用QCAD修改RepRap Prusa i3 3D打印机框架设计图解

QCAD如何使用？QCAD，通过使用这款软件，用户可以很轻松的绘制工程图，室内设计图，机械图纸等等一系列CAD图形。是一款免费的2D计算机辅助画图软件，下面小编就给大家介绍一下用QCAD修改RepRap Prusa i3 3D打印机框架设计图解。

用QCAD修改RepRap Prusa i3 3D打印机框架设计图解

玩开源3D打印机的朋友，一般都听说过Prusa i3，这是RepRap.org从2005开始的开源软件、硬件3D打印机计划的最新一代设计。目前，Prusa i3已经是最广泛使用的桌面3D打印机机型。打印虎在之前的系列教程中，也都是以Prusa i3作为最主要的学习对象。
有些朋友，在搭建、使用了原始设计的Prusa i3之后，会发现有些设计不能满足自己需求，或者希望进一步提升特性。这时候，Prusa i3开放源代码的特征就变得非常有价值，我们可以对其进行有针对性的改进了。
那么我们该如何对我们手里的Prusa i3进行改进呢？从Prusa i3的整体设计上可以看出，这台3D打印机大量采用了标准部件。非标准的部件，主要包括两部分：一部分是亚克力板（或者铝板）框架；另一部分是3D打印的零件。对这两大部分，打印虎会分别写一篇教程，讲解如何在已有源代码（或者原始文件）的基础上，对其进行编辑、修改，进而满足自己的需求。本篇教程，我们专门讲解亚克力板的设计和改进。
想对亚克力板框架进行编辑修改，首先你需要有一个2D CAD软件。这方面，虎哥我推荐大家采用QCAD，这个软件免费，开源而且使用起来比较简单，是一种不错的选择。当然，如果你已经有使用熟练的2D CAD软件，那么完全可以继续使用。这种情况下，你可以跳过讲解QCAD使用的地方，直接看我对Prusa i3框架进行了哪些修改就行啦。
QCAD的最新版本可以从这里下载（打印虎本地下载，百度云下载）。下载完成之后，请大家按照软件的提示进行安装，下面的教程，我们假设大家已经安装好这个软件。需要注意的是，这篇文章并不是QCAD的使用教程，因此不会详细介绍每一个QCAD的功能。我对QCAD的介绍，都会围绕着我们的任务进行，尽量使用简单的QCAD操作命令，以完成对Prusa i3的改造作为主线。那么，我们的具体任务是什么呢？
在第一节开始之前，先给自己做个广告。打印虎日前已经开始销售RepRap Prusa i3 3D打印机套件，如果你自己或周围的朋友对搭建3D打印机感兴趣，不妨选择打印虎。我们提供的元件，经过严格筛选，品质优良。3D打印机的关键部件都做了专门的优化，包括采用了优质步进电机、全铝挤出头、铝基板热床以及改进的梯形丝杆Z轴，让你的3D打印机达到更高的精度，并且经久耐用。不光硬件质量有保障，打印虎还特别提供免费的固件升级服务，从购买之日开始，打印虎承诺每季度一次，至少四次固件升级，给你的3D打印机提供无限助力。另外，打印虎还提供最好的3D打印机技术支持服务，与顾客做朋友，让你没有后顾之忧。
第一节，需求分析
在观察了几种派生的RepRap Prusa i3设计之后，我认为Prusa i3 improved for laser cut（为激光切割准备的Prusa i3改进型），是最适合的工作基础。这个文件，由作者上传到Thingiverse网站共享。大家可以从这里下载（打印虎本地下载，百度云下载）。下载、解压Zip压缩包之后，我们可以看到一组文件。这组文件大部分都是3D模型，用于3D打印制造3D打印机零件用。只有两个DXF文件是用于激光切割亚克力板准备。再仔细观察这两个文件，就会发现它们只是切割零件的排布顺序不同而已。因此我们只使用其中一个文件，Prusa_i3_Frame_V2_Laser_Cut_Layout.DXF。我把这个文件复制了一份，改名为Prusa_i3_dayinhu.DXF，并用QCAD打开这个文件：
