(tǒng)主要包括運動機構(gòu)、熱頭、擠出機構(gòu)、工作臺四個部分(如圖2-2

3、所示)。 送絲機構(gòu)將低熔點絲狀材料送給加熱器，加熱器通過擠壓熱頭將絲材熔化成液體，噴頭將熔化后的熱塑材料絲擠出，擠壓頭按照零件的每一截面信息準(zhǔn)確運動，半流動的熱塑材料被擠出并沉積固化成精確的實際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在1/10s內(nèi)迅速凝固，每當(dāng)一層完成成型，工作臺便下降上一層打印的高度，噴頭再進行掃描噴絲完成下一層截面成型，如此循環(huán)反復(fù)，直到完成最后一層成型，這樣由底到頂逐層地堆積成一個實體模型或零件。圖 2-2 FDM 機械系統(tǒng)(1)基于Delta 結(jié)構(gòu)的運動系統(tǒng)部分本文設(shè)計的三維打印機框架結(jié)構(gòu)是一種基于3-P2-SS的Delta 運動結(jié)構(gòu)。3-P2-SS并聯(lián)機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)如圖

4、2-3 所示，整個機械固定框架為靜平臺，靜平臺與動平臺分別由三個相同的分支相連。每個分支由一個移動副和四個球副構(gòu)成， 在每個分支中與球副相連的四根桿構(gòu)成一個平行四邊形。動平臺是一個正六邊形， 如圖 2-4 所示， 動平臺的運動是由步進電機帶動直線滑軌上的滑塊完成的。3D 打印機的性能主要由機構(gòu)的工作空間決定，并聯(lián)機構(gòu)的工作空間又可以分為位置工作空間和姿態(tài)工作空間。本文中所采用3-P2-SS并聯(lián)機構(gòu)只有3 個移動自由度，因而只具有位置工作空間。這里采用masory等的方法對工作空間進行分析。下面對約束條件分別進行介紹。a) 球副的轉(zhuǎn)角范圍約束3-P2-SS并聯(lián)機構(gòu)的每個分支中有4 個球副，由于平

5、行四邊形的幾何特點，4 個球副的轉(zhuǎn)角相同，此機構(gòu)球鉸的最大轉(zhuǎn)角位/3 。構(gòu)成機構(gòu)運動副的球鉸由最大許可轉(zhuǎn)角限制，如圖2-5 所示為普通球鉸的結(jié)構(gòu)簡圖。圖 2-3 3-P2-SS 并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖 2-4 3-P2-SS并聯(lián)機構(gòu)動平臺如圖 2-6 所示為關(guān)節(jié)(運動副)的轉(zhuǎn)角約束的示意圖。若分支向量在定坐標(biāo)系中的表示為li ， 球副 Bi軸線方向為上斜臺斜面方向向量，在斜面動坐標(biāo)系中的姿態(tài)向量用nbi 表示，由動坐標(biāo)系向地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為R ，則球副Bi 的轉(zhuǎn)角約束的數(shù)學(xué)表達式為：(2-1)Biarccosli (Rnbi)liBmax2-6 機構(gòu)中的運動副簡圖圖 2-5 球鉸結(jié)構(gòu)簡圖b) 移

6、動副的運動范圍限制移動副只能在導(dǎo)軌上運動，因此移動副的距離約束的數(shù)學(xué)表達式為：minL Lma(2-2)其中，Lmin=0、 Lmax 300分別為移動副最小和最大移動距離，單位為毫米。c) 連桿方向的約束當(dāng)移動副移動到某一位置時，連桿的方向向量不能與靜平臺平行，否則， 將會失去對機構(gòu)的控制。d) 實際機構(gòu)的限制由于移動副的滑軌的存在，使動平臺不能與滑軌相干涉。由于并聯(lián)機構(gòu)的特殊性，即正解困難反解容易，因此多采用數(shù)值法通過反解模型來求解工作空間。數(shù)值法就是基于影響工作空間的各種因素，采用計算機搜索的方法求解。運用反解模型搜索工作空間34，方法容易且結(jié)果唯一，適合計算機運算。因此本文采用反解模型

7、求解3-P2-SS并聯(lián)機構(gòu)樣機的工作空間。3-P2-SS并聯(lián)機構(gòu)工作空間邊界的搜索流程，如圖2-7 所示。2-7 搜索工作空間流程圖根據(jù)以上分析，利用Matlab 編程搜索機構(gòu)工作空間。工作空間的搜索結(jié)果 如圖 2-8 所示。3-P2-SS并聯(lián)機構(gòu)作為3D 打印機的有效工作空間為一個圓錐體和一個圓柱體組成，圓柱半徑與圓錐體最大半徑均為50mm，圓柱的高為400mm，圓錐體50mm。 保證了 3D 打印機在有效工作空間內(nèi)的平穩(wěn)運行，滿足設(shè)計要求。zyx2-8 有效工作空間的三維圖（ 2）熱頭部分本文所用的熱頭是采用英國E3D Online 設(shè)計小組開發(fā)的E3D v6 熱頭。 該熱頭組件主要有鋁合

