淺談一種CoreXY 結構的3D 打印機設計

尹晨晨，朱陽，陳佳慧，張鵬，陳勁松

（江蘇海洋大學創新創業學院，江蘇 連云港 222005）

21 世紀，科學技術不斷發展，制造業的智能化和個性化加工已成世界關注的要點。智能化是指將通信，計算機網絡，智能控制為一體的應用。個性化是指隨著高端制造業特種零件的需求增多，非通用零件往往具有獨特、另類的特征。3D 打印技術是個性化，智能化加工的集合體，受到了世界各國的重視。本文基于CoreXY 結構的3D 打印機的實現，以CoreXY 結構為主體，作為3D打印機的平臺，選用合理的上位機，用于X、Y、Z 軸的回零校準和打印指令的輸入，編寫人機交互的控制程序。該CoreXY 結構的3D 打印機可以作為教學的輔助設備，結構透明，可以作為一臺原理機，提高學生對3D 打印技術的興趣，讓學生認識到上位機到下位機操作的操作過程。該3D 打印機也可以進一步改進，為深層次的機器開發做基礎，作為教育機有重要研究意義，并且有很強的實用性。

1 發展現狀及趨勢

1.1 發展現狀

我國國內的3D 打印技術起步較晚，近些年剛剛開始發展。相關的企業已經認識到這種加工模式，但是礙于當前的發展現狀，并沒有能力將其應用到自己生產制造過程中。一方面，是因為加工成本高，國內的3D 打印機的發展還存在一系列的缺陷；另一方面，是企業不能擺脫傳統制造的思維模式。國外的3D 打印水平相比而言較高。

1.2 發展趨勢

從3D 打印技術的發展史可以得出，隨著3D 打印技術的種類變多，被打印出的東西也千變萬化。雖然對于普通用戶和制造業，3D 打印的大規模產業化時機還沒有成熟，但我們也看到3D 打印機開始向兩極分化，除了百萬元級的大型3D 打印機外，國內目前也出現了面向個人用戶的數千元的3D 打印機。

2 系統硬件設計

2.1 機械結構

2.1.1 CoreXY 結構設計

CoreXY 是一種結構緊湊、適應性強的、速度敏捷的機構。所要研究的方向即擠出機構和驅動電機的運動關系，簡單來說，主要研究X 軸和Y 軸機構是如何聯動的。M1、M2 兩電機是固定的，如圖1 所示。

圖1 XY 傳動帶聯動圖

該結構的運動是通過一根皮帶來實現傳動的。這種機械結構的傳動可以有效地減少打印誤差，避免了安裝絲杠以及移動的步進電機的負擔，使整體結構簡約，擠出機構的運動更加靈動。可以很大程度上提高打印機的工作效率。

如下推導位移△X、△Y，和電機M1，電機M2 的線位移△A，△B 的函數關系，如下所示：

提取電機線位移，可得方程組：

在如上所示的式子中，△X、△Y 分別為3D 打印機的擠出機在平面坐標上面沿著X 軸和Y 軸的正方向上面的位移，而△A、△B 則為步進電機輸出的線位移。在計算上我們取線位移順時針為正，逆時針為負。

由公式可得，當步進電機以相同的旋轉方向和速率時：

擠出機構會向X 軸方向運動。

當步進電機M1 與步進電機M2 反向運動時，通過公式我們可以推導出：

擠出機構會沿著Y 軸方向運動。

當步進電機M1 轉動，而步進電機M2 靜止時，通過公式我們可以推導出：

擠出機構會沿著Y=X 方向移動。

當步進電機M2 轉動，而步進電機M1 不動的時候，通過公式我們可以推導出：

擠出機構沿著Y=-X 方向移動。

由上可知，CoreXY 機構可以很方便地實現對于X 軸、Y 軸，以及對角線方向上的運動。

2.1.2 CoreXY 鋁合金骨架搭建

CoreXY 結構的硬件系統是為了實現所要求的3D 打印機方案的可實現性。在整體結構框架上，使用TDT 歐標的2020 鋁合金型材作為結構，尺寸為20mm×20mm。在整體硬件骨架四角安裝腳墊，減少機械運動過程中產生振動所帶來對打印精度所產生的影響。

2.1.3 CoreXY 打印件框架搭建

電機的同步輪及從動輪等均是通過皮帶進行傳動。通過建模設計出自己所需要的3D 打印構件，用以約束同步輪與同步帶。在X 軸光軸上套有兩個光軸座，用于擠出頭的前后，即Y 方向上面的移動。在雙光軸座上具有安裝法蘭軸承的卡口。用于在Y 軸光軸上進行滑動。由于CoreXY 結構的特殊分布，其左右光軸支座也不是對稱的。如圖2 所示。

圖2 左右X 軸光軸支座

由于CoreXY 所獨有的結構，其在四角都有安裝用于約束同步輪的3D 打印機裝置，固定方式則是采用M4的內六角平頭螺釘和歐標M4 的型材螺母固定而成。如圖3 所示。