从这张图上我们可以观察到，整个切割设计，包含了12个零件。由大到小来看，门型主框架1块；三角支撑板2块；热床支撑板1块；Z轴顶板2块；Z轴步进电机小支架共6块。而虎哥我的需求，是这样的：
(1)     这个设计的Y轴运动空间不够大，因此需要增加三角支撑板宽度；
(2)     Y轴的步进电机端，我希望使用一个亚克力板部件，代替目前的打印件；
(3)     我希望将Z轴传动部分改为运动更流畅的M8梯形丝杆，而梯形丝杆螺母需要比较大的安装控件，因此需要增大步进电机主轴和光杆之间的距离；
(4)     现在的热床支撑板使用3D打印件与直线轴承连接，我希望改为更简单的直接连接直线轴承方式；
(5)     现有设计，所有亚克力板之间的连接处都使用了四方螺母，我希望修改设计，使其可以适用于更常见的六边形螺母；
当然，这些需求并不是我盯着这个亚克力板的设计图纸凭空想出来的。实际上，这些需求都是我在搭建、使用Prusa i3 3D打印机的过程中，由实际问题引发的。同时，为了解决这些需求，也需要反复试验。虽然我们下面主要讲的都是如何修改这个设计图，但你要知道，这些内容只是一项特定的技术，而并不是我的思考问题、解决问题的过程。想要学到更深入的内容，还需要多动手实践，并在实践中勤于思考。
第二节，放大螺母安装空间显示
好，废话少说，我们下面就开始干活了。因为考虑到大家对QCAD软件的使用并不熟悉，需要一个由浅入深的过程，因此我的修改从最简单的一项需求，也就是上面我列出的需求(5)开始做起。经过我的测量和试验，支持六边形螺母对图纸的改动很小，现有的螺母安装空间，宽度增大1mm就可以了。当然，图纸上螺母安装空间比较多，每一个都要进行同样的改动。下面我们正式开始做。
我们上来遇到的第一个问题，就是每个螺母的安装空间，在整个图面上是一个很小的局部。在初始状态下，我们很难有效的选择需要修改的线段，并观察到修改的结果。因此，我们需要先放大一个螺母的安装空间显示，然后再进行具体的修改操作。
让我们以整个图面的最左上角的位置为例，进行操作。把鼠标移动到图面的左上角位置，然后将鼠标滚轮向上推。这时，你应该能够看到，整个工作空间以鼠标位置为中心，进行了放大操作。完成结果如下图所示：
可以看到，整个图面的左上角清晰的展示了出来。这时，我们再进行下面的操作，就方便的多了。如果你的显示效果与我这里不同，请向反方向推动鼠标滚轮，以实现缩小操作，然后移动鼠标位置，再次尝试放大。在进行下一步操作之前，请多试几次此操作，以达到比较熟练的程度。好了，这里出现了一个新的概念，“视口（Viewport）”。首先需要大家理解的，是刚才我们的所有操作，虽然使图纸在屏幕上产生了大小变化，但是，图纸所表达的内容并没有任何的改变。这就像我们使用不同比例尺的地图，虽然看起来大小不同，但地图表达的都是完全一样的意思。另一方面，虽然我们图纸的大小可以任意的缩放（比画在纸上方便多了），但显示器的大小的固定的。当我们把图纸放大之后，虽然图纸上的细节非常清晰，但我们就不能看到全貌了。这样，我们工作用的显示空间，就叫做“视口”，在“视口”之外，还有很多暂时我们看不到的图纸部分。
如果你在操作过程中，出现了失误，无法再调整回最初的状态，也不用着急。在键盘上键入Z, A两个字母，或是选择菜单的View – Auto Zoom，图面就恢复到最初的状态了。
