增材制造系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

增材制造系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)增材制造系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要增材制造技術(shù)即“3D打印技術(shù)”，其被視作是制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向;然而在3D打印機(jī)中,有關(guān)機(jī)電設(shè)備的控制效果直接影響著3D打印的精度，因此研究有效的增材打印系統(tǒng)控制方案是發(fā)展3D打印技術(shù)的首要途徑。本文針對(duì)3D打印機(jī)控制系統(tǒng)的若干設(shè)計(jì)問(wèn)題，構(gòu)建了一種可實(shí)現(xiàn)高精度打印效果的增材制造系統(tǒng)控制方案，并在基于熔融沉積成型（FDM)技術(shù)的3D打印機(jī)中進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試驗(yàn)證。方案首先對(duì)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算選型，從硬件方面提高打印精度；其次是在控制方案中采用直線Bresenham算法和PID溫度控制代碼設(shè)計(jì),從軟件方面提高打印精度;最后使用國(guó)際知名創(chuàng)客雜志《Make》測(cè)試\t”_blank”3D打印機(jī)時(shí)使用的性能測(cè)試方法的評(píng)測(cè)系統(tǒng)性能，獲得了高精度打印的效果。因而，該方案在增材制造系統(tǒng)中具有可觀的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：3D打印,步進(jìn)電機(jī)，高精度,直線Bresenham算法

ABSTRACTAdditivemanufacturingtechnologythatis”3Dprintingtechnology”，whichisconsideredtobeanimportantdirectionofdevelopmentofmanufacturingindustrybut3Dprinters，electricalandmechanicalequipment'scontroldirectlyaffecttheaccuracyof3Dprinting，sothestudyofeffectiveadditiveprintingsystemcontrolistheprimarywaytodevelop3Dprintingtechnology.Severaldesignproblemsof3Dprintercontrolsystem，thispaperconstructsanadditivemanufacturingtoachievehigh—precisionprintingsystemcontrol,andfuseddepositionmodeling（FDM）technology3Dprinterforthesystemimplementationandtesting.Theprogramfirstofthesteppermotoranditsdrivetocalculatetheselection，fromthehardwaretoimprovetheprintingaccuracy;followedbythecontrolprogramusingastraightlineBresenhamalgorithmandPIDtemperaturecontrolcodedesign,fromthesoftwaretoimproveprintaccuracy；FinallyusetheinternationallyrenownedOffthe”Make"testwhenusingtheperformancetestmethodof3Dprinterevaluationsystemperformance,accesstohigh—precisionprintingresults。Thus,theprogrammeintheadditivemanufacturingsystemshaveconsiderablevalue。Keywords：3Dprint,_blank”steppingmotor，high—precision,LinearBresenhamalgorithm目錄TOC\o”1-3”\h\z\u_Toc484033668"ABSTRACT IIHYPERLINK\l”_Toc484033670”第一章增材制造技術(shù)概述 1HYPERLINK\l”_Toc484033671"1。1增材制造技術(shù)背景 1_Toc484033673”1。1.2增材制造技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值及前景 2HYPERLINK\l”_Toc484033674”1.2增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀 41.2.1增材制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4_Toc484033677"1.3課題研究?jī)?nèi)容 7第二章增材制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 92.1增材制造系統(tǒng)的構(gòu)成 9HYPERLINK\l”_Toc484033680”2.1.1增材制造系統(tǒng)基本構(gòu)架 9HYPERLINK\l”_Toc484033681”2。1.2增材制造系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 10HYPERLINK\l”_Toc484033682"2。1。3增材制造系統(tǒng)軟件組成 12HYPERLINK\l”_Toc484033683”2.2增材制造系統(tǒng)的工作原理及流程 13HYPERLINK\l”_Toc484033684”2。2.1增材制造系統(tǒng)的工作原理 132.2。2增材制造系統(tǒng)的工作過(guò)程 14HYPERLINK\l”_Toc484033686"2.3本章小結(jié) 15HYPERLINK\l”_Toc484033687”第三章增材制造系統(tǒng)控制模塊硬件設(shè)計(jì) 163。1。1控制模塊硬件組成及其指標(biāo) 173。1。2控制模塊硬件工作流程 18HYPERLINK\l”_Toc484033691”3.2步進(jìn)電機(jī)選型 193.2。1步進(jìn)電機(jī)介紹 19HYPERLINK\l”_Toc484033693"3。2.2X、Y軸電機(jī)的計(jì)算 213。2。3Z軸電機(jī)的計(jì)算 23HYPERLINK\l”_Toc484033695”3.2.4步進(jìn)電機(jī)的選取 25HYPERLINK\l”_Toc484033696"3.3定位電機(jī)驅(qū)動(dòng)和部署設(shè)計(jì) 26HYPERLINK\l”_Toc484033697"3.3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇 26HYPERLINK\l”_Toc484033698”3.3。2電機(jī)部署設(shè)計(jì) 263.4控制模塊硬件電路設(shè)計(jì) 27HYPERLINK\l”_Toc484033700”3.4.1硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái) 273。5本章小結(jié) 31HYPERLINK\l”_Toc484033703”第四章增材制造系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) 32HYPERLINK\l”_Toc484033704"4。1控制程序方案 324。1.1控制目標(biāo) 32HYPERLINK\l”_Toc484033706”4。1。2控制方案 32HYPERLINK\l”_Toc484033707"4.2控制程序開(kāi)發(fā)平臺(tái) 33_Toc484033709”4.3。1運(yùn)動(dòng)控制原理 354。3.2定位電機(jī)精度控制算法(Bresenham算法） 374.4控制程序代碼設(shè)計(jì) 38HYPERLINK\l”_Toc484033712”4.4.1運(yùn)動(dòng)控制代碼設(shè)計(jì) 38HYPERLINK\l”_Toc484033713”4。4。2PID溫度控制代碼設(shè)計(jì) 40HYPERLINK\l”_Toc484033714"4。5本章小結(jié) 44_Toc484033716”5.1測(cè)試準(zhǔn)備工作 455。2控制程序測(cè)試結(jié)果 46HYPERLINK\l”_Toc484033718”5.2。1下載固件 46HYPERLINK\l”_Toc484033719"5。2.2上位機(jī)與板子連接 50HYPERLINK\l”_Toc484033720”5。3硬件模塊測(cè)試結(jié)果 50HYPERLINK\l”_Toc484033721”5.3.1溫度模塊測(cè)試 50HYPERLINK\l”_Toc484033722"5.3.2三個(gè)輸出端測(cè)試 50_Toc484033724”5.3.3擠出機(jī)電機(jī)測(cè)試 525.3.4限位開(kāi)關(guān)測(cè)試 52HYPERLINK\l”_Toc484033726"5.4系統(tǒng)性能評(píng)估 53_Toc484033728”6。1全文結(jié)論 58HYPERLINK\l”_Toc484033729”6。2工作展望 58致謝 60HYPERLINK\l”_Toc484033731”參考文獻(xiàn) 61PAGE35第一章增材制造技術(shù)概述1.1增材制造技術(shù)背景隨著近幾十年互聯(lián)網(wǎng)浪潮席卷全球，信息社會(huì)已經(jīng)深入到人類社會(huì)的方方面面，使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式已經(jīng)難以滿足社會(huì)發(fā)展的需要，人類對(duì)新工業(yè)革命的呼聲日益高漲。而縱觀具有推動(dòng)新工業(yè)革命潛力的各項(xiàng)技術(shù)中,增材制造技術(shù)（即3D打印技術(shù)）無(wú)疑是最受期待的之一。3D打印技術(shù)具有工業(yè)革命意義的新興制造技術(shù)，是材料科學(xué)、制造工藝與信息技術(shù)的高度融合與創(chuàng)新，是推動(dòng)生產(chǎn)方式向柔性化、綠色化發(fā)展的重要途徑，補(bǔ)充優(yōu)化傳統(tǒng)制造方式、催生生產(chǎn)新模式、新業(yè)態(tài)和新市場(chǎng)的重要手段。全球范圍內(nèi)，很多企業(yè)家和研究者都認(rèn)為3D打印會(huì)成為引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)革命的顛覆性創(chuàng)新[1］。1。1。1增材制造技術(shù)起源及發(fā)展增材制造技術(shù)的起源可以追溯到19世紀(jì)末的美國(guó)，在業(yè)界的學(xué)名為“快速成型技術(shù)”。一直只在業(yè)內(nèi)小眾群體中傳播，直到20世紀(jì)80年代才出現(xiàn)成熟的技術(shù)方案，在當(dāng)時(shí),撇開(kāi)其非常昂貴的價(jià)格不說(shuō),能打印出來(lái)的數(shù)量也極少，幾乎沒(méi)有面向個(gè)人的打印機(jī)產(chǎn)品，都是面向企業(yè)級(jí)的用戶。但在技術(shù)逐漸走向成熟的今天，越來(lái)越多的愛(ài)好者積極參與到3D打印技術(shù)的發(fā)展和推廣中。與日俱增的新技術(shù)、新創(chuàng)意、新應(yīng)用，以及呈指數(shù)暴增的市場(chǎng)份額，都讓人感到3D打印技術(shù)的春天[2]。增材制造技術(shù)起源及發(fā)展如表1。1所示.

