基于Mach3控制板的3D打印机设计

闵畅+李锦+沈新明+刘佳丽+刘洋

摘 要：3D打印制造是现代兴起的累积成型技术，是当代制造业方面具有前景的技术之一。3D打印之前常用于设计制造模具，打印零件等领域的制造模式，现在常用于直接生产某种产品，3D打印技术的出现和兴起，使其逐渐成为一项新型的主流加工技术。文章以Mach3控制板为基础，对3D打印机的框架结构、3D打印机的传动部分、3D打印机控制主板部分进行设计分析，讲述了控制系统的主控板，详细说明了Mach3主机平台的工作原理。同时通过对设计过程中出现的一些问题进行分析对3D打印机设计时存在的问题进行了合理的规避。

关键词：3D打印机；Mach3控制板；结构设计；参数计算

中图分类号：TP334.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）01-0030-04

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

伴着时代进步和社会科技发展，制造业设计加工规模的發展迅速猛进，市场竞争也愈来愈大，3D打印机成为加工制造业的绝对优势，一些主要的计算机技术（CAD、并行工程）等技术的出现给产品的设计与研发带来了不容小觑的方便[1]。目前国内3D打印技术还在探索和初步应用阶段，需要更长时间的实践来实现质的飞跃，飞机钛合金构件的打印、基于粉末床的SLS技术的打印技术、重型金属的3D打印开启了制造业的新时代，象征我国3D打印技术的发展拥有无限的创新空间[2]。

3D打印技术的仿真性强、效率高，成本便宜，简单易于操作等优点给人们带来了巨大的方便。但是，在用计算机软件设计和加工制造零件时，由于3D打印设备自身局限性的存在，使得零件在设计和制造加工方面有很大的关联，因此加工工艺等是影响零件的重要因素之一。基于Mach3D打印技术的出现，在一定程度上，能够降低复杂结构零件的加工难度，改变某些复杂零件在传统工艺上无法加工的格局。随着智能制造技术的发展，自动化控制技术、新材料和新技术的进步不断发展，3D打印技术将有一个更广泛的运动来提升平台，未来3D打印技术将更加准确、智能、便捷，总的发展方向[3-4]。提高3D打印效率，让用户感觉简易上手，复杂程度低，同时要求降低技术成本，将该技术推广到更多的技术领域以造福人类。

1 3D打印技术及3D打印机工作原理

1.1 现有常用的3D打印技术

现有的常用的3D打印技术包括SLA、SLS、LOM、FDM四种[5]。SLA（立体光固化成型法）SLA技术开发时间最长，技术最成熟，应用最广泛，精度高，成型速度更快，系统稳定，但需要设计支持结构。需要在不完全固化的情况下去除支撑结构，容易破坏模制部件。由于材料是树脂，所以温度容易融化，容易开裂。SLS技术相比于其他工艺具有以下优点：（1）材料的多样性。（2）制造工艺相对简单。（3）材料利用率高，可重复使用，基本实现无浪费。（4）无须支撑结构。（5）变形小且应用广泛。LOM（分层实体制造法）LOM技术具有工艺简单、效率高、损耗花费高、精密零件要求高等特点。FDM技术又称熔化沉积技术。FDM技术优势在于可选用多种材料，制造简单，易于构建镂空工件，污染小。但该技术的运用使得整体受温度影响较大，成品的效果达不到预期的稳定状态，故对精度要求高的成品，一般不采用此技术[6]。

1.2 Mach3控制板的简介

硬件平台Mach3板：Mach3是一个数控硬件平台，是由美国公司开发和研究出来的。必须在Windows XP和Windows 2000版本下运行。Mach3软件使用USB端口作为设备输入和输出端。为实现对数控机床的良好控制，该软件支持各种国际标准G代码，高达6轴可以控制。可以实现复杂零件的高精度加工最大的0.0001mm控制精度复杂的功能要求，MODBUS设备可以用来控制刀库，夹具和碎屑运输机构的控制，可以实现具有并行端口的简单系统[7]。endprint

