3D打印機(jī)硬件知識(shí)

目前在淘寶上買3D打印機(jī)的商家中，又各式各樣的花多眼亂的3D打印機(jī)。在我看來，這些打印機(jī)所應(yīng)用的原理，技術(shù)手段基本上是大同小異的。但是作為商家，肯定會(huì)對(duì)自己所賣的產(chǎn)品有些廣告成分（這個(gè)無可厚非），作為消費(fèi)者和使用者的我們來說，選擇功能和價(jià)錢都合適自己的打印機(jī)才是最重要的?；?000塊錢diy一臺(tái)開源的或者花20000塊錢買一臺(tái)現(xiàn)成的CUBE 這個(gè)是個(gè)人選擇。我們不需要在這里爭這個(gè)，我們需要做的是對(duì)各種各樣的打印機(jī)有所了解，知道優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，這樣才可以作出最好的選擇。
一、基礎(chǔ)知識(shí)
1.3d打印機(jī)的是由下面這幾個(gè)部件構(gòu)成的：
     1）機(jī)體框架  :機(jī)體框架是各款打印機(jī)之間的最大差異的地方，總的所來有一個(gè)原則是不會(huì)違背的，就是結(jié)構(gòu)的剛性！各款打印機(jī)都是主要采用三角形、矩形來作為機(jī)體結(jié)構(gòu)的基本形狀。因?yàn)榇蛴C(jī)工作的時(shí)候，x軸、y軸是在不斷的運(yùn)動(dòng)的，所以為了保證打印機(jī)的精度，所以噴頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量對(duì)機(jī)體的影響越小越好！解決方法就是減輕噴頭質(zhì)量和提高機(jī)體剛性。本文下部會(huì)詳細(xì)說說各種機(jī)體的優(yōu)缺點(diǎn)的。
     2）機(jī)械軸
      機(jī)械軸就是XYZ軸運(yùn)動(dòng)的部件，主要有3種類型：
      直角坐標(biāo)型：XYZ軸成互為直角樣子的，XY軸通常是由同步帶接步進(jìn)電機(jī)來定位的，Z軸則是由絲桿控制的。
      三角爪型：其數(shù)學(xué)原理是跟直角坐標(biāo)型一樣，用笛卡爾坐標(biāo)系原理的。只是將XY軸通過三角函數(shù)來映射到三個(gè)爪的位置上。
      舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)型：舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)行型XY軸坐標(biāo)所運(yùn)用的數(shù)學(xué)原理則是采用極坐標(biāo)系了（不懂的話看下文，有解釋）。跟笛卡爾坐標(biāo)系不同，所以在控制程序上有完全不同的代碼。
      從理論上來說不論是笛卡爾坐標(biāo)系還是極坐標(biāo)系，所表示空間中的一點(diǎn)都是一樣的，也就是說，這些打印機(jī)的打印精度是一致的。不存在說用極坐標(biāo)系的效果就不如笛卡爾坐標(biāo)系的。（不要被商家忽悠哦?。?br />      3）控制電路
      控制電路的基本結(jié)構(gòu)是由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制噴嘴熱床的場(chǎng)效應(yīng)管還有各種外出接口構(gòu)成的。
    單片機(jī)現(xiàn)在有兩大種類：
     1）用arduino MEGA 開源硬件作為基礎(chǔ)部件，具體參數(shù)可以看這里。在單片機(jī)外面外加一個(gè)集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、場(chǎng)效應(yīng)管等外圍電路的電路版。主要代表就是Ramps 、Ultimaker。這樣的好處是減少了維護(hù)成本，把控制板分為核心板、擴(kuò)展板和驅(qū)動(dòng)板，這樣在其中某一個(gè)板損壞時(shí)只需要更換壞的部分就可恢復(fù)使用，而且arduino MEGA 的資源較為豐富，擴(kuò)展功能會(huì)比ATMEGA644P 、ATMEGA1284芯片要多。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)就是初次投入成本高，而且體積也會(huì)比單一控制板要大（原因不用我多說啦，多了一塊擴(kuò)展板是要體積和成本的嘛?。?br />     2) 直接用AMTEL ATMEGA644P 、ATMEGA1284等芯片直接將單片機(jī)和控制電路做在一起。主要代表是：Sanguinololu、Printrboard、GEN6、Melzi。這樣的好處是體積較為小、初始成本稍微比第一類少一點(diǎn)。缺點(diǎn)就是后期維護(hù)困難，沒有一定的電子維修基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)的handle得了的。對(duì)于小白或者菜鳥來說，這種板能維修的可能性幾乎為0.
     4）噴嘴、熱床
        噴嘴主要分為兩種：
        一種是J-head；                  
       J-head的重量較輕，適合用在一些精度要求較高，或者機(jī)械軸負(fù)載能力較弱的結(jié)構(gòu)中（三角爪型就用這個(gè)。）而且這個(gè)在萬能的* 寶上價(jià)格相對(duì)便宜。
       另一種是Budaschnozzle              
       這種噴頭有主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱兩種方式，MK7噴頭就是采用這種結(jié)構(gòu)的主動(dòng)式散熱。makebot 、reprappro的機(jī)器都是采用這種噴頭結(jié)構(gòu)作為默認(rèn)結(jié)構(gòu)。
