3D印机控制系统设计
(组题目：3D印机研制)
摘
3D 印技术种增材快速成型技术 创新产品设计制造中应越越广泛中 FDM(熔融堆积成型技术) 3D印机具优点包括印程方便材料成低印精度较高印速度快等毕业设计组筛选决定FDM印技术出发点设计研究台FDM 3D印机
次设计两方面印机控制系统进行优化硬件控制电路优化二固件程序函数位机软件参数优化利PC端软件印机进行三维建模硬件控制电路仿真设计切片软件程序参数调整
硬件方面确定印机控器ATmega2560‐16AU 单片机利机丰富资源设计相关控制模块电路包括系统电路 复位电路 USB 串口通信电路电源电路 限位开关检测电路步进电机驱动电路热敏电阻 MOS 驱动电路等模块电路进行细致设计优化效保证印机工作稳定性
固件程序函数位机软件参数方面利arduino105软件运动固件程序函数进行理设计影响印运动精度重参数改进利位机切片软件测试印效果判断印精度速度时长等影响素结合实际作出优印数调整
优化印机具更稳定性印速度精度 连续工作时间变长连续印程中需调整
关键词：3D印控制技术熔融沉积制造硬件电路控制软件程序控制
Design of 3D printer control system
ABSTRACT
3D printing technology is an additive rapid prototyping technology which is more and more widely used in the design and manufacture of innovative products Among them FDM 3D printer has many advantages including convenient printing process low material cost high printing accuracy and fast printing speedTherefore the graduation design team decided to design and research an FDM 3D printer based on FDM printing technology
This design is mainly in the two generous printer control system optimization one is the hardware control circuit optimization the second is the firmware program function and upper computer software parameters optimizationThe PC software is used for 3d modeling simulation design of hardware control circuit and adjustment of chip software and program parameters
HardwareThe main controller of the printer is confirmed to be ATmega2560‐16AU MCUIncluding the minimum system circuit reset circuit USB serial communication circuit power circuit limit switch detection circuit stepper motor drive circuit thermistor and MOS tube drive circuit in each module circuit design optimization effectively ensure the stability of the printer
Firmware function and upper computer software parametersUsing Arduino105 software to carry on the theoretical design of the motion firmware program function mainly is some important parameters that affect the printing motion precision improvementThe upper computer slicing software is also used to test the printing effect judge the factors affecting the printing accuracy speed and duration and make the optimal printing data adjustment in combination with the actual situation
The optimized printer has better stability printing speed and accuracy can work continuously longer continuous printing process does not need to adjust too much
Keywords：3D printing control technology melt deposition manufacturing hardware circuit control software and program control
目录
摘 3
第1章 绪 7
11研究现状意义 7
111国外研究现状 7
112国外流 3D 印技术 8
12 研究目标研究容 8
121研究目标 8
122研究容工作 9
13章结 10
第2章 相关技术介绍分析总结 11
21 FDM 式 3D 印机工作原理组成 11
22 步进电机细分驱动技术 12
221 技术指标 13
222 电机细分驱动技术 13
23 ATMEL 公司研发出AVR 系列单片机 14
24拟解决关键性问题总结研究方法 14
241拟解决关键问题 14
242基思路方法 15
243技术路线 15
25 章结 15
第3章 3D 印机控制系统总体设计计划选型方案 16
31 控制系统整体设计计划介绍 16
32 控板中控芯片选型 17
33 步进电机电机驱动控制芯片选型 18
34 联臂式三角洲运动结构 19
35 位机软件控板电路数通信 20
36 章结 20
第4章 硬件控电路板电路仿真设计 21
41 控电路板中电路模块信号传递总概述 21
42 硬件电路研究途径方法 21
421 AVR 系统电路 22
422 电源电路 24
423 USB 数传输通信电路 25
424 步进电机驱动电路 27
425 限位开关检测电路 28
426 MOS 驱动电路 28
427 热敏电阻检测电路 29
428 控电路板模块组合总布线规 30
43 控电路板展示 31
44 章结 32
第5章 程序控制函数测试优化 33
51 步进电机脉数调试 33
52 联臂三角洲结构运动参数计算 34
53 章结 36
第6章 系统检测切片软件参数测试优化 37
61 硬件电路测试 37
62 系统整体测试 38
63 章结 39
结 41
参 考 文 献 42
谢 辞 43
附录 44
第1章 绪
11研究现状意义
三维印增材制造3D印果前传统制造技术进行较3D印独特优势根软件设计三维模型软件切片材料堆积方法制造出立体印物体早时候3D印技术概念首先科学家查尔斯提rico设计出第台3D印机台印机涉技术数字资源印3D象技术通3D光刻技术固化光敏树脂获专利1989年SLS(激光烧结)技术DE schall发明提出激光烧结通极高功率激光束印材料进行切片分层烧结3D印着印更高难度材料发展直1996年三家早期发展3D印技术公司先推出三款印机分Acute 2100Genisys2402印机世界第批3D印机
现日常生活中少方3D印技术熟悉传统制造业生产加工方式车铣刨磨等零件加工时然处理方法合理部分结构复杂变传统处理方法难实现耗费工序难倒3D印机什模型原理软件分层进行切片处理难结构样制作方法出现3D印前制造方式减材制造会造成废料损失浪费资源利率低3D印加工程中产生废料需花量时间研究加工程优势非常明显说颠覆传统制造技术必会发展前景研究价值
111国外研究现状
西方国家3D印技术早已出现迅速发展行业占世界市场例已达80欧美早已少规模3D印企业策略公司3 d Systems公司美国英国垄断3D印行业
国3D印技术发展迅速图 11 示著名科研团队Reprap 发明款开源型 3D 印机部分配件3D印生产开源印机方案出现刺激3D印机发展 够接触3D印机
现国少学开展3D印技术研究相关技术突破中高功率工业级3D印金属类发展已航空航天设备方面应企业方面发展国少公司做3D印机研发生产销售会国3D印企业发展方
图 11 开源 3D 印机
112国外流 3D 印技术
印需材料特性加工方式分种类 商品化快速成形技术工业级快速成形系统分熔融沉积制造技术光固化成型技术 选择性激光烧结成型 三维印刷成型技术叠层实体制造技术等 图12示 独特印特点适合环境求材料种类求印时般材料种类塑料 陶瓷 木材 石蜡 树脂金属等
图12 市场类印机
12 研究目标研究容
121研究目标
根组研究容组现开源印机情况做优化处理印机稳定性印效率提出更高求 方面足加优化硬件电路进行分析研究 效果影响素进行优化调整 程序参数优化修改印效果更实体组装台 3D 印机完成面优化项目校优化效果终做提高 3D 印印精度稳定性提高印成品质量
122研究容工作
根熔融沉积技术基印原理解相关技术进行总结纳确定设计总方案设计容包括确定 atmega2560‐16AU 单片机核心出发点电路控制模块进行分析研究软件程序参数进行优化装机进行组合调试测试印效果
更详细容包括：
1第章： 绪 课题研究意义国外现状背景 述说引出3D 印技术优点发展优势趋势制造技术简分析现印机市场发展情况潜力时引出开源印记足改进想法 现存问题
2 第二章： 相关技术分析纳 分析FDM 式 印机控制系统组成部分热熔喷头送丝结构运动结构等研究步进电机运作相关电机驱动技术类型时控器芯片相关情况进行介绍分析 AVR 系列单片机进行解认识 接确定系统总设计方案提供理基础
3第三章： 总结两章信息出总体设计计划方案总结计划包括三设计部分分硬件控制电路模块设计优化机械机构理设计软件控制程序参数修改优化
4 第四章：根选型购买控电路板硬件控制电路部分模块设计充分剖析硬件电路中部分电路模块功优化点罗列研究分析印机电信号流逻辑通畅序电路模块工作稳定终列出应连接线路图实物成品电路板
5 第五章： 软件控制参数程序参数修改优化 利程序设计软件电机带动机械结构运动部分固件程序参数进行测试修改位机切片软件设置印数进行测试优化保证印精度质量
6 第六章：系统检测切片软件参数测试优化搭建印机检测排查系统存问题利切片软件测试参数印效果做出调整
13章结
章介绍
3D印机研究现状国外发展情况现流印机印技术种类
二 研究目标研究容研究容进行详细说明明确研究路线思路
章3D印机控制系统进行详细剖析中少思路续深入学研究良基础
第2章 相关技术介绍分析总结
21 FDM 式 3D 印机工作原理组成
熔融挤出堆积成型（FDM） 3D印成型技术中种工作原理图 21 示 控制系统控制机械运动带动印头 印数传输控制 XY 方运动进行切片印通送丝电机机构丝状材料输送挤出头加热成熔融状态 通推送挤压堆积工作台慢慢冷成型 层层印 反复堆积 直完成印
图 21 FDM 印机工作原理
里印机印部分机械结构分送丝机构热熔喷头运动机构三部分进行说明接说明部分影响作分析控制方式
(1)热熔喷头 部分加热块喷头组成图 22 示简易原理图 材料达加热会加热融化 喷嘴挤出 印层粘结快速冷固化整程中关键第点保证温度恒定控制算法采PID 控制通热敏电阻加热电阻实现闭环控制 时刻保持挤出头通畅关键
图 22 印热熔喷头原理图
