并联臂3D打印机介绍.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流并联臂3D打印机介绍.精品文档.并联臂3D打印机 控制篇 1 系统工作流程 系统流程图： 为了打印零件，首先用三维软件生成零件。这些零件的表面可以用三角形面来表示，这种表示方法就是stl文件格式所采用的。生成stl文件，主要是作为一个中性文件，作为不同切片软件的标准识别方式。 将生成好的stl文件在RepetierHost中进行分层处理，变成机器能直接识别的G代码。下图为对一个方盒件，进行切片处理。 之后采用VB2010编写上位机，采用串口通信的方式，将G代码分条发送给机器。机器接收到加工指令后，进行分析转化成加工运动，将熔化的PLA线材分层打印，直至加工成完整零件。2 底层电路的设计 底层电路的设计采用模块化连接，这样极大的减少了设计和焊接电路的工作量。以下为模块连接图： 中心器件为STM32核心板，核心板整合了STM32最小系统。它所采用8MHz的外部晶振，经过内部倍频，能达到72MHz。这样的运算速度完全可以控制机器的运行。机器的电机选用42步进电机，所采用驱动芯片为A4988。A4988能直接驱动小功率两相四线步进电机，能进行最高16细分。A4988内部含有电流快速衰减电路，很好的抑制了电机发热，比原来采用L298N驱动效果好得多。它的价格目前为10RMB左右，是性价比很高的步进电机驱动芯片。 在打印机的顶部有3个光电限位开关，主要用于开机使用时，保证每个同步带运行到相同高度。底层的限位开关，用于检测底面，保证打印机运动底面与机器承件底面一致。由于在底部的限位开关比加热头的高度要低，因而加热头会接触不到承件底面，所以加设一个9g舵机。当要检测底面时，可以让舵机将底层限位开关放下来；当检测完毕后，再将开关放到高处。 3D打印机采用的塑料线材为PLA。PLA属于晶体，它的融化温度为200摄氏度左右。在打印零件时，需要保持温度的恒定。测温传感器选用NTC 100K热敏电阻。该电阻在25摄氏度时，电阻为100k。温度与电阻的关系大致可以描述为：Rt = R *EXP(B*(1/T1-1/T2) 对上面的公式解释如下： 1.   Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值； 2.   R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值； 3.  B值是热敏电阻的材料常数； 4.   EXP是e的n次方； 5.    这里T1和T2指的是K度即开尔文温度，K度=273.15(绝对温度)+摄氏度； 加热管原本选用12V 30W的，可是由于在开启加热管时，功率跳变太大，直接导致电机误动作。在加大滤波稳流电容后，效果有所改变。但是，偶尔还有误动作。所以暂时选用24V 30W的加热管。由于还是采用12V的电源，则所输出功率为原来的四分之一，即7.5W。这样尽管加热慢了，但是没有原来的干扰。调温采用PWM方式，所用的控制管为场效应管IRF540。 在送料的过程中，加热头要对材料进行加热。但是加热的线材长度不能过长，不然就会使线材在管喉中变软，导致管喉堵塞。其原理可用下图表示： 管喉为铁管，导热能力很强。如果管喉过长，就会使温度梯度拉长变缓。所以尽量减短管喉的长度。经过反复试验，最终将管喉长度定为5mm，刚能加一个固定螺母。管喉的上端接入四氟管。四氟管有很好的耐高温和自润滑特性，导热能力差。在管喉和四氟管的连接处加入一个散热风扇，在此处温度梯度很陡峭，热量上传被阻断。另一个风扇安装在加热管底部的挤出头的下方。由于200摄氏度的PLA线材从加热块流出后，还是熔融状态，需要快速冷凝，才能形成致密平整的零件断面和表面。快速冷凝就用风扇散热。 最后是机器的通讯设计。机械的通讯采用USB转串口模块，将数据与PC进行对接。由于，为了节省成本，电源采用的是普通台式机主机电源。这个电源的GND与USB的GND有0.5V的压差，这就导致在高速通讯（57600pbs）时，出现乱码。为了解决该问题，则加入两个高速光耦6N137。以下为制作完毕的电路：3 程序设计 程序设计包括两部分：一个是底层STM32代码的编写，另一个是上位机G代码发送的设计。 STM32代码所用编译环境为Keil uVision4 。要编写底层代码，包括STM32的内部硬件初始化、机械结构参数初始化、加工参数初始化、串口通讯识别与指令执行等。STM32内部初始化可分为系统时钟初始化、IO初始化、定时器和串口的初始化。STM32的系统时钟可以设置为72MHz；IO的设置有控制电机驱动芯片、温控驱动、舵机和风扇的推免输出，读取热敏电阻的浮空输入，串口的推免和上拉输入等；定时器和串口的初始化及其中断向量的设置。 机械结构参数初始化包括步进电机的步进角、同步带齿距、机架结构、挤出齿轮直径和线材直径等参数的确定。串口从PC接收到的指令都是字符串形式的G代码，STM32将这些字符串转成相应的指令，并执行相应的动作。加工参数初始化主要是速度的设置。由于直接采用RepetierHost的速度运行，将会出现很大的震动，所以加入速度上限阈值，防止运行过快。对于执行G代码命令，主要就是使送丝和走刀一致。