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3D打印機嵌入式控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

2016-12-20 03:31張小建夏煒煒王惠解乃軍陸欣云
中國高新技術企業(yè) 2016年30期
關鍵詞:控制電路耗材打印機

張小建 夏煒煒 王惠 解乃軍 陸欣云

摘要:3D打印技術是加式制造方法,3D打印機嵌入式控制系統(tǒng)主要由核心控制器ATmega664、步進電機驅動模塊、加熱板和擠出頭加熱模塊、USB轉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打印技術是一種加式制造方法,利用逐層增加材料的方式生產各種產品,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與工具將原材料轉化成產品的工藝過程與設備的減式方法,其特征為利用縮削、減少材料來生產部件。

2 嵌入式控制系統(tǒng)總體方案設計

本項目總體設計方案包含三項設計內容:第一部分為控制電路硬件設計;第二部分為控制電路軟件設計;第三部分為機械部分的設計。其中第一部分是控制電路硬件設計,包括單片機最小系統(tǒng)、步進電機驅動模塊、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轉串口模塊、電源模塊等;第二部分控制電路軟件設計由上位機程序和控制系統(tǒng)程序等組成;第三部分為機械結構的設計,主要由3D打印機的三軸聯動機構和打印材料送料機構等組成。

3 嵌入式控制系統(tǒng)設計

3.1 控制電路硬件設計

控制主板設計采用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結構的低功耗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的數據吞吐率高達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 步進電機驅動模塊。該模塊采用了A4988步進驅動芯片。只需要簡單外圍電路就可以組成驅動模塊,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組成的開關電路,以實現PWM輸出,通過改變PWM波的占空比達到調溫的目的。

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,構建一個電阻分壓電路,以實現電阻值的變化轉換為電壓值,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,當檢測到有物體時,內部的常開開關閉合,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轉串口模塊。USB轉串口模塊電路,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 控制電路軟件設計

控制電路軟件設計是整個3D打印機嵌入式控制系統(tǒng)的核心,主要實現的軟件功能包括:三個軸進給步進電機和一個送料步進電機的驅動控制;打印頭和熱床溫度控制及檢測;設置傳輸的波特率、溫度、風扇速度、材料粗細等參數;手動控制功能主要實現對熱床平衡的手動調節(jié)和對各軸運動機構的手動調整;自動控制功能主要是實現自動脫機打印功能。

首先在上位機軟件中導入STL格式的文件,之后按下軟件的“配置”按鈕,對3D打印機的參數進行設置(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)。當相關的參數配置完后,按下“生成代碼”按鈕,分層軟件會根據配置參數的要求將STL格式的文件轉換為G代碼,等代碼生成完畢后,可以用來調節(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)調試

4.1 軟件調試

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,另外可以通過調用外部生成Gcode的配置文件,很適合初學者使用,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PC機與打印機連接不上時。檢查軟件配置菜單中打印機設置連接端口號是否正確,通信波特率應設置為250000bps。

4.2.2 設備工作異常,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。該現象是由于耗材雜質多或耗材融化位置錯誤造成堵塞,卸下加熱頭及喉管,清除內部遺留耗材,提高約10℃加熱溫度裝載耗材,即可將噴頭內故障點耗材融化擠出,解決該問題后請將溫度恢復。

4.2.4 擠出機送絲機構有咯咯的異響,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關閉噴頭加熱。

5 結語

本設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構,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。這次設計與制作體現出了團隊的重要性,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,同時感謝導師的悉心指導。

參考文獻

[1] “打”出天下,“造”化萬物——改變世界的3D打印技術[J].發(fā)明與創(chuàng)造,2011,(11).

[2] 張浩鵬.3D打印革命剛剛開始[J].IT經理世界,2012,(348).

[3] 皮宗平,汪長柳.3D打印——國際競爭和發(fā)展勢頭強勁[J].群眾,2013,(3).

[4] 王雪瑩.3D打印技術及其產業(yè)發(fā)展的前景預見[J].創(chuàng)新科技,2012,(12).

[5] 崔邊.3D打印能否改變世界[J].科技生活,2012,(44).

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