机器教程

基础硬件知识与流行3D打印机结构对比

字号+ 作者:王 来源:未知 2016-07-23 18:00 我要评论( )

导读:首先说明,这个帖子是属于知识普及贴,给初学者对 3d打印 机的 机械 结构有一个较为全面的了解。如果是老鸟的话,欢迎提宝贵建设性建议。这是我自己的一些经验体会和

导读:首先说明,这个帖子是属于知识普及贴,给初学者对3d打印机械结构有一个较为全面的了解。如果是老鸟的话,欢迎提宝贵建设性建议。这是我自己的一些经验体会和大家分享。我说的不一定是真理,但是是自己的经验,希望对大家有帮助。
前言       
         目前在*宝上买3D打印机的商家中,又各式各样的花多眼乱的3D打印机。在我看来,这些打印机所应用的原理,技术手段基本上是大同小异的。但是作为商家,肯定会对自己所卖的产品有些广告成分(这个无可厚非),作为消费者和使用者的我们来说,选择功能和价钱都合适自己的打印机才是最重要的。花2000块钱diy一台开源的或者花20000块钱买一台现成的CUBE 这个是个人选择。我们不需要在这里争这个,我们需要做的是对各种各样的打印机有所了解,知道优点、缺点,这样才可以作出最好的选择。

一、基础知识
1.3d打印机的是由下面这几个部件构成的:
     1)机体框架  :机体框架是各款打印机之间的最大差异的地方,总的所来有一个原则是不会违背的,就是结构的刚性!各款打印机都是主要采用三角形、矩形来作为机体结构的基本形状。因为打印机工作的时候,x轴、y轴是在不断的运动的,所以为了保证打印机的精度,所以喷头运动时的动量对机体的影响越小越好!解决方法就是减轻喷头质量和提高机体刚性。本文下部会详细说说各种机体的优缺点的。
     2)机械轴
             机械轴就是XYZ轴运动的部件,主要有3种类型:
                直角坐标型:XYZ轴成互为直角样子的,XY轴通常是由同步带接步进电机来定位的,Z轴则是由丝杆控制的。
             
                三角爪型:其数学原理是跟直角坐标型一样,用笛卡尔坐标系原理的。只是将XY轴通过三角函数来映射到三个爪的位置上。

                舵机转动型:舵机转动行型XY轴坐标所运用的数学原理则是采用极坐标系了(不懂的话看下文,有解释)。跟笛卡尔坐标系不同,所以在控制程序上有完全不同的代码。

      从理论上来说不论是笛卡尔坐标系还是极坐标系,所表示空间中的一点都是一样的,也就是说,这些打印机的打印精度是一致的。不存在说用极坐标系的效果就不如笛卡尔坐标系的。(不要被商家忽悠哦!)
     3)控制电路
       控制电路的基本结构是由单片机、步进电机驱动、控制喷嘴热床的场效应管还有各种外出接口构成的。
        单片机现在有两大种类:

                1)用arduino MEGA 开源硬件作为基础部件,具体参数可以看这里。在单片机外面外加一个集成步进电机驱动、场效应管等外围电路的电路版。主要代表就是Ramps 、Ultimaker这样的好处是减少了维护成本,把控制板分为核心板、扩展板和驱动板,这样在其中某一个板损坏时只需要更换坏的部分就可恢复使用,而且arduino MEGA 的资源较为丰富,扩展功能会比ATMEGA644P 、ATMEGA1284芯片要多。这种设计的缺点就是初次投入成本高,而且体积也会比单一控制板要大(原因不用我多说啦,多了一块扩展板是要体积和成本的嘛!)
           2) 直接用AMTEL 
ATMEGA644P 、ATMEGA1284等芯片直接将单片机和控制电路做在一起。主要代表是:SanguinololuPrintrboardGEN6Melzi这样的好处是体积较为小、初始成本稍微比第一类少一点。缺点就是后期维护困难,没有一定的电子维修基础和经验的handle得了的。对于小白或者菜鸟来说,这种板能维修的可能性几乎为0.

