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1、精选优质文档-倾情为你奉上 XX理工学院毕业设计增材制造系统控制方案设计与实现学 生：XXX学 号：XXXXXX专 业：XXXXXXXXXXXX班 级：2013.6指导教师：XXXXX理工学院自动化与信息工程学院2017年06月 专心-专注-专业摘 要增材制造技术即 “3D打印技术”，其被视作是制造业发展的一个重要方向；然而在3D打印机中，有关机电设备的控制效果直接影响着3D打印的精度，因此研究有效的增材打印系统控制方案是发展3D打印技术的首要途径。本文针对3D打印机控制系统的若干设计问题，构建了一种可实现高精度打印效果的增材制造系统控制方案，并在基于熔融沉积成型（FDM）技术的3D打印机中进
2、行了系统实现和测试验证。方案首先对步进电机及其驱动进行计算选型，从硬件方面提高打印精度；其次是在控制方案中采用直线Bresenham算法和PID温度控制代码设计，从软件方面提高打印精度；最后使用国际知名创客杂志Make测试机时使用的性能测试方法的评测系统性能，获得了高精度打印的效果。因而，该方案在增材制造系统中具有可观的应用价值。关键词：3D打印， 步进电机，高精度，直线Bresenham算法ABSTRACTAdditive manufacturing technology that is 3D printing technology, which is considered to be an
3、 important direction of development of manufacturing industry but 3D printers, electrical and mechanical equipments control directly affect the accuracy of 3D printing, so the study of effective additive printing system control is the primary way to develop 3D printing technology. Several design pro
4、blems of 3D printer control system, this paper constructs an additive manufacturing to achieve high-precision printing system control, and fused deposition modeling (FDM) technology 3D printer for the system implementation and testing. The program first of the stepper motor and its drive to calculat
5、e the selection, from the hardware to improve the printing accuracy; followed by the control program using a straight line Bresenham algorithm and PID temperature control code design, from the software to improve print accuracy; Finally use the internationally renowned Off the Make test when using t
6、he performance test method of 3D printer evaluation system performance, access to high-precision printing results.Thus, the programme in the additive manufacturing systems have considerable value.Keywords: 3D print, , high-precision, Linear Bresenham algorithm目 录第一章 增材制造技术概述1.1增材制造技术背景随着近几十年互联网浪潮席卷全
