3D打印機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

張小建　夏煒煒　王惠　解乃軍　陸欣云

摘要：3D打印技術(shù)是加式制造方法，3D打印機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)主要由核心控制器ATmega664、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、加熱板和擠出頭加熱模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊以及溫度檢測模塊等電路組成。文章針對3D打印機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)開展了研究與開發(fā)。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制系統(tǒng)；核心控制器；步進(jìn)電機(jī)；3D打印機(jī)；加熱板 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP334 文章編號：1009-2374（2016）30-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.007

1 概述

3D打印技術(shù)是一種加式制造方法，利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無需模具，基本不會(huì)浪費(fèi)材料。而以往加工方法是通過模具、車銑等機(jī)械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工藝過程與設(shè)備的減式方法，其特征為利用縮削、減少材料來生產(chǎn)部件。

2 嵌入式控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)方案包含三項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容：第一部分為控制電路硬件設(shè)計(jì)；第二部分為控制電路軟件設(shè)計(jì)；第三部分為機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。其中第一部分是控制電路硬件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、加熱底板和打印頭溫控模塊、溫度和位置檢測模塊、SD卡模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、電源模塊等；第二部分控制電路軟件設(shè)計(jì)由上位機(jī)程序和控制系統(tǒng)程序等組成；第三部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要由3D打印機(jī)的三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和打印材料送料機(jī)構(gòu)等組成。

3 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制電路硬件設(shè)計(jì)

控制主板設(shè)計(jì)采用Atmega系列作為主控制芯片，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、加熱底板和打印頭溫控模塊、溫度和位置檢測模塊、SD卡模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、電源模塊等。

3.1.1 核心控制器（ATmega664A）模塊。采用AVR系列芯片，基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega664的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

3.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊采用了A4988步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片。只需要簡單外圍電路就可以組成驅(qū)動(dòng)模塊，輸入接口是由方向控制接口、脈沖輸入為控制接口以及電機(jī)使能接口，支持四相五線制的步進(jìn)電機(jī)和12細(xì)分等，輸出1A。

3.1.3 加熱板和擠出頭加熱模塊。通過N溝道的MOSFET組成的開關(guān)電路，以實(shí)現(xiàn)PWM輸出，通過改變PWM波的占空比達(dá)到調(diào)溫的目的。

3.1.4 溫度檢測模塊。本文中使用的溫度檢測傳感器是電阻式的，構(gòu)建一個(gè)電阻分壓電路，以實(shí)現(xiàn)電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓值，通過單片機(jī)中自帶的AD模塊進(jìn)行檢測電壓值。

3.1.5 三軸限位模塊。采用的是機(jī)械式限位開關(guān)，當(dāng)檢測到有物體時(shí)，內(nèi)部的常開開關(guān)閉合，單片機(jī)的IO口會(huì)檢測到高電平時(shí)，說明達(dá)到軸的限位處。

3.1.6 USB轉(zhuǎn)串口模塊。USB轉(zhuǎn)串口模塊電路，如圖1所示：

3.1.7 供電電源模塊。提供其他各個(gè)部分的5V電壓，如圖2所示：

3.2 控制電路軟件設(shè)計(jì)

控制電路軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)3D打印機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)的軟件功能包括：三個(gè)軸進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)送料步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制；打印頭和熱床溫度控制及檢測；設(shè)置傳輸?shù)牟ㄌ芈省囟取L(fēng)扇速度、材料粗細(xì)等參數(shù)；手動(dòng)控制功能主要實(shí)現(xiàn)對熱床平衡的手動(dòng)調(diào)節(jié)和對各軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的手動(dòng)調(diào)整；自動(dòng)控制功能主要是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫機(jī)打印功能。

首先在上位機(jī)軟件中導(dǎo)入STL格式的文件，之后按下軟件的“配置”按鈕，對3D打印機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（包括打印機(jī)的配置有層的高度、填充密度、打印速度、熱床和擠出頭的溫度等）。當(dāng)相關(guān)的參數(shù)配置完后，按下“生成代碼”按鈕，分層軟件會(huì)根據(jù)配置參數(shù)的要求將STL格式的文件轉(zhuǎn)換為G代碼，等代碼生成完畢后，可以用來調(diào)節(jié)打印實(shí)物的位置。最后按下“運(yùn)行”按鈕，3D打印機(jī)將會(huì)開始打印。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 軟件調(diào)試

Repetier-Host是一款操作簡單，將生成Gcode以及打印機(jī)操作界面集成到一起的軟件，另外可以通過調(diào)用外部生成Gcode的配置文件，很適合初學(xué)者使用，尤其是手動(dòng)控制的操作界面，用戶可以很方便地實(shí)時(shí)控制打印機(jī)。Repetier-Host里面的按鈕按一下機(jī)器就馬上停下來，很是好用。

4.2 控制系統(tǒng)常見故障說明

4.2.1 在線打印時(shí)若發(fā)現(xiàn)PC機(jī)與打印機(jī)連接不上時(shí)。檢查軟件配置菜單中打印機(jī)設(shè)置連接端口號是否正確，通信波特率應(yīng)設(shè)置為250000bps。

4.2.2 設(shè)備工作異常，但無明顯故障點(diǎn)，檢查各部件連接線是否松動(dòng)。

4.2.3 達(dá)到裝載耗材溫度，耗材無法順暢出絲，甚至不出絲。該現(xiàn)象是由于耗材雜質(zhì)多或耗材融化位置錯(cuò)誤造成堵塞，卸下加熱頭及喉管，清除內(nèi)部遺留耗材，提高約10℃加熱溫度裝載耗材，即可將噴頭內(nèi)故障點(diǎn)耗材融化擠出，解決該問題后請將溫度恢復(fù)。

4.2.4 擠出機(jī)送絲機(jī)構(gòu)有咯咯的異響，不出絲。這是由于噴頭長時(shí)間加熱卻不送絲造成，需要清除噴頭堵塞部分，并且在打印機(jī)長時(shí)間不工作時(shí)應(yīng)關(guān)閉噴頭加熱。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是在我們團(tuán)隊(duì)的共同努力下完成的。如今我們團(tuán)隊(duì)的每位隊(duì)員都對3D打印有了一定的認(rèn)識，熟悉3D打印機(jī)的硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)，了解打印機(jī)控制系統(tǒng)原理，能夠利用分層軟件和熟練操作打印機(jī)，打印出作品。這次設(shè)計(jì)與制作體現(xiàn)出了團(tuán)隊(duì)的重要性，培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新能力與制作能力，讓我們團(tuán)隊(duì)的所有成員都得到了一次鍛煉，同時(shí)感謝導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] “打”出天下，“造”化萬物——改變世界的3D打印技術(shù)[J].發(fā)明與創(chuàng)造，2011，（11）.

[2] 張浩鵬.3D打印革命剛剛開始[J].IT經(jīng)理世界，2012，（348）.

[3] 皮宗平，汪長柳.3D打印——國際競爭和發(fā)展勢頭強(qiáng)勁[J].群眾，2013，（3）.

[4] 王雪瑩.3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景預(yù)見[J].創(chuàng)新科技，2012，（12）.

[5] 崔邊.3D打印能否改變世界[J].科技生活，2012，（44）.