集群3d打印控制系统设计【字数：12997】
随着3D打印技术的成熟，3D打印设备也更加普及。但是熔融沉积制(FDM，Fused Deposition Modeling)类型3D打印机，在换装打印平台及打印物件回收时，需要由人工手动操作完成，费时费力，人为干预程度过高。针对以上所面临的问题，本文开发了一套集群式3D打印控制系统，初步实现了3D打印机的集群化控制。本次设计主要包括三部分控制系统硬件结构的组成及相关元器件选型，单片机程序设计，上位软件设计。该控制系统由控制系统硬件和控制系统上位软件组成。在进行控制系统硬件设计时，首先根据功能需求确定该系统硬件组成及具体结构；然后根据结构确定硬件的选型，绘制电气原理图和焊接电路板；最后进行单片机程序的编写及调试。在进行控制系统上位软件开发时，利用QT开发软件，采用C++编程语言开发出了具有对模型切片软件的调用，实现模型的切片，通过串口与机械臂通信，实现数据通信功能的上位软件。本文设计的集群式3D打印控制系统，可通过局域网，对机群分配3D打印任务，并通过调度机械臂，回收打印件。该系统有利于提高打印的效率，降低打印成本，为集群式3D打印的商业化奠定了一定的基础。
目录
第1章 引言 6
1.1 研究的目的与意义 6
1.2 国内外发展现状及发展趋势 6
1.2.1 国内发展现状 6
1.2.2 国外发展现状 7
1.2.3 3D打印的发展趋势 7
1.3 研究内容 7
第2章 硬件结构组成及相关元器件选型 9
2.1 单片机选型 10
2.2 NTC100K热敏电阻 11
2.3 增量式编码器 11
2.4 步进电机驱动器DM542 12
2.5 串口通信 13
2.6 弹簧式PCB接线端子 13
2.6.1 框式升降结构 13
2.6.2 滑块式升降结构 13
2.6.3 蝶式弹簧结构 13
2.7 电路设计及实现 14
2.8 总结 16
第3章 单片机开发的环境设置与程序设计 17
3.1 单片机开发环境设置 17
3.1.1 工程文件路径设置及文 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
件格式 17
3.1.2 添加单片机各功能寄存器的定义 17
3.1.3 设置文件输出格式及路径 18
3.2 单片机功能程序的设计 19
3.2.1 ADC模数转换 19
3.2.2 编码器 21
3.2.3 步进控制 22
3.2.4 串口通信 22
3.3 总结 23
第4章 软件设计 24
4.1 QT软件介绍 24
4.2 软件框架搭建 24
4.3 软件各项功能的实现 25
4.3.1 模型切片 25
4.3.2 通信连接 26
4.4 数据包 27
4.5 总结 30
参考文献 31
致谢 32
附件 33
集群式3D打印控制系统硬件原理图 33
集群式3D打印控制系统硬件PCB图 33
集群式3D打印控制系统硬件实物图 34
单片机功能程序 35
上位软件程序 40
登陆界面 47
控制界面 47
引言
1.1研究的目的与意义
近年来，3D打印技术受到国际社会的广泛关注，与其相关的话题更是被炒得沸沸扬扬。调查显示，3D打印技术已成为美国增长最快的工业之一。造就如此现状的原因正是西方发达国家在3D打印技术上投入大量的人力、物力和财力，研发出更加丰富的打印原料，促使这一技术日趋成熟，精度不断提高，而且成本越来越低。
现有的3D打印由于只能够实现桌面级的单机顺序打印，需要人工手动更换打印平台、收集打印实物，从而导致打印时间增加，成本增加等问题。而集群式3D打印机控制系统能够一定程度上解决当前3D打印所面临的需要人工手动更换打印平台、打印物件收集等耗费时间、效率低、自动化程度不高、人为干预过多等问题，能够实现3D打印平台的自动换装。当某个物件打印完成后，集群3D打印控制系统将当前打印结束信号发送至自动换装平台，进行自动换装打印平台的操作，为下一个打印任务的开始做好换装打印平台的工作，从而代替了人工更换打印平台的工作。在换装完打印平台后，控制系统发出换装完成信号，通知系统进行操作臂回收打印物件的任务，实现自动回收打印实物。以上是单台打印机在集群3D打印系统控制下所具备的功能，当该系统用于多台3D打印机的集群控制时,可按实际打印需求通过PC端与多台3D打印机组成的局域网向该系统下的任意一台3D打印机发布打印任务，以实现快捷高效的打印体验。
