毕业设计（论文）-奶油3D打印机设计

本科毕业设计第一部分调研报告1.1学生、教师简介1.3毕业设计背景毕业设计题目：奶油3D打印机系统设计3D打印是通过逐层方式的打印来加工的。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置[1]。3D打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛[2]。可以实现个性化制作[3]。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术将推动第三次工业革命的到来[4]。3D打印技术具有快速制造、降维制造、堆积制造、数字制造等几个方面优势［5］,目前的3D打印技术总体看主要分为:3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA激光光固化技术、SLS选区激光烧结制造技术等［6-7］。3D打印机技术介绍：3D打印机一般由机械结构系统，单片机控制脉冲系统和三维建模软件系统三大出式3D打印机的设计主要分为这样几个部分。首先是三个自由度上的直线运动，通过步进电机带动滚珠丝杆螺母副实现工作台或挤出头的移动。其次是挤出头部分，也是此设计的重点。此次设计的挤出头类似于单螺杆泵结构，挤出原理是由步进电机经由联轴器带螺杆转动，从而使得腔体里有一个体积差，形成压力差，使得输入的奶油能以一个相对稳定的速度从挤出头里出[8]。另外是工作台部分。工作台是电机分别带动滚珠丝杆螺母副实现XY两个方向的运动。最后就是打印机的主体部分，由立板，支撑板，折板等构成，组成机床的大致框架。由于人的生活水平的不断提高，因此对于创新型产品的需求也在不断地变化着。总喜欢设计出自己想要的东西，而不是商店里某个固定的种类[9]。蛋糕上的奶油是人们日常生活中常见的食品。人们若能根据自己的想法设计出自己想要的图案，也或者写一些有意义的文字。将这些创意应用在奶油3D打印机上，将这些创意打印成型，再将其作为礼物送给别人[10]。这无疑将受到大家的青睐。而且设计出的奶油打印机比较轻便，适合于家庭使用，这样就可以在家自己制作各种形状奶油了。3D奶油打印机的出现，不仅预示着一个新的时代，更为大家的生活带来了便利与创新。1.4综述1.4.13D打印机国内外研究现状

3D食品打印作为3D打印的一部分,其发展状况备受关注。对于所研究的奶油类液体为原材料的产品，国内外都在不断地发展与进行着。在近几年，已经初见成效。早在2013年的时候美国国家航空航天局为改善航天人员饮食水平就开始投资3D奶油类打印机，2015年7月份意大利生产研究出全世界第一份全3D“打印”冰淇淋，革命性颠覆了冰淇淋的传统造型，甚至还在制作过程中严格控制糖分和热量等营养成分的含量，深受爱美的女性追捧。2015年9月份德国知名的糖果制造商用3D打印技术开启了“神奇糖果工厂”，加热的挤出系统会熔化糖果，变成液体，使其通过注射泵挤出到下面的构建平台上[11]。

我国负责研制3D食品打印的优秀队伍的主要研究重点是集中在打印饼干、奶油等可食产品,这些团队在3D食品打印技术取得显著成绩的同时,也同时进行了初步商业化。此外,更有江苏淮安的孙铁波等人做过3D奶油打印方面的专业研究,人们对于3D打印成为一项可以改变世界的影响力可以说日益关注。1.4.2调研走访企业的概况本次调研企业选择我校的粉末先进成型技术研究所。我校从2007年就依托于现代制造工程中心致力于“3D打印技术”的研发，并于2008年成立了“粉末先进成形技术研究所”，旨在突破传统制造模式，解决生产高性能、高复杂性结构零部件的制造难题。