Kossel+3D打印机—机械系统设计

摘 要题 目Kossel 3D 打印机机械系统设计摘要：以前的零部件设计完全取决于生产加工工业，而通过 3D 打印，可以使零部件的生产不在考虑生产工艺的问题，因为其可以将任何复杂的形状直接打印出来。为了缩短生产周期，使用 3D 打印机从计算机获得数据模型，提高了效率。虽有不完善的地方，但其具有极大的市场潜能，势必会成为未来制造行业众多突破技术之一。本次设计是为了探究 kossel 结构 3D 打印机的机械结构系统，设计一种能提高装配精度，打印精度，使机构小巧、紧凑，制造成本低，使用寿命长的机型。同时提高综合运用本专业所学的理论知识、生产实践能力，掌握产品开发设计的基本方法和步骤，提高资料收集能力和查阅能力，熟悉机械设计的标准和规范。关键词： kossel 结构 3D 打印机 机械结构系统设计 3D 打印技术河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 1 -外 文 摘 要Title The design of Kossel 3D printer - Mechanical SystemAbstractPrevious parts of the design depends on industrial production and processing, and by a 3D printer can make parts of the production is not in consideration of the production process, because it can be any complex shape directly print out. The graphics data obtained directly from the computer, so as to reduce the production cycle, improve productivity. Although imperfect place. However, it has great potential in the market, is bound to become one of the many breakthroughs in technology industry manufacturing in the future.The design is in order to explore the mechanical structural system Kossel structure of 3D printers, design a kind of assembly precision can be improved, the printing precision, small size, compact, low manufacturing cost, the use of long life models. While improving the integrated use of the professional theoretical knowledge and practice ability, to master the basic methods and procedures of the product development and design, improve the ability of information collection and access ability, familiar with mechanical design standards and norms.Keywords： The structure of Kossel ，3D printer ，The design of mechanical structure system ， 3D printing technology河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 2 -目 录1 引言 .- 1 -11 设计 3D 打印机的目的、意义和国内外研究概况 .- 1 -1.1.1 设计 3D 打印机的目的、意义 .- 1 -1.1.2 国内外研究概况 .- 1 -1.1.3 课题研究的内容 .- 2 -2 设计的理论依据 .