【《基于单片机的3D打印机控制系统设计》7700字（论文）】

引言3D打印技术，是种以数字模型为基础，运用金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方法来构造物体的技术。随着3D打印技术在各领域快速推广发展。3D打印机也在逐渐加深与人们日常生活的联系。大到航天军事，小到医疗民生，几乎社会的方方面面都能看到3D打印技术的身影，而如此普及的技术，也造就了3D打印机在自身结构设计的快速发展。作为先进技术的载体，3D打印机则是一种光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。在保证设备平稳运行和自动控制的前提下，降低操作难度，节省时间，延长机器使用寿命，采用单片机控制3D打印机。因为桌面级3D打印设备需求巨大，3D打印机已然要成为日常常见、常用的设备之一。结合目前市面上已有的各类结构的3D打印机，本文将立足于机械结构，兼具创新，设计一台3D打印机，用于解决实际生活中面临的一些困境与不足。第一章绪论1.1研究背景、目的和意义3D打印（英语：3Dprinting），属于快速成形技术(rapidprototyping)的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“积层造形法”）。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件，意味着“3D打印”这项技术的普及。3D打印技术的出现颠覆了传统的生产思路，任何复杂的形状结构均可通过3D打印技术实现，极大地缩短了生产周期，提高生产率。1.2国内外3D打印机研究现状国外在经过长期的探索与发展，3D打印技术仍处行业前列。由于我国近年才引入3D打印技术，与国外相比差距较大，目前全球已经发展至金属3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技术。近年来我国生物3D打印技术不断获得突破，推进了3D打印医疗器械、人工组织器官的临床转化进程。国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售但这些企业的规模相对较小。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面技术水平有待进一步提升。我国3D打印产业虽然取得了长足的发展，但发达国家还有较大差距，关键技术滞后、关键装备与核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。1.33D打印机技术原理简述3D打印机打印原理：通过计算机对3D模型进行“分层”、“切片”等操作，然后将相应的数字信息传递给3D打印机，之后打印机将对根据这些信息稳定持续的在打印平台进行工作。3D打印机的工作过程：3D打印机在通电后将依照上位机传递的信息在X、Y方向进行往复运动，而在Z方向进行单向移动，通过挤出机将耗材输送至加热管中，在加热管内部耗材熔融并通过打印机喷嘴流出，在打印平台（热床）通过物料层层堆叠的方式形成三维实体。1.4本设计的具体任务经过深入的考察分析，本设计在结构上采用Prusai3结构，但是对其外观结构进行相应的改造并作出创新，最终决定设计一款结构与功能更加稳定的新计划。整个机械传动系统采用两套传动机构，分别为同步带传动机构和滑动螺旋传动机构。该设计的3D打印机体积相对较小（桌面级）在结构上采用更易组装但更加稳定的形式，对于整个系统来说也是非常关键的一部分。在具体的设计过程中重点和难点主要集中于同步带和带轮机械结构的分析和设计当中，由于在3D打印机上有诸多零件并未进行标准化，而这些零件都需要自行设计，在设计过程中既要考虑机构的合理性，又要考虑生产制造过程的可行性，因此在本设计中有一部分零件的结构参考了机械设计中的类似结构。