表1。1增材制造技術(shù)起源及發(fā)展時(shí)間發(fā)明者技術(shù)名稱技術(shù)特點(diǎn)/技術(shù)意義1988CharlesHull光固化成型(SLA）體型龐大ScottCrump熔融擠壓成型（FDM)用熱塑性材料來(lái)制作物體1989C.R.Dechard選擇性激光燒結(jié)(SLS）利用高強(qiáng)度激光烤結(jié)材料1993EmanualSachs三維噴墨粘粉打印（3DP）用粘結(jié)劑將材料粉末粘成型19963DSystemsActua2100第一次使用了“3D打印機(jī)”的名稱StratasysGenisysZCorporation24022005ZCorporationSpectrum2510世界上第一臺(tái)高精度彩色3D打印機(jī)2008Darwin第一代基于REPRAP的3D打印機(jī)正式發(fā)布2010Stratasys3D打印機(jī)打印出一輛完整身軀的轎車2011南安營(yíng)敦大學(xué)世界上第一架3D打印飛機(jī)2014NASA首次在太空中完成3D打印2016美國(guó)哈佛大學(xué)3D打印出心臟芯片LocalMotors全球首輛3D打印自動(dòng)駕駛公交車問(wèn)世全球首個(gè)3D整體打印別墅在北京落成1。1。2增材制造技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值及前景對(duì)于傳統(tǒng)的制造業(yè)來(lái)說(shuō)，車、鉆、銑、刨、磨等是生產(chǎn)、加工、制造的主要手段，雖然加工方式很多，但是依然有很多零件是傳統(tǒng)加工方式難以加工的，這也就是為什么傳統(tǒng)制造業(yè)會(huì)有工藝這個(gè)概念，也就是把圖紙上的零件變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的過(guò)程，這其中可能會(huì)涉及到多道工藝，需要多種加工方式相互配合，其制造周期會(huì)經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間。而對(duì)于3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)這些都將不再是加工過(guò)程中的攔路虎，任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)切片算法分層之后都變?yōu)榱撕?jiǎn)單的直線路徑。另一方面，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式為去材料的加工，即減材制造，加工的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢料，雖說(shuō)可以再回收，但還是會(huì)造成一定的人力物力的浪費(fèi)，而增材制造,加工的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢料，無(wú)需考慮工藝，任何圖紙上的零件3D打印都可以把它變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，可以說(shuō)3D打印思想將是一項(xiàng)顛覆傳統(tǒng)制造的技術(shù).總之,3D打印技術(shù)有非常好的發(fā)展前景和研究?jī)r(jià)值。機(jī)械制造領(lǐng)域：對(duì)比機(jī)加工,3D打印技術(shù)擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，使用簡(jiǎn)單的工藝就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工，尤其在小批量、單件零件生成時(shí)應(yīng)用最為廣泛,使用3D打印技術(shù)直接成型，大量節(jié)省了人力、物力,降低了生產(chǎn)成本，縮短了制造周期.航天技術(shù)領(lǐng)域：在該領(lǐng)域中的的產(chǎn)品通常形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求較高、造價(jià)高昂、制造周期長(zhǎng)，還需具備流線型特性的特殊要求，一旦某個(gè)部件損壞沒(méi)有備用品時(shí),那么等待訂購(gòu)新的貨源周期將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。但東航正是使用3D打印技術(shù)將指示牌制作長(zhǎng)達(dá)180天的訂貨周期，縮短到一周的時(shí)間制造了出來(lái)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：3D打印技術(shù)可以說(shuō)為眾多患者帶來(lái)了福音，該技術(shù)可以為殘疾人打印假肢，其中也包括受傷的動(dòng)物，通過(guò)掃描傷口可以打印完美契合患者的假肢，從而減少患者適應(yīng)假肢過(guò)程中的痛苦；3D打印牙齒，可以完美貼合牙床，同時(shí)制造周期比傳統(tǒng)補(bǔ)牙方式更短。產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)中,只有新穎和富有創(chuàng)造力的產(chǎn)品才能得以生存，但這些產(chǎn)品通常因難于加工而停留在了概念階段，但是運(yùn)用3D打印技術(shù)可以讓任何概念性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，可以說(shuō)只有你想不到的沒(méi)有3D打印機(jī)做不到的。文化藝術(shù)領(lǐng)域：在該領(lǐng)域中3D打印技術(shù)可以高度還原許多珍貴的藝術(shù)品,使得研究人員可以使用仿真的模型進(jìn)行研究,同時(shí)也可復(fù)制文物到各國(guó)展覽。建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域：對(duì)于建筑設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，通常人們的反應(yīng)就是一磚一瓦的建造房屋，但在美國(guó)卻已經(jīng)有了3D打印的房屋，整個(gè)房屋渾然一體,一次性打印完成，也許房屋強(qiáng)度能否經(jīng)受惡劣環(huán)境還有待驗(yàn)證，但是3D打印的高度逼真效果使它在構(gòu)建建筑模型進(jìn)行測(cè)試及效果展示等方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。3D打印機(jī)不僅僅是在醫(yī)學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、文化藝術(shù)、建筑領(lǐng)域，在諸如動(dòng)漫模型、汽車零配件、工業(yè)模型等領(lǐng)域都看可以它的身影，由于3D打印增材制造的特點(diǎn),所有的產(chǎn)品都是渾然一體,其良好的穩(wěn)定性和高強(qiáng)度性使其在重工業(yè)和精密制造行業(yè)也有用武之地，可以預(yù)見(jiàn)3D打印的發(fā)展前景非常的廣闊。從全球來(lái)看未來(lái)市場(chǎng)潛力將不斷超預(yù)期。多家機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，未來(lái)3D打印行業(yè)仍將保持高速增長(zhǎng)，2017年，市場(chǎng)規(guī)模有望超100億美元，未來(lái)年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到33％。我國(guó)3D打印市場(chǎng)規(guī)模的年均復(fù)合增長(zhǎng)率將保持在40％左右，且有望超出預(yù)期.到2020年，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到300億到450億元.雖然我國(guó)3D打印起步較晚，但擁有全球最大的3D打印潛在市場(chǎng)，未來(lái)我國(guó)3D打印市場(chǎng)規(guī)模增速有望高于全球水平[2］。1.2增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀1。2。1增材制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)開(kāi)展3D打印技術(shù)研究的時(shí)間基本與世界同步，目前開(kāi)展3D打印技術(shù)研究的單位也很多，幾個(gè)領(lǐng)先的單位和高校的工作各有特色，在某些研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。20世紀(jì)90年代,西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校就開(kāi)始了有關(guān)激光快速成形技術(shù)的研究。西北工業(yè)大學(xué)建立了激光快速成形系統(tǒng)，針對(duì)多種金屬材料開(kāi)展了工藝實(shí)驗(yàn)，近年來(lái)西工大團(tuán)隊(duì)采用3D打印技術(shù)打印了最大尺寸3m、重達(dá)196kg的飛機(jī)鈦合金左上緣條；北京航空航天大學(xué)同樣在大尺寸鈦合金零件的3D打印方面開(kāi)展了深入的研究，采用激光熔融沉積方法制備出了大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件；華中科技大學(xué)在激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié)方面開(kāi)展了很多工作，對(duì)金屬材料及高分子材料的3D打印進(jìn)行了研究，并且開(kāi)發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SLM設(shè)備——HRPM系列粉末熔化成形設(shè)備；西安交通大學(xué)在生物醫(yī)學(xué)用內(nèi)置物的3D打印以及金屬材料的激光熔融沉積成形方面開(kāi)展了工作，完成了多例骨科3D打印個(gè)性化修復(fù)的臨床案例,通過(guò)激光熔融沉積制備了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片原型，最薄處可達(dá)0.8mm,并具有定向晶組織結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)也較早地開(kāi)展了3D打印技術(shù)研究，研究領(lǐng)域主要是在電子束選區(qū)熔化（EBM)技術(shù)方面，并且研發(fā)了相關(guān)的3D打印設(shè)備［2］。國(guó)內(nèi)除了高校之外,許多研究所也在開(kāi)展3D打印技術(shù)研究。