- 2 -2.1 打印原理 .- 2 -2.2 机械结构 .- 3 -3 Kossel 3D 打印机机械系统的功能分析与中总体方案设计 .- 5 -3.1 Kossel 3D 打印机的运动过程分析 .- 5 -3.2 功能分解与基本实现方案 .- 6 -3.2.1 打印头的功能 .- 6 -3.2.2 热熔丝的选择 .- 7 -3.2.3 传动方式的选择 .- 8 -3.2.4 滑块的运动与实现 .- 8 -3.3 总体方案设计 .- 9 -3.4 总体方案确定 .- 9 -4 Kossel 3D 打印机机械系统详细设计 .- 9 -4.1 标准件（外购件）选型 .- 9 -4.1.1 步进电机 .- 9 -4.1.2 导轨 .- 13 -河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 3 -4.1.3 电源 .- 15 -4.1.4 控制板 .- 18 -4.1.5 喷头 .- 19 -4.1.6 热床 .- 21 -4.1.7 微动开关 .- 23 -4.1.8 型材 .- 24 -4.1.9 同步带和同步带轮 .- 24 -4.2 连接件设计 .- 26 -4.2.1 连接件设计原则 .- 26 -4.2.2 连接件材料选择 .- 26 -结 论 .- 27 -参 考 文 献 .- 28 -致 谢 .- 29 -河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 4 -1 引言网络媒体、杂志、报纸、电视等，到处可以见到有关 3D 打印技术的报道。3D打印机，有时也称为立体制造或者快速成型制造，这是一种使用塑料或者金属原料将数字设计模型转换成三维实物的新兴技术。这个技术实际已有 25 年之久，最初只是少数人在使用，如工程师、设计师，如今 3D 打印机已经开始对每一个人的生活产生影响，更加便宜、便捷、小巧的 3D 打印设备来到我们身边，让每个有不满足的好奇心之人，能够运用 3D 打印机制作出各式各样的东西。11 设计 3D 打印机的目的、意义和国内外研究概况1.1.1 设计 3D 打印机的目的、意义日常生活中的普通打印机可以打印平面的图形，而 3D 打印机则可以打印出实物。我们通常使用的打印机是在纸上用墨汁或者粉末打印，但是 3D 打印却不同，其能够用各种各样的材料打印出三维实物，甚至可以几种材料混合打印。房屋、食物、器官等等意想不到的东西都可以被打印出来，所以说 3D 打印机是可以打印真实物体的设备。以前的零部件设计完全取决于生产加工工业，而通过 3D 打印，可以使零部件的生产不在考虑生产工艺的问题，因为其可以将任何复杂的形状直接打印出来。为了缩短生产周期，使用 3D 打印机从计算机获得数据模型，提高了效率。虽有不完善的地方，但其具有极大的市场潜能，势必会成为未来制造行业众多突破技术之一。本次设计是为了探究 kossel 结构 3D 打印机的机械结构系统，设计一种能提高装配精度，打印精度，使机构小巧、紧凑，制造成本低，使用寿命长的机型。同时提高综合运用本专业所学的理论知识、生产实践能力，掌握产品开发设计的基本方法和步骤，提高资料收集能力和查阅能力，熟悉机械设计的标准和规范。1.1.2 国内外研究概况国内情况现如今，国内的 3D 打印技术在各个方面还不能满足商业上的使用要求，比如其速度慢，精度低等等。只有等待科技水平的进一步发展才能更好的使用。很早之前在港澳台地区就有使用 3D 打印技术机构，但是这些技术都是国外引进，并且这些机河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 5 -构也只是看中技术的应用。在内地的一些东部沿海地区的企业目前也开始使用进口的 3D 打印设备，通过 3D 打印机为客户提供快速成型服务，这些服务包括模具制造、样品制造、辅助设计、物品复原等等。国际情况在国外，多年以前就开始了对 3D 打印技术的研究和探索，这使得这项技术在国外快速的发展并且受到广泛重视。欧美国家的各项领域里已经形成的 3D 打印技术商业化的模式，特别是电子、航空、汽车制造等等。同时越来越细分的辨析率，越来越快速的打印速度，以及几种材料的混合打印等技术方面的不断发展，使 3D 打印可以更快、更好、更便捷地制造出小批量产品。相对于传统加工，这项技术有着更低的成本、更高的效率、更大的柔性。