無(wú)線網(wǎng)絡(luò)FDM型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

于娟 劉琦 周凱強(qiáng) 王兵

（攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院 四川省攀枝花市 617000）

1 引言

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，3D 打印機(jī)技術(shù)越來(lái)越成熟，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要應(yīng)用在教育、醫(yī)療、家庭生活等。不僅如此，3D 打印機(jī)涉及的知識(shí)有自動(dòng)控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子信息、計(jì)算機(jī)等，它作為一種創(chuàng)新的制造技術(shù)，已經(jīng)在逐漸的改變?nèi)蛑圃鞓I(yè)的格局。不管在生活中，還是科技領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)的身影都有出現(xiàn)，它的作用是非常重要，所以具有很好的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值[2]。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于ATmega2560 單片機(jī)的3D 打印機(jī)系統(tǒng)，采用C/C++編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)；以ATmega2560 單片機(jī)作為微控制芯片，其中通過(guò)處理切片軟件的G-code，設(shè)置熱床溫度值，打印噴頭溫度值，XYZ 各軸上限值，打印材料擠出速率，每層打印厚度等，然后開(kāi)始根據(jù)G-code 的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)來(lái)控制XYZ 各軸步進(jìn)電機(jī)，打印3D 模型，其中也包括對(duì)打印速度的控制，對(duì)人機(jī)交互頁(yè)面的顯示等。

系統(tǒng)電路主要由以下幾部分構(gòu)成：ATmega2560 單片機(jī)最小系統(tǒng)，電源電路，溫度采集電路，溫度控制電路，步進(jìn)電機(jī)電路，限位開(kāi)關(guān)電路。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)部分

3.1 驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)考慮到重新自主設(shè)計(jì)成本高，難度大，所以一些復(fù)雜的采用模塊化設(shè)計(jì)。其中使用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，LCD 顯示模塊；溫度控制驅(qū)動(dòng)電路使用大電流的N 通道MOS 管作為開(kāi)關(guān)元件，設(shè)計(jì)出了使用PWM 控制電流大小的控制電路[3]。

3.2 電源電路

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的+12V 直流電壓，由開(kāi)關(guān)電源為系統(tǒng)供電，電源電路分為12V 和5V、3V。12V 作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，溫度控制模塊的主電源電壓。5V 為L(zhǎng)CD 電壓，3.3V 為單片機(jī)最小控制系統(tǒng)電壓。電源電路中，要設(shè)計(jì)保險(xiǎn)絲與單向二極管保護(hù)電路，并聯(lián)高頻濾波電容，以達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓的目的。

3.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

由Altium 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路原理圖[4]，如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)部分

本設(shè)計(jì)的程序軟件部分主要分為溫度采集、PWM 輸出、步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出、顯示、串口通信；其中步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出的驅(qū)動(dòng)程序最為重要，程序主要通過(guò)串口接收打印數(shù)據(jù)[5]，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)[6]，控制步進(jìn)電機(jī)完成3D 模型的打印。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖1：硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2：系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計(jì)調(diào)試分為單片機(jī)調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試。單片機(jī)調(diào)試，先完成步進(jìn)電機(jī)控制噴頭能夠準(zhǔn)確到達(dá)一個(gè)定點(diǎn)，即完成步進(jìn)電機(jī)控制調(diào)試。然后調(diào)試溫度控制程序。溫度調(diào)試好后，調(diào)試噴頭出料程序，分步調(diào)試后，再使用PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。聯(lián)機(jī)調(diào)試先確定打印速度和噴頭出料速度，然后設(shè)置合適的切片方式，方可正確打印出3D 模型。

常見(jiàn)問(wèn)題如下：

圖3：軟件設(shè)計(jì)流程圖

問(wèn)題描述：經(jīng)常燒壞主控板、拓展板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

原因分析：

（1）線路中存在正負(fù)極接反的現(xiàn)象。

（2）供電電壓不穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)12V。

（3）拓展板供給額定電壓為12V，主控板額定供給電壓為5V，誤將12V 電壓也作為主控板的供給電壓，導(dǎo)致主控板燒壞。

（4）打印時(shí)間長(zhǎng)，控制板散熱不好，導(dǎo)致過(guò)熱燒壞。

（5）傳動(dòng)負(fù)載大，為保證步進(jìn)電機(jī)不丟步，主動(dòng)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電阻，增大電流，電流過(guò)大導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器燒壞。

正確做法：

（1）仔細(xì)檢查線路是否有錯(cuò)，通電前用相關(guān)儀器檢查線路是否合理。

（2）主控板與拓展板分開(kāi)供電，主控板用專用充電器供電或者用電腦USB 供電，拓展板用質(zhì)量較好輸出電壓為12V 較穩(wěn)定的電源供電。

（3）驅(qū)動(dòng)器上裝散熱片，控制板部分安裝獨(dú)立風(fēng)扇，保證工作過(guò)程中控制板的散熱。

（4）機(jī)器傳動(dòng)件經(jīng)常加潤(rùn)滑油，保證運(yùn)動(dòng)流暢。

問(wèn)題描述：打印過(guò)程中出現(xiàn)斷層。

原因分析：傳動(dòng)絲杠摩擦力過(guò)大，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步從而使打印中心發(fā)生偏移。

解決辦法：

（1）調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上面的可調(diào)電阻，使驅(qū)動(dòng)器電流增大，從而增大步進(jìn)電機(jī)扭矩，防止電機(jī)失步。

（2）選用功率較大的步進(jìn)電機(jī)。

（3）保持絲杠、導(dǎo)軌等傳動(dòng)件潤(rùn)滑，減少摩擦。

（4）絲杠及導(dǎo)軌裝配精度要求高，同軸度、平行度、垂直度要求高。

問(wèn)題描述：打印物表面不均勻。

原因分析：

（1）噴頭吐絲不均勻，時(shí)快時(shí)慢，主要因?yàn)閿D出頭電機(jī)齒輪不夠鋒利，或者彈簧彈力不夠，導(dǎo)致與絲材摩擦力不夠，出現(xiàn)進(jìn)絲速度不穩(wěn)定，不按預(yù)定速度進(jìn)絲，從而出現(xiàn)吐絲不均勻。

（2）噴頭喉管內(nèi)徑過(guò)小，容易卡絲，使得出絲速度受影響。

（3）絲材加熱溫度不夠，同種材料不同廠家生產(chǎn)的融化溫度也會(huì)有不同，熔化不充分導(dǎo)致吐絲受影響。

解決辦法：

（1）更換噴頭步進(jìn)電機(jī)上的擠出齒輪。

（2）調(diào)節(jié)噴頭上進(jìn)絲擠壓彈簧，使得絲材所受摩擦力適中。

（3）換內(nèi)徑稍大的喉管。

6 結(jié)束語(yǔ)

在經(jīng)過(guò)對(duì)制作的3D 打印機(jī)進(jìn)行測(cè)試后，系統(tǒng)能通過(guò)接收到的3D 模型打印數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速打印，并且液晶顯示屏能夠?qū)崟r(shí)顯示打印機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，打印過(guò)程安全且穩(wěn)定。打印出的模型經(jīng)過(guò)測(cè)量后分析，精度在0.5mm 內(nèi)[7]，強(qiáng)度可以代替實(shí)物進(jìn)行使用。