3d打印机结构及控制系统设计
摘 要摘 要本文在了解和掌握传统3D打印机结构及其控制方法的基础上，完成了小型3D打印机的结构和控制系统的总体设计。系统采用Arduino开源电路板为主控转换模块；PC机为上位机监控模块；步进电机、步进电机驱动器、加热电路、热敏电阻、限位开关为功能模块；由3大模块构成打印机控制系统，实现3D打印过程中的3轴电机联动，喷头加热挤丝，热敏电阻反馈温度，限位开关控制回原点的各项功能，完成了一个功能全面的小型打印机的结构及控制系统的设计。结构设计方面，先运用三维建模软件PRO/E进行了打印机结构模型设计和装配，在装配模型图确认可行后，继而借助3D打印机打印了相关的支架，购买了相应的杆件和杆组，按照三维装配图搭建了3D打印机的机械结构。控制系统设计方面，采用Printrun做为上位机监控软件，采用Arduino IDE编写了Arduino控制程序，实现了上位机与控制转换模块mega2560之间的控制对接。将各功能模块与控制转换模块对接，通过控制程序内的算法实现上位机与功能模块之间模拟量与数字量之间的转换，例如，步进电机的进给量控制，喷头加热控制，热敏电阻测温反馈控制等功能。关键字：3D打印；三维建模；结构设计；控制反馈Keywords:3d printing;3d modeling;structure design;control feedback 目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外3D打印技术的发展现状 1
1.2.1国外3D打印机的研究现状 2
1.2.2国内3D打印机的研究现状 2
1.3控制系统设计介绍 3
1.4本文的主要研究内容 3
第二章 系统总体设计 5
2.1系统工作原理 5
2.2 系统总体框架设计 5
2.3系统传动方案设计 6
2.3.1 系统传动方案设计 6
2.3.2传动方式设计 8
2.4 系统控制方案设计 12
第三章 3D打印机结构设计 14
3.1结构示意图 14
3.1.1结构初步设计 14
3.1.2结构优化 14
3.2负载转矩的计算 16
5
2.3系统传动方案设计 6
2.3.1 系统传动方案设计 6
2.3.2传动方式设计 8
2.4 系统控制方案设计 12
第三章 3D打印机结构设计 14
3.1结构示意图 14
3.1.1结构初步设计 14
3.1.2结构优化 14
3.2负载转矩的计算 16
3.3送料机构与喷头的设计 17
3.3.1 打印机喷头设计 17
3.3.2 温度传感器的选择 18
3.4打印机机械结构设计 19
3.4.1各连杆尺寸选型 19
3.4.2各轴联轴器联轴座设计 20
3.4.3 结构模型图绘制 21
第四章 控制系统的设计 24
4.1控制系统设计要求 24
4.2控制系统的设计选型 24
4.2.1电机的选型 24
4.2.2电机驱动器的选型 25
4.2.3转换模块的设计 26
4.2.4控制系统原理图设计 29
4.2.5控制系统电路设计 30
4.3固件程序编写及载入 30
4.3.1程序编写环境选择 30
4.3.2程序编写 32
4.3.3程序载入 37
4.4上位机连接 39
第五章 系统软硬件联机调试 42
5.1打印原型设计 42
5.1.1 对象建模 42
5.1.2 三维切片软件进行打印仿真 43
5.2 系统联机调试 49
5.2.1打印模型调整 49
5.2.2第一次联机调试 49
5.2.3调试结果 50
结论与展望 52
致 谢 55
参考文献 56
附 录 57
第一章 绪论
1.1课题背景
步入21世纪以来，人们的生活水平快速增长，追求也在不断提高，已经不再满足于二维的平面而是追求更高级的三维立体的感官体验，3D电影的卖座与普及更是可见一斑，而且人们对定制的具有独特性的物品更加青睐，3D打印可以很好的满足这一需求。3D打印技术最早起源于19世纪末美国，20世纪80年代后开始得到迅速发展，更是被中国物联网校企联盟称作“上上个世纪的猜想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。但是目前3D打印技术才刚刚步入快速发展期，尚不成熟。传统的3D打印机体型庞大，精度不高，打印速度较慢并且操作系统复杂，需要经过专业训练才可以掌握，非常不利于大众化。为了推动3D打印技术的快速发展，需要加快3D打印技术的普及，改变群众对它的认知，让它不再高端神秘，这就需要我们设计出适合大众化的体型较小，结构简单，操作简易的3D打印机，所以我们希望通过对3D打印机结构及控制系统的设计，熟悉3D打印的优缺点以及局限性，优化3D打印机的结构，让其小巧而不是精准度，拓展其应用范围；优化控制系统设计，让其控制方式更为简易上手，有较高市场接受度。
1.2国内外3D打印技术的发展现状