搞明白缩放操作之后，我们再介绍一下滚动条。在视口的右侧和下侧，分别是垂直滚动条和水平滚动条。用鼠标拖放这两个滚动条，可以在保持现有显示比例的情况下，查看模型的不同部分。你可以试试看。
当然，滚动条只是移动视口的一种方法。在编辑过程中，另一种非常方便的方法，是按下键盘Ctrl键+鼠标左键的同时，拖动鼠标。这时，视口会随着鼠标的移动而移动。虽然最初看上去这个方法比使用滚动条麻烦，但真正使用起来就会发现，这个方法其实更容易和其他操作配合起来。虎哥非常建议大家一定要掌握这个方法。
缩放视口和移动视口这两个操作，在QCAD中是非常基础的操作。对图纸的编辑工作中，我们会极其频繁的使用这个功能。以至于我在后面不能再详细的描述这两个动作，只能说“请大家把视口移动到某位置处”。因此，需要大家对这一组操作非常熟练。如果你感觉还不太熟，可以在这里再练习一下。下面我们要继续前进了。
第三节，编辑一条线段
利用刚才我们展示的放大视口功能，继续放大上一小节的视口内容，直到我们得到一个大大的螺丝安装孔。用鼠标单击这个孔螺母安装位左侧的线段，线段变为暗红色，并带有蓝色的控制点，代表它已经被选定。如下图所示：这个时候，我们在之前一直忽略的，在QCAD主窗口之外的属性编辑窗口（Property Editor）里面发生了变化。如下图所示：
如果你找不到这个窗口，很可能是在此之前已经被关闭了。可以通过菜单View – Property Editor将它重新打开。虽然CAD图纸也是一张图，但和Photoshop这样的工具最大的区别在于，CAD图纸需要精确的标注和修改。因此，属性编辑窗口，就是未来我们经常使用的一个工作区了。
我们这一步的目标，是把这根线的长度增加1mm。从现在的大约2mm，增加到大约3mm。我们先看看直接在属性编辑窗口内修改长度会如何。
这时，左侧主窗口的内容变成了这样：看起来和我的希望有点差别。我还是希望这条线段上下分别增加0.5mm。对称修改，可能引起的问题也会少些。那么我再次修改，这次先修改启动点的Y轴坐标，再修改长度：这次看起来可以了：好了，现在你已经学会了最基础的调整线段两端坐标的方法了。理论上，所有对线段的修改都可以用这样的方法完成。对其他元素，比如圆型的修改，也可以通过类似的方法，修改圆心坐标和半径搞定。但如果所有的操作都这样做，未免过于麻烦。QCAD还提供了很多方便快捷的编辑方法。现在，我们来调整上下两根小线段。
第四节，调整一个螺母安装空间
这两根线段，调整前后长度不会发生变化。因此，我们可以使用移动命令完成。先选定上面的小线段，在键盘上键入M, V两个字母，或是选择菜单的Modify – Move, Copy，进入移动模式。进入移动模式时，菜单栏最左侧，会出现这样的提示：出现这个图标，就代表我们已经在移动模式中了。把鼠标移动到横线竖线交叉点处，屏幕上会出现Intersection字样，代表QCAD知道，现在我们想选定的，就是这个交叉点。单击鼠标，选定这个点。这是我们进入移动模式之后第一次单击鼠标。再把鼠标移动到竖线的端点处。QCAD提示End字样，代表它知道我们想选定的，就是这个端点。再次单击鼠标，选定这个点。
这是我们第二次在移动模式下点击鼠标。点击鼠标的时刻，QCAD会弹出一个对话框，如下：这里是让用户选择如何处理原始位置处的线段。删除原始线段，代表一个移动操作。保持原始线段，就是一个复制操作。我们当然选择删除。直接按下确定按钮。
这样，这条水平线段也完成了编辑工作，移动到了目标位置。回顾一下，我们在整个移动过程中，点击了两次鼠标。第一次，指定一个原点，第二次，指定一个目标点。实际上，这两个点构成了一个数学上的向量。被移动的对象（在这里是一条线段），就以这个向量的方向进行平移。扩展一点，这个移动向量的指定，不一定非要在原始对象上。可以以完全不相关的另一处对象上的点为基础来指定。这个功能很有趣，如果使用得当会非常方便，大家可以试试。这里就不给例子了。