（2） 送丝机构 送丝机构FDM印机塑料性丝状材料进行输送通常丝状原材料直径 15mm左右印喷嘴洞直径般 25mm左右通利差值融化材料挤压时具定压力样熔融材料挤出时会具定速度会达更印效果 挤出机构采图 23 示 通步进电机带动齿轮轴承进行配合挤压输送条料通控制齿轮半径 利输入脉数电机转动相应步距角控制齿轮达精准控制送丝长度目
图 23 常见送丝挤出机构原理图
（3） 运动机构运动机构类型印机完全结构组成通控制数带动挤出头 XYZ 三轴运动 机构机械结构控制运动精度会直接决定印成品精度 类结构常常三相应电机带动轴运动配合带动印头 常运动机构类型两种类分三角洲联臂结构笛卡尔坐标系结构 两种结构面分析择优进行选择联臂三角洲结构图24示
图24 三角洲联臂运动机构图
22 步进电机细分驱动技术
常常数字信号转换角位移作控制系统控制方式 步进电机种方式进行控制 通控器输入脉转化电信号转化电机转动应步距角进行额定位移输入电机点脉电机会转动角位移间正关系推算电机转速带动位移脉频率间接成正什步进电机通常会开环系统中作执行元件例面绘图机程序控制电机线切割机等等原理
221 技术指标
作控制系统中常见执行元件步进电机 通常分析列数判断工作性作电机选型参考
（1） 相数： 线圈产生N极S极磁场数常 m 表示 电机类型分两相 四相五相等等相数步进电机
（2） 拍数： 完成磁场周期性变化需脉数导电状态n表示指电机转齿距角需脉数
（3） 步距角： 步距角相应脉信号 输入脉电机转子转角度
（4） 定位转矩： 电机通电时 电机转子身锁定力矩磁场齿形谐波机械误差造成
（5） 空载运行频率： 电机加负载情况直接启动时够达频率
222 电机细分驱动技术
控器输入额定脉控制步进电机转动步距角度变 通脉输入精准测算电机转动齿轮半径二者结合实现精准距离控制 步进电机作仅仅局限角位移控制控制精准位移距离场景中 控制系统中然步进电机利脉进行位移控制环境提出需求 控制精度会达预期需重新设计驱动器做途 然步进电机控制 逐渐提出精确控制运行滑等方面求满足控制求较高驱动器出现步进电机细分控制 成问题解决佳方案
年发展迅速单片机技术 步进电机细分驱动创造性 现电机驱动控制采单片机控制单片机作控制器切求行性变强运作原理逻辑框图图 25 示
单片机通计算确定出部分需步距角位移应项绕组中电流值 然分输出DA数模转换器中 数字量转换应模拟电压值 电流环形分配器加部分功放电路 通控制功率放电路相绕组通应电流样达细分控制目
图 25 单片机控制步进电机细分驱动电路结构原理框图
23 ATMEL 公司研发出AVR 系列单片机
AVR 单片机属精简指令集高速 8 位单片机优异性方面包括耗低项性安全稳定性强广泛应通信设备控制工业控制产品控制仪器仪表控制等领域
AVR 单片机具优势特点：
（1） 运算速度快AVR 单片机作高速单片机 AVR 达时钟周期执行条指令速度 绝部分指令单周期指令高速运作体现 单片机 例PIC KSC系列单片机执行条普通指令分需 4 12 时钟周期优势明显
（2） 功耗低 AVR 系列单片机低功耗类型单片机 具省电功功耗极低
（3） 简单易手 相开放成低 控制程序系统支持ISP 方面降低开发成 初学者条 ISP 载线 编辑调试容利软件程序直接通数线写入 AVR 单片机中非常方便傻瓜式操作
24拟解决关键性问题总结研究方法
241拟解决关键问题
类FDM印机轴运动采三角洲结构delta机构控制系统三角洲联臂连接印头整体机构控体首实现三轴联机器驱动电机协控制核心功必须通准确测量计算印机部分硬件结构尺寸修改应控制程序参数达印更高精度产品目硬件电路优化改进开源印机足保证印实时性稳定性次设计加热熔融喷出系统熔融温度准确控制工作台温度控制达良成件效果实现机交互功位机发送G代码印监控工作状态
242基思路方法
实现印速度快精度高耗低求综合分析选择PC位机+微处理器芯片系统模式温度控制PID控制效提高印速度电机控制采梯形加减速法三轴联动算法提高印精度效率减少CPU运作时间
243技术路线
首先基AVR 系列控器处理器Atmega2560单片机控制电路方面进行模块详细研究设计软件部分进行印相关信息参数调试优化硬件软件更配合达优质印效果
步进电机转动带动步带滑块升降速度控制16pulse细分驱动步进电机梯形曲线算法实现三轴联动控制算法协调控制步进电机转动间接带动三角洲联臂XYZ方移动提升印精度稳定性温度控制选择基PID控制法效提高印质量
软件控制方面程序数准确性提出求必须通印机部分运动固件结构尺寸准确测量计算修改应控制程序参数达印更高精度产品目
进行3D印机测试台建立通切片软件测试优化印机性指标否符合求
25 章结
章说明分析 FDM 式 3D 印机部分原理求罗列信息初选型面核心元器件 分析步进电机细分驱动技术作必 提高步进电机精度重意义 介绍 AVR 系列单片机特性 面控芯片选型奠定基础
时研究思路技术路线中明确研究方续硬件控制电路模块设计做铺垫包括软件机械结构部分续方做简说明
第3章 3D 印机控制系统总体设计计划选型方案
31 控制系统整体设计计划介绍
印机控制系统分三部分协调配合组成中分位机软件 硬件控制板电路受控机械运动台总体框图图 31 示
图31 3D印机控制系统总体设计计划框图
位机控制板间 USB 线连接进行串口通讯控制板位机发送命令转化具体控制信号 然数字信号转换相应电信号控制步进电机驱动 加热电阻等模块完成相应动作完成整印流程
32 控板中控芯片选型
基前想法总结预定设计3D印机工作中需量IO端口够进行必数运算选单片机微处理器AVR 高档 (艾特梅尔) ATmega 系列ATmega2560‐16AU 单片机实物样貌图32示
ATmega2560‐16AU单片机种精简指令集计算机 8 位耗极低CMOS微处理器 具先进指令集单周期指令执行时间 数吞吐率够达1MIPSMHz 印机控制系统够避免掉低功耗处理速度快两者出现致
ATmega2560‐16AU 单片机资源方面：
（1） 八位总256K字节Flash编程储存器 具数读时候写入力
（2） 通IO 端口数量达86 32 通寄存器
（3） RTC作必实时时钟 6功定时计数器（TC） 4USART
（4） SPI 串行端口 IEEE11491 规范兼容 JTAG 测试接口
（5） 具进行编程门狗定时器单片机振荡器集相应
（6）耗通软件进行选择种耗模式适应工作环境完全满足印机功耗求
（7）单片机 ISP FLASH 完全通 SPI 接口 通编程器引导程序进行次编程初始化引导程序接口载应程序应FLASH 存储器
综述 设计求ATmega2560‐16AU 单片机够效实现满足
设计基单片机作核心脑进行制作设计控器电路板控电路模块电路安排第四章进行详细硬件电路设计面会阐述
图32 ATMEGA256016AU 单片机微控制器
33 步进电机电机驱动控制芯片选型
3D印机整体运动系统步进电机带动印机印运动方面更效果性步进电机步进电机驱动控制芯片选型尤重
设计采 深圳Usongshine优胜光彩公司17HS4401A 型混合式42步进电机类电机基参数机身 48mm 扭矩 052Nm计算评估完全满足次设计印机运动性求
研究筛选确定步进电机驱动模块 A4988 模块 基样貌图 33 示A4988 模块款常 DMOS 微步驱动器模块 驱动性方面输出电压达 35V高完全满足设计步进电机控制电压需求
A4988 模块具备简单易懂操作等特点 模块单片机电机进行控制时需相位序表高频率电机运转进行独编程控制简单需应引脚输入脉数 驱动步进电机运转 工作全半 14 81 116 等步进模式中 根应场合选择相应细分求模块带电位器调节输出电流调获更高步进率
图 33 A4988模块 步进电机驱动模块
34 联臂式三角洲运动结构
设计桌面级FDM印机工作时需印头固定范围运动印 笛卡尔坐标系结构采三功率电机电机独立运转进行XYZ 三方中方独运动 结合带动挤出头达运动位置 中出电机带动整轴加印头负重进行运动 样明显出会增加电机负担 果设计方考虑机械运动负载方面会严重限制印头运动速度毕竟选型电机功率达求
研究分析终运动机械结构图 34 示联臂式三角洲运动结构 图中出整结构框架体轮廓三根竖柱整印机机架柱时印机械运动导轨34右图示具材特点滑块三滑轮滑轮固定柱槽滑动步带连接着滑块滑块连接着联臂
运动原理控器控制步进电机转动带动步带步带带动滑块滑块运动时带动联滑块联臂杆三杆连接结合末端印头电机间接带动印头印运动 印头圆柱空间运动
种联式结构效减步进电机负载样电机更灵活迅速完成印时减少印时噪声印精度求提升
图 34 联臂式运动结构印机示意图
35 位机软件控板电路数通信
印程中需印软件控器间断进行数传输通讯 样数传输稳定成印重部分 研究决定采数控程序中 G 代码指令控制
G 代码早作种 ISO 标准种数控机床G 代码文件绝数制图软件直接生成 设计采 G 代码进行通信原 避免开发通信协议巨工作量 时提高软件系统兼容性 G 代码中标准坐标系数排机器实际结构差异 增加硬件移植性操作性 设计机械结构稍加改造 便实现印雕刻功
36 章结
章介绍设计中控制系统总体设计计划印机部分选型方案中包括印机控制系统总体设计计划框图控板中控芯片选型 步进电机电机驱动控制芯片选型印运动结构选型位机软件控板电路数通信
控芯片选择采ATmega2560‐16AU单片机 通控板中ATmega2560‐16AU单片机传输信号 A4988 电机驱动模块进行控制步进电机转动 采16 细分驱动模式效提高步进电机控制精度 间接保证终印成品精度
机械运动结构逻辑原理控器控制步进电机转动带动步带步带带动滑块滑块运动时带动联滑块联臂杆三杆连接结合末端印头电机间接带动印头印运动 印头圆柱空间运动
种联臂式三角洲结构运动逻辑简单易懂操作实现够减电机运动负担确保电机寿命印更迅速间接保证印精度求
第4章 硬件控电路板电路仿真设计
41 控电路板中电路模块信号传递总概述
根选购电路板设计3D印机控制电路模块仿真电路中包括单片机系统电路 控制系统复位电路 USB 数传输通信电路电源电路 限位开关检测电路步进电机驱动电路热敏电阻 MOS 驱动电路等 控电路板中电路模块信号传递原理图图 41 示
图 41 控电路板中电路模块信号传递原理图
42 硬件电路研究途径方法
更细致真实完成电路研究选择PCB 仿真设计软件 Altium Designer 10 Proteus Pro 78完成初设计
电路模块进行电流发热保护够清晰明检查测试分析电路焊接情况购买实体电路板采拓展性双层布线方法
421 AVR 系统电路
控制板 ATmega2560 芯片采 TQFP100 封装 仿真图图 42 示 该芯片系统复位电路外部 16MHz 晶振时钟电路
图 42 ATmega2560 芯片系统原理图
（1） 复位电路： ATmega2560 芯片带电复位设计 图 43 示外部复位电路原理图 10K R_R电阻连接拉 VCC电源 22p电容 C_R 接入电路产生干扰种杂波R_R电阻联二极 D3 作电路系统处断电状态时 够 R_R电阻短路短路电阻电容 C_R 利二极特性快速放电里复位电路中电器元件连接方式确保电路次电时完成稳定电动复位功
图 43 ATmega2560 复位电路原理图
（2）时钟电路：时钟电路单片机心脏控制着单片机运作节奏 ATmega2560单片机时钟电路原理图图44示单片机时钟电路配合外部晶体实现振荡电路单片机时钟电路连接 16MHz 晶振稳定工作两22pF 谐振电容联两边 边联 1M 阻值电阻 效降低振荡器增益作 终输出波形接正弦波波形趋稳定节奏
图 44 ATmega2560 时钟电路原理图
422 电源电路
12V100W 开关电源电路板提供电源电路进行流保护串联恢复10A保险丝限流环境输入12V电压直接驱动功率电路步进电机驱动电路印头加热电阻散热风扇等电路需低电压工作单片机 指示灯等工作电压仅5V12V电压转换成5V需二极D1进入VIN通 NPC1117 电压转换器电压转 5V 电压联二极作电路保护 根电压联相应容值瓷片电容钽电电容作滤波电容保证电压波形稳定
图 45 12V电源电压输入电压转换原理图
考虑种情况 电路工作电压仅5V控板电路中程序载位机软件通讯电压保证电路电压稳定提供没必通12V转换方式完成电压提供电脑 USB 接口提供500mA 5V 电源 完全足够电路板基工作