7、球，信息社会已经深入到人类社会的方方面面，使得传统的生产制造模式已经难以满足社会发展的需要，人类对新工业革命的呼声日益高涨。而纵观具有推动新工业革命潜力的各项技术中，增材制造技术（即3D打印技术）无疑是最受期待的之一。3D 打印技术具有工业革命意义的新兴制造技术，是材料科学、制造工艺与信息技术的高度融合与创新，是推动生产方式向柔性化、绿色化发展的重要途径，补充优化传统制造方式、催生生产新模式、新业态和新市场的重要手段。全球范围内，很多企业家和研究者都认为3D打印会成为引发新一轮产业革命的颠覆性创新1。 1.1.1增材制造技术起源及发展增材制造技术的起源可以追溯到19世纪末的美国，在业界的学名为
8、“快速成型技术”。一直只在业内小众群体中传播，直到20世纪80年代才出现成熟的技术方案，在当时，撇开其非常昂贵的价格不说，能打印出来的数量也极少，几乎没有面向个人的打印机产品，都是面向企业级的用户。但在技术逐渐走向成熟的今天，越来越多的爱好者积极参与到3D打印技术的发展和推广中。与日俱增的新技术、新创意、新应用，以及呈指数暴增的市场份额，都让人感到3D打印技术的春天2。增材制造技术起源及发展如表1.1所示。表1.1 增材制造技术起源及发展时间发明者技术名称技术特点/技术意义1988Charles Hull光固化成型（SLA）体型庞大Scott Crump熔融挤压成型（FDM）用热塑性材料来制作
9、物体1989C.R.Dechard选择性激光烧结（SLS）利用高强度激光烤结材料1993Emanual Sachs三维喷墨粘粉打印（3DP）用粘结剂将材料粉末粘成型19963D SystemsActua2100第一次使用了“3D打印机”的名称StratasysGenisysZ Corporation24022005Z CorporationSpectrum2510世界上第一台高精度彩色3D打印机2008Darwin第一代基于REPRAP的3D打印机正式发布2010Stratasys3D打印机打印出一辆完整身躯的轿车2011南安营敦大学世界上第一架3D打印飞机2014NASA首次在太空中完成3D
10、打印2016美国哈佛大学3D打印出心脏芯片Local Motors全球首辆3D打印自动驾驶公交车问世全球首个3D整体打印别墅在北京落成1.1.2增材制造技术的应用价值及前景对于传统的制造业来说，车、钻、铣、刨、磨等是生产、加工、制造的主要手段，虽然加工方式很多，但是依然有很多零件是传统加工方式难以加工的，这也就是为什么传统制造业会有工艺这个概念，也就是把图纸上的零件变为现实产品的过程，这其中可能会涉及到多道工艺，需要多种加工方式相互配合，其制造周期会经历较长的时间。而对于 3D 打印技术来说这些都将不再是加工过程中的拦路虎，任何复杂的结构在经过计算机切片算法分层之后都变为了简单的直线路径。另一
11、方面，传统的生产方式为去材料的加工，即减材制造，加工的过程中会产生大量的废料，虽说可以再回收，但还是会造成一定的人力物力的浪费，而增材制造，加工的过程中不会产生废料，无需考虑工艺，任何图纸上的零件 3D打印都可以把它变为现实产品，可以说 3D 打印思想将是一项颠覆传统制造的技术。总之，3D 打印技术有非常好的发展前景和研究价值。 机械制造领域：对比机加工，3D 打印技术拥有无可比拟的优势，使用简单的工艺就能实现复杂结构零件的加工，尤其在小批量、单件零件生成时应用最为广泛，使用 3D 打印技术直接成型，大量节省了人力、物力，降低了生产成本，缩短了制造周期。 航天技术领域：在该领域中的的产品通常形
12、状结构复杂、精度要求较高、造价高昂、制造周期长，还需具备流线型特性的特殊要求，一旦某个部件损坏没有备用品时，那么等待订购新的货源周期将会造成巨大的经济损失。但东航正是使用3D 打印技术将指示牌制作长达180 天的订货周期，缩短到一周的时间制造了出来。 医学领域：3D 打印技术可以说为众多患者带来了福音，该技术可以为残疾人打印假肢，其中也包括受伤的动物，通过扫描伤口可以打印完美契合患者的假肢，从而减少患者适应假肢过程中的痛苦；3D 打印牙齿，可以完美贴合牙床，同时制造周期比传统补牙方式更短。 产品设计领域：在产品设计竞争日益激烈的市场中，只有新颖和富有创造力的产品才能得以生存，但这些产品通常因难