使用刚才给出的两种方法，直接修改属性编辑器，或者对线段进行移动，完成剩余的所有线段的调整。完成之后如图所示：
这样，我们就完成了一个螺母安装空间的调整。第五节，调整所有的螺母安装空间
完成了亚克力主框架左上角的螺母安装空间修改之后，我们下一个目标是亚克力主框架右上角的那个。这个螺丝、螺母安装空间，方向和第一个一致，因此我们完全可以用类似刚才的移动功能完成。唯一的不同，是我们这里希望用复制的方式。
首先，把视口移动到主框架右上角。使用从左上角到右下角拖拽的方式，同时选定多条线段。这个动作可以参考下图的绿色方框。这里要注意的是，QCAD选定区域的时候，从左到右画框和从右到左画框的行为是不一致的。具体有什么不同，大家可以多试几次，自己得出结论。
拖拽动作完成之后，会变成下图的样子。仍然是暗红色表示选定的线段，蓝色表示控制点。因为我们的目的，是把刚才那个已经编辑好的对象，复制到这个位置。因此右上角原有的对象就可以删除了。按下键盘上的Delete键，删除所有选定的对象。如下图：好了，这时候右上角的位置变成了一个缺口。等待把左上角的内容复制过来。把视口移动回主框架的左上角，用刚才的方法选定所有的相关线段，并再次执行移动命令（键入M, V两键或使用菜单完成）。移动命令中，第一个需要输入的点，使用这个螺丝、螺母空间的左上角的点。如图：
移动命令需要输入两个点。这里，我们需要把视口移动嵌入在对象移动命令之中，先把视口移动回主框架的右上角。然后再点下对象移动命令的第二个点。如下图，这个点要点在缺口的左侧点上，对应于第一个点的位置。这时会再次出现选项对话框。这次与上次不同，要选择保留原始对象（Keep original）。按下确定按钮就可以了。这样，主框架右上角的螺丝、螺母安装空间的修改就完成了。有了前两个修改经验，后面的就非常简单了。只是有些地方，这个安装空间的方向不同。这种情况如何处理呢？比如说，整个图面最左下角的位置处，三角支撑板有一个向下开口的螺丝、螺母安装空间。对于这个问题，我们首先使用刚才的方法将一个已经改好的对象，复制到附近的一个空白处。如下图：图中空白处的对象，是已经修改好的。我们先用鼠标拖拽的方式，选定这个对象。然后，我们使用键盘命令R, O，或者菜单Modify – Rotate，对其进行旋转操作。旋转操作首先需要输入旋转中心。我们用鼠标单击这个对象右上角开口处的点，以这个点作为中心旋转。鼠标单击完成后，会出现对话框，询问旋转角度，以及是否保留原始对象。如下图：我们选择删除原始对象，并旋转180度，点确定按钮完成。这时，我们就得到了下图这样的状态：
后面的事情都简单了，使用我们之前的方法，进行选定、删除、移动、复制等等一系列手段，就可以把所有的螺丝、螺母安装位置都修改为合适的形状了。最后，提示一下，整张图面上，一共有20个类似的安装空间。千万不要漏掉了。
第六节，修改热床支撑板的连接方式
从第二节到第五节，我们详细描述了对螺母安装空间的修改方法。大家如果跟着做下来，也会对QCAD有一个初步的了解。与其他CAD软件类似，QCAD这个软件功能非常多，逐一介绍不是我们这篇教程的主要目的。因此后面几项修改，我们只介绍修改的原因和参数，具体的操作就不再详细列出了。我想如果有这样需要的朋友，一定可以参考QCAD的帮助文档学会的。
在这一节中，我们希望解决最初的需求(4)，修改热床支撑板的连接方式。经过简单观察，就可以发现，在我们当前的设计中热床支撑板和Y轴之间，是用3D打印件加螺丝的方式连接的。如下图所示。实际上，这个位置还有另一种更简单的连接方式，在支撑板上留一个圆角方形口，用小扎带连接支撑板和轴承。
