基于 Cortex的智能3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

北京聯(lián)合大學(xué)城市軌道交通與物流學(xué)院 肖鶴鵬 謝鑫龍 孫博輝

北京聯(lián)合大學(xué)工科綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 許匯冬

1.總體框架

本設(shè)計(jì)的目的是研究一個(gè)能夠鏈接網(wǎng)絡(luò)，具備無線傳輸，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的的一款智能3D打印機(jī)。以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能技術(shù)在3D打印機(jī)上的應(yīng)用。該款3D打印機(jī)以F103ZET6為核心的的CPU構(gòu)成主控系統(tǒng)，輔助以X,Y,Z,軸框架系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，觸摸屏操作系統(tǒng)，供電系統(tǒng)構(gòu)成分系統(tǒng)?？刹捎肳IFI技術(shù)與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)分系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，互不干擾。由供電系統(tǒng)為3D打印機(jī)各個(gè)分系統(tǒng)提供運(yùn)行所需的能量；電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng)為3D打印機(jī)提供動(dòng)力，溫控器為3D打印機(jī)提供溫度控制；XYZ軸打印機(jī)系統(tǒng)的基本框架；觸摸屏可以簡單的調(diào)試3D打印機(jī)各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)，更好的進(jìn)行人機(jī)交互。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境所限，本文僅對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行簡單說明以及設(shè)計(jì)，并且給出一個(gè)簡單模型。其系統(tǒng)整體框架圖如圖1.1所示。

圖1.1 系統(tǒng)整體框架

2.下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)控制

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案為多個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，用了PID算法對(duì)其進(jìn)行控制。PID調(diào)試就是根據(jù)給定的偏差值，按照比例函數(shù)、積分函數(shù)、微分函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算出的成果用來執(zhí)行控制,將基本PID 算式離散化可得到位置型PID 算法進(jìn)行控制,對(duì)位置型PID 進(jìn)行調(diào)動(dòng)可獲得增量型PID 算法。選擇了增量型的算法來解決步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)停和對(duì)位置的校正。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面選擇7TCSM4210微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

通過改變其驅(qū)動(dòng)芯片輸入引腳高低電平的狀態(tài)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正傳，反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速的控制。

2.2 WIFI通信控制

本設(shè)計(jì)在3D控制上面添加了一個(gè)WIFI通信模塊，使得無線網(wǎng)絡(luò)與3D打印件進(jìn)行了融合，形成一個(gè)具有無線操作功能的智能3D打印機(jī)統(tǒng).先要對(duì)其進(jìn)行通信協(xié)議的編寫。首先要RLC（鏈路控制）上層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)RLC低層處理數(shù)據(jù)每個(gè)部分的分割和重組、加密和解密、傳輸差錯(cuò)控制和各種數(shù)據(jù)邏輯鏈路的創(chuàng)立、釋放、配置等功能。RLC子層由多個(gè)RLC實(shí)體和控制實(shí)體組成。本模塊支持通過指定信道號(hào)的方式來進(jìn)行快速聯(lián)網(wǎng)。無線聯(lián)網(wǎng)過程中，首先對(duì)當(dāng)前的所有接收到的信號(hào)進(jìn)行一次掃描，搜索準(zhǔn)備連接的目的AP創(chuàng)建的無線網(wǎng)絡(luò)。串口WIFI模塊提供了設(shè)置工作信道的參數(shù)，在已知目的網(wǎng)絡(luò)所在信道的條件下，直接指定模塊的工作信道，從而達(dá)到加快聯(lián)網(wǎng)速度的目的.在已經(jīng)建立好的局域網(wǎng)中讓打印機(jī)與PC進(jìn)行無線連接，完成通信協(xié)議的編寫以及無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸。

通過WIFI芯片AR9331裝在3D打印機(jī)上，使用該芯片的WIFI模塊進(jìn)行數(shù)傳。該WIFI模塊主芯片采取驍龍旗下的Atheros AR9331芯片處理方法，是第一代超小超低功耗依靠802.11n協(xié)議的微型單天線芯片，CPU主頻達(dá)400MHz以上，采用MIPS架構(gòu)。該模塊符合國際標(biāo)準(zhǔn)的802.11 b/g/n協(xié)議，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基帶調(diào)制技術(shù)，能夠試用各種路由器以及無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的局域網(wǎng)路。最大連接速率可達(dá)150Mbps。

