构建带有双速变速箱的高性能 3D 打印遥控坦克

在本教程中，我将向您展示如何建造一辆 3D 打印遥控坦克或无线电控制履带式车辆，其特点是简洁的全黑设计、一些很酷的 LED 照明和双速变速箱。是的，我专门为这款坦克设计了一个变速箱，这样我就可以根据地形或使用的应用来选择较低或较高的档位，从而获得更高的扭矩或更高的速度。

您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。

概述

如果你关注我，你可能知道，不久前我已经建造了一辆 3D 打印的 RC 坦克，这很酷，但动力有点不足。这就是为什么现在在这个构建中，我为每个履带使用 200W 直流电机，并与该变速箱相结合，坦克有足够的动力来征服任何地形或享受一些乐趣，用它进行烧毁或甜甜圈。

说到乐趣，我安装了一个可寻址的 LED 灯条，这为创造令人惊叹的灯光效果提供了无限的可能性。在这段视频中，我制作了警灯频闪效果，带着它开车真是太酷了，尤其是在晚上

至于悬架，坦克的每一侧都由三个螺旋弹簧和减震器支撑，每个螺旋弹簧和减震器都有两个负重轮。这使得车辆能够在不平坦的地形上平稳行驶并攀爬障碍物，同时保持履带与地形之间良好的接触面。

当然，所有东西都是 3D 打印的，并且 3D 文件可供下载，因此您可以自己构建一个。 

为了控制坦克，我使用了一个廉价的商用遥控发射器，它向它发送命令。 

水箱上有一个合适的 RC 接收器，用于接收命令并将其发送到微控制器。该平台的大脑是一个基于 Atmega2560 微控制器的板，为了轻松地将所有东西连接在一起，我制作了一个定制 PCB，可以简单地将其连接到板的顶部。 

不过，现在请系好安全带，我将引导您完成建造这款 RC 坦克的整个过程，从设计、3D 打印、组装和连接电子元件，到对微控制器进行编程。

设计遥控坦克

我使用 Onshape 设计了这个水箱。

Onshape 是我在项目中使用的专业级云原生 3D CAD 和 PDM 系统。

我建议机械工程师和产品设计师查看 Onshape，您和您的公司可以在 https://Onshape.pro/HowtoMechatronics 上免费使用 Onshape Professional 长达 6 个月

设计的初始输入参数是直流电机或其尺寸和转速。这些电机体积相当庞大，转速为 3000 RPM。对于这个坦克来说，转速太高了，因此我设计了这个变速箱，将速度降低到两个不同的值。

该变速箱的工作原理就像汽车中的手动变速箱一样。有一个变速杆，它不是用手移动，而是在伺服电机的帮助下移动，并且可以选择两个输出齿轮组中的哪一个作为最终输出。

变速箱初始减速比为1.88：1，这是固定的，然后我们可以选择低速档（附加减速比为2.76：1）或高速档（减速比为1：1）。因此，在较低档位时，总减速为 5.2，即大约 570RPM，而在较高档位时，总减速率为 1.88，即大约 1600RPM。

我们将在稍后组装的视频中看到变速箱如何工作的更多细节。

坦克设计的下一个输入参数是我得到的 RC 减震器。它们伸出时的长度为 70 毫米，行程为 15 毫米。我想让负重轮的垂直行程更大一点，所以我将它们放置在这种配置中，并得到了 22 毫米的垂直行程。

除此之外，由于这是一个转向架系统，其中一对轮子连接到该移动轴，因此轮子可以绕该轴旋转，因此它们可以进行额外的垂直行程。显然，这将提供更平稳的行驶以及轨道与其下方表面之间更好的接触。

如果我们仔细观察前负重轮，我们会发现它们与前面的惰轮连接，以提供履带的动态张力。当前负重轮上升时，履带周长变小，张力放松。

通过这种设置，当发生这种情况时，惰轮被向前推动以张紧履带。通过这种连接，我们还可以通过调节螺栓和距离螺母来静态张紧履带。

在背面，我们有由三部分组成的链轮。联轴器与左右段链轮均通过三个M3螺栓连接在一起。

链轮上的关键尺寸是节距，因为它必须与轨道的节距相匹配。这里的节距为 11 毫米，我选择的链轮有 20 个齿，这使得链轮的节圆直径约为 69 毫米。链轮尺寸的想法是足够大，以便履带远离坦克体。

11毫米的节距实际上是由履带链节的设计定义的。我对轨道连杆的目标是尽可能紧凑，并且只需一个额外的零件或销即可与下一个连杆连接，同时足够坚固，可以用 3D 打印机制造。

最重要的是，在 3D 打印时，我想避免在零件上使用任何支撑材料，而我实际上通过此设计成功实现了这一点。

为了将履带链节相互连接，我计划使用直径为2mm的销钉，因此我将一侧的尺寸定为2.1mm，以实现紧配合，另一侧为2.4mm，以实现松配合，以便履带链节可以自由旋转。

