3D打印机报告书

1、 燕山大学全日制本科生校内实践实习论文项目名称：多轴联动加工技术论文题目：四轴联动Delta结构3D打印机的制作和调试学生学号： 学生姓名： 所在院（系）：机械工程学院机械电子工程系指导教师： 燕山大学2015年11月15日摘要3D打印（3D printing）也称为“增材制造（Additive Manufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。3D打印的思想萌芽和实验探索由来已久，但现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。Charles Hull（3D Syste

2、ms公司的创始人）和Scott Crump（Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。1986年，Charles Hull发明了第一台3D打印机，之后成立了第一家3D打印公司3D Systems。1988年，3D Systems公司推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，它的面世标志着3D打印商业化的起步。Scott Crump研发了另一3D打印主流技术FDM，于1989年申请了美国专利并创立了Stratasys公司，1992年推出第一台基于FDM技术的“3D Modeler”打印机。经过二十余年的发展，3D打印机在工业领域已经有一定的应用基础。随着计算

3、能力、设计软件、新材料及互联网进步的不断推动，3D打印技术近年来发展迅速，应用领域不断拓宽，显示出巨大的发展潜力。3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、 部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。随着技术的不断进步，3D打印在铸造精度上已经可以与传统方式相媲美，但是在大规模生产上，3D打印目前仍无法获得规模经济，在成本上和效率上不具优势。因此，3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。3D打印技术可用于珠

4、宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。 我们组装的打印机是实验室的K800型3D打印机，同组同学一起学习组装，将打印机的机械本体，控制系统的硬件搭建好后，进行软件编写调试，成功运行。关键词：3D打印机，组装，调试，硬件，软件绪论3D打印（3D printing）也称为“增材制造（Additive Manufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，

5、将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。3D打印的思想萌芽和实验探索由来已久，但现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。Charles Hull（3D Systems公司的创始人）和Scott Crump（Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。1986年，Charles Hull发明了第一台3D打印机，之后成立了第一家3D打印公司3D Systems。1988年，3D Systems公司推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，它的面世标志着3D打印商业化的起步。Scott Crump研发了另一3D打印主流技术FDM，于1989年

6、申请了美国专利并创立了Stratasys公司，1992年推出第一台基于FDM技术的“3D Modeler”打印机。经过二十余年的发展，3D打印机在工业领域已经有一定的应用基础。随着计算能力、设计软件、新材料及互联网进步的不断推动，3D打印技术近年来发展迅速，应用领域不断拓宽，显示出巨大的发展潜力。3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、 部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。随着技术的不断进步，3D打印在铸造精度上已

7、经可以与传统方式相媲美，但是在大规模生产上，3D打印目前仍无法获得规模经济，在成本上和效率上不具优势。因此，3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。3D打印技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。 我们组装的打印机是实验室的K800型3D打印机，同组同学一起学习组装，将打印机的机械本体，控制系统的硬件搭建好后，进行软件编写调试，成功运行。第一章 3D打印机的机械设计部分姓 名： 学 号：

8、 主要工作：机械部分设计分析与安装导 师： 1.1 FDM三维打印机的原理三维打印技术：首先利用三维设计软件对零件进行三维CAD实体建模，并将得到的三维实体模型以一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高。FDM熔融层积成型技术是目前常用的3D打印技术之一。基于FDM三维打印机的工作原理如图2-1所示。计算机控制快速成型机的加热喷头，依据每一层截面数据作x-y 平面运动。送丝机构将丝材送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出的

9、打印材料粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每当其中一层截面打印完成后，工作台将下降前一次打印完成的高度，然后继续下一层的打印。如此循环重复，直到整个实体的造型完成。图1-1 FDM三维打印机工作原理图1.2 基于并联机构的FDM三维打印机的系统组成根据FDM三维打印机的工作原理可知，这种三维打印设备涉及到机械、电气、控制、信息和材料等多个学科，是一种典型的多学科交叉和综合应用的复杂机械电子系统。本文设计的三维打印机的系统主要由软件控制系统、机械系统和硬件控制系统组成。1.3 机械系统FDM机械系统主要包括运动机构、热头、挤出机构、工作台四个部分(如图2-2所示)。送丝机构将低熔点丝状材料送给

