3D打印控制系统设计.doc

《3D打印控制系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3D打印控制系统设计.doc（48页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 3D打印机控制系统设计(小组题目：3D打印机研制)学 院： 工业自动化学院专 业： 姓 名： 指导老师： 机械工程江庆浩学 号： 职 称： 160406102731杨立斌副教授中国珠海二O二O 年 五 月48诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺递交的毕业设计3D打印机控制系统设计是在指导老师的指导下，通过独自探索，学习和研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，都已在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据都是真实可靠的。 本人签名： 日期： 年 月 日3D打印机控制系统设计 摘 要3D 打印技术是种增材快速成型技术， 在创新产品的设计和制造中应用越来越广泛，其中的 FDM(熔融堆积成型技术)

2、3D打印机具有很多优点，包括打印过程方便，材料成本低，打印精度较高，打印速度快等。因此经过毕业设计小组筛选决定以FDM打印技术为出发点，设计研究一台FDM 3D打印机。这次设计主要在两个大方面对打印机的控制系统进行优化，一是硬件控制电路优化，二是固件程序函数及上位机软件的参数优化。并利用了PC端软件对打印机进行三维建模、硬件控制电路的仿真设计和切片软件及程序参数的调整。 硬件方面。确定了打印机的主控器为ATmega256016AU 单片机，利用其机内丰富资源设计相关控制模块电路。包括有最小系统电路 、复位电路、 USB 串口通信电路、电源电路、 限位开关检测电路、步进电机驱动电路、热敏电阻与

3、MOS 管驱动电路等，在每个模块电路上进行细致的设计优化，有效保证了打印机的工作稳定性。 固件程序函数与上位机软件参数方面。利用arduino1.0.5软件对运动固件程序函数进行理论设计，主要是些影响打印运动精度的重要参数的改进。还利用上位机切片软件测试打印效果，判断对打印精度，速度和时长等的影响因素，结合实际作出最优打印数据调整。优化后的打印机具有更好的稳定性，打印速度和精度， 可连续工作时间变长，连续打印过程中再也不需要过多调整。 关键词：3D打印控制技术、熔融沉积制造、硬件电路控制、软件和程序控制Design of 3D printer control systemABSTRACT 3D

4、 printing technology is an additive rapid prototyping technology, which is more and more widely used in the design and manufacture of innovative products. Among them, FDM 3D printer has many advantages, including convenient printing process, low material cost, high printing accuracy and fast printin

5、g speed.Therefore, the graduation design team decided to design and research an FDM 3D printer based on FDM printing technology.This design is mainly in the two generous printer control system optimization, one is the hardware control circuit optimization, the second is the firmware program function

6、 and upper computer software parameters optimization.The PC software is used for 3d modeling, simulation design of hardware control circuit and adjustment of chip software and program parameters.Hardware.The main controller of the printer is confirmed to be ATmega256016AU MCU.Including the minimum s

7、ystem circuit, reset circuit, USB serial communication circuit, power circuit, limit switch detection circuit, stepper motor drive circuit, thermistor and MOS tube drive circuit, in each module circuit design optimization, effectively ensure the stability of the printer.Firmware function and upper c

8、omputer software parameters.Using Arduino1.0.5 software to carry on the theoretical design of the motion firmware program function, mainly is some important parameters that affect the printing motion precision improvement.The upper computer slicing software is also used to test the printing effect,

9、judge the factors affecting the printing accuracy, speed and duration, and make the optimal printing data adjustment in combination with the actual situation.The optimized printer has better stability, printing speed and accuracy, can work continuously longer, continuous printing process does not ne

10、ed to adjust too much.Keywords：3D printing control technology, melt deposition manufacturing, hardware circuit control, software and program control目录摘 要3第1章 绪论71.1研究的现状及意义71.1.1国内外研究现状71.1.2国内外主流 3D 打印技术81.2 研究目标、研究内容81.2.1研究目标81.2.2研究内容和工作91.3本章小结10第2章 相关技术介绍和分析总结112.1FDM 式 3D 打印机的工作原理与组成112.2步进电机

