基于單片機(jī)的3D打印機(jī)設(shè)計

PAGE基于單片機(jī)的3D打印機(jī)設(shè)計目錄摘要Abstract第1章前言…………..…………..1第2章3D打印機(jī)整體設(shè)計方案….….….…………..………32.1整體方案設(shè)計…………..32.2方案可行性……………………..………...4第3章3D打印機(jī)硬件設(shè)計………..……..……..53.1Arduino控制板…………………53.2Ramps1.4拓展板及A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器.…………...63.3笛卡爾機(jī)械結(jié)構(gòu)…………...73.4打印噴頭73.5直線導(dǎo)軌93.6機(jī)械限位開關(guān)9第4章3D打印機(jī)軟件設(shè)計…………………….114.1控制系統(tǒng)……….…114.2步進(jìn)電機(jī)控制程序.…………………….…17第5章3D打印機(jī)調(diào)試..………...185.1ArduinoIDE調(diào)試.…………………….185.2Slic3r切片185.3Printrun打印195.4調(diào)試過程中遇到的問題和解決方案205.5提高打印精度的技巧22第6章結(jié)束語.…………………..23參考文獻(xiàn)答謝辭

摘要3D打印技術(shù)是最近兩年快速發(fā)展的一種新型快速成型技術(shù)，這種即時通過熱塑性材料受到加熱擠壓成為半熔融狀態(tài)的細(xì)絲，由沉積在層層堆?；A(chǔ)上的方式，從CAD資料直接建構(gòu)原型。本文首先介紹了3D打印機(jī)的整體方案設(shè)計，然后介紹了3D打印機(jī)的硬件部分：Arduino開發(fā)板、Ramps1.4拓展板、A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板、笛卡爾機(jī)械結(jié)構(gòu)和直線導(dǎo)軌。緊接著介紹了3D打印機(jī)軟件設(shè)計，最后講述了3D打印機(jī)的調(diào)試以及設(shè)計中所遇到的問題。關(guān)鍵詞：快速成型；3D打印機(jī)；打印精度；Arduino

Abstract3Dprintingisoneofthemostrapiddevelopmentinthepasttwoyearsanewtypeofrapidprototypingtechnology,theinstantbythermoplasticmaterialisbeingsqueezedfromheatingfilamentsbecomesamoltenstate,bytheway,onthebasisofsedimentaryinthelayersofthestackdirectlyfromCADdatatoconstructtheprototype.Thispaperfirstintroducestheoveralldesignof3DPrinter,andthenintro-ducesthehardwarepartofthe3DPrinter:Arduinoboard,Ramps1.4developm-entboard,A4988steppermotordriverboard,Descartes'mechanicalstructurea-ndthelinearguide.Thenintroducesthesoftwaredesignof3DPrinters,finallytellsthestoryofa3DPrinterdebuggingaswellastheproblemsencounteredinthedesign.Keywords:Ethernet；configuration；monitoring；Arduino第1章前言3D打印技術(shù)，又叫做快速制造、快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，塑料或粉末冶金等可粘合材料作為打印材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，集成了CAD、數(shù)控技術(shù)以及材料科學(xué)與工程等技術(shù)。現(xiàn)如今主要是因為桌面級的3D打印技術(shù)成本偏高，再者打印件精度、耐久度、強(qiáng)度等性能還不能完全符合用戶需求，所以3D打印技術(shù)的大眾化的腳步隨之慢了下來。未來幾年的對主要趨勢如下：增強(qiáng)3D打印機(jī)系統(tǒng)的控制精度，提高可靠性和打印速度；提高數(shù)據(jù)處理速度；高強(qiáng)度、無污染的成型材料以及研發(fā)的成本低、便于攜帶等趨于桌面化的產(chǎn)品設(shè)計；研究開發(fā)新的成型方法；對快速制模以及快速打印技術(shù)進(jìn)行更深入的研究；改善打印支撐結(jié)構(gòu)；3D打印機(jī)在逐步改進(jìn)，每一種類型都是對前一種類型的改良。