挑战杯(20211207120621)

1、1 华南理工大学 学生课外学术科技作品项目申报书项目名称： 便携式三维打印机 申报者姓名 （集体名称） ： 所在单位： 申请日期： 类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 a 类 科技发明制作 b 类 共青团华南理工大学委员会制 二一二年三月2项目目标及研究内容摘要： 本项目的目的是研制一台小型化的便携式三维打印机，以解决传统三维打印机体 积庞大、造价较高、打印速度较慢与精度不高的难题。研究内容包括三维打印机的机 械本体外观形状设计及其硬件控制系统的关键技术研究，并着重研究基于神经网络pid 控制算法的伺服电机驱动器，以提高嵌入式打印装置自动送料平台及三

2、维轨道的 控制精度及速度，及基于模糊智能控制的挤出机控制器，以提高喷嘴精度及挤压头温 度控制精度。该系统成功研制后，必将在教育、电影动漫、气象、外科医疗等领域， 及各种工业加工、各种服务行业、办公室、家庭等场合发挥其独特作用，具有很高的 使用价值，能产生显著的经济效益。一、 研究目的、意义、立论根据与项目的创新之处 1、研究意义： 三维打印机，也被称为快速成型打印机。它是利用传统打印机的原理，将打印 机和计算机连接起来，把打印原料装入机身，通过计算机的控制，用激光注射器将打 印原料一层一层累积起来， 最后直接将计算机中的图形数据变成所需形状的各种零件 或模具。三维打印机能自动、 快速地将设计思

3、想物化为具有一定结构和功能的原型 或直接制造零部件，从而对产品设计进行快速评价、修改，以缩短产品开发周期 与降低生产成本， 因此在教育、电影动漫、气象、外科医疗等领域，及各种工业加工、 各种服务行业、办公室、家庭等场合发挥其独特作用，毋庸置疑，在未来，三维打印 机的应用将更加广泛。但是，目前三维打印机还存在诸多不足，还没有像传统打印机 一样进入到普通人的生活中。 2、立论根据： 由于体积庞大、打印速度慢、 精度不高、购机成本高等问题， 目前三维打印机还无 法像传统打印机一样方便、实用、普及。基于此，本项目将对三维打印机的机械本体 外观形状进行设计，及其硬件控制系统的关键技术进行研究，研制一台小

4、型化的便携 式三维打印机，以解决目前三维打印机存在的不足。3、创新之处： 本项目同时进行了三维打印机的机械本体外观形状设计及其硬件控制系统 的关键技术研究，在以下几方面取得了创新。1）体积小，携带方便，可与目前普通打印机相媲美；2）基于神经网络pid 控制算法的伺服电机驱动器，定位精度高， 其三维轨道定位 精度小于 0.1mm；3）基于模糊智能控制的挤出机控制器，喷嘴精度小于0.3mm；4）基于多传感器的修正与补偿技术，能快速准确反映挤压头温度、环境温度、空 气灰尘等参数变化情况； 稳定可靠的保持装置，以记录当前工作状态，并具有断电恢复等功能。二、研究内容、技术路线及进度安排 1、研究内容：3

5、 本项目的研究内容包括三维打印机的机械本体外观形状设计及其硬件控制 系统研发，其中硬件控制系统主要包括以下几部分： 1）嵌入式打印装置自动送料平台及三维轨道精密移动控制技术； 2）基于模糊智能控制的挤出机控制器； 3）基于神经网络pid 控制算法的伺服电机驱动器； 4）基于多传感器的修正与补偿技术； 5）稳定可靠的保持装置。2、技术路线： 1）广泛调研，收集、整理与分析国内外三维打印机研究领域的先进技术资料； 2）系统整体设计方案论证与框架设计，包括三维打印机外观形状、 硬件组成结构、 软件程序框图等； 3）采用三维造型软件pro/engineer进行打印机外观形状设计， 采用模块方式分别 进

6、行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等； 4）采用模块化设计方式， 将系统硬件控制部分划分为打印控制器、挤出机驱动器、 伺服电机驱动器、传感器系统、三维移动控制器等相对独立的功能模块，分别 进行各功能模块的硬件电路原理图设计，同时利用 altium designer 绘制原理 图与 pcb图，并制作出样板； 5）采用 stm32 嵌入式软件开发平台对步骤4)所涉及到的各功能模块进行软件程序 设计，包括硬件抽象描述、底层驱动管理、共用功能的执行、程序间传递消息、 程序发行包管理，及工具盒库的获取、建立、编写和执行多机融合的程序； 6）各功能模块调试成功后，再进行系统整机的软硬件联调

7、； 7）对样机进行调试，修改与完善； 8）技术验收与成果鉴定，结题。3、进度安排： 该项目的研究工作包括机械本体外观形状设计与硬件控制系统设计，两者可独立 完成后，再整机调试。 第一阶段为期 1 个月：市场调研，收集、整理国内外相关资料； 第二阶段为期 1 个月：机械本体外形与硬件控制系统方案论证与整体框架设计； 同时采购相关部件进行测试，并确定最终实施方案； 第三阶段为期 2 个月：一方面，进行机械本体外形模块化设计，并绘制机械工程 图和设计相关电气设备；另一方面，进行硬件控制系统模块化设计，绘制各模块硬件 电路原理图与 pcb ，同时进行各功能模块软件程序设计； 第四阶段为期 1 个月：机械加工，电路板制作并测试，同时软硬件系统联合调试； 第五阶段为期 1 个月：整机调试，修改完善，并完成结题需要的材料。三、研究成果的形式、项目验收指标及内容 1、完成实验样机 1 台 2、申请专利 1 项 3、发表论文 2 篇4四、工作基础和实验条件 1、工作基础 1) 项目参与人员已掌握数/ 模电、数控、传感器、零件设计、单片机等专业 基础知识，能熟练运用 pro/engineer 进行机械本体的设计，及 altium designer 进行控制模块的 pcb 板设计，同时熟练掌握 stm32 嵌入式开发技术，以保证本项 目能按时完成预计目标的研究内容； 2）已研制基于 stm32 的交