11、与细分驱动技术122.2.1主要技术指标132.2.2电机的细分驱动技术132.3ATMEL 公司研发出的AVR 系列单片机142.4拟解决的关键性问题并总结研究方法142.4.1拟解决的关键问题142.4.2基本思路和方法152.4.3技术路线152.5本章小结15第3章 3D 打印机控制系统总体的设计计划与选型方案163.1控制系统整体的设计计划介绍163.2主控板中主控芯片的选型173.3步进电机与电机驱动控制芯片的选型183.4并联臂式三角洲运动结构193.5上位机软件与主控板电路的数据通信203.6本章小结20第4章 硬件主控电路板电路的仿真设计214.1主控电路板中各电路模块信号传

12、递总概述214.2硬件电路的研究途径和方法214.2.1AVR 最小系统电路224.2.2电源电路244.2.3USB 数据传输与通信电路254.2.4步进电机驱动电路274.2.5限位开关检测电路284.2.6MOS 管驱动电路284.2.7热敏电阻检测电路294.2.8主控电路板各模块组合后总布线规则304.3主控电路板展示314.4 本章小结32第5章 程序控制函数的测试与优化335.1步进电机脉冲数的调试335.2并联臂三角洲结构运动参数的计算345.3本章小结36第6章 系统的检测和切片软件参数的测试优化376.1硬件电路测试376.2系统整体测试386.3本章小结39结论41参 考

13、 文 献42谢 辞43附录44第1章 绪论1.1研究的现状及意义三维打印，也被叫增材制造或3D打印。如果和以前的传统制造技术进行比较，3D打印有其独特的优势。其根据软件设计的三维模型，经软件切片后使用材料堆积的方法制造出立体的打印物体。早些时候3D打印技术概念首先由科学家查尔斯提到，后来rico设计出了第一台的3D打印机。这台打印机涉及到的技术有，数字资源打印3D对象技术，还通过3D光刻技术固化光敏树脂，因此获得了专利。1989年，SLS(激光烧结)技术由DE schall发明提出，激光烧结通过极高功率激光束对打印材料进行切片分层烧结，从此3D打印就可以向着打印更高难度的材料发展。直到1996

14、年，三家早期发展3D打印技术的公司先后推出了三款不同的打印机，其分别是Acute 2100、Genisys和2402打印机，这些是世界上第一批“3D打印机”。现如今，日常生活中有不少地方都使用到3D打印技术。熟悉的传统制造业生产加工方式有车,铣,刨和磨等。有些零件在加工时，虽然处理方法是合理的,但由于部分结构复杂多变,传统的处理方法是很难实现，或耗费工序。但这些都难不倒3D打印机，无论什么模型，它就一个原理，软件分层的进行切片处理，多难的结构都是一样的制作方法。出现3D打印之前的制造方式大多是减材制造，这会造成废料损失和浪费，资源利用率低。对比3D打印在加工的过程中不产生废料,也不需花大量的时

15、间来研究加工过程,优势非常明显。这可以说是颠覆了传统的制造技术,它必将会有很好的发展前景和研究价值。1.1.1国内外研究现状在西方国家，3D打印技术早已出现并得到迅速发展，其行业占世界市场比例已达80%。欧美早已有不少规模很大的3D打印企业。如策略公司和3 d Systems公司在美国和英国垄断了3D打印行业。我国的3D打印技术发展也很迅速。如图 1.1 所示，著名的科研团队Reprap 发明的一款开源型的 3D 打印机，而它的大部分配件也都是由3D打印生产。开源的打印机方案出现也大大刺激了3D打印机的发展， 这也使得很多人能够接触到3D打印机。现在，我国不少大学都有开展3D打印技术的研究，而

