Kossel3D打印机组装说明

1、基于并联机构的FDM 三维打印机设计1.1 FDM 三维打印机的原理三维打印技术：首先利用三维设计软件对零件进行三维CAD 实体建模，并将得到的三维实体模型以一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高。FDM 熔融层积成型技术是目前常用的3D 打印技术之一。基于 FDM 三维打印机的工作原理如图2-1 所示。计算机控制快速成型机的加热喷头，依据每一层截面数据作x-y 平面运动。送丝机构将丝材送至喷头，经过加热、熔化，从喷头

2、挤出的打印材料粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每当其中一层截面打印完成后，工作台将下降前一次打印完成的高度，然后继续下一层的打印。如此循环重复，直到整个实体的造型完成。线材供给图 2-1 FDM 三维打印机工作原理图1.2 基于并联机构的FDM 三维打印机的系统组成根据 FDM 三维打印机的工作原理可知，这种三维打印设备涉及到机械、电气、 控制、 信息和材料等多个学科，是一种典型的多学科交叉和综合应用的复杂机械电子系统。本文设计的三维打印机的系统主要由软件控制系统、机械系统和硬件控制系统组成。1.2.1 机械系统FDM 机械系统主要包括运动机构、热头、挤出机构、工作台四个部分(如图2-2

3、所示)。 送丝机构将低熔点丝状材料送给加热器，加热器通过挤压热头将丝材熔化成液体，喷头将熔化后的热塑材料丝挤出，挤压头按照零件的每一截面信息准确运动，半流动的热塑材料被挤出并沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每当一层完成成型，工作台便下降上一层打印的高度，喷头再进行扫描喷丝完成下一层截面成型，如此循环反复，直到完成最后一层成型，这样由底到顶逐层地堆积成一个实体模型或零件。图 2-2 FDM 机械系统(1)基于Delta 结构的运动系统部分本文设计的三维打印机框架结构是一种基于3-P2-SS的Delta 运动结构。3-P2-SS并联机构的机械结构如图

4、2-3 所示，整个机械固定框架为静平台，静平台与动平台分别由三个相同的分支相连。每个分支由一个移动副和四个球副构成， 在每个分支中与球副相连的四根杆构成一个平行四边形。动平台是一个正六边形， 如图 2-4 所示， 动平台的运动是由步进电机带动直线滑轨上的滑块完成的。3D 打印机的性能主要由机构的工作空间决定，并联机构的工作空间又可以分为位置工作空间和姿态工作空间。本文中所采用3-P2-SS并联机构只有3 个移动自由度，因而只具有位置工作空间。这里采用masory等的方法对工作空间进行分析。下面对约束条件分别进行介绍。a) 球副的转角范围约束3-P2-SS并联机构的每个分支中有4 个球副，由于平

5、行四边形的几何特点，4 个球副的转角相同，此机构球铰的最大转角位/3 。构成机构运动副的球铰由最大许可转角限制，如图2-5 所示为普通球铰的结构简图。图 2-3 3-P2-SS 并联机构结构图图 2-4 3-P2-SS并联机构动平台如图 2-6 所示为关节(运动副)的转角约束的示意图。若分支向量在定坐标系中的表示为li ， 球副 Bi轴线方向为上斜台斜面方向向量，在斜面动坐标系中的姿态向量用nbi 表示，由动坐标系向地面坐标系的转换矩阵为R ，则球副Bi 的转角约束的数学表达式为：(2-1)Biarccosli (Rnbi)liBmax2-6 机构中的运动副简图图 2-5 球铰结构简图b) 移

6、动副的运动范围限制移动副只能在导轨上运动，因此移动副的距离约束的数学表达式为：minL Lma(2-2)其中，Lmin=0、 Lmax 300分别为移动副最小和最大移动距离，单位为毫米。c) 连杆方向的约束当移动副移动到某一位置时，连杆的方向向量不能与静平台平行，否则， 将会失去对机构的控制。d) 实际机构的限制由于移动副的滑轨的存在，使动平台不能与滑轨相干涉。由于并联机构的特殊性，即正解困难反解容易，因此多采用数值法通过反解模型来求解工作空间。数值法就是基于影响工作空间的各种因素，采用计算机搜索的方法求解。运用反解模型搜索工作空间34，方法容易且结果唯一，适合计算机运算。因此本文采用反解模型