       當(dāng)然這兩種結(jié)構(gòu)同樣也是沒有優(yōu)劣之分，只有適合與不適合之分。我們DIY時(shí)可以根據(jù)自己實(shí)際的需要進(jìn)行重新組合。            
     5）擠出機(jī) ：擠出機(jī)主要分為直接擠絲(direct driver Extruder )、齒輪擠絲( Wade's Extruder)和液體擠出三種類型。
       我們平時(shí)常用的就是直接擠出和齒輪擠出兩類型:
       齒輪擠出機(jī)：步進(jìn)電機(jī)用個(gè)小齒輪帶動(dòng)個(gè)大齒輪進(jìn)行擠絲的：這種裝置的的好處在于對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的電流，還有參數(shù)要求并不是太高，同時(shí)由于采用齒輪減速加力，因此擠絲力量會(huì)較好。缺點(diǎn)就是這種裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，維護(hù)起來有點(diǎn)麻煩哦。
       直接擠絲：步進(jìn)電機(jī)直接接個(gè)擠絲輪進(jìn)行擠絲的：這需要用較大扭矩的步進(jìn)電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單好維護(hù)，但是不適合長距離擠絲（噴頭和擠出機(jī)之間的距離比較長，有些打印機(jī)為提高精度，會(huì)盡量減輕噴頭的重量的，則需要將擠出機(jī)放在機(jī)身上，噴頭到擠出機(jī)之間通過聚聚四氟乙烯管作為導(dǎo)管的。這時(shí)最好用齒輪擠出機(jī)了。）
     6）電源：一般采用的ATX電源（電腦主機(jī)電源）、開關(guān)電源 、Xbox360 203w電源。這個(gè)只需要考慮電源是否在12-24V，電流是否在8A以上就可以了，整個(gè)打印機(jī)的最大消耗電源部件是噴嘴和熱床，自己在選電源是最好是選質(zhì)量較好的電腦電源和開關(guān)電源。去當(dāng)?shù)氐碾娮映嵌紩?huì)有賣的，一般價(jià)錢在100元以下。
2. 3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)學(xué)知識(shí)
     笛卡爾坐標(biāo)系：
        笛卡爾坐標(biāo)系 就是直角坐標(biāo)系和斜角坐標(biāo)系的統(tǒng)稱。 相交于原點(diǎn)的兩條數(shù)軸，構(gòu)成了平面仿射坐標(biāo)系。如兩條數(shù)軸上的度量單位相等，則稱此仿射坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系。兩條數(shù)軸互相垂直的笛卡爾坐標(biāo)系，稱為笛卡爾直角坐標(biāo)系，否則稱為笛卡爾斜角坐標(biāo)系。 笛卡爾坐標(biāo)，它表示了點(diǎn)在空間中的位置，但卻和直角坐標(biāo)有區(qū)別，兩種坐標(biāo)可以相互轉(zhuǎn)換。
     極坐標(biāo)系：
        在平面內(nèi)由極點(diǎn)、極軸和極徑組成的坐標(biāo)系。在平面上取定一點(diǎn)O，稱為極點(diǎn)。從O出發(fā)引一條射線Ox，稱為極軸。再取定一個(gè)長度單位，通常規(guī)定角度取逆時(shí)針方向?yàn)檎?。這樣，平面上任一點(diǎn)P的位置就可以用線段OP的長度ρ以及從Ox到OP的角度θ來確定，有序數(shù)對(duì)（ρ，θ）就稱為P點(diǎn)的極坐標(biāo)，記為P（ρ，θ）；ρ稱為P點(diǎn)的極徑，θ稱為P點(diǎn)的極角。當(dāng)限制ρ≥0，0≤θ<2π時(shí)，平面上除極點(diǎn)Ο以外，其他每一點(diǎn)都有唯一的一個(gè)極坐標(biāo)。極點(diǎn)的極徑為零 ，極角任意。若除去上述限制，平面上每一點(diǎn)都有無數(shù)多組極坐標(biāo)，一般地 ，如果（ρ，θ）是一個(gè)點(diǎn)的極坐標(biāo) ，那么（ρ，θ+2nπ），（－ρ，θ+（2n+1）π），都可作為它的極坐標(biāo)，這里n 是任意整數(shù)。平面上有些曲線，采用極坐標(biāo)時(shí)，方程比較簡單。例如以原點(diǎn)為中心，r為半徑的圓的極坐標(biāo)方程為ρ=r 等速螺線的極坐標(biāo)方程為ρ=aθ 。此外，橢圓 、雙曲線和拋物線這3種不同的圓錐曲線，可以用一個(gè)統(tǒng)一的極坐標(biāo)方程表示。
    極坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：
      在極坐標(biāo)系與平面直角坐標(biāo)系（笛卡爾坐標(biāo)系）間轉(zhuǎn)換　極坐標(biāo)系中的兩個(gè)坐標(biāo) ρ和 θ可以由下面的公式轉(zhuǎn)換為 直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值x=ρcosθ
y=ρsinθ
由上述二公式，可得到從直角坐標(biāo)系中x和 y兩坐標(biāo)如何計(jì)算出極坐標(biāo)下的坐標(biāo)
θ=arctany/x ( x不等于0)
在 x= 0的情況下：若 y為正數(shù) θ= 90° (π/2 radians)；若 y為負(fù)，則 θ= 270° (3π/2 radians).

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樓主說得很精辟，辛苦了。

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很不錯(cuò)的帖子，介紹的較為詳細(xì)

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