目前，随着3D打印的普及，3D打印的需求呈几何级数爆发增长。集群3D打印控制系统可实现一键式的多机器控制，多任务分配，提高打印效率，降低打印成本，实现3D打印的集群化，自动化。
1.2国内外发展现状及发展趋势
1.2.1国内发展现状
????????目前，国外3D打印技术已经得到了广泛的应用，主要涵盖航空航天、汽车制造、医疗、工业产品设计、建筑设计、文娱产品、生物科技等各个产业领域，且在各类产品的智能制造方面占有较高的比重。自1986年Charles Hull发明第一台3D打印机以来，近年来，国外关于3D打印技术的研究与开发取得了较大成果。2000年，美国Zcorp公司与日本Rilcen Institute联合研制出一种以喷墨打印技术为原理的彩色三维打印机；同年年底，以色列Object Geometries公司推出了基于结合光固化工艺和3D InkJet的三维打印机Quadra；2010年美国Organoxo公司和澳大利亚Invetech公司合作，试以活体细胞为“原材料”打印人体的组织器官，是3D打印技术在医疗产品领域的重大突破性进展。
现如今，欧美等国家的3D打印技术已经在消费电子领域、汽车制造业、航空业、医疗领域等领域初步形成成功的商业模式。据统计，2012年美国生产的70 多万件3D产品中，电子领域、汽车制造业、医疗领域和工业机械行业的产品比重较大。此外，3D打印技术在个性产品定制领域的应用也逐渐得到了广泛的运用。如国外有很多创意产品公司(例如美国的Quirky公司)会通过网络平台征集客户的设计方案，并利用3D打印技术制成实体产品进行销售，取得了较好的收益。
1.2.2国外发展现状
中国对于3D打印技术的研究较国外起步较晚，但随着3D打印技术在国外各领域的应用中所展现的巨大潜力，迅速引起了国内大批科研工作者、工业领域专家的重点关注，并使得中国的3D打印技术得到了迅猛发展，取得了大批研究成果。例如华中科技大学历经十多年研制出全球最大的“3D打印机”，其可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。从理论上说，只要长宽尺寸小于1.2米的零件，都可通过这部机器“打印”出来；西安交通大学自主研发了三维打印机喷头，并在光固化成型系统、成型材料等方面也取得了突破性进展，使其成型精度达到了0.2mm。但就整体发展而言，与国外相比，国内的3D打印技术还有很多不足之处。
目录
第1章 引言 6
1.1 研究的目的与意义 6
1.2 国内外发展现状及发展趋势 6
1.2.1 国内发展现状 6
1.2.2 国外发展现状 7
1.2.3 3D打印的发展趋势 7
1.3 研究内容 7
第2章 硬件结构组成及相关元器件选型 9
2.1 单片机选型 10
2.2 NTC100K热敏电阻 11
2.3 增量式编码器 11
2.4 步进电机驱动器DM542 12
2.5 串口通信 13
2.6 弹簧式PCB接线端子 13
2.6.1 框式升降结构 13
2.6.2 滑块式升降结构 13
2.6.3 蝶式弹簧结构 13
2.7 电路设计及实现 14
2.8 总结 16
第3章 单片机开发的环境设置与程序设计 17
3.1 单片机开发环境设置 17
3.1.1 工程文件路径设置及文 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
件格式 17
3.1.2 添加单片机各功能寄存器的定义 17
3.1.3 设置文件输出格式及路径 18
3.2 单片机功能程序的设计 19
3.2.1 ADC模数转换 19
3.2.2 编码器 21
3.2.3 步进控制 22
3.2.4 串口通信 22
3.3 总结 23
第4章 软件设计 24
4.1 QT软件介绍 24
4.2 软件框架搭建 24
4.3 软件各项功能的实现 25
4.3.1 模型切片 25
4.3.2 通信连接 26
4.4 数据包 27
4.5 总结 30
参考文献 31