從最開始的外表框架的改進(jìn)，再到后來的噴頭改進(jìn)，到最后線性導(dǎo)軌的改良，所做的這些改進(jìn)，均是為了改良打印機(jī)的打印精度并提高打印速度。各類型打印機(jī)特點(diǎn)：1、RepRap類型特點(diǎn)：世界上首個多功能、可以進(jìn)行自我復(fù)制的3D打印機(jī)；可以用塑料做為打印材料；加熱頭與驅(qū)動分開，單獨(dú)固定在Y軸上，減輕X軸承載壓力；打印范圍受支撐框架的限制；調(diào)試比較耗時；打印時速度較快，打印較為精準(zhǔn)；用塑料軟管做導(dǎo)料管；2、BoxBot類型特點(diǎn)：零件都是標(biāo)準(zhǔn)化的零件，易于組裝；校準(zhǔn)所花費(fèi)的時間較短，但是長時間工作不穩(wěn)定；選用雙進(jìn)料頭，可以使用水溶性材料和普通打印材料配合打印需支撐結(jié)構(gòu)的物體或拼接色打?。桓泳_的直線導(dǎo)軌系統(tǒng)；價格較其他開源3D打印機(jī)高；3、RepStrap類型特點(diǎn)：最初制作受到局限性；由CNC雕刻機(jī)和進(jìn)料機(jī)組合而成；容易擴(kuò)展；校準(zhǔn)耗時；4、Upstart類型特點(diǎn)：用使用2020方鋁來取代螺紋桿框架；簡化了結(jié)構(gòu)，容易進(jìn)行組裝；X，Y，Z三軸的運(yùn)動都是獨(dú)立的，采用了雙Z軸電機(jī)；雖然脫離了傳統(tǒng)打印機(jī)的盒式結(jié)構(gòu)，但是穩(wěn)定性較差；打印速度慢；由上面幾種類型的打印機(jī)特點(diǎn)可以看出，3D打印機(jī)開始趨于桌面化、輕型化。開始發(fā)展為面向普通用戶，滿足創(chuàng)客、DIY愛好者的需求。

第2章3D打印機(jī)整體設(shè)計方案2.1整體方案設(shè)計整個打印系統(tǒng)主要包含四個部分:電源部分、打印控制部分、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分以及噴頭定位部分。如圖2.1系統(tǒng)框圖所示?？刂颇K由Arduino控制面板獨(dú)立編程連接定位模塊，在定位模塊里面有具體的參數(shù)設(shè)置，從而讓步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行定位?？刂颇K的Ard-uino控制面板主要有兩方面的控制要求：一是步進(jìn)電機(jī)與定位模塊一起實(shí)現(xiàn)位置的控制，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的啟動要求必須要有驅(qū)動模塊的參與，所以在外圍設(shè)備中添加中間繼電器和交流接觸器，來控制兩路伺服放大器的通斷，從而讓驅(qū)動模塊工作。二是步進(jìn)電機(jī)與Arduino控制面板輸出模塊一起來實(shí)現(xiàn)位置的控，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的啟動要求必須要有驅(qū)動模塊的參與工作。程序程序外圍設(shè)備接線噴嘴加熱平臺加熱驅(qū)動驅(qū)動設(shè)置數(shù)據(jù)驅(qū)動限位信號交流繼電器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器MMPG讀寫讀寫給定脈沖放大器上電反饋脈沖步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)Arduino圖2.13D打印機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2.2所示，本設(shè)計采用笛卡爾機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要由X、Z控制打印噴頭的移動，Y軸控制打印平臺的移動。其中，在X、Y軸端安裝步進(jìn)電機(jī)，在Z軸端安裝雙步進(jìn)電機(jī)。另外，在打印機(jī)打印噴頭的軸端也安裝一個步進(jìn)電機(jī)，用來控制擠出機(jī)的進(jìn)料。在每個軸的極限位置都安限位開關(guān)，以避免在打印過程中出現(xiàn)超出打印范圍的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的保護(hù)。另外，由于打印噴頭和打印平臺的溫度較高，所以還要溫度控制。圖2.23D打印機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.2方案可行性雙Z軸打印機(jī)主要采用笛卡爾機(jī)械結(jié)構(gòu)，有著類似于CNC的直線導(dǎo)軌。和其他同類型桌面級打印機(jī)相比較，本設(shè)計使用2020方鋁來取代螺桿框架，簡化了結(jié)構(gòu)，非常容易組裝。其中X，Y，Z三軸的運(yùn)動都是獨(dú)立的，并且采用雙Z軸結(jié)構(gòu)，減小Z軸負(fù)擔(dān)，使得X軸上的擠出機(jī)不會影響打印精度。由于取消了傳統(tǒng)打印機(jī)的盒式結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性有所下降，打印速度較慢?？傮w來說本設(shè)計不受最初設(shè)計時的局限性，性價比較高，校準(zhǔn)平臺所需時間較低，方案具有較大可行性。