7、求解3-P2-SS并联机构样机的工作空间。3-P2-SS并联机构工作空间边界的搜索流程，如图2-7 所示。2-7 搜索工作空间流程图根据以上分析，利用Matlab 编程搜索机构工作空间。工作空间的搜索结果 如图 2-8 所示。3-P2-SS并联机构作为3D 打印机的有效工作空间为一个圆锥体和一个圆柱体组成，圆柱半径与圆锥体最大半径均为50mm，圆柱的高为400mm，圆锥体50mm。 保证了 3D 打印机在有效工作空间内的平稳运行，满足设计要求。zyx2-8 有效工作空间的三维图（ 2）热头部分本文所用的热头是采用英国E3D Online 设计小组开发的E3D v6 热头。 该热头组件主要有铝合

8、金散热器、铝合金加热块、黄铜喷嘴、不锈钢喉管、电加热棒、热敏电阻、PTFE铁氟龙远程送料管、送料管接头等元件组成。如图2-9所示：a）外视图b）剖视图图 2-9 热头部分示意图工作时， 电加热棒和热敏电阻共同作用，使热头组件最前端的铝合金加热块保持在一定温度，会把塑料熔化成胶态。后头的塑料在挤出机的作用下持续往前推挤，就可以让胶态的塑料从喷孔连续挤出，形成可进行三维打印的热熔丝。（ 3）挤出机部分挤出机的工作是将厚重打印材料从3D 打印机热头出来后挤压变成细细的料丝。本文设计的挤出机主要包括步进电机、挤出齿轮、U 形轮、弹簧压紧机构组成。如图2-10 所示。当打印机正常工作时，如图2-10 中

9、的挤出电机上的铜齿轮和弹簧的弹力使U 形轮将耗材紧紧的夹住。当挤出电机正常转动时，电机轴上的铜齿轮通过摩擦力带动耗材前进。耗材在热头部分被加热融化成液体，挤出力通过耗材传递到喷头。 当挤出力大于耗材在铜头管道流动中受到的阻力时，耗材才能从热头被挤出。如果铜头温度不够、铜头内有杂质、耗材没有得到充分熔化或过丝孔过小， 就会造成阻力过大，会导致出丝不畅。2-10 挤出机部分(4)工作平台本文采用的工作平台是铝合金电加热工作平台，可以适应不同材料的打印工作。该工作平台主要由铝合金板，聚酰亚胺(PI)电加热膜和热敏电阻组成。工作时，在 PI 电加热膜和热敏电阻的共同作用下，使铝合金工作台表面保持一定的

10、温度。使被打印的工件更好的附着在工作平台上。1.2.2硬件控制系统3D 打印机中的最重要组成部分之一是硬件控制系统，它的主要功能包括：人机交互、数据处理、运动控制和成形过程控制。硬件控制系统也是一个较复杂的机电控制系统。按照控制机构分类，常见的三维打印设备主要有两种硬件控制模式： 上下位机控制模式和单机控制模式。本文设计的三维打印机采用的是上下位机控制模式。系统结构如图2-11 所示。( 1)上下位机硬件部分上位机一般由高性能的计算机构成，它需要完成三维建模、三维模型处理、3D 打印代码生成和解释、人机交互等非实时性任务，下位机采用嵌入式的16 位单片机构成，由其完成打印代码读取、中断服务、设

11、备的运动控制和成形过程控制等实时性要求较高、与硬件设备相关联的控制，两台计算机通过串行总线进行数据的传递。本文设计的三维打印机下位机主要包括Arduino mega 2560主控板和Ramps1.4 拓展板，分别如图2-12、图2-13 所示。 Arduino Mega 2560主控板的处理器为 atmega2560，工作电压为5V，数字I/O 引脚为 54个，模拟输入引脚为16 个，每个 I/O 引脚的直流电流为50 毫安， 主控板是3D 打印机的大脑，负责控制整个Ramps 1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它是为挤出头 温度控制挤出控制模块其他控制功能LCD 操作面板核心控制

