Mach3控制板的3D打印機

基于Mach3控制板的3D打印機設計

3D打印制造是現代興起的累積成型技術，是當代制造業方面具有前景的技術之一。3D打印之前常用于設計制造模具，打印零件等領域的制造模式，現在常用于直接生產某種產品，3D打印技術的出現和興起，使其逐漸成為一項新型的主流加工技術。文章以Mach3控制板為基礎，對3D打印機的框架結構、3D打印機的傳動部分、3D打印機控制主板部分進行設計分析，講述了控制系統的主控板，詳細說明了Mach3主機平臺的工作原理。同時通過對設計過程中出現的一些問題進行分析對3D打印機設計時存在的問題進行了合理的規避。

標簽：3D打印機；Mach3控制板；結構設計；參數計算

Abstract： 3D printing manufacturing is a modern cumulative forming technology， which is one of the promising technologies in the contemporary manufacturing industry. 3D printing used to design and manufacture mould， printing parts and other fields of manufacturing mode， now often used to directly produce a product， 3D printing technology and the emergence and rise， making it gradually become a new mainstream processing technology. Based on Mach3 control board， this paper designs and analyzes the frame structure of 3D printer， the drive part of 3D printer and the control motherboard of 3D printer， and describes the main control board of the control system. The working principle of Mach3 host platform is explained in detail. At the same time， through the analysis of some problems in the design process， the problems existing in the design of 3D printer are reasonably avoided.

Keywords： 3D printer； Mach3 control board； structural design； parameter calculation

引言

伴著時代進步和社會科技發展，制造業設計加工規模的發展迅速猛進，市場競爭也愈來愈大，3D打印機成為加工制造業的絕對優勢，一些主要的計算機技術（CAD、并行工程）等技術的出現給產品的設計與研發帶來了不容小覷的方便[1]。目前國內3D打印技術還在探索和初步應用階段，需要更長時間的實踐來實現質的飛躍，飛機鈦合金構件的打印、基于粉末床的SLS技術的打印技術、重型金屬的3D打印開啟了制造業的新時代，象征我國3D打印技術的發展擁有無限的創新空間[2]。

3D打印技術的仿真性強、效率高，成本便宜，簡單易于操作等優點給人們帶來了巨大的方便。但是，在用計算機軟件設計和加工制造零件時，由于3D打印設備自身局限性的存在，使得零件在設計和制造加工方面有很大的關聯，因此加工工藝等是影響零件的重要因素之一。基于Mach3D打印技術的出現，在一定程度上，能夠降低復雜結構零件的加工難度，改變某些復雜零件在傳統工藝上無法加工的格局。隨著智能制造技術的發展，自動化控制技術、新材料和新技術的進步不斷發展，3D打印技術將有一個更廣泛的運動來提升平臺，未來3D打印技術將更加準確、智能、便捷，總的發展方向[3-4]。提高3D打印效率，讓用戶感覺簡易上手，復雜程度低，同時要求降低技術成本，將該技術推廣到更多的技術領域以造福人類。

1 3D打印技術及3D打印機工作原理

1.1 現有常用的3D打印技術

現有的常用的3D打印技術包括SLA、SLS、LOM、FDM四種[5]。SLA（立體光固化成型法）SLA技術開發時間最長，技術最成熟，應用最廣泛，精度高，成型速度更快，系統穩定，但需要設計支持結構。需要在不完全固化的情況下去除支撐結構，容易破壞模制部件。由于材料是樹脂，所以溫度容易融化，容易開裂。SLS技術相比于其他工藝具有以下優點：（1）材料的多樣性。（2）制造工藝相對簡單。（3）材料利用率高，可重復使用，基本實現無浪費。（4）無須支撐結構。（5）變形小且應用廣泛。LOM（分層實體制造法）LOM技術具有工藝簡單、效率高、損耗花費高、精密零件要求高等特點。FDM技術又稱熔化沉積技術。FDM技術優勢在于可選用多種材料，制造簡單，易于構建鏤空工件，污染小。但該技術的運用使得整體受溫度影響較大，成品的效果達不到預期的穩定狀態，故對精度要求高的成品，一般不采用此技術[6]。