10、加热器，加热器通过挤压热头将丝材熔化成液体，喷头将熔化后的热塑材料丝挤出，挤压头按照零件的每一截面信息准确运动，半流动的热塑材料被挤出并沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每当一层完成成型，工作台便下降上一层打印的高度，喷头再进行扫描喷丝完成下一层截面成型，如此循环反复，直到完成最后一层成型，这样由底到顶逐层地堆积成一个实体模型或零件。图1-2 FDM机械系统(1)基于Delta结构的运动系统部分本文设计的三维打印机框架结构是一种基于3-P2-SS的Delta运动结构。3-P2-SS并联机构的机械结构如图2-3所示，整个机械固定框架为静平台，静平台与

11、动平台分别由三个相同的分支相连。每个分支由一个移动副和四个球副构成，在每个分支中与球副相连的四根杆构成一个平行四边形。动平台是一个正六边形，如图2-4所示，动平台的运动是由步进电机带动直线滑轨上的滑块完成的。3D打印机的性能主要由机构的工作空间决定，并联机构的工作空间又可以分为位置工作空间和姿态工作空间。本文中所采用3-P2-SS并联机构只有3个移动自由度，因而只具有位置工作空间。这里采用masory等的方法对工作空间进行分析。下面对约束条件分别进行介绍。a) 球副的转角范围约束3-P2-SS并联机构的每个分支中有4个球副，由于平行四边形的几何特点，4个球副的转角相同，此机构球铰的最大转角位。

12、构成机构运动副的球铰由最大许可转角限制，如图2-5所示为普通球铰的结构简图。 图1-3 3-P2-SS并联机构结构图 图 1-4 3-P2-SS并联机构动平台如图2-6所示为关节(运动副)的转角约束的示意图。若分支向量在定坐标系中的表示为，球副Bi轴线方向为上斜台斜面方向向量，在斜面动坐标系中的姿态向量用表示，由动坐标系向地面坐标系的转换矩阵为，则球副Bi的转角约束的数学表达式为： 图 1-5 球铰结构简图 图 1-6 机构中的运动副简图b) 移动副的运动范围限制移动副只能在导轨上运动，因此移动副的距离约束的数学表达式为： 其中，分别为移动副最小和最大移动距离，单位为毫米。c) 连杆方向的约束

13、当移动副移动到某一位置时，连杆的方向向量不能与静平台平行，否则，将会失去对机构的控制。d) 实际机构的限制由于移动副的滑轨的存在，使动平台不能与滑轨相干涉。由于并联机构的特殊性，即正解困难反解容易，因此多采用数值法通过反解模型来求解工作空间。数值法就是基于影响工作空间的各种因素，采用计算机搜索的方法求解。运用反解模型搜索工作空间34，方法容易且结果唯一，适合计算机运算。因此本文采用反解模型求解3-P2-SS并联机构样机的工作空间。3-P2-SS并联机构工作空间边界的搜索流程，如图2-7所示。图1-7 搜索工作空间流程图根据以上分析，利用Matlab编程搜索机构工作空间。工作空间的搜索结果如图2

14、-8所示。3-P2-SS并联机构作为3D打印机的有效工作空间为一个圆锥体和一个圆柱体组成，圆柱半径与圆锥体最大半径均为50mm，圆柱的高为400mm，圆锥体的高为50mm。保证了3D打印机在有效工作空间内的平稳运行，满足设计要求。图1-8 有效工作空间的三维图（2）热头部分本文所用的热头是采用英国E3D Online设计小组开发的E3D v6热头。该热头组件主要有铝合金散热器、铝合金加热块、黄铜喷嘴、不锈钢喉管、电加热棒、热敏电阻、PTFE铁氟龙远程送料管、送料管接头等元件组成。如图2-9所示：a)外视图 b)剖视图图1-9 热头部分示意图工作时，电加热棒和热敏电阻共同作用，使热头组件最前端的