13、于加工而停留在了概念阶段，但是运用 3D 打印技术可以让任何概念性的产品设计变为现实，可以说只有你想不到的没有 3D 打印机做不到的。 文化艺术领域：在该领域中 3D 打印技术可以高度还原许多珍贵的艺术品，使得研究人员可以使用仿真的模型进行研究，同时也可复制文物到各国展览。 建筑设计领域：对于建筑设计的领域，通常人们的反应就是一砖一瓦的建造房屋，但在美国却已经有了 3D 打印的房屋，整个房屋浑然一体，一次性打印完成，也许房屋强度能否经受恶劣环境还有待验证，但是3D 打印的高度逼真效果使它在构建建筑模型进行测试及效果展示等方面具有较明显的优势。 3D 打印机不仅仅是在医学、产品设计、文化艺术、建
14、筑领域，在诸如动漫模型、汽车零配件、工业模型等领域都看可以它的身影，由于 3D 打印增材制造的特点，所有的产品都是浑然一体，其良好的稳定性和高强度性使其在重工业和精密制造行业也有用武之地，可以预见 3D 打印的发展前景非常的广阔。从全球来看未来市场潜力将不断超预期。多家机构预计，未来3D打印行业仍将保持高速增长，2017年，市场规模有望超100亿美元，未来年均复合增长率将达到33%。我国3D打印市场规模的年均复合增长率将保持在40%左右，且有望超出预期。到2020年，市场规模有望达到300亿到450亿元。虽然我国3D打印起步较晚，但拥有全球最大的3D打印潜在市场，未来我国3D打印市场规模增速有
15、望高于全球水平2。1.2增材制造技术研究现状1.2.1 增材制造技术国内外研究现状（1）国内研究现状国内开展3D打印技术研究的时间基本与世界同步，目前开展3D打印技术研究的单位也很多，几个领先的单位和高校的工作各有特色，在某些研究领域处于国际领先地位。20世纪90年代，西北工业大学、北京航空航天大学等高校就开始了有关激光快速成形技术的研究。西北工业大学建立了激光快速成形系统，针对多种金属材料开展了工艺实验，近年来西工大团队采用3D打印技术打印了最大尺寸3m、重达196kg的飞机钛合金左上缘条；北京航空航天大学同样在大尺寸钛合金零件的3D打印方面开展了深入的研究，采用激光熔融沉积方法制备出了大型
16、钛合金主承力结构件；华中科技大学在激光选区熔化和激光选区烧结方面开展了很多工作，对金属材料及高分子材料的3D打印进行了研究，并且开发了拥有自主知识产权的SLM设备HRPM系列粉末熔化成形设备；西安交通大学在生物医学用内置物的3D打印以及金属材料的激光熔融沉积成形方面开展了工作，完成了多例骨科3D打印个性化修复的临床案例，通过激光熔融沉积制备了发动机叶片原型，最薄处可达0.8mm，并具有定向晶组织结构。清华大学在国内也较早地开展了3D打印技术研究，研究领域主要是在电子束选区熔化(EBM)技术方面，并且研发了相关的3D打印设备2。国内除了高校之外，许多研究所也在开展3D打印技术研究。西北有色金属研
17、究总院在电子束选区熔化工艺及设备研发方面进行了研究，并开展了钛合金、TIAL合金的电子束熔化成形工艺研究；中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所开展了电子束熔丝沉积成形的研究工作，并具备此类设备的研发能力，采用这种方法已经成形出2100mm300mm钛合金主承力结构件；中国航空工业集团公司北京航空材料研究院近年来开展了激光熔融沉积成形的系统研究，发挥了航材院材料、工艺、检测、失效分析等专业优势，成立了由多专业联合参与的“3D打印研究与工程技术中心”，旨在推动3D打印技术在航空、航天、生物医学等领域的快速应用，特别在金属基复合材料、梯度材料、超高温结构材料、航空关键件修复等方面开展了深入研究
18、，部分成果已经获得应用3。为了推动3D打印技术的快速发展和产业化，国家工信部2015年2月联合发改委及财政部发布了国家增材制造产业发展推进计划（20152016年），明确了中国3D打印技术发展的目标和方向，同时也指出中国增材制造产业化仍处于起步阶段，与先进国家相比存在较大差距，尚未形成完整的产业体系，离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。关键核心技术有待突破，装备及核心器件、成形材料、工艺及软件等产业基础薄弱，政策与标准体系有待建立，缺乏有效的协调推进机制3。（2）国外研究现状16-17-18在20世纪90年代，激光熔融沉积成形技术（LDMD）首先在美国发展起来。约翰霍普金斯大学、宾州大