1.2 Mach3控制板的簡介

硬件平臺Mach3板：Mach3是一個數控硬件平臺，是由美國公司開發和研究出來的。必須在Windows XP和Windows 2000版本下運行。Mach3軟件使用USB端口作為設備輸入和輸出端。為實現對數控機床的良好控制，該軟件支持各種國際標準G代碼，高達6軸可以控制。可以實現復雜零件的高精度加工最大的0.0001mm控制精度復雜的功能要求，MODBUS設備可以用來控制刀庫，夾具和碎屑運輸機構的控制，可以實現具有并行端口的簡單系統[7]。系統特點：Mach3 CNC控制軟件是一個開放的數控系統，操作簡單，維護方便，具有開放，性能穩定，成本低的新型數控系統。標準的PC電腦完全轉換為全功能數控控制器，高達6軸數控連接，用于各種DXF，BMP，JPG格式的直接支持和HPGL文件格式輸入，Visual G代碼顯示，直接生成G代碼，主軸速度控制，多中繼控制，手脈沖生成，包括大量的處理策略，視頻顯示，可以使用觸摸屏，全屏顯示，數字化。3D動態顯示跟蹤，自動刀，程序跳躍（斷點記憶）間距補償，間隙補償，刀具長度補償，刀尖半徑補償和磨損補償功能。軸向運動加速度和速度調節界面可根據實際情況進行調整，適應高速高精度加工。

1.3 基于Mach3控制板的3D打印機原理

3D打印機的整個系統是控制組件、機械組件、計算機技術、打印頭耗材等框架結構組成，主要分為控制模塊，運動模塊、打印模塊三大模塊。3D打印機進行三維制件時最基本的條件是打印頭和平臺可以共同完成x-y-z三個平面上的運動[8-9]。X-Y軸組成平面運動，其中X軸電機通過非標準件安裝在光軸的滑塊上，Y軸電機安裝在框架上；電機帶動同步帶轉動，從而實現平面x-y打印，Z軸由伺服電機控制上下運動，實現分層打印驅動[10-11]。在打印過程中上機位軟件首先讀取由Cura軟件根據三維數字模型（STL）生成的G Code代碼，然后再將G Code轉成X3G文件，通過串口通信或脫機方式（用USB）傳遞到下層的Mach3控制平臺，同時得知Mach3控制平臺所反饋位置坐標信息。

硬件系統由Mach3控制板、加熱棒、傳感器、電機以及打印頭組成。Mach3硬件控制器根據代碼中的坐標位置和設置溫度等信息，控制工作平臺溫度和打印頭溫度，以及風扇和加熱裝置，并將信息實時反饋給上機位。

2 3D打印機的整體設計

2.1 3D打印機的框架結構設計

目前市場上常見的3D打印機有如下幾種結構：三角形3D打印機結構、矩形桿式的3D打印結構，但考慮到耗材、簡易程度、精度上的要求。所選取的結構要保證少耗低費用并且相對精度較高[12]。

三角形結構的特點就是3D打印機的框架結構是三角形的，它的底部是用來放置熱床的地方，X軸是跟著Z軸零部件構成的平面上帶動打印頭實現運動，Z軸則一般在三角形的中心線的部分，它的XYZ軸的運動方式互不干擾，使得機架受力分布均勻不容易歪。所以從精度上來說框架結構上設計選擇三角形桿式是很好的選擇。

