基于STM32的智能全丝杆3D打印机

汪林齐 胡泽鹏 叶露 王焱 赵志威

摘 要：为解决传统打印机生产周期长、生产效率低下等问题，设计了一款基于STM32的智能全丝杆3D打印机。该打印机采用四丝杆传动，可将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，摩擦阻力小，精度高，具有较好的推广价值。

关键词：STM32;3D打印机

1 研究背景

3D打印思想起源于19世纪末的美国，当下3D打印技术正在普及，可用于工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业等领域。3D打印的出现带来了世界性制造业革命，它无需机械加工或模具就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地缩短产品的生产周期，提高生产率。3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一，但3D打印技术仍有待完善。研究发现，市场上的FDM式3D打印机目前仍然存在较多问题。

（1）大多采用皮带和同步轮传动，精度和抗震性都存在一定限制。同步带3D打印机的同步带需扎紧、固定，若发生同步带断裂，则需全部拆除重新更换;同步带传动需要同步轮和同步带配套，计算每毫米步数不仅繁琐且易错;摩擦阻力大，需要安装扭力张紧装置，但该装置会影响打印尺寸的范围，并且电机丢步时，不便于判断故障位置。

（2）当前市场上的3D打印机模块化程度低，安装复杂，现有的商业成品机集成度高，价格昂贵，DIY套件零件复杂，对于初学者来说门槛较高，导致许多人望而却步。

（3）随着智能手机的发展，越来越多的设备都可以和智能手机互联，极大地方便了工作及生活。但调查发现，目前市场上的丝杆传动3D打印机仅极少部分可以通过移动设备进行控制。

2 优化及创新设计

由于传统同步带存在的缺陷，我们考虑采用四丝杆传动，即用丝杆取代皮带传动，其优点主要存在于滚珠丝杠的功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率等特点。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于工业设备和精密仪器。将丝杆引入3D打印机不仅很好地解决了传统皮带易断裂、摩擦阻力大的问题，且其精度高，避免了同步带传动带来的一系列问题。絲杆模型如图1所示。

该3D打印机主控板基于STM32F104型微处理器，STM32F系列属于中低端32位ARM微控制器，由意法半导体（ST）公司出品，其内核为Cortex-M3。该处理器具有串行单线调试（SWD）和JTAG接口，8个定时器（每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入），1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器，2个看门狗定时器（独立型和窗口型）。系统时间定时器具有24位自减型计数器，9个通信接口，2个I2C接口（支持SMBus/PMBus），3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制），2个SPI接口，CAN接口，USB 2.0全速接口。因此，相比市场上3D打印机使用较多的Mega2560处理器运行更加稳定高效。

由我们自主设计研发的基于STM32的智能全丝杆3D打印机的四个轴高度模块化，安装简单，可以自主设计尺寸、机架结构、型材数量与规格，总体成本低于1 000元，但打印效果可与2 000元以上的商业机相媲美。模型架构如图2所示，机器渲染图如图3所示，机器成品如图4所示。

从市场调研来看，目前市面上很少有采用丝杆传动并通过移动设备控制的3D打印机。为实现智能互联功能，我们在3D打印机上搭载有WiFi模块，可通过手机APP进行控制，更加方便快捷。

同时，在控制系统方面，该机器可自主进行某些关键部位的加工（钻孔、磨削）。针对电机丢步问题，我们进行了深入研究，采取了一系列解决措施，较为完满地解决了模型错层问题。我们团队在最近两年对丝杆传动的3D打印机做了深入研究，解决了市面上丝杆传动器械经常出现问题的情况。

3 商业发展前景

国内申请从事3D打印事业的企业可以申请两年免税的优惠。