     4)喷嘴、热床
        喷嘴主要分为两种:
               一种是J-head; 

                 
       J-head的重量较轻,适合用在一些精度要求较高,或者机械轴负载能力较弱的结构中(三角爪型就用这个。)而且这个在万能的* 宝上价格相对便宜。
              另一种是Budaschnozzle

               
              
          这种喷头有主动散热和被动散热两种方式,MK7喷头就是采用这种结构的主动式散热。makebot 、reprappro的机器都是采用这种喷头结构作为默认结构。

          当然这两种结构同样也是没有优劣之分,只有适合与不适合之分。我们DIY时可以根据自己实际的需要进行重新组合。

             
     5)挤出机 :挤出机主要分为直接挤丝(direct driver Extruder )、齿轮挤丝( Wade's Extruder)和液体挤出三种类型。
          我们平时常用的就是直接挤出和齿轮挤出两类型:
              齿轮挤出机:步进电机用个小齿轮带动个大齿轮进行挤丝的:这种装置的的好处在于对于步进电机的电流,还有参数要求并不是太高,同时由于采用齿轮减速加力,因此挤丝力量会较好。缺点就是这种装置的结构复杂程度较高,维护起来有点麻烦哦。
               

              直接挤丝:步进电机直接接个挤丝轮进行挤丝的:这需要用较大扭矩的步进电机。这种结构的有点在于结构简单好维护,但是不适合长距离挤丝(喷头和挤出机之间的距离比较长,有些打印机为提高精度,会尽量减轻喷头的重量的,则需要将挤出机放在机身上,喷头到挤出机之间通过聚聚四氟乙烯管作为导管的。这时最好用齿轮挤出机了。)            
             




     6)电源:一般采用的ATX电源(电脑主机电源)、开关电源 、Xbox360 203w电源。这个只需要考虑电源是否在12-24V,电流是否在8A以上就可以了,整个打印机的最大消耗电源部件是喷嘴和热床,自己在选电源是最好是选质量较好的电脑电源和开关电源。去当地的电子城都会有卖的,一般价钱在100元以下。
2. 3D打印机运动控制的数学知识

    
     上面的内容如果有不会的,请自觉翻看高中数学课本,或者跟数学老师叙叙旧

 

 笛卡尔坐标系:

        笛卡尔坐标系 就是直角坐标系和斜角坐标系的统称。 相交于原点的两条数轴,构成了平面仿射坐标系。如两条数轴上的度量单位相等,则称此仿射坐标系为笛卡尔坐标系。两条数轴互相垂直的笛卡尔坐标系,称为笛卡尔直角坐标系,否则称为笛卡尔斜角坐标系。 笛卡尔坐标,它表示了点在空间中的位置,但却和直角坐标有区别,两种坐标可以相互转换。

 

        极坐标系:

         在平面内由极点、极轴和极径组成的坐标系。在平面上取定一点O,称为极点。从O出发引一条射线Ox,称为极轴。再取定一个长度单位,通常规定角度取逆时针方向为正。这样,平面上任一点P的位置就可以用线段OP的长度ρ以及从Ox到OP的角度θ来确定,有序数对(ρ,θ)就称为P点的极坐标,记为P(ρ,θ);ρ称为P点的极径,θ称为P点的极角。当限制ρ≥0,0≤θ<2π时,平面上除极点Ο以外,其他每一点都有唯一的一个极坐标。极点的极径为零 ,极角任意。若除去上述限制,平面上每一点都有无数多组极坐标,一般地 ,如果(ρ,θ)是一个点的极坐标 ,那么(ρ,θ+2nπ),(-ρ,θ+(2n+1)π),都可作为它的极坐标,这里n 是任意整数。平面上有些曲线,采用极坐标时,方程比较简单。例如以原点为中心,r为半径的圆的极坐标方程为ρ=r 等速螺线的极坐标方程为ρ=aθ 。此外,椭圆 、双曲线和抛物线这3种不同的圆锥曲线,可以用一个统一的极坐标方程表示。   

      

    极坐标与笛卡尔坐标系之间的转换:

      在极坐标系与平面直角坐标系(笛卡尔坐标系)间转换 极坐标系中的两个坐标 ρ和 θ可以由下面的公式转换为 直角坐标系下的坐标值x=ρcosθ

y=ρsinθ

由上述二公式,可得到从直角坐标系中x和 y两坐标如何计算出极坐标下的坐标

θ=arctany/x ( x不等于0)

在 x= 0的情况下:若 y为正数 θ= 90° (π/2 radians);若 y为负,则 θ= 270° (3π/2 radians).

三、主流3D打印机结构对比
         主流3D打印机其实有开源的reprap系列、Ultimaker 、printrbot 还有曾经开源的Makebot系类。我主要是从两方面考虑的:
1)我更多的是考虑结构的代表性,而不是品牌,reprap系列的打印机基本上是三角形的、而Ultimaker、makebot系类是矩形盒状、printrbot则是矩形支架状。

2)我考虑的我们下一步自己DIY打印机的难度。在精度与组装难度之间要取得一个平衡。我也知道3dsystem的机子精度高,效果好,但是价钱、组装等问题都不是我们DIY可以做到的。Rostock结构简单效果也不错,但是其固件调教需要较高的经验,同样不适合我们菜鸟DIY。
因此,基于上述两个原因,我就目前主流3d打印机进行对比,当然,这个是我自己的个人经验,供大家参考,有不同意见的我非常欢迎大家提出建设性意见和建议。