第3章3D打印機(jī)硬件設(shè)計打印機(jī)硬件最重要的工作就是元器件選型和工作鏈的選擇。本設(shè)計選用Ard-uinoMega2560單片機(jī)以及Ramps1.4拓展板做為打印機(jī)的主控板。3.1Arduino控制板如圖3.1所示為ArduinoMega2560單片機(jī)，其主要特點(diǎn)是IO接口分類、數(shù)量較多，方便用戶設(shè)計時使用，在本設(shè)計中其主要功能是讀取打印機(jī)中“X、Y、Z”三軸的軸坐標(biāo)和擠出機(jī)“擠壓”命令。采用Arduino控制板是因為Arduino控制板本身就帶有程序庫，易于編程，而且很容易進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。主要有以下特點(diǎn)：處理器ATmega2560；工作電壓5V；輸入電壓(推薦)7-12V；輸入電壓（范圍）6-20V；數(shù)字IO腳54(其中16路作為PWM輸出)；模擬輸入腳16；IO腳直流電流40mA；3.3V腳直流電流50mA；工作時鐘16MHz；外部直流電源通過電源插座供電；電池連接電源連接器的GND和VIN引腳；圖3.1ArduinoMega2560開發(fā)板3.2Ramps1.4拓展板及A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器由于ArduinoMega2560開發(fā)板沒有直接為A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動提供安裝的位置，所以Ramps1.4作為Arduino開發(fā)板的拓展板，起著至關(guān)重要的作用。3.2.1Ramps1.4拓展板Ramps1.4作為3D打印機(jī)DIY常用的擴(kuò)展板，如圖3.2所示，它是一塊低成本、小尺寸、將RepRap所有的電路接口集成到一起的拓展電路板。Ramps為ArduinoMega2560提供了大量的拓展接口。除了步進(jìn)電機(jī)所需的拓展接口，Ram-ps還提供了其他如擠出機(jī)驅(qū)動器、散熱風(fēng)扇、熱床啟動以及加熱棒啟動等驅(qū)動電路所需的拓展接口。Ramps升級、維修特別方便，其模塊化設(shè)計的拓展電路非常適用于ArduinoMega2560開發(fā)板。圖3.2Ramps1.4拓展板3.2.2A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動是眾多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動中的一種，如圖3.3所示。因其良好圖3.3A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分能力，常被用作3D打印機(jī)、CNC雕刻機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。A4988可以對步進(jìn)電機(jī)的脈沖進(jìn)行2細(xì)分、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分以及全細(xì)分共5種細(xì)分方式。A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可以經(jīng)驅(qū)動板上的電位器對電流輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，來獲得更為精準(zhǔn)的步進(jìn)值。A4988還具備以下優(yōu)點(diǎn)：自動甄選電流的衰減方式；短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)以及過熱保護(hù)等。3.3笛卡爾機(jī)械結(jié)構(gòu)本設(shè)計中的3D打印機(jī)運(yùn)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用笛卡爾機(jī)械結(jié)構(gòu)，噴頭在導(dǎo)軌Y/Z運(yùn)動，打印平臺做X軸的直線運(yùn)動，稱為笛卡爾坐標(biāo)系。同時為了追求高精度的定位，選用了具有較高步進(jìn)精度的42步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)精度為1.8度。