本设计的3D打印机的工作原理是利用步进电机提供动力来源通过同步带齿和带齿的啮合传递动力从而带动打印平台、打印机喷嘴实现其在Y方向和X方向的移动，Z方向则是通过丝杠将步进电机的回转运动转化为丝杆的直线运动带动打印机喷嘴在其方向上的移动。挤出机持续不间断的将耗材输送至加热块，通过加热棒熔融耗材，使其从喷嘴流出，在打印平台上完成打印任务。为满足上述需求，首先需要进行机械结构的设计计算，确定需要使用哪些零件，考虑这些零件有多少没有经过标准化。然后根据确定的传动方案选择合适的动力来源。在设计完一个零件后，应当视需求对其进行校核。并根据参数对其进行CATIA三维建模。最后将全部零件进行装配。本设计采用arduinomega2560控制电机，在这之前要确定好电机的类型，才能最终完成整个机械结构的设计。1.5小结绪论做为整个论文的前提和基础，对所做的研究进行充分的准备，列出选题的意义和背景。并且将之总结清楚才能继续进行下一步的设计。绪论要表述自己的观点，简洁明了，为呈现一个完整的设计说明书打下基础。第二章总体方案设计2.13D打印机技术原理本设计是针对i3结构的3D打印机。设计其工作原理是单片机接收到来自上位机的信号，之后控制电机主轴旋转，通过同步带齿和同步轮齿啮合传递动力控制打印机喷嘴在XY平面内的移动，通过丝杠控制打印机喷嘴在Z方向的移动。与此同时，挤出机持续稳定的输送打印耗材至打印机喷嘴，熔融耗材在打印平台上层层堆叠至打印完成。2.23D打印机设计方案经过CATIA建模后整个打印机模型如上所示在与同步带平行的方向加装光轴，在光轴上装箱式直线滑块，作为打印平台的支撑。在与龙门架平行的方向是加装光轴，并在其上装上箱式直线滑块，为打印机X轴做支撑，XY方向的同步带安装方法一致，都是先将步进电机固定，然后将电机轴与同步带轮相联接，另一侧则安装非标零部件，然后再将惰轮嵌入非标零部件的腔内，之后将同步带缠绕在同步轮与惰轮之上。Z方向的丝杆通过联轴器将电机轴与丝杆相联，而与丝杆相配合的螺母，固定在X轴的非标零部件上。龙门架中央放置的是挤出机和为其提供动力来源的步进电机。X方向上的光轴上装有加长直线轴承，通过非标零部件将两个加长直线轴承相联，而其另外一侧恰好是打印机喷嘴的卡位。打印机喷嘴是由喷嘴、加热块、喉管、散热管、加热棒和热敏电阻组合而成。2.2.13D打印机的技术指标3D打印机的技术规格如下所示（单位：mm）打印范围：220×220×220外形尺寸：340×310×350适用电源：220V/50Hz打印速度：80mm/s打印层高：0.12.33D打印机结构设计2.3.1传动机构传动机构（如下图1所示）是通过同步带带齿与带轮轮齿之间的啮合将打印平台移动到上位机程序指定的位置。在打印平台的另一侧安装惰轮，将同步轮与电机轴相联，运转时电动机通电并且以所需的速率运转带动其旋转轴上的同步轮选转，同步带开始移动，使得同步带稳定的带动打印平台。图12.3.2动力选择因控制系统采用Arduino开发板以进行对电机得控制，所以此处我选择直流电机做为本设计的动力来源。直流电机可分为有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机。简单介绍以上三种电机的及其优缺点分析有刷直流电机：结构上主要有转子，定子，碳刷，通过碳刷给线圈通电，使不同的线圈通电。优点：低成本、驱动简单缺点：碳刷使用寿命短，需要定期更换；效率比较低。无刷直流电机：用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。优点：高效率，使用寿命长。缺点：价格较高，驱动复杂。步进电机：将电脉冲信号转换成角位移或者线位移的电动机。每一个脉冲信号，对应的有一个角度。优点：采用开环控制，驱动简单缺点：易造成干扰而步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（VariableReluctance，VR）、永磁式步进电机PermanentMagnet，PM）、混合式步进电机（HybridStepping，HS）等多种类型。