增加种功电源电压选择电源选择模块电压选择模块原理图图 46 示 里采P型沟槽MOS电压进行选择方第二图中出VCC没输入时Q4会时导通状态时USBVCCUSB接口电源提供电路电压电路5V电压工作VCC接入12V电源电压输入时电流流进CMPGVIN 输入电压会 LM358 较器输出MOS 断开USBVCC电源 时工作电路电压12VVCC开关电源提供
电源动选择样程样实现算没外部电源时进行基础软件线调试程序烧入
图 46 VCC 电源选择模块原理图
423 USB 数传输通信电路
控电路板单片机位机软件数信息通信通USB串口实现硬件中采常见USB线进行连接时控芯片载相关程序 次设计USB串口模块芯片采 CH340USB 联接 USB 总线转接芯片 USB串口连接方式 CH340芯片提供通信常 MODEM 连络信号 芯片计算机扩展异步串口 作串口设备直接连接升级 USB 总线图 47 示设计仿真原理图
图 47 USB 串口通信电路原理图
CH340 芯片般5V者33V环境工作 面解次设计低电压5VCH340 芯片采5V工作电压 V3 引脚外接 10nF 电容作电源退耦电容电压稳定5V 芯片正常工作时需12MHz 时钟信号外部芯片 XI 引脚输送 次设计 XI XO两引脚间连接 12MHz 晶体时钟电路 晶体两边接两振荡电容
芯片核 USB拉电阻起电路保护作 UD+ UD‐引脚直接 USB电路 RD+RD‐接口连接 TXDRXD 引脚作数输入直接单片机应串口相连 串口处空闲时TXD RXD 会默认高电次设计两引脚处分加入发光二极 样通发光二极亮者灭判断串口工作状态 便调试
USB 接口电路采接口型USB‐B 型 原理图图 48 示 确保 USB 串口工作稳定性静电保护电路提高识率加 CG0603MLC‐05E二极 USB RD‐ RD+接口处 外壳处添加BLM 磁珠 添加磁珠作消减少限号线产生高频噪声尖峰干扰串联 500mA 恢复保险丝电源 USBVCC 处作流保护
图 48 USB端接口电路原理图
424 步进电机驱动电路
设计印机需控制驱动四步进电机 驱动器模块选 A4988 模块电路原理图图49 示排针引出MS1 MS2 MS3 三接口三接口分电机驱动细分输出模式 Enable引脚控制芯片Step引脚控制芯片步数 Dir 引脚控制芯片方 直接电路板中ATmega2560单片机 IO 端口连接 模块输出端部分MS1 MS2 MS3排针根细分求连接应步进电机 实现调整模块输出脉频率 控制步进电机步数速度
图 49 A4988电机驱动模块电路原理图
425 限位开关检测电路
增设限位开关检测电路检测电机否零 仿真原理图图 410 示总六限位检测轴两电路中Header 三接口分VCC GND 信号分通排针引出 VCC GND 通完整回路导通整模块电路提供电源电路接法常闭接法
正常工作状态时VCC GND 导通 运动系统中滑块运动量越印范围保护运动系统印机硬件会触发限位检测开关 电路断开 单片机通电路中电高低变化确定检测限位开关状态
图 410 限位开关检测电路原理图
426 MOS 驱动电路
设计印机极关键点印头温度做准确控制加热电阻熔融材料温度实时检测否继续加热迅速控制外控制散热风扇开关状态控制印温度印头长时间工作种热保护
根面求设计单片机配合 MOS开关特性实现功次采型号STP55NF06L MOS种 N 沟道增强型MOS工作特性曲线电流电压关系方程图 411 示图中知道工作状态分四区间分变电阻区饱区截止区击穿区 V GS电压开启电压 V T 时电路会电流变化时MOS 会处导通状态
图 411 MOS 特性曲线电压电流关系方程图
设计仿真电路图图 412 示 MOS 门级通连接单片机IO 端口进行信息传输控制 单片机根特性输出高低电控制 MOS 否导通样MOS控制 12V 电压输入加热工作区
图 412 MOS 驱动电路原理图
427 热敏电阻检测电路
3D印机系统温度控制着高求温度控制方面采闭环控制 12V 电压通电阻进行加热升温 温度检测反馈原件采 NTC 热敏电阻 着温度升高降低阻值特性
温度检测电路原理图 413 示 串联47K阻值电阻5V电路中作热敏电阻组成部分 单片机通 AD 连接接口检测热敏电阻两端电压利设定检测程序计算出时阻值应温度
图 413 热敏电阻电路检测原理图
428 控电路板模块组合总布线规
印机电路工作电压12V5V分针电流12V电路串口通信线 设计软件中布线规进行应匹配 12V电流电路步进电机加热电阻等采双层走线方式线宽设置 100mil进行电流保护 电路板保护防止热烧毁电路板 电压电流电路信号线线宽统设 10mil线宽 实物电路板进行覆铜进行接处理 保证电源输出信号传输稳定电路布线规图图414示
图414电路板电路布线规图
43 控电路板展示
面完成电路模块分析设计软件画出控电路板总电路图组合图选购电路板进行电路接线图 415示阻焊层红色 应信息字符白色 铜箔厚度 1oz
图 415 选购电路板电路接线
控电路板正面图电路模块位置图416示 双层布线通排引针导出进行层电路板连接
图 416 控电路板详图
44 章结
章通选型购买控电路板做硬件电路模块设计分析画出电路模块原理图电路连接方式模块电路结构组成原理电器元件位置作做详细说明剖析电路组成深入解印机整体运作提供理印机工作更稳定续设计工作基础展示电路连线图实物电路板图算整电路结构剖析总结性成果展示
第5章 程序控制函数测试优化
开源固件 MARLIN次程序设计基础利纯净版Arduino105软件运动固件程序函数进行理设计烧录影响印运动精度重参数修改图51示
图51固件程序设计烧录软件
51 步进电机脉数调试
挤出头进行精准位置控制印机工作时重部分 作执行机构步进电机工作方式电子脉转换角位移进行转动 软件函数中需预先计算出步带移动距离步进电机脉数间标准值数值
设计三步进电机采完全相连接方式 三参数理完全相等 通公式计算利步进电机旋转周需脉数带动步带距离够算出应参数
通印机具体器件型号 确定相关参数具体数值
Steps： 步进电机转周步数次设计采步距角 18 度步进电机计算出转周步数 200
Microstepping： 步进电机驱动细分设置 设计实现步进电机限度控制精度求 细分驱动数设置 16
BeltPitch： 步带齿间距 次设计采GT2 开口步带 该值 20
PulleyTeech 步齿轮数 GT2 步带相匹配 20 齿步轮 该数值 20
结合计算 步进电机带动步带毫米应脉数应该 853333
确定相关参数数值固件头文件 Configerationh 中 定义电机毫米脉应参数
#define XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION 200 步进电机周步数360步进电机角度 18度步数应该36018200
#define XYZ_MICROSTEPS 16 步进驱动细分数
#define XYZ_BELT_PITCH 2 步带齿间距
#define XYZ_PULLEY_TEETH 20 步轮齿数
#define XYZ_STEPS (XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION * XYZ_MICROSTEPS double(XYZ_BELT_PITCH) double(XYZ_PULLEY_TEETH)) 计算公式：步进电机数*步进驱动细分数步带齿间距步轮齿数
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {853333 85333325601588308}
52 联臂三角洲结构运动参数计算
联臂三角洲结构面运动坐标通数学模型计算转换三竖直滑块相应运动达步运动目图52 示 四参数计算准确 确保数学模型计算正确性 确保达终印精度求达转换运动坐标准确性 需重参数输入固件头文件 Configerationh 中
碳纤维杆长度端球中心端球中心距离 调整参数
#define DELTA_DIAGONAL_ROD 195 mm
印头滑杆水距离 凹凸调整参数
#define DELTA_SMOOTH_ROD_OFFSET 165 mm
效应器球中心印头水距离
#define DELTA_EFFECTOR_OFFSET 35 mm
滑车球中心滑杆水距离
#define DELTA_CARRIAGE_OFFSET 35 mm
图52联臂三角洲结构示意图
参数 1 连接杆长度 通机架机械结构部分设计知 连接杆采图 53示标准连接件200mm 碳纤维杆 尺寸固定 计算出该值195mm
图 53 SI4 型关节轴承尺寸
次设计机械构架做三维建模 建模软件直接测量记录参数 2 参数 3 参数 4数值 印机整体框架图 54示 终测三参数值分 165 35 35
图 54 印机整体框架设计图
53 章结
章开源软件算法固件程序参数进行修改优化两方面
步进电机脉数步距角位移关系参数修改印位移运动精确数基础
二结合印机联臂三角洲结构运动原理类运动部件运动连接传递进行分析研究相关运动连接机构型号尺寸进行准确测量固件程序函数作修改调整
二者参数优化修改印运动精度提升效提高印成品精度
第6章 系统检测切片软件参数测试优化
完成机械框架搭建印机控电路板选型相关配件电路连接成型系统出现问题进行检测 然连接位机切片软件系统进行性测试优印参数调整 首先电路板焊接电路连线进行连通测试 明确电路够稳定工作印机性进行相应调整
图61 实体印机基样貌
61 硬件电路测试
硬件电路整系统工作根首先确保正确导通工作 设计中电路板焊接元器件间连线手工完成 完成电路板选型设计部分进行电路测试 预防面出现部分短路虚焊造成整体电路烧毁情况出现
611 控电路硬件调试
电路板中部分芯片贴片封装焊接时容易造成虚焊者短路情况出现 尤采 TQFP100 封装控芯片确保买电路板没问题货先肉眼观察引脚虚焊然万表反复测试相邻引脚间见没出现短路 确保电路没问题电进行测试
612 步进电机限位开关电路测试
步进电机控制系统中属开环元件 处设计设计限位开关反馈电机运动位置情况 完成相关电路接线 利pc位机软件发送位命令 电机带动滑块运动机架柱方处安装限位开关接触停止 利程观察判断电机移动方距离否正确
613 温度控制电路测试
温度准确控制保持恒定保证印机出丝畅高质量前提条件 线路拼接 利PC位机软件发送控制温度指令 温度设置 200 度 印头风扇温度反馈温度变化曲线图 62 示 出 加热电阻室温加热预设温度约需 2 分钟 会幅震荡趋稳定
图 62风扇温度控制曲线
62 系统整体测试
确认模块接线系统硬件电路没问题 开始进行整体印测试先进行手动调调试印速度 精度两方面印机性进行逐测试图63示
图63 RepetierHost软件调试测试
621 印精度
衡量台 3D 印机性中重标准印精度 然现工业级3D 印机精度微米级 考虑制作工艺工作原理限制 次设计 FDM 式 3D印机肯定法工业级印机相 反复设计调试 终印机印机出精度 01mm 印件印件外部轮廓明显纹路 出丝畅 极少拉丝现象 测量印件精度图 64 示 次件 20mm 立方体测试件 出印机印精度误差约 01达预定精度求
图64 印测试件精度测量
622 印速度
般说 印机印速度印精度成反关系 速度越快 印质量相应越差 次提印速度指印机够正常工作前提高工作速度 次测试 终测出印机高 200mms 速度较质量进行印 超 200mms 印效果会差印机然正常进行工作 速度设定 300mms工作步进电机丢步 现象会时时出现
63 章结
章进行整印机系统调试程关性测试完成印件整体拼装 反复确保电路板接线没问题情况利位机切片软件印机进行印精度速度测试 终测试结果表明 次设计完成 3D 印机稳定高效完成印务 印速度精度方面明显性提升达预设目标
结果显示挤出端挤出机温度应该控制200℃左右工作台（热床）温度60℃左右较印温度波动达±1℃完全符合PLA印材料温度求
性方面规定速度印时印速度误差超002精度误差超01mm控制系统稳定达设计目标验证控制系统效性
结
次设计针 3D 印机现控制系统进行设计优化根选型控电路板相关硬件控制电路模块做仿真设计 程序函数参数软件切片参数方面做调整
毕业设计组根印机方面优化设计进行零配件选购搭建台3D FDM印机优化效果进行全方位测试
针文3D印机控制系统研究设计够充分解实现点包括详细方面