再由A4988驅(qū)動進(jìn)行細(xì)分，最終使步進(jìn)電機(jī)的精度趨近于1毫米的步進(jìn)。本3D打印機(jī)的笛卡爾機(jī)械與CNC雕刻機(jī)相似，均沿著導(dǎo)軌作線性運(yùn)動。通過編程控制，在特定的區(qū)域內(nèi)控制熱熔塑料進(jìn)料器擠出加熱的絲狀打印材料，最后堆積打印材料在特定的位置形成特定的圖案。3.4打印噴頭打印材料的進(jìn)料頭是打印機(jī)設(shè)計中比較困難的部分。本設(shè)計最關(guān)鍵的兩個部分：擠出機(jī)驅(qū)動、打印材料加熱頭。擠出機(jī)通過擠出機(jī)結(jié)構(gòu)中的齒輪轉(zhuǎn)動來拉動線軸上的打印材料，打印材料最常見的兩種分別是直徑為3毫米和1.75毫米的塑料線材。擠出機(jī)是用來控制打印材料流量的步進(jìn)電機(jī)，為了增強(qiáng)驅(qū)動能力，經(jīng)常在步進(jìn)電機(jī)上加上一級減速結(jié)構(gòu)來增大扭力。擠出機(jī)又分為左向型和右向型，本設(shè)計采用左向型擠出結(jié)構(gòu)，如圖3.4所示。打印材料在步進(jìn)電機(jī)拉動的作用下進(jìn)圖3.4左向型擠出機(jī)結(jié)構(gòu)入進(jìn)料頭，隨之到達(dá)加熱噴頭。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，要做好加熱和進(jìn)料兩個部分的熱隔離措施，這樣可以減少在打印過程中打印材料回抽時導(dǎo)致噴頭堵塞。如圖3.5所示，加熱部分的組成部分為：加熱鋁塊、內(nèi)嵌式加熱組件和溫度傳感器構(gòu)成等。在打印材料抵達(dá)加熱頭時，會被加熱組件加熱到190攝氏度上下。圖3.5熱熔加熱頭其中加熱的溫度與打印材料的類型有直接關(guān)系。在打印材料變成熔融狀態(tài)時，就會順著加熱頭流向打印噴頭，然后在裝有加熱床的打印托盤上進(jìn)行物體的外形輪廓打印或者依據(jù)物體的外形進(jìn)行內(nèi)部填充。設(shè)計一個運(yùn)動平臺，然后把加熱鋁板如圖3.6所示或者玻璃版通過夾子固定在平臺上。每個打印機(jī)的托盤都不一樣。在打印過程中，托盤能夠避免打印物在冷卻過程中出現(xiàn)翹邊或者裂紋現(xiàn)象，也為物品可以牢固地粘在托盤上提供了保障。圖3.6固定在運(yùn)動平臺上的加熱鋁板同時，托盤的導(dǎo)熱性也是一個關(guān)鍵的設(shè)計，而且表面的平滑和水平也是一個重要的指標(biāo)，本次設(shè)計在打印托盤的上面加上玻璃板，選擇這種材料的原因是因為玻璃的光滑性較好，可以避免打印物品在打印過程從托盤上脫落，在托盤表面貼上藍(lán)色的美紋紙。3.5直線導(dǎo)軌直線導(dǎo)軌的設(shè)計為打印機(jī)的精度、速度以及設(shè)備長時間工作的維護(hù)成本奠定了基礎(chǔ)。直線導(dǎo)軌采用光滑、精密的連桿進(jìn)行設(shè)計，同時使用塑料支撐物和軸承構(gòu)成可以在連桿上運(yùn)動的滑塊。本次設(shè)計采用線性軸承作為直線導(dǎo)軌，如圖3.6所示。因線性軸承運(yùn)動流暢以及使用壽命長二培廣泛使用，但是它存在較大的缺陷就是在工作時會產(chǎn)生的較其他軸承大的噪聲。圖3.6直線導(dǎo)軌3D打印機(jī)的軸承室十分廉價，然而使用壽命非常短。雖然機(jī)械加工出來的塑料軸承簡易、平滑，可用在緩緩移動的Z軸上，但不能承受較重的物品，否則極易發(fā)生形變。如果要使線性軸承具有較高的穩(wěn)定性，就必須增強(qiáng)連桿的精密度與光滑度。在嘗試使用其他特殊材料制作而成的軸承時，其優(yōu)缺點(diǎn)也都是很明顯的。有些打印機(jī)為了增加連桿的精度和使用壽命使用了工業(yè)水平的導(dǎo)軌，這樣不僅提高了硬件的成本，而且還增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。3.6機(jī)械限位開關(guān)3D打印機(jī)在打印過程中，由于尺寸的不同，各軸向上的行程也不同，并且都是有限的，固在設(shè)計的過程中采用了機(jī)械式的限位開關(guān)作為擋塊，本次設(shè)計用到的是機(jī)械式的傳感器。此處傳感器就是一個機(jī)械式的限位開關(guān)，當(dāng)滑塊抵達(dá)行程的極限時，就會產(chǎn)生一個限位信號發(fā)送給打印機(jī)的主控板，主控板就會發(fā)出停止的信號，讓傳感器處于常開或者常閉的狀態(tài)，以防止滑塊的運(yùn)動超出行程。如圖3.7所示，是一個機(jī)械式的限位開關(guān)。為提供一個準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn)的情況下，必須在各軸上的極小位置上放置一個限位開關(guān)，這樣才能保證打印機(jī)的坐標(biāo)原點(diǎn)始終相同。圖3.7機(jī)械限位開關(guān)

