3D打印机组装与调试 课件 第10-12讲 3D打印机的限位开关和热床、3D打印机的传感器和控制主板、3D打印机的电机驱动器和液晶显示屏

3D打印机的限位开关与热床授课教师：陈金英3D打印机组装与调试3D打印机的限位开关3D打印机的热床思考题0102033D打印机组装与调试3D打印机的限位开关接触式限位开关

通常由机械式限位开关构成，运动部件碰撞到机械触头上。非接触式限位开关

常见的有光电式限位开关和霍尔式限位开关。限位开关作用

限制机械运动的位置或者行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、自动往返运动等。原理

是利用机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或断开控制电路。常见类型接触式和非接触式。3D打印机的限位开关当运动部件接近机械式限位开关时，开关的连杆驱动开关的接点，引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。机械式限位开关通常由常开接点(NO)、常闭接点(NC)和公共接点(C)3个接点组成。实际使用中根据需要来选择常开和常闭接点。机械式限位开关1机械式限位开关3D打印机的限位开关光电式限位开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱对目标物体进行探测。光电式限位开关2光电式限位开关的优点：具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。物体不限于金属，能反射光线的物体均可被检测。光电式限位开关3D打印机的限位开关霍尔式限位开关3霍尔式限位开关当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，称为霍尔效应。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。检测对象必须是磁性物体。M5系列霍尔式限位开关霍尔开关的优点：具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，能在各类恶劣环境下可靠工作。3D打印机的热床3D打印机在打印时需要加热床。为防止打印过程中，打印件的最底层先冷却，使打印件遇冷会产生微弱的收缩现象，导致打印件产生翘曲现象，即底层收缩比上层快，所以打印时会经常看到打印件的某边或者棱角离开打印床后会翘起。使用加热床可以延缓其收缩速度，保温打印的底层，保证打印件成品质量。PCB方形加热床3D打印机的热床在加热过程中，加热床中心温度要高于四边温度，打印时经常出现加热床四边发生翘曲，加热床温度高也容易使底面塑料打印件软化变形。

隔离加热床底部温度不但可以使温度分布均匀，还可以防止软化加热床底面的塑料打印件。加热床通常有隔离材料、加热床电线、打印平台材料和加热材料等几个部分组成。隔热材料一般使用硬纸板、羊毛、棉布、纤维板、木板或三合板，隔离加热床底部温度。隔离材料13D打印机的热床注意：劣质电线经过大电流时非常容易发生外部线皮融化甚至燃烧。特别是一些使用220V电压的加热床，劣质电线很容易发生火灾或者触电。加热床中加热原件的工作电流在6～10A，要选择0.5mm以上的线材。加热床和电线连接部位的电线容易融化发生短路，在每根电线外层使用铁氟龙管绝缘隔离。加热床电线23D打印机的热床3D打印机平台材料经常使用玻璃。常见的是3mm厚的普通玻璃板作为打印平台。特点：玻璃价格便宜，不易变形弯曲，导热系数小；其玻璃的加热温度比较难预测，加热不均匀易碎裂。打印平台材料3（1）玻璃普通玻璃大多配合铝板使用，可以让玻璃温度分布更均匀;玻璃面积尽量小于或等于加热区域面积，避免加热玻璃温度不均匀而碎裂，其加热温度控制在80～100℃。使用高硼硅玻璃更安全些，其加热温度可达200℃，并且强度更高。高硼硅玻璃加热床3D打印机的热床铝板、铜板、钢板经常作为3D打印机打印平台材料。铝板的优点是比热容、热传导都相对较高，温度分布更均匀;缺点是易变形，加热时膨胀系数大。铜板、钢板比热容比铝板要高得多，加热或降温都需要更长时间，保温效果更好。国外的一些3D打印厂商使用陶瓷玻璃作为打印平台材料，避免了加热不均匀时碎裂的问题，并且切割和钻孔更容易。注意：新型陶瓷玻璃的比热容比玻璃低得多，导热迅速，应避免过快速的加热。（2）陶瓷玻璃（3）金属铝基板热床3D打印机的热床加热材料4（1）镍铬合金丝在木板上固定一行行的镍铬合金丝，合金丝的外层贴上聚酰亚胺胶带，实现加热床的功能。但是在使用镍铬合金丝时需要计算长度所对应的电阻，以及在电路中工作的电流。镍铬合金丝的特点是经济实惠，但操作起来需要一定的动手能力，了解欧姆定律的相关知识，加热不够均匀。PCB圆形加热床3D打印机的热床随着3D打印机的发展，使用PCB加热板作为加热床的加热材料。PCB加热板价格低廉，加热均匀，最常见的型号是MK2A和MK2B。Mendel系列3D打印机大多使用MK系列PCB加热板。（2）PCB加热板PCB加热板使用102(大约35mm厚度)的铜箔或者镀金铜箔，加热板的铜箔薄厚应尽量均匀，才能达到最好的加热效果。使用PCB加热板时需要电源提供10A以上的电流。