并已经取得了不错的成果，我校的主打3D打印设备类型是金属粉末激光选区熔化3D打印机，简称金属激光熔化3D打印机，已经完成样机研发，可以“打印”复杂、精密的金属零件。为了可以更深入的了解工作过程，工作人员现场演示并讲解。通过介绍可以得知打印结构有XYZ结构打印机，三角洲结构打印机，以及机械臂结打印机。产品类型从大到小，而且打印材料不仅停靠在金属上，还有塑料等其他材料产品。通过对于企业的走访，与科研团队的交流，更好的了解了3D打印的工作方式，对于本次设计有很大的帮助。1.4.3市场分析一直以来，奶油等食品类3D打印机的研究与开发在3D打印行业并不是很出众，不过自进入21世纪，随着人们的生活水平不断的提高着，对于食品并不仅仅停留在味道，还延伸到外形包装。奶油3D打印机的研究最早是从2013年，美国航空局斥巨资进行研究。并取得卓越成绩。自此，各国对于奶油3D打印机的项目研究也开始。蛋糕上的奶油属于快速消费型食品，无论是孩子，老人还是年轻人都对其口感恋恋不舍。因此对于奶油产品的加工方式，加工的多元化，很有发展前景。本次所设计的桌面型奶油3D打印机可以将奶油的加工方式得到更好的展现，很有设计意义。1.4.43D打印机关键技术3D打印技术可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型，每种类型又包括一种或多种技术路径[12]。目前市场上的快速成型技术大致有3DP技术、SLA激光光固化技术、FDM熔融层积成型技术、SLS选区激光烧结制造技术等[13]。1.3DP技术采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等，3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件[14]。2.FDM熔融层积成型技术熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS，PC，尼龙等，以丝状供料[15]。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结[16]。3.

SLA激光光固化技术SLA以光敏树脂为原料，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大材料也就从液态转变成固态[17]。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型[18]。4.SLS选区激光烧结技术SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料，然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型[19]。1.5结论奶油打印机是在传统的3D打印技术的基础上，对加工的原材料进行了改动，通过在企业的学习与研究，市场的调研分析，以及查找相关的技术资料。不仅对3D打印技术有了新的了解，并对工作过程有了系统的认识。通过本次进行的课程研究，可以使加工奶油的方式变的多元化，相信在未来的生活中，可以很受人们的喜爱，很有设计意义。第二部分可行性论证报告2.1设计目的本次毕业设计为一款桌面型奶油3D打印机，针对食品类。属于中小型打印机。主要技术性能要求：打印尺寸：100×150×100mm；定位精度：0.1mm。2.2方案论证方案解析：虽然生产3D打印机的厂家有很多，但无论哪种原材料，无论哪种控制方式，它们的总体结构均有类似之处，大体可分为XY-Z结构打印机，机械臂结构打印机，以及并联导轨结构打印机。为保证关于食品方面的3D打印机设计合理。