西北有色金屬研究總院在電子束選區(qū)熔化工藝及設(shè)備研發(fā)方面進(jìn)行了研究，并開(kāi)展了鈦合金、TIAL合金的電子束熔化成形工藝研究；中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所開(kāi)展了電子束熔絲沉積成形的研究工作，并具備此類設(shè)備的研發(fā)能力,采用這種方法已經(jīng)成形出2100mm×300mm鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件；中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院近年來(lái)開(kāi)展了激光熔融沉積成形的系統(tǒng)研究,發(fā)揮了航材院材料、工藝、檢測(cè)、失效分析等專業(yè)優(yōu)勢(shì)，成立了由多專業(yè)聯(lián)合參與的“3D打印研究與工程技術(shù)中心",旨在推動(dòng)3D打印技術(shù)在航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的快速應(yīng)用，特別在金屬基復(fù)合材料、梯度材料、超高溫結(jié)構(gòu)材料、航空關(guān)鍵件修復(fù)等方面開(kāi)展了深入研究，部分成果已經(jīng)獲得應(yīng)用［3].為了推動(dòng)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化,國(guó)家工信部2015年2月聯(lián)合發(fā)改委及財(cái)政部發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015——2016年）》,明確了中國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)和方向，同時(shí)也指出中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進(jìn)國(guó)家相比存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系,離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用還有一定距離。關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破，裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱,政策與標(biāo)準(zhǔn)體系有待建立,缺乏有效的協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)制［3］。（2)國(guó)外研究現(xiàn)狀［16］—［17］-[18]在20世紀(jì)90年代，激光熔融沉積成形技術(shù)（LD—MD)首先在美國(guó)發(fā)展起來(lái)。約翰霍普金斯大學(xué)、賓州大學(xué)和MTS公司通過(guò)對(duì)鈦合金3D打印技術(shù)的研究,開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)以大功率CO2激光熔覆沉積成形技術(shù)為基礎(chǔ)的“鈦合金的柔性制造”技術(shù)，并于1997年成立了AerMet公司。該公司在2002——2005年之間就通過(guò)3D打印技術(shù)制備了接頭、內(nèi)龍骨腹板、外掛架翼肋、推力拉梁、翼根吊環(huán)、帶筋壁板等飛機(jī)零部件；美國(guó)San——dia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用該技術(shù)開(kāi)展了不銹鋼、鈦合金、高溫合金等多種金屬材料的3D打印研究，并成功實(shí)現(xiàn)了某衛(wèi)星TC4鈦合金零件毛坯的成形。成形過(guò)程所用時(shí)間相比傳統(tǒng)方法明顯縮短；2014年5月，美海軍在巴丹號(hào)航母上硬著艦了一架前起落架損壞的鷂式戰(zhàn)機(jī),三個(gè)月后，“美艦艇備戰(zhàn)中心"稱艦上人員已經(jīng)通過(guò)3D打印技術(shù)修復(fù)了該飛機(jī)。同樣是在20世紀(jì)90年代,德國(guó)Fraunhofer研究所提出了利用激光選區(qū)熔化（SLM)打印金屬材料的方法，并在2002年研究成功。隨后多家公司推出了SLM設(shè)備，如MCP公司開(kāi)發(fā)的MCPRealizer系統(tǒng)、EOS公司開(kāi)發(fā)的EOSINTM系列，RENISHAW公司開(kāi)發(fā)的AM250系統(tǒng)等。此外，國(guó)外多家高校及研究所如德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、英國(guó)利茲大學(xué)、利物浦大學(xué)、比利時(shí)魯文大學(xué)、日本大阪大學(xué)以及英國(guó)焊接研究所、德國(guó)Fraunhofer激光技術(shù)研究所等得到了歐盟第六七框架計(jì)劃、德國(guó)研究基金等機(jī)構(gòu)及波音、洛克希德—-馬丁、EADS等大型航空航天企業(yè)的資助，對(duì)SLM材料特性、缺陷控制、應(yīng)力控制等基礎(chǔ)問(wèn)題開(kāi)展了大量研究工作。在SLM技術(shù)的應(yīng)用方面，2012年GE通用電氣航空集團(tuán)收購(gòu)了名叫Morris的3D打印企業(yè)，采用激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)為L(zhǎng)EAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)制造燃油噴嘴，目前GE航空集團(tuán)已經(jīng)接受了超過(guò)4000臺(tái)LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的訂單,其中要通過(guò)3D打印制造的零件數(shù)量巨大。另一方面，SLM技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了應(yīng)用,例如通過(guò)SLM技術(shù)成形Co-—Cr合金的可摘除式局部義齒，不銹鋼材料的基底冠、全冠和固定橋。20世紀(jì)90年代，瑞典的Chalmers工業(yè)大學(xué)與Arcam公司合作開(kāi)發(fā)出了另一種金屬材料3D打印技術(shù)——電子束選區(qū)熔化成形（EBM)技術(shù)，Arcam公司隨后在2003年推出了首臺(tái)商用的EBM設(shè)備，并相繼推出了一系列的EBM產(chǎn)品，客戶包括國(guó)外許多工廠、高校及研究機(jī)構(gòu)。EBM工藝目前主要在航空航天及生物醫(yī)療方面有所應(yīng)用,目前通過(guò)EBM打印的顱骨、股骨柄、髖臼杯等骨科植入物已經(jīng)得到了臨床應(yīng)用，EBM技術(shù)在此方向的研究應(yīng)用已經(jīng)較為成熟;近年來(lái)，EBM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，多家航空公司都開(kāi)展了利用EBM技術(shù)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件的研究,其中意大利AVIO公司利用該技術(shù)成功的制備出了TIAL基合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，引起了航空制造界廣泛關(guān)注。由于3D打印技術(shù)諸多優(yōu)點(diǎn)及其廣闊的市場(chǎng)前景，世界上多個(gè)國(guó)家都加大了對(duì)3D打印技術(shù)的投入。2012年8月美國(guó)撥款3000萬(wàn)美元在俄亥俄州成立了國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所(NationalAdditiveManu——facturingInnovationInstitute，NAMII），在2013年3月，該中心從其成員項(xiàng)目申報(bào)中遴選了首批7項(xiàng)研究資助項(xiàng)目，總金額950萬(wàn)美元.在2014年1月，該中心又從其成員項(xiàng)目中選擇了15項(xiàng)進(jìn)行資助，總經(jīng)費(fèi)為1930萬(wàn)美元。這些項(xiàng)目包括了3D打印材料、工藝、裝備與集成、質(zhì)量控制等方面，反映出美國(guó)在3D打印領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的研究，產(chǎn)業(yè)布局較為完整;2013年6月，英國(guó)政府宣布將向18個(gè)創(chuàng)新型3D打印項(xiàng)目投入1470萬(wàn)英鎊進(jìn)行資助,項(xiàng)目期限是1～3年；日本政府在2014年預(yù)算案中劃撥款40億日元用來(lái)實(shí)施以3D成形技術(shù)為核心的制造革命計(jì)劃,包括金屬材料3D打印設(shè)備的研發(fā)、精密3D打印系統(tǒng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、3D打印零件的評(píng)價(jià)研究等。各國(guó)大力投入，促進(jìn)了3D打印技術(shù)快速發(fā)展。1.2。2增材制造技術(shù)存在的問(wèn)題（1）存在成型工藝精度低、穩(wěn)定性不夠和尺寸范圍小等問(wèn)題；(2）成形的效率需要進(jìn)一步提高；（3)國(guó)內(nèi)打印耗材主要為塑料,打印材料的局限性導(dǎo)致了3D打印技術(shù)并未得到廣泛的應(yīng)用[4］；（4）計(jì)算能力和硬件資源有限，不能滿足擴(kuò)展新功能的要求；（5）小型3D打巧機(jī)大多采用雙色LCD屏幕和按鍵操作，界面顯示效果較差。不能滿足消巧者對(duì)用戶體驗(yàn)的追求[5］；（6）步進(jìn)電機(jī)控制算法不合理，造成打印過(guò)程中的機(jī)械震動(dòng)，影響打印質(zhì)量；（7）現(xiàn)有3D打巧機(jī)工作需要人員現(xiàn)場(chǎng)操作，定時(shí)査看，難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化生產(chǎn)［6]。1.3課題研究?jī)?nèi)容本文以3D打印的控制為中心展開(kāi)，主要的研究目的是從軟件和硬件的兩個(gè)方面解決3D打印機(jī)的打印精度問(wèn)題。在硬件方面，將利用步進(jìn)電機(jī)及與其匹配的驅(qū)動(dòng)來(lái)保證打印的高精度；在軟件方面，主要將采用PID溫度控制和Breseham算法提高打印精度。最后,基于控制方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，檢測(cè)系統(tǒng)是否有較高的打印精度。論文的章節(jié)安排大致如下：第一章介紹增材制造技術(shù)的發(fā)展情況以及存在的問(wèn)題,引出本文研究目的為解決3D打印機(jī)的打印精度問(wèn)題。第二章闡述增材制造技系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和工作過(guò)程。第三章為增材制造系統(tǒng)控制模塊硬件設(shè)計(jì),重點(diǎn)為步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器選型.第四章是增材制造系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì),重點(diǎn)為Bresenham算法和PID溫度控制代碼設(shè)計(jì)。第五章進(jìn)行增材制造系統(tǒng)控制模塊測(cè)試，重點(diǎn)為使用國(guó)際知名創(chuàng)客雜志《Make》測(cè)試HYPERLINK”/news/list_100.html”\t"_blank”3D打印機(jī)時(shí)使用的性能測(cè)試方法的評(píng)測(cè)本系統(tǒng)打印精度.第六章為結(jié)束語(yǔ).