（1） 解 3D 印技术发展现状 常见 FDM 式印机工作原理控制系统进行充分学开拓设计思路确定研究容
（2） 3D 印机控制相关硬件做详细分析研究 针部分需求特点确定实施性方案 详细介绍硬件电路设计程原理
（3）通选型购买控电路板做硬件电路模块设计分析画出电路模块原理图电路连接方式模块电路结构组成原理电器元件位置作做详细说明
（4） 程序部分固件控制函数参数进行修改做控制器输入步进电机脉数位移关系函数调试运动固件部分步进电机带动步带滑块印头运动应坐标准确参数写进控制程序函数外位机软件印数设定进行优化效确保印机印精度
（5） 搭建设计3D印机设计效果进行全面检测
成果方面通反复测试发现次设计完成 3D 印机稳定高效完成印务 印速度精度方面提升达预设目标
参 考 文 献
[1]王云伟 窦满峰 韩英桃 李珺 基AT89C51步进电机适应细分驱动系统设计[J] 电机控制应 2008(05)2628
[2]张海涛 廖文 纪春龙 袁沛华 刘华珠 ZigBee线通讯聊天室设计实现[J] 东莞理工学院学报 2014(03)1620
[3]王天伦 3D印机控制系统设计[J] 中国优秀硕士学位文全文数库 2017(03)7474
[4]陈亮昕 谭敏生 高斌 基ZigBee线传感器网络台设计[J] 智计算机应 2012(01)6365
[5]乐章丝 吴青 飞 庆移 带式输送机输送带压力检测系统设计[J] 物流工程理 2015(06)172174
[6]赵法强 黄李艳 张洪波 智工单文件柜研制[J] 技术市场 2019(03)6061
[7]杨慧 基ATmega1280单片机船舶气象仪[J] 机械理开发 2011(06)190190
[8]刘世安 彭娟 基ZigBee协议线温湿度监测系统设计[J] 沈阳工程学院学报(然科学版) 2011(01)6568
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[11]刘涛 宽带射频检波功率计设计[J] 电子技术软件工程 2017(23)33
[12]赵志铎 桌面级3D印机设计定位研究[J] 设计 2018(7)33
[13]张文兴 镍氢电池充电理系统设计[J] 电子技术软件工程 2019(14)250252
[14]耿德根 学校学生学电子什选AVR单片机[J] 中国现代教育装备 2003(03)3132
[15]汤剑锋 ATmega128单片机仿真系统设计实现[J] 荆楚理工学院学报 2009(07)2733
[16]刘志 栾楠 刘宝生 基G代码工业机器动编程[J] 机器 2002(06)1822
[17]王亭亭 矿带式输送机安全监测系统研究[J] 中国优秀硕士学位文全文数库 2016(02)9292
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[20]Paul G 3D Printing Technology and its Application[J] Anatomical Sciences
Education 2015 10(3) 430450
As an additive manufacturing (AM) technique threedimensional (3D) printing enables customized fabrication of 3D constructs based on computer aided design (CAD) software or images obtained from computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) Firstly developed in the 1980s 3D printing technology was called rapid prototype technology and has been well applied in a variety of industries with different printing techniques and materials With the rapid development of 3D printer the overall 3D printing market grew to 99 billion in 2018 and is expected to reach 348 billion in 2024 The medical 3D printing market is expected to maintain significant growth due to the huge potential demand for costumed medical products Currently with the expiry of many 3D printing patents (including stereolithography and selective laser sintering) 3D printers and products are becoming cheaper and easy to access
3D printing technology has been widely applied in a variety of industries including aviation geoscience education clothing medical and pharmaceuticals Among these medical and pharmaceutical industries orthopedic and dental applications are favorable to embrace the 3D printing technology It is related to the demand for the patientspecific design and fabrication of the final devices Personalized devices manufactured preoperationally are benefited for the efficiency and accuracy For medical education and surgical planning 3D anatomical models are printed subtly with microscopic anatomy structures Tissue and organ printing is an emerging field that mainly focused on regenerative medicine and tissue engineering by both academy and industry Based on it preclinical patientspecific disease models are used for drug testings and screenings 3D printing technology is merging with traditional pharmaceuticals for the development of dosecustomized drugs
In this review recent techniques and applications of 3D printing in medical materials are well summarized Common AM techniques and printable materials are presented for better understanding of their potential limitations and applications Medical applications including tissue engineering anatomical models apparatus and instruments with 3D printing technology are also provided and summarized We finally demonstrate our concluding remarks and future outlook on 3D printing in medical materials
译文
3D印技术应
作种增材制造(AM)技术三维(3D)印够基计算机辅助设计(CAD)软件计算机断层扫描(CT)磁振成(MRI)获图定制制作三维结构3D印技术早出现20世纪80年代称快速原型技术(rapid prototype technology)已印刷技术材料行业应着3D印机快速发展2018年整体3D印市场规模达99亿美元预计2024年达348亿美元服装医疗产品巨潜需求预计医疗3D印市场保持显著增长目前着许3D印专利(包括立体印刷选择性激光烧结)期3D印机产品变更便宜更容易获
3D印技术已广泛应航空球科学教育服装医疗等行业特药物行业医疗制药行业中骨科牙科应利发展3D印技术患者特定设计终设备(关节假体手术指南牙齿修复)需求关操作前生产性化设备会提高效率准确性医学教育手术规划3D解剖模型通显微解剖结构精细印组织器官印新兴领域学术界工业界关注生医学组织工程基础应床前患者特异性疾病模型进行药物试验筛选3D印技术正传统药物相结合开发出量身定制药物
文综述年3D印技术医疗材料中应更解潜力限制应文介绍常AM技术印材料介绍三维印技术医学应包括组织工程解剖模型仪器仪器等3D印医疗材料中应进行总结展
附录2
固件程序附录
#ifndef CONFIGURATION_H
#define CONFIGURATION_H
MICROMAKE 3D印机 三角洲结构配置
#define DELTA
减数值缓解卡顿现象修改120进行测试
#define DELTA_SEGMENTS_PER_SECOND 160
碳杆长度端球中心端球中心距离 调整参数
#define DELTA_DIAGONAL_ROD 195 mm
印头滑杆水距离 凹凸调整参数
#define DELTA_SMOOTH_ROD_OFFSET 165 mm
效应器球中心印头水距离
#define DELTA_EFFECTOR_OFFSET 35 mm
滑车球中心滑杆水距离
#define DELTA_CARRIAGE_OFFSET 35 mm
三角洲半径（印头滑杆水距离效应器球中心印头水距离滑车球中心滑杆水距离）
#define DELTA_RADIUS (DELTA_SMOOTH_ROD_OFFSETDELTA_EFFECTOR_OFFSETDELTA_CARRIAGE_OFFSET)
印半径
#define DELTA_PRINTABLE_RADIUS 700
#define SIN_60 08660254037844386
#define COS_60 05
#define DELTA_TOWER1_X SIN_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER1_Y COS_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER2_X SIN_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER2_Y COS_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER3_X 00
#define DELTA_TOWER3_Y DELTA_RADIUS
#define DELTA_DIAGONAL_ROD_2 pow(DELTA_DIAGONAL_ROD2)
机械方面设置
轴设置
#define NUM_AXIS 4 轴数量轴配置序X Y Z E
#define HOMING_FEEDRATE {60*60 60*60 60*60 0} 配置位时速度