19、学和MTS公司通过对钛合金3D打印技术的研究，开发出一项以大功率CO2激光熔覆沉积成形技术为基础的“钛合金的柔性制造”技术，并于1997年成立了AerMet公司。该公司在20022005年之间就通过3D打印技术制备了接头、内龙骨腹板、外挂架翼肋、推力拉梁、翼根吊环、带筋壁板等飞机零部件；美国Sandia国家实验室采用该技术开展了不锈钢、钛合金、高温合金等多种金属材料的3D打印研究，并成功实现了某卫星TC4钛合金零件毛坯的成形。成形过程所用时间相比传统方法明显缩短；2014年5月，美海军在巴丹号航母上硬着舰了一架前起落架损坏的鹞式战机，三个月后，“美舰艇备战中心”称舰上人员已经通过3D打印技术修
20、复了该飞机。同样是在20世纪90年代，德国Fraunhofer研究所提出了利用激光选区熔化(SLM)打印金属材料的方法，并在2002年研究成功。随后多家公司推出了SLM设备，如MCP公司开发的MCPRealizer系统、EOS公司开发的EOSINTM系列，RENISHAW公司开发的AM250系统等。此外，国外多家高校及研究所如德国亚琛工业大学、英国利兹大学、利物浦大学、比利时鲁文大学、日本大阪大学以及英国焊接研究所、德国Fraunhofer激光技术研究所等得到了欧盟第六七框架计划、德国研究基金等机构及波音、洛克希德马丁、EADS等大型航空航天企业的资助，对SLM材料特性、缺陷控制、应力控制等基
21、础问题开展了大量研究工作。在SLM技术的应用方面，2012年GE通用电气航空集团收购了名叫Morris的3D打印企业，采用激光选区熔化3D打印技术为LEAP喷气式发动机制造燃油喷嘴，目前GE航空集团已经接受了超过4000台LEAP喷气式发动机的订单，其中要通过3D打印制造的零件数量巨大。另一方面，SLM技术在医疗领域也得到了应用，例如通过SLM技术成形CoCr合金的可摘除式局部义齿，不锈钢材料的基底冠、全冠和固定桥。20世纪90年代，瑞典的Chalmers工业大学与Arcam公司合作开发出了另一种金属材料3D打印技术电子束选区熔化成形（EBM）技术，Arcam公司随后在2003年推出了首台商用
22、的EBM设备，并相继推出了一系列的EBM产品，客户包括国外许多工厂、高校及研究机构。EBM工艺目前主要在航空航天及生物医疗方面有所应用，目前通过EBM打印的颅骨、股骨柄、髋臼杯等骨科植入物已经得到了临床应用，EBM技术在此方向的研究应用已经较为成熟；近年来，EBM技术在航空航天领域的发展十分迅速，多家航空公司都开展了利用EBM技术制造航空发动机复杂零件的研究，其中意大利AVIO公司利用该技术成功的制备出了TIAL基合金发动机叶片，引起了航空制造界广泛关注。由于3D打印技术诸多优点及其广阔的市场前景，世界上多个国家都加大了对3D打印技术的投入。2012年8月美国拨款3000万美元在俄亥俄州成立了
23、国家增材制造创新研究所（NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute，NAMII），在2013年3月，该中心从其成员项目申报中遴选了首批7项研究资助项目，总金额950万美元。在2014年1月，该中心又从其成员项目中选择了15项进行资助，总经费为1930万美元。这些项目包括了3D打印材料、工艺、装备与集成、质量控制等方面，反映出美国在3D打印领域开展了广泛的研究，产业布局较为完整；2013年6月，英国政府宣布将向18个创新型3D打印项目投入1470万英镑进行资助，项目期限是13年；日本政府在2014年预算案中划拨款40亿日元用来实施以3D成形技
24、术为核心的制造革命计划，包括金属材料3D打印设备的研发、精密3D打印系统技术的开发、3D打印零件的评价研究等。各国大力投入，促进了3D打印技术快速发展。1.2.2 增材制造技术存在的问题（1）存在成型工艺精度低、稳定性不够和尺寸范围小等问题； （2）成形的效率需要进一步提高； （3）国内打印耗材主要为塑料，打印材料的局限性导致了 3D 打印技术并未得到广泛的应用4； （4）计算能力和硬件资源有限，不能满足扩展新功能的要求；（5）小型3D打巧机大多采用双色LCD屏幕和按键操作，界面显示效果较差。不能满足消巧者对用户体验的追求5；（6）步进电机控制算法不合理，造成打印过程中的机械震动，影响打印质量