第二章增材制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ)2.1增材制造系統(tǒng)的構(gòu)成2。1.1增材制造系統(tǒng)基本構(gòu)架增材制造系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)基本架構(gòu)圖本設(shè)計(jì)中上位機(jī)軟件采用Printerinterface，Printerinterface能夠生成GCode，然后將GCode通過(guò)串口通信傳遞至下層Arduino控制平臺(tái)，同時(shí)獲取Arduino控制平臺(tái)反饋的位置坐標(biāo)信息。下位機(jī)由液晶屏、通信接口、供電系統(tǒng)、Arduino2560控制板、溫度控制電路、供料機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成.Arduino控制器負(fù)責(zé)解碼由上位機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的控制信息，并根據(jù)控制信息的位置和溫度等信息，控制給進(jìn)電機(jī)和打印噴頭，以及風(fēng)扇和加熱裝置，同時(shí)將電機(jī)的位置和熱床噴頭的溫度實(shí)時(shí)反饋至上位機(jī).2.1。2增材制造系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)硬件平臺(tái)Arduino板，是一個(gè)開(kāi)源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，在單片機(jī)編程中有很多常用的功能,如數(shù)據(jù)讀取和寫入、串口中斷、外部中斷、延時(shí)等，這些功能都是被模塊化的。熱熔塑料進(jìn)料頭，笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)為3D打印機(jī)提供了精確的線性定位，而加上一個(gè)進(jìn)料頭我們就能夠擠出細(xì)的熱熔絲一一種加熱后會(huì)變軟呈半流體狀的塑料。它是3D打印機(jī)中最復(fù)雜的部分了，而且現(xiàn)在還在不斷改進(jìn),這部分由兩個(gè)關(guān)鍵的部件組成：擠絲驅(qū)動(dòng)器和熱熔加熱頭。擠絲驅(qū)動(dòng)器通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉動(dòng)繞在線軸上的熱熔絲,熱熔絲的直徑通常是3毫米或1。75毫米。大部分情況下,擠絲驅(qū)動(dòng)器通過(guò)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制進(jìn)入加熱頭的流量，為了增加驅(qū)動(dòng)力，這些電機(jī)通常連接一個(gè)打印的齒輪或者一個(gè)變速箱。熱熔絲由擠絲驅(qū)動(dòng)器拉動(dòng)進(jìn)入進(jìn)料頭,然后送到加熱頭.加熱頭通常是與進(jìn)料頭的其余部分隔熱的.它由一大塊鋁塊、嵌入式加熱器件或其他加熱組件以及一個(gè)溫度傳感器構(gòu)成，當(dāng)熱熔絲到達(dá)加熱頭，就會(huì)披加熱到170-220℃,加熱的溫度取決于你使用的熱熔絲種類。旦熱熔絲變成半流體狀態(tài)，就會(huì)通過(guò)加熱頭下方0.35—0.5毫米直徑的開(kāi)口流出,并在打印托盤上繪制當(dāng)前所打印層的外圍輪廓或者根據(jù)填充方式進(jìn)行內(nèi)部填充.直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，3D打印機(jī)采用的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)（或者說(shuō)是允許各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件)決定了打印機(jī)的精度、速度以及設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的維護(hù)成本。大部分個(gè)人3D打印機(jī)每個(gè)軸向上都使用光滑精密的連桿，同時(shí)用塑料、銅軸承或線性軸承制作一個(gè)滑塊在連桿上滑動(dòng)。線性軸承因?yàn)槠淞鲿车倪\(yùn)動(dòng)及更長(zhǎng)的使用壽命而成為目前最受歡迎的滑塊制作材料,但是它在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲比各種自制的銅軸承大.擋塊，3D打印機(jī)中各個(gè)軸向上的行程長(zhǎng)度是有限的,所以需要一個(gè)機(jī)械的或光電的擋塊，從本質(zhì)上說(shuō)，這就相當(dāng)于是一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到連桿上的滑塊到達(dá)極限時(shí)會(huì)產(chǎn)一個(gè)信號(hào)給打印機(jī)的控制板，以防止滑塊運(yùn)動(dòng)超過(guò)了行程長(zhǎng)度。在操作中沒(méi)有嚴(yán)格的要求必須安裝所有擋塊，但每個(gè)軸向上的最小位置至少安裝一個(gè)擋塊?？蚣埽瑢⑺薪M件連接在一起的就是3D打印機(jī)的框架，框架的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)決定了包括3D打印機(jī)精度在內(nèi)的很多特性。所有RepRap類型機(jī)器的框架都是通過(guò)螺紋桿將3D打印的部件與其他硬件連接起來(lái)構(gòu)成的.另外,BoxBot類型的機(jī)器，如MakerBot或者M(jìn)akerGeKMosaic，其框架都是將膠合板激光切割后.用螺栓固定在一起。打印托盤，打印托盤是你用3D打印機(jī)打印東西的平臺(tái)，每一種打印機(jī)的打印托盤大小可能都不祥，大小從100平方毫米到200平方毫米不等,介于4英寸到8英寸,或者更大.現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分的個(gè)人3D打印機(jī)會(huì)提供一個(gè)能自加熱的打印托盤，要么是標(biāo)配，要么是選配，如果你想自己做一個(gè)也不是什么難事.在3D打印機(jī)中,打印托盤用來(lái)防止打印物品在冷卻時(shí)變形或開(kāi)裂，同時(shí)保證物品的底部牢牢地粘在打印托盤上。為了保證良好的導(dǎo)熱性,以及表面的平滑和水平打印托盤的上面一層通常是玻璃或鋁板,玻璃的光滑性更好,而鋁板的導(dǎo)熱性更好。同時(shí)為了防止物品在打印過(guò)程中從托盤上掉下來(lái),根據(jù)打印時(shí)使用的熱熔絲不同，在托盤表面通常會(huì)貼上一種價(jià)格便宜、可定期更換的膠帶。膠帶的材質(zhì)包括Kapton類的聚酰亞胺膠帶或PET類的聚酯膠帶，甚至是在硬件商店里各種藍(lán)色的紙膠帶［7］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中使用的是DM442，采用最新32位DSP技術(shù),具備優(yōu)秀的中低速性能，能夠滿足大多數(shù)中小型設(shè)備的應(yīng)用需要。采用內(nèi)置微細(xì)分技術(shù)，即使在低細(xì)分條件下，也能夠達(dá)到高細(xì)分的效果，中低速運(yùn)行都很平穩(wěn)，噪音極小。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成了參數(shù)自整定功能，能夠針對(duì)不同電機(jī)自動(dòng)生成最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，最大限度發(fā)揮電機(jī)的性能。步進(jìn)電機(jī)，大多數(shù)3D打印機(jī)都擁有5臺(tái)電機(jī).在3個(gè)維度里，X、Y軸各有一臺(tái)電機(jī)，Z軸有兩臺(tái)電機(jī),負(fù)責(zé)擠出器或是打印表面在哪個(gè)維度運(yùn)動(dòng)。電機(jī)可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)(第5臺(tái)電機(jī)則是用在擠出器上推進(jìn)熱頭，使其熔化)。當(dāng)然，并非所有的電機(jī)都一模一樣。但大多數(shù)電機(jī)都有一個(gè)堅(jiān)固的外殼和一個(gè)可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)軸.這種電機(jī)稱為步進(jìn)電機(jī)。它有一種獨(dú)特的能力.能以極小的增量順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).就是說(shuō)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)角度可以小于l度甚至幾十分之一度。這是一個(gè)極為重要的概念。電機(jī)干的是重活，它們移動(dòng)熱頭之類的部件，喂送塑料絲.主要作用：=1\＊GB3①電機(jī)可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；=2\*GB3②電機(jī)能夠順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也能夠逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；=3\*GB3③電機(jī)可以以不同的速度旋轉(zhuǎn)；=4\＊GB3④電機(jī)要用電；=5\＊GB3⑤電機(jī)由計(jì)算機(jī)控制。其他,電機(jī)和電路板/控制器需要用電，則大部分3D打印機(jī)還是需要電源的。電源通常是墻上插座，但有時(shí)需要一個(gè)單獨(dú)的電源盒,以某種方式附在3D打印機(jī)上。2.1。3增材制造系統(tǒng)軟件組成增材制造系統(tǒng)軟件組成如圖2.2所示。圖2.2增材制造系統(tǒng)軟件組成軟件平臺(tái)ArduinoIDE,是開(kāi)發(fā)源代碼的。Arduino編程兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)函數(shù)“setup”、“l(fā)oop”，前者在系統(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)執(zhí)行，一般用于串口、I/O口的初始化等，后者為主函數(shù)體,類似于“main”函數(shù)中的while(1）無(wú)限循環(huán)函數(shù)，所有需要執(zhí)行的程序都放在這個(gè)函數(shù)之中[8]。3D模型繪制軟件是通過(guò)學(xué)習(xí)我們體會(huì)到打印三維制品是很容易的。這是個(gè)典型的，絕大多數(shù)3D打印機(jī)和軟件都使用的操作過(guò)程?？梢詮腡hingiverse三維制品文中搜索并下載供讀者打印的文件.但是如果對(duì)創(chuàng)作并打印自定義的作品有興趣，要?jiǎng)?chuàng)建自己的三維模型,必須使用之前提及的專門的CAD應(yīng)用程序。CAD軟件公司有很多，CAD應(yīng)用程序就更多，有些是附有幾百種功能的高端程序，有的則極其簡(jiǎn)單且功能有限。有些CAD軟件公司提供培訓(xùn)。教用戶如何正確使用該軟件；有些是由個(gè)人單打獨(dú)斗編寫出來(lái)的,幾乎不帶使用說(shuō)明書之類的文件.當(dāng)然。軟件價(jià)格也不同.從天價(jià)到免費(fèi)都有［9]。此次采用UG進(jìn)行3D模型的繪制。打印控制軟件（即Printerinterface上位機(jī)）是整個(gè)3D打印機(jī)的中心，是連接打印各個(gè)部件的樞紐。