16、且很多都有相关技术突破。其中，高功率工业级3D打印金属类发展的很好，已在航空航天的一些设备方面得到了应用。而企业在这方面也有所发展，国内也有不少公司做到了3D打印机的研发生产以及销售。这也会是国3D打印企业主要的发展方向。图 1.1开源 3D 打印机1.1.2国内外主流 3D 打印技术 由打印所需材料的特性和加工方式不同可分为几个种类， 商品化的快速成形技术和工业级的快速成形系统分别有熔融沉积制造技术、光固化成型技术 、 选择性激光烧结成型 、三维印刷成型技术和叠层实体制造技术等 ,如图1.2所示 。其都有各自的独特打印特点，可以适合不同环境要求和对材料的种类要求，打印时一般用到的材料种类有塑

17、料、 陶瓷、 木材、 石蜡、 树脂和金属等图1.2 市场上的各类打印机1.2 研究目标、研究内容 1.2.1研究目标根据小组研究内容，本小组在现有开源打印机的情况下做优化处理，并对打印机的稳定性和打印效率提出更高的要求， 还有其他方面不足再加以优化。主要是对一些硬件电路进行分析研究， 对一些效果有影响的因素进行优化调整， 和程序参数的一些优化修改，使打印效果更好。实体组装一台 3D 打印机并完成上面优化项目，并校对优化效果。最终能做到提高 3D 打印的打印精度和稳定性，并提高打印成品质量。1.2.2研究内容和工作根据熔融沉积技术的基本打印原理，了解相关技术并进行总结归纳，确定设计总方案。设计内

18、容包括有，确定了以 atmega256016AU 单片机核心和出发点，而后对各电路控制模块进行分析研究、软件和程序参数的进行优化，最后装机进行组合调试，测试打印效果。更详细的内容包括：1.第一章： 绪论。 课题研究意义，国内外现状和背景， 述说引出3D 打印技术的优点，发展优势和趋势，对比其他制造技术，简要分析一下现在打印机市场的发展情况，和往后潜力，以此同时引出开源打印记得不足和改进想法 ，还有现存的问题。2. 第二章： 相关技术分析和归纳。 分析FDM 式 打印机控制系统的主要组成部分，如热熔喷头，送丝结构和运动结构等。研究步进电机的运作和相关电机驱动技术的类型，同时对主控器芯片相关情况进

19、行介绍分析，主要对 AVR 系列单片机进行了解认识。 这些都为接下来确定系统总设计方案提供理论基础。3.第三章： 总结上两章信息并给出总体的设计计划和方案。总结计划包括了三大设计部分，分别是硬件控制电路的各模块的设计优化，机械机构的理论设计，和软件控制和程序参数的修改与优化。4. 第四章：根据选型购买的主控电路板，对硬件控制电路各部分模块的设计。充分剖析主硬件电路中每部分电路模块的功能和可优化点，一一罗列研究分析，使打印机电信号流向逻辑通畅有序，使各电路模块的工作稳定可靠。最终列出对应的连接线路图和实物成品电路板。5. 第五章： 软件控制参数和程序参数的修改与优化。 利用程序设计软件，对电机带

20、动的机械结构运动部分固件程序参数进行测试修改，对上位机切片软件设置的打印数据进行测试优化，保证打印精度和质量。 6. 第六章：系统的检测和切片软件参数的测试优化。搭建打印机，检测和排查系统可能存在的问题，利用切片软件测试不同参数的打印效果，做出最后调整。1.3本章小结本章介绍了一、3D打印机的研究现状和国内外发展情况和现在主流的打印机和打印技术种类。二、 研究目标、研究内容，并对研究内容进行详细说明，明确了研究的路线和思路。 这章主要对3D打印机控制系统进行了详细的剖析，从中得到了不少思路，为后续的深入学习研究打下了良好的基础。第2章 相关技术介绍和分析总结2.1FDM 式 3D 打印机的工作

21、原理与组成熔融挤出堆积成型（FDM） 是3D打印成型技术的其中一种，其工作原理如图 2.1 所示， 控制系统控制机械运动带动打印头， 由打印数据传输控制在 XY 方向运动进行切片打印。通过送丝电机和机构把丝状材料输送至挤出头，经过加热成为熔融状态后， 通过推送挤压堆积在工作平台上，慢慢冷却成型。 一层一层打印， 反复堆积， 直至完成打印 。 图 2.1 FDM 打印机的工作原理这里将打印机主要打印部分的机械结构，分为送丝机构、热熔喷头与运动机构三个部分进行说明，接下来将说明每部分的主要的影响和作用，并分析它的控制的方式。 (1)热熔喷头。 这部分主要由加热块和喷头组成，如图 2.2 所示是简易