系统特点：Mach3 CNC控制软件是一个开放的数控系统，操作简单，维护方便，具有开放，性能稳定，成本低的新型数控系统。标准的PC电脑完全转换为全功能数控控制器，高达6轴数控连接，用于各种DXF，BMP，JPG格式的直接支持和HPGL文件格式输入，Visual G代码显示，直接生成G代码，主轴速度控制，多中继控制，手脉冲生成，包括大量的处理策略，视频显示，可以使用触摸屏，全屏显示，数字化。3D动态显示跟踪，自动刀，程序跳跃（断点记忆）间距补偿，间隙补偿，刀具长度补偿，刀尖半径补偿和磨损补偿功能。轴向运动加速度和速度调节界面可根据实际情况进行调整，适应高速高精度加工。

1.3 基于Mach3控制板的3D打印机原理

3D打印机的整个系统是控制组件、机械组件、计算机技术、打印头耗材等框架结构组成，主要分为控制模块，运动模块、打印模块三大模块。3D打印机进行三维制件时最基本的条件是打印头和平台可以共同完成x-y-z三个平面上的运动[8-9]。X-Y轴组成平面运动，其中X轴电机通过非标准件安装在光轴的滑块上，Y轴电机安装在框架上；电机带动同步带转动，从而实现平面x-y打印，Z轴由伺服电机控制上下运动，实现分层打印驱动[10-11]。在打印过程中上机位软件首先读取由Cura软件根据三维数字模型（STL）生成的G Code代码，然后再将G Code转成X3G文件，通过串口通信或脱机方式（用USB）传递到下层的Mach3控制平台，同时得知Mach3控制平台所反馈位置坐标信息。

硬件系统由Mach3控制板、加热棒、传感器、电机以及打印头组成。Mach3硬件控制器根据代码中的坐标位置和设置温度等信息，控制工作平台温度和打印头温度，以及风扇和加热装置，并将信息实时反馈给上机位。

2 3D打印机的整体设计

2.1 3D打印机的框架结构设计

目前市场上常见的3D打印机有如下几种结构：三角形3D打印机结构、矩形杆式的3D打印结构，但考虑到耗材、简易程度、精度上的要求。所选取的结构要保证少耗低费用并且相对精度较高[12]。

三角形结构的特点就是3D打印机的框架结构是三角形的，它的底部是用来放置热床的地方，X轴是跟着Z轴零部件构成的平面上带动打印头实现运动，Z轴则一般在三角形的中心线的部分，它的XYZ轴的运动方式互不干扰，使得机架受力分布均匀不容易歪。所以从精度上来说框架结构上设计选择三角形杆式是很好的选择。

2.2 3D打印机的传动部分设计

3D打印机的传动部分主要有打印头XZ方向上的移动，工作平台Y方向的运动，XY方向运动首先需要将轴承座安装在机架上，轴承座之间用光杆连接，光轴上安装有直线轴承，由于设计打印范围为200mm×200mm×220mm所以选择光轴直径为8mm，底座用300mm×300mm的铝型材，高度用400mm的铝型材将其用角码连接在一起，其中连接在非标准件处带动打印头做X方向上的光轴选用300mm的进行切割，切割成100mm长度，这样才不会对打印行程造成影响。

当然传动部分的设计少不了非標准件的设计，在光轴上的同步带轮与同步带之间需要非标准件进行紧固以带动X轴的运动，设计的图纸如图1、2所示：

左边非标准件偏左边的2个φ5的孔是为了将这整个非标件与X轴电机连接，中间四个口装配上光轴座，两边对称的四个孔是为了给Z轴丝杆的固定做准备的。同样右边的非标准件上左边上下对称的四个孔是固定两个轴承座，轴承座之间装备上100mm的光轴，在100mm的光轴上安装同步带轮，然后在绕上同步带使其与电机平行，这样在电机的带动下打印头就可以实现X轴方向运动。