不仅要考虑工作运动速度、工作环境、运行寿命等重要方面，同时要考虑市场承受能力，包括开发周期和性价比因素。现从结构方面分析方案如下：方案一：XY-Z结构3D打印机。它是以三条两两互相垂直的直线为坐标轴建立坐标系，喷头安装在三轴的交点处在立体空间内完成打印工作。方案简图如图2-1所示。工作原理：步进电机通过丝杠螺母副，来进行三个轴方向的直线运动[20]。通过步进电机经由联轴器带螺杆转动使工作腔内的原材料以—定的速度和频率在瞬间形成液滴喷洒到指定位置,然后堆叠成设计的模型。优点：打印精度高，易操作，控制结构和软件程序设计很简单缺点：打印速度慢，组成结构复杂。方案二：并联导轨结构3D打印机。并联导轨结构3D打印机是一种新型定位空间结构的3D打印机，通过各个节点对滑块进行控制，其定位方式是一种间接的定位方式。方案简图如图2-2所示。工作原理：依靠三个竖直轴上的移动滑块相互协调配合，使得滑块经过支撑杆下拉的打印喷头在立体内准确运动。优点：打印速度快，打印高度高，组成结构简单。图2-1方案一结构简图图2-2方案二结构简图缺点：打印精度低，控制操作难，坐标计算复杂。方案三：机械臂结构3D打印机。机械臂结构3D打印机也是3D食品打印机的重要运动结构,由两部分组成,分别是电机滑块部分和运动臂部分。结构简图如图2-3所示。工作原理：三个轴上电机接受主控板发出的运动指令并通过齿轮皮带带动相应滑块在光轴上滑动，三个滑块通过运动臂与打印喷头支撑架相连接，三个滑块协调工作控制打印喷头支撑架的精准运动。优点：速度快，响应快。缺点：安装调试不方便，成本较高。图2-3方案三结构简图2.3最终设计方案总结目前3D食品打印机技术存在的不足，在对关键技术进行研究的基础上，综合三个方案进行总结与分析。机械臂结构打印机虽然打印速度快，不过整体结构较为复杂，安装与调试很不方便；相比之下，并联导轨结构打印机结构相对简单，通过三个滑块协调工作，精度会更高。打印高度很高，但针对巧克力类食品方面的设计，特别挤出时要控制速度，考虑实际情况，以及经济型等条件，操作性等方面，最终确定选择打印速度慢，打印精度很高且易操作的XY-Z结构3D打印机。总体结构简图如图2-4所示。1—电机；2—联轴器；3—轴承；4—容腔；5—螺杆；6—挤出头；7—机架；8—轴承座；图2-4总体结构简图2.3.1工作原理工作原理：对于各轴方向的运动，通过步进电机经联轴器的配合与丝杠轴连接，从而实现丝杠的转动，在经过螺母副实现直线运动[21]。通过步进电机的输入端输入不同大小频率的脉冲，由于步进电机的步距角很小，这样就可以由步进电机输出平稳精度高的直线运动[22]。对于挤出装置，运动方式与运动部分相似，也是通过步进电机经联轴器带动螺杆转动，由于螺杆的螺纹一致，利用螺杆中螺纹的相互啮合空间容积变化，使得奶油顺利挤出[23]。2.3.2工作流程工作流程：软件通过电脑辅助设计技术完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，通过执行电脑屏幕上的"打印"按钮[24]。将会驱动3D打印机按程序工作。然后通过三个方向直线运动，将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型[25]。2.3.3组成部分1.运动部分步进电机：精度高，通过驱动芯片可以进行细分，质量小[26]。联轴器：避免减速器的设计，可连接输入，输出轴[27]。丝杠螺母副：将转动变为直线运动[28]。轴承：初步选择角接触球轴承，固定丝杠轴的两端。轴承座：支撑轴承。2.挤出部分步进电机：保证打印稳定，打印速度平缓，型号可同运动部分的步进电机相同。联轴器：连接步进电机输出轴和所要转动的螺杆轴。