浅谈一种CoreXY 结构的3D 打印机设计

尹晨晨，朱阳，陈佳慧，张鹏，陈劲松

（江苏海洋大学创新创业学院，江苏 连云港 222005）

21 世纪，科学技术不断发展，制造业的智能化和个性化加工已成世界关注的要点。智能化是指将通信，计算机网络，智能控制为一体的应用。个性化是指随着高端制造业特种零件的需求增多，非通用零件往往具有独特、另类的特征。3D 打印技术是个性化，智能化加工的集合体，受到了世界各国的重视。本文基于CoreXY 结构的3D 打印机的实现，以CoreXY 结构为主体，作为3D打印机的平台，选用合理的上位机，用于X、Y、Z 轴的回零校准和打印指令的输入，编写人机交互的控制程序。该CoreXY 结构的3D 打印机可以作为教学的辅助设备，结构透明，可以作为一台原理机，提高学生对3D 打印技术的兴趣，让学生认识到上位机到下位机操作的操作过程。该3D 打印机也可以进一步改进，为深层次的机器开发做基础，作为教育机有重要研究意义，并且有很强的实用性。

1 发展现状及趋势

1.1 发展现状

我国国内的3D 打印技术起步较晚，近些年刚刚开始发展。相关的企业已经认识到这种加工模式，但是碍于当前的发展现状，并没有能力将其应用到自己生产制造过程中。一方面，是因为加工成本高，国内的3D 打印机的发展还存在一系列的缺陷；另一方面，是企业不能摆脱传统制造的思维模式。国外的3D 打印水平相比而言较高。

1.2 发展趋势

从3D 打印技术的发展史可以得出，随着3D 打印技术的种类变多，被打印出的东西也千变万化。虽然对于普通用户和制造业，3D 打印的大规模产业化时机还没有成熟，但我们也看到3D 打印机开始向两极分化，除了百万元级的大型3D 打印机外，国内目前也出现了面向个人用户的数千元的3D 打印机。

2 系统硬件设计

2.1 机械结构

2.1.1 CoreXY 结构设计

CoreXY 是一种结构紧凑、适应性强的、速度敏捷的机构。所要研究的方向即挤出机构和驱动电机的运动关系，简单来说，主要研究X 轴和Y 轴机构是如何联动的。M1、M2 两电机是固定的，如图1 所示。

图1 XY 传动带联动图

该结构的运动是通过一根皮带来实现传动的。这种机械结构的传动可以有效地减少打印误差，避免了安装丝杠以及移动的步进电机的负担，使整体结构简约，挤出机构的运动更加灵动。可以很大程度上提高打印机的工作效率。

如下推导位移△X、△Y，和电机M1，电机M2 的线位移△A，△B 的函数关系，如下所示：

提取电机线位移，可得方程组：

在如上所示的式子中，△X、△Y 分别为3D 打印机的挤出机在平面坐标上面沿着X 轴和Y 轴的正方向上面的位移，而△A、△B 则为步进电机输出的线位移。在计算上我们取线位移顺时针为正，逆时针为负。

由公式可得，当步进电机以相同的旋转方向和速率时：

挤出机构会向X 轴方向运动。

当步进电机M1 与步进电机M2 反向运动时，通过公式我们可以推导出：

挤出机构会沿着Y 轴方向运动。

当步进电机M1 转动，而步进电机M2 静止时，通过公式我们可以推导出：

挤出机构会沿着Y=X 方向移动。

当步进电机M2 转动，而步进电机M1 不动的时候，通过公式我们可以推导出：

挤出机构沿着Y=-X 方向移动。

由上可知，CoreXY 机构可以很方便地实现对于X 轴、Y 轴，以及对角线方向上的运动。

2.1.2 CoreXY 铝合金骨架搭建

CoreXY 结构的硬件系统是为了实现所要求的3D 打印机方案的可实现性。在整体结构框架上，使用TDT 欧标的2020 铝合金型材作为结构，尺寸为20mm×20mm。在整体硬件骨架四角安装脚垫，减少机械运动过程中产生振动所带来对打印精度所产生的影响。

2.1.3 CoreXY 打印件框架搭建

电机的同步轮及从动轮等均是通过皮带进行传动。通过建模设计出自己所需要的3D 打印构件，用以约束同步轮与同步带。在X 轴光轴上套有两个光轴座，用于挤出头的前后，即Y 方向上面的移动。在双光轴座上具有安装法兰轴承的卡口。用于在Y 轴光轴上进行滑动。由于CoreXY 结构的特殊分布，其左右光轴支座也不是对称的。如图2 所示。

图2 左右X 轴光轴支座

由于CoreXY 所独有的结构，其在四角都有安装用于约束同步轮的3D 打印机装置，固定方式则是采用M4的内六角平头螺钉和欧标M4 的型材螺母固定而成。如图3 所示。