12、器Atmega2560功能扩展板RAMPS参数设置打印控制计算机在线打印控制生成3D打印代码SD 卡 读 取步进电机 驱动器送丝步进电机热敏电阻电加热 棒轴X步进 电机步进电机驱动器X轴步进 电机X轴步进 电机回零行程开关自动找平开2-11 系统结构2-13 Ramps 1.4 拓展板图 2-12 Arduino mega 2560 主控板（ 2）挤出控制模块挤出头温度控制和散热风扇控制。其挤出控制模块主要包括送丝电机控制，再通过调节电机的转速挤出头温度控制主要是控制挤出机前段加热块的温度，用以控制材料在挤出挤出头散热风扇控制用于冷却挤出机中喉管的温度，减少打印材料在喉管中3）运动控制模块运动

13、控制模块可以将三维打印模型的数控指令转换成三维打印机的内部指令，通过步进电机驱动器驱动步进电机按指令转动，进而实现Delta 三维打印机的三个移动副的直线运动。最终实现挤出喷头沿X、 Y、 Z 方向的运动。（ 4）人机交互控制模块人机交互模块包括一块1602 单色 LCD 液晶显示屏，SD 卡读取模块和一个操作旋钮。其中 LCD 屏幕可以显示打印机状态、打印进度和打印机参数。SD 卡读取模块可以实现三维打印机的独立打印功能。也就是可以将打印的数控指令存储在 SD 卡中，打印机可以通过SD 卡读取模块直接读取SD 中的打印指令进行三维打印。操作旋钮可以实现对打印机的点动控制、温度手动控制和打印机

14、参数设置等功能。（ 5）其它控制单元其它控制单元包括工作平台温度控制，模型冷却风扇速度控制、回零和自动找平等功能模块。工作平台温度控制模块用于控制打印机工作平台表面的温度。因为FDM 三维打印机工作时，是逐层打印的。如果打印材料于工作平台没有一定的粘合力，在打印头工作时会将已打好的部分脱离平台，造成打印失败。要解决这个问题，最常见的方法就是让打印机的工作平台表面具有一定的温度，使打印材料在成型后可以贴紧附着在平台上。这样就可以保证在打印的过程中，打印件不会脱离平台。模型冷却风扇速度控制模块用于已打印出零件表面的温度控制。当打印材料从热头挤出后，会有一个冷却过程。当冷却过快会造成热熔丝快速收缩，

15、使打印件变形。 如果冷却速度过慢，打印件固化速度也会缓慢，也会造成打印精度的改变。 所以打印时要综合考虑打印材料的属性、打印机工作的环境温度等因素，来设置模型冷却风扇的速度。打印件与工作平台之间的回零和自动找平功能模块主要用于三维打印机的定位控制。回零开关用于每次打印开始和打印结束后，打印机喷头高度的自动校正。 自动找平开关主要用于检测打印机工作平台的平面度，并且在打印时实时修正倾斜度，保证打印件的精度。1.2.3软件控制系统在上下位机控制模式的硬件控制系统下，本文设计的3D 打印机软件控制系 统也分为上位机控制软件和下位机控制软件。(1)上位机控制软件3D 打印机上位机控制软件的作用是和3D

16、 打印机通讯，把打印代码文件发送给打印机，调整并控制3D 打印机的系统参数和运动使其完成打印。常见的上位机控制软件有Pronterface、 Repeteir-host、 Octoprint、 Simplify3D 等。本文主要采用 Repeteir-host作为 3D 打印机的上位机控制软件。Repetier-Host是一款操作简单，将生成打印代码以及打印机操作界面集成到一起的软件，另外可以通过调用外部生成打印代码的配置文件，很容易上手使用，尤其是手动控制的操作界面，用户可以很方便的实时控制打印机。下面先分别介绍一下 Repetier-Host的操作界面和操作流程。Repetier-Host