螺杆：材料采用不锈钢，通过螺纹旋转使奶油顺利挤出。3.机架部分主要包括T型板，上下板，支撑板。主要进行各零件的连接及固定。对于控制部分，选择引脚功能比较多的STM32系列单片机，通过驱动芯片来进行电机与单片机之间的控制，利用键盘显示来进行数据的反馈，为保证程序，接入通信接口，最后通过限位开关来进行行程的控制。通过对单片机与步进电机驱动电路，通信电路和显示电路的相互配合来实现控制部分的顺利进行[29]。总体控制系统框图如图2-5所示。图2-5总体控制系统框图2.4结论本次设计主要对桌面型奶油打印机的设计以及方案进行了讨论，对技术可行性进行了分析，设计过程中对运动系统进行了设计和分析，奶油的挤出方式等各项设计保证理论可行，所以本次设计的桌面型3D奶油打印机的结构是合理的。这种机结构简单、故障率低、能够控制挤出速度和操作方便等特点，相信在未来的小型企业和生活中会有很好的发展前景。第三部分机械结构的设计3.1电机的设计计算为了保证定位精度可以选择精度较高的步进电机。对于本次设计，奶油3D打印机共需要四台电机，分别驱动三个轴方向以及打印喷头的运动。由于各方向轴以及各自所携带的负载不同，因此对各部位电机进行计算选择。3.1.1X方向电机的选择X方向的负载只需要带动工作台面的运动即可，因此负载相对比较小，取负载2kg。1.负载转矩根据计算转矩公式(3-1)式中——摩擦系数，取；——负载重量，2kg；——丝杠导程，取；——传动效率，取。由公式（3-1）得2.负载惯量负载惯量需要考虑两部分，一部分是物体作直线运动所产生的负载惯量，另一部分则是丝杠螺母产生负载惯量[30]。滑块及各部分负载的负载惯量为(3-2)丝杠螺母产生的负载惯量为(3-3)式中——密度，取；——丝杠长度，由行程可取；——丝杠直径，取。由公式（3-2），（3-3）得因此总负载惯量根据所求得的转矩以及负载惯量，初选电机型号57BYG250A。3.1.2Ｙ方向电机的选择对于Y方向，所承受的负载是最大的，不仅包括挤出部分，还有Z方向电机所在部分，假设重量为10Kg。1.负载转矩根据计算转矩公式（3-4）式中——负载重量，取10kg。由公式（3-4）得2.负载惯量滑块及各部分负载的负载惯量为（3-5）丝杠螺母产生的负载惯量为（3-6）式中——丝杠长度，由行程可取；由公式（3-5）,（3-6）得因此总负载惯量由计算结果与所选电机对应，仍可以满足要求。3.1.3Ｚ方向电机的选择对于Z方向，负载除了挤出部分还有挤出部分所携带的电机及连接板的尺寸，假设负载重量为5Kg，计算过程与上类似。1.负载转矩根据计算转矩公式（3-7）式中——负载重量，取5kg。由公式（3-7）得2.负载惯量滑块及各部分负载的负载惯量为（3-8）丝杠螺母产生的负载惯量为（3-9）式中——丝杠长度，由行程可取0.1m。由公式（3-8），（3-9）得因此总负载惯量仍满足上述电机要求。3.1.4挤出部分电机的选择挤出部分的电机只需要驱动螺杆在奶油容腔中的正常转动即可，取负载2.5Kg。1.负载转矩根据计算转矩公式（3-10）式中——负载重量，取2.5kg。由公式（3-10）得2.负载惯量滑块及各部分负载的负载惯量为根据上述计算得出结论，选用电机型号为57BYG250A，电机尺寸如图3-1所示。图3-1电机尺寸图各项技术参数如表3-1所示。表3-1电机各项参数值电机型号相数相电流步距角保持转矩转动惯量重量57BYG250A22A1.8°0.451500.45kg外形尺寸57×57×41mm,电机输出轴径为10mm。3.2联轴器的选择对于本次设计，联轴器主要作用是用来连接输入轴和输出轴[31]。通过分析实际情况，我们选择步进电机直接通过联轴器带动丝杠轴运动，不仅可以减少减速器的结构设计，同时还可以传递扭矩。