3D打印机的热床MK3加热板提供了三孔和四孔的固定方式。三孔固定方式相对于四孔固定方式更容易调节打印平台水平。（3）MK3加热板MK3加热板集成了一块3.2mm的铝板，可以直接打印到铝板上，相对传统PCB加热板和玻璃组合式的加热方式更轻，打印速度更快。MK3加热板采用12V、24V双电源设计，可以兼容12V为主电源的PCB加热板，且适用于24V电源。由于电压提高一倍而电流减少一半，电线发热更小，可使用更细的电线替换以往粗壮的电线，有利于加热床的高速移动。集成铝板式的加热板加热迅速，24V电源下温度加热到100℃只需2min，加热温度变高，可达180℃。MK3加热板3D打印机的热床使用硅胶加热垫加热时，需要注意加热床温度探头不能离开加热垫，因为如果检测不到温度，热床会一直加热，造成热床温度特别高。

（4）硅胶加热垫商业型3D打印机使用硅胶加热垫加热。其特点是加热迅速，可以达到很高的温度，可靠性好，易于安装，但价格相对昂贵。方形3M背胶硅胶加热垫3D打印机的热床聚酰亚胺加热薄膜非常薄，性能与硅胶加热垫几乎一致。适合轻薄设计场合，其发热效率明显优于PCB加热板，缩短了加热时间，价格高昂。（5）聚酰亚胺加热薄膜热床聚酰亚胺加热膜12v和24v3D打印机的热床3D打印机控制板大都集成了MOS驱动电路，可同时加热挤出头和加热床。加热电子电路5（1）MOS驱动电路MOS驱动电路复杂，需要软件配合使用，并需要电路板输出PWM信号传入MOS驱动电路。通过热敏电阻检测加热头或加热床的温度，软件根据检测的温度调节通过加热床电流的大小，可自动调节加热床的温度，并保持在一定的范围内。4路直流四路mos管3D打印机的热床3D打印机加热床大多需要保持在恒定的温度，如ABS为110℃，PLA为50℃。使用金属温度开关可以达到规定温度时停止加热，低于规定的温度时就会触发加热开关(常闭型)。（2）金属温度开关金属温度开关价格便宜，生活中常用的电热水壶使用的就是这种开关。连接电路简单，只需把金属温度开关和加热床串联接入电源，把金属温度开关安装到加热材料上即可。金属温度开关思考题3D打印机的限位开关的作用和原理是什么？常见的限位开关形式和特点是什么？3D打印机热床的作用是什么？3D打印机热床加热床通常有哪几个部分组成？MK3加热板的特点是什么？本小节结束！授课教师：陈金英3D打印机组装与调试3D打印机的传感器和控制主板授课教师：陈金英3D打印机组装与调试3D打印机的传感器3D打印机的控制主板思考题0102033D打印机组装与调试3D打印机的传感器传感器（Transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、控制等要求。传感器的概念1传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、网络化，能够实现自动检测和自动控制。根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件等十大类。柔性可穿戴电子传感器（a）感应手套的照片（b）电缆布线和应力消除由叠加的热敏膜提供（c）传感器放置和集成示意图：（i）使用硅胶粘合剂连接传感器和（ii）带有粘附热膜的传感器（d）手指运动时手指的电容输出。感应手套的性能测试美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程和应用科学学院的研究团队创造出一种高度灵敏的柔性电容传感器3D打印机的传感器在3D打印机中温度传感器是用来测量挤出头和加热床的温度，有的使用热敏电阻元件，有的使用热电偶元件。温度传感器2在实际应用中温度变化并不是线性的，所以测量精准的温度需要依据厂商提供的温度和阻值对应表，而不是根据温度阻值曲线公式计算。热敏电阻可以在测量范围内精确地测量温度所对应的阻值，预测温度的变化。热敏电阻阻值随着温度变化而变化有的随着温度的升高，其阻值降低；有的随着温度升高，阻值升高。3D打印机的传感器（1）热敏电阻测温原理热敏电阻测温是通过模一数转换器(ADC)测量热敏电阻一端的电压，从而间接测量出热敏电阻的阻值，再通过热敏电阻的阻值查表找到对应的温度。实际电路中串联一个固定阻值的热敏电阻(R2)，两端连接5V电源(Ucc)，模一数转换器(ADC)测量两电阻的中间电压(Uout)。模一数转换器把测量的电压(Uout)除以5V参考电压(Uref)乘以模一数转换器的分辨率，大部分3D打印机模一数转换器都为10bit，0～1023，得到模一数转换器(ADC)对应的数值(ADC_count)。其公式：ADC_count=1024Uout/Uref=1024Rx/(R2+Rx)3D打印机的传感器（2）常见的热敏电阻型号及封装材料热敏电阻型号有EPCOS100K、RF100K、Honeywell100K、Honeywell5500K、ATCSemitec104GT-2、PT100、PT1000。