圖3 骨架光軸支架

為提高擠出機在XY 軸中可運動的范圍。擠出機架在3D 打印機所打印出來的塑料件上，塑料件可安裝軸承，用于在光軸上位移，可以實現相較其他方案更迅捷的打印加速度。其為散熱管支架整體。連接著擠出頭及其散熱機構。如圖4 所示。

圖4 散熱管結構件

2.1.4 CoreXY 的亞克力板切割件搭建

整體框架除了XY 軸的電機以外，輔助CoreXY 結構的還有雙Z 軸結構。雙Z 軸是指打印平臺的左右兩側各有一份電機組合。電機通過聯軸器，與絲杠相連。雙電機在平衡受力增加穩定性的同時，最主要的作用是控制打印的升降。與擠出機完成相對位移，實現Z坐標的變化。Z 軸的固定主要是通過亞克力切割件進行。

2.2 電氣系統

2.2.1 控制機構

本論文中，所采用的控制板為MKS GEN—L V2.1，控制板由其中的主控芯片和周邊的輔助電路構成，控制板中有外接電機驅動、電源輸入、擠出頭輸入、限位信號輸入、熱敏信號輸入、觸摸屏輸入以及拓展端口等。對于電流具有大電壓、大電流，以及欠壓等情況有報警與保護功能。

2.2.2 步進電機

步進電機是整個CoreXY 結構的3D 打印機重要的執行機構，對于X、Y、Z 軸輸出的穩定性，是整個打印系統能否正常完成任務的擠出。選用新佳勝的42 步進電機。X 軸，Y 軸使用兩個步進電機進行控制，基于CoreXY 結構所得到的位移算法，在機器運動打印工作中，兩部電機配合運作，完成對擠出頭的平面位置調整帶。Z 軸使用兩部電機控制熱床打印平臺的升降。本設計中的打印機與目前市面上的打印機關于Z 軸的運動方式不同，而是打印頭不動平臺動的。Z 軸的雙電機結構具有相同且同步的脈沖信號，以用來確保平臺不會發生傾斜，從而導致打印件的失效。

2.2.3 擠出機機構

擠出機的選擇在3D 打印機里具有舉足輕重的地位。在廣義上講，3D 打印機里的擠出機承擔著將材料擠壓成FDM 所需要的形狀，將加熱快的物料運輸至噴嘴上的工作。擠出機也可以視為將材料遞送到噴嘴上的部件。選用的是泰坦擠出機傳動比為3∶1，擠出力度大，軟硬材料均可以適用，控制精準。E3D 泰坦擠出機又是泰坦擠出機中最經典的一款，產品緊湊小巧，兼容性強，更適合本設計中這種模塊化的3D 打印生態系統。

2.2.4 電源

電源選擇開關電源，三維立方生產，功率360W，支持110V/220V 交流電壓輸入，輸出的電壓12V，電流最大可達30A，具有短路保護和過壓保護的功能。

2.2.5 鋁基板及打印平臺配件

鋁基板即所謂的熱床，作用是用于加熱剛打印出來的擠出材料。防止材料冷卻過快出現翹邊等現象。鋁基板選取300×200×3mm 的12V/24V 通用MK2A 型號。鋁基板正中間具有用于裝熱敏電阻的中心空，用膠帶粘住即可。鋁基板上面墊著相匹配的晶格玻璃。其主要參數，耐熱為400℃，硬度為8 莫氏，表面進行高分子納米材料處理。

3 系統軟件設計

基于CoreXY 結構的3D 打印機的控制系統的設計主要集中在打印中噴嘴運動的設計、上位機的設計、下位機實現程序的設計。在上位機人機交互界面中可以設計一些手動功能，例如，開始打印、X、Y、Z 軸的回零等。由于整機選用的是Marlin 固件，所以我們只要在Marlin 官網上選用合適的各類組件，并且在VScode 或者Arduino 中進行編譯，將選用的硬件在程序中調出，并且根據實際情況的屬性進行修改，編譯成功后，通過串口進行上傳固件即可。

4 結語

設計出來的3D 打印機能實現空間利用率的提升，進行材料PLA 和ABS 精度達到0.1mm 的打印要求。具體設計過程總結如下：（1）3D 打印件的設計過程并不完善，沒有考慮填充程度以及未考慮間隙配合的尺寸保留，致使在加工完成打印材料后，不能較為輕松地將光軸插入打印材料中，還需要將孔進行銼刀打磨。（2）電機的組裝模式考慮不完善，機械的整體少有柔性，在3D 打印機的五個電機在運動的時候，有三個都是高負荷運轉，所產生的震動未經削弱便徑直傳遞到打印機骨架上，容易造成打印機的組件螺絲等松散。實際過程中應該在五個電機上面安裝緩沖振動的機械彈簧。（3）在CoreXY結構的打印機上，XY 軸是通過同步帶進行傳輸的，電機及其上面的齒輪、同步輪、同步輪帶，在計算XY 軸運動所需要的脈沖數目的時候，會不可避免地產生誤差。在3D 打印機使用時間較長后，同步帶繃緊的時間會較長，不可避免地會老化以及產生受力方向的應變，給3D打印機的長期使用帶來了較大的煩惱。