现再将这三种类型论述如下：反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高选择电动机关乎传动的正确与否，须选择有可靠性的操作，可用性的设备，备件的多功能性，电机的能量利用效率，电机的性价比，而且必须满足电机的安装强度和安全度以及可维修性。还要考虑电动机的功率是否同设计中所需要的功率匹配。2.3.3本设计中的电动机在本设计的3D打印机中电机是用来带动同步带和丝杠运动的，因3D打印机在工作工程中需要频繁转换主轴旋转方向，且打印平台的质量较小，电机负载较小，总体考虑采用混合式步进电机。电机使用在50Hz下且电压为220V。电动机的功率计算公式如下：P式中：Pwη电动机到工作机的总效率P式中：F传送带的有效拉力v工作机的线速度D同步轮的直径n工作机的转速总效率为η=式中η1、η2、η3在本设计中电动机负载最大处为打印平台，通过同步带传动带动打印平台移动。打印平台和打印件的总质量为10kg，同步带最大速度设计为500mm/s。摩擦因数μ取0.1。同步带的有效拉力为F=μmg=0.1×10×10=10N同步轮所需要的有效功率为P查《机械设计课程设计》，算得传动总效率为η所需的电机效率P综上设计计算结果，选择混合式步进电机作为本设计的动力来源，电机型号为17HS4401。2.4传动机构这是整个设计中最关键的机构，3D打印机X、Y方向的通过同步带传动将步进电机轴的旋转运动化为打印平台和打印机喷嘴的直线运动。通过同步轮与电机轴的相联，换言之，步进电机作为动力源通过同步带轮齿与带齿的啮合带动打印平台进行往复运动。所以同步带与同步轮设计计算就显得尤为重要。为保证3D打印机传动效率和传动精度，现在将对圆弧齿同步带传动部分进行相应的设计计算（主要参考依据为JB/T7512.3-1994）：确定设计功率PP式中：KAP根据图2选择带型图2计算传动比取传动比i=1确定带轮直径确定带轮齿数Z1、小带轮（惰轮）齿数按Z1≥Zmin原则确定。查表取Z1确定带轮直径带轮节圆直径d1、d0，查得取d确定带的节线长度LP计算带的初定节线长度LL确定带的标准节线长度L根据L0P从JB/T7512.1-1994表4查得L确定实际中心距a中心距近似计算公式：a≈确定带长系数K查JB/T7512.3-1994表5取K确定啮合齿数系数K啮合齿数ZmZ若Zm≥6确定带的基本额定功率P查JB/T7512.3-1994表7取P确定带和带轮的宽度查JB/T7512.1-1994表2取带宽bs=6，查JB/T7512.2-1994计算作用在轴上的力FF式中：KF带的张紧按下式计算安装时应保证的挠度f，以使产生适当的张紧力t=f=施加JB/T7512.3-1994表12规定的安装力G=2N,调整中心距使其挠度f与计算值一致。带齿和轮齿的形状尺寸规格如下2.5升降机构这是3D打印机的升降机构，也就是当打印机喷嘴在完成XY平面的单层打印后该机构将完成带动打印机喷嘴向Z方向移动的任务。图3所示为本设计所用的滑动螺旋机构。螺旋传动分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋三种类型。相比于另外两种螺旋传动形式，滑动螺旋具有以下优点：①结构简单、加工方便、成本低廉；②能自锁；③传动平稳；滑动螺旋的螺纹一般分为三种梯形、锯齿型和矩形。锯齿型螺纹主要用于单行受力，矩形螺纹虽然传动效率相较于另外两种齿形较高，但因其加工较为困难，并且强度较低，导致应用较少。梯形螺纹目前在市面上应用最广。所以本设计滑动螺旋的螺纹也将采用梯形螺纹。