1.1.3 课题研究的内容(1) 使用 reprap 开源打印机中的 kossel 3D 打印机结构进行机械系统的布局设计，Kossel 结构是最新的开源机型结构，即 delta 并联结构。(2) 有限空间内保障要求行程，采用滑轨形式采用导轨滑块结构； (3) 灵活装配的实现形式，采用铝合金型材、角接件等标件；(4)加热系统的选择，采用市场上现有的加热装置并在设计中进行局部改造。2 设计的理论依据2.1 打印原理3D 打印是一种快速成型技术，它通过累积材料来构造三维实物，在计算机中建好模型后，将数据传给打印机，打印机就可以把材料通过不同方式结合到一起，生成实物。3D 打印机堆积薄层的形式有多种。1、使用“喷墨”的方式。即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑胶物质喷涂在河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 6 -铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆栈上来。2、“熔积成型”技术是以薄层成型方式，其工作时先加热碰头把材料熔化，再把材料沉积形成薄层。熔积成型在制件时需要有支撑，这是为了节省材料成本提高制件效率，所以熔积成型设备一般采用双喷头。一个喷头用于制造模型，另一个头用于制造支撑，一般来说，模型料细而贵并且沉积效率低，支持料粗而便宜，效率高。为了便于在成型后去除支撑，常选择一些可溶材料。比如水溶材料，或者低于模型材料熔点的热熔材料。熔积成型件的翘曲变形小，材料利用率高，但成型件的表面有明显的条纹，材料贵。3、使用“激光烧结”的技术，其以粉末微粒作为打印介质。打印材料被均匀撒在工作平台上形成一层极薄的材料层，然后熔铸成指定形状，最后通过液态粘合剂进行固化。激光烧结成型过程中会有很多粉尘，这些粉尘会污染工作空间，所以一般使用激光烧结打印时需要一个独立的工作空间。激光烧结的实体一般不能直接进行装配和性能检验，成型件需要较长的一段时间来释放内应力，表面质量一般。能耗大、成本高。4、利用真空中的电子流熔化粉末材料，如果出现了复杂的悬臂结构或者孔时，打印过程终究需要添加支撑来填补空缺的空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支 撑物便可形成孔隙。5、使用“熔丝制造”的方法，将直径为 1.75mm 或者 3mm 的聚乳酸（PLA）或者ABS 树脂丝通过挤出机送入加热喷头熔化，随着不断的送丝，熔化的丝在喷头出头会被挤出，喷头在一个平面移动时形成一条有厚度的线，喷头不断运动，线会变为面，当打印完一层后喷头太高一定高度继续打印第二次，依此往复堆积形成一个实体。熔丝制造的材料成本较低，设备成本则有所需精度决定，实现起来较为容易，保养维护也很方便。2.2 机械结构3D 打印机的主流结构有开源的 reprap 系列、Ultimaker 、printrbot 还有曾经开源的 Makebot 系类。河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 7 -reprap 系列基本上是三角形的，而 Ultimaker、 Makebot 系列是矩形盒状，printrbot 是矩形支架的。从精度，装备，价格等权衡，选取三角型结构是比较好的，在三角形结构中，reprap 系列最为流行，而其分支众多，主要有 mendel 、huxley 和 Prusa 这三个分支。其结构简单、组装维修等都很方便，对于光轴等切割的要求不高，需要的部件少。但其自作精度低，打印是物体随热床在 Y 轴方向移动。图 2.1 三角洲结构 3D 打印机 图 2.2delta 结构 3D 打印机目前市场上最为普及的机型是矩形盒式结构，从 3D 打印机的发展来看，这种机械业是较为完整的。其打印精度高、打印速度快，安装精度高。但其装配较为复杂，维修困难，部件加工精度要求高，整机成本高。图 2.3 矩形盒式打 3D 打印机河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 8 -图 2.4 矩形盒式 3D 打印机此次设计中所用的是 delta 结构，它有 3 个自由度，即 X 轴，Y 轴，Z 轴 3 个方向上的位移，将喷头作为动平台。