基于CoreXY结构3D打印机的研究与设计

黄家豪 佟向坤 方育凯

广东东软学院计算机学院 广东 佛山 528000

引言

3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种通过逐层打印来构造物体的技术，3D打印技术出现在20世纪80年代末至90年代初（也称为快速成型技术），至今不到30年历史。熔融沉积成型（FDM）是使用最为广泛的3D打印工艺之一，它通过将丝状的热熔性材料（通常为ABS或PLA材料）进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来，熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料黏合在一起[1]。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。因此也称为增材制造工艺。3D打印并不神秘，相对于具有千年的等材制造工艺和具有百年的减材制造工艺，它只是一种制造成型的新工艺。其具有材料便宜、设备维护及运营成本低、占用空间小及保护环境等优点。当然，3D打印作为一项年轻的成型工艺，还存在着许多的不足，比如成型时间慢、精度低、材料种类少、无法大批量生产等[2]，但仍然阻止不了3D打印机DIY者的热情。

目前市面上的桌面消费级3D打印机存在低成本无法实现打印精度和打印速度共存、快速打印下误差相对较大、打印大小受到一定限制等问题，仍有不少改进空间。本文在开源系统的基础上，研制出一种基于CoreXY结构的新型双z轴打印机，对现有的FDM 桌面 3D 打印机的机械结构与机械传动系统、控制系统等部分进行了优化设计，具有一定的创新性与实际参考意义[3]。

1 CoreXY结构优化设计

CoreXY结构最大特点是将电机固定在机架上，减轻了喷头模块在运动过程中的负载，使喷头模块的惯性更小、动作更加平稳。CoreXY结构的原理图如图1所示。整个结构的各种运动方式都是通过一根皮带的传动来实现的，这种传动方式效率高，整体结构相对简单，运动灵活。

图1 CoreXY结构原理图

CoreXY结构运动位移∆X，∆Y与步进电机M1、M2的线位移∆A、∆B之间的关系如式（1）和（2）所示：

当两个步进电机以相同的速度顺时针或逆时针同向转动时，滑块就会沿X轴方向水平运动，∆A、∆B的大小、方向相同；此时有：

当两个步进电机以相同的速度相反的方向转动时，滑块就会沿Y轴方向运动，此时：

当某一个步进电机转动另一个静止时，滑块将沿着平面XY坐标轴的45°、135°、225°、315°方向直线。

由上可知，CoreXY结构可以非常方便地实现滑块沿着X、Y轴方向和Y=X、Y=-X方向移动。

因此，本文根据CoreXY结构的运动方式，改进了传动皮带的绕法，将双向同步带轮重叠，它们独立运动互不影响，如图2所示的设计，该设计有效减少CoreXY传统绕法占用空间大的缺点，增加了打印机喷头移动的有效范围。

图2 改进CoreXY传动绕线方式示意图（1）

在CoreXY结构的传动系统设计上，X轴与Y轴采用了具有传动效率高，误差少，稳定性强，维护简单，成本低的特点的高精度8mm的直线光轴导轨和加长直线轴承，在滑块上设计了锁紧同步带装置，后期同步带拉伸形变时维护简单[4]。在XY滑座上有同步带卡槽，可收紧同步带装置，避免同步带用久后防松，采用三轴联动和同步带保障设备的同步，X 轴、Y 轴、Z轴精度控制由精确控制步进电机与步进角脉冲数量确定升降运动的精度。

图3 改进CoreXY传动绕线方式示意图（2）

2 整体机械结构与传动系统优化设计

相较于龙门结构（Prusa i3），方形盒体使用标准铝型材搭建整个3D打印机的骨架，该结构稳定而坚固，打印时机身晃动小，是高速打印的基础。打印机主板、电源和显示屏等电器部件可以隐藏至机体内，整机的空间利用率高[5]。ABS材质的耗材在打印加热时会挥发有毒物质，而该结构可以很轻松的设计成封闭式的箱体和排气系统，封闭式的箱体能有效减少有毒物质挥发对人体的伤害，有助于保持热床温度稳定，提升ABS材质打印的质量，减少打印件翘边现象；能有效减少打印中所产生的静音；可防止3D打印时外界对打印件的干扰，保护周围人的安全。外观设计简单美观、能自由选择颜色搭配与周围环境相融合[6]。如图5所示，通过三维软件对设备的整体机械结构进行优化设计，以降低成本并提高设备的可靠性和稳定性。

图4 整机示意图

图5 MKS-GEN_L V2.1 开源主板

3 控制系统优化设计

如图6所示，本文所设计的3D打印机在MKS-GEN_LV2.1开源主板和Marlin固件基础上优化改进，根据需求做到个性定制，该控制主板采用ATMEGA2560-AU作为主控芯片，支持12V或24V直流电压输入，引出XYZ电机、热床、热敏电阻、XYZ轴限位器、LCD屏幕、外接57/86步进电机驱动、双风扇、双挤出头加热等接口[7]。

图6 实物图

该主板价格适中性价比高，能满足3D打印机的基础功能。但预留了XYZ轴和两个挤出头电机的接口，都未集成电机驱动模块，为了确保打印精度更高，减少打印时的噪音，本文所设计的3D打印机采用了TMC2208步进电机驱动[8]。基于此主板，还加入了3Dtouch自动调平传感器，使得机器支持自动调平功能，打印时对层高进行智能补偿；针对3D打印机打印完后一直处于待机、喷头长时间处于加热状态，易造成火灾、短路、耗费电等问题，加入了打完断电模块；突然断电时，为保护模型不会被喷头高温损坏，加入UPS模块用于断电时抬升Z轴，从模型处移开高温喷头；安装了断料监测模块，当耗材意外折断或消耗完时，能实现断料反馈；为了更好的用户体验，加入了3.5寸TFT彩色触摸屏，用户操作简单直观。

Marlin是3D打印机的一个开源固件。它源于Sprinter和grbl，并于2011年8月12日在Github发布，成为一个独立的开源项目。时至今日，来自全球近一千人贡献了1.9万次代码更新，Marlin是根据GPLv3许可的，对所有应用都是免费的[9]。Marlin固件应用于Ultimaker、Printrbot、AlephObjects（Lulzbot）和Prusa Research等全球有名的3D打印机供应商的产品中。它被证明是一个直接的、可靠的、适应性强的打印机固件，它的可配置、可定制、可扩展的特性，被广大3D打印机DIY者所喜爱。本文所设计的3D打印机基于Marlin固件修改、定制而成，使用其优秀的3D打印电机控制算法，为高精度的打印奠定了基础。

4 结束语

本文所设计的基于CoreXY结构的3D 打印机，结构紧凑、空间利用率高、操作简单、功能强大、稳定性强。采用标准铝型材框架，在高速打印时，机身稳定不晃动。采用彩色触摸屏，一键式电源启动，确保操作便捷。具有断电记录恢复，在打印过程中断电，能抬起高温喷头防止损坏模型。打印完成后自动关机，自动调平传感器实现打印智能补偿。