通過(guò)控制軟件，我們可以發(fā)送命令給下位機(jī)，讓其控制3個(gè)軸向的步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)?？梢燥@示和設(shè)置打印頭和加熱托盤的溫度，可以運(yùn)行分層工具對(duì)模型分層，最重要的是可以打印3D物品。由于Printerinterface具有分層軟件的功能，因此不再額外選擇分層工具。其中分層功能是生成控制打印頭運(yùn)動(dòng)的路徑文件，用它來(lái)把我們的3D模型分層以適于打印.這個(gè)程序最終會(huì)生成一段代碼，這些代碼會(huì)告訴打印機(jī)將打印頭移動(dòng)到哪里，什么時(shí)候擠出熱熔絲,擠出多少。這些指令或者G—code文件從我們打印控制軟件傳給電子器件中的固件，固件把這個(gè)指令轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)或加熱頭的具體動(dòng)作。固件是每個(gè)控制器都需要將這種叫做"固件"的特殊代碼加載在微控制器里，以便電子器件正常運(yùn)作，固件負(fù)責(zé)解釋打印應(yīng)用程序發(fā)送過(guò)來(lái)控制指令（解析代碼、控制電機(jī)和加熱頭、將溫度信息和噴頭的位置信息實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)）,然后讓電子器件執(zhí)行，直接影響到機(jī)器打印物品的質(zhì)量[10]。本設(shè)計(jì)中固件是在Arduino板中自定義相關(guān)函數(shù)。2.2增材制造系統(tǒng)的工作原理及流程2.2.1增材制造系統(tǒng)的工作原理3D打印系統(tǒng)的工作原理與傳統(tǒng)打印機(jī)工作原理基本相同,也是用噴頭一點(diǎn)點(diǎn)“磨”出來(lái)的。只不過(guò)3D打印機(jī)噴的不是墨水，而是液體或粉末等“打印材料"，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把圖形變成實(shí)物.3D打印系統(tǒng)控制原理如圖2.3所示.圖2.33D打印系統(tǒng)控制原理2.2.2增材制造系統(tǒng)的工作過(guò)程本設(shè)計(jì)中3D打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是通過(guò)UG建模，生成STL的文件格式，再將建成的三維立體模型導(dǎo)入Printerinterface分區(qū)成逐層的截面，即切片，再使用對(duì)應(yīng)的算法生成噴頭行進(jìn)路徑，即GCode文件,再將路徑信息發(fā)送到下位機(jī)Arduino控制器，Arduino控制器解碼控制信息，并根據(jù)控制信息中的位置和溫度等信息，控制進(jìn)給電機(jī)和打印噴頭，以及風(fēng)扇和加熱裝置，控制噴頭的行進(jìn)以及耗材的擠出，這樣耗材就按照路徑打印在工作臺(tái)上，每次打印一層，逐層打印累積，最終完成整個(gè)三維實(shí)體的打印。如圖2.4為3D打印的整體工作流程圖。圖2.43D打印的整體工作流程圖2。3本章小結(jié)1.本章對(duì)3D打印的整體系統(tǒng)做了概述,并對(duì)3D打印機(jī)的控制中心，也是整個(gè)打印機(jī)的靈魂，Arduino2560控制板做了詳細(xì)的介紹，分析了其優(yōu)勢(shì)，豐富的片內(nèi)資源，以及部分資源在3D打印機(jī)中的具體應(yīng)用。2.概述了打印機(jī)工作原理及流程,包括從建模到生成GCode，再到控制主板控制相關(guān)模塊的相關(guān)原理，方便后續(xù)相關(guān)理論分析和設(shè)計(jì)的展開(kāi)。

第三章增材制造系統(tǒng)控制模塊硬件設(shè)計(jì)控制模塊主要是硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件作為軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，同時(shí)又依靠軟件發(fā)揮其功能，二者相互依靠、相輔相成,本章對(duì)軟件所基于的硬件平臺(tái)做簡(jiǎn)要介紹。3.1控制模塊硬件方案本設(shè)計(jì)是基于Arduino的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖下所示。以ArduinoMega2560控制板，主要有顯示及鍵盤模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、溫度控制模塊和與上位機(jī)連接的通訊模塊等五個(gè)子模塊?？刂颇K硬件方案如圖3.1所示。圖3.1控制模塊硬件方案其中,溫度控制模塊是FDM型3D打印機(jī)的一個(gè)重要部分，其穩(wěn)定性直接影響打印質(zhì)量。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)打印數(shù)據(jù)或者用戶指令，控制XYZ軸及噴頭電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。顯示模塊及鍵盤是用戶和打印機(jī)之間交流的渠道，它負(fù)責(zé)接收用戶指令,并將打印機(jī)的狀態(tài)信息反饋給用戶[10]。電源模塊主要是為各電機(jī)、加熱部件等提供工作電源。通訊模塊將上位機(jī)軟件模塊其功能控制其他模塊執(zhí)行打印任務(wù)的通訊功能。各個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)、相互配合，共同完成打印任務(wù)。本系統(tǒng)中上位機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行切片，下傳G代碼生成打印機(jī)可識(shí)別的打印數(shù)據(jù)。3。1。1控制模塊硬件組成及其指標(biāo)（1）主板Arduino微處理器決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，微處理器選型時(shí)，需兼顧處理速度、外部資源、價(jià)格等因素,如需批量生產(chǎn)還要考慮充足穩(wěn)定的貨源。本文選用的Arduinomega2560具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，具有UART接口，16MHZ的晶體振蕩器，ICSPheader，USB口和復(fù)位按鈕。開(kāi)發(fā)板可提供3.3V和5V電壓[11］。Arduinomega2560有一個(gè)二級(jí)微控制器ATmega16U2，因此主板能使用USB接口與其他設(shè)備通信。(2）溫度控制模塊溫度控制模塊實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)打印機(jī)噴頭溫度的精確控制，包括測(cè)溫設(shè)備和加設(shè)備。溫度采集采用熱電偶傳感器和專用的芯片實(shí)現(xiàn)。熱電偶是一種常用的測(cè)溫元器件，其基本原理是兩種特殊金屬材料組成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)連接端（一般分為冷端和熱端）存在溫度差的時(shí)候,回路中會(huì)有電流產(chǎn)生，兩端產(chǎn)生微小的電動(dòng)勢(shì),把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。捕捉這一微小電動(dòng)勢(shì)，并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換巧標(biāo)定將其轉(zhuǎn)化為濕度值。由于熱電偶測(cè)量的是冷端和熱端的溫度差，因此芯片還要測(cè)量冷端的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，得到實(shí)際的熱端溫度。還提供SPI通信接口，將測(cè)得的溫度值反饋給MCU[20］。加熱設(shè)備采用專用加巧管,24V供電。借助MOS管用3.3V管腳電平控制24V電的通斷［21］.本文對(duì)溫度的控制采用的是PID算法，從而改變PWM占空比，使PWM輸出更為準(zhǔn)確控制加熱電壓，以達(dá)到溫度的準(zhǔn)確控制的目的。（3）電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括行程控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。行程信號(hào)采集通過(guò)在XYZE個(gè)軸的六個(gè)極限位置設(shè)置行程開(kāi)關(guān)，根據(jù)相應(yīng)IO口的電平信號(hào)，判斷噴頭是否在行程范圍之內(nèi),防止超出行程范圍發(fā)撞擊。（4）顯示及鍵盤模塊LCD+KEY的人機(jī)交互。輸出由LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)，將打印機(jī)的動(dòng)態(tài)反饋給用戶；輸入主要是由選擇不同按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn),向打印機(jī)發(fā)送不同指令，同時(shí)用LCD屏來(lái)顯示信息。本文LCD顯示屏選用彩色液品中文顯示屏。(5）通訊模塊PC端的串口工作TTL信號(hào)是12V，而我們一般使用的TTL電平是5V的，為了使信號(hào)能夠匹配，需要做串口的電平轉(zhuǎn)換。一般的單片機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信時(shí),都需要使用專用的通訊接口芯片進(jìn)行USB協(xié)議轉(zhuǎn)換。采用AVRUSB作為通信接口芯片，只需要普通的低成本AVR單片機(jī)以及附屬的電子元器件，就可以構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),并且，AVRUSB還可以應(yīng)用到USB加密狗USB、接口的系統(tǒng)控制、低速USB數(shù)據(jù)采集等［23]。本成形系統(tǒng)采用USB2.0通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)將經(jīng)上位機(jī)軟件的成形控制數(shù)據(jù)信息經(jīng)數(shù)據(jù)線發(fā)送給數(shù)據(jù)處理芯片Atmega16,數(shù)據(jù)經(jīng)其轉(zhuǎn)換后發(fā)送給主控芯片Atmega2560芯片，并通過(guò)USB接口傳回打印過(guò)程中的各類監(jiān)控信息和當(dāng)前的打印狀態(tài)。(6）電源模塊Arduinomega2560有三種供電方式，而且能自動(dòng)選擇供電方式外部直流電源通過(guò)電源插座供電。電池連接電源連接器的GND和VIN引腳。USB接口直接供電。電源引腳說(shuō)明:VIN當(dāng)外部直流電源接入電源插座時(shí)，可以通過(guò)VIN向外部供電；也可以通過(guò)此引腳向Mega2560直接供電；VIN有電時(shí)將忽略從USB或者其他引腳接入的電源。5V通過(guò)穩(wěn)壓器或USB的5V電壓，為UNO上的5V芯片供電。3。3V通過(guò)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的3。3V電壓,最大驅(qū)動(dòng)電流50mA。GND地腳。另外提供12V電壓外部電源作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、加熱噴頭、托盤的電源使用3。