3 Kossel 3D 打印机机械系统的功能分析与中总体方案设计3.1 Kossel 3D 打印机的运动过程分析图 3.1.1 运动过程原理图Kossel 3D 打印机各部件的运动方向如图所示，当红色部件（ 即滑块 ）同时分1234河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 9 -别运动时，可以使蓝色部件( 即打印头 )在一定空间范围内达到任意位置。左边滑块 1 向上或向下运动打印头 4 向运动滑块方向靠近同时上升或远离同时下降；左边滑块 2 向上或向下运动打印头 4 向运动滑块方向靠近同时上升或远离同时下降；左边滑块 3 向上或向下运动打印头 4 向运动滑块方向靠近同时上升或远离同时下降。当三个滑块同时运动相互配合时，可以使打印头在水平平面内运动，实现一层一层的打印堆叠。3.2 功能分解与基本实现方案3D 打印机基本功能的方案选择和实现方式如下。3.2.1 打印头的功能本可以采用的是“熔丝成型”的方法原理在构建这台打印设备，故选择使用电加热型喷头，配合热熔丝使用。图 3.2.1 加热喷头结构河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 10 -图 3.2.2 加热喷头打印头用于将固体打印材料融化并通过喷嘴喷出形成线条，又由线构成面。市场上现有喷嘴口径有 0.2mm/0.25mm/0.3mm/0.35mm/0.4mm/0.5mm/0.6mm/0.8mm 等，可以用于打印不同精度的物体。3.2.2 热熔丝的选择热熔丝相当于传统打印机中的墨水或者碳粉。目前最为常见的的热熔丝材料有两种，一种是 PLA（即生物降解塑料聚乳酸；别称聚乳酸），另一种是 ABS 树脂。ABS 树脂是一种耐用的热熔材料，可以打磨、上色、粘合，抗冲击、耐热，打印挤出温度在 210左右。打印时需要热床，热床温度为 110，若无热床则打印件会出现翘曲现象。ABS 是先出现的材料，现在更多的人选用了 PAL。PAL 是一种生物材料，在一定情况下可以降解。PLA 更是一种环保材料，加热时不会像 ABS 那样发出刺激气味，它的熔点相对 ABS 低一些，在 180的既然头中可以挤出，但冷却后非常坚硬。PLA 打印时可以不配热床，如果想提高打印质量可用热床，温度设置在 60，PLA 材料的冷却时间很长，打印时需要在喷头处配合一个供冷却用的小风扇。热熔丝直接一般为 1.75mm 和 3mm，最开始使用的标准为 3mm，但 1.75mm 逐渐被更多人使用。本设计中，将使用 1.75mmPLA 热熔丝作为打印机的打印材料，目前市场上的PLA 材料在 68-200 元/盘不等，一盘一般为 1kg，长约 400m。河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 11 -图 3.2.3PLA 耗材3.2.3 传动方式的选择传动装置作为传递力和运动的装置，他的主要作用是能量分配、运动传动、运动方式转换、变速。本设计中主要运动是滑块的垂直运动，考虑到的传动方式主要为两种，一种是滚珠丝杠螺母传动，另一种是同步轮同步带传动。（1）滚珠丝杠螺母传动 滚珠丝杠螺母传动可将旋转运动变换为直线运动或者把直线运动变为旋转运动。其机构虽然复杂、制造成本高，但是其摩擦阻力小、传动效率高，通常高达 92%-98%，因此在机电一体化系统中运用广泛。（2）同步轮同步带传动 同步轮同步带传动可将电机的旋转变为同步带的直线运动，带内侧为齿状，同步带传动时传动比准确，对轴的作用力小，结构简单紧凑、耐磨、耐油、抗老化、可低速运转。对比两种传动方式，同步带传动成本相对较低，并可以达到较高的转动精度，所以选择同步带传动作为此设计的传动方式。河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 12 -3.2.4 滑块的运动与实现图 3.2.4 滑块运动原理伺服电机轴上装有齿轮，导杆上方也装有齿轮，将同步带的两端固定在滑块上，并将同步带套在两齿轮上。当伺服电机工作时，电机上的齿轮旋转同时带动同步带运动，同步带又带动滑块运动，从而实现滑块在导杆上的上下运动。3.3 总体方案设计通过上述分析与综合，并阅读参考文献，得出以下两种总体方案。第一种为双导杆滑块方案，通常采用的是滑动轴承，即采用两根圆柱形导杆来配合一个滑块，这种方案的导杆的加工精度低，使得打印精度也低，导杆安装精度要求高，需要保证两杆的平行度；但平稳性较好，成本低。