15、铝合金加热块保持在一定温度，会把塑料熔化成胶态。后头的塑料在挤出机的作用下持续往前推挤，就可以让胶态的塑料从喷孔连续挤出，形成可进行三维打印的热熔丝。（3）挤出机部分挤出机的工作是将厚重打印材料从3D打印机热头出来后挤压变成细细的料丝。本文设计的挤出机主要包括步进电机、挤出齿轮、U形轮、弹簧压紧机构组成。如图2-10所示。当打印机正常工作时，如图2-10中的挤出电机上的铜齿轮和弹簧的弹力使U形轮将耗材紧紧的夹住。当挤出电机正常转动时，电机轴上的铜齿轮通过摩擦力带动耗材前进。耗材在热头部分被加热融化成液体，挤出力通过耗材传递到喷头。当挤出力大于耗材在铜头管道流动中受到的阻力时，耗材才能从热头被挤

16、出。如果铜头温度不够、铜头内有杂质、耗材没有得到充分熔化或过丝孔过小，就会造成阻力过大，会导致出丝不畅。图1-10挤出机部分(4)工作平台本文采用的工作平台是铝合金电加热工作平台，可以适应不同材料的打印工作。该工作平台主要由铝合金板，聚酰亚胺(PI)电加热膜和热敏电阻组成。工作时，在PI电加热膜和热敏电阻的共同作用下，使铝合金工作台表面保持一定的温度。使被打印的工件更好的附着在工作平台上。1.4 机械设计部分1.4.1 零部件和元器件（1）24bygh47电机（2）GT2同步带（3）GT2同步轮（4）F623ZZ轴承（5）608轴承（6）送丝轮（7）挤出部分（8）j-head喷头（9）4cm风

17、扇（10）PC-M5快速接头（11）国标2020铝型材（12）M4方形螺母（13）19MM滚轮（14）磁铁（15）钢珠（16）碳纤维管（17）非标件（18）限位开关（19）12V20A开关电源（20）热床1.4.2 安装前预备知识（1）kosselmini安装说明：/p/（2）K800临时安装说明书.doc（3）Kosselmini和k800二者关系k800是一台根据kosselmini改进的低成本3d打印机，通过改变设计，降低了成本，但损失较少性能，取得性价比。主要改动是：1) 底部支架改为-通用支架2) 行星步进改为-小比例齿轮步进3) 直线滑轨改

18、为-滑车4) 鱼眼关节并联臂-强磁并联臂（4）目标打印机照片（5）k800技术指标打印成型面积和体积：直径17cm X 高度21cm 成型体积=4766.8cm3（标准）（现庆祝kossel800众筹超过30w，机器加高为730mm，所以成型体积变为6582.72cm3） 可简单自行加大扩展面积 （参考 makerbot replicator 17X15X23=5865cm3）打印速度：普通60mm/s 高速150300mm/sxy轴定位精度：0.0125 mmZ轴精度&层厚：0.10.1mm最小层厚0.4mm支持耗材类型：1.75mmPLA （打印ABS需要自行购买加装110w热床）支持sd

19、脱机打印：是支持无线打印：是（需自行购买加装无线或者蓝牙模块）支持自动调平：是（G29自动水平探针调平）挤出头工作温度：0280度机器尺寸：320mm X 360mm X 650mm（现庆祝kossel800众筹超过30w，机器加高为730mm）单机重量：5.5KG包装重量：8KG功耗：72W（无热床）1.4.3 具体的安装过程（1） 数螺丝（螺钉螺母）因为螺丝标称直径不同拧不进去，所以后面不特别说明螺钉螺母使用M几的；螺丝长度请遵从一个原则：短的能用先用短的，没有了再用长度。据说以下是螺钉数量：10种螺钉：m2.5x12 10个；m3x5 2个；m3x8 20个； m3x16 20个；m3x