22、原理图。 材料到达加热管会被加热融化， 之后喷嘴挤出， 与上一打印层粘结并快速冷却固化，在整个过程中很关键第一个点就是要保证温度的恒定，控制算法采用PID 控制，并通过热敏电阻和加热电阻实现闭环控制 ，时刻保持挤出头的通畅也是很关键。图 2.2 打印热熔喷头的原理图（2） 送丝机构。 送丝机构主要对FDM打印机的塑料性丝状材料进行输送。通常的丝状原材料直径为 1.5mm左右,打印喷嘴洞直径一般为 2.5mm左右,通过利用这个差值使得融化的材料被挤压时具有一定压力，这样熔融材料被挤出时就会具有一定速度，会达到更好的打印效果。 挤出机构采用如图 2.3 所示， 它是通过步进电机带动的齿轮和轴承进行

23、配合，挤压输送条料，之后通过控制齿轮的半径， 再利用输入脉冲的个数使电机转动相应步距角来控制齿轮，达到精准控制送丝长度目的。 图 2.3 常见的送丝挤出机构原理图（3） 运动机构。运动机构在不同类型的打印机有完全不同的结构组成，其主要是通过控制数据带动挤出头在 X,Y,Z 三个轴运动， 所有机构的机械结构和控制运动的精度都会直接的决定了打印成品的精度， 而此类结构常常使用三个相对应的电机带动其各一个轴的运动，最后配合带动打印头。 经常能看到的运动机构类型有两大种类，分别为三角洲并联臂结构和笛卡尔坐标系结构， 这两种结构在下面再分析择优进行选择，并联臂三角洲结构如图2.4所示 。图2.4 三角洲

24、并联臂运动机构图2.2步进电机与细分驱动技术 人们常常把数字信号转换为角位移作为控制系统的控制方式。 步进电机就是这种方式进行控制的， 通过主控器输入脉冲转化为电信号之后再转化为电机转动对应的步距角，进行额定位移。所有每当输入电机一个点脉冲电机就会转动一个角位移，它们之间是正比关系，经过推算，电机的转速和带动的位移就和脉冲频率间接成正比。这也是为什么步进电机通常会在开环系统中，作为执行元件来使用。例如，平面绘图机和程序控制电机的线切割机等等都是此原理。2.2.1主要技术指标作为控制系统中的常见执行元件的步进电机， 通常以分析下列这些数据来判断其工作性能和作为电机选型的参考。 （1） 相数： 即

25、不同对线圈产生N极和S极磁场的对数，常用 m 表示。 电机类型可以分为两相、 四相和五相等等相数的步进电机。 （2） 拍数： 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。 （3） 步距角： 与步距角相对应的是一个脉冲信号， 即是输入一个脉冲电机转子所转过的角度。 （4） 定位转矩： 当电机不通电时， 电机转子自身锁定的力矩，它是由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的。 （5） 最大空载运行频率： 在电机不加负载的情况下，直接启动时所能够达到的最大频率 。 2.2.2电机的细分驱动技术由于主控器输入额定脉冲控制步进电机转动的步距角度是不变的 ，通过脉冲输入

26、和精准测算好电机转动齿轮的半径，二者结合就实现精准距离控制， 由此看来步进电机的作用不仅仅局限于角位移的控制，也能用在控制精准位移距离的场景中。 在以往的控制系统中，虽然步进电机也是利用脉冲进行位移控制，但由于环境提出需求不一， 控制精度就会达不到预期。需要重新设计驱动器来做其他用途， 然而对于步进电机的控制， 也逐渐提出了精确控制和运行平滑等方面的要求。为了满足一些对控制要求较高的驱动器，就此出现了步进电机的细分控制 ，成为这些问题解决的最佳方案 。 近些年来发展迅速的单片机技术， 为步进电机的细分驱动创造了很多可能性。 所以现在电机的驱动控制很多都是采用单片机控制，单片机作为主控制器使得一