经过十多年的研究和发展，3D打印技术发展至今已有了长足的进步，目前已经能在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精确分辨率，而国际上领先的打印技术更是可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并且可以实现彩色打印。发展至今，3D打印技术的应用无论与科学研究还是生活日常方面都有千丝万缕的联系。在科学研究和工业进程中，3D打印可以应用于地貌成型，各种复杂零部件的直接加工，比如航天科技，汽车工业等，可以不用考虑工艺问题，直接通过计算机建模来实现复杂零件的生产，大大缩短了生产周期。在生物医疗方面，3D打印甚至可以打印生物组织，而生物细胞的打印技术已经列为课题正在研究。在日常用度中，3D打印可以为人们制作个性DIY（自己动手做，自定义）纪念品，快捷而方便。而国内和国外由于对3D打印研究起步时间的不同，发展现状也有较大差距。
1.2.1国外3D打印机的研究现状
国外的3D打印技术已从早年的汽车、航天模型的打印转向更为高级的生命科学领域。国外炙手可热的骨骼打印已经成功在老鼠和兔子身上得到肯定，主要难点在于可替换成骨骼的原材料的配置，而且可以让骨骼细胞成长的环境，最后等骨骼修补完成后还可以在人体内自然溶解，对细胞的打印克隆实验也在进行之中。
而在世界上3D打印机行业排名中，美国的3D Systems和Stratasys两家公司的产品具有绝对的优势。此外，美国的FabHome和Shapeways、英国的Reprap等在行业内都是具有较强技术实力和创新特色的企业或是团队。
3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，更加奠定了它领域龙头的地位。而另一家Strarasys公司也不甘示弱，2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，为HP生产3D打印机，并且一年之后将Solidscape公司收购，下一年又与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并，与System公司分庭抗礼。
1.2.2国内3D打印机的研究现状
国内3D打印行业分为学院派和市场派。学院派中，华中科技大学史玉升团队已经制作了世界目前最大的3D打印机，理论上可以打印长宽1.2米以下任何零件，实现了将传统复杂零件由简单的由下往上层叠打印获得；清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；西安交通大学自主研发了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度能够达到40.2mm；而大连理工参与研制的激光打印机更是达到1.8米的尺寸长宽，该机器目前尚在调试。国内的3D打印发展侧重于工业实用性，所以在3D打印机结构方面的研究领先，拥有世界最大的打印机。市场派中航重机子公司中航激光中王华明的研究团队可能凭借“3D激光快速成型技术”斩获技术发明一等奖，可见国家对3D技术发展的重视。国内3D打印技术虽然起步较晚，应用领域较之国内有些狭小，还停留在工业制造上面，
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外3D打印技术的发展现状 1
1.2.1国外3D打印机的研究现状 2
1.2.2国内3D打印机的研究现状 2
1.3控制系统设计介绍 3
1.4本文的主要研究内容 3
第二章 系统总体设计 5
2.1系统工作原理 5
2.2 系统总体框架设计 5
2.3系统传动方案设计 6
2.3.1 系统传动方案设计 6
2.3.2传动方式设计 8
2.4 系统控制方案设计 12
第三章 3D打印机结构设计 14
3.1结构示意图 14
3.1.1结构初步设计 14
3.1.2结构优化 14
3.2负载转矩的计算 16
5
2.3系统传动方案设计 6
2.3.1 系统传动方案设计 6
2.3.2传动方式设计 8
2.4 系统控制方案设计 12
第三章 3D打印机结构设计 14
3.1结构示意图 14
3.1.1结构初步设计 14
3.1.2结构优化 14
3.2负载转矩的计算 16
3.3送料机构与喷头的设计 17
3.3.1 打印机喷头设计 17
3.3.2 温度传感器的选择 18
3.4打印机机械结构设计 19
3.4.1各连杆尺寸选型 19
3.4.2各轴联轴器联轴座设计 20
3.4.3 结构模型图绘制 21
第四章 控制系统的设计 24
4.1控制系统设计要求 24
4.2控制系统的设计选型 24
4.2.1电机的选型 24
4.2.2电机驱动器的选型 25
4.2.3转换模块的设计 26
4.2.4控制系统原理图设计 29
4.2.5控制系统电路设计 30
4.3固件程序编写及载入 30
4.3.1程序编写环境选择 30
4.3.2程序编写 32
4.3.3程序载入 37
4.4上位机连接 39
第五章 系统软硬件联机调试 42
