一种新型悬臂式3D打印机结构设计与制作分析

ELECTRONICS WORLD

・

探索与观察

一种新型悬臂式3D打印机结构设计与制作分析

西安建筑科技大学华清学院机电工程学院 孙博涵

针对目前开源型桌面级3D打印机成本较高的问题。设计了一种新

型悬臂式3D打印机的结构。本文主要介绍了打印机的设计方案以及电机

选型与材料选择方面的分析。经过一系列计算且与传统制作工艺相比较

分析后，选用42HS02步进电机，由PLA材料制成的连接件替代金属零部

件，解决了传统打印机维修繁琐、装配复杂、占地面积大等问题。

当今人们的生活需求提速较快，已不满足于此时代的技术水

平。而3D打印机的出现在很大程度上缓解了这一现状。3D打印技

术现在作为快速成型技术的一种，它与传统打印机相比最大的区别

在于可以使用非液体材料来进行打印，且介质种类也多种多样。该

技术现在在教育，建筑，珠宝，工业设计，航空航天，医疗产业，

土木工程，军事以及其他领域都有所应用。

针对于3D打印机初学者来说，业内常规的3D打印机的结构过

于单一，常见的3D打印机为龙门式三坐标的3D打印机，其结构的

稳定性以及长期性一直被广泛应用，但是因为龙门式3D打印机通

过三个导轨滑块机构进行三坐标的定位，所占空间较大，重量较

重，打印速度慢，同时需要的动力能源较多，无法达到更好的节能

效果以及满足人类对空间的需求性。箱体式结构也是目前市面上较

为流行的，但它结构较为复杂，不易装配，维修繁琐，而且零件精

度要求较高，整个机型的成本高。Delta三角洲机型相比较于其他

结构占地面积较小，但是由于打印机需要给3个并联臂留出移动空

间，这就直接限制了打印机在空间上的利用。除此之外由于其坐标

定位采用的是一种特殊的插值算法，对于一些弧形结构只能采用多

个直线段逼近的方法，导致其打印精度稍有不足。

传统的3D打印机结构复杂、体积较大，制作成本高，而且操

作不易掌握。不适用于人手一台去了解并学习，因此设计了一种新

型悬臂式结构的3D打印机，旨在解决上述现有技术中存在的传统

3D打印机结构复杂、操作繁琐、不利于教学演示的技术问题。

1 悬臂式3D打印机结构

悬臂式3D打印机的总体结构如图1所示，大致可以分为四

个部分，分别是水平运动机构、垂直运动机构、悬臂运动机

构、材料挤出机构。该四部分之间均由打印而成的零件进行

连接，且这四部分各自用一个步进电机来进行驱动，图中均

有标出。X轴底座上与挤出机相连安装的步进电机，利用PLA

材料在挤出机滚轮与电机齿轮轴之间的咬合的方式，实现对

打印材料的进给与撤出；其余三个步进电机则是来对喷头在

打印位置上的确定，Z轴方向上由步进电机固定的给定量算

出所需的步进角，先将三维打印转化为每一平面内的二维打

印，接着Y轴方向也由步进电机进行驱动，致使每一平面内的

二维打印又转化为很多条直线上的一维打印，最终由X轴上的

步进电机来确定最终的位置。X轴、Y轴、Z轴各装设有

限位开

关，在这三个轴向上机构运行的极限位置处设置有挡块，当限位开

关接触到相对应的挡块时，实现作用使其运动停止或返回初始运行