8、金散熱器、鋁合金加熱塊、黃銅噴嘴、不銹鋼喉管、電加熱棒、熱敏電阻、PTFE鐵氟龍遠程送料管、送料管接頭等元件組成。如圖2-9所示：a）外視圖b）剖視圖圖 2-9 熱頭部分示意圖工作時， 電加熱棒和熱敏電阻共同作用，使熱頭組件最前端的鋁合金加熱塊保持在一定溫度，會把塑料熔化成膠態(tài)。后頭的塑料在擠出機的作用下持續(xù)往前推擠，就可以讓膠態(tài)的塑料從噴孔連續(xù)擠出，形成可進行三維打印的熱熔絲。（ 3）擠出機部分擠出機的工作是將厚重打印材料從3D 打印機熱頭出來后擠壓變成細細的料絲。本文設(shè)計的擠出機主要包括步進電機、擠出齒輪、U 形輪、彈簧壓緊機構(gòu)組成。如圖2-10 所示。當(dāng)打印機正常工作時，如圖2-10 中

9、的擠出電機上的銅齒輪和彈簧的彈力使U 形輪將耗材緊緊的夾住。當(dāng)擠出電機正常轉(zhuǎn)動時，電機軸上的銅齒輪通過摩擦力帶動耗材前進。耗材在熱頭部分被加熱融化成液體，擠出力通過耗材傳遞到噴頭。 當(dāng)擠出力大于耗材在銅頭管道流動中受到的阻力時，耗材才能從熱頭被擠出。如果銅頭溫度不夠、銅頭內(nèi)有雜質(zhì)、耗材沒有得到充分熔化或過絲孔過小， 就會造成阻力過大，會導(dǎo)致出絲不暢。2-10 擠出機部分(4)工作平臺本文采用的工作平臺是鋁合金電加熱工作平臺，可以適應(yīng)不同材料的打印工作。該工作平臺主要由鋁合金板，聚酰亞胺(PI)電加熱膜和熱敏電阻組成。工作時，在 PI 電加熱膜和熱敏電阻的共同作用下，使鋁合金工作臺表面保持一定的

10、溫度。使被打印的工件更好的附著在工作平臺上。1.2.2硬件控制系統(tǒng)3D 打印機中的最重要組成部分之一是硬件控制系統(tǒng)，它的主要功能包括：人機交互、數(shù)據(jù)處理、運動控制和成形過程控制。硬件控制系統(tǒng)也是一個較復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)。按照控制機構(gòu)分類，常見的三維打印設(shè)備主要有兩種硬件控制模式： 上下位機控制模式和單機控制模式。本文設(shè)計的三維打印機采用的是上下位機控制模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-11 所示。( 1)上下位機硬件部分上位機一般由高性能的計算機構(gòu)成，它需要完成三維建模、三維模型處理、3D 打印代碼生成和解釋、人機交互等非實時性任務(wù)，下位機采用嵌入式的16 位單片機構(gòu)成，由其完成打印代碼讀取、中斷服務(wù)、設(shè)

11、備的運動控制和成形過程控制等實時性要求較高、與硬件設(shè)備相關(guān)聯(lián)的控制，兩臺計算機通過串行總線進行數(shù)據(jù)的傳遞。本文設(shè)計的三維打印機下位機主要包括Arduino mega 2560主控板和Ramps1.4 拓展板，分別如圖2-12、圖2-13 所示。 Arduino Mega 2560主控板的處理器為 atmega2560，工作電壓為5V，數(shù)字I/O 引腳為 54個，模擬輸入引腳為16 個，每個 I/O 引腳的直流電流為50 毫安， 主控板是3D 打印機的大腦，負責(zé)控制整個Ramps 1.4插在主控板上，通過插針與主控板相連，有了它是為擠出頭 溫度控制擠出控制模塊其他控制功能LCD 操作面板核心控制

12、器Atmega2560功能擴展板RAMPS參數(shù)設(shè)置打印控制計算機在線打印控制生成3D打印代碼SD 卡 讀 取步進電機 驅(qū)動器送絲步進電機熱敏電阻電加熱 棒軸X步進 電機步進電機驅(qū)動器X軸步進 電機X軸步進 電機回零行程開關(guān)自動找平開2-11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2-13 Ramps 1.4 拓展板圖 2-12 Arduino mega 2560 主控板（ 2）擠出控制模塊擠出頭溫度控制和散熱風(fēng)扇控制。其擠出控制模塊主要包括送絲電機控制，再通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速擠出頭溫度控制主要是控制擠出機前段加熱塊的溫度，用以控制材料在擠出擠出頭散熱風(fēng)扇控制用于冷卻擠出機中喉管的溫度，減少打印材料在喉管中3）運動控制模塊運動