17、操作界面，如图 2-14所示。代码生成器里面可以选择外部生成Gcode 的软件的配置文件，包括Slic3r和 Skeinforge， 这需要用户有外部独立的打印机配置文件；代码编辑器，如图 2-15所示，用户可以对生成的Gcode进行编辑。手动控制界面，如图2-16 所示，是一些用户对打印机手动操作的选项，包括控制 XYZ 轴电机、 加热喷头、加热工作平台、设置打印机喷头移动速度比率、挤出头挤出速度比率、设置风扇转速等一些基本操作。Repetier-Host的操作流程，如图2-17 所示。首先要对打印机进行设置包括与电脑的通讯设置、打印机运行速度、打印机形状和高级设置。2-14 Repetie

18、r-Host 操作界面图 2-15 Repetier-Host 代码编辑器在打印机参数都设置好后，选择载入模型，在模型的路径下选择STL 文件；选择一个可靠的底面作为打印的初始层，这里可以经过移动模型在平板上的位置， 甚至可以对模型各个轴进行旋转以使其适应打印平台；然后选择代码生成器，在选择好外部生成器路径的前提下，通过激活外部的参数配置文件，对模型进行生成 Gcode 文件操作；选择手动控制，给喷头预热，温度范围在200230范围以内；选择已经生成好的Gcode 文件，点击菜单栏上的运行任务，打印机就会自动打印。2-16 Repetier-Host 手动控制界面a) 连接设置b) 打印设置图

19、 2-17 Repetier-Host 的操作流程(2)下位机控制软件下位机软件是指运行在Arduino mega 2560 主控板上的软件。由于是烧写在单片机上的软件，所以下位机软件一般也称为固件(Firmware)。 固件的主要作用有SD卡读写、步进电机控制、挤出机速度控制、运动速度控制、运动加速度控制、温度 PID 控制等功能。可以将三维打印指令直接转化为打印机的各种动作。本文所采用的固件是基于Arduino 的开源的Marlin 固件系统。Marlin 固件除了支持常规的三维打印功能外，还具有以下几个优点：1、预加速功能，使得打印机在打弧线时速度更快、更流畅；2、温度测量更精确、读数更

20、准确；3、自动调节的PID 温度控制；4、支持LCD 显示，以及支持SD 卡。Marlin 固件的功能拓扑关系如图2-18所示。1.3 打印材料的选择本文设计的FDM 三维打印机的材料一般是热塑性材料。对FDM 打印材料性能的一般要求有以下三点：（ 1）有利于快速、精确地打印原型零件。打印件应当接近最终要求，能尽量满足对强度、刚度、耐潮湿性、热稳定性能等的要求；（ 2） FDM 材料要有良好的成丝性；（ 3）由于 FDM 过程中，丝材要经历“固态 -液态-固态”的转变。因此要求FDM 在相变过程中有良好的化学稳定性，且FDM 材料要有较小的收缩性。常见的可打印材料主要有：ABS、 PLA（聚乳

21、酸）、 PC（聚碳酸酯）、尼龙、LayWoo-d3、 LayBrick 、 BendLay。图 2-18 下位机软件功能拓扑关系图1.4 三维打印工艺流程本文设计的三维打印机工作流程如图2-19 所示：（ 1）构建三维模型利用三维CAD 软件完成所需零件模型设计。三维打印以三维实体造型为基础， 而且要求模型构建软件具有先进的参数化及特征造型功能，使用较为方便等特点，并且能够将三维实体模型转换成STL 格式文件，基于此，本论文采用Solidworks 软件构造三维实体模型。构建三维实体模型转换模型文件格式分层切片、加入支撑、生成打印代码2-19 三维打印机工作流程图2）实体模型转换STL 文件在

22、三维打印的过程中，需要将三维实体模型转换成STL 文件格式。在Solidworks 中输出 STL 格式文件的设置窗口如图2-20 所示。打印前可根据加工精度要求来调整公差值。图 2-20 实体模型转换STL 文件界面（ 3）分层切片、加入支撑、生成打印代码这个功能模块需要用到切片软件来实现。常见的有Sli3r、 Cura、 kisslicer 等。文主要采用kisslice 作为 3D 打印前的切片软件。KISSlicer 的全名是 Keep ItSimple Slicer，意指“保持简单”的切片软件。kisslicer 切片软件的工作流程主要有以下几步：a) 打印区域的设置。包括打印工作平台尺寸、工作平台中心位置、挤出头数量和 Z 轴偏移量等参数，如图2-21