第二种为单导杆滑块方案，即采用直线导轨来配合一个滑块，导杆采用现成直线导轨配合铝合金型材构成，这种方案的有点：导杆的安装精度高，零件加工装配简单，同时总体结构简化；但成本高。3.4 总体方案确定两种方案相比较，第一种方案虽然精度不够高，第二种方案精度更高一些，并河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 13 -且其结构更为简单可满足拆解方便、结构小巧的要求，同时调整维护更为方便，成本较相差不大。故综合上述优缺点选择方案二。4 Kossel 3D 打印机机械系统详细设计4.1 标准件（外购件）选型4.1.1 步进电机步进电机是将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移的一种执行元件。每输入一个电脉冲，转子就转一个固定角度连续发送脉冲转子连续转动。步进电机输出量角位移与输入量电脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比，即控制了脉冲个数、频率和定子通电方式，就可以控制电机转子的角位移、转速、转向。步进电机具有如下几个特点:(1)快速启停；（2）精度高；（3）能够直接接收数字信号；（4）不需要位移传感器就可以较为精确的定位。（5）控制性能好，在启停、反转时不易“丢步”。另外步进电机的工作状态不容易受到各种干扰因素的影响，比如电源电压波动、电流大小与波形变化、温度等，只要在这些因素未引起步进电机“丢步”，其就可以正常工作。步进电机的步距角会存在误差，当转子转过一定步数后悔出现误差的累积，不过当转子转过一转后，累积误差会消失。因而将步进电机应用于开环控制机电一体化系统中是很好的，不仅简化了系统，还能获得较高的位置精度。步进电机的选择计算：已知：直线平台垂直方向上运动，见图 3.2.4,重复定位误差0.05mm，平台运动质量为 M=260g=0.26kg。（1）运动学计算平均速度 V=30mm/s=0.003m/s设加速度时间为 0.1s（步进电机一般取加速度时间为 0.1s），则加减速时间一共为河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 14 -0.2s；平台向上运动加速度：）（上 g-tva=0.3-9.8=9.5m/s平台向下运动加速度：）（下 t=0.3+9.8=10.1m/s（2）运动学计算垂直运动导轨滑块摩擦力 f=0同步带上需要的拉力： 上上 aMF+f=0.26x9.5=2.47N下下 +f=0.26x10.1=2.626N惯性力： 上上 a1=0.26x9.5=2.47N下下 MF=0.26x10.1=2.626N(3)选择同步带长度 C 和步进电机细分数 m主动轮高度 H1=30mm；从动轮高度： H2=575mm同步带周长 C=2x（H2-H1）=2x（575-30）=1090mm核算定位精度：C/（360/1.8xm）C/ （200x0.05）=1090/（200x0.05） =109mm核算最转速：n=V/C=0.03/（1090/1000）=0.028r/s主动轮：1=10mm从动轮：2=10mm传动比 i=1:1=1电机最大转速： maxn=1/ixV/C=1x0.03/1090=0.028r/s驱动器细分数：mC/ （200x0.05/i）=1090/（200x0.05/1）=109mm河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 15 -（4）计算电机力矩，选择电机实际脉冲当量：=C/（200xm/i）=1090/（200x109/1）=0.05mm，即满足重复定位精度误差0.05mm主动轮上的力矩： 2x1上上 FT=2.47x0.010/2=12.35x 310Nm1下下=2.626x0.010/2=13.13x 3Nm次设计中步进电机主要作为 3D 打印机的 3 个驱动装置以及进料装置的驱动装置。市场上 常用于 kossel 结构 3D 打印机的步进电机为 42 步 2 相 4 线步距角 18的步进电机。市场价格 35-50 元不等，且购买用步进电机时还需购买驱动。