我个人更喜欢第二种连接方式，而这种方式的设计图，其实已经存在于原始Prusa i3的文件中。我只需要将其复制到现在这张图中，就可以了。首先找到原始设计的文件。也可以从这里下载（打印虎本地下载，百度云下载）。用QCAD打开old_single_plate\src\frame\6mm\Prusa3ALU-FREZOVANY-v4.dxf文件，可以看到，我希望要的支撑板样式，已经在其中了。下面一个问题，就是如何在两个文件之间进行复制操作。
首先，在我们正在编辑的文件中，删除原有的热床支撑板：
然后，我们打开Prusa3ALU-FREZOVANY-v4.dxf文件。两个文件都打开之后，我们会注意到主窗口中的标签页。目前活跃的标签页是Prusa3ALU-FREZOVANY-v4.dxf。等一下，我还会切换回第一个标签页Prusa_i3_dayinhu.DXF。这个文件中的内容是分层（Layer）的，而且很多层都是锁定的。锁定状态，可以防止用户无意间修改到不应该修改的内容，但也会使我们需要的复制操作不能进行。首先，我们需要解除这些层的锁定。如下图，在主窗口右侧的层列表（Layer List）窗口中，点击这些锁图标。图标变为灰色时，代表目前没有锁定。这时，我们就可以在主窗口内，选定希望复制的部分。按下Ctrl-C键，进行对象复制操作。这个操作前面我们没有介绍过，但与对象的移动操作非常类似。一个明显的不同，在于这个操作不需要指定第一个点，第一个点自动被设置在对象的中心点上。下面按下Ctrl-V进行粘贴时，我们只需要指定第二个点，也就是目标对象的中心点，就可以了。切换到目标模型的工作窗口，按下Ctrl-V。在合适的位置按下鼠标左键，完成复制操作。因为QCAD可以连续复制多个对象，这时还需要按下ESC键，退出粘贴状态。
下图是完成之后的样子。请大家注意热床支撑板与轴承连接的部分，已经变成一个圆角矩形开口了。
在实际亚克力板切割、组装之后，我发现了一个问题：由于热床支架与Y轴框架的连接方式的改变，热床之间的高度稍稍变低了一点，进而导致固定热床和热床支架的螺丝，在Y轴上运动时，会撞到主框架板上。解决这个问题也很容易，只要把主框架上会碰到的部分变矮一点就可以了。下图展示了主框架左下角修改后的结果，右下角也要同样修改才行。第七节，修改Z轴传动部分定位孔在虎哥我对Prusa i3 3D打印机的改造中，参考了一些已有的Prusa i3设计。其中，对Z轴的修改，是我认为比较关键的一项。Prusa i3的原始设计中，Z轴使用5mm丝杆，驱动固定在X轴两端的M5螺母。很显然，5mm丝杆以及M5螺母，原本并不是用于传动设计，在这里如此应用，还是非常勉强的。下图所示，就是Prusa i3的原始设计，红色箭头指向了M5螺母，这个螺母是从下方嵌入到X轴步进电机端3D打印塑料件中的。
而更加理想的方式，是使用梯形丝杆，配上专用的M8铜质螺母。如下图所示：采用这样的配置，Z轴运动会更加顺滑，也更加符合机械设计的标准。那么问题就来了，梯形螺杆配套的铜质螺母，是比较大的一个零件，如果想用这样的设计，必须要对X轴的两端3D打印件进行修改。增加丝杆和光杆之间的距离。我们这篇教程中不涉及3D打印件的修改，如果对此有兴趣，可以参考【打印虎】用OpenSCAD修改RepRap 3D打印机打印件设计图解。修改好了3D打印件之后，对应地，Z轴底端和顶端的亚克力部件，也必须做相应的修改才行。
具体来说，就是步进电机的主轴，与轴承所在的光杆之间，距离要由原来的17mm，改为20mm。如下图的上方零件所示。