25、；（7）现有3D打巧机工作需要人员现场操作，定时査看，难以实现真正意义上的自动化生产6。1.3课题研究内容 本文以 3D 打印的控制为中心展开，主要的研究目的是从软件和硬件的两个方面解决3D打印机的打印精度问题。在硬件方面，将利用步进电机及与其匹配的驱动来保证打印的高精度；在软件方面，主要将采用PID温度控制和Breseham算法提高打印精度。最后，基于控制方案的设计进行系统测试，检测系统是否有较高的打印精度。论文的章节安排大致如下：第一章介绍增材制造技术的发展情况以及存在的问题，引出本文研究目的为解决3D打印机的打印精度问题。第二章阐述增材制造技系统的构成、工作原理和工作过程。第三章为增材制
26、造系统控制模块硬件设计，重点为步进电机及其驱动器选型。第四章是增材制造系统控制程序设计，重点为Bresenham算法和PID温度控制代码设计。第五章进行增材制造系统控制模块测试，重点为使用国际知名创客杂志Make测试机时使用的性能测试方法的评测本系统打印精度。第六章为结束语。第二章 增材制造系统理论基础2.1增材制造系统的构成2.1.1增材制造系统基本构架增材制造系统由上位机和下位机组成，系统基本架构如图2.1所示。图2.1 系统基本架构图本设计中上位机软件采用Printer interface，Printer interface 能够生成GCode，然后将 GCode 通过串口通信传递至下层
27、Arduino 控制平台，同时获取 Arduino 控制平台反馈的位置坐标信息。下位机由 液晶屏、通信接口、供电系统、Arduino2560 控制板、温度控制电路、供料机构、步进电机以及电机驱动组成。Arduino 控制器负责解码由上位机传递过来的控制信息，并根据控制信息的位置和温度等信息，控制给进电机和打印喷头，以及风扇和加热装置，同时将电机的位置和热床喷头的温度实时反馈至上位机。2.1.2增材制造系统硬件结构硬件平台 Arduino板，是一个开源的单片机电子设计平台，在单片机编程中有很多常用的功能，如数据读取和写入、串口中断、外部中断、延时等，这些功能都是被模块化的。热熔塑料进料头，笛卡儿
28、坐标系统为3D打印机提供了精确的线性定位，而加上一个进料头我们就能够挤出细的热熔丝一一种加热后会变软呈半流体状的塑料。它是3D打印机中最复杂的部分了，而且现在还在不断改进，这部分由两个关键的部件组成：挤丝驱动器和热熔加热头。挤丝驱动器通过齿轮驱动机构拉动绕在线轴上的热熔丝，热熔丝的直径通常是3毫米或1.75毫米。大部分情况下，挤丝驱动器通过一个步进电机来控制进入加热头的流量，为了增加驱动力，这些电机通常连接一个打印的齿轮或者一个变速箱。热熔丝由挤丝驱动器拉动进入进料头，然后送到加热头。加热头通常是与进料头的其余部分隔热的。它由一大块铝块、嵌入式加热器件或其他加热组件以及一个温度传感器构成，当热
29、熔丝到达加热头，就会披加热到170-220，加热的温度取决于你使用的热熔丝种类。旦热熔丝变成半流体状态，就会通过加热头下方0.35-0.5毫米直径的开口流出,并在打印托盘上绘制当前所打印层的外围轮廓或者根据填充方式进行内部填充。直线运动导轨，3D打印机采用的直线运动导轨系统(或者说是允许各个轴运动的机械部件)决定了打印机的精度、速度以及设备长时间工作时的维护成本。大部分个人3D打印机每个轴向上都使用光滑精密的连杆，同时用塑料、铜轴承或线性轴承制作一个滑块在连杆上滑动。线性轴承因为其流畅的运动及更长的使用寿命而成为目前最受欢迎的滑块制作材料，但是它在工作时产生的噪声比各种自制的铜轴承大。挡块，3
30、D打印机中各个轴向上的行程长度是有限的，所以需要一个机械的或光电的挡块，从本质上说，这就相当于是一个开关，当检测到连杆上的滑块到达极限时会产一个信号给打印机的控制板，以防止滑块运动超过了行程长度。在操作中没有严格的要求必须安装所有挡块，但每个轴向上的最小位置至少安装一个挡块。框架，将所有组件连接在一起的就是3D打印机的框架，框架的结构和材质决定了包括3D打印机精度在内的很多特性。所有RepRap类型机器的框架都是通过螺纹杆将3D打印的部件与其他硬件连接起来构成的。另外，BoxBot类型的机器，如MakerBot或者MakerGeKMosaic,其框架都是将胶合板激光切割后.用螺栓固定在一起。打