以下是步进电机的详细信息：类型和规格:驱动方式：恒流斩波驱动；励磁方式：2 相励磁（2 相四拍运行），可正反向旋转转向：按 AB-BC-CD-DA 顺序通电，从轴伸端看 C.W额定电流（单相）：1.5A DC额定电压:2.4V步距角：1.8绝缘等级：B 级绝缘参数:工作条件：环境温度：-2050相对湿度：90%MAx安装位置：轴水平或垂直安装试验条件（以上参数在正常试验大气条件测定）河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 16 -绕组直流电阻（25）：1.610%绕组电感：3.2mH20%定位转矩：18mN.m REF保持转矩(两相通额定电流)：420mN.m（I=1.5A）最大空载起动频率：1300pps最大空载运行频率：8000pps温升：80K步距角精度：1.8 5%转动惯量：57g.cm2电机重量: 0.39Kg/PC REF绝缘电阻：电机定子铁心与接线端子间冷态绝缘电阻应大于 100M（用DC500V 兆欧表测量）介电强度：电机定子铁心与接线端子间应能承受 AC600V/1S 不击穿，泄漏电流小于 1mA详细图纸参考河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 17 -图表 4.1.1 步进电机尺寸参数4.1.2 导轨目前所见到的 kossel 结构 3D 打印机导轨滑块装置主要有两类，一类是用型材构成的支架直接作为导轨，以这类导轨制造的打印机的精度受型材的影响很大，精度不易保证。另一类是使用直线导轨，即为标准的导轨，以这类导轨制造的打印机可更好的保证打印精度。市场上用于 3D 打印机的导轨价格在 130 元/米左右，并且需要配合相应的滑块来使用。直线导轨的特点：体积小、轻量化，特别适合小型化设备使用。直线导轨，包含滑块、导轨及其它金属配件如钢珠、保持器等，皆使用轴承钢材质，具备高强度的特性。采用哥德型四点接触设计，可承受各方向负荷，具备刚性强，精度高等特性。有钢珠保持器设计，在精度允许下具备互换性，产品精度高。此设计中由于选用 2020 铝合金型材，配合型材选用 MGN12-H 型导轨滑块的组合。在运动系统中导轨垂直放置，滑块主要受到垂直向下的力（即平行于导轨），这个力又由固定在滑块上的同步带承担，故导轨滑块可认为只作为滑动副而没有受力。由于所购买的热床直径尺寸为 220mm 加热范围 200mm，为使打印范围高度适中，确定打印高度为 200mm，现已知推杆长度 200mm，打印喷头高度为 70mm,当喷头在中心位置时，喷头下端距导轨 160mm，所增加 50mm 是为了保证喷头在热床极限位置时不与同步带发生碰撞，喷头下端距推杆下端 20mm。故可以得出所需导轨长度计算公式如下：推杆在极限位置时，推杆下端 S=160-110-20=30mm397020S-22导导LLH故选择导轨长度为 400mm河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 18 -图 4.1.2 导轨长度计算简图（深色为中心位置，浅色为极限位置）详细图纸参考导轨 L 导推杆 L 推=200mm喷头 h=70mm打印高度H=200mmS=30mm河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 19 -图表 4.1.3 直线导轨尺寸4.1.3 电源电源用于为整个 3D 打印机提供电力支持，包括控制板、电机、喷头、热床等。kossel 结构 3D 打印机所用的电源通常为 12V，但目前也出现了 24V 的。市场价格从 60-100 元不等。设计中选用热床 120W；喷头加热 6x20 单头电热管加热管打印头加热头 12V40W；风扇 12Vx0.12A=1.44W；河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 20 -步进电机 1.5Ax2x2.4V=7.5W；总功率计算如下：120W+40W+1.44W+7.5Wx4=191.44W考虑到以后可以对整机进行改造并流出余量，故选择电源为 12V30A360W 的监控电源。