第4章3D打印機(jī)軟件設(shè)計打印機(jī)軟件設(shè)計就是對固件進(jìn)行配置，主要是對步進(jìn)電機(jī)的脈沖、熱熔加熱頭溫度、打印噴頭定點(diǎn)以及散熱風(fēng)扇進(jìn)行配置，通過對底層文件的調(diào)配以達(dá)到逐層打印并且可控的效果。4.1控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)設(shè)計要求，控制系統(tǒng)的主要流程如圖4.1所示。開始開始初始化調(diào)X、Y定位子程序調(diào)整Z軸坐標(biāo)Z軸調(diào)整結(jié)束結(jié)束YN圖4.1控制系統(tǒng)流程因為3D打印是在線打印，所以大部分軟件會提供更為直觀的操作界面，在界面中可以看見模型轉(zhuǎn)換成G-code文件后的樣子。打印控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是通過提取G-code來調(diào)配擠出機(jī)的定點(diǎn)和出絲速度以及熱熔加熱頭的溫度。程序如下：#ifndefCONFIGURATION_H#defineCONFIGURATION_H#defineSTRING_VERSION_CONFIG_H__DATE__""__TIME__#defineSTRING_CONFIG_H_AUTHOR"(none,defaultconfig)"#defineSERIAL_PORT0#defineBAUDRATE250000#ifndefMOTHERBOARD#defineMOTHERBOARD33//定義主板類型33=RAMPS1.3/1.4(Poweroutputs:Extruder,Fan,Bed)#endif#defineEXTRUDERS1//定義電源類型#definePOWER_SUPPLY1#defineTEMP_SENSOR_01#defineTEMP_SENSOR_10#defineTEMP_SENSOR_20#defineTEMP_SENSOR_BED1//定義傳感器類型#defineMAX_REDUNDANT_TEMP_SENSOR_DIFF10#defineTEMP_RESIDENCY_TIME10//(seconds)#defineTEMP_HYSTERESIS3//(degC)rangeof+/-temperaturesconsidered"close"tothetargetone#defineTEMP_WINDOW1//(degC)WindowaroundtargettostarttheresidencytimerxdegCearly.#defineHEATER_0_MINTEMP5#defineHEATER_1_MINTEMP5#defineHEATER_2_MINTEMP5#defineBED_MINTEMP5//定義擠出頭和熱床最低溫度#defineHEATER_0_MAXTEMP275#defineHEATER_1_MAXTEMP275#defineHEATER_2_MAXTEMP275#defineBED_MAXTEMP150//定義擠出機(jī)和熱床最高溫度#definePIDTEMP#defineBANG_MAX255//limitscurrenttonozzlewhileinbang-bangmode;255=fullcurrent#definePID_MAX255//limitscurrenttonozzlewhilePIDisactive(seePID_FUNCTIONAL_RANGEbelow);255=fullcurrent#ifdefPIDTEMP#definePID_FUNCTIONAL_RANGE10//Ifthetemperaturedifferencebetweenthetargettemperatureandtheactualtemperature//ismorethenPID_FUNCTIONAL_RANGEthenthePIDwillbeshutoffandtheheaterwillbesettomin/max.#definePID_INTEGRAL_DRIVE_MAX255//limitfortheintegralterm#defineK10.95//smoothingfactorwithinthePID#definePID_dT((16.0*8.0)/(F_CPU/64.0/256.0))//samplingperiodofthetemperatureroutine#defineDEFAULT_Kp22.2#defineDEFAULT_Ki1.08#defineDEFAULT_Kd114#endif#defineMAX_BED_POWER255//limitsdutycycletobed;255=fullcurrent#ifdefPIDTEMPBED#defineDEFAULT_bedKp10.00#defineDEFAULT_bedKi.023#defineDEFAULT_bedKd305.4#endif//PIDTEMPBED#definePREVENT_DANGEROUS_EXTRUDE#definePREVENT_LENGTHY_EXTRUDE#defineEXTRUDE_MINTEMP230#defineEXTRUDE_MAXLENGTH(X_MAX_LENGTH+Y_MAX_LENGTH)//preventextrusionofverylargedistances.