FDM技術(shù)下的3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計探討

摘要：本文研究FDM技術(shù)支持下的3D打印機(jī)設(shè)計策略。使用步進(jìn)控制精度在0.002mm的絲杠滑塊+步進(jìn)電機(jī)的核心坐標(biāo)控制系統(tǒng)，使用分別使用1組絲杠控制X軸和Y軸的定位，使用2組絲杠控制Z軸的定位，使用3組FDM擠出系統(tǒng)控制彩色打印過程，在探討了坐標(biāo)控制算法和冷卻成型算法后，本文設(shè)計了一種包含7個執(zhí)行機(jī)構(gòu)且有LED綜合狀態(tài)顯示功能的3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。本文認(rèn)為，通過對算法進(jìn)行革新，提升對步進(jìn)電機(jī)的控制策略，增加驅(qū)動程序可識別的3D模型文件種類，對FDM材料的成型過程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化控制，是未來FDM技術(shù)支持下的3D打印機(jī)重點發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：FDM;3D彩色打印;機(jī)械結(jié)構(gòu);控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP334.8?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）16-0049-01

1 引言

FDM技術(shù)是當(dāng)前最為常用的中低端3D打印機(jī)技術(shù)，也是最接近桌面端應(yīng)用需求的3D打印機(jī)技術(shù)。通過將熔融的聚合物擠出并可控冷卻，在沉積底盤上實現(xiàn)可控堆積，從而構(gòu)建出打印精度達(dá)到±0.3mm且工件尺寸超過100mm的桌面級3D打印機(jī)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)已經(jīng)被諸多廠商實現(xiàn)了中低端產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。大部分基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)在工件成型時保留大約0.3mm的加工余量，工件打印成型后，再進(jìn)行后續(xù)的打磨加工或者局部熱塑加工，使其精度進(jìn)一步提升。

2 FDM技術(shù)下的3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。FDM技術(shù)下的3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是在2-4個定位桿的定位支持下，確保絲桿轉(zhuǎn)動驅(qū)動滑塊沿定位桿移動，最終將動作機(jī)構(gòu)定位到目標(biāo)位置。而步進(jìn)電機(jī)與減速機(jī)的配合，可以確保絲杠的轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動給進(jìn)量可以得到程序有效控制。當(dāng)前大部分高精密加工機(jī)械，依然沿用了這一控制模式[5]。這一控制模式下，加大絲杠攻絲密度，可以讓絲杠轉(zhuǎn)動固定角度時，滑塊的位移量最小，而壓縮步進(jìn)電機(jī)每步轉(zhuǎn)動時帶動絲杠轉(zhuǎn)動的角度，可以進(jìn)一步縮小步進(jìn)電機(jī)每步操作的滑塊位移量。對于滑塊位移量S，可以有以下公式進(jìn)行控制：

Smin=Q10·2πPmm（1）

其中：

Q為絲杠上每厘米的絲數(shù);

P為經(jīng)過減速機(jī)減速后步進(jìn)電機(jī)每步進(jìn)1步絲杠轉(zhuǎn)過的角度（弧度制）;

當(dāng)每厘米擁有40絲且步進(jìn)電機(jī)模數(shù)為32且減速比為0.25時，步進(jìn)電機(jī)每動作1步，滑塊的位移量0.002mm，對當(dāng)前系統(tǒng)目標(biāo)精度達(dá)到±0.3mm的工程需求已經(jīng)可以達(dá)到積極意義。

在高精密切削系統(tǒng)中，含數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床等，其絲杠控制過程一般需要對滑塊位置進(jìn)行定位測量，但本文系統(tǒng)無需進(jìn)行該測量過程，只需要在滑塊遇到行走極限時，對步進(jìn)電機(jī)計數(shù)進(jìn)行一次確認(rèn)（Check），即在實際打印過程開始之前，使用步進(jìn)電機(jī)控制滑塊貼近近端行走極限，此時將步進(jìn)積累值定位為L0，再將滑塊貼近遠(yuǎn)端行走極限，此時將步進(jìn)積累值定位為LN，隨后將滑塊重新貼近近端行走極限后，開始執(zhí)行打印策略[6]。