1.2控制模塊硬件工作流程電源模塊在每個(gè)環(huán)節(jié)中均有涉及，主板從上位機(jī)獲取G代碼翻譯后控制各個(gè)模塊，同時(shí)上傳運(yùn)行數(shù)據(jù)。主板將G代碼翻譯后首先控制溫度控制模塊將噴頭、托盤加熱至預(yù)設(shè)溫度時(shí)，反饋回主板，主板控制定位電機(jī)歸回到打印原點(diǎn)。由限位開(kāi)關(guān)將是否歸零反饋回主板.若到原點(diǎn)，主板一邊控制定位電機(jī)移動(dòng)，同時(shí)控制吐絲電機(jī)配合工作，直至打印完成.控制模塊硬件工作流程如圖3.2所示。圖3.2控制模塊硬件工作流程3。2步進(jìn)電機(jī)選型3。2.1步進(jìn)電機(jī)介紹步進(jìn)電機(jī)的性能直接影響到了整個(gè)系統(tǒng)的性能，隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)技術(shù)不斷成熟，現(xiàn)在越來(lái)越多的領(lǐng)域都離不開(kāi)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是一種增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。步進(jìn)電機(jī)接收外部的電脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度位移或者直線位移，電脈沖如PWM波等數(shù)字信號(hào)。每接收到一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)便移動(dòng)一個(gè)角度，步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度跟其本身的特性有關(guān),要想對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以采用控制輸給步進(jìn)電機(jī)的脈沖的個(gè)數(shù),若控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，則可采用控制輸入脈沖的頻率的方法，即步進(jìn)電機(jī)的輸出步數(shù)總是和輸入到步進(jìn)電機(jī)的電脈沖的個(gè)數(shù)相等,它可以作為開(kāi)換位置系統(tǒng)工作。圖3。3步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)市場(chǎng)上的步進(jìn)電機(jī)種類非常多，一般情況可分為反應(yīng)式(VariableReluctance，VR)、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式(HybridStepping,HS）三種。構(gòu)造不同其特性的差別也非常大,各有其特點(diǎn)。其中:反應(yīng)式：步進(jìn)電機(jī)定子上有繞組，轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、步距角?。蛇_(dá)1。2°）、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、容易發(fā)熱，性能不穩(wěn)定。永磁式：轉(zhuǎn)子是用永磁材料制造而成，它的轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩較大,但永磁式電機(jī)的精度差，步矩角相對(duì)較大（一般為7。5°或15°)。混合式:綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、在轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度.其特點(diǎn)是輸出力矩大、較好的動(dòng)態(tài)性能，步距角較小.綜合考慮本設(shè)計(jì)采用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其內(nèi)部線路結(jié)構(gòu)如圖3。4示。圖3.4兩相混合式步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部線路結(jié)構(gòu)3。2.2X、Y軸電機(jī)的計(jì)算X軸的電機(jī)需要帶動(dòng)成形平臺(tái)做前后運(yùn)動(dòng)、Y軸的電機(jī)需要帶動(dòng)成形平臺(tái)做左右運(yùn)動(dòng)，精度要求為0。05mm左右，假設(shè)成形平臺(tái)為一個(gè)200*200*10mm平臺(tái)，其材料為鋁合金,密度為，質(zhì)量m約為1。032kg，對(duì)滾珠絲杠螺母副進(jìn)行計(jì)算和選型：導(dǎo)軌選取圓形導(dǎo)軌,則有：移動(dòng)部件總重工作載荷G=10.11N,工作載荷；（3-1）查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：K為1.15,之間,取為0。16，在此處為進(jìn)給方向載荷，由于成形工作臺(tái)在進(jìn)給方向載荷為0，故可得:工作載荷為.接下來(lái)求最大動(dòng)載荷，工作臺(tái)最快的進(jìn)給速度為0。75mm/s，初選絲杠基本導(dǎo)程，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速為：;(3—2）求得，滾珠絲杠的使用壽命,代入求解絲杠壽命系數(shù)；(3-3）代入上式得：，查載荷系數(shù)表,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為平穩(wěn)或輕度沖擊，載荷系數(shù)選為1。15，硬度系數(shù)，求最大動(dòng)載荷；(3-4)求得，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇型滾珠絲杠副，公稱直徑為12mm，基本導(dǎo)程為2mm，精度等級(jí)取為3級(jí)，額定動(dòng)載荷為2400N，滿足要求。滾珠絲杠的螺距選為，螺線單頭,，A為步進(jìn)電機(jī)的步距角，為滾珠絲桿的基本導(dǎo)程為400mm，為移動(dòng)件的脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠的傳動(dòng)比；（3—5)求得求得，故負(fù)載力矩該平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：；(3-6)計(jì)算可得滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:；（3—7）為0。7295kg，滾珠絲杠材料為鋼，密度為。計(jì)算可得轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩：;(3—8）其中β為角加速度,大小定為3計(jì)算可得加減速轉(zhuǎn)矩：；（3-9）為轉(zhuǎn)子慣量，大小為,為全負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為步進(jìn)電機(jī)的步距角1.2°，f是自啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖速度,取為100Hz。計(jì)算可得故必要的電機(jī)力矩，S為安全系數(shù)，一般取值為1。5～2，現(xiàn)取2,所以3.2。3Z軸電機(jī)的計(jì)算Z軸電機(jī)主要作用是驅(qū)動(dòng)噴頭的上升與下降。Y、Z相關(guān)聯(lián).精度要求為0。05mm.Z軸的功能是通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)噴頭在垂直方向上的上下移動(dòng)。在此，傳動(dòng)方式選用滾珠絲杠。擬采用微型失電剎車器,24V直流電流可實(shí)現(xiàn)對(duì)其的驅(qū)動(dòng)，剎車力矩大小為2。5~4.0 N。M。其工作方式:直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸的末端,一旦斷電可瞬時(shí)間產(chǎn)生一制動(dòng)力矩,使軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)立即停止；Z軸需要提升的東西包括有噴頭,噴頭的固定座,軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及滾珠絲杠,噴頭的移動(dòng)導(dǎo)軌等。Z軸兩個(gè)導(dǎo)軌支撐件合計(jì)重約1kg。要完成步進(jìn)電機(jī)對(duì)噴頭的的提升任務(wù)，需要克服這些元件的自重以及摩擦力產(chǎn)生的力矩，而重力產(chǎn)生的力矩為：;噴頭固定座產(chǎn)生的最大力矩：；電機(jī)產(chǎn)生的力矩：在這里，將電機(jī)的質(zhì)量設(shè)為1kg,導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)取為0.2，滾珠絲杠副的摩擦系數(shù)大約為0.05，故而滾珠絲杠副的摩擦力矩可以忽略不計(jì).步進(jìn)電機(jī)及其轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的最大加速度轉(zhuǎn)矩；(3—10）為快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速度力矩，;(3-11）為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為，包括了滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。；(3-12）計(jì)算可得導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min，由于在這里步進(jìn)電機(jī)的作用是提升打印噴頭，故而對(duì)轉(zhuǎn)速要求并不髙，轉(zhuǎn)速設(shè)為10r/min;為電動(dòng)機(jī)加速所用的時(shí)間，單位為s,一般設(shè)定在0.3~1.0，取為0。5s,故有導(dǎo)軌的摩擦轉(zhuǎn)矩為；(3-13)其中,為導(dǎo)軌的摩擦力，單位為N；為滾珠絲杠的導(dǎo)程，單位為mm，大小為2mm；為傳動(dòng)鏈總線率，一般取0.7～0.85，現(xiàn)取為0.8；i為傳動(dòng)鏈的總傳動(dòng)比,,為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,為絲杠的轉(zhuǎn)速;i為1；導(dǎo)軌的摩擦力為：;（3—14)其中表示導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.15~0.18；垂直方向的工作負(fù)載；滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩：;（3—15）為滾珠絲杠的預(yù)緊力，一般取為絲杠工作載荷的1/3,單位為N；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0。9;但是由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高，故而很小，可以忽略不計(jì)。最大工作負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；；（3—16）其中為進(jìn)給方向的最大工作載荷,單位為N，現(xiàn)取20N;滾珠絲杠自身的轉(zhuǎn)矩通過(guò)對(duì)上式的計(jì)算可得：3。2。