31、印托盘，打印托盘是你用3D打印机打印东西的平台，每一种打印机的打印托盘大小可能都不祥，大小从100平方毫米到200平方毫米不等，介于4英寸到8英寸，或者更大。现在市场上大部分的个人3D打印机会提供一个能自加热的打印托盘，要么是标配，要么是选配，如果你想自己做一个也不是什么难事。在3D打印机中，打印托盘用来防止打印物品在冷却时变形或开裂，同时保证物品的底部牢牢地粘在打印托盘上。为了保证良好的导热性,以及表面的平滑和水平打印托盘的上面一层通常是玻璃或铝板,玻璃的光滑性更好,而铝板的导热性更好。同时为了防止物品在打印过程中从托盘上掉下来,根据打印时使用的热熔丝不同，在托盘表面通常会贴上一种价格便宜、
32、可定期更换的胶带.胶带的材质包括Kapton类的聚酰亚胺胶带或PET类的聚酯胶带，甚至是在硬件商店里各种蓝色的纸胶带7。电机驱动，本设计中使用的是DM442，采用最新32位DSP技术，具备优秀的中低速性能，能够满足大多数中小型设备的应用需要。采用内置微细分技术，即使在低细分条件下，也能够达到高细分的效果，中低速运行都很平稳，噪音极小。驱动器内部集成了参数自整定功能，能够针对不同电机自动生成最优运行参数，最大限度发挥电机的性能。步进电机，大多数3D打印机都拥有5台电机。在3个维度里，X、Y轴各有一台电机，Z轴有两台电机，负责挤出器或是打印表面在哪个维度运动。电机可以顺时针或逆时针旋转以产生运动(
33、第5台电机则是用在挤出器上推进热头，使其熔化)。当然，并非所有的电机都一模一样.但大多数电机都有一个坚固的外壳和一个可以顺时针或逆时针旋转的传动轴。这种电机称为步进电机。它有一种独特的能力.能以极小的增量顺时针或逆时针旋转.就是说电机轴的旋转角度可以小于l度甚至几十分之一度。这是一个极为重要的概念。电机干的是重活，它们移动热头之类的部件，喂送塑料丝。主要作用：电机可以产生运动；电机能够顺时针旋转，也能够逆时针旋转；电机可以以不同的速度旋转；电机要用电；电机由计算机控制。其他，电机和电路板/控制器需要用电，则大部分3D打印机还是需要电源的。电源通常是墙上插座，但有时需要一个单独的电源盒，以某种方
34、式附在3D打印机上。2.1.3增材制造系统软件组成增材制造系统软件组成如图2.2所示。图2.2 增材制造系统软件组成软件平台 Arduino IDE，是开发源代码的。Arduino 编程两个基本结构函数 “setup”、 “loop”，前者在系统上电或者复位时执行，一般用于串口、I/O 口的初始化等，后者为主函数体，类似于 “main” 函数中的 while(1)无限循环函数，所有需要执行的程序都放在这个函数之中8。3D模型绘制软件是通过学习我们体会到打印三维制品是很容易的。这是个典型的，绝大多数3D打印机和软件都使用的操作过程。可以从Thingiverse三维制品文中搜索并下载供读者打印的文
35、件。但是如果对创作并打印自定义的作品有兴趣，要创建自己的三维模型，必须使用之前提及的专门的CAD应用程序。CAD软件公司有很多，CAD应用程序就更多，有些是附有几百种功能的高端程序，有的则极其简单且功能有限。有些CAD软件公司提供培训.教用户如何正确使用该软件；有些是由个人单打独斗编写出来的，几乎不带使用说明书之类的文件。当然.软件价格也不同.从天价到免费都有9。此次采用UG进行3D模型的绘制。打印控制软件（即Printer interface上位机）是整个3D打印机的中心，是连接打印各个部件的枢纽。通过控制软件，我们可以发送命令给下位机，让其控制3个轴向的步进电机移动。可以显示和设置打印头和
36、加热托盘的温度，可以运行分层工具对模型分层，最重要的是可以打印3D物品。由于Printer interface具有分层软件的功能，因此不再额外选择分层工具。其中分层功能是生成控制打印头运动的路径文件，用它来把我们的3D模型分层以适于打印。这个程序最终会生成一段代码，这些代码会告诉打印机将打印头移动到哪里，什么时候挤出热熔丝，挤出多少。这些指令或者G-code文件从我们打印控制软件传给电子器件中的固件，固件把这个指令转换成控制电机或加热头的具体动作。固件是每个控制器都需要将这种叫做固件的特殊代码加载在微控制器里，以便电子器件正常运作，固件负责解释打印应用程序发送过来控制指令（解析代码、控制电机和