#defineENDSTOPPULLUPS//Commentthisout(using//atthestartoftheline)todisabletheendstoppullupresistors#ifndefENDSTOPPULLUPS#endif#ifdefENDSTOPPULLUPS#defineENDSTOPPULLUP_XMAX#defineENDSTOPPULLUP_YMAX#defineENDSTOPPULLUP_ZMAX#defineENDSTOPPULLUP_XMIN#defineENDSTOPPULLUP_YMIN#defineENDSTOPPULLUP_ZMIN#endifconstboolX_MIN_ENDSTOP_INVERTING=true;//settotruetoinvertthelogicoftheendstop.constboolY_MIN_ENDSTOP_INVERTING=true;//settotruetoinvertthelogicoftheendstop.constboolZ_MIN_ENDSTOP_INVERTING=true;//settotruetoinvertthelogicoftheendstop.constboolX_MAX_ENDSTOP_INVERTING=true;//settotruetoinvertthelogicoftheendstop.constboolY_MAX_ENDSTOP_INVERTING=true;//settotruetoinvertthelogicoftheendstop.constboolZ_MAX_ENDSTOP_INVERTING=true;//settotruetoinvertthelogicoftheendstop.#ifdefined(COREXY)&&!defined(DISABLE_MAX_ENDSTOPS)#defineDISABLE_MAX_ENDSTOPS#endif#defineX_ENABLE_ON0#defineY_ENABLE_ON0#defineZ_ENABLE_ON0#defineE_ENABLE_ON0//Forallextruders#defineDISABLE_Xfalse#defineDISABLE_Yfalse#defineDISABLE_Zfalse#defineDISABLE_Efalse//Forallextruders#defineINVERT_X_DIRtrue//forMendelsettofalse,forOrcasettotrue#defineINVERT_Y_DIRfalse//forMendelsettotrue,forOrcasettofalse#defineINVERT_Z_DIRtrue//forMendelsettofalse,forOrcasettotrue#defineINVERT_E0_DIRfalse//fordirectdriveextruderv9settotrue,forgearedextrudersettofalse#defineINVERT_E1_DIRfalse//fordirectdriveextruderv9settotrue,forgearedextrudersettofalse#defineINVERT_E2_DIRfalse//fordirectdriveextruderv9settotrue,forgearedextrudersettofalse#defineX_HOME_DIR-1#defineY_HOME_DIR-1#defineZ_HOME_DIR-1#definemin_software_endstopstrue//Iftrue,axiswon'tmovetocoordinateslessthanHOME_POS.#definemax_software_endstopstrue//Iftrue,axiswon'tmovetocoordinatesgreaterthanthedefinedlengthsbelow.