三角型结构的代表作
     三角形是稳定与成本的完美结合,在我们DIY时无非就是考虑稳定和成本嘛,自然三角形结构是首选,在三角形结构中以reprap系列最为流行,而reprap的分支众多,现在比较流行的是mendel 、huxley 和Prusa这三个分支。其基本特点是机身侧边是一个三角形,三角形底部是放热床的地方,X轴在两个Z轴部件电机构成的平面上活动,而Z轴则与机身三角形的垂直中线重合。在打印机是由于热床在Y轴上前后移动会带着打印物体也前后移动,所以需要特别留意打印物体与热床的粘合度要牢固哦。
       这种结构的优点是
          结构简单,组装、维修等都较为方便
          对与丝杆、光轴的切割精度要求不高(两边有点多余量不会影响结构,因为两头都是开放的。)
           需要的部件较少
       其缺点是:
            机体的制作精度较低,通常只能达到mm级,需要更高的精度需要很大的力气去调试的
           打印时,打印物体随热床在Y轴前后移动
           电源、控制板放的位置比较随意,不好看。
           
代表机型:Prusa  Air2



矩形盒式结构的代表作
     这种结构的机器是目前市面上最为普及的机型,整个3d打印的发展来历程来看,这种形式的机器也是发展较为完整的机器,商业化程度最高。Makebot 、Ultimaker Mbot等机型都是此类的代表。这机器的特点是热床移动是沿Z轴移动的,物体定在热床上不会有XY轴方向的移动,所以基本不用担心打印物体的在打印过程中出现位移情况。而且由于只需对喷头做XY轴移动,减轻喷头重量就可以条打印速度和打印精度(Ultimaker就是用这样的思路)。
       优点:
      打印精度、打印速度较高

      安装精度高,因为采用激光切割技术,其精度可以轻松达到0.1mm
      电源、电线等可以很好的收藏在机体内
     缺点:

      安装过程较为复杂、维修也较为困难
      丝杆、光轴加工精度要高与Prusa
     整机成本较高


代表机型 : makebot 的 Replicator系列  Ultimaker系列  Mbot系列


矩形杆式结构的代表作
     这种结构采用了激光切割技术机身组装精度可以跟盒式结构媲美,又继承了三角形结构的的结构简单,其XYZ轴的运动方式与三角形结构的运动方式是一致的,所以也同时继承了三角形结构的缺点。杆式结构的Z轴步进电机放在机身的底部,由于杆式结构与工作平台的接触面积较小,所以将较重的步进电机放在底部以降低中心。
       优点:
      
结构简单,组装、维修等都较为方便
      安装精度高,因为采用激光切割技术,其精度可以轻松达到0.1mm
      整机成本较低
     缺点:
      打印时,打印物体随热床在Y轴前后移动
           电源、控制板放的位置比较随意,不好看。
     


代表机型 : Printrbot系列



三角爪式结构的代表作
     这种结构是开源3d打印机的一个重要分支,其数学原理实际上还是笛卡尔坐标系,只是通过三角函数将XY坐标映射到三台垂直的轴上去,这种结构的有对喷头的重量有较高的要求,因此通常采用J-head 和 齿轮式挤出机的。这种结构的机械复杂程度要比传统的直角坐标系结构简单很多,但是固件就复杂多了。现在Marlin固件有一个专门的分支来控制这类型的3d打印机。这种结构有一个很大的不足就是Z轴方向的体积较大(因为要容纳爪的长度),构建高度20CM的打印机整体高度可以达到40-50CM,所以这种结构适合在有固定场所使用。
       优点:
      打印精度、打印速度较高

      安装过程较为简单、维修也较为简单
     缺点:
      固件调试复杂
      整机体积较大


代表机型 : Rostock 、Rostock mini


舵机转动型结构由于目前属于一个较为新兴的阶段,相关的开源资料较少。这里就不多作论述。
后记
DIY一台成本低、精度高的3D打印机其实不是一件很复杂的事情,所需要的知识也不是很复杂,我本人是学经济学专业的,工作也是从事金融方面的。所以想DIY的朋友们不需要有太多的担心。关键是选对了机型,有人带一下很容易就入门了。我打算在论坛里搞个项目,先教大家自己DIY第一3d打印机,这样就可以以点带面推广这项技术了。

转载请注明出处。

1.本站遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;2.本站的原创文章,请转载时务必注明文章作者和来源,不尊重原创的行为我们将追究责任;3.作者投稿可能会经我们编辑修改或补充。

相关文章
  • 3D打印机组成部分基础知识

    3D打印机组成部分基础知识

    2016-05-28 17:42

网友点评