4步進(jìn)電機(jī)的選取考慮到在實(shí)際的運(yùn)用中，電壓降低時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步,甚至堵轉(zhuǎn)，所以，在選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，需要考慮安全系數(shù)，對(duì)于開(kāi)環(huán)控制,一般在2.5~4之間選取,此處選取為3[19］對(duì)于X、Y、Z三個(gè)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取,只需滿足最大等效力矩最大要盡量使之一致，這樣便于打印過(guò)程中的控制,因而按照最大的轉(zhuǎn)矩選取電機(jī)。在Z方向上，擬選用兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)噴頭、固定座以及Y軸電機(jī)的移動(dòng),提升打印精度。初選電極型號(hào)為57HS09，此電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為0。9N.m，可以滿足X、Y、Z軸驅(qū)動(dòng).57HS09參數(shù)如表3。5所示。表3。557HS09參數(shù)相數(shù)步距角（°)保持轉(zhuǎn)矩N.M額定電流A相電感mH相電阻Ω引線數(shù)量轉(zhuǎn)子慣量g。cm定位轉(zhuǎn)矩Kg.cm電機(jī)重量Kg機(jī)身長(zhǎng)mm21.80。92。81.20.882600.40。6543。3定位電機(jī)驅(qū)動(dòng)和部署設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要有一個(gè)電子裝置設(shè)備來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，這種裝置設(shè)備我們就稱之為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào),從而加以進(jìn)行放大來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與其接受到的脈沖信號(hào)的頻率成正比例關(guān)系,控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，從而可以對(duì)其步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確的調(diào)速；我們控制其步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù),就可以對(duì)其步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確的定位.3.3。1電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇根據(jù)上節(jié)內(nèi)容可知本設(shè)計(jì)選擇的電機(jī)是57HS09,則可以選用的驅(qū)動(dòng)器的配置可參照表3.6。表3。6電機(jī)適配驅(qū)動(dòng)器電機(jī)型號(hào)適配驅(qū)動(dòng)器57HS04DM422/DM432C/DM556/DM856/DM542/M752/M860/M880A/

MA550/MA860/H850/ND556/ND882/M415B/M32557HS0657HS0957HSM0957HS13DM556/DM856/M752/M542/M860/M880A/MA550/H850/ND55657HS09電機(jī)適配的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器為DM442或者DM542.因?yàn)檫@兩款數(shù)字式中低壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,采用最新32位DSP技術(shù)，適合驅(qū)動(dòng)57、86系列電機(jī)，具備優(yōu)秀的中低速性能，能夠滿足大多數(shù)中小型設(shè)備的應(yīng)用需要。采用內(nèi)置微細(xì)分技術(shù),即使在低細(xì)分條件下，也能夠達(dá)到高細(xì)分的效果，中低速運(yùn)行都很平穩(wěn)，噪音極小。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成了參數(shù)自整定功能，能夠針對(duì)不同電機(jī)自動(dòng)生成最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，最大限度發(fā)揮電機(jī)的性能?？沈?qū)動(dòng)4線，8線的兩相步進(jìn)電機(jī)[28］。3.3.2電機(jī)部署設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)定位電機(jī)共使用5個(gè)分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)方向的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，其中在X、Y軸方向各安裝1個(gè)57HS09型步進(jìn)電機(jī)，在Z軸方向兩邊軸上各安裝1個(gè)57HS09型步進(jìn)電機(jī).各個(gè)電機(jī)安裝于機(jī)架上,與絲桿連接從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)工作.部署情況基本如圖3.7所示。圖3。7電機(jī)部署設(shè)計(jì)3.4控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)4個(gè)定位電機(jī)及1個(gè)擠出電機(jī)分別由一個(gè)驅(qū)動(dòng)板連接驅(qū)動(dòng),繼而連接到Arduinomega2560主板的引腳上；另外限位開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、風(fēng)扇控制模塊、托盤和噴頭加熱與直接連接至主板；主板通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與PC機(jī)連接，具體模塊見(jiàn)本節(jié)后文.3.4.1硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件平臺(tái)Arduino板是一個(gè)開(kāi)源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，在單片機(jī)編程中很多常用的功能，如數(shù)據(jù)讀取和寫入、串口中斷、外部中斷、延時(shí)等，這些功能都被模塊化，開(kāi)發(fā)者可以直接調(diào)上次的工作進(jìn)程繼續(xù)進(jìn)行打印。開(kāi)發(fā)板可提供3.3V和5V電壓.Arduinomega2560有一個(gè)二級(jí)微控制器ATmega16U2，使主板能用USB接口與其他設(shè)備通信。Arduino2560的基本參數(shù)如表3.8所示.

表3.8Arduino2560的基本參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)MCUAtmega2560工作電壓5V輸入電壓7—12V數(shù)字I/O口54路（16路可提供PWM輸出）EEPROM4KBSRAM8KBFlash256KB工作時(shí)鐘16MHZ模擬量輸入端口16路I/O直流電流40mA3.3V端口電流50mAAtmega2560是一款使用CMOS技術(shù),具備RISC架構(gòu)的高速、低功耗、具有休眠功能的高檔8位單片機(jī)，它結(jié)合了PIC及8051等單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上作了一些重大改進(jìn)，它采用了Harvard的結(jié)構(gòu)，以及一級(jí)流水線的預(yù)取指令功能，即對(duì)程序的讀取和數(shù)據(jù)的操作使用不同的數(shù)據(jù)總線，因此，當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令被預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出,這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被執(zhí)行。Atmega2560內(nèi)核具有多達(dá)135條的指令，32個(gè)8位通用工作寄存器,且均直接與算術(shù)邏輯單元相連接，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，一條指令可以同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器,這種結(jié)構(gòu)也使數(shù)據(jù)吞吐率比普通的復(fù)雜指令集高出10倍。用已經(jīng)封裝好的子函數(shù)，由于Arduino的高度模塊化以及可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行等特點(diǎn)，從而使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高，移植方便,可拓展性強(qiáng)。為了便于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，Arduino在設(shè)計(jì)之初就明確了其應(yīng)用環(huán)境，作為開(kāi)放和開(kāi)源的平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì).Arduino的主要功能特色如下:（1）開(kāi)源的軟硬件，可以免費(fèi)獲得開(kāi)發(fā)接口；(2）使用Atmel公司的Atmega系列低價(jià)微處理器，可使用USB接口進(jìn)行供電；（3)芯片固化bootloader的程序是系統(tǒng)啟動(dòng)后執(zhí)行的第一段程序，若程序損壞可使用ISP燒寫重新，引導(dǎo)程序?qū)懭雈lash區(qū)，同時(shí)完成自檢、配置端口等工作；（4）Arduino豐富的接口使其具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性,包括SPI、UART串口通信、TWI(兼容I2C)等，也支持各式傳感器和無(wú)線通信裝置；（5）具有簡(jiǎn)便的編譯環(huán)境,極大的自由度.圖3。9Arduino2560開(kāi)發(fā)板正面本設(shè)計(jì)采用Arduinomega2560控制板，其核心是ATmega2560微控制器,其正面如圖3.9所示,長(zhǎng)91。6mm寬53.34mm，開(kāi)發(fā)板具有54路數(shù)字I/O接口(D0～D53),16路模擬輸入端口（A0～A15)可用于輸入傳感器電壓類的模擬信號(hào)，然后通過(guò)內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，本設(shè)計(jì)中的溫度傳感器使用到模擬輸入口，4KB的EEPROM，可以記憶打印機(jī)的工作進(jìn)程，當(dāng)打印機(jī)遭遇意外斷電，在重新上電之后可以接著上次的工作進(jìn)程直接繼續(xù)進(jìn)行打印。Arduinomega2560有一個(gè)二級(jí)微控制器ATmega16U2，使主板能用USB接口與其他設(shè)備通信[25］。3。4。2系統(tǒng)電路圖Arduinomega2560主板如圖3.10所示。圖3。10ArduinoMega2560主板本設(shè)計(jì)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路如圖3。11所示。圖3.11電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路限位開(kāi)關(guān)如圖3.12所示。圖3。12限位開(kāi)關(guān)在具體的應(yīng)用中供電方面,ENDSTOP邏輯電壓VCC和GND由Arduino2560控制板提供+5V電源，引腳ENDSTOP將信號(hào)送回主板以確保每個(gè)軸在打印初始時(shí)回到了零點(diǎn)。3.5本章小結(jié)本章主要介紹了：1.硬件模塊控制方案，本設(shè)計(jì)是基于Arduino的控制系統(tǒng)，敘述了各模塊的指標(biāo)和作用，以及各模塊間相互協(xié)調(diào)工作流程進(jìn)行了闡述。2.以本次設(shè)計(jì)打印機(jī)的目標(biāo),步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的選擇.3.控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)。