27、切要求的可行性变强。其运作原理逻辑框图如图 2.5 所示。 单片机通过计算，确定出每部分所需步距角位移对应的每项绕组中的电流值， 然后分别输出到D/A数模转换器中， 把数字量转换为对应的模拟电压值， 之后电流经过环形分配器加到每部分的功放电路上， 最后通过控制功率放大电路，给各相绕组通对应的电流。这样就能达到细分控制的目的了。 图 2.5 单片机控制步进电机细分驱动电路的结构原理框图2.3ATMEL 公司研发出的AVR 系列单片机AVR 单片机属于精简指令集的高速 8 位单片机。其优异性方面包括有，耗能低，和各项性能安全稳定和可靠性强，因此广泛应用于通信设备控制、工业控制、产品控制和仪器仪表控

28、制等领域。 AVR 单片机的具有的优势特点有： （1） 运算速度快。AVR 单片机作为高速单片机， AVR 可以达到一个时钟周期执行一条指令的速度， 而且绝大部分指令都为单周期指令，这也是高速运作的体现。 对比其他的单片机， 例如PIC和 KSC系列单片机执行一条普通指令则分别需要 4 个和 12 个时钟周期，由此看优势明显。 （2） 功耗低。 AVR 系列单片机是低功耗类型单片机， 因为它具有很好的省电功能，一些功能的耗能也极低。 （3） 简单易上手、 相对开放成本低。 其控制程序的系统支持ISP， 这方面就能大大降低了开发成本。 初学者只要有一条 ISP 下载线， 就能把编辑调试的内容利用

29、软件程序，直接通过数据线写入 AVR 单片机中，非常方便而且几乎是傻瓜式操作。2.4拟解决的关键性问题并总结研究方法2.4.1拟解决的关键问题 因为此类FDM打印机各个轴的运动采用三角洲结构即delta机构，控制系统是以三角洲并联臂连接打印头的整体机构为主控体，首要是实现三轴并联机器人驱动电机的协同控制，这是核心功能，必须通过准确测量和计算打印机每部分硬件结构的尺寸，修改对应控制程序参数，以达到打印更高精度产品的目的。之后对硬件电路的一些优化，以改进开源打印机的一些不足，保证打印的实时性稳定性。其次，设计加热熔融喷出系统，对熔融温度的准确控制和工作台的温度控制，并达到良好成件效果，最后实现人机

30、交互功能，从上位机发送G代码打印和监控工作状态。2.4.2基本思路和方法为了实现打印速度快、精度高、耗能低要求，综合分析选择了PC上位机+多微处理器芯片的系统模式。温度控制使用PID控制，有效的提高了打印速度。电机的控制采用梯形加减速法和三轴联动算法，也提高了打印精度和效率，减少了CPU的运作时间。2.4.3技术路线首先,基于AVR 系列的主控器以及处理器Atmega2560单片机,在控制电路方面进行每个模块详细的研究设计,最后软件部分进行打印相关信息参数的调试优化，以硬件和软件更好的配合来达到优质的打印效果。还有,步进电机的转动带动同步带以及滑块升降速度的控制，使用16-pulse细分驱动步

31、进电机和梯形曲线算法来实现,三轴联动控制算法则是协调和控制步进电机转动，间接带动三角洲并联臂在X，Y和Z方向的移动,以此来提升打印的精度和稳定性。温度控制则选择基本的PID控制法，有效提高了打印的质量。软件控制方面对程序的数据准确性提出要求，必须通过打印机每部分运动固件结构尺寸的准确测量和计算，修改对应控制程序参数，以达到打印更高精度产品的目的。最后，进行3D打印机测试平台的建立，通过切片软件测试和优化打印机的性能指标是否符合要求。 2.5本章小结本章主要说明和分析了 FDM 式 3D 打印机每部分的原理和要求，罗列了一些有用信息，并初选型了一些后面使用的核心元器件， 分析了步进电机的细分驱动