在考虑强度的基础上，还要考虑实际问题，因此所选择的联轴器需要质量小的，还要柔性较好的。本次设计需要两类联轴器，一类是运动部分电机输出轴与丝杠之间的联轴器，另一类是挤出部分中电机输出轴与螺杆之间的联轴器。现根据所选择的电机输出轴的直径及其他因素，采用刚性联轴器中的套筒联轴器进行主动轴和从动轴的连接。运动部分与挤出部分均可选择套筒联轴器，通过半圆键进行轴与轴之间的联系，套筒联轴器的优点是其结构简单，制造方便，成本较低，适用于低速、经常正反转，轻载轴的连接[32]。3.3滚珠丝杠的选择和校核3.3.1滚珠丝杠的选取与计算根据运动方式及结构尺寸，参照了厦门工艺装备厂的产品，选用YLD/1605型内循环预紧螺母式滚珠丝杠.1.轴向负荷计算公式F=μW+f(3-11)式中——切削力，；——加工件及工作台重量，N；——滚动导轨的动摩擦系数，取。根据式（3-11）得F=0.01×98=0.98N滚珠丝杠在中速条件下工作的，故初选定导程为4mm的滚珠丝杠副。2.丝杠最大移速下电机转速(3-12)式中——丝杠副最大移动速度，mm/min；——导程，mm。根据式（3-12）得3.确定当量载荷与当量转速当量转速：nm==600r/min当量载荷：Fm==0.98N4.确定预期额定动载(3-13)式中——载荷性质系数，取=1；Lh——寿命，Lh——精度系数，取=1；——可靠性系数，取=0.44。根据式（3-13）得则=20.37N5.确定允许最小的螺径纹底径估算丝杠允许最大轴向变形量δδ'm=()定位精度=()×0.01=0.0025~0.002mm取δm=δ'm导轨静摩擦力：F式中μ0——导轨静摩擦系数，取μW——工件及工作台质量，N。最小底径：(3-14)式中a——支撑方式系数，a=0.067；L——行程，取200mm根据式（3-14）得由于需要在此处连接联轴器，联轴器采用半圆键连接，因此，轴径设计需要增大5%[33]。因此联轴器处轴的直径为取整得此处轴径大小为，此处安装联轴器，刚好满足联轴器连接尺寸。因此丝杠轴径依次，此处安装角接触球轴承。，此处尺寸根据轴承安装来确定。由于轴在加工磨削的过程中，需要加螺纹，因此需要加退刀槽，因此最大轴径为。丝杠的长度根据所需要的行程可以确定，X方向估算尺寸初步定为350mm，Y方向尺寸定为450mm，Z方向尺寸定为270mm。3.3.2丝杠轴的刚度校核轴若不进行刚度校核，无法保证轴的正常使用以及与其连接的各部分零件的运动，甚至影响轴承的使用情况，加快损坏。综上，必须要对轴承进行校核。而校核的两个重要参数就是挠度以及偏转角来度量。将丝杠轴简化，两端简化成两个支点。将所用力简化成集中力，并作用于中点处，因为处于中点时丝杠轴的挠度最大。也就是对工作台的精度影响最明显。假设集中重量5kg。丝杠轴横截面的惯性矩为当集中力作用时会引起中点处产生挠度和转角，分别为(3-15)(3-16)式中——集中力，取；——丝杠轴中心到两支点距离，取；——弹性模量，取。由公式（3-15），（3-16）得许用挠度与许用转角：而故刚度满足要求。3.4轴承的选择及寿命计算3.4.1轴承的选择轴承的分类方法有很多，针对于本次的设计，初步选择角接触球轴承，角接触球轴承的安装方式一般选择成对安装，主要为了可以承受较大的径向载荷[34]。由于与轴承相连接处轴径已确定，根据机械手册可查的相配合的角接触球轴承。最后选择的轴承型号7002C，基本额定载荷Cr为4.8kN,C0r为2.95kN。轴承尺寸如图3-2所示。图3-2角接触球轴承尺寸图3.4.2轴承的寿命计算轴承在承受负荷旋转时，由于各个滚动面不断地受到交变负荷的作用，即使使用条件正常，也会因材料疲劳使滚道面出现损伤，这种损伤即为轴承的寿命[35]。