基于STM32的智能全絲桿3D打印機

汪林齊 胡澤鵬 葉露 王焱 趙志威

摘 要：為解決傳統打印機生產周期長、生產效率低下等問題，設計了一款基于STM32的智能全絲桿3D打印機。該打印機采用四絲桿傳動，可將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，摩擦阻力小，精度高，具有較好的推廣價值。

關鍵詞：STM32;3D打印機

1 研究背景

3D打印思想起源于19世紀末的美國，當下3D打印技術正在普及，可用于工業設計、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、牙科和醫療產業等領域。3D打印的出現帶來了世界性制造業革命，它無需機械加工或模具就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體， 從而極大地縮短產品的生產周期，提高生產率。3D打印技術市場潛力巨大，勢必成為未來制造業的眾多突破技術之一，但3D打印技術仍有待完善。研究發現，市場上的FDM式3D打印機目前仍然存在較多問題。

（1）大多采用皮帶和同步輪傳動，精度和抗震性都存在一定限制。同步帶3D打印機的同步帶需扎緊、固定，若發生同步帶斷裂，則需全部拆除重新更換;同步帶傳動需要同步輪和同步帶配套，計算每毫米步數不僅繁瑣且易錯;摩擦阻力大，需要安裝扭力張緊裝置，但該裝置會影響打印尺寸的范圍，并且電機丟步時，不便于判斷故障位置。

（2）當前市場上的3D打印機模塊化程度低，安裝復雜，現有的商業成品機集成度高，價格昂貴，DIY套件零件復雜，對于初學者來說門檻較高，導致許多人望而卻步。

（3）隨著智能手機的發展，越來越多的設備都可以和智能手機互聯，極大地方便了工作及生活。但調查發現，目前市場上的絲桿傳動3D打印機僅極少部分可以通過移動設備進行控制。

2 優化及創新設計

由于傳統同步帶存在的缺陷，我們考慮采用四絲桿傳動，即用絲桿取代皮帶傳動，其優點主要存在于滾珠絲杠的功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率等特點。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于工業設備和精密儀器。將絲桿引入3D打印機不僅很好地解決了傳統皮帶易斷裂、摩擦阻力大的問題，且其精度高，避免了同步帶傳動帶來的一系列問題。絲桿模型如圖1所示。

該3D打印機主控板基于STM32F104型微處理器，STM32F系列屬于中低端32位ARM微控制器，由意法半導體（ST）公司出品，其內核為Cortex-M3。該處理器具有串行單線調試（SWD）和JTAG接口，8個定時器（每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道和增量編碼器輸入），1個16位帶死區控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器，2個看門狗定時器（獨立型和窗口型）。系統時間定時器具有24位自減型計數器，9個通信接口，2個I2C接口（支持SMBus/PMBus），3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調制解調控制），2個SPI接口，CAN接口，USB 2.0全速接口。因此，相比市場上3D打印機使用較多的Mega2560處理器運行更加穩定高效。

由我們自主設計研發的基于STM32的智能全絲桿3D打印機的四個軸高度模塊化，安裝簡單，可以自主設計尺寸、機架結構、型材數量與規格，總體成本低于1 000元，但打印效果可與2 000元以上的商業機相媲美。模型架構如圖2所示，機器渲染圖如圖3所示，機器成品如圖4所示。

從市場調研來看，目前市面上很少有采用絲桿傳動并通過移動設備控制的3D打印機。為實現智能互聯功能，我們在3D打印機上搭載有WiFi模塊，可通過手機APP進行控制，更加方便快捷。

同時，在控制系統方面，該機器可自主進行某些關鍵部位的加工（鉆孔、磨削）。針對電機丟步問題，我們進行了深入研究，采取了一系列解決措施，較為完滿地解決了模型錯層問題。我們團隊在最近兩年對絲桿傳動的3D打印機做了深入研究，解決了市面上絲桿傳動器械經常出現問題的情況。

3 商業發展前景

國內申請從事3D打印事業的企業可以申請兩年免稅的優惠。