32、技术的作用和使用必要， 这对于提高步进电机的精度有重大的意义。 介绍了 AVR 系列单片机的特性， 为下面的主控芯片选型奠定了基础。 同时也在研究思路和技术路线中明确了研究方向，为后续的硬件控制电路模块的设计做了铺垫，也包括了一些软件和机械结构部分的后续方向做简要说明。第3章 3D 打印机控制系统总体的设计计划与选型方案3.1控制系统整体的设计计划介绍打印机的控制系统可分为三大部分的协调配合组成，其中分别为上位机软件、 硬件主控制板电路和受控机械运动平台，总体框图如图 3.1 所示。图3.1 3D打印机控制系统的总体设计计划框图上位机与主控制板之间使用 USB 线连接进行串口通讯。主控制板将上

33、位机发送的命令转化为具体的控制信号， 然后以数字信号转换为相应电信号控制步进电机驱动、 加热电阻等模块完成相应的动作，来完成整个的打印流程。 3.2主控板中主控芯片的选型基于之前的一些想法和总结，预定设计的3D打印机在工作中需要大量的IO端口和能够进行一些必要的数据运算，至此选用的单片机微处理器为AVR 最高档 的(艾特梅尔) ATmega 系列ATmega256016AU 单片机，实物样貌如图3.2所示。ATmega256016AU单片机是种精简指令集计算机的 8 位耗能极低的CMOS微处理器。 其具有先进的指令集和与单周期指令执行时间， 其数据吞吐率能够到达1MIPS/MHz， 打印机使用

34、它能让控制系统能够避免掉低功耗和处理速度快，两者所出现的不一致。 ATmega256016AU 单片机的资源主要还有以下几个方面： （1） 八位总共256K字节的Flash可编程的储存器， 其具有数据在读的时候还能写入的能力。 （2） 它有通用的I/O 端口数量达到86 个之多，还有32 个通用的寄存器。 （3） 有 RTC作为必要的实时时钟， 6个多功能的定时/计数器（T/C）， 其他还有4个USART。（4） 有 SPI 串行端口 和IEEE1149.1 规范兼容的 JTAG 测试接口 （5） 具有可自主进行编程的看门狗定时器，它与单片机内的振荡器集相对应。（6）至于耗能，它可以通过软件进

35、行选择多种的耗能模式，这可以适应不同的工作环境，完全满足对打印机的功耗的要求。 （7）单片机内的 ISPFLASH 完全可以通过 SPI 接口、 通用编程器或引导程序进行多次编程。初始化引导程序也可以使用任何接口来下载应用程序到对应的FLASH 存储器。 综上所述， 的设计要求在ATmega256016AU 单片机上都能够有效得以实现和满足。 本设计就是基于此单片机作为核心大脑，进行制作设计主控器电路板和主控电路的各个模块电路，将安排在第四章进行详细的硬件电路设计，这些在后面会一一阐述的。图3.2 ATMEGA2560-16AU单片机微控制器3.3步进电机与电机驱动控制芯片的选型3D打印机整体

36、的运动系统主要由步进电机来带动。以此，为了使打印机的打印运动方面有更好的效果和性能，对于步进电机和步进电机的驱动控制芯片的选型尤为重要。 本设计采用 深圳Usongshine/优胜光彩公司的17HS4401A 型混合式42步进电机，此类电机的基本参数是，机身 48mm， 扭矩为 0.52N.m，经计算评估，其完全满足本次设计对打印机运动性能的要求。 研究筛选后确定了步进电机的驱动模块为 A4988 模块， 基本样貌如图 3.3 所示，A4988 模块是一款人常用到的 DMOS 微步驱动器模块， 它在驱动性能方面，输出的电压可以达到 35V之高，也是完全满足本设计对步进电机控制的电压需求的 。