其次Y轴上的运动需要电机带动，3D打印机要想能够正常工作，就一定需要能够分时运行的几个电机。所以电机的安放位置也要考虑，这样就能够节省内部空间。Y轴运动主要由两根光轴和一个丝杆来完成，工作平台通过光轴座和丝杆座与底下的光轴和丝杆固定，电机用两根70mm长的铝型材与电机座连接固定，然后再将丝杆与丝杆相连，电机转动时丝杆也会随着电机运转，从而实现工作平台在Y轴上的移动。

最后是Z轴的运动，Z轴的上下运动就能实现分层打印，我所设计的3D打印机Z方向采用两个电机，电机上分别连有丝杆，运动需要丝杆和丝杆螺母，丝杆不能高速转动、精度高、结构简单，同时具有良好的承载能力、传动效率高，最重要是具有自锁性，这些优点可以让我们优先选用丝杆和丝杆螺母。

丝杠和螺母自锁校核计算

螺纹升角？准=arctan（L/π×d2）

其中：L-导程；d2-螺纹中径；螺纹摩擦角？茁=arctan[f/cos（？坠/2）]

其中：f-静摩擦系数；？坠-螺纹牙型角；

若？准？燮？茁，则传动螺纹具有自锁特性。

2.3 3D打印机控制主板部分设计

主板套件包括Mach3接口板、42步进电机驱动器TB6600、cnc接口板，其他配件包括：12V电源、热床、42步进电机、REX-C100温控器、热电偶温度传感器、打印机延长线（并口线）、USB公对公线。

其中Mach3的接口板接四个电机驱动器来控制电机的转动，从而实现XYZ轴的运动和打印头部分的挤丝。其次P12、P13、P15分别接X、Y、Z轴的限位开关，以限制三轴运动的最大位置和最小位置。并口针引脚的输出定义：连接电脑的并口类似凹槽型，箭头方向指输入信息在电脑中的流动方向。要想实现对主板的控制，需要安装Mach3软件来驱动，让电机正常运转。首先Mach3软件安装完成后并不知道直接打开使用。而是根据所使用的并口引脚和所选驱动板进行设置。这样才能保证电机运转起来。电机单位需要设置为mm，然后在打开设置菜单，进入端口和引脚菜单选项，对引脚参数进行修改。基本频率的设置是影响电机运转的一个重要参数。对于步进电机的话，一般更改为25000Hz即可。endprint

3 设计所需注意事项

3.1 打印头与粘合问题

在打印头和打印平台的位置，打印起先，打印平台会从上向下运动，在电机驱动下的同步带带动打印头实现X-Z方向运动，而工作平台做前后运动。

在打印过程中，由于打印头温度很高而且原料的熔点低，很快就会熔化，丝料挤出后，瞬间凝结。由于生成模型时设计温度和使用材料上有不同，打印头的设计打印温度自然也不同。为了防止打印物体粘合不上、翘边等问题，打印平台一般也会保持一定的温度，同时为了便于打印成品的剥离，打印平台上一般贴上蓝色胶带或对平台结构进行改进。

3.2 送丝机构

3D打印机的送丝机构主要包括电机、齿轮、喉管、热电偶、喷嘴等等，进料口处有齿轮，塑料丝在齿轮的带动下，经过导管至喷嘴中，其中喷嘴外部的热电偶对塑料丝进行加热，将原料加热成熔融状态后挤出逐层打印，直到得出实体。进料装置设计与原料的进料速度和挤出速度有关，这也将影响3D加工精度和加工质量，如送料装置由于长时间的工作打印出现磨损现象，造成走丝缓慢，不均匀，打滑等问题。所以在设计的时候要保持弹簧对压板稳定的压力和喷嘴的合适温度，既保证打印精度和工件强度，又避免了因丝料加热后膨胀造成的退料时卡住的情况。