但很不幸，如果简单的修改，光轴会和***角支撑板的连接部重叠。很明显这是不行的。为了解决这个问题，我们还需要修改***角支撑板的固定孔的位置。经过试验，我发现只要把螺丝孔和下方的方孔向下移动5mm，把上方的方孔向上移动5mm，所有的问题就都解决了。如图：当然，对应的***角支撑板也要相应的修改。Z轴顶部的亚克力部件也要相应的修改。这些都不要忘记。***角支撑板变成了这样（另外两个也要同样修改）：
Z轴顶端的亚克力板变成了这样（另外一个也要同样修改）：这里还需要专门提一下，Z轴的顶板，因为两个孔的方向，并不是在X轴和Y轴的方向上，光轴圆心移动的位置，没法口算出来了。我们需要用初中数学学到的方法计算一下，光轴的孔沿步进电机丝杆到光轴的方向延伸3mm之后的圆心位置。得到新的光轴孔圆心位置之后，别忘记用勾股定理验算一下，丝杆孔圆心到光轴孔圆心之间的距离，是否正好是20mm。经过真实的亚克力板切割、组装之后，发现这个设计是可行的，但还有一个小问题：那就是现在我们有两组不一样的***角支撑板。一组是用于内侧，没有修改安装口的；另一组是用于外侧，修改了安装口。这样的情况，不论是在切割，还是安装阶段，都很容易搞混，提高了出错的概率。很明显，这不是一个好的工程实践。为了避免混淆，我们干脆把左右两边的***角支撑板都改为不对称的安装口设计。这样就不会产生搞混问题了。
最终，我们的Z轴底端的亚克力板变成了这样：
可以看到，我在对称方向上也加上了一个光杆安装孔。这是为了避免由于用户分不清方向导致安装时出错的容错设计。第八节，增加Y轴步进电机的支撑板
Y轴步进电机的固定，在原本的Prusa i3设计中，是一个打印件。但其实这里完全可以用一个亚克力板切割件代替。只要我们把各种机械参数都搞清楚，就很容易做到。
首先是步进电机方面，如图。
从图中我们可以看出，步进电机的四个角，都是由M3螺丝固定。四个螺丝孔排列为正方形，边长31mm。轴的突起圆台，直径在22mm。3D打印机的Y轴框架方面，我们知道所有的支撑梁，都采用了M8螺杆。从3D打印件的设计文件（.scad）中，我们也很容易可以发现，两根支撑梁之间的间距，是20mm。
有了这些信息，这个亚克力部件就可以很容易绘制出来。如下图：图中，用于配合步进电机轴的突起圆台的大圆，直径23mm。用于穿过M8螺杆的中圆，直径8mm。用于穿过M3螺丝的小圆，直径3.2mm。步进电机的轴，与支撑梁上方梁的圆心高度一致。M8的孔和M3的孔之间的横向距离，只要保证在安装了步进电机的情况下，M8螺母可以顺利转动，就可以了。
第九节，三角支撑板Y轴方向延长
最后一项需求，是把三角支撑板在Y轴方向延长。根据我的实际测量，这块三角支撑板，再增加50mm的长度，就可以支持3D打印机在Y方向全尺寸利用20*20的热床了。这样，两块三角支撑板最后被我修改为这样的形状：
除了三角支撑板本身要在Y方向延长之外，我们还需要相应的延长一些Y轴的安装槽口。同时，我发现原本不太容易搞定的电源和Melzi电路板，也都有相应的空间可以设置安装孔了。真是一举两得。这里留一个问题给大家：虎哥我是如何获得电源和Melzi电路板的安装孔距离的？请大家自己思考，如果实在想不出来，可以加我QQ我悄悄告诉你。
第十节，结束语
到此为止，所有的亚克力板方面的修改已经完成，这个设计文件，可以送去切割亚克力板了。这篇教程，虽然整体上是以我们最初的需求为导向写成的，但如果你认真做下来，应该已经初步掌握QCAD的操作，并且有信心做出自己的进一步改进了。当然，也可以下载打印虎已经修改完成的版本Prusa_i3_dayinhu.DXF直接使用（打印虎本地下载，百度云下载），或者在上面进行进一步的修改。