37、A4988 模块也是具备简单易懂好操作等特点。 模块的单片机对电机进行控制时，是不需要按照相位顺序表来对高频率的电机的运转进行独自编程控制的，简单到只需要在对应的引脚输入脉冲个数， 即可驱动步进电机运转。 它可以工作在全、半、 1/4、 8/1 以及 1/16 等的步进模式中， 也可以根据不同的应用场合选择相对应的细分要求。模块自带的电位器是可以调节最大输出电流的大小的，调大从而获得更高的步进率。 图 3.3 A4988模块 步进电机的驱动模块3.4并联臂式三角洲运动结构本设计的桌面级FDM打印机工作时需要打印头只在一个固定的范围运动打印， 以往使用的笛卡尔坐标系结构采用三个大功率电机，每个电

38、机独立运转进行X,Y,Z 三个方向中每个方向的独自运动， 最后结合带动挤出头达到运动位置， 从中可以看出，每个电机带动的是整个轴再加打印头的负重进行运动的， 这样明显看出其会大大增加了电机的负担， 如果设计在此方向考虑，从机械运动负载方面就会严重限制打印头的运动速度，毕竟选型电机的功率达不到要求。 经过研究分析，最终使用的运动机械结构为如图 3.4 所示的并联臂式三角洲的运动结构， 从图中可以看出整个结构框架的大体轮廓，三根竖柱为整个打印机的主机架柱，同时它也是打印机械运动的主导轨，如3.4右图所示其具有一材多用的特点。每个滑块上有三个滑轮，滑轮固定在柱槽上可上下滑动，同步带连接着滑块，滑块又

39、连接着并联臂。运动原理是使用主控器控制步进电机转动带动同步带，同步带带动滑块，滑块的上下运动同时带动并联在滑块上的并联臂杆，三对杆连接结合的末端就是打印头。以此电机间接的带动打印头的打印运动 ，打印头能一个圆柱空间内自由运动。 这种并联式结构能有效的减小了每个步进电机的负载，这样电机就能更灵活和迅速的完成打印，同时也能减少了打印时的噪声，这对于打印精度的要求也是一个很大提升。图 3.4 并联臂式运动结构的打印机示意图3.5上位机软件与主控板电路的数据通信因为打印的过程中是需要打印软件和主控器之间不断的进行数据传输通讯， 这样数据传输的稳定可靠也成为打印很重要的一部分， 为此研究决定采用数控程序

40、中的 G 代码指令控制。 G 代码早被当作一种 ISO 标准使用在各种数控机床。G 代码文件绝大多数的制图软件都可以直接生成 ， 因此，这也是本设计采用 G 代码进行通信的原因， 避免了自己开发通信协议的巨大工作量， 同时也提高了软件系统的兼容性。还有 G 代码中标准的坐标系数据排除了不同机器在实际结构上的差异， 这增加了硬件的可移植性和操作性， 在本设计能在机械结构上稍加改造， 便可实现打印雕刻的功能。3.6本章小结本章主要介绍了设计中控制系统的总体设计计划和打印机每部分的选型方案。其中包括了打印机控制系统的总体设计计划框图、主控板中主控芯片的选型、 步进电机与电机驱动控制芯片的选型、打印运

41、动结构的选型和上位机软件与主控板电路的数据通信。 主控芯片选择采用的是ATmega256016AU单片机， 通过主控板中ATmega256016AU单片机传输信号给 A4988 电机驱动模块进行控制步进电机转动， 采用16 细分的驱动模式有效的提高了步进电机的控制精度， 这也间接的保证最终打印成品的精度。 机械运动结构的逻辑原理是使用主控器控制步进电机转动带动同步带，同步带带动滑块，滑块的上下运动同时带动并联在滑块上的并联臂杆，三对杆连接结合的末端就是打印头。以此电机间接的带动打印头的打印运动 ，打印头能一个圆柱空间内自由运动。 这种并联臂式三角洲结构的运动逻辑简单易懂、好操作和实现，这也能够