#defineX_MAX_POS200#defineX_MIN_POS0#defineY_MAX_POS200#defineY_MIN_POS0#defineZ_MAX_POS200#defineZ_MIN_POS0#defineX_MAX_LENGTH(X_MAX_POS-X_MIN_POS)#defineY_MAX_LENGTH(Y_MAX_POS-Y_MIN_POS)#defineZ_MAX_LENGTH(Z_MAX_POS-Z_MIN_POS)#ifdefENABLE_AUTO_BED_LEVELING#defineLEFT_PROBE_BED_POSITION15#defineRIGHT_PROBE_BED_POSITION170#defineBACK_PROBE_BED_POSITION180#defineFRONT_PROBE_BED_POSITION20#defineX_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER-25#defineY_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER-29#defineZ_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER-12.35#defineZ_RAISE_BEFORE_HOMING4#defineXY_TRAVEL_SPEED8000#defineZ_RAISE_BEFORE_PROBING15#defineZ_RAISE_BETWEEN_PROBINGS5#defineZ_SAFE_HOMING#ifdefZ_SAFE_HOMING#defineZ_SAFE_HOMING_X_POINT(X_MAX_LENGTH/2)#defineZ_SAFE_HOMING_Y_POINT(Y_MAX_LENGTH/2)#endif#defineACCURATE_BED_LEVELING#ifdefACCURATE_BED_LEVELING#defineACCURATE_BED_LEVELING_POINTS2#endif#endif#defineMANUAL_X_HOME_POS0#defineMANUAL_Y_HOME_POS0#defineMANUAL_Z_HOME_POS0#defineNUM_AXIS4//TheaxisorderinallaxisrelatedarraysisX,Y,Z,E#defineHOMING_FEEDRATE{50*60,50*60,4*60,0}//setthehomingspeeds(mm/min)#defineDEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT{78.7402,78.7402,200.0*8/3.14,760*2.2}//defaultstepsperunitforUltimaker#defineDEFAULT_MAX_FEEDRATE{500,500,5,25}//(mm/sec)#defineDEFAULT_MAX_ACCELERATION{9000,9000,100,10000}//X,Y,Z,Emaximumstartspeedforacceleratedmoves.Edefaultvaluesaregoodforskeinforge40+,forolderversionsraisethemalot.#defineDEFAULT_ACCELERATION3000//X,Y,ZandEmaxaccelerationinmm/s^2forprintingmoves#defineDEFAULT_RETRACT_ACCELERATION3000//X,Y,ZandEmaxaccelerationinmm/s^2forretracts#defineDEFAULT_XYJERK20.0//(mm/sec)#defineDEFAULT_ZJERK0.4//(mm/sec)#defineDEFAULT_EJERK5.0//(mm/sec)#definePLA_PREHEAT_HOTEND_TEMP240#definePLA_PREHEAT_HPB_TEMP70#definePLA_PREHEAT_FAN_SPEED255#defineABS_PREHEAT_HOTEND_TEMP240#defineABS_PREHEAT_HPB_TEMP100#defineABS_PREHEAT_FAN_SPEED255#defineSOFT_PWM_SCALE0#include"Configuration_adv.h"#include"thermistortables.h"#endif//__CONFIGURATION_H4.2步進(jìn)電機(jī)控制程序控制系統(tǒng)通過調(diào)用步進(jìn)電機(jī)控制程序來達(dá)到逐層打印的效果，其步進(jìn)控制程序如下：#include<Stepper.h>#defineSTEPS100//設(shè)置步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周是多少步Stepperstepper(STEPS,8,9,10,11);//設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)和引腳intprevious=0;//定義變量用來存儲歷史數(shù)據(jù)voidsetup(){ Stepper.setSpeed(90);//設(shè)置步進(jìn)電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為90步}voidloop(){ intval=analogRead(0); //讀取傳感器數(shù)據(jù) steeper.step(val-previous); //移動步數(shù)為當(dāng)前讀數(shù)減去歷史讀數(shù) previous=val;//保存歷史數(shù)據(jù)}

