張小建　夏煒煒　王惠　解乃軍　陸欣云

摘要：3D打印技術(shù)是加式制造方法，3D打印機嵌入式控制系統(tǒng)主要由核心控制器ATmega664、步進電機驅(qū)動模塊、加熱板和擠出頭加熱模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊以及溫度檢測模塊等電路組成。文章針對3D打印機嵌入式控制系統(tǒng)開展了研究與開發(fā)。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制系統(tǒng)；核心控制器；步進電機；3D打印機；加熱板 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP334 文章編號：1009-2374（2016）30-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.007

1 概述

3D打印技術(shù)是一種加式制造方法，利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無需模具，基本不會浪費材料。而以往加工方法是通過模具、車銑等機械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工藝過程與設(shè)備的減式方法，其特征為利用縮削、減少材料來生產(chǎn)部件。

2 嵌入式控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本項目總體設(shè)計方案包含三項設(shè)計內(nèi)容：第一部分為控制電路硬件設(shè)計；第二部分為控制電路軟件設(shè)計；第三部分為機械部分的設(shè)計。其中第一部分是控制電路硬件設(shè)計，包括單片機最小系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動模塊、加熱底板和打印頭溫控模塊、溫度和位置檢測模塊、SD卡模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、電源模塊等；第二部分控制電路軟件設(shè)計由上位機程序和控制系統(tǒng)程序等組成；第三部分為機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要由3D打印機的三軸聯(lián)動機構(gòu)和打印材料送料機構(gòu)等組成。

3 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制電路硬件設(shè)計

控制主板設(shè)計采用Atmega系列作為主控制芯片，包括單片機最小系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動模塊、加熱底板和打印頭溫控模塊、溫度和位置檢測模塊、SD卡模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、電源模塊等。

3.1.1 核心控制器（ATmega664A）模塊。采用AVR系列芯片，基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega664的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

3.1.2 步進電機驅(qū)動模塊。該模塊采用了A4988步進驅(qū)動芯片。只需要簡單外圍電路就可以組成驅(qū)動模塊，輸入接口是由方向控制接口、脈沖輸入為控制接口以及電機使能接口，支持四相五線制的步進電機和12細分等，輸出1A。

3.1.3 加熱板和擠出頭加熱模塊。通過N溝道的MOSFET組成的開關(guān)電路，以實現(xiàn)PWM輸出，通過改變PWM波的占空比達到調(diào)溫的目的。

3.1.4 溫度檢測模塊。本文中使用的溫度檢測傳感器是電阻式的，構(gòu)建一個電阻分壓電路，以實現(xiàn)電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓值，通過單片機中自帶的AD模塊進行檢測電壓值。

3.1.5 三軸限位模塊。采用的是機械式限位開關(guān)，當(dāng)檢測到有物體時，內(nèi)部的常開開關(guān)閉合，單片機的IO口會檢測到高電平時，說明達到軸的限位處。

3.1.6 USB轉(zhuǎn)串口模塊。USB轉(zhuǎn)串口模塊電路，如圖1所示：

3.1.7 供電電源模塊。提供其他各個部分的5V電壓，如圖2所示：

3.2 控制電路軟件設(shè)計

控制電路軟件設(shè)計是整個3D打印機嵌入式控制系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)的軟件功能包括：三個軸進給步進電機和一個送料步進電機的驅(qū)動控制；打印頭和熱床溫度控制及檢測；設(shè)置傳輸?shù)牟ㄌ芈?、溫度、風(fēng)扇速度、材料粗細等參數(shù)；手動控制功能主要實現(xiàn)對熱床平衡的手動調(diào)節(jié)和對各軸運動機構(gòu)的手動調(diào)整；自動控制功能主要是實現(xiàn)自動脫機打印功能。

首先在上位機軟件中導(dǎo)入STL格式的文件，之后按下軟件的“配置”按鈕，對3D打印機的參數(shù)進行設(shè)置（包括打印機的配置有層的高度、填充密度、打印速度、熱床和擠出頭的溫度等）。當(dāng)相關(guān)的參數(shù)配置完后，按下“生成代碼”按鈕，分層軟件會根據(jù)配置參數(shù)的要求將STL格式的文件轉(zhuǎn)換為G代碼，等代碼生成完畢后，可以用來調(diào)節(jié)打印實物的位置。最后按下“運行”按鈕，3D打印機將會開始打印。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 軟件調(diào)試

Repetier-Host是一款操作簡單，將生成Gcode以及打印機操作界面集成到一起的軟件，另外可以通過調(diào)用外部生成Gcode的配置文件，很適合初學(xué)者使用，尤其是手動控制的操作界面，用戶可以很方便地實時控制打印機。Repetier-Host里面的按鈕按一下機器就馬上停下來，很是好用。

4.2 控制系統(tǒng)常見故障說明

4.2.1 在線打印時若發(fā)現(xiàn)PC機與打印機連接不上時。檢查軟件配置菜單中打印機設(shè)置連接端口號是否正確，通信波特率應(yīng)設(shè)置為250000bps。

4.2.2 設(shè)備工作異常，但無明顯故障點，檢查各部件連接線是否松動。

4.2.3 達到裝載耗材溫度，耗材無法順暢出絲，甚至不出絲。該現(xiàn)象是由于耗材雜質(zhì)多或耗材融化位置錯誤造成堵塞，卸下加熱頭及喉管，清除內(nèi)部遺留耗材，提高約10℃加熱溫度裝載耗材，即可將噴頭內(nèi)故障點耗材融化擠出，解決該問題后請將溫度恢復(fù)。

4.2.4 擠出機送絲機構(gòu)有咯咯的異響，不出絲。這是由于噴頭長時間加熱卻不送絲造成，需要清除噴頭堵塞部分，并且在打印機長時間不工作時應(yīng)關(guān)閉噴頭加熱。

5 結(jié)語

本設(shè)計是在我們團隊的共同努力下完成的。如今我們團隊的每位隊員都對3D打印有了一定的認識，熟悉3D打印機的硬件機械結(jié)構(gòu)，了解打印機控制系統(tǒng)原理，能夠利用分層軟件和熟練操作打印機，打印出作品。這次設(shè)計與制作體現(xiàn)出了團隊的重要性，培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新能力與制作能力，讓我們團隊的所有成員都得到了一次鍛煉，同時感謝導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)。

參考文獻

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