20、25 4个；m4x8 20个 m4x12 40个；m4x20 4个；m5x10 1个；m6x30 10个4种螺母：m4方块螺母60个；m3方块螺母10个；m6螺母10个；m4螺母 4个；m3螺母20个；2种垫片：m5垫片1个；m3垫片30个1种双头螺柱：一端木螺丝一端螺纹（2）安装推杆需要零件：球头12个，双头螺柱12个，碳纤维杆6根。1）首先把螺丝拧上球头，要拧到底，最好可以稍微涂点3秒胶或哥俩好胶，做12套；2）然后将球头木螺丝插入推杆，推到底。由于碳纤维杆内径稍小，硬塞会把碳纤维杆弄裂，推荐木螺纹端只要用钳子把前面几圈螺纹稍微磨下去就能塞进去了，而且还挺紧，如果牙全磨掉了就会松，再拿胶粘

21、可以补救。总共6根推杆。3）比较一下推杆长度，应该都一样长；球头应该比较结实；最好能量一下球头中心之间长度，myconfig.h里写的是210.14mm。（3）三角件kossel 800相较于Kossel mini有一些比较大的改动：总计九根横梁，组建出三个三角件，每个三角件由三个2020框架件以及三根横梁构成。1）上三角件（有法兰轴承）利用前面装好的上层三角件2020框架和3根短横梁（前面图中写的是：短支架）装配出上三角件。注意：安装最后一根横梁要先把上好的螺丝去掉，不然放不进去。要把方螺母放入横梁槽中，拨到位置后上螺丝。2）2020框架装电机在下三角件2020框架件和中三角件2020框架件

22、之间先安装电机。首先给3个定位电机装上齿轮，每个齿轮用2个顶丝固定。3）装配下三角件和中三角件利用前面装好的带电机三角件2020框架和6根短横梁装配出中、下三角件。4）装入3根立柱，上紧6个螺钉5）在立柱上固定XYZ柱限位器首先拧上M4x8或M4x12螺钉和方形螺母，然后把限位器固定到立柱上，限位器的引线可以从2020框架的孔里穿出。注意1：限位器（通俗应该叫行程开关，这是照QQ群里的说法）有4个，其中3个XYZ轴限位器开关利用了两侧的接线柱，另外一个自动调平用限位器利用了一侧和中间2个接线柱。注意2：固定限位器前把固定座塑料件的2个小孔用螺丝拧一下，因为这个螺纹不太合适；另外如果你的六角形扳

23、手滑的话，请使用打印头塑料袋里的长扳手，这个扳手一边是圆头的。注意3：限位器（固定用螺丝）在立柱上的位置估计是从立柱顶向下量3035mm左右，因为myconfig.h中设定的Z轴行程为293mm（大概是中件三角件上玻璃平板中心到3个行程开关压下位置中心距离）。7）把上三角件固定到立柱上。注意：让上三角件稍低于立柱端面，目的是可以向上拉紧后面装的比较松的齿形带。（5）安装齿形带1）将齿形带平均截为3段；注意：不推荐用多少截多少，因为我这样做的结果是没剩多少，剩下的不到50cm没啥用处。2）齿形带一端上面穿过法兰轴承，另一端下面经过电机齿轮，之后两端固定到压紧塑料件上，最后用尼龙扎带扎住。注意1：

24、 齿形带很难压进去，可以在与圆头相反的一侧压紧齿中塞入镊子，稍微别开压紧齿，然后将齿形带先从圆头处压入，齿形带都部分进入后去掉镊子，用镊子平面将齿形带全部压入。注意2：齿形带要尽量拉紧一点。3）将上三角件整体上拉确保三条齿形带较紧，然后拧上上三角件固定螺丝(斜着拧入的)（6）安装打印头这部分我自己也没完全搞懂，姑且分为下图4个组件吧1）装配喷头组件喷头组件固定加热棒的孔上有顶丝，用该顶丝将加热棒固定；旁边有个小螺丝孔塞入热敏电阻（与前面零部件一致，具体是热敏电阻还是热电偶就不细究了）。注意：加热棒要固定牢，热敏电阻一定要深入螺丝孔接触良好，并且不会因为喷头运动而滑动！我发生过热敏电阻滑出后加热