#define XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION 200 步进电机周步数360步进电机角度
18度步数应该36018200果09度电机话 36009400
#define XYZ_MICROSTEPS 16 步进驱动细分数
#define XYZ_BELT_PITCH 2 步带齿间距
#define XYZ_PULLEY_TEETH 20 步轮齿数
#define XYZ_STEPS (XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION * XYZ_MICROSTEPS double(XYZ_BELT_PITCH) double(XYZ_PULLEY_TEETH))
计算公式：步进电机数*步进驱动细分数步带齿间距步轮齿数
附录3
控电路板仿真设计图
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3D印机控制系统设计
(组题目：3D印机研制)
摘
3D 印技术种增材快速成型技术 创新产品设计制造中应越越广泛中 FDM(熔融堆积成型技术) 3D印机具优点包括印程方便材料成低印精度较高印速度快等毕业设计组筛选决定FDM印技术出发点设计研究台FDM 3D印机
次设计两方面印机控制系统进行优化硬件控制电路优化二固件程序函数位机软件参数优化利PC端软件印机进行三维建模硬件控制电路仿真设计切片软件程序参数调整
硬件方面确定印机控器ATmega2560‐16AU 单片机利机丰富资源设计相关控制模块电路包括系统电路 复位电路 USB 串口通信电路电源电路 限位开关检测电路步进电机驱动电路热敏电阻 MOS 驱动电路等模块电路进行细致设计优化效保证印机工作稳定性
固件程序函数位机软件参数方面利arduino105软件运动固件程序函数进行理设计影响印运动精度重参数改进利位机切片软件测试印效果判断印精度速度时长等影响素结合实际作出优印数调整
优化印机具更稳定性印速度精度 连续工作时间变长连续印程中需调整
关键词：3D印控制技术熔融沉积制造硬件电路控制软件程序控制
Design of 3D printer control system
ABSTRACT
3D printing technology is an additive rapid prototyping technology which is more and more widely used in the design and manufacture of innovative products Among them FDM 3D printer has many advantages including convenient printing process low material cost high printing accuracy and fast printing speedTherefore the graduation design team decided to design and research an FDM 3D printer based on FDM printing technology
This design is mainly in the two generous printer control system optimization one is the hardware control circuit optimization the second is the firmware program function and upper computer software parameters optimizationThe PC software is used for 3d modeling simulation design of hardware control circuit and adjustment of chip software and program parameters
HardwareThe main controller of the printer is confirmed to be ATmega2560‐16AU MCUIncluding the minimum system circuit reset circuit USB serial communication circuit power circuit limit switch detection circuit stepper motor drive circuit thermistor and MOS tube drive circuit in each module circuit design optimization effectively ensure the stability of the printer
Firmware function and upper computer software parametersUsing Arduino105 software to carry on the theoretical design of the motion firmware program function mainly is some important parameters that affect the printing motion precision improvementThe upper computer slicing software is also used to test the printing effect judge the factors affecting the printing accuracy speed and duration and make the optimal printing data adjustment in combination with the actual situation
The optimized printer has better stability printing speed and accuracy can work continuously longer continuous printing process does not need to adjust too much
Keywords：3D printing control technology melt deposition manufacturing hardware circuit control software and program control
目录
摘 3
第1章 绪 7
11研究现状意义 7
111国外研究现状 7
112国外流 3D 印技术 8
12 研究目标研究容 8
121研究目标 8
122研究容工作 9
13章结 10
第2章 相关技术介绍分析总结 11
21 FDM 式 3D 印机工作原理组成 11
22 步进电机细分驱动技术 12
221 技术指标 13
222 电机细分驱动技术 13
23 ATMEL 公司研发出AVR 系列单片机 14
24拟解决关键性问题总结研究方法 14
241拟解决关键问题 14
242基思路方法 15
243技术路线 15
25 章结 15
第3章 3D 印机控制系统总体设计计划选型方案 16
31 控制系统整体设计计划介绍 16
32 控板中控芯片选型 17
33 步进电机电机驱动控制芯片选型 18
34 联臂式三角洲运动结构 19
35 位机软件控板电路数通信 20
36 章结 20
第4章 硬件控电路板电路仿真设计 21
41 控电路板中电路模块信号传递总概述 21
42 硬件电路研究途径方法 21
421 AVR 系统电路 22
422 电源电路 24
423 USB 数传输通信电路 25
424 步进电机驱动电路 27
425 限位开关检测电路 28
426 MOS 驱动电路 28
427 热敏电阻检测电路 29
428 控电路板模块组合总布线规 30
43 控电路板展示 31
44 章结 32
第5章 程序控制函数测试优化 33
51 步进电机脉数调试 33
52 联臂三角洲结构运动参数计算 34
53 章结 36
第6章 系统检测切片软件参数测试优化 37
61 硬件电路测试 37
62 系统整体测试 38
63 章结 39
结 41
参 考 文 献 42
谢 辞 43
附录 44
第1章 绪
11研究现状意义
三维印增材制造3D印果前传统制造技术进行较3D印独特优势根软件设计三维模型软件切片材料堆积方法制造出立体印物体早时候3D印技术概念首先科学家查尔斯提rico设计出第台3D印机台印机涉技术数字资源印3D象技术通3D光刻技术固化光敏树脂获专利1989年SLS(激光烧结)技术DE schall发明提出激光烧结通极高功率激光束印材料进行切片分层烧结3D印着印更高难度材料发展直1996年三家早期发展3D印技术公司先推出三款印机分Acute 2100Genisys2402印机世界第批3D印机
现日常生活中少方3D印技术熟悉传统制造业生产加工方式车铣刨磨等零件加工时然处理方法合理部分结构复杂变传统处理方法难实现耗费工序难倒3D印机什模型原理软件分层进行切片处理难结构样制作方法出现3D印前制造方式减材制造会造成废料损失浪费资源利率低3D印加工程中产生废料需花量时间研究加工程优势非常明显说颠覆传统制造技术必会发展前景研究价值
111国外研究现状
西方国家3D印技术早已出现迅速发展行业占世界市场例已达80欧美早已少规模3D印企业策略公司3 d Systems公司美国英国垄断3D印行业
国3D印技术发展迅速图 11 示著名科研团队Reprap 发明款开源型 3D 印机部分配件3D印生产开源印机方案出现刺激3D印机发展 够接触3D印机
现国少学开展3D印技术研究相关技术突破中高功率工业级3D印金属类发展已航空航天设备方面应企业方面发展国少公司做3D印机研发生产销售会国3D印企业发展方
图 11 开源 3D 印机
112国外流 3D 印技术
印需材料特性加工方式分种类 商品化快速成形技术工业级快速成形系统分熔融沉积制造技术光固化成型技术 选择性激光烧结成型 三维印刷成型技术叠层实体制造技术等 图12示 独特印特点适合环境求材料种类求印时般材料种类塑料 陶瓷 木材 石蜡 树脂金属等
图12 市场类印机
12 研究目标研究容
121研究目标
根组研究容组现开源印机情况做优化处理印机稳定性印效率提出更高求 方面足加优化硬件电路进行分析研究 效果影响素进行优化调整 程序参数优化修改印效果更实体组装台 3D 印机完成面优化项目校优化效果终做提高 3D 印印精度稳定性提高印成品质量
122研究容工作
根熔融沉积技术基印原理解相关技术进行总结纳确定设计总方案设计容包括确定 atmega2560‐16AU 单片机核心出发点电路控制模块进行分析研究软件程序参数进行优化装机进行组合调试测试印效果
更详细容包括：
1第章： 绪 课题研究意义国外现状背景 述说引出3D 印技术优点发展优势趋势制造技术简分析现印机市场发展情况潜力时引出开源印记足改进想法 现存问题
2 第二章： 相关技术分析纳 分析FDM 式 印机控制系统组成部分热熔喷头送丝结构运动结构等研究步进电机运作相关电机驱动技术类型时控器芯片相关情况进行介绍分析 AVR 系列单片机进行解认识 接确定系统总设计方案提供理基础
3第三章： 总结两章信息出总体设计计划方案总结计划包括三设计部分分硬件控制电路模块设计优化机械机构理设计软件控制程序参数修改优化
4 第四章：根选型购买控电路板硬件控制电路部分模块设计充分剖析硬件电路中部分电路模块功优化点罗列研究分析印机电信号流逻辑通畅序电路模块工作稳定终列出应连接线路图实物成品电路板
5 第五章： 软件控制参数程序参数修改优化 利程序设计软件电机带动机械结构运动部分固件程序参数进行测试修改位机切片软件设置印数进行测试优化保证印精度质量
6 第六章：系统检测切片软件参数测试优化搭建印机检测排查系统存问题利切片软件测试参数印效果做出调整