不过这些损伤也可以通过轴承的合理选择，安装方式以及加润滑装置等减轻或避免。轴承寿命计算公式为(3-17)式中——寿命指数，对于球轴承，，滚子轴承；——基本额定动载荷，4.8kN；——当量动载荷，；——轴承工作转速，。轴承的额定动载荷应为(3-18)式中——工作温度为——温度系数，取——一般轴承的额定动载荷，N。滚动轴承当量动载荷计算公式(3-19)式中——轴承径向载荷，N；——轴承轴向载荷，N；——径向系数，由机械手册，取；——轴向载荷系数，查手册可得，；——载荷性质系数，对于电机类无冲击设备，取。所以轴承的使用寿命由公式(3-17)，(3-19)。其他轴承规格相同，查表可知设备预期寿命为20000~30000小时，因此合格。3.5轴承端盖的选择轴承端盖用来轴向固定轴承，承受轴向力，还可以调整轴承的间隙，于轴承端盖，共分为两类，一类是凸缘式轴承盖，另一类是嵌入式轴承盖[36]。凸缘式轴承盖利用螺钉固定箱体，结构尺寸大，但是拆装方便。嵌入式轴承盖结构紧凑，但只能用于沿轴承轴线剖分的箱体中。综上，本次设计选用凸缘式轴承盖。材料选择HT150，灰铸铁，属于中强度铸铁件，铸造性能好，工艺简单，铸造应力小，可不用人工时效，有一定机械强度和良好的减震性[37]。最小抗拉强度150MPa，可根据轴承的尺寸并参考机械手册，查表来确定轴承端盖的尺寸并确定端盖螺钉处的直径及数量。3.6挤出部分的选择对于挤出部分，同样需要电机，经过联轴器带动螺杆转动，并通过螺纹旋转使奶油顺利挤出，从而实现挤出的方式。上部分已经将电机以及联轴器进行了选择，针对于螺杆挤出部分，参考大量实际产品，可以选用材质为不锈钢，尺寸为M12×160mm的螺杆。对于机筒结构，按挤出机的类型，功能以及产品的制造过程条件可以分为整体式和分段式。整体式机筒利用机械加工方法可以保证机筒的精度要求。而对于分段式，在连接处会影响热传递的均匀性，从而造成不必要的热量消耗。综上，本次设计选择整体式，根据所选择的螺杆的尺寸即可得到机筒尺寸。

第四部分控制系统设计为了保证设备的正常运行，针对本次设计，对电路控制部分进行系统分析。总体来说可以分为，单片机最小系统的选择，液晶显示电路，通讯装置的电路，步进电机的驱动电路以及进行编辑的按键部分[38]。4.1单片机最小系统的选择本次设计所用的是STM32型单片机所构成的典型最小系统，其系列的微控制器外设为产品开发带来了出色的扩展能力。按性能大体分为基本型系列STM32F102，和增强型系列STM32F103。增强型系列产品性能和功能与基本型相比更高，而且还可以实现高速的运算。因此本次设计所采用的单片机型号为STM32F103RBT6。1、微控制器芯片，选择STM32F103RBT6；2、时钟电路，所有的数字系统都是一步步按照节奏进行的，让各个节奏都统一进行，需要时钟信号，而产生此种信号即为时钟电路[39]。对于STM32系列，有两个时钟源，Y1为32.768KHZ晶振，为RTC即时钟芯片提供时钟。Y2为8MHZ晶振，主要使整个系统按节奏进行；3、复位电路，采用按键以及保护电阻和电容构成，可以防止CPU发生错误指令，避免执行错误的操作，是一个电路必不可少的部分[40]；4、启动装置，STM32有两个管脚，BOOT0以及BOOT1。不同的电平使系统有不同的启动状态。BOOT1=X，BOOT0=0。此时设备正常进行工作。BOOT1=0，BOOT0=1。从系统存储器启动，模式功能由生产商确定。BOOT1=1，BOOT0=1。用于调试模式。5、程序下载，主要用于芯片的内部调试。6、I/O口，本次设计所有I/O口通过插针引出，方便扩展。7、电源，由于STM32工作电压为3.3V，常用电源为5V，因此可以通过电源转换芯片将电压进行转换。