基于 Cortex的智能3D打印機設計

北京聯合大學城市軌道交通與物流學院 肖鶴鵬 謝鑫龍 孫博輝

北京聯合大學工科綜合實驗教學示范中心 許匯冬

1.總體框架

本設計的目的是研究一個能夠鏈接網絡，具備無線傳輸，可實現人機交互功能的的一款智能3D打印機。以實現自動化智能技術在3D打印機上的應用。該款3D打印機以F103ZET6為核心的的CPU構成主控系統，輔助以X,Y,Z,軸框架系統，電機驅動系統，溫度控制系統，轉速控制系統，無線網絡系統，觸摸屏操作系統，供電系統構成分系統。可采用WIFI技術與上位機通信進行數據傳輸并進行監控，每個分系統之間相互獨立，互不干擾。由供電系統為3D打印機各個分系統提供運行所需的能量；電機與驅動電路構成動力系統為3D打印機提供動力，溫控器為3D打印機提供溫度控制；XYZ軸打印機系統的基本框架；觸摸屏可以簡單的調試3D打印機各個部分的運動，更好的進行人機交互。由于實驗環境所限，本文僅對此系統進行簡單說明以及設計，并且給出一個簡單模型。其系統整體框架圖如圖1.1所示。

圖1.1 系統整體框架

2.下位機設計

2.1 電機控制

電機驅動的設計方案為多個電機同時工作，用了PID算法對其進行控制。PID調試就是根據給定的偏差值，按照比例函數、積分函數、微分函數關系進行計算,將計算出的成果用來執行控制,將基本PID 算式離散化可得到位置型PID 算法進行控制,對位置型PID 進行調動可獲得增量型PID 算法。選擇了增量型的算法來解決步進電機的轉停和對位置的校正。

電機驅動方面選擇7TCSM4210微型步進電機驅模塊進行驅動。

通過改變其驅動芯片輸入引腳高低電平的狀態，對步進電機進行正傳，反轉以及轉速的控制。

2.2 WIFI通信控制

本設計在3D控制上面添加了一個WIFI通信模塊，使得無線網絡與3D打印件進行了融合，形成一個具有無線操作功能的智能3D打印機統.先要對其進行通信協議的編寫。首先要RLC（鏈路控制）上層主要實現對RLC低層處理數據每個部分的分割和重組、加密和解密、傳輸差錯控制和各種數據邏輯鏈路的創立、釋放、配置等功能。RLC子層由多個RLC實體和控制實體組成。本模塊支持通過指定信道號的方式來進行快速聯網。無線聯網過程中，首先對當前的所有接收到的信號進行一次掃描，搜索準備連接的目的AP創建的無線網絡。串口WIFI模塊提供了設置工作信道的參數，在已知目的網絡所在信道的條件下，直接指定模塊的工作信道，從而達到加快聯網速度的目的.在已經建立好的局域網中讓打印機與PC進行無線連接，完成通信協議的編寫以及無線網絡的傳輸。

通過WIFI芯片AR9331裝在3D打印機上，使用該芯片的WIFI模塊進行數傳。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協議的微型單天線芯片，CPU主頻達400MHz以上，采用MIPS架構。該模塊符合國際標準的802.11 b/g/n協議，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基帶調制技術，能夠試用各種路由器以及無線網絡設備的局域網路。最大連接速率可達150Mbps。

2.3 觸摸屏設計

本次3D打印機設計引入的是FG結構的4/8線電阻式觸摸屏，觸摸屏的界面和語言設計，使用了BMPtoBIN軟件進行頁面設計，以及語言的設定。設定好之后對其進行操作看打印機是否按照指令工作。

3.底層程序設計

基于STM32的控制板對整體的零部件進行控制，3D打印機底層控制程序模采用模塊化編程思路，將每個功能獨立為單個函數模塊，分配給單片機的I/O口后，將每個功能單獨編寫函數，最后將模塊進行組合，完成底層程序的設計。如圖3.1所示:

圖3.1 底層程序設計圖

4.打印機軟件

打印程序用STL文件轉換成打印機可以讀取的gcode.代碼文件，并將該程序文件的數據信息通過WIFI網絡傳輸到3D打印機芯片。3D打印機快速固件辨認此3d數據信息，通過芯片控制來進行打印各部分的執行指令做出相應的指令動作。

圖5.1 控制流程圖

使用一套通用的3D打印機程序與打印機固件實現交互通訊，輸入的文件格式現在僅有STL圖形文件，絕對多數的3D設計軟件文件格式為STL，再將其轉換成gcode程序文件做打印文此，因為設計師需要用額外的切片軟件來轉換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換成gcode.格式文件，因為打印機無法識別圖片只能識別程序文件。其次3D打印機終端對WIFI、步進電機及加熱頭等模塊初始化完成后，開始等待PC端發出的打印命令。一旦PC端發出打印命令，3D打印機信號端接收到命令后，開始識別并且數據，為節約時間，在識別打印數據的同時，對擠壓頭及熱床準備預熱。當檢測到數據接收完成，熱度等達到預設值后，啟動打印，并將打印速率、擠壓頭及熱床熱度值等信息實時回傳到無線終端的應用軟件上呈現出來，直到打印完成。控制流程圖如圖5.1所示。

6.調試結果

本設計將3D打印機與WIFI通信，觸摸屏，進行了融合，形成了一套可以實現網絡傳輸，監測3D打印機打印的情況，還可以直接通過觸摸屏對打印機進行操作，是之前復雜操作變得更加便捷。在主板上擴展了SD卡存儲模塊，可以將想打印的文件存儲到SD卡中，可以省去PC端的有線連接，也省去隨時帶著電腦去進行復雜操作。插好SD卡后，用觸摸屏對卡內的文件進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，讓打印機的操作更加便捷，工作原理更加的智能化.經過這些對原有的打印機升級改造，讓其更加智能化。經過城市間的調試和改造，打印機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。

[1]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1988.

[2]劉守義.單片機應用技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007.

[3]劉紅光,楊倩,劉桂鋒,劉瓊.國內外3D打印快速成型技術的專利情報分析[J].2013-06.

[4]李青.3D打印—一種新興的學習技術[C].2013-05-15.

[5]孫曉林.3D打印技術[2]的應用[J].2013-07-13.