现对螺纹进行相应的设计计算根据公式螺纹中径：d式中：F轴向载荷ψ根据螺母形式取2Pp算出d2=7.25根据GB/T5796.3-2005取公称直径d=8，螺距耐磨性计算校核计算螺母高度HH=ψ计算旋合圈数nn=H基本牙型高度HH工作压强P（单位：MPa）P=F自锁条件、螺杆强度、螺纹强度计算自锁条件计算校核螺纹升角λ（单位：°）λ=arctanρ'=arctanf式中：ρ'当量摩擦角f摩擦因数，查表取0.09S导程算得λ=3.76°，ρ‘螺杆强度计算校核螺纹的摩擦力矩M当量应力σ式中：Mtd3σp螺杆的许用应力，查表取95MP算得σca螺纹强度计算校核螺杆剪切强度ττ=螺杆的弯曲强度σσ螺纹剪切强度ττ=螺纹弯曲强度σσ式中：D4τp、τ'pσbp、σ'bpB螺纹牙根部的宽度，查表取0.975τ≤τp=57MPa；σb符合要求2.6送料机构图4所示为送料机构。通过内部的齿轮减速机构用最小的电机转化为最大的送料力量同时送料更加稳定，提高打印质量。挤出机整体采用塑料机身，有效的降低了自身重量。图示送料机构是置于龙门架中央的，这样放置便于物料输送，提高了输送效率。从而使得打印机喷嘴能够持续稳定的获取耗材，提高了打印件的质量。图42.7打印机喷嘴喷嘴是最后打印机完成打印动作的最后部位。主要由喷嘴，加热块，喉管，散热管和固定件组成。在加热块安装加热棒的同时安装热敏电阻，通过加热棒加热融化耗材，使其在自身重力作用下熔融滴落。外加热敏电阻以便更好的控制加热管温度，以防因温度过高造成器件损坏。其机构如图5所示。图52.8小结在完成各部分机械结构的设计验算以后，将它们组装成型，各机构采用不同的颜色以更好的观察它们之间是如何配合移动的。考虑机械结构是否合理，同时也要考虑生产制造过程的可行性。

第三章控制系统3.1控制系统设计主要配置3.2控制系统该系统是基于单片机控制。就目前而言，单片机经过具体采用arduinomega2560开发板进行控制。下图所示的是控制系统的接线图。五个步进电机分别为XYZ方向提供动力，另外一个步进电机时作为挤出机的动力来源。限位开关是实现定位控制和位置状态的检测。接线时应当注意极性，避免发生危险，造成不必要的损失。控制程序见附录3.3小结这套系统由arduinomega2560进行控制。就目前而言，单片机经过不断得应用和扩展功能不断完善，性能优良，可以实现各种各样复杂得任务，在很多方面得能力也较以前有显著提高。如在自动控制等方面。系统得动作流程主要是简单得往复运动，本设计所做的3D打印机在工作开始就设定了在各方向得移动距离，通过限位开关将其运动约束在打印平台区间内，通过对步进电机得默认加速度，最大加速度，最大速度等进行设置，以便能在电机轴旋转过程中发挥更佳得性能。对加热块和加热板（打印平台）得最低温度和最高温度进行设置，充分提高了耗材得利用率，保证了更加准确得打印精度。操作步骤：在上位机中将零件切片设置好相关参数之后便可以将信息传递给单片机，再由单片机控制电机轴运动，直到完成打印。切片程序推荐选择Printrun。

总结本次进行了基于单片机的3D打印机设计，设计重点在于同步带得设计计算，怎样合理的在打印机框架周围布线，以及如何选择与打印机相配得电动机。设计中所采用同步带，丝杆等均为按照国家标准设计的标准件。但是由于打印机具体结构标准国家并未出台，同时还要考虑的机械结构的合理性和可行性，所以在本次设计当中许多部件均为自主设计，即非标件，这类零件的设计思想的是类似结构的标准进行辅助设计。在本次研究设计当中，学了很多知识，设计过程让我收获颇丰。通过此次设计更加清楚的认识到各种机构的运动形式，并且将其中一些运用到本次设计当中，这种将理论知识付诸实践的经历对我来说弥足珍贵。通过此次设计是对以往学到的理论知识的一次回顾和综合运用，曾经学习过程当中理解不甚到位的知识点，通过再次理解加深对其的印象。另外，独立完成本次设计也是对我个人能力的一种提升，自己独立思考问题也会考虑比以往更加全面。同时也切身深刻感受到了标准化的重要意义，没有标准化机械设计将会困难重重，赞美标准化。这次毕业设计让我受益匪浅，在师长和同学的监督和帮助下，发现自身的错