基于3D打印机的装配关键技术与精度测试的研究*

陈金英，史利娟，牛小铁

(北京工业职业技术学院 机电系，北京 100042)

基于3D打印机的装配关键技术与精度测试的研究*

陈金英，史利娟，牛小铁

(北京工业职业技术学院 机电系，北京 100042)

针对3D打印机在装配过程中的一些关键技术与精度测试的问题，对其核心部件组装方式进行详细具体的阐述。采用实验研究方式对打印产品进行质量分析，提出了解决3D 打印技术在提高精度层面的一些建议，为相关操作技术人员提供了技术参考。

3D打印机；装配；精度

0 引言

随着“中国制造2025”战略的全面实施，社会对人才提出了新需求和新挑战，要逐步适应现代化制造技术和生产管理。其中，3D打印技术是我国当前发展的一个重要技术方向，同时作为一种新兴的制造技术，正在逐渐融入现代制造行业中且起到重要而又独特的作用。基于3D打印开源的技术与理念，国内外产生了各种形式和不同品牌的产品，有工业级与桌面级等多种形式并存，其中桌面级的可以自主进行组装，探索与体验3D技术。在近两年的使用中，不断深入地查找、学习和摸索中，积累了大量的装配和调试精度的经验，在此就使用过程中装配设计问题和调试精度方法总结出来，为众多爱好者提供参考。

1 3D打印机的组件及作用

3D打印机分为硬件和软件两大部分。硬件含有元器配件、常用工具、固件上传工具、切片软件；软件系统主要由计算机、底层控制软件、应用软件和接口驱动单元组成。

(1)3D打印机硬件部分

目前打印机的类型比较多，无论是桌面级的还是工业级的，基本由几十个甚至上百个零件组合而成，本次项目所需的主要元器件如表1所示。

表1 主要元器配件

常用工具主要有螺丝刀、剥线钳、压线钳、电烙铁、镊子、片口、尖嘴钳、高温胶带等。

上传固件使用Arduino IDE软件。首先，下载固件Marlin；其次，配置固件参数；最后，接上USB线，上传固件，实现上传。此时把控制程序等固化到mega 2560板子中，控制3D打印机各配件进行运动，以完成复杂的打印工作。

切片软件是使3D打印机正确识别与读取3D模型并转化为G代码，是识别控制代码的必要工具。切片软件的种类较多，常用的有XBuilder，Makerbot，Cura等。

(2)3D打印机软件部分

该部分有由算机、底层控制软件、应用软件和接口驱动单元。

计算机采用两级控制，分别是上位机和下位机，二者之间通过特定的通信协议进行双向通信，构成控制部分所需的双层结构。其接口部分选用通信速率较高，数据传输量大的PCI接口，以实现复杂任务控制的运动。上位主控机主要采用配置较高、运行较快的PC机，下位机则主要采用嵌入式系统DSP，驱动执行机构。为提高数据传输速度和可靠性，上位机和下位机的。上位机的主要功能是：①读取CAD模型，生成符合打印工艺的数据信息；②设置打印参数；③监控打印情况并接收与反馈运动参数；④实现了人机交互模式，实时显示打印进度等；⑤满足不同加工材料和工艺要求。下位机则控制打印运动和向喷头传送打印数据。