37、加热头、将温度信息和喷头的位置信息实时上传给上位机），然后让电子器件执行，直接影响到机器打印物品的质量10。本设计中固件是在Arduino板中自定义相关函数。2.2增材制造系统的工作原理及流程2.2.1 增材制造系统的工作原理3D打印系统的工作原理与传统打印机工作原理基本相同，也是用喷头一点点“磨”出来的。只不过3D打印机喷的不是墨水，而是液体或粉末等“打印材料”，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把图形变成实物。3D 打印系统控制原理如图 2.3所示。图 2.3 3D 打印系统控制原理2.2.2 增材制造系统的工作过程本设计中3D打印的设计过程是通过UG 建模，生成STL 的文件
38、格式，再将建成的三维立体模型导入 Printer interface分区成逐层的截面，即切片，再使用对应的算法生成喷头行进路径，即 GCode 文件，再将路径信息发送到下位机 Arduino 控制器，Arduino 控制器解码控制信息，并根据控制信息中的位置和温度等信息，控制进给电机和打印喷头，以及风扇和加热装置，控制喷头的行进以及耗材的挤出，这样耗材就按照路径打印在工作台上，每次打印一层，逐层打印累积，最终完成整个三维实体的打印。如图 2.4 为 3D 打印的整体工作流程图。 图 2.4 3D 打印的整体工作流程图2.3本章小结1.本章对 3D 打印的整体系统做了概述，并对 3D 打印机的控
39、制中心，也是整个打印机的灵魂，Arduino2560 控制板做了详细的介绍，分析了其优势，丰富的片内资源，以及部分资源在 3D 打印机中的具体应用。 2.概述了打印机工作原理及流程，包括从建模到生成 GCode，再到控制主板控制相关模块的相关原理，方便后续相关理论分析和设计的展开。 第三章 增材制造系统控制模块硬件设计控制模块主要是硬件和软件两个部分，硬件作为软件运行的基础，同时又依靠软件发挥其功能，二者相互依靠、相辅相成，本章对软件所基于的硬件平台做简要介绍。3.1控制模块硬件方案本设计是基于Arduino的控制系统。控制系统的结构如图下所示。以Arduino Mega 2560 控制板，主
40、要有显示及键盘模块、电源模块、电机驱动模块、温度控制模块和与上位机连接的通讯模块等五个子模块。控制模块硬件方案如图3.1所示。图3.1 控制模块硬件方案其中，温度控制模块是FDM型3D打印机的一个重要部分，其稳定性直接影响打印质量。电机驱动模块根据打印数据或者用户指令，控制XYZ轴及喷头电机的运动。显示模块及键盘是用户和打印机之间交流的渠道，它负责接收用户指令，并将打印机的状态信息反馈给用户10。电源模块主要是为各电机、加热部件等提供工作电源。通讯模块将上位机软件模块其功能控制其他模块执行打印任务的通讯功能。各个模块相互协调、相互配合，共同完成打印任务。本系统中上位机负责运行切片，下传G代码生
41、成打印机可识别的打印数据。3.1.1控制模块硬件组成及其指标（1）主板Arduino微处理器决定了整个系统的性能，微处理器选型时，需兼顾处理速度、外部资源、价格等因素，如需批量生产还要考虑充足稳定的货源。本文选用的Arduino mega 2560具有高性能、低成本、低功耗等特点，具有UART 接口， 16MHZ 的晶体振荡器， ICSP header， USB 口和复位按钮。开发板可提供 3.3V 和 5V 电压11。Arduino mega 2560 有一个二级微控制器 ATmega16U2，因此主板能使用 USB 接口与其他设备通信。（2）温度控制模块温度控制模块实现MCU对打印机喷头温
42、度的精确控制，包括测温设备和加设备。温度采集采用热电偶传感器和专用的芯片实现。热电偶是一种常用的测温元器件，其基本原理是两种特殊金属材料组成闭合回路，当两个连接端（一般分为冷端和热端）存在温度差的时候，回路中会有电流产生，两端产生微小的电动势，把温度信号转换为电信号。捕捉这一微小电动势，并通过数模转换巧标定将其转化为湿度值。由于热电偶测量的是冷端和热端的温度差，因此芯片还要测量冷端的温度进行补偿，得到实际的热端温度。还提供SPI通信接口，将测得的温度值反馈给MCU20。加热设备采用专用加巧管，24V供电。借助MOS管用3.3V管脚电平控制24V电的通断21。本文对温度的控制采用的是PID算法，
