Page 51 - 《橡塑技术与装备》2021年20期（10月下半月塑料）

新技术与新产品 刘磊 等·基于开源软硬件的多功能 FDM 型 3D 打印机研究与开发

为保证传动时的精度和刚度，选用小导程 P h =5 mm。 速运动平稳，无震动和噪音，可实现一个驱动器带动
确定以上丝杆的主要参数后，查阅温州上煜传动 2 个 Z 轴电机，实现双 Z 轴电机的同步运行，保证挤
科技有限公司相关技术资料，最终 X 轴、Y 轴选用该 出喷头系统的水平和稳定。
公司 SFE1616-L500 单螺母型大导程滚珠丝杆模组， X 轴、Y 轴步进电机的选型计算方法同 Z 轴，也
Z 轴选用 SFU1605-L500 型模组，精度等级都为 C7 级， 采用 57 系列步进电机，型号为 MKS SERVO57B,
总长度 500 mm，采用一端支撑一端固定的安装方法， 保持转矩 1.2 Nm，不带抱闸功能，采用广泛使用的
以保证一定的旋转速度和较高的定位精度，支撑和固 DRV8825 步进电机驱动模块。
定配套的轴承座型号分别为 EF12 和 EK12。联轴器选
用 SYC30 梅花系列型，与所选丝杆和电机配套。直线 3 3D 打印机的控制系统设计
导轨选用 HGH20HA 四方型、超重负荷、滑块上锁式 3.1 开源硬件
导轨，其中 X 轴导轨为一条，长 460 m； Y 轴导轨有两条， 3D 打印机的开源主板根据其芯片分类主要有
长 460 mm ； Z 轴导轨有两条，长 400 mm。 Arduino mega 2560、STM32、树莓派及 ARM 这四
2.2 步进电动机的选型 种。基于这四种核心，人们开发出了种类繁多，功能
首先对 Z 轴的步进电机进行选型。在本设计中 各异的 3D 打印机主板 [4] 。本 3D 打印机主控制板选
估算 Z 轴所带负载（包括螺母座、滑块、固定板、X 用创客基地开发的 MKS GEN_L 主板。它将开源主
轴零部件及挤出系统）重量约为 Mw=20 kg，丝杆重 板 Ramps1.4 和 Arduino mega 2560 集合到一块板子
量为 M b =2 kg，丝杆导程 P h =5 mm，丝杆直径 D=16 上，解决了 Ramps1.4 组合接口繁琐、易出故障的问
mm，摩擦系数（垂直安装时为 1），机械效率，Z 题 ；预留电机脉冲和方向输出端口，可外接 DM-542

轴移动速度 V max =80 mm/s，步进电机加减速时间为 等大驱动来驱动 57 系列、86 系列等大电机，也支持
t=0.1 s。根据公式计算如下 ： A4988、 DRV8825 及 TMC2100 等常用驱动 ；最多支
负载的转动惯量 : 持 5 个电机。与主板配套的操控屏幕选用创客基地开

 P  2  5 . 0  2 发的 MKS TFT35 全彩触摸 3.5" 液晶显示屏，支持断
J w = M w  h  = 5   = . 0 13 kg.cm 2
 π  . 6 28  电续打、断电保存、打完开机及 WIFI 等模块。
2 
D 2
丝杆的转动惯量 : J = M = . 0 64 kg.cm 2 硬件都选择并安装好后，就可以进行接线了。包
b b 8
负载和丝杆转动惯量折算到电机输出轴上的总惯 括电机相位线、电机驱动线、限位开并线、风扇接线、
J + J 喷头和热床加热线、喷头和热床热敏测温线、电源接
量为 J = w b = . 0 77 kg.cm 2
l
i 2 线及触摸屏接线等，将相应的接线头插入 MKS GEN_
v 60
电机所需转速 n max = max i = 960 / r min L 主板相应的卡槽位置即可。主板接线图如图 4 所示。
P
h
P
克服摩擦力所需转矩 T = M w g µ h = 2 . 0 N. m
f
2πη
负载和丝杆加速时所需总转矩
2π n
T = J max = 1 . 0 N. m
l
a
60 tη
步进电机所需的最大驱动扭矩为加速运行时的驱
.
动扭矩，即 ： T Z =T f +T a =0.3 N m
根 据 以 上 计 算， 本 设 计 Z 轴 电 机 选 用
57HBP56AL4 型步进电机，端面尺寸为 57 mm，转
矩为 1.2 Nm，带有断电刹车抱闸功能，能够防止 Z 轴
上的零件部件在断电后下滑，保证安全。在空载时电
机转速能达到 1 000 r/min，额定负载下加速后稳定
在 500 r/min 左右。配套的电机驱动器选用 DM-542，
最大支持 64 细分，驱动电路类似伺服控制，使电机低
图 4 主板接线图

年
2021 第 47 卷 ·31·