应用软件的功能如表2所示。

表2 应用软件的功能

底层控制软件部分主要由下位机控制X、Y轴等电机以完成各平面的运动。

接口驱动单元是连接上位机与下位机的桥梁。

2 打印机的组装与调试过程

2.1 打印机的组装

本次项目所选用的机型分为三部分，即机械结构部分即为整体框架、控制、加热部分。

(1)机械结构部分

主要是支持各元器件的框架，三个运动X、Y、Z轴导轨框架。

先找出三块板子并对齐各板的孔位，组装主体结构，采用螺栓紧固，安装的方向一定要如图1所示。

图1 主体结构图示

(2)控制部分

主要由42步进电机、电机驱动模块、控制板及同步轮同步带等。

①冷却风扇主架冷却口后方；

②电源固定在相对于风扇的一侧；

③2560开发板与风扇同侧的主架上；

④安装各轴步进电机及驱动模块；

⑤安装同步轮同步带。

(3)加热部分

主要由加热床，挤出机即为加热头组成。

①热床固定于Y轴的光杠上面；

②将挤出机固定于X轴的光杠上面。

(4)线路连接

电源、主板、电机、风扇及显示器等部分的线路连接，其布线原理如图2所示。

图2 布线原理

然后对各接口进行连线，如图3所示。

图3 线路连接调试

2.2 打印机的调试

主要是在断电的情况下，认真检查元器件的连接情况；在通电的情况下，认真检查各部件的运行情况，因此建议大家调试时应注意以下几点关键事项。

(1)确认打印头的感温电阻在准确位置，否则温度会一直上升，产生过热现象，烧毁器件。

(2)确认电线连接无异样的情况下再通电，观察调试限位器的位置功能是否正常，尤其是Z轴的限位器功能。

(3)断电的情况下检查打印平台与打印头之间的平行状况，控制好间隙。通电情况下检查打印头的原始位置与打印平台的间距，确保位置准确。

(4)认真检查Z轴丝杠的变形情况，否则会影响打印质量。

3 打印机精度分析与调整措施

打开Cura软件，进入参数设置中心，设置打印头温度200℃、底板温度60℃。选到Print form SD，选取打印的模型，主板显示加热中，当加热温度达到设置的温度时开始进行打印。其打印质量等参数设置详见图4，打印零件表面质量见图5。

图4 参数设置

图5 零件打印质量

从图5的打印质量分析检测3D打印机的各部件，其解决措施如下。

(1)降低开始打印底层的速度，由50mm/s降低到30mm/s，解决了底层材料附着性；

(2)更换打印材料，由原来使用的国内80元左右的PLA材料更换为进口材料。解决了打印头堵塞的问题，消除了打印产品表面的点点，不光滑问题，提高了打印的表面质量；

(3)调整紧固螺丝与Z轴丝杠的垂直，采用直角尺和千分尺进行测量法，保证Z轴丝杠与XY平面的垂直；再次清洁丝杠，涂抹润滑油，使其在打印的过程中运行平稳。

通过上述调整后其打印质量如图6所示。

图6 调整后零件打印质量

4 结论

目前，3D打印是一种比较先进的制造技术手段，是相对于传统制造技术体系的一种补充。本项目通过对打印机的组装与精度调试实践，解决了各轴的不垂直等问题对产品精度的影响，其中丝杠的质量也会影响机器的运行，同时影响到打印质量。应用开源的设计理念，对机器的参数调试也是一个非常重要的环节。也希望大家在使用打印机的过程中不仅会用还要会维护与维修。同时也希望我们在长期的、大量的应用实践研究中，不断获取与发现、解决问题的好办法，使3D打印技术的应用不断向深、广度方向发展。

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(编辑 李秀敏)

Research on Key Technology and Precision Measurement of Assembly Based on 3D Printer

CHEN Jin-ying，SHI Li-juan，NIU Xiao-tie

(Department of Mechanical and Electronic Engineering,Beijing Vocational & Technical Institute of Industry, Beijing 100042,China)

In the assembly process of 3D printers, some key technologies and precision testing of the problem, the core components of the assembly method of detailed description. We used experimental research methods to analyze the quality of printing products, and put forward some suggestions to improve the accuracy of the 3D printing technology, and provides technical reference for related operation technical personnel.

3D printer；assembling；accuracy

1001-2265(2017)08-0131-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.034

2016-10-27；

2016-11-27

北京市科研计划项目(KM201610853003)；学院科研课题(bgzyky201723z)(bgzyky 201724z)(bgzyky 201730)

陈金英(1976—)，女，山东济宁人，北京工业职业技术学院教授，硕士，研究方向为数控机床故障诊断与3D打印技术研究，(E-mail)vegachjy@163.com；通讯作者：牛小铁(1970—)，男，河南焦作人，北京工业职业技术学院教授，硕士，研究方向为数控加工及3D打印技术，(E-mail) niuxt@163.com。

TH162；TG506

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