致谢 32
附件 33
集群式3D打印控制系统硬件原理图 33
集群式3D打印控制系统硬件PCB图 33
集群式3D打印控制系统硬件实物图 34
单片机功能程序 35
上位软件程序 40
登陆界面 47
控制界面 47
引言
1.1研究的目的与意义
近年来，3D打印技术受到国际社会的广泛关注，与其相关的话题更是被炒得沸沸扬扬。调查显示，3D打印技术已成为美国增长最快的工业之一。造就如此现状的原因正是西方发达国家在3D打印技术上投入大量的人力、物力和财力，研发出更加丰富的打印原料，促使这一技术日趋成熟，精度不断提高，而且成本越来越低。
现有的3D打印由于只能够实现桌面级的单机顺序打印，需要人工手动更换打印平台、收集打印实物，从而导致打印时间增加，成本增加等问题。而集群式3D打印机控制系统能够一定程度上解决当前3D打印所面临的需要人工手动更换打印平台、打印物件收集等耗费时间、效率低、自动化程度不高、人为干预过多等问题，能够实现3D打印平台的自动换装。当某个物件打印完成后，集群3D打印控制系统将当前打印结束信号发送至自动换装平台，进行自动换装打印平台的操作，为下一个打印任务的开始做好换装打印平台的工作，从而代替了人工更换打印平台的工作。在换装完打印平台后，控制系统发出换装完成信号，通知系统进行操作臂回收打印物件的任务，实现自动回收打印实物。以上是单台打印机在集群3D打印系统控制下所具备的功能，当该系统用于多台3D打印机的集群控制时,可按实际打印需求通过PC端与多台3D打印机组成的局域网向该系统下的任意一台3D打印机发布打印任务，以实现快捷高效的打印体验。
目前，随着3D打印的普及，3D打印的需求呈几何级数爆发增长。集群3D打印控制系统可实现一键式的多机器控制，多任务分配，提高打印效率，降低打印成本，实现3D打印的集群化，自动化。
1.2国内外发展现状及发展趋势
1.2.1国内发展现状
????????目前，国外3D打印技术已经得到了广泛的应用，主要涵盖航空航天、汽车制造、医疗、工业产品设计、建筑设计、文娱产品、生物科技等各个产业领域，且在各类产品的智能制造方面占有较高的比重。自1986年Charles Hull发明第一台3D打印机以来，近年来，国外关于3D打印技术的研究与开发取得了较大成果。2000年，美国Zcorp公司与日本Rilcen Institute联合研制出一种以喷墨打印技术为原理的彩色三维打印机；同年年底，以色列Object Geometries公司推出了基于结合光固化工艺和3D InkJet的三维打印机Quadra；2010年美国Organoxo公司和澳大利亚Invetech公司合作，试以活体细胞为“原材料”打印人体的组织器官，是3D打印技术在医疗产品领域的重大突破性进展。
现如今，欧美等国家的3D打印技术已经在消费电子领域、汽车制造业、航空业、医疗领域等领域初步形成成功的商业模式。据统计，2012年美国生产的70 多万件3D产品中，电子领域、汽车制造业、医疗领域和工业机械行业的产品比重较大。此外，3D打印技术在个性产品定制领域的应用也逐渐得到了广泛的运用。如国外有很多创意产品公司(例如美国的Quirky公司)会通过网络平台征集客户的设计方案，并利用3D打印技术制成实体产品进行销售，取得了较好的收益。
1.2.2国外发展现状
中国对于3D打印技术的研究较国外起步较晚，但随着3D打印技术在国外各领域的应用中所展现的巨大潜力，迅速引起了国内大批科研工作者、工业领域专家的重点关注，并使得中国的3D打印技术得到了迅猛发展，取得了大批研究成果。例如华中科技大学历经十多年研制出全球最大的“3D打印机”，其可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。从理论上说，只要长宽尺寸小于1.2米的零件，都可通过这部机器“打印”出来；西安交通大学自主研发了三维打印机喷头，并在光固化成型系统、成型材料等方面也取得了突破性进展，使其成型精度达到了0.2mm。但就整体发展而言，与国外相比，国内的3D打印技术还有很多不足之处。
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