2.2 FDM彩色打印的擠出頭機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)設(shè)計。如果三個FDM擠出頭的Z軸高度保持一致且確保足夠的安裝精度，那么以FDM1坐標(biāo)（X，Y）為控制中心，則三個FDM擠出頭的坐標(biāo)位置如下：

FDM1=X，YFDM2=X-ΔX1，Y+ΔYFDM3=X+ΔX2，Y+ΔY（2）

在實際打印過程中，依照公式（2）對三種打印材質(zhì)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在最高0.002mm的控制精度下，可以實現(xiàn)高精度的彩色打印。而實際打印執(zhí)行過程中，一般使用FDM1擠出合成低熔點的樹脂材料作為填充骨料對打印材料進(jìn)行支撐，而使用其他擠出頭擠出模型成型材料。打印完成收，使用水浴加熱將打印工件進(jìn)行加熱，使其溫度超過填充骨料熔點，且低于模型成型材料熔點，使打印填充骨料充分融化，最終得到更高精度的模型。此模式可用作陶瓷模具、精密鑄造模具等復(fù)雜模型成型場景。

3 FDM打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)

當(dāng)前最常見的門式3D打印機(jī)架構(gòu)，其Y軸控制通過沿Y軸移動溫控基板的方式實現(xiàn)控制過程，X軸控制通過沿X軸移動FDM擠出頭的方式控制過程，此二者均可以采用單絲杠的控制模式進(jìn)行控制，但Z軸的控制一般采用雙絲杠通過升降FDM擠出頭行走導(dǎo)軌的方式采用雙機(jī)配合控制。假定絲杠的加工工藝可以保證在實際160-220mm的Z軸控制區(qū)域內(nèi)保持一致性，且近端行走極限限位裝置和遠(yuǎn)端行走極限限位裝置的安裝精度，也可保障Z軸的行走范圍內(nèi)的絲數(shù)相等，即其安裝精度可以控制在0.25mm以內(nèi)，那么對于2個Z軸控制絲杠來說，其區(qū)間內(nèi)的絲杠絲數(shù)完全一致。即Z1=Z2。

但是，即便在設(shè)備出廠時，2個Z軸控制絲杠可以安裝成Z1=Z2的狀態(tài)，但設(shè)備運行過程中的震動、熱形變效應(yīng)、系統(tǒng)蠕變等，都可能導(dǎo)致2個Z軸控制絲杠出現(xiàn)1mm以內(nèi)的形變，本文采用每厘米40絲的控制絲杠，此時可能導(dǎo)致以下形變：

ΔZ=MAXZ1，Z2-MINZ1，Z2≈4（3）

所以，在實際控制中，應(yīng)當(dāng)從MAXZ1，Z2中舍棄部分絲數(shù)，使其與MINZ1，Z2相等，即在系統(tǒng)中構(gòu)建一個虛擬行走極限空間，用于確保兩個Z軸控制絲杠的同步性。即在系統(tǒng)開機(jī)自檢過程中，當(dāng)Z1與Z2中一個滑塊率先達(dá)到行走極限時，該行走極限被標(biāo)定為兩個滑塊共同行走極限。

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一種絲杠控制精度在0.002mm，最終模型精度在0.3mm的，基于FDM擠出式打印頭的3D打印機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)使用一個ARM-31開發(fā)板執(zhí)行中央控制，在桌面端驅(qū)動程序的有限元分解算法支持下，實現(xiàn)高精度的3D打印。當(dāng)前，基于FDM的3D打印機(jī)技術(shù)已經(jīng)趨近完善，通過對算法進(jìn)行革新，提升對步進(jìn)電機(jī)的控制策略，增加驅(qū)動程序可識別的3D模型文件種類，對FDM材料的成型過程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化控制，是未來FDM技術(shù)支持下的3D打印機(jī)重點發(fā)展方向。

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作者簡介：謝添（身份證號421302********219），1999，男，漢族，湖北隨州，本科，學(xué)生，機(jī)械電子工程