25、棒烧红的情况，没坏。黄色的喷头应完全旋入，而且一定要看一下该孔通不通（直径0.5mm）。注意：热敏电阻与加热棒导线在同一侧，然后用一根扎带把2个捆在一起，也就固定了热敏电阻，热敏电阻要尽量塞的靠里一点测温才准。2）风扇组件风扇首先要用焊接附带的1m延长线，延长线的另一头是电路板插孔，把这2个插孔带一段线剪下，剪下的插孔线焊接到热敏电阻（白线）上可插电路板。风扇用零部件中红色的回形针，把回形针拆开插入风扇固定孔中，下端另一面压紧，上端留出较长一段。注意：风扇要对准打印头主体部件中螺旋状的散热零件上，关于打印头的物理原理可以参考“3D印表機 DIY 建構筆記_ 為什麼擠出頭的喉管需要散熱_-七七.

26、pdf”理解。3）自动调平组件这个组件请仔细阅读“Kossel_mini手册中文版”就可以明白原理，即喷头未接触玻璃板时内六角扳手被弹簧向下拉压住限位器，而当喷头接触到玻璃板上将内六角扳手顶起则释放限位器压片。如果嫌麻烦，这个组件装到下图所示就可以了，即仅把自动调平限位器固定在其定位塑料件上，采用手动调平方法。4）装配打印头主体组件给打印头安装塑料片粘上磁钢，注意压到底。用3个螺钉/螺母固定冷却体（开了许多槽的金属零件）、马蹄形压片、打印头安装塑料片、风扇组件和自动调平塑料件。注意1：限位器最好在打印头安装塑料片开叉中间，因此与下图自动调平塑料件固定位置不同。注意2：马蹄形压片用3个螺钉固定要

27、注意一定是中间和两侧。注意3：风扇上端的回形针铁丝不够长可以直接压在马蹄形压片与打印头安装塑料片之间。5）将打印头整体通过推杆连接到3个滑轨车上。注意：每个滑轨车的2个推杆对应打印头安装塑料片上距离较宽的2个磁钢座，即两个推杆看起来是平行的。（7）安装送丝电机1）用顶丝在送丝电机上固定送丝齿轮（黄色的齿轮）2）固定送丝电机座，并安装送丝孔；3）用螺丝固定送丝轴承；4）固定弹性压紧组件（注意：与上图不同，不是在螺丝头上螺母而是压入一个弹簧，圆珠笔用的那种剪短一点）。（8）安装电路板1）将4个4988驱动模块上粘散热片注意：散热片与中间的芯片之间用k800配的专业3m贴，剪一个小方块即可。注意散热

28、片不要和周围贴片元器件和引脚短路。2）将4988模块插到Ramps1.4电路板上。3）给Ramps1.4电路板装到arduino mega2560电路板上，并焊接电源线。注意：arduino板右侧是12V，其余2个都是地，ramps1.4电路板下面是12V，上面是地。4）将“Ramps1.4电路板+arduino mega2560电路板”固定到上三角件的一个横梁上，将LCD显示板接到Ramps1.4电路板上，也固定到横梁正前方。注意1：电路板只能用M3螺丝，且长度至少要8mm，可能M3螺钉已经没有了，自己找4个即可(我是从旧插座里拆的)。注意2：电路板要注意与横梁别短路，因此之间要垫塑料等绝缘

29、。5）按照接线图接线其中，风扇线要焊到电路板上，加热棒接到接线端子上，其余都是插，自己把三个立柱选择一个X、Y、Z，然后贴上胶布写上字，把限位器和对应电机插上即可。使用计算机电源由于k800配的wii AC电源功率比较小，会出现“保护”问题（我没出现过，据说是坏了）。可以用计算机电源的12V代替。找一个不用的计算机电源（我是航嘉300W），然后将主板插头绿色线与临近的黑色线短接，再从某个橘黄色线（12V）和临近黑色线（0V）接到k800的绿色插头上，其中黑色线接Ramps1.4电路板绿色插头外侧，橘黄色线接临近内侧。6）用塑料扎带把线理好，特别是要确保打印头运动时带这的线活动自如，电机的线等不

