無線網絡FDM型3D打印機設計

于娟 劉琦 周凱強 王兵

（攀枝花學院智能制造學院 四川省攀枝花市 617000）

1 引言

隨著現代科技的迅猛發展，3D 打印機技術越來越成熟，它的應用領域非常廣泛，主要應用在教育、醫療、家庭生活等。不僅如此，3D 打印機涉及的知識有自動控制、機械結構、電子信息、計算機等，它作為一種創新的制造技術，已經在逐漸的改變全球制造業的格局。不管在生活中，還是科技領域，3D 打印技術的身影都有出現，它的作用是非常重要，所以具有很好的學術研究價值[2]。

2 系統總體方案設計

本設計是基于ATmega2560 單片機的3D 打印機系統，采用C/C++編程語言進行軟件開發；以ATmega2560 單片機作為微控制芯片，其中通過處理切片軟件的G-code，設置熱床溫度值，打印噴頭溫度值，XYZ 各軸上限值，打印材料擠出速率，每層打印厚度等，然后開始根據G-code 的運動軌跡數據來控制XYZ 各軸步進電機，打印3D 模型，其中也包括對打印速度的控制，對人機交互頁面的顯示等。

系統電路主要由以下幾部分構成：ATmega2560 單片機最小系統，電源電路，溫度采集電路，溫度控制電路，步進電機電路，限位開關電路。硬件結構設計如圖1所示。

3 硬件設計部分

3.1 驅動電路

本設計各個驅動電路的設計考慮到重新自主設計成本高，難度大，所以一些復雜的采用模塊化設計。其中使用了電機驅動模塊，LCD 顯示模塊；溫度控制驅動電路使用大電流的N 通道MOS 管作為開關元件，設計出了使用PWM 控制電流大小的控制電路[3]。

3.2 電源電路

本設計系統需要穩定的+12V 直流電壓，由開關電源為系統供電，電源電路分為12V 和5V、3V。12V 作為步進電機驅動模塊，溫度控制模塊的主電源電壓。5V 為LCD 電壓，3.3V 為單片機最小控制系統電壓。電源電路中，要設計保險絲與單向二極管保護電路，并聯高頻濾波電容，以達到輸出穩定電壓的目的。

3.3 系統電路設計

由Altium 軟件設計系統電路原理圖[4]，如圖2所示。

4 軟件設計部分

本設計的程序軟件部分主要分為溫度采集、PWM 輸出、步進電機脈沖輸出、顯示、串口通信；其中步進電機脈沖輸出的驅動程序最為重要，程序主要通過串口接收打印數據[5]，然后進行數據分析，得出步進電機運行參數[6]，控制步進電機完成3D 模型的打印。軟件設計流程如圖3所示。

圖1：硬件結構設計圖

圖2：系統電路設計圖

5 系統調試

本設計調試分為單片機調試和聯機調試。單片機調試，先完成步進電機控制噴頭能夠準確到達一個定點，即完成步進電機控制調試。然后調試溫度控制程序。溫度調試好后，調試噴頭出料程序，分步調試后，再使用PC 機發送數據進行聯機調試。聯機調試先確定打印速度和噴頭出料速度，然后設置合適的切片方式，方可正確打印出3D 模型。

常見問題如下：

圖3：軟件設計流程圖

問題描述：經常燒壞主控板、拓展板、步進電機驅動器。

原因分析：

（1）線路中存在正負極接反的現象。

（2）供電電壓不穩定，長時間超過12V。

（3）拓展板供給額定電壓為12V，主控板額定供給電壓為5V，誤將12V 電壓也作為主控板的供給電壓，導致主控板燒壞。

（4）打印時間長，控制板散熱不好，導致過熱燒壞。

（5）傳動負載大，為保證步進電機不丟步，主動調節步進電機驅動器電阻，增大電流，電流過大導致驅動器燒壞。

正確做法：

（1）仔細檢查線路是否有錯，通電前用相關儀器檢查線路是否合理。

（2）主控板與拓展板分開供電，主控板用專用充電器供電或者用電腦USB 供電，拓展板用質量較好輸出電壓為12V 較穩定的電源供電。

（3）驅動器上裝散熱片，控制板部分安裝獨立風扇，保證工作過程中控制板的散熱。

（4）機器傳動件經常加潤滑油，保證運動流暢。

問題描述：打印過程中出現斷層。

原因分析：傳動絲杠摩擦力過大，導致步進電機失步從而使打印中心發生偏移。

解決辦法：

（1）調節步進電機驅動器上面的可調電阻，使驅動器電流增大，從而增大步進電機扭矩，防止電機失步。

（2）選用功率較大的步進電機。

（3）保持絲杠、導軌等傳動件潤滑，減少摩擦。

（4）絲杠及導軌裝配精度要求高，同軸度、平行度、垂直度要求高。

問題描述：打印物表面不均勻。

原因分析：

（1）噴頭吐絲不均勻，時快時慢，主要因為擠出頭電機齒輪不夠鋒利，或者彈簧彈力不夠，導致與絲材摩擦力不夠，出現進絲速度不穩定，不按預定速度進絲，從而出現吐絲不均勻。

（2）噴頭喉管內徑過小，容易卡絲，使得出絲速度受影響。

（3）絲材加熱溫度不夠，同種材料不同廠家生產的融化溫度也會有不同，熔化不充分導致吐絲受影響。

解決辦法：

（1）更換噴頭步進電機上的擠出齒輪。

（2）調節噴頭上進絲擠壓彈簧，使得絲材所受摩擦力適中。

（3）換內徑稍大的喉管。

6 結束語

在經過對制作的3D 打印機進行測試后，系統能通過接收到的3D 模型打印數據，進行快速打印，并且液晶顯示屏能夠實時顯示打印機的各項數據，打印過程安全且穩定。打印出的模型經過測量后分析，精度在0.5mm 內[7]，強度可以代替實物進行使用。