3D打印机嵌入式控制系统的研究与开发

张小建　夏炜炜　王惠　解乃军　陆欣云

摘要：3D打印技术是加式制造方法，3D打印机嵌入式控制系统主要由核心控制器ATmega664、步进电机驱动模块、加热板和挤出头加热模块、USB转串口模块以及温度检测模块等电路组成。文章针对3D打印机嵌入式控制系统开展了研究与开发。

关键词：嵌入式控制系统；核心控制器；步进电机；3D打印机；加热板 文献标识码：A

中图分类号：TP334 文章编号：1009-2374（2016）30-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.007

1 概述

3D打印技术是一种加式制造方法，利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无需模具，基本不会浪费材料。而以往加工方法是通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程与设备的减式方法，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。

2 嵌入式控制系统总体方案设计

本项目总体设计方案包含三项设计内容：第一部分为控制电路硬件设计；第二部分为控制电路软件设计；第三部分为机械部分的设计。其中第一部分是控制电路硬件设计，包括单片机最小系统、步进电机驱动模块、加热底板和打印头温控模块、温度和位置检测模块、SD卡模块、USB转串口模块、电源模块等；第二部分控制电路软件设计由上位机程序和控制系统程序等组成；第三部分为机械结构的设计，主要由3D打印机的三轴联动机构和打印材料送料机构等组成。

3 嵌入式控制系统设计

3.1 控制电路硬件设计

控制主板设计采用Atmega系列作为主控制芯片，包括单片机最小系统、步进电机驱动模块、加热底板和打印头温控模块、温度和位置检测模块、SD卡模块、USB转串口模块、电源模块等。

3.1.1 核心控制器（ATmega664A）模块。采用AVR系列芯片，基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega664的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

3.1.2 步进电机驱动模块。该模块采用了A4988步进驱动芯片。只需要简单外围电路就可以组成驱动模块，输入接口是由方向控制接口、脉冲输入为控制接口以及电机使能接口，支持四相五线制的步进电机和12细分等，输出1A。

3.1.3 加热板和挤出头加热模块。通过N沟道的MOSFET组成的开关电路，以实现PWM输出，通过改变PWM波的占空比达到调温的目的。

3.1.4 温度检测模块。本文中使用的温度检测传感器是电阻式的，构建一个电阻分压电路，以实现电阻值的变化转换为电压值，通过单片机中自带的AD模块进行检测电压值。

3.1.5 三轴限位模块。采用的是机械式限位开关，当检测到有物体时，内部的常开开关闭合，单片机的IO口会检测到高电平时，说明达到轴的限位处。

3.1.6 USB转串口模块。USB转串口模块电路，如图1所示：

3.1.7 供电电源模块。提供其他各个部分的5V电压，如图2所示：

3.2 控制电路软件设计

控制电路软件设计是整个3D打印机嵌入式控制系统的核心，主要实现的软件功能包括：三个轴进给步进电机和一个送料步进电机的驱动控制；打印头和热床温度控制及检测；设置传输的波特率、温度、风扇速度、材料粗细等参数；手动控制功能主要实现对热床平衡的手动调节和对各轴运动机构的手动调整；自动控制功能主要是实现自动脱机打印功能。

首先在上位机软件中导入STL格式的文件，之后按下软件的“配置”按钮，对3D打印机的参数进行设置（包括打印机的配置有层的高度、填充密度、打印速度、热床和挤出头的温度等）。当相关的参数配置完后，按下“生成代码”按钮，分层软件会根据配置参数的要求将STL格式的文件转换为G代码，等代码生成完毕后，可以用来调节打印实物的位置。最后按下“运行”按钮，3D打印机将会开始打印。

4 系统调试

4.1 软件调试

Repetier-Host是一款操作简单，将生成Gcode以及打印机操作界面集成到一起的软件，另外可以通过调用外部生成Gcode的配置文件，很适合初学者使用，尤其是手动控制的操作界面，用户可以很方便地实时控制打印机。Repetier-Host里面的按钮按一下机器就马上停下来，很是好用。

4.2 控制系统常见故障说明

4.2.1 在线打印时若发现PC机与打印机连接不上时。检查软件配置菜单中打印机设置连接端口号是否正确，通信波特率应设置为250000bps。

4.2.2 设备工作异常，但无明显故障点，检查各部件连接线是否松动。

4.2.3 达到装载耗材温度，耗材无法顺畅出丝，甚至不出丝。该现象是由于耗材杂质多或耗材融化位置错误造成堵塞，卸下加热头及喉管，清除内部遗留耗材，提高约10℃加热温度装载耗材，即可将喷头内故障点耗材融化挤出，解决该问题后请将温度恢复。

4.2.4 挤出机送丝机构有咯咯的异响，不出丝。这是由于喷头长时间加热却不送丝造成，需要清除喷头堵塞部分，并且在打印机长时间不工作时应关闭喷头加热。

5 结语

本设计是在我们团队的共同努力下完成的。如今我们团队的每位队员都对3D打印有了一定的认识，熟悉3D打印机的硬件机械结构，了解打印机控制系统原理，能够利用分层软件和熟练操作打印机，打印出作品。这次设计与制作体现出了团队的重要性，培养了我们的创新能力与制作能力，让我们团队的所有成员都得到了一次锻炼，同时感谢导师的悉心指导。

参考文献

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[5] 崔边.3D打印能否改变世界[J].科技生活，2012，（44）.