13、控制模塊可以將三維打印模型的數(shù)控指令轉(zhuǎn)換成三維打印機的內(nèi)部指令，通過步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機按指令轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)Delta 三維打印機的三個移動副的直線運動。最終實現(xiàn)擠出噴頭沿X、 Y、 Z 方向的運動。（ 4）人機交互控制模塊人機交互模塊包括一塊1602 單色 LCD 液晶顯示屏，SD 卡讀取模塊和一個操作旋鈕。其中 LCD 屏幕可以顯示打印機狀態(tài)、打印進度和打印機參數(shù)。SD 卡讀取模塊可以實現(xiàn)三維打印機的獨立打印功能。也就是可以將打印的數(shù)控指令存儲在 SD 卡中，打印機可以通過SD 卡讀取模塊直接讀取SD 中的打印指令進行三維打印。操作旋鈕可以實現(xiàn)對打印機的點動控制、溫度手動控制和打印機

14、參數(shù)設(shè)置等功能。（ 5）其它控制單元其它控制單元包括工作平臺溫度控制，模型冷卻風(fēng)扇速度控制、回零和自動找平等功能模塊。工作平臺溫度控制模塊用于控制打印機工作平臺表面的溫度。因為FDM 三維打印機工作時，是逐層打印的。如果打印材料于工作平臺沒有一定的粘合力，在打印頭工作時會將已打好的部分脫離平臺，造成打印失敗。要解決這個問題，最常見的方法就是讓打印機的工作平臺表面具有一定的溫度，使打印材料在成型后可以貼緊附著在平臺上。這樣就可以保證在打印的過程中，打印件不會脫離平臺。模型冷卻風(fēng)扇速度控制模塊用于已打印出零件表面的溫度控制。當(dāng)打印材料從熱頭擠出后，會有一個冷卻過程。當(dāng)冷卻過快會造成熱熔絲快速收縮，

15、使打印件變形。 如果冷卻速度過慢，打印件固化速度也會緩慢，也會造成打印精度的改變。 所以打印時要綜合考慮打印材料的屬性、打印機工作的環(huán)境溫度等因素，來設(shè)置模型冷卻風(fēng)扇的速度。打印件與工作平臺之間的回零和自動找平功能模塊主要用于三維打印機的定位控制。回零開關(guān)用于每次打印開始和打印結(jié)束后，打印機噴頭高度的自動校正。 自動找平開關(guān)主要用于檢測打印機工作平臺的平面度，并且在打印時實時修正傾斜度，保證打印件的精度。1.2.3軟件控制系統(tǒng)在上下位機控制模式的硬件控制系統(tǒng)下，本文設(shè)計的3D 打印機軟件控制系 統(tǒng)也分為上位機控制軟件和下位機控制軟件。(1)上位機控制軟件3D 打印機上位機控制軟件的作用是和3D

16、 打印機通訊，把打印代碼文件發(fā)送給打印機，調(diào)整并控制3D 打印機的系統(tǒng)參數(shù)和運動使其完成打印。常見的上位機控制軟件有Pronterface、 Repeteir-host、 Octoprint、 Simplify3D 等。本文主要采用 Repeteir-host作為 3D 打印機的上位機控制軟件。Repetier-Host是一款操作簡單，將生成打印代碼以及打印機操作界面集成到一起的軟件，另外可以通過調(diào)用外部生成打印代碼的配置文件，很容易上手使用，尤其是手動控制的操作界面，用戶可以很方便的實時控制打印機。下面先分別介紹一下 Repetier-Host的操作界面和操作流程。Repetier-Host

17、操作界面，如圖 2-14所示。代碼生成器里面可以選擇外部生成Gcode 的軟件的配置文件，包括Slic3r和 Skeinforge， 這需要用戶有外部獨立的打印機配置文件；代碼編輯器，如圖 2-15所示，用戶可以對生成的Gcode進行編輯。手動控制界面，如圖2-16 所示，是一些用戶對打印機手動操作的選項，包括控制 XYZ 軸電機、 加熱噴頭、加熱工作平臺、設(shè)置打印機噴頭移動速度比率、擠出頭擠出速度比率、設(shè)置風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等一些基本操作。Repetier-Host的操作流程，如圖2-17 所示。首先要對打印機進行設(shè)置包括與電腦的通訊設(shè)置、打印機運行速度、打印機形狀和高級設(shè)置。2-14 Repetie