第5章調(diào)試通過對軟件和硬件的設(shè)計，打印機(jī)的設(shè)計工作已基本實(shí)現(xiàn)，為提升3D打印的打印精度，需對系統(tǒng)進(jìn)行最后的調(diào)試，以及優(yōu)化打印所存在的缺陷。5.1ArduinoIDE固件上傳工具如圖5.1所示為Arduino開發(fā)板程序調(diào)試、固件上傳軟件，軟件采用C語言進(jìn)行編程，也可以采用圖形化編程，簡單易懂，畫面簡潔。圖5.1程ArduinoIDE固件上傳軟件5.2Slic3r切片工具顧名思義，切片工具是將3D模型轉(zhuǎn)換為可逐層打印的G-code，形成打印噴頭的運(yùn)動路徑。如圖5.3和圖5.4所示，分別為切片前和切片后。目前打印機(jī)所用到的切片工具有很多種，其中運(yùn)用較為普遍、操作性較強(qiáng)的軟件有Makerbot、Cura、Xbuilder和Slic3r等。切片工具的選擇，會對打印精度以及打印質(zhì)量造成較大的影響。設(shè)計3D模型，再通過切片軟件會對模型進(jìn)行細(xì)分，對應(yīng)打印機(jī)的打印高度系統(tǒng)就會計算出相對應(yīng)的編程以及打印路徑，最后再把這些程序傳送到硬件。Slic3r是一款在中國大陸運(yùn)用最普遍的智能切片工具，它可以自動調(diào)整模型大小，而且自帶一些模型修補(bǔ)功能。切片工具是將3Dstl文件轉(zhuǎn)換為打印機(jī)可讀取的G-code，它具有較多的、適用于打印的插件。Cura因直接為人們提供簡潔的操作界面，隱藏較為復(fù)雜的項目并直接提供這些項目正確的初始值，使之應(yīng)用十分簡單。同時它也自動為Ultimaker型打印機(jī)設(shè)置了合理的配置文件。圖5.3切片前圖5.4切片后5.3Printrun打印工具打印工具是向打印機(jī)主控板實(shí)時傳輸G-code的工具，切片好的G-code通過發(fā)送到Arduino主控板，進(jìn)行逐層打印。如圖5.5所示，Printrun還支持實(shí)時觀察打印程度，溫度控制以及X，Y，Z軸的校準(zhǔn)。你可以直接使用它對打印機(jī)進(jìn)行控制，例如:監(jiān)控電機(jī)坐標(biāo)、檢測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及限位開關(guān)的開閉狀態(tài)。Printrun是一個開放源代碼的軟件，若選用其他的切片工具，則必須配合一個可以將G代碼傳輸?shù)酱蛴C(jī)主控板的軟件使用。圖5.4Printrun打印工具5.4調(diào)試過程中遇到的問題和解決方案3D打印機(jī)在打印過程中或多或少會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，如堵頭，翹邊，缺層和斷層現(xiàn)象。這與材料的選擇也有一定的關(guān)系，這時我們需要采取一系列措施降低這些不穩(wěn)定現(xiàn)象。5.4.1打印材料的選擇打印材料也稱為熱熔絲，類似于傳統(tǒng)2D打印機(jī)中的打印墨粉，而3D打印的材料是塑料制品，其直徑、顏色和材質(zhì)有很多種。PLA和ABS這兩種材料是目前較為廣泛使用的打印材料。ABS材料在LEGO玩具的制作中使用較為廣泛，它是一種具有較長使用壽命的熱熔性材料，可以被打磨、染色、粘結(jié)并且可溶解于丙酮。ABS耐高溫、沖擊能力較強(qiáng)，在220℃左右變成熔融狀態(tài)。在打印ABS材料時，打印托盤必須加熱到100℃左右，否則打印材料冷卻后，會出現(xiàn)翹邊的現(xiàn)象。ABS是目前較為廣泛使用的打印材料，但是PLA也越來越受的人們的青睞。PLA是一種由玉米淀粉制作而成的生物聚合材料。它的抗回收能力比較強(qiáng)，在打印過程不易回收，在185℃左右就可以處于熔融狀態(tài)，相對于ABS的融化溫度較低，最主要的是冷卻后模型堅硬，所以打印過程可以不使用加熱鋁板(為了提高打印質(zhì)量可以把打印托盤的溫度設(shè)置在60℃)，另外，也可以在光滑的玻璃上進(jìn)行打印。不過，PLA材料最顯著的缺點(diǎn)就是冷卻十分慢，所以為了提高打印效果，在加熱頭旁邊安裝一個散熱風(fēng)扇幫助PLA材料降溫，這樣會使模型快速定型，提高模型表面精度。在選擇材料的時候還有一個因素要考慮的:打印環(huán)境。再通風(fēng)良好的打印環(huán)境中可以選用ABS材料，但是如果在封閉的打印環(huán)境，如:教室、