13章结
章介绍
3D印机研究现状国外发展情况现流印机印技术种类
二 研究目标研究容研究容进行详细说明明确研究路线思路
章3D印机控制系统进行详细剖析中少思路续深入学研究良基础
第2章 相关技术介绍分析总结
21 FDM 式 3D 印机工作原理组成
熔融挤出堆积成型（FDM） 3D印成型技术中种工作原理图 21 示 控制系统控制机械运动带动印头 印数传输控制 XY 方运动进行切片印通送丝电机机构丝状材料输送挤出头加热成熔融状态 通推送挤压堆积工作台慢慢冷成型 层层印 反复堆积 直完成印
图 21 FDM 印机工作原理
里印机印部分机械结构分送丝机构热熔喷头运动机构三部分进行说明接说明部分影响作分析控制方式
(1)热熔喷头 部分加热块喷头组成图 22 示简易原理图 材料达加热会加热融化 喷嘴挤出 印层粘结快速冷固化整程中关键第点保证温度恒定控制算法采PID 控制通热敏电阻加热电阻实现闭环控制 时刻保持挤出头通畅关键
图 22 印热熔喷头原理图
（2） 送丝机构 送丝机构FDM印机塑料性丝状材料进行输送通常丝状原材料直径 15mm左右印喷嘴洞直径般 25mm左右通利差值融化材料挤压时具定压力样熔融材料挤出时会具定速度会达更印效果 挤出机构采图 23 示 通步进电机带动齿轮轴承进行配合挤压输送条料通控制齿轮半径 利输入脉数电机转动相应步距角控制齿轮达精准控制送丝长度目
图 23 常见送丝挤出机构原理图
（3） 运动机构运动机构类型印机完全结构组成通控制数带动挤出头 XYZ 三轴运动 机构机械结构控制运动精度会直接决定印成品精度 类结构常常三相应电机带动轴运动配合带动印头 常运动机构类型两种类分三角洲联臂结构笛卡尔坐标系结构 两种结构面分析择优进行选择联臂三角洲结构图24示
图24 三角洲联臂运动机构图
22 步进电机细分驱动技术
常常数字信号转换角位移作控制系统控制方式 步进电机种方式进行控制 通控器输入脉转化电信号转化电机转动应步距角进行额定位移输入电机点脉电机会转动角位移间正关系推算电机转速带动位移脉频率间接成正什步进电机通常会开环系统中作执行元件例面绘图机程序控制电机线切割机等等原理
221 技术指标
作控制系统中常见执行元件步进电机 通常分析列数判断工作性作电机选型参考
（1） 相数： 线圈产生N极S极磁场数常 m 表示 电机类型分两相 四相五相等等相数步进电机
（2） 拍数： 完成磁场周期性变化需脉数导电状态n表示指电机转齿距角需脉数
（3） 步距角： 步距角相应脉信号 输入脉电机转子转角度
（4） 定位转矩： 电机通电时 电机转子身锁定力矩磁场齿形谐波机械误差造成
（5） 空载运行频率： 电机加负载情况直接启动时够达频率
222 电机细分驱动技术
控器输入额定脉控制步进电机转动步距角度变 通脉输入精准测算电机转动齿轮半径二者结合实现精准距离控制 步进电机作仅仅局限角位移控制控制精准位移距离场景中 控制系统中然步进电机利脉进行位移控制环境提出需求 控制精度会达预期需重新设计驱动器做途 然步进电机控制 逐渐提出精确控制运行滑等方面求满足控制求较高驱动器出现步进电机细分控制 成问题解决佳方案
年发展迅速单片机技术 步进电机细分驱动创造性 现电机驱动控制采单片机控制单片机作控制器切求行性变强运作原理逻辑框图图 25 示
单片机通计算确定出部分需步距角位移应项绕组中电流值 然分输出DA数模转换器中 数字量转换应模拟电压值 电流环形分配器加部分功放电路 通控制功率放电路相绕组通应电流样达细分控制目
图 25 单片机控制步进电机细分驱动电路结构原理框图
23 ATMEL 公司研发出AVR 系列单片机
AVR 单片机属精简指令集高速 8 位单片机优异性方面包括耗低项性安全稳定性强广泛应通信设备控制工业控制产品控制仪器仪表控制等领域
AVR 单片机具优势特点：
（1） 运算速度快AVR 单片机作高速单片机 AVR 达时钟周期执行条指令速度 绝部分指令单周期指令高速运作体现 单片机 例PIC KSC系列单片机执行条普通指令分需 4 12 时钟周期优势明显
（2） 功耗低 AVR 系列单片机低功耗类型单片机 具省电功功耗极低
（3） 简单易手 相开放成低 控制程序系统支持ISP 方面降低开发成 初学者条 ISP 载线 编辑调试容利软件程序直接通数线写入 AVR 单片机中非常方便傻瓜式操作
24拟解决关键性问题总结研究方法
241拟解决关键问题
类FDM印机轴运动采三角洲结构delta机构控制系统三角洲联臂连接印头整体机构控体首实现三轴联机器驱动电机协控制核心功必须通准确测量计算印机部分硬件结构尺寸修改应控制程序参数达印更高精度产品目硬件电路优化改进开源印机足保证印实时性稳定性次设计加热熔融喷出系统熔融温度准确控制工作台温度控制达良成件效果实现机交互功位机发送G代码印监控工作状态
242基思路方法
实现印速度快精度高耗低求综合分析选择PC位机+微处理器芯片系统模式温度控制PID控制效提高印速度电机控制采梯形加减速法三轴联动算法提高印精度效率减少CPU运作时间
243技术路线
首先基AVR 系列控器处理器Atmega2560单片机控制电路方面进行模块详细研究设计软件部分进行印相关信息参数调试优化硬件软件更配合达优质印效果
步进电机转动带动步带滑块升降速度控制16pulse细分驱动步进电机梯形曲线算法实现三轴联动控制算法协调控制步进电机转动间接带动三角洲联臂XYZ方移动提升印精度稳定性温度控制选择基PID控制法效提高印质量
软件控制方面程序数准确性提出求必须通印机部分运动固件结构尺寸准确测量计算修改应控制程序参数达印更高精度产品目
进行3D印机测试台建立通切片软件测试优化印机性指标否符合求
25 章结
章说明分析 FDM 式 3D 印机部分原理求罗列信息初选型面核心元器件 分析步进电机细分驱动技术作必 提高步进电机精度重意义 介绍 AVR 系列单片机特性 面控芯片选型奠定基础
时研究思路技术路线中明确研究方续硬件控制电路模块设计做铺垫包括软件机械结构部分续方做简说明
第3章 3D 印机控制系统总体设计计划选型方案
31 控制系统整体设计计划介绍
印机控制系统分三部分协调配合组成中分位机软件 硬件控制板电路受控机械运动台总体框图图 31 示
图31 3D印机控制系统总体设计计划框图
位机控制板间 USB 线连接进行串口通讯控制板位机发送命令转化具体控制信号 然数字信号转换相应电信号控制步进电机驱动 加热电阻等模块完成相应动作完成整印流程
32 控板中控芯片选型
基前想法总结预定设计3D印机工作中需量IO端口够进行必数运算选单片机微处理器AVR 高档 (艾特梅尔) ATmega 系列ATmega2560‐16AU 单片机实物样貌图32示
ATmega2560‐16AU单片机种精简指令集计算机 8 位耗极低CMOS微处理器 具先进指令集单周期指令执行时间 数吞吐率够达1MIPSMHz 印机控制系统够避免掉低功耗处理速度快两者出现致
ATmega2560‐16AU 单片机资源方面：
（1） 八位总256K字节Flash编程储存器 具数读时候写入力
（2） 通IO 端口数量达86 32 通寄存器
（3） RTC作必实时时钟 6功定时计数器（TC） 4USART
（4） SPI 串行端口 IEEE11491 规范兼容 JTAG 测试接口
（5） 具进行编程门狗定时器单片机振荡器集相应
（6）耗通软件进行选择种耗模式适应工作环境完全满足印机功耗求
（7）单片机 ISP FLASH 完全通 SPI 接口 通编程器引导程序进行次编程初始化引导程序接口载应程序应FLASH 存储器
综述 设计求ATmega2560‐16AU 单片机够效实现满足
设计基单片机作核心脑进行制作设计控器电路板控电路模块电路安排第四章进行详细硬件电路设计面会阐述
图32 ATMEGA256016AU 单片机微控制器
33 步进电机电机驱动控制芯片选型
3D印机整体运动系统步进电机带动印机印运动方面更效果性步进电机步进电机驱动控制芯片选型尤重
设计采 深圳Usongshine优胜光彩公司17HS4401A 型混合式42步进电机类电机基参数机身 48mm 扭矩 052Nm计算评估完全满足次设计印机运动性求
研究筛选确定步进电机驱动模块 A4988 模块 基样貌图 33 示A4988 模块款常 DMOS 微步驱动器模块 驱动性方面输出电压达 35V高完全满足设计步进电机控制电压需求
A4988 模块具备简单易懂操作等特点 模块单片机电机进行控制时需相位序表高频率电机运转进行独编程控制简单需应引脚输入脉数 驱动步进电机运转 工作全半 14 81 116 等步进模式中 根应场合选择相应细分求模块带电位器调节输出电流调获更高步进率
图 33 A4988模块 步进电机驱动模块
34 联臂式三角洲运动结构
设计桌面级FDM印机工作时需印头固定范围运动印 笛卡尔坐标系结构采三功率电机电机独立运转进行XYZ 三方中方独运动 结合带动挤出头达运动位置 中出电机带动整轴加印头负重进行运动 样明显出会增加电机负担 果设计方考虑机械运动负载方面会严重限制印头运动速度毕竟选型电机功率达求
研究分析终运动机械结构图 34 示联臂式三角洲运动结构 图中出整结构框架体轮廓三根竖柱整印机机架柱时印机械运动导轨34右图示具材特点滑块三滑轮滑轮固定柱槽滑动步带连接着滑块滑块连接着联臂
运动原理控器控制步进电机转动带动步带步带带动滑块滑块运动时带动联滑块联臂杆三杆连接结合末端印头电机间接带动印头印运动 印头圆柱空间运动
种联式结构效减步进电机负载样电机更灵活迅速完成印时减少印时噪声印精度求提升
图 34 联臂式运动结构印机示意图
35 位机软件控板电路数通信
印程中需印软件控器间断进行数传输通讯 样数传输稳定成印重部分 研究决定采数控程序中 G 代码指令控制
G 代码早作种 ISO 标准种数控机床G 代码文件绝数制图软件直接生成 设计采 G 代码进行通信原 避免开发通信协议巨工作量 时提高软件系统兼容性 G 代码中标准坐标系数排机器实际结构差异 增加硬件移植性操作性 设计机械结构稍加改造 便实现印雕刻功
36 章结
章介绍设计中控制系统总体设计计划印机部分选型方案中包括印机控制系统总体设计计划框图控板中控芯片选型 步进电机电机驱动控制芯片选型印运动结构选型位机软件控板电路数通信
控芯片选择采ATmega2560‐16AU单片机 通控板中ATmega2560‐16AU单片机传输信号 A4988 电机驱动模块进行控制步进电机转动 采16 细分驱动模式效提高步进电机控制精度 间接保证终印成品精度
机械运动结构逻辑原理控器控制步进电机转动带动步带步带带动滑块滑块运动时带动联滑块联臂杆三杆连接结合末端印头电机间接带动印头印运动 印头圆柱空间运动
种联臂式三角洲结构运动逻辑简单易懂操作实现够减电机运动负担确保电机寿命印更迅速间接保证印精度求
第4章 硬件控电路板电路仿真设计
41 控电路板中电路模块信号传递总概述
根选购电路板设计3D印机控制电路模块仿真电路中包括单片机系统电路 控制系统复位电路 USB 数传输通信电路电源电路 限位开关检测电路步进电机驱动电路热敏电阻 MOS 驱动电路等 控电路板中电路模块信号传递原理图图 41 示
图 41 控电路板中电路模块信号传递原理图
42 硬件电路研究途径方法
更细致真实完成电路研究选择PCB 仿真设计软件 Altium Designer 10 Proteus Pro 78完成初设计
电路模块进行电流发热保护够清晰明检查测试分析电路焊接情况购买实体电路板采拓展性双层布线方法
421 AVR 系统电路
控制板 ATmega2560 芯片采 TQFP100 封装 仿真图图 42 示 该芯片系统复位电路外部 16MHz 晶振时钟电路
图 42 ATmega2560 芯片系统原理图
（1） 复位电路： ATmega2560 芯片带电复位设计 图 43 示外部复位电路原理图 10K R_R电阻连接拉 VCC电源 22p电容 C_R 接入电路产生干扰种杂波R_R电阻联二极 D3 作电路系统处断电状态时 够 R_R电阻短路短路电阻电容 C_R 利二极特性快速放电里复位电路中电器元件连接方式确保电路次电时完成稳定电动复位功
图 43 ATmega2560 复位电路原理图