2.3 觸摸屏設(shè)計(jì)

本次3D打印機(jī)設(shè)計(jì)引入的是FG結(jié)構(gòu)的4/8線電阻式觸摸屏，觸摸屏的界面和語言設(shè)計(jì)，使用了BMPtoBIN軟件進(jìn)行頁面設(shè)計(jì)，以及語言的設(shè)定。設(shè)定好之后對(duì)其進(jìn)行操作看打印機(jī)是否按照指令工作。

3.底層程序設(shè)計(jì)

基于STM32的控制板對(duì)整體的零部件進(jìn)行控制，3D打印機(jī)底層控制程序模采用模塊化編程思路，將每個(gè)功能獨(dú)立為單個(gè)函數(shù)模塊，分配給單片機(jī)的I/O口后，將每個(gè)功能單獨(dú)編寫函數(shù)，最后將模塊進(jìn)行組合，完成底層程序的設(shè)計(jì)。如圖3.1所示:

圖3.1 底層程序設(shè)計(jì)圖

4.打印機(jī)軟件

打印程序用STL文件轉(zhuǎn)換成打印機(jī)可以讀取的gcode.代碼文件，并將該程序文件的數(shù)據(jù)信息通過WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?D打印機(jī)芯片。3D打印機(jī)快速固件辨認(rèn)此3d數(shù)據(jù)信息，通過芯片控制來進(jìn)行打印各部分的執(zhí)行指令做出相應(yīng)的指令動(dòng)作。

圖5.1 控制流程圖

使用一套通用的3D打印機(jī)程序與打印機(jī)固件實(shí)現(xiàn)交互通訊，輸入的文件格式現(xiàn)在僅有STL圖形文件，絕對(duì)多數(shù)的3D設(shè)計(jì)軟件文件格式為STL，再將其轉(zhuǎn)換成gcode程序文件做打印文此，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師需要用額外的切片軟件來轉(zhuǎn)換gcode輸出文件來制作的3D模型。

5.控制流程

首先，將打印的文件格式轉(zhuǎn)換成gcode.格式文件，因?yàn)榇蛴C(jī)無法識(shí)別圖片只能識(shí)別程序文件。其次3D打印機(jī)終端對(duì)WIFI、步進(jìn)電機(jī)及加熱頭等模塊初始化完成后，開始等待PC端發(fā)出的打印命令。一旦PC端發(fā)出打印命令，3D打印機(jī)信號(hào)端接收到命令后，開始識(shí)別并且數(shù)據(jù)，為節(jié)約時(shí)間，在識(shí)別打印數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)擠壓頭及熱床準(zhǔn)備預(yù)熱。當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)接收完成，熱度等達(dá)到預(yù)設(shè)值后，啟動(dòng)打印，并將打印速率、擠壓頭及熱床熱度值等信息實(shí)時(shí)回傳到無線終端的應(yīng)用軟件上呈現(xiàn)出來，直到打印完成?？刂屏鞒虉D如圖5.1所示。

6.調(diào)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)將3D打印機(jī)與WIFI通信，觸摸屏，進(jìn)行了融合，形成了一套可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，監(jiān)測(cè)3D打印機(jī)打印的情況，還可以直接通過觸摸屏對(duì)打印機(jī)進(jìn)行操作，是之前復(fù)雜操作變得更加便捷。在主板上擴(kuò)展了SD卡存儲(chǔ)模塊，可以將想打印的文件存儲(chǔ)到SD卡中，可以省去PC端的有線連接，也省去隨時(shí)帶著電腦去進(jìn)行復(fù)雜操作。插好SD卡后，用觸摸屏對(duì)卡內(nèi)的文件進(jìn)行選擇操作開始打印。觸摸屏的增加使得這些操作更加的便捷省去了一些物理按鍵的繁瑣控制，讓打印機(jī)的操作更加便捷，工作原理更加的智能化.經(jīng)過這些對(duì)原有的打印機(jī)升級(jí)改造，讓其更加智能化。經(jīng)過城市間的調(diào)試和改造，打印機(jī)可以按照自己想要的打印速度去工作，而且做到共享打印的效果。

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