状态，以此来避免某些零件因打印机在运行时超出其极限位置时所

导致的损坏，极大概率上保护了机械结构的完整性与安全性。

图1 总体机械结构图

1.1 悬臂运动机构设计

悬臂运动机构即打印机的X轴平面，结构如图2所示。

X轴打印

行程为X=140mm，理论精度为0.01mm。

X轴底座、打印头座、X

轴端座等连接件均由3D打印制作，材质PLA，强度重量均满足使用

条件。打印头座与传动滑块采用一体化设计，通过直线轴承与X轴

光杆直接连接，减轻了悬臂的受力，保证了打印机的打印速度和精

度。中间同步带采用内嵌设计，保证了打印机运行的稳定性，与X

轴的底座和端座相连并由X轴底座上的步进电机进行驱动，实现打

印喷头的左右移动。以及

X轴底座上与挤出机相连安装的步进电

机，利用PLA材料在挤出机滚轮与电机齿轮轴之间的咬合的方

式，将料送至打印喷头，实现对打印材料的进给与撤出。这

样构成了该打印机的悬臂运动机构。

1.步进电机 2.X轴底座 3.打印头座 4.加热块 5.喷头

6.散热片等其他零件组成 7.限位开关

图2 悬臂运动机构

•

41

•

ELECTRONICS WORLD

・

探索与观察

1.2 水平运动机构设计

水平运动机构如图3所示，Y轴打印行程为Y=120mm，理论精

度

为 0.01mm。采用两个2020铝型材、一个2040铝型材和两个

2 步进电机型号的选取及计算

在打印机的初步设计中，考虑到打印机整体的结构，进行了

一系列的计算来最终确定了作为驱动驱动的电动机。作为混合式步

进电机，它结合了反应式和永磁式步进电机的优点，选用步进角为

1.8°的两相步进电机。从垂直运动机构入手，采用滚轴丝杠来驱

动打印机的悬臂，使其实现垂直往复运动。

3D打印而成的端座搭建成了整个打印机的底座框架。载物台

通过四个直线轴承与两跟光杠相连，

中间同步带依旧采用内嵌

设计，步进电机通过同步带传动，带动与载物台连接的同步带压板

实现移动，保证了打印机运行的稳定。载物台上放置玻璃板以便于

喷头在上打印零件，载物台下方有四个螺母，通过转动螺母来调节

载物台上玻璃板的水平，以便更好地打印零件。其中一个端座上

固定有一个主控板，这块主控板通过已经处理好的3D模型文件的G

代码来进行4个步进电机的电路进行控制，分别作用于

水平运动机

构、垂直运动机构、悬臂运动机构、材料挤出机构，控制其

输出的速度，让高温喷头将原材料融化后精确的打印在水平

运动机构的载物台上，形成最终的实体模型。

图4 丝杠垂直运动 图5 电机速度

根据一个典型模型的结论可计算出：

t

0

= t ×

A

式子中A为加速时间比，取25%，可算出步进电机加速时间，

1.步进电机 2.载物台 3.平台调节弹簧 4.主控板

图3 水平运动机构

表1 两相步进电机选型表

静扭矩

相数外形

42

型号

42HS02

(NM)

0.22

步距角(°)

18

.

引线数

4

相电流

串联并联

2.55.040540.28

电阻(Ω)电感(m

H

)长度l(mm)转子惯量(g

.

cm

2

)重量(kg)