单片机型号如图4-1所示。图4-1最小系统电路图4.2显示电路的选择设计对于液晶显示所需要的芯片，初步选择LCD1602，有16个引脚。现对其各个引脚功能做简要说明。1、VSS电源地；2、VCC接3.3V电源正极；3、液晶显示器对比度调整端，在接电源的正极时对比度是最弱的，接地时对比度最强，可是过高的对比度会使显示器出现重影，因此要加一个10K的电阻以调整对比度[41]；4、RS寄存器，他是存放数据的一个小区域，在高电平（1）时选择数据寄存器；在低电平（0）时选择指令寄存器[42]；5、RW读写选择引脚，与寄存器工作原理类似，在高电平（1）时为读，在低电平（0）时为写[43]；6、EN使能端，他是执行命令的使能引脚，也可以说是电路的一个输入接口；7、D0至D78位双向数据端；8、背灯电源正极可以加一个限流电阻接入电源正极；9、背灯电源负极接地。液晶显示电路如图4-2所示。图4-2液晶电路LCD1602工作时分为四个状态1、读状态：输入RS=0，RW=1，E为高脉冲，则输出的D0至D7为状态字；2、读数据：输入RS=1，RW=1，E为高脉冲，则输出的D0至D7为数据；3、写命令：输入RS=0，RW=0，E为高脉冲，则输出为无；4、写数据：输入RS=1，RW=0，E为高脉冲，则输出为无。4.3通讯部分选择设计对于通讯装置电路，由于现在大多数电脑已经大多不存在串口，因此需要一款转接芯片,实现USB转串口。初选通讯芯片为CH340G,此芯片性能足够，而且成本特别低。对于下载过程，可以先通过上电，将BOOT0拉高，再通过RXD以及TXD，两个引脚进行接收数据和发送数据，将下载好的程序转入单片机，复位即可运行。对于USB，其引脚中有两条是接入电源的正负两极，还有一对差分信号，即D+,D-是连接数据的。其余的一个引脚是，NC，不与任何接口相连接。芯片正常工作时需要外部向X1引脚提供12MHZ的时钟信号，外围电路只需要在XI和XO引脚之间连接一个12MHz的晶体，并且分别为X1和X0引脚对地连接振荡电容[44]。通讯电路如图4-3所示。图4-3通讯电路芯片各个引脚功能如表4-1所示。表4-1引脚功能图VCC电源输入端GND公共接地V3与VCC直接相连X1晶体振荡输入端，外结晶体及电容NC空脚，必须悬空TXD串行数据输出X0晶体振荡输出端，外结晶体及电容D+直接接到USB总线D+数据线D-直接接到USB总线D-数据线RXD串行数据输入4.4按键部分与电源电路选择设计键盘在单片机应用系统中，主要进行实现输入数据、传送命令的功能。大体分为两大类：编码键盘和非编码键盘，二者相比之下，非编码键盘只是简单的提供行列矩阵，操作设计都相对简单[45]。故本设计采用独立式非编码键盘。

对于电源电路部分，可以选择型号为S-100-24的开关电源。可以将220V交流电转成24V直流电，从而驱动电压工作。再通过降压电容和7805稳压集成电路转5V电压，驱动键盘工作。最后通过单片机内部的电源电路实现单片机和其它部分的交流反馈。4.5电机电路选择设计由于单片机工作电压相对于电机正常工作电压特别小，因此必须借助电机驱动芯片来进行控制电机的正常运行。本次设计在考虑电机的电压及电流后，选择了一款型号为THB6064AH的步进驱动芯片。其特性如下：1、双全桥MOSFET驱动；2、最大电流4.5A,高耐压，50V直流电；3、可选择的细分：1/2，1/8,1/16，1/40等；4、四挡衰减方式可调节；5、内置保护电路。各引脚及功能描述如表4-2所示。