以下为电源的详细信息：产品特点型号：12V30A360W尺寸：21.5x11.5x51（带风扇）尺寸：20x11x4.9（慢转款无风扇）输入电压：220V 转 12V输入频率：50-60HZ负载稳定度：正负 2%工作效率：80%输出端口：三组线路输出散热方式：空气自然对流冷却产品特点：（1）过载保护、过压保护、短路保护、100%负载老化（2）采用进口元器件，可靠性高、直流纹波小，工作效率高（3）采用脉宽调制（Pmm）开关技术设计，由新型智能高效开关电源芯片组成，可靠性高；（4）内置 EMI 滤波器，抗干扰性能好、设计软启动电路，交流浪涌电流限制（5）工作温度低，使用寿命长、绝缘性能好，抗电强度高（6）满载高温烧机 100%老化测试、输入电压范围宽，符合全球使用标准（7）体积小，重量轻，外观精美产品参数河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 21 -输入电压&频率范围 - 110VAC/220VAC 转换(4763Hz)输出范围 - DC 12V10%额定输出电压启动冲击电流 -30A120VAC(冷启动)过载保护 - 105%200%( 额定负载)，自恢复过压保护 - 115%135%（额定输出电压）短路保护 - 自恢复散热风机启动温度- 55C过热保护温度- 70C输出启动时间 -2S120VAC 1.0S230VAC输出保持时间 -10mS120VAC, 20mS230VAC工作环境 - 1050；20%90%RH(无凝露)一、产品尺寸、重量20x11x5CM (0.9kg)无带风扇款慢转款21.5x11.5x51 有带散热风扇二、产品使用注意事项及安装方法1、使用注意事项（1）、输入电压应接在规定的工作范围内（输入电压 115-245VAC）（2）、严禁在高温环境下使用，电源应有良好的散热空间与环境。（3）、严禁将电源安装在易燃物上（如木制品、易燃塑料等），要远离油站或禁止烟火的地方。河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 22 -图 4.1.4 电源4.1.4 控制板控制板作为 3D 打印机的“大脑”负责控制、协调、接收、输出等任务。市场上现有的控制板分为两类，一类是常用的 RAMPS 板，它是由两块板组合起来的控制器，包括一块 Arduino Mega 微控制器板和一块专门的扩展板；另一类是新出现的一体板，它是参照 RAMPS 结构制造的只有一块板，但功能与 RAMPS 一样同时也兼容 RAMPS 的程序。市场上出售的一体板价格在 200 元左右。详细信息：1、将 2560 及 ramps1.4 集合在一块板子上，解决了 Ramps1.4 组合接口繁琐，易出故障的问题。2、可更换电机驱动，支持 4988 驱动和 8825 驱动。3、电路板采用高质量的 4 层板，并专门作了散热优化处理；ramps 是 2 层板。4、采用高质量 MOSFET 管，散热效果更好。5、采用专用电源芯片，支持 12V-24V 电源输入，解决 Ramps 电压转换芯片发热问题。6、可以接受 24V 输入，同样系统功率下可以把热床电流减小到 1/4，有效解决河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 23 -热床 MOS 管发热问题。7、固件可以使用开源固件 Marlin，配置和 ramps1.4 完全相同，可直接替代Ramps1.4。8、可直接连接 Ramps1.4,2004LCD 控制板及 12864LCD 控制板。9、预留电机脉冲和方向输出端口，方便外挂大电流要外接大电流（如 2A,5A）电机驱动电路。10、保留 Ramps1.4 上 Servos、AUx-1、AUx-2 接口，提供 3 个 5V 输出、3 个12V 输出接口。参考图：图 4.1.5 控制板尺寸4.1.5 喷头喷头的作用是将进料装置送来的料熔化，然后从喷嘴挤出。喷头包括以下几个部分：喷嘴、加热装置、冷却装置、风扇。通常市场上可以直接买到除风扇外的一整套喷头部件，但也可以分开购买。一个喷头的价格在 60 元左右，喷嘴的口径是可河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 24 -选的有很多种。喷头详细信息：（1）内置铁氟龙管是指喉管(进料管)内置铁氟龙管（2）适用于 1.75mm/3mm 耗材（3）喷嘴默认配 0.4mm 口径。