18、r-Host 操作界面圖 2-15 Repetier-Host 代碼編輯器在打印機參數(shù)都設(shè)置好后，選擇載入模型，在模型的路徑下選擇STL 文件；選擇一個可靠的底面作為打印的初始層，這里可以經(jīng)過移動模型在平板上的位置， 甚至可以對模型各個軸進行旋轉(zhuǎn)以使其適應(yīng)打印平臺；然后選擇代碼生成器，在選擇好外部生成器路徑的前提下，通過激活外部的參數(shù)配置文件，對模型進行生成 Gcode 文件操作；選擇手動控制，給噴頭預(yù)熱，溫度范圍在200230范圍以內(nèi)；選擇已經(jīng)生成好的Gcode 文件，點擊菜單欄上的運行任務(wù)，打印機就會自動打印。2-16 Repetier-Host 手動控制界面a) 連接設(shè)置b) 打印設(shè)置圖

19、 2-17 Repetier-Host 的操作流程(2)下位機控制軟件下位機軟件是指運行在Arduino mega 2560 主控板上的軟件。由于是燒寫在單片機上的軟件，所以下位機軟件一般也稱為固件(Firmware)。 固件的主要作用有SD卡讀寫、步進電機控制、擠出機速度控制、運動速度控制、運動加速度控制、溫度 PID 控制等功能?？梢詫⑷S打印指令直接轉(zhuǎn)化為打印機的各種動作。本文所采用的固件是基于Arduino 的開源的Marlin 固件系統(tǒng)。Marlin 固件除了支持常規(guī)的三維打印功能外，還具有以下幾個優(yōu)點：1、預(yù)加速功能，使得打印機在打弧線時速度更快、更流暢；2、溫度測量更精確、讀數(shù)更

20、準(zhǔn)確；3、自動調(diào)節(jié)的PID 溫度控制；4、支持LCD 顯示，以及支持SD 卡。Marlin 固件的功能拓撲關(guān)系如圖2-18所示。1.3 打印材料的選擇本文設(shè)計的FDM 三維打印機的材料一般是熱塑性材料。對FDM 打印材料性能的一般要求有以下三點：（ 1）有利于快速、精確地打印原型零件。打印件應(yīng)當(dāng)接近最終要求，能盡量滿足對強度、剛度、耐潮濕性、熱穩(wěn)定性能等的要求；（ 2） FDM 材料要有良好的成絲性；（ 3）由于 FDM 過程中，絲材要經(jīng)歷“固態(tài) -液態(tài)-固態(tài)”的轉(zhuǎn)變。因此要求FDM 在相變過程中有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，且FDM 材料要有較小的收縮性。常見的可打印材料主要有：ABS、 PLA（聚乳

21、酸）、 PC（聚碳酸酯）、尼龍、LayWoo-d3、 LayBrick 、 BendLay。圖 2-18 下位機軟件功能拓撲關(guān)系圖1.4 三維打印工藝流程本文設(shè)計的三維打印機工作流程如圖2-19 所示：（ 1）構(gòu)建三維模型利用三維CAD 軟件完成所需零件模型設(shè)計。三維打印以三維實體造型為基礎(chǔ)， 而且要求模型構(gòu)建軟件具有先進的參數(shù)化及特征造型功能，使用較為方便等特點，并且能夠?qū)⑷S實體模型轉(zhuǎn)換成STL 格式文件，基于此，本論文采用Solidworks 軟件構(gòu)造三維實體模型。構(gòu)建三維實體模型轉(zhuǎn)換模型文件格式分層切片、加入支撐、生成打印代碼2-19 三維打印機工作流程圖2）實體模型轉(zhuǎn)換STL 文件在

22、三維打印的過程中，需要將三維實體模型轉(zhuǎn)換成STL 文件格式。在Solidworks 中輸出 STL 格式文件的設(shè)置窗口如圖2-20 所示。打印前可根據(jù)加工精度要求來調(diào)整公差值。圖 2-20 實體模型轉(zhuǎn)換STL 文件界面（ 3）分層切片、加入支撐、生成打印代碼這個功能模塊需要用到切片軟件來實現(xiàn)。常見的有Sli3r、 Cura、 kisslicer 等。文主要采用kisslice 作為 3D 打印前的切片軟件。KISSlicer 的全名是 Keep ItSimple Slicer，意指“保持簡單”的切片軟件。kisslicer 切片軟件的工作流程主要有以下幾步：a) 打印區(qū)域的設(shè)置。包括打印工作平臺尺寸、工作平臺中心位置、擠出頭數(shù)量和 Z 軸偏移量等參數(shù)，如圖2-21