表4-2驱动芯片引脚功能图编号符号功能描述1ALERT温度保护及过流保护2SGND信号地外部与电源地相连3DCY1衰减方式控制端4DCY2衰减方式控制端5VREF电流设定端6VMB电机驱动电源B相电源与A相电源相连7M1细分数选择端8M2细分数选择端9M3细分数选择端10OUT2BB相功率输出端11NFBB相电流检测端12OUT1BB相功率输出端13PGNDBB相驱动电源与A相电源地及信号地连接14OUT2AA相功率输出端15NFAA相电流检测端16OUT1AA相功率输出端17PGNDA驱动电源地线18ENABLE使能端19RESET复位端20VMAA相电机驱动电源与A相电源相连21CLK脉冲输入端22CW/CCW正反转控制端23OSC2斩波频率控制端24VDD5V芯片电源25Down半流锁定控制端步进电机驱动芯片如图4-4所示。图4-4驱动芯片电路图需要补充说明的是M1，M2，M3在高低电平的不同会影响细分情况，具体情况如表4-3所示，其中1代表高电平，0代表低电平。表4-3细分状态M1M2M3细分数0001/20011/80101/100111/161001/201011/321101/601111/64DCY1，DCY2通过上表可以看出它代表衰减方式的控制端。通过控制不同的电位，可以得到不同的衰减方式，如表4-4所示。其中1代表高电位，0代表低电位。表4-4不同条件衰减方式DCY1DCY2衰减方式0020%快衰减1040%快衰减0160%快衰减1180%快衰减通过控制接入引脚中CW与CCW不同的电位情况，从而控制电机进行正转与反转。

结论本文通过分析国内外奶油3D打印机的发展前景以及企业大量实品打印方式及过程的研究后，在此基础之上设计了一款桌面型的奶油3D打印机，对机械及电路部分进行了系统设计，主要完成工作如下：（1）首先走访企业，对奶油3D打印机在市场上的需求做足够的调研，然后对其结构进行了解。共设计三种方案，经过对各个实际情况的分析考虑，选择了一款最合理的方案，即XYZ结构打印机。（2）对于运动部分，三个轴方向很相似。因此设计原理都是通过步进电机经联轴器带动丝杠螺母实现直线运动。分别设计各零件并校核。（3）挤出部分，通过电机经联轴器带动螺杆转动，螺杆利用内部螺纹的相互啮合空间容积变化，使奶油可以相对平稳的速度挤出。（4）为保证精度，传动方式选用滚珠丝杠螺母副，电机选用步进电机[46]。（5）控制系统采用STM32系列单片机，因为电机采用步进电机，因此选择步进驱动芯片，进行电机驱动，为了显示各个电机运行状态，因此可设计液晶显示部分。通过限位开关进行各个轴向的限位，并设计键盘控制部分来进行输入数据并传送命令，整体的控制部分相对简单。本次设计的桌面型奶油3D打印机，其原理简单，易于操作，精度与效率都比较高。但是本设计不足之处也有很多，各个部分支撑都需要钢板，因此安装与拆卸很不方便，由于设计为桌面型打印机，形成范围也是有限制，仍需要改进。致谢在论文完成之际，首先，我要感谢我的指导老师林海鹏老师。由于基础比较薄弱，需要指导的地方很多，老师总是耐心的指导我，并给予我最大的帮助，无论是从刚开始的查找相关资料，还是图纸分析，以及电路指导和最后的编写说明书，李老师都在很负责的指导我们，经常与学员们进行深刻的交流与探讨。每次在遇到难题的时候，老师都尽自己最大的努力，帮助我们攻克难关，也会提出中肯的意见。其次，我还要感谢在我毕业设计过程中那些可以耐心帮助我的同学们，在毕设的道路上总是有一些难懂的问题，同学们互相沟通，避免我们走了很多弯路，在即将毕业之时，也送上我诚挚的感谢。最后，我还要感谢所有的老师，他们不辞辛苦，无论何时，总是在我们不懂问题的时候，悉心指导我们，感谢他们的认真讲解，再次送上衷心的感谢！

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