链轮齿在外圆柱形处与履带链节啮合。履带连杆油缸半径为 4.4 毫米，链轮半径为 4.9 毫米，以便松动配合正常工作。

连接一切的主体必须足够大，以容纳两个变速箱，当然，还要有空间容纳电子设备和电池。所有这些使得坦克的整体尺寸为 547x397mm。这是相当大的，比通常的3D打印机床大，所以我把大的部分分成两部分，这样我们就可以在300mm床3D打印机上打印它们。请注意，如果您想在 220mm 的较小 3D 打印机上打印，则模型必须分为 4 个部分。我还将在 3D 文件中提供该版本。

为了组装水箱，我们需要各种 M3 和 M4 螺栓和螺母，以及一些螺纹嵌件和轴承。您可以在下面找到该项目所需的所有组件的完整列表。当然，您还可以找到3D打印所需的3D模型和STL文件。

3D模型和STL下载文件

您可以使用 Onshape 直接在网络浏览器上查看此遥控坦克的 3D 模型。

您可以从 Cults3D 获取此遥控坦克/机器人平台的 3D 模型以及用于 3D 打印的 STL 文件。

3D打印

我使用 Creality Ender-3 V3 Plus 3D 打印机打印了该坦克的大部分零件。

3D打印时，使用水平扩展功能很重要，或者现在在我使用的新Creality Print切片器中，它被称为X-Y轮廓补偿。如果我们保留这些设置为默认，打印件的外部尺寸以及孔通常会比原始模型小，我们可能会在组装它们时遇到问题。

在 Creality Print 切片器中，我为 X-Y 轮廓补偿使用了 –0.07 的值，为 X-Y 孔补偿功能加上了 0.07。当然，您应该进行一些测试打印，看看哪些值可以在 3D 打印机上提供最佳结果。

对于 3D 打印轨道链接，我使用筏作为构建板粘附力，因为它们与底板的基础接触面有点小，如果打印机上的底板粘附力不好，可能无法很好地粘附。

Creality Ender-3 V3 Plus 的构建板尺寸为 300x300mm，因此我可以将水箱主体分为两部分打印。即使分成两部分，零件仍然相当大，这将 3D 打印机推向了极限。但 Creality Ender-3 V3 Plus 成功地处理了这个问题，并且在打印这些大部件方面表现出色。

我可以向任何寻求大容量、快速 3D 打印机的人推荐这款 3D 打印机。它是一款 CoreXZ 3D 打印机，速度可达 600 毫米/秒，凭借其坚固的框架，可提供非常好的打印质量。感谢 Creality 为我提供了这台 3D 打印机。

查看 Creality Ender-3 V3 Plus – 美国商店：https://shrsl.com/4rtkk；欧盟商店：http://shrsl.com/4rtkm ；亚马逊：https://amzn.to/3VjEoRH

组装遥控坦克

这是所有 3D 打印零件，因此我们可以开始组装坦克。说实话，3D打印的技术实在是太多了。打印所有东西需要几天的时间，不仅仅是时间，而且我们还需要几卷耗材。

仅就轨道连接而言，由于总共有 214 个轨道连接，因此我们需要大约 500 克和 30 小时的 3D 打印。水箱主体大约需要1公斤的耗材，如果像这里一样分成两部分，则每部分需要500克，大约需要12到18小时。另外，很多零件需要3D打印支撑，所以我们需要花一些时间进行清洁。

物料清单

以下是组装这个遥控坦克项目所需的组件列表。电子元件列表可以在本文的电路图部分找到。

组件 数量 购买链接 RC 减震器8亚马逊 | 全球速卖通 滚珠轴承 686 – 6x13x5mm18亚马逊 | 全球速卖通 滚珠轴承 624 – 4x13x5mm44亚马逊 | 全球速卖通 滚珠轴承 684 4x9x4mm6亚马逊 | 全球速卖通 M6 螺杆300mm亚马逊 | 全球速卖通 M6 锁紧螺母4亚马逊 | 全球速卖通 M3 螺纹嵌件~20亚马逊  | 速卖通 M3 平头螺丝~30亚马逊  | 速卖通 M3 和 M4 螺栓和螺母待指定亚马逊  | 速卖通 2mm焊条~12m亚马逊  | 速卖通 M3 和 M4 螺栓和螺母请参阅下面的列表亚马逊  | 速卖通 螺栓 坚果 M3x8mm – 10
M3x10mm – 10
M3x16mm – 20
M3x20mm – 10
M3x25mm – 10
M3x30mm – 10
M3x16mm 埋头孔 – 20
M4x16mm – 10
M4x35mm – 20
M4x40mm – 20
M5x40mm – 2 M3 锁紧螺母 – 50
M4 锁紧螺母 – 40
M5 螺母 – 6