5.1打印原型设计 42
5.1.1 对象建模 42
5.1.2 三维切片软件进行打印仿真 43
5.2 系统联机调试 49
5.2.1打印模型调整 49
5.2.2第一次联机调试 49
5.2.3调试结果 50
结论与展望 52
致 谢 55
参考文献 56
附 录 57
第一章 绪论
1.1课题背景
步入21世纪以来，人们的生活水平快速增长，追求也在不断提高，已经不再满足于二维的平面而是追求更高级的三维立体的感官体验，3D电影的卖座与普及更是可见一斑，而且人们对定制的具有独特性的物品更加青睐，3D打印可以很好的满足这一需求。3D打印技术最早起源于19世纪末美国，20世纪80年代后开始得到迅速发展，更是被中国物联网校企联盟称作“上上个世纪的猜想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。但是目前3D打印技术才刚刚步入快速发展期，尚不成熟。传统的3D打印机体型庞大，精度不高，打印速度较慢并且操作系统复杂，需要经过专业训练才可以掌握，非常不利于大众化。为了推动3D打印技术的快速发展，需要加快3D打印技术的普及，改变群众对它的认知，让它不再高端神秘，这就需要我们设计出适合大众化的体型较小，结构简单，操作简易的3D打印机，所以我们希望通过对3D打印机结构及控制系统的设计，熟悉3D打印的优缺点以及局限性，优化3D打印机的结构，让其小巧而不是精准度，拓展其应用范围；优化控制系统设计，让其控制方式更为简易上手，有较高市场接受度。
1.2国内外3D打印技术的发展现状
经过十多年的研究和发展，3D打印技术发展至今已有了长足的进步，目前已经能在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精确分辨率，而国际上领先的打印技术更是可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并且可以实现彩色打印。发展至今，3D打印技术的应用无论与科学研究还是生活日常方面都有千丝万缕的联系。在科学研究和工业进程中，3D打印可以应用于地貌成型，各种复杂零部件的直接加工，比如航天科技，汽车工业等，可以不用考虑工艺问题，直接通过计算机建模来实现复杂零件的生产，大大缩短了生产周期。在生物医疗方面，3D打印甚至可以打印生物组织，而生物细胞的打印技术已经列为课题正在研究。在日常用度中，3D打印可以为人们制作个性DIY（自己动手做，自定义）纪念品，快捷而方便。而国内和国外由于对3D打印研究起步时间的不同，发展现状也有较大差距。
1.2.1国外3D打印机的研究现状
国外的3D打印技术已从早年的汽车、航天模型的打印转向更为高级的生命科学领域。国外炙手可热的骨骼打印已经成功在老鼠和兔子身上得到肯定，主要难点在于可替换成骨骼的原材料的配置，而且可以让骨骼细胞成长的环境，最后等骨骼修补完成后还可以在人体内自然溶解，对细胞的打印克隆实验也在进行之中。
而在世界上3D打印机行业排名中，美国的3D Systems和Stratasys两家公司的产品具有绝对的优势。此外，美国的FabHome和Shapeways、英国的Reprap等在行业内都是具有较强技术实力和创新特色的企业或是团队。
3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，更加奠定了它领域龙头的地位。而另一家Strarasys公司也不甘示弱，2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，为HP生产3D打印机，并且一年之后将Solidscape公司收购，下一年又与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并，与System公司分庭抗礼。
1.2.2国内3D打印机的研究现状
国内3D打印行业分为学院派和市场派。学院派中，华中科技大学史玉升团队已经制作了世界目前最大的3D打印机，理论上可以打印长宽1.2米以下任何零件，实现了将传统复杂零件由简单的由下往上层叠打印获得；清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；西安交通大学自主研发了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度能够达到40.2mm；而大连理工参与研制的激光打印机更是达到1.8米的尺寸长宽，该机器目前尚在调试。国内的3D打印发展侧重于工业实用性，所以在3D打印机结构方面的研究领先，拥有世界最大的打印机。市场派中航重机子公司中航激光中王华明的研究团队可能凭借“3D激光快速成型技术”斩获技术发明一等奖，可见国家对3D技术发展的重视。国内3D打印技术虽然起步较晚，应用领域较之国内有些狭小，还停留在工业制造上面，
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