（2）时钟电路：时钟电路单片机心脏控制着单片机运作节奏 ATmega2560单片机时钟电路原理图图44示单片机时钟电路配合外部晶体实现振荡电路单片机时钟电路连接 16MHz 晶振稳定工作两22pF 谐振电容联两边 边联 1M 阻值电阻 效降低振荡器增益作 终输出波形接正弦波波形趋稳定节奏
图 44 ATmega2560 时钟电路原理图
422 电源电路
12V100W 开关电源电路板提供电源电路进行流保护串联恢复10A保险丝限流环境输入12V电压直接驱动功率电路步进电机驱动电路印头加热电阻散热风扇等电路需低电压工作单片机 指示灯等工作电压仅5V12V电压转换成5V需二极D1进入VIN通 NPC1117 电压转换器电压转 5V 电压联二极作电路保护 根电压联相应容值瓷片电容钽电电容作滤波电容保证电压波形稳定
图 45 12V电源电压输入电压转换原理图
考虑种情况 电路工作电压仅5V控板电路中程序载位机软件通讯电压保证电路电压稳定提供没必通12V转换方式完成电压提供电脑 USB 接口提供500mA 5V 电源 完全足够电路板基工作
增加种功电源电压选择电源选择模块电压选择模块原理图图 46 示 里采P型沟槽MOS电压进行选择方第二图中出VCC没输入时Q4会时导通状态时USBVCCUSB接口电源提供电路电压电路5V电压工作VCC接入12V电源电压输入时电流流进CMPGVIN 输入电压会 LM358 较器输出MOS 断开USBVCC电源 时工作电路电压12VVCC开关电源提供
电源动选择样程样实现算没外部电源时进行基础软件线调试程序烧入
图 46 VCC 电源选择模块原理图
423 USB 数传输通信电路
控电路板单片机位机软件数信息通信通USB串口实现硬件中采常见USB线进行连接时控芯片载相关程序 次设计USB串口模块芯片采 CH340USB 联接 USB 总线转接芯片 USB串口连接方式 CH340芯片提供通信常 MODEM 连络信号 芯片计算机扩展异步串口 作串口设备直接连接升级 USB 总线图 47 示设计仿真原理图
图 47 USB 串口通信电路原理图
CH340 芯片般5V者33V环境工作 面解次设计低电压5VCH340 芯片采5V工作电压 V3 引脚外接 10nF 电容作电源退耦电容电压稳定5V 芯片正常工作时需12MHz 时钟信号外部芯片 XI 引脚输送 次设计 XI XO两引脚间连接 12MHz 晶体时钟电路 晶体两边接两振荡电容
芯片核 USB拉电阻起电路保护作 UD+ UD‐引脚直接 USB电路 RD+RD‐接口连接 TXDRXD 引脚作数输入直接单片机应串口相连 串口处空闲时TXD RXD 会默认高电次设计两引脚处分加入发光二极 样通发光二极亮者灭判断串口工作状态 便调试
USB 接口电路采接口型USB‐B 型 原理图图 48 示 确保 USB 串口工作稳定性静电保护电路提高识率加 CG0603MLC‐05E二极 USB RD‐ RD+接口处 外壳处添加BLM 磁珠 添加磁珠作消减少限号线产生高频噪声尖峰干扰串联 500mA 恢复保险丝电源 USBVCC 处作流保护
图 48 USB端接口电路原理图
424 步进电机驱动电路
设计印机需控制驱动四步进电机 驱动器模块选 A4988 模块电路原理图图49 示排针引出MS1 MS2 MS3 三接口三接口分电机驱动细分输出模式 Enable引脚控制芯片Step引脚控制芯片步数 Dir 引脚控制芯片方 直接电路板中ATmega2560单片机 IO 端口连接 模块输出端部分MS1 MS2 MS3排针根细分求连接应步进电机 实现调整模块输出脉频率 控制步进电机步数速度
图 49 A4988电机驱动模块电路原理图
425 限位开关检测电路
增设限位开关检测电路检测电机否零 仿真原理图图 410 示总六限位检测轴两电路中Header 三接口分VCC GND 信号分通排针引出 VCC GND 通完整回路导通整模块电路提供电源电路接法常闭接法
正常工作状态时VCC GND 导通 运动系统中滑块运动量越印范围保护运动系统印机硬件会触发限位检测开关 电路断开 单片机通电路中电高低变化确定检测限位开关状态
图 410 限位开关检测电路原理图
426 MOS 驱动电路
设计印机极关键点印头温度做准确控制加热电阻熔融材料温度实时检测否继续加热迅速控制外控制散热风扇开关状态控制印温度印头长时间工作种热保护
根面求设计单片机配合 MOS开关特性实现功次采型号STP55NF06L MOS种 N 沟道增强型MOS工作特性曲线电流电压关系方程图 411 示图中知道工作状态分四区间分变电阻区饱区截止区击穿区 V GS电压开启电压 V T 时电路会电流变化时MOS 会处导通状态
图 411 MOS 特性曲线电压电流关系方程图
设计仿真电路图图 412 示 MOS 门级通连接单片机IO 端口进行信息传输控制 单片机根特性输出高低电控制 MOS 否导通样MOS控制 12V 电压输入加热工作区
图 412 MOS 驱动电路原理图
427 热敏电阻检测电路
3D印机系统温度控制着高求温度控制方面采闭环控制 12V 电压通电阻进行加热升温 温度检测反馈原件采 NTC 热敏电阻 着温度升高降低阻值特性
温度检测电路原理图 413 示 串联47K阻值电阻5V电路中作热敏电阻组成部分 单片机通 AD 连接接口检测热敏电阻两端电压利设定检测程序计算出时阻值应温度
图 413 热敏电阻电路检测原理图
428 控电路板模块组合总布线规
印机电路工作电压12V5V分针电流12V电路串口通信线 设计软件中布线规进行应匹配 12V电流电路步进电机加热电阻等采双层走线方式线宽设置 100mil进行电流保护 电路板保护防止热烧毁电路板 电压电流电路信号线线宽统设 10mil线宽 实物电路板进行覆铜进行接处理 保证电源输出信号传输稳定电路布线规图图414示
图414电路板电路布线规图
43 控电路板展示
面完成电路模块分析设计软件画出控电路板总电路图组合图选购电路板进行电路接线图 415示阻焊层红色 应信息字符白色 铜箔厚度 1oz
图 415 选购电路板电路接线
控电路板正面图电路模块位置图416示 双层布线通排引针导出进行层电路板连接
图 416 控电路板详图
44 章结
章通选型购买控电路板做硬件电路模块设计分析画出电路模块原理图电路连接方式模块电路结构组成原理电器元件位置作做详细说明剖析电路组成深入解印机整体运作提供理印机工作更稳定续设计工作基础展示电路连线图实物电路板图算整电路结构剖析总结性成果展示
第5章 程序控制函数测试优化
开源固件 MARLIN次程序设计基础利纯净版Arduino105软件运动固件程序函数进行理设计烧录影响印运动精度重参数修改图51示
图51固件程序设计烧录软件
51 步进电机脉数调试
挤出头进行精准位置控制印机工作时重部分 作执行机构步进电机工作方式电子脉转换角位移进行转动 软件函数中需预先计算出步带移动距离步进电机脉数间标准值数值
设计三步进电机采完全相连接方式 三参数理完全相等 通公式计算利步进电机旋转周需脉数带动步带距离够算出应参数
通印机具体器件型号 确定相关参数具体数值
Steps： 步进电机转周步数次设计采步距角 18 度步进电机计算出转周步数 200
Microstepping： 步进电机驱动细分设置 设计实现步进电机限度控制精度求 细分驱动数设置 16
BeltPitch： 步带齿间距 次设计采GT2 开口步带 该值 20
PulleyTeech 步齿轮数 GT2 步带相匹配 20 齿步轮 该数值 20
结合计算 步进电机带动步带毫米应脉数应该 853333
确定相关参数数值固件头文件 Configerationh 中 定义电机毫米脉应参数
#define XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION 200 步进电机周步数360步进电机角度 18度步数应该36018200
#define XYZ_MICROSTEPS 16 步进驱动细分数
#define XYZ_BELT_PITCH 2 步带齿间距
#define XYZ_PULLEY_TEETH 20 步轮齿数
#define XYZ_STEPS (XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION * XYZ_MICROSTEPS double(XYZ_BELT_PITCH) double(XYZ_PULLEY_TEETH)) 计算公式：步进电机数*步进驱动细分数步带齿间距步轮齿数
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {853333 85333325601588308}
52 联臂三角洲结构运动参数计算
联臂三角洲结构面运动坐标通数学模型计算转换三竖直滑块相应运动达步运动目图52 示 四参数计算准确 确保数学模型计算正确性 确保达终印精度求达转换运动坐标准确性 需重参数输入固件头文件 Configerationh 中
碳纤维杆长度端球中心端球中心距离 调整参数
#define DELTA_DIAGONAL_ROD 195 mm
印头滑杆水距离 凹凸调整参数
#define DELTA_SMOOTH_ROD_OFFSET 165 mm
效应器球中心印头水距离
#define DELTA_EFFECTOR_OFFSET 35 mm
滑车球中心滑杆水距离
#define DELTA_CARRIAGE_OFFSET 35 mm
图52联臂三角洲结构示意图
参数 1 连接杆长度 通机架机械结构部分设计知 连接杆采图 53示标准连接件200mm 碳纤维杆 尺寸固定 计算出该值195mm
图 53 SI4 型关节轴承尺寸
次设计机械构架做三维建模 建模软件直接测量记录参数 2 参数 3 参数 4数值 印机整体框架图 54示 终测三参数值分 165 35 35
图 54 印机整体框架设计图
53 章结
章开源软件算法固件程序参数进行修改优化两方面
步进电机脉数步距角位移关系参数修改印位移运动精确数基础
二结合印机联臂三角洲结构运动原理类运动部件运动连接传递进行分析研究相关运动连接机构型号尺寸进行准确测量固件程序函数作修改调整
二者参数优化修改印运动精度提升效提高印成品精度
第6章 系统检测切片软件参数测试优化
完成机械框架搭建印机控电路板选型相关配件电路连接成型系统出现问题进行检测 然连接位机切片软件系统进行性测试优印参数调整 首先电路板焊接电路连线进行连通测试 明确电路够稳定工作印机性进行相应调整
图61 实体印机基样貌
61 硬件电路测试
硬件电路整系统工作根首先确保正确导通工作 设计中电路板焊接元器件间连线手工完成 完成电路板选型设计部分进行电路测试 预防面出现部分短路虚焊造成整体电路烧毁情况出现
611 控电路硬件调试
电路板中部分芯片贴片封装焊接时容易造成虚焊者短路情况出现 尤采 TQFP100 封装控芯片确保买电路板没问题货先肉眼观察引脚虚焊然万表反复测试相邻引脚间见没出现短路 确保电路没问题电进行测试
612 步进电机限位开关电路测试
步进电机控制系统中属开环元件 处设计设计限位开关反馈电机运动位置情况 完成相关电路接线 利pc位机软件发送位命令 电机带动滑块运动机架柱方处安装限位开关接触停止 利程观察判断电机移动方距离否正确
613 温度控制电路测试
温度准确控制保持恒定保证印机出丝畅高质量前提条件 线路拼接 利PC位机软件发送控制温度指令 温度设置 200 度 印头风扇温度反馈温度变化曲线图 62 示 出 加热电阻室温加热预设温度约需 2 分钟 会幅震荡趋稳定
图 62风扇温度控制曲线
62 系统整体测试
确认模块接线系统硬件电路没问题 开始进行整体印测试先进行手动调调试印速度 精度两方面印机性进行逐测试图63示
图63 RepetierHost软件调试测试
621 印精度
衡量台 3D 印机性中重标准印精度 然现工业级3D 印机精度微米级 考虑制作工艺工作原理限制 次设计 FDM 式 3D印机肯定法工业级印机相 反复设计调试 终印机印机出精度 01mm 印件印件外部轮廓明显纹路 出丝畅 极少拉丝现象 测量印件精度图 64 示 次件 20mm 立方体测试件 出印机印精度误差约 01达预定精度求
图64 印测试件精度测量
622 印速度