30、会阻挡打印头运动。一定要检查接线。（9）安装玻璃板第二章 3D打印机的电气系统设计部分姓 名： 学 号： 主要工作： 电气部分的硬件连接导 师： 硬件控制系统3D打印机中的最重要组成部分之一是硬件控制系统，它的主要功能包括：人机交互、数据处理、运动控制和成形过程控制。硬件控制系统也是一个较复杂的机电控制系统。按照控制机构分类，常见的三维打印设备主要有两种硬件控制模式：上下位机控制模式和单机控制模式。本文设计的三维打印机采用的是上下位机控制模式。系统结构如图2-11所示。2.1 上下位机硬件部分上位机一般由高性能的计算机构成，它需要完成三维建模、三维模型处理、3D打印代码生成和解释、人机交互等非

31、实时性任务，下位机采用嵌入式的16位单片机构成，由其完成打印代码读取、中断服务、设备的运动控制和成形过程控制等实时性要求较高、与硬件设备相关联的控制，两台计算机通过串行总线进行数据的传递。本文设计的三维打印机下位机主要包括Arduino mega 2560主控板和Ramps 1.4拓展板，分别如图2-12、图2-13所示。Arduino Mega 2560主控板的处理器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为54个，模拟输入引脚为16个，每个I/O引脚的直流电流为50毫安，主控板是3D打印机的大脑，负责控制整个打印机。拓展板Ramps 1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，

32、有了它是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。图2-11系统结构图2-12 Arduino mega 2560主控板 图2-13 Ramps 1.4拓展板2.2 挤出控制模块挤出控制模块主要包括送丝电机控制，挤出头温度控制和散热风扇控制。其中送丝电机主要控制从料架上拉打印线材并送进挤出头，再通过调节电机的转速来调节挤出速度。挤出头温度控制主要是控制挤出机前段加热块的温度，用以控制材料在挤出头中熔化的温度。如果温度过低，材料不能充分熔化，会增加挤出阻力，材料不能及时送出。一旦温度过高，打印材料就会被烧毁，形成废料堵死喷头。挤出头散热风扇控制用于冷却挤出机中喉管的温度，减少打印材

33、料在喉管中的倒流问题。2.3 运动控制模块运动控制模块可以将三维打印模型的数控指令转换成三维打印机的内部指令，通过步进电机驱动器驱动步进电机按指令转动，进而实现Delta三维打印机的三个移动副的直线运动。最终实现挤出喷头沿X、Y、Z方向的运动。2.4 人机交互控制模块人机交互模块包括一块1602单色LCD液晶显示屏，SD卡读取模块和一个操作旋钮。其中LCD屏幕可以显示打印机状态、打印进度和打印机参数。SD卡读取模块可以实现三维打印机的独立打印功能。也就是可以将打印的数控指令存储在SD卡中，打印机可以通过SD卡读取模块直接读取SD中的打印指令进行三维打印。操作旋钮可以实现对打印机的点动控制、温度

34、手动控制和打印机参数设置等功能。2.5 其它控制单元其它控制单元包括工作平台温度控制，模型冷却风扇速度控制、回零和自动找平等功能模块。工作平台温度控制模块用于控制打印机工作平台表面的温度。因为FDM三维打印机工作时，是逐层打印的。如果打印材料于工作平台没有一定的粘合力，在打印头工作时会将已打好的部分脱离平台，造成打印失败。要解决这个问题，最常见的方法就是让打印机的工作平台表面具有一定的温度，使打印材料在成型后可以贴紧附着在平台上。这样就可以保证在打印的过程中，打印件不会脱离平台。模型冷却风扇速度控制模块用于已打印出零件表面的温度控制。当打印材料从热头挤出后，会有一个冷却过程。当冷却过快会造成热