2.2 3D打印機的傳動部分設計

3D打印機的傳動部分主要有打印頭XZ方向上的移動，工作平臺Y方向的運動，XY方向運動首先需要將軸承座安裝在機架上，軸承座之間用光桿連接，光軸上安裝有直線軸承，由于設計打印范圍為200mm×200mm×220mm所以選擇光軸直徑為8mm，底座用300mm×300mm的鋁型材，高度用400mm的鋁型材將其用角碼連接在一起，其中連接在非標準件處帶動打印頭做X方向上的光軸選用300mm的進行切割，切割成100mm長度，這樣才不會對打印行程造成影響。

當然傳動部分的設計少不了非標準件的設計，在光軸上的同步帶輪與同步帶之間需要非標準件進行緊固以帶動X軸的運動，設計的圖紙如圖1、2所示：

左邊非標準件偏左邊的2個φ5的孔是為了將這整個非標件與X軸電機連接，中間四個口裝配上光軸座，兩邊對稱的四個孔是為了給Z軸絲桿的固定做準備的。同樣右邊的非標準件上左邊上下對稱的四個孔是固定兩個軸承座，軸承座之間裝備上100mm的光軸，在100mm的光軸上安裝同步帶輪，然后在繞上同步帶使其與電機平行，這樣在電機的帶動下打印頭就可以實現X軸方向運動。

其次Y軸上的運動需要電機帶動，3D打印機要想能夠正常工作，就一定需要能夠分時運行的幾個電機。所以電機的安放位置也要考慮，這樣就能夠節省內部空間。Y軸運動主要由兩根光軸和一個絲桿來完成，工作平臺通過光軸座和絲桿座與底下的光軸和絲桿固定，電機用兩根70mm長的鋁型材與電機座連接固定，然后再將絲桿與絲桿相連，電機轉動時絲桿也會隨著電機運轉，從而實現工作平臺在Y軸上的移動。

最后是Z軸的運動，Z軸的上下運動就能實現分層打印，我所設計的3D打印機Z方向采用兩個電機，電機上分別連有絲桿，運動需要絲桿和絲桿螺母，絲桿不能高速轉動、精度高、結構簡單，同時具有良好的承載能力、傳動效率高，最重要是具有自鎖性，這些優點可以讓我們優先選用絲桿和絲桿螺母。

絲杠和螺母自鎖校核計算

螺紋升角？準=arctan（L/π×d2）

其中：L-導程；d2-螺紋中徑；螺紋摩擦角？茁=arctan[f/cos（？墜/2）]

其中：f-靜摩擦系數；？墜-螺紋牙型角；

若？準？燮？茁，則傳動螺紋具有自鎖特性。

2.3 3D打印機控制主板部分設計

主板套件包括Mach3接口板、42步進電機驅動器TB6600、cnc接口板，其他配件包括：12V電源、熱床、42步進電機、REX-C100溫控器、熱電偶溫度傳感器、打印機延長線（并口線）、USB公對公線。

其中Mach3的接口板接四個電機驅動器來控制電機的轉動，從而實現XYZ軸的運動和打印頭部分的擠絲。其次P12、P13、P15分別接X、Y、Z軸的限位開關，以限制三軸運動的最大位置和最小位置。并口針引腳的輸出定義：連接電腦的并口類似凹槽型，箭頭方向指輸入信息在電腦中的流動方向。要想實現對主板的控制，需要安裝Mach3軟件來驅動，讓電機正常運轉。首先Mach3軟件安裝完成后并不知道直接打開使用。而是根據所使用的并口引腳和所選驅動板進行設置。這樣才能保證電機運轉起來。電機單位需要設置為mm，然后在打開設置菜單，進入端口和引腳菜單選項，對引腳參數進行修改。基本頻率的設置是影響電機運轉的一個重要參數。對于步進電機的話，一般更改為25000Hz即可。3 設計所需注意事項