在通过公式

算出电机转速，其中

V

L

为电机速度，

P

B

为丝

两相

1.3

1.3 垂直运动机构设计

垂直运动机构作为连接悬臂运动机构和水平运动机构的桥梁，

虽然结构很简单，但是依旧是不可或缺的一环。Z轴打印行程为

Z=120mm，理论精度为0.005mm。Z轴上驱动电机为42步进电机，

考虑到应实现整个悬臂运动机构的上下位移，因此步进电机与丝杠

的衔接处装设了一个联轴器，该零件可以起到承上启下的作用有着

承载能力大、效率高、拆卸方便的优点。丝杠通过连接X轴上X轴

底座内部的T8法兰螺母带动Z平面移动。

杠导程。接着对负载转矩进行计算：

克服惯量的加速转矩计算（启动转矩）：

因此得到电机的必须转矩：

T

M

=(

T

L

+

T

S

)×

S

（S指安全系数，这

1.步进电机 2.联轴器 3.丝杠 4.光杆

图4 垂直运动机构

里S=2），对得到的数据进行计算并做以详细的分析后，经查表后

显然的能够选择出相应型号的步进电机，在此选用42HS02步进电

•

42

•

ELECTRONICS WORLD

・

探索与观察

机。参数如表1所示。

讨论的金属连接件着手来进行考虑。RepRap打印机最常用的材料

为的PLA材料，它是一种绿色高分子材料，由PLA材料打印出来的

3 材料选择

对于科技产品而言，金属是不可缺少的一种材料，在传统的制

造业当中，金属材料在生产过程中所需时间周期较长，且造成的废

弃材料再经回炉重造后也会产生相应的成本。在某些非必要的条件

下，这些利用金属材料产生的零件也可用另一种材料来进行替代，

若采用3D打印这种快速成型技术则上述问题可在实际中得到一定

程度上的解决。

针对本文中3D打印机的制作过程，由于连接件数量较多，形状各

异，在市场上几乎很难见到，因此我们对这部分零件只能进行“定

制”。若要选用传统的金属制造业来制作这部分零件，则需要投入

大量财力来进行制作。在投入生产过程当中，不论是利用人力还是

自动化的流水线来用各种工艺的制作方法来对其进行制造，都需要

考虑因不合格产品所造成利润的降低。而生产出来的零件只针对于

这一种打印机来进行使用，也体现出了生产的局限性。若使用打印

金属材料的3D打印机来进行该部分零件的的制作，可除去不必要的

人力和物力资源，但还是避免不了金属材料造价的昂贵性。

而对于面向初学者的桌面级3D打印机来说，在确保打印精度

的前提下，可以适当减轻该打印机的重量，那么我们就可以从上述

部件平均单拉强度为56.6MPa，平均弹性模量值为3368MPa，从而

表明RepRap打印机的部件可以得到相当水平的抗拉强度和弹性模

量。而且由PLA打印出产品的手感、光泽度以及耐热性都很好，还

具有一定的耐菌性和阻燃性，质量与金属相比更为轻便，价格也在

承受范围内。该3D打印机的打印材料在设计时也考虑利用PLA材

料，可使打印机在某些连接件磨损后由自身打印出另外一个一模一

样的零件来进行更换，也可以复制出另一套自己的零件。节约了大

量的人力物力财力。

结束语：最后，该打印机部分结构件由3D打印制作而成，因

此可以每个人都可以动手去设计这部分零件并自行更换，且结构简

单，拆卸较为方便，更有利于面向于初学者进行教学演示，极大的

提高了人们的创新思维能力与动手能力。

资金项目：西安建筑科技大学华清学院大学生创新创业训练计

划项目（NO：S2）。

作者简介：孙博涵（1999—），女，陕西华阴人，本科，研究

方向：电气工程及其自动化。

电

力

企

业

线

损

管

理

中

存

在

的

问

题

与

对

策

探

究

电力企业管理水平，关系到国民到诸多因素影响，出现能源耗损。一般情况下，电能线损越

低，电能输送成本越低，增大电力企业运营效益。

根据线损产生特征，可以分为固定设备耗损与可变性损

耗。固定耗损，是指电力系统中由于电压变化所产生的电能

源损耗，如电动机固定耗损、变压器固定耗损等。在电力系

统中，电压波动较小，因此设备所产生的固定电能耗损也相

对比较稳定。可变性耗损，是指电能通过配电元件所产生的

耗损，电流越大可变性线损越高。

线损会带来能源经济损失，影响企业经济效益，因此加

强线损管理将会控制线损所带来的能源浪费问题。根据线

损管理性质，主要可以分为两类：管理线损与计算线损。

管理线损，是电力系统线损总称，指由于客观技术上所带

来的线损问题。管理线损，是指由于电力企业人为管理问

题所带来的线损问题，如错算、人为偷电等，都属于管理

线损问题。

国

网

新

疆

电

力

有

限

公

司

信

息

通

信

公

司

电力供应稳定性。目前，我国电力企业

在线损管理上仍存在诸多不足，导致电

力资源线损严重，浪费了大量资源。故

此，文章将概述线损定义，分析我国企

业在线损管理中存在的若干问题，并探

究线损管理对策，旨在促进我国电力企

业良性发展，节约电力能源。

我国有着丰富的电力能源，属于电

力能源大国。近年来，我国一直致力于发

展电力能源，解决传统石化能源应用过

程中所带的弊端，优化国家能源结构，

保障国家能源供应安全性与稳定性。电力

能源生产后，需要由电力网络将其输送

到各个地区，完成输送过程。电力能源输

送过程中线损较为严重，需要采取科学

管理措施，改善线损能源浪费情况。由此

可见，电力企业进行线损管理是十分必要

的。文章将结合实际情况，分析电力企业

线损问题及其对策，内容如下。

马

倩

朱

帕

尔

·

努

尔

兰

王

巧

莉

2 电力企业线损管理中的问题

电力企业发展过程中，由于技术、资金等诸多原因，导

致电力系统建设不足、网架结构不科学、新技术无法得到及

时应用。尤其是城市与农村网建设过程中，上述问题尤其突

出，导致供电半径过大，延长了导线长度，线路中电流受到

的阻力过大，导致线损严重。此外，设备管理不足、轻载与

空载、人员素质不高等问题，都加剧了线损问题。

1 线损

线损，是指电能输送过程中由于受

•

43

•