G代码主要命令格式如下： G1 X10.920 Y-13.440 E25.21437 此命令代表运动到（10.920,-13.440）的位置，同时送丝的总量达到25.21437mm。采用的运动方式为，先记录上一次的位置信息和送丝量，然后与这一次做差。机器能运动的最小距离为0.1mm。将生成的距离差值除以0.1，得到运动次数。STM32使用定时器，在指定时间内定向运动这么多次，即可完成指令的执行。 编写程序的流程图如下： 上位机的编写采用VB2010。VB2010集合了串口这一控件，极大地方便上层软件的编写。编写的代码包括Gcode 格式的文件读取、指令的分行发送、等待底层指令执行完毕标志等。Gcode 格式的文件的读取可采用打开文件这一控件，将Gcode读到内存中。然后将代码放到富文本框中显示。为了方便显示打印状态，进而增加了指令的动态显示，即显示当前正在执行的指令和已经执行过的指令，并对已执行指令条数进行统计，显示打印进度。 以下为编写好的上位机，红色字体为已执行完毕的代码，蓝色为正在执行代码，黑色为未执行代码。4 总结 此并联臂3D打印机主要为练习使用STM32做嵌入式开发、掌握3D打印技术的要领。整台机器的价格为1000RMB，属于低成本机器。现在这台机器能够方便的打印出简单几何形状，如下图： 但是还有很多缺点，比如：刚度不够、精度不足、断丝不当、只支持在线打印等。这些问题还需日后完善。并联臂3D打印机 之 结构篇 3D打印机是一种增材制造技术，通过对原材料逐层打印的方式来构造物体。3D打印机的依靠结构划分，可分为串联组合机构型和并联组合机构型。下面先简单说说这两个机构的区别。 市场上常见的3D打印机是采用串联组合机构，即打印机的三个运动机构顺次相连。如果将最开始的机构固定，那么只有一个机构与执行末端相连。串联组合机构示意图如图1，其中图中的三个杆代表三个运动机构，A点代表运动末端，B代表最开始的机构。 图1 串联组合机构示意图 图2 并联组合机构示意图 相对于串联组合机构而言，并联组合机构就是每个机构都直接与运动末端相连。图2为并联组合机构示意图，其中底下的圆盘代表机座，上面的圆盘代表运动末端。这样的组合机构，缩短了单个机构和执行末端的距离。 使用并联组合机构的3D打印机又称并联臂3D打印机。并联臂3D打印机相比于串联组合机构的打印机，它的打印速度快、结构简单等。不过最吸引我，并让我决定做并联臂3D打印机，还就是它独特优美的结构。图3是我用了将近3个月的时间做的打印机。图3 并联臂3D打印机 在下手制作打印机之前，我先在网上找了很多的资料，了解了一下主流的3D打印结构设计，但是关于并联臂的打印机资料很少，仅有一些图片资料。于是，我也就照葫芦画瓢，硬着头皮直接上马了。下面介绍一下我的制作经验。 首先用3维制图软件制作了一个模型，用于查看各个设计是否合理。在这个设计中，机架用5mm厚的亚克力板和硬质光轴制作。亚克力板分为上板和下板。上板上设置方孔，用于安装肋板和同步带轮；下板与上板类似，只是安装同步电机。 图5 上板 图6 下板图4 3维模型 步进电机座都是用亚克力板做的，然后用专用胶水将其粘接到一块。这样做很简洁，不需再添加其他零件。唯一的缺陷就是，一旦用胶水粘好了，就不能再修改了。 图7 步进电机的安装 图8 上板同步带轮的安装 上下两个板通过光轴连接起来，而要固定光轴需要很大的压力才行，不然就会打滑，固定不住。所以光轴连接件采用标准件光轴支撑座，这样省去很多麻烦。在连接上下板之前，先将直线轴承和轴承支座套在光轴上。 图9 光轴与光轴支撑座 图10 直线轴承和轴承支座 图11 机架的安装 图12 同步带及移动板 在上下板之间安装同步带及同步带上的移动板。由于长时间运行会导致同步带变松，于是在同步带上安装了一个简易的张紧装置。可以调节张紧装置上的弹簧，使得同步带松紧适宜 在下底板要安装一个圆形玻璃板，用做承物平台。玻璃板采用三点固定，并在固定处加设调高弹簧，用于调整玻璃板的水平度。由于我手头没有耐温美纹纸和其他耐温材料，所以暂时在玻璃板上贴上医用胶带，当做打印底面。 图13 圆形玻璃板 图14 移动平台骨架 移动平台可以先单独连接，它的骨架也是用亚克力板粘制而成。在骨架上加装垫片、加热头、舵机、风扇等器件，构成移动平台。 图15 移动平台 图16 移动平台主要部件 移动平台与机架的连接，是通过并联臂实现的。我参考了一下别的作品，绝大多数都是用碳纤杆和一种小球铰做的。碳纤杆固然好，就是有点贵。于是我尝试用竹碳杆，结果还是可以的。至于那个小球铰，我一直也没找到成品，最终也就用普通的大球铰代替了。 图17 并联臂杆 图18 连接并联臂 此时，机器的大体结构已经成型，但是还没有加挤出装置。对于挤出装置，我一开始设计的是用铜齿轮挤出线材时，尽可能让铜齿接触线材。这样就导致在铜齿轮处，线材曲率半径过小，挤出线材阻力变大。因而，经常出现送料打滑，最后不得不放弃这个初次设计。在接下来，用做机架剩下的角料，简单做了个挤出装置。经过测试，这个装置工作稳定。图19 挤出装置 最后，连接控制电路。到此，整机基本上就做完了。这是我首次设计机器，尽管大体结构还是仿制的，但是所有的细节都是自己设计并改进的。在这个过程中，遇到了很多的问题，不过还好，靠着自己的兴趣，就这么一步步走下来了。图20 完成图