43、从而改变PWM占空比，使PWM输出更为准确控制加热电压，以达到温度的准确控制的目的。（3）电机的驱动模块电机驱动模块包括行程控制和电机驱动。行程信号采集通过在XYZE个轴的六个极限位置设置行程开关，根据相应IO口的电平信号，判断喷头是否在行程范围之内，防止超出行程范围发撞击。（4）显示及键盘模块LCD+KEY的人机交互。输出由LCD显示屏实现，将打印机的动态反馈给用户；输入主要是由选择不同按键来实现，向打印机发送不同指令，同时用LCD屏来显示信息。本文LCD显示屏选用彩色液品中文显示屏。（5）通讯模块PC端的串口工作TTL信号是12V，而我们一般使用的TTL电平是5V的，为了使信号能够匹配，需
44、要做串口的电平转换。一般的单片机与计算机进行通信时，都需要使用专用的通讯接口芯片进行USB协议转换。采用AVRUSB作为通信接口芯片，只需要普通的低成本AVR单片机以及附属的电子元器件，就可以构成一个数据通信系统，并且，AVRUSB还可以应用到USB加密狗USB、接口的系统控制、低速USB数据采集等23。本成形系统采用USB2.0通用串行总线标准将经上位机软件的成形控制数据信息经数据线发送给数据处理芯片Atmega16，数据经其转换后发送给主控芯片Atmega2560芯片，并通过USB接口传回打印过程中的各类监控信息和当前的打印状态。（6）电源模块Arduino mega 2560有三种供电方
45、式，而且能自动选择供电方式外部直流电源通过电源插座供电。电池连接电源连接器的GND和VIN引脚。USB接口直接供电。电源引脚说明:VIN当外部直流电源接入电源插座时，可以通过VIN向外部供电；也可以通过此引脚向Mega2560直接供电；VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。5V 通过稳压器或USB的5V电压，为UNO上的5V芯片供电。3.3V 通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。GND地脚。另外提供12 V 电压外部电源作为电机驱动、加热喷头、托盘的电源使用3.1.2控制模块硬件工作流程电源模块在每个环节中均有涉及，主板从上位机获取G代码翻译后控制各个模块，同时上传
46、运行数据。主板将G代码翻译后首先控制温度控制模块将喷头、托盘加热至预设温度时，反馈回主板，主板控制定位电机归回到打印原点。由限位开关将是否归零反馈回主板。若到原点，主板一边控制定位电机移动，同时控制吐丝电机配合工作，直至打印完成。控制模块硬件工作流程如图3.2所示。图3.2 控制模块硬件工作流程3.2步进电机选型3.2.1步进电机介绍步进电机的性能直接影响到了整个系统的性能，随着控制技术的不断发展，步进电机技术不断成熟，现在越来越多的领域都离不开步进电机，步进电机是一种增量运动的电磁执行元件，其基本结构如图 3.3所示。步进电机接收外部的电脉冲信号并将其转换为相应的角度位移或者直线位移，电脉冲
47、如 PWM 波等数字信号。每接收到一个脉冲步进电机便移动一个角度，步进电机每次转过的角度跟其本身的特性有关，要想对步进电机实现精确的定位，可以采用控制输给步进电机的脉冲的个数，若控制步进电机的转速，则可采用控制输入脉冲的频率的方法，即步进电机的输出步数总是和输入到步进电机的电脉冲的个数相等，它可以作为开换位置系统工作。图 3.3 步进电机基本结构市场上的步进电机种类非常多，一般情况可分为反应式（Variable Reluctance, VR）、永磁式（Permanent Magnet, PM）和混合式（Hybrid Stepping, HS）三种。构造不同其特性的差别也非常大，各有其特点。其中：反应式：步进电机定子上有绕组，转子由软磁材料组成。结构简单、价格便宜、步距角小（可达 1.2）、但动态性能差、效率低、容易发热，性能不稳定。永磁式：转子是用永磁材料制造而成，它的转子极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩较大，但永磁式电机的精度差，步矩角相对较大（一般为 7.5或 15）。混合式：综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、在转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力