基于STM32的智能全絲桿3D打印機(jī)

汪林齊 胡澤鵬 葉露 王焱 趙志威

摘 要：為解決傳統(tǒng)打印機(jī)生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低下等問題，設(shè)計了一款基于STM32的智能全絲桿3D打印機(jī)。該打印機(jī)采用四絲桿傳動，可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，摩擦阻力小，精度高，具有較好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：STM32;3D打印機(jī)

1 研究背景

3D打印思想起源于19世紀(jì)末的美國，當(dāng)下3D打印技術(shù)正在普及，可用于工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。3D打印的出現(xiàn)帶來了世界性制造業(yè)革命，它無需機(jī)械加工或模具就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體， 從而極大地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率。3D打印技術(shù)市場潛力巨大，勢必成為未來制造業(yè)的眾多突破技術(shù)之一，但3D打印技術(shù)仍有待完善。研究發(fā)現(xiàn)，市場上的FDM式3D打印機(jī)目前仍然存在較多問題。

（1）大多采用皮帶和同步輪傳動，精度和抗震性都存在一定限制。同步帶3D打印機(jī)的同步帶需扎緊、固定，若發(fā)生同步帶斷裂，則需全部拆除重新更換;同步帶傳動需要同步輪和同步帶配套，計算每毫米步數(shù)不僅繁瑣且易錯;摩擦阻力大，需要安裝扭力張緊裝置，但該裝置會影響打印尺寸的范圍，并且電機(jī)丟步時，不便于判斷故障位置。

（2）當(dāng)前市場上的3D打印機(jī)模塊化程度低，安裝復(fù)雜，現(xiàn)有的商業(yè)成品機(jī)集成度高，價格昂貴，DIY套件零件復(fù)雜，對于初學(xué)者來說門檻較高，導(dǎo)致許多人望而卻步。

（3）隨著智能手機(jī)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備都可以和智能手機(jī)互聯(lián)，極大地方便了工作及生活。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場上的絲桿傳動3D打印機(jī)僅極少部分可以通過移動設(shè)備進(jìn)行控制。

2 優(yōu)化及創(chuàng)新設(shè)計

由于傳統(tǒng)同步帶存在的缺陷，我們考慮采用四絲桿傳動，即用絲桿取代皮帶傳動，其優(yōu)點(diǎn)主要存在于滾珠絲杠的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率等特點(diǎn)。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備和精密儀器。將絲桿引入3D打印機(jī)不僅很好地解決了傳統(tǒng)皮帶易斷裂、摩擦阻力大的問題，且其精度高，避免了同步帶傳動帶來的一系列問題。絲桿模型如圖1所示。

該3D打印機(jī)主控板基于STM32F104型微處理器，STM32F系列屬于中低端32位ARM微控制器，由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核為Cortex-M3。該處理器具有串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口，8個定時器（每個定時器有多達(dá)4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入），1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級控制定時器，2個看門狗定時器（獨(dú)立型和窗口型）。系統(tǒng)時間定時器具有24位自減型計數(shù)器，9個通信接口，2個I2C接口（支持SMBus/PMBus），3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制），2個SPI接口，CAN接口，USB 2.0全速接口。因此，相比市場上3D打印機(jī)使用較多的Mega2560處理器運(yùn)行更加穩(wěn)定高效。

由我們自主設(shè)計研發(fā)的基于STM32的智能全絲桿3D打印機(jī)的四個軸高度模塊化，安裝簡單，可以自主設(shè)計尺寸、機(jī)架結(jié)構(gòu)、型材數(shù)量與規(guī)格，總體成本低于1 000元，但打印效果可與2 000元以上的商業(yè)機(jī)相媲美。模型架構(gòu)如圖2所示，機(jī)器渲染圖如圖3所示，機(jī)器成品如圖4所示。

從市場調(diào)研來看，目前市面上很少有采用絲桿傳動并通過移動設(shè)備控制的3D打印機(jī)。為實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)功能，我們在3D打印機(jī)上搭載有WiFi模塊，可通過手機(jī)APP進(jìn)行控制，更加方便快捷。

同時，在控制系統(tǒng)方面，該機(jī)器可自主進(jìn)行某些關(guān)鍵部位的加工（鉆孔、磨削）。針對電機(jī)丟步問題，我們進(jìn)行了深入研究，采取了一系列解決措施，較為完滿地解決了模型錯層問題。我們團(tuán)隊(duì)在最近兩年對絲桿傳動的3D打印機(jī)做了深入研究，解決了市面上絲桿傳動器械經(jīng)常出現(xiàn)問題的情況。

3 商業(yè)發(fā)展前景

國內(nèi)申請從事3D打印事業(yè)的企業(yè)可以申請兩年免稅的優(yōu)惠。