图3 骨架光轴支架

为提高挤出机在XY 轴中可运动的范围。挤出机架在3D 打印机所打印出来的塑料件上，塑料件可安装轴承，用于在光轴上位移，可以实现相较其他方案更迅捷的打印加速度。其为散热管支架整体。连接着挤出头及其散热机构。如图4 所示。

图4 散热管结构件

2.1.4 CoreXY 的亚克力板切割件搭建

整体框架除了XY 轴的电机以外，辅助CoreXY 结构的还有双Z 轴结构。双Z 轴是指打印平台的左右两侧各有一份电机组合。电机通过联轴器，与丝杠相连。双电机在平衡受力增加稳定性的同时，最主要的作用是控制打印的升降。与挤出机完成相对位移，实现Z坐标的变化。Z 轴的固定主要是通过亚克力切割件进行。

2.2 电气系统

2.2.1 控制机构

本论文中，所采用的控制板为MKS GEN—L V2.1，控制板由其中的主控芯片和周边的辅助电路构成，控制板中有外接电机驱动、电源输入、挤出头输入、限位信号输入、热敏信号输入、触摸屏输入以及拓展端口等。对于电流具有大电压、大电流，以及欠压等情况有报警与保护功能。

2.2.2 步进电机

步进电机是整个CoreXY 结构的3D 打印机重要的执行机构，对于X、Y、Z 轴输出的稳定性，是整个打印系统能否正常完成任务的挤出。选用新佳胜的42 步进电机。X 轴，Y 轴使用两个步进电机进行控制，基于CoreXY 结构所得到的位移算法，在机器运动打印工作中，两部电机配合运作，完成对挤出头的平面位置调整带。Z 轴使用两部电机控制热床打印平台的升降。本设计中的打印机与目前市面上的打印机关于Z 轴的运动方式不同，而是打印头不动平台动的。Z 轴的双电机结构具有相同且同步的脉冲信号，以用来确保平台不会发生倾斜，从而导致打印件的失效。

2.2.3 挤出机机构

挤出机的选择在3D 打印机里具有举足轻重的地位。在广义上讲，3D 打印机里的挤出机承担着将材料挤压成FDM 所需要的形状，将加热快的物料运输至喷嘴上的工作。挤出机也可以视为将材料递送到喷嘴上的部件。选用的是泰坦挤出机传动比为3∶1，挤出力度大，软硬材料均可以适用，控制精准。E3D 泰坦挤出机又是泰坦挤出机中最经典的一款，产品紧凑小巧，兼容性强，更适合本设计中这种模块化的3D 打印生态系统。

2.2.4 电源

电源选择开关电源，三维立方生产，功率360W，支持110V/220V 交流电压输入，输出的电压12V，电流最大可达30A，具有短路保护和过压保护的功能。

2.2.5 铝基板及打印平台配件

铝基板即所谓的热床，作用是用于加热刚打印出来的挤出材料。防止材料冷却过快出现翘边等现象。铝基板选取300×200×3mm 的12V/24V 通用MK2A 型号。铝基板正中间具有用于装热敏电阻的中心空，用胶带粘住即可。铝基板上面垫着相匹配的晶格玻璃。其主要参数，耐热为400℃，硬度为8 莫氏，表面进行高分子纳米材料处理。

3 系统软件设计

基于CoreXY 结构的3D 打印机的控制系统的设计主要集中在打印中喷嘴运动的设计、上位机的设计、下位机实现程序的设计。在上位机人机交互界面中可以设计一些手动功能，例如，开始打印、X、Y、Z 轴的回零等。由于整机选用的是Marlin 固件，所以我们只要在Marlin 官网上选用合适的各类组件，并且在VScode 或者Arduino 中进行编译，将选用的硬件在程序中调出，并且根据实际情况的属性进行修改，编译成功后，通过串口进行上传固件即可。

4 结语

设计出来的3D 打印机能实现空间利用率的提升，进行材料PLA 和ABS 精度达到0.1mm 的打印要求。具体设计过程总结如下：（1）3D 打印件的设计过程并不完善，没有考虑填充程度以及未考虑间隙配合的尺寸保留，致使在加工完成打印材料后，不能较为轻松地将光轴插入打印材料中，还需要将孔进行锉刀打磨。（2）电机的组装模式考虑不完善，机械的整体少有柔性，在3D 打印机的五个电机在运动的时候，有三个都是高负荷运转，所产生的震动未经削弱便径直传递到打印机骨架上，容易造成打印机的组件螺丝等松散。实际过程中应该在五个电机上面安装缓冲振动的机械弹簧。（3）在CoreXY结构的打印机上，XY 轴是通过同步带进行传输的，电机及其上面的齿轮、同步轮、同步轮带，在计算XY 轴运动所需要的脉冲数目的时候，会不可避免地产生误差。在3D 打印机使用时间较长后，同步带绷紧的时间会较长，不可避免地会老化以及产生受力方向的应变，给3D打印机的长期使用带来了较大的烦恼。