无线网络FDM型3D打印机设计
2020-02-01于娟刘琦周凯强王兵
于娟 刘琦 周凯强 王兵
（攀枝花学院智能制造学院 四川省攀枝花市 617000）
1 引言
随着现代科技的迅猛发展，3D 打印机技术越来越成熟，它的应用领域非常广泛，主要应用在教育、医疗、家庭生活等。不仅如此，3D 打印机涉及的知识有自动控制、机械结构、电子信息、计算机等，它作为一种创新的制造技术，已经在逐渐的改变全球制造业的格局。不管在生活中，还是科技领域，3D 打印技术的身影都有出现，它的作用是非常重要，所以具有很好的学术研究价值[2]。
2 系统总体方案设计
本设计是基于ATmega2560 单片机的3D 打印机系统，采用C/C++编程语言进行软件开发；以ATmega2560 单片机作为微控制芯片，其中通过处理切片软件的G-code，设置热床温度值，打印喷头温度值，XYZ 各轴上限值，打印材料挤出速率，每层打印厚度等，然后开始根据G-code 的运动轨迹数据来控制XYZ 各轴步进电机，打印3D 模型，其中也包括对打印速度的控制，对人机交互页面的显示等。
系统电路主要由以下几部分构成：ATmega2560 单片机最小系统，电源电路，温度采集电路，温度控制电路，步进电机电路，限位开关电路。硬件结构设计如图1所示。
3 硬件设计部分
3.1 驱动电路
本设计各个驱动电路的设计考虑到重新自主设计成本高，难度大，所以一些复杂的采用模块化设计。其中使用了电机驱动模块，LCD 显示模块；温度控制驱动电路使用大电流的N 通道MOS 管作为开关元件，设计出了使用PWM 控制电流大小的控制电路[3]。
3.2 电源电路
本设计系统需要稳定的+12V 直流电压，由开关电源为系统供电，电源电路分为12V 和5V、3V。12V 作为步进电机驱动模块，温度控制模块的主电源电压。5V 为LCD 电压，3.3V 为单片机最小控制系统电压。电源电路中，要设计保险丝与单向二极管保护电路，并联高频滤波电容，以达到输出稳定电压的目的。
3.3 系统电路设计
由Altium 软件设计系统电路原理图[4]，如图2所示。
4 软件设计部分
本设计的程序软件部分主要分为温度采集、PWM 输出、步进电机脉冲输出、显示、串口通信；其中步进电机脉冲输出的驱动程序最为重要，程序主要通过串口接收打印数据[5]，然后进行数据分析，得出步进电机运行参数[6]，控制步进电机完成3D 模型的打印。软件设计流程如图3所示。
图1：硬件结构设计图
图2：系统电路设计图
5 系统调试
本设计调试分为单片机调试和联机调试。单片机调试，先完成步进电机控制喷头能够准确到达一个定点，即完成步进电机控制调试。然后调试温度控制程序。温度调试好后，调试喷头出料程序，分步调试后，再使用PC 机发送数据进行联机调试。联机调试先确定打印速度和喷头出料速度，然后设置合适的切片方式，方可正确打印出3D 模型。
常见问题如下：
图3：软件设计流程图
问题描述：经常烧坏主控板、拓展板、步进电机驱动器。
原因分析：
（1）线路中存在正负极接反的现象。
（2）供电电压不稳定，长时间超过12V。
（3）拓展板供给额定电压为12V，主控板额定供给电压为5V，误将12V 电压也作为主控板的供给电压，导致主控板烧坏。
（4）打印时间长，控制板散热不好，导致过热烧坏。
（5）传动负载大，为保证步进电机不丢步，主动调节步进电机驱动器电阻，增大电流，电流过大导致驱动器烧坏。
正确做法：
（1）仔细检查线路是否有错，通电前用相关仪器检查线路是否合理。
（2）主控板与拓展板分开供电，主控板用专用充电器供电或者用电脑USB 供电，拓展板用质量较好输出电压为12V 较稳定的电源供电。
（3）驱动器上装散热片，控制板部分安装独立风扇，保证工作过程中控制板的散热。
（4）机器传动件经常加润滑油，保证运动流畅。
问题描述：打印过程中出现断层。
原因分析：传动丝杠摩擦力过大，导致步进电机失步从而使打印中心发生偏移。
解决办法：
（1）调节步进电机驱动器上面的可调电阻，使驱动器电流增大，从而增大步进电机扭矩，防止电机失步。
（2）选用功率较大的步进电机。
（3）保持丝杠、导轨等传动件润滑，减少摩擦。
（4）丝杠及导轨装配精度要求高，同轴度、平行度、垂直度要求高。
问题描述：打印物表面不均匀。
原因分析：
（1）喷头吐丝不均匀，时快时慢，主要因为挤出头电机齿轮不够锋利，或者弹簧弹力不够，导致与丝材摩擦力不够，出现进丝速度不稳定，不按预定速度进丝，从而出现吐丝不均匀。
（2）喷头喉管内径过小，容易卡丝，使得出丝速度受影响。
（3）丝材加热温度不够，同种材料不同厂家生产的融化温度也会有不同，熔化不充分导致吐丝受影响。
解决办法：
（1）更换喷头步进电机上的挤出齿轮。
（2）调节喷头上进丝挤压弹簧，使得丝材所受摩擦力适中。
（3）换内径稍大的喉管。
6 结束语
在经过对制作的3D 打印机进行测试后，系统能通过接收到的3D 模型打印数据，进行快速打印，并且液晶显示屏能够实时显示打印机的各项数据，打印过程安全且稳定。打印出的模型经过测量后分析，精度在0.5mm 内[7]，强度可以代替实物进行使用。