35、熔丝快速收缩，使打印件变形。如果冷却速度过慢，打印件固化速度也会缓慢，也会造成打印精度的改变。所以打印时要综合考虑打印材料的属性、打印机工作的环境温度等因素，来设置模型冷却风扇的速度。打印件与工作平台之间的回零和自动找平功能模块主要用于三维打印机的定位控制。回零开关用于每次打印开始和打印结束后，打印机喷头高度的自动校正。自动找平开关主要用于检测打印机工作平台的平面度，并且在打印时实时修正倾斜度，保证打印件的精度。第三章 3D打印机控制部分的设计姓 名： 学 号： 主要工作：控制部分的设计和程序的调试导 师：3.1 控制部分设计的总体思路 本3D打印机可以视为Delta打印机的加大版，其控制版的

36、固件可以采用和Delta打印机相同的Marlin固件。然后通过运动控制软件对固件进行调试，得出适合本打印机的相关参数，并更改Marlin固件使其适用于本打印机。最后用相关切片软件将三维模型（STL格式文件）转换成G代码用于最终打印。3.2 Marlin固件的简介众所周知，Sprinter固件是之前用的比较多的3D打印机固件，而Marlin固件和Repetier-firmware固件都是由其派生而来。而且这两款固件的用户群非常活跃，而Sprinter固件已经没有人维护了。在这二者中，Marlin固件的使用更加广泛，很多打印机控制软件都兼容Marlin固件。其具有如下的特点：1.预加速功能Spri

37、nter在每个角处必须使打印机先停下然后再加速继续运行，而预加速只会减速或加速到某一个速度值，从而速度的矢量变化不会超过xy_jerk_velocity。要达到这样的效果，必须预先处理下一步的运动。这样一来加快了打印速度，而且在拐角处减少耗材的堆积，曲线打印更加平滑。2.支持圆弧Marlin固件可以自动调整分辨率去以接近恒定速度打印一段圆弧，得到最平滑的弧线。这样做的另一个优点是减少串口通信量。因为通过1条G2/G3指令即可打印圆弧，而不用通过多条G1指令。3.温度多重采样为了降低噪声的干扰，使PID温度控制更加有效，Marlin采样16次取平均值去计算温度。4. 自动调节温度 当打印任务要求

38、挤出速度有较大的变化时，或者实时改变打印速度，那么打印速度也需要随之改变。通常情况下，较高的打印速度要求较高的温度，Marlin可以使用M109SBF指令去自动控制温度。使用不带F参数的M109指令不会自动调节温度。否则，Marlin会计算缓存中所有移动指令中最大的挤出速度（单位是steps/sec），即所谓的“maxerate”。然后目标温度值通过公式T=tempmin+factor*maxerate，同时限制在最小温度（tempmin）和最大温度（tempmax）之间。如果目标温度小于最小温度，那么自动调节将不起作用。最理想的情况下，用户可以不用去控制温度，只需要在开始使用M109SBF，

39、并在结束时使用M109S0。5.非易失存储器Marlin固件将一些常用的参数，比如加速度、最大速度、各轴运动单位等存储在EEPROM中，用户可以在校准打印机的时候调整这些参数，然后存储到EEPROM中，这些改变在打印机重启之后生效而且永久保存。6.液晶显示器菜单如果硬件支持，用户可以构建一个脱机智能控制器（LCD屏+SD卡槽+编码器+按键）。用户可以通过液晶显示器菜单实时调整温度、加速度、速度、流量倍率，选择并打印SD卡中的G-Code文件，预加热，禁用步进电机和其他操作。比较常用的有LCD2004只能控制器和LCD12864只能控制器。7.SD卡内支持文件夹Marlin固件可以读取SD卡中子

40、文件夹内的G-Code文件，不必是根目录下的文件。8.SD卡自动打印若SD卡根目录中有文件名为auto0-9.g的文件时，打印机会在开机后自动开始打印该文件。9. 限位开关触发记录 如果打印机运行过程中碰到了限位开关，那么Marlin会将限位开关触发的位置发送到串口，并给出一个警告。这对于用户分析打印过程中遇到的问题是很有用的。10.编码规范（Codingparadigm）Marlin固件采用模块化编程方式，让用户可以清晰地理解整个程序。这为以后将固件升级到ARM系统提供很大的方便。11.基于中断的温度测量一路中断去处理ADC转换和检查温度变化，这样就减少了单片机资源的使用。从上可以看出mar