玻封热敏电阻的封装形式有几种不同的材料，如环氧树脂，SMD，玻璃等。其中玻封热敏电阻是指用隔热玻璃封的热敏电阻，因为玻璃隔热，所以热敏电阻不受额外的温度影响，大大提高了控制的灵敏度和精确度。玻封热敏电阻主要作用是温度补偿，热敏电阻玻封是NTC（负温度系数），其主要的特点是耐高温，耐潮湿。相对于其它材料的封装，该封装反应速度较慢一点，约在十几秒左右。玻封热敏电阻3D打印机的控制主板3D打印机一般选择两种控制电路板，一体控制电路板和模块化控制电路板。一体控制电路板1一体控制电路板使用简单、集成度高、接线方便、稳定性高，其代表Mezi2.0控制电路板。优点价格低廉；缺点支持单一挤出机，扩展性能差。Melzi.2.0控制电路板是开源3D打印机的核心部件，控制整个打印机的正常运行。通过USB接口可以与计算机连接，实现数据交换，通过SD卡可实现脱机打印。Mezi2.0控制电路板3D打印机的控制主板模块化控制电路板2优点扩展性好，可以自行选择模块。常见组合是ArduinoMega2560主控板、Ramps1.4扩展板、A4988驱动模块配合使用。配合Ramps1.4扩展板使用的液晶屏模块非常多，支持双挤出头。起过渡的作用，与其它硬件进行更好的连接和控制。ArduinoMega2560Ramps1.4全套控制电路板3D打印机的控制主板GT2560主板3D打印机的控制主板主板运行电压在12V到24V，可以在一个MOSFET管输出90W的功率，使步进电机有更大的转矩、更高的转速。GT2560集成Arduinomega2560+Ultimaker和Arduinomega2560Me+Ramps1.4的所有功能，组成身形小巧、元器件排列紧湊的结构。在软件或是硬件上都可以取代ArduinoMega2560+UltimakerShield和ArduinoMega2560+Ramps1.4组合。该产品重新设计接口，完全解决了组合板接口繁琐，易出故障的问题。具有更小体积、结构紧凑、高集成度和易于安装的特点。GT2560支持5路步进电机，电机驱动部分可随意更换驱动模块，还具有强大的ATmega2560256KB内存处理器，运行频率为16MHZ，可以通过高性能USB转串口芯片FT232RQ连接到电脑。思考题什么是传感器？传感器有什么特点？温度传感器在3D打印机中的作用是什么？常见的热敏电阻型号及封装材料有哪些？玻封热敏电阻的作用和特点是什么？一体控制电路板的特点是什么？模块化控制电路板的特点是什么？GT2560主板的特点是什么？1234567本小节结束！授课教师：陈金英3D打印机组装与调试3D打印机的电机驱动器和液晶显示屏授课教师：陈金英3D打印机组装与调试3D打印机的电机驱动器3D打印机的液晶显示屏思考题0102033D打印机组装与调试3D打印机的电机驱动器3D打印机使用的步进电动机驱动器可以分为三种类型。独立的驱动板1如Reprap主控板、Makerbot主控板，要插接单独的驱动电路板。独立驱动板的驱动芯片使用AllegroA3982，驱动电流可以达到2A。早期驱动板使用两片L297/L298驱动芯片，价格昂贵，散热性能不好。大多不具备过电流、过温、短路保护功能。在使用该电路板一定注意不能把电流(PNMM)调得太高，尤其使用小电阻步进电动机时，可能会同时烧毁步进电动机和驱动电路板。L297驱动芯片3D打印机的电机驱动器插拔型的驱动模块2目前多使用TDRV8825驱动芯片的驱动模块，可提供峰值2.5A、持续1.75A的输出电流，支持32细分驱动模式，采用TSSOP封装散热性能更好可以和A4988驱动模块共同使用。插拔型的驱动模块直接插接到Ramps、Gen7系列的主板上，使用A4983/A4988驱动芯片，提供1～1.5A的驱动电流，最高支持16细分驱动模式。A4988、TDRV8825驱动芯片3D打印机的电机驱动器集成式驱动模块3集成式驱动模块主要使用AllegroA4988/A4982驱动芯片。最新的ReprapMelzi2.0电路板使用A4982芯片。具备低电流自动休眠功能，采用TSSOP封装，散热性能更好，不需要加装散热片。MelziArdentissimo驱动芯片3D打印机的电机驱动器01在使用步进电动机驱动器时，需要自行调节步进电动机的驱动电流。02大于步进电动机额定驱动电流很容易烧毁电动机驱动芯片，甚至烧毁步进电动机。03每种类型的电动机驱动芯片都有一个可调电位器，给驱动芯片提供一个参考电压(Uref)，驱动芯片还需要连接两个感应电Rs(驱动芯片内部集成两组H桥电路)。A4988驱动芯片测试3D打印机的电机驱动器驱动芯片的电流计算方法可以查找芯片厂商提供的数据册。04输出电流(I

TripMax)就是根据参考电压和感应电阻来计算，比如A4988、A4982芯片I

Tripmax＝lu/(8R)

DRV8825驱动芯片I

Tripmax＝Uref/(5Rs)。05Uref可以用万用表测量可调