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电子 - RC 储能电路图

让我们看一下遥控坦克的电子设备并解释它的工作原理。该 RC 坦克的大脑是基于 ATmega2560 微控制器的板。 

您可以从以下链接获取该项目所需的组件：

组件 数量 购买链接 直流电机 895 – 12V 200W 3000RPM2亚马逊 | 全球速卖通 BTS7960 直流电机驱动器2亚马逊 | 全球速卖通 伺服电机 1亚马逊 | 全球速卖通 ATmega2560 – Arduino Mega Board1亚马逊 | 全球速卖通 3S 锂电池 – 最低 3000mAh1亚马逊 | 全球速卖通 锂聚合物电池连接器1亚马逊 | 全球速卖通 Flysky FS-i6X – 遥控发射器和 FS-iA6B 接收器1亚马逊 | 全球速卖通 WS2812b 可寻址 LED 灯带 1m亚马逊 | 全球速卖通 LM350 稳压器1亚马逊 | 全球速卖通 修剪锅 – 5k1亚马逊 | 全球速卖通 接线端子连接器4亚马逊 | 全球速卖通 电线 ~20AWG~3m亚马逊 | 全球速卖通 翘板开关1亚马逊 | 全球速卖通 电阻器
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定制 PCB 设计

为了保持电子元件井井有条，我为 RC 坦克设计了一块定制 PCB。 PCB 将与基于 ATmega2560 微控制器的板兼容，可直接安装在其顶部。

我从 PCBWay 订购了 PCB。在这里我们可以简单地上传Gerber文件，选择我们的PCB的属性，并以合理的价格订购。

除了 PCB 颜色我选择为蓝色之外，我没有更改任何默认属性。您可以从 PCBWay 项目共享社区找到并下载 Gerber，也可以通过该社区直接订购 PCB。

完成遥控坦克组装

在本节中，我将解释如何将所有东西连接在一起并完成这个遥控坦克。

此部分仍在建设中。

对 RC Tank 进行编程 - Arduino 代码

在本节中，我将解释 RC 坦克背后的 Arduino 代码如何工作。您可以在这里下载代码：

代码概述

因此，我们使用 IBusBM 库读取来自 RC 发送器的传入数据。

<前>01

右操纵杆的通道 0 和 1 用于控制坦克的运动，左摇杆开关或通道 6 用于控制舵机换档，其他三个摇杆开关用于控制 LED。

我们将传入的数据转换为适合直流电机 PWM 控制的值，即从 0 到 255。

<前>10

我们适当地使用analogWrite()函数将PWM值发送到驱动器和电机。

<前>28

对于伺服电机和变速齿轮，请根据您使用的舵机调整数值。

<前>32

至于灯光控制，我们检查哪个摇杆被切换，并根据它告诉根据需要单独点亮每个 LED。

<前>40

警灯频闪效果花了我一些时间来编码，但结果真的很酷。

测试 3D 打印储罐

上传代码后，我们可以启动机器人平台和遥控发射器进行测试。在发射器显示屏上我们可以注意到锂电池电压，以及接收器和发射器电压。

在这里我们还可以看到变速在运动中是如何工作的。使用左摇杆开关，我们可以在电机运行时切换齿轮。确实如此，不是吗。

通过其他 3 个摇杆开关，我们可以控制水箱灯。有 4 种不同的模式。每侧有五个白色 LED，第二模式全白色 LED 亮起，第三模式全白色 LED 闪烁，当然还有最酷的模式，警灯频闪效果。坦克可以在任何这些灯光模式打开的情况下移动。

不过，这里只是简单说明一下。由于 LED 通过来自 LM350 稳压器的 5V 供电，因此可能会变得相当热，尤其是在使用全白光 LED 模式时。对于白色，每个 LED 消耗约 50-60mA 的电流，因此电流几乎约为 1A。

LM350 可以处理高达 3A 的电流，但为此需要适当的大冷却。我将其放置在定制 PCB 上的错误位置，因此无法添加合适的散热器。不过，我尝试从步进驱动器添加一些小型散热器。

它们有一点帮助，但如果所有白色 LED 开启时间较长，电压调节器仍然会过热。但在所有其他模式下，我们都很好，所以我保持原样。如果我们想解决这个问题，我们可以添加一个额定电流为 8A 的单独降压转换器。该降压转换器可以从 12V 输出端子供电，我们设置的 5V 或 6V 输出可以连接到 PCB 上的 6V 端子，我们可以使用 6V 电源轨为 LED 供电。

尽管如此，我希望您喜欢这个视频并学到一些新东西。享受拼搭和驾驶这款遥控坦克的乐趣。就像我之前提到的，在未来的视频中我计划对这个坦克进行一些升级。我可以在它上面添加一个机器人手臂，或者制作一个吹雪机或类似的东西。所以，敬请期待。