3.1 打印頭與粘合問題

在打印頭和打印平臺的位置，打印起先，打印平臺會從上向下運動，在電機驅動下的同步帶帶動打印頭實現X-Z方向運動，而工作平臺做前后運動。

在打印過程中，由于打印頭溫度很高而且原料的熔點低，很快就會熔化，絲料擠出后，瞬間凝結。由于生成模型時設計溫度和使用材料上有不同，打印頭的設計打印溫度自然也不同。為了防止打印物體粘合不上、翹邊等問題，打印平臺一般也會保持一定的溫度，同時為了便于打印成品的剝離，打印平臺上一般貼上藍色膠帶或對平臺結構進行改進。

3.2 送絲機構

3D打印機的送絲機構主要包括電機、齒輪、喉管、熱電偶、噴嘴等等，進料口處有齒輪，塑料絲在齒輪的帶動下，經過導管至噴嘴中，其中噴嘴外部的熱電偶對塑料絲進行加熱，將原料加熱成熔融狀態后擠出逐層打印，直到得出實體。進料裝置設計與原料的進料速度和擠出速度有關，這也將影響3D加工精度和加工質量，如送料裝置由于長時間的工作打印出現磨損現象，造成走絲緩慢，不均勻，打滑等問題。所以在設計的時候要保持彈簧對壓板穩定的壓力和噴嘴的合適溫度，既保證打印精度和工件強度，又避免了因絲料加熱后膨脹造成的退料時卡住的情況。

3.3 傳動機構

傳動機構上主要有X-Y-Z運動系統，其中打印噴頭在兩個電機的驅動下通過同步帶輪、光桿、同步帶實現X-Z方向上的運動，Z軸的定位精度影響分層打印的精度，為了使結構簡單，提高打印精度，傳動效率，Z軸上采用絲桿，當驅動電機驅動絲桿順時針或逆時針轉動，通過螺紋咬合，工作平臺會沿著Z軸上下運動實現分層打印。由于步進電機可以將產生的電脈沖信號轉化成角位移或線位移，可以實現大范圍的驅動電機轉速控制。這種結構雖然結構簡單，易于控制但僅有一個打印頭在工作，因而效率不高。

3.4 工作平臺

3D打印機的工作平臺具有水平微調結構，在工作平臺四個腳旁邊配有帶彈簧的微調螺桿（可以實現調平），這樣既可以防止打印頭與打印平臺接觸太緊，產生巨大摩擦力而對打印頭自身造成損壞，又可以防止出現打印頭距離平臺太遠而使熔融絲料無法粘合在其表面，使打印失效（工作平臺的鋁片采用2mm厚度，這樣方便切割所需形狀、便于打孔、更減輕整體重量）。此處熱床這樣設計減輕整體重量，并且受力均勻，不會對打印造成影響。桌面3D打印機模型平臺中間有熱床，由于工作溫度高，所以使用一塊金屬鋁材料，使用陽極氧化工藝，表面非常光滑，良好的導熱性，可以讓工作平臺保持一定范圍內的溫度，不會讓擠出絲受到溫度差的影響，減少產品的尺寸誤差。在打印過程中，通過實踐發現，絲料與金屬工作平臺的附著力比較差，這就導致在打印的零件與工作平臺底部接觸面積較小時，容易出現工件的晃動甚至出現移位的現象，這無疑會打印出廢品，所以也要考慮到工作平臺的粘合性。

4 結束語

本文主要是對基于Mach3的打印機進行設計和組裝應用，完成了簡易的桌面3D打印的結構設計、參數校核、電路設計。首先介紹3D打印機研究的背景及意義，了解了3D打印的用途、先進性，并分析了國內目前3D打印技術的發展狀況，也對比了國內外該技術存在的差距，通過研究實例表明了今后3D打印的發展趨勢。然后提及了幾種常見的3D打印技術，對這幾種打印技術做出了具體的原理介紹。概述3D打印機的組成原理機制，并對所涉及內容做出概括。然后是對3D打印機框架、傳動部分做了主要分析，后續還校核絲杠和螺母的自鎖（看是否滿足自鎖條件）。總結了在設計時要注意的事項，對硬件主板Mach3做了詳細的介紹。

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