如果亲需要其他口径的请在备注里说明标注一下，可供选择的喷嘴口径有0.2mm/0.25mm/0.3mm/0.35mm/0.4mm/0.5mm/0.6mm/0.8mm（4）重量大约 37.5 克（5）3D 打印机 6x20 单头电热管加热管打印头加热头 12V40W参考图:图 4.1.6 喷头结构风扇详细信息：规格尺寸：40x40x10mm工作电 压: 12V电 流：0.12A额定电流：60ma转速：5000rbm河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 25 -噪音：18dBA接线：二线长 20CM-25cm 左右重：13g参考图：图 4.1.7 风扇尺寸和性能4.1.6 热床热床可以有效增加打印件的黏着力并防止翘边，适合用于打印 ABS 等材料，也可以用于改善 PLA 的打印效果。不同材料收缩率不同，所以翘边程度也不同，但是有一点可以肯定，翘边是必然的，但能够减轻翘边的影响。热床的市场价格为 60 元左右。热床参数：加热直径：20cm外围直径：22cm工作电压：12v热床型号：MK2aY热床为何能够减小翘边热床不能根除翘边，只能减弱。主要原理是，通过加热热床，让打印件维持在一个较高的温度（PLA 60 ABS100 摄氏度），防止在打印过程中材料冷却，模河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 26 -型翘边。热床性能分析（1）聚酰亚胺加热片（黄色软的，可以加胶带那种），加热不均匀，容易损坏，需要加 3M 胶带固定到铝板上，需要定做（2）加热棒和铝板 加热不均匀，铝板需要很厚（3）PCB 热床，是目前最好的热床，加热均匀，可以不加铝板，可以增加手动调平，工作稳定，不易损坏。四、PCB 热床原理PCB 热床主要靠电阻热效应来加热的，电流通过电阻，会发热，P=(UxU)/R,通常加热功率为 120W,在 12V 电压条件下，电阻约为 1 欧姆，电流 10A。根据公式，点提高，将会大幅度提高加热功率。所以使用时候不要随意提高供电电压，以免发生危险。五、热床使用指导（1）供电电压与热床的额定电压要相同，或者略高，不能高出太多，电压提高一倍，热床功率将升高为原来的 4 倍，这会引起过热、烧毁其他元件的危险情况。（2） 要闭环使用热床，就是要有温度测量加上反馈加上温度控制，主板一般都带着温度控制系统，而热床上已经焊接了热敏电阻。（3）热床温度升高太慢时，可以提高一点点供电电压，例如 12v 热床，用 15V供电，功率会变为原来的 1.5 倍。（4）配线一定要足够粗，10A 电流，推荐 2.5 平方毫米线径。河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 27 -图 4.1.8 热床4.1.7 微动开关微动开关是由规定行程和规定力进行开关动作的具有微小触点的快动机构。Kossel 结构 3D 打印机中使用到 4 个微动开关，分别是 3 个零位，1 个调平。所选用的微动开关为 OMRON SS-5GL。使用微动开关上有以下几个注意事项：（1）安装微动开关时，使用 M2.5 的螺栓固定，需要扭矩为 0.098N.m 以下的扭矩，同时为防止螺栓松动，可以使用垫圈。（2）微动开关在自由状态下使用时，应在按钮垂直方向上，不应直接作用与按钮或者激励器上。（3）注意不要把执行装置设置在限度位置上，否则会在开关过行程时产生冲击，缩短寿命。（4）在小电流、电压下使用时，使用小功率电路。详细信息：河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 28 -图 4.1.9 微动开关参数4.1.8 型材构成 3D 打印机的支架，主要起到支持执行装置的作用，由于执行装置质量较轻并考虑方便导轨的安装，故选用 20x20 的铝合金型材。图 4.1.10 铝合金型材尺寸参数4.1.9 同步带和同步带轮同步带和同步带轮是间接驱动（即电机）和执行机构装置。同步轮与同步带齿距相同，运动时同步轮与同步带的齿相互啮合传递力和运动，其具备了皮带传动、齿轮传动、链传动的有点。使用同步轮可以提高传动的准确性，工作过程中无滑动，传动比较稳定；传动平稳可以减震、缓冲、降噪；其传动效率较高，节能效果较好；河北工业大学 2015 届本科毕业设计说明书- 29 -相比链传动，同步带传动更易维护保养，不用润滑降低了维护费用；同时其传动速度比范围大，具有较大范围的功率传递性能；相比起齿轮传动，其可以长距离传递力和运动，并且在工作环境较为恶劣的地方正常工作。kossel 结构 3D 打印机常用的是 GT2-6mm 橡胶开口同步带以及相应的同步带轮。（1）同步轮参数：型号