第四章增材制造系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)4.1控制程序方案4。1。1控制目標(biāo)增材系統(tǒng)控制程序是在Arduino開(kāi)源硬件的支持下進(jìn)行編寫的，這個(gè)開(kāi)源硬件的好處是提供所有硬件上的外設(shè)部分的驅(qū)動(dòng)，并且調(diào)用簡(jiǎn)單，還有就是支持C++的編寫環(huán)境。?增材系統(tǒng)控制程序主要由四個(gè)部分組成，主程序控制部分、PID溫度調(diào)控部分、串口通信部分和運(yùn)動(dòng)控制部分,當(dāng)然還有其他的,比如：液晶顯示,SD卡讀取等等,在此處不在一一介紹.增材系統(tǒng)控制程序中的運(yùn)行過(guò)程主要有三個(gè)部分：主程序里面進(jìn)行命令解析和處理，定時(shí)器1中斷進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制和打印頭的運(yùn)動(dòng)控制，定時(shí)器0中斷則進(jìn)行溫度的檢測(cè)和加熱控制。這三個(gè)部分也都和?固件中的主要部分相關(guān)。4。1。2控制方案（1）增材制造系統(tǒng)控制程序有主程序和中斷程序。中斷程序用兩個(gè)定時(shí)器中斷:定時(shí)器0和定時(shí)器1。主程序的任務(wù)主要有:=1\＊GB3①與上位機(jī)進(jìn)行通信，獲得G指令②進(jìn)行G指令解析，區(qū)分指令內(nèi)容及指令參數(shù)，并將參數(shù)換算為整數(shù)③

G指令的分類執(zhí)行④溫度管理、限位開(kāi)關(guān)和LCD的控制中斷程序的任務(wù)主要有：定時(shí)器0主要負(fù)責(zé)對(duì)擠出頭的溫度進(jìn)行控制。在主程序中設(shè)置好定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間，等待定時(shí)中斷的產(chǎn)生,并在中斷中進(jìn)行溫度檢測(cè)控制。定時(shí)器1主要負(fù)責(zé)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,是增材系統(tǒng)控制程序中運(yùn)動(dòng)控制部分的核心[33]。(2)主程序控制部分程序流程主要實(shí)現(xiàn)的功能也就是獲取G指令，解析指令，處理指令，相關(guān)溫度和活動(dòng)軸管理。主程序控制部分程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序控制部分程序流程圖4。2控制程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件平臺(tái)ArduinoIDE與Arduino開(kāi)發(fā)板一樣是開(kāi)發(fā)源代碼的，由于其開(kāi)放性，其另一個(gè)特點(diǎn)是在三大主流系統(tǒng)：Linux、MACOSX和Windows中的兼容性很好。Arduino的編程語(yǔ)言使用C++，官方在基于AVR單片機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，將Arduino平臺(tái)的各種函數(shù)進(jìn)行了封裝,AVR單片機(jī)的相關(guān)設(shè)置都參數(shù)化，無(wú)需在對(duì)進(jìn)行底層的寄存器進(jìn)行操作.Arduino編程兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)函數(shù)“setup”、“l(fā)oop”，前者在系統(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)執(zhí)行,一般用于串口、I/O口的初始化等，后者為主函數(shù)體，類似于“main”函數(shù)中的while（1）無(wú)限循環(huán)函數(shù)，所有需要執(zhí)行的程序都放在這個(gè)函數(shù)之中[32]。表4.2介紹了Arduino編程語(yǔ)言中的常用基本函數(shù).表4。2Arduino編程語(yǔ)言中的常用基本函數(shù)函數(shù)功能Serial.begin(9600）串口波特率定義函數(shù)Serial.available（）判斷串口接收緩沖器的狀態(tài)函數(shù)Serial.read(）讀取串口數(shù)據(jù)Serial.print（data)串口輸出數(shù)據(jù)函數(shù)pinMode(pin,mode)定義數(shù)位腳位(digitalpin)為輸入或輸出的函數(shù)digitalWrite(pin,value）將數(shù)位腳位指定為HIGH或LOWdelay(500)延時(shí)500msmillis（)上電后系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間attachInterrupt（interrupt，function，mode)外部中斷函數(shù)interrupt:中斷號(hào)function：中斷服務(wù)函數(shù)mode:中斷觸發(fā)模式LOW信號(hào)低觸發(fā)CHANGE信號(hào)翻轉(zhuǎn)觸發(fā)RISING信號(hào)上升沿觸發(fā)FALLING信號(hào)下降沿觸發(fā)圖4。3為ArduinoIDE編程界面,同其他開(kāi)發(fā)環(huán)境類似界面上部分為菜單欄，提供了各種工具菜單，包括串口監(jiān)視器、開(kāi)發(fā)板類型選擇、COM口選擇、官方庫(kù)函數(shù)和第三方庫(kù)函數(shù)導(dǎo)入等，界面中部白色區(qū)域?yàn)槌绦蚓庉媴^(qū)，界面下部黑色區(qū)域顯示程序編譯、燒錄信息，錯(cuò)誤信息等。但ArduinoIDE存在一個(gè)很明顯的缺陷，沒(méi)有提供調(diào)試功能，程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，與預(yù)期的運(yùn)行狀態(tài)不符時(shí),無(wú)法快速到定位錯(cuò)誤出現(xiàn)的可能位置。圖4.3ArduinoIDE編程界面4。3定位電機(jī)精度控制算法4.3。1運(yùn)動(dòng)控制原理在G指令的分類執(zhí)行中,增材系統(tǒng)控制程序用到了隊(duì)列的概念，將每條G指令變成一個(gè)運(yùn)動(dòng)block,一個(gè)block包含的與該G指令下運(yùn)動(dòng)所需的所有參數(shù)（終點(diǎn)坐標(biāo)、速度、加速度、擠出絲量等）。在主程序中，程序只負(fù)責(zé)對(duì)G指令進(jìn)行分析，并計(jì)算和生成一個(gè)block，并將block打入block緩沖池中。其他，則是與上位機(jī)進(jìn)行交互［23].步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制主要采用定時(shí)器1負(fù)責(zé)，是運(yùn)動(dòng)控制部分的核心。在主程序中先設(shè)置好定時(shí)器1的初始定時(shí)時(shí)間,等待中斷后，在中斷執(zhí)行block中的運(yùn)動(dòng)。首先從block緩沖池中取一個(gè)block，分析該block中的運(yùn)動(dòng)參數(shù),設(shè)置運(yùn)動(dòng)方向,然后調(diào)控步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間實(shí)質(zhì)上就是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，所以步進(jìn)電機(jī)的速度的控制可以通過(guò)時(shí)間計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)中斷執(zhí)行一個(gè)block中的1步或幾步，這個(gè)參數(shù)在系統(tǒng)初始化時(shí)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。運(yùn)動(dòng)控制部分定時(shí)器1中斷流程如圖4.4所示。圖4。4運(yùn)動(dòng)控制部分定時(shí)器1中斷流程4.3.2定位電機(jī)精度控制算法（Bresenham算法)在運(yùn)動(dòng)控制部分中用到了Bresenham算法,具體原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4.5所示。圖4。5運(yùn)動(dòng)控制部分Bresenham算法原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程設(shè)每個(gè)實(shí)際繪制點(diǎn)的縱坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)得誤差為,那么這些點(diǎn)的數(shù)學(xué)真值為。這個(gè)誤差大致在到之間。從移動(dòng)到間，我們對(duì)其數(shù)學(xué)上的縱坐標(biāo)也增加了斜率大小的值。那么，若,我們將選擇繪制點(diǎn)。新的誤差將是：.否則，我們繪制點(diǎn)。新的誤差將是。，若設(shè)，則即當(dāng)成立時(shí)，畫點(diǎn)，同時(shí)當(dāng)成立時(shí)，畫點(diǎn)，同時(shí)控制程序中Bresenham算法的轉(zhuǎn)化：判斷條件改為:（當(dāng)為長(zhǎng)軸時(shí)，，若為軸，則，若為軸則（2）將定義為（3)（4）將長(zhǎng)軸的判斷整合在一起,當(dāng)某軸為長(zhǎng)軸時(shí)，其軸的步進(jìn)條件恒為真?zhèn)未a如下：本設(shè)計(jì)中算法實(shí)現(xiàn)流程如圖4。6所示：圖4.6算法實(shí)現(xiàn)流程4.4控制程序代碼設(shè)計(jì) 4.4。1運(yùn)動(dòng)控制代碼設(shè)計(jì)控制程序中對(duì)每個(gè)一個(gè)運(yùn)動(dòng)block塊都會(huì)有一個(gè)速度算法控制，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)進(jìn)的速度不能太大，必須要有一個(gè)加速的過(guò)程，因此，在速度控制時(shí)，固件采用的是梯形曲線