42、减小电机的运动负担，确保了电机使用寿命，使打印更迅速，间接保证了打印精度的要求。第4章 硬件主控电路板电路的仿真设计4.1主控电路板中各电路模块信号传递总概述根据选购的电路板设计了3D打印机控制电路的各个模块仿真电路，其中包括单片机最小系统电路 、控制系统的复位电路、 USB 数据传输与通信电路、电源电路、 限位开关检测电路、步进电机驱动电路、热敏电阻与 MOS 管驱动电路等。 主控电路板中各电路模块信号的传递原理图如图 4.1 所示。 图 4.1 主控电路板中各电路模块信号的传递原理图4.2硬件电路的研究途径和方法为了更细致真实的的完成电路研究，选择在PCB 的仿真设计软件 AltiumDe

43、signer10和 Proteus Pro 7.8上完成初设计，为了对各电路模块进行电流发热保护，能够清晰明了检查和测试分析电路焊接情况，所以购买的实体电路板采用了拓展性的双层布线方法。 4.2.1AVR 最小系统电路主控制板上的 ATmega2560 芯片其采用 的是TQFP100 封装， 仿真图如图 4.2 所示， 该芯片的最小系统有一个复位电路和一个外部 16MHz 晶振的时钟电路。 图 4.2 ATmega2560 芯片最小系统原理图（1） 复位电路： ATmega2560 芯片自带有上电复位设计， 如图 4.3 所示为外部复位电路原理图。 它由一个 10K 的R_R电阻连接到上拉的

44、VCC电源； 22p电容 C_R 的接入则是为了去除电路产生的干扰和各种杂波；与R_R电阻并联的二极管 D3 的作用是，当电路系统处于断电状态时， 能够将 R_R电阻短路，短路电阻后电容 C_R 利用二极管的特性快速放电，这里的复位电路中电器元件的连接方式，能确保当电路再次上电时完成稳定可靠的上电自动复位功能。 图 4.3 ATmega2560 的复位电路原理图（2）时钟电路：时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机运作的节奏。 ATmega2560单片机内的时钟电路原理图如下图4.4所示，单片机时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，此单片机时钟电路连接有一个 16MHz 的晶振，为使其稳定

45、工作，将两个22pF 的谐振电容并联在其两边， 在另一边再并联一个 1M 阻值的电阻。 这能有效的降低振荡器增益作用， 也是为了使最终输出的波形接近正弦波波形，并且趋于稳定的节奏。 图 4.4 ATmega2560 的时钟电路原理图4.2.2电源电路12V100W 开关电源为电路板提供主电源，为了对电路进行过流保护，串联了一个能自恢复的10A保险丝。而在此限流环境下输入的12V电压就能直接驱动各个大功率电路，如步进电机的驱动电路，打印头加热电阻和散热风扇等。还因为还有些电路需要低电压工作，如单片机、 指示灯等的工作电压仅为5V。12V电压为了转换成5V需经过二极管D1进入VIN，而后通过 NP

46、C1117 电压转换器将电压转为 5V。 所有电压都并联了个二极管作为电路保护， 并且根据电压的不同并联相应容值的瓷片电容与钽电电容，以此作为滤波电容来保证电压波形是稳定的。图 4.5 12V电源电压输入和电压转换原理图考虑到这种情况， 还有很多电路的工作电压仅为5V，如主控板电路中的程序下载和与上位机软件的通讯电压。为保证这些电路电压的稳定提供，这就没必要通过12V再转换的方式来完成电压提供，电脑 USB 接口就可以提供500mA 的 5V 电源， 完全足够电路板的基本工作。 至此，增加一种功能为电源电压的选择，即电源的选择模块，电压的选择模块原理图如图 4.6 所示。 这里采用了一个P型沟槽的MOS管来对电压进行选择。从下方第二图中可看出当VCC没有输入时，Q4就会时导通状态下的，此时将是USBVCC即USB接口电源提供电路电压，电路将是5V的电压工作。而当VCC接入12V的电源电压输入时，那电流流进CMP-G，VIN 的输入电压就会经过 LM358 比较器的输出来使MOS 管断开USBVCC电源。 这时工作电路的电压就是12V的VCC开关电源提供。 电源的自动选择就是这样一个过程，这样还能实现就算没有外部电源时，也能进行一些基础的软件在线调试和程序的烧入。 图 4