3.3 传动机构

传动机构上主要有X-Y-Z运动系统，其中打印喷头在两个电机的驱动下通过同步带轮、光杆、同步带实现X-Z方向上的运动，Z轴的定位精度影响分层打印的精度，为了使结构简单，提高打印精度，传动效率，Z轴上采用丝杆，当驱动电机驱动丝杆顺时针或逆时针转动，通过螺纹咬合，工作平台会沿着Z轴上下运动实现分层打印。由于步进电机可以将产生的电脉冲信号转化成角位移或线位移，可以实现大范围的驱动电机转速控制。这种结构虽然结构简单，易于控制但仅有一个打印头在工作，因而效率不高。

3.4 工作平台

3D打印机的工作平台具有水平微调结构，在工作平台四个脚旁边配有带弹簧的微调螺杆（可以实现调平），这样既可以防止打印头与打印平台接触太紧，产生巨大摩擦力而对打印头自身造成损坏，又可以防止出现打印头距离平台太远而使熔融丝料无法粘合在其表面，使打印失效（工作平台的铝片采用2mm厚度，这样方便切割所需形状、便于打孔、更减轻整体重量）。此处热床这样设计减轻整体重量，并且受力均匀，不会对打印造成影响。桌面3D打印机模型平台中间有热床，由于工作温度高，所以使用一块金属铝材料，使用阳极氧化工艺，表面非常光滑，良好的导热性，可以让工作平台保持一定范围内的温度，不会让挤出丝受到温度差的影响，减少产品的尺寸误差。在打印过程中，通过实践发现，丝料与金属工作平台的附着力比较差，这就导致在打印的零件与工作平台底部接触面积较小时，容易出现工件的晃动甚至出现移位的现象，这无疑会打印出废品，所以也要考虑到工作平台的粘合性。

4 结束语

本文主要是对基于Mach3的打印机进行设计和组装应用，完成了简易的桌面3D打印的结构设计、参数校核、电路设计。首先介绍3D打印机研究的背景及意义，了解了3D打印的用途、先进性，并分析了国内目前3D打印技术的发展状况，也对比了国内外该技术存在的差距，通过研究实例表明了今后3D打印的发展趋势。然后提及了几种常见的3D打印技术，对这几种打印技术做出了具体的原理介绍。概述3D打印机的组成原理机制，并对所涉及内容做出概括。然后是对3D打印机框架、传动部分做了主要分析，后续还校核丝杠和螺母的自锁（看是否满足自锁条件）。总结了在设计时要注意的事项，对硬件主板Mach3做了详细的介绍。

参考文献：

[1]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013，31（04）：29-35.

[2]刘媛媛，张付华，陈伟华，等.面向3D打印复合工艺的生物CAD/CAM系统及试验研究[J].机械工程学报，2014，50（15）：147-154.

[3]刘鑫，余翔，张奔.中美3D打印技术专利比较与产业发展对策研究[J].情报杂志，2015，34（05）：41-46.

[4]吴菲菲，段国辉，黄鲁成.基于团队识别的3D打印技术发展前景分析[J].情报杂志，2013，32（08）：62-67.

[5]赵炯，于学海，杨天豪，等.基于嵌入式Linux的桌面级DLP型3D打印机设计[J].机电工程，2017，34（05）：547-551.

[6]张自强，王占礼，陈延伟，等.基于FDM 3D打印机三喷嘴挤出机构结构设计与改进[J].机械设计，2016，33（11）：56-59.

[7]李威，王春义，吴志刚，等.基于MACH3软件的经济型数控四轴雕刻机的设计[J].机械工程与自动化，2016（01）：110-111.

[8]曾达幸，张星，樊明洲，等.3-CUR解耦并联3D打印机结构优化与动力学分析[J].中国机械工程，2017，28（12）：1413-1420.

[9]李曉帆.基于解耦并联机构的3D打印机结构设计与研究[D].燕山大学，2016.

[10]徐军，王天伦.3D打印机控制系统的设计[J].计算机测量与控制，2017，25（03）：51-54.

[11]李轩，莫红，李双双，等.3D打印技术过程控制问题研究进展[J].自动化学报，2016，42（07）：983-1003.

[12]陈鹏，刘焱，梅永亮.FDM桌面3D打印机的创新设计[J].机械设计，2017，34（02）：126-128.endprint