41、lin固件完全可以满足打印机的设计性能指标。一般用户在使用Marlin固件的时候只需要改变一下Configuration.h文件中的一些参数即可,非常方便。因此本3D打印机采用Marlin固件作为单片机的固件程序。3.3 固件的调试3.3.1 运动控制软件的选择目前运用较多的运动控制软件有Repetier-Host和Pronterface.Pronterface 以Kliment Yanev所设计、以其图形使用者介面（GUI）Printrun而闻名。Printrun的特色还在于拥有丰富的指令集；Repetier-Host却致力于在3D打印的过程中，可以更全面的呈现模组360度的全视角绘图，以及

42、在打印过程中可以准确的预估打印途径。由于本3D打印机并不涉及到全视角绘图以及Pronterface的稳定易用，所以这里选择Pronterface作为运动控制软件。其软件界面如下3-1所示。图3-1 Pronterface运动控制软件界面 该控制软件可以通过点击控制界面上的“+y”“-y”“+x”“-x”“+z”“-z”来控制打印头x,y,z轴的移动。另外还可以通过右下角的输入框输入相应的G代码来控制电机以及热床工作。3.3.2 Marlin固件的修改和调试1.根据打印机的尺寸修改相关参数:用arduino打开Marlin固件中Marlin目录下的Malin.pde，打开Configuratio

43、n.h文件，根据打印机的尺寸修改相关参数。需测量打印机尺寸的地方如下图3-2所示。1-4分别表示：碳杆长度，从一端球中心到另一端球中心的距离；打印头到滑杆水平距离；效应器球中心和打印头的水平距离；滑车球中心到滑杆水平距离。图3-2 打印机需测量的尺寸将测量好的数值分别填入如下图3-3的地方。图3-3 Configuration.h文件需改动的参数之后依次执行验证和上传。选择Mega2560和COM1口。上传完毕后可以看到液晶屏幕出现数字和英文显示（原来是两行方块块）,即上传固件成功。2.打开pronterface.exe。选择Arduino Mega2560的端口COM1，选择波特率为（这与设

44、备管理器中的COM5口设置无关），然后右侧窗口就会出现下列内容：Connecting.startPrinter is now online.echo: External Reset.则证明已经连接成功。接下来在右下角的输入框中输入一系列命令来检测固件的正确性。输入命令及相应的响应如下：1）输入M119SENDING:M119Reporting endstop statusx_max: openy_max: TRIGGEREDz_min: TRIGGEREDz_max: TRIGGERED2）再输入M114SENDING:M114X:0.00 Y:0.00 Z:0.00 E:0.00 Count

45、 X: 0.00 Y:0.00 Z:0.00Setting hotend temperature to 185. degrees Celsius.检查温度,观察显示屏上显示的温度逐渐上升到185度。3）再输入G28，即回到HOME位置 注1：HOME的定义是x=0,y=0,z=zmax。这里zmax指最大打印高度。这时候需要非常清楚X柱、Y柱和Z柱，明确X轴，Y轴和Z轴。输入该命令时电机的运动不能使打印头回HOME位置，需调整电机的正反转。进入marlin固件的Configuration.h文件。修改如图3-4的几个参数。发现哪个方向上的电机转速有问题就将后面宏定义的参数从true修改为fal

46、se.图3-4电机正反转修改4)再输入M302检查挤出方向注意打印材料开始的一小段不太直直接剪掉，可以剪一个斜角方便进入，手动插入直至进入塑料管一段后再测试M302功能（输入M302后，再点击Extrude按钮，可以在下面设置挤出长度）。观察挤出丝的方向，如果挤出方向不正确则将Configuration.h文件中#define INVERT_E0_DIR false 的false改为true.5）调试最大打印高度将固件Configuration.h文件中的#define MANUAL_Z_HOME_POS 303.0修改为410，上传到mega2560中；输入G1 G28回到HOME；输入G1 Z50下降到50mm处；在玻璃板上方一小块纸（A4纸的1/8）反复点-Z（开