般说 印机印速度印精度成反关系 速度越快 印质量相应越差 次提印速度指印机够正常工作前提高工作速度 次测试 终测出印机高 200mms 速度较质量进行印 超 200mms 印效果会差印机然正常进行工作 速度设定 300mms工作步进电机丢步 现象会时时出现
63 章结
章进行整印机系统调试程关性测试完成印件整体拼装 反复确保电路板接线没问题情况利位机切片软件印机进行印精度速度测试 终测试结果表明 次设计完成 3D 印机稳定高效完成印务 印速度精度方面明显性提升达预设目标
结果显示挤出端挤出机温度应该控制200℃左右工作台（热床）温度60℃左右较印温度波动达±1℃完全符合PLA印材料温度求
性方面规定速度印时印速度误差超002精度误差超01mm控制系统稳定达设计目标验证控制系统效性
结
次设计针 3D 印机现控制系统进行设计优化根选型控电路板相关硬件控制电路模块做仿真设计 程序函数参数软件切片参数方面做调整
毕业设计组根印机方面优化设计进行零配件选购搭建台3D FDM印机优化效果进行全方位测试
针文3D印机控制系统研究设计够充分解实现点包括详细方面
（1） 解 3D 印技术发展现状 常见 FDM 式印机工作原理控制系统进行充分学开拓设计思路确定研究容
（2） 3D 印机控制相关硬件做详细分析研究 针部分需求特点确定实施性方案 详细介绍硬件电路设计程原理
（3）通选型购买控电路板做硬件电路模块设计分析画出电路模块原理图电路连接方式模块电路结构组成原理电器元件位置作做详细说明
（4） 程序部分固件控制函数参数进行修改做控制器输入步进电机脉数位移关系函数调试运动固件部分步进电机带动步带滑块印头运动应坐标准确参数写进控制程序函数外位机软件印数设定进行优化效确保印机印精度
（5） 搭建设计3D印机设计效果进行全面检测
成果方面通反复测试发现次设计完成 3D 印机稳定高效完成印务 印速度精度方面提升达预设目标
参 考 文 献
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As an additive manufacturing (AM) technique threedimensional (3D) printing enables customized fabrication of 3D constructs based on computer aided design (CAD) software or images obtained from computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) Firstly developed in the 1980s 3D printing technology was called rapid prototype technology and has been well applied in a variety of industries with different printing techniques and materials With the rapid development of 3D printer the overall 3D printing market grew to 99 billion in 2018 and is expected to reach 348 billion in 2024 The medical 3D printing market is expected to maintain significant growth due to the huge potential demand for costumed medical products Currently with the expiry of many 3D printing patents (including stereolithography and selective laser sintering) 3D printers and products are becoming cheaper and easy to access
3D printing technology has been widely applied in a variety of industries including aviation geoscience education clothing medical and pharmaceuticals Among these medical and pharmaceutical industries orthopedic and dental applications are favorable to embrace the 3D printing technology It is related to the demand for the patientspecific design and fabrication of the final devices Personalized devices manufactured preoperationally are benefited for the efficiency and accuracy For medical education and surgical planning 3D anatomical models are printed subtly with microscopic anatomy structures Tissue and organ printing is an emerging field that mainly focused on regenerative medicine and tissue engineering by both academy and industry Based on it preclinical patientspecific disease models are used for drug testings and screenings 3D printing technology is merging with traditional pharmaceuticals for the development of dosecustomized drugs
In this review recent techniques and applications of 3D printing in medical materials are well summarized Common AM techniques and printable materials are presented for better understanding of their potential limitations and applications Medical applications including tissue engineering anatomical models apparatus and instruments with 3D printing technology are also provided and summarized We finally demonstrate our concluding remarks and future outlook on 3D printing in medical materials
译文
3D印技术应
作种增材制造(AM)技术三维(3D)印够基计算机辅助设计(CAD)软件计算机断层扫描(CT)磁振成(MRI)获图定制制作三维结构3D印技术早出现20世纪80年代称快速原型技术(rapid prototype technology)已印刷技术材料行业应着3D印机快速发展2018年整体3D印市场规模达99亿美元预计2024年达348亿美元服装医疗产品巨潜需求预计医疗3D印市场保持显著增长目前着许3D印专利(包括立体印刷选择性激光烧结)期3D印机产品变更便宜更容易获
3D印技术已广泛应航空球科学教育服装医疗等行业特药物行业医疗制药行业中骨科牙科应利发展3D印技术患者特定设计终设备(关节假体手术指南牙齿修复)需求关操作前生产性化设备会提高效率准确性医学教育手术规划3D解剖模型通显微解剖结构精细印组织器官印新兴领域学术界工业界关注生医学组织工程基础应床前患者特异性疾病模型进行药物试验筛选3D印技术正传统药物相结合开发出量身定制药物
文综述年3D印技术医疗材料中应更解潜力限制应文介绍常AM技术印材料介绍三维印技术医学应包括组织工程解剖模型仪器仪器等3D印医疗材料中应进行总结展
附录2
固件程序附录
#ifndef CONFIGURATION_H
#define CONFIGURATION_H
MICROMAKE 3D印机 三角洲结构配置
#define DELTA
减数值缓解卡顿现象修改120进行测试
#define DELTA_SEGMENTS_PER_SECOND 160
碳杆长度端球中心端球中心距离 调整参数
#define DELTA_DIAGONAL_ROD 195 mm
印头滑杆水距离 凹凸调整参数
#define DELTA_SMOOTH_ROD_OFFSET 165 mm
效应器球中心印头水距离
#define DELTA_EFFECTOR_OFFSET 35 mm
滑车球中心滑杆水距离
#define DELTA_CARRIAGE_OFFSET 35 mm
三角洲半径（印头滑杆水距离效应器球中心印头水距离滑车球中心滑杆水距离）
#define DELTA_RADIUS (DELTA_SMOOTH_ROD_OFFSETDELTA_EFFECTOR_OFFSETDELTA_CARRIAGE_OFFSET)
印半径
#define DELTA_PRINTABLE_RADIUS 700
#define SIN_60 08660254037844386
#define COS_60 05
#define DELTA_TOWER1_X SIN_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER1_Y COS_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER2_X SIN_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER2_Y COS_60*DELTA_RADIUS
#define DELTA_TOWER3_X 00
#define DELTA_TOWER3_Y DELTA_RADIUS
#define DELTA_DIAGONAL_ROD_2 pow(DELTA_DIAGONAL_ROD2)
机械方面设置
轴设置
#define NUM_AXIS 4 轴数量轴配置序X Y Z E
#define HOMING_FEEDRATE {60*60 60*60 60*60 0} 配置位时速度
#define XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION 200 步进电机周步数360步进电机角度
18度步数应该36018200果09度电机话 36009400
#define XYZ_MICROSTEPS 16 步进驱动细分数
#define XYZ_BELT_PITCH 2 步带齿间距
#define XYZ_PULLEY_TEETH 20 步轮齿数
#define XYZ_STEPS (XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION * XYZ_MICROSTEPS double(XYZ_BELT_PITCH) double(XYZ_PULLEY_TEETH))
计算公式：步进电机数*步进驱动细分数步带齿间距步轮齿数
附录3
控电路板仿真设计图
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